JP2012059371A - 流体加熱用チューブ - Google Patents

Abstract

【課題】通電性能を維持しやすい流体加熱用チューブを提供する。
【解決手段】長手方向に沿った流路３０を有する流体加熱用チューブ１は、長手方向と交差する断面内において流路３０を外側から囲うように形成された導電発熱層１１と、導電発熱層１１に接触しながら断面内において互いに離れて配設されているとともに、それぞれ長手方向に沿って配設されている第１の電極１２と第２の電極１３とを有する。共に外部から電圧を印加される第１の電極１２及び第２の電極１３の体積抵抗率が、第１の電極１２と第２の電極１３との間を流れる電流によって発熱する導電発熱層１１の体積抵抗率よりも小さくなるよう形成されている。導電発熱層１１と第１の電極１２と第２の電極１３とが全て樹脂を含む材料で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体加熱用チューブに関する。

長手方向に沿って内部に流路が形成されたチューブを使用し、流路内の流体を加熱する流体加熱用チューブが知られている。例えば、流路の周りを覆う半導電性ゴムまたは半導電性プラスチックの押出被覆層と、押出被覆層に、円周方向に均等な間隔で分散しつつ長手方向に沿って埋設された複数本の金属導線とを備え、金属導線間を円周方向に流れる電流により押出被覆層を抵抗加熱させる電熱パイプがある（特許文献１参照）。

実公平１−４１１８７号公報

しかしながら、特許文献１の電熱パイプは、繰り返し曲げると金属導線が切断しやすく、また、曲げたときに押出被覆層から金属導線が浮き上がりやすいため、継続して使用すると、押出被覆層に電流が流れにくくなるという問題が生じやすい。

本発明は、従来よりも通電性能を維持しやすい流体加熱用チューブを提供することを目的とする。

本発明の流体加熱用チューブは、長手方向に沿った流路を有する流体加熱用チューブであって、前記長手方向と交差する断面内において前記流路を外側から囲うように形成された導電発熱層と、前記導電発熱層に接触しながら前記断面内において周方向に互いに離れた位置に、それぞれ前記長手方向に沿って配設されている２以上の電極とを備え、外部から電圧を印加される各前記電極の体積抵抗率が、前記電極間を流れる電流によって発熱する前記導電発熱層の体積抵抗率よりも小さくなるよう形成されているとともに、前記導電発熱層と前記２以上の電極とが全て樹脂を含む材料で形成されていることを特徴とする。

このように、本発明の流体加熱用チューブは、従来の金属電極よりも柔軟に変形する樹脂を含む材料で電極が形成されているため、繰り返し曲げた場合でも従来よりも切断の恐れが少ない。更に、樹脂を含む材料で形成された導電発熱層と従来の金属電極との密着性よりも、共に樹脂を含む材料で形成された導電発熱層と電極との密着性の方が良好であるため、従来よりも屈曲時に電極が導電発熱層から乖離しにくくなる。その結果、従来よりも長期にわたって通電性能を維持することが可能となる。

また、前記２以上の電極は、樹脂材料に金属フィラーが分散して含有された導電性樹脂材料によって形成されていることが好ましい。これにより、電極を非金属材料の導電性樹脂で形成しながらも、電極としての機能を維持することができるといった、更なる作用効果を奏することができる。

また、前記２以上の電極を形成する前記導電性樹脂材料は、前記金属フィラーとして、繊維状または樹枝状の銀コートフィラーが分散して含有されたものであることが好ましい。このように、フィラーの形状を繊維状または樹枝状とすることで金属フィラーとしての銀コートフィラーの充填率を下げることができ、また、金属フィラーとして銀コートフィラーを用いることにより酸化劣化による導電性の低下及びコストの削減を図ることができるといった、更なる作用効果を奏することができる。

更に、前記導電発熱層の径方向の内側には、前記流路を外側から囲うように、絶縁性を有する樹脂を含む材料からなる絶縁内層が形成されていることが好ましい。流路を流れる流体が通電性を有する場合においては、このように、前記導電発熱層の径方向の内側に、前記流路を外側から囲うようにして絶縁内層を形成する事により、前記流路を流れる流体への短絡を防止できる。さらに、導電発熱層および絶縁内層をともに樹脂を含む材料で形成することにより、各層の樹脂を同時に押出して成形する同時押出し成形が可能となり、製造工程を簡略化することができ、ひいてはコストを削減することが可能となる。

本発明の流体加熱用チューブによると、導電発熱層への電極の追従性が向上し、長期にわたって通電性能を維持することができる。

一実施形態に係る流体加熱用チューブの断面図である。 （ａ）は図１に示す流体加熱用チューブと電源回路との接続関係を示す概略構成図であり、（ｂ）は（ａ）に示す接続関係の変形例を示す概略構成図である。 （ａ）は、図１に示す流体加熱用チューブの変形例を示す断面図であり、（ｂ）は、他の変形例を示す断面図である。

図１は、第１の実施形態に係る流体加熱用チューブ１の断面図である。この流体加熱用チューブ１は、例えば、尿素水供給用の配管として大型トラックにおいて使用される。ただし、流体加熱用チューブ１の用途は、流体を加熱する用途に使用されるものであれば、尿素水の加熱に限られるものではなく、トラック等の車両以外に使用されるものであってもよい。

（構成）
流体加熱用チューブ１は、長尺の管であり、長手方向のほぼ全域にわたって、当該長手方向を直交する断面が略一定の円形状をなしている。流体加熱用チューブ１は、長手方向を直交する断面をみたときに、当該断面の中心から外側に向けて絶縁内層１０、導電発熱層１１、第１の電極１２・第２の電極１３、カバー層１４の順に積層された構造を有する。なお、第１の電極１２と第２の電極１３とは、重ならずに導電発熱層１１とカバー層１４との間に配設されている。なお、長手方向を直交する断面における流体加熱用チューブ１の外周直径は４．６ｍｍであり、内周直径は３ｍｍである。

絶縁内層１０は、流体の流路を外側から囲うようにドーナツ状の断面をなし、ＥＴＦＥ（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｃｏ−ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ））のみ、または、ＥＴＦＥを主材料として形成されている。ＥＴＦＥとは、テトラフルオロエチレンとエチレンとの共重合体であり、４フッ化エチレン・エチレン共重合樹脂とも呼ばれる。絶縁内層１０の断面内側の直径は３ｍｍであり、径方向の厚みは０．４ｍｍである。絶縁内層１０は、長手方向を直交する断面中心に略円形状の流路３０を形成している。なお、絶縁内層１０は、ＥＴＦＥに限定されるものではなく、例えば、ＥＴＦＥに代えてその他のフッ素樹脂、オレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド（１１、１２、６など）、等を使用することもできる。本実施形態の絶縁内層１０は、上述したように、流路３０を流れる尿素に腐食されないようＥＴＦＥで形成されているが、尿素以外の流体が流路３０を流れる場合には、流体によって腐食しない材料で適宜形成すれば良い。

導電発熱層１１は、絶縁内層１０を介して流体の流路を外側から囲うように、当該絶縁内層１０の全てを外側から筒状に被覆するようにドーナツ状の断面をなし、導電性ポリアミド１２を材料として形成されている。導電性ポリアミド１２とは、ポリアミド１２（ＰＡ１２）にカーボンブラックを練り込んで分散させた樹脂であり、体積抵抗率はおよそ１０２Ω・ｃｍ〜１０３Ω・ｃｍである。このように、導電発熱層１１は、当該導電発熱層１１の体積抵抗率が絶縁内層１０の体積抵抗率よりも十分に小さくなるようにされている。なお、長手方向を直交する断面における導電発熱層１１の半径方向の厚さは０．４ｍｍである。なお、導電発熱層１１のベース材料となる樹脂は、柔軟性及び耐久性に優れていれば他の材料で形成されていてもよく、例えば、ポリウレタン、ポリエステルエラストマー、ポリアミド（１１、１２、６など）、ポリエチレンを使用することができる。

このように、樹脂を含む材料で導電発熱層１１を形成するとともに、同じく樹脂を含む材料からなる絶縁内層１０を当該導電発熱層１１の内側に形成することで、各層の樹脂を同時に押出して成形する同時押出し成形が可能となり、製造工程を簡略化することができ、ひいてはコストを削減することが可能となる。

第１の電極１２は、流体加熱用チューブ１の長手方向を直交する断面において導電発熱層１１の径方向外側の表面に接触し、当該流体加熱用チューブ１の長手方向に沿って線状または帯状に延設されている。第２の電極１３も、第１の電極１２と同様に、流体加熱用チューブ１の長手方向を直交する断面において導電発熱層１１の半径方向外側の表面に接触し、長手方向に沿って線状または帯状に延設されている。第１の電極１２及び第２の電極１３は、流路３０の断面中心（流体加熱用チューブ１の長手方向を直交する断面の中心）を回転対称の中心として第１の電極１２を１８０度回転させたときに第２の電極１３に重なるような位置関係で、互いに接触しないように配設されている。

第１の電極１２及び第２の電極１３は、いずれも、外部から電圧が印加されたときの長手方向における体積抵抗率が導電発熱層１１の体積抵抗率よりも小さくなるように形成されている。これにより、第１の電極１２及び第２の電極１３を、非金属材料である導電性樹脂で形成しながらも、電極としての機能を維持することが可能となる。なお、導電性樹脂材料は、樹脂材料に金属フィラーを分散することにより形成されている。第１の電極１２及び第２の電極１３を、金属フィラーが分散して含有された樹脂で形成することにより、第１の電極１２及び第２の電極１３に導電性と柔軟性とを併せ持たせることが可能となる。よって、流体加熱用チューブ１を繰り返し曲げたような場合であっても、電極が切断するおそれが少なく、また、第１の電極１２及び第２の電極１３が導電発熱層１１から乖離しにくくなるので、長期にわたって通電性能を維持することが可能となる。

第１の電極１２及び第２の電極１３は、できるだけ導電発熱層１１との接触面積が多い方が好ましい。接触面積が大きい方が全体としての接触抵抗を小さくすることができるからである。更に、第１の電極１２と第２の電極１３とは、導電発熱層１１の外周表面に沿って形成されているとともに、第１の電極１２と第２の電極１３とが接触しない程度に近接していることが好ましい。

ところで、第１の電極１２及び第２の電極１３を、ただ単に、金属フィラーが分散して含有された樹脂で形成するだけでは、第１の電極１２及び第２の電極１３に導電性と柔軟性とを併せ持たせることが現実的には難しい。なぜなら、導電性を維持するためには金属フィラーを高充填する必要が生じ、金属フィラーの充填率を高くすると、その分、柔軟性が低下してしまうからである。

ここで、フィラーの形状としては、粒状よりもアスペクト比の大きな繊維状または樹枝状のフィラーが分散して含有されたものであることが好ましい。このように、フィラーの形状を繊維状または樹枝状とすることで金属フィラーの充填率を下げることができ、電極の柔軟性を維持することが出来る。また、アスペクト比の大きい繊維状または樹枝状のフィラーを使用することで、チューブが屈曲したときにも、フィラーの接触している部位が離れにくくなることから、抵抗値の変動を小さくすることが出来る。

また、上記の金属フィラーの素材としては、銀、銅、ニッケル等が使用できる。その中で酸化等の劣化が起こっても導電性を維持できるという観点からいえば、銀を使用することが好ましい。この場合、銀を別の金属フィラー（例えば、銅フィラーやチタン酸カリウム）の表面にコートしたコートフィラーであっても、導電性を維持できるという観点からは問題はない。しかし、銀が高価であることから、銅等のフィラーの表面のみに銀をコートした銀コートフィラーを使用することが好ましい。

そこで、本実施形態では、第１の電極１２及び第２の電極１３を、繊維状または樹枝状の銀コートフィラーが分散して含有された樹脂で形成することとした。これにより、銀コートフィラーの充填率を下げることができ、第１の電極１２及び第２の電極１３に導電性と柔軟性とを併せ持たせることが可能となる。第１の電極１２及び第２の電極１３は、柔軟性及び耐熱性に優れた材料で形成されていることが好ましい。また、第１の電極１２及び第２の電極１３は、導電発熱層１１と相溶性の高い類似材料で形成されていることが好ましい。なお、例えば、導電発熱層１１のベース材料となる樹脂として、ポリウレタン、ポリエステルエラストマー、ポリエチレンを使用することができる。とくに、熱可塑性ポリウレタン（株式会社クラレ製のクラミロンＵ８１６５）に、チタン酸カリウムの繊維状金属フィラー表面に銀コートを施した繊維状銀コートフィラー（横沢金属工業株式会社のテクニパウダー）を３０ｖｏｌ％添加、混練して作成された樹脂によって、第１の電極１２及び第２の電極１３を形成することが好ましい。このように配合、混練した第１の電極１２及び第２の電極１３の体積抵抗率は、３．１９×１０-２Ω・ｃｍであった。

カバー層１４は、導電発熱層１１、第１の電極１２及び第２の電極１３の全てを外側から筒状に被覆するように、ポリアミド１２で形成されている。ポリアミド１２は、外部環境に対する耐久性が高い。カバー層１４は、外部環境に対する耐久性が高い材料で形成されていれば他の材料を使用してよく、例えば、カバー層１４としてポリウレタン、ポリエステルエラストマー、ポリエチレン、熱可塑性オレフィン系エラストマー、合成ゴムを使用することができる。

従来の流体加熱用チューブは、繰り返し曲げた場合に金属電極が切断しやすいといった問題があったが、本実施形態の流体加熱用チューブ１によると、第１の電極１２及び第２の電極１３が非金属材料である導電性樹脂で形成されているため、繰り返し曲げた場合でも、金属電極に比べて切断のおそれが少ない。

更に、本実施形態の流体加熱用チューブ１は、第１の電極１２及び第２の電極１３が非金属材料である導電性樹脂で形成されているため、従来のように電極に金属線を使用した場合よりも小さな力で変形することができる。従って、金属線を使用した従来品よりも柔軟かつ自由に変形させることができる。

また、本実施形態の流体加熱用チューブ１では、導電発熱層１１が樹脂を含む材料で形成されているため、金属線よりも、導電性樹脂で形成された第１の電極１２及び第２の電極１３のほうが導電発熱層１１に密着しやすい。従って、流体加熱用チューブ１を例えば使用により変形したとしても、第１の電極１２及び第２の電極１３が導電発熱層１１から乖離しにくくなる。すなわち、本実施形態の流体加熱用チューブ１は、電極に金属線を使用した従来品に比べて通電性能を維持しやすい。

また、第１の電極１２及び第２の電極１３は、いずれも、樹脂を含む柔らかい材料で形成されているため、導電発熱層１１及びカバー層１４を傷つけるおそれが金属線に比べて少ない。

（製造方法）
本実施形態の流体加熱用チューブ１は、絶縁内層１０、導電発熱層１１、第１の電極１２、第２の電極１３及びカバー層１４の全てを同時押出し成形することができる。第１の電極１２及び第２の電極１３が金属線ではなく導電性樹脂で形成されているため、例えば、絶縁内層１０、導電発熱層１１、第１の電極１２及び第２の電極１３を３台の押出し機を用いて同時押出しが可能となり製造工程を簡略化してコストを削減することが可能となっている。

従来のように導電発熱層１１表面に金属線を外側から取り付ける場合、導電発熱層１１を形成する工程と金属線を取り付ける工程とが別工程となる。また、従来のように導電発熱層１１内部に長手方向に沿って金属線を挿入する場合、導電発熱層１１を形成する工程と金属線を挿入する工程との２工程が必要であり、導電発熱層１１の断面半径方向における中央に金属線を精度よく挿入することは製造技術上非常に難しい。従って、従来のように金属線を電極に採用した場合には工程が多く製造が困難であるという問題ある。しかしながら、本実施形態では絶縁内層１０、導電発熱層１１、第１の電極１２、第２の電極１３及びカバー層１４が全て樹脂で形成されるため全体を１工程で形成することができる。

更に、導電発熱層１１、第１の電極１２及び第２の電極１３の材料として、同類あるいは相互の相溶性が高い材料を選択することにより押出し成形時に導電発熱層１１を第１の電極１２及び第２の電極１３に密着させて乖離しにくくすることができる。更に、流体加熱用チューブ１の全体が樹脂を含む材料で形成されていることから、絶縁内層１０、導電発熱層１１、第１の電極１２、第２の電極１３及びカバー層１４が相互に乖離する不具合が生じにくくなる。このような密着性の高さは、金属と樹脂との接触では実現できない特性である。

（使用方法）
図２（ａ）は流体加熱用チューブ１への電圧印加例を示す概略図である。流体加熱用チューブ１は、第１の端部２０から第２の端部２１へ流体を流す流路３０を備えている。図２（ａ）の例では、第１の電極１２と第２の電極１３との間に電圧を印加する電源回路２２は、第１の端部２０において第１の電極１２及び第２の電極１３に接続されている。

第１の電極１２と第２の電極１３との間に電圧が印加されると、図１に示す導電発熱層１１を通って第１の電極１２と第２の電極１３との間に電流が流れる。その結果、導電発熱層１１の抵抗によって導電発熱層１１が発熱し、流路３０を流れる流体が加熱される。

なお、図２（ｂ）は流体加熱用チューブ１への他の電圧印加例を示す概略図である。図２（ｂ）の例では、電源回路２２は、第１の端部２０において第１の電極１２に接続され、第２の端部２１において第２の電極１３に接続されている。

図２（ｂ）の例のように第１の端部２０と第２の端部２１とにそれぞれ配線を接続するよりも、図２（ａ）の例のように第１の端部２０から第１の電極１２と第２の電極１３との両方に配線を接続した方が、設置形態の自由度が高くなる。また、図２（ａ）の例では第２の端部２１に配線が接続されていないため、流体加熱用チューブ１を長手方向の途中で切断しても加熱機能を損なうことがない。

図２（ａ）の例と図２（ｂ）の例とでは発熱量にほとんど差はないが、図２（ａ）の例に比べて、図２（ｂ）の例では長手方向における導電発熱層１１の温度勾配が小さくなるため長手方向において流体を均一に加熱することができるので、長手方向における導電発熱層１１の温度勾配に均一性が要求される用途に適している。

図３（ａ）は、第２の実施形態に係る流体加熱用チューブ２の断面図である。図１に示す第１の実施形態に係る流体加熱用チューブ１は、長手方向を直交する断面外周が略真円形をなす導電発熱層１１の外側に、第１の電極１２及び第２の電極１３を配設していた。これに対し、図３（ｂ）に示す第２の実施形態に係る流体加熱用チューブ２は、導電発熱層１１に第１の電極１２及び第２の電極１３を埋め込むようにして、長手方向を直交する導電発熱層１１の断面外周が略真円形をなすように形成している。その他の構成において流体加熱用チューブ１と流体加熱用チューブ２とで相違はない。第１の電極１２及び第２の電極１３が樹脂を含む材料で形成されているため、このように、必要に応じて第１の電極１２及び第２の電極１３の配置を柔軟に選択することが可能である。

図３（ｂ）は、第３の実施形態に係る流体加熱用チューブ３の断面図である。第３の実施形態に係る流体加熱用チューブ３は、第２の実施形態に係る流体加熱用チューブ２の導電発熱層１１、第１の電極１２及び第２の電極１３を外側から筒状に被覆するとともに、長手方向に沿って延設されている。補強層１５は、共に合成繊維であるナイロンやポリエステルを筒状に編んだ構造を有する。流体加熱用チューブ２の外周面に前記補強層１５を設けることで、内部流体の圧力がより高い使用、用途にも耐える流体加熱用チューブ３とすることができる。

本発明は、上記実施形態に記載された流体加熱用チューブに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の流体加熱用チューブに適用できる。

１ 流体加熱用チューブ
２ 流体加熱用チューブ
３ 流体加熱用チューブ
１０ 絶縁内層
１１ 導電発熱層
１２ 第１の電極
１３ 第２の電極
１４ カバー層
１５ 補強層
２０ 第１の端部
２１ 第２の端部
２２ 電源回路
３０ 流路

Claims (4)

1. 長手方向に沿った流路を有する流体加熱用チューブであって、
   前記長手方向と交差する断面内において前記流路を外側から囲うように形成された導電発熱層と、
   前記導電発熱層に接触しながら前記断面内において周方向に互いに離れた位置に、それぞれ前記長手方向に沿って配設されている２以上の電極と、を備え、
   外部から電圧を印加される各前記電極の体積抵抗率が、前記電極間を流れる電流によって発熱する前記導電発熱層の体積抵抗率よりも小さくなるよう形成されているとともに、
   前記導電発熱層と前記２以上の電極とが全て樹脂を含む材料で形成されている、
   ことを特徴とする流体加熱用チューブ。
2. 前記２以上の電極は、樹脂材料に金属フィラーが分散して含有された導電性樹脂材料によって形成されている、
   請求項１に記載の流体加熱用チューブ。
3. 前記２以上の電極を形成する前記導電性樹脂材料は、前記金属フィラーとして、繊維状または樹枝状の銀コートフィラーが分散して含有されたものである、
   請求項２に記載の流体加熱用チューブ。
4. 前記導電発熱層の径方向の内側には、前記流路を外側から囲うように、絶縁性を有する樹脂を含む材料からなる絶縁内層が形成されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体加熱用チューブ。