JP6861790B2 - 金属フィンをセラミックヒータ要素に取付ける方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒータに関し、特に、手持ち式電気器具、例えば、ヘアケア電気器具のためのヒータに関する。

ヘアケア電気器具及び熱風送風器等の手持ち式電気器具が知られている。かかる電気器具は、ヒータを有し、ヒータは、電気器具の中を流れる流体又は電気器具が向けられる表面のいずれかを加熱する。多くのデバイスは、ピストルのグリップの形態をなし、スイッチを含むハンドルと、ファンユニット及びヒータ等の構成要素を収容する本体を有する。別の形態は、温風スタイリングデバイスで見られるような管状ハウジングのためのものである。かくして、全体的に選択できることは、流体及び／又は熱を管状ハウジングの端部から吹出させるのに、管状ハウジング自体を保持するのか、管状ハウジングと直交するハンドルを設けるかのいずれかである。

従来のヒータは、しばしば、ニクロム線等の抵抗線が巻かれた絶縁耐熱材料の骨格から作られる。かかるヒータは、ヘアケア電気器具に適した約１２００〜１５００Ｗの電力出力を生成することができるが、これらのヒータは、比較的重く、そのような電力出力を達成するために、何メートルもの配線の複雑なパッケージングを必要とする。異なるタイプのヒータは、電力自己制限式の正温度係数（ＰＴＣ）の材料、例えば、ドープしたチタン酸バリウム酸化物を２つの導電性の面の間に挟んだものの特性を用いて作られる。熱は、フィンを用いて、空気流れの中に消散される。単一のＰＴＣヒータは、約２００Ｗまでの電力及び２６０℃までの温度を達成することができ、それを直列に用いれば、電気器具の寸法及び重量を増大させるが、生成することができる電力及び従って熱を増大させることができる。

本発明は、軽量である利点を有すると共に、ヒータ要素が少なくとも４００℃の作動温度に耐えることができる簡単なパッケージを有する高電力密度ヒータを提供することを目的とする。かくして、単一の加熱要素を提供する。この明細書の全体にわたって、ヒータ要素という用語は、セラミック材料の中に埋込まれた抵抗トラックを指し、ヒータは、ヒータ要素と、熱消散要素を含む。

この目的のために、高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）加熱要素を提案する。熱消散を高めるために、フィンが加熱要素の両側に取付けられる。フィンは、熱伝導材料で作られ、かかる熱伝導材料は、例えば、銅、アルミニウム、又はそれらの合金であり、この熱伝導材料が加熱要素に取付けられる。ヒータ要素と熱消散フィンの間には、熱伝導度の不一致があり、このことは、多くの問題を生じさせる。第１に、フィンを取付けるとき、その工程を高温で行う。このことは、冷却させるときにセラミックと金属の間の境界面に残留応力を生じさせることがある。炉内での最初の冷却のときにセラミック内の残留応力が限界を超えると、セラミックが割れることもある。このことを制限するために、この工程の熱サイクルは重要である。第２に、ヒータは、使用中、室温と電気器具の最高作動温度の間で繰返され、この繰返しにより、残留応力の蓄積を生じさせることがあり、残留応力が限度を超えれば、故障を生じさせる。

低電力ヒータでは、熱応力は、それほど重要ではなく、その理由は、ヒータ要素に供給されるエネルギ及び接合部で達成される最高温度が、非常に低いからである。加えて、ヒータの製造は、室温結合法を使用し、その理由は、使用中にヒータによって到達される温度が非常に低いからである。かくして、本発明の１つの目的は、１８００Ｗまでの電力入力に耐えることが可能な要素を有するセラミックヒータを提供することにある。

セラミック材料とフィンの間には、熱膨脹係数の不一致に加えて、結合部が存在する。結合部のところには、２つの材料間の境界面があり、それにより、熱膨張が不一致である材料を相互作用させ、境界面における応力を上昇させ、一方又は両方の材料を破損させることがある。この結合部は、ヒータ要素とフィンの間の適当な熱交換を達成するのに十分であり、かつ、ヒータを収容する電気器具がその寿命中に受けるであろう熱サイクルに耐えるのに十分でなければならない。かくして、接合部の疲労強度は、室温とピーク作動温度の間の境界面の熱サイクルに耐えるのに十分でなければならず、構成要素の融点は、境界面の最高作動温度よりも高い必要がある。

第１の実施形態では、本発明は、ヒータを提供し、ヒータは、セラミックヒータ要素と、熱をセラミックヒータ要素から消散させる少なくとも２つのフィンを含み、セラミックヒータ要素は、１次元の平面に沿って延び、少なくとも２つのフィンは、平面から離れるように延び、セラミックヒータ要素に離散連結部分を介して連結される。

離散連結部分を有することは、フィンがその長さ全体に沿って連結されていないことを意味し、連結部には、隙間又は中断がある。これらの隙間により、フィンとヒータ要素の間の応力を緩和させることを可能にする。ヒータが高温であるか又は周囲温度に又は周囲温度から移行しているとき、フィン材料は、ヒータ要素よりも膨脹し又は収縮する。隙間又は中断により、ヒータ要素に過剰な応力を生じさせることなしに、フィン材料が幾分膨脹して変形することを可能にする。換言すれば、所定の温度上昇であれば、かかる隙間を導入すると、ヒータ要素とフィンの間の応力が低減される。

好ましくは、離散連結部分は、セラミックヒータ要素と少なくとも２つのフィンとの間の複数の実質的に類似した接触領域である。この均一性は、有利であり、その理由は、かかる均一性がなければ、熱的な不一致が、ヒータ要素とフィンの境界面のところでフィンの長さ方向に沿って変化して、いくつかの領域に割れ及び／又は剥離の傾向を生じさせるからである。

好ましい実施形態では、離散連結部分は各々、同様の寸法の隙間と隙間の間の距離（隙間頻度）だけ分離される。ここでも、この均一性は、有利であり、その理由は、かかる均一性がなければ、熱的不一致が、フィンの長さ方向に沿って変化して、いくつかの領域に割れ及び／又は剥離の傾向を生じさせるからである。変形例として、不均一なヒータ、例えば、湾曲したヒータであれば、作動温度に応じた適当な応力緩和を与えるように、異なる隙間寸法及び隙間頻度をヒータの隣接した領域に付けてもよい。

フィンは、離散連結部分を生成するように加工された金属シートから形成される。フィンの厚さは、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。一実施形態では、離散連結部分の隙間は、放電機械加工（ＥＤＭ）によって形成される。放電機械加工（ＥＤＭ）により、金属シートの一方の縁部から遠い方の端部に向かって延びる平行な複数のスロットを効果的に生成する。第２のステージは、離散連結部分を生成することであり、これは、金属シートを９０°のＶ字形プレスツール内で曲げることによって達成される。これにより、複数の「Ｌ字形」特徴部を形成し、かかる特徴部は、実質的なフィンの部分を形成する脚部分と、各脚部分に離散連結部分を形成する足部分を有する。

好ましくは、フィンは、厚さを有し、隣接した離散連結部分の間の隙間寸法は、フィンの厚さの０．８〜１．２倍である。

好ましい実施形態では、セラミックヒータ要素は、セラミック材料の複数の層の間に配置された電気抵抗トラックを含む。好ましくは、セラミックヒータ要素は、高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）であり、このことは、電気抵抗トラックをセラミック材料にその未加工状態で付け、セラミック材料の別の層で覆って、ヒータ要素を単一ユニットとして焼結させることを意味する。

好ましくは、少なくとも２つのフィンは、セラミックヒータ要素の両側に１つずつ配置される。これはまた、ヒータの熱管理を支援し、その理由は、熱が、中心に配置された電気抵抗トラックからヒータの両側に引かれて消散されるからである。これはまた、熱サイクル中、ヒータ要素を撓み荷重から保護する傾向がある。

好ましくは、ヒータは、セラミックヒータ要素の両側から延びる複数のフィンを含む。セラミックヒータ要素は、第１の縁部から第２の縁部に平面に沿って延びる。好ましい実施形態では、複数のフィンの高さは、第１縁部から第２の縁部まで変化する。手持ち式電気器具、特にヘアケア電気器具は、しばしば、管状の形状を有し、これにより、ヒータの伝統的な形状を使用することを可能にする。

加えて、複数のフィンは、第１の縁部と第２の縁部の間で実質的に均等に離間していることが有利である。このことも、セラミックヒータ要素を横切る熱勾配を低減させることによって、フィンを横切る熱的不一致を管理するのを支援する。かくして、離散連結部分の間の隙間は、１つの方向に熱膨脹係数の差によって生じる応力を管理し、フィン間の間隔は、第２の方向に熱勾配の差によって生じる応力を管理する。

上述したように、ヘアケア電気器具ではＰＴＣ（正温度係数）ヒータを生成するが、低電力ヒータを生成することも既知である。ＰＴＣ材料は、２つの伝導面の間に挟まれたセラミックである。これは、ハニカム形状に形成することができ、ハニカムによって形成された開口を通って空気が流れる。伝熱率は、熱分散特徴部を電極に追加することによって改善することができ、これは、比較的簡単であり、それは、電極が伝導性の通常は金属材料から形成され、熱分散特徴部も伝熱性であって金属が一般的に使用され、従って、一方を他方に取付けることを容易に行うことができるからである。２つの部分は、互いに接着して良好な結合部を形成することができる。熱膨張に関する問題は最小であり、それは、第１に、ＰＴＣヒータがより高い電力ヒータに必要なより高温に到達せず、第２に、接着剤が可撓性材料であるので、境界面での不一致がこの層によって解消されるからである。

本発明の別の側面は、金属熱分散フィンをセラミック表面に取付けることに関する。本発明は、金属フィンをセラミックヒータ要素に取付ける方法であって、（ａ）充填材料をセラミックヒータ要素の表面に付ける段階と、（ｂ）金属フィンを充填材料の上に位置決めして、ヒータテンプレートを生成する段階と、（ｃ）ヒータテンプレートを、充填材を溶融させる７５０℃〜９００℃の間の温度の炉内でろう付けして、充填材及びセラミックヒータ要素を互いに反応させる段階と、を含む方法を提供する。

好ましくは、充填材料は、銀、銅、及びチタンを含む合金である。より好ましくは、合金は、７２％の銀及び２８％の銅の初期組成に、１〜５重量％のチタンが追加することにより形成される。チタンは、反応性を増大させ、セラミックヒータ要素と反応して、相互金属複合相を形成する。温度は、充填材料を溶融するために高くなければならないが、金属フィンを溶融するほど高くはない。フィンは、好ましくは、銅、ステンレス鋼、及びコバールのうちの１つから作られる。

好ましくは、本方法は、更に、（ｉ）セラミックヒータ要素の表面を金属化ペーストで被覆する段階と、（ｉｉ）被覆したセラミックヒータ要素を焼結させる段階と、（ｉｉｉ）被覆して焼結させたセラミックヒータ要素上にニッケル層を無電解メッキして、１次金属化表面を生成する段階と、（ｉｖ）フラックスを１次金属化表面に付ける段階と、を含み、段階（ｉ）〜（ｉｖ）を、段階（ａ）の前に行い、段階（ｃ）は、更に、金属フィンと１次金属化表面の間に配置されたフラックスを溶融させ、且つ、約６００℃の温度で実施される。

本発明は、セラミックヒータ要素に金属フィンを取付ける変形例の方法を提供し、かかる方法は、（ａ）セラミックヒータ要素の表面を金属化ペーストで被覆する段階と、（ｂ）被覆したセラミックヒータ要素を焼結させて、１次金属化表面を生成する段階と、（ｃ）被覆して焼結させたセラミックヒータ要素上にニッケル層を無電解メッキして、１次金属化層の上に２次金属化層を生成する段階と、（ｄ）ニッケルメッキされたセラミックヒータ要素を加熱して、ニッケル層を１次金属化層内に拡散させる段階と、（ｅ）フラックスを金属化表面に付けて、金属化表面を生成する段階と、（ｆ）充填材料をフラックスの上に付ける段階と、（ｇ）金属フィンを充填材料の上に位置決めして、ヒータテンプレートを生成する段階と、（ｈ）ヒータテンプレートを炉内でろう付けして、金属フィンと金属化表面の間に位置する充填材料及びフラックスを溶融する段階を含む。

好ましくは、ろう付けは、約５５０℃〜６５０℃の間で実施される。最も好ましくは、温度は、６１０℃である。

好ましくは、セラミックヒータ要素は、多層セラミック基板であり、かかる基板は、内層の上に印刷された抵抗トラックを含み、未加工状態にある。好ましくは、抵抗トラックは、タングステンである。セラミック材料は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素ベリリウム酸化物、ジルコニア、及び炭化珪素のうちの１つである。好ましくは、セラミック材料は、窒化アルミニウムである。セラミックヒータ要素を焼結させる温度は、特に窒化アルミニウムの場合、使用される材料に依存し、温度は、好ましくは、１８００℃よりも高い。

好ましくは、金属化ペーストは、セラミックヒータ要素を形成するのに使用したセラミック材料と、耐熱材料を含み、耐熱材料は、例えば、タングステンに結合剤及び充填材を加えたものである。好ましい実施形態では、耐熱材料は、タングステン、プラチナ、モリブデン、又はそれらの合金のうちの１つである。好ましくは、耐熱材料は、タングステンである。金属化ペーストを、セラミックヒータ要素に厚さ１０〜１２ミクロンで付けることが好ましい。

好ましくは、被覆したセラミックヒータ要素を、セラミックヒータ要素と同じ条件の下で焼結させる。このことは、同じセラミック材料が使用される時に特に有利であり、その理由は、被覆の収縮がセラミックヒータ要素の収縮と実質的に同様であり、２つの層の間の熱応力が最小になるからである。

好ましくは、ニッケル層を、ブラシ電気メッキ、浸漬電気メッキ、又は無電解メッキにより電気メッキする。好ましい実施形態では、厚さ３〜５ミクロンのニッケル層をメッキする。

好ましくは、フラックスをペーストとして金属化表面に付加される。好ましくは、充填材料は、箔から作られる。

好ましくは、金属フィンを、アルミニウム合金から形成する。他の金属及び合金、例えば、銅、ステンレス鋼、及びコバールも適当であるが、比較的小さい弾性係数及び比較的小さい降伏強度を有する材料を使用することが好ましい。比較的小さい弾性係数は、熱膨張に起因する歪みによるセラミックとフィンの境界面における応力の量を減少させる。比較的小さい降伏強度は、金属が高温でより変形し易いことを意味し、それにより、接合部の周りのセラミックの応力を減少させる。

更に別の実施形態では、本発明は、温度４００℃で作動することが可能なセラミックヒータ要素を製造する方法を提供し、かかる方法は、（ａ）高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）ヒータ要素を生成する段階と、（ｂ）セラミックヒータ要素の表面を金属化ペーストで被覆する段階と、（ｃ）被覆したセラミックヒータ要素を焼結させて、１次金属化表面を生成する段階と、（ｄ）被覆し且つ焼結させたセラミックヒータ要素にニッケル層を無電解メッキして、２次金属化層を１次金属化層の上に生成する段階と、（ｅ）ニッケルメッキしたセラミックヒータ要素を加熱して、ニッケル層を１次金属化層内に拡散させて、金属化表面を生成する段階と、（ｆ）フラックスを金属化表面に付ける段階と、（ｇ）充填材料をフラックスの上に付ける段階と、（ｈ）複数の離散連結部分を有し、離散連結部分の隣接した対の各々が空間によって分離された熱分散フィンを生成する段階と、（ｉ）複数の離散連結部分が充填材料に隣接するように、熱分散フィンを充填材料の上に位置決めして、ヒータテンプレートを生成する段階と、（ｊ）ヒータテンプレートを炉内でろう付けして、金属フィンと金属化表面の間に位置する充填材及びフラックスを溶融する段階を含む。

好ましくは、離散連結部分は、セラミックヒータ要素と少なくとも２つのフィンとの間の複数の実質的に同様の接触領域である。好ましい実施形態では、離散連結部分の各々は、同様の寸法の隙間又は空間によって分離される。

好ましくは、離散連結部分の間の隙間又は空間は、放電機械加工（ＥＤＭ）によって形成される。放電機械加工（ＥＤＭ）により、金属シートの一方の縁部から遠い方の端部に向かって延びる複数の平行スロットを効果的に生成する。第２のステージは、離散連結部分を生成することであり、これは、金属シートを９０°のＶ字形プレスツール内で曲げることによって達成される。これにより、複数の「Ｌ字形」特徴部を形成し、かかる特徴部は、実質的なフィンの部分を形成する脚部分と、各脚部分の離散連結部分を形成する足部分を有する。

好ましくは、ヒータは、セラミックヒータ要素の両側から延びる複数の熱消散フィンを含む。

好ましい実施形態では、セラミックヒータは、全体的に管状の又は正方形のヒータになる矩形セラミックヒータ要素から形成される。変形例として、セラミックヒータ要素は弓形であってもよい。好ましくは、弓形セラミックヒータ要素は、一定の曲率を有する。好ましい実施形態では、弓形セラミックヒータ要素は、共通の起点から定められる内径及び外径を有するように形成される。

弓形ヒータの場合、フィンは、好ましくは、湾曲している。より好ましくは、フィンは、セラミックヒータ要素の曲率に一致している。湾曲したフィンを形成するために、離散連結部分を形成する第２の生成ステージに続いて、フィンを湾曲したツール内で打抜く第３のステージがある。

この実施形態において、フィンの間隔をセラミックヒータ要素の内径と外径の間で変化させることが有利である。隣接したフィンの間の間隔は、内径から外径まで増大する。この理由は２つあり、第１に、ヒータ内の経路長さが内径のところで比較的短くなるので、ヒータの中を流れる流体はそれほど制約されず、かくして、ヒータの出口にわたってより均一な流れを得るために、それは、より制約的に作る必要がある。第２に、経路長さが外径のところで比較的長くなるので、持続時間が比較的長く、それにより、外径のところを流れる流体は、内径のところを流れる流体よりも比較的高温である。かくして、外径のところの間隔をより大きくすることによって、より多くの流体がその領域の中を流れ、それにより、ヒータ出口における温度変動を小さくする。出口平面を横切る空気出口温度の変動は比較的小さく、セラミックヒータ要素を横切る温度の変動は比較的小さい。

ここで添付図面を参照して本発明を一例として以下に説明する。

ろう付けされたサンプルの側面図である。 ろう付けされる前の標準シートと多区分シートの表面プロファイルを示す図である。 矩形加熱要素のトラックレイアウトの例を示す図である。 弓形加熱要素のトラックレイアウトの例を示す図である。 矩形セラミックヒータ要素のベースとフィンの幾何学的形状を示す図である。 弓形セラミックヒータ要素のベースとフィンの幾何学的形状を示す図である。 多区分ベースを示す図である。 図５ａの一部分の拡大図である。 離散連結部分を有する熱分散フィンを示す図である。 矩形セラミックヒータ要素にろう付けされた１組のフィンの斜視図である。 弓形セラミックヒータ要素にろう付けされた２組のフィンの斜視図である。 矩形セラミックヒータ要素にろう付けされ且つ高さが変化する１組のフィンの斜視図である。 セラミックヒータ要素にろう付けされ且つ高さが変化する１組のフィンの側面図である。 セラミックヒータ要素にろう付けされた１組の折曲げられたフィンの斜視図である。 セラミックヒータ要素にろう付けされた１組の折曲げられたフィンの側面図である。 ろう付けされたフィンの断面図である。 ろう付けされたフィンの側面図である。 ろう付けされた弓形ヒータの斜視図である。 図１１ａの図の一部分の拡大図である。 ヒータプロトタイプのための保持構造の第１の側面を示す図である。 ヒータテンプレートのために組立てられた保持構造を示す図である。 異なる間隔で配置されたフィンの側面図である。 ずらして配置された離散連結部分を有するフィンの側面図である。 筐体内のヒータの端面図である。 筐体内のヒータの斜視図である。 本発明によるヒータを収容するのに適した電気器具の断面図である。 本発明によるヒータを収容するのに適した電気器具の部分斜視図である。 本発明によるヒータを収容するのに適した変形例の電気器具の側面図である。

最初の段階は、高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）ヒータ要素を作ることである。３つの高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）ヒータ要素を、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び窒化珪素で作った。プレシジョンセラミック社（Precision Ceramics）から市販されている材料を使用し、製品説明ＡＴ ７９の酸化アルミニウム（アルミナ）のグレードは、９９．６％のアルミナであり、窒化アルミニウムのグレードは、２０１５年に入手可能であったものだけであり、窒化珪素は製品説明ＳＬ ２００ ＢＧのものである。最初、焼結させたときに７０ｍｍ×３０ｍｍ×０．５ｍｍのクーポン形である矩形基板から、セラミックヒータ要素を形成した。未加工状態のセラミックの第１の層の表面に、タングステントラックをスクリーン印刷した。タングステンを、ヒータ要素を形成するのに使用したセラミックと同じ組成の材料と一緒にして、スラリを形成し、次いで、未加工状態のセラミックの第２の層を付けた。これを、１０００°を超える温度で焼結させ、この例では、約１８００℃を用いた。得られた埋込みタングステントラックの厚さは、１８〜２０ミクロンである。図３は、トラックの例を示し、この例では、２つのトラック３００、３１０を示している。当業者は、クーポンのセラミックの組成及び大きさが異なれば、異なる焼結条件が必要であること、及び、かかる情報を多くの教科書で広く入手可能であることを認識すべきである。

表１は、評価したセラミックと金属の異なる組合せを示す。

ろう付け充填材２０を用いて、ろう付け工程を、８５０℃の真空炉内で、７０ｍｍ×３０ｍｍ×０．５ｍｍのセラミックヒータ要素１０のクーポン（矩形部分）に実施した。ろう付け充填材は、ＡｇＣｕＴｉの能動ろう付けの厚さ０．０５ｍｍのホイルであり、金属３０をセラミックの片側だけに付けることにより、ろう付け後に反りを生じさせ、このことは、いくつかの失敗を説明することができ、表２には、異なる組合せについてのろう付け後の残存率を詳述している。図１は構造の側面図であり、図２は、金属の単一シート４０と多区分シート５０の差の詳細図である。多区分シート５０は、セラミックと金属材料の間に不連続な結合部を有することによって応力を緩和させる第１の試みであった。２方向のレリーフ（浮彫）カット５２を、金属のうちのセラミックヒータ要素１０に結合させるべき側に形成した。

ステンレス鋼のサンプルが失敗したのは、この合金の塑性変形の温度よりも低いろう付け工程の結果、接合部の金属側のみが弾力的に変形することができ、それにより、接合部に応力を導入した結果と考えられる。これに対して、銅は、撓むことができ、応力の増大を低減させる。

更なる研究は、熱分散フィンを使用した。フィン４４、５４はそれぞれ、ベース４２、５６から離れるように且つベース４２、５６と直交するように延びる平らなシートである。図４ａでは、ベース４２は、単一矩形シートであり、一体のフィン４４を有する。フィン４４及びベース４２は、フィン４４とフィン４４の間の材料を除去するように機械加工された銅のブロックから形成される。図４ｂでは、フィン５４とベース５６も一体であり、フィン５４とベース５６は、銅の弓形ブロックから形成され、ブロックは、弓形ベース５６と一体に弓形フィン５４を形成するように機械加工される。図５ａ及び図５ｂは、一体の熱分散フィン５４を含む多区分シート５０を示す。これらのサンプルは、コバールのブロックから形成され、ブロックは、フィン５４とフィン５４の間から材料を除去するように且つベース５２にレリーフ（浮彫）カットを行うように機械加工され、離散連結部分５８を形成する。直線のすなわち矩形のサンプルにおいて且つ同じろう付け条件において、同じフィン形状を使用した。ろう付けの残存率を表３に示す。

ろう付けが残存しているサンプルを、熱サイクルを行うことによって試験したが、全て、応力の蓄積により金属とセラミックの接合部のところで割れて失敗した。銅サンプルについては、失敗は、冷間加工によるものと考えられ、冷間加工は、熱膨脹係数の不一致を増大させると共に、銅の強度を経時的に高める。

第３の試みを、アルミニウム製の熱分散フィン６０（図６）を用いて実施した。選択した特定の合金は（Ａｌ １０５０−Ｏ）であり、その理由は、この合金の材料特性が、好結果のヒータを作るのに比較的伝導性であり、この合金が、降伏強度が低く、加工硬化がより少ないからである。

ここで図６〜図１１ｂを参照すると、この試みの熱分散フィン６０は、セラミックヒータ要素に極めて小さい接触面積しか有しない。個々のフィンは、０．３ｍｍ及び０．５ｍｍの厚さｔを有するアルミニウム１０５０−Ｏシートから作られ、ベースに離散接触部分６２を含み、セラミックとの多区分境界面を生成する。フィンアセンブリ１６０は、セラミックの運動量を釣り合わせるために、セラミックヒータ要素の両側で同一であった。フィンの接触箇所ｌ、ｄは、２ｍｍ×２ｍｍであり（図１０ａ及び図１０ｂ参照）、更なる試験を、１．５ｍｍ×１．４ｍｍでも行った。各フィン６０は、プレス加工された金属シートから作られ、それにより、フライス加工又は金属射出成形を必要としていた以前の複雑な３次元形状に対して、原料費及び製造の複雑さを低減させる。

直線フィンのために、金属シートプロファイルを、放電機械加工（ＥＤＭ）ワイヤ（図６）で切断した。足は、９０°のＶ字形プレスツールで曲げられる。湾曲プロファイルのために、最終的な湾曲プレス工程がある。

個々のフィン６０を有することは、ろう付け中、全てのフィンを適所に保つ固定具を必要とし、このために選択した材料は、ろう付け工程の温度の理由で及び反応しないという理由で、グラファイトであった。設計した固定具を図１２ａ及び１２ｂに示す。固定具の第１の部分２００は、フィンの一方の側を保持し、セラミックヒータ要素１０を整列させ、次いで、フィン６０の他方の側１６０ａを収容する固定具の第２の部分２１０を取付ける。

フィンがアルミニウムであるので、能動ろう付けを使用しなかった（温度が高すぎる）。

工程を以下のように行った。最初、セラミックヒータ要素１０の表面を、完全に１次洗浄し、次いで、１次金属化層１００で被覆した。１次金属化層１００は、セラミックヒータ要素の両側にスクリーン印刷された１０〜１２ミクロンのタングステン層である。タングステンを、金属化ペースト内の元素として付け、次いで、被覆部分を焼結させる。タングステンペースト内の成分と同じセラミック材料を使用するので、同じ焼結条件が使用される。

タングステンの一番上の２次層１１０は、３〜５ミクロンの無電解ニッケルコーティングである。この試みのために、使用したニッケル合金は、Ｎｉ−１１Ｐコーティング（共融混合物に近いもの）であった。工程はまた、「電解による」又は「自己触媒的な」工程として知られている。このニッケル層は、空気中のタングステン層の表面酸化を防止し、ろう付け充填材の湿潤を改善する。還元雰囲気内の約８００℃での熱処理を使用して、このニッケル層をタングステン１次層の中に拡散させる。

無電解メッキを使用する変形例として、他の形態の電気メッキを使用してもよく、かかる電気メッキは、例えば、ブラシ電気メッキ又は浸漬電気メッキである。

フラックス材料を、電気メッキした各表面に付ける。フラックスの一例は、ブラシアプリケータを使用して付加されるハリスＡｌろう付け−１０７０フラックスである。金属化されたセラミックヒータ要素１００、１１０の各側において、最初、０．０８２±０．００３ｇを使用した。更なる試験では、各側において、０．０８０８±０．００２ｇを追加した。フラックス材料は、アルミニウムとシリコンの両方を含有し、ろう付け工程中に溶融して、酸化物を除去し、表面の湿潤を改善する。シリコンを充填材内の合金元素として追加することにより、溶融金属の融点及び粘度を低下させ、それにより、合金の隙間充填能力を改善する。共晶組成は、二元合金の最も低い融点及び最も低い粘度を可能にする（単一固相から単一液相への移行）。

最後に、ろう付け充填材料１２０をフラックス材料の上に付ける。充填材料の一例は、Ｐｒｉｎｃｅ及びＩｚａｎｔ Ａｌ−７１８である。これは、厚さが５９０ミクロンの箔として提供される。第１の例において、箔の単一シートを使用して、側面当たり０．２７１±０．００４ｇの充填材料を提供した。第２の例は、側面当たり０．５２７±０．００６ｇの充填材料（側面当たり２枚の５０ミクロンの箔層）を使用した。

適切な材料の別の例は、Ｓｏｌｖａｙ社から提供されるＮＯＣＯＬＯＫ（登録商標）Ｓｉｌ Ｆｌｕｘ’’である。これは、充填材とフラックスを組合せて１つのペーストにし、２段階の付加の必要性を除去する。

選択されたヒートシンク材料は、焼きなまし熱処理工程を経た商業的に純粋な等級であるＡｌ１０５０−Ｏ等級であった。ヒートシンクは、非伝統的な「フィン付きヒートシンク」であり、その理由は、「ヒートシンクベース」を除去して、フィンだけを使用したからである。これらのフィンは、「フランジ付きティー」接合部を用いて、熱発生表面に直接てきに結合される。

フィン６０は、圧延シートから放電機械加工（ＥＤＭ）による線切断工程及び曲げ工程を介して作成される。切断工程の一部として、フィンの底部に小さい切込みが作成される。これにより、複数の脚部６４と、隣接した１対の脚部の間において金属シートの一方の縁部から遠い方の端部に向かって延びる平行スロット６６を実質的に生成する。第２のステージは、離散連結部分を生成することであり、これは、金属シートを９０°のＶ字形プレスツールで曲げることによって達成される。これにより、複数の「Ｌ字形」特徴部を形成し、かかる特徴部は、実質的なフィンの部分を形成する脚部分６４と、各脚部分のための離散連結部分６２を形成する足部分を有する。

ろう付け工程は、炉内で行われる。いくつかのサンプルは、真空炉内でろう付けされたが、これは、不要であることが分かり、サンプルを加熱するのに放射のみを使用したときに必要とされる持続時間を増大させた。更なる工程を、約１気圧の還元雰囲気で行った。ヒータテンプレートは、筐体２００、２１０内で組立てられ、室温の炉内に配置され、次に、窒素９５％及び水素５％の雰囲気で約６１０℃まで加熱される。加熱工程は、約１時間かかり、この場合、これは使用した炉に関して最高であり、潜在的には、より速い速度を使用して、ろう付け時間を短縮することができたであろう。温度は予め決められた時間にわたって保持され、次いで、室温まで冷やされた。予め決められた時間は、約２分であったが、これは、筐体２００、２１０の熱質量及びヒータに依存し、そのため、これらの要因に依存して変化する。

ヒータを、炉から取出した後、４０℃の超音波高温浴内で洗浄して、フラックス残留物を離散連結部分の間から除去した。

理論的には、この接合部は、セラミックと金属の間の熱膨脹係数（ＣＴＥ）の不一致により機能しないはずである。また、もしもこの２つの材料がセラミックの割れなしに接合されていれば、接合部は、多くの熱サイクルに耐えられないであろう。

個々のフィン６０を使用することによって、ヒートシンクとセラミック加熱要素１０の間の接触面積の減少があり、それにより、セラミックヒータ要素の幅を横切る１つの向きの熱膨脹係数の不一致によって生じる問題を制限する。加えて、個々のフィン６０の各々に沿う離散接触箇所６２を有することによって、不一致によって生じる問題は、セラミックヒータ要素１０の長さ方向に沿った別の向きの熱膨脹係数である。離散連結部分は、応力緩和のための切込みとして作用する。

ここで、セラミックヒータの形態のいくつかの変形例を説明する。図７ａ及び７ｂに示すように、フィン６０の高さは、全て同じであってもよい。これは、ろう付けヒータの最も簡単な実施形態である。ほとんどのヘアケア電気器具は、管状のケーシングを有しているので、フィンは、様々な高さで作られるのがよい。図８ａ及び８ｂは、これを示す。少なくとも１つのフィン６０が、最大高さのところにある。この例では、２つのフィン６０が最大高さを有し、ヒータを管状にするためにセラミックヒータ要素の中央に配置される。セラミックヒータ要素１０は、第１の縁部１２と第２の縁部１４によって定められ、セラミックヒータ要素１０の中央は、これらの縁部の間にある。第１の縁部１２及び第２の縁部１４のいずれかに近づくにつれて、フィン６０ａ、６０ｂ、６０ｃの高さは次第に低くなり、管状形状を形成する。

上述したように、図３ａは、矩形セラミックヒータ要素のヒータトラック３００、３１０の例を示す。この例では、両方のトラック３００、３１０への電力は、セラミックヒータ要素の第１の端部３２０のところで第１のコネクタ対３２４を介して供給され、第２のコネクタ対３２６が、セラミックヒータ要素１０の第２の端部３２２のところに設けられる。当業者が知るように、コネクタは、セラミックヒータ要素に沿う異なる箇所に位置決めされてもよい。

図３ｂは、弓形セラミックヒータ要素１５０を示す。この例では、２つのヒータトラック３０２、３１２は、上記のように隣接しておらず、横に並んでおり、第１の端部３２０と第２の端部３２２の間のセラミックヒータ要素１５０の長さに沿う中心に配置された共通の接続部３３０を共有する。この共通コネクタは、ライブコネクタ又はニュートラルコネクタであるのがよい。第１のトラック３２０では、第２のコネクタ３３２がセラミックヒータ要素１５０の第１の端部３２０に隣接して設けられ、第２のトラック３１２では、第２のコネクタ３３４がセラミックヒータ要素１５０の第２の端部３２２に隣接して設けられる。これらの２つの第２のコネクタ３３２、３３４は、ライブコネクタ及びニュートラルコネクタの他方である。

図１３ａ及び１３ｂは、変形例として、セラミックヒータ要素１５０の縁部に沿って設けられるコネクタの異なる配列を示す。これらの例では、ヒータトラックは、図３ａと同じように交絡されるが、全てのコネクタ３４０、３４２、３４４は、セラミックヒータ要素１５０の第１の端部３３２に設けられる。これにおいても、１つのコネクタ３４４は、共通のコネクタであり、セラミックヒータ要素１５０へのライブコネクタ又はニュートラルコネクタのいずれかを構成し、他の２つのコネクタ３４０、３４４は、ライブコネクタ及びニュートラルのコネクタのうちの他方である。

図１１ａ及び図１１ｂは、図８ａ及び図８ｂを参照して上述したように、高さが変化するフィン６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄを有するろう付けヒータを示しているが、弓形セラミックヒータ要素１５０にろう付けされている。

図１３ａは、間隔が変化するフィン６０を有するろう付けヒータを示している。弓形セラミックヒータ要素１５０は、共通の中心ｃを有する内径ｒ_iと外径ｒ_oを有する。内径ｒ_iところでは、フィン間隔はｘ_iであり、外径ｒ_oのところでは、フィン間隔がｘ_oであり、ｘ_oはｘ_iよりも大きく、かくして、フィンの間隔は、内径ｒ_iから外径ｒ_oに向かって徐々に増大している。ヒータ内の流体が第１の端部３２２から第２の端部３２４に流れるので、変化する間隔は、熱及び流れの管理を助ける。各チャネル（フィンとフィンの間の空間）内の流れ制限は変えられる。これは、流れを再分配させる設計変数である。ヒータの外径は、比較的長いチャネル長さ（比較的長いフィン）を有する。所定の空気容量は、チャネルの中を通るとき、これらのチャネル内でより長い時間を費やし、より熱くなる。フィンとファンの間の間隔をこの領域で増大させれば、これらのチャネル内の流量は増大する。これにより、持続時間を減少させて、空気の加熱を少なくする。この例では、内径は約２９ｍｍ、外径は約５９ｍｍであった。内径と外径の間の中間線である中心経路長さは、６９ｍｍである。フィン６０の高さは、約１３ｍｍである。

図１３ｂは、フィン６０が第１の端部３２２のところで整列することが必ずしも必要ではないことを示している。ヒータの入口側３５０の形態に依存して、離散連結部分６２を入口側３５０から共通の距離のところから開始させることは不可能な場合があり、かくしてし、第１のフィン６００は、隣接したフィン６０２、６０４に対してずらして配置されてもよい。

ここで図１４ａ及び１４ｂを参照すると、ヒータ８０が筐体８２内に示されている。伝統的には、かかる筐体は、マイカ等の絶縁材料から作られるであろう。本明細書で説明した真直ぐなヒータの例では、マイカは、受入れられる。しかしながら、弓形ヒータでは、必要とされるマイカの長さが外径よりも短いので、特に内径の中央において、マイカシートを巻くことは困難である。このことにより、及び、熱消散フィンがライブではないという事実により、金属筐体を使用することができる。より伝統的なワイヤヒータであれば、これは不可能であり、その理由は、ライブヒータ要素が筐体と接触する危険性が、恐らくはいくらかの損傷を受けた後にあるためである。理論上、筐体８２は、ヒータ８０と接触するように設計されてもよいけれども、フィン先端部８４とセラミックヒータ要素１５０の第１の縁部８６及び第２の縁部８６の両方との間に小さい隙間９０があることが有用であることが見出された。０．５ｍｍ〜２ｍｍの隙間９０を使用したが、その理由は、湾曲部の周りの流れの制御を可能にし且つ筐体の温度の熱管理を可能にするのに十分な空気隙間を与えるからである。かくして、周囲温度度が２５℃であるのに対して、筐体８２の外面は７５℃であった。

図１５ａ及び図１５ｂは、説明したヒータを使用することができるヘアドライヤーの例を示す。ヘアドライヤー７００は、流体入口７０２をハンドル７２０の一方の端部に有し、また、流体入口７０２からハンドル７２０の中を通って流体出口７０６まで延びる流体流路７０４を有している。流体は、ハンドル７２０内に配置されたモータ７１０によって流体入口７０２に引入れられる。この例では、ヒータ８０は、湾曲し又は弓形であり、ハンドル７２０の第１の向きから流体出口７０６の第２の向きへの移行領域にある。この例では、第２の向きは、第１の向きに対して直交し、これは、ユーザがハンドルを保持するときに流体出口の向きをユーザの髪に対して容易に変更することができるので、好ましい特徴である。

本明細書に説明したセラミックヒータ要素は、電力入力が１５００Ｗ、出口での最高流体温度が１２５℃であるとき、４００℃に耐えるように設計される。表４は、達成された一連のパラメータを示している。

図１５ａ及び図１５ｂに示すヘアドライヤー内において、ヒータ８０のための包囲筒及び筐体８２、かくして、ヒータアセンブリは、３５ｍｍの最大外径を有する。このヒータ８０は、ヘアドライヤーの中を流れる空気の流量が１３．５ｌ／ｓの時に１５００Ｗの加熱要素電力を供給し、１３．５ｌ／ｓの流量及び１５００Ｗの入力電力で、最大ヒータアセンブリ圧力低下が１０００Ｐａであることを示した。加えて、図１３ａに示す変化するフィン間隔を用いると、流出空気流れ断面にわたる最高温度差は±５℃であった。

図９ａ及び図９ｂは、フィン２６０が別々の打抜きシートとして形成されず、代わりに単一の金属シートが、セラミックヒータ要素６２にろう付けされるようになったベース部分２６２を有する波形又は城郭形態に折曲げられる変形実施形態を示す。離散連結領域２６４を形成する工程は、打抜き工程後に行われるが、上記と同じ仕方で行われる。しかしながら、各フィン２６０は、離散連結領域２６４を共有し、個々の離散連結領域を有しない。これは、接触領域及び従って金属フィンとセラミックヒータ要素の間の熱的不一致の領域を更に小さくする。加えて、２つの隣接したフィン２６０ａ、２６０ｂを通じて熱を給送される上部セクション２６４が存在し、従って、フィン先端に向けた熱送出が増加する。

図１６は、図７ｂに示す直線ヒータと共に用いるのに適した熱風整髪デバイス８００の更に別の例を示している。デバイスは、形状が管状であり、一端での流体入口８０２と、遠位端での流体出口８０４と、その間の流体流路を含む。使用時に、ファンユニットが、流体を流体入口に引入れ、ヒータは、選択的に、流体をそれがデバイスを流体出口で出る前に加熱する。

本発明をヘアドライヤー及び熱風整髪デバイスに関して詳細に説明したが、それは、流体を引入れ、電気器具からのその流体の流出を誘導する任意の電気器具に適用可能である。

電気器具は、ヒータの有無に関わらず使用することができ、高速での流体の流出作用は、乾燥効果を有する。

電気器具の中を流れる流体は、一般的に空気であるが、１又は複数の気体の異なる組合せである場合があり、電気器具の性能又は物体に対して電気器具が有する影響を改善するために添加物を含むことができ、出力は、例えば、髪及びその髪の整髪に向けられる。

本発明は、上記で与えた詳細説明に限定されない。変形は、当業者に明らかであろう。

本発明は、例えば、以下の実施形態を含む。
〔形態１〕本発明の好ましい実施形態は、ヒータであって、セラミックヒータ要素と、熱を前記セラミックヒータ要素から消散させる少なくとも２つのフィンと、を含み、前記セラミックヒータ要素は、１次元の平面に沿って延び、前記少なくとも２つのフィンは、前記平面から離れるように延び、前記セラミックヒータ要素に離散連結部分を介して連結される、ヒータ。
〔形態２〕前記離散連結部分は、前記セラミックヒータ要素と前記少なくとも２つのフィンとの間の複数の実質的に類似の接触領域である、形態１に記載のヒータ。
〔形態３〕前記離散連結部分は各々、同様の寸法の隙間だけ分離される、形態１又は２に記載のヒータ。
〔形態４〕前記フィンは、厚さを有し、前記隙間は、前記フィンの厚さの０．８〜１．２倍である、形態３に記載のヒータ。
〔形態５〕前記少なくとも２つのフィンは、前記セラミックヒータ要素の両側に１つずつ配置される、形態１〜４のいずれか１項に記載のヒータ。
〔形態６〕更に、前記セラミックヒータ要素の両側から延びる複数のフィンを含む、形態１〜５のいずれか１項に記載のヒータ。
〔形態７〕前記複数のフィンの高さは、第１の縁部から第２の縁部まで変化する、形態６に記載のヒータ。

〔形態８〕金属フィンをセラミックヒータ要素に取付ける方法であって、（ａ）充填材料をセラミックヒータ要素の表面に付ける段階と、（ｂ）金属フィンを前記充填材料の上に位置決めして、ヒータテンプレートを生成する段階と、（ｃ）前記ヒータテンプレートを、前記充填材料を溶融させる７５０℃〜９００℃の間の温度の炉内でろう付けして、前記充填材料及び前記セラミックヒータ要素を互いに反応させる段階と、を含む方法。
〔形態９〕前記フィンは、銅、ステンレス鋼、及びコバールのうちの１つから作られる、形態８に記載の方法。
〔形態１０〕更に、（ｉ）前記セラミックヒータ要素の表面を金属化ペーストで被覆する段階と、（ｉｉ）被覆した前記セラミックヒータ要素を焼結させる段階と、（ｉｉｉ）被覆して焼結させた前記セラミックヒータ要素上にニッケル層を無電解メッキして、１次金属化表面を生成する段階と、（ｉｖ）フラックスを前記１次金属化表面に付ける段階と、を含み、段階（ｉ）〜（ｉｖ）を段階（ａ）の前に行い、段階（ｃ）は、更に、前記金属フィンと前記１次金属化表面の間に配置された前記フラックスを溶融させ、且つ、約６００℃の温度で実施される、形態８又は９に記載の方法。
〔形態１１〕前記金属化ペーストは、前記セラミックヒータ要素を形成するのに使用されたセラミック材料と耐熱材料の混合物である、形態１０に記載の方法。
〔形態１２〕前記金属化ペーストを前記セラミックヒータ要素に１０〜１２ミクロンの厚さで付ける、形態１１に記載の方法。

６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ フィン
１５０ セラミックヒータ要素
１６０ フィンアセンブリ

Claims (4)

1. 金属フィンをセラミックヒータ要素に取付ける方法であって、
   （ａ）前記セラミックヒータ要素の表面を金属化ペーストで被覆する段階と、
   （ｂ）被覆した前記セラミックヒータ要素を焼結させて、１次金属化層を生成する段階と、
   （ｃ）被覆して焼結させた前記セラミックヒータ要素上にニッケル層をメッキすることにより、２次金属化層を１次金属化層の上に生成する段階と、
   （ｄ）ニッケル層をメッキした前記セラミックヒータ要素を加熱して、ニッケル層を１次金属化層に拡散させる段階と、
   （ｅ）フラックスを、メッキした表面に付ける段階と、
   （ｆ）充填材料をセラミックヒータ要素の表面に付ける段階と、
   （ｇ）金属フィンを前記充填材料の上に位置決めして、ヒータテンプレートを生成する段階と、
   （ｈ）前記ヒータテンプレートを、前記充填材料を溶融させる７５０℃〜９００℃の間の温度の炉内でろう付けして、前記充填材料及び前記セラミックヒータ要素を互いに反応させる段階と、を含む方法。
2. 前記金属フィンは、銅、ステンレス鋼、及びコバールのうちの１つから作られる、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属化ペーストは、前記セラミックヒータ要素を形成するのに使用されたセラミック材料と耐熱材料の混合物である、請求項１に記載の方法。
4. 前記金属化ペーストを前記セラミックヒータ要素に１０〜１２ミクロンの厚さで付ける、請求項３に記載の方法。

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