JPS6351003B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は突沸防止層を有する電気液体加熱機器
に関するものである。 従来例の構成とその問題点 電気液体加熱機器の代表例として、ここ数年大
きく成長してユーザの間において根強い潜在需要
を有するジヤーポツトを挙げて説明する。 ジヤーポツトは魔法ビンの機能と電気ポツトの
機能を有し、エネルギー的にも経済的であるの
で、ここ数年、爆発的なブームを呼んでいる。し
たがつて、普及率が次第に高くなるにつれ、量産
効果も上がり、コスト的にも、熱効率的にも、よ
り一層経済効果を追求しなければならない情勢に
ある。 第１図は、代表的な従来例のジヤーポツトの電
気液体加熱機能を示す構成図であり、この第１図
に示すように、特殊ステンレス（SUS444）から
なる電気液体加熱機器の容器１の外側面に、
700Wの主発熱体２と50Wの補助発熱体３が、そ
れぞれ合成マイカ板４で絶縁され、かつ金属のベ
ルト状補強材で補強され、挾具で容器１に機械的
に固定されている。 この従来の方式の欠点を列挙すると、(1)合成マ
イカ板２枚とリボンヒータと金属のベルト状補強
材で構成されるバンドヒータは量産化が困難で、
コスト高である。(2)バンドヒータは一見、容器１
に緻密に密着しているように見えるが、合成マイ
カ板や金属のベルト状補強材がそれ程柔軟性を有
していないため、実際は点接触となり、その結
果、バンドヒータが高温になるので、断熱コスト
が高価となり、かつヒータの寿命も短かくなる。
(3)バンドヒータと容器１との接触が良くないの
で、発熱体の熱効率が悪い。(4)バンドヒータが高
温になるので、単位面積当りのワツト密度を現行
以上に増加させることができない。(5)ヒータが高
温になり、ワツト密度を大きくすることができな
いので、発熱体を容器１の底部に設置することが
できない。(6)ヒータが容器１の側面に設けられて
いるので、底面の加熱が遅れ、突沸音が大きくな
り、その結果、液体の加熱に温度ムラを生じ易
い。(7)熱効率が悪く、発熱体の断熱材を多く必要
とするので、ジヤーポツトの軽量コンパクト化が
困難である等の様々な欠点を有していた。 発明の目的 本発明は、以上のような従来例の問題点を解消
し、量産可能で、かつコスト的に有利で、熱効率
が高く、しかも突沸音、沸騰音もなく、軽量、コ
ンパクト化が可能で、さらには実用的耐久度を有
する電気液体加熱機器を提供することを目的とす
る。 発明の構成 上記目的を達成するために本発明は、電気液体
加熱機器の容器の熱交換部の内面に、表面拡大化
処理による突沸防止層を形成したものである。 実施例の説明 以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて
説明する。 まず本発明は、第１図の従来のジヤーポツト容
器の内壁に突沸防止層を形成する態様で実施する
ことも可能であるが、従来よりも軽量、コンパク
ト化、エネルギー効率のアツプが可能な電気液体
加熱機器、すなわち発熱素子をホーロガラス質層
で被覆し、結合した発熱体を設置した電気液体加
熱機器を例に挙げて説明する。 特に上記電気液体加熱機器は容器と発熱体が一
体化されているため、伝熱輸送的にはすぐれた方
式であるが、突沸現象により、伝熱輸送量が脈動
化され、せつかくのすぐれた方式も効果が半減す
る。それに対し、本発明の突沸防止層は有効であ
る。 第２図〜第４図は本発明の一実施例における電
気液体加熱機器の基本構成例を示したものであ
る。 図において、１１はジヤーポツトを構成する円
筒状の容器本体で、この容器本体１１はJISの
SUS444である0.8mm厚の特殊ステンレスで構成さ
れている。１２はジヤーポツトの底部基板で、こ
の底部基板１２も容器本体１１と同様SUS444で
構成している。そして、底部基板１２の内面には
突沸防止層１３を形成し、かつその外表面には発
熱部１４を構成し、そしてこの底部基板１２はそ
の端面１５が前記円筒状容器本体１１と電気溶接
され、ジヤーポツトの容器を構成している。 ここで、第２図におけるジヤーポツト底部Ａの
拡大断面構成図を第３図に示す。この第３図に示
すように、底部基板１２の外表面に、絶縁ホーロ
層１６を片面に設け、さらにこの絶縁ホーロ層１
６の上に厚さ60μｍからなるSUS430のステンレ
ス薄帯を第４図のようにプレスまたはエツチング
することにより得られた面状発熱素子１７を配設
し、そしてこの発熱素子１７を外装被覆ホーロ層
１８で結合固着させる。その後、底部基板１２の
内表面をブラスト処理し、かつアルミニウム粉末
をプラズマ溶射して、突沸防止層１３を形成す
る。 次に本発明の構成要素について述べる。 (1) 金属基材 本発明の電気液体加熱機器を構成する金属基
材の必要条件は、加熱機器としての耐食性、熱
伝導性、ホーロ被覆性を有していなくてはなら
ない。したがつて、本発明で用いる基材はステ
ンレス基材が好ましく、次表のように
SUS304、430、444等が良い。中でも特に
SUS444が最も好ましい。

【表】 (2) 電気発熱素子 本発明に適用できる発熱素子１７は基本的に
は、薄帯状のものである。この発熱素子１７の
表面はホーロ層１８で完全に被覆する必要があ
り、例えばコイル状あるいは厚い帯状の発熱素
子を用いると、それだけホーロ層１８の膜厚が
大となる。それにより、ホーロ層１８の密着性
が極端に低下し、外的なシヨツクで、簡単にホ
ーロ層１８が剥離し、発熱素子が露出してしま
う。 発熱素子薄帯の厚みは10〜200μｍが適当で
あり、好ましくは30〜100μｍの範囲である。
10μｍ以下の薄帯は薄帯にするための加工が困
難であるとともに、面状発熱体を製造する時
に、薄帯が破れたり、折れたり、曲がつたりし
て作業性が著しく悪くなる。また200μｍ以上
では前述した理由の他に、面状発熱体にヒート
サイクルを加えると、ホーロ層に亀裂が入つた
りして好ましくない。 金属の薄帯化は通常の冷間圧延、熱間圧延に
よる方法の他に、超急冷法による薄帯化も利用
できる。薄帯化した金属を所望のパターンに形
成する方法としては、エツチング法、プレス加
工法が適している。生産数量が少ない場合はエ
ツチング法、大量生産ではプレス加工法が適用
できる。電気発熱素子は、定格電力、発熱面
積、温度分布などを考慮して、膜厚、パターン
形状を任意に決定することができる。 発熱素子の材料には各種の電気発熱材を用い
ることができるが、発熱素子の形状（パターン
の巾、長さ、厚み）などを決定する因子となる
固有抵抗や熱膨張係数が適当な値を有し、しか
もホーロ層との密着性や、加工性などに優れた
ものが選択される。これらの観点から、20℃に
おける固有抵抗が6060μΩ・cm、100℃におけ
る熱膨張係数が104×10^-7deg^-1のフエライト系
ステンレス鋼が適しているが、発熱体の応用機
器の基材の種類、形状、肉厚を勘案し、オース
テナイト系ステンレス、Fe−Cr−Al合金、Fe
−Cr合金、Ni−Cr合金、Ni−Cr−Al合金、
Fe−Cr−Ni−Al合金などで薄帯を得て、発熱
素子に用いることが可能である。 (3) 絶縁ホーロ層 本発明の発熱部の発熱素子１７を固定するガ
ラス層の電気絶縁性は特に重要である。本発明
では特に発熱素子を積層に構成するので電気絶
縁性の優れた低アルカリガラスが必要である。
第１表に本発明の目的を果すために必要なガラ
スの好ましい範囲と以下の実施例で用いる代表
的なガラス組成を示した。

【表】 本発明の応用例ではガラス被覆層に高絶縁性
が要求されるため、第２表に示すスリツプ組成
で行なつた。なお、第２表で、有機溶剤はベン
ジルアルコールの他に、イソホロン、ミクロヘ
キサノール、カルビトール等も用いることが可
能である。また、コロイド安定剤として有機溶
剤に可溶で、150〜350℃で酸化燃焼する増粘剤
を少量用いることが可能である。

【表】 (4) 突沸防止層の形成 (a) 基材の表面拡大化処理 第３図で、発熱部を形成した底部基板１２
の他の内面に突沸防止層１３を形成する前に
底部基板１２の前処理として、底部基板１２
の表面拡大化処理が必要である。この前処理
としてはサンドブラスト処理が最適である。
この時の表面粗度はタリサーフ表面粗度計で
Ra2〜20μｍが好ましく、特に５〜10μ程度が
最も好ましい範囲であつた。この範囲以下で
は密着性が得られず、かつこの範囲を越える
と逆に密着性が悪くなつたり、腐食試験が好
ましい結果が得られなくなるので、第３表に
示す範囲が本発明の目的にかなう。

【表】 (b) 突沸防止層の表面粗度 突沸防止層の役割は突沸の防止と突沸音の
防止である。液体が沸騰するとき、熱源と液
体との温度差が大である程、核沸騰や膜沸騰
を生じ、熱源部の伝熱輸送境界面で突沸現象
を生じ次のような欠点を生じる。(1)突沸音、
沸騰音を生じる。(2)伝熱輸送量が脈動化し、
熱源部が高温になる。(3)熱効率が低下する。
(4)断熱材が不経済となる。(5)軽量、コンパク
ト化が困難となる。等様々な障害が生じるこ
とになる。この解決策として、アルミニウム
のような熱の良導体で、耐食性に優れる材料
で、液体との熱交換面の表面積を大にすると
ともに、発生ガスを容易に熱交換面から逸散
させるために表面拡大化処理を施し、突沸防
止層を形成することが本発明の目的である。 この表面拡大化処理の表面粗度は前記第３
表のように、十点平均粗度Rzが25〜250μｍ
の範囲が好ましく、特に50〜150μｍの範囲
が最適であつた。Rzが25μｍ以下ではそれ程
効果がなく、逆ににRzが250μｍ以上になる
と表面積が逆に小となる傾向を示すので、突
沸防止の効果が少なく、したがつてRzは50
〜150μｍの範囲が最適であつた。この表面
粗度は単位面積当りのワツト密度と被加熱体
の粘性、比熱、沸点とも相関性があるが、
Rzが50〜150μｍ程度が実用域で最適であつ
た。 (c) 突沸防止層の材質 本発明で用いる容器の基材は前述したよう
に、ステンレス基材が好ましい。ステンレス
はFe、Cr、Ni、を基本元素として、用途に
より、微量のCo、Ti、Mn等を添加してい
る。 本発明の目的である突沸防止効果を果すた
めの突沸防止層用溶射材料はアルミニウム、
銅、鉄、ニツケル、ステンレス、鉄−クロム
合金、ニツケルクロム合金等の金属あるいは
合金またはAl₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂、
Cr₂O₃、MgO、CaO、BaO等の金属酸化物
あるいは複合酸化物が効果的であつた。これ
らの突沸防止層用溶射材料の中から、容器基
材との電気化学的な電位差、耐食性、熱膨張
係数、熱伝導率、コスト、生産性、突沸防止
効果等を充分勘案して材質を選定する必要が
ある。本発明者らの検討結果では、アルミニ
ウム、アルミニウム合金、ステンレス、
Al₂O₃・TiO₂等が既に市販されている溶器基
材と整合性が適当であつた。 (d) 突沸防止層の形成法とその厚み 突沸防止層の形成方法は、本発明ではメタ
リコン法、アーク法、プラズマ溶射法が適当
である。特に、突沸防止層の表面粗度を目的
用途に応じて任意に調整できる観点と密着強
度の観点からアーク溶射法とプラズマ溶射法
が特に効率的で、突沸防止効果が大きかつ
た。突沸防止層の厚みは前記第３表のよう
に、十点平均粗度Rzが25〜1000μｍの範囲が
好ましく、特に50〜400μｍの範囲が最適で
あつた。突沸防止層の多孔質層が薄いとあま
りその効果が得られず、逆に厚すぎると、多
孔質層が断熱層の働きをしたりして逆効果と
なることもわかつた。 具体的な実施例（ジヤーポツト） 前記第１表に示した低アルカリガラスで、高絶
縁性のガラスフリツトを用い、第２表に示すスリ
ツプ組成で、ボールミルでミル引きを２時間行な
い、スリツプを調整した。 第２図〜第４図に従つて、ジヤーポツトの実施
工程を説明する。まず前記のように、肉厚0.8mm
のSUS444基材で、円筒状の容器本体１１と底部
基板１２を作製する。この底部基板１２の発熱層
を設ける部分をまず、60メツシユのアルミナのグ
リツドを用いてブラスト処理を施し、その後、そ
の面に、第２表のスリツプを用いて、窒素雰囲気
中で830℃で７〜８分間、絶縁ホーロ層１６を底
部基板１２の片面に焼成固着させる。その後60μ
ｍ肉厚のSUS430ステンレス薄板を第４図のよう
に打ち抜いて得られた100Vで550Wの発熱素子１
７を、前記のスリツプを用いて絶縁ホーロ層１６
の上に配設し、そして外装被覆ホーロ層１８によ
り、窒素雰囲気中において840℃、７分間で発熱
素子１７を結合固着させる。このようにして発熱
部１４が完成するが、必要に応じて補助ヒータを
発熱素子１７の上に積層構造で構成することも可
能であり、本体側面に設置することも可能であ
る。 次に、突沸防止層１３の作成法を述べる。前記
発熱部１４の他の内面をアルミナ質ブラスト材を
用いて、表面粗度Raが５〜10μｍになるように表
面拡大化処理を施し、その後、62〜84μｍの粒度
を有する純アルミニウムをプラズマ溶射する。プ
ラズマ条件は42V、550Aで、アルゴン−ヘリウ
ムの混合ガス炎で、表面粗度Rzが125μｍになる
ように溶射した。溶射層の膜厚は約145μｍであ
る。 次に比較のため、突沸防止層としてAl₂O₃と８
％のTiO₂を含有したAl₂O₃・TiO₂の複合酸化物
からなる突沸防止層を形成する。Al₂O₃と
Al₂O₃・TiO₂の粒度は62〜84μｍからなり、プラ
ズマ条件は45V、630Aで、アルゴン−ヘリウム
の混合ガス炎で、表面粗度Rzが125μｍになるよ
うに溶射した。 このようにして、基材を構成する底部基板１２
の表面に発熱部１４と突沸防止層１３を設け、最
後に、円筒状の容器本体１１と底部基板１２の端
面１５で電気溶接を施して一体化し、ジヤーポツ
トの容器を完成する。 このようにして完成した３種類の本発明品
（550W）と前記従来品（700W）を比較するため、
25℃の水２を注入して、100℃に達するまでの
昇温試験を比較した。従来品は700Wで15分間要
したが、本発明品は550Wで16分間必要であつた。 次にエネルギー効率と突沸音を測定した。その
結果を第４表に示す。

【表】 すなわち、本発明品は従来よりも約６％エネル
ギー効率が向上し、理論エネルギー効率により近
似した値となつた。Al₂O₃、Al₂O₃・TiO₂のエネ
ルギー効率が少し低値を与えるのは熱伝導率の差
が出たものと考えられる。また突沸音の測定には
騒音計を用いた。従来品は45〜50℃から突沸音を
生じ、大きな核沸騰の気泡を生じ、沸騰点では70
〜82フオンの突沸音を生じた。しかるに本発明品
は60℃近くまで微小粒の気泡が底が見えない程多
く生じ、音はなく、60℃〜沸騰点まで30〜49フオ
ンのわずかな騒音しなかく、ほとんど気にならな
い程度である。 本発明品のその他の有利な点を列挙すると、(1)
省エネ率は約６％可能である。(2)断熱材を約1/2
に半減できる。(3)突沸音、沸騰音をほぼ解消でき
る。(4)突沸対策として、上部に沸騰対策部として
空間を３〜４cm設けているが、この空間を1/2〜
１／３に減少することが可能である。(5)突沸用空間
と断熱用空間部を減少できるので、容器空間を20
〜25％減少することが可能となる。また実用耐久
寿命を延ばすことも可能となる。 発明の効果 以上のように本発明によれば、液体を急速加熱
する場合に突沸による核沸騰や膜沸騰がなくなる
ため、従来品のような突沸音や沸騰音によるクレ
ームもなくなる。従つて、加熱時に微小粒の気泡
による対流拡散も効を奏しエネルギー効率が改善
され、単位面積当りのワツト密度を増加させるこ
とができるとともに、突沸防止のための空間を減
少させることができる。その結果、電気液体加熱
機器を従来より軽量コンバクトに設計でき、コス
ト的にも有利となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のジヤーポツトの縦断面図、第２
図は本発明の一実施例を示すジヤーポツトの縦断
面図、第３図は第２図のＡ部の拡大断面図、第４
図は本発明の一実施例に用いる面状発熱素子の平
面図である。 １１……容器本体、１２……底部基板、１３…
…突沸防止層、１４……発熱部、１６……絶縁ホ
ーロ層、１７……発熱素子、１８……外装被覆ホ
ーロ層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電気液体加熱機器の容器の熱交換部の内面
   に、表面拡大化処理による突沸防止層を形成した
   ことを特徴とする電気液体加熱機器。 ２ 突沸防止層としての表面拡大化処理は、十点
   平均粗度Rzが50〜150μの範囲である特許請求の
   範囲第１項記載の電気液体加熱機器。 ３ 突沸防止層の膜厚が50〜400μの範囲である
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の電気液
   体加熱機器。 ４ 突沸防止層はアルミニウム、銅、鉄、ニツケ
   ル、ステンレス、鉄・クロム合金、ニツケルクロ
   ム合金等の金属あるいは合金、またはAl₂O₃、
   TiO₂、SiO₂、ZrO₂、Cr₂O₃、MgO、CaO、BaO
   等の金属酸化物あるいは複合酸化物よりなる群よ
   り選ばれる少なくとも１種以上で形成してなる特
   許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の
   電気液体加熱機器。 ５ 突沸防止層はメタリコン、電気アーク、プラ
   ズマ溶射のいずれかの方法で溶射形成してなる特
   許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の
   電気液体加熱機器。 ６ 電気液体加熱機器の容器の基材の片面に、ホ
   ーロガラス質によつて被覆して結合した発熱素子
   で構成された加熱部を有し、かつこの加熱部の他
   の内面に突沸防止層を形成してなる特許請求の範
   囲第１項〜第５項のいずれかに記載の電気液体加
   熱機器。