JP5602219B2 - ジャケットヒータ及びその装着方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管などの被加熱体に装着されるジャケットヒータ及びその装着方法に関する。

従来から、各種装置や設備、それに接続される配管といった被加熱体を保温または加熱するために、可撓性を有するジャケットヒータで配管を包囲している。また、装置の側面等の曲面を保温または加熱する場合も、同様のジャケットヒータを装着している。なお、このようなジャケットヒータはマントルヒータとも呼ばれる。

このようなジャケットヒータとして、図５に示すようなマントルヒータ１０が知られており、本出願人も、特許文献１において、フッ素系樹脂シートからなる内層材１００と外層材２００との間に、無機繊維製シート３０３に発熱線（図示せず）を取り付けた発熱体３００と、断熱材４００を重ね合わせて積層状に構成したマントルヒータ１０を提案している。発熱線は電気ヒータ線であり、内層材１００および外層材２００の外部に通じる電力線３０６が接続しており、コンセント３０７を外部電源（図示せず）に接続して給電される。そしてこのマントルヒータ１０を直管２０に装着する際には、長手方向の両周縁部１０３、１０４を突き合わせ、端面に付設した面ファスナー１０５、１０６により結合される。

このようなマントルヒータ１０は、可撓性を有し、更には発塵も少ないためクリーンルーム等において使用できる等の利点がある。

日本国特開２００２−２９５７８３号公報

特許文献１のマントルヒータ１０では、内層材１００がフッ素系樹脂製であるため、その融点は３００℃を若干上回る程度であり、被加熱体の表面温度の設定を２５０℃を超えるような高温に設定すると、内層材が熱劣化しまうことが懸念されている。加熱温度に対する要求は今後とも高まることが予測されており、そのためには、発熱体の発熱量を大きくする必要がある。しかし、発熱体の発熱量が高まるのに伴い、内層材１００を厚くして耐久性を高めることが考えられるが、柔軟性を損ねたり、コスト増を招くことになる。

また、マントルヒータ（ジャケットヒータ）では、配管等を所定の温度を保つようにサーモスタットや、熱電対、測温抵抗体を用いて発熱体への通電を制御しているが、例えば、発熱体の発熱量が小さいと、所定温度まで昇温しないか、昇温したとしても時間がかかってしまうことが懸念される。加熱・昇温時間を短縮するには、発熱量の大きな発熱体を使用すればよいが、上記の問題が起こる。

そこで本発明は、発熱量の大きい発熱体を使用しても内層材及び外層材といった包囲体（特に、内層材）の熱劣化を抑えることができるジャケットヒータを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために下記のジャケットヒータを提供する。
（１）発熱体を内蔵するジャケットヒータであって、
支持体と、
該支持体に支持されているワット密度０．１５Ｗ／ｃｍ^２以上の発熱体と、
該支持体側に隣接して配置される金属箔と、
該発熱体側に隣接して配置される断熱材と、
該支持体、該発熱体、該金属箔及び該断熱材を包囲する包囲体と、
を備え、
該支持体は無機繊維製クロスであり、該包囲体は内層材と外層材とからなり、該内層材が該金属箔側に配置され、該外層材が該断熱材側に配置されているジャケットヒータ。
（２）発熱体を内蔵するジャケットヒータであって、
支持体と、
該支持体に支持されているワット密度０．１５Ｗ／ｃｍ ^２ 以上の発熱体と、
該発熱体側に隣接して配置される絶縁部材と、
該絶縁部材に隣接して配置される金属箔と、
該支持体側に隣接して配置される断熱材と、
該支持体、該発熱体、該絶縁部材、該金属箔及び該断熱材を包囲する包囲体と、
を備え、
該支持体は無機繊維製クロスであり、該絶縁部材は無機繊維製クロスであり、該包囲体は内層材と外層材とからなり、該内層材が該金属箔側に配置され、該外層材が該断熱材側に配置されているジャケットヒータ。
（３）前記包囲体が、フッ素樹脂製シートまたはフッ素樹脂コーティング処理を施した無機繊維製クロスである、請求項１または２いずれかに記載のジャケットヒータ。
（４）前記発熱体が電熱線を含む、請求項１〜３の何れか一項に記載のジャケットヒータ。

本発明のジャケットヒータでは、金属箔が介在することにより、例えば、０．１５Ｗ／ｃｍ^２以上とった発熱量の大きい発熱体を使用しても包囲体（特に、内層材）の熱劣化を抑えることができる。また、金属箔によりヒータから伝わる熱が均一に拡散されるため、面状に均一に加熱でき、加熱効率も高まる。更に、ワット密度を高くできることで、ヒータの設計において、ヒータ線を短くすることが可能になり、ヒータ線同士のピッチを広げることができ、製造上省力化できる。更にまた、包囲体により、発塵も抑えられるため、クリーンルーム等において好適に使用することができる。

図１は、本発明のジャケットヒータの一例の断面を示す図である。 図２は、図１において、更に絶縁部材としてのガラスクロスを介在させた状態を示す断面図である。 図３は、本発明のジャケットヒータの別の実施形態例の断面を示す図である。 図４は、実施例において、アルミ箔を介在させたサンプルＡと、アルミ箔を介在させないサンプルＢの表面温度を測定した結果を示すグラフである。 図５は、従来のジャケットヒータを示す斜視図である。

以下、本発明に関するジャケットヒータを説明する。

本態様のジャケットヒータ１０は、その全体構成は図５に示したものと同様であり、包囲体としての内層材１００と外層材２００との間に、支持体（無機繊維製シート）３０３に発熱線（電熱線）３０２を取り付けた発熱体３００と断熱材４００とを積層したものであるが、更に、図１に断面図で示すように、発熱体３００と内層材１００との間に金属箔５００を介在して構成されている。

包囲体である内層材１００及び外層材２００としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）等のフッ素系樹脂からなるフッ素樹脂製シート、あるいは前記のフッ素系樹脂の繊維を編んだフッ素樹脂繊維製クロス（織布）、ガラス繊維や、シリカ繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維といった無機繊維からなる無機繊維製クロス（織布）、こういった無機繊維製クロスに前記フッ素系樹脂をコーティング処理したフッ素樹脂コーティング無機繊維製クロスなどを使用できる。

また、この内層材１００及び外層材２００として、上記フッ素系樹脂以外にポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリメチルペンテン等の、耐熱性ではあるが、フッ素系樹脂よりは低融点の樹脂も使用できる。

こうした包囲体の厚さは、本発明の効果が得られれば特に制限はないが、０．１〜８ｍｍが適当であり、０．１〜５ｍｍが好適であり、０．１〜２ｍｍがさらに好適である。

発熱体３００は、ワット密度が０．１５Ｗ／ｃｍ^２以上であれば特に制限はなく、例えば、通電によって発熱するニクロム線や、スレンレス線といった発熱線（電熱線）３０２を使用することができる。こうした電熱線３０２は電気的に絶縁されることが好ましい。こうした絶縁は、電熱線３０２にガラス繊維や、シリカ繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維といった無機繊維からなる無機繊維製スリーブを被覆したり、樹脂をコーティングしたりすればよい。また、電熱線に代えて、カーボン製発熱体やセラミックス製発熱体を使用してもよい。

ここで、本発明において、ワット密度とは、電力密度とも呼ばれ、ジャケットヒータの単位表面積（ｃｍ^２）あたりの電気容量（Ｗ）で表現されるヒータの表面負荷（Ｗ／ｃｍ^２）の度合いのことをいう。一般的に、ワット密度の数値が大きければ、ヒータの表面温度は高くなり、逆に、ワット密度の数値が小さければ、ヒータの表面温度は低くなる。また、ワット密度の上限に特に制限はないが、０．５Ｗ／ｃｍ^２以下であればよく、具体的には、０．１５〜０．５Ｗ／ｃｍ^２であればよく、０．１７〜０．５Ｗ／ｃｍ^２、０．２０〜０．５Ｗ／ｃｍ^２、０．２５〜０．５Ｗ／ｃｍ^２とすることもできる。

こうした電熱線３０２は、支持体３０３に所望のパターンに縫い糸３０４で縫い付けられてもよい。こうした支持体３０３は、例えば、ガラス繊維や、シリカ繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維といった無機繊維からなる無機繊維製クロスを用いることができる。ここで、本発明においては、ワット密度の高い電熱線を使用することができるため、電熱線の直径を太く、長さを短くすることができるほか、隣接する電熱線同士の間隔（以下、ピッチともいう）を、従来よりも広くすることができる。具体的には、こうしたピッチは、均熱性を確保するため、従来１０〜３５ｍｍ程度であったが、本発明の構成によれば、例えば４０〜７０ｍｍ、好ましくは４５〜６０ｍｍとすることもできる。

断熱材４００は、ガラスファイバーやセラミックファイバー、シリカファイバー等を集成し、ニードル加工を施した無機繊維マットを使用できる。また、コロイダルシリカやアルミナゾル、ケイ酸ソーダ等の無機質バインダーや、でんぷんなどの有機質バインダーでマット状に成形してもよい。あるいは、アラミドやポリアミド、ポリイミド等の耐熱性の有機樹脂製多孔質成形体とすることもできる。こうした断熱材の厚さは、本発明の効果が得られれば特に制限はないが、５〜１００ｍｍが適当であり、５〜５０ｍｍが好適であり、８〜３０ｍｍがさらに好適である。

上述した材料のほかに、断熱材として、エアロゲルが充填された繊維体（エアロゲル繊維体）を使用することもできる。こうしたエアロゲル繊維体は、繊維基材にエアロゲルが充填されてなる断熱材である。

エアロゲル繊維体を構成する繊維基材としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維等の有機繊維、カーボン繊維、ガラス繊維、アルミノシリケート繊維、シリカ繊維、ムライト繊維やアルミナ繊維等の無機繊維からなる繊維基材を用いることができ、耐熱性に優れた無機繊維からなる繊維基材を好ましく用いることができる。

すなわち、繊維基材としては、無機繊維の織布又は不織布を好ましく用いることができる。ここで、不織布としては、例えば、無機繊維を抄造機により抄造して得られる紙状のものや、集綿した無機繊維をニードル加工してマット状に成形したブランケットや、無機繊維に有機バインダーを加えてマット状に成形したフェルト等のマットを用いることができる。繊維基材として、無機繊維がランダムに配向した不織布を用いることにより、当該繊維基材の無機繊維間にエアロゲルを効果的に保持することができる。

また、繊維基材を構成する無機繊維としては、例えば、本発明のジャケットヒータが、１００℃未満といった、それほど耐熱性が要求されない環境で使用される場合には、エアロゲル繊維体に優れた柔軟性を付与できるＰＥＴ繊維等の有機繊維を好ましく用いることができる。また、例えば、本発明のジャケットヒータが、１００〜２５０℃といった、ある程度の耐熱性が要求される環境で使用される場合には、安価なガラス繊維を好ましく用いることができる。また、例えば、本発明のジャケットヒータが、２５０℃を超えるような高い耐熱性が要求される環境で使用される場合には、耐熱性の高いアルミノシリケート繊維、シリカ繊維、ムライト繊維やアルミナ繊維等のセラミックス繊維を好ましく用いることができる。

エアロゲルとしては、例えば、無機材料からなるエアロゲル（無機エアロゲル）又は有機材料からなるエアロゲル（有機エアロゲル）を用いることができ、耐熱性に優れた無機エアロゲルを好ましく用いることができる。無機エアロゲルとしては、例えば、シリカエアロゲルやアルミナエアロゲルを用いることができる。特に、シリカエアロゲルを用いることにより、エアロゲル繊維体の断熱性を効果的に高めることができる。

したがって、エアロゲル繊維体としては、無機繊維の不織布に無機エアロゲルが充填されたものを好ましく用いることができる。具体的には、例えば、セラミックス繊維の不織布にシリカエアロゲルが充填されたエアロゲル繊維体や、ガラス繊維マットにシリカエアロゲルが充填されたエアロゲル繊維体を好ましく用いることができる。こうしたエアロゲル繊維体としては、例えば、Ａｓｐｅｎ Ａｅｒｏｇｅｌｓ Ｉｎｃ.から「ＳＰＡＣＥＬＯＦＴ２２００」、「ＳＰＡＣＥＬＯＦＴ２２５０」、「Ｐｙｒｏｇｅｌ６６５０」、「ＰｙｒｏｇｅｌＸＴ」といった製品が入手可能である。

エアロゲル繊維体に含有されるエアロゲルと繊維基材との比率は、当該エアロゲル繊維体が備えるべき特性（例えば、断熱性、耐熱性、低発塵性、可撓性）に応じて適宜設定することができる。エアロゲル繊維体の密度は、例えば、２０〜５００ｋｇ／ｍ^３の範囲とすることができ、好ましくは１００〜３００ｋｇ／ｍ^３の範囲とすることができる。

このようなエアロゲル繊維体は、繊維間の空隙を埋めるエアロゲル内の微細孔により、当該エアロゲル繊維体内における空気の対流が効果的に防止されるため、優れた断熱性を有する。

具体的に、エアロゲル繊維体の２５℃における熱伝導率は、例えば、０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができ、好ましくは０．０２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができ、より好ましくは０．０１８Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。

また、エアロゲル繊維体の８０℃における熱伝導率は、例えば、０．０３５Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができ、好ましくは０．０２７Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができ、より好ましくは０．０２５Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。

このように、エアロゲル繊維体は優れた断熱性を有するため、十分な断熱性を維持しつつ薄型化することができる。具体的に、エアロゲル繊維体の厚さは、例えば、１〜５０ｍｍの範囲とすることができ、好ましくは１〜２５ｍｍの範囲とすることができ、より好ましくは１〜１５ｍｍの範囲とすることができる。断熱材の厚さを低減することにより、本発明のジャケットヒータの可撓性を向上させることができるほか、ジャケットヒータの厚さを低減でき省スペース化に寄与することもできる。

金属箔５００としては、熱伝導率が高ければ特に制限はない。安価であることからアルミ箔が好適であるが、銅やステンレスなどといった他の金属であってもよい。また、金属箔５００の厚さは、薄すぎると破断するおそれがあり、厚すぎると可撓性が損なわれ、コスト増にもなるため、２０μｍ〜５ｍｍが適当であり、３０〜１００μｍが好適であり、４０〜７０μｍがさらに好適である。

また、図２に示すように、発熱体３００を構成する電熱線３０２と金属箔５００との間に、電気絶縁性を有する絶縁部材６００をさらに介在させることもできる。こうした絶縁部材６００の材料としては、例えば、ガラス繊維や、シリカ繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維などといった無機繊維製クロスが適当である。こうした絶縁部材により、電熱線と金属箔との間には電気的な絶縁を確実に確保することができる。

また、本発明において、金属箔５００と絶縁部材６００とを一体に接合したものを、絶縁部材６００が発熱体側となるように、発熱体と包囲体の間に介在させてもよい。具体的には、無機繊維製クロスの表面にアルミ箔を熱融着加工したものや、アルミ蒸着フィルムを接着加工したもの、アルミ転写加工したものなどといったアルミ加工クロスを無機繊維製クロスが露出する側を発熱体側となるように配置すればよい。こうしたアルミ加工クロスは、例えば、ニチアス株式会社製「アルミ加工クロス」を使用することができる。

発熱体３００を構成する、上記のような発熱量の大きな電熱線３０１では、表面温度は５００℃近くにまで上昇するため、内層材１００の電熱線の直下部分においては、直接熱が伝わってしまうと、早期に劣化してしまう可能性があるが、金属箔５００が介在することにより、金属箔に伝わった熱が金属箔内で均一に拡散するため、内層材１００へ電熱線からの直接的な伝熱が抑えられ、熱劣化を防ぐことができる。

また、内層材１００および外層材２００の両周縁部１０３、１０４は、縫合や熱溶着などにより接合することにより、発熱体３００、断熱材４００及び金属箔５００を積層した状態で、内層材１００と外層材２００とにより包囲する。ここで、本発明のジャケットヒータと配管といった被加熱体とを含む断面構造においては、当該配管の径方向外側に向けて、当該配管の外表面、本発明のジャケットヒータの包囲体としての内層材、金属箔、発熱体、断熱材、包囲体としての外層材が順次積層されることとなる。なお、上述したように、金属箔と発熱体の間に絶縁部材を介在してもよい。

上記のジャケットヒータ１０を配管２０に被覆させるには、従来と同様に、両周縁部１０３、１０４の間隔を拡げて配管２０に装着させた後、両周縁部１０３、１０４を当接させて、例えば、端面の面ファスナー１０５、１０６を介して固定させる。面ファスナー１０５、１０６に代えて、ホックやバックルなどの器具、ベルト類など公知の固定手段も採用できる。

尚、ジャケットヒータ１０は、図５に図示されるように、配管２０に装着するような円筒状とする他、曲管やＬ字状の管に装着できるように、全体を湾曲あるいはＬ字状に形成することもでき、被加熱体が四角いケース状であるような場合には、箱形状、板状に形成することもできる。

上述した構成によれば、本発明のジャケットヒータは、被加熱体の最高表面温度（最高使用温度）の設定を２５０℃超とすることができる。なお、被加熱体の最高表面温度は２００〜２５０℃であってもよく、この場合、昇温速度の速いジャケットヒータを提供することができる。

以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何らに制限されるものではない。

（試験サンプル作製）
シリカ繊維製スリーブに挿入したニクロム線を、支持体としてのガラスクロス（厚さ０．２５ｍｍ）の表面に縫い糸で縫い付けて発熱体とした。この発熱体のワット密度は０．１７Ｗ／ｃｍ^２であった。そして、ガラスクロス側に厚さ５０μｍの金属箔としてのアルミ箔を積層し、ニクロム線側に断熱材としてのガラス繊維製マット（厚さ１６ｍｍ）を積層して積層体を作成した。次いで、この積層体を包囲体としてのフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）コーティング処理を施したガラス繊維製クロス（厚さ０．２５ｍｍ）で包囲し、端部を接合して、図３に示すような断面形状を有するサンプルＡを作製した。尚、ガラス繊維製クロスにコーティングしたＰＴＦＥの融点は３２７℃である。

また、比較のために、アルミ箔を介在させないこと以外は同様にして、サンプルＢを作製した。

（表面温度測定）
被加熱体としての配管の表面温度が２５０℃になるように設定し、サンプルＡ、Ｂのニクロム線に通電し、ニクロム線の直下の配管に接するフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）コーティング処理を施したガラス繊維製クロスの表面の温度を測定した。結果を図４に示すが、アルミ箔を介在させないサンプルＢでは、表面温度が約３００℃まで昇温したのに対し、アルミ箔を介在させたサンプルＡでは最高でも約２７０℃であり、本発明に従いアルミ箔を介在させることの効果が確認された。

本発明を詳細に、また特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、様々な修正や変更を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１０年４月６日出願の日本特許出願２０１０−０８８００６に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１０ ジャケットヒータ（マントルヒータ）
１００ 内層材
２００ 外層材
３００ 発熱体
４００ 断熱材
５００ 金属箔

Claims (4)

1. 発熱体を内蔵するジャケットヒータであって、
   支持体と、
   該支持体に支持されているワット密度０．１５Ｗ／ｃｍ^２以上の発熱体と、
   該支持体側に隣接して配置される金属箔と、
   該発熱体側に隣接して配置される断熱材と、
   該支持体、該発熱体、該金属箔及び該断熱材を包囲する包囲体と、
   を備え、
   該支持体は無機繊維製クロスであり、該包囲体は内層材と外層材とからなり、該内層材が該金属箔側に配置され、該外層材が該断熱材側に配置されているジャケットヒータ。
2. 発熱体を内蔵するジャケットヒータであって、
   支持体と、
   該支持体に支持されているワット密度０．１５Ｗ／ｃｍ ^２ 以上の発熱体と、
   該発熱体側に隣接して配置される絶縁部材と、
   該絶縁部材に隣接して配置される金属箔と、
   該支持体側に隣接して配置される断熱材と、
   該支持体、該発熱体、該絶縁部材、該金属箔及び該断熱材を包囲する包囲体と、
   を備え、
   該支持体は無機繊維製クロスであり、該絶縁部材は無機繊維製クロスであり、該包囲体は内層材と外層材とからなり、該内層材が該金属箔側に配置され、該外層材が該断熱材側に配置されているジャケットヒータ。
3. 前記包囲体が、フッ素樹脂製シートまたはフッ素樹脂コーティング処理を施した無機繊維製クロスである、請求項１または２いずれかに記載のジャケットヒータ。
4. 前記発熱体が電熱線を含む、請求項１〜３の何れか一項に記載のジャケットヒータ。

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