JP4001389B2 - 接地されたパージ式液没ヒータ - Google Patents

Description

発明の背景
この出願は１９９６年１０月１１日に出願された仮特許出願第６０／０２７，９２０号の優先権を主張する。
本発明は浴槽の中の液体を加熱するための液没ヒータに関する。特に、本発明は接地されたガスパージ式液没ヒータに関する。
管状の電気加熱エレメントは、一定長さのコイルに対し正確な電気抵抗を与えるように巻かれた抵抗ワイヤコイルまたはリボンから構成されることは業界で公知である。コイルは通常金属で作られ且つ酸化マグネシウムのような絶縁材料を充填したシースの中に挿入される。次に、この組立体は熱を伝わり易くするために充填材料を固めて内部の空洞を除去するように圧延縮小されるか、またはすえこまれる。次いで、圧延縮小の間に生成された応力を取り除くために構造全体が焼かれる。完成した加熱エレメントは、次に、熱を必要とする工程に必要な様々な形状または形態に形成される。
また、ワット密度すなわち一定長さの管状加熱エレメントから伝導できる熱量は加熱エレメントの使用方法によって変わることも公知である。例えば、油をベースとする液体は水をベースとする液体よりも緩やかに熱を伝える。抵抗ワイヤは経済的な耐久性を得るためには溶融点以下にとどまらねばならないので、単位面積当たりの電力量（ワット量）は変わらねばならない。油性の液体を加熱するための業界で知られている通常の「ワット密度」はヒータシース面積の平方インチ当たり２０ワットである。水をベースとする液体については、ワット密度を平方インチ当たり９０ワットほどの高い値とすることができる。
以上の説明から、ある応用に対しては、適正なワット密度を達成するためにはある量の材料を使用しなければならないこと明らかである。それゆえに、同等量の表面積を得るためにより少量の材料を使用できれば有益となるであろう。もし、これが実現できれば費用節約が達成されるであろう。
管状ヒータシースについて多くの形状が使用されてきた。ヒータの効率を向上させるために、シースに三角形、楕円形または扁平な表面を使用することは業界で普通のことである。ヒータシースに沿ってフィンや、スプラインやピンのような突起も使用されており、ある応用には非常にうまく作動してきた。しかしながら、上記の形状にはそれぞれ特定の制限がある。扁平で楕円形のシースには充填材料を十分に固く維持する性能が欠けている。このことはヒータエレメント内に空洞を作ることになり、熱伝導を制限することになる。フィンおよびその他の突起は表面積を増大するが、付加的な製造工程や材料が必要となり、いずれも費用を増大する。そこで材料を追加せずに、または付加的な成形作業を要せずに、管状加熱エレメントの表面積を増大することが望ましい。
連続した可撓性ケーブルで作った電気抵抗ヒータは、加熱しようとする腐食性化学溶液の腐食に対し満足的な抵抗力を有する適当なプラスティック材料で可撓性ケーブルの外面を被覆することができるので、腐食性の化学浴槽に沈めるのに特に適している。可撓性ケーブルで作った電気抵抗ヒータの一例は米国特許第４、１５８、７６４号に開示され且つ説明されている。この特許は本明細書に全体的に参照されて取り込まれる。
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）材料で作った外側ケーシングまたはジャケットを有するこの種の可撓性ケーブルヒータを提供することは公知である。ＰＴＦＥは腐食性媒体による化学的侵食に対し十分な抵抗を有する。しかしながら、望ましい可撓性にするため壁を薄くした管にＰＴＦＥを使用すると、その浸透性のため加熱された化学蒸気がケーブルヒータの内部に移入するようになるという欠点がある。この問題を解決するために、米国特許第４，５５３，０２４号には、ケーブル式液没ヒータの外側ジャケットを適当な乾燥性ガス媒体源に連結して、このガス媒体をヒータケーブルの入口からその中を通って加熱エレメントの上に通し、出口の排出装置へ循環させることが開示されている。これによって、連続的な乾燥ガスの流動すなわち乾燥ガスのパージを抵抗加熱エレメントの上に発生することにより、ヒータケーブルの外側プラスティックジャケットを浸透して蓄積した腐食性化学蒸気を除去することができる。米国特許第４、５５３、０２４号もここに全体的に参照して取り込まれる。
米国特許第４，１５８，７６４号および米国特許第４，５５３，０２４号に説明されている可撓性ケーブルヒータの一つの問題は、可撓性ケーブルヒータが接地されていないことである。このような接地は保険業者研究所（Underwriters Laboratories）（ＵＬ）やカナダ標準協会（ＣＳＡ）のような各種取締り当局が承認のために要求している。また、可撓性ケーブルヒータのＰＴＦＥジャケットを通して良好な熱伝導を保持しながら、この接地した可撓性ケーブルヒータにガスパージを発生させることも望ましい。
したがって、良好にしてさらに有効な全体的結果をもたらしながら、上述の要求に合致し且つ上記困難その他を克服するために、パージされた接地式流体ヒータに使用できる新規な改善されたヒータシースエレメントを開発することが望ましいと考えられてきた。
発明の簡単な概要
本発明によれば新規な改善された腐食性流体用液没ヒータが提供される。
特に、本発明のヒータは、動力源に接続すれば熱を発生するように作動する電気抵抗材料製ひも（より索）を包含する。電気抵抗材料製ひもの周りに熱伝導性・電気絶縁性の充填材料が配置される。前記充填材料の周りに導電性シースが配置される。化学的に不活性な可撓性材料からなる管状ジャケットが導電性シースを包む。流体流通路が管状ジャケットとシースとの間に流体を貫流させるため形成される。
一つの実施の形態では、反対方向にねじれている第１と第２の１対のらせん状の水路を有するこぶ模様を導電性シースの外面に作り、これによりパージ流体をシースの外面上およびシースとジャケットとの間に流動させてジャケットを貫通している腐食性流体を除去するようになっている。別の実施の形態では、シースの外面に接触する一連の相互に隔たり内側に延びたリブを管状ジャケットに設ける。リブとリブとの間の谷はシースの外面と共同して、パージ流体が流通できる水路を形成する。なお、別の実施の形態では、パージ流体が流通できる水路を形成するため、シースと管状ジャケットとの間に組みひも材料が配置される。
本発明の他の見地によれば、液没加熱装置が設けられる。
さらに、特にこの本発明の見地によれば、液没加熱装置が腐食性流体の中に沈入するための可撓性型液没ヒータを有する。液没ヒータは動力源に接続すれば熱を発生するように作動する電気抵抗材料製ひもと、前記電気抵抗材料製ひもの周りに配置された熱伝導性・電気絶縁性の充填材料とを有する。導電性シースが充填材料の周りに配置される。化学的に不活性な可撓性材料からなる管状ジャケットが導電性シースを包んでいる。流体流路が管状ジャケットとシースとの間に流体を貫流させるため形成される。パージ流体源が設けられ、パージ流体源を流体流路に連結するための導管が設けられる。
本発明のなお別の見地によれば、腐食性液体用液没ヒータの製造方法が得られる。
本発明のこの見地によれば、電気抵抗材料製ひもおよび導電性材料製シースを準備する工程を有する。ひもが前記シースに挿入される。ひもとシースとの間に熱伝導性で電気絶縁性の材料を詰めてひもをシースから隔離する。シースの中に入れた充填材料内の空洞が除かれる。化学的に不活性材料の管状ジャケットがシースの上に滑り着せられる。シースの外周とジャケットの間に通路が形成される。
本発明の一つの効果は新規な改善された接地式パージ液没ヒータが得られることである。
本発明の別の効果は接地するための導電性シースと化学的に不活性の外側被覆またはジャケットを備え、シースと被覆との間にパージ流体を流すための水路が形成される。
本発明のなお別の効果は、付加的な材料を加えずにまたは付加的な製造工程を必要とせずに管状シースの表面積を増大する技術が得られることである。
本発明のなお別の効果は、シースから材料を除去しないことによりシースの構造上の一体性を保ちながら完全な流路を設けることである。
本発明の附加的な効果は、大なる加熱効率を有するが、内部に保持している充填材料を容易に固めてその中の空洞をなくすことができるヒータエレメントシースを提供することである。
本発明のさらなる効果は、内側にリブが延びているヒータエレメントを提供することである。リブはヒータエレメントシースの外面と共同してパージ流体を貫流させるための流体流路を形成する。
本発明のなおさらなる効果は、ヒータエレメントシースと管状ジャケットと、シースと管状ジャケットとの間に配置された組みひもスリーブとを包含するヒータエレメントを提供することである。組みひもスリーブはジャケットの内面およびシースの外面と共同してパージ流体を貫流させるための流動路を形成する。
本発明のなお別の効果は、流動のないことが望ましい場合、流れの損失または圧力の損失を測定することにより化学的抵抗力のある外側の管状ジャケットの完全性を監視することができるヒータエレメントを提供することである。
本発明のなお別の利益と効果は次の詳細な説明を熟読して理解することにより当業者に明らかとなる。
本発明は明細書およびその１部となる添付図面に詳細に開示されている好適な実施の形態の部品や配置に物理的な形態を有する。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第１の好適な実施の形態によるガスパージ式可撓性ケーブル型液没ヒータの横断面図である。
図２は開放した大おけの中の液体を加熱するシステム中のヒータケーブルの概略図である。
図３は図１のヒータシースの縮小正面図である。
図４は本発明の第２の好適な実施の形態によるガスパージ式可撓性ケーブル型液没ヒータの斜視図である。
図５は本発明の第３の好適な実施の形態によるガスパージ式可撓性ケーブル型液没ヒータの斜視図である。
好適な実施例の詳細な説明
図面は本発明の好適な実施の形態を示すのみが目的であって、これに限定することを目的とするものではなく、その図面を参照すれば、図１は本発明の第１の好適な実施の形態によるヒータケーブルＡを示す。このヒータケーブルは例えば普通の円筒状ヒータワイヤであるヒータエレメント１０を有する。ヒータワイヤは充填材２０で囲繞されている。この充填材は電気絶縁性で熱伝導性の材料である。好ましくは、この材料は酸化マグネシウムやこのような別の公知の材料を含
んでいる。なるべく普通の延伸性金属で作った導電性シース３０が充填材を包んでいる。このシースは充填材２０に接触する内周３２と外周３４とを有する。外周３４に複数の溝３６がある。図３を参照すると、溝３６は１連の平行ならせん状の左巻き溝３８と１連の平行ならせん状の右巻き溝４０とを備えている。この２組の溝はシース３０の外周の多数の位置で交差して、多数のダイヤモンド形状の隆起４２を形成する。実質的にシース３０の外周３４にこぶ模様ができる。
前記こぶ模様は、充填材２０を締めつけ且つヒータエレメントの中に空洞を無くすため、普通のダイセットを使用してシースエレメント３０を最終的に圧延縮小するときに作ることができる。このような空洞は熱伝導を阻害するので好ましくない。このこぶ模様の形成方法はシース３０から材料を除くのではなく、したがって管状エレメントの構造的一体性を保持する。こぶ模様は従来のダイセットを使用して作ることができ且つ製作費用が大幅に節約される。このこぶ模様によりシースの表面積が約１７％増大することが判明した。
図３にこぶ模様を示しているが、その他の形式の従来のダイセットを使用してその他多くの模様を作ることができる。必要なことは、シースの外表面に多数の長手方向の溝を作るように、しかもケーシング５０への熱伝導に必要な十分な表面積をシースに残すように製作することである。
こぶ模様をシース３０に形成した後、ケーシングまたはジャケット５０をシース３０の上に滑り嵌めする。ケーシングの内周５２がシース３０の数個の隆起４２に接触して熱伝導を増強する。ケーシング５０の外周５４は加熱されるべき溶液に接触する。
公知であるが、管状ケーシング５０の１端が機械的に拡張され且つヒータエレメントがケーシング５０の中に押し込まれる。この方法によれば、ケーシングをシースの上に直接押出す方法による以上に締まり嵌め状態にすることができる。管状ケーシング５０は、なるべく、化学的に不活性の熱可塑性材料、たとえばテフロン（Teflon）の商標名で販売されているポリテトラフルオロエチレンで作る。
シース３０はなるべく適当な普通の金属で作る。例えばイオンを除去した水やコンピュータチップの製造に使用されるその他の種類の液体のような腐食性液体を加熱するためにヒータケーブルＡを使用するとき、シース３０はなるべく不錆鋼、チタニウム、インカロイ（ｉｎｃａｌｏｙ）や銅のような適当な耐腐食性材料で作られる。その他の応用例ではジルコニウムやコロンビウムのような他の種類の金属を使用する。
図４を参照すれば、本発明の好適な第２の実施の形態によるヒータケーブルＢが図示されている。このヒータケーブルはヒータエレメント８０を有し、このヒータエレメント８０は公知の充填材料８４で巻かれた普通の円筒形ヒータワイヤである。なるべく、普通の金属材料で作った導電性シース９０が前記充填材料８４を包む。このシースは前記充填材料８４に接触する内周９２と外周９４とを有する。
ケーシングまたはジャケット１００がシース９０を包む。この実施の形態では、複数の相隔った長手方向のリブ１０４を設けた内周１０２を有する。リブとリブとの間にそれぞれ谷１０６が存在する。リブ１０４はシース９０の外周９４に接触するので、谷１０６はジャケット１００を流れるパージ流体のための長手方向の通路として作用する。ジャケット１００の外周１０８は加熱されるべき溶液と接触している。上記実施の形態におけるように、シース９０がジャケット１００の中に押し込まれる。または、ジャケット１００が単にシース９０の上に引っ張られる。また、必要に応じ、ジャケット１００がシース９０の上に押し出される。
図５を参照すれば、本発明の好適な第３の実施の形態によるヒータケーブルＣが図示されている。この実施の形態において、ヒータケーブルＣは公知の充填材料１２４で囲繞されている普通のワイヤの形状をしたヒータエレメント１２０を有する。適当な公知の金属で作った導電性シース１２６が充填材料１２４を包んでいる。シース１２６は組みひも層１３０と接触する外周１２８を有する。組みひも層１３０は普通の繊維材料で作った１本以上のひも１３２を含む。管状のジャケット１３４がひも１３２を包む。ジャケット１００は組みひも層１３０の外面に接触する内面１３６を有し、また組みひも層１３０の内面はシース１２６の外面１２８と接触している。ジャケット１３４と組みひも層１３０とシース１２６とが協働することによりパージ流体を流通させるための複数の通路１４０を形成する。前記実施の形態におけるように、ジャケット１３４はヒータの残りの部材の上に引き伸ばされることができる。また、ジャケット１３４はこのような部材の上に押し出されることもできる。
前記組みひも層は熱可塑性材料や金属繊維材料に関係なく任意の普通の材料で作ることができる。ただ一つ必要なことはこの材料が高温に順応し且つ高温を伝達できることである。この目的に適する他の材料には絶縁性のガラスや石英の材料がある。
図２を参照すれば、ヒータケーブルＡは開放液体容器１４０に使用することができる。このヒータケーブルは容器１４０の中の液体に沈めるように図示されている。可撓性ヒータケーブルＡの端部が液体容器から延出し且つ容器のリムに設けた適当な取付装置１４４を貫通している。熱可塑性材のケーシング５０が溶けないようにするため過熱状態を検知できるように普通のサーモカップルがヒータケーブルＡの中に延びている。このサーモカップルはヒータケーブルＡの中を長手方向に延び且つケーシング５０から外に長手方向に延びる１対のリード１５６、１５８を有する。ケーシング５０は耐圧連結にするためティー１６０に接続される。ティー１６０の１本の分岐管が、圧力逃し弁１６４の入口に連結した圧力式付属管１６２に接続される。ティー１６０の別の分岐管が圧力逃し弁１６４の入口に連結した圧力式付属管１６２により閉じられる。別の分岐ティー１６０は圧力式付属管および弾性グロメット１６６により閉じられ、且つ貫通して延び且つ動力線の片側Ｌ₁にリード１７０を経て接続されたヒータケーブルの一方の動力リード１６８を有する。また、サーモカップルの１対のリード１５６、１５８はグロメット１６６の中を延び且つリード１７２、１７４を経て温度制御器１７６の入力端子に接続される。次に、温度制御器１７６はジャンクション１７８を経て動力線の片側Ｌ₁に接続され且つ温度制御器の端子１８２、１８４を通りジャンクション１８０を経て動力線の他の側Ｌ₂に接続される。
ヒータケーブルＡの反対端はブラケット１４４に連結され且つティー１８６に接続した適当な圧力式付属管を有し、その一方の分岐管がティー１９０に接続された可撓性管１８８に連結される。ティー１９０の１本の分岐管が、ガス状流体槽１９６から高圧ガス状体を収容する流量計の出口に管１９２を経て連結されている。ティー１９０の残りの分岐管は圧力スイッチ２００の感知空洞と流体接触している流体圧力管１９８に連結される。
ガス状流体槽１９６はティー１９０、管１８８およびティー１８６を通じて、ケーブルヒータ１４２および圧力逃し弁１６４を通じてパージドガスを供給し、かくしてケーシングの内周５２とシース３０の外周３４との間に連続的なガスパージを提供するように連結される。
圧力スイッチ２００が、全般的に２１０で示すリレーの端子２０６、２０８にリード２０２、２０４を経て並列に接続される。リレーの端子２０６は温度制御器１７６のシグナル出力端子２１２に接続される。端子２０８はリレーコイル２１４を通じて温度制御器１７６の端子２１６に接続される。
リレーコイル２１４はジャンクション２２０に接続された可動スイッチ接点２１８に作動的に連結されたアーマチャを有する。リレー２１０の静止接点２２２が端子２２４とリード２２６、さらにティー１８６のヒータ電力リード２２８に接続される。
作動に際し、温度制御器１７６がリレーコイル２１４を付勢し、接点２１８、２２２を閉じる。かくしてコイル２１４が付勢される。ケーシング５０内の破壊や漏洩はガス状媒体を損失させ、ガスパージが圧力スイッチ２００により検知される。これによりリレーコイル２１４の中の回路を破壊してリレーコイルを除勢し、接点２１８、２２２を開き、ヒータケーブルへの電力を遮断する。容器の中の液体が減ってレベルがヒータケーブルの表面以下に下がるとオーバヒートの状態になり、ヒータケーブルジャケットの温度上昇がサーモカップルにより検知される。そこで、温度制御器１７６がリレーコイル２１４を除勢し、ヒータケーブルへの電気接続を断つ。
パージ流体の流れの効果がなくなれば圧力センサが使用されるのは明らかである。この場合に、圧力のみが圧力センサを作動して良好な管状ヒータジャケットを指摘する。圧力が下がると、破局に至る前に圧力センサが管状ヒータジャケットの故障を使用者に合図して警報を与える。
上述したように、金属シース３０を使用する目的は保険業者研究所（Underwriters Laboratories）（ＵＬ）やカナダ標準協会（ＣＳＡ）の承認を得るためにヒータケーブルＡを接地する必要があるからである。
図示したすべての実施の形態において、シースとジャケットとの間に多数の平行な通路を設け、パージ流体を接地したヒータシースと外側の非導電性管状ジャケットとの間に流通させている。このようなヒータエレメントを作り出す多くの別の方法が存在することは理解できる。このような方法はすべてこの特許出願およびその請求の範囲に含まれることを意図する。
本発明を数個の好適な実施の形態について説明した。本明細書を読んで理解すれば、明らかに修正および変更が可能である。このような修正および変更が請求の範囲に入るか、またはそれと等価である限りにおいてそれらをすべて包含するものである。

Claims (12)

1. 動力源に接続することによって熱を発生するように作動する電気抵抗を有する材料である撚り線と、
   前記電気抵抗を有する材料である撚り線の周りに配置された熱伝導性を有するが電気的に絶縁体である材料の充填材の層と、
   前記充填材料の層の周りに配置された導電性のシースと、
   前記導電性のシースを包む化学的に不活性な可撓性材料からなる管状のジャケットの層と、
   前記管状ジャケットと前記シースの間に流体を貫流させるために形成された流体流路と、
   を包含することを特徴とする腐食性流体用の液没ヒータ。
2. 前記流体流路は、螺旋状に延びた第１の溝と、螺旋状に前記第１の溝と反対方向に延びて前記第１の溝と交差する第２の溝を包含し、
   前記第１と第２の溝が、前記導電性のシースの外周表面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の腐食性流体用の液没ヒータ
3. 前記流体流路は、前記導電性のシースの外周表面のこぶ状の突起により形成されている１以上の溝からなることを特徴とする請求項１に記載の腐食性流体用の液没ヒータ。
4. 動力源に接続することによって熱を発生するように作動する電気抵抗を有する材料である撚り線と、
   前記電気抵抗を有する材料である撚り線の周りに配置された熱伝導性を有するが電気的に絶縁体である材料の充填材の層と、
   前記充填材料の層の周りに配置された導電性のシースと、
   前記導電性のシースを包む化学的に不活性な可撓性材料からなる管状のジャケットの層と、
   前記管状ジャケットと前記導電性シースの間に流体を貫流させるために形成された流体流路装置と、
   前記管状ジャケットと導電性シースとの間の熱伝達のための熱伝達手段と、
   を包含することを特徴とする腐食性流体用の接地されたパージ式液没ヒータ。
5. 前記流体流路装置が、１つ以上の溝であって、前記シースの外周表面に形成された溝であることを特徴とする請求項４に記載の腐食性流体用の液没ヒータ。
6. 前記流体流通路装置が、１つ以上の溝であって、前記管状のジャケットの内側表面に形成された谷状の溝である請求項４に記載の腐食性流体用の液没ヒータ。
7. 電気抵抗を有する材料の撚り線と導電性の材料からなるシースを準備する工程と、
   前記撚り線を前記シースに挿入する工程と、
   前記撚り線と前記シースの間に、熱伝導性で、電気絶縁性の充填材料を詰めて、前記撚り線を前記シースから隔離する工程と、
   前記シース内に入れた充填材料の空洞を除く工程と、
   化学的に不活性な材料からなる管状のジャケットをシースの上に滑り着せる工程と、
   シースの外周表面とジャケットの内周表面の間に溝を形成する工程とからなる腐食性の流体用の液没ヒータの製造方法。
8. 前記溝を形成する工程が、前記シースを圧延して縮径する工程と、前記圧延、縮径する工程の間に、シースの外周表面に１組の螺旋形に延びた溝をけがく工程とを有する請求項７に記載の腐食性の流体用の液没ヒータの製造方法。
9. 前記溝を形成する工程が、前記シースの外周表面にこぶ状の突起を設ける工程をさらに有する請求項７に記載の腐食性の流体用の液没ヒータの製造方法。
10. 前記管状のジャケットをシースの上に滑り着せる工程が、管状のジャケットの端部を機械的に延伸させる工程をさらに有する請求項７に記載の腐食性の流体用の液没ヒータの製造方法。
11. 前記溝を形成する工程が、内側表面に長手方向に延び、間隔を開けて配置されたリブを有する管状のジャケットを押し出し成形する工程からなり、これによって、各リブの間に谷間が形成されるようにしたことを特徴とする請求項７に記載の腐食性流体用の液没ヒータの製造方法。
12. 前記溝を形成する工程が、前記シースに管状ジャケットを滑り着せる工程より前に、シースの上に組みひもの層を滑り着せる工程を更に有する、請求項７に記載の腐食性流体用の液没ヒータの製造方法。

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