JP2020061308A - ヒータ装置およびそれを用いた流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックヒータの表面を保護しつつ、被加熱物への熱伝導率が高く均一に加熱することができるヒータ装置およびそれを用いた流体加熱装置を提供する。【解決手段】ケース部材３にセラミックヒータ２が挿嵌されてなるヒータ装置１において、ケース部材３とセラミックヒータ２との間にペースト状の伝熱セメントＭを充填させて形成されるセメント硬化体層４を有してなり、セメント硬化体層４にて、セラミックヒータ２の表面が被覆されるとともに、セラミックヒータ２及びケース部材３が固定される。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒータ装置およびそれを用いた流体加熱装置の技術に関し、より詳細には、ケース部材にセラミックヒータが挿嵌されてなるヒータ装置およびそれを用いた流体加熱装置に関する。

従来、セラミックヒータは、シーズヒータに比べて小型で長寿命であるという特徴を有しているが、他方、外部からの物理的な衝撃に弱く、また、セラミックヒータを直接流体中で使用した際には、気泡や液体中の異物が表面（セラミック層）に付着することで当該部分の温度が高まり、熱応力や熱衝撃によって表面にヒビが入り、場合によってはセラミックヒータ自体が割れてしまうという問題があった。

かかる観点から、セラミックヒータの表面が露出しないように、金属等のケース部材にセラミックヒータを嵌挿してなるヒータ装置の構成が提案されている。例えば、特許文献１には、筒状の金属製ケース（ケース部材）に棒状のセラミックヒータを嵌挿して覆い、金属製ケースとセラミックヒータとの間に金属粉末等からなる絶縁粉体を充填してなるヒータ装置の構成が開示されている。また、特許文献２には筒状の金属製ケース（ケース部材）に棒状のセラミックヒータを嵌挿して覆い、金属製ケースとセラミックヒータとの間に金属粉末を焼結及び／又は溶融させて形成される金属体層を有してなるヒータ装置の構成が開示されている。

しかしながら、上述した特許文献１及び特許文献２に開示される従来のヒータ装置の構成では、何れもケース部材とセラミックヒータとの間に金属粉末を充填させる構成であったため、充填時の粉体の挙動や、ケース部材への充填量を一定にコントロールすることが難しく、その結果、ケース部材の表面にて温度ムラや温度勾配が生じて均一な温度分布を得ることができず、被加熱物を均一に加熱することが困難であるという問題があった。また、ケース部材への金属粉末の充填密度が低いと、ヒータ装置における熱伝達効率がケース部材とセラミックヒータとの間の金属粉末の充填密度に影響されることから、セラミックヒータにて直接加熱する構造と比べて反って被加熱物への熱伝導率が低下してしまう恐れがあるという問題があった。

特開平１０−２４７５８４号公報 特開２０１７−１９９５１５号公報

そこで、本発明では、ヒータ装置およびそれを用いた流体加熱装置に関し、前記従来の課題を解決するもので、セラミックヒータの表面を保護しつつ、被加熱物への熱伝導率が高く均一に加熱することができるヒータ装置およびそれを用いた流体加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、請求項１においては、ケース部材にセラミックヒータが挿嵌されてなるヒータ装置において、前記ケース部材と前記セラミックヒータとの間にペースト状の伝熱セメントを充填させて形成されるセメント硬化体層を有してなり、前記セメント硬化体層にて、前記セラミックヒータの表面が被覆されるとともに、前記セラミックヒータ及び前記ケース部材が固定されるものである。

請求項２においては、前記伝熱セメントは、熱伝導率が７〜１２ｋｃａｌ／ｍｈ℃のセメント複合材料が用いられるものである。

請求項３においては、前記伝熱セメントは、副材として銅粉及び鉄粉から選ばれる少なくとも一種の金属粉を含むものである。

請求項４においては、前記ケース部材は、ステンレス鋼より形成されるものである。

請求項５においては、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のヒータ装置を用いた流体加熱装置である。

本発明の効果としてセラミックヒータの表面を保護しつつ、被加熱物への熱伝導率が高く均一に加熱することができる。

本発明の一実施例に係るヒータ装置の全体的な構成を示した側面図である。 図１のヒータ装置の縦断面図である。 図１のヒータ装置の水平断面図である。 ヒータ装置の製造工程を示したフローチャートである。 ヒータ装置の製造工程を説明した断面図である。 図１のヒータ装置を用いた流体加熱装置の正面図である。 図６の流体加熱装置の一部断面図である。

次に、発明を実施するための形態を説明する。

まず、本実施例のヒータ装置１の構成について、以下に説明する。
図１乃至図３に示すように、本実施例のヒータ装置１は、ケース部材３にセラミックヒータ２が挿嵌されて形成されるヒータ装置であって、具体的には、セラミックヒータ２が嵌挿された筒状のケース部材３と、セラミックヒータ２とケース部材３との間にペースト状の伝熱セメントＭを充填させて形成されるセメント硬化体層４と、を有してなり、セメント硬化体層４にてセラミックヒータ２の外面及び下面が被覆されるとともに、セラミックヒータ２及びケース部材３が固定される。

セラミックヒータ２は、断面円形の円柱状に形成された公知のセラミックス製のヒータとして構成されている。セラミックヒータ２は、図示せぬタングステン等の高融点金属からなる電熱線（発熱体）が埋設されており、電熱線の両端部にリード５・５がそれぞれロウ付けにより接続されている。リード５・５は、図示せぬ電源装置と接続されており、電源装置と通電されることで上述した熱電線が発熱する。

セラミックヒータ２の材質としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等が挙げられる。本実施例のヒータ装置１では、９００℃〜１２００℃での高温使用が可能な高温用セラミックヒータが好ましく用いられる。

ケース部材３は、一端が閉塞された内部中空の有底円筒状に形成された金属又はセラミックス製の部材として構成されている。ケース部材３の材質としては、セラミックヒータ２の熱容量や後述するセメント硬化体層４の耐熱温度等によって適宜選択することができ、例えば、ステンレス鋼等の鋼系、純銅・青銅・真鍮・洋銀等の銅系、又はこれらの合金等、熱伝導率の高い金属材料やセラミックスを用いることができる。本実施例のヒータ装置１では、耐熱性及び耐蝕性の点でステンレス鋼が好ましく用いられる他、耐薬品性の点ではセラミックスが好ましく用いられる。

ケース部材３は、内径がセラミックヒータ２の外径よりも大きくなるように形成されており、セラミックヒータ２がケース部材３に嵌挿されて同一軸心上に位置決めされて配設されている。そして、セラミックヒータ２の外面及び下面とケース部材３の内面及び内底面との間に形成された隙間に、後述するセメント硬化体層４が形成されている。なお、セラミックヒータ２及びケース部材３の隙間のクリアランスは、所定の離間を保持してセラミックヒータ２をケース部材３に嵌挿でき、かつその隙間にセメント硬化体層４を有効に形成できる大きさであればよい。

セメント硬化体層４は、セラミックヒータ２とケース部材３との間に充填されたペースト状の伝熱セメントＭが硬化されることによって形成される。本実施例のヒータ装置１では、セラミックヒータ２の外面及び下面を被覆するようにしてセメント硬化体層４が形成され、セメント硬化体層４がセラミックヒータ２の外面及び下面とケース部材３の内面及び内底面に密着されることで、セラミックヒータ２及びケース部材３が固定される。

伝熱セメントＭは、自由な形状に容易に固化させることが可能なペースト状のものが好ましく用いられる。ペースト状の伝熱セメントＭを用いることで、ヒータ装置１を製造する際に、後述するように予めケース部材３に所定量の伝熱セメントＭを投入した後にセラミックヒータ２を嵌挿させることで、ケース部材３とセラミックヒータ２との間に伝熱セメントＭを高い密度でセラミックヒータ２及びケース部材３の隙間にくまなく充填させることが容易となる（図５参照）。

伝熱セメントＭは、耐熱セメントやサーモセメント等と呼ばれる熱伝導率が高く、施工後の硬化によってコンクリートと同等の強度を有するとともに、高い接着力を発揮する公知のセメント複合材料が好適に用いられる。この種のセメント複合材料としては、高純度のグラファイトを主体としたものが知られており、例えば、グラファイト：５５〜８０％、硅酸ソーダ：２０〜４０％、コロイド状シリカ：１．５〜２．５％、酸化抑制剤０．１〜０．５％の組成を有するもの等が挙げられる。

伝熱セメントＭは、７〜１２ｋｃａｌ／ｍｈ℃の高い熱伝導率を発揮するセメント複合材料が好ましく用いられる。熱伝導率が７〜１２ｋｃａｌ／ｍｈ℃のセメント複合材料を用いることで、上述したようにケース部材３をステンレス鋼（熱伝導率が１４ｋｃａｌ／ｍｈ℃）にて形成した場合に、セラミックヒータ２の加熱によりセメント硬化体層４をケース部材３とほぼ同速度で素早く昇温させることができ、しかもセメント硬化体層４の熱伝導率が高いので温度ムラや温度勾配を生じ難く、均一な温度分布を得ることができる。他方、伝熱セメントＭの熱伝導率が７ｋｃａｌ／ｍｈ℃より低いと、ヒータ装置１の表面（ケース部材３の表面）に温度ムラや温度勾配を生じて、被加熱物の均一な加熱が困難となる。

伝熱セメントＭには、セメント硬化体層４の熱伝導率を高めるために、ヒータ装置１のヒータ通電時に溶融しないものであり、かつケース部材３の材質より低融点の副材（充填材）が含まれてもよい。これらの副材（充填材）としては、具体的には、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム等の高熱伝導率の無機粉や、アルミニウム、銅、黒鉛等の金属粉を用いることができ、熱伝導率が高く、また寸法変化も比較的小さく安価であることから、銅粉及び鉄粉から選ばれる少なくとも一種の金属粉が含まれるのが好ましい。

セメント硬化体層４の厚さは、熱伝導率の観点から装置寸法に合せて適宜好ましく設定される。すなわち、ヒータ装置１の熱伝導率を高めるためには薄いほど好ましいが、薄すぎるとセラミックヒータ２とケース部材３との隙間に伝熱セメントＭを均一に充填させることが困難となる。伝熱セメントＭの充填が不十分であると、セメント硬化体層４の強度や密度が不均一となって、ヒータ装置１のヒータ通電時に不均一箇所で熱伝達効率が低下して、ヒータ装置１の性能が低下するとともに、局所的な熱応力や熱衝撃の発生によりセラミックヒータ２に割れが発生する要因となる。

図４及び図５に示すように、ヒータ装置１の製造方法としては、枠体としてのケース部材３に伝熱セメントＭを投入する投入工程Ｓ１００と、セラミックヒータ２を挿入する挿入工程Ｓ１００と、ケース部材３とセラミックヒータ２との間に充填された伝熱セメントＭを硬化させてセメント硬化体層４を形成する形成工程Ｓ１２０と、を有する。

投入工程１００では、ケース部材３を開口部が上方に向くように設置した状態で（図５（ａ））、ケース部材３に伝熱セメントＭを流し込み、セラミックヒータ２とケース部材３との間の容積に応じた所定量の伝熱セメントＭを投入する（図５（ｂ））。伝熱セメントＭを充填する際には、ケース部材３を微振動させつつ、伝熱セメントＭを複数回に分けて流し込むようにすることで、伝熱セメントＭに気泡が混入するのを防止することができる。

挿入工程Ｓ１１０では、伝熱セメントＭが充填されたケース部材３にセラミックヒータ２を上方より嵌挿し、セラミックヒータ２及びケース部材３を同一軸心上に位置決めして配置する（図５（ｂ））。このとき、セラミックヒータ２は、図示せぬ治具にて固定される。

形成工程Ｓ１２０では、伝熱セメントＭを硬化させてセメント硬化体層４を形成するが、セメント硬化体層４の形成プロセスは、特に限定されず、例えば、常温（室温）・常圧の条件下で自然乾燥させる他、セラミックヒータ２を発熱させて伝熱セメントＭを加熱し、設定温度で一定時間保持した後、再び室温まで冷却することを繰り返して硬化させるようにしてもよい。ただし、後者の場合には、伝熱セメントＭに含まれる水分が蒸発する際に気泡が発生してセメント硬化体層４中に空隙が生じないように温度条件等が好適に調整される。

次に、本実施例のヒータ装置１を用いた流体加熱装置１００の構成について、以下に説明する。
図６及び図７に示すように、本実施例の流体加熱装置１００は、流体入口１０から流体出口１１に至るまで流体の流路が形成される流路ユニット１２と、流路内に配設される抵抗発熱体としてのヒータ装置１等とを具備してなり、本実施例では流体入口１０から流入された被加熱流体としての水（常温）をヒータ装置１にて加熱して流体出口１１より温水又は高温水として排出することができる装置として構成されている。

流路ユニット１２は、流路体１３と、それらの両端側に接続される流体流入管１４及び流体排出管１５等とで構成されている。流路体１３は、断面円形状の内部中空の管体として構成され、内部空間に流体が流通する流路が形成されており、下端側方に流体流入管１４が内部連通状に接続され、上端に流体排出管１５が内部連通状に接続されている。

流路体１３は、下端にヒータ装置取付用の固定部材１６が嵌合されており、固定部材１６に固定されたヒータ装置１が上方に向けて突出されて流路体１３内に露出されている。流体流入管１４は、側方に向けて流体入口１０が開口されており、図示せぬ流体供給装置より流量が調整されながら供給された被加熱流体が流体入口１０を介して流体流入管１４に流入される。また、流体排出管１５は、側方に向けて流体出口１１が開口されており、流体出口１１を介して流路体１３内にて加熱された流体が図示せぬ接続管へと排出される。

流路ユニット１２では、ヒータ装置１が流体流入管１４（流体入口１０）の側方に配置されており、流路体１３の内壁に対して所定の離間を有するようにして配設されることで、流路体１３内に被加熱流体の収容空間が形成されている。このようにヒータ装置１が配置されることで、流体入口１０より流体流入管１４に流入された被加熱流体としての水がヒータ装置１の表面（ケース部材３の表面）に沿って流路体１３の流路下流側（図７において上方）へと送給されて収容空間に収容される。そして、収容空間に被加熱流体が収容された状態で、ヒータ装置１からの入熱にて被加熱流体が設定温度まで加熱され、やがて生成された温水が流路体１３の流路下流側へとさらに送給され、やがて流体排出管１５の流体出口１１より流路外に排出される。

以上のように、本実施例のヒータ装置１は、ケース部材３にセラミックヒータ２が挿嵌されてなるヒータ装置１において、ケース部材３とセラミックヒータ２との間にペースト状の伝熱セメントＭを充填させて形成されるセメント硬化体層４を有してなり、セメント硬化体層４にて、セラミックヒータ２の表面が被覆されるとともに、セラミックヒータ２及びケース部材３が固定されるものであるため、セラミックヒータ２の表面を保護しつつ、被加熱物への熱伝導率が高く均一に加熱することができるのである。

すなわち、本実施例のヒータ装置１は、ケース部材３とセラミックヒータ２との間に隙間なくセメント硬化体層４を形成することで、成形品たるヒータ装置１にてセラミックヒータ２の表面を精度よく覆うことができ、外部からの物理的な衝撃や、熱応力や熱衝撃により表面（セラミック層）にヒビが入ったりするのを防止することができる。また、本実施例のヒータ装置１は、ペースト状の伝熱セメントＭにてセメント硬化体層４を形成するため、成形時のケース部材３への充填量をコントロールし易く、その結果、ケース部材３の表面にて温度ムラや温度勾配が生じるのを防いで均一な温度分布を得ることができるとともに、被加熱物への熱伝達効率を高めて、被加熱物を均一に加熱することができる。

特に、本実施例のヒータ装置１は、伝熱セメントＭとして熱伝導率が７〜１２ｋｃａｌ／ｍｈ℃のセメント複合材料が用いられるため、例えば、ケース部材３をステンレス鋼にて形成した場合に、セメント硬化体層４をケース部材３とほぼ同速度で素早く昇温させることができ、温度ムラや温度勾配を生じ難くしてより均一な温度分布を得ることができる。

また、本実施例のヒータ装置１は、伝熱セメントＭに副材として銅粉及び鉄粉から選ばれる少なくとも一種の金属粉を含むため、セメント硬化体層４の熱伝導率をより高めて、ヒータ装置１の加熱効率をより向上することができる。

なお、本実施例のヒータ装置１およびそれを用いた流体加熱装置１００としては、上述した実施例に限定されず、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

すなわち、上述した実施例のヒータ装置１（図１乃至図３参照）では、セラミックヒータ２が断面円形の円柱状に形成され、ケース部材３が内部中空の有底円筒状に形成されたものが用いられるが、セラミックヒータ２及びケース部材３の形状はこれに限定されず、例えば、セラミックヒータ２が有底若しくは無底チューブ状、板状、又は角柱状等に形成され、ケース部材３が円筒状や箱状等に形成されてもよい。さらに、ケース部材３としては、開口縁部にねじ山、ねじ溝、又は鍔状のフランジ等が形成されてもよい。

また、上述した実施例の流体加熱装置１００（図６及び図７参照）では、流体入口１０から流体出口１１に至るまで流体の流路が形成される流路ユニット１２に一つのヒータ装置１が配設される構成について説明したが、かかる流体加熱装置１００の構成はこれに限定されず、例えば、流路ユニット１２に複数のヒータ装置１が配設されてもよく、また、流路ユニット１２に複数の流体出口１１が設けられ、異なる温度状態の被加熱流体（例えば、低温水及び高温水、又は飽和蒸気及び過熱蒸気等）を別々に取り出すことができるように構成されてもよい。

１ ヒータ装置
２ セラミックヒータ
２ａ 外面
２ｂ 下面
３ ケース部材
３ａ 内面
３ｂ 内底面
４ セメント硬化体層
５ リード
１０ 流体入口
１１ 流体出口
１２ 流路ユニット
１３ 流路体
１４ 流体流入管
１５ 流体排出管
１６ 固定部材
１００ 流体加熱装置

Claims (5)

1. ケース部材にセラミックヒータが挿嵌されてなるヒータ装置において、
   前記ケース部材と前記セラミックヒータとの間にペースト状の伝熱セメントを充填させて形成されるセメント硬化体層を有してなり、
   前記セメント硬化体層にて、前記セラミックヒータの表面が被覆されるとともに、前記セラミックヒータ及び前記ケース部材が固定される、
   ことを特徴とするヒータ装置。
2. 前記伝熱セメントは、熱伝導率が７〜１２ｋｃａｌ／ｍｈ℃のセメント複合材料が用いられる請求項１に記載のヒータ装置。
3. 前記伝熱セメントは、副材として銅粉及び鉄粉から選ばれる少なくとも一種の金属粉を含む請求項１又は請求項２に記載のヒータ装置。
4. 前記ケース部材は、ステンレス鋼より形成される請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のヒータ装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のヒータ装置を用いた流体加熱装置。

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