JP3894577B2 - 加熱要素 - Google Patents

Description

この発明は、例えば湯沸器、炊飯器、コーヒーメーカー等の液体を加熱する加熱要素に関する。
上述した液体の加熱器として、種々のタイプのものが既に知られている。最近まで、最も普及している加熱要素は、金属線コイルに電流を通して加熱する投入型電熱器である。
近年、平板形の加熱要素を生産する傾向が出てきている。例えば、湯沸しポットであれば、湯沸器の内部を洗浄するのが容易という利点があり、また、平板状の加熱要素を覆うのにより少量の水で足りるから、この少量の水を沸騰させることが出来る。平板状の加熱要素はまた、湯沸器の内側の様相を改善するのに役立っている。
平板状の加熱要素を製造する一方法は、単純に一枚の金属平滑基板の下側に通常型の加熱コイルを張りつけることである。しかしながら最近は、この種の湯沸器には複数の厚いフイルム状の加熱要素を用いるものが開発されて来ている。この発明は、これら厚いフイルム状の加熱要素をもつものに関する。
通常、厚いフィルムからなる加熱要素は、平らな金属基板の上に不電導絶縁層を置き、その不電導絶縁層の上に厚いフイルム状の加熱要素のトラックが形成されている。この厚いフイルム状の加熱要素の問題点の一つは、加熱要素のために充分に高い破壊電圧をとることが出来ないということである。加熱要素は従って適切な工業規格に準拠したものとなる必要がある。例えば、加熱要素は、沸騰−乾燥試験や乾燥−沸騰試験のような熱試験の前後に、高電圧の「フラッシュ試験」を行うことが規定されている。この加熱要素の作動期間中は、通常の作動状態はもとより前記試験期間中にも、熱によるストレスによって、絶縁層内に微小なクラックが生じる。これらクラックは絶縁層の不電導性を破壊し、固有の破壊電圧を引き下げることになる。今までこの絶縁層の材質を改良することによって、破壊電圧を引き上げる努力がなされてきた。
この発明によれば、湯沸器の加熱要素は、熱伝導基板と、該基板上に設けられた電気絶縁層と、該絶縁層の上に堆積された加熱トラックとからなるものにおいて、加熱要素は、その一面の堆積層を載せる面が凹んだ湾曲面を持つ皿状体となっており、前記絶縁層と加熱トラックはこの加熱要素の凹んだ湾曲面上に配置されることを特徴とする。
絶縁層と加熱トラックとを凹んだ湾曲面に配置した、皿状の加熱要素を用いることは、この絶縁層が常に圧縮力を受ける状態にあり、このことは、微細なクラックの発生を防ぐ抵抗力が内部に発生していることを示している。
望ましくは、加熱要素全面に亘って、基板と絶縁層とは基本的に均一の深さを有している。このことは、基板が熱伝導材料の平滑な板体より成形され、ついで所望の形状に変形されることを可能にしている。
凹んだ湾曲面は、表面の曲面全体に亘って実質的に均一の曲率半径を有するのが望ましい。基板が円板である時には、前記曲面の曲率半径は基板の直径の５倍より大きい値となる。湯沸器として適当な寸法である、直径１２０ｍｍの基板の場合は、この曲率によって基板の周縁部は平滑面から約３ｍｍ偏ったものとなっている。この程度の大きさの偏向が、絶縁層の性質を改善するのに充分であることが判明している。
実際には、前記曲率半径は、基板の直径の１０倍より大きいことが望ましい。
望ましくは、基板はスチール板製であり、絶縁層はほうろう引きの層からなる。この発明は、セラミック又はほうろう引き層が絶縁層として使用されているので、絶縁層の破壊特性が改良されている。
この発明はまた、次のような段階を含む加熱要素の製造方法に関する。
（ｉ）平滑な熱伝導基板を用意する。
（ii）前記基板の一面に凹んだ湾曲面を作るように、基板を変形させる。
（iii）前記基板の凹面の全面に亘って、絶縁層を成形する。
（iv）前記絶縁層の上に加熱トラックを成形する。
この発明は、次に示す添付図面を参照しながら、そこに示された実施例により詳述される。
図１は通常の加熱要素を示す。
図２はこの発明による加熱要素を示し、
図３は、図２に示したこの発明の加熱要素を具える湯沸器を示している。
図１は通常の平滑な加熱要素を示している。加熱要素２は基板４の上に絶縁層６を形成し、絶縁層６の上に加熱トラック８が具えられている。
基板４はスチールもしくはステンレススチールのような熱伝導材料よりなる板によって形成される。湯沸器にとっては、錆による腐食防止のために、当然ステンレススチールの方が望ましい。この基板４は一般的に平滑な金属板に成形され、必要に応じてどのような形状にもなり得る。図１には円板形状（湯沸器にはこの形状が最適である）のものが示される。基板は約１ｍｍの厚さをもち、加熱要素として充分な剛性を具えるとともに、要素を通して充分な熱伝達を行わせるものである。（液体は加熱トラック８の設けられた面と反対の面に接している。）
絶縁層６は、例えばガラスセラミックの被覆材料からなる。この層は、ガラスセラミックの粉末を基板上にスクリーン印刷によって付着させ、熱処理によってこれら付着物質を結晶化させることによって成形する。基板全体を加熱することによって、粉末状のコーテング材料を結晶化して、所望により基板の片面又は両面に、連続したガラスセラミック層を形成することが出来る。典型的には、絶縁層は５０から２５０マイクロメータの厚さを具えている。
沢山のガラス・セラミック合成物が当該技術分野で知られており、例えば絶縁定数、破壊電圧、漏洩電流、電気抵抗等について、絶縁層として望ましい特性に従って、この絶縁層の形成に用いるセラミック材料が選択される。
ガラスセラミックからなる絶縁層の代わりに、ほうろう引きした基板を用いることもある。このほうろう層は金属製基板上に、ガラス質のうわぐすりを滴下し、噴霧し又はプリントし、このようにしてほうろう質を被覆させた基板を炉内で熱処理することによって、このほうろう質がガラスコーテング層を形成する。ほうろう質の金属への粘着性を良くするために、成層の前に基板にグリットブラストにより粗い面を形成しておく。熟練した技術者が、絶縁層の形成のために、種々のエナメルとその塗布技術を駆使することが望まれる。
加熱トラック８は絶縁層の上に、厚手のフィルムを製造する技術を用いて形成される。この加熱トラック８は、２個の端子１０の間を、適宜好みの形を描いて連結される抵抗体の軌跡からなる。図１に示したものは、はざまを設けて軌跡を長くするようにした抵抗体である。この加熱トラックは多数の平行する枝部分になるように形成することも出来、また温度調節用の厚手のフィルム状サーミスターのように、電気制御装置を基板状に設けることも出来る。加熱トラック８は、例えば絶縁層上にスクリーン印刷されたペーストを熱処理して、絶縁層６上にトラックを固着させたものからなる。当業者にとって明らかなように、ここに用いられる材料の固有抵抗、抵抗／温度係数は、採用されるべき厚手フィルムトラックの材料を決定する、主たる要素になる。この分野では、銀パラジウム又はニッケルを基盤とするトラックが通常よく用いられる。加熱トラック８の厚さは、典型的には１０マイクロメーターである。
以上に述べた諸要素は、当該技術分野では普通のことであり、基板４、絶縁層６及びトラック８の材料の好適な組合せについては、図２を参照しながら以下に述べる。
図２に示すように、要素２は凹面１２と凸面１４とを有する皿状に形成されている。絶縁層６と加熱トラック８は、基板４の凹面１２上に形成され、またこのことにより、絶縁層６の破壊電圧が平板の場合に比べて引き上げられたことが判明した。換言すると、絶縁層６がトラック８と基板４との間の電気抵抗を減少させるような欠点を発達させる前に、より高い電圧を加熱トラック８に加えることが出来る。
加熱要素２の破壊電圧特性が改良されることについては、絶縁層６を基板の凹面内側に形成することにより、定常的な圧縮力が絶縁層６に掛かることに起因すると思われる。この湾曲面は、この要素の使用中に、基板の加熱による変形（これは通常周縁部よりも中心部の方がより大きい）によって付勢される。これは絶縁層６を圧縮状態に保つ作用をする。
加熱要素２の湾曲は、より明瞭に識別出来るように、図２においては誇張されて描かれている。事実、要素２の湾曲度は、例えば要素２を平滑面上に載せた場合（その際要素２の中心部は平滑面に接している）、周縁部の平滑面からの隔たりは、要素２の直径の１％より小さい値である。従って、直径１２０ｍｍの要素では、周縁部の平滑面からの隔たりは１ｍｍより小さい値になる。この加熱要素は以前平滑な要素が用いられていた箇所に代わりに取り付けられることになるので、曲率半径は出来るだけ、大きいものが望ましい。またもし湾曲面の曲率が大きいと、絶縁層及び／又は加熱トラックのスクリーン印刷が出来なくなる。もし加熱要素が鋭い湾曲面を持っていると、絶縁層及び／又は加熱トラックが平均的に積層されないで、高熱部分や局部的に弱い箇所が出来て、この発明の利点が失われてしまう。
製作上の容易さのために、要素２はその表面全体に亘って均一な曲率半径を有することが望ましい。この曲率半径は要素の直径の５倍より大きいことが望ましく、実際は要素の直径の約１０倍より大きい値になっている。こうして、この加熱要素は従来平板状の加熱要素が用いられていた全ての機器類の同じ箇所に取り付けることができ、要素を加熱機器類にシールする方法に特別な設計変更を必要としない。
図３は図２に示す加熱要素を取り付けた湯沸器を、より単純化して示したものである。
通常の場合と同様、加熱要素２は湯沸器の底部に、加熱トラック８を下面に付着させて吊下げられる。湯沸器の作動中、加熱トラック８からの熱は絶縁層６と基板４を通して、湯沸器２０の本体２２に伝えられる。湯沸器２０には、コードレス又は通常の電線をもった制御ユニット２４が具えられ、加熱トラック８の端子１０に接続されている。
湯沸器２０に用いられる制御方法はこの発明の課題ではなく、従って詳述されることもない。さらに、要素２は既知の技術を用いて湯沸器２０の底部にシールされる。シール部材２６は図３に示す通りてある。繰り返して言うと、加熱要素２の曲率半径は、より鮮明に示すために、図３では強調して描かれている。
基板４の湾曲面は、絶縁層６と加熱トラック８を成形する前に成形される。例えば、（前述したように）スチール板のグリットブラストにより平板がます形成され、次いでこの平板が、たとえばダイス・プレスによって湾曲成形される。グリットブラスト後にプレス作業を行うことは、グリットブラストによるスチール板表面の極端な凹凸を除去することになるので、絶縁層の付着を良くする作用をする。絶縁層を付着させる前に基板を変形させることによって、通常の基板４の後変形に伴う絶縁層や加熱トラックにおこる損傷は、あきらかに除去される。基板４はプレスに代えて、モールド成形によっても出来、その厚さを変えることも可能である。このことは特に、基板において絶縁層６が求められている反対側の面を、特殊な形状にする場合に望ましいことである。例えば図３を参照すると、もし望むなら、加熱要素２の上面は完全に平滑にすることも出来るし、また図示のように凸面にすることも出来る。
この発明の加熱要素２に取り付けることが出来る発熱体は、言うまでもなく沢山ある。事実、この発明は加熱要素の特性を改良するために、厚いフイルムからなる既知の発熱体を用いている。
以上の記述を一読すれば、当業者であれば他の様々な変更例を造ることは容易であろう。このような変更例は、設計上既に知られている他の事項、及びこれらに包含される電気、電子回路を、本項に既に記載した事項に加えて、又はこれらに代えて使用することを含んでいる。この出願において、請求項はこれらの事項の特定の組合せによって表現されているが、この出願の明細書に開示されている領域は、たとえそれがこの出願のいかなる請求項に記載されているものと同じ発明であると無いとを問わず、またはこの出願の発明と同じ技術的課題の一つ又は全部を軽減するものであると無いとを問わず、この明細書中に明示的、又は暗示的に示されている新規事項、又は新規な組合せ、又は当業者にとって自明な、これらの事項の１つ又は多数のものを一般化したものを含むものと解釈すべきである。本件出願の出願人はこれによって、本件出願の実施又はこの出願から派生するいかなる出願においても、前記事項および／又はこれらの組合せによって、新規な請求項が構成しうることに、注意を喚起するものである。

Claims (8)

1. 液体の湯沸器のための加熱要素であって、熱伝導基板と、該基板上に設けられた電気絶縁層と、該絶縁層の上に堆積された加熱トラックとからなるものにおいて、加熱要素は、その一方の側面に凹面を、反対側の他方の側面に凸面を持つ皿状体となっており、前記絶縁層および加熱トラックを、前記加熱要素の凹面上に配置し、前記湯沸器内の液体は、前記凸面を介して加熱するようにしたことを特徴とする、加熱要素。
2. 基板と絶縁層とは、加熱要素全面に亘って、基本的に均一の深さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の加熱要素。
3. 加熱要素の凹面は、表面の曲面全体に亘って実質的に均一の曲率半径を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の加熱要素。
4. 加熱要素の基板は実質的に円板であり、前記湾曲面の曲率半径は基板の直径の５倍より大きい値となることを特徴とする、請求項３に記載の加熱要素。
5. 前記湾曲面の曲率半径は基板の直径の１０倍より大きい値となることを特徴とする、請求項４に記載の加熱要素。
6. 基板はスチール板製であり、絶縁層はほうろう質層からなることを特徴とする請求項１乃至５の内１項に記載の加熱要素。
7. 液体の湯沸器のための加熱要素の製造方法であって、
   （ｉ）平滑な熱伝導基板を用意するステップと、
   （ii）前記基板の一方の側面に凹面を、反対側の他方の側面に凸面を生ぜしめ、この凸面に湯沸器の液体を接触させて使用するよう、基板を変形させるステップと、
   （iii）前記基板の凹面の全面に亘って、絶縁層を成形するステップと、
   （iv）前記絶縁層の上に加熱トラックを成形するステップと
   よりなることを特徴とする加熱要素の製造方法。
8. 請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の加熱要素を含む湯沸器。

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