JP3171636B2

JP3171636B2 - 液体加熱装置

Info

Publication number: JP3171636B2
Application number: JP02442492A
Authority: JP
Inventors: 敏久神山; 将徳川口; 徹雄竹原
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1992-01-14
Publication date: 2001-05-28
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH0579695A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用技術】本発明は純水などの被加熱液体を
全く汚すことなく、効率良く連続的に加熱でき、かつ高
負荷でもコンパクトな液体加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被加熱液体を流路の壁から溶出する不純
物や塵により汚すことなく熱効率良く加熱でき、高負荷
でもコンパクトでかつ安価な液体加熱装置が産業上の多
くの分野で求められている。

【０００３】従来の電気抵抗加熱式の液体加熱装置とし
ては、液体槽の内部に棒状のヒータや板状のヒータある
いはコイル状のヒータを投入するもの（以下、これらを
総称して投げこみヒータという。）や、液体槽の壁に発
熱体を組み込むものなどが知られている。この投げこみ
ヒータの場合には、たとえば石英ガラスの中にニクロム
線の発熱体を封入したものが使用されている例がある。
また最近では、ＰＴＣ特性、すなわち電気抵抗の温度係
数が正数であるハニカム状のセラミックスヒータ中に流
体を流す形式のものや、板状の電気ヒータに被加熱液体
の流路を密着せしめたものなどが提案されている。

【０００４】特開昭５７−２０４７４４には、円筒状の
セラミックスの表面に発熱抵抗体を蒸着し、さらにこの
発熱抵抗体を薄いセラミックスのシートで被覆してなる
円筒状発熱体を作製し、その内外両面を加熱面として利
用するとともに、円筒状発熱体の外側の流路に旋回流を
発生させて熱交換効率を高め、かつ発熱体面上での温度
分布を均一化させた電気通水加熱装置が開示されてい
る。被加熱液体が水や電解質溶液のように導電性を有す
るものである場合には、この例のように被加熱液体の流
路に絶縁性のある材料をライニングして被加熱液体とヒ
ータの間を絶縁したものが使用されている。

【０００５】また、特開平１−９８８５４には、同心円
状に配置された三重管により内側から第１空間、第２空
間、第３空間を形成し、円筒状の形状を有する第２空間
中にアークプラズマを発生せしめ、アークプラズマの熱
を第１空間と第２空間に流れる被加熱水に伝熱する電気
加熱瞬間湯沸かし器が開示されている。この場合、管の
材料に何を使用しているかについての説明がないが、そ
の構成から内側の二つの管は導電性のある材料で構成さ
れていると考えられる。

【０００６】また最近では、フロンの代わりに化学的お
よび物理的に精製された純水を半導体装置などのエレク
トロニクス製品の中間製品の洗浄用に使用する技術が採
用され始めており、純水を全く汚すことなく加熱し得る
液体加熱装置に対するニーズが高まっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、棒状や
線状のヒータを用いる従来の液体加熱装置では、液体と
ヒータとの間の伝熱面積が稼げないために発熱容量を大
きくできず、ヒータを数多く使用するか長いヒータを使
用する必要があり、装置のコンパクト化が難しいという
問題がある。

【０００８】板状のヒータを用いる場合には、従来の小
型のヒータではヒータの高発熱容量化が難しく、コンパ
クトで高発熱容量の液体加熱装置が作成し難いという問
題がある。また、ハニカム状のセラミックスヒータを用
いる場合には、ハニカム状セラミックスヒータの周囲か
らの放熱の分だけ熱効率が小さいという欠点がある。

【０００９】また、被加熱液体が水や電解質水溶液のよ
うに導電性を有する場合には漏電の問題があり、ハニカ
ム状の発熱体をむきだしの状態で使用できないので、対
策としてハニカムの貫通孔に絶縁性のチューブを挿入す
る方法が試みられている。しかし、多数の貫通穴にチュ
ーブを挿入するためには、チューブの出入り口でチュー
ブを結束することが不可欠であること等を考慮すると、
煩雑で多くの手間がかかり、液体加熱装置を安価に製作
できないという難点がある。

【００１０】また、従来の投げこみヒータを用いて液体
槽中の液体の温度を所望の温度に保持する液体加熱装置
は嵩が大きく、所定の温度の液体を得るまでに時間がか
かり、かつ熱効率が良くないという問題がある。このた
め、被加熱液体を汚さず、熱効率良く、コンパクトで高
負荷、かつ手頃に使用できる安価な液体加熱装置を提供
して欲しいという強い要望があった。

【００１１】本発明は従来の技術が有するこれらの欠点
を解消して、被加熱液体を全く汚すことなく、コンパク
トで高負荷でも熱効率が高く、所定の温度に昇温するま
での待時間がほとんど不要、かつ安価で使い易い液体加
熱装置を提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の問題点を
解決すべく種々検討した結果得られたものであり、本発
明は、抵抗加熱式管状セラミックスヒータの内側に近接
して配された被加熱液体の流路と該管状セラミックスヒ
ータの外側に近接して配された被加熱液体の流路とを備
えてなる液体加熱装置であって、前記管状セラミックス
ヒータの内側の被加熱液体の流路が管状セラミックスヒ
ータと同心円状に配置された第１の石英ガラス管に囲ま
れて形成され、前記管状セラミックスヒータの外側の被
加熱液体の流路が前記管状セラミックスヒ−タと同心円
状に配置された第２と第３の石英ガラス管の間に形成さ
れていることを特徴としている。

【００１３】本発明において、石英ガラスとは、純度の
良い石英の結晶を溶融してガラス化したもの、または四
塩化珪素（ＳｉＣｌ₄ ）などを加水分解して合成された
シリカから作られるシリカガラスのことをいう。

【００１４】本発明の液体加熱装置では、抵抗加熱式管
状セラミックスヒータの内側に近接して被加熱液体の流
路が設けられ、かつ該管状セラミックスヒータの外側に
近接して被加熱液体の流路が設けられていることによ
り、管状セラミックスヒータの内外両面を伝熱面として
利用して伝熱面積を大きく取れる。また、石英ガラス管
の壁を通しての伝熱と管状セラミックスヒータからの熱
輻射による輻射伝熱の両方を有効に利用しているので被
加熱流体への熱伝達が良好である。さらに管状セラミッ
クスヒータの発熱部のほとんどが被加熱液体の流路によ
って囲まれていることにより、ヒータの内外面からの熱
が余さず被加熱液体に伝熱されるので熱効率が優れてい
る。

【００１５】本発明の液体加熱装置では、管状セラミッ
クスヒータの内外両面が石英ガラスによって被加熱液体
とは絶縁された構成となっていることにより、被加熱液
体が水や水溶液などの導電性の液体である場合にもその
まま使用できる。

【００１６】また、本発明の液体加熱装置では、液体の
流路がすべて石英ガラスで構成されている。石英ガラス
はフッ酸を除く腐食性の液体に対して耐食性が良く、被
加熱液体を不純物や塵で汚さない材料である。また、純
度の高い材料からなる石英ガラスを市場で入手できるの
で、半導体の製造工程などで使用される超純水の加熱な
どに好適な、被加熱液体を全く汚染することなく加熱し
得る液体加熱装置を比較的安価に提供できる。

【００１７】石英ガラスは酸による腐食に対して強いの
で、たとえ流路が汚されても、酸洗浄を行って再生でき
る。また、石英ガラスは液体加熱装置においてセラミッ
クスヒータと隣接する材料に要求される耐熱性を充分に
有し、熱膨張率が非常に小さいことから使用時に急加熱
や急冷却を受けても破損することがない。また、石英ガ
ラスは赤外線の透過性が高いので、セラミックスヒータ
から多量に輻射される遠赤外線による輻射伝熱を有効利
用でき、熱伝達が良好であるので、通常赤外線を多く放
射するセラミックスヒータを加熱源として使用する本発
明の液体加熱装置の流路の材料に特に好適である。

【００１８】しかし、石英ガラスは７００℃以上で長時
間加熱されると、失透（結晶化）を起こして変質する傾
向があるので、使用温度はあまり高くしないようにする
のが好ましい。失透が起きると、塵が放出され、被加熱
液体の汚染の原因となるので注意を払う必要があり、こ
の意味で管状セラミックスヒータの温度は６００℃程度
以下で使用するのが好ましい。

【００１９】石英ガラス以外で流路に使用される材料と
して有力なものに、フッ素樹脂のＰＴＦＥ（ポリテトラ
フルオロエチレン）や耐熱ガラスである硼珪酸ガラスが
挙げられるが、ＰＴＦＥからは少量ではあっても加熱さ
れた純水中には有機物が溶け出し、同時に塵も発生する
ことが避けられないので、純水を加熱する目的には適し
ていない。

【００２０】また、ＰＴＦＥの耐熱温度は３００℃程度
と低いことと、熱伝導性がそれほど良くないことから隣
接して配置される管状セラミックスヒータの温度を高く
できない。流路材料としてＰＴＦＥを使用しても被加熱
液体を全く汚さず、かつコンパクトで高加熱容量の液体
加熱装置は得られない。

【００２１】硼珪酸ガラスを被加熱液体の流路に使用す
ると、その耐熱温度が６００℃程度であることから管状
セラミックスヒータの温度は低く制限される。硼珪酸ガ
ラスの熱膨張率は比較的小さいが、石英ガラスと比べて
はるかに大きいので、急加熱されたり急冷却されたりす
ると熱応力割れを起こすおそれがある。また、耐腐食性
は比較的良いが、被加熱液体の温度が高くなると極く微
量の不純物や塵の放出を阻止できないので、微量の不純
物と塵を容認できる通常の用途以外には使用でない。

【００２２】本発明の液体加熱装置の好ましい態様で
は、前記管状セラミックスヒータの材料が金属シリコン
と、アルミナとシリカを主成分とする金属酸化物からな
り、上記材料中の金属シリコンの含有量が５〜５０重量
％である。

【００２３】管状セラミックスヒータの材料として、金
属シリコンと前記金属酸化物を主成分とし、金属シリコ
ンの含有量５〜５０重量％であるものを使用することに
より、セラミックスヒータの材料の電気抵抗の温度係数
は正数値となり、従来のチタン酸バリウム系のＰＴＣ材
料（電気抵抗の温度係数が正数値であるセラミックス）
からなるヒータがその特性上３００℃程度までしか加熱
できないのに対して、６００℃程度までの加熱が容易で
ある。かつ電気抵抗の温度係数が正数の発熱体となるた
め、温度が上昇すると電気抵抗が増加するのでヒータが
過熱するおそれがなく、温度制御が容易な液体加熱装置
を得ることができる。

【００２４】また、金属シリコンの含有量はセラミック
スヒータの抵抗特性を左右し、セラミックスヒータとし
て使い易い抵抗特性を有する材料を得るため、金属シリ
コンの含有量は５〜５０重量％とするのが好ましい。

【００２５】また、金属シリコンと前記金属酸化物を主
成分とする材料からなるセラミックスヒータは、遠赤外
線を多量に含む赤外線（熱線）を輻射するセラミックス
ヒータであり、放射される遠赤外線は液体の流路を囲ん
でいる石英ガラス管を透過し、水や水溶液に吸収され易
いので、被加熱液体が水または水溶液である場合に輻射
伝熱を熱伝達に有効に利用でき、石英ガラス管を流路の
材料とする組み合せによって、加熱効率が特に良好な液
体加熱装置を実現できる。

【００２６】本発明の液体加熱装置の他の好ましい態様
では、管状セラミックスヒータの外側の流路と内側の流
路が連結管によって直列に接続されている。内側の流路
と外側の流路を直列に連結した構成とすることで、被加
熱液体の制御が可能な温度範囲を広くできる。

【００２７】シリコンウエハーや磁気ディスク基板など
の洗浄を行う場合などは、洗浄後の被洗浄物の乾燥が速
やかに完了するように純水の温度を８０℃とするのが良
いとされているが、複数の液体加熱装置を連結すると、
この程度の温度に加熱することは容易であり、使い易く
用途の広い液体加熱装置が提供できる。

【００２８】本発明の液体加熱装置の他の好ましい態様
では、被加熱液体の流入部に取り付けられた温度センサ
および管状セラミックスヒータに取り付けられた温度セ
ンサの温度信号と、被加熱液体の流入口などに取り付け
られた流量センサによる液体加熱装置に流入する被加熱
液体の流量信号とに基いて、管状セラミックスヒータの
温度を予め決めてある所定の温度に保持するように電力
を制御することによって被加熱液体の温度調節が行われ
る。

【００２９】すなわち、温度センサが管状セラミックス
ヒータに取り付けられていることにより、管状セラミッ
クスヒータの温度が直接検出され、管状セラミックスヒ
ータの温度を直接制御することができる。ここで、管状
セラミックスヒータの温度を被加熱液体の流量と流入温
度について予め決めてある所定の温度に制御する方法と
しては、たとえば予め実験などによって被加熱液体の流
入温度、流入量および管状セラミックスヒータの保持温
度から定まる被加熱液体の温度を求めておいて、これに
基いて被加熱液体が所定の温度となるように管状セラミ
ックスヒータの温度を制御する方法がある。この方法に
よれば、液体加熱装置から流出する被加熱液体の温度を
速やかに所望の温度に制御できる。

【００３０】被加熱液体の流出温度の制御方法にはパラ
メータがいくつかあることからいくつかの制御方法が存
在する。方法によっては流出温度が所望の温度に収束す
るのに時間を要したり、一つのパラメータが変化したと
きに流出する被加熱液体の温度が振動したりする現象が
見られるが、管状セラミックスヒータの温度を直接制御
する方法によれば、温度の収束に時間を要したり、温度
が振動したりする現象を避けることができる。

【００３１】この制御は好ましくはマイクロコンピュー
タによって行われ、たとえば被加熱液体の流入量および
流入温度と、得ようとする被加熱液体の温度と、対応す
る管状セラミックスヒータの温度とをマイクロコンピュ
ータのメモリ中にデータとして記憶しておき、管状セラ
ミックスヒータの温度がデータから読み取られた所定の
温度となるように供給電力を制御することによって速や
かに流出する液体の温度を所望の温度に調節できる。

【００３２】対応する管状セラミックスヒータの温度デ
ータを予め求めていない場合は、少々時間が必要である
が液体加熱装置から流出する被加熱液体の温度をモニタ
ーしながら被加熱液体の温度を必要な温度に設定するこ
ともできる。

【００３３】本発明の液体加熱装置の他の好ましい態様
では、管状セラミックスヒータの内側に設けられた第１
の石英ガラス管の流路中に中空の石英ガラスからなる芯
管が挿入されており、芯管の被加熱流体の流路の上流側
の端部近傍の周囲にインペラが取り付けられ、インペラ
の羽根の先が第１の石英ガラス管の内壁に接触すること
によって芯管が第１の石英ガラス管の内側に同心円状に
固定される。

【００３４】第１の石英ガラス管内に中空の石英ガラス
の芯管が挿入されていることによって、第１の石英ガラ
ス管内の流路の外径を大きくして管状セラミックスヒー
タからの伝熱面積を大きくし、しかも被加熱液体の流路
断面積を狭くして流速を大きくできる。さらに芯管に取
り付けられたインペラによって被加熱液体の流れを旋回
流とすることにより液体の流速をさらに大きくできるの
で、被加熱液体が流路中を流れる液体の流速を、熱伝達
が飛躍的に大きくなる乱流域であるレイノズル数３００
０以上に容易に高めることができ、石英ガラスの壁を通
しての熱伝達をさらに促進できる。

【００３５】また、インペラの存在によって芯管が第１
の石英ガラス管の中央に固定されるので、芯管が液体の
流れによって振れたりすることなく保持され、第１の石
英ガラス管と芯管との間に形成される被加熱液体の流路
の断面の幅が均等に保持され、ヒータの内壁からの熱伝
達が均等に、かつ良好になされる。芯管の先端は被加熱
液体の流れが均等になされ、かつ流れの抵抗が大きくな
らないよう、半球形などの流線形に形成しておくのが好
ましい。

【００３６】本発明の液体加熱装置の他の好ましい態様
では、管状セラミックスヒータの内面と、第１の石英ガ
ラス管の表面との間隔が１．２ｍｍ以下であり、かつ管
状セラミックスヒータの外面と、第２の石英ガラス管の
表面との間隔が１．２ｍｍ以下である。すなわち、管状
セラミックスヒータの内面と第１の石英ガラス管の表面
との間、および管状セラミックスヒータの外面と第２の
石英ガラス管の表面との間には隙間があって、ここには
通常空気層が存在している。この空気層の厚さは薄い方
が空気層を通しての熱伝達が良好となるので、好ましく
は１．２ｍｍ以下とされる。

【００３７】この空気層の厚さは、管状セラミックスヒ
ータの内外面の真円度と被加熱液体の流路の壁、すなわ
ち石英ガラス管の真円度を高めることにより０．１ｍｍ
まで小さくできるが、部材の加工に要する手間を勘案し
て、より好ましくは０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とさ
れる。この空気層のそれぞれの厚さを調整すれば、管状
セラミックスヒータの内側からの熱伝達と外側からの熱
伝達のバランスを調整できる。

【００３８】空気層の熱伝導性は小さいので、この部分
の伝熱を良くする工夫をすれば熱伝達をさらに向上する
ことができ、たとえば液体加熱装置をヘリウムガスが充
たされた容器中に入れ、前記空気層をヘリウムガス層と
置換することは有効である。

【００３９】一種類の被加熱液体を加熱する場合には、
被加熱液体の流路中の流速が大きい方が熱伝達を大きく
でき、より高い温度まで被加熱液体を加熱することが容
易となるので、管状セラミックスヒータの内側にある被
加熱液体の流路と外側にある被加熱液体の流路を連結管
で直列に接続して使用するのが好ましい。

【００４０】また、管状セラミックスヒータの外側の流
路に先ず温度の低い被加熱液体を流し、次いである程度
加熱された被加熱液体を管状セラミックスヒータの内側
の流路に流すようにすると、液体加熱装置の外側の温度
が低く保たれることによって液体加熱装置からの熱放散
が少なくなるので熱効率が向上する。第３の石英ガラス
管の外側を断熱材で被覆することももちろん有効であ
る。

【００４１】本発明の液体加熱装置の他の好ましい態様
では、管状セラミックスヒータと第１の石英ガラス管と
の間の管状セラミックスヒータの両端部近傍にそれぞれ
スペーサが挿入されており、かつ管状セラミックスヒー
タの発熱部分が被加熱液体の流路により完全に囲まれ、
かつスペーサが管状セラミックスヒータの発熱部分と重
ならないように、管状セラミックスヒータの発熱部分の
軸方向の長さが液体の流路の長さより短くされている。

【００４２】管状セラミックスヒータの両端の電極部
は、電気抵抗が発熱部分と比べて小さくなるように、た
とえばさらに金属シリコンを含浸したり、表面にアルミ
ニウムを溶射したりしてあり、発熱しても僅かであるよ
うに作られている。そしてこの両端の電極部にはリード
線がつながれ、電源に接続されている。

【００４３】この構成によって、管状セラミックスヒー
タの発熱部分のほとんどすべてが石英ガラス管からなる
被加熱液体の流路で囲まれることになる。また管状セラ
ミックスヒータの発熱部分がスペーサの取り付け位置と
重ならないように配置されていることにより、スペーサ
が断熱材料であることよって生じる管状セラミックスヒ
ータの過熱を回避でき、これによって管状セラミックス
ヒータの耐久性を確保できるとともに、この過熱部分か
らの無駄な熱の放散を回避できる。

【００４４】スペーサとしては、たとえばＥガラス長繊
維や石英ガラスの長繊維などを編んだ耐熱性と絶縁性を
有するテープなどが好ましく使用でき、第１の石英ガラ
ス管の端部近傍または管状セラミックスヒータの端部近
傍にテープが鉢巻き状に巻き付けられたものが好まし
く、その外側に管状セラミックスヒータまたは第２の石
英ガラス管が挿入される。スペーサはそれぞれの石英ガ
ラス管の表面と管状セラミックスヒータの表面の間の間
隔を所定の狭く均等な距離に保ち、両方の管の間の熱膨
張差によって生じる位置ずれを吸収するとともに、熱伝
達が一部分に偏ることによる部分的な過熱や温度むら、
あるいは部分的な被加熱液体の沸騰現象が生じるのを防
ぎ、管状セラミックスヒータの耐久性を確保する機能を
果たす。

【００４５】本発明の液体加熱装置では、石英ガラス管
で隔離された被加熱液体の流路を管状セラミックスヒー
タの内側と外側に有しているので、それぞれの液体流路
に別々の被加熱液体を流すことによって異なる被加熱液
体を容易に同時加熱できる。また、さらに大きい加熱容
量の液体加熱装置を得たい場合には、液体加熱装置の本
体をさらに直列に連結したり、並列に連結したりして大
加熱容量の液体加熱装置を構成することもできる。

【００４６】本発明の液体加熱装置の他の好ましい態様
では、温度センサがシース熱電対であり、シース熱電対
が管状セラミックスヒータの外側にある第２と第３の石
英ガラス管の壁と外側の流路を貫くように、管状セラミ
ックスヒータの軸と直交する方向に取り付けられた石英
ガラスの細管の内側を通り、シース熱電対の先端が管状
セラミックスヒータの表面に設けられた窪みに挿入され
ている。

【００４７】６００℃程度にまで昇温される管状セラミ
ックスヒータの温度を測定する温度センサとしては、シ
ース熱電対が使い易く手頃であり、比較的細いシース熱
電対を使用すれば狭い隙間にシース熱電対を差し込むこ
ともできる。しかし、管状セラミックスヒータの内面と
第１の石英ガラス管の表面との隙間、および管状セラミ
ックスヒータの外面と第２の石英ガラス管の表面との隙
間は狭く、この隙間にシース熱電対を差し込むと隙間の
間隔を均等に維持することが困難になる。

【００４８】この困難を回避する一つの対策として、抵
抗加熱式管状セラミックスヒータの中心軸と直交する方
向から外側の流路を囲む第２と第３の石英ガラス管の壁
と管状セラミックスヒータの外側の流路を貫くように石
英ガラス細管を第２と第３の石英ガラス管と一体に設
け、シース熱電対をこの細管の内側に通し、その先端が
管状セラミックスヒータの、好ましくは中央付近の表面
に設けられた窪みに挿入されるようにする。

【００４９】石英ガラス管を使用する場合には、このよ
うなガラス細工を比較的容易に行うことができ、シース
熱電対をこのように配置することによって、管状セラミ
ックスヒータと石英ガラス管都の間の間隔を狭く均等に
保つことが容易であり、温度センサの取り付けと交換も
容易になる。

【００５０】本発明の液体加熱装置の他の好ましい態様
では、被加熱液体が純水である。ここで純水（超純水と
も呼ばれる）というのは人工的に精製された水であっ
て、化学的および物理的な手段によって高純度化された
水をいう。具体的な精製手段の例としては、蒸留、イオ
ン交換、活性炭による吸着、膜による濾過などが挙げら
れる。

【００５１】

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説
明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定
されるものではない。

【００５２】実施例１金属酸化物として、Ａｌ₂ Ｏ₃ が２８重量％、ＳｉＯ₂
が６７重量％およびＦｅ₂ Ｏ₃ その他が５重量％となる
ように木節粘土と硼珪酸ガラスを混合したものを用い
た。この金属酸化物６５重量部と、シリコン粉末３５重
量部との混合物に結合剤としてメチルセルローズを加
え、さらに水を加えて混練した。混練物を管状に押出し
成形して乾燥後切断し、還元性の雰囲気中において１３
５０℃で４時間焼成して管状セラミックスヒータ４を得
た。なお、金属酸化物中にはある程度の鉄を含んでいて
も支障ないので、シリコン粉末のかわりにフェロシリコ
ンを使用できる。

【００５３】図１は一種類の被加熱液体を加熱するため
の液体加熱装置１の断面図である。管状セラミックスヒ
ータの内側の流路２は第１の石英ガラス管５によって囲
まれており、管状セラミックスヒータの外側の流路３は
第２の石英ガラス管６と第３の石英ガラス管７の間に形
成されている。この液体加熱装置１では、管状セラミッ
クスヒータ４が加熱されて輻射される多量に遠赤外線を
含む赤外線（熱線）が、石英ガラス管の壁を透過して流
路２、流路３を流れる被加熱液体に到達する。したがっ
て、被加熱液体に赤外線を吸収する性質があれば、管状
セラミックスヒータと石英ガラス管が密着していなくて
も熱伝達はかなり良好となる。

【００５４】また、管状セラミックスヒータのすぐ外側
の第２の石英ガラス管６の外周には螺旋状に石英ガラス
の細い棒１３が巻き付けてあり、被加熱液体はこの流路
３中を螺旋状に回転しながら流れるようになっている。
そして、内側の流路２と外側の流路３は連結管１４によ
って接続されている。

【００５５】この液体加熱装置を組み立てる場合には、
予め石英ガラスの部分と管状セラミックスヒータの部分
を別々に作製しておき、最後に両部分を組み合わせるよ
うにすると良い。しかし、管状セラミックスヒータに内
側の石英ガラス管と外側の石英ガラス管を嵌め込んでか
ら連結管の部分で接合することもできる。

【００５６】一例として、この形態の液体加熱装置を純
水の加熱用に使用した。即ち、管状セラミックスヒータ
として、外径２０ｍｍ、内径１４ｍｍ、長さ３００ｍｍ
であり、２００Ｖの電圧をかけたときの電力が１０ｋＷ
であるものを用いて、純水を１０リットル／分で被加熱
液体の入り口９から外側の流路３に導入し、次いで内側
の流路２に流したところ、３０℃の水の温度が４４．１
℃に上昇し、有効熱効率は９８％以上であった。また、
このとき被加熱液体である純水の流路壁材料による汚染
は全く検知されなかった。

【００５７】実施例２図２は半導体装置などのエレクトロニクス関連製品の製
造工程において、中間製品の洗浄などに用いられる超純
水の加熱に使用される本発明の液体加熱装置の一例の断
面図である。

【００５８】管状セラミックスヒータ４の材料は実施例
１と同じ材料で構成され、管状セラミックスヒータの内
側にある被加熱液体の流路２、および管状セラミックス
ヒータの外側にある被加熱液体の流路３は、実施例１と
同様に有害な不純物の含有量が１ｐｐｍのオーダーであ
る高純度の石英ガラスで囲まれている。これらの石英ガ
ラス管の壁の厚さはいずれも１．５〜２ｍｍとされてい
る。実施例１と異なる点は、管状セラミックスヒータ４
の内側に配置されている第１の石英ガラス管５の直径が
大きくなっており、この分伝熱面積が大きくなっている
ことである。

【００５９】しかし、そのままの円形断面の流路２に被
加熱液体を流すと、被加熱液体の流速が遅くなり、被加
熱液体と第１の石英ガラス管５との間の熱伝達が不良と
なって熱が被加熱液体に伝わりにくくなる。

【００６０】このため、先端が閉じられ、先端近傍の周
囲にインペラ１７を取り付けた中空の石英ガラス管から
なる芯管１６を第１の石英ガラス管５の内側に挿入して
流路２の断面積を小さくするとともに、インペラ１７の
先端が第１の石英ガラス管５の内側と接するように配置
する。かくして、インペラ１７は芯管６が偏ってリング
状の断面を有する流路２の厚さが不均等になったり、芯
管６が被加熱流体の流れに押されて遊動したりしないよ
うに芯管６を支持している。

【００６１】インペラ１７の羽根の数は３枚とされてお
り、羽根には螺旋状に傾斜が付けられているので、流路
を流れる液体には回転力が付与され、液体の流速がさら
に速くなり、レイノズル数が増え、熱伝達がさらに促進
される。また、被加熱液体が流入する際に流れを均等化
し、かつ流動抵抗を小さくするようにインペラが取り付
けられている側の芯管の端面は半球状に形成する。

【００６２】このようにして流路２の外径を大きくする
ことにより、流路３の内径も大きくし、管状セラミック
スヒータの寸法を大きくして伝熱面積を増やし、より加
熱容量の大きい液体加熱装置を作製できる。

【００６３】また、石英ガラス管５の両端部近傍の外周
には、石英ガラスの長繊維を編んだ幅が１０ｍｍのリボ
ンを巻つけてなるスペーサ２１が取り付けられ、このス
ペーサ２１の外側に管状セラミックスヒータが差し込ま
れていて、管状セラミックスヒータ４の内側表面と第１
の石英ガラス管５の外側表面との間の間隔はスペーサ２
１によって均等化され、約０．５ｍｍとされている。

【００６４】管状セラミックスヒータ４の寸法は外径が
４０ｍｍ、内径が３２ｍｍ、全長が６００ｍｍであり、
その両端にはほとんど発熱しない５０ｍｍの長さの電極
部が、外側の流路２の端から５ｍｍ内側まで達するよう
にそれぞれ設けられていて、それぞれ図示されていない
電源と接続されたリード線１２が取り付けられている。
また、第２の石英ガラス管６と第３の石英ガラス管７の
中央部には、図３に拡大して示されているように管状セ
ラミックスヒータ４の外側の流路３を貫く石英ガラスの
細管２２が取り付けられており、シース熱電対からなる
温度センサ２３がこの細管２２の内側を通り、管状セラ
ミックスヒータ４の表面に設けられた窪み２４にシース
熱電対からなる温度センサ２３の先端が挿入されてい
る。

【００６５】この構成によって、温度センサ２３によっ
て管状セラミックスヒータ４の温度を直接検知でき、管
状セラミックスヒータ４の表面温度が石英ガラスの失透
を引き起こす温度まで上昇しないように確実に制御でき
る。

【００６６】この液体加熱装置１によって純水の加熱を
試みた。管状セラミックスヒータ４に２００Ｖの電圧を
かけたときの最大出力は６ｋＷであり、被加熱液体の出
入り口配管１１から２０℃の純水を１０リットル／分の
流量で流したところ、出入り口配管９から流出する純水
の温度は２８．５℃となった。

【００６７】このときの有効熱効率は９８％以上であ
り、使用時における管状セラミックスヒータ４の温度は
４６０℃、発熱体の電極部の温度は約８０℃となってい
た。また、出入り口配管９から流出する純水の汚染の有
無を検査したが、不純物の混入は全く認められなかっ
た。

【００６８】純水槽中に貯めてある純水の温度を所望の
より高い温度にしたい場合には、純水を液体加熱装置に
循環させることができる。

【００６９】実施例３図４は本発明による液体加熱装置一応用例を示す説明図
であり、写真用の現像液と定着液の加熱保温に使用され
ている。図中１は液体加熱装置本体、３１はポンプ、３
３は現像液溜、３４は定着液溜、３５はポンプの回転数
を制御する流量コントローラである。

【００７０】この例では、現像液と定着液が混ざり合う
ことなく、１つの構造が簡単な液体加熱装置で同時に加
熱され、液温は現像液溜３３と定着液溜３４に取り付け
られた温度センサによって検出され、流量コントローラ
３５によってポンプ３１の回転数を調整し、さらに図示
されてない電力制御系によって管状セラミックスヒータ
に供給される電力を調整し、現像液と定着液の液温を所
要の温度に調整している。

【００７１】使用されている管状セラミックスヒータの
寸法は外径１５ｍｍ、内径９ｍｍ、長さ１００ｍｍであ
る。この管状セラミックスヒータは、ＳｉＯ₂ が６２重
量％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が３５重量％およびその他の酸化物が
３重量％となるように配合した粘土とアルカリ長石との
混合粉末８０重量部に、金属シリコン２０重量部を加
え、さらに結合剤のメチルセルローズと水を加えて混練
し、押出成形して乾燥後、１３５０℃において４時間焼
成して得られたものである。

【００７２】この管状セラミックスヒータは、１００Ｖ
の交流電源に接続したときの電力が３００Ｗであり、室
温において、両液溜に収容されている約１リットルの現
像液と約１リットルの定着液をそれぞれ３５℃に保持す
るのに適した液体加熱装置として機能した。この液体加
熱装置は、半導体装置の製造工程において実施されてい
るレジストの現像液と定着液にも同様に使用できる。

【００７３】実施例４図５は半導体装置の中間製品の洗浄に用いられる純水を
加熱するのに使用される本発明の液体加熱装置の一例を
示す説明図である。図５において１は液体加熱装置本体
で、１５は電源、２３、２８、２９は温度センサ、３０
は制御用コンピュータ、３１はポンプ、３５は流量コン
トローラ、３６は電力コントローラ、３７は純水槽、３
８は流量センサ、３９は排出口、１１、４０は配管であ
る。

【００７４】この例では、純水槽３７に貯められた室温
の純水はポンプ３１によって送られ、流量センサ３８を
経て直列に連結された二台の液体加熱装置１に導入さ
れ、両方の液体加熱装置によって所定の温度に昇温され
て出入り口３９から排出されるようになっている。この
例では流路中を流れる純水の流量は、流量センサ３８で
検知され、予め決められた一定の流量に制御されてい
る。

【００７５】純水槽３７に貯められた純水の温度は温度
センサ２８によって検知され、その温度信号が制御用コ
ンピュータ３０のメモリにデータとして蓄えられる。

【００７６】純水が流れ始めると、流量信号が制御用コ
ンピュータ３０に入り、制御用コンピュータ３０からの
信号によって管状セラミックスヒータに電力が供給さ
れ、液体加熱装置中の管状セラミックスヒータの温度が
温度センサ２３によって検知され、その温度信号も制御
用コンピュータ３０のメモリにデータとして蓄えられ
る。また、温度センサ２８が液体加熱装置と液体加熱装
置の間に設けられた配管４０に、温度センサ２９が加熱
された純水の排出口３９に取り付けられており、その温
度信号は制御用コンピュータ３０に送られてメモリにデ
ータとして蓄えられる。これらのデータは、必要に応じ
て制御用コンピュータ３０のディスプレイに表示するこ
ともできる。

【００７７】制御用コンピュータ３０は集められたデー
タに基づいて、予めメモリに収納してある制御プログラ
ムにより各液体加熱装置の管状セラミックスヒータの保
持すべき温度を決め、管状セラミックスヒータが保持す
べき温度となるように電力コントローラ３６から供給さ
れる電力が制御される。

【００７８】このように、各液体加熱装置の管状セラミ
ックスヒータの温度を保持すべき温度に制御することに
よって、排出口３９から流出する純水の温度を速やかに
所望の温度に制御できる。

【００７９】実施例２と同じ仕様の液体加熱装置を８台
直列に連結した大加熱容量の液体加熱装置の場合には、
２０℃の純水を１０リットル／分で流しながら排出口３
９から流出する純水の温度を±０．５℃の精度で８０℃
に保つことができた。このとき、各管状セラミックスヒ
ータの温度はそれぞれの間に大きな差がないように約４
６０℃に保持され、最終段に配置された液体加熱装置に
よって温度の微調整がなされるように制御プログラムを
組んで被加熱流体を加熱した。この場合の平均所要電力
は４３ｋＷであり、有効熱効率は９７．３％であった。

【００８０】排出口３９から排出される加熱された純水
について汚染の有無を調べたが、汚染は全く検知されな
かった。

【００８１】比較例図６は液体加熱装置の比較例の断面図である。この液体
加熱装置１は、金属シリコンが２０重量％、ＳｉＯ₂ お
よびＡｌ₂ Ｏ₃ を主成分とする金属酸化物８０重量％か
らなる管状セラミックスヒータ４を備えている。そして
この液体加熱装置は、管状セラミックスヒータ４の内側
に設けられ、内側の被加熱液体の流路２を内包するＰＴ
ＦＥのチューブ２５と、管状セラミックスヒータ４の外
側に管状セラミックスヒータとほとんど接して配置され
たＰＴＦＥチューブ２６、このチューブ２６と同心円状
に少し離して配置されたＰＴＦＥのチューブ２７および
管状セラミックスヒータの電極部に取り付けられている
リード線１２とから構成されていて、チューブ２６、チ
ューブ２７の間には外側の流路３が形成されている。ま
た、１０、１１は流路２への出入り口配管であり、８、
９は流路３への出入り口配管である。

【００８２】この構成の液体加熱装置はフッ酸を含む多
くの種類の液体の加熱に使用できるが、ＰＴＦＥの耐熱
性の制約によって管状セラミックスヒータ４の温度を３
００℃以上に高くすることができない。したがって、高
加熱容量の液体加熱装置として用いることは難しく、純
水の加熱に使用する場合、特に被加熱液体の温度を高く
したい場合、純水中に微量の有機物と塵を放出するの
で、純水の加熱用には適していないことが分かった。

【００８３】

【発明の効果】石英ガラス管を流路の材料に使用し、多
量の遠赤外線を含む赤外線を輻射する管状セラミックス
ヒータからの熱を、伝熱と輻射の両方を有効利用して被
加熱液体に伝えることにより、被加熱液体を全く汚すこ
とがなく、コンパクトで高加熱容量、かつ比較的簡単な
構成で加熱効率が高く、目的によっては複数の液体を同
時に加熱することも可能なほとんど待時間を必要としな
い液体加熱装置が得られた。この液体加熱装置はエレク
トロニクス関連製品の製造工程などで使用される純水を
連続加熱するのに好適なものであり、産業上の用途が広
いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液体加熱装置の一例を示す断面図。

【図２】本発明の液体加熱装置の他の一例を示す断面
図。

【図３】図２における温度センサの取り付け部分の拡大
断面図。

【図４】本発明の液体加熱装置の応用例を示す説明図。

【図５】自動制御系を取り付けた本発明の液体加熱装置
の一例の説明図。

【図６】液体加熱装置の比較例の説明図。

【符号の説明】

１：液体加熱装置２：内側の被加熱液体の流路３：外側の被加熱液体の流路４：管状セラミックスヒータ５：第１の石英ガラス管６：第２の石英ガラス管７：第３の石英ガラス管８、９、１０、１１：被加熱液体の出入り口配管１２：リード線１３：コイル状石英ガラス棒１４：連結管１５：電源１６：芯管１７：インペラ２１：スペーサ２２：細管２３：温度センサ２４：窪み２５、２６、２７：ＰＴＦＥのチューブ３０：制御用コンピュータ３１：ポンプ３３：現像液溜３４：定着液溜３５：流量コントローラ３６：電力コントローラ３７：純水槽３８：流量センサ３９：排出口４０：配管

フロントページの続き (56)参考文献特開平４−225752（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−204744（ＪＰ，Ａ) 特開平１−98854（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−22462（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24H 1/10 H05B 3/14 H05B 3/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】抵抗加熱式管状セラミックスヒータの内側
に近接して配された被加熱液体の流路と該管状セラミッ
クスヒータの外側に近接して配された被加熱液体の流路
とを備えてなる液体加熱装置であって、管状セラミック
スヒータの内側の被加熱液体の流路が管状セラミックス
ヒータと同心円状に配置された第１の石英ガラス管に囲
まれて形成され、管状セラミックスヒータの外側の被加
熱液体の流路が管状セラミックスヒータと同心円状に配
置された第２、第３の石英ガラス管の間に形成されてい
ることを特徴とする液体加熱装置。
【請求項２】管状セラミックスヒータの材料が金属シリ
コンと、アルミナとシリカを主成分とする金属酸化物と
からなり、材料中の金属シリコンの含有量が５〜５０重
量％である請求項１に記載の液体加熱装置。
【請求項３】前記第１の石英ガラス管中に中空の石英ガ
ラスの芯管が挿入され、被加熱液体の流路の上流側にな
る芯管の端部近傍の周囲にインペラが取付けられ、前記
芯管がインペラによって前記第１の石英ガラス管内に第
１の石英ガラス管と同心円状に固定されている請求項１
または２に記載の液体加熱装置。
【請求項４】管状セラミックスヒータの内面と、第１の
石英ガラス管の表面との間隔が１．２ｍｍ以下であり、
かつ管状セラミックスヒータの外面と第２の石英ガラス
管の表面との間隔が１．２ｍｍ以下である請求項１、２
または３に記載の液体加熱装置。
【請求項５】石英ガラスの細管が、管状セラミックスヒ
ータの外側の液体流路を囲む第２と第３の石英ガラス管
とその間に形成されている流路を貫くように、かつ、管
状セラミックスヒータの軸に直交する方向に、第２と第
３の石英ガラス管と一体に設けられ、上記石英ガラスの
細管の内側を通るシース熱電対の先端が、管状セラミッ
クスヒータの表面に設けられた窪みに挿入されている請
求項１〜４のいずれかに記載の液体加熱装置。
【請求項６】被加熱液体が純水である請求項１〜５のい
ずれかに記載の液体加熱装置。