JP4977844B2 - 流れる気体の加熱装置の抵抗加熱素子 - Google Patents

Description

本発明は、流れる気体を加熱する縦方向に伸張した加熱抵抗を有する気体加熱装置の抵抗加熱素子に関する。加熱抵抗素子は、加熱抵抗に沿って伸張した入口から出口へと気体が流れる流路を有し、導電性セラミックにより構成されている。本発明は、流れる気体の加熱装置にも関する。

ここで加熱装置とは、加熱管内に抵抗加熱素子を備えた加熱機構、加熱モジュール又は加熱システムを意味する。例えば、空気又はガスが管の一端から吹き込まれ、管を流れる空気又はガス（以下、気体と略す）が加熱されて管の他端から排出される。この気流は、加熱装置に備えられたブロワーに生成されるか又は加圧容器などの外部の気流発生装置により生成されてもよい。

このような加熱装置は、よく知られており、通商・産業に広く用いられている。常温の気体は加熱装置の抵抗加熱素子に向かって流され、加熱素子を通過させるか及び／又は加熱素子に沿って導かれ、加熱抵抗に接触して入口から出口までの間に昇温される。気体は、加熱素子内の加熱抵抗を囲む流路を通って流される。

特許文献１には、加熱管内に抵抗加熱素子を備えた空気加熱装置が記載されている。このような装置では、加熱素子の空気の出口側に種々のノズルが取り付けられていることが多い。加熱素子には、ブロワーに面する側の連結部材にピン止めされた耐熱性のセラミック担体が含まれる。この連結部材、中央の流路内の螺旋状の加熱線により形成された加熱抵抗を電気的に連結するのにも供される。加熱素子の空気の出口側に、薄いセラミック製のカバー板が同じピンにより保持されている。連結部材並びにカバー板は空気の通過路を有しており、空気は加熱抵抗に妨げられずに流路を通過することが可能となる。

ある時間の間、十分な空気を流さないと、加熱線が燃え尽きて加熱素子が使用できなくなることがある。例えば、ブロワーの故障とか、空気の入口又は出口の断面を狭めることにより、不十分な空気流となる。このため、加熱線の過熱を防止するため、特別な防止手段が必要となる。この目的のため、空気熱装置には、センサ、又は過熱のおそれがある場合に加熱抵抗への電力の供給を減らすか又は停止するスイッチが備えられている。

特許文献２には、液体を通して加熱するのに適した、小断面の小流量用のＰＴＣセラミック製の抵抗加熱素子が開示されている。加熱素子は流れの方向に沿った伸長された形で、均一の断面及び流れに垂直な壁からの電流を供給す電極層を有している。電流が流れる壁は均一の厚さで、流路に入り込んだ電極層を備えた加熱リブを有する。

特許文献３には、液体を通して加熱するヒーターが開示されている。このヒーターは、金属製ハウジングに埋め込まれた抵抗加熱素子を有する。ハウジング内には、加熱素子から離れてそれと平行に液体の流路が走っている。抵抗加熱素子自体には流路はなくその全面がハウジングに接している。加熱素子からの熱は、管状の流路を備えた熱伝導性の良いハウジングの断面を通って間接的に流体に伝えられる。

特許文献４は、自動車の循環系内の流れる液体を加熱するヒーターに関する。このヒーターは、液体の流路及びＰＴＣ加熱素子を有する少なくとも１つ加熱体を含む。このヒーターの構造及び機能は、特許文献３に開示されたヒーターとほぼ同様である。特許文献４に開示のヒーターには複数の流路があるのに対して、特許文献３では流路は１つである点が異なる。

独国特許出願公開第１９８３９０４４Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０１２６７５Ａ１号明細書 米国特許公報第６４４２３４１Ｂ１号明細書 欧州特許出願公開第０８９９９８５Ａ１号明細書

本発明の課題は、特別な対策無しに過熱の危険を減らして流れる気体を加熱する装置用の改良された加熱素子を提案することである。

上記課題は、請求項１に記載の特徴を有する流れる気体を加熱するための抵抗加熱素子並びに請求項１０に記載の加熱装置により解決される。

具体的には、下記（１）〜（１０）の構成により上記課題が解決される。

（１）流れる気体を加熱する縦方向に伸張した少なくとも１つの加熱抵抗、前記加熱抵抗に沿って伸張した気体を流す少なくとも１つの流路、並びに前記流路の両端に備えられた気体取入口及び気体排出口を含む抵抗加熱素子であって、前記加熱抵抗は、導電性セラミックから成り、桿状を呈し、前記抵抗加熱素子の前記気体取入口及び前記気体排出口のそれぞれに備えられた担板に保持され、且つその両端部がそれぞれの前記担板と嵌合し、前記流路は前記担板まで連続して伸長していることを特徴とする抵抗加熱素子。

（２）前記導電性セラミックの比抵抗値が０．０１〜１．０Ω−ｃｍであることを特徴とする前記（１）に記載の抵抗加熱素子。

（３）前記セラミック製の加熱抵抗の長さと断面積の比率は１〜５００ｃｍ^−１であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の抵抗加熱素子。

（４）前記加熱抵抗はＵ字状を呈していることを特徴とする前記（１）ないし （３）のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。

（５）前記担板は非導電性のセラミックにより形成されていることを特徴とする前記（１）ないし（４）のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。

（６）前記担板は、前記加熱抵抗のそれぞれの前記端部の断面形状に適合する凹部並びに気体が通過して流れる通気路を備えていることを特徴とする前記（１）ないし（５）のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。

（７）前記加熱抵抗は、前記担板に連結されていることを特徴とする前記（１）ないし（６）のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。

（８）前記加熱抵抗は、流れる気体と接触する表面を増大させるために、複数の窪み及び／又は突起部を有することを特徴とする前記（１）ないし（７）のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。

（９）前記導電性セラミックは、導電性成分である珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）と非導電性成分である酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の混合物であり、前記導電性成分は正の熱膨張率を有していることを特徴とする前記（１）ないし（８）のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。

（１０）前記（１）ないし（９）のいずれか１項に記載の前記抵抗加熱素子を備えた流れる気体を加熱するための加熱装置であって、前記抵抗加熱素子は、気体の流れる加熱管内に配置され、前記気体は前記加熱装置に備えられたブロワー又は外部の加圧容器から供給されることを特徴とする加熱装置。

本発明による抵抗加熱素子を流れる気体の加熱装置に組み込むことにより、気体を効率よく加熱できると共に特別の対策が無くても加熱装置が過熱される危険が減るので、加熱装置の寿命が延び低コストで気体が加熱できるようになった。

本発明による抵抗加熱素子の断面図 図１に示す担板の上面図 図１に示す加熱抵抗の斜視図 第２の実施例である滑らかな表面を有する加熱抵抗の斜視図 第３の実施例である構造体としの加熱抵抗の斜視図 図５に示す加熱抵抗用の担板の斜視図 本発明による第１の加熱装置の斜視図 本発明による第２の加熱装置の斜視図

本発明では、抵抗加熱素子の加熱抵抗は、桿状で加熱抵抗素子を通る流路の入口及び出口の担板に保持されている。加熱抵抗はその両端において、担板に嵌合している。

加熱抵抗は桿状であるので、長さが幅よりも大きいことは明らかである。断面形状は任意であり、長さ方向の位置により変化してもよい。加熱抵抗は、縦方向に２つ以上の平行な部分を有してもよい。

加熱抵抗は、導電性のセラミックを含んで構成される。導電性セラミック自体を加熱抵抗とするか又は非導電性セラミックの外套として用いてもよい。このような加熱抵抗は、機械的及び電気的に耐磨耗性が高く且つ強度が大きいので、長期間の使用に耐える。更に、装置に用いられるセラミックは熱伝導性及び導電性に優れている。加熱抵抗を流れる電流は、セラミックの導電性並びにセラミック製の加熱桿の形状に影響される。導電性と非導電性の部分の比率を変化させることにより、セラミックの導電性を広範囲に変えることができる。更に、従来の加熱素子に比べ、より高温でより速く温度変化ができることが本発明による加熱素子の特徴である。

本発明による加熱素子は、例えば、船舶、航空機で通常に使われる４８Ｖで作動する空気加熱器か又は電力会社からの電力線から供給される１１０Ｖ、２３０Ｖ又は３８０Ｖを想定している。このため、桿状のセラミック熱抵抗の電気抵抗値は十分に高くする必要がある。導電性セラミックの比抵抗を高め且つ／又はセラミック加熱抵抗の形状により電気抵抗値を高く設定できる。

本発明による抵抗加熱素子用の加熱抵抗の比抵抗は０．０１〜１．０Ω−ｃｍで且つ／又は加熱抵抗の長さと断面積の比率が１〜５００ｃｍ^−１であることが好ましい。

本発明では、到達可能な比抵抗及び動作電圧の関係から、抵抗加熱素子には伸張した加熱抵抗を用いる必要がある。運転中は高熱の加熱抵抗側、すなわち抵抗加熱素子の排出口側の流路においてコスト高となる電気的連結を無くすために、Ｕ字状の桿状の加熱抵抗が好ましい。これにより、加熱抵抗の長さ、すなわち電気抵抗値が２倍となる。更に、加熱抵抗素子の電気抵抗値を増し且つ流れる気体との接触面積を増すために、数本のＵ字状の加熱抵抗を備えてもよい。電源の状況に応じて、これらの加熱抵抗は並列又は直列に連結される。

桿状の加熱抵抗の端部を金属層で被覆すると、確実な電気接触が得られる。例えば蒸着、スパッタリングなどにより被覆が行なわれる。通常は銀を含み、白金又はパラジウムなどの貴金属が追加された金属ペーストを用いることが好ましい。

本発明による好適な実施例では、加熱抵抗を保持する担板は、非導電性のセラミックから形成されている。担板は、導電性以外は、加熱抵抗と同様の性質を有する。

更に、担板は、加熱抵抗の断面形状に対応し加熱抵抗の端部を受容する凹部並びに流れる気体が通過できる通気路を有している。

本発明による抵抗加熱素子は、その中心に円周上に配置された数本のセラミック加熱桿を備えることが好ましい。Ｕ字状の加熱抵抗の前端部及び後端部は、担板の凹部に保持され、担板は、軸方向に伸長する共通のピンにより互いに連結されている。流路の取入口側の担板の凹部を通して、加熱抵抗は互いに連結されて電力供給線へも連結している。更に、少なくとも１つの加熱抵抗を保持する２つの担板の間を伸長している流路に気体を流すことが可能である。

本発明による抵抗加熱素子の一実施例においては、加熱抵抗は、担板に連結されている。担板により伸長した加熱抵抗をその位置に保持するために、担板は、焼結前、焼結中又は焼結後に互いに連結して固定してもよい。このように構成された加熱素子は、通常の熱抵抗素子に比し、自立的で追加の部材による案内又は支持を必要としない。加熱抵抗の両端を保持する担板は、例えば加熱抵抗素子の空気排出口側では、１０００℃以上の温度に耐える必要がある。

Ｕ字状のセラミック加熱抵抗は、平らな面又は構造的な面を備えている。気体との接触面積を大きくするためには、平面よりは、窪み及び／又は突起部を備えた加熱抵抗の方が好ましい。その上、熱交換させる表面積を増大させるほど形状が複雑となり、加熱抵抗を流れる気体に乱流が生じさせる効果がある。この乱流により、流れる気体の加熱が均一となる。

導電性及び非導電性のセラミックの混合から成り立つ加熱抵抗の熱膨張率は、０〜１０，０００ｐｐｍ／Ｋが好ましい。導電性セラミックには珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、非導電性セラミックには酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が好ましい。

熱膨張率は急激が上昇すると、ホットスポットが生成するので好ましくない。１５００℃までの操作温度においては、正の熱膨張係数を有する通常の導電性セラミックでは、比抵抗は急激に増大してはならない。混合セラミックには、焼結の特性又は安定性を改良する添加物が含まれていることもある。酸化アルミニウムの代わりにその一部を酸化物、窒化物、珪化物に置き換えてもよい。導電性の成分の比率に応じて比抵抗をある範囲内に設定できる。２０〜３０％の珪化モリブデンが理想的な混合物である。これにより、常温における比抵抗０．０１〜１．０Ω−ｃｍが、１０００℃では３倍以上となる。

本発明による加熱装置は、例えば、気流中に配置されて加熱管に囲まれた抵抗加熱素子を有する空気加熱装置であり、抵抗加熱素子は請求項１に記載の特徴を備えている。加熱管の一端から吹き込まれガス又は空気が加熱されて加熱管の他端から排出される。空気又はガスは加熱装置に備えられたブロワーか又は外部の加圧容器から供給される。

以下、図面を用いて本発明による実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である４つの加熱抵抗２を有する抵抗加熱素子１の縦断面図であり、加熱抵抗は２つしか図示されていない。加熱抵抗２は桿状であり、前端部及び後端部３、４を有している。後端部４は加熱抵抗素子の空気取入口側５に連結され、前端部３は空気排出口側６に連結されている。加熱抵抗２はＵ字状を呈し、平面７、端部８、８′、脚部９、９′及び脚部に連結した基部１０を備えている。ブリッジ１１により加熱抵抗２の２つの端部８′は電気的に連結されている。加熱抵抗２の２つの端部８には、電源用の導線１２が連結されている。

加熱抵抗２は前部及び後部担板１３、１４に保持されている。基部１０は、空気排出口側６の前部担板１３と嵌合しており、端部８、８′は、空気取入口側５の後部担板１４と嵌合している。前部及び後部担板１３、１４は中心の角状のピン１５により互いに固定されている。加熱抵抗２は、両端部が担板１３、１４で囲まれ周囲を（不図示の）加熱管で囲まれた空気流路１６内を伸長している。

図１、２に示すように、抵抗加熱素子は円筒状である。図２は、非導電性のセラミック製の円板である前部及び後部担板１３、１４の上面図である。図２は、加熱抵抗２に連結される内面側を示している。前部及び後部担板１３、１４は凹部１７を有し、その凹部には加熱抵抗２の前端部及び後端部３、４を受容する孔１８が形成されている。更に、担板１３、１４を連結しているピン１５の取付孔２０が中心部に形成されている。凹部１７の孔１８は加熱抵抗２の電気的な連結に供されている。

図３は、図１に示す加熱抵抗２の斜視図で、Ｕ字状を呈している。脚部９、９′及び基部１０の断面は矩形であり、同一平面上にある。表面７は平らである。

図４は加熱抵抗２の第二の例の斜視図であり、脚部９の断面は矩形で、脚部９′及び基部１０の断面は三角形である。本例の加熱抵抗は、円筒の１／８の部分を形成している。脚部９、９′の表面７は平らであり、互いに傾斜している。

図５は加熱抵抗２の第三の例の斜視図で、Ｕ字状を呈している。脚部９、９′及び基部１０の断面はほぼ三角形である。本例の加熱抵抗は、円筒の１／４の部分を形成するように設計されている。脚部９、９′の表面は平でない。表面７は、空気との接触面積が増すように、複数の窪み２１及び突起部２２を有している。更に、表面７がこのように形成されることにより、空気の流れが乱流となり、均一に加熱される。

図６は、図５に示す加熱抵抗２に対応する担板１３、１４の斜視図である。担板１３、１４は環状を呈し、加熱抵抗２の形状に対応してほぼ方形の凹部１７が形成されている。加熱抵抗２は角部２３に配置される。更に、担板１３、１４は通気路１９を有し、凹部１７には、加熱抵抗２を電気的に接続する孔１８が形成されている。

図４に示す加熱抵抗２に対応する担板を図示されていないが、凹部１７が加熱抵抗２の断面に対応する形状を有する以外は、図６と同様の構成になる。

図７、８には本発明による２つの実施例として空気の加熱装置２４、２５を示す。図７の加熱装置２４はブロワーが組み込まれていない例である。空気は外部から供給される。図８の加熱装置２５は内部にブロワーが組み込まれた例であり、携帯加熱装置として用いてもよい。それ以外の点では、２つの例はほぼ同じ構成である。これらの加熱装置は、前部加熱管２７を備えたハウジング２６を有する。本発明による抵抗加熱素子１は加熱管２７内に組み込まれる。抵抗加熱素子１の空気排出口側６は、加熱管２７の空気吹出口２８に向き、空気取入口側５はハウジング２６の後端を向いている。ハウジング２６を介して、抵抗加熱素子１の加熱抵抗２に電源が供給される。

１ 抵抗加熱素子
２ 加熱抵抗
３ 後端部
４ 前端部
５ 空気取入口側
６ 空気排出口側
７ （加熱抵抗の）表面
８、８′ 端部
９、９′ 脚部
１０ 基部
１１ ブリッジ
１２ 導線
１３ 前部担板
１４ 後部担板
１５ ピン
１６ 空気流路
１７ 凹部
１８ 孔
１９ 通気孔
２０ （ピンの）取付孔
２１ 窪み
２２ 突起部
２３ 角部
２４ 加熱装置（第１の例）
２５ 加熱装置（第２の例）
２６ ハウジング
２７ 加熱管
２８ 空気吹出口

Claims (10)

1. 流れる気体を加熱する縦方向に伸張した少なくとも１つの加熱抵抗（２）、加熱抵抗（２）に沿って伸張した気体を流す少なくとも１つの流路（１６）、並びに前記流路の両端に備えられた気体取入口（５）及び気体排出口（６）を含む抵抗加熱素子（１）であって、
   加熱抵抗（２）は、導電性セラミックから成り、桿状を呈し、抵抗加熱素子（１）の気体取入口（５）及び気体排出口（６）のそれぞれに備えられた担板（１３、１４）に保持され、且つその両端部（８、８′、１０）がそれぞれの担板（１３、１４）と嵌合し、
   流路（１６）は担板（１３、１４）まで連続して伸長していることを特徴とする抵抗加熱素子。
2. 前記導電性セラミックの比抵抗値が０．０１〜１．０Ω−ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の抵抗加熱素子。
3. 前記セラミック製の加熱抵抗の長さと断面積の比率は１〜５００ｃｍ^−１であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の抵抗加熱素子。
4. 前記加熱抵抗はＵ字状を呈していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。
5. 担板（１３、１４）は非導電性のセラミックにより形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。
6. 担板（１３、１４）は、加熱抵抗（２）のそれぞれの端部（８、８′、１０）の断面形状に適合する凹部（１７）並びに気体が通過して流れる通気路（１９）を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。
7. 加熱抵抗（２）は、担板（１３、１４）に連結されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。
8. 加熱抵抗（２）は、流れる気体と接触する表面（７）を増大させるために、複数の窪み（２１）及び／又は突起部（２２）を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。
9. 前記導電性セラミックは、導電性成分である珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）と非導電性成分である酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の混合物であり、前記導電性成分は正の熱膨張率を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の抵抗加熱素子（１）を備えた流れる気体を加熱するための加熱装置（２４、２５）であって、
    抵抗加熱素子（１）は、気体の流れる加熱管（２７）内に配置され、前記気体は加熱装置（２５）に備えられたブロワー又は外部の加圧容器から供給されることを特徴とする加熱装置。

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