(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動媒体の加熱に関連して使用するための電気抵抗加熱部材にして、
（a）支持表面を有する部材本体と、
（b）前記支持表面上に巻き付き、前記部材の少なくとも一対の末端部に接続された抵抗ワイヤと、
（c）前記流体から前記抵抗ワイヤを密封状に包み込み、電気的に絶縁するため前記抵抗ワイヤと前記支持表面上を覆って配設された熱伝導性の重合体被覆にして、該重合体被覆は熱伝導性かつ非導電性のセラミック添加剤を含む重合体被覆と、を含むことを特徴とする前記電気抵抗加熱部材。
【請求項２】
前記重合体被覆が少なくとも０.５Ｗ／ｍ°Kの熱伝導率を有する請求項１の電気抵抗加熱部材。
【請求項３】
前記重合体被覆が華氏２００度（約９３.３℃）を超える融点を有する熱化塑性樹脂を含む請求項２の電気抵抗加熱部材。
【請求項４】
前記重合体被覆が繊維強化材を含む請求項３の電気抵抗加熱部材。
【請求項５】
前記繊維強化材がガラス、硼素、グラファイト、アラミド、又は炭素繊維を含む請求項４の電気抵抗加熱部材。
【請求項６】
前記セラミック添加剤が窒化物、酸化物、又は炭化物を含む請求項１の電気抵抗加熱部材。
【請求項７】
前記重合体被覆が該重合体被覆中に前記重合体１００部当たり約６０乃至２００部の前記セラミック添加剤の配合量を含む請求項６の電気抵抗加熱部材。
【請求項８】
前記重合体被覆が射出成型された請求項７の電気抵抗加熱部材。
【請求項９】
成型作業中、前記抵抗ワイヤが前記重合体被覆中に完全に包み込まれた請求項１の電気抵抗加熱部材。
【請求項１０】
温水ヒーターにして、
（a）水を収容するためのタンクと、
（b）前記タンクの壁に取り付けられ電気抵抗加熱を前記タンク中の水の部分に提供する加熱部材と、を含む前記温水ヒーターにして、
前記加熱部材は
支持フレームと、
前記支持フレーム上に巻き付き、少なくとも一対の末端部に接続する抵抗ワイヤと、及び
前記流体から前記抵抗ワイヤを密封状に包み込み、電気的に絶縁するため前記抵抗ワイヤ及び前記支持フレームの主な部分を覆って配設された熱伝導性の重合体被覆にして、該重合体被覆は少なくとも約０.５Ｗ／ｍ°Kの熱伝導率を提供するための熱伝導性の非導電性添加剤を含む前記重合体被覆と、を含むことを特徴とする前記温水ヒーター。
【請求項１１】
前記重合体被覆が機械的強度を改善するための繊維状添加剤を含み、前記熱伝導性の非導電性添加剤が窒化物、炭化物、又は酸化物を含む請求項10の温水ヒーター。
【請求項１２】
流体を加熱するための電気抵抗部材を製造する方法にして、
（a）支持フレームを設ける段階と、
（b）抵抗加熱ワイヤを前記支持フレーム上に巻き付ける段階と、
（c）前記抵抗ワイヤ及び前記支持フレームの実質的部分上を覆って熱伝導性の非導電性の重合体を成型して前記流体から前記ワイヤを電気的に絶縁し、密封上に包み込む段階にして、前記熱伝導性の重合体被覆は少なくとも約０.５Ｗ／ｍ°Kの熱伝導率を有する、前記段階と、を含むことを特徴とする前記電気抵抗部材を製造する方法。
【請求項１３】
前記段階（ｃ）が射出成型を含む請求項12の方法。
【請求項１４】
前記熱伝導性重合体被覆が前記重合体１００部当たり約６０乃至２００部のセラミック添加剤を含む請求項13の方法。
【請求項１５】
前記重合体被覆が熱可塑性樹脂、セラミック粉末、及び細断したガラス繊維を含む請求項12の方法。
【請求項１６】
前記熱可塑性樹脂がポリフェニレンスルファイドを含み、前記熱伝導率が約０.７Ｗ／ｍ°Kを超える請求項15の方法。
【請求項１７】
前記熱可塑性樹脂が液晶重合体を含む請求項15の方法。
【請求項１８】
前記段階（ｃ）が前記抵抗加熱ワイヤと前記支持フレームを流動床ベッドに浸漬する段階を含む請求項12の方法。
【請求項１９】
流動媒体の加熱に関連して使用するタンクの壁を介して配設することができる電気抵抗加熱部材にして、
（a）重合体支持フレームと、
（b）一対の末端部に接続された一対の自由端を有する抵抗加熱ワイヤにして、前記抵抗加熱ワイヤは前記支持フレームの上に巻き付けられ前記支持フレームで支持される、前記抵抗加熱ワイヤと、及び
（c）非導電性の重合体被覆にして、前記被覆の熱伝導性を改善するための電気絶縁性の熱伝導性セラミック添加剤を含有する前記非導電性の重合体被覆にして、該重合体被覆は前記流体から前記抵抗ワイヤを密封状に包み込み電気的に絶縁するため前記抵抗加熱ワイヤ及び前記支持フレームの一部を覆って配設された前記重合体被覆にして、該重合体被覆は少なくとも約０.５Ｗ／ｍ°Kの熱伝導率を有する、前記重合体被覆と、を含むことを特徴とする前記電気抵抗加熱部材。
【請求項２０】
前記セラミック添加剤がアルミニウム又はマグネシウムの酸化物を含む請求項19の電気抵抗加熱部材。
【請求項２１】
前記重合体被覆が細断したガラス繊維をさらに含む請求項20の電気抵抗加熱部材。
【請求項２２】
流動媒体の加熱に関連して使用するための電気抵抗加熱部材にして、
（a）支持表面を有する部材本体と、
（b）前記支持表面上に巻き付き、前記部材の少なくとも一対の末端部に接続された抵抗ワイヤと、
（c）前記流体から前記抵抗ワイヤを密封状に包み込み、電気的に絶縁するため前記抵抗ワイヤと前記支持表面の実質的部分上を覆って配設された非導電性の重合体被覆にして、該重合体被覆は該重合体被覆を介して少なくとも約０.５Ｗ／ｍ°Kの熱伝導率を達成するため熱伝導性かつ非導電性のセラミック添加剤を含む前記重合体被覆と、を含むことを特徴とする前記電気抵抗加熱部材。
【請求項２３】
流動媒体の加熱に関連して使用するための電気抵抗加熱部材にして、
（a）電気抵抗ワイヤと、
（b）前記電気抵抗ワイヤを取り囲んで電気的に絶縁するセラミック材料と、
（c）前記セラミック材料及び前記電気抵抗ワイヤを包み込む金属シースと、及び
（d）前記流体から前記金属シースを密封状に包み込み、電気的に絶縁するため前記金属シースを覆って配設された熱伝導性の重合体被覆にして、該重合体被覆は少なくとも約０.５Ｗ／ｍ°Kの熱伝導率を有する前記重合体被覆と、を含むことを特徴とする前記電気抵抗加熱部材。
【請求項２４】
流動媒体の加熱に関連して使用するための電気抵抗加熱部材にして、
（a）電気抵抗ワイヤと、
（b）前記電気抵抗ワイヤを取り囲んで電気的に絶縁するセラミック材料と、
（c）前記セラミック材料及び前記電気抵抗ワイヤを包み込む金属シースと、及び
（d）前記流体から前記金属シースを密封状に包み込み、電気的に絶縁するため前記金属シースを覆って配設された熱伝導性の重合体被覆にして、該重合体被覆は熱伝導性かつ非導電性のセラミック添加剤を含む前記重合体被覆と、を含むことを特徴とする前記電気抵抗加熱部材。
【請求項２５】
前記重合体被覆は少なくとも約０.５Ｗ／ｍ°Kの熱伝導率を有する請求項24の電気抵抗加熱部材。
【発明の詳細な説明】
関連出願の相互参照
本出願は電気抵抗加熱材料及びこの上に配設した重合体層を有する浸漬加熱部材について1994年12月29日に出願した米国特許出願第08/365,920号（現在米国特許第5,586,214号）の一部継続出願である。本出願は又、骨格支持体と任意の伝熱フィンを有する改良重合体浸漬加熱部材について1996年11月26日に出願した米国特許出願第08/755,836号の一部継続出願である。
発明の分野
本発明は電気抵抗加熱部材に関し、より詳細には気体及び液体を加熱するための重合体含有抵抗加熱部材に関する。
発明の背景
温水ヒーターに関連して使用される電気抵抗加熱部材は伝統的に金属及びセラミック成分で構成されてきた。代表的な構造としてはＮｉ−Ｃｒコイルの端部にろう付けした一対の端子ピンを含み、これはついでＵ字形の管状金属シースを介して軸方向に配設される。抵抗コイルは通常酸化マグネシウムのような粉末セラミック材料によって金属シースから絶縁される。
従来のこのような加熱部材は何十年も温水ヒーター工業の担い手となってきたが、広く知られる多くの欠陥を有していた。例えば金属シースとタンク中の露出金属表面間に生じる化学反応による電流がシステムのいろいろな陽極金属成分の腐食を生じさせる。加熱部材の金属シースは典型的には銅又は銅合金であるが、水からの石灰沈積を誘発し、加熱部材の早期の破損を起こさせる。さらに黄銅の取り付け部品及び銅の配管は銅の価格が長い間上昇してきたのでますます高価なものなってきた。
金属部材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部材がカニンガムの米国特許第3,943,328号に提案されている。ここに開示された装置ではプラスチックシースと共に従来の抵抗ワイヤと粉末酸化マグネシウムが使用されている。このプラスチックシースは非導電性であるのでタンク中の水と接触する加熱装置の他の金属部分との化学反応による電流は発生せず、石灰の沈積もない。不幸にもいろいろな理由でこれら先行技術のプラスチックシース加熱部材は、通常の有効使用期間に亘る高ワット定格出力を達成することができず、広く受入れられることがなかった。
発明の概要
本発明は空気及び水のような流動媒質の加熱に関連して使用する電気抵抗加熱部材を提供する。これらの部材は支持表面を有する部材本体及び前記支持表面上に巻き付きこの部材の少なくとも一対の末端部に接続された抵抗ワイヤを含む。この抵抗ワイヤの周囲の密封状シールを形成する熱伝導性重合体被覆が抵抗ワイヤと支持表面を覆って設けられる。熱伝導性重合体被覆は少なくとも約０.５Ｗ／ｍ°Kの熱伝導率を有する。
本発明の加熱部材は１０００ワット乃至約６０００ワット及びこれ以上の多重ワット数定格を提供するよう設計されている。ガス加熱では約１２００ワット未満の低い定格を使用することができる。本発明の改良熱伝導性重合体被覆は抵抗ワイヤからの大きく改良された熱放散を可能とする熱伝導率を与える。この性質は比較的に薄い重合体被覆を溶融することなく本発明の加熱部材に効率的な流体加熱能力を与える。重合体被覆中、樹脂１００部当たりセラミック材料を約６０乃至２００部の範囲の配合量が好ましい。下限は流体を加熱するのに必要な熱伝導の量によって設定され、上限は射出成型のような標準処理によってこれら部材のより容易な成型ができるように設定される。繊維強化材は重合体被覆に機械的高度を与え、温水ヒーターで経験したような周期的な熱負荷中の亀裂及び変形に対する抵抗を与える。
本発明の追加的な実施例では改良熱伝導性重合体被覆は温水ヒーターの化学電池腐食を減少させるため液体加熱効率に干渉することなしに従来の金属シース部材に適用される。
【図面の簡単な説明】
添付する図面は本発明の好ましい実施例と共に本開示に関係のある他の情報を説明している。
図１は本発明の好ましい重合体の流体ヒーターの斜視図である。
図２は図１の重合体の流体ヒーターの左側平面図である。
図３は図１の重合体の流体ヒーターの部分断面かつ剥離図を含む正平面図である。
図４は図１の重合体の流体ヒーターの好ましい内部成型部の断面図を含む正平面図である。
図５は図１の重合体の流体ヒーターのための好ましい端部組み立て体の断面図を含む正平面図である。
図６は本発明の重合体の流体ヒーターのための好ましいコイルの端部の拡大部分正平面図である。
図７は本発明の重合体の流体ヒーターの二重コイル実施例の拡大部分正平面図である。
図８は本発明の加熱部材の好ましい骨格支持フレームの正面斜視図である。
図９は配設した熱伝導性重合体被覆を説明する、図８の好ましい骨格支持フレームの拡大部分図である。
図10は代替的な骨格支持フレームの拡大断面図である。
図11は図10の骨格支持フレームの側平面図である。
図12は図10の完全な骨格支持フレームの正平面図である。
図13は本発明の熱伝導性重合体被覆を備える改良金属シース部材の断面側面図である。
発明の詳細な説明
本発明は電気抵抗加熱部材及びこの部材を含む温水ヒーターを提供する。これらの装置は温水及びオイルヒーター内の電池による腐食のみならず、石灰析出や部材寿命の短期化の問題を最小化するのに有用である。この明細書で使用するように、用語「流体」及び「流動媒質」は液体と気体の両者に適用する。
図面、特に図１乃至図３を参照すると、本発明の好ましい重合体の流体ヒーター１００が見られる。重合体の流体ヒーター１００は導電性抵抗加熱材料を含む。この導電性抵抗加熱材料は例えばワイヤ、メッシュ、リボン、又はヘビ状の形とすることができる。この好ましいヒーター１００では一対の末端部１２及び１６に結合した一対の自由端を有するコイル１４が抵抗加熱を発生するために設けられている。このコイル１４は高温重合体材料の一体的層により流体から密封され電気的に絶縁されている。換言すれば、活性な抵抗加熱材料は重合体被覆により短絡から保護されている。本発明の抵抗材料は重合体層を溶融することなく少なくとも約華氏１２０度（約４８.９℃）の温度まで水を加熱するに十分な表面積、長さ又は断面厚みのものである。以下の検討から明らかとなるように、これは正しい材料とその寸法を注意深く選択することにより達成することができる。
特に図３を参照すると、好ましい重合体の流体ヒーター１００は概ね図５に示される末端組み立て体２００、図４に示される内部成型３００、及び重合体被覆３０の３個の一体部品を含む。これらの副成分の各々及びこれらの重合体流体ヒーター１００への最終組み立てを以下にさらに説明する。
図４に示される好ましい内部成型３００は高温重合体から製造した単一品の射出成型成分である。この内部成型３００はその最端部においてフランジ３２を含むのが好ましい。このフランジ３２に近接して複数のねじ切り２２を有するカラーが設けられる。ねじ切り２２は貯蔵タンク、例えば温水ヒータータンク１３中の側壁を介して取り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の内側表面にＯリング（図示せず）に設けて確実な水封を与えることができる。好ましい内部成型３００はその好ましい円形断面内に位置するサーミスタ空洞３９をも含む。このサーミスタ空洞３９はサーミスタ２５を流体から分離するための端部壁３３を含むことができる。このサーミスタ空洞３９は末端組み立て体２００が容易に挿入できるようフランジ３２を介して開口しているのが好ましい。好ましい内部成型３００は、末端組み立て体２００の導体棒１８と末端導体２０を受承するためにサーミスタ空洞と内部成型の外壁との間に位置する少なくとも一対の導体空洞３１及び３５を含む。内部成型３００はその外周部に配設した一連の半径方向に整列した溝３８を含む。この溝３８はねじ又は繋がっていない溝等でよく、好ましいコイル１４の螺旋を電気的に分離するためのシートが得られるに十分な間隔をとるべきである。
好ましい内部成型３００は、射出成型法を使用して仕上げることができる。流れ貫通空洞１１は１２.５インチ（約３１.７ｃｍ）長さの油圧作動コアプル(Core pull)を使用して製造するのが好ましく、これにより長さが１３乃至１８インチ（約３３乃至４５.７２ｃｍ）の部材を製造する。活性部材部分１０の目標壁厚みは０.５インチ（約１２.７ｍｍ）未満が望ましく、０.１インチ（約２.５４ｍｍ）が好ましい。この場合の目標範囲は約０.０４乃至０.０６インチ（約１.０２乃至１.５２ｍｍ）であり、これは射出成型装置の現在の下限であると信じられる。一対のフック又はピン４５及び５５が活性部材発達部分１０に沿って、連続するねじすなわち溝の間に成型され、一つ又はそれ以上のコイルの螺旋のための末端点又はアンカーを提供する。フランジ部分を通る側部コアプルと端部コアプルは射出成型中に、サーミスタ空洞３９、流れ貫通空洞１１、導体空洞３１及び３５、及び流れ貫通孔５７を提供するために使用する。
図５を参照して好ましい末端組み立て体２００をこれから検討する。末端組み立て体２００は一対の末端接続部２３及び２４を含む。図２に示すように末端接続部２３及び２４は、スクリューのようなねじ切りコネクタを受承して外部電気ワイヤを取り付けるためのねじ付き穴３４及び３６を含むことができる。末端接続部２３及び２４は末端導体２０とサーミスタ導体棒２１の端部である。サーミスタ導体棒２１は電気的に末端接続部２４をサーミスタターミナル２７に接続する。他のサーミスタターミナル２９は図４の下部に沿う導体空洞３５内に嵌合するように設計されたサーミスタ導体棒１８に接続される。回路を完成させるためサーミスタ２５を設ける。サーミスタ２５はサーモスタット、ソリッドステートＴＣＯ又は外部回路ブレーカーに接続された単なる接地バンド(grounding band)（図示せず）、等と任意に取り替えてもよい。接地バンドを末端部１６又は１２の一つに近く位置させて重合体の溶融中に短絡させることができると信じられる。
好ましい環境ではサーミスタ２５はPortage Electric社から販売されたモデルＭシリーズのようなスナップ作用サーモスタット／サーモプロテクタである。このサーモプロテクタは寸法が小さく１２０／２４０ＶＡＣ負荷に適している。これは電気的に活性なケースを有する導電性二重金属構造体を含む。端部キャップ２８は別体に成型した重合体部品であるのが好ましい。
末端組み立て体２００と内部成型３００が完成した後、これらは露出したコイル１４を活性部材部分１０の整列溝３８に巻き付ける前に一つに組み立てられるのが好ましい。その際コイル末端部１２又は１６を有する完成した回路を設けるのに注意を払うべきである。これはコイル末端部１２又は１６を末端導体２０とサーミスタ導体棒１８にろう付け又はスポット溶接することにより達成することができる。又、重合体被覆３０を被覆する前に内部成型３００にコイル１４を正確に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は内部成型３００と熱可塑性重合体結合を形成するよう覆って押出しされる。内部成型３００については、成型中にコアプルが成型に導入され流れ貫通孔５７と流れ貫通空洞１１を開口させる。
図６と図７を参照すると、本発明の重合体抵抗加熱部材のための単一及び二重抵抗ワイヤの実施例が示される。図６の単一ワイヤの実施例では、内部成型３００の整列溝３８が螺旋４２及び４３を有する第１ワイヤ対をコイル形に巻くのに使用される。好ましい実施例は曲げた抵抗ワイヤを含むので、曲げた端部又は螺旋端末４４はピン４５の周りに曲げて被せられる。理想的にはピン４５は内部成型３００の一部であり内部成型３００に沿って射出成型される。
同様に二重抵抗ワイヤ形状も構成することができる。この実施例では第１対の螺旋４２及び４３は、第２ピン４５の周りに巻いた副コイル螺旋端末５４によって、同じ抵抗ワイヤ中の次ぎの連続する対の螺旋４６及び４７から分離される。副コイル螺旋端末５４に電気的に接続された第２抵抗ワイヤの第２対の螺旋５２及び５３は次ぎの隣接する対の整列溝中の螺旋４６及び４７の次ぎの内部成型３００の周りに巻かれる。二重コイル組み立て体は各ワイヤのための螺旋の交互の対を示すが、螺旋は各抵抗ワイヤに対して二つ以上の螺旋グループとして、或るいは導電コイルが内部成型又は別体のプラスチック被覆等のような他の絶縁材料によって互いに絶縁される限りでは、不規則な部材による所望の巻き形状として、巻くことができることが理解される。
本発明の重合体被覆３０、骨格支持フレーム７０、及び内部成型３００のようなプラスチック部分は約華氏１２０乃至１８０度（約４８.９乃至８２.２℃）の流動媒質温度及び約華氏４５０乃至６５０度（約２３２.２乃至３４３.３℃）のコイル温度において大きく変形若しくは溶融しない「高温」重合体で構成するのが好ましい。華氏２００度（約９３.３℃）より高い溶融温度を有する熱可塑性重合体が最も望ましいが、或る種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。好ましい熱可塑性材料は、フルオロカーボン、ポリアリルスルフォン、ポリアミド、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ことができる。このような応用に使用できる熱硬化性重合体は或る種のエポキシ樹脂、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善するために使用することができる。
本発明の好ましい実施例では、特に射出成型における耐熱性、低価格、及び容易な処理操作性から、高温ポリフェニレンスルファイド（「ＰＰＳ」）が最も望ましい。
本発明の重合体は繊維強化材を約５−６０重量％まで含むことができる。繊維強化熱可塑性樹脂とサーモスタットは強度を劇的に増加させる。例えば３０重量％配合の短ガラス繊維はエンジニアリングプラスチックの引張強さを係数約２で増加させる。好ましい繊維はＥガラス及びＳガラスのような細断したガラス、硼素、Ｋｅｖｌａｒ２９又は４９のようなアラミド、グラファイト、及び高引張弾性率グラファイトを含む炭素繊維を含む。他の好ましい繊維は熱処理したポリフェニレンベンゾビスチアゾール（ＰＢＴ）及びポリフェニレンベンゾオキサゾールビスチアゾール（ＰＢＯ）繊維及び２％歪炭素／グラファイト繊維を含む。
これら重合体は熱伝導性と離型性を改良するための各種の添加剤と混合することができる。熱伝導性は金属の酸化物、窒化物、炭酸塩、又は炭化物（以下セラミック添加剤として言及する場合がある）、及び低濃度の炭素又はグラファイトの添加により改良することができる。このような添加剤は粉末、フレーク、又は繊維の形でよい。良い例としてはスズ、亜鉛、銅、モリブデン、カルシウム、チタン、ジルコニウム、硼素、珪素、イットリウム、アルミニウム又はマグネシウムの酸化物、炭化物、炭酸塩、及び窒化物、又はマイカ、ガラスセラミック又は溶融シリカが挙げられる。
これら熱伝導性材料のための重合体母材への配合量は、樹脂１００部に対して添加剤を約６０乃至２００部（ＰＰＨ）の範囲内が好ましく、より好ましくは約８０乃至１８０ＰＰＨの配合量である。これら添加剤は概ね非導電性であるが、一方、ステンレス鋼、アルミニウム、銅又は黄銅、高濃度の炭素又はグラファイトのような金属類の、金属繊維及び粉末フレークのような導電性添加剤が、より電気的に絶縁された重合体層で覆って成型され被覆されるのであれば使用することができる。もし導電性添加剤が使用されるならばコイル間の短絡を防止するためコアを電気的に絶縁することに注意しなければならない。
しかし過剰の繊維強化材又は金属若しくは金属酸化物添加剤は成型作業を損なうことが知られているので、上記添加剤は過剰に使用しないことが重要である。本発明のどの重合体部材もこれら材料の組み合わせでつくることができ、或いはこれら重合体の選択した一つを部材の最終用途如何に応じて本発明の各種の部分のための添加剤と共に又は添加剤なしで使用することができる。
本発明は特に重合体樹脂、ガラス繊維、及び異なる熱伝導性充填剤をいろいろな割合で多く組み合わせて、いろいろなワット数定格の加熱部材用の所望の熱伝導性値を提供することを意図している。繊維強化材及び熱伝導性充填剤に加えて本発明のプラスチック組成物も、プラスチック部分の性能を高め加熱部材の寿命を延ばすのみならず、成型段階の助けになる離型用添加剤、耐衝撃性改良剤、及び熱酸化安定剤、を含むことができる。
表１に示した組成物は周知の方法によりポリフェニレンスルファイドを既に述べた量の酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、及び細断したガラス繊維と配合することにより調製した。これら材料のペレットを射出成型してＡＳＴＭ試験試料をつくりＡＳＴＭ試験法により試験をして引張強度、曲げ強さ、曲げ弾性率、及びノッチ付アイゾット衝撃強さのデータを得て表１に示した。同様に熱伝導率も得ることができた。
比較例１は水加熱部材に使用するには低すぎる熱伝導率を有していたことがが判明した。最も高い熱伝導率を有していた例８の材料が、巻き付けたコアを覆うように射出成型して本発明の水加熱部材を形成したとき、亀裂と破損が０.０３０インチ（約０.７６２ｍｍ）以下の壁厚に対して生じた。しかし０.０３０インチ（約０.７６２ｍｍ）を超える壁厚ではより高い配合量を可能にする。これは耐衝撃強さと同様に引張及び曲げ強さが粉末セラミック添加剤の添加により逆に影響を受けるが、部材設計と樹脂を変えることによって高配合量の影響を克服することができる証拠である。
理想的には重合体被覆の引張強さは、十分な熱伝導性が維持できることを条件として少なくとも約７０００ｐｓｉ（約４９２.１kg／cm2）、好ましくは７５００ｐｓｉ（約５２７.３kg／cm2）乃至１００００ｐｓｉ（約７０３.０kg／cm2）でなければならない。作業温度における曲げ弾性率は少なくとも０.５Ｗ／ｍ°K、好ましくは約０.７Ｗ／ｍ°K、理想的には約１Ｗ／ｍ°K以上でなければならない。
これら組成物は例として示されるものでありこれに限定されるものではない。しかし当業者にとって各種の伝導充填剤を本発明の装置で適当に達成できると思われる樹脂中の強化繊維との組み合わせが無数にあるということは明らかである。このような組み合わせは例えば高温液晶重合体又はポリエーテルエーテルケトン樹脂と窒化硼素及び細断したガラス添加剤の組み合わせを含めてよく、若しコストが問題ならばポリフェニレンスルファイド樹脂及びＡｌ2Ｏ3又はＭｇＯ、及び細断したガラス添加剤を含めてもよい。
0003669636.tif 000002
本発明の上記重合体材料を使用することにより、普通の電気抵抗加熱部材の金属シースを被覆してその部材が従来経験した多くの問題を防止することが可能である。このようなシースは銅及びステンレス鋼を含むものとして知られている。さらに本発明は炭素鋼のような腐食抵抗材料をシース用として使用することを意図している。耐蝕性材料に対しては、被覆は非耐蝕性材料に対するよりは比較的薄くすべきであり、これには少なくとも約１０ミルの厚みと高い熱伝導率の被覆が必要である。
図13に従来の電気抵抗加熱部材２０１が示されている。この部材２０１はＵ字形管状金属シース２２０の中を軸方向に延びて配設された抵抗加熱ワイヤ２１０を有し、このワイヤ２１０とと金属シース２２０の間に粉末セラミック材料２３０がある。金属シース２２０は本発明の高熱伝導性重合体被覆２４０で被覆されて、金属シースと装置の露出した陽極的金属成分間の化学電池による電流が抑制される。重合体材料の優れた熱伝導性は、特にここに開示した添加剤によって、被覆を溶融することなしに、加熱部材が水を１２０℃を超える温度まで効率的に加熱するに必要な高ワット数定格を達成することを可能にする。
重合体被覆は例えば銅、黄銅、ステンレス鋼、又は炭素鋼を含む金属シースに対して、射出成型によるか、又は金属シースをポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、又は液晶重合体のペレット化又は粉末化した重合体の流動床ベッドに浸漬することによっても適用することができる。
本発明の流体ヒーターに電流を通し熱を発生させるために使用した抵抗材料は導電性で耐熱性のある抵抗材料を含むのが好ましい。普遍的な金属はＮｉ−Ｃｒ合金であり、或る種の銅、鋼、及びステンレス鋼合金が適当である。例えば金属抵抗材料の代替品として使用したグラファイト、カーボン、又は金属粉又は繊維を含む導電性重合体も、水のような流体を加熱するに十分な抵抗加熱を発生する能力がある限り考えられる。好ましい重合体の流体ヒーター１００の残る導電体はこれら導電材料使用して製造することができる。
好ましい内部成型３００の代替品として、図８と図９に追加的利点を提供する骨格支持フレーム７０が示される。管のような固体の内部成型３００を射出成型作業に使用した際、０.０２５インチ（約０.６４ｍｍ）のような薄い壁厚及び１４インチ（約３５.６ｃｍ）のような例外的な長さを必要とするヒーター設計のため不適当な成形充填が時により生じた。熱伝導性重合体は又、溶融重合体を高粘度に変化させたガラス繊維とセラミック粉末、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、及び酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のような添加剤を好んで使用したので、問題が生じた。結果として高すぎる圧力は型に正しく充填することを要求し、このような圧力は型を開口させることになった。
本発明はこのような問題の発生を最小限にするため、抵抗加熱ワイヤ６６を保持するための複数の開口と支持表面を有する骨格支持フレーム７０を使用することを意図している。好ましい実施例では骨格支持フレーム７０は骨格支持フレーム７０の全長に亘って走る、約６乃至８個の間隔を置いた長手スプライン６９を有する管状部材を含む。スプライン６９は管状部材の全長に亘り長手方向に間隔を置いた一連の環状支持体６０によって共に支持される。これら環状支持体６０は０.０５インチ（約１.３ｍｍ）未満の厚みであることが好ましく、さらに０.０２５乃至０.０３０インチ（約０.６４乃至０.７６ｍｍ）の厚みであることが好ましい。スプライン６９の幅は頂部で０.１２５インチ（約３.１８ｍｍ）が望ましく、先細伝熱フイン６２に向かってテーパーを付けるのが好ましい。先細伝熱フイン６２は重合体被覆６４が被覆された後、最終部材の内径を超える少なくとも０.１２５インチ（約３.１８ｍｍ）延出すべきであり、水のような流体に最大の熱伝導を与えるためには０.２５０インチ（約６.４ｍｍ）程延出すべきである。
スプライン６９の外周の半径方向表面には好ましい抵抗加熱ワイヤ６６の二重螺旋状整列を受承できる溝が設けられている。
本発明は骨格支持フレーム７０の部分として伝熱フイン６２を説明したが、これは環状支持体６０又は重合体被覆６４の部分としても、或いは複数のこれら表面からも形成することができる。同様に伝熱フイン６２はスプライン６９の外側に設け、重合体被覆６４を越え貫通させることができる。さらに本発明は提供した加熱部材の内部又は外部表面に沿って複数の不規則又は幾何学的形状の隆起又は凹部を設けることを意図している。このような伝熱表面は熱を表面から液体への伝達を容易にすることで知られており、これらは重合体被覆６４又は伝熱フイン６２、エッチング、サンドブラスチング、又は本発明の加熱部材の外部表面の機械的な作業、を含む多くの方法に提供することができる。
本発明の好ましい実施例では骨格支持フレーム７０はここに開示したポリフェニレンスルファイド（「ＰＰＳ」）のような「高温」重合体の一つである熱可塑性樹脂を含み、構造支持体として少量のガラス繊維、及び熱伝導性の向上のため任意的なものとして酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のようなセラミック粉末を含む。代替的には骨格支持フレーム７０は、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、グラファイト、ＺｒＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｙ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＳｉＯ2等、又は被覆３０に使用するものとして示唆した「高温」重合体とは異なる熱可塑性又は熱硬化性重合体を含む融解したセラミック部材とすることができる。もし熱可塑性樹脂が骨格支持フレーム７０に使用する場合、その熱可塑性樹脂は被覆３０を成型するのに使用した溶融重合体の温度より高い加熱撓み温度を有していなければならない。
骨格支持フレーム７０はワイヤ巻付け機に置かれ、好ましい抵抗加熱ワイヤ６６が骨格支持フレーム７０の周りに二重螺旋形状で好ましい支持表面、すなわち間隔をおいた溝７０に曲げられ巻付けられる。完全に巻付けられた骨格支持フレーム７０は射出成型機により本発明の好ましい重合体樹脂の一つで覆って成型される。本発明の一つの好ましい実施例では伝熱フィン６２の一部だけが流体に露出したままであり、残りの伝熱フィン６２は若し管状であればその内側も外側も成型樹脂で覆われる。この露出した部分は骨格支持フレーム７０の表面領域の約１０％未満であるのが好ましい。
骨格支持フレーム７０の複数の開口を構成する開いた断面領域は、気泡の発生とホットスポットを最小限にする一方、成型樹脂による抵抗加熱ワイヤ６６の容易な充填と確実な被覆を可能にする。好ましい実施例ではこの開いた断面領域は、骨格支持フレーム７０の少なくとも約１０％、望ましくは２０％以上の全管状表面領域を含み、これにより溶融樹脂が骨格支持フレーム７０と抵抗加熱ワイヤ６６の周りに容易に流れるようにすべきである。
図１０乃至図１０に代替的な骨格支持フレーム２００は示される。この代替的な骨格支持フレーム２００も包んだ抵抗加熱ワイヤ（図示せず）を収容する間隔をおいた溝２６０を有する複数の長手スプライン２６８を含む。この長手スプライン２６８は間隔をおいた環状支持体２６６により共に支持される。この間隔をおいた環状支持体２６６は複数のスポーク２６４とハブ２６２を有する「荷馬車車輪」構成を含む。これにより実質的に射出成型作業に干渉することなく、骨格支持フレーム７０を超える強度の構造支持体を得ることができる。
代替的に本発明の重合体被覆は骨格支持フレーム７０又は２００を例えばＰＰＣのようなペレット化又は粉末化した重合体の流動床に浸漬することにより被覆することができる。このような方法では抵抗ワイヤは骨格支持表面に巻き付けるべきであり、ついで通電して熱を発生させる。若しＰＰＳを使用すると、骨格支持フレーム７０をペレット化した重合体の流動床に浸漬する前に、少なくとも約華氏５００度（約２５９.９℃）の温度が発生していなければならない。流動床はペレット化した重合体と加熱したワイヤの間の緊密な接触を可能にして、抵抗加熱ワイヤの全周囲と、骨格支持フレームの周囲を重合体で概ね均一に被覆する。抵抗加熱ワイヤを流体との接触から密封して絶縁すべきことは仮定されるけれども、得られた部材は比較的堅い構造体を含むか、一定の数の開口断面領域を有することができる。又、抵抗加熱ワイヤに通電してその表面に重合体ペレットを溶融させるに十分な熱を発生させる方法よりも、むしろ骨格支持フレームと抵抗加熱ワイヤを予備加熱する方法もあることが理解される。この方法はより均一な被覆を得るため後流動床加熱を含むことができる。この方法への他の改良変更は現在の重合体技術の範囲内に含められるであろう。
水を加熱するのに使用した本発明の好ましい重合体流体ヒーターの標準定格は２４０ボルトで４５００ワットである。導電コイル１４の長さとワイヤ直径は１０００ワット乃至約６０００ワット、好ましくは約１７００ワットと４５００ワットの間の多様な定格を提供するため可変である。ガス加熱では約１００ワット乃至１２００ワットの低い定格を使用することができる。活性部材部１０に沿う異なる部分に端部を有する多重コイル又は抵抗材料を使用することにより二重及び三重ワット数容量を得ることができる。
以上から本発明は、温水ヒーター及びオイルスペースヒーターを含む全てのタイプの流体加熱装置に使用する改良した流体加熱部材を提供するものと理解することができる。本発明のこの好ましい装置は殆ど重合体であり、これにより製造費用を最小化し、流体貯蔵タンク内の化学作用による腐食を実質的に減少させることができる。本発明の或る実施例では流体ヒーターは重合体貯蔵タンクに使用することができ、金属イオンに起因する腐食の発生を殆ど回避することができる。
代替的にはこれら重合体流体ヒーターは、気体又は流体を同時に貯蔵し加熱する貯蔵コンテナとして別々に使用するよう設計することができる。そのような実施例では流れ貫通空洞１１はタンク又は貯蔵溜めますの形で成型され、加熱コイル１４はタンク又は貯蔵溜めますの壁の中に設けて通電しその中の流体又は気体を加熱することができる。本発明の加熱装置は又食品保温器、カーラーヒーター、ヘアドライヤー、カール用アイロン、衣服用アイロン、及び温泉及びプールで使用するリクリエーション用ヒーターに使用することができる。
本発明は流動媒質が本発明の一つ又は二つ以上の巻線すなわち抵抗材料を含む重合体管を通過する流れ貫通ヒーターに応用することができる。流動媒質がこのような管の内径を通過すると、抵抗加熱が管の内径重合体壁を介して発生して気体又は液体を加熱する。流れ貫通ヒーターはヘアドライヤー及び水を加熱するために使用するためによく使用されるオンデマンド型ヒーターに有用である。
いろいろな実施例を説明してきたが、これは説明のためであり本発明を限定するものではない。各種の改良変性は、当業者には明らかになるが、添付する請求の範囲内のものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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