JPH02306566A - ヒータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は正特性サーミスタを使用した高出力で高ワツト
密度の能力と自己温度制御機能を有する　。

ヒータ装置に関するものである。

従来の技術 従来、この種の湯沸かし用水量ヒ下夕や凍結防止ヒータ
としては、たとえば第８図のような構成のものがあり、
両面に形成された電極１および２に電源リニド線３，４
を接続した正特性サーミスタ５が電気絶縁□性を有する
樹脂掌磁器で構成された外装筐体６内にその一端開口部
７より収容され、前記正特性ザーミスタ５と外装筺体６
との間に電気絶縁性を有する樹脂または金属酸化物から
なる充填材料８が充填され、前記正特性サーミスタ５が
前記外装筐体６内に密封されたものが一般的に知られて
いる。

しかし、前記のような構造のものでは、正特性サーミス
タ５の発生熱は熱抵抗の高い材料にて形成される充填材
料８を介し外装筺体６より放熱されるもので、充填材料
８の厚みはリード線接続部や正特性サーミスタ電極１，
２等の内部充電部との電気絶縁を保障するために数ミリ
メートル以上の厚さが必要とされ、熱抵抗を高める要因
となっており、正特性サーミスタからの伝熱効率が悪く
伝達熱量が制限される構造となっていた。また、内部充
電部との電気絶縁をより確実にするため外装筺体６を樹
脂や磁器等、熱抵抗の高い絶縁材料で形成されることが
一般的に行われ、さらに伝熱効率を低める要因となって
おり可能なヒータ出力としては、せいぜい数ワラトル数
１０ワットを出すのが限界であった。さらに、上記構造
のものは充填材料８のピンホールやヒビ割れに起因する
吸湿吸水による絶縁劣化、外部からの機械力による外装
筺体６の変形や損傷による絶縁破壊等の可能性があり、
水中での使用や、外部衝撃を受けるような部位での使用
には適したものではなかった。

したがって、安全性の高い高出力ヒータとしての使用や
高ワツト密度のヒータとしての使用に制約を受け、高熱
量、高ワツト密度を要求される湯沸かしや加熱調理等の
ヒータとしての実用化は極めて困難なものであった。

発明が解決しようとする課題 ところで正特性サーミスタは第７図に示すように正特性
サーミスタを構成する材料により定まるある温度Ｔｓま
では抵抗値がほぼ一定で、温度がＴｓを越えＴｎに達す
るまでは温度上昇に伴い抵抗値も急峻に上昇し入力電流
が減少し温度上昇を抑制する自己温度制御特性を有する
。したがって高出力や高ワツト密度のヒータを正特性サ
ーミスタにより実現するためには可能な限り温度をＴｓ
近傍以下に維持できるような伝熱効率の高い構造が要求
されるわけである。

本発明は熱抵抗の高い充填材料や外装筐体を使用せずに
確実な電気絶縁性を維持しながら、安全堅牢かつ伝熱効
率の極めて高い構造を実現することにより正特性サーミ
スタを使用した高出力、高ワツト密度の自己温度制御ヒ
ータを得、湯沸かしや調理加熱等の熱源として安全性が
高く実用的価値の大なるヒータ装置を提供するもので、
具体的には両面放熱構造のヒータ装置を提供することを
第１の目的とし、第２の目的は片面放熱構造のヒータ装
置を提供することである。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために本発明は、第１の手段として
複数個の正特性サーミスタ素子を適当な間隔にて平面上
に配置し、この正特性ザーミスタ素子の両電極面に電気
的かつ熱的にも結合するように装着した２枚の電極板を
兼ねた導電性材料からなる伝熱板と、これらを収納する
とともに前記伝熱板からの伝達熱を両面に放熱する放熱
面を有する金属外筺とを備え、この金属外筺と前記両転
熱板とはそれぞれ相対向する伝熱面間に膜状または板状
に形成した熱伝導性の良い電気絶縁体を介して両転熱面
が熱的に密着結合するように構成したものである。さら
にまた水中での使用が可能なように前記金属外筺を水密
に構成したものである。

また第２の手段として、適当な間隔で平面上に配置した
複数個の正特性サーミスタ素子の両電極面に電気的かつ
熱的に結合するように装着した２枚の電極板を兼ねた導
電性材料からなる伝熱板と、これらを収納するとともに
前記伝熱板からの伝導熱を放熱する金属材料からなる放
熱面を片面側に有する外筺とを備え、前記外筺の放熱面
と前記両伝熱板との間に形成される伝熱面間に膜状また
は板状の電気絶縁体を介して前記放熱面と前記両伝熱板
とが熱的に密着結合するように構成されたものである。

作用 本発明のヒータ装置の第１の手段においては、電極板を
兼ねた２枚の伝熱板に電圧を印加すると電気的に並列接
続された全ての正特性サーミスタ素子に通電され、正特
性サーミスタ素子の種類によって定まる電気抵抗による
ジュール熱により自己発熱し、素子温度が上昇する。温
度上昇に伴い正特性サーミスタ素子の発生熱は熱流とな
って素子両面の電極面を経て両転熱板に熱伝達され、さ
らに伝熱板自体の内部で伝導による熱放散が行われ両転
熱板全面の温度を一様に上昇させる。伝熱板の温度上昇
に伴い熱流は熱抵抗の小さい膜状または板状の電気−縁
体を介して金属外筺の両数熱面に一様に熱伝達され熱流
はこの放熱面より水等の外部負荷に放熱される。この作
用が連続的に行われることにより正特性サーミスタ素子
は一定のジュール熱を発生し、一定温度を保つ。特に上
記の構成のヒータ装置を水中にて動作させた場合、放熱
量は最大となり空気中に比べ数倍〜１０倍程度の高出力
が得られる。ここで、もし負荷が軽くなり外筺放熱面か
らの放熱量が減少して（ると正特性サーミスタ素子の温
度は第７図に示すＴｓを越え、抵抗値が上昇するに伴い
素子への入力電流は減少する。そしてついには素子温度
がＴｎに達し素子抵抗値は最大となり入力電流は急峻に
減少し低レベルに制御される。すなわち自己温度制御が
行われる。

また第２の手段においても第１の手段における作用と同
様に、電極板を兼ねた２枚の伝熱板への電圧印加により
正特性サーミスタ素子は自己発熱しその発生熱は熱流と
なって素子両面の電極面を経て両転熱板に熱伝達される
。両転熱板に伝達された熱流は電気絶縁体を介して金属
外筺の片面側に形成された放熱面に一様に熱伝達され、
この放熱面より外部負荷すなわも被加熱体に放熱される
。外部負荷が軽くなったときの作用は上記第１の手段の
作用で説明した動作と同様である。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面にもとづいて説明す
る。まず第１の手段について第１図、第２図、第３図に
もとづき説明する。第１図は本発明の一実施例の断面構
造図である。

第１図において１，２はそれぞれ両面に電極ｌａ、ｌｂ
、２ａ、２ｂを有するセラミック半導体等からなる板状
の正特性サーミスタ素子！ある。３および４は前記正特
性サーミスタ素子１および２の両電極面に接着等の方法
で電気的かつ熱的に結合するように装着さむたアルミニ
ウム等の熱伝導性の良い導電性材料からなる電極板を兼
ねた２枚の円盤状の伝熱板であり、前記正特性サーミス
タ素子１，２を両面よりサンドイッチするような形に構
成され、正特性サーミスタ素子１，２の周辺部は伝熱板
３，４ではさまれる空間部８が形成される。また両転熱
板３，４にはそれぞれに給電のための電源り一１線１２
．１３がハンダ付けまたはカシメ等の方法で接続され、
正特性サーミスタ素子１，２に通電できるようになって
いる。５および６は前記両転熱板３，４の表面側に熱的
に密着するように設けられた熱抵抗の小さい耐熱樹脂フ
ィルム、マイカ薄板等、膜状または薄板状に形成さ１れ
た電気絶縁体であり、この表面側に設けられた金属外筺
７と前記伝熱板３，４とを電気的に絶縁する。

上記それぞれの部材を収納する金属外筺７は熱伝導性が
良く耐食性に優れたアルミニウムやステンレス材料から
なり中空のディスク状に形成されその両面に前記伝熱板
３，４からの伝達熱を放熱する放熱面７ａ、７ｂを有す
る。この放熱面７ａ。

７ｂは前記電気絶縁体５，６を介し、前記両転熱板３，
４と熱的に結合すべく密着して設けられている。９は放
熱面７ａ側、７ｂ側の２部材から構成される金属外筺７
の水密性を保つためのシール部材である。１０は金属外
筺７の片面側に設けられたねじ部を有東る本体取付用ボ
スで、ナツト１４とともに本ヒータ装置を所要の部分に
取り付けられるようになっている。また前記取付ボス１
０は前記金属外筺７内の空間部８に連通ずる開口部１１
を有しこの中を伝熱板３，４に接続された電源リード線
１２．１３が外部電源に接続できるように通されている
。

第２図は上記第１図に示した横断面図のＡ−Ａ部断面を
示す平面図であり、中に電源リード線の通る孔を有する
伝熱板４面上には前記正特性サーミスタ素子１，２およ
びさらに１５，１６，１７゜１８の素子が、電気的に並
列接続されるように装着されるとともにそれぞれの素子
からの発生熱が前記伝熱板３，４に均等に熱伝達される
ように適度な間隔にて配置装着されている。正特性サー
ミスタ素子の数は必要な熱量に応じて増減できる。

また必要に応じて伝熱板３，４の形状、面積を変えるこ
ともできる。

第３図は本発明のヒータ装置本体を水等の被加熱負荷の
中に装着したときの一実施例である。第３図においてヒ
ータ装置本体Ｈは金属外筺７に設けられた取付ボス１０
とナツト１４により容器Ｃの底面中央に設けられた孔に
水蜜シール材４を介して前記容器Ｃ内に両数熱面７ａ、
７ｂと容器２との間に適度な間隙を設けて取り付けられ
ている。容器２内には被加熱負荷Ｗ、実施例では水が満
たされており、水中に没したヒータ装置Ｉ４により加熱
される。容器Ｃは金属または樹脂材料にて形成されても
かまわない。

次に、この一実施例の構成における作用を説明する。ま
ず、リード線１２．１３より伝熱板３゜４を介して正特
性サーミスタ素子１，２の電極ｌａ、ｌｂおよび２ａ、
２ｂに電圧が印加されると電気的に並列接続された全て
の素子１，２゜１５〜１８に通電され、正特性サーミス
タ素子はその抵抗によりジュール熱を発生、自己発熱し
素子温度が上昇する。素子の温度上昇にしたがい発生熱
は熱流となって両電極面より伝熱板３，４に熱伝達され
、さらに伝熱板自体の内部で伝導による熱放散が行われ
、両転熱板３，４の表面温度を一様に上昇させる。

伝熱板３，４の温度上昇に伴い熱流は熱抵抗の小さい電
気絶縁体５，６を貫流し金属外筺７の放熱面７ａ、７ｂ
に熱伝達され両数熱面の温度を上昇させ外部負荷Ｗへの
放熱を行う。」１記の作用が連続的に行われ全ての正特
性サーミスタ素子は一定のジュール熱を発生し続は一定
温度を保つ。第１図、第２図に示したような構成のヒー
タ装置を第３図のような構成の加熱装置として動作させ
たとき被加熱負荷Ｗが熱容量の高い水である場合、放熱
面７ａ、７ｂからの放熱量は最大となる。第３図の実施
例にもとづく試作装置による実験では約２　Ｗ　／　ｃ
ｏｔの放熱面ワット密度の出力が得られている。この場
合の正特性サーミスタ素子１個あたりの出力は約１００
Ｗであった。すなわち１０００Ｗの水中ヒータ装置とし
て使用しようとずれば１０個の正特性サーミスタ素子を
並列接続し、両面合わせて約５００　ｃｏｔ、直径にし
て約１８ｃｍの伝熱および放熱面積を有する伝熱板３，
４と、金属筺体７の放熱面７ａ、７ｂを設定して上記の
構成を形成すればよいということを実証した。また被加
熱負荷が空気であってもファン送風による放熱は行われ
、熱出力は半減するが、使用は可能であり、使用が水中
に限定されるものではない。また、正特性サーミスタ素
子の数と、伝熱板面積および金属外筺の放熱面面積を増
やすことによりさらに高出力を得ることも可能であるこ
とは言うまでもない。

第３図の実施例において、もし容器Ｃ内の負荷Ｗが蒸発
等の要因でなくなりいわゆる空位状態になると放熱面７
ａ、７ｂからの空気中への放熱は急激に減少するため正
特性サーミスタ素子の温度は急峻に上昇し素子温度は第
７図に示すＴｓを越えＴｎに達する。このとき素子の抵
抗値は最大となり素子への入力電流は急峻に減少し最低
レベルに自己制御され素子温度および放熱面温度は一定
の低レベルに制御される。上記の試作装置による実験で
使用した正特性ザーミスタのＴｎは約２４０℃で飽和す
るもので、空焼きした場合、そのときの放熱面ワット密
度は０　、２　Ｗ　／　Ｏｎ？と水負荷のときの約１０
％に低下し、サーモスタット等の温度過昇防止装置がな
くとも放熱面表面温度は１５０００〜１７０℃近傍に抑
制され、容器Ｃがだ七え樹脂材料で形成されていたり周
辺部に燃えやすい材料や油等が存在していても発煙発火
に至るような事故につながることはない。

上記のように本発明のヒータ装置は高出力高ワツト密度
と自己温度制御特性を同時に満足させるもので、応用範
囲は極めて広く、水中ヒータとして食器洗浄機や洗濯機
の洗浄水加熱用、給湯機の湯沸かし用等、高出力かつ安
全を要求される機器類に応用することによる技術的価値
は極めて大なるものである。

次に本発明の他の実施例として、第４図、第５図、第６
図にもとづき説明する。

第４図において、１，２はそれぞれセラミック半導体等
からなる正特性サーミスタ素子、３および４は前記正特
性サーミスタ素子１，２の両電極面１ａ、２ａ、ｌｂ、
２ｂ面にそれぞれ接着等の方法にて電気的かつ熱的に結
合するように装着されたアルミニウム等の熱伝導性の良
い導伝性材料からなる電極板を兼ねた円盤状の２枚の伝
熱板であり、前記正特性サーミスタ素子１，２を両面よ
りサンドイッチするように構成され、正特性サーミスタ
１，２の周辺部には伝熱板３，４ではさまれる空間部８
が形成される。また伝熱板４の外周縁円環部４ａはその
表面が伝熱板３の表面と面一になるような面上に位置す
るよう形成され、この伝熱板３および４ａ表面が外筺７
の片面側に形成された金属からなる放熱面７ａと膜状ま
たは薄板状の電気絶縁体５を介して電気絶縁されながら
熱的に密着結合するように構成されている。前記それぞ
れの部材を収納する金属外筺７の放熱面７ａを含む表面
側は熱伝導性が良く耐食性、機械的強度に優れたステン
レス材料やアルミニウム材料からなる。また外筐７の裏
面側には前記伝熱板４の裏面からの放熱を抑制するため
に外筺の一部を形成する遮熱板７ｃが前記伝熱板４との
間に熱絶縁のための空隙９を形成して設けられている。

この遮熱板７ｃを構成する材料は金属材料に限らない。

さらに前記遮熱板７ｃには外部への開口部１１を有する
取付ボス１０とナツト１４が設けられ、この開口部１１
より外部電源に接続するための電源リード線１２．１３
が通されて伝熱板３および４にそれぞれハンダ付は等に
より接続固定され正特性サーミスタ１，２の両電極に通
電できるように構成されている。また１５は放熱面７ａ
側、７ｂ側の２部材から形成される外筺７の防水防滴の
ためのシール材である。

第５図は上記第４図に示した横断面図のＡ−Ａ線で示す
断面の平面図であり、伝熱板３面上には前記正特性サー
ミスタ素子１，２および１５゜１６．１７．１８が電気
的に並列接続されるように装着されるとともに、それぞ
れの素子からの発生熱が前記伝熱板３，４に均等に熱伝
達されるように適度な間隔にて配置装着されている。正
特性サーミスタ素子の数は必要な熱量に応じて増減でき
る。また必要に応じ伝熱板３，４の形状を変えることも
可能である。

第６図は上記の構成のヒータ装置に被加熱物を載置した
ときの一実施例である。第６図においてヒータ装置Ｈの
外筺７に形成された放熱面７ａは平面上に形成され、ヒ
ータ装置Ｈと着脱自在または固定して設けた被加熱容器
Ｃの平板状の底面部ＣＩと熱的に密着結合するように構
成されている。Ｗは被加熱容器Ｃ内に満たされた調理物
等の被加熱負荷である。次にこの第２の手段の実施例の
作用について説明する。第１の手段の実施例における作
用と同様、電気的に並列接続された正特性サーミスタ素
子１．２．１５〜１８への通電により両転熱板３，４．
４ａ部の表面温度は一様に上昇する。伝熱板３および４
ａ部の温度上昇に伴い熱流は電気絶縁体５を貫流し外筺
７の金属放熱面７ａに熱伝達され放熱面温度を上昇させ
、被加熱容器Ｃの底面部Ｃ１を加熱する。被加熱容器Ｃ
内に満たされた被加熱負荷Ｗの加熱温度がある温度に達
するまでは連続的にほぼ安定した出力にて上記の動作が
行われるが、被加熱材料Ｗがある温度を越えると温度上
昇に伴い正特性サーミスタ素子の温度上昇と抵抗値の上
昇が生じ入力電流は減少してゆき、ヒータ装置１の出力
は減少する方向に自己制御される。したがって被加熱容
器Ｃも一定の温度で温度制御されるため、過度に加熱さ
れることはない。また万一、被加熱容器Ｃが空焼きされ
ても上記の自己温度制御機能により被加熱容器Ｃは低レ
ベルの温度に制御される。

上記のように本発明のヒータ装置は高出力と自己温度制
御特性を同時に満足させるもので、安全で高出力のヒー
タ装置として食用油の加熱調理器やホットプレート等の
調理機器類、ア、イＬ１ン等の家事機器類等、幅広い応
用が可能である。

発明の効果 以上のように本発明は、自己温度制御特性を有する正特
性ザーミスタ素子を複数個並列使用するとともに、熱抵
抗の高い充填材料や絶縁材料を使用せずに伝熱板や、外
筺に金属材料を使用した簡単で堅牢な構成により、安全
でしかも伝熱効率の極めて高い構造を実現することによ
り数百ワット以上の高出力と、高ワット密度を満足する
自己温度制御特性を有する安全なヒータ装置を提供する
ものである。また本発明の構成によれば必要に応じ正特
性ザーミスタ素子の数と伝熱板および放熱面面積を任意
に選択でき、出力を自由に設定できる。第１の手段に示
したものは両面放熱構造とすることにより、放熱効率を
向上するとともに水中で使用することにより、極めて高
い放熱効率すなわち高出力、高ワット密度が得ることの
できる自己温度制御特性を有するヒータ装置を提供する
もので、樹脂タンク内での使用や可燃性の材料に接近あ
るいは接触するような部位に使用できる高出力水中ヒー
タ装置として食器洗浄機や洗濯機の洗浄水加熱や給湯機
の湯沸かし用ヒータ化への応用により、湯沸かし加熱機
器類の安全性が飛躍的に高められる。この技術的価値は
極めて大なるものである。

また、第２の手段に示したものは片面放熱構造のもので
あるが、正特性サーミスタ素子の両面に形状的に工夫さ
れた伝熱板を設け、素子両面より伝導される発生熱を効
率的に外筺の片面側に形成された放熱面に熱伝達させる
ようにして高出力を得られるようにしたヒータ装置であ
り、高出力と安全が要求される食用油の加熱調理器やホ
ットプレート等の調理機器類、アイロン等、さらにその
他の加熱機器への応用により安全な高出力加熱機器を可
能にすることができ、その技術的価値は大なるものであ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の第１の手段によるヒータ装置の一実施
例を示す断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線による水平
断面図、第３図は上記ヒータ装置を応用した一実施例を
示す断面図、第４図は本発明の第２の手段によるヒータ
装置の他の実施例を示す断面図、第５図は第４図のＡ−
Ａ線による水平断面図、第６図は上記第２の手段による
ヒータ装置を応用した一実施例を示す断面図、第７図は
正特性ザーミスタ素子の自己温度制御特性図、第８図は
従来の構成例を示す断面図である。 １．２・・・・・・正特性ザーミスタ素子、３，４・・
・・・・伝熱板、５，６・・・・・・電気絶縁体、７・
・・・・・外筺、７ａ、７ｂ・・・・・・放熱面。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名憾　　　　
　　ヒ、 Ｃリ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（ＸＪ派 碑Ｉ　− 区 ト 憾 腺　　　　　　　　　　＼

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）適当な間隔にて平面上に配置した複数個の正特性
   サーミスタ素子と、前記正特性サーミスタ素子の両電極
   面に電気的かつ熱的に結合するように装着した２枚の導
   電性材料からなる伝熱板と、これらを収納するとともに
   前記両伝熱板からの伝達熱を外部負荷に放熱する放熱面
   を両面に有する金属外筺とを備え、この金属外筺の両放
   熱面と前記両伝熱板とはそれぞれ相対向する伝熱面間に
   膜状または板状に形成した熱伝導性の良い電気絶縁体を
   介して熱的に密着結合したヒータ装置。
2. （２）金属外筺を水密に形成してなる請求項１記載のヒ
   ータ装置。
3. （３）適当な間隔にて平面上に配置した複数個の正特性
   サーミスタ素子と、前記正特性サーミスタ素子の両電極
   面に電気的かつ熱的に結合するように装着した２枚の導
   電性材料からなる伝熱板と、これらを収納するとともに
   前記両伝熱板からの伝達熱を外部負荷に放熱する金属か
   らなる放熱面を片面側に有する外筺とを備え、前記外筺
   の放熱面と前記両伝熱板との間に形成される伝熱面間に
   膜状または板状の電気絶縁体を介して前記放熱面と前記
   両伝熱板とを熱的に密着結合したヒータ装置。