JP5960931B2

JP5960931B2 - 管状ヒータ

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Publication number: JP5960931B2
Application number: JP2015552492A
Authority: JP
Inventors: 洋介赤木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: WO2015087937A1; JPWO2015087937A1

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ等に用いられる管状ヒータに関するものである。

液体加熱用ヒータ等に用いられるヒータとして、例えば、特開２００４−１８５９２９号公報（以下、特許文献１という）に記載された管状ヒータが知られている。特許文献１に記載の管状ヒータは、内部の空間が流体である液体の流路となる管状の絶縁基体とこの絶縁基体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えている。この発熱抵抗体に電流を流して発熱させることによって、流路を流れる液体を加熱することができる。

しかしながら、特許文献１に記載された管状ヒータにおいては、絶縁基体が円筒であることから、内部を流れる液体の流れが、流れの方向に延びる同心円状の筒を重ねたような層流となっていた。そのため、流路を流れる液体のうち、円筒の絶縁基体の内周面付近を流れる液体は絶縁基体から良好に加熱されるものの、流路の中央を流れる液体を良好に加熱することが困難であった。その結果、管状ヒータの加熱効率を向上させることが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部の空間を流れる流体の加熱効率を向上させることができる管状ヒータを提供することにある。

本発明の一態様の管状ヒータは、内側の空間が流体の流路となる管状のセラミック体および該セラミック体の外周に設けられたセラミック層からなる絶縁基体と、前記セラミック体と前記セラミック層との間に前記流路を囲むように設けられた発熱抵抗体とを備え、前記流路は、前記絶縁基体とともに長手方向に弧状に曲がっており、前記絶縁基体は、弧状に曲がっている外周側の領域に、前記発熱抵抗体が設けられていない非形成部を有する。

本発明の管状ヒータの一実施形態の断面図である。図１に示す管状ヒータをＡ−Ａ´線で切った断面図である。図１に示す管状ヒータの発熱抵抗体のパターンを示す模式図である。本発明の管状ヒータの変形例を示す断面図である。本発明の管状ヒータの変形例を示す断面図である。本発明の管状ヒータの変形例を示す断面図である。本発明の管状ヒータの非形成部近傍を示す部分断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る管状ヒータ１００について、図面を参照しながら説明する。図１、２は本発明の一実施形態に係る管状ヒータ１００を示す断面図である。図１に示すように、管状ヒータ１００は、絶縁基体１と発熱抵抗体２とを備えている。管状ヒータ１００は、例えば、流体である液体（水等）を被加熱物とする液体加熱用ヒータとして用いることができる。

絶縁基体１は、内側の空間が流体の流路１０となる管状の部材である。絶縁基体１は、内側の空間が流体の流路１０となる管状のセラミック体１３およびセラミック体１３の外周に設けられたセラミック層１４からなる。絶縁基体１は、長手方向を有する円筒状の部材である。絶縁基体１は、全体が、長手方向に弧状に曲がっている。そのため、絶縁基体１は流路１０の壁面となる内周面も弧状に曲がっている。流路１０の壁面となる内周面が弧状に曲がっていることによって、流体が流路１０の内周面にぶつかった際に流体に渦を発生させることができる。その結果、流路１０を流れる流体を乱流にすることができる。

セラミック体１３およびセラミック層１４は、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の絶縁性のセラミックスから成る。具体的には、セラミック体１３およびセラミック層１４は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等のセラミックスから成る。中でも、耐酸化性の観点から、アルミナ質セラミックスを用いることが好ましい。本実施形態においては、セラミック体１３とセラミック層１４とが同じセラミックスから成るがこれに限られない。具体的には、セラミック体１３とセラミック層１４とが異なるセラミックスから成ってもよい。

絶縁基体１の寸法は、例えば、以下の通り設定することができる。具体的には、例えば、長手方向の全長を４０〜１５０ｍｍ程度に、外径を４〜３０ｍｍ程度に、内径を１〜２８ｍｍ程度に設定することができる。また、長手方向の全長が６０ｍｍ程度の場合には、曲率半径が２００〜１０００ｍｍ程度になるように弧状にしておくことによって、内部の空間である流路１０を流れる流体を乱流にすることができる。流体を乱流にするためには、例えば、流体として水を用いるとともに、管状ヒータの全長を４０ｍｍ以上、曲率半径を１０００ｍｍ以下にすればよい。

発熱抵抗体２は、発熱するための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。図２に示すように、発熱抵抗体２は、絶縁基体１の内部に流路１０を囲むように埋設されている。より詳しくは、発熱抵抗体２は、セラミック体１３とセラミック層１４との間に流路１０を囲むように設けられている。また、図１に示すように、発熱抵抗体２は、長手方向に伸びる線状に設けられている。図３は、焼成前のセラミック層１４および発熱抵抗体２を示している。セラミック層１４はシート状に形成されるとともに、表面に発熱抵抗体２となる導体パターンが印刷されている。そして、焼成前のセラミック体１３に発熱抵抗体２ごとセラミック層１４を巻きつけた後に焼成することによって、管状ヒータ１００を製造することができる。図３における上下方向が管状ヒータ１００の周方向に対応しており、図３における左右方向が管状ヒータ１００の長手方向に対応している。また、図３におけるセラミック層１４の上下方向の長さは、セラミック体１３の周方向の長さと一致しているか、または、セラミック体１３の周方向の長さよりもわずかに短い。したがって、セラミック層１４をセラミック体１３に巻きつける場合には、セラミック層１４同士が重ならないようにセラミック体１３に巻きつけることになる。

図３に示すように、発熱抵抗体２は、複数の折り返し部と直線部とを備えている。発熱抵抗体２は、複数の折り返し部を有することによって、絶縁基体１の広範囲に設けられている。そして、発熱抵抗体２は、セラミック体１３の周方向の一部（非形成部２０）を除いて全体に設けられている。なお、図２においては、セラミック体１３の表面のうち破線で挟まれた領域が非形成部２０である。なお、ここでいう、非形成部２０とは、セラミック体１３の表面のうち、管状ヒータ１００の長手方向のどこにも発熱抵抗体２が設けられていない領域を意味している。言い換えると、セラミック体１３の表面を長手方向に対して垂直な断面で見たときに、どの位置で断面を見ても発熱抵抗体２が設けられていない領域を意味している。具体的には、図３における焼成前のセラミック層１４の上側と下側には発熱抵抗体２が長手方向のどこにも設けられていない領域がハッチングによって示されている。このセラミック層１４をセラミック体１３に、隙間なく且つ重複無く巻きつけた場合には、セラミック体１３の表面のうちハッチングによって示された領域と接触する領域が非形成部２０となる。

発熱抵抗体２は、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点の金属を主成分とした導電体から成る。発熱抵抗体２の寸法は、例えば、幅を０．３〜２ｍｍ程度に、厚みを０．０１〜０．１ｍｍ程度に、全長を５００〜５０００ｍｍ程度に設定することができる。これらの寸法は、発熱抵抗体２の発熱温度および発熱抵抗体２に加える電圧等によって適宜設定される。

絶縁基体１の一端側の表面には、電極３が設けられている。電極３は、外部の電源と発熱抵抗体２とを電気的に接続するための部材であって、絶縁基体１の一端側の２か所にそれぞれ設けられている。電極３は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。電極３は、例えば、タングステンまたはモリブデン等の金属材料から成る。

本実施形態の管状ヒータ１００は、流路１０が長手方向に弧状に曲がっていることによって、流体が流路１０の内面にぶつかった際に流体に渦を発生させることができる。その結果、流路１０を流れる流体の流れを乱流にすることができる。そのため、絶縁基体１から流体（例えば液体）への熱伝達を向上させることができる。

さらに、図１に示すように、発熱抵抗体２が設けられていない非形成部２０は、絶縁基体１のうち弧状に曲がっている外周側の領域に位置している。このように、絶縁基体１のうち弧状に曲がっている外周側の領域に非形成部２０を位置させることによって、絶縁基体１にクラックが入る可能性を低減できる。なお、ここでいう弧状に曲がっている外周側の領域とは以下のように定義することができる。具体的には、弧状に曲がった絶縁基体１のうち外周面が膨らんでいる側の半分を外周側の領域として見なすことができる。反対に、外周面が凹んでいる側の半分を内周側の領域として見なすことができる。より具体的には、図１に示すように、流路１０を挟んで凸になっている側を外周側として見なすことができ、流路１０を挟んで凹になっている側を内周側として見なすことができる。

理由を以下に説明する。流路１０を絶縁基体１とともに長手方向に弧状に曲げる方法として、焼成前のセラミック体１３に焼成前のセラミック層１４を発熱抵抗体２ごと巻きつけた状態で、セラミック体１３をセラミック層１４および発熱抵抗体２ごと弧状に曲げる方法が挙げられる。このとき、非形成部２０を設けずに、セラミック体１３の全周にわたって発熱抵抗体２を設けていると以下の問題が生じるおそれがある。

具体的には、セラミック体１３をセラミック層１４および発熱抵抗体２ごと弧状に曲げた状態では、弧状に曲がっている外周側において発熱抵抗体２がセラミック体１３およびセラミック層１４に引っ張られた状態になる。この状態で、セラミック体１３、セラミック層１４および発熱抵抗体２を焼成すると、発熱抵抗体２に高い残留応力が生じる可能性がある。そして、このように発熱抵抗体２に高い残留応力が残った状態で管状ヒータ１００を繰り返し使用すると、発熱抵抗体２の熱膨張および熱収縮によってセラミック体１３およびセラミック層１４にクラックが生じる可能性がある。

これに対して、絶縁基体１のうち弧状に曲げた際に外周側に位置する領域を非形成部２０としている場合には、セラミック体１３をセラミック層１４および発熱抵抗体２ごと弧状に曲げた場合に、弧状に曲がっている外周側の領域に発熱抵抗体２が存在しないことになる。そのため、セラミック体１３、セラミック層１４および発熱抵抗体２の焼成後に、高い残留応力が残ることを低減できる。その結果、管状ヒータ１００を使用した際にセラミック体１３およびセラミック層１４にクラックが生じる可能性を低減できる。

さらに、セラミック体１３とセラミック層１４との間に存在するボイドの割合が、非形成部２０において他の領域よりも少ないことが好ましい。非形成部２０においてボイドを少なくしておくことによって、非形成部２０の近傍に熱が籠ることを低減できる。また、非形成部２０以外の領域においてボイドを多くしておくことによって、発熱抵抗体２から生じた熱を絶縁基体１の表面に向かいやすくすることができる。なお、セラミック体１３とセラミック層１４との間に存在するボイドを非形成部２０において少なくするためには、例えば、非形成部２０において、セラミック体１３とセラミック層１４との間に塗布する密着液の量を増やしておけばよい。

また、ボイドの割合は、例えば、以下の方法で確認できる。まず、管状ヒータ１００を長手方向に垂直な断面で切断して、図２に示すような断面を得る。そして、切断面において、セラミック体１３の表面のうち非形成部２０の全長に対してボイドが存在している領域の長さの合計を算出する。非形成部２０の長さが１０ｍｍのときにボイドが存在している領域の長さの合計が１ｍｍの場合には、ボイドの割合は１０％として見なす。また、切断面において、セラミック体１３の表面のうち非形成部２０以外の領域であって発熱抵抗体２が設けられていない領域の全長に対してボイドが存在している領域の長さを算出する。非形成部２０以外の部分であって、発熱抵抗体２が存在しない領域の長さの合計が５０ｍｍのときに、発熱抵抗体２が存在しない領域におけるボイドが存在している領域の長さの合計が２５ｍｍの場合には、ボイドの割合を５０％として見なす。以上のようにして、ボイドの割合を確認できる。

例えば、図７に示すような管状ヒータ１００において、非形成部２０の全長に対してボイド１５が存在している領域の長さを求める場合には、以下のように計算を行なえばよい。まず、非形成部２０の全長（ｘ）は、領域ｄのセラミック体１３の周方向に沿った長さとなる。また、ボイド１５が存在している領域の長さの合計（ｙ）は、領域ａ、領域ｂおよび領域ｃのセラミック体１３の周方向に沿った長さの合計となる。つまり、ボイドの割合は、１００×ｙ／ｘ（％）となる。

さらに、発熱抵抗体２よりもセラミック体１３およびセラミック層１４が熱膨張率が大きいことが好ましい。これにより、管状ヒータ１０が熱膨張するときには、非形成部２０の周辺が大きく熱膨張することになるので、弧状に曲がっている絶縁基体１が弧状に曲がった形状を維持したまま熱膨張することができる。そのため、ヒートサイクル下において、流路１０を流れる流体を安定して乱流にしやすくすることができる。具体的な材料としては、例えば、発熱抵抗体２としてタングステン用いるとともに、セラミック体１３およびセラミック層１４としてアルミナ質セラミックスを用いることができる。この場合には、発熱抵抗体２の熱膨張率を４×１０^−６／Ｋに、セラミック体１３およびセラミック層１４の熱膨張率を７×１０^−６／Ｋに設定できる。

＜製造方法＞
次に、本実施形態の管状ヒータ１００の製造方法の一例について説明する。まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分として、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以下になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシート（セラミック層１４）を作製する。

そして、このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体２となる所定のパターンを形成する。発熱抵抗体２の形成方法としては、スクリーン印刷法等を用いることができる。アルミナ質セラミックグリーンシートの表面に図３に示したような発熱抵抗体２となるパターンを形成する。

発熱抵抗体２となるパターンは、管状ヒータ１００の長手方向に沿って伸びた複数の直線部と、これらの直線部を繋ぐ複数の折り返し部とを備えている。そして、図３においてハッチングで示した領域が、絶縁基体１のうち発熱抵抗体２が設けられていない非形成部２０に対応した領域となる。

また、図３には示していないが、アルミナ質セラミックグリーンシートには、内部の発熱抵抗体２と表面の電極３とを電気的に接続するためにスルーホール導体を設ける。スルーホール導体には、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点金属を主成分とする導電性ペーストを用いることができる。

また、アルミナ質セラミックグリーンシートとは別に、円筒状のアルミナ質セラミック成型体（セラミック体１３）を成型する。そして、この円筒状のアルミナ質セラミック成型体に、パターンを形成したアルミナ質セラミックグリーンシートを、パターンを形成した面がアルミナ質セラミック成型体に接触するように巻き付ける。このとき、同一の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液をアルミナ質セラミックグリーンシートに塗布しておいて、アルミナ質セラミックグリーンシートとアルミナ質セラミック成型体とを密着させることで、アルミナ質一体成型体を得ることができる。そして、このアルミナ質一体成型体を、非形成部２０が長手方向の弧状に曲っている外周側に位置するように、弧状に曲げる。

こうして得られた、アルミナ質一体成型体を１５００〜１６００℃の窒素雰囲気中で焼成することによって、内部に発熱抵抗体２を有する弧状の絶縁基体１を得ることができる。

この後、絶縁基体１の表面に電極３を形成する。電極３としては、例えば、パッド電極３を用いることができる。以上のようにして、管状ヒータ１００を得ることができる。

＜変形例１＞
上述の実施形態の管状ヒータ１００においては、絶縁基体１の厚みが一定であったが、これに限られない。図４に示すように、変形例１の管状ヒータ１０１は、弧状に曲がっている外周側の領域における絶縁基体１の厚みが、内周側の領域における絶縁基体１の厚みよりも薄い部位を有していてもよい。本変形例においては、絶縁基体１の外周面に断面が四角形状である溝２１が設けられることによって、絶縁基体１のうち非形成部２０を有する部分の一部が薄くなっている。このように、非形成部２０を有する部分における絶縁基体１の厚みを薄くしておくことによって、非形成部２０を有する部分における熱容量を小さくできる。その結果、発熱抵抗体２から発せられた熱が非形成部２０に伝わった後に、この非形成部２０で籠ってしまう可能性を低減できる。

特に、溝２１の底部がセラミック体１４から成ることが好ましい。このように非形成部２０の一部が露出することによって、非形成部２０に熱が籠ることをさらに低減できる。特に、図４に示すように、長手方向に垂直な断面で見たときに、セラミック体１３の表面において、非形成部２０の中心（セラミック体１３の表面において、隣り合う発熱抵抗体２２、２３からの距離が等しい部分）に溝２１が存在していることが好ましい。これにより、非形成部２０における放熱を広範囲に行なうことができる。そのため、非形成部２０において部分的に熱が籠ることをさらに低減できる。

絶縁基体１のうち弧状に曲がっている内周側の厚みが１．５ｍｍ程度の場合には、弧状に曲がっている外周側の厚みを例えば０．３〜１ｍｍ程度に設定することができる。また、厚みを薄くする領域は、全周の５〜３０％程度の間で設定することができる。

また、本変形例においては、絶縁基体１の外周面に四角形状の溝２１を設けることによって、厚みを薄くしたが、これに限られない。例えば、楔状または弧状の溝を設けてもよい。また、本変形例においては、絶縁基体１の外周面に溝を設けることによって厚みを薄くしたが、以下に説明する変形例２のように、内周面に溝を設けることによって厚みを薄くしてもよい。

溝２１は、例えば、セラミック体１３にセラミック層１４を巻きつける際に、セラミック体１３の周方向の長さよりも巻きつけるセラミック層１４の長さを短くすることによって形成できる。

＜変形例２＞
上述の実施形態の管状ヒータ１００においては、絶縁基体１の内面の径が一定であったが、これに限られない。図５に示すように、変形例２の管状ヒータ１０２は、絶縁基体１が内面に長手方向に沿って溝部１１を有している。管状ヒータ１０２は、内面に溝部１１を有していることによって、内面の表面積を大きくすることができる。これにより、流路１０を流れる流体をより効率よく加熱することができる。さらに、溝部１１が長手方向に沿って設けられていることにより、溝部１１が長手方向に交差する方向に沿って設けられている場合と比較して、流体をスムーズに流すことができる。これにより、管状ヒータ１００に流体を流したときに生じる振動を低減することができる。その結果、発熱抵抗体２と外部の電源とを電気的に接続した場合に、この接続構造に対する振動による影響を低減することができる。その結果、管状ヒータ１００の長期信頼性を向上させることができる。

特に、溝部１１が弧状に曲がった外周側に位置していることが好ましい。流路１０のうち弧状に曲がった外周側は流体の流れが速くなる傾向にあるため、溝部１１で流体が停滞することを低減できる。その結果、流路１０を流れる流体をより効率よく加熱できる。

＜変形例３＞
上述の実施形態の管状ヒータ１００においては、弧状に曲がった外周側の曲率半径が一定であったが、これに限られない。図６に示すように、変形例３の管状ヒータ１０３は電極３が長手方向に沿った一端側の表面に設けられている。そして、流路１０は、他端側に比べて一端側の曲率半径が小さい。これにより、流体を一端側から流したときに、絶縁基体１の内面のうち弧状の外周側の領域にぶつかり、流体の流れをすぐに乱流にすることができる。このように、流体の入口側の曲率半径を小さくすることによって、管状ヒータ１０３の加熱効率を向上させることができる。なお、ここでいう、流路１０の曲率半径は以下の方法で求めることができる。具体的には、例えば、管状ヒータ１０３を長手方向に平行な断面であって、弧状に曲がっていることによって凸になっている部分と凹になっている部分とを通る断面を見たときに、弧状に曲がっている外周側の領域における流路１０の内面の曲率半径を求めればよい。

管状ヒータ１０３の長手方向の長さが６０ｍｍ程度の場合には、例えば、絶縁基体１の一端側以外の曲率半径を２００〜１０００ｍｍ程度に、一端側の曲率半径を１００〜５００ｍｍ程度に設定することができる。また、絶縁基体１の一端側の曲率半径が小さい部分は、例えば、絶縁基体１の一端面から５〜２０ｍｍ程度の領域に設けることが好ましい。

１００，１０１，１０２，１０３：管状ヒータ
１：絶縁基体
１０：流路
１１：溝部
２：発熱抵抗体
２０：非形成部
２１：溝
３：電極

Claims

内側の空間が流体の流路となる管状のセラミック体および該セラミック体の外周に設けられたセラミック層からなる絶縁基体と、前記セラミック体と前記セラミック層との間に前記流路を囲むように設けられた発熱抵抗体とを備え、前記流路は、前記絶縁基体とともに長手方向に弧状に曲がっており、前記絶縁基体は、弧状に曲がっている外周側の領域に、前記発熱抵抗体が設けられていない非形成部を有する管状ヒータ。
前記絶縁基体は、弧状に曲がっている外周側の領域における厚みが内周側の領域における厚みよりも薄い部位を有している請求項１に記載の管状ヒータ。
前記絶縁基体は、弧状に曲がっている外周側の領域の外周面に、溝が設けられている請求項２に記載の管状ヒータ。
前記溝の底部がセラミック体から成る請求項３に記載の管状ヒータ。
前記絶縁基体は、前記流路の内面に長手方向に沿って溝部を有する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の管状ヒータ。
前記溝部が弧状に曲がっている外周側の領域に位置している請求項５に記載の管状ヒータ。
前記流路は、一端側の曲率半径が他端側の曲率半径に比べて小さい請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の管状ヒータ。
前記絶縁基体の前記一端側の外周面に設けられており、前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極をさらに備えた請求項７に記載の管状ヒータ。