JP2022188253A - 熱交換ユニットおよびこれを備えた洗浄装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】被加熱物を効果的に加熱可能な熱交換ユニットを提供する。【解決手段】本開示の熱交換ユニットは、長手方向に延びる、両端が開放された筒状のセラミック体、およびセラミック体に埋設され、セラミック体の長手方向一方端部から他方端部に向かって延びる発熱抵抗体を含むヒータと、一端部が閉塞され、他端部が開放されている筒状のケースであって、開放された他端部の開口にヒータが挿着され、セラミック体の一方端部寄りの部分を収容するケースとを備え、セラミック体の内周面によって規定される第１空間とセラミック体の外周面およびケースの内周面によって規定される第２空間とが連通して、流体の流路を形成する。ケースは、第２空間と外部とを連通させる流出口を有し、発熱抵抗体は、セラミック体の、流出口に対向する部位まで延びる。【選択図】図２Ａ
Description
本開示は、流体加熱装置、粉体加熱装置、気体加熱装置、酸素センサ、はんだごて等に用いられる熱交換ユニットおよびこれを備えた洗浄装置に関する。
流体加熱装置に用いられる熱交換ユニットとして、特許文献１は、筒状のセラミックヒータを、流体流路を内部に有し、流体流路と外部とを連通させる流出口が設けられているケースに挿着してなり、流体をセラミックヒータの内部および外部にて加熱し、ケースの流出口から外部に流出させる熱交換ユニットを開示している。
被加熱物を効果的に加熱可能な熱交換ユニットを提供することが求められている。特許文献１は、セラミックヒータに含まれる発熱抵抗体の具体的な構成を開示していない。そのため、特許文献１に記載された熱交換ユニットでは、流体を効果的に加熱できないことがある。
本開示の一つの態様の熱交換ユニットは、長手方向に延びる、両端が開放された筒状のセラミック体と、前記セラミック体に埋設され、前記セラミック体の長手方向一方端部から他方端部に向かって延びており、複数の直線状部分と複数の折り返し部分とを含むミアンダ状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続して前記セラミック体の前記他方端部に向かって延びる引出導体と、前記セラミック体が挿通される孔を有し、接合材を介して前記セラミック体の前記他方端部寄りの外周面に接合されているフランジと、を含むヒータと、一端部が閉塞され、他端部が開放されている筒状のケースであって、開放された前記他端部の開口に前記ヒータが挿着され、少なくとも、前記セラミック体の一方端部寄りの部分を収容しているケースと、を備え、前記セラミック体の内周面によって規定される第１空間と前記セラミック体の外周面および前記ケースの内周面によって規定される第２空間とが連通し、前記第１空間および前記第２空間が流体の流路を形成し、前記ケースは、前記第２空間と外部とを連通させる流出口を有し、前記ヒータは、前記フランジが前記ケースの開口を塞ぐように前記ケースに挿着されており、前記発熱抵抗体における複数の折り返し部分が、前記接合材と重なる部分に位置していることを特徴とする。
また、本開示の一つの態様の熱交換ユニットは、長手方向に延びる、両端が開放された筒状のセラミック体と、前記セラミック体に埋設され、前記セラミック体の長手方向一方端部から他方端部に向かって延びており、複数の直線状部分と複数の折り返し部分とを含むミアンダ状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続して前記セラミック体の前記他方端部に向かって延びる引出導体と、前記セラミック体が挿通される孔を有し、接合材を介して前記セラミック体の前記他方端部寄りの外周面に接合されているフランジと、を含むヒータと、一端部が閉塞され、他端部が開放されている筒状のケースであって、開放された前記他端部の開口に前記ヒータが挿着され、少なくとも、前記セラミック体の一方端部寄りの部分を収容しているケースと、を備え、前記セラミック体の内周面によって規定される第１空間と前記セラミック体の外周面および前記ケースの内周面によって規定される第２空間とが連通し、前記第１空間および前記第２空間が流体の流路を形成し、前記ケースは、前記第２空間と外部とを連通させる流出口を有し、前記ヒータは、前記フランジが前記ケースの開口を塞ぐように前記ケースに挿着されており、前記発熱抵抗体と前記引出導体との境界は、前記接合材と重なる部分に位置していることを特徴とする。
本開示の一つの態様の洗浄装置は、上記の熱交換ユニットを備え、前記流路を流過する、前記ヒータによって加熱された流体を、前記流出口を介して外部に流出させることを特徴とする。
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本開示の熱交換ユニットの実施形態の一例を示す斜視図である。
本開示の熱交換ユニットの実施形態の一例を示す、図１Ａとは異なる視点の斜視図である。
本開示の熱交換ユニットの実施形態の一例を示す断面図である。
図２Ａに示す熱交換ユニットにおけるセラミック体の展開図である。
本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図である。
図３Ａに示す熱交換ユニットにおけるセラミック体の展開図である。
本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図である。
図４Ａに示す熱交換ユニットにおけるセラミック体の展開図である。
本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図である。
本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図である。
本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図である。
以下、本開示の熱交換ユニットの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａは、本開示の熱交換ユニットの実施形態の一例を示す斜視図であり、図１Ｂは、本開示の熱交換ユニットの実施形態の一例を示す、図１Ａとは異なる視点の斜視図であり、図２Ａは、本開示の熱交換ユニットの実施形態の一例を示す断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す熱交換ユニットにおけるセラミック体の展開図である。なお、図１Ａ，１Ｂでは、ケースを省略して図示している。なお、図２Ａは、貫通導体および電極パッドを模式的に示しており、図２Ａおける貫通導体および電極パッドの位置は、正確に図示されたものではない。図１Ｂ，２Ｂでは、発熱抵抗体および引出導体にハッチングを付して示している。図２Ｂでは、セラミック体の表層部の、芯材に臨む面を展開して示している。
熱交換ユニット１は、ヒータ３とケース４とを備える。ヒータ３は、セラミック体５と発熱抵抗体６とを含んでいる。
セラミック体５は、長手方向（図２Ａにおける左右方向）に延びる筒状の部材である。セラミック体５の、長手方向における一方端部（先端）５ｄおよび他方端部（後端）５ｅは開放されている。セラミック体５は、三角筒状、四角筒状、円筒状、楕円筒状等であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態では、例えば図１Ａ，１Ｂに示すように、セラミック体５は円筒状とされている。
セラミック体５は、絶縁性のセラミック材料からなる。セラミック体５で用いられる絶縁性のセラミック材料としては、例えば、アルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。耐酸化性を有し、製造しやすいという観点からは、アルミナを用いることができる。高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性に優れるという観点からは、窒化珪素を用いることができる。熱伝導に優れるという観点からは、窒化アルミニウムを用いることができる。セラミック体５は、発熱抵抗体６に含まれる金属元素の化合物を含有していてもよい。例えば、発熱抵抗体６にタングステンまたはモリブデンが含まれている場合には、セラミック体５は、ＷＳｉ２またはＭｏＳｉ２を含有していてもよい。
セラミック体５の内周面５ｆおよび外周面５ｇの少なくとも一方は、金属材料から成る被覆層によって被覆されていてもよい。被覆層に用いられる金属材料としては、例えば、銀、金、銅、ニッケル等を含む金属材料が挙げられる。被覆層の外表面には、酸化膜が形成されていてもよい。セラミック体５の内周面５ｆおよび外周面５ｇの少なくとも一方を被覆層で被覆することにより、セラミック体５の耐蝕性を向上させることができ、ひいては、熱交換ユニット１の耐久性を高めることができる。
本実施形態では、例えば図１Ａ，１Ｂ，２Ａに示すように、セラミック体５は、芯材５ａと表層部５ｂとを有している。芯材５ａは、セラミック体５の長手方向に延びる円筒状の部材であり、両端部が開放されている。表層部５ｂは、芯材５ａの外周面に配設されている。表層部５ｂは、芯材５ａの外周面の全てを覆っていてもよく、芯材５ａの外周面の一部のみを覆っていてもよい。本実施形態では、芯材５ａの両端部が、表層部５ｂによって覆われておらず、表層部５ｂから露出している。芯材５ａは、例えば、セラミック体５の長手方向における全長が３０ｍｍ～１５０ｍｍであり、外径が１０ｍｍ～２０ｍｍであり、内径が８ｍｍ～１８ｍｍである。表層部５ｂは、例えば、セラミック体５の長手方向における全長が２８ｍｍ～１４８ｍｍであり、厚みが０．２ｍｍ～１ｍｍである。
セラミック体５は、外周面５ｇに長手方向に延びる凹部５ｃを有している。凹部５ｃは、例えば図１Ａ，１Ｂに示すように、表層部５ｂが芯材５ａの外周面の全てを覆っておらず、芯材５ａの外周面の一部が露出することによって形成されている。凹部５ｃは、表層部５ｂの、セラミック体５の長手方向における全長にわたって設けられていてもよく、表層部５ｂの、セラミック体５の長手方向における一部のみに設けられていてもよい。
発熱抵抗体６は、導電性を有する、線状または帯状の部材である。発熱抵抗体６は、電流が流れることによって発熱し、セラミック体５を介して、被加熱物を加熱する。発熱抵抗体６は、セラミック体５に埋設され、セラミック体５の一方端部５ｄから他方端部５ｅに向かって延びている。本実施形態では、例えば図１Ｂに示すように、発熱抵抗体６は、芯材５ａと表層部５ｂとの間に配設されており、芯材５ａの露出した外周面には配設されていない。
発熱抵抗体６は、高融点の金属を主成分とする導電性材料から成る。発熱抵抗体６で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。発熱抵抗体６は、セラミック体５の形成材料を含んでいてもよい。また、発熱抵抗体６の寸法は、例えば、幅を０．３ｍｍ～２ｍｍ、厚みを０．０１ｍｍ～０．１ｍｍ、全長を５００ｍｍ～５０００ｍｍと設定することができる。発熱抵抗体６の寸法は、発熱抵抗体６の発熱温度および発熱抵抗体６に印加する電圧等に応じて適宜設定される。
発熱抵抗体６は、セラミック体５の周方向に沿って一方端部５ｄと他方端部５ｅとの間で繰り返して折り返して往復した形状の導体パターンを有している。換言すると、発熱抵抗体６は、複数の直線状部分６ａと複数の折り返し部分６ｂとを含むミアンダ状の導体パターンを有している。複数の直線状部分６ａは、セラミック体５の長手方向に沿って延び、それぞれが間隙を介して並設されている。複数の折り返し部分６ｂは、セラミック体５の長手方向に垂直な断面で見たときに、セラミック体５の周方向に沿って延び、隣り合う直線状部分６ａの端部同士を接続している。折り返し部分６ｂは、図１Ｂ，２Ｂに示すような直線形状であってもよく、曲線形状であってもよい。発熱抵抗体６の横断面は、円形状、楕円形状、矩形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。
セラミック体５は、一対の引出導体７と、貫通導体８と、電極パッド９とをさらに有している。
引出導体７は、セラミック体５の長手方向に延びる、線状または帯状の部材である。引出導体７は、例えば図２Ａに示すように、芯材５ａと表層部５ｂとの間に配設されている。各引出導体７の一方の端部は、発熱抵抗体６に接続されている。また、各引出導体７の他方の端部は、発熱抵抗体６に接続された一方の端部よりも、セラミック体５の他方端部５ｅ側に位置している。
引出導体７は、高融点の金属を主成分とする導電性材料から成る。引出導体７で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。引出導体７は、セラミック体５の形成材料を含んでいてもよい。
引出導体７は、発熱抵抗体６よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。引出導体７は、セラミック体５の形成材料の含有量を発熱抵抗体６よりも少なくすることによって、発熱抵抗体６よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。あるいは、引出導体７は、引出導体７の横断面の面積を発熱抵抗体６の横断面の面積よりも大きくすることによって、発熱抵抗体６よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。
貫通導体８は、セラミック体５の内部に配設され、セラミック体５の径方向に延びている。本実施形態では、貫通導体８は、セラミック体の表層部５ｂを径方向に貫通している。貫通導体８の一方の端面は、引出導体７の、発熱抵抗体６に接続されていない他方の端部に接続され、貫通導体８の他方の端面は、セラミック体５の外周面５ｇに露出している。
貫通導体８は、高融点の金属を主成分とする導電性材料から成る。貫通導体８で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。貫通導体８は、セラミック体５の形成材料を含んでいてもよい。
電極パッド９は、セラミック体５の外周面に配設されている。電極パッド９は、貫通導体８の、セラミック体５の外周面５ｇに露出している端面を覆っている。電極パッド９は、リード端子が接合され、リード端子を介して、外部回路（外部電源）と電気的に接続される。電極パッド９は、導電性材料から成り、電極パッド９で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデン等からなる導電性材料が挙げられる。また、電極パッド９の外表面には、例えば、ニッケル－ボロン、金等からなるめっき層が設けられていてもよい。電極パッド９は、例えば、厚みが１０μｍ～３００μｍであり、長さおよび幅が１ｍｍ～１０ｍｍである。
ヒータ３は、図２Ａに示すように、金属層１１とフランジ１２とをさらに有している。
金属層１１は、セラミック体５の外周面５ｇに配設されている。金属層１１は、例えば図２Ａに示すように、電極パッド９よりも、セラミック体５の一方端部５ｄ側に位置している。金属層１１は、例えば、タングステン、モリブデン等の金属材料から成る。
金属層１１の外表面には、接合材１３を介して、フランジ１２が接合される。金属層１１の外表面には、ニッケル、錫、金等から成るめっき層が形成されていてもよい。これにより、金属層１１と接合材１３との濡れ性を向上させることができ、ひいては、セラミック体５とフランジ１２との接合強度を高めることができる。
フランジ１２は、例えば金属材料から成る、環状の部材である。フランジ１２は、ヒータ３を外部機器に取り付けやすくするための部材であり、ヒータ３のセラミック体５が挿通される孔１２ｄを有している。フランジ１２に用いられる金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、鉄－ニッケル－コバルト合金等が挙げられる。耐蝕性の観点からは、ステンレス鋼を用いることができる。また、フランジ１２の表面は、ニッケル、錫、金等の金属を主成分とするめっき層で被覆されていてもよく、これにより、フランジ１２の耐蝕性を向上させることができる。
フランジ１２は、第１部分１２ａ、第２部分１２ｂおよび第３部分１２ｃを有している。第１部分１２ａは、金属層１１から外周側に垂直に立ち上がっている。第２部分１２ｂは、第１部分１２ａの外周側の端部から、セラミック体５の他方端部５ｅ側に向かって延びている。第３部分１２ｃは、第２部分１２ｂの他方端部５ｅ側の端部から外周側に延びている。換言すると、フランジ１２は、例えば図２Ａに示すように、セラミック体５の長手方向を含む断面で見たときに、内周から外周に至る途中に２つの屈曲部を有している。
フランジ１２の第１部分１２ａは、接合材１３を介して、金属層１１に接合されている。接合材１３としては、金属層１１とフランジ１２を接合するための材料を適宜用いることができる。本実施形態では、接合材１３として、銀ろう、銀－銅ろう等のろう材を用いている。
金属層１１およびフランジ１２は、セラミック体５の長手方向における金属層１１の長さが、セラミック体５の長手方向における第１部分１２ａの長さよりも大きくされていてもよい。これにより、接合材１３は、金属層１１からフランジ１２の第１部分１２ａにかけて広がるメニスカス部を有するので、セラミック体５とフランジ１２との接合強度を高めることができ、ひいては、熱交換ユニット１の耐久性を向上させることができる。
熱交換ユニット１のケース４は、一端部（先端部）が閉塞され、他端部（後端部）が開放された筒状の部材である。ケース４は、三角筒状、四角筒状、円筒状、楕円筒状等であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態では、ケース４は円筒状とされている。セラミック体５およびケース４は、セラミック体５の軸線とケース４の軸線とが一致するように配置されていてもよい。ケース４は、耐熱性に優れた樹脂材料から成る。ケース４に用いられる樹脂材料としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられる。また、ケース４の寸法は、例えば、セラミック体５の長手方向における全長が４０ｍｍ～１６０ｍｍであり、内径が１０ｍｍ～２５ｍｍである。
ケース４の、開放された他端部の開口４ａには、ヒータ３が挿着されている。ケース４は、セラミック体５の一方端部５ｄ寄りの部分を収容している。ヒータ３は、例えば図２Ａに示すように、フランジ１２の第２部分１２ｂの一部が開口４ａに圧入固定されることによって、ケース４に挿着されている。第２部分１２ｂは、Ｏリングを介して、ケース４の開口４ａに圧入固定されていてもよい。
熱交換ユニット１では、セラミック体５の内周面５ｆによって規定される第１空間１０ａと、セラミック体５の外周面５ｇおよびケース４の内周面４ｃによって規定される第２空間１０ｂとが連通し、被加熱物である流体が流過する流路１０を形成している。また、ケース４は、第２空間１０ｂと外部とを連通させる流出口４ｂを有している。流出口４ｂは、ヒータ３によって加熱された流体を外部に流出させるための開口である。流出口４ｂは、例えば図２Ａに示すように、ケース４の側壁のうち、セラミック体５の他方端部５ｅ寄りの箇所に設けられている。流出口４ｂは、例えば、内径が１ｍｍ～５ｍｍである。
本実施形態の熱交換ユニット１では、発熱抵抗体６は、セラミック体５の一方端部５ｄから他方端部５ｅに向かって、セラミック体５の、流出口４ｂに対向する部位まで延びている。これにより、流路１０を流れる流体は、流出口４ｂから外部に流出する直前まで発熱抵抗体６によって加熱される。したがって、本実施形態の熱交換ユニット１によれば、被加熱物である流体を効果的に加熱することができる。
次に、本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例について説明する。
図３Ａは、本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示す熱交換ユニットにおけるセラミック体の展開図である。図３Ａに示す断面図は、図２Ａに示した断面図に対応し、図３Ｂに示す展開図は、図２Ｂに示した展開図に対応する。なお、図３Ａは、貫通導体および電極パッドを模式的に示しており、図３Ａおける貫通導体および電極パッドの位置は、正確に図示されたものではない。また、図３Ｂでは、発熱抵抗体および引出導体にハッチングを付して示している。本実施形態の熱交換ユニット１Ａは、上記の熱交換ユニット１に対して、発熱抵抗体６の構成が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には熱交換ユニット１と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態の熱交換ユニット１Ａは、発熱抵抗体６が、セラミック体５の、流出口４ｂに対向する部位よりも、セラミック体５の他方端部側に延びる構成とされている。このような構成によれば、流出口４ｂ近傍の全領域において、流体を発熱抵抗体６によって加熱することできる。したがって、本実施形態の熱交換ユニット１Ａによれば、流体を効果的に加熱することができる。
図４Ａは、本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図であり、図４Ｂは、図４Ａに示す熱交換ユニットにおけるセラミック体の展開図である。図４Ａに示す断面図は、図２Ａ，３Ａに示した断面図に対応し、図４Ｂに示す展開図は、図２Ｂ，３Ｂに示した展開図に対応する。なお、図４Ａは、貫通導体および電極パッドを模式的に示しており、図４Ａおける貫通導体および電極パッドの位置は、正確に図示されたものではない。また、図４Ｂでは、発熱抵抗体および引出導体にハッチングを付して示している。本実施形態の熱交換ユニット１Ｂは、上記の熱交換ユニット１，１Ａに対して、発熱抵抗体６の構成が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には熱交換ユニット１，１Ａと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態の熱交換ユニット１Ｂでは、発熱抵抗体６が、セラミック体５の、フランジ１２に近接する部位まで延びるように構成されている。このような構成によれば、第１空間１０ａおよび第２空間１０ｂの全領域において、流体を発熱抵抗体６によって加熱することできる。したがって、本実施形態の熱交換ユニット１Ｂによれば、流体を効果的に加熱することができるとともに、流出口４ｂから流出される流体の温度を安定させることができる。
発熱抵抗体６は、セラミック体５の、ケース４の開口４ａに近接する部位までさらに延びていてもよい。これにより、第１空間１０ａおよび第２空間１０ｂの全領域において、流体を発熱抵抗体６によって加熱することできる。さらに、フランジ１２およびフランジ１２に接する流体を発熱抵抗体６によって加熱することができるため、流体の熱がフランジ１２を介して外部に逃げることを抑制することができる。このように、発熱抵抗体６が開口４ａに近接する部位まで延びることにより、流体を効果的に加熱することができるとともに、流出口４ｂから流出される流体の温度を安定させることができる。
図５は、本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図である。図５に示す断面図は、図２Ａに示す切断面線Ａ－Ａ、図３Ａに示す切断面線Ｂ－Ｂおよび図４Ａに示す切断面線Ｃ－Ｃで切断したときの、熱交換ユニットの横断面図に対応する。本実施形態の熱交換ユニット１Ｃは、上記の熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂに対して、フランジ１２の構成が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態の熱交換ユニット１Ｃでは、フランジ１２の第３部分１２ｃの外周部に、径方向に突出する突出部１２ｅが設けられている。これにより、熱交換ユニットを外部機器に取り付ける際に、熱交換ユニットと外部機器との位置合わせが容易になる。
突出部１２ｅは、図５に示すように、セラミック体５の長手方向に垂直な断面で見たときに、セラミック体５の図心Ｃ１に対して、流出口４ｂの反対側に位置していてもよい。本実施形態では、外部に熱を逃がしやすい突出部１２ｅが流出口４ｂの反対側に位置しているため、流出口４ｂ近傍を流れる流体の温度低下を抑制することができる。したがって、本実施形態の熱交換ユニット１Ｃによれば、流体を効果的に加熱することができる。なお、例えば図５に示すように、セラミック体５の長手方向に垂直な断面において、セラミック体５の図心Ｃ１と流出口４ｂの図心Ｃ２とを結ぶ仮想線をＬ１とし、セラミック体５の図心Ｃ１と突出部１２ｅの図心Ｃ３とを結ぶ仮想線をＬ２とする場合、Ｌ１とＬ２とがなす角度αが０°～９０°の範囲にあればよい。
図６は、本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図である。図６に示す断面図は、図２Ａに示す切断面線Ａ－Ａ、図３Ａに示す切断面線Ｂ－Ｂおよび図４Ａに示す切断面線Ｃ－Ｃで切断したときの、熱交換ユニットの横断面図に対応する。本実施形態の熱交換ユニット１Ｄは、上記の熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂに対して、流出口４ｂと凹部５ｃとの相対位置が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態の熱交換ユニット１Ｄでは、セラミック体５の長手方向に垂直な断面で見たときに、凹部５ｃが、セラミック体５の、流出口４ｂに対向する部位とは反対側に位置している。前述したように、凹部５ｃの底面を成す、芯材５ａの露出した外周面には、発熱抵抗体６が設けられていない。そのため、ヒータ３は、凹部５ｃ近傍の領域の発熱量が、その他の領域の発熱量に比べて少なくなることがある。本実施形態では、凹部５ｃが、セラミック体５における流出口４ｂに対向する部位とは反対側に位置しているため、流出口４ｂ近傍を流れる流体の温度低下を抑制することができる。したがって、本実施形態の熱交換ユニット１Ｄによれば、流体を効果的に加熱することができる。例えば図６に示すように、セラミック体５の長手方向に垂直な断面において、セラミック体５の図心Ｃ１と流出口４ｂの図心Ｃ２とを結ぶ仮想線をＬ１とし、セラミック体５の図心Ｃ１と凹部領域５ｈの図心Ｃ４とを結ぶ仮想線をＬ３とする場合、Ｌ１とＬ３とがなす角度βが０°～９０°の範囲にあればよい。ここで、凹部領域５ｈとは、セラミック体５の外周面５ｇをセラミック体５の周方向に仮想的に延長した場合に、この仮想的な外周面と凹部５ｃの内面とで規定される領域を指す。
図７は、本開示の熱交換ユニットの実施形態の他の例を示す断面図である。図７に示す断面図は、図２Ａ，３Ａ，４Ａに示した断面図に対応する。なお、図７は、貫通導体および電極パッドを模式的に示しており、図７における貫通導体および電極パッドの位置は、正確に図示されたものではない。また、本実施形態の熱交換ユニット１Ｅは、上記の熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄに対して、流出口４ｂの構成が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態の熱交換ユニット１Ｅは、図７に示すように、流出口４ｂが開口４ａに近接するように構成されている。このような構成によれば、流体が第２空間１０ｂにおける流出口４ｂとフランジ１２との間の領域に滞留することを抑制することができるため、滞留した流体が流出口４ｂ近傍に移動し、流出口４ｂから流出される流体の温度を不所望に変化させることを抑制することができるため、流出口４ｂから流出される流体の温度を安定させることができる。したがって、本実施形態の熱交換ユニット１Ｅによれば、流体を効果的に加熱することができる。
次に、熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅの製造方法の一例について説明する。本例では、セラミック体５がアルミナ質セラミックスから成る場合の例について説明する。
まず、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、ＳｉＯ２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ２が合計で１０質量％以内になるように調整した、セラミック体５の表層部５ｂとなるアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体６および引出導体７となる所定のパターンを形成する。この所定のパターンの形成方法としては、スクリーン印刷法、転写法、抵抗体埋設法、その他の方法として金属箔をエッチング法などにより形成する方法や、ニクロム線をコイル状に形成し埋設する方法などがある。品質面での安定性および製造コストの抑制の観点からは、スクリーン印刷法が用いられやすい。なお、発熱抵抗体６および引出導体７は、それぞれを別々な形成方法で形成しても良い。
次に、セラミックグリーンシートの、発熱抵抗体６および引出導体７を形成する面とは反対側の面に、発熱抵抗体６および引出導体７の形成と同様に、電極パッド９および金属層１１となるパターンを所定のパターン形状で形成する。また、セラミックグリーンシートには、引出導体７と電極パッド９とを電気的に接続する貫通導体８を形成するための孔加工、および貫通導体８となる導体ペーストの充填がなされる。発熱抵抗体６、引出導体７、貫通導体８および電極パッド９は、例えばタングステン、モリブデン、レニウムなどの高融点金属を主成分とする導電性ペーストを用いることができる。
一方、押し出し成型にて、セラミック体５の芯材５ａとなる、円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。この円筒状のアルミナ質セラミック成型体に前述のアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつけ、同一の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布して密着させることで、セラミック体５となるアルミナ質一体成型体を得ることができる。なお、アルミナ質セラミック成型体にアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつける際に、アルミナ質セラミック成型体の外周面のうち所定の領域がアルミナ質セラミックグリーンシートによって覆われないようにすることで、凹部５ｃとなる溝を有するアルミナ質一体成型体を得ることができる。得られたアルミナ質一体成型体を１５００～１６００の還元雰囲気中（窒素雰囲気）で焼成することで、アルミナ質一体成型体が収縮し、アルミナ質一体焼結体（セラミック体５）を作製することができる。
次に、セラミック体５に形成された電極パッド９および金属層１１上にめっきを施す。めっきは、ニッケルめっき、金めっき、錫めっき等が汎用的である。めっきの施術方法は、無電解めっき、電解めっき、バレルめっきなどの施術方法を目的に応じて選択することができる。
フランジ１２は、ステンレス鋼の板に切削加工、打ち抜き加工、プレス加工等を施して、第１部分１２ａ、第２部分１２ｂおよび第３部分１２ｃを有するとともに、セラミック体５が挿通される孔１２ｄを有する形状にすることで作製することができる。
次に、治具にセラミック体５をセットし、フランジ１２の孔１２ｄがセラミック体５の金属層１１と重なるように位置合わせし、接合材１３を用いて、還元雰囲気の炉にて約１０００の温度でろう付けする。
次に、フランジ１２の第２部分１２ｂの外周面に、ゴム等から成るＯリングを取り付ける。樹脂製のケース４を準備し、Ｏリングを取り付けたヒータ３をケース４に挿着することによって、熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを製造することができる。
次に、本開示の洗浄装置の実施形態の一例について説明する。
本実施形態の洗浄装置は、上記の熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを備える。洗浄装置は、流路１０を流過する、ヒータ３によって加熱された流体を、流出口４ｂを介して外部に流出させるように構成されている。流体は、例えば、公共水道等の水源から供給される水である。流体は、セラミック体５の、他方端部５ｅ側の開口から第１空間１０ａに流入した後、第２空間１０ｂに流入し、流出口４ｂから外部へ放出される。流体は、流路１０を通過する間にヒータ３によって所定の温度まで加熱される。加熱された流体は、例えば、人体局部の洗浄用に使用される。本実施形態の洗浄装置は、熱交換ユニット１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを備えることにより、流体を効果的に加熱することができる。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 熱交換ユニット
３ ヒータ
４ ケース
４ａ 開口
４ｂ 流出口
４ｃ 内周面
５ セラミック体
５ａ 芯材
５ｂ 表層部
５ｃ 凹部
５ｄ，５ｅ 端部
５ｆ 内周面
５ｇ 外周面
５ｈ 凹部領域
６ 発熱抵抗体
６ａ 直線状部分
６ｂ 折り返し部分
７ 引出導体
８ 貫通導体
９ 電極パッド
１０ 流路
１０ａ 第１空間
１０ｂ 第２空間
１１ 金属層
１２ フランジ
１２ａ 第１部分
１２ｂ 第２部分
１２ｃ 第３部分
１２ｄ 孔
１２ｅ 突出部
１３ 接合材
３ ヒータ
４ ケース
４ａ 開口
４ｂ 流出口
４ｃ 内周面
５ セラミック体
５ａ 芯材
５ｂ 表層部
５ｃ 凹部
５ｄ，５ｅ 端部
５ｆ 内周面
５ｇ 外周面
５ｈ 凹部領域
６ 発熱抵抗体
６ａ 直線状部分
６ｂ 折り返し部分
７ 引出導体
８ 貫通導体
９ 電極パッド
１０ 流路
１０ａ 第１空間
１０ｂ 第２空間
１１ 金属層
１２ フランジ
１２ａ 第１部分
１２ｂ 第２部分
１２ｃ 第３部分
１２ｄ 孔
１２ｅ 突出部
１３ 接合材
Claims (9)
- 長手方向に延びる、両端が開放された筒状のセラミック体と、
前記セラミック体に埋設され、前記セラミック体の長手方向一方端部から他方端部に向かって延びており、複数の直線状部分と複数の折り返し部分とを含むミアンダ状の発熱抵抗体と、
該発熱抵抗体に接続して前記セラミック体の前記他方端部に向かって延びる引出導体と、
前記セラミック体が挿通される孔を有し、接合材を介して前記セラミック体の前記他方端部寄りの外周面に接合されているフランジと、
を含むヒータと、
一端部が閉塞され、他端部が開放されている筒状のケースであって、開放された前記他端部の開口に前記ヒータが挿着され、少なくとも、前記セラミック体の一方端部寄りの部分を収容しているケースと、を備え、
前記セラミック体の内周面によって規定される第１空間と前記セラミック体の外周面および前記ケースの内周面によって規定される第２空間とが連通し、前記第１空間および前記第２空間が流体の流路を形成し、
前記ケースは、前記第２空間と外部とを連通させる流出口を有し、
前記ヒータは、前記フランジが前記ケースの開口を塞ぐように前記ケースに挿着されており、
前記発熱抵抗体における複数の折り返し部分が、前記接合材と重なる部分に位置していることを特徴とする熱交換ユニット。 - 長手方向に延びる、両端が開放された筒状のセラミック体と、
前記セラミック体に埋設され、前記セラミック体の長手方向一方端部から他方端部に向かって延びており、複数の直線状部分と複数の折り返し部分とを含むミアンダ状の発熱抵抗体と、
該発熱抵抗体に接続して前記セラミック体の前記他方端部に向かって延びる引出導体と、
前記セラミック体が挿通される孔を有し、接合材を介して前記セラミック体の前記他方端部寄りの外周面に接合されているフランジと、
を含むヒータと、
一端部が閉塞され、他端部が開放されている筒状のケースであって、開放された前記他端部の開口に前記ヒータが挿着され、少なくとも、前記セラミック体の一方端部寄りの部分を収容しているケースと、を備え、
前記セラミック体の内周面によって規定される第１空間と前記セラミック体の外周面および前記ケースの内周面によって規定される第２空間とが連通し、前記第１空間および前記第２空間が流体の流路を形成し、
前記ケースは、前記第２空間と外部とを連通させる流出口を有し、
前記ヒータは、前記フランジが前記ケースの開口を塞ぐように前記ケースに挿着されており、
前記発熱抵抗体と前記引出導体との境界は、前記接合材と重なる部分に位置していることを特徴とする熱交換ユニット。 - 前記フランジが金属部材であり、
前記接合材がろう材であり、
前記セラミック体の外周面には金属層が配設されており、前記フランジが前記金属層を介して、前記セラミック体と接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換ユニット。 - 前記接合材は、前記金属層から前記フランジにかけて広がるメニスカス部を有しており、
前記メニスカス部は、前記セラミック体の前記一方端部側および前記他方端部に位置する、請求項３に記載の熱交換ユニット。 - 前記引出導体の単位長さ当たりの抵抗値は、前記発熱抵抗体よりも低いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱交換ユニット。
- 前記フランジは、外周部に、径方向に突出する凸部を有し、前記長手方向に垂直な断面で見たときに、前記凸部は、前記セラミック体の図心に対して、前記流出口の反対側に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱交換ユニット。
- 前記セラミック体は、前記外周面に前記長手方向に延びる凹部を有し、
前記長手方向に垂直な断面で見たときに、前記凹部は、前記セラミック体の、前記流出口に対向する部位とは反対側に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の熱交換ユニット。 - 前記ケースの流出口は、前記ケースの開口に近接していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の熱交換ユニット。
- 請求項１～８のいずれか１つに記載の熱交換ユニットを備え、前記流路を流過する、前記ヒータによって加熱された流体を、前記流出口を介して外部に流出させることを特徴とする洗浄装置。
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