JP2009024902A - 流体加熱装置、及び流体加熱装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能であり、発熱体、及び熱交換器が一体となった、加熱効率が高い流体加熱装置、及び該流体加熱装置の製造方法を提供する。
【解決手段】内部に流体が流通可能な管体２と、該管体２の外周面を被覆する絶縁層３と、該絶縁層３のさらに外周面を被覆するカーボン発熱体層４と、を具備し、カーボン発熱体層４の両端部に給電端子５、５が取り付けられている流体加熱装置１とする。
【選択図】図１

Description

本発明は発熱体、及び熱交換器を備える流体加熱装置に関し、さらに詳しくは、小型化が可能であり、発熱体、及び熱交換器が一体となった、加熱効率が高い流体加熱装置、及び該流体加熱装置の製造方法に関する。

熱媒体などに利用される流体を加熱するための流体加熱装置には、熱を発する熱源と、熱源から発せられた熱を、熱交換を行うことによって流体に伝える熱交換器が備えられる。その熱源としては、ガス式のものや電気式のものが用いられる。それらのうち、従来の電気温水加熱装置は、例えば、特許文献１に開示されているように、加熱タンク内にニクロム線式シーズヒーター、若しくはセラミックヒーターを配置し、タンク内の液体を加熱する機構が一般的であった。
特開昭５８−１２３０４５号公報

しかし、従来の電気温水加熱装置では、タンク内の流体を加熱し続けなければならず、加熱効率が悪いという問題があった。また、小型化することは困難であった。

そこで、本発明は、小型化が可能であり、発熱体、及び熱交換器が一体となった、加熱効率が高い流体加熱装置、及び該流体加熱装置の製造方法を提供することを課題とする。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

第一の本発明は、内部に流体が流通可能な管体（２）と、該管体の外周面を被覆する絶縁層（３）と、該絶縁層のさらに外周面を被覆するカーボン発熱体層（４）とを具備し、カーボン発熱体層の両端部に給電端子（５、５）が取り付けられている流体加熱装置（１）を提供することによって、上記課題を解決する。

ここに、「絶縁層」とは、管体に金属管を使用した場合に、短絡を防止する目的で設けられる層であって、当該目的を果たせて、使用中の環境に耐えられるものであれば、その形態は特に限定されない。また、「カーボン発熱体層の両端部に給電端子が取り付けられている」とは、カーボン発熱体層が連続した形態で管体に被覆されていれば良く、その両端部に給電端子が備えられることを意味する。さらに、「給電端子」とは、カーボン発熱体層に電気を供給する部材であって、加熱制御を行う加熱回路が接続される。この加熱回路には、流体の温度制御および沸騰防止回路が付加される。

上記第一の本発明にかかる流体加熱装置（１）において、管体（２）の端部が、外側に向かってＲ状に膨らんだビード加工（７）が施されていることが好ましい。

上記ビード加工は管体の一方の端のみに施されていても良く、両端に施されていても良い。

また、上記第一の本発明にかかる流体加熱装置（１）は床暖房システム用の熱源機に用いることができる。

第二の本発明は、内部に流体が流通可能な管体（２）と、該管体の外周面を被覆する絶縁層（３）と、該絶縁層のさらに外周面を被覆するカーボン発熱体層（４）とを具備し、カーボン発熱体層の両端部に給電端子（５、５）が取り付けられている流体加熱装置（１）の製造方法であって、管体を目的の形状に加工する、管体加工工程（Ｓ１１）と、管体加工工程によって加工された管体の外周面側に絶縁塗布剤を塗布し、絶縁層を形成する、絶縁層形成工程（Ｓ１２）と、絶縁層の外周面側にカーボン発熱塗料を塗布し、カーボン発熱体層を形成する、カーボン発熱体層形成工程（Ｓ１３）と、カーボン発熱体層の両端部に給電端子を配する、給電端子配設工程（Ｓ１４）と、を有することを特徴とする、流体加熱装置の製造方法によって、上記課題を解決できる流体加熱装置を提供する。

第一の本発明によれば、管体が熱交換器として機能し、管体の外側に被覆されたカーボン発熱体から発せられる熱を、熱交換によって管体内を流通する熱媒体に伝えることが可能な流体加熱装置を提供することができる。したがって、本発明によれば、小型化が可能であり、発熱体、及び熱交換器が一体となった、加熱効率が高い流体加熱装置を提供することができる。

また、管体の端部にビード加工を施すことで、本発明にかかる加熱装置と他の配管とを容易に接続することができる。

さらに、第一の本発明にかかる流体加熱装置は小型化することができるので、床暖房システム用の熱源機に用いた際に、熱源機を小型化することができ、その熱源機を放熱器近傍に設置することが可能となる。

第二の本発明にかかる流体加熱装置の製造方法によれば、小型化が可能であり、発熱体、及び熱交換器が一体となった、加熱効率が高い流体加熱装置の製造方法を提供することができる。

本発明のこのような作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明するが、以下に説明するものは本発明の実施形態の一例であって、本発明はその要旨を超えない限り以下の説明になんら限定されるものではない。

図１は本発明にかかる流体加熱装置の実施例を概略的に示した図である。（ａ）は側面図であり、紙面左右方向が流体加熱装置の長手方向である。（ｂ）は（ａ）にｘ−ｘ´で示した箇所の断面図であり、紙面奥／手前方向が流体加熱装置の長手方向である。（ｃ）は（ａ）にｙ−ｙ´で示した箇所の断面図であり、紙面奥／手前方向が流体加熱装置の長手方向である。

図１に示すように、本発明にかかる流体加熱装置１（以下、単に「加熱装置１」という。）は、管体２の外周面を絶縁層３に被覆され、さらに絶縁層３の外周面側をカーボン発熱体層４によって被覆され、そのカーボン発熱体層４の両端に給電端子５、５が電気的に接続されている。また、管体２の両端にはビード加工７、７が施されており、他の配管などとの連結が容易に行えるようになっている。

管体２は、熱交換器としての役割を果たすので、内部を流通する熱媒体と効率良く熱交換を行うためには、熱伝導率が高い金属管などを用いるのが好ましい。また、後に説明するカーボン発熱体層４の形成時に管体２が高温になるという観点から樹脂管は好ましくない。管体２として用いることができるものの具体例として、例えば、銅管など挙げることができる。アルミニウム管を用いる場合には、電蝕の虞があるため、内周面側に耐熱性を考慮した樹脂でコーティングすることが好ましいが、樹脂でコーティングすることによって、熱交換能力が低下する。また、管体２の内側に何らかのコーティングをするなどの手段によって管体２の内周面の表面粗さを低下させた場合、管体２内を流れる流体が層流になりやすくなり、伝熱効果が低下する。

絶縁層３は、管体２に金属管を用いた場合に短絡を防止できるものであれば、その形態は特に限定されない。すなわち、管体２とカーボン発熱体層４との間において、絶縁材料からなる層を形成できれば良い。絶縁層３に用いることができる絶縁材料として、具体的には、例えば、酸化金属やガラスのような化学的に安定した材料を挙げることができる。絶縁層３を形成する際には、材料を選定し、焼付け処理などするのが好ましい。絶縁層３の厚さは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度が好ましい。絶縁層３の厚さが薄すぎれば短絡の虞があり、厚すぎれば加熱効率が低下する。

カーボン発熱体層４は、純粋なカーボン（不可避不純物含む。）からなる層であって、一方の給電端子５と他方の給電端子５との間で連続的に形成されていれば良い。すなわち、一方の給電端子５から他方の給電端子５までを略一直線に、又は螺旋状に形成されていても良い。しかし、加熱効率を向上させる観点からは、一方の給電端子５から他方の給電端子５までの間で管体２の外周面側全体を均一に被覆することが好ましい。カーボン発熱体層４は厚くすれば、電気抵抗値が下がり、電流値が上がるため、発熱温度が高くなる。カーボン発熱塗料の塗布量、すなわちカーボン発熱体層４の面積、及び厚さは要求される温度、及び熱交換能力から決定される。カーボン発熱塗料の塗布量の算出方法の詳細は後述する。

給電端子５、５に、交流、又は直流電圧を加えることによって、カーボン発熱体層４が発熱し、管体２が加熱され、管体２と管体２内を流れる熱媒体とが熱交換を行う。給電端子５、５は電気抵抗の低い材質、構造であり、例えば銅製のバンドで構成される。

加熱装置１には、上述した構成要素の他に、より加熱効率を向上させる観点からは、カーボン発熱体層４の外周面側を保温材（不図示）で覆うことが好ましい。

また、安全性を図る観点から、加熱された熱媒体の温度や、カーボン発熱体層４近傍の温度を管理するための温度センサ（不図示）を備えることも好ましい。

このように、本発明では、内部に流体を流通させる管体２が熱交換器として機能し、その外周面側に薄く絶縁層３及びカーボン発熱体層４を形成することで流体加熱装置１を構成している。かかる形態とすることによって、従来のニクロム線を用いた加熱装置よりも小型化が可能であり、かつ高い加熱効率を得ることができる。また、カーボン発熱体層によって加熱する形態とすることによって、従来のニクロム線のように、酸化して局所的に細くなり、部分的に加熱効率が低下するということはない。

これまでの説明では、管体２の両端部にビード加工７、７が施される形態について説明したが、本発明はかかる形態に限定されるものではない。例えば、上記ビード加工は管体の一端にのみ施されていても良い。また、ビード加工を施さず、タケノコプラグや、いわゆるワンタッチジョイントなどを接続加工しても良い。

図２は加熱装置１を床暖房用システムの熱源機に用いた例を概略的に示す図である。図２において、図１と同様の構成を採るものには図１にて使用した符号と同符号を付し、説明を適宜省略する。図中の矢印は、熱媒体の流れる方向を示している。

図２に示すように、加熱装置１を床暖房用システムの熱源機に用いる場合は、加熱装置１の一端を循環ポンプＰ側に接続し、他端を膨張タンクＴ側に接続して用いる。さらに、給電端子５、５にはカーボン発熱体４の加熱制御を行う加熱回路６が接続されている。この加熱回路６には、流体の温度制御、及び沸騰防止回路が付加されている。

加熱装置１を小型化させるという観点からは、管体２は、内径５ｍｍ〜６ｍｍ程度、外径７ｍｍ〜８ｍｍ程度の銅管を用いるのが好ましい。また、この管体２の曲げ半径は、外径の５倍以上とするのが好ましい。管体２の長さは、後述するカーボン発熱塗料の塗布量の算出方法によって、カーボン発熱体層４で被覆しなければならない範囲を求めることで決めることができる。

本発明にかかる加熱装置１を上述したように床暖房用システムの熱源機に用いた場合、加熱装置１は小型化が可能であるため、床暖房用システムの熱源機を構成する他の要素である循環ポンプＰ、及び膨張タンクＴなども小型化することによって、温水マットと同程度の厚さの熱源機や、壁掛け型の熱源機を提供することができる。

本発明にかかる流体加熱装置を床暖房用システムの熱源機に用いた例について説明したが、本発明の用途はかかる用途に限定されるものではない。本発明にかかる流体加熱装置は、小型化が容易であり、加熱仕様や使用形態に応じて様々な形状にすることができるため、設計の自由度が高く、装置としての意匠性を高めることが可能であるという利点がある。これらの利点を活かすことで、熱媒体を加熱する様々な場所で使用することができる。具体的には、例えば、温水洗浄便座において、洗浄水の加熱や、加熱した温水によって便座を暖めたりするのに用いることができる。

図３は加熱装置１の製造方法のフローチャートを概略的に示した図である。以下、図１、及び図３を用いて加熱装置１の製造方法について説明する。

加熱装置１の製造方法は、管体２を目的の形状に加工する、管体加工工程Ｓ１１と、管体加工工程Ｓ１１によって加工された管体２の外周面側に絶縁塗布剤を塗布し、絶縁層３を形成する、絶縁層形成工程Ｓ１２と、絶縁層３の外周面側にカーボン発熱塗料を塗布し、カーボン発熱体層４を形成する、カーボン発熱体形成工程Ｓ１３と、カーボン発熱体層４の両端部に給電端子５、５を配する、給電端子配設工程Ｓ１４と、を有している。

（管体加工工程Ｓ１１）
管体加工工程Ｓ１１は、管体２を目的の形状に加工する工程である。後述する絶縁層３やカーボン発熱体層４を形成させた後に加熱装置１の形状を変更することは困難であるため、それらの層を形成させる前に管体２の形状を、加熱装置１の使用箇所に応じた形状に加工しておく必要がある。例えば、内径５ｍｍ〜６ｍｍ、外径７ｍｍ〜８ｍｍの銅管を曲げて用いる場合、曲げ半径は外径の５倍以上が好ましい。

（絶縁層形成工程Ｓ１２）
絶縁層形成工程Ｓ１２は、管体２の外周面側に絶縁塗布剤を塗布し、絶縁層３を形成する工程である。酸化金属やガラスなどのような化学的に安定した材料からなる絶縁塗布剤を塗布し、乾燥させることで、絶縁層３を形成する。この絶縁層３は、少なくとも後述するカーボン発熱体層４、及び給電端子５、５と管体２が接触して短絡しない程度の範囲に形成させる必要がある。絶縁層３の厚さは、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度が好ましい。絶縁層３の厚さが薄すぎれば短絡の虞があり、厚すぎれば加熱効率が低下する。

（カーボン発熱体形成工程Ｓ１３）
カーボン発熱体形成工程Ｓ１３は、絶縁層３の外周面側にカーボン発熱塗料を塗布し、カーボン発熱体層４を形成する工程である。カーボン発熱体層４は、純粋なカーボン（不可避不純物含む。）及びバインダからなるカーボン発熱塗料を、厚さが均一になるように焼き付けることで形成する。この焼き付けの際に、カーボン発熱塗料に含まれるバインダは蒸発する。カーボン発熱体層４は、一方の給電端子５と他方の給電端子５との間で連続的に形成されていれば良い。すなわち、一方の給電端子５から他方の給電端子５までを略一直線に、又は螺旋状に形成されていても良い。しかし、加熱効率を向上させる観点からは、一方の給電端子５から他方の給電端子５までの間で管体２の外周面側全体を被覆することが好ましい。カーボン発熱体層４は厚くすれば、電気抵抗値が下がり、電流値が上がるため、発熱温度が高くなる。カーボン発熱塗料の塗布量、すなわちカーボン発熱塗料の塗布面積、及び厚さは、要求される温度、及び熱交換能力から決定される。カーボン発熱塗料の塗布量の算出方法を以下に説明する。

（カーボン発熱塗料の塗布量の算出方法）
まず、カーボン発熱体層４と管体２内を流通する流体との熱交換量を考える。カーボン発熱体層４と、管体２のうちカーボン発熱体層４で被覆される部分ｘ内を流通する流体ｙとの熱交換量ｑは、部分ｘの内径をｄ、流体ｙの比重量をγ、流体ｙの平均流速をＵｍ、流体ｙの定圧比熱をＣｐ、部分ｘの入口と出口での流体ｙの温度差をΔｔとすると、
ｑ＝（ｄ／２）^２・π・γ・Ｕ_ｍ・Ｃｐ・Δｔ （１）
という式で表すことができる。
また、熱交換量ｑは、熱伝達率をαｍ、部分ｘの管長をＬ、対数平均温度差をΔｔ_ｍとすると、
ｑ＝αｍ・Ｌ・ｄ・π・Δｔ_ｍ （２）
で表すこともできる。
ここで、対数平均温度差をΔｔ_ｍは、管体２の菅壁温度ｔ_ｗと、部分ｘの入口での流体ｙの温度ｔ_１、及び出口での流体ｙの温度ｔ_２から求めることができる。また、熱伝達率αｍは、流体ｙのレイノルズ数Ｒｅ、熱伝導率λ、及びプラントル定数Ｐｒと、内径ｄとから求めることができ、レイノルズ数Ｒｅは、内径ｄと、流体ｙの平均流速Ｕｍ、及び動粘度係数νから求めることができる。すなわち、流体ｙと流体ｙの平均流速Ｕｍを決めれば、熱伝達率αｍを求めることができる。
したがって、目標とする菅壁温度ｔ_ｗ、入口温度ｔ_１、出口温度ｔ_２、及び平均流速Ｕｍを定めることによって、管長Ｌを求めることができる。すなわち、カーボン発熱体層４を形成させる部分ｘを決めることができる。
次に、上述した方法にて求めたカーボン発熱体層４を形成させる部分ｘに、加熱能力１０００Ｗ〜１５００Ｗ程度のカーボン発熱体層４が、厚さがほぼ均一に形成されると考えて、カーボン発熱体層４の厚さを決定することができる。すなわち、カーボン発熱塗料の塗布量を算出することができる。

（給電端子配設工程Ｓ１４）
給電端子配設工程Ｓ１４は、カーボン発熱体層４の両端部に給電端子５、５を配する工程である。給電端子５、５は電気抵抗の低い材質、構造であり、例えば銅製のバンドで構成される。この給電端子５、５に、交流、又は直流電圧を加えることによって、カーボン発熱体層４が発熱し、管体２が加熱され、管体２と管体２内を流れる熱媒体とが熱交換を行う。

上述したような方法で製造される加熱装置１は、管体２が熱交換器として機能し、管体２の外側に被覆されたカーボン発熱体４から発せられる熱を、熱交換によって管体２内を流通する熱媒体に伝えることが可能である。したがって、本発明によれば、小型化が可能であり、発熱体、及び熱交換器が一体となった、加熱効率が高い流体加熱装置の製造方法を提供することができる。

以上、現時点において、最も実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う流体加熱装置、及び流体加熱装置の製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

本発明にかかる流体加熱装置の実施例を概略的に示す図である。（ａ）は側面図であり、（ｂ）は（ａ）にｘ−ｘ´で示した箇所の断面図であり、（ｃ）は（ａ）にｙ−ｙ´で示した箇所の断面図である。 本発明にかかる流体加熱装置を床暖房用システムの熱源機に用いた例を概略的に示す図である。 本発明にかかる流体加熱装置の製造方法のフローチャートを概略的に示す図である。

符号の説明

１ 流体加熱装置
２ 管体
３ 絶縁層
４ カーボン発熱体層
５ 給電端子
６ 加熱回路
Ｐ 循環ポンプ
Ｔ 膨張タンク

Claims (4)

1. 内部に流体が流通可能な管体と、該管体の外周面を被覆する絶縁層と、該絶縁層のさらに外周面を被覆するカーボン発熱体層と、を具備し、
   前記カーボン発熱体層の両端部に給電端子が取り付けられている、流体加熱装置。
2. 前記管体の端部が、外側に向かってＲ状に膨らんだビード加工が施されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体加熱装置。
3. 床暖房システム用の熱源機に用いられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の流体加熱装置。
4. 内部に流体が流通可能な管体と、該管体の外周面を被覆する絶縁層と、該絶縁層のさらに外周面を被覆するカーボン発熱体層と、を具備し、
   前記カーボン発熱体層の両端部に給電端子が取り付けられている流体加熱装置の製造方法であって、
   前記管体を目的の形状に加工する、管体加工工程と、
   前記管体加工工程によって加工された前記管体の外周面側に絶縁塗布剤を塗布し、絶縁層を形成する、絶縁層形成工程と、
   前記絶縁層の外周面側にカーボン発熱塗料を塗布し、カーボン発熱体層を形成する、カーボン発熱体形成工程と、
   前記カーボン発熱体層の両端部に給電端子を配する、給電端子配設工程と、
   を有することを特徴とする、流体加熱装置の製造方法。

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