JP2011142041A - 温水ヒータ及びこれを用いた温水加熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、水質の違いによる腐食を抑制した耐食性の高い温水ヒータ、温水加熱器を提供する。
【解決手段】温水ヒータ８は、ヒータ筒体１内に発熱線２を配設すると共に絶縁粉末４を充填し、ヒータ筒体１両端口を封口材５にて水密封止するもので、ヒータ筒体１は、少なくとも表面が銅製の銅管６と、この銅管６の表面を被覆する銅・錫合金めっき層７とを有する。また、この温水ヒータ８を用いた温水加熱器をも対象とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温水加熱器内の温水を加熱するための温水ヒータに係り、特に、耐食性を考慮した温水ヒータ及びこれを用いた温水加熱器に関する。

従来における温水ヒータとしては例えば特許文献１に記載のものが既に知られている。
特許文献１には、ヒータ筒体として銅管を用い、この銅管表面にニッケルめっきを施すように構成した態様や、ヒータ筒体が二重管構造を有し、いずれか一方をステンレス鋼、耐食耐熱超合金及びチタンのいずれか、他方を銅にて構成した態様が開示されている。

特開２００５−２３５４６０号公報（発明が解決しようとする課題，発明を実施するための最良の形態，図２）

特許文献１において、ヒータ筒体として銅管を用い、銅管表面にニッケルめっきを施した態様にあっては、銅管は塩素イオンの存在する水質環境下での耐食性に優れているものの、酸性水質環境下での耐食性に劣るものであるが、この点についてはニッケルめっきにて銅管の耐食性を補完するものである。
しかしながら、ニッケルめっきを施した温水ヒータにあっては、以下のような不具合が見られる。
（１）ニッケルめっきはピンホールが出来易いめっきであり、水中で加熱すると、極めて短時間で緑青が発生して腐食が始まり、このピンホールが起因となって腐食が進行する虞れがある。
（２）ニッケルが溶出してアレルギの要因になり易い。
（３）ニッケルは価格変動が激しく、コストが高い。
（４）水中での温水ヒータの表面温度は例えばワット密度が８〜８．５Ｗ／ｃｍ^２の時に１２０℃程度に至る。この温度での腐食電流密度が銅よりもニッケルの方が高く、腐食の進行が早くなってしまう。これを回避するには、温水ヒータのワット密度を低く抑える必要があり、その分、温水ヒータの全長を長くせざるを得なくなり、コストアップにつながる虞れがある。
このように、ニッケルめっきを採用した温水ヒータでは上述した不具合が見られるものの、これに代わるめっき手法が見出せていないのが現状である。

また、特許文献１のヒータ筒体が二重管構造の態様にあっては、ステンレス鋼、耐食耐熱超合金及びチタンのいずれかからなる管は高温強度、耐酸化性に優れているものの、塩素イオンの存在する水質環境下では応力腐食割れなどの局部腐食が起こり易い。これに対し、銅管は塩素イオンの存在する水質環境下での耐食性に優れていることから、このような二重管構造を採用すれば、耐食性について両者の管の利点を相互に補完することができる点で好ましい。
しかしながら、二系統の管材を用いて二重管構造のヒータ筒体を構成することはコスト低減という観点にはそぐわず、また、ヒータ筒体を曲げ加工するに当たって、高い焼鈍温度を要するステンレス鋼などが含まれるために高温焼鈍処理を施さなくてはならないという制約がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、簡単な構成で、水質の違いによる腐食を抑制した耐食性の高い温水ヒータ及びこれを用いた温水加熱器を提供することにある。

請求項１に係る発明は、ヒータ筒体内に発熱線を配設すると共に絶縁粉末を充填し、ヒータ筒体両端口を水密封止する温水ヒータにおいて、ヒータ筒体は、少なくとも表面が銅製の銅管と、この銅管の表面を被覆する銅・錫合金めっき層とを有するものであることを特徴とする温水ヒータである。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る温水ヒータにおいて、銅・錫合金めっき層は５０〜８０％の銅と、５０〜２０％の錫とを含有したものであることを特徴とする温水ヒータである。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る温水ヒータにおいて、銅・錫合金めっき層は５〜１５μｍの厚さを有することを特徴とする温水ヒータである。
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれかに係る温水ヒータにおいて、銅・錫合金めっき層は、ノーシアンタイプの銅・錫合金めっき浴にて電気めっきされたものであることを特徴とする温水ヒータである。
請求項５に係る発明は、温水が収容される温水タンクと、この温水タンク内に設けられて温水を加熱する請求項１ないし４いずれかに係る温水ヒータとを備えたことを特徴とする温水加熱器である。

請求項１に係る発明によれば、簡単な構成で、水質の違いによる腐食を抑制した耐食性の高い温水ヒータを提供することができる。
請求項２に係る発明によれば、本構成を有さない場合に比べて、より耐食性に優れた温水ヒータを提供することができる。
請求項３に係る発明によれば、安定した耐食性を有する温水ヒータを提供することができる。
請求項４に係る発明によれば、耐食性に優れた銅・錫合金めっき層を容易に製造することができる。
請求項５に係る発明によれば、簡単な構成で、水質の違いによる腐食を抑制した耐食性の高い温水ヒータを用いた温水加熱器を容易に提供することができる。

本発明が適用された温水ヒータの実施の形態の概要を示す説明図である。 （ａ）は実施の形態１に係る温水加熱器の全体構成を示す説明図、（ｂ）は（ａ）に示す温水加熱器で用いられる温水ヒータを示す説明図である。 （ａ）は実施の形態１に係る温水ヒータの製造工程を示す説明図、（ｂ）は実施の形態１で用いられる温水ヒータの銅・錫合金めっきの作製方法を示す説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は実施の形態１で用いられる温水ヒータの製造工程例を模式的に示す説明図である。 （ａ）は実施例及び比較例で用いられる温水ヒータの概要を示す説明図、（ｂ）は実施例、比較例の各部でのめっき層厚を示す説明図、（ｃ）は実施例、比較例の塩水噴霧試験結果を示す説明図である。

◎実施の形態の概要
図１は本発明が適用された温水ヒータの実施の形態の概要を示す。
同図において、温水ヒータ８は、ヒータ筒体１内に発熱線２を配設すると共に絶縁粉末４を充填し、ヒータ筒体１両端口を封口材５にて水密封止するものであり、ヒータ筒体１は、少なくとも表面が銅製の銅管６と、この銅管６の表面を被覆する銅・錫合金めっき層７とを有するものである。
このような技術的手段において、ヒータ筒体１としては通常絶縁粉末４を充填した後に減径加工した減径加工部１ａを有する態様が一般的であるが、曲げ加工を施す態様に限られず、曲げ加工のない直線状の態様をも含む。
また、発熱線２の形状は直線状、Ｕ字状などいずれでもよく、この発熱線２の端部には端子体３が接続され、ヒータ筒体１の両端又は一端から外部に引き出されて発熱線２に対して通電可能とするものである。ここで、端子体３としては、通常棒状のものが使用されるが、端子電極として機能するものであればどのような形態でも差し支えない。
更に、絶縁粉末４は発熱線２を絶縁被覆すると共にヒータ筒体１への熱伝導材として機能するものであり、酸化マグネシア等の熱伝導率の高い材料が好ましい。また、この絶縁粉末４は、ヒータ筒体１を減径加工することにより充填密度が高められ、発熱線２とヒータ筒体１との間の熱伝導性を向上させることができる点で好ましい。

本実施の形態では、ヒータ筒体１は少なくとも表面が銅製の銅管６を前提とする。つまり、銅材で管を構成してもよいし、別の金属の表面に銅めっきを施したものでもよい。
ここで、銅管６の場合、焼鈍温度が低いため、絶縁粉末４として酸化マグネシアを使用可能であり、封口処理としてシリコーンゴムと絶縁パッキンとからなる簡易封口材を封口材５として使用することができる点で好ましい。
但し、銅管６は塩素イオンの存在する水質環境下での耐食性には優れているが、酸性水質環境下での耐食性に劣るため、本例では、銅・錫合金めっき層７が銅管６を被覆する。この銅・錫合金めっき層７は、ニッケルめっき層に比べて酸性水質環境下での耐食性により優れる点で好ましい。
また、温水ヒータ８の表面温度はワット密度が８〜８．５Ｗ／ｃｍ^２の時で約１２０℃（１２０℃±１０℃程度）であるが、この温度での腐食電流密度については、銅よりニッケルの方が高くなり、ニッケルめっき層の腐食の進行が速くなるのに対し、銅・錫合金めっき層７はこのようなことがなく、腐食の進行は有効に抑えられる。

また、本例では、銅・錫合金めっき層７の銅と錫との含有割合は適宜選定して差し支えないが、５０〜８０％の銅と、５０〜２０％の錫とを含有したものが好ましい。
ここで、錫が７〜２０％程度の銅・錫合金は青銅と呼ばれるが、本例ではこの青銅をも含む。但し、耐食性の観点からすれば、錫が４０〜５０％の銅・錫合金（スペキュラム）が好ましく、また、錫の含有比率が高い程耐食性は良好であるという観点からすれば、錫の含有比率を銅よりも多く選定してもよい。
更に、温水ヒータ８のヒータ筒体１に塗布される銅・錫合金めっき層７の厚さとしては例えば３〜２０μｍあればよく、好ましくは５〜１５μｍ程度がよい。
更にまた、銅・錫合金めっき層７の製造方法としては、シアン化合物、ピロ燐酸塩などの金属錯化材を使用し、銅析出の分極を大きくし、銅と錫の析出電位を接近させ共析させようとする浴が一般的であるが、シアンを含む場合には当該シアンを無害化する排水処理設備が必要になることから、整備の簡略化という観点からすれば、ノーシアンタイプの銅・錫合金めっき浴にて電気めっきする製造方法が好ましい。
また、本実施の形態では、温水ヒータ８に限らず、上述した温水ヒータ８が組み込まれた温水加熱器をも対象とする。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明をより詳細に説明する。
◎実施の形態１
図２（ａ）は、本発明が適用された温水ヒータが組み込まれた温水加熱器の実施の形態１を示す。
同図において、温水加熱器５０は、貯蔵タンク５１をタンク支持脚５２にて支持し、この貯蔵タンク５１上部には給湯管５１ａを接続すると共に、その下部には吸水管５１ｂを接続し、更に、貯蔵タンク５１内には温水ヒータ２０を配設すると共に、貯蔵タンク５１の外壁に温水ヒータ２０を固定し、貯蔵タンク５１内に内蔵された水を加熱するようにしたものである。
尚、符号５５は貯蔵タンク５１を保温するために貯蔵タンク５１の周囲を覆う保温材である。

本実施の形態において、温水ヒータ２０は、図２（ｂ）に示すように、例えば金属パイプ２１内に、両端に端子棒２３，２４が接続されたコイル状の発熱線２２を挿入すると共に、この金属パイプ２１の両端から前記端子棒２３，２４を外部に露呈させる一方、前記金属パイプ２１内には絶縁粉末２６を充填した後、金属パイプ２１に減径加工を施して減径加工部２１ａを形成し、更に、曲げ加工を施して曲げ加工部２１ｂを形成したものである。

本実施の形態において、金属パイプ２１は、銅管３１の表面に銅・錫合金めっき層３２を施すようにしたものである。
本例では、銅・錫合金めっき層３２としては銅と錫との含有割合が５０：５０になるものが用いられるが、これに限られるものではなく適宜選定して差し支えない。また、銅・錫合金めっき層３２の厚さは５〜１５μｍ程度に設定されている。
また、発熱線２２としては、通常金属パイプ２１の軸心に沿って配設されているが、これに限られるものではなく、任意に配設して差し支えない。
更に、絶縁粉末２６としては、熱伝導性のよい材料が好ましく、例えば酸化マグネシア等が使用される。
更にまた、本実施の形態では、金属パイプ２１の両端開口は封口材２８にて水密封口されている。ここで、封口材２８としては、例えば絶縁ゴムとしてのシリコーンゴム２８ａと、アルミナ磁器などの碍子からなる絶縁パッキン２８ｂとで簡易封口するものである。
本例では、金属パイプ２１は銅管３１を使用した態様であるため、曲げ加工などに伴って焼鈍処理するに当たって、焼鈍温度が４００〜５００℃と低いため、絶縁粉末２６として吸湿防止材（例えばシリコーン樹脂）が混入された酸化マグネシアを使用したとしても、焼鈍処理時に吸湿防止材が分解してしまうことがない。このため、金属パイプ２１の両端封口処理としては、ガラス封口材を用いて完全に密封しなくとも、上述した簡易な封口材２８を使用することが可能になるのである。
尚、図２（ｂ）において、温水ヒータ２０は例えば銅製の取付板６０の取付孔６１に挿入され、例えばろう付け６２にて固定される。

次に、本実施の形態に係る温水ヒータ２０の製造工程例を図３（ａ）及び図４（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。
温水ヒータ２０を製造する場合には、先ず図４（ａ）に示すように、発熱線２２の両端に端子棒２３，２４が接続されてなるサブアッセンブリ２５を予め構成しておき、銅管からなる金属パイプ２１内に前記サブアッセンブリ２５を一体として挿入配置する。
そして、図３（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、金属パイプ２１内に絶縁粉末２６を充填すると共に、金属パイプ２１の両端には、端子棒２３，２４を外部に露呈させた状態で仮栓２７（例えば絶縁ゴム、絶縁紙）を施す。
この状態において、図３（ａ）に示すように、金属パイプ２１に圧延（減径加工）を施すことで減径加工部２１ａを形成する（図４（ｃ）参照）。
しかる後、減径加工された温水ヒータ２０の中間成形品に対し曲げ加工を施すが、この曲げ加工を行うに際し、図３（ａ）に示すように、低温焼鈍処理を施す。この低温焼鈍処理は、焼鈍炉内の焼鈍温度を所定の低温焼鈍温度（４００〜５００℃）に設定し、搬送速度を適宜選定可能なコンベア上に温水ヒータ２０の中間成形品を載置搬送するようにしたものである。
この低温焼鈍処理時には、温水ヒータ２０の中間成形品は４００〜５００℃の焼鈍温度で短時間にて処理されるため、絶縁粉末２６中のシリコーン樹脂はその熱により溶融し、酸化マグネシア表面に被膜が作られ、このシリコーン樹脂による被膜が外気の湿気から酸化マグネシアが吸湿することを防止するものである。
そして、図３（ａ）に示すように、曲げ加工が行われた後、金属パイプ２１両端の仮栓２７を取り除き、図４（ｄ）に示すように、簡易封口材２８（シリコーンゴム２８ａ＋絶縁パッキン２８ｂ）による封口処理を行う。
尚、温水ヒータ２０の取付板６０へのろう付け工程は、簡易封口材２８による封口処理の前に行ってもよいし、前記封口処理の後に行ってもよい。

このように封口処理された温水ヒータ２０は、図３（ａ）に示すように、銅・錫合金めっき処理を経て完成品に至る。
ここで、銅・錫合金めっき処理は、例えば図３（ｂ）に示すように、めっき浴槽７０にノーシアンタイプの銅・錫合金めっき浴７１を貯蔵し、陽極７２に銅・錫合金としてのスペクトラムを接続すると共に、陰極７３に被めっき対象である温水ヒータ２０（本例では取付板６０付き）を接続し、銅・錫合金めっき浴７１に陽極７２、陰極７３を浸漬し、陽極７２、陰極７３間に直流電源７４を介在させることで、温水ヒータ２０及び取付板６０表面に銅・錫合金めっき層３２（図２（ｂ）参照）を形成するようにしたものである。
このように、温水ヒータ２０は、銅管３１の表面に銅・錫合金めっき層３２を有しているため、塩素イオンの存在する水質環境下、酸性水質環境下のいずれに対しても、良好な耐食性を有する。
仮に、銅・錫合金めっき層３２が一部溶出したとしても、ニッケルのようなアレルギの要因になる懸念はない。
特に、本実施の形態では、温水ヒータ２０の使用環境として、温水ヒータ２０の表面温度が例えばワット密度が８〜８．５Ｗ／ｃｍ^２の時に１１０〜１３０℃に至ったとしても、ニッケルめっきに比べて腐食の進行は十分に抑制される。また、温水ヒータ２０の銅・錫合金めっき層３２は５〜１５μｍ程度の薄膜で均一に塗布されていることから、温水ヒータ２０の耐食性にばらつきが生ずることは少ない。

図５（ａ）は、本実施例で用いられる温水ヒータユニット（温水ヒータ＋取付板）の構成例を示す。
同図において、本実施例では、温水ヒータユニットは、取付板６０に二つの温水ヒータ２０（具体的には２０ａ，２０ｂ）を固定した態様である。
そして、図５（ａ）に示す温水ヒータユニットに対し、実施の形態１で用いられた銅・錫合金めっき処理を施し、温水ヒータユニットの複数の測定点（Ｓ(1)〜Ｓ(7)）で銅・錫合金めっき層３２の厚さを測定したところ、図５（ｂ）に示す結果が得られた。尚、比較例としては、図５（ａ）に示す温水ヒータユニットに対し、従前のニッケルめっき処理を施し、実施例と同様な測定点でニッケルめっき層の厚さを測定したところ、図５（ｂ）に示す結果が得られた。
図５（ｂ）によれば、めっき層の膜厚平均については、実施例が１１．１μｍ、比較例が１４．３μｍであり、膜厚差については、実施例が１５．０μｍ、比較例が３０．３μｍで、標準偏差を算出すると、実施例が４．６、比較例が９．５であることが確認された。尚、銅・錫合金めっき層３２のうち、温水ヒータ２０の銅管３１表面の測定部位（Ｓ(2)〜Ｓ(6)）に形成された膜厚は５〜１５μｍの範囲にあることを申し添えておく。
この結果によれば、実施例の銅・錫合金めっき層は温水ヒータユニットの凹部や裏側などにも付き回りが良く、実施例の方が比較例に比べて均一な薄膜が得られることが理解される。
更に、上述した実施例、比較例の温水ヒータユニットを試験試料として使用し、塩水噴霧試験を行ったところ、図５（ｃ）に示す結果が得られた。
ここでいう塩水噴霧試験とは、試験試料に対し、ＪＩＳ Ｚ２３７１に準拠した条件で噴霧するようにしたものである。
同図によれば、実施例の耐食性が比較例に比べて極めて良好であることが理解される。

１…ヒータ筒体，１ａ…減径加工部，２…発熱線，３…端子体，４…絶縁粉末，５…封口材，６…銅管，７…銅・錫合金めっき層，８…温水ヒータ

Claims (5)

1. ヒータ筒体内に発熱線を配設すると共に絶縁粉末を充填し、ヒータ筒体両端口を水密封止する温水ヒータにおいて、
   ヒータ筒体は、少なくとも表面が銅製の銅管と、この銅管の表面を被覆する銅・錫合金めっき層とを有するものであることを特徴とする温水ヒータ。
2. 請求項１記載の温水ヒータにおいて、
   銅・錫合金めっき層は５０〜８０％の銅と、５０〜２０％の錫とを含有したものであることを特徴とする温水ヒータ。
3. 請求項１又は２記載の温水ヒータにおいて、
   銅・錫合金めっき層は５〜１５μｍの厚さを有することを特徴とする温水ヒータ。
4. 請求項１ないし３いずれかに記載の温水ヒータにおいて、
   銅・錫合金めっき層は、ノーシアンタイプの銅・錫合金めっき浴にて電気めっきされたものであることを特徴とする温水ヒータ。
5. 温水が収容される温水タンクと、この温水タンク内に設けられて温水を加熱する請求項１ないし４いずれかに記載の温水ヒータとを備えたことを特徴とする温水加熱器。

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