CN104206004A

CN104206004A - 管状加热器

Info

Publication number: CN104206004A
Application number: CN201380017592.1A
Authority: CN
Inventors: 中间英德
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: CN104206004B; JPWO2013146777A1; JP5766348B2; WO2013146777A1

Abstract

本发明的管状加热器包括：在内侧具有成为流体的流路的空间的管状的绝缘基体；和埋设于绝缘基体的内部的、具有发热部的电阻体，绝缘基体的内壁具有与流路的长度方向垂直的面的截面积从上游侧至下游侧保持大致固定而与流路的长度方向垂直的面的形状产生变化的变化区域。

Description

管状加热器

技术领域

本发明涉及利用于流体加热用加热器等的管状加热器。

背景技术

作为管状加热器，如图11所示，公开了如下的管状加热器，其具有：具备流体的流路902的管状的陶瓷基体901、和埋设于管状的陶瓷基体901的内部且大致均等地配置于流路902的周围的线状的电阻发热体903(参照专利文献1)。

然而，在图11所示的管状加热器中，流路902的截面形状从上游侧至下游侧为固定，向流动于流路902的流体的传热效率不够高，因此在将作为被加热物的流体加热至规定的温度时，有流体不易热而造成使流体达到规定的温度的加热时间较长的问题。

在此，如图12所示，作为流路902，也公开了以下的流路，即，通过设为将直径不同的多个流路连接的结构，使流体的流速减速而增加流体的停留时间，从而提高传热效率(参照专利文献1)。

然而，即使为图12所示的管状加热器，在流体为液体的情况下，在流路直径较大的区域沸腾时的气泡等停留或流体停留等，传热效率的提高不充分。

另一方面，在使用加热器加热成为被加热物的流体时，仅在必要时供给电源且在更短时间达到期望的温度那样的运行时间的缩短要求在提高。在此，作为实现运行时间的缩短的手段之一，能够举出以下的手段，即，预先在作为目的的加热温度以下进行预备加热且在必要时将流体加热至必要温度而缩短直至期望的温度的到达时间。但是，鉴于近年的节能要求，优选仅在必要时供给电源且能够更加效率良好地加热。

专利文献1：日本特开2004-185929号公报。

发明内容

本发明是鉴于上述的情况而提出的，其目的在于提供一种传热效率良好且能够在短时间内将流体升温至预定的温度的管状加热器。

本发明的管状加热器包括：在内侧具有成为流体的流路的空间的管状的绝缘基体；和埋设于该绝缘基体的内部的、具有发热部的电阻体，所述绝缘基体的内壁具有与所述流路的长度方向垂直的面的截面积从上游侧至下游侧保持大致固定而与所述流路的长度方向垂直的面的形状产生变化的变化区域。

附图说明

图1是表示本发明的管状加热器的实施方式的一例的简要图。

图2是图1所示的管状加热器的左视图。

图3是图1所示的管状加热器的右视图。

图4是表示图1所示的管状加热器的电阻体的例子的简要透视图。

图5是图4所示的A-A线的横剖视图。

图6是图4所示的B-B线的横剖视图。

图7是表示本发明的管状加热器的实施方式的另一例的简要图。

图8是表示本发明的管状加热器的实施方式的另一例的简要透视图。

图9是表示本发明的管状加热器的实施方式的另一例的简要图。

图10是图9所示的管状加热器的简要纵剖视图。

图11是表示现有的加热器的一例的简要透视图。

图12是表示现有的加热器的另一例的简要透视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的管状加热器的实施方式的例子进行详细说明。

图1是表示本发明的管状加热器的实施方式的一例的简要透视图，图2是图1所示的管状加热器的左视图，图3是图1所示的管状加热器的右视图。本实施方式的管状加热器的特征在于，包括：在内侧具有成为流体的流路2的空间的管状的绝缘基体1；和埋设于绝缘基体1的内部的、具有发热部7的电阻体6，绝缘基体1的内壁具有流路2的截面积从上游侧至下游侧保持大致固定而流路2的截面形状产生变化的变化区域10。

作为绝缘基体1，例如能够使用氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷等具备绝缘性的陶瓷。具体而言，能够使用氧化铝质陶瓷、氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷或碳化硅质陶瓷等。尤其，从耐氧化性的观点出发，优选使用氧化铝质陶瓷。另外，从向作为被加热物的流体的热传导性的观点出发，可以使用高纯度的氧化铝质陶瓷或氮化硅质陶瓷。

如图4所示，绝缘基体1形成管状，在内侧具有成为流体的流路2的空间。另外，在包围流路2的管状的绝缘基体1的内部埋设有具有发热部7的电阻体6。

具体而言，绝缘基体1具有厚度较薄的端部区域11和厚度较厚的中央区域12，且在中央区域12的内部埋设有电阻体6。例如，绝缘基体1的长度(流路2的长度)为40～200mm，厚度较薄的端部区域11的长度为0.5～15mm，厚度较厚的中央区域12的长度为30～190mm。另外，流路2的直径例如为4～20mm。这样形状的管状加热器是通过后述的制造方法制作出的，但并不特别限定于该形状。

电阻体6例如由将钨、钼或铼等高熔点金属作为主成分的导电体构成。例如在用网板印刷法或转印法形成电阻体6的情况下，使用将这些高熔点金属作为主成分的导电性膏剂。

在此，如图4所示，优选电阻体6具备成为加热区域的发热部7和成为非加热区域的引出部8。

通过设置成为非加热区域的引出部8，能够抑制用钎焊或锡焊等手段将引线端子4连接于焊盘的供电部3的温度上升，从而抑制由于热疲劳而产生裂纹或因为加热引起的氧化而产生接触不良。因此，能够提供抑制了漏电及断线那样的故障的、更加长寿命且可靠性高的管状加热器。

在供电部3的温度成为50℃以下那样的低温使用的情况不在此限，但为了提高供电部3的连接可靠性，形成具有发热部7和引出部8的结构为佳。需要说明的是，通过使布线图案的线宽、厚度不同，能够设为能明确区别发热部7和引出部8的布线图案。

另外，优选发热部7设置于绝缘基体1的一端侧，并且电阻体6的端部与对应于发热部7的位置相比在绝缘基体1的另一端侧向绝缘基体1的表面导出。若为这样的结构，则与电阻体6的端部连接的供电部3不易温度上升，因此没有接触不良而能够进行稳定的加热，能够形成没有漏电及断线的、长寿命且可靠性高的管状加热器。

进而，如图4～6所示，形成加热区域的发热部7例如在管状的绝缘基体1的周方向上以大致均等的间隔配置。另外，电阻体6除发热部7以外还具有成为非加热区域的引出部8，引出部8也与发热部7同样在周方向上以大致均等的间隔配置。

由此，成为均匀的温度分布，有使产生热冲击破损那样的问题减少的效果。另外，在烧成绝缘基体1时，也有使烧结平衡崩溃而产生裂纹那样的问题减少的效果。

并且，绝缘基体1的内壁具有流路2的截面积从绝缘基体1的一端侧至另一端侧保持大致固定而流路2的截面形状产生变化的变化区域10。在本实施方式中，在绝缘基体1中，截面形状从中央区域12的一端至另一端连续地产生变化。即，在本实施方式中，中央区域12的内壁的整体成为变化区域10。因此，如图2及图3所示，绝缘基体1的一端面的形状与另一端面的形状不同。需要说明的是，也可以在绝缘基体1局部地设置变化区域10。

在此，变化区域10的截面形状产生变化是指，不是急剧变化的状况，而是平缓变化的状况。更加具体而言，“截面形状产生变化”的状态是指以下的状态。即，如图5所示，在绝缘基体1的与长度方向垂直的横截面中的一个面中，将内径成为最大的方向的轴设为X轴，将与其直角相交的方向的轴设为Y轴，将X轴方向的长度除以Y轴方向的长度而得到的值设为R1。进而，如图6所示，在绝缘基体1的与长度方向垂直的横截面中的另一个面中，将刚才的X轴方向的长度除以Y轴方向的长度而得到的值设为R2。此时，在R1的值与R2的值为0.5％以上不同时，视为“截面形状产生变化”。

如此，通过在绝缘基体1设置变化区域10，能够抑制在流路2产生气泡等停留。另外，在流动于流路2的内部的流体(被加热部)产生湍流，对流体的传热效率变好。因此，流体容易变热，从而能够在短时间内加温至目的的温度。

在此所谓的截面积大致固定是指相对于截面积的平均值为±5％以下的面积的差的范围内。根据该构成，由于在流路2上没有凹凸而为平滑的变化，因此在流体为液体的情况下，没有流体流动时的气泡等的卷进，从而传热效率变好。

需要说明的是，截面形状的产生变化的状况及截面积为固定的状况的确认能够使用以下的方法。例如，将变化区域10以5mm间隔切成圆片，针对截面使用三丰(Mitsutoyo)公司制工具显微镜(Measuring Microscope)测定所述的R1及R2以及截面积即可。

另外，如图7所示，可以成为一端侧的截面和另一端侧的截面分别为椭圆形状且在中央部截面成为圆形状的那样的形状变化。另外，也可以成为一端侧的截面和另一端侧的截面为圆形状且在中央部截面的形状从圆形状最大变化那样的形状变化。

作为变化区域10仅设置于期望的区域的情况，例如如图8所示，发热部7设置于绝缘基体1的一端侧且变化区域10设置于绝缘基体1的另一端侧为佳。由此，在从绝缘基体1的另一端侧流动流体时，在变化区域10中流体成为湍流后，能够在发热部7加热流体。由此，能够容易加热流体，从而能够在更加短时间内加热至目的的温度。

在设置于绝缘基体1的内侧的流路2所设置的形状变化的部分越多，则赋予通过流体2内的流体的湍流产生效果越变大，能够得到传热效率变得更好的效果。

在此，如图9所示，是变化区域10有多个的结构，进一步优选流路2的截面积从绝缘基体1的一端侧至另一端侧保持固定而流路2的截面形状产生变化的状况。需要说明的是，图9是表示本发明的管状加热器的实施方式的另一例的简要透视图，图10是图9所示的管状加热器的纵剖视图。

这是因为：通过在绝缘基体1的一端侧至另一端侧的整个区域设置反复使截面形状变化的变化区域10，由于设置于流路2的形状产生变化的部分变得更多，因此赋予通过流路2内的流体的湍流产生效果变得更大，从而能够得到传热效率变得更加良好的效果。

需要说明的是，图1～图10所示的管状加热器成为随着流路2的截面形状的变化而绝缘基体1的外形也产生变化的管状加热器，但不限于这样的结构，也可以为绝缘基体1的外形不产生变化的管状加热器(在纵截面观察为笔直的形状)。

另外，发热部7可以设置于绝缘基体1的一端侧且变化区域10可以设置于与发热部7对应的区域。该情况能够在发热部7产生湍流，因此能够在流路2中的温度为比较高的部分容易加热流体。

其次，对本实施方式的管状加热器的制造方法进行说明。

在此，对绝缘基体1由氧化铝质陶瓷构成的情况的例子进行说明。

首先，制作以将氧化铝(Al₂O₃)作为主成分，且二氧化硅(SiO₂)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)及氧化锆(ZrO₂)合计为10质量％以内的方式调制的氧化铝质陶瓷生片。

接着，在该氧化铝质陶瓷生片的表面形成成为电阻体6的规定的图案。作为电阻体6的形成方法，有网板印刷法、转印法、电阻体埋设法或作为其他方法使用金属箔通过蚀刻法等形成的方法或将镍铬合金线形成线圈状而埋设的方法等，但从质量方面的稳定性及能够抑制制造成本的方面出发容易用网板印刷法形成。另外，发热体6由发热部7和引出部8构成，但也可以用不同的形成方法形成它们。

另外，在陶瓷生片的与形成电阻体6的面相反侧的面上，将焊盘5与电阻体6的形成同样地以规定的图案形状来形成。

另外，在陶瓷生片进行用于电阻体6与焊盘5电连接的孔加工及进行用于形成通孔导体9的导体膏剂的填充。

电阻体6、焊盘5及通孔导体9例如能够使用将钨(W)、钼(Mo)或铼(Re)等高熔点金属作为主成分的导电性膏剂。

另一方面，用压挤成型来成型圆筒状的氧化铝质陶瓷成型体。

接着，通过将所述的氧化铝质陶瓷生片缠绕于该圆筒状的氧化铝质陶瓷成型体，涂敷使相同组成的氧化铝陶瓷分散的粘附液而使其粘附，能够得到成为绝缘基体1的氧化铝质一体成型体。在用各种形状构成的模具在30℃、80％RH的加湿状态对该一体成型体施加负荷而使其变形后，通过在70℃的干燥室使其干燥，能够形成具有截面积保持大致相等而使截面形状产生变化的变化区域10的一体成型体。

通过将如此得到的一体成型体在1500～1600℃的还原气氛中(氮气氛)烧成，能够制作氧化铝质一体烧结体(绝缘基体1)。

接着，在形成于绝缘基体1的焊盘5上实施成为形成供电部5的底层的镀覆。镀覆中的镍镀覆、金镀覆、锡镀覆等是通用的。作为实施镀覆的方法，将无电解镀及电镀、滚镀等镀覆方法根据目的进行选择为佳。供电部3利用将端子或引线用钎焊形成的方法或者将绞合线锡焊的方法得到。考虑管状加热器的使用时的电流值，根据粗细及材质选定为佳。

用以上的方法得到本发明的管状加热器。

实施例

准备以将Al₂O₃作为主成分，且SiO₂、CaO、MgO及ZrO₂合计为10质量％以内的方式调制的氧化铝质陶瓷生片，用网板印刷法在该表面印刷了将钨及钼作为主导电成分而成的电阻体用导电性膏剂。另外，同样用网板印刷法在背面印刷了将钨作为主导电成分而成的焊盘用导电性膏剂。

具体而言，电阻体以宽度1mm的五往返的蛇行形状形成发热部，经由连接于其两端的宽度3mm的引出部8在供电部的位置导出。

通过在引出部的端部形成的通孔，且注入将钨作为主导电成分的膏剂，形成了电连接焊盘和电阻体的通孔导体。在此，在5mm×6mm的四边形状的焊盘的对角线上设置四个通孔导体，分别将通孔导体之间的距离形成为1mm以上。

接着，在准备的氧化铝质陶瓷生片的电阻体用导电性膏剂形成侧，涂敷使由大致相同组成构成的氧化铝质陶瓷分散的粘附液，且粘附于另外准备的成为绝缘基体的圆筒状的氧化铝质陶瓷成型体的周围，从而制作出氧化铝质一体成型体。成为绝缘基体的氧化铝质陶瓷成型体是通过压挤成型制作且进行干燥而得到的。具体而言，压挤成型氧化铝质陶瓷成型体，在用各种形状构成的模具在30℃、80％RH的加湿状态对该一体成型体施加负荷而使其变形后，通过在70℃的干燥室使其干燥，得到具有截面积保持大致相等且使截面形状产生变化的变化区域的绝缘基体。

需要说明的是，绝缘基体的长度为90mm，厚度较厚的中央区域的长度为70mm，厚度较薄的端部区域的长度在中央区域的两端各为10mm。另外，绝缘基体的内径(流路的直径)为6.5mm，中央区域的厚度为2.75mm，端部区域的厚度为2.25mm。

在此，作为制作出的管状加热器的试料，首先制作了图1所示的方式的氧化铝质一体成型体(试料1)。该管状加热器是在绝缘基体的一端侧设置发热部并且一端侧的截面为圆形状而随着朝向另一端侧从圆形状变化成椭圆形状的管状加热器。

另外，制作了图7所示方式的氧化铝质一体成型体(试料2)。该管状加热器的一端侧的截面和另一端侧的截面为椭圆形状且该管状加热器具有在中央区域截面成为圆形状的变化区域。

另外，通过使用局部地设置变化区域的模具，制作了图8所示的方式的氧化铝质一体成型体(试料3)。该管状加热器在绝缘基体的一端侧设置发热部且仅在另一端侧具有变化区域。

另外，通过使用在加湿状态下施加负荷时整体设置变化区域的模具，制作了图9所示的方式的氧化铝质一体成型体(试料4)。

进而，作为比较用的现有的结构，在用压挤加工形成了流体的流通路径后，用内径加工均等地进行加工，制作了具有固定的截面形状的方式的氧化铝质一体成型体(试料5)。

通过将如此准备的各种氧化铝质一体成型体在1500～1600℃的还原气氛中(氮气氛)中烧成，制作了氧化铝质一体烧结体。在氧化铝质一体烧结体的表面形成了所述的焊盘。用无电解镀对该焊盘实施镍镀覆，用银焊料钎焊的镍线，制作了评价用的管状加热器。

关于制作的管状加热器，反复循环使温度5℃、流量500ml/min的水流入通过且将该通过的水暂且放入恒温水槽再返回流入入口侧，对制作的任一个的陶瓷加热器赋予45℃的加热器电力成为1000W的电力，比较评价了五升的水直至成为45℃的时间。需要说明的是，通过在恒温水槽将K型热电偶设置于槽内五个部位，将其五个部位测温值的平均作为加热后的水温，来进行水温的测定。

其结果是，在作为比较例的试料5的管状加热器中，水温到达45℃的时间花费了3分钟10秒。

对此，在作为本发明的实施例的试料1～4的管状加热器中，能够分别以2分钟30秒(试料1)、2分钟10秒(试料2)、1分钟40秒(试料3)及1分钟10秒(试料4)分别将5升水加热至45℃。

如此，试料1～4的管状加热器与作为比较例的试料5的管状加热器相比传热效率变好，能够将作为被加热物的流体在短时间内加热至目的的温度。这被认为是因为通过设置于绝缘基体的内部的流路的形状变化，在流体产生湍流，从而传热效率变好。

需要说明的是，本发明的管状加热器通过流动流体而得到上述的作用效果，但也能够用于加热包含粉体的固体或气体时。

另外，作为本发明的管状加热器的用途，能够举出温水洗净马桶座等。

【符号说明】

1-绝缘基体

2-流路

3-供电部

4-引线端子

6-电阻体

7-发热部

8-引出部

9-通孔导体

10-变化区域

Claims

1.一种管状加热器，其特征在于，包括：

管状的绝缘基体，在内侧具有成为流体的流路的空间；和

电阻体，埋设于该绝缘基体的内部、且具有发热部，

所述绝缘基体的内壁具有：与所述流路的长度方向垂直的面的截面积从上游侧至下游侧保持大致固定、而与所述流路的长度方向垂直的面的形状产生变化的变化区域。

2.根据权利要求1所述的管状加热器，其特征在于，

所述发热部设置于所述绝缘基体的一端侧，并且所述变化区域设置于绝缘基体的另一端侧。

3.根据权利要求1所述的管状加热器，其特征在于，

所述发热部设置于所述绝缘基体的一端侧，并且所述电阻体的端部与对应于所述发热部的位置相比在所述绝缘基体的另一端侧被导出至所述绝缘基体的表面。

4.根据权利要求1所述的管状加热器，其特征在于，

所述管状加热器具有多个所述变化区域。