JP2016031885A

JP2016031885A - アモルファス金属合金電気ヒーターシステム

Info

Publication number: JP2016031885A
Application number: JP2014154858A
Authority: JP
Inventors: ビリコスキリアコス; Birikos Kyriakos
Original assignee: A H T Advanced Heating Technilogies Ltd
Current assignee: A H T Advanced Heating Technilogies Ltd
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-03-07

Abstract

【課題】加熱要素が低温又は中温で作動する薄いリボン状のアモルファス金属合金である電気ヒーターシステムを提供する。【解決手段】電気加熱システムは、アモルファス金属合金リボン５０で作られた加熱要素を使用する。加熱要素は、長尺かつ幅広のリボンで形成される広い面積を有し、周囲に対して良好な熱伝達を行い、周囲に対する熱抵抗が低い。加熱要素の面積、従って熱抵抗は、加熱要素に使用するアモルファス合金の脆化温度よりも十分に低い温度である低い作動温度の制約の下での所望の熱出力によって決まる。好ましくは、作動温度は、ベンゾピレン又は他の健康に害のある又は生態学的に好ましくない煙又はガスを発生しないよう十分低い温度に維持される。また、熱抵抗が低い薄リボンは、高速加熱定数を有し、ヒーターは短時間で定常温度に到達する。電気加熱システムは、低温のみでの使用が意図された安価な絶縁材料及び支持材料を使用する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、電気ヒーターシステムに関し、詳細には、加熱要素が低温又は中温で作動する薄いリボン状のアモルファス金属合金である電気ヒーターシステムに関する。

電気加熱システムは、多くの消費者及び工業製品に使用されている。典型的にはヘアドライヤ及びスペースヒーターである。最新の電気加熱システムは、周囲空気を加熱するための支持体の周囲に配置された、場合によっては密に巻き付けられたコイルの形態であるワイヤで構成される。場合によっては、例えばヘアドライヤは、空気を移動させるファンを備えるが、別の場合では、対流は、空気の動きの制御に依存する。加熱要素の所要の抵抗を決めるのは容易である。電力入力は、加熱要素の両端の電圧の２乗を加熱要素の抵抗で除算したものに等しい。通常、全線間電圧が加熱要素の両端に印加され、所望の電力が分かっているので（引き出せる最大電流で制限される）、所望の抵抗を計算することができる。

本発明によれば、アモルファス金属合金リボンで作られた電気加熱要素が提供され、電気加熱システムはこの加熱要素を含む。

本発明の１つの態様によれば、加熱要素は、アモルファス金属リボンで作られている。

本発明の第２の態様によれば、加熱要素は、新規な構造及び作動を有し、新規な構造は、長尺かつ幅広のリボンで形成される広い面積を有し、周囲に対して良好な熱伝達を行い、周囲に対する熱抵抗が低い。

加熱要素の面積、従って熱抵抗は、使用するアモルファス合金の脆化温度よりも十分に低い温度である低い作動温度の制約の下での所望の熱出力によって決まる。

従って、大きな放射熱出力であっても、低温の新しい作動状態が達成される。他の新規な特性は、高速加熱定数であり、ヒーターは短時間で定常温度に到達する。

本発明の第３の態様によれば、加熱要素リボンは、溶融（液体）合金を急冷する前に過熱するプロセスを用いて製造され、再現性のある特性を備えた信頼性の高いヒーター要素を実現するようになっている。

本発明の第４の態様によれば、加熱要素の構造は、作動温度を依然として低温に維持するものであり、ベンゾピレン又は他の健康に害のある又は生態学的に好ましくない煙又はガスを発生しないようになっている。

本発明の第５の態様によれば、加熱要素は、低温で酸化にだけ耐性のある安価な合金を使用する。

本発明の第６の態様によれば、電気加熱システムは、低温でのみ使用するための安価な絶縁及び支持材料をさらに使用する。

本発明の追加的な目的、特徴、及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を考慮すると明らかになるはずである。

従来の加熱コイル要素を示す。従来の加熱コイルの電熱器での使用方法を示す。従来の加熱コイルのスペースヒーターでの使用方法を示す。従来の加熱コイルのヘアドライヤでの使用方法を示す。本発明の加熱要素の一部を切り取った斜視図を示す。本発明の加熱要素の同様の側面図を示す。発明の加熱要素の上面図を示す。本発明の原理による図２Ａから２Ｃの加熱要素を使用したヘアドライヤの一部を切り取った斜視図を示す本発明の原理によるスペースヒーターを示し、ヒーターを構成する３つのモジュールの斜視図である。本発明の原理によるスペースヒーターを示し、１つのモジュールのリボン加熱要素のパターンを示す。図４Ｂのライン４Ｃ−４Ｃに沿った断面図である。隣接する各パネルを結合するためのラッチ機構の詳細図である。本発明の原理によるスペースヒーターの他の形態を示し、一部を切り取った斜視図を示す。本発明の原理によるスペースヒーターの他の形態を示し、図５Ａのライン５Ｂ−５Ｂに沿った断面図である。本発明の原理によるスペースヒーターの他の形態を示し、一部を切り取った斜視図を示す。本発明の原理によるスペースヒーターの他の形態を示し、図６Ａのライン６Ｂ−６Ｂに沿った断面図である。本発明の原理による水加熱要素８８を備えた従来型の洗面台を示す。加熱要素を詳細に示す。本発明の原理による別の形態の水加熱要素を示す。本発明の原理による別の形態の水加熱要素を示す。

以下に添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を例示的に示す。加熱要素の抵抗は、従来から良く知られている方法で所望の電力及び印加電圧から計算する。しかしながら、所要の抵抗を知ることは設計の最初のプロセスに過ぎない。ヒーターの機能は、抵抗要素から発生した熱を周囲媒体に伝達することである。熱力学の原理では、熱は高温物体から低温物体に流れること知られており、加熱要素の温度は、加熱される媒体に望まれる温度よりも高いことが必要である。また、熱流量は温度差及び加熱要素の表面積の影響を受けることも知られている。加熱要素の温度が高いほど加熱要素から周囲媒体への熱伝達が多くなる。同様に、加熱要素の表面積が大きいほど熱伝達が多くなる。

本技術分野で用いる用語「熱抵抗」は、材料の、又は物体と周囲との間の熱伝達特性を規定し、１ワットの熱出力によって生じる温度差で定義される。

小さな熱抵抗は、加熱要素の面積を大きくすることで得られる。従って、加熱要素の面積が大きくなると、加熱要素を低温に維持したままで、所望の熱出力を周囲に伝達する能力がもたらされる。

電気抵抗は、ワイヤ又はリボンの長さに比例すること、及びその断面積に反比例することが知られている。従って、一定の厚さのリボンに関して、同じ電気抵抗は、短くて狭いリボン、又は幅広で長いリボンのいずれかを用いることで実現することができる。

ワイヤ加熱要素の表面積はワイヤ径とともに大きくなるので、単位長さ当たりの抵抗が小さくなる。全抵抗は電力計算によって決まるので、加熱要素の表面積をどれ位大きくできるかは実用限界がある。さらに、表面積が小さいほど加熱要素から周囲媒体に所望の熱量を伝達するのに必要とされる作動温度が高くなる。従って、加熱要素は、長寿命のための良好な防食性及び最適な表面積を可能にする十分な電気抵抗率をもつ必要があるだけでなく、持続時間にわたって高温で作動可能なことも必要である。一般的に用いられる高温ヒーター用加熱要素は、Ｎｉ₈₀Ｃｒ₂₀合金、Ｋａｎｔｈａｌ、及びＦｅｃｈｒａｌｌｏｙから作られており、その一般的な作動温度は摂氏９００度から１５００度である。一般に、中温ヒーター用加熱要素は、Ｍａｎｇａｎｉｎ及びＣｏｎｓｔａｎｔａｎから作られており、作動温度は低く、通常、依然としてほぼ摂氏何百度である。前記の材料は比較的高い電気抵抗率を有する。第１のグループの電気抵抗率は、約１．０−１．３＊１０^-6ｏｈｍ＊ｍの範囲であり、第２のグループの材料の電気抵抗率は、０．２８−０．５２＊１０^-6ｏｈｍ＊ｍの範囲である。本技術分野において、材料は、温度が高いほど酸化の影響を受けることが知られている。実際の使用において、酸化により錆が発生しては、加熱要素が劣化する。高温での作動を可能にするために、加熱要素は高温での酸化に強い高価な金属で作る必要がある。

従来の加熱要素は高温に耐えることができるが高価である。さらに、従来のヒーターが必要とする高い作動温度によって、ヒーターの残余部は必要以上にさらに高価である。例えば、断熱、並びに高温に耐える材料の使用が必要である。また、多くの材料では高温で絶縁性能が低下するので、高品質の電気絶縁性が必要である。また、高い作動温度に起因する生態学的問題が存在する。例えば、多くの場合スペースヒーター及びヘアドライヤに関連する臭いは、高温の結果として空気中の有機性粉末粒子が燃焼することで発生する（例えば、ベンゾビレンの形成は摂氏約１８０度の温度で始まる）。

最も広く使用される加熱要素はワイヤの形態である。ワイヤは、可撓性及び耐久性があり、直径及び材料が異なる様々なワイヤが存在する。しかしながら、ワイヤは、単位長さ当たりの容積に対する表面積の比率が最小であり、前述のように大きな熱伝達には大きな表面積が重要である。この理由から、加熱要素としてワイヤではなく薄いリボン又は金属薄片を利用することを検討した。例えば、薄いリボンは、単位長さ当たりの容積に対する表面積の比率がより大きく、理論的に、ワイヤ要素と同じ抵抗のリボン加熱要素は、より低い温度で作動して同じ熱伝達を制御することができる。残念ながら、薄いリボン又は金属薄片を作る製造処理は非常に高価である。後者は複数のステップを含み、基材上に担持された抵抗材料をエッチング処理するステップを含む。前者は、ワイヤを繰り返して圧延するステップを含む。金属薄片と、この圧延法で得られたフイルムの価格の比較を以下の表に示す。全ての価格は、英国ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｃｉｅｎｃｅＰａｒｋ，ＣａｍｂｒｉｄｇｅＣＢ４４ＤＪに所在のＧｏｏｄｆｅｌｌｏｗＭｅｔａｌｓＬｔｄのものである。

表１

前記の表１において、Ｆｅｃｈｒａｌｌｏｙ及びＫａｎｔｈａｌは、類似の鉄−クロム−アルミニウム合金である。コストは、リボンの厚さに応じて著しく上昇することが分かる。（対照的に、本発明のアモルファス合金リボンは、厚さが２５ミクロンで幅が５０ｍｍだけであり、コストは単位グラム当たり約＄０．０２５である）。本技術分野で知られる加熱要素用リボンは、薄くて短いリボンを使用する。例えば、特開平０２−１１２１９２には、１０ｍｍ幅のリボンが記載されており、本出願人が使用する２００ｍｍ幅のリボンは、同じ抵抗を得るために、長さを必要な２０倍に増やして幅を２０倍に増やすことになり、面積は４００倍に増え、周囲に対する熱抵抗が劇的に減少して、作動温度において約４００倍減少する。これは、本発明による非常に高出力で、又は非常に低い作動温度で使用される、例示的な極端に幅広の要素の例であるが、実施可能な要素の幅は、約３００ｍｍから１００ｍｍである。

従って、前述のワイヤ、リボン、及びエッチングされた金属薄片は、１点だけが共通である、つまり全てが結晶金属合金製であり、例えば、ニッケ−クロム、又は鉄−クロム−アルミニウム材料である。多くの金属及び金属合金は結晶の形態をもつ。しかしながら、最近、特に磁性用途で薄いアモルファス金属合金リボンの製造が注目されている。アモルファスリボンは、非常に良好な機械特性（例えば、硬度、可撓性、及び引張強度）を示すが、これらは同じ厚さ（３５ミクロン以下）の結晶リボンの製造コストに比べて安価であり、作業が容易である。アモルファスリボンを作るための例示的なプロセスは、Ｏｈｎｏに付与された米国特許第４，７８９，０２２号に開示される。多くの場合、アモルファスリボンは、１段の溶融スピニング法を用いて製造される。リボンは、金属原子が自身で結晶構造に配列する前に「凍結」するように溶融急冷することで形成される。アモルファスリボンは、広範な幅及び厚さで作ることができる。典型的な幅は１−１００ｍｍ、典型的な厚さは２０−３５ミクロンである。このようなアモルファスリボンは、最大２０＊１０^-6ｏｈｍ＊ｍの電気抵抗率を有すが、典型的には、電気抵抗率は１−５＊１０^-6ｏｈｍ＊ｍであり、結晶リボンの電気抵抗率と同じか又はそれよりも高い。

アモルファス金属リボンの全ての機能にもかかわらず、この材料は、加熱要素に使用されていない。２つの理由が考えられる。第１の理由は、アモルファス金属リボンの特性が、１つのバッチから次のバッチまで、任意の単一のリボンの開始から終了までさえも材料特性に一貫性がないという意味で一般に再現可能ではない点にある。明らかに、電気抵抗率がリボンセクションによって異なる場合、異なる長さのリボン片を任意の所定のヒーターに向けてカットする必要があり、製造プロセスが必ず複雑になる。（アモルファスリボンは、非常に低い温度抵抗係数を示し、抵抗率は温度で変わらないので、このことは１つの利点である。抵抗率が変わることは、１つのリボンセクションの抵抗率の定値が他のリボンセクションの抵抗率の定値と異なることを意味する）。しかしながら、この点において、再現可能な特性を備えたリボンを作ることが可能である。Ｍａｎｏｖ他による論文「アモルファス合金の構造及び特性に関する急冷温度の影響」、ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａ１３３（１９９１）５３５−５４０には「過熱」手法が開示される。溶融物を過熱し、その後、アモルファス金属リボンが形成される前に温度を低下させることで、高くてより安定した抵抗率といった、特性が改善されたリボンを製作することができる。本明細書で用いる場合、用語「過熱された金属合金リボン」は、Ｍａｎｏｖ他に記載されるように過熱された溶融物で作られた金属合金リボンを呼ぶ。結果の再現性には言及しないが、過熱には他の利点がある。（Ｍａｎｏｖ他の論文は、アモルファスリボンに関する有用な一般的な背景技術を提供する）。本発明は、Ｍａｎｏｖに詳述された溶融合金過熱プロセスを用いた加熱要素の製造を説明するが、前述の再現可能な特性を備えた信頼性の高いリボンを実現するという予期しない利点をもたらし、これらの利点は、Ｍａｎｏｖの論文には記載されていない。

従って、現在まで、前述のプロセスがアモルファス金属合金製の加熱要素に対して好都合であることは知られていない。

アモルファス金属リボンがヒーターに使用されていないさらに重要な理由は、従来のヒーター設計では、高温加熱要素を使用する必要があるが、アモルファスリボンは高温で破壊されると考えていた点にあることが分かっている。従来の加熱要素材料は、実際に高温で作動できる高価なものである。一般のヒーター設計者は、要素がワイヤ、リボン、又は金属薄片の形態に関係なく高い作動温度に耐える加熱要素を探す。しかし、アモルファス金属リボンが高温で作動する場合、脆弱になるだけでなく結晶になる可能性がある。この構造の変化によりヒーター特性は劇的に変わる。アモルファス材料は、摂氏２００から３００度の低い温度で脆弱になり始め、その後、結晶になり、結果的にアモルファス材料は、加熱要素が伝統的に作られる材料ではない。

本発明の目的は、比較的中程度の温度で作動できる電気ヒーターを提供することにあり、結果的に前述の低温作動の利点の全てを生じさせる。

本発明の他の目的は、同等の従来の加熱要素よりも安価な電気ヒーターを提供することにある。

本発明の他の目的は、繰り返してオン及びオフとすることができるが、電流が最初に供給された後に定常状態に迅速に到達することができる加熱要素を提供することにある。

本発明の他の目的は、加熱要素の製造に必要な原材料の量を低減することにある。

アモルファスリボンと結晶リボンとの比較
加熱要素の最も重要な特性の１つは、どれだけ迅速に加熱対象を所望の定常温度に到達させるかである。これは、ヒーターを繰り返してオン／オフさせる用途において特に重要である。以下から分かるように、アモルファス材料は、結晶材料よりも遙かに優れた性能を提供する。以下の表は、６つの材料の抵抗率の範囲及びおおよその最大作動温度を説明する。最初の２つは市販の結晶合金であり、残りはアモルファス合金である。（表２には、作動温度範囲がアモルファス合金に相当するので中温結晶材料が含まれる）。

表２

表２から、大部分のアモルファス合金の抵抗率は、従来の結晶材料よりも非常に大きいことが分かる。しかしながら、２つの加熱要素リボンがどれほど迅速に空間を温めることができるかの公平な比較を行うために、同じ抵抗率の合金を選択することになる。Ｎｉ₈₀Ｃｒ₂₀合金の抵抗率は１．０−１．１＊１０^-6ｏｈｍ＊ｍであり、アモルファス合金はＦｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄で作られる。これらの２つの材料で作られたリボンを比較するために、物理的制約条件を考慮する必要がある。Ｎｉ₈₀Ｃｒ₂₀合金の結晶リボンは、ワイヤから連続圧延工程で作られる。厚さ１０^-4ｍ未満のこのような結晶リボンを製作するのは非常に難しい。従って、これにより結晶リボンの最小厚さが制限される。他方で、アモルファス合金リボンは、容易に厚さ２＊１０^-5ｍで作ることができるので、これをアモルファスリボンの厚さとすることができる。以下に従来公知の本発明の記載のヒーター要素を製作するのに利用できる追加の特定のアモルファス合金を列挙する。
Ｆｅ₈₀Ｂ₂₀
Ｆｅ₄₀Ｎｉ₄₀Ｂ₁₅Ｃ１Ｓｉ₄
Ｎｉ₇₀Ｓｉ１５Ｂ₁₅
Ｆｅ₈₅Ｂ₁₅
Ｆｅ₇₆Ｂ₂₄
Ｔｉ_48.5Ｃｕ₄₅Ｎｉ₅Ｓｉ_1.5
Ａｌ₆₅Ｃｏ₁₀Ｇｅ₂₅

加熱時定数は、加熱要素の重要な特徴の１つである。加熱要素の加熱時定数ｔｒは、物体の温度がその定常値に温まるまでの時間であり、以下の式で推定することができる。すなわち、ｔｒ＝Ｋｍｃ／αＳ、ここで、Ｋは比例定数、ｍは加熱要素の質量、ｃはその比熱、αは加熱要素と加熱される空気（又は他の物体）との間の熱伝達係数、及びＳは加熱要素の表面積である。同じ材料の結晶Ｎｉ₈₀Ｃｒ₂₀合金ワイヤ及び合金リボン要素の各加熱時定数を比較することができる。同じ値の出力（同じ値の全抵抗Ｒ）及び熱伝達係数に関して、加熱時定数は物理的寸法に依存する。リボンの抵抗Ｒは抵抗率にＬ／ｂｈを乗じたものに等しく、Ｌはリボンの長さ、ｂはその幅、及びｈはその高さである。ワイヤの抵抗Ｒは抵抗率にＬ／３．１４ｒ²を乗じたものに等しく、ｒはワイヤ径である。同じ抵抗のワイヤ及びリボンに関して、リボン加熱時定数に対するワイヤ加熱時定数の比はｂ／３．１４ｒである。理解できるように、ワイヤ径に比べてリボンが幅広になると、ワイヤ加熱時定数に比べてリボン加熱時定数が小さくなる。この結果はワイヤと比べた場合にアモルファスリボンでも同じである。実際には、加熱要素としてアモルファスリボンを用いると、加熱時定数の著しい減少及び空間の迅速な加熱につながる。リボン使用の重要な利点は、加熱要素の複数のスイッチオン／スイッチオフ作動状態にある（例えば、ハンドドライヤの）。従来の加熱要素を用いたヒーターと比べた場合に過渡状態で相当な省エネルギにつながる。

加熱要素の他の重要な特徴は熱伝達効率である。これは加熱要素の任意の所定の作動温度に関してどれだけの熱を加熱要素から周囲空気に伝達できるかを意味する。最も一般的な加熱要素はワイヤ形態であり、以下に結晶ワイヤとアモルファスリボンとの間で比較を行う。いずれの場合も加熱要素の長さは１ｍとする。また、比較目的で、比較するワイヤ及びリボンの電気抵抗は同じと仮定する。従って、比較される任意のワイヤ及びリボンに関して、これらは同じ断面積を有するような寸法である。以下の表３において、第１の縦列は、第２の縦列に径が示されたワイヤの断面積（平方ミリメートル）である。第３の縦列は、比較対象の厚さが２＊１０^-5ｍのアモルファスリボンの幅を示す。第４の縦列には、ワイヤ及びリボンに関する単位長さ当たりの面積を単位とした熱伝達の相対面積が示されており、各行において断面積は等しい。熱伝達面積は、前の寸法から容易に計算できる。

熱伝達は、静止空気中の自由対流によって行われる。いずれの場合でも、熱伝達係数は、５．６Ｗ／ｍ２＊℃と仮定する。加熱要素の温度と加熱される空気との間の温度差は１００℃と見なす。加熱要素からの熱伝達出力は、熱収支式Ｐ＝ａ＊Ｓ＊（Ｔ_f−Ｔ_a）で計算するが、Ｓは加熱要素の熱伝達面積、Ｔ_fは加熱要素の最終温度、Ｔ_aは空気の周囲温度、及びａは熱伝達係数である。表３の第５の縦列は、それぞれの場合における加熱要素から伝達される熱を示す。

表３

表３から分かるように、アモルファスリボンの加熱要素は、いずれの場合の熱伝達面積が大きいという理由で結晶ワイヤの加熱要素よりも効率が高い。同じ加熱要素の定常温度に関して、同じ質量のワイヤよりはリボンの方からより多くの熱が周囲空気に伝達される。（質量は直接コストに影響するので非常に重要な考慮事項である）。ワイヤを結晶リボンに置き換えると、結晶リボンの大きな面積によって熱伝達特性は同程度になるはずである。しかしながら、例えば、結晶Ｎｉ₈₀Ｃｒ₂₀合金リボンは、同程度のアモルファスリボンの何倍もコストがかかる。

図１Ａの従来の加熱要素１２は、コイル状ニクロム（ニッケル−クロム）ワイヤである。このワイヤは結晶の形態であり、自然状態の金属は徐々に凝固することができる。図１Ｂは、加熱コイル１２を備えたストーブバーナーを示し、他の類似の加熱コイル１８も示されている。２つのコイルは、セラミックプレート１４上に組み込まれており、電流を制御するための適切な電気コネクタ（図示せず）が各コイルの両端に形成されている。

図１Ｃは、他の公知の加熱用の結晶コイルを示す。この図のスペースヒーターは、ケース２２、２つの加熱コイル２４、２６、２つの反射板２３、２５、及び電源スイッチ２７を含む。

図１Ｄは加熱目的で結晶金属ワイヤを用いる従来の他の例であるヘアドライヤを示す。ケース３２及びハンドル３４は、通常、一体のプラスチック成形部品である。電力は、電源線４８からスイッチ３８の接点を経由してワイヤ４２に供給され、ワイヤ４２はマイカフレーム４０に巻き付いている。高温耐熱性のフレームは、単純にワイヤ加熱要素を支持するように機能する。加熱ユニットは、ケース３２から加熱要素を電気的及び熱的に絶縁する円筒形のマイカ絶縁スリーブ４４内に収容される。ファン３６は、加熱要素の後方に配置され、スイッチ３８オンでモータ（図示せず）により回転する。ファンにより、空気は加熱要素を通過して昇温する。従来のヘアドライヤのコストの大部分は加熱要素４２に起因する。

他の図面は、本発明のアモルファスリボンの使用方法のいくつかの実施例を示す。これらの実施例は、従来の図１ｃのヒーターに取って変わるスペースヒーター、図１Ｄの従来装置に取って変わるヘアドライヤを示す。新規な実施例では、例えば、中央の温水器を使用することなく、台所の蛇口又は浴室の湯栓の水を加熱するためにアモルファスリボンを使用する。加熱目的でアモルファスリボンを使用するいくつかの例を示す。本発明は、実際には加熱要素が必要なところに広範に適用可能である。

図２Ａは、本発明の原理に従って構成した加熱要素の一部を切り取った斜視図、図２Ｂは、加熱要素の一部を切り取った断面図、及び図２Ｃは上面図である。加熱要素は、ユニット５２として接着、積層、又は他の方法で接合された２枚のプラスチックシート（この場合、円筒形状）の間に取り付けられたアモルファス金属リボン５０で構成される。図２Ａ−２Ｃの加熱要素に用いる適切なプラスチックは、ポリスチレン及びポリアミドである。一般に、リボンを包む材料は、高い熱伝導性及び低い伝導性を有する必要がある。リボンの端部５０ａ、５０ｂは、加熱要素から外に延びるように示されている。リボンの端部は端子に取り付けること、又は関連する特定の用途によって決まる強度を高めるために被覆材料内に包み込むことができる。

図２Ａ−２ｃの加熱要素の１つの使用方法を図３に示し、ヘアドライヤは図１Ｄと類似しているが本発明の加熱要素を利用する。ケース５６及びハンドル５８は、従来のヘアドライヤと同様に一体成形部品であり、ハンドルには電源線６６からの電流を制御するスイッチ６２が設けられる。このスイッチは、加熱リボン要素及びファン６０を駆動するモータへの電流を制御する。図２Ａ−２Ｃの加熱要素自体はケース５６内に配置される。図１Ｄの従来のヘアドライヤのような高温マイカ支持体又は高温絶縁体の必要はない。

本発明の利点は、図３のヘアドライヤを図１Ｄの従来のヘアドライヤと比較することで理解することができる。典型的に市販の従来のヘアドライヤは、直径０．４ｍｍで長さ４８６ｃｍの結晶Ｋａｎｔｈａｌワイヤから作られた加熱要素を有する。この装置は、９２０ワットで作動する際に約６００℃のワイヤ加熱要素温度を呈する。

２つのヘアドライヤを比較するために、市販のドライヤの加熱要素だけを取り外し、これを本発明で作った加熱要素に置き換えた。使用したアモルファスリボンはＦｅ₈₀Ｂ₂₀材料で作り、同様に９２０ワットで作動させた。リボンの厚さは２０ミクロン、幅は５ｍｍ、及び長さは３８８ｃｍであった。リボン加熱要素の作動温度は１００℃であり、これは市販のヘアドライヤ加熱要素の作動温度の１／６であった。使用したアモルファスリボンのコストは、市販製品に使用したワイヤの約１／２であった。低い作動温度により、さらに高価な高温絶縁材料を使用する必要がないので、装置の全体コストを低減できることを理解されたい。

図４Ａのスペースヒーターは、複数のモジュール６４で構成される。加熱リボン７０のパターンは、右端のモジュールに最も明瞭に示されている。右端のモジュールは、２つの端部７０ａ、７０ｂで終端するが、他の部分は単一の連続要素で構成されるリボンを有する。図４Ａは１つの中間モジュールを示すが、このモジュールは、左側に２つの開放端部７０ａ、７０ｂがあり右側に開放端部がある以外は、図４Ｂのモジュールと類似している。これにより、中間モジュールを両側の２つのモジュールに接続することができ、幾つのモジュールを組み合わせても、事実上１つの長い連続したリボン加熱要素となる。

図示のように、左端のモジュールは、ヒーターに供給される電力を制御するための制御ノブ７２、並びに電源線を含む。制御ノブ７２は、既存のヒーターのように電流を調節することができ、本発明は、従来の周辺制御機構ではなく、本発明の加熱要素の構成に関係する。

複数のモジュール又はパネルを相互に結合するために、図４Ｄに明瞭に示すようにフック６６を備える。モジュール最上部のボタン６８を押し下げると、フックは離れて隣接モジュールのノッチ（図示せず）への差し込みが可能になり、ボタンを解放するとフックは対応するピン（図示せず）をつかむので、しっかり連結したままとなる。任意の一般の結合機構を用いることができ、図示の特定の機構は、本発明の態様を成すものではない。

リボン加熱要素は、１つのパネルが他のパネルに嵌合する場合には必ず２点で結合する必要がある。この結合は、ホックによって行うこと、又は各パネルのリボンの端部は、接続パッドで終端することができ、各モジュールを互いに連結する際に、１つのモジュールの接続パッドは、隣接モジュールの接続パッドに押し付けられる。再度、本発明は、パネルを相互に結合して電流を調節する一般の特徴部ではなく、加熱要素を作るアモルファス金属合金リボンに関連する。

図４Ｃは、パネルの断面を示す。ヒーターパネルの背面はカバー７６で構成される。アモルファスリボン７０は、電気絶縁材料で作られる場合にはカバーに直接取り付けることができ、又はリボンは、図２Ａ−２Ｃに示すように電気絶縁材料に組み込むことができる。モジュールの前面は、シリコーン接着層７４でリボン又はリボン積層体に固定されたアルミニウム製カバー７３で構成される。リボンはアルミニウム板を加熱し、アルミニウム板は周囲空気を加熱する。図４Ａ−４Ｄに示すタイプのヒーターは、単一のパネルを有するが、Ｆｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄材料のアモルファスリボン加熱要素を用いて作ることができる。リボンは、面積０．３ｍ²のアルミニウム板に取り付けた。リボンは、厚さ２０ミクロン、幅１ｃｍ、及び長さ１０．１５ｍである。作動電圧２２０ボルトで電流２．３アンペア、つまり電力レベル約５５０ワットで作動する場合に、ヒーターの表面温度は８０℃であり、加熱要素の温度は１５０℃であり、従来の「赤熱」加熱コイルの作動温度よりも遙かに低かった。

図５Ａ及び５Ｂは、全く異なる形態のスペースヒーターを示し、アモルファス金属リボンは支持体で支持されていない。ヒーターは、基部８４、穴８１ａを有する上蓋８１、及び加熱要素を取り囲むが底部にノッチ７８ａを含む放射ケース７８から構成される。ノッチは基部８４と共に空気が流れる穴を定める。空気は、対流によってヒーターを通って上方に流れ、最上部の穴８１ａから流出する。

加熱機構自体は、垂直方向の絶縁ロッド７９だけであり、この周りに長尺のアモルファス金属リボン８０が巻き付けられている。好ましくは、リボンは、シリコーン接着剤でロッドに固定される。ヒーターの基部は、調整ノブ８２及び従来型の電源線ソケット８３を含む。リボンの両端部は、電流調整機構を通ってソケット８３の２つの接点に延びる。このヒーターは、単純化及び低コストの重要部分である。

本発明の１つの実施形態において、図５Ａ及び５Ｂのリボン８０は、６つの絶縁ロッドの周りに巻き付けられている。Ｆｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄材料のリボンは、厚さ２０ミクロン、幅２０ｍｍ、及び長さ８ｍである。１３００ワットで作動する場合、リボンの表面温度は、１４０℃を超えない。このヒーター、及び前述の５００ワットヒーターは、１０００時間以上作動した。いずれの場合もアモルファスリボンをＸ線回折で検査し、リボン構造体が変化していないことを見出した。

図６Ａ及び６Ｂのスペースヒーターは、１つの大きな違い以外は図５Ａ及び５Ｂと類似している。このタワー型ヒーターは、穴８１ａを備えたカバー８１、放射カバー７８、及び制御ノブ８２及びプラグソケット８３を備えた基部８４をやはり含む。しかし、絶縁ロッド７９も周りに巻き付けられたアモルファス金属リボン８０の代わりに、図６Ａ及び６Ｂのヒーターは、図２Ａ−２Ｃに示すタイプの加熱要素を含むが、明らかなように、スペースヒーターに使用する加熱要素は図３のヘアドライヤに使用するものよりも大きい。単一のプラスチックシート８３上に支持したリボン５０は図６Ｂの断面図に示されており、リボンの２つの端部５０ａ、５０ｂは、中央ブロック８５で終端する。リボンの両端は、ブロックから調整機構を通ってソケットに接続する。

図７Ａ及び７Ｂは、本発明の加熱要素の例外的な使用方法を示す。図７Ａは、ジュライの洗面台８７を示し、温水管の一部が図７Ｂに詳細に示す加熱要素８８で置き換えられている。加熱要素全体は、底部に冷水が流入して上部から温水が流出する銅管８９、厚さ０．２ｍｍのシリコーン絶縁層５２、リプラスチック支持体９１上に取り付けられ層５２に接着されたリボン層５０、及び厚さ２．４ｍｍの無機断熱体９０で構成される。

本発明の図７Ａ及び７Ｂの１つの実施形態において、水の流量は２ｋｇ／ｍｍ、水の入口温度は１５℃−２０℃、及び管の最上部での出口温度は５５℃−６０℃であった。管８９の内径は３２ｍｍ、外形３６ｍｍ、及び長さは０．５ｍであった。３つのリボンが電気的の並列に接続され、管の周りに巻き付けられている。各リボンの厚さは２５ミクロン、幅は５ｍｍ、及び長さは３ｍであり、全質量は８グラムであった。リボン材料はＦｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄であった。両端に２２０ボルトを印加し、各リボンには約８．５アンペアが流れ、全電力レベルは５．６キロワットであった。リボンの温度は１８０℃であり、温水ヒーターは２００時間にわたって問題なく作動した。

並列接続の加熱リボンは、幅広のリボンの使用に相当する。本技術分野で知られているように、３つのリボンを並列に接続すると全電気抵抗が１／３になるので、同じ電気抵抗対して、各リボンは３倍の長さをもち必要がある。特開平０２−１１２１９２に開示されたリボンに比べて、本発明の装置は９倍の大きさの面積を有するので、約９倍低い温度で作動する。

図８Ａ及び８Ｂは図７Ａ及び７Ｂと類似しているが、従来の管から流出する際に水を加熱するための別の機構を示す。図８Ｂには加熱要素積層体９４が示されており、これは図２Ａ−２Ｃに示すタイプである。（加熱リボンの端部９４ａ、９４ｂの終端は示されていないが、リボンの端部は適切なスイッチを経由して電源に接続し、スイッチは温水が必要になる場合にオンになることを理解されたい）。加熱要素９４は、管８９の内部に設けられ、水は、図８Ａに矢印９５で表すように加熱要素の内部及び周りを流れる。（もちろん、流水で短絡しないように積層体の外に延びる加熱要素の端部を絶縁することも重要である）。図７Ａ及び７Ｂの管を加熱する代わりに、図８Ａ及び８Ｂに示す本発明の実施形態では、加熱要素で水を直接加熱する。

本発明は、特定の実施形態を参照して説明したが、これらの実施形態は。本発明の原理の用途を単に例示するものであることを理解されたい。種々の変形を行うことができ、他の構成は本発明の精神及び範囲を逸脱することなく考え出すことができる。

５０アモルファス金属リボン
５０ａリボン端部
５０ｂリボン端部
５２シリコーン絶縁層
５６ケース
５８ハンドル
６０ファン
６２スイッチ
６６電源線

Claims

脆化温度を有するアモルファス金属合金リボンを備える電気ヒーター要素であって、
前記リボンは、熱出力に変換される所望の電力及び電源電圧に応じて所定の電気抵抗を有し、
前記リボンは、前記要素が前記合金の脆化温度よりも低い作動温度でもって、周囲に熱出力を提供するのに必要な熱抵抗を可能にする形状及び寸法を規定し、
前記リボンは、過熱金属合金リボンから成る、電気ヒーター要素。
前記要素は、約３００℃よりも低い作動温度を有する、請求項１に記載の電気ヒーター要素。
前記要素は、約５０℃から２００℃の間の作動温度を有する、請求項１に記載の電気ヒーター要素。
前記要素は、約１８０℃よりも低い作動温度を有する、請求項１に記載の電気ヒーター要素。
前記要素は、約１５０℃の作動温度を有する、請求項１に記載の電気ヒーター要素。
前記要素は、ベンゾビレンの生成温度よりも低い作動温度を有する、請求項１に記載の電気ヒーター要素。
前記リボンは、厚さが１００ミクロン未満の実質的に平坦なリボンから成る、請求項１に記載の電気ヒーター要素。
前記要素は、ベンゾビレンの生成温度よりも低い作動温度を有する、請求項７に記載の電気ヒーター要素。
前記要素は、約１８０℃よりも低い作動温度を有する、請求項７に記載の電気ヒーター要素。
前記要素は、約５０℃から２００℃の間の作動温度を有する、請求項７に記載の電気ヒーター要素。
前記リボンは、Ｆｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄、Ｆｅ₇₄Ｃｏ_2.5Ｃｒ_7.5Ｂ₁₆、Ｆｅ₁₃Ｎｉ₆₀Ｃｒ₅Ｓｉ₁₀Ｂ₁₂、及びＡｌ₆₅Ｃｏ₁₀Ｇｅ₂₅のうちの少なくとも１つの合金から成る、請求項１に記載の電気ヒーター要素。
前記合金は、
約６５−８８モルパーセントの量の鉄、ニッケル、及びコバルトの少なくとも１つと、
約１２−２８モルパーセントの量のボロン、シリコーン、及びリンの少なくとも１つと、
約０−１１モルパーセントの量のクロムと、
から成る、請求項１に記載の電気ヒーター要素。
アモルファス金属合金リボンを備え、該リボンは熱出力に変換される所望の電力及び電源電圧に応じて所定の電気抵抗を有し、該リボンは前記要素が前記合金の脆化温度よりも低い作動温度でもって周囲に熱出力を提供するのに必要な熱抵抗を可能にする形状及び寸法を規定し、該リボンは過熱金属合金リボンから成る、少なくとも１つの電気ヒーター要素と、
前記リボンを覆って熱出力を伝達する間の電気ショックを防止し、さらに前記作動温度の範囲の温度で作動可能な材料から成る、電気絶縁手段と、
前記加熱システム内で前記リボンを機械的に支持し、さらに前記要素の前記作動温度の範囲の温度で作動可能な材料から成る、支持手段と、
を備える電気加熱システム。
前記絶縁手段は、前記リボンを覆うプラスチック積層体から成る、請求項１３に記載の電気加熱システム。
前記プラスチック積層体は、ポリスチレン、ポリアミド、及びシリコーンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の電気加熱システム。
前記支持手段は、前記電気ヒーター要素を前記支持手段に取り付けるためのシリコーン接着剤を備える、請求項１４に記載の電気加熱システム。
前記要素は、約１８０℃よりも低い作動温度を有する、請求項１４に記載の電気加熱システム。