JP4060364B2

JP4060364B2 - Electric heating device for amorphous metal alloys

Info

Publication number: JP4060364B2
Application number: JP50455298A
Authority: JP
Inventors: マノブ，ブラデイミル; アダル，エリーザー; ゲラー，マーク; ソルキネ，イブゲニ; マーゴリン，イオセフ
Original assignee: アドバンスド・ヒーテイング・テクノロジーズ・リミテツド
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: AU1071197A; JP2001517354A; WO1998027788A1

Description

技術分野
本発明は電気加熱要素及び装置に関する。本発明はなかでも、その加熱要素が大きい面積を有する非晶質金属合金から製造された薄いリボンであり、そして低い穏やかな温度で操作されるような装置に関する。
背景の技術
現在、電気加熱装置は結晶質構造及び、周囲との小さい接触面積を有する金属ワイヤから製造された加熱要素を使用している。必要な熱出力を周囲に伝達するために、これらの要素は高温、具体的には９００〜１５００℃で操作される。これは長時間これらの高温で運転可能な、従って高温で良好な抗腐食性を有する、比較的高価な加熱機を要する。高温加熱機に通常使用される加熱要素はＮｉＣｒ合金、Kanthal and Fechraloyで製造されている。約８００℃の範囲の比較的低温で使用されるその他の材料はマンガニン（Manganin）及びコンスタンタン（Constantan）を含む。
伝統的な加熱要素は高温に耐えることができるが高価である。更に高い操作温度のために、加熱装置の残りの部分が、そうでない場合に必要であるものより高価である。例えば必要な熱遮蔽体、加熱機の機械的支持体及びその他の必要な材料がすべてこれらの高温に耐えるために高い等級で高価である必要がある。
高い操作温度はまた望ましくない煙霧及び匂い、例えば空気中の有機塵粒子を燃焼することから生ずる匂い、を生成する。例えばベンゾピレンの形成は約１８０℃の温度で開始する。これらの匂いは、加熱機が閉鎖空間、例えば家庭用加熱のための空間で使用される時に特に不健康な効果を有する。これらの加熱機は環境に優しくなく、それらの広範な使用が環境経済的問題を生成する。
薄いリボンはそのより広い表面積のために加熱機として使用され、そして低温で操作されることができるが、残念なことに薄いリボン又はフォイルの製法は非常に高価で、基材上に保持された抵抗材料のエッチング又はワイヤの繰り返しのロール作業を伴う。生成されるフォイルは金属結晶質構造を採る。しかし最近、主として磁石の用途への使用のための薄い非晶質金属合金のリボンの製造に注目されてきた。非晶質のリボンは結晶質リボンを生成するよりもずっと安価である。通常非晶質リボンの製法は、例えばOhnoの米国特許第４，７８９，０２２号に詳述されたような一段階溶融紡糸法を伴う。
非晶質金属合金のリボンは磁石の用途に広範に使用されており、このような用途が可能であるという記述及び説明は存在するが、これらのリボンは現在、電気加熱機としては使用されていない。
例えばMoritoの特開昭６３−２６４２１２号、特開平２−１１２１９２号は、詳述されるような具体的な抵抗を有する非晶質合金の薄片から製造されたフォイル加熱機、該フォイル加熱機の製法及び使用される材料につき公表している。前記の目的は機械的強度、高い価格及び電気抵抗の安定性の問題を解決することであった。実際的な加熱装置の実施の詳細は提供されていない。
発明の公表
安価で、より健康的で、そして環境に優しい加熱装置を提供することが本発明の目的である。この目的は請求の範囲第１項に公表された電気加熱要素により、そして請求の範囲第１１項に公表された電気加熱装置により達成される。
本発明に従うと、その目的は、基本的には、非晶質金属合金のリボンから製造された電気加熱要素、並びにこれらの加熱要素を含む電気加熱装置により達成される。加熱要素は非晶質金属合金から製造されている。
繰り返しの機械的、電気的及び温度の負荷条件下における、長時間の、信頼性のある操作が可能な加熱装置を提供することが、本発明のもう１つの目的である。加熱要素は新規の構造物及び操作法を有する、すなわち新規の構造物は、周囲への良好な熱伝達、すなわち周囲に対するより低い熱抵抗を達成するために、長く、幅広いリボンにより形成された広い面積を含む。
加熱要素の面積及び従って熱抵抗は、低い操作温度、すなわち使用中の非晶質合金の脆化温度よりも十分低い温度の拘束下で、所望の熱出力に従って決定される。このように、大きな放射熱出力に対しても、新規の、低温の操作条件が達成される。更なる新規の特性は、加熱機がより短時間にその安定状態の温度に達する、早い加熱定数である。
加熱要素のリボンはV.Manov等により開発された方法、すなわち、より再生可能な特性を有する、より信頼性のある加熱要素を達成するために、早急な急冷の前に溶融（液体）合金を過熱すること、を使用して製造される。
好ましい態様において、加熱要素の構造は、ベンゾピレン又はその他の不健康な又は環境に好ましくない煙霧又はガスを発生しないように、操作温度を更に低く維持するようなものである。
加熱要素はより安価な合金、すなわち低温のみの酸化に耐えることができる合金を使用する。安価な装置を達成するために、電気加熱装置は更に安価な遮蔽体及び支持材料、すなわち低温でのみの使用を意図されている材料を使用する。
【図面の簡単な説明】
今度は、本発明を実施例によりそして付記の図面に関して説明され、そこで、
図１Ａは従来の当該技術分野の加熱コイル要素を表し、そして図１Ｂ〜１Ｄはこのようなコイルの従来の当該技術分野の使用の実例であり、図１Ｂはストーブのバーナーを示し、図１Ｃは空間加熱機を示し、そして図１Ｄはヒアドライヤーを示している。
図２Ａ〜２Ｃは本発明の説明的加熱要素を表し、図２Ａは部分破断遠近図であり、図２Ｂは同様な側面図であり、図２Ｃは上面図である。
図３は、図２Ａ〜２Ｃの加熱要素を使用している、本発明の原理に従って製造されたヘアドライヤーの部分破断遠近図である。
図４Ａ〜４Ｄは本発明の原理に従って構成された空間加熱機を表し、図４Ａは加熱機を含んでなる３個のモジュールの遠近図であり、図４Ｂは１個のモジュール上のリボン加熱要素の模様を示し、図４Ｃは図４Ｂの線４Ｃ−４Ｃを通る断面図であり、そして図４Ｄは隣接パネルの連接のためのラッチ機構を詳細に示している。
図５Ａ及び５Ｂは本発明の原理に従って構成された空間加熱機のもう１種類の形態を表し、図５Ａは部分破断遠近図であり、図５Ｂは図５Ａの５Ｂ−５Ｂ線に沿って採られた横断面図である。
図６Ａ及び６Ｂは本発明の原理に従って構成された空間加熱機の代替的形態の２種の比較図であり、図６Ａは部分破断遠近図であり、図６Ｂは図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線に沿った横断面図である。
図７Ａは本発明の原理に従って構成された水加熱要素８８の付いた従来の流しを表し、そして図７Ｂは該加熱要素の詳細図であり、そして
図８Ａ及び８Ｂは本発明の原理に従って構成された水加熱機要素の代替的形態の比較図である。
本発明の実施法
図１Ａはコイルに巻かれたニクロムのワイヤから製造された従来の当該技術分野の加熱要素１２を表している。ワイヤは結晶質構造を有し、これは徐々に固化される金属の通常の状態である。図１Ｂは加熱コイル１２及び１８を有するストーブのバーナーである。２本のコイルは電力を加熱コイルに提供するための電気接続体（図示されていない）の付いた、セラミック板１４に埋め込まれている。
図１Ｃは加熱の目的のための従来の当該技術分野の結晶質コイルのもう１種類の既知の用法を示している。空間加熱機はケース２２、２本の加熱コイル２４、２６、２基のレフレクター２３、２５及び電気スイッチ２７を含む。
図１Ｄは加熱の目的のための更にもう１種類の従来の当該技術分野の結晶質金属ワイヤのヘアドライヤーを示している。ケース３２及び取っ手３４は通常一体式のプラスチック成形片である。電力は線コード４８からスイッチ３８上の接点を通って、雲母の枠４０の周囲に巻かれているワイヤ４２に供給されている。高温に耐えなければならない枠は単にワイヤ加熱要素を支持するために働く。この加熱単位装置は雲母の遮蔽用スリーブ４４内に収納されている。加熱要素の後部のファン３６は、スイッチ３８を入れると、モーター（図示されていない）により回転される。従来のヘアドライヤーの価格の大部分は加熱要素４２に起因する。
残りの図は本発明に従う加熱要素としての非晶質リボンの使用を表している。本発明は、広い面積を有する非晶質金属合金で製造された薄いリボンである加熱要素を有し、そして低い穏やかな温度で操作される電気加熱装置の新規の構造及び操作を詳細に述べている。
図２Ａは本発明の原理に従って構成された加熱要素の部分破断遠近図であり、図２Ｂはこれも部分破断の加熱要素の側面図であり、そして図２Ｃは上面図である。加熱要素は単位装置５２として糊付け、張り合わせ又はその他の方法で結合された２枚の（この場合は円筒形の）プラスチックシートの間に設置された、非晶質金属合金のリボン５０からなる。図２Ａ〜２Ｃの加熱要素による使用に適するプラスチックはポリスチレン及びポリアミドである。概括用にリボンのケースになる材料は良好な熱伝導性及び低い電気伝導性をもたなければならない。示されるようにリボンの末端５０ａ、５０ｂは末端のラグに取り付けることができる。これらの加熱要素は非晶質金属合金から製造されている。
大部分の金属及び金属合金は結晶質形態を採る。しかし最近、主として磁石の用途へ使用のために、薄い非晶質金属合金のリボンの製造に注目されてきた。
非晶質リボンは非常に良好な機械的特性（例えば、硬度、柔軟性及び引っ張り強さ）を有し、それらは結晶質リボンよりもずっと製造するのに安価であり、そして作業がより容易である。
非晶質リボンの製法の１例はOhnoの米国特許第４，７８９，０２２号に公表されている。最もしばしば、非晶質リボンは一段階溶融紡糸法を使用して製造される。リボンは金属原子がそれら自体を結晶質構造に配列することができる前に、金属原子を「凍結（freeze）」するように、急冷される溶融体から形成される。非晶質リボンは広範な幅及び厚さに製造することができる。具体的な幅は１〜１００ｍｍであり、具体的な厚さは２０〜３５ミクロンである。このような非晶質リボンは、具体的にはそれらの抵抗率は結晶質リボンの抵抗率にまだ等しいか又はより高い、１．５Ｅ−６オーム＊ｍの範囲にあるが、２０Ｅ−６オーム＊ｍの高さまで達することができる電気抵抗率を有する。
非晶質の金属リボンのすべての活性にもかかわらず、これらの材料は加熱要素としては単に使用されてこなかった。これには２種類の理由、すなわち非晶質リボンの再生可能性及び低い許容操作温度、があると考えられる。
第１の理由は非晶質金属リボンの特性が、材料の特徴が、あるバッチから次のバッチに、そしてある１本のリボンの最初からその末端までですら、一定でないという意味において概括的に再生産可能でない点である。異なる抵抗率は異なる放散熱出力をもたらし、消費者の使用のための標準加熱機に許容可能でなく、更に加熱機の異なる部分が異なる温度に加熱される可能性があり、これは加熱機の破壊及び、従って加熱装置の信頼性を低下させる可能性がある。
我々の驚くべき発見は、長期間の操作にわたり、リボン材料の特徴に劣化が認められない点である。これは、非晶質金属材料は加熱要素として実際的に有用であると単に認識されていないので、あらゆる期待に反するものである。ある実験において、その非晶質金属リボンが１年にわたり１５０℃で操作され、開始時から終了時まで操作の特徴に絶対的に全く差異がなかった空間加熱機が構成された。
本発明は再生可能な特徴をもつ非晶質リボンを達成するためにManovの過熱法の使用を提唱する。Materials Science and Engineering,A133(1991),535-540中に刊行された、“The Influence of quenching temperature on the structure and properties fo amorphous alloys（非晶質合金の構造及び特性に対する急冷温度の影響）”と題する、Manov等による論文において、より再生可能な特性をもつ、より信頼性のある加熱要素を達成するために、急冷の前に溶融（液体）合金を正確な温度まで過熱する、「過熱」法が公表された。
前記のManov等の論文は溶融液の過熱法及びそれにより形成されたリボンの幾つかの生成された特性、すなわちより高い、より安定な抵抗率につき詳述しているが、これらの特性は電気加熱機には価値がない。従って電気加熱機の製造のこの方法のどんな応用についても論文には言及されていない。
しかし、マノバ（Manov）法は、それが更に、新規の異なる構造並びに、容量中及び表面上の両者において有意に、より均一な組成分布、を有するリボンを達成している点において、更なる利点を有する。これはリボンの局所的な微細な損傷をより少なくする。これらの微細損傷は、その亀裂が最終的に加熱要素の破損をもたらす、電流がリボンを通過する時の亀裂の生長の主因である。従って、リボンは、それらから製造された加熱要素が長期間の操作が可能であるという意味において、より信頼性がある。加熱要素のためのリボンのマノバの製造法の使用を正当付ける、これまで公表されなかったものは、これらの所見である。
従って、マノバ法の使用は、非晶質金属合金から製造された加熱機とともに、本発明で使用される新規な方法であり、加熱要素としてこれらの合金の広範な実際的使用を妨げた、長時間感じられていた問題を解決する。
非晶質合金が加熱要素として使用されなかった第２の理由は、低い許容操作温度である。加熱要素の必要な抵抗は容易に決定される。電力入力は要素の抵抗で割った、加熱要素全体の電圧の平方に等しい。全ラインの電圧が通常加熱要素に適用され、所望の電力は既知なので（適用できる最大電流により制限される）、必要な抵抗を計算することができる。当該技術分野で既知の加熱機は９００〜１５００℃の間の高温で操作され、小型の加熱機が大量の熱を提供し、それを周囲に伝達することができるので小型の利点を与える。
しかし、本発明の加熱機は、約５０〜３００℃、好ましくは５０〜２００℃の範囲のずっと低温で操作されるように設計されている。その低い操作温度は幾つかの考慮点に従って決定され、非晶質合金のリボンは約２５０〜３００℃（「脆化」温度）で脆化し、僅かに高い温度、約３５０〜４００℃で結晶質になる。従って温度はこれらの値より下に維持しなければならない。更に本発明によると、加熱要素の構造は、ベンゾピレン又はその他の不健康なもしくは環境学的に好ましくない煙霧もしくはガスを発生しないように、操作温度を更に低く維持するようなものである。
本発明に従うと、加熱要素は新規の構造及び操作を有する、すなわち新規の構造は周囲に対する良好な熱伝達、すなわち周囲に対するより低い熱抵抗、を達成するために、長く幅広いリボンにより形成された広い面積を含む。
加熱要素の面積及び従って熱抵抗は、低い操作温度、すなわち前記に詳述された使用における非晶質合金の脆化温度より十分に低い温度の拘束下における、所望の熱出力に従って決定される。
従って、伝達される熱量は温度差に比例するので、より低い操作温度は、周囲へのより少ない熱伝達をもたらし、それを補いそして所望の全熱出力の良好な伝達を達成するために面積の大きい加熱要素が使用される。
熱伝達性能に関しては、非晶質リボンの加熱要素は、ずっと大きな熱伝達面積のために、結晶質ワイヤの加熱要素よりもずっと有効である。同様な安定状態の加熱要素の温度に対して、その質量が同等のワイヤによるより、ずっと大量の熱がリボンにより周囲の空気に伝達される。質量はそれが直接価格に影響するので、非常に重要な考慮点である。結晶質リボンがワイヤに置き換えられると、熱伝達の特徴は、結晶質リボンの、より大きい面積のために、より匹敵するものになるであろう。しかし、結晶質リボンは相当する非晶質リボンよりもずっと高価である。
加熱要素の抵抗は、所望の電力及び適用電圧から当該技術分野で周知の方法を使用して計算される。
「熱抵抗」とは、物質又は、本体と外界との間の熱伝達性を定義するために当該技術分野で使用される術語であり、それは熱出力１ワットの流量によりもたらされる温度差として定義される。より低い熱抵抗は加熱要素の面積を増加させることにより達成される。従って、加熱要素の面積の増加は、加熱要素をより低い温度に維持しながら、周囲に所望の熱出力を伝達させる能力をもたらす。
電気抵抗はワイヤ又はリボンの長さに比例し、その横断面積に反比例することは周知である。従って、一定の厚さのリボンに対して、短く狭いリボン、又は幅広く長いリボンのどちらかを使用することによっても同じ電気抵抗を達成することができる。
加熱要素に使用のための当該技術分野で知られたリボンは、薄い短いリボンを使用している、例えば特開平２−１１２１９２号は１０ｍｍ幅のリボンにつき繰り返し述べており、２００ｍｍ幅のリボンの本発明の使用は、同様な抵抗を達成するのに２０倍の長さの必要な増加により、２０倍の幅の増加をもたらし、従って面積は４００倍に増加し、周囲に対する熱抵抗を著しく減少させ、そして操作温度を約４００倍減少させる。これは、本発明に従う非常に高い電力又は非常に低い操作温度に対して使用することができる極めて幅広い要素の具体例であり、要素の幅のより実際的な値は約３０ｍｍないし１００ｍｍである。しかし、具体例は本発明の新規のアプローチの著しい柔軟性を示す役にたち、そこでは加熱機の面積の正確な調節が操作温度を決定し、それを本明細書に詳述されたような幾つかの態様から有益な低い設定させる。
従って、大きい放散熱出力に対してすら低温の新規の操作条件が達成される。追加的な新規の特性及び利点は、早急な加熱定数が達成され、すなわち、加熱機がより短時間にその安定状態に到達することである。これは室内がより早急に加熱されるので使用者にとって好都合にあり、これはより低い電力消費をもたらし、そして更に、非晶質合金の制約のために許容されない加熱機内の高い温度のために、機械的ストレスが少ないので、加熱後の信頼度を増加させる。
材料の温度が高いほど、その材料が酸化感受性が高くなることは当該技術分野で周知である。実際的な使用において、酸化は錆びの形成及び加熱要素の劣化をもたらす。高温における操作を可能にするために、加熱要素を、高温での酸化に耐えることができる高価な金属で製造しなければならない。
しかし、本発明に記載の加熱機の構造及び操作においては、加熱要素が低温においてのみ操作されるので、加熱要素が低価格の合金、すなわち低温でのみ酸化に耐えることができる合金を使用している。従って、全体の電気加熱装置は、それが更に低価格の遮蔽体及び支持材料、すなわち低温においてのみ使用されることを意図された材料を使用するので、製造するのにより安価である。
本発明の加熱機のリボンの支持構造物はテフロン、シリコーン、ゴム、ＲＴＶ、カプトン等の材料から製造することができる。加熱要素としての非晶質リボンの操作の信頼度を増加させるために、リボンが、加熱要素の操作期間に、あらゆる理由により出現する可能性のある亀裂の生長を制御する条件により決定される、オリフィスのサイズ、位置及び量を有する孔あき形態に製造されているような、本態様の一変形が提供されている。孔は、あらゆる亀裂の直線状の生長が短い距離の生長後に、孔に交わりそこで停止するであろうような大きさ及び位置を有する。
本発明の最良の実施のためには、加熱要素のリボンは１００ミクロンより厚くてはならない。しかし多数の場合に、支持体を要しない程度に厚くすることができる（１００ミクロン未満でありながら）。すべての場合にリボンの厚さはできるだけ均一でなければならない。
好ましい合金は６５〜８８モルパーセントの範囲の鉄、ニッケル及びコバルトのうちの１種類以上、１２〜２８モルパーセントの範囲のホウ素、ケイ素及びリンのうちの１種類以上並びに、０〜１１モルパーセントの範囲のクロムを含む。このような合金に対して、リボンの厚さは好ましくは４５ミクロン未満である。本発明に使用された合金は１Ｅ−６ないし１Ｅ−５オーム＊ｍの範囲、そして好ましくは１−５＊Ｅ６オーム＊ｍの範囲の電気抵抗率を有する。
以下は、本発明に記載の加熱要素を製造するために使用することができる当該技術分野で知られた非晶質合金のリストである、
Ｆｅ₈₀Ｂ₂₀
Ｆｅ₄₀Ｎｉ₄₀Ｂ₁₅Ｃ₁Ｓｉ₄
Ｎｉ₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅
Ｆｅ₈₅Ｂ₁₅
Ｆｅ₇₆Ｂ₂₄
Ｆｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄
Ｆｅ₇₄Ｃｏ_2.5Ｃｒ_7.5Ｂ₁₆
Ｔｉ_48.5Ｃｕ₄₅Ｎｉ₅Ｓｉ_1.5
Ａｌ₆₅Ｃｏ₁₀Ｇｅ₂₅。
図２Ａ〜２Ｃの加熱要素に対する１種類の用法は図３のヘアドライヤーに示されている。ケース５６及び取っ手５８はラインコード６６からの電流の流れを調節する，取っ手に電力スイッチ６２の付いた、一体式成形片を含んでなる。スイッチ６２は加熱リボン及び、ファン６０を駆動させるモーターの両者を調節する。加熱要素はケース５６中に収納されている。図１Ｄの従来の当該技術分野のヘアドライヤーにおけるような高温の雲母支持体又は高温の遮蔽体は必要でない。従来の当該技術分野のものと新規のヘアドライヤーを比較するために、加熱要素のみを置き換えた。従来の当該技術分野のドライヤーは長さ４８６ｃｍで直径０．４ｍｍの結晶質カンタル（Kanthal）ワイヤーで製造された加熱要素を使用した。装置は約６００℃のワイヤー温度で、９２０ワットで操作された。
新規の加熱機はＦｅ₈₀Ｂ₂₀の材料で製造され、これも９２０ワットで操作された。リボンの厚さは２０ミクロンで、その幅は５ｍｍで、その長さは３８８ｃｍであった。リボンの加熱要素の操作温度は、市販のヘアドライヤーの加熱要素の操作温度の１／６の、１００℃と測定された。使用された非晶質リボンの価格は市販の製品に使用されたワイヤーの価格の約１／２であった。より低い操作温度のために、高価な高温用遮蔽材料を使用する必要がないので、装置の全体の価格を更に減少させることが可能であることが理解されるであろう。
図４Ａの空間加熱機は複数のモジュール６４からなる。加熱リボン７０の模様は図４Ｂに最も明白に示されている。リボンは両端７０ａ、７０ｂで終結している。中間のモジュールの１枚だけが図４Ａに示されている。
一番左側のモジュールは図示されたようにラインコードのみならず、当該技術分野で知られたような加熱機に配送される電力を調節するための調節つまみ７２を含む。幾つかのモジュール又はパネルを相互に連結するために、それらには図４Ｄに最も明白に示されるようなフック６６が付いている。ボタン６８を押すと、フックが隣接モジュールのノッチ（図示されていない）中にそれらを挿入させるように分離し、ボタンを離すと、フックが対応するピン（図示されていない）をつかみ、それにより連結が固定される。その他の類似の連結手段を使用することができる。
図４Ｃはパネルの横断面を示している。加熱パネルの後部はカバー７６からなり、リボン７０は、カバーが遮蔽材料でできている場合はカバー７６に取り付けることができる。モジュールの正面はシリコーン糊７４の層でリボンに固定されたアルミナムカバー７３からなる。図４Ａ〜４Ｄに示された種類で、しかし唯一枚のパネルを有する加熱機がＦｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄の材料の非晶質合金を使用して製造された。リボンは２０ミクロンの厚さ、１ｃｍの幅、及び１０．１５ｍの長さを有した。それは０．３ｍ²の面積を有するアルミナム板に取り付けられた。約５００ワットの電力で操作する時、加熱要素の温度は１５０℃のみであった。
図５Ａ及び５Ｂは、非晶質金属のリボンが支持体により支持されていない空間加熱機を表している。加熱機は基底部８４、穴８１ａを有する上部カバー８１、及び、加熱要素を囲むが基底部にノッチ７８ａを含む放熱ケース７８からなる。ノッチ７８ａ及び穴８１ａは空気を上方に流動させ、それにより対流により熱を運搬する。
加熱要素は、その周囲に長い非晶質リボン８０が巻かれている垂直に配向された遮蔽用ロッド７９を含んでなる。リボン８０は好ましくはシリコーン糊によりロッドに固定されている。基底部は通常のデザインの、調節用ノブ８２及びラインコードのソケット８３を含む。
リボン８０はＦｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄の材料から構成され、２０ミクロンの厚さ、２ｃｍの幅及び８ｍの長さを有した。約１３００ワットの電力で操作される時、リボン表面の温度は１３０℃を越えなかった。この加熱機及び直前に考察された５００ワットの加熱機は１，０００時間を越えて操作された。それぞれの場合に、非晶質リボンをＸ線回折により検査して、リボンの構造に変化は認められなかった。
図６Ａ及び６Ｂの空間加熱機は１種類の主要な差を除いて図５Ａ及び５Ｂのものと同様である。この塔型の加熱機は、孔８１ａの付いたカバー８１、放熱カバー７８並びに、ノブ８２及びプラグのソケット８３の付いた基底部８４を含む。しかし、空間加熱機のために使用された加熱要素は図３のヘアドライヤーに使用されたものよりも大きいであろうが、遮蔽用ロッドの周囲に巻かれる非晶質金属リボンの代わりに、ここでは図２Ａ〜２Ｃに示された種類の加熱要素が使用されている。中央のブロック８５で終結するリボンの両端５０ａ、５０ｂの付いた、一枚のプラスチックシート８３上に支持されたリボン５０が図６Ｂに示されている。
図７Ａは図７Ｂに詳細に示された、加熱要素８８により置き換えられる熱水管の部分の付いた通常の流し８７中の水を加熱するための本発明の使用法を表している。
加熱要素はそれを通って基底部から冷水が流入し、熱水が上部から流出する銅管８９、ケイ素遮蔽体の約０．３ｍｍ厚さの層５２、層５２に糊付けされたプラスチック担体９１上に固定されたリボン層５０及び約２．４ｍｍ厚さの鉱物の熱遮蔽体９０からなる。本発明の一態様においては、水の流量は２ｋｇ／分で、水の流入温度は１０〜２０℃で、そして管の上部の流出温度は９６〜９８℃であった。管８９は８ｍｍの内径、１０ｍｍの外径及び０．５ｍの長さを有した。３本のリボンが平行に連結されて管の周囲に巻かれていた。
各リボンは全質量１４．５グラムに対して、２５ミクロンの厚さで、１ｃｍの幅、そして３ｍの長さであった。リボンの材料はＦｅ₇₈Ｂ₁₈Ｓｉ₄であった。全電力は１１キロワットであった。リボンの測定温度は１８０℃であった。熱水加熱機は問題なく２００時間操作された。
図８Ａ及び８Ｂは図７Ａ及び７Ｂと同様で、水が通常の管を流動する時に水を加熱するための代替的機構を表している。加熱要素張り合わせ物９４が図８Ｂに示され、図２Ａ〜２Ｃに示された種類のものである。加熱要素９４は管８９の内側に設置され、水は図８Ａの矢印９５により示されるようにその中を流動する。ここで加熱要素は水を直接加熱する。
本発明は具体的な態様につき説明されてきたが、これらの態様は本発明の原理の応用を単に具体的に示すものであることを理解しなければならない。本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その中で多数の変更を実施することができそしてその他の配列を工夫することができる。Technical field
The present invention relates to an electrical heating element and apparatus. The present invention relates to an apparatus in which the heating element is a thin ribbon made from an amorphous metal alloy having a large area and is operated at a low and moderate temperature.
Background technology
Currently, electrical heating devices use heating elements made from a metal wire having a crystalline structure and a small contact area with the surroundings. In order to transfer the necessary heat output to the surroundings, these elements are operated at high temperatures, specifically 900-1500 ° C. This requires a relatively expensive heater that can be operated at these high temperatures for extended periods of time and thus has good anti-corrosion properties at high temperatures. The heating elements commonly used in high temperature heaters are manufactured from NiCr alloy, Kanthal and Fechraloy. Other materials used at relatively low temperatures in the range of about 800 ° C. include Manganin and Constantan.
Traditional heating elements can withstand high temperatures but are expensive. Due to the higher operating temperature, the rest of the heating device is more expensive than would otherwise be necessary. For example, the necessary heat shields, heater mechanical supports and other necessary materials must all be high grade and expensive to withstand these high temperatures.
High operating temperatures also produce undesirable fumes and odors, such as those resulting from burning organic dust particles in the air. For example, the formation of benzopyrene begins at a temperature of about 180 ° C. These odors have a particularly unhealthy effect when the heater is used in a closed space, for example a space for domestic heating. These heaters are not environmentally friendly and their extensive use creates environmental economic problems.
Thin ribbons are used as heaters because of their larger surface area and can be operated at low temperatures, but unfortunately the thin ribbon or foil process is very expensive and retained on the substrate It involves the etching of resistive materials or the repeated rolling of wires. The resulting foil takes a metal crystalline structure. Recently, however, attention has been focused on the manufacture of thin amorphous metal alloy ribbons primarily for use in magnet applications. Amorphous ribbons are much cheaper than producing crystalline ribbons. The process for making amorphous ribbons usually involves a one-step melt spinning process, for example as detailed in Ohno US Pat. No. 4,789,022.
Although amorphous metal alloy ribbons are widely used in magnet applications and there are descriptions and explanations that such applications are possible, these ribbons are currently used as electric heaters. Absent.
For example, Morito, JP 63-264212, JP 2-112192, describes a foil heater manufactured from a thin piece of amorphous alloy having a specific resistance as described in detail. The manufacturing method and materials used are publicly disclosed. The aim was to solve the problems of mechanical strength, high price and stability of electrical resistance. No practical heating device implementation details are provided.
Publication of invention
It is an object of the present invention to provide an inexpensive, healthier and environmentally friendly heating device. This object is achieved by the electric heating element published in claim 1 and by the electric heating device published in claim 11.
According to the present invention, the object is basically achieved by an electric heating element made from amorphous metal alloy ribbon and an electric heating device comprising these heating elements. The heating element is made from an amorphous metal alloy.
It is another object of the present invention to provide a heating device that is capable of long-term, reliable operation under repeated mechanical, electrical and temperature loading conditions. The heating element has a new structure and method of operation, i.e. the new structure is wide and formed by a long and wide ribbon to achieve good heat transfer to the surroundings, i.e. lower thermal resistance to the surroundings. Includes area.
The area of the heating element and thus the thermal resistance is determined according to the desired heat output under the constraint of a low operating temperature, ie a temperature well below the embrittlement temperature of the amorphous alloy in use. Thus, new, low temperature operating conditions are achieved even for large radiant heat output. A further novel property is the fast heating constant at which the heater reaches its steady state temperature in a shorter time.
The ribbon of the heating element is a method developed by V. Manov et al., In order to achieve a more reliable heating element with more reproducible properties, the molten (liquid) alloy is used before rapid quenching. Manufactured using overheating.
In a preferred embodiment, the structure of the heating element is such that the operating temperature is kept lower so as not to generate benzopyrene or other unhealthy or environmentally undesirable fumes or gases.
The heating element uses a less expensive alloy, ie an alloy that can withstand oxidation only at low temperatures. In order to achieve an inexpensive device, the electric heating device uses a more inexpensive shield and support material, ie a material that is intended for use only at low temperatures.
[Brief description of the drawings]
The invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1A represents a conventional art heating coil element, and FIGS. 1B-1D are illustrations of the prior art use of such a coil, FIG. 1B shows a stove burner, and FIG. A space heater is shown, and FIG. 1D shows a hair dryer.
2A-2C represent an illustrative heating element of the present invention, FIG. 2A is a partially broken perspective view, FIG. 2B is a similar side view, and FIG. 2C is a top view.
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of a hair dryer made according to the principles of the present invention using the heating elements of FIGS.
4A-4D represent a space heater constructed in accordance with the principles of the present invention, FIG. 4A is a perspective view of three modules comprising the heater, and FIG. 4B is a ribbon heating element on one module. 4C is a cross-sectional view through line 4C-4C in FIG. 4B, and FIG. 4D shows in detail the latch mechanism for connecting adjacent panels.
5A and 5B represent another form of space heater constructed in accordance with the principles of the present invention, FIG. 5A is a partially broken perspective view, and FIG. 5B is taken along line 5B-5B in FIG. 5A. FIG.
6A and 6B are two comparative views of alternative forms of space heaters constructed in accordance with the principles of the present invention, FIG. 6A is a partially broken perspective view, and FIG. 6B is taken along line 6B-6B in FIG. 6A. FIG.
FIG. 7A represents a conventional sink with a water heating element 88 constructed in accordance with the principles of the present invention, and FIG. 7B is a detailed view of the heating element;
8A and 8B are comparative views of alternative forms of water heater elements constructed in accordance with the principles of the present invention.
Implementation of the invention
FIG. 1A represents a conventional art heating element 12 made from nichrome wire wound in a coil. The wire has a crystalline structure, which is the normal state of a metal that is gradually solidified. FIG. 1B is a stove burner with heating coils 12 and 18. The two coils are embedded in a ceramic plate 14 with an electrical connection (not shown) for providing power to the heating coil.
FIG. 1C shows another known use of a prior art crystalline coil for heating purposes. The space heater includes a case 22, two heating coils 24 and 26, two reflectors 23 and 25, and an electric switch 27.
FIG. 1D shows yet another prior art crystalline metal wire hair dryer for heating purposes. The case 32 and the handle 34 are usually integral plastic molded pieces. Power is supplied from the wire cord 48 through the contacts on the switch 38 to the wire 42 wound around the mica frame 40. A frame that must withstand high temperatures serves only to support the wire heating element. This heating unit is housed in a mica shielding sleeve 44. The fan 36 at the rear of the heating element is rotated by a motor (not shown) when the switch 38 is turned on. Most of the price of conventional hair dryers is due to the heating element 42.
The remaining figures represent the use of an amorphous ribbon as a heating element according to the present invention. The present invention details a novel structure and operation of an electrical heating device having a heating element that is a thin ribbon made of an amorphous metal alloy having a large area and operated at a low and moderate temperature. Yes.
2A is a partially broken perspective view of a heating element constructed in accordance with the principles of the present invention, FIG. 2B is a side view of a partially broken heating element, and FIG. 2C is a top view. The heating element consists of an amorphous metal alloy ribbon 50 placed between two (in this case cylindrical) plastic sheets glued, laminated or otherwise joined as a unit device 52. Suitable plastics for use with the heating elements of FIGS. 2A-2C are polystyrene and polyamide. The material that forms the ribbon case for generalization must have good thermal conductivity and low electrical conductivity. As shown, the ribbon ends 50a, 50b can be attached to the end lugs. These heating elements are made from an amorphous metal alloy.
Most metals and metal alloys take a crystalline form. Recently, however, attention has been focused on the production of ribbons of thin amorphous metal alloys, primarily for use in magnet applications.
Amorphous ribbons have very good mechanical properties (eg hardness, flexibility and tensile strength), they are much cheaper to manufacture than crystalline ribbons and are easier to work with is there.
An example of a process for making amorphous ribbons is published in Ohno US Pat. No. 4,789,022. Most often, amorphous ribbons are produced using a single stage melt spinning process. The ribbon is formed from a melt that is quenched to “freeze” the metal atoms before they can be arranged into a crystalline structure. Amorphous ribbons can be made in a wide range of widths and thicknesses. The specific width is 1 to 100 mm, and the specific thickness is 20 to 35 microns. Such amorphous ribbons specifically have a resistivity in the range of 1.5E-6 ohm * m, which is still equal to or higher than that of crystalline ribbons, but 20E-6 ohms * Has electrical resistivity that can reach the height of m.
Despite all the activity of amorphous metal ribbons, these materials have not simply been used as heating elements. There are considered to be two reasons for this: the reproducibility of the amorphous ribbon and the low allowable operating temperature.
The first reason is that the characteristics of amorphous metal ribbons are generally in the sense that the material characteristics are not constant from one batch to the next and even from the beginning of one ribbon to its end. It is not possible to reproduce. Different resistivity results in different dissipated heat output, which is unacceptable for a standard heater for consumer use, and that different parts of the heater may be heated to different temperatures, which There is a possibility of breaking and thus reducing the reliability of the heating device.
Our surprising discovery is that there is no degradation in the characteristics of the ribbon material over a long period of operation. This goes against all expectations because amorphous metal materials are not simply recognized as practically useful as heating elements. In one experiment, a space heater was constructed in which the amorphous metal ribbon was operated at 150 ° C. for a year and there was absolutely no difference in operating characteristics from start to finish.
The present invention proposes the use of Manov's superheating method to achieve amorphous ribbons with reproducible characteristics. “The Influence of quenching temperature on the structure and properties fo amorphous alloys” published in Materials Science and Engineering, A133 (1991), 535-540 In the article by Manov et al., The “superheat” method in which the molten (liquid) alloy is heated to the correct temperature before quenching in order to achieve a more reliable heating element with more reproducible properties Has been announced.
The aforementioned Manov et al. Paper details some of the generated properties of the melt superheating method and the ribbons formed thereby, i.e. higher and more stable resistivity. The heater is not worth it. The article therefore does not mention any application of this method of manufacturing an electric heater.
However, the Manov method further has the advantage that it achieves a new and different structure and a ribbon with a significantly more uniform composition distribution both in volume and on the surface. Have This results in less local fine damage to the ribbon. These micro-damages are a major cause of crack growth as current passes through the ribbon, where the crack ultimately results in failure of the heating element. Ribbons are therefore more reliable in the sense that the heating elements produced from them can be operated for a long time. It is these findings that have not been published so far that justify the use of the ribbon manova manufacturing method for heating elements.
Therefore, the use of the Manova method is a novel method used in the present invention, along with heaters made from amorphous metal alloys, which has prevented widespread practical use of these alloys as heating elements. Resolve problems that were felt by time.
A second reason that amorphous alloys have not been used as heating elements is the low allowable operating temperature. The required resistance of the heating element is easily determined. The power input is equal to the square of the voltage across the heating element divided by the resistance of the element. Since the voltage of the entire line is usually applied to the heating element and the desired power is known (limited by the maximum current that can be applied), the required resistance can be calculated. Heaters known in the art operate at high temperatures between 900-1500 ° C., providing a small advantage because a small heater can provide a large amount of heat and transfer it to the surroundings.
However, the heater of the present invention is designed to operate at much lower temperatures in the range of about 50-300 ° C, preferably 50-200 ° C. Its low operating temperature is determined according to several considerations: amorphous alloy ribbons become brittle at about 250-300 ° C. (“embrittlement” temperature), crystalline at slightly higher temperatures, about 350-400 ° C. become. The temperature must therefore be maintained below these values. Further in accordance with the present invention, the structure of the heating element is such that the operating temperature is kept lower so as not to generate benzopyrene or other unhealthy or environmentally undesirable fumes or gases.
According to the present invention, the heating element has a new structure and operation, i.e. the new structure is formed by a long and wide ribbon to achieve good heat transfer to the surroundings, i.e. lower thermal resistance to the surroundings. Includes area.
The area of the heating element and thus the thermal resistance is determined according to the desired heat output under the constraint of a low operating temperature, i.e. a temperature well below the embrittlement temperature of the amorphous alloy in the use detailed above.
Thus, since the amount of heat transferred is proportional to the temperature difference, a lower operating temperature will result in less heat transfer to the surroundings to make up for it and to achieve good transfer of the desired total heat output. Large heating elements are used.
With respect to heat transfer performance, the amorphous ribbon heating element is much more effective than the crystalline wire heating element due to the much larger heat transfer area. For similar steady state heating element temperatures, much more heat is transferred to the surrounding air by the ribbon than by wires of equal mass. Mass is a very important consideration because it directly affects the price. When the crystalline ribbon is replaced with a wire, the heat transfer characteristics will be more comparable due to the larger area of the crystalline ribbon. However, crystalline ribbons are much more expensive than the corresponding amorphous ribbons.
The resistance of the heating element is calculated from the desired power and applied voltage using methods well known in the art.
“Thermal resistance” is a term used in the art to define the heat transfer between a substance or the body and the outside world, which is defined as the temperature difference caused by a flow of 1 watt of thermal output Is done. Lower thermal resistance is achieved by increasing the area of the heating element. Thus, increasing the area of the heating element provides the ability to transfer the desired heat output to the surroundings while maintaining the heating element at a lower temperature.
It is well known that electrical resistance is proportional to the length of a wire or ribbon and inversely proportional to its cross-sectional area. Thus, the same electrical resistance can be achieved by using either a short narrow ribbon or a wide long ribbon for a constant thickness ribbon.
Ribbons known in the art for use in heating elements use thin short ribbons, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-112192 repeatedly describes a 10 mm wide ribbon, and a 200 mm wide ribbon book. The use of the invention results in a 20-fold increase in width, with the necessary increase of 20 times the length to achieve a similar resistance, thus increasing the area by a factor of 400 and significantly reducing the thermal resistance to the surroundings. And reduce the operating temperature by about 400 times. This is an example of a very wide range of elements that can be used for very high power or very low operating temperatures according to the present invention, with a more practical value of element width being about 30 mm to 100 mm. However, the example serves to show the significant flexibility of the novel approach of the present invention, where precise adjustment of the heater area determines the operating temperature, as detailed herein. From some aspects, a low setting is beneficial.
Thus, new operating conditions are achieved, even at low temperatures, even for large dissipated heat outputs. An additional novel property and advantage is that a rapid heating constant is achieved, i.e. the heater reaches its stable state in a shorter time. This is advantageous for the user as the room is heated more quickly, which results in lower power consumption and, furthermore, due to the high temperature in the heater that is not allowed due to the limitations of amorphous alloys, Since there is little mechanical stress, the reliability after heating is increased.
It is well known in the art that the higher the temperature of a material, the more sensitive the material is to oxidation. In practical use, oxidation results in rust formation and heating element degradation. In order to be able to operate at high temperatures, the heating elements must be made of expensive metals that can withstand oxidation at high temperatures.
However, in the structure and operation of the heater according to the present invention, since the heating element is operated only at low temperatures, the heating element is used with a low-cost alloy, that is, an alloy that can withstand oxidation only at low temperatures. Yes. Thus, the entire electric heating device is cheaper to manufacture because it uses a lower cost shield and support material, ie a material intended to be used only at low temperatures.
The ribbon support structure of the heater of the present invention can be manufactured from materials such as Teflon, silicone, rubber, RTV, and Kapton. In order to increase the reliability of operation of the amorphous ribbon as a heating element, the ribbon is determined by conditions that control the growth of cracks that may appear for any reason during the operation period of the heating element. A variation of this embodiment is provided, such as being manufactured in a perforated form having an orifice size, position and quantity. The holes are sized and positioned so that the linear growth of any crack will meet and stop at the holes after a short distance of growth.
For best practice of the invention, the ribbon of the heating element should not be thicker than 100 microns. However, in many cases, it can be made so thick that it does not require a support (although it is less than 100 microns). In all cases the ribbon thickness should be as uniform as possible.
Preferred alloys are one or more of iron, nickel and cobalt in the range of 65 to 88 mole percent, one or more of boron, silicon and phosphorus in the range of 12 to 28 mole percent, and 0 to 11 mole percent. Includes a range of chrome. For such alloys, the ribbon thickness is preferably less than 45 microns. The alloys used in the present invention have an electrical resistivity in the range of 1E-6 to 1E-5 ohm * m, and preferably in the range of 1-5 * E6 ohm * m.
The following is a list of amorphous alloys known in the art that can be used to produce the heating elements described in the present invention:
Fe₈₀B₂₀
Fe₄₀Ni₄₀B₁₅C₁Si_Four
Ni₇₀Si₁₅B₁₅
Fe₈₅B₁₅
Fe₇₆B_{twenty four}
Fe₇₈B₁₈Si_Four
Fe₇₄Co_2.5Cr_7.5B₁₆
Ti_48.5Cu₄₅Ni_FiveSi_1.5
Al₆₅Co_TenGe_{twenty five}.
One type of usage for the heating elements of FIGS. 2A-2C is illustrated in the hair dryer of FIG. Case 56 and handle 58 comprise a single piece with a power switch 62 on the handle that regulates the flow of current from line cord 66. Switch 62 adjusts both the heating ribbon and the motor that drives fan 60. The heating element is housed in the case 56. A hot mica support or hot shield as in the prior art hair dryer of FIG. 1D is not necessary. In order to compare a conventional hair dryer with a conventional one in the art, only the heating element was replaced. Prior art dryers used heating elements made of crystalline Kanthal wire 486 cm long and 0.4 mm in diameter. The apparatus was operated at 920 Watts with a wire temperature of about 600 ° C.
The new heater is Fe₈₀B₂₀And was also operated at 920 watts. The ribbon thickness was 20 microns, its width was 5 mm, and its length was 388 cm. The operating temperature of the heating element of the ribbon was measured as 100 ° C., 1/6 of the operating temperature of the heating element of a commercial hair dryer. The price of the amorphous ribbon used was about 1/2 that of the wire used in the commercial product. It will be appreciated that because of the lower operating temperature, it is not necessary to use expensive high temperature shielding materials, so that the overall price of the device can be further reduced.
The space heater of FIG. 4A includes a plurality of modules 64. The pattern of the heating ribbon 70 is most clearly shown in FIG. 4B. The ribbon ends at both ends 70a, 70b. Only one of the intermediate modules is shown in FIG. 4A.
The leftmost module includes an adjustment knob 72 for adjusting the power delivered to the heater as known in the art, as well as the line cord as shown. In order to interconnect several modules or panels, they are provided with hooks 66 as shown most clearly in FIG. 4D. When the button 68 is pressed, the hooks separate to allow them to be inserted into notches (not shown) in adjacent modules, and when the button is released, the hooks grab the corresponding pins (not shown), thereby The connection is fixed. Other similar connecting means can be used.
FIG. 4C shows a cross section of the panel. The rear of the heating panel consists of a cover 76 and the ribbon 70 can be attached to the cover 76 if the cover is made of a shielding material. The front of the module consists of an aluminum cover 73 secured to the ribbon with a layer of silicone glue 74. A heater of the type shown in FIGS. 4A-4D, but with only one panel is Fe₇₈B₁₈Si_FourThe material was manufactured using an amorphous alloy. The ribbon had a thickness of 20 microns, a width of 1 cm, and a length of 10.15 m. It is 0.3m²Was attached to an aluminum plate having an area of When operating at about 500 watts of power, the temperature of the heating element was only 150 ° C.
5A and 5B represent a space heater in which an amorphous metal ribbon is not supported by a support. The heater comprises a base 84, an upper cover 81 having a hole 81a, and a heat dissipation case 78 that surrounds the heating element but includes a notch 78a in the base. The notches 78a and holes 81a allow air to flow upward, thereby carrying heat by convection.
The heating element comprises a vertically oriented shielding rod 79 around which a long amorphous ribbon 80 is wound. The ribbon 80 is preferably secured to the rod with silicone glue. The base includes an adjustment knob 82 and line cord socket 83 of conventional design.
Ribbon 80 is Fe₇₈B₁₈Si_FourAnd had a thickness of 20 microns, a width of 2 cm, and a length of 8 m. When operated at about 1300 watts of power, the ribbon surface temperature did not exceed 130 ° C. This heater and the 500 watt heater just discussed were operated for over 1,000 hours. In each case, the amorphous ribbon was examined by X-ray diffraction and no change in the ribbon structure was observed.
The space heater of FIGS. 6A and 6B is similar to that of FIGS. 5A and 5B except for one major difference. The tower heater includes a cover 81 with a hole 81a, a heat dissipation cover 78, and a base 84 with a knob 82 and a plug socket 83. However, the heating element used for the space heater will be larger than that used in the hair dryer of FIG. 3, but instead of an amorphous metal ribbon wound around the shielding rod, Then a heating element of the kind shown in FIGS. 2A to 2C is used. A ribbon 50 supported on a single plastic sheet 83 with ribbon ends 50a, 50b terminating in a central block 85 is shown in FIG. 6B.
FIG. 7A represents the use of the present invention to heat water in a conventional sink 87, shown in detail in FIG. 7B, with the portion of the hot water pipe replaced by the heating element 88. FIG.
On the heating element the cold pipe flows in from the base and the hot water flows out from above the copper tube 89, a layer 52 of about 0.3 mm thickness of silicon shield, on the plastic carrier 91 glued to the layer 52 And a mineral heat shield 90 having a thickness of about 2.4 mm. In one embodiment of the invention, the water flow rate was 2 kg / min, the water inflow temperature was 10-20 ° C, and the outflow temperature at the top of the tube was 96-98 ° C. Tube 89 had an inner diameter of 8 mm, an outer diameter of 10 mm, and a length of 0.5 m. Three ribbons were connected in parallel and wound around the tube.
Each ribbon was 25 microns thick, 1 cm wide, and 3 m long for a total mass of 14.5 grams. Ribbon material is Fe₇₈B₁₈Si_FourMet. Total power was 11 kilowatts. The measurement temperature of the ribbon was 180 ° C. The hot water heater was operated without problems for 200 hours.
8A and 8B are similar to FIGS. 7A and 7B and represent an alternative mechanism for heating the water as it flows through a normal tube. A heating element laminate 94 is shown in FIG. 8B and is of the type shown in FIGS. The heating element 94 is placed inside the tube 89 and the water flows through it as indicated by the arrow 95 in FIG. 8A. Here, the heating element directly heats the water.
Although the invention has been described with reference to specific embodiments, it is to be understood that these embodiments are merely illustrative of the application of the principles of the present invention. Numerous changes can be made therein and other arrangements can be devised without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims

（Ａ）非晶質金属合金のリボンから製造された１つ以上の電気加熱要素で、前記リボンそれぞれが、早急な急冷の前に溶融合金を該合金の冷却温度にまで過熱することによって製造されたものであって、熱出力に変換される所望の電力に従う電気抵抗を有し、そして前記リボンが更に、所望の運転温度にある前記要素により前記熱出力を配送するために要する熱抵抗を達成するように選択された形態及びサイズを有し、前記温度が前記合金の脆化温度より低い、電気加熱要素、
（Ｂ）前記熱出力を伝達させながら電気ショックを防止するために前記リボンを覆う電気遮蔽手段で、前記遮蔽体が前記運転温度の範囲の低温でのみ操作可能な材料から製造されている、電気遮蔽手段、並びに
（Ｃ）前記加熱装置中で前記リボンを機械的に保持するための支持手段で、前記支持手段が前記運転温度の範囲の低温でのみ操作可能な材料から製造されている支持手段、を含んでなる電気加熱装置。(A) one or more electrical heating elements made from a ribbon of amorphous metal alloy, each of the ribbons being manufactured by superheating the molten alloy to the cooling temperature of the alloy prior to rapid quenching; be those with, having an electrical resistance according to the desired power is converted into heat output, and said ribbon further achieve the thermal resistance required to deliver said heat output by the elements in the desired operating temperature An electrical heating element having a form and size selected to be, the temperature being lower than the embrittlement temperature of the alloy;
(B) Electric shielding means for covering the ribbon to prevent an electric shock while transmitting the heat output, wherein the shielding body is manufactured from a material that can be operated only at a low temperature within the operating temperature range. Shielding means, and (C) support means for mechanically holding the ribbon in the heating device, wherein the support means is made of a material that can be operated only at a low temperature within the range of the operating temperature. An electric heating device comprising.

前記遮蔽体が前記リボンを覆うプラスチック張り合わせ物を含む、請求項１記載の電気加熱装置。The electric heating device according to claim 1 , wherein the shield includes a plastic laminate covering the ribbon.

前記プラスチック張り合わせ物がポリスチレン又はポリアミド又はケイ素から製造されている、請求項２記載の電気加熱装置。The electric heating device according to claim 2 , wherein the plastic laminate is made of polystyrene, polyamide or silicon.

前記電気加熱要素の前記リボンが、急冷の前に予め定められた冷却温度にまで溶融合金を過熱することによって製造され、これによって、前記電気加熱要素が、高度に再生可能な特性を有し、且つ、前記リボンがＦｅ ₇₈ Ｂ ₁₈ Ｓｉ ₄ 、Ｆｅ ₁₃ Ｎｉ ₆₀ Ｃｒ ₅ Ｓｉ ₁₀ Ｂ ₁₂ 、Ｆｅ ₇₄ Ｃｏ _2.5 Ｃｒ _7.5 Ｂ ₁₆ 及びＡｌ ₆₅ Ｃｏ ₁₀ Ｇｅ ₂₅ より選ばれる合金から製造されている、請求項１記載の電気加熱要素。The ribbon of the electric heating element is manufactured by superheating the molten alloy to a predetermined cooling temperature prior to quenching, whereby the electric heating element has highly reproducible properties ; The ribbon is made of an alloy selected from Fe ₇₈ B ₁₈ Si ₄ , Fe ₁₃ Ni ₆₀ Cr ₅ Si ₁₀ B ₁₂ , Fe ₇₄ Co _2.5 Cr _7.5 B ₁₆ and Al ₆₅ Co ₁₀ Ge _25. The electric heating element according to claim 1 .

前記操作温度がベンゾピレン又はその他の不健康なもしくは環境経済学的に好ましくない煙霧又はガスの形成温度より低い、請求項１記載の電気加熱要素。The electric heating element of claim 1 , wherein the operating temperature is lower than the formation temperature of benzopyrene or other unhealthy or environmentally undesirable fumes or gases.

前記操作温度が５０〜２００℃の範囲にある、請求項１記載の電気加熱要素。The electric heating element of claim 1 , wherein the operating temperature is in the range of 50-200 ° C.

前記リボンの前記形態及びサイズが１００ミクロン未満の厚さ及び、前記電気抵抗及び前記熱抵抗を達成するような前記リボンの長さ及び幅を有する概括的に平面状のリボンからなる、請求項１記載の電気加熱要素。The thickness of the form and size is less than 100 microns of the ribbon and consists generally planar ribbon having a length and width of the ribbon so as to achieve the electrical resistance and the thermal resistance, according to claim 1 The electric heating element as described .

前記リボンが６５〜８８モルパーセントの範囲の鉄、ニッケル及びコバルトのうちの１種類以上、１２〜２８モルパーセントの範囲のホウ素、ケイ素及びリンのうちの１種類以上、並びに０〜１１モルパーセントの範囲のクロムを有する合金から製造されている、請求項１記載の電気加熱要素。The ribbon is one or more of iron, nickel and cobalt in the range of 65 to 88 mole percent, one or more of boron, silicon and phosphorus in the range of 12 to 28 mole percent, and 0 to 11 mole percent. The electric heating element of claim 1 made from an alloy having a range of chromium.