JP3986557B2 - 加熱エレメント - Google Patents

Description

本発明は、流体を加熱する加熱エレメント、及びかかるエレメントを内蔵するヒータに関する。
互いに接続したワイヤーのメッシュを通じて電流が流れる電気ヒータを提供することは公知である。プラスチックの融接に使用される、かかるヒータは、米国特許第5,475,203号に記載されている。このヒータにおいて、メッシュは、プラスチック材料層を共に溶接するため、そのプラスチック材料層の間に挟み込まれている。本発明において、このメッシュは、該メッシュを貫通して流れる流体（気体、又は液体）の流れを加熱するために使用される。
このように、本発明は、主として、流体がエレメントを通過するときに、その流体が加熱されるように、流れる流体中に配置される型式の電気駆動加熱エレメントに関するものである。かかるエレメントから成るヒータは、商業、工業及び家庭用を含む多くの分野にて広く使用されている。本発明の加熱エレメントも同様の広い用途にて使用されると予想される。
本発明の第一の形態によれば、複数の開孔を形成し得るように配置された、交差するフィラメント状の材料ストランド出来たメッシュから成る加熱エレメトであって、加熱すべき流体がこの複数の開孔を通って流れ、上記ストランドの少なくとも一部が導電性であり、これにより、電流が上記ストランドに供給されて、該ストランドを加熱する加熱エレメントにおいて、上記開孔が十分に小さく、上記開孔の各々を通って流れる全て又は略全ての流体が伝導及び／又は対流によって加熱されるようにしたことを特徴とする、加熱エレメントが提供される。
本発明の第二の形態によれば、複数の開孔を形成し得るように配置された、交差するフィラメント状の材料ストランドで出来たメッシュから成る加熱エレメントであって、加熱すべき流体がこの複数の開孔を通って流れ、上記ストランドの少なくとも一部が導電性であり、これにより、電流が上記ストランドに供給されて、該ストランドを加熱し、上記開孔の各々が500μｍ以下の有効径を有することを特徴とする、加熱エレメントが提供される。
本発明の加熱エレメントを内蔵するヒータにおいて、メッシュを横断するように電流を流し、これにより、流体を加熱するのに必要なエネルギを供給する手段が提供される。通常、略平面状であるメッシュは、加熱すべき流体流の少なくとも一部と交差し得るように取り付けられる。例えば、一つの特別な実施の形態において、加熱すべき流体は、例えば、圧送によって、導管に沿って流すことができ、メッシュは、導管を横断するように配置され、全ての流体はメッシュ内の微細な開孔の１つを貫通して流れるように拘束される。本発明によれば、これらの開孔は、その開孔の各々を通って流れる流体の全て、又は略全てが伝導及び／又は対流によって加熱されるようにするのに十分に微細であることを必要とする。
このメッシュは、電極に取り付けられ、メッシュに電流を供給するため、電源がこの電極に接続される。この目的のため、このメッシュは、電極の間に導電路を形成し得るような構造としなければならない。このメッシュは、その全面積に亙って略一定の加熱効果を提供し得るものであることが好ましい。しかしながら、例えば、メッシュの相対的に低温領域を提供することにより、特別の専門の用途に合うように加熱パターンが特別に設定されるようにすることが有利な状況の場合もある。
寸法上の安定性を保つためには、メッシュは織り構造のものであることが好ましい。しかしながら、摩擦溶接のような他の技術を使用して不織メッシュを製造することも可能である。
織ってあるかどうかを問わず、従来の織地の縦糸と横糸の仕方にて直角に交差する二組みのフィラメント状ストランドから成る簡単な構造のメッシュを使用することが好ましい。その少なくとも一方の組みのストランドは、導電性材料から成っており、その材料を通って電流が流れるように、電極の間に取り付けることを要する。上記一組みのストランドの全てが導電性材料で出来たものである必要はない。上述したように、妥当な程度に一定の全体的な加熱効果を保ち、又は特別に設定した加熱効果が達成されるように、非導電性ストランドを導電性ストランドと共に組み込むことも可能である。
他方の組みのフィラメント状ストランド（電流が流れるストランドを横断して横方向に伸長するストランド）もまた、導電性とし、又は非導電性性であるようにすることができる。
本発明の一つの特別な実施の実施の形態において、該メッシュは、市販の織りワイヤークロスから成っており、このクロスにおいて、縦糸及び横糸の双方に導電性ワイヤーが使用される。このワイヤーは、ステンレス鋼、抵抗線、ニクロム線、銅又はアルミニウム線、或いは炭素繊維のような任意の適当な導電性材料で形成することができる。ある用途において、このワイヤーは、過熱したり燃焼する可能性を無くすように（はんだのような）低融点の合金にて形成することができる。例えば、タンタル酸塩バリウムのような正温度抵抗率の大きい材料は、例えば、閉塞のために流体の流量が低下するとき、メッシュの温度を自動的に制限することになる。流量を絞ることによるメッシュの作動不良は、圧力作動式のスイッチを使用することにより防止することができ、このスイッチは、メッシュを通る流量に起因する、メッシュの表面における圧力差が所定の値を超える場合にのみ電流がメッシュに供給されることを可能にする。使用される材料は、特定の使用状況、特に、加熱する流体の性質に依存する。
この加熱エレメントは、メッシュの導電性ストランド内のＩ²Ｒ損失により作用し、伝導及び対流により、ストランドを加熱し且つその熱エネルギを流れる流体に伝達する。加熱される流体流は、多数の副流に分割され、その副流の各々がメッシュ内のそれぞれの開孔を通って流れるため、この加熱エレメントは効率がよい。このように、副流がそのそれぞれの開孔を通って流れるときに加熱が為され、また、本発明において、これらの開孔は、最大の対流効率を達成し得るように40乃至60μｍの典型的な寸法にて小さく形成される。対流効率は、次式で求められる。
η_e＝実際の伝達熱／理想的な伝達熱
伝達された熱は、ワット単位にて測定する。加熱される流体が熱交換器の温度と同一の温度にて熱交換器から去るときに、理想的な量となる。
以下に、流体が導管に沿って流れ、その導管の壁が加熱され、これにより、流体に熱エネルギが伝達される場合に関して説明するが、かかる導管において、熱境界層は導管の内壁に極く近接して画成され、その導管内にて、流体は、伝導によってのみ、導管壁から熱を受け取る。壁から流体への伝熱過程は、壁面における伝導を介して行われる。このことは、壁内部、及び流体内部の場合にもそうである。熱境界の全体に亙って境界面からの熱伝達は、流体の伝導及び伝達（即ち、移動）との組み合わせによって為される。この後者の組み合せは、対流と呼ばれている。流体が導管内を下方に進むのに伴い、この境界層の厚さは、最終的に、流体の全断面を占めるようになる迄、増大する。理想的な熱交換器（加熱される流体が熱交換器の温度と等しい温度にてこの熱交換器を去るもの）において、熱境界層が導管の全体を横断して伸長するように出口における全ての流体を加熱しなければならない。最初の段階として、所定の流体、及び所定の流速に対して、流体中に没した本体上にて境界層が成長する速度を一定にする。本発明のメッシュ・ヒータ内の熱伝達路は効果的である。その理由は、流れ方向への通路の寸法がヒータ・エレメント（線）上にて成長する境界層の厚さに等しく、このため、開孔の各々を貫通して流れる全て、又は略全ての流体が伝導及び／又は対流によって加熱されるという条件が満足されることを意味するからである。ヒータ・メッシュが高性能であることを理解するためのもう一つの方法は、対流効率に対する画定した等式で表される。エンジニアリングの目的上、熱交換器の対流効率は、次式により十分な近似値を求めることができる。
η_e＝１−exp（−４・ｌ／ｄ・Ｓｔ）
ここで、ｌ＝導管の長さ
ｄ＝導管の直径
Ｓｔは、次式で求められる無単位のパラメータであるスタントン（Stanton）数である。
Ｓｔ＝ｈ／ρｕｃ
ここで、ｈ＝平均熱伝達効率
ρ＝流体の密度
ｕ＝流体の速度
ｃ＝流体の比熱容量
上記の等式から、最良の対流効率を得るためには、ｌ／ｄの比は小さくなく、むしろ大きく、また、許容可能な対流効率を得るためには、この型式の通常の加熱機構に対して、10乃至20の範囲の比が典型的な値であると考えられる。しかしながら、当然に、本発明にて対象とした型式のメッシュにおける各開孔に対するｌ／ｄの比は、かかる範囲にさえも接近せず、メッシュの対流効率は、全体として、通常、劣ると考えられる。実際には、かかる低い対流効率は、メッシュが過熱して、加熱される流体への熱エネルギの伝達が低下することにつながる。
しかしながら、驚くべきことに、上記の等式の通常の解釈から予想される値よりも遥かに優れた対流効率が実現された。本発明において、これは、有効径が500μｍ以下であるが、好ましくは、200μｍ以下で、典型的には、10乃至100μｍの範囲の開孔を有する極めて微細なメッシュを使用することにより達成される。典型的な市販の織りメッシュにおいて、これらの開孔は、略方形の断面（ステンレス鋼線の隣接する４本の縦糸及び横糸により境が設定される）を有しており、また、その平均寸法は、約60×60μｍである。この線径は、約40μｍである。空隙寸法（線の間の距離）ｇと線径ｄとの比の最も有効な範囲は次の通りである。
0.1＜（ｇ／ｄ）＜10
その他の市販のメッシュは、矩形（方形でない）の開孔を有し、これらの開孔は、矩形部分（短辺）の幅が上述した値の範囲内にあるならば、一層優れた対流効率を示すと考えられる。
かかる小さい開孔寸法の場合に、このように対流効率が向上する理由は、ヌッセルト（Nusselt）数をレイノルズ数に関係付ける指数ｂ（exp b）にあると考えられる。
ヌッセルト数＝Ａ（レイノルズ数）^b
ここで、Ａは、幾何学的形状に依存する定数である。
ヌッセルト数は、次式で求められる。
ｈｄ／ｋ
ここで、ｋは、空気の熱伝導率である。
レイノルズ数は、次式で求められる。
ρｕｄ／μ
ここで、μは、流体の粘度である。
ｂの値は、常に、１単位以下であり、また、スタントン数は、指数（１−ｂ）（exp（1-b））まで大きくした直径ｄに反比例するから、直径が小さくなるに伴い、スタントン数は逆に大きくなる。ｄの値が十分に小さいとき、Ｓｔの値がより大きければ、上述した対流効率に対する等式における、ｌ／ｄの小さい値を補正することができる。
上記の説明において、変数ｄは、円形断面の公称導管の直径であることが理解されよう。しかしながら、この原理は、非円形断面の導管（本発明のメッシュにおける開孔のような）に適用することができ、この場合、ｄの値を有効径とみなすことができる。同様に、該導管は、流れ方向に一定の断面を有すると仮定したが、このことは、勿論、本発明の開孔を考えるときには妥当しない。
上述したように、微細な開孔を有するメッシュを使用することにより、我々は許容可能な対流効率を有し且つ低温で作動可能なヒータの構造とすることができた。
直径／有効径ｄが小さければ小さい程、対流効率はより増すことが分かる。しかしながら、ｄの値が極めて小さいならば、流体の流れが不当に妨げられ、詰まり易くなる。定期的に洗浄するため取り外すことができるように、加熱エレメントを容易に取り外し可能とすることにより、この詰まるという問題点を軽減することができる。局所的な流れの絞りに伴うメッシュの過度の温度は、一定の状況下にて、メッシュが自己洗浄的に作用することを可能にする。
本発明を一層、良く理解し得るようにするため、単に一例として且つ添付図面を参照しつつ、その一つの実施の形態に関して以下に説明する。添付図面において、
図１は、本発明に従った構造とされた小型のヒータエレメントの斜視図である。
図２は、図１のヒータエレメントに使用されるメッシュ組立体の図である。
図３Ａ及び図３Ｂは、図１のヒータエレメント内にメッシュ組立体を取り付けるのに使用されるフレームの１つの部分のそれぞれ平面図及び端縁図である。
図４Ａ及び図４Ｂは、他方のフレーム部分を示す、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂと同様の図である。
図５は、使用される織り方を示すメッシュの拡大図である。
図６は、流体速度に対する熱伝導率のグラフである。
図７は、線径が異なることによる効果を示す、流体速度に対する対流効率の理論に基づいて描いたグラフである。
図８は、空隙寸法が相違することによる効果を示す、図７のグラフと同様のグラフである。
典型的な小型のヒータエレメントが図１乃至図４に図示されている。該エレメントは、黄銅端末バー２、３にそれぞれ溶接することにより２つの両側部に沿って取り付けられたワイヤーメッシュ１を備えている。該黄銅端末バーは、メッシュ１を通じて交流又は直流（ＡＣ又はＤＣ）を伝達し得るように電源（図示せず）に接続されている。
図示した実施の形態に使用されるメッシュは、Ｇボップ（Bopp）及びＣｏＡＧが製造する市販のメッシュである。図５の拡大図にて理解し得るように、該メッシュは、それぞれ平織り内の縦糸及び横糸ワイヤー１０、１１を備えているが、その他の織り方も利用可能であり且つ本発明に使用することができる。これらのワイヤーは、直径40μｍで、縦糸及び横糸方向双方へのワイヤーの間隔が約60μｍのステンレス鋼である。
メッシュ組立体は、図３及び図４にそれぞれ図示した２つの部分５、６から成るフレーム４内に配置されている。このメッシュ組立体は、フレーム部分５、６の間に挟み込まれて且つリベット７、又は同様の取り付け装置によりその位置に配置される。メッシュと接触するフレーム部分は、電気絶縁体で形成されており、また、流れが制限され、取り付けられた任意の過熱圧力スイッチ（上記参照）が作動不良で、メッシュが溶けたときの発火を防止し得るようにすることが好ましい。このフレーム部分は、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）又はタフノール（Tufnol）のような高温度プラスチックとすることができる。
分析の目的（以下参照）に合った、フレームの所定の寸法とされている。しかしながら、その他の寸法及びその他の形状とすることも可能であることが明らかであろう。ヒータにおいて必要なことは、加熱される流体がメッシュ１を貫通して流れるようにヒータエレメントを取り付けることであり、このため、その状況に合った寸法及び形状のヒータエレメントとする。
図示した配置は、ポンプ（図示せず）によりメッシュを通じて吹き込まれて、流動する気体、特に空気の流れを加熱することを目的とするものである。しかしながら、同一の原理は、流れる液体の加熱にも適用可能であるが、同様に、対流効率が低下する可能性があり、この場合、直列の加熱エレメントを貫通して液体が流れるように、液体流れ中に多数の加熱エレメントを配置する必要がある。
空気を特定の程度だけ加熱するのに必要な電力は、容易に計算可能である。
体積流量＝ｕ×ρ×メッシュの面積
ｕ＝30ｍ／秒、ρ＝１と仮定する。
体積流量＝30×１×（0.05）²
＝0.075ｋｇ／秒
必要な電力＝体積流量×ｃ×（Ｔ_out−Ｔ_in）
ここで、Ｔ_out＝出力温度（℃）
Ｔ_in＝入力温度（℃）
ｃ＝一定圧力における流体の比熱
Ｔ_in＝20℃、及びＴ_out＝60℃と仮定すれば、
必要な電力＝0.075×1004×（60−20）
＝3012ワット
電力＝ｉ²Ｒ
特定のメッシュの抵抗値は0.06Ｕ／スクエア（□）
このため、ｉ²＝3012／0.06となり、
このため、ｉ＝224Ａとなる。
このように、電源は、メッシュを通じて200Ａ以上の電流を流すことができるものでなければならない。この大きさの電流であっても、メッシュの対流効率は、極めて低温度にて作動するものである。この対流効率は、次のように、入口温度及び出口温度に関係している。
η_e＝（Ｔ_out−Ｔ_in）／（Ｔ_m−Ｔ_in）
ここで、Ｔ_m＝メッシュ温度
このため、60％の対流効率とするためには、温度は、87℃となる。
熱エネルギが流れる流体流に伝達される比率ｑは次式で求められる。
ｑ＝メッシュの面積×ｈ（Ｔ_m−Ｔ_in）Ｗ／ｍ²
ここで、ｈはＷ／ｍ²／°Ｋの単位の熱伝導率である。
この熱伝導率は、この等式における中心的なファクタであり、特定の配置の物理的な性質に依存する。我々は、異なる空気速度ｕに対するｈの値をプロットし、その値を理論値と比較したが、その結果は図６に示してある。また、我々は、色々な値のワイヤー直径に対して対流効率の幾つかの値を速度ｕに対してプロットし、その値は図７に示してある。図７のグラフは、理論値に基づいてプロットしたものであるが、我々は、実際に同等の結果を得ている。図７において、空隙寸法（線の間の距離）と線径との比は64／40の値に保った。図８は、図７と同様であるが、ミクロン単位で測定した空隙寸法の変化から推定される効果を示したものであり、この場合、ワイヤー直径は、63μｍに一定に保たれる。明確に理解し得るように、対流効率は空隙寸法の増大に伴い低下する。
我々は、色々な状況にて上述した加熱エレメントを多数、使用し、また全体寸法の異なるものを使用したが、その各場合ともメッシュ寸法は等しくした。各々のエレメントは、0.05ｍ／ｓ乃至60ｍ／ｓの速度範囲にて流れる空気に対し、汎用の空気ヒータとして極めて効果的であることが判明した。これらのエレメントは、必要な場合、実験目的のため、空気温度を極めて迅速に、又は、「ステップ状」に変化させる研究分野にて特に有用である。本発明のメッシュヒータは、流動する流体流中の温度を略完全にステップ状に変化させることが可能であることが判明したが、この効果は、高価で大型で、しかも複雑な加熱機構を使用しなければ、得られないものである。例えば、この技術により、熱伝導率ｈを測定するための実験を容易に行うことができる。しかしながら、気体及び液体の双方を加熱するため、工業用から家庭用まで上記以外のより一般的な用途にてこのヒータを使用することが可能であると考えられる。例えば、本発明の教示に基づく原型としての水ヒータが製造されており、その性能は、理論上、予想されるものと一致している。このため、極めてコンパクトな瞬間応答型の水ヒータを製造することが可能である。もう一つの特別な用途は、特に低温の始動状態下にて、車両の窓の霜取り用の急速応答型の電気ヒータを製造する場合である。かかる用途において、既存の車両のブロアから供給される空気は、エンジンの冷却水が暖まる時点まで、メッシュを通じて導かれて、空気を加熱する。かかるヒータは、圧力低降下が小さく、またヒータをダクトの出口付近に配置することが可能であるという利点がある。例えば、上述したような圧力スイッチを内蔵する安全装置を取り付けて、閉塞したときに、ヒータへの電流の供給を遮断し得るようにすることができる。
図示した配置に対する色々な改変例が可能である。例えば、高圧の給電電圧による作動を可能とするため、メッシュは、図２の横方向に向けて部分に仕切り、その部分の各々が次の部分から電気的に絶縁されているようにすることができるが、但し、その色々な部分は、全体に亙ってより大きい抵抗値を提供し得るように直列に相互に接続し、より高電圧源がその部分に接続されるようにする点で異なる。これと代替的に、又は追加的に、より抵抗性の大きいメッシュを使用することもできる。
図５に図示した市販のメッシュにおいて、縦糸ワイヤー及び横糸ワイヤーは、共に、伝導性ワイヤー、実際には、ステンレス鋼で出来ている。一つの代替的な構造において、横糸ワイヤーは、ナイロン、又はポリプロピレン糸又はガラス、或いはセラミック系繊維のような、絶縁性材料で形成することができる。かかる構造において、メッシュは、縦糸ワイヤーが端末バー２、３を接続するように方向決めされる。また、絶縁性ワイヤー／糸を縦糸ワイヤー内に内蔵させ、また、上述したように、個々の必要条件に合うように加熱パターンを特別に設定することも可能である。

Claims (8)

1. 加熱すべき流体が貫通して流れることのできる複数の開孔を画成し得るように配置された、交差するフィラメント状材料ストランド（１０，１１）で出来たメッシュ（１）から成る加熱エレメントであって、該ストランドの少なくとも一部が導電性であり、これにより、該ストランドに電流を供給して、該ストランドを加熱することができるようにした、加熱エレメントにおいて、
   前記開孔が、各々、２００μｍ以下の有効径を有していることを特徴とする、加熱エレメント。
2. 請求項１に記載の加熱エレメントにおいて、ストランド（１０，１１）の間の距離である空隙寸法ｇとストランド直径ｄとの比の大きさの範囲が0.1＜（ｇ／ｄ）＜10である、加熱エレメント。
3. 請求項１又は２に記載の加熱エレメントにおいて、前記メッシュが、織地の縦糸及び横糸の仕方にて略直角に交差する二組みのフィラメント状ストランド（１０，１１）から成る、加熱エレメント。
4. 請求項３に記載の加熱エレメントにおいて、一組みのフィラメント状ストランド（１０，１１）が、全体に又は一部、導電性ストランドから成り、他方の組みのフィラメント状ストランド（１０，１１）が全体に非導電性材料から成る、加熱エレメント。
5. 請求項３に記載の加熱エレメントにおいて、双方の組みのフィラメント状ストランド（１０，１１）が、全体に又は一部、導電性ストランドから成る、加熱エレメント。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の加熱エレメントにおいて、前記メッシュ（１）が織りワイヤークロスから成る、加熱エレメント。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の加熱エレメントにおいて、フィラメント状ストランド（１０，１１）を形成する材料が温度抵抗率の大きい材料である、加熱エレメント。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載の加熱エレメントを備えるヒータにおいて、加熱すべき流体を前記メッシュ（１）の開孔を通じて圧送する手段と、前記導電性ストランド（１０，１１）に電流を供給し得るように接続された電源とを備える、ヒータ。

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