JP2007501506A - 家庭電気器具用液体加熱装置、前記装置を装着した家庭電気器具 - Google Patents

Abstract

家庭電気器具に適した液体を加熱する装置は、液体の貯蔵槽に接続され、液体流通容積を画定するために本体（１）の表面を覆う付加的構成要素（３）に関連する本体（１）を備えている。該液体を加熱する装置は、本体がアルミニウムの熱慣性より低い熱慣性を示し、付加的構成要素（３）が本体（１）に面する表面と反対側の表面にスクリーン印刷された加熱抵抗器を有することを特徴としている。

Description

本発明は、家庭用電気器具産業に関する。より詳細には、蒸気相への通過温度より低い温度にまで液体、より具体的には水の加熱を必要とする家庭用電気器具に関する。これらの電気器具の例としては、電気コーヒー・メーカー、エスプレッソ・マシーン、６０℃と９０℃との間の温度で水の急速製造を必要とする温かい飲み物の分配器が挙げられる。

本発明は、さらに詳細には、既存の装置の時間よりもかなり短い時間で液体を加熱することが可能である液体加熱装置の構造に関する。

一般的な意味では、温水の連続製造を必要とする電気器具は、かなりの量の熱エネルギーを加熱本体に伝達するように、この加熱本体と関連する電気抵抗を含む加熱装置を有する。この加熱本体は、水流通回路を有する。それで、水が加熱本体を横断すると、水は、抵抗により提供されるエネルギーの一部を受け取る。加熱本体内の抵抗ばかりでなく流通回路を配置する多くの構造がすでに提案されてきた。したがって、現在のところ、抵抗は、金属、典型的にはアルミニウムからなる加熱本体の内部に埋め込まれている。

電気的危険を避けるために、この抵抗は通常外装され、次に、加熱本体の主要部内に埋め込まれ、蝋付けされ、あるいは、かしめられている。

水流通回路は、いろいろな方法で実現され、特に、それ自身一体化されたチューブにより、例えば、加熱本体に鋳造することにより、形成される。

システム全体は、抵抗が加熱本体に埋め込まれているという事実、及び該抵抗が外装されなければならないという事実により、現在の多くの不利な点、特に、強い熱慣性（thermal inertia）を示すことを知られている。したがって、加熱本体が該加熱本体を横断する液体の加熱を確保することが可能となる前に、加熱本体を温度にまで持ってくるために、長い予熱段階が絶対的に必要である。

言い換えれば、現在のシステムでは、動作サイクルの始めから実際に温水を得ることは不可能である。

この熱慣性のせいで、非使用段階においてさえ、制御用サーモスタットにより、抵抗の周期的供給を確保し、加熱本体を一定の温度に維持することも必要である。そして、このことが、次の使用時に入った時点で十分な温水の恩恵を受けることを可能とするために必要である。

これらの不利な点は、その内部に外装された抵抗が埋め込まれている加熱本体を有する特許文献１に記載される装置に見出される。この加熱本体は、液体の流通のための容積を画定するように、蓋を形成する付加的要素と関連する。中心本体は、平坦であるか円筒状のどちらかであり得る。そのような装置は、加熱抵抗が前に述べた不利な点を持って加熱本体を形成する材料内に埋め込まれているので、強い熱慣性を有する。

水を加熱することを実行する家庭用電気器具の分野においては、また、特許文献２に記載されるようなボイラーがある。このタイプのボイラーは、配置された抵抗がその壁の底部に装備される円筒状の容積の室を有する。室の壁にスクリーン印刷されたこの抵抗は、室内に入れられている液体の加熱を引き起こす。大きな容積を有するこのタイプのボイラーは、もちろん、ボイラーを予熱する時間を省略することができない。その結果、装置の開始時点で十分な温度の水を得ることは不可能である。さらに、熱エネルギーの供給の長期間にわたるサイクルにより、所定の割り当てられた値の温度を維持するために温度制御を提供することが望ましい。

欧州特許第０３４５５２８号明細書（ＥＰ０３４５５２８） 国際公開第９９／５９４５３号パンフレット（ＷＯ９９／５９４５３）

本発明が解決しようとする第１の課題は、加熱する装置のスイッチを入れてから起動するまでの時間、すなわち、水あるいはより一般的に液体が十分な温度になるまでの時間を減少させることにある。

本発明が解決しようとする別の課題は、加熱電気器具の非使用段階におけるエネルギーの損失をできるだけ制限することにある。

本発明が解決しようとする別の課題は、望ましい温度にある液体を得るために熱エネルギーの供給を最小限に抑えることにある。

しかしながら、加熱装置の構造は、簡単で、適度の製造コストでなければならない。

したがって、本発明は、家庭電気器具用液体加熱装置に関する。周知の方法で、そのような装置は、液体用貯蔵槽に接続され、液体流通量を画定するためにその面の１つを覆う付加的構成要素に関連する本体を有する。

本発明によれば、本体は、アルミニウムの熱慣性より低い熱慣性を示し、付加的構成要素は、本体に面する面の反対側の面にスクリーン印刷された加熱抵抗を有する。

熱慣性（Ｉｔｈ）により、おおよその熱を蓄積する本体の能力が分かる。それは、その密度の値（ρ）と比熱容量の値（ｃｐ）の積により表される。
Ｉｔｈ＝ρＸｃｐ
したがって、その高密度によるとしても、普通、金属製本体が高熱慣性を示すことが見出される。言い換えれば、本発明によれば、本体は、加熱段階中、流通する液体よりずっと熱を奪うことが少ない一種の断熱材である。

この本体は、プラスチックで作られることが有利である。

付加的構成要素は、例えば４０以上の高い横断熱伝導率(transversal thermal conduction coefficient)を示すことが有利である。横断熱伝導率（Ｃｔｈ）により、付加的加熱要素の材料の熱伝導率の値（λ）をミリメータで表されるその厚さの値（ｅ）で割った比率が分かる。
Ｃｔｈ＝λ／ｅ
言い換えれば、付加的構成要素は、高伝導率を持つアルミニウムのような材料に対し略３ｍｍ程度の厚さにまで減少させること、あるいは、ステンレス鋼のような低伝導率を有する材料に対し略１ミリメータ程度の厚さにまで減少させることのどちらかで、加熱抵抗の熱エネルギーを非常に迅速に液体に伝導により伝達する。

ちなみに、加熱抵抗がスクリーン印刷されたタイプのものであり、このことが良好な横断熱伝導率と組み合わされているという事実により、付加的加熱要素は、低熱慣性を示し、エネルギー損失を減少させる。今、このタイプのスクリーン印刷された加熱要素は、液体に面する大きな表面全体にわたって一様な加熱を達成することを可能にする。該一様な加熱は、その一般的な熱伝導効果を増大させる。

言い換えれば、加熱装置は、相対的に熱絶縁処理し、迅速な加熱要素で覆われている本体を有する。したがって、この加熱要素は、該加熱要素を本体と隔てる空間を流通する液体に熱エネルギーを伝達する。付加的構成要素の伝導による高熱伝達率により、スクリーン印刷された抵抗により放散されるエネルギーの大部分は、付加的加熱要素に蓄積するよりはむしろ、流通する液体に伝達される。同様に、加熱本体は、低熱慣性を有し、それにより、本体は、加熱要素から来るほんのわずかの量のエネルギーしか蓄積しない。

その結果として、液体は、非常に迅速に且つある意味総括的にスクリーン印刷された抵抗から来る熱エネルギーを受け取ることになる。したがって、液体の加熱は、ある意味瞬間的である。同様に、本体は、実質的に、液体の加熱現象に参加しない。その結果、装置が動作状態にないとき、十分な温度に本体を維持するためにたくさんのエネルギーを提供する必要がない。

言い換えると、加熱装置の消費は、加熱装置自体を加熱する段階はさておき、ゼロである。当然の結果として、加熱本体が使用温度に到達するためにかなりたくさんのエネルギーを受け取る必要がないので、装置の使用開始時において長い予熱段階を実行する必要が事実上ない。

実際のところ、本発明の原理は、いろいろな形状を有する加熱装置で実行され得る。したがって、第１の実施態様において、中心本体は、円筒状であり、スリーブを形成する付加的加熱要素をその外面（outer face）に受け入れ得る。

別の実施態様では、中心本体は、平坦であり、それで、同様に平坦な加熱要素を受け入れ得る。

装置の有効性を増大させるため、本体が液体流通路を付加的構成要素で画定し、したがって、加熱装置内で後に流通路になる経路を増大させ、熱エネルギーを受け取る容量を増大させることを可能とする溝を有することが提供される。

同じ目的で、スクリーン印刷された抵抗は、液体流通路と一致して配置され得ることが有利である。

実際に、装置が概略円筒形状を有する場合、溝は、螺旋状であり得る。また、中心加熱体が平坦である場合、溝は、渦巻状であり得る。

同様の精神で、加熱本体は、その質量を、したがってその熱慣性をさらに制限するように、中空であり得る。

温度センサが付加的構成要素に配置され、かつ加熱装置が付加的本体の温度を設定点、好ましくは、７０℃と９０℃の範囲内に制御する電気及び／または電子回路を備えることが有利である。

付加的構成要素が高横断伝導率を有し、本体及び付加的構成要素が低熱慣性を示すという事実により、電気及び／または電子制御は、著しく動的であり、ある意味永続的であり、最小限度に抑えられたエネルギー消費で、かなり安定した温度で液体を去らせる。

本発明から結果として生じる利点のみならず本発明を実行する方法が、添付された図面を用いて以下に示す実施態様の説明から明らかになるであろう。

図１及び２は、加熱装置が円筒状である本発明の実施態様を示す。

この場合において、装置（１０）は、円筒状スリーブの形状をした付加的加熱要素（３）に関連する中心本体（１）を有する。中心本体（１）の外面（６）とスリーブ（３）の内面（７）との間に画定される空間は、液体流通のための中空円筒状容積を形成する。

示される形状において、中心本体（１）の外面は、中心本体（１）を囲む液体用通路をスリーブとともに画定することを可能とする螺旋状溝（４）を有する。しかしながら、示されていない別の実施態様では、中心本体（１）の外面は、一定の厚さの流通容積をスリーブとともに画定し、円筒に沿って延在するように、完全に円筒状であってもよい。その他の実施態様が、本発明の枠を逸脱しない範囲内で予測され得る。

実際のところ、中心本体（１）は、図２に示されるように、冷水供給部（８）に接続される。この入口（８）は、外面（６）に開口する略半径方向の通路（９）により外面（６）に接続される。中心本体（１）は、プラスチックで、あるいは、より一般的には、加熱エネルギーのほんの一部しか蓄積しないように、どんな場合であっても略２．３０程度のアルミニウムの熱慣性より低い低熱慣性Ｉｔｈを有する材料で作られることが好ましい。本発明に係る本体を製造するのに適切であり得る材料として、ポリアミド（Ｉｔｈ＝１．９）、ポリアセタール（Ｉｔｈ＝２）、ポリプロピレン（Ｉｔｈ＝１．６）、ポリスルホン（Ｉｔｈ＝１．４）、またはポリカーボネート（Ｉｔｈ＝１．５）が挙げられる。

図２に示される形状においては、中心本体（１）は、その重量を、したがってその熱慣性を、さらに減少させることを意図している中心空洞（５）を示していることが理解される。

図１及び２に示される例においては、溝（４）は、約３ｍｍの深さ及び約８ｍｍの幅を有する。この溝（４）は、約９ｍｍのピッチを有する螺旋形状を示している。言い換えると、液体を付加的加熱要素に接触させて展開させ、それで熱の伝達を促進するように、深さは、幅よりも小さい。

スリーブ（３）は、高横断熱伝導率及び低熱慣性を示すような方法で作られることが好ましい。

スリーブ（３）の厚さは、この熱慣性を減少させ、且つ伝導現象を増大させるべく基材に従って最小限に薄くされる。熱的性質の観点からよい結果を与える材料のうちでは、銅、ステンレス鋼、アルミニウムまたはガラスが挙げられ得る。スリーブ（３）は、スクリーン印刷された加熱電気抵抗（２）の付着を可能にすることが重要である。

加熱路線（the heating tracks）の製造方法は、１またはそれ以上の絶縁材料からなる層、次に特定の通路に一致する導電性のペースト層、コンタクトピンを形成する層及び最後に１またはそれ以上の絶縁材料からなる層をスクリーン印刷することにある。利用できる電力は、約２０００Ｗであり得る。

かくして、この電気抵抗（２）は、示された形状では、同じ縦走線（longitudinal line）に沿ってシフトしつつ横断環形状に配列されるリボンを形成する。スリーブの内面全体は、溝が液体をそれに接触させて強制的に流す加熱板を形成する。必要ならば、スクリーン印刷された抵抗は、螺旋状であってもよく、加熱本体（１）の溝（４）により画定される流路と一致するようになっていてもよい。この場合、加熱の効果及び加熱速度が向上する。

かくして、約４５ｍｍの外径を有するステンレス鋼のスリーブに関して、スリーブ（３）の厚さは、０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間で構成されることが有利であり、０．８ｍｍと１ｍｍの間であることが好ましい。この時、その横断熱伝導率Ｃｔｈは、略６０程度である。ステンレス鋼の利点は、その耐蝕性及び平坦な加熱要素の製造を容易にする高温時におけるその挙動にある。

アルミニウムのスリーブの使用は、低焼付温度を有するポリイミド樹脂及びペーストからなる支持材に加熱要素を設けることで可能である。例えば、スクリーン印刷された加熱要素の製造を許容する約３ｍｍの厚さを有するアルミニウムのスリーブに関して、その熱伝導率Ｃｔｈは、約７０である。

実際のところ、本体の外面に沿う流路内の水の流通は、単に重力によるか、ポンプの仲介によるか、どちらかで実行され得る。

ＮＴＣ抵抗のような温度ゲージ（a temperature gauge）（１２）が付加的加熱要素に対してもたらされ、水流通期間中、スリーブの形状のこの加熱要素を所定温度に維持するように、抵抗加熱路線の電力供給を制御する電子回路に接続されることが有益である。

冷たい加熱装置を最初に起動するときに、制御は、水流通が開始される前に、略２〜３秒程度の急速予熱を制御する。特に早く且つ使用者にとってほとんど感知できないこの予熱は、装置の全熱慣性が非常に低いことに、また、実質的に回路内に入っている水に向かっての熱伝達効率に起因する。

多くの実験室試験の後、出口において８０℃の温水を得るために、液体が流れている間、一定の値、例えば３０℃の値までに単に上昇した液体に対して所望される設定点に等しい設定点に、付加的加熱要素の温度をその後制御すれば足りることが証明された。

加熱装置がポンプにより供給される場合、該ポンプは制御に参加し得る。実際に、ポンプの流れがあまりに遅いと、スリーブの温度はその設定点以上に上昇し、ポンプを稼動したままであるのに加熱要素の遮断を引き起こす。他方、ポンプの流れがあまりに速いと、スリーブの温度は、降下し、制御は、ポンプをすぐに停止させるであろう。

実際のところ、このタイプに加熱装置で取られる測定は、約２５ｃｌ（centiliters）の水をわずか６〜７秒で７０℃と８０℃の範囲にある温度にまで加熱することを得ることを可能にする。流れの開始が、加熱装置を起動して後、最後の約３秒において起こり得るので、予熱段階は、選択的でしかないが、特に減少する。

本発明にかかる装置がたくさんの利点、特に、熱慣性が著しく減少するという利点を示すことは上述したことに起因する。したがって、加熱抵抗に電圧を供給すると、装置内の水の流通がある意味瞬間的に加熱するという結果になる。

抵抗から電圧を遮断すると、その低熱慣性のおかげで加熱装置は迅速に冷却し、隣接する周囲が加熱されることを防止し、また、出口温度制御を容易にする。

スクリーン印刷された抵抗の使用は、また、熱伝達を最適化するように、現在の解決法に比較してより大きな表面全体にわたる加熱出力の分配を保証する。

別の方法としては、中心本体は、平坦であり、同様に平坦な加熱要素を受け入れてもよい。この場合、加熱要素に対面する中心本体側の面は、渦巻きの形状をした溝を持って補われ、冷水は、中心に到着し、温水は、周辺から去る。あるいは、逆であってもよい。

組み立て前を示す本発明に係る加熱装置の分解斜視図である。 組み立てられた図１の加熱装置の長軸方向の断面図である。

Claims (11)

1. 液体貯蔵槽に連結される本体（１）であって、該本体（１）の面を覆い液体流通容積を画定する付加的構成要素（３）に関連する本体（１）を有する家庭電気器具用液体加熱装置において、
   本体は、アルミニウムの熱慣性より低い熱慣性を示し、
   前記付加的構成要素（３）は、本体（１）に面する面と反対側の面にスクリーン印刷された加熱抵抗（２）を有することを特徴とする液体加熱装置。
2. 本体（１）は、プラスチックから作られることを特徴とする請求項１に記載の液体加熱装置。
3. 付加的構成要素（３）は、金属製材料から作られ、４０より高い横断熱伝導率（Ｃｔｈ）を示すことを特徴とする請求項１に記載の液体加熱装置。
4. 付加的構成要素（３）は、０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間、好ましくは、０．８ｍｍと１ｍｍとの間に含まれる厚さを有するステンレス鋼から作られることを特徴とする請求項３に記載の液体加熱装置。
5. 本体（１）は、溝を有し、付加的構成要素（３）とともに液体の流通のための通路（４）を画定することを可能にすることを特徴とする請求項１に記載の液体加熱装置。
6. スクリーン印刷された抵抗（２）は、液体流通通路（４）に略一致して配置されることを特徴とする請求項５に記載の液体加熱装置。
7. 本体（１）は、平坦であり、溝は、渦巻きの形状であることを特徴とする請求項５に記載の液体加熱装置。
8. 本体（１）は、円筒形状であり、その外面にスリーブの形状をした付加的構成要素（３）を受け入れることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体加熱装置。
9. 溝は、螺旋状であることを特徴とする請求項５または８に記載の液体加熱装置。
10. 円筒状本体（１）は、中空であることを特徴とする請求項８に記載の液体加熱装置。
11. 温度センサー（１２）が付加的構成要素に配列され、装置は、付加的本体の温度を制御するために加熱抵抗に接続される電気／電子回路を備えることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の液体加熱装置。
    

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