JP2015152218A - fluid heating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発熱体を用いて流体を加熱する流体加熱装置に関する。 The present invention relates to a fluid heating apparatus that heats a fluid using a heating element.
プロセス流体や洗浄液などの流体を所定の温度まで加熱する工程は、化学プラントや食品工場等の工業用途に留まらず、商業施設等に設置されたハンドドライヤーや一般家庭に於ける温水洗浄便座に至る様々な分野で広く行われている。かかる流体の加熱工程では、熱交換のための高温の流体が利用できない場合は被加熱流体を所望の温度まで比較的すばやく加熱することが可能な抵抗発熱体による加熱方式を採用することがある。 The process of heating fluids such as process fluids and cleaning liquids to a predetermined temperature is not limited to industrial applications such as chemical plants and food factories, but leads to hand dryers installed in commercial facilities, etc., and hot water cleaning toilet seats in general households. Widely used in various fields. In such a fluid heating process, when a high-temperature fluid for heat exchange cannot be used, a heating method using a resistance heating element capable of heating the heated fluid to a desired temperature relatively quickly may be employed.
例えば特許文献1には、層状の発熱体とこれを覆う絶縁層とをセラミックス基板の一方の面上に焼成した後、もう一方の面にジグザグ状の流路を形成することで、この流路を流れる液体を効率よく加熱することを可能にしたセラミックヒータが開示されている。また、特許文献2には、パイプ状のセラミック製部材の外周面に発熱体を有するセラミック製のシートを接着層を介して巻きつけた後、焼成により一体化させたセラミックヒータが開示されている。
For example, in
昨今の環境保全や省電力に対する関心の高まりから、上記したような発熱体を用いた流体加熱装置には消費電力が小さく効率よく流体を加熱できるものが求められており、加えて高い安全性や信頼性が求められていることはいうまでもない。しかしながら、上記した特許文献1や2に示すようにセラミックス基体の表面に発熱体や絶縁層を焼成したり接着したりする構造では、これらセラミックス基体と発熱体や絶縁層との僅かな熱膨張係数差により熱応力が生じ、昇降温を繰り返しているうちに界面にクラックが生じて信頼性を損なうことがあった。
Due to the recent increase in interest in environmental conservation and power saving, fluid heating devices using heating elements such as those described above are required to be able to heat fluid efficiently with low power consumption. Needless to say, reliability is required. However, in the structure in which a heating element or an insulating layer is baked or bonded to the surface of the ceramic substrate as shown in
本発明はかかる従来の問題に鑑みてなされたものであり、昇降温が繰り返されるような条件下で使用してもクラック等の破損が生じにくく、再現性に優れた信頼性の高い流体加熱装置を提供する事を目的としている。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and is a highly reliable fluid heating device that is less likely to be damaged, such as cracks, even when used under conditions where the temperature rise and fall is repeated, and has excellent reproducibility. The purpose is to provide.
上記目的を達成するため、本発明が提供する流体加熱装置は、内部に被加熱流体の流路を備えた略直方体形状の流路形成体と、前記流路形成体の少なくとも一面に当接するヒータユニットとを有する流体加熱装置であって、前記ヒータユニットと前記流路形成体とが接着されていないことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a fluid heating apparatus provided by the present invention includes a substantially rectangular parallelepiped-shaped flow path forming body having a flow path of a fluid to be heated inside, and a heater that contacts at least one surface of the flow path forming body. A fluid heating apparatus having a unit, wherein the heater unit and the flow path forming body are not bonded to each other.
本発明によれば、昇降温が繰り返される条件下で使用しても破損しにくく、再現性に優れた信頼性の高い流体加熱装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it uses on the conditions where temperature raising / lowering is repeated, it is hard to damage and can provide the highly reliable fluid heating apparatus excellent in reproducibility.
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明の実施形態の流体加熱装置は、内部に被加熱流体の流路を備えた略直方体形状の流路形成体と、前記流路形成体の少なくとも一面に当接するヒータユニットとを有する流体加熱装置であって、前記ヒータユニットと前記流路形成体が互いに接着されていないことを特徴としている。かかる構成により昇降温が繰り返される条件下で使用しても破損しにくく、再現性に優れた信頼性の高い加熱装置を提供することができる。 First, embodiments of the present invention will be listed and described. A fluid heating apparatus according to an embodiment of the present invention includes a substantially rectangular parallelepiped-shaped flow path forming body provided with a flow path of a fluid to be heated inside, and a heater unit that contacts at least one surface of the flow path forming body. The apparatus is characterized in that the heater unit and the flow path forming body are not bonded to each other. With such a configuration, it is possible to provide a highly reliable heating apparatus that is not easily damaged even when used under conditions where the temperature rise and fall is repeated, and that is excellent in reproducibility.
上記本発明の実施形態の流体加熱装置においては、ヒータユニットが発熱体とこれを両側から挟み込む2層の電気絶縁層とを有するのが好ましい。これにより、流路形成体や後述する押さえ板に導電性材料を使用することが可能になる。また、上記本発明の実施形態の流体加熱装置においては、前記ヒータユニットを前記流路形成体に向けて押さえ付ける押さえ板が更に設けられており、前記押さえ板と前記流路形成体とが締結されているのが好ましい。これにより、より一層高い伝熱効率を達成することができる。 In the fluid heating apparatus of the embodiment of the present invention, it is preferable that the heater unit has a heating element and two electric insulating layers sandwiching the heating element from both sides. Thereby, it becomes possible to use an electroconductive material for a flow-path formation body and the pressing plate mentioned later. In the fluid heating apparatus according to the embodiment of the present invention, a pressing plate that presses the heater unit toward the flow path forming body is further provided, and the pressing plate and the flow path forming body are fastened. It is preferable. Thereby, much higher heat transfer efficiency can be achieved.
また、上記本発明の実施形態の流体加熱装置においては、前記2層の電気絶縁層のうち、前記流路形成体に当接する側の電気絶縁層の熱伝導率がもう一方の電気絶縁層の熱伝導率に比べて大きいのが好ましい。これにより、発熱体で発生させた熱量の損失を抑えることが可能になる。また、上記本発明の実施形態の流体加熱装置においては、前記ヒータユニットが前記流路形成体において互いに反対側に位置する2つの面に1つずつ配置されており、これらヒータユニットは各々が有する発熱体から前記流路までの最短距離が略同等であるのが好ましい。これにより、極めてすばやく被加熱流体を加熱することが可能になる。 In the fluid heating device according to the embodiment of the present invention, the thermal conductivity of the electrical insulating layer on the side in contact with the flow path forming body out of the two electrical insulating layers is that of the other electrical insulating layer. It is preferably larger than the thermal conductivity. Thereby, it is possible to suppress a loss of heat generated by the heating element. Moreover, in the fluid heating apparatus of the embodiment of the present invention, the heater units are arranged one by one on two surfaces located on opposite sides of the flow path forming body, and each of these heater units has. It is preferable that the shortest distance from the heating element to the flow path is substantially the same. This makes it possible to heat the heated fluid very quickly.
次に、図1を参照しながら本発明の流体加熱装置の一具体例について具体的に説明する。この図1に示す流体加熱装置は、内部に被加熱流体の流路Cを備えた矩形板状の流路形成体1と、該流路形成体1と略同じ平面視形状を有し、該流路形成体1の被加熱面1aにほぼ全面に亘って当接する矩形板状のヒータユニット2と、これら流路形成体1及びヒータユニット2と略同じ平面視形状を有し、ヒータユニット2を流路形成体1に向けて押さえつける矩形板状の押さえ板3とを有している。
Next, a specific example of the fluid heating apparatus of the present invention will be specifically described with reference to FIG. The fluid heating apparatus shown in FIG. 1 has a rectangular plate-like flow
ヒータユニット2は、所定の回路パターンに形成された層状の抵抗発熱体21と、該抵抗発熱体21を両面から挟み込んで電気的な絶縁を確保する第1絶縁層22a及び第2絶縁層22bとで構成される。これら流路形成体1、ヒータユニット2、及び押さえ板3からなる流体加熱装置は、後述するボルトなどの結合手段で結合された状態のまま使用することができるが、設置環境に応じ、容器等の保護手段内に収納した状態で使用することが出来る。
The
以下、上記した加熱装置の各構成要素について具体的に説明する。流路形成体1の材質は、流路内で主に流れる流体の種類や温度・圧力などの運転条件、流体加熱装置の設置環境等を考慮して適宜選定されるが、一般的には伝熱効率の観点から熱伝導率が高い材料を使用するのが好ましい。このような、熱伝導率が高い材料としては、例えば銅やアルミニウムなどの金属、炭化珪素や窒化アルミニウムなどのセラミックス、又はこれらの少なくとも1種類を含む例えばSi−SiC、Al−SiCなどのセラミックス複合体を挙げることができる。
Hereinafter, each component of the heating device described above will be specifically described. The material of the flow
これらのうち、金属は汎用的で作製が容易である上、セラミックスに比べて高い熱伝導率を有しているのでコストパフォーマンスに長けている。しかし、金属はセラミックスに比べてヤング率が低いので、使用温度によってはヒータユニットが配される側の面の平坦性を維持するため分厚くするか、あるいは金属製の流路形成体1が熱により反りを生じてもヒータユニット2との良好な密着性を維持すべく後述するように流路形成体1とヒータユニット2との間に柔軟性を有する電気的絶縁シートを介在させるのが好ましい。
Among these, metals are general-purpose and easy to produce, and have a high thermal conductivity compared to ceramics, so they are excellent in cost performance. However, since the Young's modulus of metal is lower than that of ceramics, depending on the operating temperature, the metal flow
一方、セラミックスは機械加工精度に優れる上、剛性(ヤング率)に優れるので、ヒータユニット2が当接する側の面の平坦性を良好に保つことが出来る。また、板厚を薄くしても変形しないので流路形成体1を小型化でき、これにより装置自体の熱容量を小さくできるので運転停止状態にある流体加熱装置を立ち上げる時や、設定温度を変更する時にすばやく定常状態に移行させることができる。
On the other hand, ceramics are excellent in machining accuracy and excellent in rigidity (Young's modulus), so that the flatness of the surface on which the
特に、熱伝導率の高いセラミックス材を選定することで、上記したようにヒータユニット2が当接する側の面の平坦性や小さな熱容量を維持しながら、被加熱流体への伝熱性能を向上させることができ、急激な温度変化による熱衝撃が生じても割れ、クラック、変形などの問題が生じにくくなる。なお、セラミックスの場合は、熱衝撃に対する耐性を考慮して熱膨張係数の低い材料を選定することがより好ましい。
In particular, by selecting a ceramic material having a high thermal conductivity, the heat transfer performance to the fluid to be heated is improved while maintaining the flatness and small heat capacity of the surface on which the
流路形成体1のサイズ及びその内部に設けられる流路Cの本数や形状は、該流路C内を流れる被加熱流体の物性、流量、入口及び出口温度等の運転条件に応じて適宜定められる。図1には矩形板状の流路形成体1の厚み方向の中央部に、長手方向に延在する2本の同じ内径の流路Cが2本貫通している例が示されている。図2に示すように、各流路Cの両開口部には例えばテフロン製の短管4などの継手類を溶着等により接続することにより出入口(タップとも称する)を形成するのが好ましく、これにより被加熱流体の供給源からの配管や、被加熱流体のユースポイントまでの配管を簡易に流路Cに接続することができる。
The size of the flow
流路形成体1の流路は図1に示す直線状に限定されるものではなく、例えば図3に示すように、流路形成体11の内部にその被加熱面に平行な面上で蛇行する1本の流路Cを形成してもよい。このような蛇行する流路Cは、例えば2枚の略同形状で且つ同材質の板状部材を用意し、それらの一方の片面に蛇行する断面矩形の溝を形成し、この溝形成面を覆うようにもう一方の板状部材を重ね合わせて接合すればよい。その後、上記した流路形成体1と同様に流路の両開口部に各々短管や継手類を取り付けることで流路Cの出入口を形成することができる。このように、蛇行する流路Cを設けることにより、図1に比べて流路の長さを長くできるので、より高い温度まで被加熱流体を昇温することができる。なお、流路の壁面の加工粗度を粗くすることで流路内を被加熱流体が乱流状態で流れるようにすることが可能になり、熱効率をより一層高めることが可能になる。
The flow path of the flow
再度図1に戻ると、抵抗発熱体21で発生した熱は速やかに流路形成体1の流路Cに伝熱するのが望ましいので、流路形成体1の被加熱面1aに当接する第1絶縁層22aには、高い熱伝導率を有する材料を用いるのが好ましい。具体的には、第1絶縁層22aの熱伝導率は1W/(m・K)以上であるのが好ましく、3W/(m・K)以上であるのがより好ましい。なお、熱伝導率の高い窒化硼素、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカなどのフィラーを含有させることにより熱伝導率をより一層高めることが可能になる。第1絶縁層22aに使用する材料は、更に柔軟性を有しているのが好ましい。熱膨張や熱収縮により流路形成体1に反りが生じても、柔軟性を有する第1絶縁層22aが自在に変形することで流路形成体1とヒータユニット2との間の空隙の形成を防止することができるからである。
Returning again to FIG. 1, it is desirable that the heat generated in the
抵抗発熱体21は両端の電極部を介して供給される電気を導電線に流すことによりジュール熱を発生させるものであり、ステンレスやニッケル−クロム箔をエッチング加工等によりパターニングすることで作製することができる。図1には一対の電極の間で一様に蛇行する回路パターンを有する抵抗発熱体21が示されているが、抵抗発熱体は図1に示すような回路パターンに限定されるものではなく、図4(a)に示すような不規則に蛇行する回路パターンでもよい。
The
また、図4(b)に示すように、左右非対称な回路パターンにして面内での発熱密度を被加熱流体の出口側よりも入口側が高くなるようにしてもよい。これにより、出口側よりも低温の被加熱流体が流れる入口側において抵抗発熱体21からの発熱量をより多くすることができるので、効率よく加熱することができる。このような局所的に異なる発熱密度の設計は、上記したように1つの発熱体回路内で導電線のピッチを変えたり導電線の断面積を変えたりすることで行ってもよいし、例えば入口側領域と出口側領域のように、面内を複数の領域に分けて各領域ごとに発熱量の異なる発熱体回路を設けてもよい。このように複数の領域に分ける場合は、分割した領域毎に後述する温度センサーを設けて個別に温度制御を行うのが好ましい。なお、図4(a)、(b)には、一点鎖線で示す温度センサーの設置場所を避けるように形成された回路パターンが示されている。
Further, as shown in FIG. 4B, the heat generation density in the plane may be made higher on the inlet side than on the outlet side of the fluid to be heated by making the circuit pattern asymmetrical. As a result, the amount of heat generated from the
抵抗発熱体は単層ではなく複数層設けてもよい。例えば制御機器の電気仕様の制約や装置のサイズが小さい等のスペース上の制約がある場合は、2つの層状の抵抗発熱体を電気的絶縁シートを挟んで重ね合わせ、それらの一端部同士を接続すると共に他端部を電力供給端子にすることで1つの直列回路を形成することができる。この様にすれば、例えば1mm未満の厚みの中に複数の発熱体層を配置でき、制御機器の電気仕様とのマッチングも可能となる。 A plurality of resistance heating elements may be provided instead of a single layer. For example, when there are restrictions on the electrical specifications of the control equipment or space restrictions such as the size of the device being small, two layered resistance heating elements are stacked with an electrical insulation sheet sandwiched between them, and their one ends are connected to each other In addition, one series circuit can be formed by using the other end as a power supply terminal. In this way, for example, a plurality of heating element layers can be disposed within a thickness of less than 1 mm, and matching with the electrical specifications of the control device is also possible.
上記した2枚の発熱体層の間に介在させる電気的絶縁シートは、前述した第1絶縁層22aと同様に加熱時や冷却時に速やかに熱が伝わるように、互いに当接する層同士の間に空隙が生じないように配置することが重要である。上記した層間に空隙が存在していると、発熱体層の加熱時にこの空隙内の空気が膨張し、発熱体層の剥離や絶縁破壊の原因になったり、被加熱流体が流れていない状態と同様の状態となり異常発熱の原因になったりする。
The electrical insulating sheet interposed between the two heating element layers described above is provided between the layers in contact with each other so that heat can be transferred quickly during heating and cooling, similar to the first insulating
上記した抵抗発熱体21の発熱量は、流路形成体1に設けた温度センサー(図示せず)に基づいて温度制御するのが好ましい。温度センサーには測温抵抗体を用いることが好ましい。測温抵抗体は、例えば絶縁セラミック基体の平面上に白金抵抗体を蒸着等により形成し、得られた白金抵抗体を所定の抵抗値に調整した後、その電極パッド部にボンディング等の手段でリード線を接続し、白金抵抗体及びパッド部を絶縁膜で覆うことにより作製することができる。かかる構造により測温素子を小型化できるので素子の熱容量を小さくでき、温度応答性を高めることができる。
The amount of heat generated by the
温度センサーは接着剤を用いて接着してもよい。このような接着剤には、シリコーンやエポキシ等の有機系樹脂を主成分としたものや、セラミック粒等の無機材料とバインダ成分とを組み合わせたものを利用することが出来る。特にシリコーン樹脂を主成分とした接着剤は、流体加熱に必要な温度帯に耐える耐熱性を有し且つ弾力性を有することから、測温素子と周辺部材の僅かな熱膨張量差を吸収し得るため好適である。 The temperature sensor may be bonded using an adhesive. As such an adhesive, a material mainly composed of an organic resin such as silicone or epoxy, or a combination of an inorganic material such as ceramic particles and a binder component can be used. In particular, the adhesive mainly composed of silicone resin has heat resistance and elasticity to withstand the temperature range required for fluid heating, and thus absorbs a slight difference in thermal expansion between the temperature measuring element and peripheral members. It is suitable for obtaining.
温度センサーを設置する際、その測温素子の平面部分が全面に亘って流路形成体の平面部に当接するように設置することが望ましく、これにより、より広い接触面積が確保できるので良好な温度応答性が得られる。なお、コスト上の観点から流路形成体には加工を施さず、その被加熱面に配置するヒータユニットや押さえ板側に測温素子に合わせた形状、サイズでくり抜きを設けるのが好ましい。 When installing the temperature sensor, it is desirable to install the temperature sensor so that the flat surface portion of the temperature measuring element is in contact with the flat surface portion of the flow path forming body over the entire surface. Temperature response is obtained. From the viewpoint of cost, it is preferable not to process the flow path forming body, but to provide a cutout with a shape and a size suitable for the temperature measuring element on the heater unit and the holding plate side arranged on the heated surface.
測温抵抗体に接続したリード線を伝って僅かに逃げる熱量が問題になる場合は、リード線の一部を流路形成体または押さえ板の表面に接着剤等を用いて接触または近接させるのが好ましい。これによりリード線からの熱逃げの量を減らすことができるので、検知温度と実際温度との乖離が熱容量の小さな測温素子部の測定値に悪影響を及ぼすのを抑えることができる。なお、上記接触または近接に際しては、可能な限りその接触または近接させる距離を長くとることが好ましい。 If the amount of heat that escapes slightly through the lead wire connected to the resistance temperature detector becomes a problem, a part of the lead wire is brought into contact with or close to the surface of the flow path forming body or holding plate using an adhesive or the like. Is preferred. As a result, the amount of heat escape from the lead wire can be reduced, so that the difference between the detected temperature and the actual temperature can be prevented from adversely affecting the measured value of the temperature measuring element unit having a small heat capacity. In the above contact or proximity, it is preferable to make the contact or proximity distance as long as possible.
抵抗発熱体21で発生した熱量はできるだけ損失を少なくして被加熱流体に供給するのが望ましいため、第2絶縁層22bは第1絶縁層22aよりも熱伝導率が低い材質、すなわち熱抵抗となる材質を選定することが好ましい。具体的には、第1絶縁層22aに前述したように1W/(m・K)又はそれより高い熱伝導率を有する伝熱性に優れた電気的絶縁シートを選定する場合は、第2絶縁層22bには熱伝導率1W/(m・K)未満の断熱性を有する電気的絶縁シートを選定する。
Since it is desirable that the amount of heat generated in the
その様な断熱性を有する電気的絶縁シートとしては、例えばシリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、マイカ等を挙げることができる。シリコーン樹脂は柔軟性があるので前述したように空隙による異常発熱を回避することができる。また、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、及びマイカは上記した流路側とは反対側の押さえ板側への伝熱に対して断熱材として作用しながら、200℃を超える温度域であっても特に問題なく用いることができる。更にフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、又はマイカで形成したシートの場合は熱伝導率が低いことに加えて、表面が離型性に優れた特性を備えるので、後述する熱膨張係数差による面方向の相対的な移動の際に摺動させることが可能になる。 Examples of such an electrically insulating sheet having heat insulation include silicone resin, fluorine resin, polyimide resin, mica, and the like. Since the silicone resin is flexible, abnormal heat generation due to voids can be avoided as described above. In addition, fluororesin, polyimide resin, and mica function as a heat insulating material against heat transfer to the holding plate side opposite to the flow path side, and there is no particular problem even in a temperature range exceeding 200 ° C. Can be used. Furthermore, in the case of a sheet made of fluororesin, polyimide resin, or mica, in addition to low thermal conductivity, the surface has excellent releasability, so that relative to the surface direction due to the difference in thermal expansion coefficient described later Can be slid during a typical movement.
押さえ板3の材質は、汎用的で安価な金属が好ましい。この場合、流路形成体1と同じ材質であれば熱膨張係数が合致するので好適である。上記した第1絶縁層22a、抵抗発熱体21、及び第2絶縁層22bを有するヒータユニット2は、流路形成体1と押さえ板3とをボルトナットやネジ留めなどの結合手段で結合することで一体化させる。具体的には、流路形成体1及び押さえ板3の両方に厚み方向に貫通する貫通孔を設け、各貫通孔にボルト5を挿通してその先端部をナット6で締め付けることにより締結することができる。なお、ヒータユニット2の平面視形状が流路形成体1及び押さえ板3と略同等の場合は、ヒータユニット2にも対応する位置に貫通孔を設けることが必要になる。
The material of the
あるいは、図5に示すように、押さえ板3及び流路形成体1のうちの何れか一方に厚み方向に貫通する貫通孔を設けると共に、もう一方に該貫通孔に対応する雌ネジを設け、各貫通孔に雄ネジ7を挿通して雌ネジに螺合することで締結してもよい。このように、ネジやボルトナットなどの結合手段で結合する場合は、流路形成体1と押さえ板3の熱膨張係数差や立ち上げ時での厚み方向での温度勾配等により当接面方向に相対的に移動することがあるので、上記した貫通孔の内径は、この相対的な移動分を考慮して余裕を持った大きさにするのが好ましい。これにより、変形や割れ等の問題を防ぐことができる。
Alternatively, as shown in FIG. 5, a through hole that penetrates in the thickness direction is provided in one of the
本発明の一具体例の流体加熱装置では、上記した流路を備えた流路形成体1と、その表面に当接するヒータユニット2と、ヒータユニット2に当接する押さえ板3とは、互いの当接面において接着されていないことを特徴としている。ここで接着されていないとは、接着剤などの接着層を介して接合させる場合のみならず、溶着、融着、焼成による固着などの化学的に接合させる手段が含まれる。すなわち、接着によりヒータユニット2及び流路形成体1や、ヒータユニット2及び押さえ板3を一体化させると、互いの熱膨張係数差や厚み方向の温度勾配により昇降温を繰り返しているうちに界面で剥離や割れ等の不具合を生じ、流体を加熱する能力が低下するおそれがある。
In the fluid heating apparatus of one specific example of the present invention, the flow
これに対して、流路形成体1とヒータユニット2との間や、押さえ板3とヒータユニット2との間を互いに接着することなく単に重ね合わせる構造であれば、互いの熱膨張差により当接面方向に相対的に移動する力が働いても当接する部材によって当該移動が拘束されることなく、自在に摺動させることが可能になる。その結果、昇降温が繰り返されても熱応力によりクラック等の破損が生ずることなくなり、再現性に優れた信頼性の高い流体加熱装置を提供することが可能となる。
On the other hand, if the structure is such that the flow
以上、本発明の流体加熱装置について具体例を挙げて説明したが、本発明は係る具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲の種々の態様で実施可能である。例えば図6に示すように、第1絶縁層22a、抵抗発熱体21、及び第2絶縁層22bからなるヒータユニット2を流路形成体1の両面に配置してもよい。
As mentioned above, although the specific example was given and demonstrated about the fluid heating apparatus of this invention, this invention is not limited to the specific example which concerns, It can implement in the various aspect of the range which does not deviate from the main point of this invention. For example, as illustrated in FIG. 6, the
図1に示すようにヒータユニット2を片面だけに配置した場合は、流体加熱装置の設置環境等によっては外気や周辺部材への熱放散による熱効率の悪化が懸念されるが、両面にヒータユニット2を配置した場合は、流路形成体1の両側から加熱するため極めて効率よく被加熱流体を加熱することができる。この場合は、流路形成体1の表裏面に同じ構成のヒータユニット2をシンメトリに配置することで、構成部品の種類を増やすことなく安価に熱効率の高い加熱装置を製造することが出来る。
When the
また、回路パターンの隣接する導電線間には空隙が生じやすく、この空隙が熱抵抗の原因になり得るため、この空隙及び必要に応じて絶縁シートと抵抗発熱体との間を接着成分で充填してもよい。この空隙は上述した柔軟な絶縁シートで充填することが出来れば良いが、パターンのライン&スペースが密になればなるほど、その実現は困難となるからである。 In addition, gaps are likely to occur between adjacent conductive lines in the circuit pattern, and these gaps can cause thermal resistance. Therefore, the gap and between the insulating sheet and the resistance heating element are filled with an adhesive component if necessary. May be. This gap is only required to be filled with the above-described flexible insulating sheet. However, the denser the line and space of the pattern, the more difficult it becomes.
上記接着成分には、熱可塑あるいは熱硬化性ポリイミド樹脂を含有したフィルム、ワニスなどが有効である。これらを絶縁シートとパターン間に配置して最適な温度、圧力条件で熱圧着することで、良好な熱接触を維持したヒータ層を製造することが出来る。この場合、同材質の絶縁フィルムに覆われたヒータ層となり、僅かに表面に発熱パターン経路に沿った凹凸が生じるため、流路形成体との間には柔軟な熱伝導性シートを、押さえ板との間には断熱となる様なシートを配置することが好ましい。 As the adhesive component, a film or varnish containing a thermoplastic or thermosetting polyimide resin is effective. By arranging these between the insulating sheet and the pattern and thermocompression bonding under optimum temperature and pressure conditions, a heater layer maintaining good thermal contact can be manufactured. In this case, the heater layer is covered with an insulating film of the same material, and unevenness along the heat generation pattern path is slightly formed on the surface. Therefore, a flexible heat conductive sheet is placed between the flow path forming body and the pressing plate. It is preferable to arrange a sheet for heat insulation.
また、面状の抵抗発熱体を例えば金属箔をエッチング加工することで作製する場合、隣接する導電線間の金属箔を完全に除去するのではなく、当該発熱体の回路とは電気的に絶縁した状態で残しておいてもよい。これにより、抵抗発熱体の回路と同素材及び同厚みの材質を用いて上記空隙を充填することができるので好ましい。また、流路形成体と押さえ板とをネジ留め等で機械的に結合する際、当該ネジ留め用の貫通孔の周辺に上記したような回路とは電気的に絶縁した金属箔層を設けておくことで、抵抗発熱体層の厚みをほぼ全面に亘って均一にできるので、ネジ留めの際の軸方向の締め付け力による流路形成体や押さえ板の変形を防止することができる。 Further, when a planar resistance heating element is manufactured by, for example, etching a metal foil, the metal foil between adjacent conductive wires is not completely removed, but is electrically insulated from the circuit of the heating element. You may leave it in the state. This is preferable because the gap can be filled with the same material and the same thickness as the circuit of the resistance heating element. In addition, when the flow path forming body and the pressing plate are mechanically coupled by screwing or the like, a metal foil layer that is electrically insulated from the circuit as described above is provided around the screwing through hole. Since the thickness of the resistance heating element layer can be made uniform over almost the entire surface, deformation of the flow path forming body and the pressing plate due to the axial tightening force at the time of screwing can be prevented.
[実施例1]
図1に示すような流体加熱装置を作製して被加熱流体としての水を加熱する試験を行った。具体的には、先ず流路形成体用の材料として、銅(Cu)、窒化アルミニウム(AlN)、及び炭化珪素(SiC)でそれぞれ形成された縦30mm×横90mm×厚み8mmの板状部材を3枚用意し、各々の厚み方向中央部に長手方向に延在する内径3mmの流路を2本貫通して流路を形成した。各流路の両開口部にそれぞれ短管を取り付けて流体の出入口を設けた。
[Example 1]
A fluid heating apparatus as shown in FIG. 1 was produced and a test for heating water as a fluid to be heated was performed. Specifically, first, as a material for the flow path forming body, a plate-like member having a length of 30 mm × width of 90 mm × thickness of 8 mm formed of copper (Cu), aluminum nitride (AlN), and silicon carbide (SiC), respectively. Three sheets were prepared, and a flow path was formed by penetrating two flow paths with an inner diameter of 3 mm extending in the longitudinal direction at the center of each thickness direction. Short pipes were attached to both openings of each channel to provide fluid inlets and outlets.
このようにして得た3種類の流路形成体の各々の片面に当接させるヒータユニットとして、第1絶縁層には流路形成体と縦及び横の長さが同じで厚み0.5mmのフィラー入りシリコーンシートを使用し、抵抗発熱体には厚さ20μmのステンレス箔に面内で粗密差のない回路パターンとなるようにエッチング加工した均一な発熱密度有する発熱体層を使用し、第2絶縁層には厚み50μmのポリイミドを使用した。また、押さえ板として、流路形成体と縦及び横の長さが同じで厚み1mmのステンレス板を使用した。そして、これらを図1に示す順序で重ね合わせてボルトナットで締結した。 As a heater unit to be brought into contact with one side of each of the three types of flow path forming bodies thus obtained, the first insulating layer has the same vertical and horizontal length as the flow path forming body and a thickness of 0.5 mm. Using a silicone sheet with a filler, a resistance heating element using a heating element layer having a uniform heating density etched into a 20 μm-thick stainless steel foil so as to form a circuit pattern with no roughness difference in the surface, For the insulating layer, polyimide having a thickness of 50 μm was used. In addition, a stainless steel plate having the same vertical and horizontal length as the flow path forming body and a thickness of 1 mm was used as the pressing plate. These were superposed in the order shown in FIG. 1 and fastened with bolts and nuts.
次に、流路形成体の表面に温度センサーを接着剤を用いて固定し、抵抗発熱体の両端部に給電ケーブルを取り付けた。このようにして、試料1〜3の流体加熱装置を作製した。また、比較のため、第1絶縁層にフィラーを含まないシリコーンシートを使用し、第2絶縁層にシリコーンシートを使用し、流路形成体とヒータユニットとの間を接着した以外は試料1と同じように作製した試料4の流体加熱装置と、第1絶縁層を使用せず、第2絶縁層にガラスを使用し、流路形成体とヒータユニットとの間を接着した以外は試料2と同じように作製した試料5の流体加熱装置とを作製した。これら試料1〜5の流体加熱装置の主な機器仕様を下記表1に示す。
Next, a temperature sensor was fixed to the surface of the flow path forming body using an adhesive, and power feeding cables were attached to both ends of the resistance heating element. In this manner, fluid heating devices of
これら試料1〜5の流体加熱装置の流路形成体の流路に被加熱流体として20℃に温度管理された水を0.5L/minの流量で導入しながら、温度センサーでの温度が室温から100℃まで昇温するように抵抗発熱体に給電した後、給電を停止してそのまま20℃の水による熱交換で温度降下させた。このヒートサイクルを1サイクルとして1000サイクル繰り返した。そして、1000サイクル繰り返した後、1サイクル目と同じ条件で水を加熱した。このヒートサイクル試験の際、流体加熱装置の出入口の水温、及び1000サイクル後の装置の外観を致命的な欠陥の有無の観点から確認した。その結果を下記表2に示す。
While introducing water at a temperature of 20 L as a fluid to be heated into the flow path forming body of the fluid heating apparatus of
上記表2からわかるように、比較例である試料4及び5では、板状の流路形成体の熱伝導率は試料4の方が高いものの、熱容量が試料5の方が小さく、温度上昇は試料5の方が早い結果となった。また、出口側の水温も試料5の方が高い結果となった。また、ヒートサイクル経過後の外観を詳細に確認すると、何れも板状の流路形成体の変形や、流路形成体と絶縁シート(コート)の接着界面の剥離、クラックが確認された。その状態で再度同様の昇温試験を行った結果、何れもヒートサイクル前に確認した昇温時の性能結果に劣る結果となった。
As can be seen from Table 2 above, in
これは、当接する部材同士が接着されているため、例え同材質であっても設置環境による温度差から生じる僅かな熱膨張量差の影響により、接着界面が剥離したりクラックが生じたりし、その結果、抵抗発熱体が発した熱量を流路形成体の被加熱流体に良好に伝えることができなかったためと考えられる。 This is because the abutting members are bonded to each other, so even if the same material is used, the adhesive interface peels off or cracks occur due to the slight difference in thermal expansion caused by the temperature difference depending on the installation environment. As a result, it is considered that the amount of heat generated by the resistance heating element could not be transferred well to the heated fluid of the flow path forming body.
一方、試料1〜3では何れも1000回のヒートサイクルを経過しても外観異状は認められず、性能も初期と同等の数値を示し、信頼性の高い流体加熱装置であることが実証された。また、第1絶縁層と第2絶縁層の熱伝導率の関係から、発熱体が発した熱量が押さえ板側でなく、流路形成体側に熱伝達されたことにより、例えば試料1と試料4の初期性能差に認められる様に、熱ロスの少ない省エネ流体加熱装置であることも実証された。
On the other hand, in
[実施例2]
上記した実施例1の試料1〜3の流体加熱装置に対して、各々ヒータユニットを流路形成体の片面に代えて両面に当接させてボルトナットで締結した以外は実施例1と同様にして試料1a〜3aの流体加熱装置をそれぞれ作製した。そして、これら試料1a〜3aの流体加熱装置に対して実施例1と同様のヒートサイクル試験を行った。この結果を下記表3に示す。
[Example 2]
For the fluid heating devices of
上記表3からわかるように、実施例1に比べて実施例2では初期性能が向上し、また1000回のヒートサイクルが経過しても初期と同等の性能が得られることが分かった。先述の通り、片側からだけの加熱では抵抗発熱体で発生させた熱量が一部外気に熱放散する熱ロスがあることが予測されるが、両面からの加熱にし、またその構成をシンメトリにすることで発生した熱量を効率的に流路側に熱伝達出来たためであると考えられる。 As can be seen from Table 3 above, it was found that the initial performance was improved in Example 2 as compared to Example 1, and that the same performance as in the initial stage was obtained even after 1000 heat cycles. As mentioned above, it is predicted that there will be a heat loss in which the amount of heat generated by the resistance heating element is partially dissipated to the outside air by heating from only one side, but the heating is performed from both sides and the configuration is made symmetrical. This is probably because the amount of heat generated can be efficiently transferred to the channel side.
[実施例3]
上記した実施例2の試料1a〜3aの流体加熱装置に対して、抵抗発熱体の回路パターンを中心から流体入口側の発熱密度分布を、中心から流体出口側の発熱密度分布に比較して凡そ1.5倍となるように回路パターンを作製して組み込んだ以外は実施例2と同様にして試料1b〜3bの流体加熱装置をそれぞれ作製した。そして、これら試料1b〜3bの流体加熱装置に対して実施例1と同様のヒートサイクル試験を行った。この結果を下記表4に示す。
[Example 3]
Compared with the fluid heating device of the
実施例2に比べて実施例3では更に初期性能が向上し、また1000回のヒートサイクル経過後も初期と同等の性能が得られることが分かった。温度の低い流体入口側の発熱密度を、受熱により温度が高くなる流体出口側の発熱密度に比較して高く設計することで、流体入口側の流体温度とヒータ温度の差を大きくしたことにより熱効率が向上したものと考えられる。 It was found that the initial performance was further improved in Example 3 as compared to Example 2, and that the same performance as in the initial stage was obtained after 1000 heat cycles. By designing the heat generation density at the low fluid inlet side higher than the heat generation density at the fluid outlet side where the temperature increases due to heat reception, the difference between the fluid temperature on the fluid inlet side and the heater temperature is increased, resulting in higher thermal efficiency. Is considered to have improved.
1、11 流路形成体
1a 被加熱面
2 ヒータユニット
3 押さえ板
4 短管
5 ボルト
6 ナット
7 雄ネジ
21 抵抗発熱体
22a 第1絶縁層
22b 第2絶縁層
C 流路
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