JP2005032655A - 陶芸用電気窯 - Google Patents

Abstract

【課題】 家庭用の陶芸用電気窯において、ヒータを構成する熱線の寿命を延ばす。
【解決手段】 この陶芸用電気窯は、家庭用の電源に接続されて使用される陶芸用の窯であって、内部に熱線１０としてのヒータを有する炉１と、炉内部の温度を検出する温度センサ２５と、温度制御装置１５と、電流制御装置１７とを備えている。温度制御装置１５は、温度センサ２５からの検出結果を受けて、炉内部の温度が目標温度になるようにヒータへの供給電力を制御する。電流制御装置１７はヒータとしての熱線１０に流れる電流を許容電流以下に制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、陶芸用電気窯、特に、家庭用の電源に接続されて使用される陶芸用電気窯に関する。

従来のこの種の装置として、例えば特開昭６１−１７１０８４号公報に示された陶芸用電気窯がある。この陶芸用電気窯は、内部にヒータを有する炉と、炉内の温度を制御するための制御部とを有している。炉は耐火レンガによって形成されたハウジングを有しており、このハウジングの内壁に熱線をコイル状に巻いて形成されたヒータが設けられている。また、制御部は、炉内の温度を目標温度に制御するためのものであり、炉内の温度がセンサによって検出されるとともに、この検出結果に基づいてヒータに供給される電力が制御されるようになっている。
特開昭６１−１７１０８４号公報

従来のこの種の装置では、実用上、購入後の焼成目標値は３００回程度であるといわれている。このような焼成目標値に対して、炉を構成する耐火レンガは３００回程度の使用に耐え得るので、目標値をクリアできている。しかし、ヒータを構成する熱線は、使用とともに劣化して抵抗が大きくなり、例えば１００回程度使用すると、目標とする電力が得られなくなって必要とする炉内温度に到達しなくなる。すなわち、ヒータの寿命が比較的短いので、ヒータの交換が必要になってくる。

前述のように、ヒータを交換しなければならない原因は、ヒータを構成する熱線の劣化によってその抵抗値が大きくなることであるので、当初から抵抗値の比較的小さい熱線によってヒータを構成すれば、劣化によって抵抗値が大きくなったとしても、限界値（必要電力が得られる最大の抵抗値）に達するまでの時間が長くなり、寿命を延ばすことができると考えられる。しかし、熱線を購入後、新しく小さい抵抗値のまま使用すると、家庭用のブレーカが作動してしまい、陶芸窯として使用できないという問題がある。

また、前述の公報で示された制御部も電流値を制御するものであるが、あくまで温度制御を目的とする電流制御であるので、熱線の製作誤差等による初期抵抗値にバラツキに十分に対応できない場合がある。さらに、温度制御のみに着目して電流の制御を行うので、電源電圧の変動によって印加電圧が高くなった場合に、電流が許容電流以上になって、ブレーカが作動してしまうという問題もある。

本発明の課題は、家庭用の陶芸用電気窯において、ブレーカを作動させることなく熱線等のヒータの寿命を延ばすことにある。

本発明の別の課題は、家庭用の陶芸用電気窯において、電源電圧が変動しても、あるいはヒータを構成する抵抗体の抵抗値にバラツキがあっても、ブレーカが作動するのを抑えることにある。

本発明のさらに別の課題は、家庭用の陶芸用電気窯において、ヒータの寿命を損なうことなく電気窯の容量を大きくできるようにすることにある。

請求項１に係る陶芸用電気窯は、家庭用の電源に接続されて使用される陶芸用電気窯であって、内部にヒータを有する炉と、炉内部の温度を検出する温度検出手段と、温度制御手段と、電流制御手段とを備えている。温度制御手段は、温度検出手段からの検出結果を受けて、炉内部の温度が目標温度になるようにヒータへの供給電力を制御する。電流制御手段はヒータに流れる電流を制限電流以下に制御する。

この陶芸用電気窯では、従来と同様に、温度制御手段によって炉内の温度が制御されるが、温度制御手段に加えて電流制御手段が設けられており、この電流制御手段によってヒータに流れる電流が制限電流以下に抑えられる。

ここでは、ヒータに流れる電流が制限電流以下に抑えられるので、ヒータを抵抗値の小さい熱線等の抵抗体で構成することができる。このため、ヒータを構成する抵抗体が劣化してその抵抗値が従来の設計基準によって定められる抵抗値になるまでの時間を長くすることができ、ヒータの寿命が長くなる。また、温度制御とは別に電流を監視して制限電流以下に制御するので、電源電圧の変動や、ヒータを構成する抵抗体の抵抗値のバラツキがあっても安定して作動させることができる。また、必要電力を従来に比較して高くしても、すなわち窯の容量を大きくしても、ヒータの寿命が従来に比較して短くなることはない。

請求項２に係る陶芸用電気窯は、請求項１の陶芸用電気窯において、電流制御手段は、ヒータに流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段の検出結果によりヒータに流れる電流を制御するスイッチ手段とを有している。ここでは、ヒータに流れる電流が検出され、その検出結果によりスイッチ手段が制御されて、ヒータに流れる電流が制御される。

請求項３に係る陶芸用電気窯は、請求項２の陶芸用電気窯において、電流制御手段は、制限電流を設定する制限電流設定手段をさらに有している。ここでは、用途や状況に応じて、制御すべき制限電流の値が設定できる。

請求項４に係る陶芸用電気窯は、請求項１から３のいずれかの陶芸用電気窯において、ヒータは抵抗値が５．９５Ω以上６．７Ω未満の熱線である。

請求項５に係る陶芸用電気窯は、請求項４の陶芸用電気窯において、家庭用電源は電圧が１００ボルトであり、制限電流は家庭用電源で許容される電流値である。

請求項６に係る陶芸用電気窯は、請求項１から５のいずれかの陶芸用電気窯において、温度制御手段は、複数の所定時間経過毎にそれぞれの目標温度を設定することが可能である。

以上のように、本発明では、家庭用の陶芸用電気窯において、熱線等の抵抗体で構成されるヒータの寿命を延ばすことができる。また、電源電圧の変動や、ヒータを構成する抵抗体の抵抗値にバラツキがあっても安定して作動させることができる。また、ヒータの寿命を従来に比較して短縮することなく電気窯の容量を大きくすることができる。

［構成］
図１に本発明の一実施形態による陶芸用電気窯の外観を示す。この陶芸用電気窯は、炉１と、炉１の外壁に固定された制御装置２とを有している。

炉１は、上面が開口し概略八角形の形状に形成されたハウジング５と、ハウジング５の開口を覆うようにハウジング５に開閉自在に装着された蓋６と、ハウジング５の底部に装着された脚部７とから構成されている。ハウジング５は、内部に作品を収納するものであり、金属製の外枠部８と、外枠部８の内部に設けられた耐火レンガ製の内枠部９とから構成されている。外枠部８は内部が中空に形成されており、内部空間には断熱材が充填されている。また、内枠部９は、外枠部８の内壁に密着して固定されており、内壁には、図２に拡大して示すように、螺旋状の溝９ａが形成されている。そして、この螺旋状の溝９ａにヒータとしてのコイル状の熱線１０が装着されている。

制御装置２は、図１に示すように、回路基板等が内部に配置された制御ボックス１２と、制御ボックス１２の表面に設けられた操作部１３とを有している。制御ボックス１２は、前述のように、炉１の外壁に固定されており、図３に示すように、温度制御装置１５と、温度制御装置１５によってオン／オフ制御されて熱線１０と電源との間を接続・遮断するスイッチ（リレー接点）１６と、電流制御装置１７とを内部に有している。また、操作部１３は、図４に示すように、表示部２０や、各工程の温度設定用の温度選択キー２１、各工程の経過時間設定用の時間選択キー２２、各工程の経過時間及び目標温度を入力するためのテンキー２３、スタート／ストップキー２４等が設けられている。

温度制御装置１５は、操作部１３によって設定された各時間経過毎の目標温度を記憶している。また、ハウジング５にはハウジング内部の温度を検出するための温度センサ２５（図３参照）が設けられており、その検出結果が温度制御装置１５に入力されるようになっている。そして、温度制御装置１５は、温度センサ２５からの出力信号と操作部１３によって設定された各時間経過毎の目標温度とを比較し、その結果に応じてスイッチ１６のオンの時間とオフの時間の割合を切り換えるようにして、炉内温度が目標温度に達するような制御を行う。なお、温度制御の方法は、オン／オフ制御のみならず、ＰＩＤ制御やその他の制御アルゴリズムによって実施しても良い。

電流制御装置１７は、電源と熱線１０との間に接続されており、熱線１０に流れる電流値を検出する電流検出器（ＣＴ）３０と、電流検出器３０の出力値をディジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）３１と、Ａ／Ｄコンバータ３１からのデータが入力されるマイコン（ＣＰＵ）３２と、マイコン３２に対して制限電流値を設定するための電流制限設定装置（ＳＶ）３３と、マイコン３２によってオン／オフ制御される半導体スイッチ３４とを有している。なお、半導体スイッチ３４は、位相制御やゼロクロス制御することによって流れる電流を制御するように構成しても良い。

［動作］
次に動作について説明する。

この陶芸用電気窯は、家庭用電源に接続して用いられる。使用に際しては、まず制御装置２の操作部１３から、経過時間と各経過時間毎の目標温度を設定する。これにより、焼成のための温度パターンを設定することができる。また、電流制限設定装置３３により、家庭用ブレーカが作動しないように、制限電流の値を設定する。

以上のような操作の後、作品をハウジング５の内部に入れ、スタートキー２４を押すと、先に設定した温度パターンに従って炉内の温度が制御されて焼成が行われる。温度パターンは、例えば、時間ｔ１をかけて炉内温度がＴ１まで上昇するように、時間ｔ２をかけて炉内温度がＴ２まで上昇するように、時間ｔ３をかけて炉内温度がＴ３まで上昇するように、時間ｔ４をかけて炉内温度がＴ４まで上昇するように設定されている。この場合は、焼成開始と同時にタイマーが作動し、温度パターンに沿って温度が制御される。なお、各工程の温度の変化率は、種々設定されているが、ここでは詳細の説明は省く。一例を挙げれば、陶芸の焼成においては、どのような勾配をたどって温度上昇するかで釉薬の色が変化するために、第３工程では、（Ｔ３−Ｔ２）／ｔ３の上昇率で平均的に上昇させるような温度制御が行われる。

一方、電流制御装置１７では、回路を流れる電流が電流検出器３０によって検出され、この検出値はＡ／Ｄコンバータ３１でディジタル値に変換されてマイコン３２に入力される。マイコン３２では、電流制限設定装置３３によって設定されている制限電流値と検出された電流値とを比較し、回路を流れる電流値が制限電流値を超えている場合は半導体スイッチ３４のオン／オフ制御により制限電流値になるよう制御する。

このような本実施形態では、温度制御装置１５により、設定した所望の温度パターンに沿って炉内温度を従来同様に制御することができる。また、回路に流れる電流の実効値を電流制御装置１７によって制限電流値内に抑えることができるので、熱線１０として、従来に比較して抵抗の小さい熱線を用いることができ、熱線の寿命を延ばすことができる。以下、この熱線の寿命について、従来と本実施形態の具体的仕様に基づいて詳細に説明する。

［具体的仕様］
図５に示すように、焼成に必要な電力を１３２０Ｗとする。そして、従来の陶芸用電気窯の熱線の抵抗値を、例えば６．７Ωとすると、この場合は、６．７Ωの熱線に電圧１００Ｖが印加されるので、
１００（Ｖ）×１００（Ｖ）÷６．７（Ω）＝１４９２（Ｗ）
となり、必要電力よりは１７２Ｗ多い電力が供給されることになる。そして、この従来例の場合、
１００（Ｖ）×１００（Ｖ）÷１３２０（Ｗ）＝７．５７５（Ω）
になるまで必要電力である１３２０Ｗを供給することができるので、この１３２０Ｗが供給できるまでは温度制御装置１５の制御によってスイッチ１６がオン／オフ制御されることになる。しかし、使用回数が増えると、劣化によって熱線の抵抗値が大きくなり、７．５７５Ωを越えると、必要電力（１３２０Ｗ）を供給することができなくなり、温度制御しても炉内の温度を必要な温度に上昇させることができなくなる。この場合の焼成回数と電力との関係を図５の一点鎖線Ｐ１で示している。

これに対して本実施形態では、前述のように、電流制御装置１７を設けているので、従来に比較して抵抗値の小さい熱線を用いることができる。そこで、例えば、抵抗値が６．３Ωの熱線を用いた場合について説明する。

６．３Ωの熱線に電圧１００Ｖを印加すると、
１００（Ｖ）×１００（Ｖ）÷６．３（Ω）＝１５８７（Ｗ）
となり、必要電力１３２０Ｗよりも２６７Ｗ多い電力を供給することができる。しかしながら、家庭用の１００Ｖ電源に抵抗値が６．３Ωの熱線を接続すると、
１００（Ｖ）÷６．３（Ω）＝１５．８７（Ａ）
の電流が流れ、家庭用のブレーカ容量である実効電流値１５Ａを越えてしまうことになる。そこで、この実施形態では、電流制限設定装置３３により、制限電流値として家庭用電源として許容される電流値（１４．９Ａ）を設定する。これにより、回路内を流れる電流値、すなわち電流検出器３０で検出される実効電流値が１４．９Ａになるまで、マイコン３２により、半導体スイッチ３４がオン／オフ制御され、電流制限が行われる。図５において、破線Ｐ２で示す特性が、６．３Ωの熱線を使用し、電流制限をしない場合の特性であり、実線Ｐ３で示す特性が電流制限をした場合の特性である。

以上のような電流制御をしながら使用しても、焼成回数が増えると、徐々に熱線が劣化し、抵抗値が大きくなる。そして、その熱線の抵抗値が６．７Ωになると（図５のＡ点）、電流検出器３０で検出される電流値が１４．９Ａになるので、これ以降は半導体スイッチ３４はオンしたままの状態となる。すなわち、ヒータ１０に電圧１００Ｖがかかるので、抵抗値が６．７Ω以上であれば電流は１４．９Ａ以下となるため電流制御は必要なくなり、それ以降は熱線の抵抗値が７．５７５Ωになるまで使用することができる（図５の特性Ｐ４）。

ここでは、熱線の抵抗値が６．３Ωから６．７Ωになるまでの期間、熱線の寿命が延びることになる。また、このように従来に比較して抵抗値の小さい熱線を使用すると、同じ焼成回数を経ても、従来装置に比較して高い電力を得ることができる。例えば、図５において、焼成回数が１００回の場合の電力は、従来装置では約１３３０Ｗであるが、本実施形態では約１４１０Ｗの電力を得ることができる。すなわち、同じ寿命を求めるのであれば、窯の容量を従来装置に比較して大きくすることができる。

なお、従来の装置と比較して有効となる熱線の最小抵抗値は、下記計算より、５．９５Ωとなる。したがって、使用可能な熱線の抵抗値は、５．９５Ω以上６．７Ω未満であり、５．９５Ωよりも小さくすると、供給電力が小さくなりすぎ、炉内の温度を目標温度にすることができなくなる場合がある。したがって、５．９５Ω以上の抵抗値の熱線を用いる必要がある。

［計算式］
熱線の最小抵抗値（Ｒ）
Ｒ＝（必要電力）／（制限電流値）²
＝１３２０／１４．９²
＝５．９５Ω

［変形例］
（ａ）前記実施形態では、ヒータとして熱線を用いた場合について説明したが、ヒータは、例えば板状体のような他の抵抗体にも、本発明を同様に適用できる。
（ｂ）熱線として、５．９５Ω以上６．７Ω未満としたが、５．９５Ωが最も寿命を長くすることができて好ましい。
（ｃ）電流制御装置は、温度制御装置の内部に組み込まれていても良いし、その他の場所に内蔵されていても良い。

本発明の一実施形態による陶芸用電気窯の外観図。 窯内部の拡大部分図。 制御装置のブロック構成図。 制御装置の操作部の外観図。 焼成回数と電力との関係を示す図。

符号の説明

１ 炉
２ 制御装置
１０ ヒータ（熱線）
１３ 操作部
１５ 温度制御装置
１６ スイッチ
１７ 電流制御装置
２５ 温度センサ
３０ 電流検出器
３２ マイコン
３３ 電流制限設定装置
３４ 半導体スイッチ

Claims (6)

1. 家庭用の電源に接続されて使用される陶芸用電気窯であって、
   内部にヒータを有する炉と、
   前記炉内部の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段からの検出結果を受けて、前記炉内部の温度が目標温度になるように前記ヒータへの供給電力を制御する温度制御手段と、
   前記ヒータに流れる電流を制限電流以下に制御する電流制御手段と、
   を備えた陶芸用電気窯。
2. 前記電流制御手段は、
   前記ヒータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段の検出結果により、前記ヒータに流れる電流を制御するスイッチ手段と、
   を有している、請求項１に記載の陶芸用電気窯。
3. 前記電流制御手段は、前記制限電流を設定する制限電流設定手段をさらに有している、請求項２に記載の陶芸用電気窯。
4. 前記ヒータは抵抗値が５．９５Ω以上６．７Ω未満の熱線である、請求項１から３のいずれかに記載の陶芸用電気窯。
5. 前記家庭用電源は電圧が１００ボルトであり、前記制限電流は家庭用電源で許容される電流値である、請求項４に記載の陶芸用電気窯。
6. 前記温度制御手段は、複数の所定時間経過毎にそれぞれの目標温度を設定することが可能である、請求項１から５のいずれかに記載の陶芸用電気窯。

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