JPH10512089A - 重合体抵抗加熱要素 - Google Patents

重合体抵抗加熱要素

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JPH10512089A JP8521139A JP52113996A JPH10512089A JP H10512089 A JPH10512089 A JP H10512089A JP 8521139 A JP8521139 A JP 8521139A JP 52113996 A JP52113996 A JP 52113996A JP H10512089 A JPH10512089 A JP H10512089A
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Abstract

(57)【要約】 重合体加熱要素(10)及びこれらの要素を含む水加熱機が、通電されると流体を加熱する能力のある導電性抵抗加熱部材(14)を含む加熱要素(10)を働かせる。導電性抵抗加熱部材(14)は螺旋状に巻かれかつその上を一体的に被覆した重合体層(30)により絶縁され保護されている。重合体加熱要素(10)は軽量で低価格であり、加熱容量を犠牲にすることなく電気化学的腐食と石灰析出を最小にする。

Description

【発明の詳細な説明】 重合体抵抗加熱要素 発明の分野 本発明は電気抵抗加熱要素に関し、さらに詳細には気体及び液体を加熱するた めの、重合体を基にした抵抗加熱要素に関する。 発明の背景 水加熱機に関連して用いられる電気抵抗加熱要素は伝統的に金属及びセラミッ ク成分で作られてきた。代表的な構造としてニッケルクロムコイルの両端部にろ う付けした1対の端子ピンを含むものがある。このニッケルクロムコイルはU字 状管状金属シースの内部に軸方向に配設されている。抵抗コイルは通常酸化マグ ネシュウムのような粉末セラミック材料により金属シースから絶縁されている。 かかる従来の加熱要素はこの10年間水加熱機工業の主力商品となっていたが 、広く認識されている欠陥があった。例えば金属シースとタンク中の露出した金 属表面との間で生じる電気化学的電流がシステムのいろいろな陽極的金属成分に 腐食を発生させる。加熱要素の金属シースは代表的には銅又は銅合金であるが、 水から石灰析出物を吸着して加熱要素の早期故障を引き起こしていた。加えて真 鍮取り付け具及び銅配管を使用していたので何年もの銅の価格上昇によりコスト 高となっていた。 金属要素の代替物として少なくとも一つのプラスチックシース電気加熱要素が 米国特許第3,943,328号に開示されている。この開示された装置では、従来の抵 抗ワイヤと粉末酸化マグネシュウムがプラスチックシースと共に使用されている 。このプラスチックシースは非導電でありタンク中の水と接触している加熱ユニ ットの他の金属部分との間で化学電池を形成せず、石灰析出物をも出さない。た だしこの先行技術のプラスチックシース加熱要素は通常の有効寿命を超える高い ワット定格を達成することができないので、広く使用されることはなかった。 発明の要約 本発明は重合体電気抵抗加熱要素とかかる要素を含む水加熱機を提供する。好 ましい要素は1対の端末部に結合された1対の自由端を有する導電性の抵抗加熱 部材を含む。抵抗加熱部材は重合体部材の一体的層中に密封状に絶縁されている 。抵抗部材と重合体層は共に新規な加熱要素の熱を発生する。この加熱要素は重 合体層の融解無しに或る量の水を少なくとも約49℃(120°F)の温度まで 加熱するに十分な抵抗加熱を提供する。 本発明の加熱要素は商用及び住居用の温水を加熱するのに最も適当である。こ の加熱要素は気体状の流体媒体を加熱するのに少なくとも約100−1200ワ ット(“W”)、液体状の流体媒体を加熱するのに少なくとも約1000から6 000ワット(“W”)、好ましくは1700−4500Wを発生する。このパ ワーは、例えばタンクがプラスチックでできている場合でも水加熱機の重合体被 覆又は貯蔵タンクに損傷を与えずに発生させることができる。本発明は如何なる 特別の理論に限定するものではないが、流体媒体、すなわち油、空気、又は水の 冷却効果が重合体層をその融点以下に維持するので、抵抗加熱部材からの対流熱 を融解なしに伝達するものと思われる。 水を約49℃−82℃(120°F−180°F)の実用温度に効率的に加熱 するために、重合体被覆は可能な限り薄く、好ましくは1.27cm(0.5インチ )、理想的には0.254cm(0.1インチ)でなければならない。これによって 被覆が、要素の熱伝導効率を損なうような質量となることなく電気短絡を気密状 に遮断する。重合体被覆は均一かつ実質的に泡のないものとして、液体環境にお ける早期失敗につながる、要素に沿うホットスポットの発生を防止する。 本発明のより詳細な実施例において流体媒体を加熱するのに使用する電気抵抗 加熱要素が説明される。この加熱要素は1対の自由端部を有する屈曲した抵抗ワ イヤの螺旋コイルを含む。この螺旋コイルは耐熱重合体中に密封状に包みこまれ る。要素は開放端と閉塞端を有する管状を示す。閉塞端はねじ込みフランジコネ クタと、抵抗ワイヤの自由端に接続され、要素の外部でねじ込みフランジコネク タから延出して外部電源に接続する、少なくとも1対の導体から成る。加熱要素 はさらに過熱、重合体の融解、又は電気短絡の発生時に要素内を流れる電気エネ ルギーを中断する耐熱遮断装置を含む。 図面の簡単な説明 添付する図面は本開示に適切な他の情報と同様に本発明の好ましい実施例を説 明する。 第1図は本発明の好ましい重合体流体加熱機の斜視図である。 第2図は第1図の重合体流体加熱機の左側面の正面図である。 第3図は第1図の重合体流体加熱機の部分断面図でありかつ部分的に引き剥が した図面を含む正面図ある。 第4図は第1図の重合体流体加熱機の好ましい内部成形部の正面図でありかつ 部分断面図である。 第5図は第1図の重合体流体加熱機のための好ましい成端組立体の正面図であ りかつ部分断面図である。 第6図は本発明の重合体流体加熱機のための好ましいコイルの端部の拡大部分 正面図である。 第7図は本発明の重合体流体加熱機のための二重コイルの実施例の拡大部分正 面図である。 本発明の詳細な説明 本発明は電気抵抗加熱要素及びこの要素を含む水加熱機を提供する。これらの 装置は水及び油の加熱機の化学電池的腐食や、石灰析出及び要素寿命の短縮化の 問題を解決するのに有用である。ここに使用する用語「流体」と「流体媒体」は 液体と気体の両方に適用される。 図面、特に第1図乃至第3図に、本発明の好ましい重合体流体加熱機100が 示されている。この重合体流体加熱機100は導電性抵抗加熱部材を含む。これ は例えばワイヤ、メッシュ、リボン、又は曲がりくねった形状のものでよい。好 ましい加熱機100には、1対の端末部12と16に接続された1対の自由端を 有するコイル14が抵抗熱を発生させるために設けられている。このコイル14 は耐熱重合体の一体的層で流体から密封状に絶縁されている。すなわち活性な抵 抗加熱部材が重合体被覆により流体中における短絡から保護されている。本発明 の抵抗部材は重合体層が融解することなく少なくとも約49℃(120°F)の 温度まで水を加熱するに十分な表面積、長さ、断面厚さを有する。これは以下の 説明から明らかなように正しい部材とその寸法を注意深く選択すれば達成される 。 特に第3図には、概ね三つの一体的部分、すなわち第5図に示す成端組立体2 00、第4図に示す内部成形部300、及び重合体被覆30から成る本発明の好 ましい重合体流体加熱機100が示されている。これら成分の各々、及び重合体 流体加熱機100への最後の組立てについては以下に説明する。 第4図に示す好ましい内部成形部300は耐熱重合体で製造した単体射出成形 成分である。この内部成形部300はその最端部にフランジ32を設けるのが好 ましい。フランジ32に近接して複数のねじ22を有するカラー部が設けられる 。ねじ22は貯蔵タンク、例えば水加熱機のタンクの側壁を通る取付け孔の内径 内に嵌合するよう設計されている。フランジ32の内側の表面にOリング(図示 せず)を使用して高い水密のシールとすることができる。好ましい内部成形部3 00はさらにその好ましい環状断面内に位置するサーミスタ用空洞39を含む。 サーミスタ用空洞39はサーミスタ25を流体から分離するための端壁33を含 むことができる。サーミスタ用空洞39はフランジ32を通して開口して成端組 立体200の容易な挿入が可能とするようにするのがよい。好ましい内部成形部 300も、サーミスタ用空洞と内部成形部の間に位置して成端組立体200の導 体バー18と端子導体20を受承するための少なくとも1対の導体用空洞31と 35とを含む。内部成形部300はその外円周に半径方向に並列した複数の溝3 8を含む。これらの溝はねじ山等で構成することができ、コイル14のつる巻き 線を電気的に分離するための受け座を構成するため十分な間隔を有するべきであ る。 好ましい内部成形部300は射出成形法で製造することができる。貫通空洞1 1は長さ31.75cm(12.5インチ)の油圧作動の心抜きで製造するのが好ましく、 これにより長さ33.02-45.72cm(13-18インチ)の要素を製造する。内部成形部3 00はフランジ32の正反対に置いた環状ゲートを使用する金属金型中で充填 される。活性要素部10のための目標壁厚みは1.27cm(0.5インチ)未満が望ま しく、0.254cm(0.1インチ)が好ましい。そして目標範囲は0.1-0.15cm(0.04-0 .06インチ)が好ましく、これは射出成形装置の現在の下限であると信じる。1 対のフックすなわちピン45と55が、活性要素部10に沿って、連続するねじ 山の間に成形され、1個又はそれ以上のコイルのつる巻き線のための成端点すな わち固着部を形成している。射出成形中、フランジ部を通る側部コア心抜きと端 部コアを使用して、サーミスタ用空洞39、貫通空洞11、導体用空洞31と3 5、及び貫通孔57を形成することができる。 第5図を参照しつつ好ましい成端組立体200を説明する。成端組立体200 は1対の端子接続部23と24を受承するよう設計された重合体末端キャップ2 8から成る。第2図に示すように端子接続部23及び24は外部電線を取り付け るためのスクリュウのようなねじ込みコネクタを受け入れるためのねじ込み孔3 4及び36を含むことができる。端子接続部23及び24は端子導体20及びサ ーミスタ導体バー21の末端部である。サーミスタ導体バー21は端子接続部2 4をサーミスタ端子27に接続する。他のサーミスタ端子29は、導体用空洞3 5の内部に適合するよう設計され、第4図の下部に沿うサーミスタ導体バー18 に接続されている。回路を構成するためサーミスタ25が配設されている。この サーミスタ25はサーモスタット、ソリッドステートTCO、又は単に遮断器等 で任意に取り替えることができる。重合体の融解中、接地バンド(図示せず)を端 子末端部16又は12の一つに近接して位置させて短絡することができると思わ れる。 好ましい環境ではサーミスタ25は、ポーテージ電気が販売しているモデルW シリーズのようなスナップアクションサーモスタット又はサーモプロテクターで ある。このサーモプロテクターは小型の寸法を有し120又は240ボルト負荷 用に適合し、電気活性ケースを有する導電バイメタル構造を有する。末端キャッ プ28は分離した成形重合体の部分とするのが好ましい。 成端組立体200と内部成形部300を製作した後、活性要素部10の整合溝 38上に露出したコイル14を巻き付ける前に組立体200と内部成形部300 を組み立てるのが良い。その際コイル端末部12及び16を含む完成した回路を 構成するように注意すべきである。これはコイル端末部12及び16を端子導体 20及びサーミスタ導体バー18にろう付け、はんだ付け、又はスポット溶接す ることにより達成される。重合体被覆30を施す前に内部成形部300上にコイ ル14を正しく位置させることも重要である。好ましい実施例では、重合体被覆 30は、内部成形部300との熱可塑性重合体結合を形成するよう内部成形部の 上に押し出し成形される。内部成形部300に関すると同じように、貫通孔57 と貫通空洞11を開放としておくため成形工程中、心抜きを金型中に導入するこ とができる。 第6図と第7図を参照すると、本発明の重合体抵抗加熱要素のための単及び複 抵抗ワイヤの実施例が見られる。第6図の単ワイヤの実施例では内部成形部30 0の整合溝36は、つるまき線42及び43を有する第1ワイヤ対を包むために 用いられる。好ましい実施例は屈折した抵抗ワイヤを含んでおり、屈曲部すなわ ち、つるまき線末端部44は曲げられてピン45の周りに巻きつけられている。 ピン45は理想的には内部成形部300の一部として内部成形部300と共に射 出成形される。 同様に、複抵抗ワイヤの実施例が与えられる。ここでは第1抵抗ワイヤの第1 対のつるまき線42及び43が、第2ピン55の周りに巻き付けた第2コイルつ るまき線末端部54により、同じ抵抗ワイヤの次の連続する対のつるまき線46 及び47から分離されている。第2抵抗ワイヤの第2対のつるまき線52及び5 3は電気的に第2コイルつるまき線末端部54に接続されて、ついで次の隣接す る対の整合溝中のつるまき線46及び47の次に内部成形部300の周りに巻き 付けられる。複コイル組立体は各ワイヤのための交互の対のつるまき線を有する が、それらの導電コイルが内部成形部又は別のプラスチック被覆等のような他の 絶縁材料により相互に絶縁されている限り、つるまき線は各抵抗ワイヤの2又は 2以上のつるまき線の群として、又は不規則な数で、さらに所望の巻き形状に巻 くことができることが理解される。 本発明の重合体部分は約49−82℃(120−180°F)の流体媒体温度 で大きく変形又は融解しない「耐熱重合体」を含むのが好ましい。93℃(20 0°F)より高い融解温度を有する熱可塑性重合体が最も望ましいが、一定のセ ラ ミックス及び熱硬化性重合体もこの目的のためには有用である。熱可塑性材料と してはフルオロカーボン、ポリアリールスルフォン、ポリイミド、ポリエーテル エーテルケトン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテル スルフォン、及 びこれら熱可塑性樹脂の混合物及び共重合体を含むのが好ましい。熱硬化性重合 体も使用できるが、一定のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びシリコン樹脂を 含む。液晶重合体も高温化学処理を改良するのに使用される。 本発明の好ましい実施例では、高温に耐えることができ、低コストで、特に射 出成形中の加工性がよいポリフェニレンスルファイドが最も望ましい。 本発明の重合体はグラファイト、ガラス、又はポリアミドファイバーのような ファイバー補強材を5−40重量%まで含有することができる。これらの重合体 は熱伝導性及び金型離型性を改善するため各種添加剤と混合することができる。 熱伝導性は又炭素、グラファイト、及び金属粉又は金属フレークを添加すること によって改善することができる。しかし、過剰な導電材料は好ましい重合体被覆 の絶縁及び腐食抵抗効果に悪影響を与えるので注意すべきである。本発明の重合 体要素はこれら材料を組合わせて製造するか、又はこれら重合体から選んだもの を、要素の最終用途に合う本発明のいろいろな部分のための添加剤と共に、或い は添加剤なしに使用することができる。 本発明の流体加熱機に電流を流し熱を発生させるために使用される抵抗部材は 、電導性で耐熱性の抵抗金属を含むのが好ましい。一定の銅、鋼、及びステンレ ス鋼合金が適当であるが、最も普及しているものはニッケルクロム合金である。 さらにグラファイト、炭素粉又は金属粉、又は繊維を含む導電重合体は、水のよ うな流体を加熱するため十分な抵抗加熱を発生する限り、例えば金属抵抗部材の 代替物として使用され得ることが考えられる。好ましい重合体流体加熱機100 の残りの導体はこれら導電部材を使用して製造することができる。 水を加熱するために使用される本発明の好ましい重合体流体加熱機の標準定格 は240V及び4500Wであるが、導電コイル14の長さとワイヤ直径を変え て1000Wから6000W、好ましくは1700Wから4500Wの間の多重 定格とすることができる。気体を加熱するためには約100−1200Wの低い ワット数を使用することができる。活性要素部10に沿う異なる部分で末端とな る多重コイル又は抵抗部材を使用することにより二重及び三重のワット容量を得 ることができる。 以上から本発明は水加熱機及び油スペース(space)加熱機を含む全ての形式 の流体加熱装置に使用する改良した流体加熱要素を提供することが理解されるで あろう。本発明の好ましい装置は殆ど重合体であり、費用を最小にし、流体貯蔵 タンク内の化学電池作用を実質的に減少させる。本発明の或る実施例では重合体 流体加熱機を重合体貯蔵タンクと共に使用して金属イオンが関係する腐食が全く 発生しないようにする。 代替的には、これら重合体流体加熱機は気体又は流体を同時に貯蔵し加熱する それらの貯蔵コンテナとして別々に使用できるよう設計することができる。その ような実施例では貫通空洞11はタンク又は貯蔵容器の形状に成形することがで き、加熱コイル14はタンク又は貯蔵容器の壁の中に配設することができ、タン ク又は貯蔵容器中の流体又は気体を加熱するため通電される。本発明の加熱装置 は食品温熱器、カーラー加熱器、ヘアードライヤー、カーラーアイロン、衣服用 アイロン、及び温泉やプールで使用するリクリエーション用加熱機にも使用する ことができる。 本発明は又、流体媒体が本発明の巻線すなわち抵抗部材の1個又は2個以上を 含む重合体管を通過する貫通加熱機にも利用可能である。流体媒体はかかる管の 内径を通過するので、抵抗加熱が管の内径の重合体壁全体に亘って発生して気体 又は液体を加熱する。貫通加熱機はヘアードライヤーや、しばしば水を加熱する のに使用する「要求時」(on-demand)加熱機に有用である。 各種の実施例を説明したが、これは本発明を説明する目的のためであり本発明 を限定するものではない。当業者には明らかに理解できるいろいろな変成は特許 請求の範囲に記載した本発明の範囲内のものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,SZ,U G),AL,AM,AT,AU,AZ,BB,BG,B R,BY,CA,CH,CN,CZ,DE,DK,EE ,ES,FI,GB,GE,HU,IS,JP,KE, KG,KP,KR,KZ,LK,LR,LS,LT,L U,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO ,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG, SI,SK,TJ,TM,TT,UA,UG,UZ,V N

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.1対の端末部(12,16)に接続された1対の自由端を有する導電性抵抗 加熱部材(14)より成る、流体を加熱するための加熱要素にして、前記抵抗加 熱部材は加熱すべき流体に接触している自立重合体部材(30)内で密封状かつ 電気的に絶縁され、前記抵抗加熱部材は前記重合体部材を介して前記流体を前記 重合体部材を融解することなしに所望の温度まで十分加熱することを特徴とする 前記加熱要素。 2.前記重合体部材がコアを含む請求項1の加熱要素。 3.前記抵抗加熱部材は少なくとも1個の螺旋コイルを含む請求項1の加熱要素 。 4.前記重合体部材は射出成形したコアを含む請求項1の加熱要素。 5.前記コアは前記流体を受け取り通過させる少なくとも1個の貫通孔を含む請 求項2の加熱要素。 6.タンク中の前記流体を加熱するため前記加熱要素を前記タンクの壁に取り付 けた請求項1の加熱要素。 7.前記重合体コアの形状は並列した溝をその上に有する管状である請求項2の 加熱要素。 8.前記抵抗加熱部材は前記並列溝中に配設した螺旋コイルを含む請求項7の加 熱要素。 9.前記重合体部材は流体コンテナの側壁の少なくとも1部を含む請求項1の加 熱要素。 10.前記加熱要素は約1,000ワットから約6,000ワットを発生して前記流 体を少なくとも約49℃(120°F)の温度に加熱する請求項1の加熱要素。 11.前記流体が水である請求項10の加熱要素。 12.前記加熱要素は約100ワットから約1,200ワットの熱を発生して気体 状流体を加熱する請求項1の加熱要素。 13.前記加熱要素は空気又は水のような流体の加熱に関連して使用されるタンク の壁を介して配設されるようになっており、前記重合体コアは端部開口を有する 内部管状第1端部、前記端部開口に隣接して配設された空洞、及びフランジ 付第2端部を含み、前記抵抗加熱部材は前記重合体コア上に巻き付けられて前記 管状第1端部に沿って前記流体中に延びる螺旋コイルであり、重合体被覆が該螺 旋コイルの上をおおって配設された請求項2の加熱要素。 14.前記重合体部材は約0.10cm(0.04インチ)から約1.27cm(0.5インチ)の厚 さを有する請求項1の加熱要素。 15.前記熱可塑性重合体部材はポリアリール-スルフォン、ポリイミド、ポリエ ーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルファイド、シリコン、ポリエーテル スルフォン、液晶重合体及びこれらの混合物及び共重合体から選択した樹脂を含 む請求項1の加熱要素。 16.前記重合体部材は該重合体部材の熱伝導性を改善する添加剤を含有する請求 項1の加熱要素。 17.前記重合体部材は該重合体の重量基準で約5%から40%の添加剤を含有し て前記重合体層を補強する請求項1の加熱要素。 18.前記加熱要素は開放端と閉塞端を有する管を有し、前記閉塞端はねじ込みフ ランジコネクタを有する請求項1の加熱要素。 19.前記重合体部材はポリフェニレンスルファイド又は液晶重合体を含む請求項 1の加熱要素。 20.請求項1の加熱要素を含む水加熱機。 21.前記重合体被覆と前記重合体コアが93.3℃(200°F)の温度より高 い融点を有する共通熱可塑性材料を含む請求項13の加熱要素。 22.前記重合体被覆の一部が前記螺旋コイル上に約1.27cm(0.5インチ)未満の 厚さで成形された請求項14の加熱要素。 23.前記重合体被覆部分が約0.254cm(0.1インチ)の厚さである請求項16の加 熱要素。 24.前記重合体コアがガラス、グラファイト、又はポリアミドファイバを含む請 求項13の加熱要素。 25.水を収容するためのタンク、及び前記タンクの壁を介して取り付けられ前記 タンク中の水の一部を電気抵抗によって加熱する加熱要素を含む水加熱機にして 、該加熱要素は通電されると前記水の一部を加熱することができる導電性抵 抗加熱部材、及び前記抵抗加熱部材と接触しかつ前記水と接触し前記抵抗加熱部 材を前記水から電気的に絶縁する重合体密封材料を含み、該重合体密封材料は前 記抵抗加熱部材から自立する構造でありかつ前記抵抗加熱部材により発生した熱 を前記水に効率的に伝達して融解なしに前記水の温度を少なくとも49℃(12 0°F)に上昇させることを特徴とする、前記水加熱機。 26.前記タンクは重合体から成る請求項25の水加熱機。 27.前記加熱要素は開放端及び閉鎖端を有し、前記閉鎖端はねじ込みフランジコ ネクタを含む請求項25の水加熱機。 28.前記ねじ込みフランジコネクタは重合体から成る請求項27の水加熱機。 29.前記重合体材料は射出成形した熱可塑性重合体から成る請求項25の水加熱 機。 30.前記重合体材料はポリフェニレンスルファイドから成る請求項25の水加熱 機。 31.流体媒体を抵抗加熱する方法にして、(a)通電されると前記流体媒体を加熱 することができる導電性抵抗加熱部材を含む電気抵抗加熱要素、及び前記抵抗加 熱部材を一体的に封入しかつ自立させこれにより前記抵抗加熱部材をして前記流 体媒体中に延出させると共に前記流体媒体によって実質的に包囲されるようにす る重合体材料を準備し、(b)前記加熱要素をタンクの壁に埋めると共に前記流体 媒体中に浸し、これにより、前記抵抗加熱部材によって発生し前記重合体材料を 介して伝達された熱を吸収しつつ、該流体媒体を前記重合体材料に直接接触させ て前記重合体材料をその融点以下に維持することを特徴とする前記方法。 32.前記重合体材料は射出によって成形される請求項31の方法。 33.前記要素は前記流体媒体を受け入れる開放端を有し、前記流体媒体は前記要 素の内側及び外側部の両方上の前記重合体材料からの熱を吸収する請求項32の 方法。
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