DE69701005T2

DE69701005T2 - Heizelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69701005T2
Application number: DE69701005T
Authority: DE
Inventors: Rene L. Paquet; Eric Vanlathem
Original assignee: Dow Corning SA
Current assignee: Dow Silicones Belgium SPRL
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: DE69701005D1; KR970063298A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Heizelemente und ein Verfahre zu deren Herstellung. Heizelemente sind auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt. Beispielsweise beschreibt die EP-A- 0 248 781 ein Heizelement, das eine isolierende Trägerfolie mit einer auf eine ihrer Flächen applizierten elektrisch leitfähigen Schicht umfaßt. Die elektrisch leitfähige Schicht rührt von einer Zusammensetzung her, die aus in einem in organischen Lösungsmitteln löslichen Siliconharz dispergierten hohlen Rußteilchen besteht. Diese Zusammensetzung wurde durch Hitzeeinwirkung gehärtet, wobei eine elektrisch leitfähige Schicht hergestellt wurde.
Ein Problem bei auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannten Heizelementen ist ihr schlechtes mechanisches Verhalten und Verhalten beim Erwärmen nach wiederholter Einwirkung hoher Temperaturen (von beispielsweise 200ºC) und bei hohen Energiedichten (von beispielsweise > 10 W/cm²). Dieses schlechte Verhalten kann thermisch erzeugte Spannungen und unerwünschte Heißstellen, die häufig zu einem Versagen der Vorrichtung führen, umfassen. Bei derartige Heizelemente umfassenden Baugruppen kommt es beispielsweise häufig bei Anlegen von 220 V nach einer relativ kurzen Zeitdauer (von beispielsweise 50 h oder weniger) zu einem Versagen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Heizelement mit einem besseren Verhalten, insbesondere bei hohen Energiedichten und hohen Temperaturen, bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung liefert in einem ihrer Aspekte ein Heizelement, das ein Substrat, eine erste Materialschicht auf der Oberfläche des Substrats, die elektrisch isolierend ist und durch Härten einer ein Siliconharz umfassenden Zusammensetzung erhalte wurde, eine zweite Materialschicht auf der Oberfläche der ersten Schicht, die elektrisch resistiv ist und durch Härte einer ein Siliconharz und elektrisch leitendes Material umfassenden Zusammensetzung erhalten wurde, mindestens zwei an die zweite Schicht gebundene, getrennte Bereiche aus einem dritten Material, die jeweils elektrisch leitend sind und mit einer Stromquelle verbunden werden können, wobei die Flächen des dritten Materials durch Härten einer ein Siliconharz und ein elektrisch leitendes Material umfassende Zusammensetzung erhalten wurden, wobei die Siliconharze der Schichten miteinander und mit dem Substrat kompatibel sind und gegenüber einer durch das Heizelement zu erreichenden Temperatur beständig sind, umfaßt.
In einem weiteren ihrer Aspekte liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelements durch Bereitstelle eines Substrats, Applizieren einer ersten Zusammensetzung, die ein Siliconharz umfaßt, auf die Oberfläche des Substrats, Härten der ersten Zusammensetzung unter Bildung einer elektrisch isolierenden Schicht, Applizieren einer zweiten Zusammensetzung, die ein Siliconharz und einen elektrisch leitfähigen Füllstoff umfaßt, zur Herstellung eines elektrischen Widerstandselements auf der elektrisch isolierenden Schicht, Erwärmen der zweiten Zusammensetzung während einer ausreichenden Zeit und bei einer ausreichenden Temperatur, um die zweite Zusammensetzung teilweise zu härten, Applizieren einer dritten Zusammensetzung, die ein Siliconharz und einen elektrisch leitfähigen Füllstoff umfaßt, zur Ausbildung von elektrisch leitfähigen Elementen auf mindestens zwei getrennten Bereichen der zweiten Zusammensetzung, die sich jeweils für einen Anschluß an eine Stromquelle eignen, und Härten der zweiten und dritten Zusammensetzung, wobei die Siliconharze der Schichten miteinander und mit dem Substrat kompatibel sind und gegenüber einer durch das Heizelement zu erreichende Temperatur beständig sind.
Überraschenderweise können bei Anschließen derartiger Heizelemente an 220 V Energiedichten von mehr als 10 W/cm² und Temperaturen von 250ºC oder mehr erreicht werden und während Zeiträumen von mehr als 1000 h aufrechterhalten werden, ohne daß ein Versagen auftritt. Derartige Eigenschaften gewährleisten, daß die erfindungsgemäßen Heizelemente den europäischen Standard EN60335-1 bezüglich Hochspannungsisolierung Leckstrom bei Raumtemperatur erfüllen.
Das zur Herstellung der elektrisch isolierenden Schicht, der elektrischen Widerstandsschicht und der elektrisch leitfähigen Bereiche des Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Siliconharz kann gleich oder verschieden sein und ist lediglich durch seine Kompatibilität zueinander und zu dem Substrat, die Fähigkeit, auf das Substrat appliziert und zu einem festen Material ausgehärtet werden zu können, und die Beständigkeit gegenüber einer durch das Element zu erreichende Temperatur eingeschränkt. Vorzugsweise besitzen die in jeder dieser Schichten verwendeten Silicone die gleiche oder eine ähnliche Modul-gegen-Temperatur-Kurve, um die Erzeugung von Spannungen bei wiederholtem Erwärmen der Vorrichtungen zu verhindern.
Solange die obige Aufgaben gelöst werden, kann nahezu jedes beliebige Siliconharz verwendet werden. Derartige Harze sind auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt und können nach bekannt Techniken hergestellt werden. Im allgemeinen besitzen diese Harze die folgende Struktur:
(R¹R²R³SiO0,5)w(R&sup4;R&sup5;SiO)x(R&sup6;SiO1,5)y(SiO4/2)z
In dieser Struktur sind R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5; und R&sup6; unabhängig voneinander aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatom(en) ausgewählt. Die Kohlenwasserstoffe können Alkylreste, wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl und dgl., Alkenylreste, wie Vinyl, Allyl und dgl., sowie Arylreste, wie Phenyl, umfassen. w, x, y und z in dieser Struktur stellen den Molanteil der Einheiten dar, wobei die Summe aus w + x + y + z = 1 ist. Im allgemeinen ist jeder beliebige Wert für w, x, y und z, der zur Bildung eines verzweigten Polymers (Harz, DS < 1,8) führt, hier möglich (d. h. y oder z > 0). Die Gemische aus Harzen eignen sich hier auch.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stehe einige der obigen Gruppen R für Phenyl. Derartige Materialien bilden häufige bessere Überzüge und besitzen bessere Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Besonders bevorzugte Siliconharze umfassen Einheiten der Struktur [MeSiO3/2], [MePhSiO3/2], [PhSiO3/2] und [Ph&sub2;SiO2/2], worin Me für eine Methylgruppe und Ph für eine Phenylgruppe stehen. Derartige Harze sind auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt und im Handel erhältlich.
Im allgemeinen werden Siliconharze in Lösungsmitteln verdünnt/gelöst, um sie hier zu verarbeiten. Geeignete Lösungsmittel sind auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt und können beispielsweise organische Lösungsmittel, wie aromatische Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Xylol, Benzol oder Toluol), Alkane (beispielsweise n-Heptan, Decan oder Dodecan), Ketone, Ester, Ether oder anorganische Lösungsmittel, wie Dimethylpolysiloxane mit niedrigem Molekulargewicht, umfassen. Die verwendete Lösungsmittelmenge schwankt in Abhängigkeit von dem Harz, beliebigen Additiven und der Verarbeitung, sie kann jedoch beispielsweise in einem Bereich zwischen etwa 10 und etwa 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Harzes, liegen.
Die erste Materialschicht gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie elektrisch isolierend ist (isolierendes Element). In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Schicht ferner thermisch leitfähig, um eine hohe Wärmemenge aus der elektrischen Widerstandsschicht zu übertragen.
Zur Erreichung einer elektrischen Isolierung und thermischen Leitfähigkeit umfaßt die erste Schicht häufig einen Füllstoff neben dem Siliconharz. Geeignete wärmeleitfähige, elektrisch isolierende Füllstoffe sind auf dem einschlägige Fachgebiet bekannt und können beispielsweise Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirconiumdiborid, Bornitrid, Siliciumoxid, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxid, Gemische der obigen Bestandteile und dgl. umfassen. Im allgemeinen sind diese Füllstoffe in einer Menge von mehr als 30 Gew.-%, beispielsweise in Mengen von 50-90 Gew.-%, vorhanden.
Die zweite Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie elektrisch resistiv ist (Widerstandselement). Um dies zu erreichen, ist das Siliconharz mit ausreichend elektrisch leitfähigen Füllstoffen beladen, um eine elektrische Widerstandsschicht (beispielsweise mit einem spezifischen Widerstand p > 0,1 Ohm·cm) zu bilden. Derartige elektrisch leitfähige Füllstoffe können beispielsweise Graphit, Ruß, Silber, Nickel, mit Nickel beschichtetes Graphit, mit Silber beschichtetes Nickel und Gemische der obigen Bestandteile umfassen. Die in dieser Schicht verwendete Füllstoffmenge schwankt in Abhängigkeit von dem Füllstoff, liegt jedoch im allgemeinen in einem Bereich von mehr als 5 Gew.-%, beispielsweise im Bereich von 10-80 Gew.-%.
Das dritte elektrisch leitfähige Material gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens zwei getrennte Bereiche umfaßt, wobei jeder Bereich sich zum Anschluß an eine Stromquelle eignet (leitfähige Elemente). Um dies zu erreichen, wird das Siliconharz mit ausreichend elektrisch leitfähigem Füllstoff beladen, um ein elektrisches leitfähiges Material (mit beispielsweise einem spezifischen Widerstand p < 10&supmin;³ Ohm·cm) herzustellen. Geeignete elektrisch leitfähige Füllstoffe umfassen beispielsweise Silber, Gold, Platin, Nickel und dgl. Die verwendete Füllstoffmenge beträgt im allgemeinen mehr als 40 Gew.-%, beispielsweise liegt sie in einem Bereich von 60-80 Gew.-%.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Heizelement eine vierte Schicht aufweisen, die die Oberfläche des elektrischen Widerstandselements (zweite Schicht) und der elektrisch leitfähigen Elemente (dritte Schicht) bedeckt. Diese Schicht schützt die Elemente vor der Umgebung (Feuchtigkeit, Chemikalien usw.) und bildet eine elektrisch isolierende Schicht aus.
Die vierte Schicht kann beliebige allgemein bekannte elektrische Schutzverbindungen, die in der elektrischen Industrie bekannt sind, beispielsweise Epoxyverbindungen, Polyimidverbindungen, PCBs, Silicone und dgl., umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die vierte Schicht aus einem Silicon mit der gleichen oder einer ähnlichen Modul-gegen-Temperatur-Kurve wie die ersten drei Schichten.
Jede der obigen vier Schichten kann ferner weitere Bestandteile enthalten, die in einer Formulierung von Siliconharzen üblich sind. Diese könne beispielsweise Füllstoffe, wie Quarzstaub oder Kieselgallerte, zerstoßen Quarz, Diatomeenerde, Calciumcarbid, Bariumsulfat, Eisenoxid, Titandioxid und dgl., Pigmente, Plastifizierungsmittel, Mittel zur Behandlung von Füllstoffen, rheologische Additive, Haftförderer und Wärmestabilisierungsadditive, wie Zirconium oder Titan enthaltende Methylpolysiloxane, umfassen. Die Anteile derartiger optionaler Bestandteile sind so abgestimmt, daß der Schicht die gewünschten Eigenschaften verliehen werden.
Die erfindungsgemäß verwendeten Substrate umfassen die, die üblicherweise für Heizelemente verwendet werden und die mit der Endverwendung kompatibel sind. Diese umfassen beispielsweise Metalle, wie eloxiertes Aluminium, Aluminium, nichtrostenden Stahl, emaillierten Stahl oder Kupfer oder ein nicht- metallisches Substrat, beispielsweise ein Polyimid oder Glimmer. Wenn das Substrat elektrisch isolierend ist und in wirksamer Weise die Wärme zu verteilen vermag, kann selbstverständlich die erste Schicht aus elektrisch isolierendem Material nicht notwendig sein. Das Substrat kann eine flache Platte oder ein Rohr sein oder kann eine beliebige andere Konfiguration besitzen.
Die erfindungsgemäßen Heizelemente können nach einem beliebigen gewünschten Verfahren hergestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werde die Heizelemente durch anfängliches Bereitstellen eines Substrats hergestellt. Die zur Herstellung der ersten Schicht verwendete obige Zusammensetzung, die ein Siliconharz umfaßt, wird anschließend auf die Oberfläche des Substrats appliziert. Dies kann nach einem beliebige der allgemein bekannten Techniken erfolgen. Diese umfasse beispielsweise ein Eintauchen, Besprühen, Lackieren, Siebdrucken usw.
Die zur Ausbildung der ersten Schicht verwendete Zusammensetzung wird anschließend gehärtet. Die zur Härtung der Zusammensetzung verwendete Zeit und Temperatur hängen von dem verwendeten Silicon sowie beliebige verwendeten Füllstoffen oder Additiven ab. Als Beispiel kann die Zusammensetzung jedoch durch ein- bis vierstündiges Erwärmen auf einen Bereich von 150-400ºC gehärtet werden.
Falls es gewünscht ist, können weitere Schichten aus dem isolierenden Material appliziert werden, um ein elektrisches Isolieren zu gewährleisten.
Nachfolgend wird die ein Siliconharz und ausreichend elektrische leitfähigen Füllstoff umfassende Zusammensetzung zur Herstellung eines elektrischen Widerstandselements auf die Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht appliziert. Diese Zusammensetzung kann nach einem beliebigen der oben für die erste Schicht beschriebenen Verfahren appliziert werden.
Die zur Herstellung der zweiten Schicht verwendete Zusammensetzung wird anschließend wie die erste Schicht gehärtet. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die zweite Schicht in dieser Stufe jedoch lediglich teilweise gehärtet. Unter dem Ausdruck "teilweise gehärtet" verstehen wir, daß die zur Herstellung der zweiten Schicht verwendete Zusammensetzung bis zu einem Zustand gehärtet wird, der ausreicht, um ein Hineindiffundieren der zur Herstellung der elektrisch leitfähigen Bereiche verwendeten Zusammensetzung in die zweite Schicht zu verhindern, die zweite Schicht jedoch nicht bis zu ihrem Endzustand gehärtet wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß die physikalischen Eigenschaften des Heizelements verbessert werden, wenn die zweite Schicht nicht vollständig gehärtet wird.
Die zum teilweisen Härten verwendete Zeit und Temperatur hängen von dem verwendete Silicon sowie von den Füllstoffen ab. Im allgemeinen kann die Zusammensetzung jedoch durch ein 30 s bis einige h dauerndes Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich von 100-300ºC gehärtet werden.
Das zur Herstellung der elektrisch leitfähigen Bereiche verwendete dritte Material, das ein Siliconharz und ausreichend elektrisch leitfähigen Füllstoff umfaßt, wird auf mindestens zwei getrennte und eindeutige Bereiche der elektrischen Widerstandsschicht appliziert. Diese Bereiche können beispielsweise auf der Oberfläche der elektrische Widerstandsschicht, auf den Enden der elektrischen Widerstandsschicht oder in einer beliebigen anderen Anordnung vorliegen. Diese elektrisch leitfähigen Bereiche gewährleisten jeweils einen Anschluß an eine Stromquelle. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das dritte Material an zwei verschiedenen entfernten Enden der elektrischen Widerstandsschicht appliziert. Dieses Material kann nach einem beliebige der oben für die erste Schicht beschriebenen Verfahren appliziert werden.
Die zur Ausbildung der elektrisch leitfähigen Bereiche (und der zweiten Schicht, falls sie nicht zuvor gehärtet wurde) verwendeten Materialien werden anschließend gehärtet. Wie bei den obigen Härtungsstufen hängen die zum Härte verwendete Zeit und Temperatur von dem verwendeten Silicon sowie den Füllstoffen und Additiven ab. Im allgemeinen können die Zusammensetzungen jedoch durch ein- bis vierstündiges Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich von 150-350ºC gehärtet werden.
Falls gewünscht, können die elektrischen Widerstandsschicht und die elektrisch leitfähigen Bereiche mit einer zur Ausbildung einer Oberflächenschutzschicht verwendeten Zusammensetzung beschichtet werden. Diese Zusammensetzung kann nach einem beliebigen der oben für die erste Schicht beschriebenen Verfahren appliziert werden.
Die zur Ausbildung der vierten Schicht verwendete Zusammensetzung wird anschließend gehärtet. Wie bei den obigen Härtungsstufen hängen die zum Härten verwendete Zeit und Temperatur von dem verwendeten Material sowie den Füllstoffen und Additiven ab.
Die erhaltenen erfindungsgemäßen Heizelemente eignen sich insbesondere zur Verwendung in Bereichen, in denn Hochtemperaturelemente erforderlich sind. Die Anwendungen umfassen beispielsweise häusliche Geräte, wie Trocken- und Dampfbügeleisen, Kaffeemaschinen, Tiefgefrierschränke, Grillgeräte, Raumheizgeräte, Waffeleisen, Toaster, Kochgeräte, Öfen, Kochkamineinsätze, Wasserdurchlauferhitzer und dgl., industrielle Geräte, wie Heizgeräte, Dampferzeuger, Prozeß- und Rohrheizanlagen und dgl. und Anwendungen in der Transportindustrie, wie Anwendungen für ein Vorheizen von Treibstoff und Kühlmittel.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung folgt nun eine in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu lesende Beschreibung eines Beispielheizelements gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Beschreibung sind alle Teile, sofern nicht anders angegeben, auf das Gewicht bezogen.

Beispiel 1

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt des Beispielheizelements; und
Fig. 2 eine Ansicht des Beispielheizelements von oben.
Das Beispielheizelement umfaßt die erste elektrisch isolierende Schicht (2), die auf einer eloxierten Aluminiumbodenplatte (1) ausgebildet ist, eine elektrische Widerstandsschicht (3) auf der Oberseite der isolierenden Schicht und mindestens zwei elektrisch leitfähige Bereiche (4) darauf, die sich zum Anschluß an eine Stromquelle eignen.
Das Heizelement wurde durch Applizieren der zur Herstellung der ersten elektrisch isolierenden Schicht (2) verwendeten Zusammensetzung auf eine eloxierte Aluminiumbodenplatte mit Hilfe einer Siebdruckvorrichtung hergestellt. Diese Zusammensetzung bestand aus 100 Teilen eines Methylphenylsiliconharzes der Struktur [MeSiO3/2]0,25 [MePhSiO2/2]0,5 [PhSiO3/2]0,15 [Ph&sub2;SiO2/2]0,10 in 100 Teilen Xylol, 190 Teilen Aluminiumoxid (bezog von Alcoa unter der Handelsbezeichnung CL3000FG) und 10 Teilen Siliciumdioxid (bezogen von Cabot unter der Handelsbezeichnung Cabosil® LM150). Die fertige Schicht besaß eine gleichmäßige Dicke von etwa 100 um. Die Schicht wurde durch einstündiges Erwärmen auf 250ºC gehärtet.
Die zur Herstellung der zweite elektrischen Widerstandsschicht (3) verwendete Zusammensetzung wurde auf der Oberseite der isolierenden Schicht (2) mit Hilfe einer Siebdruckvorrichtung appliziert. Diese Zusammenserzung bestand aus 100 Teilen des in der Schicht (1) verwendeten Methylphenylsiliconharzes in 100 Teilen Xylol, 140 Teilen Graphit (bezogen von Lonza unter der Handelsbezeichnung SFG6) und 10 Teilen Rußteilchen (bezogen von Cabot unter der Handelsbezeichnung Vulcan XC72 R). Die fertige Schicht besaß eine gleichmäßige Dicke von etwa 75 um.
Die zur Herstellung der dritten elektrisch leitfähigen Elemente verwendete Zusammensetzung wurde in Form von zwei Bereichen (4) auf die Oberseite der elektrischen Widerstandsschicht (3) durch Verteilen der Zusammensetzung in Form von zwei parallelen Spuren an beiden Seiten der elektrischen Widerstandsschicht (3) appliziert. Diese Zusammensetzung bestand aus 100 Teilen des in den Schichten (1) und (2) verwendeten Methylphenylsiliconharzes in 100 Teilen Xylol und 200 Teilen Silberflocken (TypSF10E, bezogen von der DEGUSSA). Die zweiten und dritten Schichten wurden abschließend durch dreistündiges Erwärmen auf 325ºC gehärtet.
Die vierte isolierende Schutzoberflächenschicht (5) wurde zur Beschichtung der Schicht (3) und der Bereiche (4) appliziert. Das zum Applizieren dieser Schicht verwendete Material bestand aus einem durch Additionsreaktion gehärteten, einen hohen Füllstoffgehalt aufweisenden Siliconelastomer und wurde durch Siebdrucken appliziert sowie durch 30-minütiges Erwärmen auf 150ºC gehärtet.
Das erhaltene Heizelement wurde bei einer speziellen Energiedichte von 10 W/cm² an eine Stromquelle von 220 V angeschlossen und einem 1000 h dauernden Testzyklus unterzogen. Dieser Test simulierte die normale Verwendung eines Heizelements als Baueinheit und bestand aus
(1) einem Erwärmen des Elements während einer Zeitdauer von 1 h, wobei während dieser Zeit die Temperatur unter Halten der Temperatur bei etwa 250ºC mit einem Thermoschalter gesteuert wurde, und
(2) einem Abschalten des Stroms und einem Abkühlenlassen des Elements auf eine Temperatur von 50ºC oder darunter während einer Zeitdauer von 30 min.
Es wurde kein Versagen beobachtet.
Das Beispielheizelement wurde ferner einem kontinuierlichen Heiztest unterzogen. In einem derartige Test blieb die Leistung während 1000 h bei einer Temperatur von 250ºC stabil. In einem zweiten Test blieb die Leistung während 1600 h bei einer Temperatur von 170ºC stabil. Kein Test führte zu einem Versagen.

Beispiel 2

Das Heizelement wurde ähnlich Beispiel 1 hergestellt. Die zur Ausbildung der ersten, elektrisch isolierenden Schicht verwendete Zusammensetzung wurde auf das eloxierte Aluminiumsubstrat gemäß Beispiel 1 appliziert und bestand aus 75 Teilen Methylphenylsiliconflocken der folgenden Struktur: [MeSiO3/2]0,45 [MePhSiO2/2]0,05 [PhSiO3/2]0,40 [Ph&sub2;SiO2/2]0,10, gelöst in 75 Teilen Xylol, 75 Teilen des in Beispiel 1 verwendeten Methylphenylsiliconharzes in 25 Teilen Xylol, 180 Teilen Aluminiumoxid (bezogen von Alcoa unter der Handelsbezeichnung CL3000FG) und 10 Teilen Siliciumdioxid (bezogen von Cabot unter der Handelsbezeichnung Cabosil® TS720). Die Schicht wurde durch 30-minütiges Erwärmen auf 250ºC gehärtet.
Eine zweite Schicht aus dem zur Herstellung der ersten Schicht verwendeten, gleichen, elektrisch isolierenden Material wurde auf die erste Schicht appliziert und durch einstündiges Erwärmen auf 250ºC gehärtet.
Die zur Herstellung der elektrischen Widerstandsschicht verwendete Zusammensetzung wurde gemäß Beispiel 1 appliziert und bestand aus 95 Teil der oben in diesem Beispiel beschriebenen Methylphenylsiliconflocken, gelöst in 95 Teilen Xylol, 5 Teilen des in Beispiel 1 verwendete Methylphenylsiliconharzes in 5 Teilen Xylol, 130 Teilen Graphit (bezogen von Lonza unter der Handelsbezeichnung SFG6) und 20 Teilen Rußteilchen (bezogen von Cabot unter der Handelsbezeichnung Vulcan XC72 R). Die Schicht wurde durch zweiminütiges Erwärmen auf 200ºC unter Infrarotlampen teilweise gehärtet.
Die zur Herstellung der elektrisch leitenden Schicht verwendete Zusammensetzung wurde gemäß Beispiel 1 appliziert und bestand aus 100 Teilen des in Beispiel 1 verwendeten Methylphenylsiliconharzes in 100 Teilen Xylol und 200 Teilen Silberflocken (Typ SF10E, bezogen von der DEGUSSA). Die zweiten und dritten Schichten wurden durch einstündiges Erwärmen auf 300ºC gehärtet.
Das erhaltene Heizelement erfüllte den europäischen Standard EN 60335-1 bezüglich Hochspannungsisolierung und Leckstrom bei Raumtemperatur.
Das Heizelement wurde an eine 220-V-Stromquelle bei einer speziellen Energiedichte von 20 W/cm² angeschlossen und dem Testzyklus von Beispiel 1 unterzogen. Es wurde kein Versagen beobachtet. Der Energieverlust war kleiner oder gleich 10%.

Claims

1. Heizelement, das die folgenden Bestandteile umfaßt:

ein Substrat,

auf der Oberfläche des Substrats eine erste Schicht aus Material, wobei die erste Schicht elektrisch isolierend ist und durch Härten einer Zusammensetzung, die ein Siliconharz umfaßt, erhalten wurde;

auf der Oberfläche der ersten Schicht eine zweite Schicht aus Material, wobei die zweite Schicht elektrisch resistiv ist und durch Härten einer Zusammensetzung, die ein Siliconharz und elektrisch leitenden Füllstoff umfaßt, erhalten wurde, und

mindestens zwei getrennte, an die zweite Schicht gebundene Bereiche aus einem dritten Material, wobei jeder der Bereiche aus dem dritten Material elektrisch leitfähig ist und sich zum Anschluß an eine Stromquelle eignet, wobei die Bereiche des dritten Materials durch Härten einer ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden Zusammensetzung erhalte wurde, wobei die Siliconharze der Schichten miteinander und mit dem Substrat kompatibel sind und gegenüber einer durch das Heizelement zu erreichenden Temperatur beständig sind.

2. Heizelement nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus eloxiertem Aluminium, Aluminium, nichtrostendem Stahl, emailliertem Stahl und Kupfer ausgewählt ist.

3. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch isolierende Schicht einen thermisch leitfähigen Füllstoff enthält.

4. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Widerstandsschicht Teilchen umfaßt, die aus Graphit und Ruß ausgewählt sind.

5. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dritte Material Silberteilchen umfaßt.

6. Heizelement nach einem der vorhergehende Ansprüche, wobei das in der elektrisch isolierenden Schicht, der elektrischen Widerstandsschicht und den elektrisch leitfähigen Bereichen verwendete Siliconharz siliciumgebundene Phenylgruppen umfaßt.

7. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine isolierende Schutzoberflächenschicht die elektrische Widerstandsschicht und die elektrisch leitfähigen Bereiche bedeckt.

8. Heizelement, das die folgenden Bestandteile umfaßt:

Ein Substrat mit einem ersten elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Material, auf der Oberfläche des Substrats eine zweite Schicht aus Material, die elektrisch resistiv ist und durch Härten einer ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden Zusammensetzung erhalten wurde, und

mindestens zwei an die zweite Schicht gebundene getrennte Bereiche aus einem dritten Material, wobei die Bereiche des dritten Materials jeweils elektrisch leitfähig sind und sich zum Anschluß an eine Stromquelle eignen, wobei die Bereiche des dritten Materials durch Härten einer ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden Zusammensetzung erhalten wurden, wobei die Siliconharze der Schichten miteinander und mit dem Substrat kompatibel sind und gegenüber einer durch das Heizelement zu erreichenden Temperatur beständig sind.

9. Verfahren zur Herstellung eines Heizelements durch Bereitstellen eines Substrats,

Applizieren einer ersten, ein Siliconharz umfassenden Zusammensetzung auf die Oberfläche des Substrats,

Härten der ersten Zusammensetzung unter Bildung einer elektrisch isolierenden Schicht,

Applizieren einer ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden zweiten Zusammensetzung zur Ausbildung eines elektrischen Widerstandselement auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht,

Erwärmen der zweiten Zusammensetzung während einer Zeit und bei einer Temperatur, um die zweite Zusammensetzung teilweise zu härten,

Applizieren einer ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden dritten Zusammensetzung zur Ausbildung von elektrisch leitfähigen Elementen auf mindestens zwei getrennten Bereichen der zweiten Zusammensetzung, wobei sich die Bereiche zum Anschluß an eine Stromquelle eignen, und

Härten der zweite und dritten Zusammensetzung, wobei die Siliconharze der Schichten miteinander und mit dem Substrat kompatibel sind und gegenüber einer durch das Heizelement zu erreichenden Temperatur beständig sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Heizelements durch Bereitstellen eines ersten elektrisch isolierenden, thermisch leitfähige Substrats,

Applizieren einer ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden zweiten Zusammensetzung zur Ausbildung eines elektrischen Widerstandselements auf der Oberfläche des Substrats,

Erwärmen der zweiten Zusammensetzung während einer Zeit und bei einer Temperatur, die ausreicht, um die zweite Zusammensetzung teilweise zu härten,

Applizieren einer ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden dritten Zusammensetzung zur Ausbildung von elektrisch leitfähigen Elementen auf mindestens zwei getrennten Bereichen der zweiten Zusammensetzung, wobei jeder der Bereiche sich zum Anschluß an eine Stromquelle eignet, und

11. Verfahren zur Herstellung eines Heizelements durch Bereitstellen eines Substrats,

Applizieren einer ersten, ein Siliconharz umfassenden Zusammensetzung auf der Oberfläche des Substrats,

Applizieren einer zweiten, ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden Zusammensetzung zur Ausbildung eines elektrischen Widerstandselements auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht,

Härten der zweiten Zusammensetzung zur Ausbildung eines elektrischen Widerstandselements,

Applizieren einer dritten, ein Siliconharz und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassenden Zusammensetzung zur Ausbildung von elektrisch leitfähigen Elementen auf mindestens zwei getrennten Bereichen des elektrischen Widerstandselements, wobei sich jeder der Bereiche zum Anschluß an eine Stromquelle eignet, und

Härten der dritten Zusammensetzung zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Elements, wobei die Siliconharze der Schichten miteinander und mit dem Substrat kompatibel sind und gegenüber einer durch das Heizelement zu erreichende Temperatur beständig sind.