JP2006236617A - セラミックヒータ、熱交換ユニット、温水洗浄便座、及びセラミックヒータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱衝撃を緩和し、破損等の発生を防止できるセラミックヒータ、熱交換ユニット、温水洗浄便座、及びセラミックヒータの製造方法を提供すること。
【解決手段】 セラミックヒータ５の表面に、厚さ０．１〜０．５μｍから数十μｍ程度の酸化チタンを主成分とするコーティング層２５が形成されている。詳しくは、セラミックヒータ５のうち、フランジ７より先端側の表面、即ちセラミックヒータ５の外周面２７と（貫通孔６）の内周面２９のうち、洗浄水と接触し且つセラミックヒータ５の加熱により温度が大きく上昇する箇所、つまり、発熱体２１の配置箇所（発熱部２２）の内外の表面に、コーティング層２５が形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば温水洗浄便座、電気温水器、２４時間風呂などに用いられるセラミックヒータ、熱交換ユニット、温水洗浄便座、及びセラミックヒータの製造方法に関する。

従来より、例えば温水洗浄便座には、図６に例示する様に、樹脂製の容器（熱交換器）１０１を有する熱交換ユニット１０３が用いられており、この熱交換ユニット１０３には、熱交換器１０１内に収容された洗浄水を暖めるために、内部に発熱体が配置されたパイプ状のセラミックヒータ１０５が取り付けられている（特許文献１、２参照）
特開平９−２１３４６１号公報 （第２頁、図１） 特許第３３９３７９８号公報 （第２頁、図１）

上述した流体加熱用のセラミックヒータ１０５の場合には、流体がセラミックヒータ１０５によって加熱されると、流体内に溶けていた溶存酸素などが気泡１０７となって発生するが、発生した気泡１０７によって問題が発生することがあった。

具体的には、流体の加熱時には、セラミックヒータ１０５の表面（特に発熱体が配置された発熱部１０９の表面）で小さな気泡１０７が発生するが、セラミックヒータ１０５の表面にはセラミックの結晶構造上の特徴であるポア１０９が存在するので、そのポア１１１の近傍では小さな気泡１０７が大きく成長してセラミック表面に付着してしまう。

この大きく成長した気泡１０７がセラミック表面に付着すると、その付着部分のセラミック表面と流体とは直接に接触できなくなるので、セラミック表面の熱が流体に伝達され難くなって、セラミック表面の温度が過度に上昇してしまう。

その結果、セラミック表面と流体との間で大きな温度差が生じるので、セラミック表面から大きな気泡１０７が離脱した際には、低温の流体が高温のセラミック表面に瞬間的に接触してセラミック表面に熱衝撃が発生し、それによって、セラミックヒータ１０５が破損する恐れがある。

本発明はこうした問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱衝撃を緩和し、破損等の発生を防止できるセラミックヒータ、熱交換ユニット、温水洗浄便座、及びセラミックヒータの製造方法を提供することにある。

（１）請求項１の発明は、発熱体を有する流体加熱用のセラミックヒータにおいて、前記セラミックヒータの前記流体に接する表面の一部又は全体に、酸化チタンを含むコーティング層を設けたことを特徴とするセラミックヒータを要旨とする。

本発明では、（例えばアルミナ製の）セラミックヒータの表面に酸化チタンを含むコーティング層を備えているので、セラミックヒータの加熱の際に、セラミック表面にて気泡が大きく成長しない。よって、セラミック表面の熱衝撃を抑制できるので、セラミックヒータの破損を防止する効果がある。

つまり、酸化チタンには親水性があるので、セラミックヒータを加熱した際に、セラミック表面に気泡が付着しても、気泡は小さい状態でセラミック表面から離脱してしまう。そのため、セラミック表面と流体とは絶えず接触することになるので、セラミック表面の熱は効率良く流体に伝達されて、セラミック表面の温度が過度に上昇しない。その結果、セラミック表面と流体との間で大きな温度差が生じないので、上述した熱衝撃が発生し難く、よって、セラミックヒータの破損を防止できる。

尚、酸化チタンの含有量は多い方が望ましいが、気泡の成長を抑制できれば良いので、例えば５０重量％以上あれば、十分な効果があると考えられる。
（２）請求項２の発明は、前記コーティング層は、酸化チタンを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータを要旨とする。

本発明では、コーティング層は酸化チタンを主成分としているので、大きな気泡の成長を効果的に抑制できる。そのため、セラミック表面の熱衝撃を抑制できるので、セラミックヒータの破損を効果的に防止できる。

尚、主成分とは、最も多い成分比（重量比）を示している。また、酸化チタンの含有量は多い方が望ましく、１００％であってもよい。
（３）請求項３の発明は、前記セラミックヒータの形状が、筒状又は中実の柱状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータを要旨とする。

本発明は、セラミックヒータの形状を例示したものである。
（４）請求項４の発明は、前記セラミックヒータの形状が、板状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータを要旨とする。

本発明は、セラミックヒータの形状を例示したものである。
（５）請求項５の発明は、前記請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータを、前記流体が流入・流出する熱交換器に取り付けたことを特徴とする熱交換ユニットを要旨とする。

本発明は、上述したセラミックヒータを用いた熱交換器を備えた熱交換ユニットを例示したものである。
（６）請求項６の発明は、前記請求項５に記載の熱交換ユニットを備えたことを特徴とする温水洗浄便座を要旨とする。

本発明は、上述した熱交換ユニットを備えた温水洗浄便座を例示したものである。
（７）請求項７の発明は、前記請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法であって、前記セラミックヒータの表面に、酸素チタンを含む液状物（スラリー等）を付着させ、乾燥させた後に、加熱処理により焼成して前記コーティング層を形成することを特徴とするセラミックヒータの製造方法を要旨とする。

本発明は、セラミックヒータの好ましい製造方法を例示したものであり、この方法により、セラミックヒータの表面にコーティング層を容易に形成することができる。

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について説明する。

ａ）まず、本実施例のセラミックヒータ及び熱交換ユニットについて説明する。
本実施例の熱交換ユニットは、温水洗浄便座において、洗浄水を暖めるために用いられるものである。

図１に示す様に、この熱交換ユニット１は、洗浄水を収容する熱交換器３と、熱交換器３に取り付けられて洗浄水を暖めるセラミックヒータ５と、セラミックヒータ５を熱交換器３に固定する固定部材（フランジ）７とを備えている。

前記熱交換器３は、有底の円筒形の容器（内径φ１９ｍｍ×外径φ３０ｍｍ×軸方向長さ（外寸）７０ｍｍ）であり、例えばガラスを添加したナイロンからなる樹脂製である。この熱交換器３の軸方向の一端（同図右側）には、セラミックヒータ５が挿入される円形の開口部９が形成され、その一端側の径方向の側面には、洗浄水が流出するパイプ状の流出部（同図破線）１１が設けられている。

前記フランジ７は、アルミナ製の（中心に図示しない貫通孔を有する円盤状の）部材であり、その貫通孔にはセラミックヒータ５が貫挿され、ガラス接着剤１３にて固定されてシールされている。

前記セラミックヒータ５は、アルミナ製のパイプ状の円筒部材（内径φ６．５ｍｍ×外径φ１１．５ｍｍ×軸方向長さ８５ｍｍ）であり、このセラミックヒータ５は、アルミナ製の芯部材１５（厚み約２ｍｍ）の外周面に、アルミナ製のシート状のヒータ部材１７（厚み０．５ｍｍ）が巻き付けられたものである。

また、図２にヒータ部材１７を展開してその内部を示す様に、ヒータ部材１７の内部には、導電体１９が配置されている。導電体１７は、その先端側（同図左側）に、通電により発熱する蛇行状の発熱体２１を備えるとともに、その後端側に、発熱体２１に連接する一体の端子体２３を備えている。尚、セラミックヒータ５の消費電力（定常時）は１２００Ｗである。

特に本実施例では、図３に一部拡大して模式的に示す様に、セラミックヒータ５の表面に、厚さ例えば０．１〜０．５μｍから数十μｍ程度の酸化チタンを主成分とするコーティング層２５が形成されている。

詳しくは、セラミックヒータ５のうち、フランジ７より先端側（同図右側）の表面、即ちセラミックヒータ５の外周面２７と（貫通孔６）の内周面２９のうち、洗浄水と接触し且つセラミックヒータ５の加熱により温度が大きく上昇する箇所、つまり、発熱体２１の配置箇所（発熱部２２）の内外の表面に、コーティング層２５が形成されている。

上述した構成を有する熱交換ユニット１においては、図１及び図３の矢印の向きに、例えば温度５℃の水道水が導入されると、水道水はセラミックヒータ５の後端側から内部の貫通孔６に流入し先端側から流出する。

そして、その水道水は、貫通孔６を通過する際に、セラミックヒータ５により加熱されて温度が上昇するとともに、セラミックヒータ５の周囲の水道水もセラミックヒータ５により加熱され、温度が例えば３０℃上昇し、温水の洗浄水として、流出部１１から熱交換器３外に供給される。

ｂ）次に、本実施例の熱交換ユニット１の製造方法について説明する。
・まず、パイプ状のアルミナ質のセラミック基体（芯部材１５）を仮焼成により形成する。一方、アルミナ質のセラミックシートの表面に、タングステン等の高融点金属を印刷して発熱体２１や端子体２３となるパターンを形成する。

・次に、このセラミックシートにセラミックペースト（アルミナペースト）を塗布し、セラミックシートを芯部材１５の外周面に巻き付けて接着して、一体焼成する。これにより、図４（ａ）に示す様に、芯部材１５にシート状のヒータ部材１７が巻き付けられた形状のセラミックヒータ５が得られる。

・次に、セラミックヒータ５の後端側（同図右側）の所定の取付位置にセラミック製のフランジ７を外嵌し、更に、セラミックヒータ５とフランジ７との間に、リング状のガラス接着剤１３等で接着し、セラミックヒータ５と接合する。

・次に、このセラミックヒータ５の先端側からフランジ７の取付位置までを、酸化チタンを主成分とするスラリー中に漬け。セラミックヒータの外周面２９及び内周面２９に、スラリーを付着させる。

尚、酸化チタンを主成分とするスラリーとしては、例えば、アルコール又は水の媒体に、酸化チタンを約７重量％含有し、凝集、沈降しないようにｐＨ調整を行ったものを用いることができる。

・次に、そのセラミックヒータ５の表面に付着したスラリーを乾燥した後に、加熱処理を行って焼成し、酸化チタンを主成分とするコーティング層２５を形成する。
尚、加熱条件としては、例えば５００〜６００°の温度範囲で６０分程度加熱する条件を採用できる。また、形成されたコーティング層の酸化チタンはアナターゼ型である。

・その後、図４（ｂ）に示す様に、フランジ７を取り付けたセラミックヒータ５の先端側（同図左側）を、熱交換器３の内部に挿入し、フランジ７をＯリングなどのシール材３１を用いて熱交換器３の開口端部３３に当接させ、ネジ３９により締め付けて、セラミックヒータ５及び熱交換器３からなる熱交換ユニット１を完成する。

ｃ）この様に、本実施例では、セラミックヒータ５の表面に酸化チタンを主成分とするコーティング層２５を備えているので、洗浄水がセラミックヒータ５によって加熱されて、前記図３に示す様に気泡４１が発生しても、セラミックヒータ５が破損し難い。

つまり、洗浄水の加熱時には、セラミックヒータ５の表面で小さな気泡４１が発生し、従来ではセラミックヒータ５の表面のポア４３にて、小さな気泡４１が大きく成長してセラミック表面に付着することがあるが、本実施例では、セラミック表面に（セラミックヒータ５よりは）親水性に富む酸化チタンを主成分とするコーティング層２５が形成してあるので、気泡４１は大きく成長する前にセラミック表面から離脱してしまう。

その結果、セラミック表面と洗浄水とはほぼ常時接触している状態となるので、セラミック表面の熱が洗浄水に伝達され易くなり、セラミック表面の温度が過度に上昇することを防止できる。

それにより、セラミック表面と洗浄水との間で大きな温度差が生じ難いので、気泡４１の離脱後でも、セラミック表面に熱衝撃が発生することがない。これによって、セラミックヒータ５の熱衝撃による破損を効果的に防止できる。

尚、前記コーティング層２５は、セラミック表面に焼き付けてあるので、長期間使用しても、剥離し難いという利点がある。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の熱交換ユニットでは、図５に示す様に、板状のセラミックヒータ５１を用いる。このセラミックヒータ５１の内部には発熱体５３が配置されており、セラミックヒータ５１の外周面、詳しくは発熱体５３が配置された発熱部５５の外周面に、酸化チタンを主成分とするコーティング層５７が形成してある。

本実施例によっても、前記実施例と同様な効果を奏する。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

（１）例えばセラミックヒータの形状としては、筒状に限らず、中実の柱状を採用できる。
（２）また、コーティング層を形成する方法としては、例えば下記に示すような各種の方法を採用できる。

・酸化チタン粉体スラリーあるいは塩化チタンや硫酸チタンの水溶液を、基体（セラミックヒータ）に塗布後焼成する塗布法。
・金属アルコキシドの加水分解で作製したゾルを、基体に塗布後焼成するゾルゲル法。

・高真空中で酸化物のタ−ゲットをスパッタリングし、基体上に成膜するスパッタ法。
・有機金属やハロゲン化物を揮発させ電気炉の中で分解して、基体上に膜を作製するＣＶＤ法。

・固体粒子を大気中で発生させたプラズマ中で溶融し、基体表面にたたき付けるプラズマ溶射法。

（ａ）は実施例１の熱交換ユニットを破断して示す説明図、（ｂ）はセラミックヒータを軸方向から示す側面図である。 実施例１のヒータ部材の導電体を展開して示す説明図である。 実施例１の熱交換ユニットの使用状態を、熱交換ユニットを一部破断し且つ一部拡大して示す説明図である。 （ａ）はセラミックヒータの製造手順を示す説明図、（ｂ）は熱交換ユニットの製造手順を示す説明図である。 実施例２の熱交換ユニットに用いるセラミックヒータを示す斜視図である。 従来技術の熱交換ユニットを破断して示す説明図である。

符号の説明

１…熱交換ユニット
３…熱交換器
５、５１…セラミックヒータ
７…フランジ
２１、５３…発熱体
２２、５５…発熱部
２５、５７…コーティング層

Claims (7)

1. 発熱体を有する流体加熱用のセラミックヒータにおいて、
   前記セラミックヒータの前記流体に接する表面の一部又は全体に、酸化チタンを含むコーティング層を設けたことを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記コーティング層は、酸化チタンを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
3. 前記セラミックヒータの形状が、筒状又は中実の柱状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
4. 前記セラミックヒータの形状が、板状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
5. 前記請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータを、前記流体が流入・流出する熱交換器に取り付けたことを特徴とする熱交換ユニット。
6. 前記請求項５に記載の熱交換ユニットを備えたことを特徴とする温水洗浄便座。
7. 前記請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法であって、
   前記セラミックヒータの表面に、酸素チタンを含む液状物を付着させ、乾燥させた後に、加熱処理により焼成して前記コーティング層を形成することを特徴とするセラミックヒータの製造方法。