JP3784124B2

JP3784124B2 - セラミックシーズヒータ及びこれを用いた流体加熱装置

Info

Publication number: JP3784124B2
Application number: JP04679197A
Authority: JP
Inventors: 智田中; 昭郎阿久根; 秀明下水流
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10247584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製の有底筒状体にセラミックヒータを挿入してなるセラミックシーズヒータ、及びこれを用いた液体加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、セラミックス体中に発熱抵抗体を埋設したセラミックヒータがさまざまな分野で使用されている。そして、浴槽用温水器等の液体加熱用のヒータとして用いる場合は、上記セラミックヒータを直接水の中に入れて、加熱することが行われている。
【０００３】
しかし、セラミックヒータの途中までしか水がないような場合、水の無い部分が異常発熱してクラックが生じたり、あるいは水垢等の付着により発熱が不均一となってヒートショックによりクラックが生じやすかった。あるいは、アルカリ溶液中等に浸漬した場合は、セラミックスが浸食される恐れもあった。
【０００４】
このように、クラックや浸食が生じると発熱抵抗体が剥き出しとなって漏電や感電事故を起こすという問題があった。
【０００５】
そこで、上記セラミックヒータを金属製の有底筒状体で覆うようにしたセラミックシーズヒータが用いられている。これは、例えば特開昭５７−１５１１８７号、特開昭６０−１２７６８９号公報等に示すように、セラミックス体中に発熱抵抗体を埋設してなる棒状のセラミックヒータを、金属製の有底筒状体中に挿入し、両者の間に粉体を充填したものである。
【０００６】
このような構造とすることによって、セラミックヒータが直接水と触れることを防止し、クラックの発生を防ぐことができる。
【０００７】
また、セラミックヒータと金属製有底筒状体との間に充填する粉体としては、熱伝導性を高くするために金属粉末を用いることが一般的である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のようなセラミックシーズヒータであっても、使用条件等によっては、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体にクラックが生じることがある。このような場合、発熱抵抗体に印加した電流が、粉体と有底筒状体を通じて水中に流れ、漏電や感電の恐れがあるという問題があった。
【０００９】
即ち、従来のセラミックシーズヒータにおいては、セラミックヒータ自体が絶縁性が高いため、有底筒状体との間に介在させる粉体としては、金属粉末等の絶縁性の低い粉体を用いている。そのため、万一セラミックヒータにクラックが生じたような場合は、電流の漏れを防止する効果が乏しいものであった。
【００１０】
また、従来のセラミックシーズヒータでは、セラミックヒータと有底筒状体の間に充填した粉体の密度が低く、熱伝達が悪いという問題もあった。さらに、繰り返し使用時に、有底筒状体中でのセラミックヒータの位置がずれやすいという問題もあった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記に鑑みて本発明は、金属製の有底筒状体中に、絶縁粉体を介在させて、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体を挿入固定して成り、上記セラミックス体にクラックが生じた時の発熱抵抗体と有底筒状体間の室温での抵抗値が１０⁴Ω以上であり、上記有底筒状体の開口部とセラミックス体の間に粉体を押圧する部材が配置してあることを特徴とする。
【００１２】
即ち、有底筒状体とセラミックス体中に介在させる粉体の絶縁性を高くしておくことにより、万一セラミックス体にクラックが生じたような場合でも、漏電や感電を防止するようにした。
【００１３】
また、請求項２の発明は、上記絶縁性粉体が、熱伝導率０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素の一種以上からなることを特徴とする。
【００１４】
これらの材質からなる粉体を用いれば、絶縁性が高く、かつ熱伝導性に優れることから、漏電や感電を防止するとともに、熱効率のよいセラミックシーズヒータとできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、請求項１の発明の実施形態を図によって説明する。
【００２０】
図１、２に示すように、本発明のセラミックシーズヒータは、円柱状のセラミックヒータ１を金属製の有底筒状体３に挿入し、両者の間に絶縁粉体２を介在させ、セラミックヒータ１の後端部は金属製のカバー４を配置して、有底筒状体３の後端部でかしめて構成したものである。上記セラミックヒータ１は、円柱状のセラミックス体１１中に発熱抵抗体１２を埋設し、該発熱抵抗体１２の後端部をリード線１３に接続したものであり、リード線１３間に通電することによって、発熱抵抗体１２を発熱させることができるようになっている。
【００２１】
このセラミックシーズヒータを浴槽用温水器等の水加熱用に使用する場合は、有底筒状体３部分を水中に浸漬し、リード線１３に通電することによってセラミックヒータ１を発熱させ、この熱を伝えることによって水を加熱することができる。この時、セラミックス体１１が直接水に触れることがないため、クラック等の発生を防止することができる。
【００２２】
このようなセラミックシーズヒータにおいて、絶縁粉体２は、セラミックヒータ１と有底筒状体３間の緩衝材を成すとともに、熱を伝達する作用を成す。しかし、本発明で最も大切な点は、万一セラミックス体１１にクラック等が生じたような場合でも、発熱抵抗体１２の電流が有底筒状体３に流れることを防止できるように、絶縁粉体２に充分な絶縁性を持たせていることである。
【００２３】
具体的には、セラミックス体１１にクラックが生じた場合でも、発熱抵抗体１２と有底筒状体３との間の室温での抵抗値Ｒが１０⁴Ω以上となるようにしておけば良い。これは、家庭用電圧１００Ｖを印加した時に、上記抵抗値Ｒを１０⁴Ω以上としておけば、万一漏れ電流が生じても１０ｍＡ以下となり、人体に悪影響を及ぼさないレベルとできるためである。
【００２４】
好ましくは漏れ電流は０．５ｍＡ以下が良く、そのためにはセラミックス体１１にクラックが生じた場合でも、発熱抵抗体１２と有底筒状体３との間の室温での抵抗値Ｒを２×１０⁵Ω以上としておけば良い。
【００２５】
なお、上記抵抗値Ｒを測定する場合は、予めセラミックシーズヒータに規定以上の電圧を印加してセラミックス体１にクラックを発生させ、この状態で発熱抵抗体１２と有底筒状体３間の抵抗値Ｒを室温で測定すれば良い。
【００２６】
このような絶縁粉体２としては、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）の一種以上を用いる。これらは、表１に示すように、いずれも体積固有抵抗が大きく、絶縁性を高くすることができる。
【００２７】
同時に、絶縁粉体２は伝熱性を良くする必要があるが、これらの材質は表１に示すように熱伝導率が０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上と高いことから、セラミックヒータ１に生じる熱を効率的に有底筒状体３に伝えることができる。
【００２８】
これらの絶縁粉体２は平均粒径０．５〜１０μｍのものを用い、充填した際の厚みｔ₂は１ｍｍ以下とすることが好ましい。これは、厚みｔ₂が１ｍｍを超えると熱伝導性が低くなるためである。また、充填率は５０％以上となるように高密度に充填することによって熱伝導性を向上できる。
【００２９】
さらに、絶縁粉体２に対し、シリコンオイル等の耐熱性、絶縁性が良好な液体を含浸することによって、さらに熱伝導性を高くすることもできる。
【００３０】
【表１】

【００３１】
一方有底筒状体３は、熱伝導性の良好な銅やアルミニウム等の金属材を用いるが、必要に応じてステンレスや他の鉄系合金を用いることもできる。また、この有底筒状体３の厚みｔ₁は、熱効率を高くするために、１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００３２】
さらに、セラミックヒータ１を成すセラミックス体１１としてはアルミナ、窒化珪素等のセラミックスを用い、発熱抵抗体１２としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ等の高融点金属やＴｉＣ，ＴｉＮ，ＷＣ等の金属化合物を用いる。そして、上記円柱状のセラミックヒータ１を作製する場合は、例えばセラミックスのシート状成形体に上記発熱抵抗体１２を成す材質をペースト状として所定パターンに塗布し、このシート状成形体を別の円柱状成形体の周囲を覆うように重ね合わせ、全体を焼成一体化することによって得ることができる。
【００３３】
なお、図では円柱状のセラミックヒータ１と円筒状の有底筒状体３を示したが、これに限らず、角柱状や板状等さまざまな形状とできることは言うまでもない。また、本発明のセラミックシーズヒータは、特に浴槽用温水器等の液体加熱用に敵しているが、その他のさまざまな用途にも好適に用いることができる。
【００３４】
次に、請求項３の発明の実施形態を説明する。
【００３５】
図３に示すセラミックシーズヒータは、基本的に前述した実施形態と同様であるが、セラミックヒータ１と有底筒状体２との接合構造に特徴がある。
【００３６】
即ち、有底筒状体２の開口部には、筒状のフランジ部材２０を接合してあり、このフランジ部材２０の有底筒状体２と反対側端部において、セラミックヒータ１とフランジ部材２０の間に押圧部材２１を配置してある。
【００３７】
この押圧部材２１は、内径がセラミックヒータ１の外径とほぼ一致する円筒状体であり、先端外周にネジ部２１ａを備え、一方、フランジ部２０側の内径にもネジ部２０ａを備えている。そして、押圧部材２１をこのネジ部２０ａに螺着することによって、絶縁粉体２を押圧し、充填密度を高めることができる。
【００３８】
また、押圧部材２１の後端側には切り欠き２１ｂを形成し、この部分に接着剤２２を充填してセラミックヒータ１と接合してある。この時、接合力を高めるために、セラミックヒータ１側のセラミックス体１１の表面に凹部１４を形成しておけばより好適である。例えば、セラミックヒータ１を作製する際に最外周のセラミックグリーンシートに孔を形成しておいて積層し、図４に示すように、表面に凹部１４を形成することもできる。この場合、凹部１４は、直径０．５ｍｍ以上、深さ０．１ｍｍ以上とすることが好ましく、接着材２２として、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、又は，無機接着剤を用いる。
【００３９】
このように、押圧部材２１を備えたことによって、絶縁粉体２の充填密度を高めて熱伝導率を向上できるとともに、有底筒状体２に対してセラミックヒータ１を強固に位置決めできるため、使用中にセラミックヒータ１の位置がずれることを防止できる。
【００４０】
また、上記実施形態では押圧部材２１を螺着する構造を示したが、螺着以外でも、絶縁粉体２を押圧できるような接合構造であれば良い。
【００４１】
さらに、フランジ部材２０には外周面側にもネジ部２０ｂを備えており、他部材との接合を容易にしてある。なお、この実施形態では有底筒状体２とフランジ部材２０を別体として接合したが、両者を一体形成することもできる。
【００４２】
また、上記セラミックヒータ１や有底筒状体２の材質は図１、２の実施形態と同様であり、フランジ部材２０、押圧部材２１は、有底筒状体２と同様にステンレス、銅、黄銅、チタン等の金属で形成する。さらに、絶縁粉体３の材質は、図１、２の実施形態に示した窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）に限らず、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯを用いることもでき、また絶縁粉体の代わりにＣｕ、Ａｌ等の金属粉末を用いることもできる。また、接着剤２２としては、エポキシ系、シリコン系等の樹脂、ガラス、無機接着剤等を用いる。
【００４３】
次に、本発明のセラミックシーズヒータを用いた流体加熱装置を説明する。
【００４４】
図５に示す流体加熱装置は、セラミックヒータ１を絶縁粉体２を介して金属製の有底筒状体３に挿入し、この有底筒状体３と金属外管３０とを接合して構成される。また、この金属外管３０には、入水ホース３１と吐水ホース３２を接合してあり、セラミックヒータ１に通電し、加熱しながら、入水ホース３１より水等の流体を供給すれば、加熱されて吐水ホース３２より外部へ送り出すことができる。
【００４５】
このとき、セラミックヒータ１は有底筒状体３で覆われているため、流体が接触しない。そのため、ヒートショックによるクラックの発生や、水垢の付着を防止できる。
【００４６】
なお、図２では有底筒状体３の開口部をパッキン３３で塞いだが、図３に示すような押圧部材を備えれば、より好適である。
【００４７】
次に、請求項４の発明の実施形態を説明する。
【００４８】
図６に示す流体加熱装置は、セラミックヒータ１を成すセラミックス体１１を筒状に形成し、このセラミックス体１１の外周面と内周面の両方を、絶縁粉体２を介して二重の有底筒状体３で覆い、この有底筒状体３と金属外管３０を接合してある。また、上記有底筒状体３のうち、セラミックス体１１の内周面を覆う内管３ａはセラミックヒータ１の後端まで導出して、入水パイプ３１と接合し、吐水パイプ３２は金属外管３０に備えてある。
【００４９】
いま、セラミックヒータ１に通電し、加熱しながら、入水ホース３１より水等の流体を供給すれば、内管３ａを通過する際にセラミックヒータ１の内面で加熱され、金属外管３０を通過する際にセラミックヒータ１の外面で加熱されることになり、効率的に加熱することができる。
【００５０】
【実施例】
実施例１
請求項１、２の発明の実施例として、図１、２に示すセラミックシーズヒータを作製した。
【００５１】
アルミナセラミックスからなるセラミックス体１１に、Ｗからなる発熱抵抗体１２を埋設し、直径１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの円柱状セラミックヒータ１を作製した。一方、ステンレスからなり、外径１１．５ｍｍ、内径１０．５ｍｍ、長さ１２２ｍｍの有底筒状体３中に上記セラミックヒータ１を挿入して、両者が接触しないように保持する。これらの隙間に窒化ホウ素又は炭化珪素からなる絶縁粉体２を充填し、有底筒状体３を振動させて絶縁粉体２の充填密度を高くする。最後に、セラミックヒータ１のリード線１３に絶縁パイプ（不図示）を備え、後端部に金属製のカバー４を配置して、有底筒状体３の後端部でかしめて固定した。
【００５２】
なお、絶縁粉体２を充填する場合は、以下のようにすることもできる。即ち、有底筒状体３とセラミックヒータ１との隙間に、絶縁粉体２を分散剤を併用して溶媒中に分散させたスラリーを充填し、その後加熱して溶媒を蒸発させることもできる。
【００５３】
以上のように、本発明実施例として、絶縁粉体２が窒化ホウ素又は炭化珪素からなり、その充填時の厚みｔ₂が０．２５ｍｍのセラミックシーズヒータを得た。
【００５４】
一方比較例として、絶縁粉体２の代わりに金属（銅）粉末を充填し、他は全て上記実施例と同様にしてシーズヒータを作製した。
【００５５】
これら、本発明実施例と比較例について、１００Ｖの電圧を印加して水加熱用に用いた場合の加熱効率を比較した後、それぞれ規定値以上の電圧を印加して意識的にセラミックヒータ１にクラックを発生させた。この時の、発熱抵抗体１３と有底筒状体３間の抵抗値Ｒと、使用時に水中に発生する漏れ電流を測定した。
【００５６】
結果は表２に示す通りである。この結果より、比較例ではクラックが生じた時の発熱抵抗体１３と有底筒状体３間の抵抗値が低く、水中に１０ｍＡを超える漏れ電流が流れたため、感電等の恐れがあった。
【００５７】
これに対し、本発明実施例では、クラックが生じても発熱抵抗体１３と有底筒状体３間の抵抗値Ｒが１０⁴Ωを超えているため、水中の漏れ電流を１０ｍＡ以下とすることができ、感電の恐れはなかった。また、絶縁粉体２が充分な熱伝導性を有するため、水を良好に加熱することができた。
【００５８】
【表２】

【００５９】
実施例２
次に、請求項４の発明の実施例として、図６に示す流体加熱装置を試作した。外径８ｍｍ、全長１２０ｍｍ、発熱部長さ８５ｍｍのアルミナ製セラミックヒータ１を、外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍの有底筒状体３に挿入した。この装置に、３リットルの水を流し、２５℃から４５℃まで５分間で昇温させた。
【００６０】
この時の平均電力は９０６．１Ｗで、熱効率９２．４％であった。なお、比較例として有底筒状体３を備えない装置についても同様の測定を行ったところ、平均電力９０２．２Ｗで熱効率９２．８％であった。この結果より、本発明の流体加熱装置は、有底筒状体３を備えていても、従来例と同様に優れた熱効率を示すことがわかる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、金属製の有底筒状体中に、絶縁性粉体を介在させて、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体を挿入固定して成るセラミックシーズヒータにおいて、上記セラミックス体にクラックが生じた時の発熱抵抗体と有底筒状体間の抵抗値を１０⁴Ω以上としたことによって、万一セラミックス体にクラックが生じたような場合でも、漏電や感電を防止することができる。
【００６２】
また、請求項２の発明によれば、上記絶縁性粉体として、熱伝導率０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素の一種以上を用いることによって、熱伝導性を高くして、ヒータとしての熱効率を高くすることができる。
【００６３】
さらに、請求項３の発明によれば、金属製の有底筒状体中に、粉体を介在させて、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体を挿入固定して成るセラミックシーズヒータにおいて、上記有底筒状体の開口部とセラミックス体の間に粉体を押圧する部材を配置したことによって、押圧部材で粉体を加圧して充填密度を向上させるとともに、有底筒状体とセラミックス体との位置ずれを防止することができる。
【００６５】
以上のように、本発明によれば、熱効率に優れるとともに、漏電や感電を防止できる安全性の高いセラミックシーズヒータを得ることができ、浴槽用温水器等の流体加熱装置として好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックシーズヒータを示す縦断面図である。
【図２】図１中のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】本発明のセラミックシーズヒータを示す縦断面図である。
【図４】図３に示すセラミックヒータの部分側面図である。
【図５】本発明のセラミックシーズヒータを用いた流体加熱装置の断面図である。
【図６】本発明のセラミックシーズヒータを用いた流体加熱装置の断面図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
１１：セラミックス体
１２：発熱抵抗体
１３：リード線
１４：凹部
２：絶縁粉体
３：有底筒状体
４：カバー
２０：フランジ部材
２１：押圧部材
２２：接着剤
３０：金属外管

Claims

金属製の有底筒状体中に、絶縁粉体を介在させて、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体を挿入固定して成り、上記セラミックス体にクラックが生じた時の発熱抵抗体と有底筒状体間の室温での抵抗値が１０⁴Ω以上であり、上記有底筒状体の開口部とセラミックス体の間に粉体を押圧する部材が配置してあることを特徴とするセラミックシーズヒータ。
上記絶縁粉体が、熱伝導率０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素の一種以上からなることを特徴とする請求項１記載のセラミックシーズヒータ。