JP2009511102A - 家電装置用液体加熱デバイス - Google Patents

Abstract

家電装置用液体加熱デバイス（１１）であって、本体（１）を含み、本体（１）は、本体（１）の一表面を覆う補足部材（３）と関係しており、これにより補足部材（３）と本体（１）との間に液体循環流路（４）が形成され、流路（４）が、液体貯蔵部に連結するように設計された入口（５）と加熱した液体を排出するように設計された出口（６）とを構成する２つの端部を有し、上記補足部材（３）が、流路内を移動する液体の加熱を可能とするために設けられた加熱抵抗器（２）を有する家電装置用液体加熱デバイス（１１）。流路（４）は出口から離れてはいるが流路（４）の入口（５）よりも出口（６）に近い位置に存在する最小液体フロー断面積を有する。

Description

本発明は概して家電装置の分野に関する。本発明は特に液体の加熱、さらに具体的には水が気相に変わる温度よりも低い温度まで水を加熱することを必要とする家庭装置に関する。このようなデバイスとしては、電動コーヒーメーカー、エスプレッソマシーン、および加温飲料ディスペンサーなどが挙げられ、これらは水を急速に６０℃よりも高く且つその沸点未満の温度にすることを必要とする。

本発明はさらに具体的には、家電装置用液体加熱デバイスに関する。家電装置用液体加熱デバイスは本体を含み、本体は、本体の一表面を覆う補足部材と関係しており、これにより補足部材と本体との間に液体循環流路が形成されている。流路(channel)は、液体貯蔵部に連結するように設計された入口と、加熱した液体を排出するように設計された出口とを構成する２つの端部を有している。上記補足部材は、流路内を移動する液体の加熱を可能とするために設けられた加熱抵抗器を有する。

液体加熱デバイスの製造者らは所与の量の液体を所与の温度に加熱するのに要する時間を短縮すべく、加熱抵抗器に対して液体循環流路を配置するための様々な構成を有する加熱デバイスを開発してきた。

上記に定義したタイプの液体加熱デバイスは文献ＦＲ−Ａ−２８５５３５９により公知であり、アルミニウムの熱慣性よりも低い熱慣性を有する本体を備える。このデバイスが有利である理由は特に、本体の熱慣性が低いために抵抗器が発生する熱のうち本体に保存される熱の量が非常に少ないことである。従ってこの加熱デバイスは熱効率を向上させると共に熱損失を低減させる。

しかし温度が８０℃を超え水の流量が通常望まれるレベルである場合、流路の出口部に気泡が現れる。このことは最終的に、流路を有する本体のプラスチック材料が腐食するという結果につながる。そのため装置の寿命は著しく短かくなる。これにより、はるかに高価なプラスチック技術を用いることが必要となる。さらにこのようなデバイスは湯垢を付ける傾向があり、そのために動作サイクルが進むにつれてエネルギー効率が下がる。

本発明の目的はこの状況に鑑み、上記した不利な点の少なくとも一部を緩和することが可能な、そして特に液体を沸点に近い温度まで加熱する際に湯垢がなるべく付かない加熱デバイスを提案することである。

これを達成するため本発明のデバイスは、以下の点以外は上記の包括的な定義に沿い、上記流路が、出口から離れてはいるが流路の入口よりも出口に近い位置に存在する最小液体フロー断面積(minimum cross-sectional liquid flow area)を有することを実質的に特徴とする。

本発明によると、流路の最小断面積と入口との間では液体の流量は比較的小さく、これにより流路のかなりの長さ（少なくとも流路長と等しい長さ）に亘って液体を次第に加熱することが可能となる。その後、液体の流量は最小断面積の位置であり且つ一定の流れを有する位置で増大するが、これは最小断面積に関係する狭窄(constriction)に起因する。

流路に形成される狭窄の位置は、流路の高温領域内、すなわち出口近傍となるように選択される。実際、気泡が発生し湯垢が堆積するのは高温領域である。流路の高温領域で液体の速度を加速させることにより、流路の高温壁に対する液体の圧力が上昇し、発生する水蒸気量の減少および／または気泡のより急速な排除という結果になる。このことは材料の腐食を緩和する。

流路の高温領域で水の速度を上昇させることに伴って、流路壁上に堆積する湯垢の量が減少する。

さらに流路壁と液体との間の熱交換が増大する。なぜなら液体／壁界面での熱伝導の方が蒸気／壁界面での熱伝導よりも良好だからである。

本発明によると、流路の狭窄を構成する最小断面積を高温領域に全く有しない加熱デバイスの場合に比べて、流路内で蒸気が発生する温度が高い。従って必ずしも先行技術のデバイスほど蒸気を発生させることなく抵抗器の加熱電力を増大させることが可能である。そのため、必ずしも湯垢領域を生み出すことなく液体の加熱速度を上げることができる。

例えばデバイスが、流路出口に近づくにつれて次第に狭窄する流路部であって、上記最小液体フロー断面積と上記流路入口との間のうち、流路の入口よりも出口に近い位置に存在する流路部を含むように構成することが可能である。

この次第に狭窄する領域は以下を実現するために設けられる。
一方では、最小断面積の存在による水頭損失を低減させる。
他方では、最小断面積に近づく際に流路の内部静圧と液体の速度とを次第に上昇させる。

その結果上記と同じ理由により、必ずしも蒸気発生領域を生み出すことなく、次第にく狭窄する領域の温度が概して上昇する。

例えば最小断面積が、全長に亘って一定の最小断面を有する流路部であって、上記狭窄部に隣接している流路部に属するように構成することが可能である。

この実施形態では、流路の断面積は狭窄部に沿って流路出口に近づくにつれて次第に狭窄し、最終的に最小となり且つ一定の最小断面を有する流路部の全長に亘って一定となる。

さらに、加熱抵抗器が、補足部材の表面であって本体とは反対側の表面にスクリーン印刷されるように構成することも可能である。この実施形態では、抵抗器と補足部材との間の熱交換を最適化することができ、それによりデバイスの効率も同様に向上する。

さらに、流路の全長を流路の入口と出口との間として測定した場合に、流路の上記最小断面積と出口との距離が流路の全長の少なくとも１／１０となるように構成することも可能である。この実施形態では、出口近傍において流路壁に対する加熱液体の圧力を低減させることができる。出口近傍は、デバイス外部への出口に近いために僅かに低温の領域である。空洞を介して蒸気の発生を促進する領域を生み出さないよう、出口近傍で流路の断面積を広げるという設計になっている。

さらに、最小断面積が流路の最大流体フロー断面積の半分未満であり、好ましくは最大断面積の１／４未満であり、さらに好ましくは最大断面積の１／５未満であるように構成することも可能である。温度が一定である場合、流路内の所与の位置での液体の速度は、この位置での流路の断面積に反比例する。

そのため液体が流路内を流れる際の温度上昇曲線を最適化し、液体が気相になることを防止するように、流路の断面を調整する。このような断面の調整については、最小断面積が最大断面積の少なくとも半分に等しく、好ましくは最大断面積の１／５に等しくなければならないことが確認された。これにより、狭窄した断面積領域近傍で流路に形成され得る湯垢粒子を除去するための理想的な条件を確立することが可能となる。

加えて、補足部材と本体との間の距離が、流路の全長のうち上記最小液体フロー断面積の位置で最小となるように構成することも可能である。

補足部材と本体との間の距離は流路の深さに一致する。流路が浅ければ浅いほど、補足部材に対する流体の圧力が増大する傾向があり、それによりこの位置での熱交換が促進されると共に蒸気の発生が防止される。

さらに、補足部材が本体を収容する管であり、流路が本体周りを巻回する螺旋という形態を取り、上記最小断面積の位置近傍で螺旋の各周が互いに最も近づくように構成することも可能である。

この管状補足部材と螺旋形状の流路とにより、熱損失が低減する。なぜなら、熱が補足部材の内部に向かって同心円状に蓄積されるからである。最小断面領域の位置近傍で螺旋突出部が互いに近づく形状になっていることは有利である。なぜならこの構造は螺旋構造の機械的強度を高めるからである。螺旋は低温領域（出口よりも入口に近い領域）に比べて高温領域（入口よりも出口に近い領域）でより耐性が強い。本発明のデバイスは、螺旋構造を局部的に強化することにより、１バールの動作圧力（２バールと２０バールとの間）および５００ｍｌ／分のオーダーの加熱液体流量という条件で９０℃を超える温度まで液体（例えば水）を加熱することが可能である。本発明のデバイスの性能はインスタント飲料装置で用いられている通常のデバイスの従来の性能を超える。

あるいは本体が平坦であり、流路が平面状の螺旋という形態を取るように構成することも可能である。この実施形態は、空間的要件ゆえに平面状の加熱デバイスを必要とするある種の装置に用いることができる。この実施形態ではさらに、螺旋の各周を互いに近づけて平面状の流路の断面積を次第に減少させて最小断面積にすることにより、最小流断面積を形成することも可能である。このデバイスでは入口を螺旋の中央に設け出口を縁部に設けてもよいし、その逆でもよい。いずれにしても最小断面積が入口よりも出口に近い位置にあることを保証すべきである。これは例えば螺旋の２つの連続する周の互いの間隔を狭めること、および／または流路の深さを上記のように変化させることにより可能となる。

さらに、流路が上記本体内の溝によって形成されるように構成することも可能である。

上記のように、本発明は液体加熱デバイスに関する。本デバイスは実質的に円筒形状の本体１と管状の補足部材３とを含み、管状補足部材３は加熱抵抗器２を保持している。本体１はスリーブを構成する補足部材３に挿入可能な寸法・形状を有している。管３の各端部において、本体と補足部材との間に防漏領域が形成されている。これらの防漏領域は図２に示されており、本体１の環状溝１３ａ、１３ｂに挿入されたＯリング１２ａ、１２ｂが防漏領域で補足部材３の内表面に押圧されている。

これらの防漏領域間において補足部材３の内表面と本体１との間に流路４が形成されている。流路４は本体１と補足部材３との間に存在する空間であり、流路の入口から出口まで延びている。本体１の周りには本体の長手方向軸に沿って螺旋状溝１０が巻回し、そのために流路４は実質的に螺旋形状となっている。

溝１０の第１の端部は第１の開口部まで延びており、第１の開口部は第１の管１４ａを介してデバイス外部と連通する出口６を構成している。

溝１０の第２の端部は第２の開口部まで延びており、第２の開口部は第２の管１４ｂを介してデバイス外部と連通する入口５を構成している。

これらの管１４ａおよび１４ｂは各々デバイスの外方に突出しているが、これは加熱装置用の水供給システムに連結するためである。第２の管１４ｂは通常、冷水供給貯蔵部に連結されており、第１の管１４ａは、栓を備えた湯ディスペンサーに連結されている。流体を流すのは、重力による、加熱デバイス上に貯蔵部を設けることによる、または冷水貯蔵部とデバイス１１との間に設けられたポンプを用いた強制的な流れによる、のいずれであってもよい。

流路４を画定するために本体に設けられた溝は、流路４内の位置に応じて深さおよび幅を変化させることができる。

流路は、液体が流れる方向に沿って実質的に連続した４つの部を有している。

入口５の開口に対向する第１流路部は最大流体フロー断面積Ｓｍａｘ（図３に示す）を有している。この最大断面積は流路４の長さ方向全体で最大である。

第２流路部７は前記第１の部のすぐ下流に画定されており、流路の流体フロー断面積が次第に狭窄されることを可能にする。この第２の部７を狭窄部と呼ぶ。

第３流路部８は第２の部のすぐ下流に画定されており、最小流体循環断面積Ｓｍｉｎを画定する。Ｓｍｉｎは流路４の長さ方向全体で最小の流体フロー断面積である。

第３の部のすぐ下流の第４流路断面領域は第３の部を出口に連通させ、且つその流体フロー断面積は次第に広がっている。

流路の全長に対する各部の割合は以下の通りである。
第１流路部は全長の３５％と５０％との間を占め、
第２流路部は全長の１５％と３０％との間を占め、
第３流路部は全長の１５％と４０％との間を占め、
第４流路部は全長の５％と２０％との間を占める。

図示した例では、第１の部は流路全長の５０％を占め、狭窄部７は全長の約１５％を占め、最小流路断面積部８は約２５％を占め、第４の部は約１０％を占めている。

この実施例では、一定の最小流断面積Ｓｍｉｎは、最大断面積Ｓｍａｘの１／４であり、そのために流体速度を４倍に上げることができる。これにより流路内での泡の発生を防止することができ、液体と加熱抵抗器２を担持する補足部材との間の熱交換を増大させる。流路は、適切な熱交換を妨げる泡の排除を促進すると期待される。

流路の断面積を変化させるために、溝の深さと幅とを変化させている。これにより最大流断面積の位置では、流路は幅約４ｍｍ、深さ（Ｄｍａｘ）３ｍｍであり、断面積は最大の１２ｍｍ²となっている。

最小流断面積の位置では、流路は幅約１．５ｍｍ、深さ（Ｄｍｉｎ）約２ｍｍであり、断面積は最小の３ｍｍ²となっている。

流路はこれら最小断面積と最大断面積との間で、幅および深さが規則的、漸進的かつ連続的な曲線に沿って変化するような形状を有している。これにより水頭損失が低減する。

上記したように、補足部材３の表面であって本体１とは反対側の表面９上には熱抵抗器２がスクリーン印刷されている。

抵抗器２は流路４の全長に亘って均一な加熱電力を均等に配分するように設計されている。これは流路内を流れる液体を移送全体に亘って加熱することができるようにするためである。抵抗器２は全長に亘って実質的に均一に加熱する。

抵抗器２は、２つの供給端子１５ａと１５ｂとの間に平行に取り付けられた２つの抵抗回路２ａ、２ｂから構成されている。供給端子１５ａおよび１５ｂもスクリーン印刷されている。これらの抵抗回路は補足部材の表面９上を螺旋状に巻回し、端子１５ａ、１５ｂは、金属ブレード（通常銅製）との電気的接触が可能となるように設けられている。

この抵抗器を製造するためには、１以上の絶縁材料層を補足部材上にスクリーン印刷する。その後、特定の経路形状の導電ペースト、供給端子１５ａおよび１５ｂを形成する層、最後に１以上の絶縁材料層をスクリーン印刷する。２０００Ｗのオーダーの加熱電力を得ることができる。

ある好適な実施形態では、スリーブ状補足部材の厚みは、抵抗器から流路内の液体への熱伝導を促進することができる範囲で最大の値まで低下させる。補足部材の形成には、高い熱伝導率、例えば４０を超える熱伝導率を有する材料を選ぶべきである。熱伝導率（Ｃｔｈ）とは、補足部材の材料の熱伝導係数（λ）を補足部材の厚み（ｅ、ミリメートルで表す）で除算した値を意味する。

Ｃｔｈ＝λ／ｅ

換言すると、補足部材は加熱抵抗器から液体へ非常に迅速に熱エネルギーを伝えるが、理由はその厚みが非常に薄く１〜３ミリのオーダーであるからであり且つその材料であるアルミニウム、銅またはステンレス鋼が高い熱伝導率を有するからである。

ある好適な実施形態では、本体はプラスチック材料又はより大まかに言うと低い熱慣性Ｉｔｈ（アルミニウムの熱慣性である２．３０のオーダーよりも低い熱慣性）を有する材料から形成されている。このため本体に保存される熱エネルギーは非常に小さい。本発明の本体１の製造に非常に適しているものとして挙げることのできる材料には、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）が含まれる。

本発明によると、非常に重要な設計領域である本体の高温領域では、流路の幅が狭く溝を形成しているブレードの表面密度が高いために機械的強度が増す。留意すべきは、これらブレード(blade)の幅は、流路の出口近傍の高温領域ではデバイスのその他の部よりも広くすることができることである。この新規な流路形状によっても流路内の水との熱交換を増大させることができ、そのために最も高温の領域において本体を著しく冷却することができる。

その結果、機械的強度は高いが高価な食品グレードＰＰＳで一般的に製造される本体を、機械的強度は低いが安価な充填ポリアミドで製造することが可能となった。

図１に示す温度センサ１６（例えばサーミスタ）は補足部材の表面９に有利な状態で取り付けられており、２つの端子１６ａ、１６ｂによって電気回路に接続されている。この電気回路は抵抗トラックへの電力供給を制御し、このため水が循環する際も補足部材が所定の温度に維持される。

ある特定の実施形態では、抵抗器内において補足部材の表面に可溶領域を形成することが可能である。こうすると抵抗器がオーバーヒートした場合に可溶領域が溶融して抵抗器への電力供給が遮断され熱伝導が断たれる。

通常ユーザは動作コントロールを備えた加熱デバイスを起動させ、それにより液体が流路内を循環し始め抵抗器が加熱する。本発明によると、流路内での温度の上昇勾配は毎秒３０℃のオーダーである。これに対し先行技術のいくつかのデバイスでの測定値は毎秒５℃である。このように液体の流量と加熱電力を調節することにより、本発明の加熱デバイスは非常に急速に予備加熱され、８０℃と９９℃との間の温度に加熱された液体が数秒のうちに確実に供給される。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら上記の記載を読むことにより明らかとなる。上記の記載は本発明を説明するためのものであり本発明を限定するわけではない。図面は以下の通りである。

図１は、本発明による加熱デバイスの分解斜視図を示す。 図２は、図１の加熱デバイスの長手方向断面図である。 図３は、図１および図２のデバイスの内部に取り付けられた単一の本体の長手方向断面図である。

Claims (11)

1. 本体（１）と、前記本体（１）の表面に対向配置される補足部材（３）とを含み、
   液体循環流路（４）が前記補足部材（３）と前記本体（１）との間に存在し、
   前記流路は、液体貯蔵部に連結するように設計された入口（５）と、加熱した液体を排出するように設計された出口（６）とを形成する２つの端部を有し、
   前記補足部材（３）が、前記流路（４）内を移動する液体を加熱できるように設けられた加熱抵抗器（２）を有する家電装置用液体加熱デバイス（１１）であって、
   前記流路（４）が、前記出口（６）から離隔し前記流路の入口（５）よりも出口（６）に近く位置する最小液体フロー断面積（Ｓｍｉｎ）を有することを特徴とする、液体加熱デバイス。
2. 前記最小液体フロー断面積（Ｓｍｉｎ）と前記流路の前記入口（５）との間のうち、前記流路の前記入口（５）よりも前記出口（６）に近い位置に存在する狭窄した流路部を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 狭窄部（７）とされる狭窄した流路部は、前記流路の出口（６）に向かって次第に狭窄することを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記最小断面積が、全長に亘って一定の最小断面（８）を有する流路部であって、前記狭窄部（７）に隣接している流路部に属していることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記加熱抵抗器（２）が、前記補足部材（３）の表面であって前記本体（１）とは反対側の表面（９）にスクリーン印刷されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一つに記載のデバイス。
6. 前記流路の全長を前記流路の前記入口（５）と前記出口（６）との間として測定した場合、前記出口から前記流路の前記最小断面積を隔てる距離が前記流路全長の少なくとも１／１０であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一つに記載のデバイス。
7. 前記最小断面積（Ｓｍｉｎ）が前記流路内の最大流体フロー断面積（Ｓｍａｘ）の半分未満であり、好ましくは前記最大断面積（Ｓｍａｘ）の１／４未満であり、さらに好ましくは前記最大断面積（Ｓｍａｘ）の１／５未満であることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のデバイス。
8. 前記補足部材（３）と前記本体（１）との間の距離が、前記流路の前記全長のうち、前記最小液体フロー断面積（Ｓｍｉｎ）の位置で最小（Ｄｍｉｎ）となっていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一つに記載のデバイス。
9. 前記補足部材（３）は内側に前記本体（１）を収容する管であり、
   前記流路（４）は前記本体（１）周囲を周回する螺旋形状に形成され、
   前記最小断面積（Ｓｍｉｎ）が位置する近傍で前記螺旋の各周が互いに最も近接することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一つに記載のデバイス。
10. 前記本体（１）が平坦であり、前記流路が平面上の螺旋という形態を取っていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一つに記載のデバイス。
11. 前記流路（４）が前記本体（１）に形成された溝（１０）によって構成されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一つに記載のデバイス。

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