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CA 02220001 1997-10-30
WO 96/35317 PCTIIB96/00390
ELEMENT CHAUFFANT, PROCEDE DE FABRICATION ET APPLICATION
La présente invention concerne un nouvel élément de chauffage
électrique en forme de film ou feuille mince à structure feuilletée comprenant
au moins une couche conductrice de l'électricité et au moins un substrat.
Des éléments de chauffage électrique utilisés dans les applications
ménagères telles que fers à repasser, grils etc... sont formés de fils de
15 résistance noyés dans un matériau céramique isolant, lui-même placé dans une
enveloppe métallique. Un inconvénient de ce type d'élément de chauffage
électrique est son inertie thermique. Un autre inconvénient est qu'il ne se prête
pas à des contours complexes.
En outre son épaisseur est importante et les ustensiles qui l'utilisent
20 sont volumineux.
On connait aussi des éléments de chauffage électrique en forme de
feuilles à plusieurs couches: une couche conductrice de l'électricité formée
d'un film métallique fin, collé sur un substrat par l'intermédiaire d'une coucheadhésive hot-melt devant résister à la chaleur. Des couches hot-melt
25 convenables sont des films extrudés d'épaisseur généralement supérieure à
20~m.
Un inconvénient de cet élément chauffant est la faible conductivité du
film hot-melt. Cette faible conductivité ne peut en outre être améliorée
sensiblement par l'incorporation de charges conductrices de la chaleur dans la
30 couche extrudée.
L'invention obvie aux inconvénients cités.
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Elle propose un élément chauffant en forme de film mince, à faible
inertie thermique et dont la fabrication est simplifiée.
L'élément chauffant seion l'invention comprend au moins un substrat et
au moins une couche de résistance électrique adhérant au substrat par un
liant formé à partir d'une dispersion ou solution ou poudre déposée
directement sur le substrat.
Le liant selon l'invention peut être choisi parmi des dispersions ou des
solutions ou des poudres d'au moins un polymère (ou copolymère), dont la
température de fusion est supérieure à la température de fonctionnement de
10 I'élément chauffant et qui peuvent être déposés sur un substrat, le cas
échéant sous une faible épaisseur. De préférence, le polymère est choisi parmi
les polymères perfluorés, notamment le perfluoro-alkoxy-alcane (PFA), le
MFA, le polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Sous un aspect de l'invention, on choisit une dispersion ou solution d'au
15 moins un des polymères cités ci-dessus et qui peut être fortement chargée le
cas échéant par des charges conductrices de la chaleur et isolant
électriquement, par exemple l'oxyde d'aluminium Al203, le carbure de silicium
SiC, le mica, la poudre de verre.
Le substrat selon l'invention qui a notamment une fonction mécanique
20 de support pour l'élément chauffant, ainsi qu'une fonction d'isolant électrique,
peut être toute feuille sélectionnée selon l'application envisagée pour l'élément
chauffant. Cette feuille peut être à base d'une matière thermoplastique ou
thermodurcissable ou d'une matière cellulosique, ou un tissu ou voile de verre
imprégné ou non, à base de fibres céramiques, ou encore une feuille extrudée
25 ou déroulée. La matière thermoplastique ou thermodurcissable est choisie
notamment parmi le polytétrafluoroéthylène (PTFE), le perfluoro-alkoxy-alcane
(PFA), le MFA, le perfluoro (éthylène-propylène) (FEP), I'éthylène-
tétrafluoroéthylène (ETFE), le fluorure de poly(vinylidène) (PVDF), le
polyéthylène téréphtalate (PET), le polyimide (KAPTON).
Le substrat présente une épaisseur généralement comprise entre 20 ~m
et 500,um ou plus le cas échéant, selon l'application.
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Selon une forme de réalisation de l'invention, la couche de résistance
électrique est un film ou une feuille mince d'un matériau conducteur de
l'électricité, notamment à base d'un métal tel du cuivre, du nickel, de
l'aluminium ou d'un alliage de métaux tel le bronze, le laiton, le Constantan R.En vue notamment d'améliorer l'adhésion de la feuille mince conductrice
métallique, celle-ci peut présenter sur au moins une de ses deux faces une
surface structurée obtenue par exemple par laminage dans une calandreuse
munie de rouleaux à surface structurée ou une surface rugueuse obtenue par
exemple par un sablage ou un traitement abrasif.
La feuille métallique conductrice peut en variante être remplacée par un
tissu conducteur de l'électricité ou par une couche formée d'un tapis de fibres
conductrices de l'électricité.
L'épaisseur du film mince conducteur peut être calculée selon le
conducteur et l'application envisagée pour l'élément chauffant, c'est-à-dire
15 selon la puissance électrique désirée.
Selon l'application le film conducteur peut avoir la forme d'un circuit en
serpentin. Une telle forme s'obtient par exemple à partir d'un film continu que
l'on traite par endroits par gravure chimique, à l'aide notamment d'un mélange
d'acide chlorhydrique et d'eau oxygénée.
Selon une variante de l'invention, la résistance électrique est obtenue
directement avec la forme désirée par dépôt sur le substrat d'une composition
électriquement conductrice, par exemple par sérigraphie, par pulvérisation
électrostatique avec utilisation d'un pochoir, etc
Selon une autre variante de l'invention, la couche de résistance
25 électrique se confond avec la couche de liant qui à cette fin est chargée
fortement en particules sous forme de poudre ou fibres de matériau
électriquement conducteur, par exemple des particules métalliques ou des
particules revêtues de métal, ou encore en graphite.
L'élément chauffant selon l'invention comprend généralement en outre
30 un revêtement isolant électrique recouvrant la couche de résistance électrique.
Ce revêtement est par exemple un second substrat du type du premier
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substrat décrit précédemment, pouvant adhérer sur la couche de résistance
électrique par l'intermédiaire d'une autre couche adhésive.
La composition de l'élément chauffant à partir de couches minces lui
procure une épaisseur faible, ce qui se traduit par une inertie thermique très
5 réduite.
L'invention concerne aussi un procédé pour la fabrication de l'élément
chauffant. Dans ce procédé, le substrat, le liant et la couche électriquement
conductrices utilisés sont choisis parmi les produits décrits précédemment.
Le procédé utilise les étapes suivantes:
10 - on prépare le substrat devant servir de support, au moins intermédiaire, pour
la réalisation de l'élément chauffant,
- sur le substrat on dépose le liant à partir d'une dispersion ou solution ou une
poudre de ce liant,
- après séchage éventuel, on assemble par pressage par exemple par pressage
15 entre les plateaux d'une presse ou par calandrage entre des rouleaux, la
couche conductrice qui se présente notamment sous la forme d'un film
métallique, avec le substrat revêtu du liant,
- on traite chimiquement la couche conductrice, notamment par une gravure
chimique, afin de donner à cette couche la forme désirée pour la résistance
20 électrique,
- on obtient un élément prélaminé,
- on assemble par pressage un second substrat revêtu d'une couche de liant
avec l'élément prélaminé en placant la couche de liant du second substrat en
contact avec la couche conductrice,
25 - on obtient finalement l'élément chauffant à structure feuilletée, de faible épaisseur et à faible inertie thermique.
L'utilisation d'une solution ou dispersion de liant permet d'obtenir des
couches fines et, néanmoins, une très bonne adhésion entre les éléments du
feuilleté, et qui se conserve dans le temps et dans les conditions d'usage les
30 plus extrêmes.
Lorsque l'élément chauffant utilise en tant que couche de résistance
électrique chauffante une résistance obtenue par dépôt direct d'une
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composition conductrice par sérigraphie ou pulvérisation utilisant un pochoir, le
procédé de fabrication utilise les opérations suivantes:
- on dépose sur le substrat préparé à l'aide d'un écran de sérigraphie ou d'un
pochoir la composition conductrice de l'électricité,
- on sèche la couche déposée,
- on assemble par pressage un second substrat revêtu d'une couche de liant
avec le substrat revêtu de la résistance chauffante. La résistance électrique est
finalement enrobée dans la couche de liant du second substrat.
Lorsque l'élément chauffant utilise en tant que couche de résistance
10 électrique chauffante une couche obtenue à partir de particules conductrices
dispersées dans le liant, le procédé de fabrication peut alors utiliser les
opérations suivantes:
- on dépose sur le substrat préparé une dispersion du liant et des particules
conductrices de l'électricité,
15 - après séchage éventuel de la couche déposée, on traite chimiquement cette
couche contenant les particules métalliques de manière à lui donner la forme
désirée pour la résistance électrique,
- on assemble par pressage un second substrat revêtu d'une couche de liant
avec le substrat revêtu de la résistance électrique préparé précédemment.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront dans
les exemples suivants décrits en relation avec les figures.
La figure 1 représente les différents stades de la fabrication d'un
exemple d'un élément chauffant selon l'invention utilisant un film métallique
en tant que résistance électrique chauffante.
La figure 2 représente les différents stades de la fabrication d'un
exemple d'un élément chauffant selon l'invention utilisant une couche à base
de particules métalliques en tant que résistance électrique chauffante.
Les figures 3 et 4 représentent un élément chauffant selon l'invention
muni d'un thermostat.
La figure 5 représente une application pour des éléments chauffants
selon l'invention.
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Sur la figure 1, le substrat 1 servant de support est une feuille formée à
partir d'un tissu de verre imprégné de PTFE de 80 ,um d'épaisseur. Sur ce
substrat, on dépose par la technique d'enduction à l'aide d'une racle ou d'un
crayon, une couche 2 de PFA en dispersion dans l'eau.
Après séchage à une température de 350~C, on obtient une couche de
10,um d'épaisseur environ.
Sur cette couche 3 on dépose une feuille métallique 4 de 50 ,um
d'épaisseur en Constantan R et on assemble ces éléments par pressage entre
les plateaux d'une presse, sous une pression de 40 bars à 350~C durant
quelques minutes.
Après avoir protégé par un vernis déposé par sérigraphie les parties de la
feuille métallique destinées à former la résistance électrique, on traite
l'assemblage avec un mélange d'acide chlorhydrique et d'eau oxygénée afin
d'obtenir la forme désirée pour la résistance chauffante par gravure chimique.
On obtient un élément prélaminé 5. On assemble ensuite par pressage dans les
mêmes conditions que précédemment un second substrat 6 revêtu d'une
couche de liant 7, obtenu comme dans le cas du précédent substrat revêtu,
avec l'élément prélaminé 5.
On obtient finalement un élément chauffant mince 8 que l'on peut
découper aux dimensions désirées et pouvant être utilisé dans diverses
applications. En variante, la découpe peut être réalisée au niveau de l'élément
préfabriqué, le revêtement par le second substrat s'opérant sur les éléments
préfabriqués découpés.
Sur la figure 2, le substrat 9 servant de support peut être le même que
celui décrit en relation avec la figure 1.
Sur ce substrat à base de PTFE, on dépose par enduction une dispersion
10 contenant du PFA et des particules métalliques conductrices de
I 'électricité .
La teneur en particules métalliques est déterminée de manière à avoir un
contact électrique continu dans la couche de revêtement 11 formée sur le
- substrat après séchage. Cette teneur dépend notamment des dimensions et de
la forme des particules métalliques.
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On procéde ensuite à la gravure chimique de la couche de revêtement
conductrice 1 1 et on obtient un élément prélaminé 12.
On assemble ensuite cet élément prélaminé 12 avec un second substrat
13 revêtu dans cet exemple de la couche 14 de liant à base de PFA.
On obtient un élément chauffant mince 15 qui peut être découpé aux
dimensions désirées. En variante, la découpe s'opère au niveau des éléments
préfabriqués (prélaminés).
L'élément chauffant selon l'invention peut être utilisé aussi bien dans
des applications ménagères que dans des applications industrielles qui
10 nécessitent l'utilisation d'éléments chauffants de faible épaisseur et de faible
inertie thermique. Plusieurs éléments chauffants peuvent être utilisés en
combinaison .
L'élément chauffant peut aussi être utilisé avec avantage dans des
milieux agressifs tels que des bains de traitement.
L'élément chauffant peut être plus ou moins flexible selon les couches
conductrices et les applications envisagées.
L'élément chauffant peut être utilisé sous une forme plane ou
thermoformée notamment lorsqu'il s'agit de le rigidifier. Il peut encore être
utilisé grâce à sa fine épaisseur sous forme de ruban enroulé par exemple
autour de tubes. Il peut aussi éventuellement être pourvu d'une couche
adhésive de manière à assurer la liaison avec l'objet à chauffer.
L'élément chauffant selon l'invention peut aussi être muni d'un
thermostat en forme de thermocouple plat placé dans une couche adhésive
adjacente à un substrat. Une réalisation d'un tel élément chauffant est
représentée schématiquement sur les figures 3 et 4. Cet élément chauffant 16
comprend un premier substrat 17, une couche adhésive 18 contenant la
résistance chauffante 19, un second substrat 20, une seconde couche
adhésive 21 contenant un thermocouple 22 et un troisième substrat 23. La
proximité du thermocouple 22 de la résistance chauffante permet une
régulation très rapide de la température.
Sur la figure 5 est représentée une application qui utilise plusieurs
éléments chauffants selon l'invention. Ainsi, trois éléments chauffants 24, 25,
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26 sont disposés dans la semelle 27 d'un fer à repasser. Ces trois éléments
chauffants peuvent présenter la même résistivité électrique ou en variante des
résistivités différentes constantes ou variables en fonction de la température.
Chaque élément chauffant correspond à une zone de chauffage qui peut le cas
5 échéant être contrôlée séparément par un thermostat ou en variante par la
couche résistante elle-même. Cette disposition en combinaison permet un très
bon contrôle de la température de la semelle quelque soit finalement la
méthode de repassage utilisée.
