JP6276140B2 - ヒータおよびこれを用いた流体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体加熱装置等に用いられるヒータに関するものである。

流体加熱装置等に用いられるヒータとして、例えば特許文献１に開示された管状ヒータが知られている。特許文献１に開示された管状ヒータは、内部の空間が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。特許文献１に開示された管状ヒータにおいては、管状のセラミック体に電極パターンが印刷されたシリコーンラバーを巻き付けることによって、内部に発熱抵抗体が設けられた管状の絶縁基体が形成されている。

特開２００４−１８５９２９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された管状ヒータにおいては、管状のセラミック体に電極パターンが印刷されたシリコーンラバーを巻き付ける際に、シリコーンラバーの繋ぎ目に隙間ができてしまう傾向があった。その結果、シリコーンラバーの隙間によって絶縁基体の外周面に長手方向に延びる溝が形成される場合があった。このような場合には、図７に示す管状ヒータ１０１の断面におけるように、筒状のセラミック体１１ａにシリコーンラバー１１ｂを巻き付けて形成された絶縁基体１１の外周面のうち、セラミック体１１ａがシリコーンラバー１１ｂに覆われていない部分１１ｃが溝４１の底面になることから、溝４１の底面は中央が盛り上がった形状になっていた。

ここで、管状ヒータは、内部の空間を流路として用いるだけではなく、外周面を流路の内部に露出させるようにして用いる場合も考えられる。このとき、管状ヒータの外周面によって液体が加熱されることで、管状ヒータの表面に気泡が生じる場合がある。そして、この気泡が溝４１の内部に生じた場合には、溝４１の底面が中央に盛り上がった形状をしていることによって、気泡が溝４１の底面および側壁の両方に接触しやすくなっている。このため、気泡と溝４１の底面および側壁との間に表面張力が働きやすくなっていることから、溝４１の内部において気泡が長時間留まりやすくなっていた。そのため、気泡が溝４１の内部において大きく成長してしまうおそれがあった。そして、大きく成長した気泡が溝４１の表面から離脱する際には、気泡が存在していた部分に流体が流れ込むことによって、絶縁基体１１の表面に急激な温度変化が生じるおそれがあった。その結果、絶縁基体１１の外周面にクラックが生じてしまうという問題点があった。

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、絶縁基体の外周面にクラックが生じてしまうことを抑制できるヒータを提供することにある。

本発明の一態様のヒータは、液状の流体が接する外周面を有する管状または棒状の絶縁基体と、該絶縁基体の内部に埋設された発熱抵抗体とを含み、前記絶縁基体は外周面に長手方向に延びた溝を有しており、該溝は、底面が中央に向かって滑らかに深くなっていることを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、溝の底面が中央に向かって滑らかに深くなっていることによって、気泡が溝の底面および側壁の両方に接触する可能性を低減できる。そのため、たとえ溝の内部に気泡が生じたとしても、この気泡を溝の底面から速やかに離脱させることができる。そのため、絶縁基体の外周面に急激な温度変化が生じるおそれを低減できる。その結果、絶縁基体の外周面にクラックが生じてしまうおそれを低減できる。

本発明のヒータの一実施形態の斜視図である。 図１に示すヒータを長手方向に沿った面で切断した断面図である。 図１に示すヒータのうち溝の近傍を周方向に沿った面で切断した部分断面図である。 本発明の流体加熱装置の一実施形態の概略図である。 本発明の流体加熱装置の変形例を示す概略図である。 本発明の流体加熱装置の変形例を示す概略図である。 従来の管状ヒータ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ヒータ１０について、図面を参照しながら説明する。図１はヒータ１０を示す斜視図であり、図２はヒータ１０の断面図である。図１に示すように、ヒータ１０は、管状の絶縁基体１を備えている。また、図２に示すように、ヒータ１０は、絶縁基体１の内部に設けられた発熱抵抗体２を備えている。ヒータ１０は、例えば、流体である液体（水等）を被加熱物とする流体加熱装置として用いることができる。

絶縁基体１は、管状または棒状の部材である。本実施形態の絶縁基体１においては、絶縁基体１が管状であって、内周面および外周面の両方が流体に接するようにして用いられる。絶縁基体１が、棒状の場合には、ヒータ１０は外周面が流体に接するようにして用いられる。流体の加熱は、発熱抵抗体２から発せられた熱を絶縁基体１を介して流体に伝えることによって行なわれる。なお、本実施形態の絶縁基体１においては、管状の絶縁基体１のうち内周面および外周面の両方が流体に接するようにして用いられるが、これに限られない。具体的には、管状の絶縁基体１のうち外周面のみが流体に接するようにして用いられてもよい。

本実施形態のヒータ１０における絶縁基体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、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、絶縁基体１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。

絶縁基体１の寸法は、例えば以下の通りに設定することができる。具体的には、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。

図２に示すように、絶縁基体１の内部には発熱抵抗体２が設けられている。発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱する部材である。図２に示すように、発熱抵抗体２は、絶縁基体１の内部に絶縁基体１の長手方向に沿って埋設されている。なお、図２には示していないが、発熱抵抗体２は、絶縁基体１の先端側（図中の左側）において、絶縁基体１の外周面に沿って周方向にも設けられている。

発熱抵抗体２は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはレニウム（Ｒｅ）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の後端側（図中の右側）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の後端側の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。

図１に示すように、絶縁基体１は外周面に長手方向に延びた溝４を有している。本実施形態においては、絶縁基体１の先端から後端にかけて溝４が設けられている。また、図３に示すように、本実施形態の絶縁基体１における溝４は、底面が中央に向かって滑らかに深くなっている。なお、ここでいう、「中央」とは、溝４の幅方向における中央を意味している。すなわち、絶縁基体１の一端と他端との間の中央を意味しているものではない。

本実施形態のヒータ１０においては、溝４の底面が中央に向かって滑らかに深くなっていることによって、気泡が溝４の底面および側壁の両方に接触する可能性を低減できる。そのため、たとえ溝４の内部に気泡が生じたとしても、この気泡を溝４の底面から速やかに離脱させることができる。そのため、絶縁基体１の外周面に急激な温度変化が生じるおそれを低減できる。その結果、絶縁基体１の外周面にクラックが生じてしまうおそれを低減できる。溝４は、例えば、深さを０．２〜０．８ｍｍ程度、幅を０．４〜２．４ｍｍ程度に設定できる。滑らかなに深くなっている形状としては、例えば、円弧状になっている場合が挙げられる。また、複数の小さな円弧が連続しているような形状であってもよい。

なお、本実施形態においては、絶縁基体１の先端から後端にかけて溝４が設けられているが、これに限られない。すなわち、溝４が、絶縁基体１の長手方向の全体にわたって形成されていなくてもよい。例えば、絶縁基体１の長手方向のうち部分的に溝４が設けられていない部分があってもよい。

また、溝４は、底面が中央に向かって弧状になっていることが好ましい。これにより、溝４の底面付近にも液体を流れやすくすることができるので、底面付近において流体が停滞することを抑制できる。そのため、溝４に生じた気泡が、溝４の内部に留まるおそれを低減できる。その結果、絶縁基体１の外周面にクラックが生じてしまうおそれを低減できる。このとき、弧状になっている部分の両端から見た中央部の深さは、例えば、溝４の深さの１/１０以上であることが好ましい。

また、溝４は、底面と側壁との間が滑らかな凹状であることが好ましい。これにより、底面と側壁との境界付近において液体が停滞してしまうことを抑制できる。そのため、溝４の内部に生じた気泡が、溝４の内部に留まるおそれを低減できる。その結果、絶縁基体１の外周面にクラックが生じてしまうおそれを低減できる。ここでいう、滑らかな凹状としては、例えば、側壁と底面との間がＲ状になっている場合が挙げられる。

また、溝４は、側壁が開口に向かって広がっていることが好ましい。これにより、溝４の内部に生じた気泡が溝４から離れそうになったときに、気泡の動きが側壁によって妨げられるおそれを低減できる。その結果、気泡を溝４から離脱させやすくすることができる。開口に向かって広がっている形状としては、例えば、溝が扇状に広がっている場合が挙げられる。

次に、上述のヒータ１０を備えた流体加熱装置１００について説明する。図４に示すように、流体加熱装置１００は、液状の流体が所定の方向に流れる流路５と、流路５に対して長手方向を流体が流れる方向に向けて外周面が流体に接するように設けられた上述のヒータ１０とを備えている。なお、図４においては、流体の流れる方向を破線の白抜き矢印で示している。本実施形態の流体加熱装置１００においては、流路５は、ヒータ１０が挿入される貫通孔６と、流体を流出させる開口部７とを備えている。流路５は、例えば、ステンレス等の金属材料から成る。ヒータ１０は、絶縁基体１の先端側が流路５の内部に貫通孔６から挿入されているとともに、絶縁基体１の後端側が流路５の外部に位置している。そして、液状の流体は、絶縁基体１の後端側から絶縁基体１の内部の空間を通って絶縁基体１の先端側から流路５の内部に流れる。そして、流路５の内部に流れた流体は、絶縁基体１の外周面に接するようにして、絶縁基体１の先端側から後端側に向かって流れた後に、開口部７から流出する。

本実施形態の流体加熱装置１００は、絶縁基体１の外周面にクラックが生じてしまうおそれを低減させたヒータ１０を用いていることによって、長期信頼性が向上している。

さらに、ヒータ１０は、流体の上流側から下流側に向かうにつれて溝４の幅が狭くなっていることが好ましい。図５に示す流体加熱装置１００においては、絶縁基体１の外周面のうち先端側（図５における左側）が流体の流れの上流側であり、後端側（図５における右側）が流体の流れの下流側になっている。そして、絶縁基体１の外周面の溝４は、先端側から後端側に向かって狭くなっている。これにより、溝４の内部に発生した気泡が流体の流れによって上流側から下流側に移動するときに、溝４から押し出される流体によって気泡が溝４の側壁に乗り上がるように移動して、溝４の底面から側壁に沿って気泡を離脱しやすくすることができる。このような場合、例えば、溝４のうち先端側の幅を０．４〜２．４ｍｍ、後端側の幅を０．２〜２．２ｍｍにに設定できる。溝４の後端側の幅は、先端側の幅に対して５０〜９０％程度の大きさであることが好ましい。

また、ヒータ１０は、溝４を開口側から見たときに、溝４の延びる方向が、流体が流れる方向に対して斜めになるように設けられていることが好ましい。図６に示す流体加熱装置１００においては、溝４が長手方向に沿って蛇行するように設けられている。これにより、溝４の内部に発生した気泡が流体の流れによって上流側から下流側に移動しようとしたときに、溝４の蛇行に応じて流れの向きが変化する流体によって溝４の側壁に乗り上げるようにして、溝４の底面から側壁に沿って気泡を離脱しやすくすることができる。なお、図６においては溝４が蛇行するように設けられているが、これに限られない。例えば、流体の流れる方向に対して斜めに伸びた直線状の溝４であっても構わない。流体の流れる方向に対して斜めに伸びた直線状の場合には、例えば、流体の流れる方向に対して２０度以内の傾きで斜めに形成されていることが好ましい。

また、ヒータ１０は、溝４が流体加熱装置１００の上方に開口するように設けられていることが好ましい。液体中の気泡には気泡を上方向に移動させようとする浮力が働くが、溝４を上方に開口させておくことによって、気泡を溝４から離脱させる方向にこの浮力を働かせることができる。その結果、気泡を離脱させやすくできる。

また、ヒータ１０は、流体が流れる方向に対して溝４が上流側よりも下流側で高くなるように傾斜させて設けられていることが好ましい。これにより、流体が気泡を移動させようとする力が上方向の成分を有することになる。この力と気泡に働く浮力とが合わさることによって、さらに溝４から気泡を離脱させやすくできる。

次に、本実施形態のヒータ１０の製造方法について説明する。まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成
分として、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒ_２Ｏ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を作製する。

次に、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となる所定の抵抗体パターンを形成する。発熱抵抗体２の形成方法としては、抵抗体となる導電性ペーストを使ったスクリーン印刷法等を用いることができる。すなわち、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となる抵抗体パターンを形成する。

発熱抵抗体２となる抵抗体パターンは、ヒータ１０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。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のスルーホール導体も設ける。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、抵抗体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、抵抗体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積層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。

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を有する絶縁基体１を得ることができる。

上述の工程の中で、アルミナ質セラミックグリーンシートをアルミナ質セラミック成型体に巻き付けるときに、アルミナ質セラミックグリーンシートをアルミナ質セラミック成型体の全周に隈なく巻き付けようとすると、アルミナ質セラミックグリーンシートの一部が重なるようにしてアルミナ質セラミック成型体に巻き付けられてしまう場合がある。そうすると、絶縁基体１の外周面の形状が所望の滑らかな形状ではなくなるおそれが生じる。そこで、アルミナ質セラミックグリーンシートを巻き付ける際には、巻付けの始めと終わりとに当たるアルミナ質セラミックグリーンシートの端部と端部との間に微小な隙間ができるように巻き付ける。さらに、この微小な隙間に上述したような、アルミナ質セラミックスを分散させた積層液を塗布することによって、底面が中央に向かって滑らかに深くなっている溝４を形成することができる。特に、積層液を塗布するときには、特に、アルミナ質セラミック成型体のうち露出している部分とアルミナ質セラミックグリーンシートとの境界部分の近傍に積層液を重点的に塗布しておくとよい。このように、積層液によって側壁と底部の継ぎ目を覆うことにより、底面と側壁との間を滑らかにすることができる。

また、絶縁基体１は、例えば、管状のセラミック体に電極パターンが印刷されたシリコーンラバーを巻きつけることによって形成してもよい。この場合には、シリコーンラバーの長さを絶縁基体の外周長さに合わせておき、さらに端面を加工して予めＲ形状にしておくことによって、シリコーンラバーを絶縁基体に巻き付けたときに底面が中央に向かって滑らかに深くなっている溝４を形成することができる。

また、底面が中央に向かって弧状になった形状にするためには、例えば、積層液を溝４の内部に多めに塗布しておき、先端が溝４の幅よりも小さい円弧状であるピンを溝４に挿入して、溝４の長手方向にピンを移動させることによって、余分な積層液を取り除く方法が挙げられる。

１：絶縁基体
２：発熱抵抗体
３：電極
４：溝
５：流路
６：貫通孔
７：開口部
１０：ヒータ
１００：流体加熱装置

Claims (9)

1. 液状の流体が接する外周面を有する管状または棒状の絶縁基体と、該絶縁基体の内部に埋設された発熱抵抗体とを含み、前記絶縁基体は外周面に長手方向に延びた溝を有しており、該溝は、底面が中央に向かって滑らかに深くなっていることを特徴とするヒータ。
2. 前記溝は、前記底面が中央に向かって弧状になっていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記溝は、前記底面と側壁との間が滑らかな凹状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
4. 前記溝は、側壁が開口に向かって広がっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
5. 液状の流体が所定の方向に流れる流路と、該流路に対して長手方向を前記流体が流れる方向に向けて外周面が前記流体に接するように設けられた請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータとを備えたことを特徴とする流体加熱装置。
6. 前記ヒータは、前記流体の上流側から下流側に向かうにつれて前記溝の幅が狭くなっていることを特徴とする請求項５に記載の流体加熱装置。
7. 前記ヒータは、前記溝を開口側から見たときに、前記溝の延びる方向が前記流体が流れる方向に対して斜めになるように設けられていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の流体加熱装置。
8. 前記ヒータは、前記溝が装置の上方に開口するように設けられていることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の流体加熱装置。
9. 前記ヒータは前記流体が流れる方向に対して前記溝が上流側よりも下流側で高くなるように傾斜させて設けられていることを特徴とする請求項８に記載の流体加熱装置。

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