JP3651928B2 - 流体加熱装置及び循環温水器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は流体加熱装置、特にセラミックヒータを用いた流体加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体や気体等の流体を加熱するための流体加熱装置として、内部に流体を循環させるための加熱容器と、この加熱容器内に配置されたセラミックヒータとを備えたものがある。この装置では、加熱容器内の流体は、循環しながらセラミックヒータに直接接触し加熱される。
【０００３】
しかしながら、この流体加熱装置では、例えば高温のセラミックヒータに冷水が接触し、セラミックヒータに熱衝撃が印加された場合、セラミックヒータにクラック等の損傷が起こる場合がある。また長時間使用していると、水垢等がセラミックヒータに付着するので、セラミックヒータの加熱効率が低下する。
【０００４】
そこで上記欠点を解消するために、本出願人は先に内部に流体を通過させるための金属管を有する２つの金属加熱器を準備し、該２つの金属加熱器の間にセラミックヒータの発熱部を介在させ、セラミックヒータの発する熱を金属加熱器の金属管内を通過する流体に伝導させて加熱する流体加熱装置を提案した（特願平４−２６１６５４号参照) 。
【０００５】
かかる流体加熱装置によれば、セラミックヒータは流体に直接接触しないためセラミックヒータに熱衝撃が印加されてクラック等の損傷が発生することは一切なく、またセラミックヒータの発する熱は２つの金属加熱器の金属管を通過する流体を同時に加熱するため加熱効率が高いものとなる。
【０００６】
また、最近家庭でも銭湯のようにいつでも温かいお風呂に入れるような２４時間風呂のシステムが商品化されている。このシステムは、水を強制循環させ、フィルターで湯垢、ビールス、細菌類、カビ類を除去し、かつ上記の流体加熱装置で適性温度に湯温を調整するようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先に提案した流体加熱装置に用いられるセラミックヒータは、その端部が２つの金属加熱器の間で露出されており、高温に加熱されたセラミックヒータの上記露出部に冷水が接触して熱衝撃を受けた場合に、セラミックヒータにクラック等が生じやすいという問題点があった。また、上記セラミックヒータの絶縁基体としては、ガラス成分を約１０％含むアルミナセラミックスが用いられているため、このセラミックヒータの上記露出部に例えば強アルカリ溶液等の液体が接触した場合、ガラス成分が浸食されて絶縁低下を引き起こし、発熱抵抗体のショートや漏電の恐れがあった。
【０００８】
また、先に提案した流体加熱装置において、セラミックヒータの加熱効率を高めようとすると、立ち上がり時の突入電流が大きくなり、電圧印加時にセラミックヒータが破損してしまうという問題点があった。例えば、用途によっては電源電圧を２４Ｖとした低電圧使用のセラミックヒータを用いる場合があるが、この場合にも加熱効率を１００Ｖ仕様と同じにしようとすると、突入電流が大きくなり、セラミックヒータが破損しやすかった。
【０００９】
さらに、先に提案した流体加熱装置において、空炊き運転等が発生した場合に装置の過昇温を防止するためにサーモスタットが備えられていたが、例えばサーモスタットの接点が溶着したり、バイメタルが変形するような場合にはサーモスタットが作動しないため、装置が過度に昇温されて金属容器が変形し、セラミックヒータが割れるという問題点があった。
【００１０】
また、先に提案した流体加熱装置において、温水の温度はビールス、細菌類、カビ類の生息に最も適した温度となるため、流体加熱装置を構成する金属管の内面にスケール（湯垢）が付着しやすかった。金属管内面にスケールが付着すると、伝熱性が低下して加熱効率が低下したり、安全装置のサーモスタットが作動して加熱できなくなるなどの問題点があった。実際、金属管内面に付着したスケールの厚みと消費電力との関係を調べると、スケール付着量が多くなるほど消費電力は低下し、加熱効率が悪くなることがわかる。
【００１１】
【発明の目的】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的はセラミックヒータの露出部を無くしてクラックや浸食を防止し、長期間安定して使用できる流体加熱装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の目的は、加熱効率を高めるために突入電流を大きくしても破損することのないセラミックヒータを備えた流体加熱装置を提供することにある。
【００１３】
さらに、本発明の目的は、空炊き運転等の以上運転が生じた場合に、より確実に電圧印加を停止させることのできる流体加熱装置を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の目的は流体加熱装置の金属管内面へのスケール付着を防止することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に流体を通過させるための金属管を有する２つの金属加熱器と、該金属加熱器間に配置されたセラミックヒータと、該セラミックヒータを圧接して挟持する固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記セラミックヒータの端部の露出部にシリコン絶縁層を備え、該シリコン絶縁層に〔（ＣＨ ３ ） ２ ＳｉＯ〕ｎ（ｎ = ３〜９）で表される低分子シリコンを０．５％以下含有させたことを特徴とする。
【００１６】
即ち、セラミックヒータの露出部を耐熱性、耐水性に優れたシリコン絶縁層で覆うことにより、冷水や腐食性液がセラミックヒータに接触することがなく、セラミックヒータのクラックや浸食を防止するようにした。
【００１７】
また、本発明は内部に流体を通過させるための金属管を有する金属加熱器と、該金属加熱器を加熱するためのセラミックヒータと、これら金属加熱器とセラミックヒータとを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記セラミックヒータに並列に接続した複数の発熱抵抗体を備えたことを特徴とする。
【００１８】
即ち、セラミックヒータの発熱抵抗体を複数として、各発熱抵抗体を並列に接続しておくことによって、発熱抵抗体一本当たりの抵抗値を高くすることにより一本当たりの立ち上がり時の突入電流を低くすることができ、セラミックヒータの破損を防止するようにした。なお、複数の発熱抵抗体は、積層して形成したりあるいは同一平面上に形成すれば良い。
【００１９】
さらに、本発明は、内部に流体を通過させるための金属管を有する金属加熱器と、該金属加熱器を加熱するためのセラミックヒータと、これら金属加熱器とセラミックヒータとを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記セラミックヒータは飽和時の電力密度を５〜３５Ｗ／ｃｍ2 としたことを特徴とする。
【００２０】
ここで、飽和時の電力密度とは、飽和状態におけるセラミックヒータの電力をセラミックヒータ両面の表面積で割った値のことであり、この電力密度を３５Ｗ／ｃｍ2 以下とすることによって、クラックの発生や断線などを防止するようにした。
【００２１】
また、本発明は、内部に流体を通過させるための金属管を有する金属加熱器と、該金属加熱器を加熱するためのセラミックヒータと、これら金属加熱器とセラミックヒータとを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記金属加熱器には過昇温防止のために、第一次電力印加停止用の自動復帰式サーモスタットと、これよりも作動温度が高い手動復帰式サーモスタットを備えたことを特徴とする。
【００２２】
即ち、第一次電力印加停止用のサーモスタットが故障した場合でも、より作動温度の高い手動復帰式サーモスタットを第二次電力印加停止用として備えたことにより、流体加熱装置の過昇温を防止するようにした。
【００２３】
本発明は、内部に流体を通過させるための金属管を有する金属加熱器と、該金属加熱器を加熱するためのセラミックヒータと、これら金属加熱器とセラミックヒータとを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記金属管の内面をガラス層で被覆したことを特徴とする。即ち、金属管の内面をガラス層で被覆して滑らかな表面とすることにより、スケールの付着を防止するようにしたものである。
【００２４】
また、本発明は、上記ガラス層として被覆した無機ポリマーを熱処理により硬化して形成することを特徴とする。即ち、通常ガラスの熱膨張係数は金属よりも低いため、金属管の内面にガラス層を形成すると両者の熱膨張差によりガラス層が剥離しやすいが、無機ポリマーは薄く被覆することが容易であり、かつ作業温度も低いために熱膨張差による剥離を防止できるのである。
【００２５】
さらに、本発明は、上記ガラス層の厚みを１０〜１００μｍとし、その表面粗さ（Ｒａ）を０．３μｍ以下とすることを特徴とする。ガラス層の厚みについては、１０μｍ未満であると均一に被覆することが困難であり、一方１００μｍを超えると熱伝導性が低下し、剥離の恐れが生じるため１０〜１００μｍとし、好ましくは２０〜５０μｍの範囲が良い。また、表面粗さ（Ｒａ）については、スケールの付着を防止するために０．３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下が良い。
【００２６】
また、本発明は、流体加熱装置と循環ポンプとフィルタを連結し、浴槽内の湯を吸引して加熱した後に戻すようにした循環温水器において、流体が浴槽内を通過せずに流体加熱装置と循環ポンプとフィルターのみを循環するような切替え可能のバイパス流路を備えたことを特徴とする。そして、上記流体加熱装置の金属管にスケールが付着したような場合には、流体の流れを上記バイパス流路に切り換えておいて、流体加熱装置を空炊き又は煮沸させることによって、付着したスケールを剥離させ、剥離したスケールをフィルターで除去するようにしたものである。
【００２７】
【実施例】
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
図１に本発明の一実施例が採用された循環温水器１を示す。この循環温水器１は、浴槽２内の湯を吸引して加熱した後で浴槽２内に戻し、湯温を調節するための装置である。循環温水器１内では循環ポンプ５と、フィルタ６と、天然石室８と、調圧室９と、本発明の一実施例としての加熱装置１２とが上流側からこの順に連結されている。
【００２９】
循環ポンプ５は浴槽２内の湯を循環温水器１内に吸い込むための装置であり、浴槽２側から延びるホース４に連結されている。ホース４の他端は浴槽２内に配置されており、ヘアキャッチフィルタ３が取り付けられている。
【００３０】
フィルタ６は縦長に構成されており、上部に循環ポンプ５からの連結管５ａが連結されている。なお、連結管５ａはフィルタ６との接続部の近傍に水位センサ７を有している。天然石室８はフィルタ６と同様の縦長に構成されており、フィルタ６と平行に配置されている。天然石室８は下部にフィルタ６の下部から延びる連結管６ａが接続されており、また内部にミネラル鉱石が充填されている。調圧室９は、入口側が天然石室８の上部に接続されており、上部に自動エア逃し弁１０を、下部に温度センサ１１をそれぞれ備えている。温度センサ１１は調圧室９内の湯温を測定し、その信号を後述する電圧印加装置（不図示）に送るためのものである。調圧室９の出口側はホース１３ａを介して加熱装置１２に連結されている。この加熱装置１２の出口側にはホース１３ｂが連結されている。ホース１３ｂの先端は浴槽２内に延びており、ジェットノズル１４に連結されている。
【００３１】
次に図２乃至図５を参照して上述の加熱装置１２を詳細に説明する。なお、図においてはケース及び断熱材としてのグラスウールは取り除かれている。
【００３２】
加熱装置１２は第１金属加熱器１６と、第２金属加熱器１７と、両金属加熱器１６、１７間に配置されたセラミックヒータ１８とから主に構成されている。
【００３３】
両金属加熱器１６、１７は平坦な圧接面を有する直方体のアルミニウム製であり、中心にチタンやステンレス製の金属管１９が鋳込み方法や圧入方式でそれぞれ挿入固定されている。図３において、第１金属加熱器１６の金属管１９の右端にはホース１３ａの一端が、第２金属加熱器１７の金属管１９の右端はホース１３ｂの一端が接続されている。両金属管１９の左端にはＵ字状管（不図示）により互いに接続されている。これによりホース１３ａから送られてきた湯は第１金属加熱器１６内の金属管１９を通り、更に第２金属加熱器１７内の金属管１９を通ってホース１３ｂに流れるようになっている。
【００３４】
図５に示すように両金属加熱器１６、１７は両側に４つずつ突出する台座１６ａ、１７ａを有している。この台座１６ａ、１７ａにステンレス製のバネ部材から成る固定部材２０が取り付けられることにより第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７の圧接面がセラミックヒータ１８を挟持する構造となっている。この固定部材２０による固定部はセラミックヒータ１８よりも外側に設け、全部で４ヶ所以上とすることが好ましい。また固定部材２０を成すバネ部材はバネ定数８ｋｇ／ｍｍ2 以上のものを用いる。
【００３５】
第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７のほぼ中央部には、角形部１６ｂ、１７ｂが形成されている。角形部１６ｂ、１７ｂの表面にはサーモスタットを取り付けるための円形の凹部１６ｃ、１７ｃがそれぞれ形成されている。なお、この実施例ではサーモスタット２１が第１金属加熱器１６の角形部１６ｂに固定されている。
【００３６】
第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７の両端部には四角形状のフランジ１６ｄ、１７ｄが設けられている。このフランジ１６ｄ、１７ｄには複数のネジ孔１６ｅ、１７ｅが形成されており、このネジ孔１６ｅ、１７ｅにより加熱装置１２を他の部材に固定することができる。
【００３７】
第１金属加熱器１６と第２金属加熱器１７の間にはセラミックヒータ１８が挟持されるように配置されており、セラミックヒータ１８はアルミナ、ムライトまたは窒化珪素から成る矩形状の板状部材であり、図４、５に示すように両主面が第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７の圧接面に面接触している。なお、セラミックヒータ１８と両加熱器１６、１７の圧接面は、両者の接触面が平坦に仕上げられているので密着状態となっている。
【００３８】
またセラミックヒータ１８の内部には図６に示すように連続した１本の発熱抵抗体パターン２５が屈折状態で埋設されている。この発熱抵抗体パターン２５は、たとえば、タングステン、モリブデン、マンガン、レニウム、白金、窒化チタンまたは酸化チタン等の少なくとも一種以上からなるものである。発熱抵抗体パターン２５の両端は、電源接続端子２６及び２７にロウ材により固定されている。電源接続端子２６及び２７は図示しない外部電源装置に接続され、セラミックヒータ１８の発熱抵抗体パターン２５にジュール発熱を起こすに必要な所定電力を供給する作用を為す。
【００３９】
また、図４、５に示すように、両金属加熱器１６、１７間における、セラミックヒータ１８の端部が露出することを防ぐために絶縁層２８を備えている。この絶縁層２８の存在により、セラミックヒータ１８に外部から水等が侵入することを防止し、絶縁不良、熱応力によるクラックの発生、漏電等を防ぐことができる。また、絶縁層２８の充填性を良くするために、金属加熱器１６、１７に充填用溝２９を形成しておけば、より好適である。
【００４０】
この絶縁層２８はシリコン樹脂からなっており、特に低分子シリコンの含有率が０．５％以下のものを用いる。ここで、低分子シリコンとは、〔（ＣＨ3 ）2 ＳｉＯ〕n （ｎ＝３〜９）で表されるもので、セラミックヒータ１８からの熱によってＳｉＣやＳｉＯ2 に変化する。そして、これらのＳｉＣやＳｉＯ2 がセラミックヒータ１８と両金属加熱器１６、１７の接触面に入り込んで熱伝達を妨げたり、あるいは金属加熱器１６、１７の表面を研摩して熱効率を低下させてしまうため、上記低分子シリコンの含有率は０．５％以下としてある。
【００４１】
実際に、絶縁層２８として低分子シリコンの含有率が０．５％以下のシリコンを用いたものと、低分子シリコンの含有率１％のシリコンを用いたものについて、熱サイクル試験を行った。それぞれ金属加熱器１６、１７の表面温度が４０〜１００℃の間のＯＮ−ＯＦＦサイクルを繰り返し、熱効率の変化を調べたところ、図７に示す通りであった。このように、低分子シリコンの含有率１％のシリコンを絶縁層２８として用いたものは、２０００サイクルで熱効率が２．５％低下したが、低分子シリコンの含有率を０．５％以下としたものでは熱効率の変化は０．１％未満であった。
【００４２】
次に前記循環温水器１の動作について説明する。
【００４３】
図示しないスイッチがＯＮされると循環ポンプ５が作動し、浴槽２からホース４を介して循環温水器１内に湯が吸い込まれる。
【００４４】
循環温水器１内に吸い込まれた湯は循環ポンプ５からフィルタ６に送り込まれ、ゴミ等の浮遊物が濾過される。続いて濾過された湯は天然石室８に送られてミネラル鉱石により不純物等が除去され、清浄化される。清浄化された湯は調圧室９に送られる。この調圧室９では自動エア逃し弁１０により圧力が調整される。また調圧室９では温度センサ１１により循環湯の湯温が計測され、その信号が図示しない外部電源装置に送られる。外部電源装置は温度センサ１１からの情報に基づいてセラミックヒータ１８に印加する電力を調整する。これにより加熱装置１２12ではセラミックヒータ１８が発熱し、第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７が加熱される。
【００４５】
調圧室９からの湯はホース１３ａを介して加熱装置１２に送られ、第１金属加熱器１６内の金属管１９を通過し、さらに第２金属加熱器１７内の金属管１９を通過する際に加熱される。そして加熱された湯はホース１３ｂを介してジェットノズル１４に送られ、浴槽２に戻される。
【００４６】
ここではセラミックヒータ１８には循環湯が直接触れないので、セラミックヒータ１８に水垢等が付着することはなく、セラミックヒータ１８の加熱効率は長時間良好に維持される。またセラミックヒータ１８の両面が第１金属加熱器１６と第２金属加熱器１７の双方に密着され、第１金属加熱器１６と第２金属加熱器１７の双方を加熱する構造となっているためにセラミックヒータ１８の熱が有効に利用され、加熱効率が向上する。
【００４７】
また、両金属加熱器１６、１７間における、セラミックヒータ１８の端部が露出することを防ぐために絶縁層２８を備えていることにより、セラミックヒータ１８に外部から水等が侵入することを防止し、絶縁不良、熱応力によるクラックの発生、漏電等を防ぐことができる。
【００４８】
さらに、上述の実施例によれば、仮に加熱装置１２に熱衝撃が加わった場合（例えば第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７内に冷水が通過して両金属加熱器１６、１７が急冷されたような場合）であっても熱膨張特性の異なる両金属加熱器１６、１７とセラミックヒータ１８とは圧接されているだけで固定されていないのでセラミックヒータ１８に損傷が生じにくい。
【００４９】
また、この加熱装置１２は組立及び分解が容易である。すなわち固定部材２０の取り付け及び取り外し動作で組立及び分解を簡単に行える。その結果、セラミックヒータ１８に故障が生じた際のメンテナンス作業が容易である。
【００５０】
次に、本発明の他の実施例を説明する。
【００５１】
上記実施例ではセラミックヒータ１８に一本の発熱抵抗体２５を備えたものを示したが、複数の発熱抵抗体を備え互いに並列に接続したものを用いることもできる。例えば図８（ａ）（ｂ）に示すセラミックヒータ１８は、二本の発熱抵抗体２５ａ、２５ｂを積層して備え、両者を導通体２５ｃで並列に接続したものである。また、図９に示すセラミックヒータ１８は、二本の発熱抵抗体２５ａ、２５ｂを同一平面上に形成して、並列に接続したものである。さらに図示していないが、三本以上の発熱抵抗体を備えることもできる。
【００５２】
このように、複数の並列接続した発熱抵抗体を備えた構造とすることによって、全体の抵抗値が同じでも、発熱抵抗体一本あたりの抵抗値を大きくすることができ、一本当たりの突入電流を低くして立ち上がり時のセラミックヒータ１８の破損を防止することができる。
【００５３】
ここで、発熱抵抗体を１本〜３本備えたセラミックヒータ１８について、２４Ｖの電圧を印加した時の発熱抵抗体１本当たりの電流値を調べた。結果は図１０に示す通りである。このように、例えば合成抵抗が０．５Ωの場合、発熱抵抗体が１本では４８Ａの電流が流れてしまいセラミックヒータ１８が破損してしまった。これに対し、発熱抵抗体を２本備えたものでは１本当たり２４Ａしか流れず、また発熱抵抗体を３本備えたものでは１本当たり１６Ａしか流れず、いずれもセラミックヒータ１８は破損しなかった。
【００５４】
さらに、セラミックヒータ１８の破損やクラックを防止するためには、セラミックヒータ１８自体の飽和時の電力密度を調整することもできる。そして、セラミックヒータ１８の飽和時の電力密度を３５Ｗ／ｃｍ2 以下とすることによって、熱応力によるクラックの発生等を防止し、低消費電力、高熱効率を達成することができる。ただし、流体加熱装置として用いるためには、飽和時の電力密度は５Ｗ／ｃｍ2 以上必要である。なお、電力密度の値は、セラミックヒータ１８の発熱抵抗体２５の材質や線幅、形状等で自由に調整することができる。
【００５５】
ここで、抵抗値を種々に変化させたセラミックヒータを用いて、印加電圧を変化させた時の電力密度を調べ、それぞれセラミックヒータのクラックの有無を調べた。その結果は図１１に示すように、電力密度が３５Ｗ／ｃｍ2 を超えるとクラックが生じて不良品となってしまうことがわかる。
【００５６】
また、上記実施例では一つのサーモスタット２１を備えた流体加熱装置１２を示したが、このサーモスタットを二つ備えることもできる。
【００５７】
図１２に示すように、この流体加熱装置１２は、第１金属加熱容器１６側には第一次電力印加停止用に自動復帰式サーモスタット２１ａを備え、一方第２金属加熱容器１７側には第二次電力印加停止用として、より作動温度の高い手動復帰式サーモスタット２１ｂを備えてある。
【００５８】
ここで自動復帰式サーモスタットとは、設定された動作温度になるとバイメタル（感熱体）の熱膨張による変形で可動接点を開いて通電を遮断し、別途設定された復帰温度にまで冷却されるとバイメタルは元の形に戻って可動接点を閉じて通電可能とできるものである。一方手動復帰式サーモスタットとは、通電を遮断する動作は自動式と同じであるが、冷却されても自動的に元に戻らずに通電を遮断した状態のままとなり、復帰させるためにはリセットボタンを押さなければならないものである。
【００５９】
いま、空炊き等により過昇温が生じた場合には、第一次電力印加停止用の自動復帰式サーモスタット２１ａが作動して電力印加を停止し、温度が低下すると自動的に復帰して再度電力印加を開始する。そして、何らかの原因によりこの自動復帰式サーモスタット２１ａが故障して作動しなかった場合でも、第二次電力印加停止用のより作動温度の高い手動復帰式サーモスタット２１ｂが作動して、電力印加を停止することができる。こちらは手動式であるため、温度が低下しても自動的に復帰することはなく、停止したままとなる。この場合には、故障した自動復帰式サーモスタット２１ａを修理した後、手動復帰式サーモスタット２１ｂを復帰させて再度電力印加を開始すれば良い。
【００６０】
なお、各サーモスタットの動作温度としては、自動復帰式サーモスタット２１ａが約８０℃、手動復帰式サーモスタット２１ｂが８０〜１００℃の範囲で設定することが好ましい。
【００６１】
流体加熱装置１２は水分の存在する高温雰囲気中で使用されるが、上記のような二種類のサーモスタット２１ａ、２１ｂを備えることによって、空炊き等による過昇温を確実に防止し、長期間良好に使用することができる。
【００６２】
さらに本発明の他の実施例を説明する。
【００６３】
図１３に断面図を、図１４に図１３中のＡ部拡大断面図をそれぞれ示すように、流体加熱装置１２を成す金属管１９の内面にはガラス層３０が備えられている。そのため、ガラス層３０の表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下とすることができ、滑らかな表面粗さとできるため、スケールが付着しにくく、長時間使用しても加熱効率が低下することがない。
【００６４】
このガラス層３０は、シロキサン、ボロシロキサン、ポリチタノカルボシラン等の無機ポリマーから成るもの、あるいはこれらの無機ポリマーを主成分として有機ポリマー等を添加したものなどを用い、これらの樹脂を粘度を低くして金属管１９流し込んで内面を被覆し、乾燥後熱処理を行って硬化させたものである。上記無機ポリマーは粘度を低くして金属管１９の内面に流し込むこよにより、極めて薄くかつ均一な厚みに被覆することができ、熱処理温度も１４０〜１６０℃と低いため、金属管１９との熱膨張差により剥離する恐れはない。なお、最終的なガラス層３０の厚みｔについては、１０μｍ未満であると均一に被覆することが困難であり、一方１００μｍを超えると熱伝導性が低下し、剥離の恐れが生じるため１０〜１００μｍとし、好ましくは２０〜５０μｍの範囲が良い。
【００６５】
ここで、図１３、１４に示す流体加熱装置１２を構成する金属管１９内面のガラス層３０について種々の実験を行った。
【００６６】
まず、ステンレス製の金属管１９を用い、本発明実施例として無機ポリマーであるボロシロキサンを被覆した後、熱処理してガラス層３０を形成したものを用意した。比較例として、硼珪酸鉛ガラスを被覆したもの（ホーロー）およびガラス層を被覆しないものを用意した。それぞれ、ガラス層の膜厚や表面粗さを比較した結果は表１に示す通りである。
【００６７】
このように、ガラス層３０を形成しないものは、内面の表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）が３〜４μｍと粗いため、スケールが付着しやすいものであった。また、硼珪酸鉛ガラスを被覆したものでは、製法上厚みが２００μｍ以上となるため伝熱性が低くなって加熱効率が悪く、また厚みの均一性が悪く、処理温度が４８０℃以上必要であるなど実用的ではなかった。
【００６８】
これに対し、無機ポリマーを用いた本発明実施例では厚み２０〜３０μｍと極めて厚みを薄くすることが可能であり、均一性にも優れ、処理温度も１４０〜１６０℃と低いため作業性もすぐれていた。
【００６９】
【表１】
【００７０】
次に、上記本発明実施例と、比較例としてガラス層３０を形成しない金属管１９を用いて、図１３の流体加熱装置に組み込み、連続使用した時のスケールの付着状況を調べる実験を行った。
【００７１】
金属管１９の内径は２０ｍｍとし、フィルターを用いずに４０℃の湯を１５リットル／分で連続的に流し、内面に付着したスケールの厚みを測定した。結果は図１５に示すように、ガラス層３０を形成しないものでは６０日後に２００μｍの厚さにスケールが付着したが、ガラス層３０を形成した本発明実施例は、７０日後でも５０μｍ程度の厚みしか付着せず、スケールの付着量を極めて少なくできることがわかる。さらに、スケールの厚みと消費電力の関係を図１６に示すように、スケールが厚くなると熱効率が悪くなって消費電力が減少してしまう。したがって、本発明の流体加熱装置１２は、長期間使用してもスケールの付着を少なくし、優れた熱効率を維持できることがわかる。
【００７２】
また、本発明実施例の流体加熱装置について、０〜１００℃間の熱サイクルを３万回繰り返したところ、ガラス層３０の剥離はなく、問題なく使用できることがわかった。
【００７３】
なお、以上の実施例では２つの金属加熱器１６、１７を用いた流体加熱装置１２を示したが、本発明は、一つの金属加熱器にセラミックヒータを圧接した構造の流体加熱装置にも適用できることは言うまでもない。
【００７４】
さらに、本発明の他の実施例を説明する。
【００７５】
図１７に示す循環温水器１は、浴槽２から流体を吸引するホース４と、流体加熱装置１２から流体を浴槽２へ送るホース１３ｂとをバイパス流路１４で連結し、両端に電磁弁１５ａ、１５ｂを備えている。この循環温水器１は、通常は電磁弁１５ａ、１５ｂでバイパス流路１４を閉じて浴槽２内の湯を循環させておき、浴槽２内の湯を一定温度に保つように作動する。
【００７６】
そして、流体加熱装置１２内にスケールが付着したような場合には、電磁弁１５ａ、１５ｂによってバイパス流路１４を開き、浴槽２への流体の循環を停止する。この状態で循環ポンプ５を停止し、流体加熱装置１２を空炊き又は煮沸させることによって、金属管１９の内面に付着するスケールを剥離させる。その後、数分間循環ポンプ５を作動させて、剥離したスケールをフィルター６等で除去する。スケールが除去されたら、再度電磁弁１５ａ、１５ｂで循環水の流れを浴槽２に移し、通常運転を行うことができる。
【００７７】
このように、バイパス流路１４と電磁弁１５ａ、１５ｂを備えておくことによって、流体加熱装置１２内に付着したスケールを容易に除去することが可能となる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の流体加熱装置では、セラミックヒータの露出部にシリコン絶縁層を備えたことによって、冷水や腐食性液がセラミックヒータに接触することがなく、セラミックヒータのクラックや浸食を防止することができる。その結果、長期間良好に使用可能な流体加熱装置を提供できる。
【００７９】
また、本発明は流体加熱装置のセラミックヒータに並列接続した複数の発熱抵抗体を備えたことによって、発熱抵抗体一本当たりの立ち上がり時の突入電流を低くすることができ、セラミックヒータの破損を防止することができる。
【００８０】
さらに、本発明は、流体加熱装置に用いるセラミックヒータの飽和時の電力密度を５〜３５Ｗ／ｃｍ2 としたことによって、クラックの発生や断線などを防止することができる。
【００８１】
また、本発明は、流体加熱装置に第一次電力印加停止用の自動復帰式サーモスタットと、第二次電力印加停止用としてこれよりも作動温度が高い手動復帰式サーモスタットを備えたことによって、空炊き等による流体加熱装置の過昇温を確実に防止することができる。
【００８２】
さらに、本発明は、金属管の内面にガラス層を形成したことによって、スケールの付着を防止することができるため、加熱効率が低下することなく長期間良好に使用可能な流体加熱装置を提供できる。
【００８３】
また、上記ガラス層として、無機ポリマーを被覆した後熱処理して硬化させたことによって、ガラス層を極めて薄く均一に形成できることから、金属管との熱膨張差によって剥離する恐れはなく、かつ伝熱効率を高くすることができる。
【００８４】
さらに、本発明によれば、循環温水器において、流体が浴槽内を通過せずに流体加熱装置と循環ポンプとフィルターのみを循環するような切替え可能のバイパス流路を備えたことによって、流体加熱装置の金属管にスケールが付着したような場合には、流体の流れを上記バイパス流路に切り換えておいて、流体加熱装置を空炊き又は煮沸させることによって、容易に付着したスケールを除去することができ、長期間良好に使用可能な循環温水器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体加熱装置を用いた循環温水器の概略図である。
【図２】本発明の一実施例としての流体加熱装置の正面図である。
【図３】図２に示す流体加熱装置の平面図である。
【図４】図２のIV−IV線断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】本発明の流体加熱装置に用いるセラミックヒータの正面図である。
【図７】本発明の流体加熱装置における熱サイクル数と、熱効率の変化率との関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）は本発明の流体加熱装置に用いるセラミックヒータの他の実施例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）中のＩ−Ｉ線断面図である。
【図９】本発明の流体加熱装置に用いるセラミックヒータの他の実施例を示す正面図である。
【図１０】複数の発熱抵抗体を並列に備えたセラミックヒータにおける、合成抵抗値と発熱抵抗体一本当たりの電流値との関係を示すグラフである。
【図１１】セラミックヒータにおける印加電圧と電力密度の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の流体加熱装置の他の実施例を示す、図２のIV−IV線断面に相当する断面図である。
【図１３】本発明の流体加熱装置の他の実施例を示す、図２のＶ−Ｖ線断面に相当する断面図である。
【図１４】図１３中のＡ部の拡大断面図である。
【図１５】流体加熱装置における使用時間と金属管内面のスケール付着厚みとの関係を示すグラフである。
【図１６】流体加熱装置における金属管内面のスケール厚みと消費電力との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の循環温水器を示す概略図である。
【符号の説明】
１２：加熱装置
１６：第１金属加熱器
１７：第２金属加熱器
１８：セラミックヒータ
１９：金属管
２０：固定部材
２１：サーモスタット
２５：発熱抵抗体
２８：絶縁層
３０：ガラス層
【産業上の利用分野】
本発明は流体加熱装置、特にセラミックヒータを用いた流体加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体や気体等の流体を加熱するための流体加熱装置として、内部に流体を循環させるための加熱容器と、この加熱容器内に配置されたセラミックヒータとを備えたものがある。この装置では、加熱容器内の流体は、循環しながらセラミックヒータに直接接触し加熱される。
【０００３】
しかしながら、この流体加熱装置では、例えば高温のセラミックヒータに冷水が接触し、セラミックヒータに熱衝撃が印加された場合、セラミックヒータにクラック等の損傷が起こる場合がある。また長時間使用していると、水垢等がセラミックヒータに付着するので、セラミックヒータの加熱効率が低下する。
【０００４】
そこで上記欠点を解消するために、本出願人は先に内部に流体を通過させるための金属管を有する２つの金属加熱器を準備し、該２つの金属加熱器の間にセラミックヒータの発熱部を介在させ、セラミックヒータの発する熱を金属加熱器の金属管内を通過する流体に伝導させて加熱する流体加熱装置を提案した（特願平４−２６１６５４号参照) 。
【０００５】
かかる流体加熱装置によれば、セラミックヒータは流体に直接接触しないためセラミックヒータに熱衝撃が印加されてクラック等の損傷が発生することは一切なく、またセラミックヒータの発する熱は２つの金属加熱器の金属管を通過する流体を同時に加熱するため加熱効率が高いものとなる。
【０００６】
また、最近家庭でも銭湯のようにいつでも温かいお風呂に入れるような２４時間風呂のシステムが商品化されている。このシステムは、水を強制循環させ、フィルターで湯垢、ビールス、細菌類、カビ類を除去し、かつ上記の流体加熱装置で適性温度に湯温を調整するようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先に提案した流体加熱装置に用いられるセラミックヒータは、その端部が２つの金属加熱器の間で露出されており、高温に加熱されたセラミックヒータの上記露出部に冷水が接触して熱衝撃を受けた場合に、セラミックヒータにクラック等が生じやすいという問題点があった。また、上記セラミックヒータの絶縁基体としては、ガラス成分を約１０％含むアルミナセラミックスが用いられているため、このセラミックヒータの上記露出部に例えば強アルカリ溶液等の液体が接触した場合、ガラス成分が浸食されて絶縁低下を引き起こし、発熱抵抗体のショートや漏電の恐れがあった。
【０００８】
また、先に提案した流体加熱装置において、セラミックヒータの加熱効率を高めようとすると、立ち上がり時の突入電流が大きくなり、電圧印加時にセラミックヒータが破損してしまうという問題点があった。例えば、用途によっては電源電圧を２４Ｖとした低電圧使用のセラミックヒータを用いる場合があるが、この場合にも加熱効率を１００Ｖ仕様と同じにしようとすると、突入電流が大きくなり、セラミックヒータが破損しやすかった。
【０００９】
さらに、先に提案した流体加熱装置において、空炊き運転等が発生した場合に装置の過昇温を防止するためにサーモスタットが備えられていたが、例えばサーモスタットの接点が溶着したり、バイメタルが変形するような場合にはサーモスタットが作動しないため、装置が過度に昇温されて金属容器が変形し、セラミックヒータが割れるという問題点があった。
【００１０】
また、先に提案した流体加熱装置において、温水の温度はビールス、細菌類、カビ類の生息に最も適した温度となるため、流体加熱装置を構成する金属管の内面にスケール（湯垢）が付着しやすかった。金属管内面にスケールが付着すると、伝熱性が低下して加熱効率が低下したり、安全装置のサーモスタットが作動して加熱できなくなるなどの問題点があった。実際、金属管内面に付着したスケールの厚みと消費電力との関係を調べると、スケール付着量が多くなるほど消費電力は低下し、加熱効率が悪くなることがわかる。
【００１１】
【発明の目的】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的はセラミックヒータの露出部を無くしてクラックや浸食を防止し、長期間安定して使用できる流体加熱装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の目的は、加熱効率を高めるために突入電流を大きくしても破損することのないセラミックヒータを備えた流体加熱装置を提供することにある。
【００１３】
さらに、本発明の目的は、空炊き運転等の以上運転が生じた場合に、より確実に電圧印加を停止させることのできる流体加熱装置を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の目的は流体加熱装置の金属管内面へのスケール付着を防止することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に流体を通過させるための金属管を有する２つの金属加熱器と、該金属加熱器間に配置されたセラミックヒータと、該セラミックヒータを圧接して挟持する固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記セラミックヒータの端部の露出部にシリコン絶縁層を備え、該シリコン絶縁層に〔（ＣＨ ３ ） ２ ＳｉＯ〕ｎ（ｎ = ３〜９）で表される低分子シリコンを０．５％以下含有させたことを特徴とする。
【００１６】
即ち、セラミックヒータの露出部を耐熱性、耐水性に優れたシリコン絶縁層で覆うことにより、冷水や腐食性液がセラミックヒータに接触することがなく、セラミックヒータのクラックや浸食を防止するようにした。
【００１７】
また、本発明は内部に流体を通過させるための金属管を有する金属加熱器と、該金属加熱器を加熱するためのセラミックヒータと、これら金属加熱器とセラミックヒータとを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記セラミックヒータに並列に接続した複数の発熱抵抗体を備えたことを特徴とする。
【００１８】
即ち、セラミックヒータの発熱抵抗体を複数として、各発熱抵抗体を並列に接続しておくことによって、発熱抵抗体一本当たりの抵抗値を高くすることにより一本当たりの立ち上がり時の突入電流を低くすることができ、セラミックヒータの破損を防止するようにした。なお、複数の発熱抵抗体は、積層して形成したりあるいは同一平面上に形成すれば良い。
【００１９】
さらに、本発明は、内部に流体を通過させるための金属管を有する金属加熱器と、該金属加熱器を加熱するためのセラミックヒータと、これら金属加熱器とセラミックヒータとを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記セラミックヒータは飽和時の電力密度を５〜３５Ｗ／ｃｍ2 としたことを特徴とする。
【００２０】
ここで、飽和時の電力密度とは、飽和状態におけるセラミックヒータの電力をセラミックヒータ両面の表面積で割った値のことであり、この電力密度を３５Ｗ／ｃｍ2 以下とすることによって、クラックの発生や断線などを防止するようにした。
【００２１】
また、本発明は、内部に流体を通過させるための金属管を有する金属加熱器と、該金属加熱器を加熱するためのセラミックヒータと、これら金属加熱器とセラミックヒータとを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記金属加熱器には過昇温防止のために、第一次電力印加停止用の自動復帰式サーモスタットと、これよりも作動温度が高い手動復帰式サーモスタットを備えたことを特徴とする。
【００２２】
即ち、第一次電力印加停止用のサーモスタットが故障した場合でも、より作動温度の高い手動復帰式サーモスタットを第二次電力印加停止用として備えたことにより、流体加熱装置の過昇温を防止するようにした。
【００２３】
本発明は、内部に流体を通過させるための金属管を有する金属加熱器と、該金属加熱器を加熱するためのセラミックヒータと、これら金属加熱器とセラミックヒータとを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記金属管の内面をガラス層で被覆したことを特徴とする。即ち、金属管の内面をガラス層で被覆して滑らかな表面とすることにより、スケールの付着を防止するようにしたものである。
【００２４】
また、本発明は、上記ガラス層として被覆した無機ポリマーを熱処理により硬化して形成することを特徴とする。即ち、通常ガラスの熱膨張係数は金属よりも低いため、金属管の内面にガラス層を形成すると両者の熱膨張差によりガラス層が剥離しやすいが、無機ポリマーは薄く被覆することが容易であり、かつ作業温度も低いために熱膨張差による剥離を防止できるのである。
【００２５】
さらに、本発明は、上記ガラス層の厚みを１０〜１００μｍとし、その表面粗さ（Ｒａ）を０．３μｍ以下とすることを特徴とする。ガラス層の厚みについては、１０μｍ未満であると均一に被覆することが困難であり、一方１００μｍを超えると熱伝導性が低下し、剥離の恐れが生じるため１０〜１００μｍとし、好ましくは２０〜５０μｍの範囲が良い。また、表面粗さ（Ｒａ）については、スケールの付着を防止するために０．３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下が良い。
【００２６】
また、本発明は、流体加熱装置と循環ポンプとフィルタを連結し、浴槽内の湯を吸引して加熱した後に戻すようにした循環温水器において、流体が浴槽内を通過せずに流体加熱装置と循環ポンプとフィルターのみを循環するような切替え可能のバイパス流路を備えたことを特徴とする。そして、上記流体加熱装置の金属管にスケールが付着したような場合には、流体の流れを上記バイパス流路に切り換えておいて、流体加熱装置を空炊き又は煮沸させることによって、付着したスケールを剥離させ、剥離したスケールをフィルターで除去するようにしたものである。
【００２７】
【実施例】
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
図１に本発明の一実施例が採用された循環温水器１を示す。この循環温水器１は、浴槽２内の湯を吸引して加熱した後で浴槽２内に戻し、湯温を調節するための装置である。循環温水器１内では循環ポンプ５と、フィルタ６と、天然石室８と、調圧室９と、本発明の一実施例としての加熱装置１２とが上流側からこの順に連結されている。
【００２９】
循環ポンプ５は浴槽２内の湯を循環温水器１内に吸い込むための装置であり、浴槽２側から延びるホース４に連結されている。ホース４の他端は浴槽２内に配置されており、ヘアキャッチフィルタ３が取り付けられている。
【００３０】
フィルタ６は縦長に構成されており、上部に循環ポンプ５からの連結管５ａが連結されている。なお、連結管５ａはフィルタ６との接続部の近傍に水位センサ７を有している。天然石室８はフィルタ６と同様の縦長に構成されており、フィルタ６と平行に配置されている。天然石室８は下部にフィルタ６の下部から延びる連結管６ａが接続されており、また内部にミネラル鉱石が充填されている。調圧室９は、入口側が天然石室８の上部に接続されており、上部に自動エア逃し弁１０を、下部に温度センサ１１をそれぞれ備えている。温度センサ１１は調圧室９内の湯温を測定し、その信号を後述する電圧印加装置（不図示）に送るためのものである。調圧室９の出口側はホース１３ａを介して加熱装置１２に連結されている。この加熱装置１２の出口側にはホース１３ｂが連結されている。ホース１３ｂの先端は浴槽２内に延びており、ジェットノズル１４に連結されている。
【００３１】
次に図２乃至図５を参照して上述の加熱装置１２を詳細に説明する。なお、図においてはケース及び断熱材としてのグラスウールは取り除かれている。
【００３２】
加熱装置１２は第１金属加熱器１６と、第２金属加熱器１７と、両金属加熱器１６、１７間に配置されたセラミックヒータ１８とから主に構成されている。
【００３３】
両金属加熱器１６、１７は平坦な圧接面を有する直方体のアルミニウム製であり、中心にチタンやステンレス製の金属管１９が鋳込み方法や圧入方式でそれぞれ挿入固定されている。図３において、第１金属加熱器１６の金属管１９の右端にはホース１３ａの一端が、第２金属加熱器１７の金属管１９の右端はホース１３ｂの一端が接続されている。両金属管１９の左端にはＵ字状管（不図示）により互いに接続されている。これによりホース１３ａから送られてきた湯は第１金属加熱器１６内の金属管１９を通り、更に第２金属加熱器１７内の金属管１９を通ってホース１３ｂに流れるようになっている。
【００３４】
図５に示すように両金属加熱器１６、１７は両側に４つずつ突出する台座１６ａ、１７ａを有している。この台座１６ａ、１７ａにステンレス製のバネ部材から成る固定部材２０が取り付けられることにより第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７の圧接面がセラミックヒータ１８を挟持する構造となっている。この固定部材２０による固定部はセラミックヒータ１８よりも外側に設け、全部で４ヶ所以上とすることが好ましい。また固定部材２０を成すバネ部材はバネ定数８ｋｇ／ｍｍ2 以上のものを用いる。
【００３５】
第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７のほぼ中央部には、角形部１６ｂ、１７ｂが形成されている。角形部１６ｂ、１７ｂの表面にはサーモスタットを取り付けるための円形の凹部１６ｃ、１７ｃがそれぞれ形成されている。なお、この実施例ではサーモスタット２１が第１金属加熱器１６の角形部１６ｂに固定されている。
【００３６】
第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７の両端部には四角形状のフランジ１６ｄ、１７ｄが設けられている。このフランジ１６ｄ、１７ｄには複数のネジ孔１６ｅ、１７ｅが形成されており、このネジ孔１６ｅ、１７ｅにより加熱装置１２を他の部材に固定することができる。
【００３７】
第１金属加熱器１６と第２金属加熱器１７の間にはセラミックヒータ１８が挟持されるように配置されており、セラミックヒータ１８はアルミナ、ムライトまたは窒化珪素から成る矩形状の板状部材であり、図４、５に示すように両主面が第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７の圧接面に面接触している。なお、セラミックヒータ１８と両加熱器１６、１７の圧接面は、両者の接触面が平坦に仕上げられているので密着状態となっている。
【００３８】
またセラミックヒータ１８の内部には図６に示すように連続した１本の発熱抵抗体パターン２５が屈折状態で埋設されている。この発熱抵抗体パターン２５は、たとえば、タングステン、モリブデン、マンガン、レニウム、白金、窒化チタンまたは酸化チタン等の少なくとも一種以上からなるものである。発熱抵抗体パターン２５の両端は、電源接続端子２６及び２７にロウ材により固定されている。電源接続端子２６及び２７は図示しない外部電源装置に接続され、セラミックヒータ１８の発熱抵抗体パターン２５にジュール発熱を起こすに必要な所定電力を供給する作用を為す。
【００３９】
また、図４、５に示すように、両金属加熱器１６、１７間における、セラミックヒータ１８の端部が露出することを防ぐために絶縁層２８を備えている。この絶縁層２８の存在により、セラミックヒータ１８に外部から水等が侵入することを防止し、絶縁不良、熱応力によるクラックの発生、漏電等を防ぐことができる。また、絶縁層２８の充填性を良くするために、金属加熱器１６、１７に充填用溝２９を形成しておけば、より好適である。
【００４０】
この絶縁層２８はシリコン樹脂からなっており、特に低分子シリコンの含有率が０．５％以下のものを用いる。ここで、低分子シリコンとは、〔（ＣＨ3 ）2 ＳｉＯ〕n （ｎ＝３〜９）で表されるもので、セラミックヒータ１８からの熱によってＳｉＣやＳｉＯ2 に変化する。そして、これらのＳｉＣやＳｉＯ2 がセラミックヒータ１８と両金属加熱器１６、１７の接触面に入り込んで熱伝達を妨げたり、あるいは金属加熱器１６、１７の表面を研摩して熱効率を低下させてしまうため、上記低分子シリコンの含有率は０．５％以下としてある。
【００４１】
実際に、絶縁層２８として低分子シリコンの含有率が０．５％以下のシリコンを用いたものと、低分子シリコンの含有率１％のシリコンを用いたものについて、熱サイクル試験を行った。それぞれ金属加熱器１６、１７の表面温度が４０〜１００℃の間のＯＮ−ＯＦＦサイクルを繰り返し、熱効率の変化を調べたところ、図７に示す通りであった。このように、低分子シリコンの含有率１％のシリコンを絶縁層２８として用いたものは、２０００サイクルで熱効率が２．５％低下したが、低分子シリコンの含有率を０．５％以下としたものでは熱効率の変化は０．１％未満であった。
【００４２】
次に前記循環温水器１の動作について説明する。
【００４３】
図示しないスイッチがＯＮされると循環ポンプ５が作動し、浴槽２からホース４を介して循環温水器１内に湯が吸い込まれる。
【００４４】
循環温水器１内に吸い込まれた湯は循環ポンプ５からフィルタ６に送り込まれ、ゴミ等の浮遊物が濾過される。続いて濾過された湯は天然石室８に送られてミネラル鉱石により不純物等が除去され、清浄化される。清浄化された湯は調圧室９に送られる。この調圧室９では自動エア逃し弁１０により圧力が調整される。また調圧室９では温度センサ１１により循環湯の湯温が計測され、その信号が図示しない外部電源装置に送られる。外部電源装置は温度センサ１１からの情報に基づいてセラミックヒータ１８に印加する電力を調整する。これにより加熱装置１２12ではセラミックヒータ１８が発熱し、第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７が加熱される。
【００４５】
調圧室９からの湯はホース１３ａを介して加熱装置１２に送られ、第１金属加熱器１６内の金属管１９を通過し、さらに第２金属加熱器１７内の金属管１９を通過する際に加熱される。そして加熱された湯はホース１３ｂを介してジェットノズル１４に送られ、浴槽２に戻される。
【００４６】
ここではセラミックヒータ１８には循環湯が直接触れないので、セラミックヒータ１８に水垢等が付着することはなく、セラミックヒータ１８の加熱効率は長時間良好に維持される。またセラミックヒータ１８の両面が第１金属加熱器１６と第２金属加熱器１７の双方に密着され、第１金属加熱器１６と第２金属加熱器１７の双方を加熱する構造となっているためにセラミックヒータ１８の熱が有効に利用され、加熱効率が向上する。
【００４７】
また、両金属加熱器１６、１７間における、セラミックヒータ１８の端部が露出することを防ぐために絶縁層２８を備えていることにより、セラミックヒータ１８に外部から水等が侵入することを防止し、絶縁不良、熱応力によるクラックの発生、漏電等を防ぐことができる。
【００４８】
さらに、上述の実施例によれば、仮に加熱装置１２に熱衝撃が加わった場合（例えば第１金属加熱器１６及び第２金属加熱器１７内に冷水が通過して両金属加熱器１６、１７が急冷されたような場合）であっても熱膨張特性の異なる両金属加熱器１６、１７とセラミックヒータ１８とは圧接されているだけで固定されていないのでセラミックヒータ１８に損傷が生じにくい。
【００４９】
また、この加熱装置１２は組立及び分解が容易である。すなわち固定部材２０の取り付け及び取り外し動作で組立及び分解を簡単に行える。その結果、セラミックヒータ１８に故障が生じた際のメンテナンス作業が容易である。
【００５０】
次に、本発明の他の実施例を説明する。
【００５１】
上記実施例ではセラミックヒータ１８に一本の発熱抵抗体２５を備えたものを示したが、複数の発熱抵抗体を備え互いに並列に接続したものを用いることもできる。例えば図８（ａ）（ｂ）に示すセラミックヒータ１８は、二本の発熱抵抗体２５ａ、２５ｂを積層して備え、両者を導通体２５ｃで並列に接続したものである。また、図９に示すセラミックヒータ１８は、二本の発熱抵抗体２５ａ、２５ｂを同一平面上に形成して、並列に接続したものである。さらに図示していないが、三本以上の発熱抵抗体を備えることもできる。
【００５２】
このように、複数の並列接続した発熱抵抗体を備えた構造とすることによって、全体の抵抗値が同じでも、発熱抵抗体一本あたりの抵抗値を大きくすることができ、一本当たりの突入電流を低くして立ち上がり時のセラミックヒータ１８の破損を防止することができる。
【００５３】
ここで、発熱抵抗体を１本〜３本備えたセラミックヒータ１８について、２４Ｖの電圧を印加した時の発熱抵抗体１本当たりの電流値を調べた。結果は図１０に示す通りである。このように、例えば合成抵抗が０．５Ωの場合、発熱抵抗体が１本では４８Ａの電流が流れてしまいセラミックヒータ１８が破損してしまった。これに対し、発熱抵抗体を２本備えたものでは１本当たり２４Ａしか流れず、また発熱抵抗体を３本備えたものでは１本当たり１６Ａしか流れず、いずれもセラミックヒータ１８は破損しなかった。
【００５４】
さらに、セラミックヒータ１８の破損やクラックを防止するためには、セラミックヒータ１８自体の飽和時の電力密度を調整することもできる。そして、セラミックヒータ１８の飽和時の電力密度を３５Ｗ／ｃｍ2 以下とすることによって、熱応力によるクラックの発生等を防止し、低消費電力、高熱効率を達成することができる。ただし、流体加熱装置として用いるためには、飽和時の電力密度は５Ｗ／ｃｍ2 以上必要である。なお、電力密度の値は、セラミックヒータ１８の発熱抵抗体２５の材質や線幅、形状等で自由に調整することができる。
【００５５】
ここで、抵抗値を種々に変化させたセラミックヒータを用いて、印加電圧を変化させた時の電力密度を調べ、それぞれセラミックヒータのクラックの有無を調べた。その結果は図１１に示すように、電力密度が３５Ｗ／ｃｍ2 を超えるとクラックが生じて不良品となってしまうことがわかる。
【００５６】
また、上記実施例では一つのサーモスタット２１を備えた流体加熱装置１２を示したが、このサーモスタットを二つ備えることもできる。
【００５７】
図１２に示すように、この流体加熱装置１２は、第１金属加熱容器１６側には第一次電力印加停止用に自動復帰式サーモスタット２１ａを備え、一方第２金属加熱容器１７側には第二次電力印加停止用として、より作動温度の高い手動復帰式サーモスタット２１ｂを備えてある。
【００５８】
ここで自動復帰式サーモスタットとは、設定された動作温度になるとバイメタル（感熱体）の熱膨張による変形で可動接点を開いて通電を遮断し、別途設定された復帰温度にまで冷却されるとバイメタルは元の形に戻って可動接点を閉じて通電可能とできるものである。一方手動復帰式サーモスタットとは、通電を遮断する動作は自動式と同じであるが、冷却されても自動的に元に戻らずに通電を遮断した状態のままとなり、復帰させるためにはリセットボタンを押さなければならないものである。
【００５９】
いま、空炊き等により過昇温が生じた場合には、第一次電力印加停止用の自動復帰式サーモスタット２１ａが作動して電力印加を停止し、温度が低下すると自動的に復帰して再度電力印加を開始する。そして、何らかの原因によりこの自動復帰式サーモスタット２１ａが故障して作動しなかった場合でも、第二次電力印加停止用のより作動温度の高い手動復帰式サーモスタット２１ｂが作動して、電力印加を停止することができる。こちらは手動式であるため、温度が低下しても自動的に復帰することはなく、停止したままとなる。この場合には、故障した自動復帰式サーモスタット２１ａを修理した後、手動復帰式サーモスタット２１ｂを復帰させて再度電力印加を開始すれば良い。
【００６０】
なお、各サーモスタットの動作温度としては、自動復帰式サーモスタット２１ａが約８０℃、手動復帰式サーモスタット２１ｂが８０〜１００℃の範囲で設定することが好ましい。
【００６１】
流体加熱装置１２は水分の存在する高温雰囲気中で使用されるが、上記のような二種類のサーモスタット２１ａ、２１ｂを備えることによって、空炊き等による過昇温を確実に防止し、長期間良好に使用することができる。
【００６２】
さらに本発明の他の実施例を説明する。
【００６３】
図１３に断面図を、図１４に図１３中のＡ部拡大断面図をそれぞれ示すように、流体加熱装置１２を成す金属管１９の内面にはガラス層３０が備えられている。そのため、ガラス層３０の表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下とすることができ、滑らかな表面粗さとできるため、スケールが付着しにくく、長時間使用しても加熱効率が低下することがない。
【００６４】
このガラス層３０は、シロキサン、ボロシロキサン、ポリチタノカルボシラン等の無機ポリマーから成るもの、あるいはこれらの無機ポリマーを主成分として有機ポリマー等を添加したものなどを用い、これらの樹脂を粘度を低くして金属管１９流し込んで内面を被覆し、乾燥後熱処理を行って硬化させたものである。上記無機ポリマーは粘度を低くして金属管１９の内面に流し込むこよにより、極めて薄くかつ均一な厚みに被覆することができ、熱処理温度も１４０〜１６０℃と低いため、金属管１９との熱膨張差により剥離する恐れはない。なお、最終的なガラス層３０の厚みｔについては、１０μｍ未満であると均一に被覆することが困難であり、一方１００μｍを超えると熱伝導性が低下し、剥離の恐れが生じるため１０〜１００μｍとし、好ましくは２０〜５０μｍの範囲が良い。
【００６５】
ここで、図１３、１４に示す流体加熱装置１２を構成する金属管１９内面のガラス層３０について種々の実験を行った。
【００６６】
まず、ステンレス製の金属管１９を用い、本発明実施例として無機ポリマーであるボロシロキサンを被覆した後、熱処理してガラス層３０を形成したものを用意した。比較例として、硼珪酸鉛ガラスを被覆したもの（ホーロー）およびガラス層を被覆しないものを用意した。それぞれ、ガラス層の膜厚や表面粗さを比較した結果は表１に示す通りである。
【００６７】
このように、ガラス層３０を形成しないものは、内面の表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）が３〜４μｍと粗いため、スケールが付着しやすいものであった。また、硼珪酸鉛ガラスを被覆したものでは、製法上厚みが２００μｍ以上となるため伝熱性が低くなって加熱効率が悪く、また厚みの均一性が悪く、処理温度が４８０℃以上必要であるなど実用的ではなかった。
【００６８】
これに対し、無機ポリマーを用いた本発明実施例では厚み２０〜３０μｍと極めて厚みを薄くすることが可能であり、均一性にも優れ、処理温度も１４０〜１６０℃と低いため作業性もすぐれていた。
【００６９】
【表１】
次に、上記本発明実施例と、比較例としてガラス層３０を形成しない金属管１９を用いて、図１３の流体加熱装置に組み込み、連続使用した時のスケールの付着状況を調べる実験を行った。
【００７１】
金属管１９の内径は２０ｍｍとし、フィルターを用いずに４０℃の湯を１５リットル／分で連続的に流し、内面に付着したスケールの厚みを測定した。結果は図１５に示すように、ガラス層３０を形成しないものでは６０日後に２００μｍの厚さにスケールが付着したが、ガラス層３０を形成した本発明実施例は、７０日後でも５０μｍ程度の厚みしか付着せず、スケールの付着量を極めて少なくできることがわかる。さらに、スケールの厚みと消費電力の関係を図１６に示すように、スケールが厚くなると熱効率が悪くなって消費電力が減少してしまう。したがって、本発明の流体加熱装置１２は、長期間使用してもスケールの付着を少なくし、優れた熱効率を維持できることがわかる。
【００７２】
また、本発明実施例の流体加熱装置について、０〜１００℃間の熱サイクルを３万回繰り返したところ、ガラス層３０の剥離はなく、問題なく使用できることがわかった。
【００７３】
なお、以上の実施例では２つの金属加熱器１６、１７を用いた流体加熱装置１２を示したが、本発明は、一つの金属加熱器にセラミックヒータを圧接した構造の流体加熱装置にも適用できることは言うまでもない。
【００７４】
さらに、本発明の他の実施例を説明する。
【００７５】
図１７に示す循環温水器１は、浴槽２から流体を吸引するホース４と、流体加熱装置１２から流体を浴槽２へ送るホース１３ｂとをバイパス流路１４で連結し、両端に電磁弁１５ａ、１５ｂを備えている。この循環温水器１は、通常は電磁弁１５ａ、１５ｂでバイパス流路１４を閉じて浴槽２内の湯を循環させておき、浴槽２内の湯を一定温度に保つように作動する。
【００７６】
そして、流体加熱装置１２内にスケールが付着したような場合には、電磁弁１５ａ、１５ｂによってバイパス流路１４を開き、浴槽２への流体の循環を停止する。この状態で循環ポンプ５を停止し、流体加熱装置１２を空炊き又は煮沸させることによって、金属管１９の内面に付着するスケールを剥離させる。その後、数分間循環ポンプ５を作動させて、剥離したスケールをフィルター６等で除去する。スケールが除去されたら、再度電磁弁１５ａ、１５ｂで循環水の流れを浴槽２に移し、通常運転を行うことができる。
【００７７】
このように、バイパス流路１４と電磁弁１５ａ、１５ｂを備えておくことによって、流体加熱装置１２内に付着したスケールを容易に除去することが可能となる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の流体加熱装置では、セラミックヒータの露出部にシリコン絶縁層を備えたことによって、冷水や腐食性液がセラミックヒータに接触することがなく、セラミックヒータのクラックや浸食を防止することができる。その結果、長期間良好に使用可能な流体加熱装置を提供できる。
【００７９】
また、本発明は流体加熱装置のセラミックヒータに並列接続した複数の発熱抵抗体を備えたことによって、発熱抵抗体一本当たりの立ち上がり時の突入電流を低くすることができ、セラミックヒータの破損を防止することができる。
【００８０】
さらに、本発明は、流体加熱装置に用いるセラミックヒータの飽和時の電力密度を５〜３５Ｗ／ｃｍ2 としたことによって、クラックの発生や断線などを防止することができる。
【００８１】
また、本発明は、流体加熱装置に第一次電力印加停止用の自動復帰式サーモスタットと、第二次電力印加停止用としてこれよりも作動温度が高い手動復帰式サーモスタットを備えたことによって、空炊き等による流体加熱装置の過昇温を確実に防止することができる。
【００８２】
さらに、本発明は、金属管の内面にガラス層を形成したことによって、スケールの付着を防止することができるため、加熱効率が低下することなく長期間良好に使用可能な流体加熱装置を提供できる。
【００８３】
また、上記ガラス層として、無機ポリマーを被覆した後熱処理して硬化させたことによって、ガラス層を極めて薄く均一に形成できることから、金属管との熱膨張差によって剥離する恐れはなく、かつ伝熱効率を高くすることができる。
【００８４】
さらに、本発明によれば、循環温水器において、流体が浴槽内を通過せずに流体加熱装置と循環ポンプとフィルターのみを循環するような切替え可能のバイパス流路を備えたことによって、流体加熱装置の金属管にスケールが付着したような場合には、流体の流れを上記バイパス流路に切り換えておいて、流体加熱装置を空炊き又は煮沸させることによって、容易に付着したスケールを除去することができ、長期間良好に使用可能な循環温水器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体加熱装置を用いた循環温水器の概略図である。
【図２】本発明の一実施例としての流体加熱装置の正面図である。
【図３】図２に示す流体加熱装置の平面図である。
【図４】図２のIV−IV線断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】本発明の流体加熱装置に用いるセラミックヒータの正面図である。
【図７】本発明の流体加熱装置における熱サイクル数と、熱効率の変化率との関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）は本発明の流体加熱装置に用いるセラミックヒータの他の実施例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）中のＩ−Ｉ線断面図である。
【図９】本発明の流体加熱装置に用いるセラミックヒータの他の実施例を示す正面図である。
【図１０】複数の発熱抵抗体を並列に備えたセラミックヒータにおける、合成抵抗値と発熱抵抗体一本当たりの電流値との関係を示すグラフである。
【図１１】セラミックヒータにおける印加電圧と電力密度の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の流体加熱装置の他の実施例を示す、図２のIV−IV線断面に相当する断面図である。
【図１３】本発明の流体加熱装置の他の実施例を示す、図２のＶ−Ｖ線断面に相当する断面図である。
【図１４】図１３中のＡ部の拡大断面図である。
【図１５】流体加熱装置における使用時間と金属管内面のスケール付着厚みとの関係を示すグラフである。
【図１６】流体加熱装置における金属管内面のスケール厚みと消費電力との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の循環温水器を示す概略図である。
【符号の説明】
１２：加熱装置
１６：第１金属加熱器
１７：第２金属加熱器
１８：セラミックヒータ
１９：金属管
２０：固定部材
２１：サーモスタット
２５：発熱抵抗体
２８：絶縁層
３０：ガラス層
Claims (8)
- 内部に流体を通過させるための金属管を有する２つの金属加熱器と、該金属加熱器間に配置されたセラミックヒータと、該セラミックヒータを圧接して挟持する固定部材とを備えた流体加熱装置であって、前記セラミックヒータの端部の露出部にシリコン絶縁層を備え、該シリコン絶縁層に〔（ＣＨ ３ ） ２ ＳｉＯ〕ｎ（ｎ = ３〜９）で表される低分子シリコンを０．５％以下含有させたことを特徴とする流体加熱装置。
- 前記セラミックヒータに並列接続した複数の発熱抵抗体を備えたことを特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。
- 前記セラミックヒータの飽和時の電力密度が５〜３５W/ｃｍ２であることを特徴とする請求項１または２に記載の流体加熱装置。
- 前記金属加熱器には過昇温防止のために、第一次電力印加停止用の自動復帰式サーモスタットと、これよりも作動温度が高い手動復帰式サーモスタットを第二次印加停止用として備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流体加熱装置。
- 前記金属加熱器の金属内面をガラス層で被膜したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の流体加熱装置。
- 上記ガラス層が、金属管内面に被覆した無機ポリマーを熱処理して硬化させたものであることを特徴とする請求項５記載の流体加熱装置。
- 上記ガラス層の膜厚が１０〜１００μｍで表面粗さ（Ra）が０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の流体加熱装置。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の流体加熱装置と循環ポンプとフィルタを連結し、浴槽内の湯を吸引して加熱した後に戻すようにした循環温水器において、流体が浴槽内を通過せずに流体加熱装置と循環ポンプとフィルタのみを循環するような切替え可能のバイパス流路を備えたことを特徴とする循環温水器。
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