JP2003276424A - 自動車に使用される電気加熱装置 - Google Patents

自動車に使用される電気加熱装置

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JP2003276424A
JP2003276424A JP2003051298A JP2003051298A JP2003276424A JP 2003276424 A JP2003276424 A JP 2003276424A JP 2003051298 A JP2003051298 A JP 2003051298A JP 2003051298 A JP2003051298 A JP 2003051298A JP 2003276424 A JP2003276424 A JP 2003276424A
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cooling element
heating device
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Klaus Beetz
クラウス・ベーツ
Franz Bohlender
フランツ・ボーレンダー
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Catem GmbH and Co KG
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 均一な空気の排出温度が得られかつ低温の空
気が流れ込む時、加熱装置の効率を低下させないような
自動車に使用される電気加熱装置を提供する。 【解決手段】 加熱ブロックを形成するように結合され
た複数の加熱素子2と、加熱ブロックと一体化された構
造ユニットを形成すると共に加熱素子を制御するための
制御装置とから構成されている。制御装置は印刷回路板
10上に配置されかつ各々冷却エレメント20を有する
電力用トランジスタ19を備えており、冷却エレメント
は印刷回路板に穿設された孔を通って該冷却エレメント
と電力用トランジスタとを接続するピン20aを備えて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、加熱ブロックを形
成するように結合された複数の加熱素子と、前記加熱ブ
ロックと一体化された構造ユニットを形成すると共に前
記加熱素子を制御するための制御装置とを有し、前記制
御装置が、印刷回路板上に配置されかつ各々冷却エレメ
ントを有する電力用トランジスタを備えた自動車用の空
気補助加熱手段として使用される電気加熱装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】自動車には、車両内部および/またはエ
ンジンを加熱するために加熱装置またはラジエータが使
用される。一方では、エンジンの始動時で、エンジンが
十分な熱エネルギを与えない間、それらが使用される。
他方、特に消費量最適化内燃機関では、自動車にそのよ
うな加熱装置を使用する必要がある。
【0003】しかし、そのような加熱装置の使用は、自
動車の分野に制限されない。これらの加熱装置は、様々
な他の目的に、たとえば家庭用機器(ルームエアコン)
や工場などの分野にも使用するのに適している。
【0004】ヨーロッパ特許第A2−0901311号
明細書には、自動車用の電気加熱手段を開示している。
かかる明細書に記載の加熱装置は、加熱ブロックを形成
するように結合された複数の加熱素子を含む。加熱ブロ
ックおよび加熱ブロックを制御する制御装置が、共通の
フレーム内に保持されている。このように、制御装置
は、フレーム内に保持された加熱ブロックと一緒になっ
て構造ユニットを形成している。かかる制御装置は、冷
却エレメントを備えた電子スイッチを有する電力用電子
部品を含んでいる。制御装置は、加熱すべき空気流の主
要部分が加熱ブロックを流れ、その空気流の周辺部分が
冷却用に制御装置に加えられるように配置されている。
【0005】この周知の加熱装置は、制御装置を流れる
空気流が加熱電力の全体効率を低下させるので、あまり
好ましいものではない。加熱すべき空気流の加熱ブロッ
クを通過する部分と冷却のために制御装置を通過する部
分とでは出口温度に差異がある。制御装置に加えられた
空気流の出口温度は主空気流より大幅に低い。その結
果、特に排出される空気の温度が不均一になる。また同
時に、低温の空気流が流れ込むことにより加熱装置の効
率は低下する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、もっと効率的な加熱を行うことができる電気加
熱装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的は、本発明によ
れば、前記冷却エレメントが、印刷回路板に穿設された
孔を通って該冷却エレメントと電力用トランジスタとを
接続するピンを備えていることによって達成される。
【0008】本発明の好適な実施形態によれば、各々の
前記冷却エレメントが、ばねクリップにより、前記電力
用トランジスタと共に前記印刷回路板に取着されてい
る。かかる構成により、機械的固定と共に、加熱素子用
の制御電流を流すための良好な電気的接続も行うことが
できる。これは、本発明に従った電気加熱装置に必要な
材料の量と、そのような電気加熱装置の製造用の設備と
を大幅に減少させるという効果を有する。
【0009】本発明の好適な実施形態によれば、前記電
力用トランジスタが、SMD形電力用トランジスタであ
る。
【0010】本発明の好適な実施形態によれば、前記印
刷回路板に穿設された孔の直径が約7.5ミリメートル
である。
【0011】本発明の好適な実施形態によれば、前記加
熱ブロックが矩形フレームに保持されており、前記矩形
フレームが、互いに対向配置された2本の長手方向バー
とこれら長手方向バーと各々垂直に交差する方向に接続
された2本の側部バーとで構成され、少なくとも一方の
側部バーが、一方の側面が開放されかつその中に前記制
御装置を嵌挿可能とした箱形に形成されており、窓形開
口が、前記一方の側部バーの上下面に各々対応して設け
られており、更に、前記電力用トランジスタの冷却エレ
メントが、前記制御装置を前記側部バー内に嵌挿した状
態において、前記窓形開口に挟まれるように位置付けら
れている。
【0012】かかる電気加熱装置の構成により、加熱ブ
ロックを通過する空気量への適合が可能であるため、両
方の空気量がほぼ同一の出力温度になるであろう。この
ようにして、加熱装置全体の効率が、制御電子部品の冷
却用に分流される空気流によって低下することは無くな
る。
【0013】本発明の好適な実施形態によれば、前記窓
形開口が、前記印刷回路板上に配置された制御装置の部
材間に空気を流通可能となるような位置に配設されてい
る。かかる構成により、加熱すべき空気が制御装置に全
体的に加えられるのではなく、電力用電子部品を流れて
それらを冷却するために使用される空気量を窓形開口で
制御することができる。
【0014】本発明の好適な実施形態によれば、前記制
御装置の前記印刷回路板が、一方側だけに電子部品が実
装されている。かかる構成により、冷却空気は制御装置
の部材上を誘導される時、さらに加熱されるであろう。
このようにして、空気を部材に特に簡単に加えることが
できる。また、部材のそのような配置は製造エンジニア
リングの点からも特に好都合である。
【0015】本発明の好適な実施形態によれば、前記印
刷回路板が、前記矩形フレームの平面に対して直角方向
に配設されておりかつその長さが前記側部バーの長さに
実質的に一致している。このような配置は、一方では空
気を部材に簡単に加えることができるようにする。他
方、これによって電気加熱装置の構造深さを小さくする
ことができる。
【0016】次に、添付の図面を参照しながら本発明に
よる電気加熱装置の好ましい1つの実施の形態を以下に
説明する。
【0017】
【発明の実施の形態】図1は、本発明に従った電気加熱
装置1の側面図を示している。図2は、電気加熱装置1
の上面図を示している。電気加熱装置1は、層状に配置
された、すなわち積み重ねられた複数の加熱素子2を有
する加熱ブロックを含む。各加熱素子2は、抵抗加熱素
子と、この抵抗加熱素子に隣接配置されたラジエータす
なわち伝熱性プレートとで構成されている。抵抗加熱素
子として使用される加熱素子は、好ましくはPTC素子
である。加熱素子2を有する加熱ブロックは、フレーム
内に保持されている。このフレームは、対向した長手方
向バー3と、それに直角に配置された側部バー4および
5とで構成されている。フレームのバーは、金属製また
はプラスチック材製のいずれかである。
【0018】図1及び2に示されている実施形態では、
長手方向バー3はほぼ対称的な構造であるが、2つの側
部バー4および5は異なっている。側部バー4とは異な
って、側部バー5は、一側部が開放した箱として実現さ
れている。この箱形側部バー5の開放部分は、加熱素子
2側と反対側に位置する側部バーの側部に位置してい
る。この箱は、加熱素子2に供給される電流を制御する
ことによって個々の加熱素子2の熱出力を制御する制御
装置を内部に挿入できるようになっている。箱形側部バ
ー5の開放側部は、制御回路の挿入後にプラグオンまた
はクリップオン式カバーによって閉鎖される。
【0019】挿入後、制御装置の印刷回路板10は好ま
しくは、フレームの平面に直角に配置されるが、平行配
置も可能である(図示せず)。加熱装置1は、2つの接
続ピン8を介して電流を供給される。これらの接続ピン
は、要求された加熱電流を容易に流すことができるよう
に実現されている。図1及び2に示されている実施形態
では、接続ピン8は、箱形側部バー5が開放している側
部から突出している。
【0020】同一側部に、制御装置を制御するためのさ
らなるプラグベースが設けられているが、このプラグベ
ースは図1及び2に示されていない。側部バー5は、フ
レームの平面上に位置する側部に窓形開口7を有する。
これらの窓形開口7は、それらも加熱すべき空気流内に
位置するようにして配置される。向き合った窓形開口7
の間に冷却エレメント6が配置されているが、これらの
冷却エレメント6は、制御回路の電力用電子部品に付属
する。加熱装置が作動状態にある時、加熱すべき空気
が、加熱素子2からなる加熱ブロックだけでなく、窓形
開口7も流れる。
【0021】冷却エレメント6を通過する空気量は、窓
形開口7の寸法を選択することによって決定することが
できる。本発明によれば、加熱ブロックを流れる空気と
冷却エレメント6を流れる空気との間の温度差ができる
限り小さくなるように、空気流量が調整される。窓形開
口7を流れる空気の温度が加熱ブロックを流れる空気の
温度にできる限り近づいた場合だけ、加熱装置は最高可
能効率で作動するであろう。
【0022】図3は、箱形側部バー内に配置された制御
装置の詳細を斜視図で示している。印刷回路板10の上
に、電力用電子部品11に加えて制御電子部品12が実
際に装着されている。制御電子部品12は、電力用電子
部品11、特に電力用トランジスタによってそれぞれの
対応の加熱素子2に供給すべき電流の量を決定する。電
流は、接続ピン8の一方から導電性レール13を介して
制御装置に供給される。電力用トランジスタ11の出力
部は、印刷回路板10に溶接により固定されて、さら
に、このトランジスタに対応したばね部材14に接続さ
れている。
【0023】ばね部材14は、制御装置が側部バー5に
取り付けられた時に加熱素子の接続ラグに接続されるよ
うにして、印刷回路板上に配置されている。そのような
接続ラグ15が、図4および図5に示されている。
【0024】図示の実施形態では、接続ラグ15が図3
の印刷回路板10を通過して、ばね部材14内へ挿入さ
れる。そのような構造にすることによって、印刷回路板
10を制御電子部品と共にフレーム内に迅速に機械的に
固定することができる。同時に、それぞれの加熱素子と
の電気接続が行われる。
【0025】印刷回路板は、一方側だけに部材を備えて
いる。加熱段階の数に応じて、電力用トランジスタ11
が印刷回路板に水平方向に固定されている。図示の実施
形態では、3つの加熱段階が、したがって3つの電力用
トランジスタが設けられている。各電力用トランジスタ
11は、出力端子が印刷回路板10に溶接で固定されて
いる。連結ラグがトランジスタを越えて突出しており、
この連結ラグに冷却エレメント6が固定されている。冷
却エレメント6を加熱素子に断熱状態で連結することが
好都合であろう。
【0026】冷却エレメント6に冷却フィンが設けられ
ており、これは、印刷回路板10に直角をなす平面上に
位置している。図示の実施形態ではさらに、冷却フィン
は、印刷回路板の部材非実装側に配置されている。冷却
エレメント6の1つの脚部だけが印刷回路板の部材実装
側まで突出して、トランジスタ11の連結ラグに連結さ
れていることによって、そのトランジスタで発生した熱
を消散させることができる。
【0027】図示の実施形態では、トランジスタ11に
連結された冷却エレメント脚部が、印刷回路板10の開
口に挿通されて印刷回路板10の部材実装側まで突出し
ている。しかし、それが印刷回路板の縁部を越えて突出
するようにしてもよく、その場合には印刷回路板10の
開口をなくすことができる。トランジスタ11、ばね部
材14及び冷却エレメント6を含む部材の同じ構造が各
加熱段階用に印刷回路板上に設けられている。
【0028】図4は、箱形側部バー5、およびこの側部
バーに挿入されるようにした制御回路の詳細の説明用斜
視図である。側部バー5の一方側が、長手方向バー3
と、加熱素子2を備えた加熱ブロックとに連結されてい
る。側部バー5の上表面に、加熱すべき空気が通る窓形
開口7を見ることができる。
【0029】箱形側部バー5内に、3つの接続ラグ15
と1つの接続ピン8aとを見ることができる。この接続
ピンは、すべての加熱素子2用の陽極接続部を形成して
いる。本図面はさらに、側部バー5の箱に挿入されるよ
うにした制御装置5aの斜視図を示している。制御装置
5aは、側部バー5に面する側が側部バー5に挿入され
る。
【0030】制御装置5aの側部バー5に面する側に、
印刷回路板10の下面を見ることができる。3つの冷却
エレメント6がこの印刷回路板10を越えて突出してい
る。これらの冷却エレメントまたは冷却プレートの各々
が、加熱段階の電力用トランジスタ11の1つに対応し
ている。各冷却エレメント6用に、相補的な窓形開口7
が側部バー5の表面に設けられている。これによって、
加熱装置が作動している時、各冷却エレメントに空気流
が効果的に供給されるという効果が得られる。
【0031】側部バーから離れた側に面する側部に、さ
らなる接続ピン8bを見ることができる。この接続ピン
は、電流の供給時に電気アースとして機能する。接続ピ
ン8bは、図3および図5に示された、加熱電力を個々
の加熱段階に供給する導電性レール13に接続されてい
る。加熱段階の各々は、導電性レール13を経て供給さ
れる電流量から約40アンペアまでをそれの電力用トラ
ンジスタ11を介して引き込む。
【0032】図5は、側部バー5、およびこの側部バー
5の箱形開口に挿入されるようにした制御回路のさらな
る詳細を斜視図で示している。図5の上部分には、窓形
開口7の2つを側部バー5の表面上に見ることができ
る。これらの窓形開口は、制御回路を側部バー5内に挿
入した時、冷却エレメント6の上下に位置するように配
置されている。側部バー5の箱形開口内に、加熱部材2
の接続ラグ15を見ることができる。各加熱段階用にそ
れぞれ1つの接続ラグ15が設けられている。
【0033】図5の下半分に、側部バー5に挿入される
ようにした制御回路が示されている。構造をさらにわか
りやすく示すため、この場合には電力用トランジスタの
1つだけが冷却エレメント6を備えている。その他に関
しては、制御回路の構造は図3に関連して記載した制御
回路と同じである。
【0034】図6乃至8は、本発明のさらなる実施形態
を示している。図6、図7および図8は、この実施形態
が先行実施形態と特に異なっている構成部分の様々な詳
細を示している。
【0035】図6は、側部バー5のわずかに変更した構
造を部分斜視図で示している。窓形開口7の配置は、上
記実施形態と同じである。空気流の影響をもっと正確に
与えるために、側部バー5への制御回路の挿入を妨害さ
れることなく行なえるのであれば、壁が側部バー5の窓
形開口7の間に設けられている。窓の間の上側部と加熱
素子に面する側部とに位置する中間空間がすべて、追加
壁18で閉鎖されている。これによって、加熱装置が作
動している間に空気が無意味に流れることが防止され
る。
【0036】図7は、空気が窓形開口7の間をどのよう
に誘導されるかを示している。空気をさらに正確に誘導
するために、窓形開口7の間に位置する領域に、空気誘
導部材17が挿入されている。Y形スポイラ部材によっ
て、U形冷却エレメント6の冷却フィンの周囲を空気が
うまく流れるようにすることができる。冷却エレメント
6のそれぞれの冷却フィンは、窓形開口7に露出するよ
うに隣接配置されている。図7に、電力用トランジスタ
11を備えた印刷回路板10も示されている。
【0037】図8は、冷却エレメント6の対応の構造を
示している。上記実施形態では、ほぼU形冷却エレメン
ト6は、そのU形側部が印刷回路板上に垂直になるよう
に載置されているが、本実施形態の冷却エレメント6
は、U形の下側が印刷回路板10に平行になるようにし
て配置されている。したがって、Y形空気誘導部材17
は、加熱部材に面する側部バー側から制御装置の方向に
突出するように配置されている。第1実施形態に従った
冷却エレメント6を使用した時、相補的な空気誘導部材
を向き合った窓形開口7の間の側方周辺部分に配置する
ことができる。
【0038】図8に示されている実施形態では、冷却フ
ィンの幅b1が約3mmである一方、冷却フィン間の距
離b2がわずかに小さく、約2.5mmである。冷却エ
レメントは、好ましくはアルミニウムまたは銅で形成さ
れている。
【0039】図9乃至12には、本発明に従った制御装
置のさらなる実施形態が示されている。この実施形態で
は、特に電力用トランジスタおよび冷却エレメントの構
造が、先行実施形態のものと異なっている。本実施形態
に従った冷却エレメント20は、異なったやり方で電力
用トランジスタに連結されている。先行実施形態では、
電力用トランジスタ11に冷却ベーンが形成されて、そ
れが電力用トランジスタの一側部を越えて突出してい
る。上記実施形態の冷却エレメントは、これらの冷却ベ
ーンに固定されている。電力用トランジスタの冷却ベー
ンは、印刷回路板に溶接されている。
【0040】以下に記載する実施形態では、冷却エレメ
ントがクリップ連結部によってトランジスタに連結され
ている。
【0041】図9乃至12に、本実施形態の冷却エレメ
ント20が特別な構造を有することが示されている。ば
ねクリップ21を係合させるために、冷却エレメント2
0の冷却フィンが非対称的構造を有する。このために、
好ましくは、U形冷却エレメントの一方側でフィンの数
が通常の場合より少なくなって、ばねクリップ21を係
合させることができるようにしている。好ましくは、ば
ねクリップは電力用トランジスタ19および冷却エレメ
ント20に外側から係合し、このようにして冷却エレメ
ント20を制御装置およびトランジスタ19に固定す
る。
【0042】本実施形態は特に、SMD形電力用トラン
ジスタに適している。冷却エレメントを固定できる冷却
ベーンを備えていないことは、SMD形トランジスタの
構造依存特性である。冷却エレメントを電力用トランジ
スタ19の下表面に連結できるようにするために、印刷
回路板に穴が設けられており、この穴の直径が好ましく
は約7.5mmである。
【0043】したがって、冷却エレメント20は、その
下側にピン20aを有する。図示の実施形態では、この
ピンが個々の冷却フィンの方向と逆の方向に突出してい
る。ピン20aの直径は好ましくは約7mmである。冷
却エレメント20に形成されたピン20aは、印刷回路
板10の穴を貫通して、直接的にトランジスタ19と接
触する。
【0044】この構造が、図10、図11及び図12に
詳細に示されている。図10は、電力用トランジスタ1
9を設けた印刷回路板の上面図を示している。電力用ト
ランジスタ19を印刷回路板10の周辺部分に配置する
ことによって、冷却エレメント20を固定するために使
用されるばねクリップ21を容易に留め付けることがで
きる。
【0045】印刷回路板の、ばねクリップ21が印刷回
路板に上下から係合する位置に凹みを設けることによっ
て、ばねクリップ21のために印刷回路板10の構造深
さを大きくする必要をなくすことができる。好ましく
は、この凹みの深さは、この領域でのばねクリップ21
の厚さとほぼ同じである。トランジスタ19は好ましく
は、接続接点22が印刷回路板10の反対の縁部の方に
向くように配置される。
【0046】図11は、側面図を示している。図12
は、図11のA−A線に沿った断面図を示している。図
12は、最適加圧点を有する正確な位置決め固定が保証
されるように、冷却エレメント20およびばねクリップ
21が互いに幾何学的に適応していることを示してい
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電気加熱装置の上面図である。
【図2】 本発明による電気加熱装置の側面図である。
【図3】 制御装置の詳細を示す斜視図であって、この
印刷回路板は電気部品を実装されている。
【図4】 箱形側部バー及びこの側部バーに挿入される
ようにした制御装置の詳細の説明用斜視図である。
【図5】 箱形側部バー、およびこの側部バーに挿入さ
れるようにした制御装置のさらなる詳細を示す斜視図で
ある。
【図6】 本発明に係る制御装置における箱形側部バー
に若干の変更を加えた実施形態の要部を示す部分斜視図
である。
【図7】 図6に示された側部バー内部の詳細を示す横
断面図である。
【図8】 図7において示された冷却エレメントの斜視
図である。
【図9】 実際に製造され得る簡略化された形態の本発
明による制御装置のもう1つの実施形態の斜視図であ
る。
【図10】図9に示された制御装置の部分上面図であ
る。
【図11】図9に示された制御装置の部分側面図であ
る。
【図12】図9に示された制御装置の図11におけるA
−A断面図である。
【符号の説明】
2 加熱素子 3 長手方向バー 4 側部バー 5 側部バー 6 冷却エレメント 7 窓形開口 10 印刷回路板 11 電力用トランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランツ・ボーレンダー ドイツ連邦共和国、カンデル、ヤーンシュ トラーセ 15アー

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加熱ブロックを形成するように結合され
    た複数の加熱素子(2)と、前記加熱ブロックと一体化
    された構造ユニットを形成すると共に前記加熱素子
    (2)を制御するための制御装置とを有し、前記制御装
    置が、印刷回路板(10)上に配置されかつ各々冷却エ
    レメント(20)を有する電力用トランジスタ(19)
    を備えた自動車用の空気補助加熱手段として使用される
    電気加熱装置において、 前記冷却エレメント(20)が、印刷回路板(10)に
    穿設された孔を通って該冷却エレメントと電力用トラン
    ジスタ(19)とを接続するピン(20a)を備えてい
    ることを特徴とする電気加熱装置。
  2. 【請求項2】 各々の前記冷却エレメント(20)が、
    ばねクリップ(21)により、前記電力用トランジスタ
    (19)と共に前記印刷回路板(10)に取着されてい
    ることを特徴とする請求項1記載の電気加熱装置。
  3. 【請求項3】 前記電力用トランジスタ(19)が、S
    MD形電力用トランジスタであることを特徴とする請求
    項1又は2に記載の電気加熱装置。
  4. 【請求項4】 前記印刷回路板(10)に穿設された孔
    の直径が約7.5ミリメートルであることを特徴とする
    請求項1〜3の内の何れか1項に記載の電気加熱装置。
  5. 【請求項5】 前記冷却エレメント(20)が、直径7
    ミリメートルのピン(20a)を有していることを特徴
    とする請求項4記載の電気加熱装置。
  6. 【請求項6】 前記加熱ブロックが矩形フレーム(3、
    4、5)に保持されており、 前記矩形フレームが、互いに対向配置された2本の長手
    方向バー(3)とこれら長手方向バーと各々垂直に交差
    する方向に接続された2本の側部バー(4、5)とで構
    成され、 少なくとも一方の側部バー(5)が、一方の側面が開放
    されかつその中に前記制御装置を嵌挿可能とした箱形に
    形成されており、 窓形開口(7)が、前記一方の側部バー(5)の上下面
    に各々対応して設けられており、 更に、前記電力用トランジスタ(11)の冷却エレメン
    ト(6)が、前記制御装置を前記側部バー内に嵌挿した
    状態において、前記窓形開口(7)に挟まれるように位
    置付けられていることを特徴とする請求項1〜4の内の
    何れか1項に記載の電気加熱装置。
  7. 【請求項7】 前記窓形開口(7)が、前記印刷回路板
    (10)上に配置された制御装置の部材間に空気を流通
    可能となるような位置に配設されていることを特徴とす
    る請求項6記載の電気加熱装置。
  8. 【請求項8】 前記制御装置の前記印刷回路板(10)
    が、一方側だけに電子部品が実装されていることを特徴
    とする請求項1〜7の内の何れか1項に記載の電気加熱
    装置。
  9. 【請求項9】 前記印刷回路板(10)が、前記矩形フ
    レームの平面に対して直角方向に配設されておりかつそ
    の長さが前記側部バー(5)の長さに実質的に一致して
    いることを特徴とする請求項6〜8の内の何れか1項に
    記載の電気加熱装置。
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