JP6695038B2 - 発熱体、流体加熱器、及び、発熱体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、気体や液体等の各種流体の加熱に用いられる発熱体、流体加熱器、及び、このような発熱体の製造方法に関し、特に、ヒータ由来の異物が被加熱流体に混入することを防止しつつ効率よく加熱を行うことが可能なものに関する。

シーズヒータは、金属製のヒータパイプの内部に、ニクロム線等の発熱線（電熱線）を収容するとともに、無機絶縁物の粉末を充填した電気ヒータである。
シーズヒータは、安全性、信頼性、経済性などに優れており、またヒータパイプの材質を、例えば高ニッケル基合金等の超耐熱合金とすれば、相当な高温まで利用可能であることから、産業用のヒータとして広く普及している。
また、このようなシーズヒータは、例えば空気、不活性ガス、水蒸気等の気体や、各種液体、気液混合流体等の流体を加熱する流体加熱器の熱源として利用されている。

シーズヒータを熱源とする流体加熱器に関する従来技術として、例えば特許文献１には、流体が通過する筒状の加熱器内部に、ヒータパイプがらせん状に巻き回されたシーズヒータが設けられ、被加熱流体がシーズヒータに接して熱せられる構成としたものが記載されている。
しかし、このような流体加熱器を、例えば半導体の製造装置におけるプロセスガス加熱や、電子部品の製造工程における乾燥用空気の加熱に用いる場合、ヒータパイプの表面からの剥離や、シーズヒータの熱膨張によるヒータパイプとケース等の他部品との接触、擦れなどによって生じる金属片等の異物（コンタミ）が被加熱流体に混入すると、製品の品質に悪影響を与えることから、異物混入を確実に防止することが要求される。

シーズヒータと被加熱流体とが直接接触することを防止した従来技術として、例えば特許文献２には、コージェネレーションシステムで余剰電力回収用等に使用される熱媒加熱器において、熱媒が通過する筒状体の表面に溝部を形成し、この溝部にシーズヒータの一部が配置された状態で、シーズヒータをバンドで結束したものが記載されている。
また、特許文献３には、浴槽や放熱器等に湯を供給する給湯装置において、通水パイプ及びシーズヒータをともに長円形状の断面形状とし、これらを平坦な面部が相互に当接するように同心の二重らせん状に巻き回したものが記載されている。

特開２００４− ６９２５６号公報 特開２００４− ３７０４１号公報 特開２００６− ５２８８６号公報

特許文献２，３に記載された技術においては、シーズヒータと被加熱流体が直接接することがないため、被加熱流体にシーズヒータ由来の異物が混入することは防止できる。
しかし、特許文献２に記載された技術では、シーズヒータのヒータパイプを筒状体に確実に密着させることは難しく、例えばスプリングバックや熱膨張によりシーズヒータと筒状体の溝部との間に隙間が形成された場合、加熱性能が悪化することが懸念される。
また、特許文献３に記載された技術では、通水パイプとシーズヒータの断面形状を長円状に形成して平坦面部が確実に密着するように加工することは、現実的には極めて困難である。
また、被加熱流体が通過する流路をらせん状とした場合、流路超が長くなって圧力損失が大きくなり、多量の被加熱流体を効率よく加熱することは困難である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、簡単な構成によってヒータ由来の異物が被加熱流体に混入することを防止しつつ効率よく加熱を行うことが可能な発熱体及び流体加熱器、及び、このような発熱体の製造方法を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、筒状に形成された外筒と、筒状に形成され前記外筒の内径側に挿入された内筒と、少なくとも一部が前記内筒の外周面にらせん状に巻き回されかつ前記外筒の内周面と前記内筒の外周面との間に挟持されたシーズヒータとを備え、前記外筒の外周面及び前記内筒の内周面は、被加熱流体が順次通過する流路の壁面を構成し、前記内筒の内周面における前記被加熱流体と接触する箇所に、前記シーズヒータの表面に沿った凹凸形状を形成し、前記外筒の材質及び板厚を、前記内筒の凹凸形状形成時に実質的に拡径変形しないよう設定したことを特徴とする発熱体である。
これによれば、シーズヒータと被加熱流体との間に、外筒と内筒との少なくとも一方が介在することから、被加熱流体とシーズヒータのヒータパイプとが直接接することがなく、ヒータパイプから剥離した金属片等の異物が被加熱流体に混入することを防止できる。
また、シーズヒータと外筒、内筒とが挟持、すなわち圧縮された状態で保持されることにより、スプリングバックや熱膨張に起因してこれらが離間することがなく、シーズヒータと外筒、内筒との密着状態が保持される。このため、シーズヒータの表面から外筒、内筒への伝熱が良好であり、外筒、内筒の表面が伝熱に寄与することにより、被加熱流体を効率よく加熱することができる。特に、外筒がシーズヒータの外径側への変形を抑制するたがとして機能することから、熱膨張によるシーズヒータの内筒からの離間を防止できる。
さらに、外筒及び内筒により、シーズヒータを補強、保護することにより、シーズヒータの形状を安定的に保持することができ、ヒータパイプの折損や電熱線の断線等を防止して耐久性、信頼性を向上することができる。
また、内筒と外筒との間隔に長尺なシーズヒータを配置することができ、内筒、外筒とシーズヒータとの接触面積を増やして伝熱を促進し、加熱性能を高めることができる。
また、凹凸形状を形成することによって、外筒又は内筒とシーズヒータとの接触面積を増大させ、シーズヒータから外筒、内筒への伝熱を改善することができる。
また、凹凸形状が流路の壁面として露出し、被加熱流体と接することによって、被加熱流体の流れに乱れを形成することが可能となり、被加熱流体を攪拌して加熱効率をより向上することができる。
また、発熱体の外周面、内周面でそれぞれ被加熱流体を加熱することによって、被加熱流体を効果的に加熱することができる。
また、発熱体の外側で加熱された被加熱流体を、外気から隔離され断熱性が高い発熱体の内側において再度加熱することによって、被加熱流体の出口温度を向上することができる。
また、外筒の材質及び板厚を、内筒の凹凸形状形成時に実質的に拡径変形しないよう設定したことにより、外筒がシーズヒータの形状を保持し、外径側への変形を防止した状態で内径を拡径することができ、内筒の表面を塑性変形させてシーズヒータの表面形状を転写し、シーズヒータの表面に密着する凹凸形状を簡単かつ正確に形成することができる。

請求項２に係る発明は、前記外筒の内周面と前記内筒の外周面との間を閉塞して前記被加熱流体が前記シーズヒータが収容された空間部へ流入することを防止する閉塞部を有することを特徴とする請求項１に記載の発熱体である。
これによれば、被加熱流体が内筒と外筒との間隔に流入することを防止し、上述した効果を確実に得ることができる。

請求項３に係る発明は、前記シーズヒータに実質的に沿うように前記内筒の外周面に巻き回された温度センサを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱体である。
これによれば、発熱体内部の狭小なスペースに、シーズヒータの配置を実質的に妨げることなく温度センサを配置し、発熱体内部の温度を適切に検出して温度制御等に利用することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の発熱体と、
前記発熱体を収容するとともに被加熱流体が通過する流路が形成されたハウジングと、前記ハウジングに導入された被加熱流体が前記外筒の外周面に沿って前記外筒の軸方向に流れる第１の流路と、前記第１の流路を通過した前記被加熱流体が導入され前記内筒の内周面に沿って前記第１の流路内と逆方向に流れる第２の流路とを備えることを特徴とする流体加熱器である。
これによれば、上述した各発熱体の効果と実質的に同様の効果を有する流体加熱器を提供することができる。

また、発熱体の外周面、内周面でそれぞれ被加熱流体を加熱することによって、被加熱流体を効果的に加熱することができる。
また、発熱体の外側で加熱された被加熱流体を、外気から隔離され断熱性が高い発熱体の内側において再度加熱することによって、被加熱流体の出口温度を向上することができる。
請求項５に係る発明は、前記ハウジングは、第１筒と、前記第１筒の内径側に挿入されるとともに、前記発熱体の前記外筒が内径側に挿入される第２筒とを有し、前記被加熱流体は、前記第１筒の内周面と前記第２筒の外周面との間を通って前記第１の流路に導入されることを特徴とする請求項４に記載の流体加熱器である。
これによれば、流体加熱器の表面温度を比較的低くすることができ、周辺部品への熱害や作業者の火傷等を防止できる。
また、断熱材が不要となることから、断熱材に起因するコンタミの発生を防止することができる。

請求項６に係る発明は、筒状に形成された外筒と、筒状に形成され前記外筒の内径側に挿入された内筒と、少なくとも一部が前記内筒の外周面にらせん状に巻き回されかつ前記外筒の内周面と前記内筒の外周面との間に挟持されたシーズヒータとを備え、前記外筒の外周面及び前記内筒の内周面は、被加熱流体が順次通過する流路の壁面を構成し、前記内筒の内周面における前記被加熱流体と接触する箇所に、前記シーズヒータの表面に沿った凹凸形状を形成した発熱体の製造方法であって、前記シーズヒータを前記外筒の内周面と前記内筒の内周面との間に配置した後、内筒の内周面を流体圧によって加圧して前記内筒を拡径するとともに、前記内筒に前記シーズヒータの形状を転写した前記凹凸形状を形成するとともに、前記外筒の材質及び板厚を、前記内筒の凹凸形状形成時に実質的に拡径変形しないよう設定したことを特徴とする発熱体の製造方法である。
これによれば、簡単な製法によってシーズヒータを内筒と外筒との間隔に確実に挟持することができる。

また、外筒がシーズヒータの形状を保持し、外径側への変形を防止した状態で内筒を拡径することによって、内筒の表面を塑性変形させてシーズヒータの表面に密着する凹凸形状を簡単かつ正確に形成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成によってヒータ由来の異物が被加熱流体に混入することを防止しつつ効率よく加熱を行うことが可能な発熱体及び流体加熱器、及び、このような発熱体の製造方法を提供することができる。

本発明の第１参考例である発熱体の模式的断面図である。 本発明の第２参考例である発熱体の模式的断面図である。 本発明の第３参考例である流体加熱器の模式的断面図である。 本発明の比較例１である流体加熱器の模式的断面図である。 本発明の比較例２である流体加熱器の模式的断面図である。 比較例１の流体加熱器におけるシーズヒータ周囲の被加熱流体の流れを模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態である流体加熱器の模式的断面図である。 本発明の第２実施形態である流体加熱器の模式的断面図である。 本発明の第４参考例である流体加熱器の模式的断面図である。

＜第１参考例＞
以下、本発明の第１参考例である発熱体について説明する。
第１参考例の発熱体は、気体、液体、気液混合体などの被加熱流体を加熱する流体加熱器に、熱源として設けられるものである。
図１は、第１参考例の発熱体の模式的断面図である。
図１は、内筒及び外筒の中心軸を含む平面で切って見た状態を示している。（後述する図２乃至図５、図７、図８、図９において同じ）

図１に示すように、発熱体１は、内筒１０、外筒２０、端面部３０，４０、シーズヒータＳ等を有して構成されている。
内筒１０、外筒２０、端面３０，４０は、例えばステンレス合金等の耐熱性を有する金属材料によって形成されている。
内筒１０、外筒２０は、円筒状に形成され、実質的に同心に配置されている。
内筒１０は、外筒２０の内径側に挿入されている。
内筒１０の外周面と外筒２０の内周面との間には隙間が形成されている。
内筒１０、外筒２０の両端部は、これらの中心軸方向における位置がほぼ一致して配置されている。

端面部３０，４０は、内筒１０、外筒２０の両端部に設けられ、内筒１０と外筒２０との間の空間部を実質的に閉塞する部材（閉塞部）である。
端面部３０，４０は、内筒１０、外筒２０の中心軸と直交する平面に沿って形成された平板状の部材である。
端面部３０，４０は、円盤状に形成され、外周縁部は外筒２０の両端部にそれぞれ溶接されている。
端面部３０，４０の中央部には、円形の開口が形成され、開口の周縁部は、内筒１０の両端部にそれぞれ溶接されている。

シーズヒータＳは、ヒータパイプの内部にニクロム線を収容するとともに、隙間に例えばマグネシア等の絶縁体粉末を充填して構成された電気ヒータである。
ヒータパイプの材料として、例えば、鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等を含有するニッケル基の耐熱合金を用いることができる。
シーズヒータＳは、内筒１０の外周面に沿って、内筒１０の中心軸と同心の螺旋形状に巻き回されている。
シーズヒータＳは、内筒１０の外周面と外筒２０の内周面との間で、内筒１０、外筒２０の径方向に圧縮（加圧）された状態で挟持されている。

例えば、内筒１０の外周面と外筒２０の内周面との間隔にシーズヒータＳを収容した後に、内筒１０の内周面に液体（一例として水）等の流体圧を負荷し、内筒１０をハイドロフォーミングにより拡径することにより、簡単な製法によりシーズヒータＳを挟持（圧縮状態で保持）することが可能である。
また、これに代えて、内筒１０の外周面と外筒２０の内周面との間隔にシーズヒータＳを収容した後に、外筒２０の外周面に液体（一例として水）等の流体圧を負荷し、外筒２０をハイドロフォーミングにより縮径することにより、シーズヒータＳを挟持することも可能である。
また、流体圧を用いたハイドロフォーミングに代えて、スウェージング加工を用いてもよい。例えば、外筒をスウェージング加工により縮径してシーズヒータＳを挟持する構成としてもよい。

このような発熱体１は、気体、液体、あるいは気液が混合された流体などの各種被加熱流体を加熱する流体加熱器の熱源として利用することが可能である。
流体加熱器は、被加熱流体が通過する流路を有するとともに、発熱体１の外筒２０の外周面、内筒１０の内周面の少なくとも一方が流路の壁面として被加熱流体と直接接する構成とすることができる。

以上説明した第１参考例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）シーズヒータＳと被加熱流体との間に、内筒１０と外筒２０との少なくとも一方が介在することから、被加熱流体とシーズヒータＳのヒータパイプとが直接接することがなく、ヒータパイプからの剥離や、シーズヒータＳの熱膨張によりヒータパイプとケースやハウジング等の他部品との接触、擦れなどによって生じた金属片等の異物が被加熱流体に混入することを防止できる。
また、シーズヒータＳと内筒１０、外筒２０とが密着することから、シーズヒータＳの表面から内筒１０、外筒２０への伝熱が良好であり、内筒１０、外筒２０の表面が伝熱に寄与することにより、被加熱流体を効率よく加熱することができる。
さらに、内筒１０及び外筒２０によりシーズヒータＳを補強、保護することにより、シーズヒータＳの形状を安定的に保持することができ、ヒータパイプの折損や電熱線の断線等を防止して耐久性、信頼性を向上することができる。
（２）発熱体１の両端部を端面部３０，４０により閉塞したことによって、被加熱流体が内筒と外筒との間隔に流入することを防止し、上述した効果を確実に得ることができる。
（３）シーズヒータＳを内筒１０の外周面にらせん状に巻き回したことによって、内筒１０と外筒２０との間隔に十分に長尺なシーズヒータＳを配置することができ、内筒１０、
外筒２０とシーズヒータＳとの接触面積を増やして伝熱を促進し、加熱性能を高めることができる。
（４）内筒１０と外筒２０との間に、らせん状に巻き回されたシーズヒータＳを収容した状態で、内筒１０を液圧により拡径することによって、簡単な製法によってシーズヒータＳを内筒１０と外筒２０との間隔に確実に挟持することができる。

＜第２参考例＞
次に、本発明の第２参考例である発熱体について説明する。
以下説明する各参考例、各実施形態や比較例において、従前の参考例、実施形態と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図２は、第２参考例の発熱体の模式的断面図である。

図２に示すように、発熱体１Ａは、第１参考例の発熱体１から、端面３０，４０を取り除いた開放型の構成を有する。
このような第２参考例においても、被加熱流体が内筒１０と外筒２０との隙間に直接流入しないよう流体加熱器の機器構成を設定することによって、上述した第１参考例の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

＜第３参考例＞
次に、本発明の第３参考例である流体加熱器について説明する。
第３参考例の流体加熱器は、例えば半導体や有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の製造プロセスで用いられるプロセスガス、加熱用空気、窒素ガス等の加熱に用いられるものである。（第１、第２実施形態において同じ）

図３は、第３参考例の流体加熱器の模式的断面図である。
図３に示すように、流体加熱器５０は、第１参考例と実質的に同様の発熱体１を、以下説明するハウジング５１に収容したものである。
ハウジング５１は、発熱体１を収容するとともに、内部に被加熱流体が通流される容器状の部材である。
ハウジング５１は、円筒部５２、入口部５３、出口部５４、中間筒５５等を有して構成されている。

円筒部５２は、ハウジング５１の本体部分であって、実質的に円筒状に形成されている。
入口部５３、出口部５４は、円筒部５２の一方の端部、及び、他方の端部を縮径して形成されている。
入口部５３は、被加熱流体が導入される部分である。
出口部５４は、加熱後の被加熱流体が排出される部分である。
中間筒５５は、円筒部５２の内径側に、円筒部５２と実質的に同心となるように配置される円筒状の部材である。

発熱体１は、内筒１０の内周面が中間筒５５の外周面と間隔を隔てて対向し、かつ、外筒２０の外周面が円筒部５２の内周面と間隔を隔てて対向するよう、円筒部５２の内部に配置される。
これらの間隔は、被加熱流体が通流する流路となる。
被加熱流体は、図３に矢印で示すように、入口部５３から円筒部５２の内部に導入され、内筒１０の内周面と中間筒５５の外周面との間隔、及び、外筒２０の外周面と円筒部５２の内周面との間隔を通過しながら加熱され、所定の目標加熱温度まで昇温された後に出口部５４から排出される。

以下、上述した第３参考例の効果を、以下説明する本発明の比較例１，２と対比して説明する。
＜比較例１＞
図４は、本発明の比較例１である流体加熱器の模式的断面図である。
図４に示すように、比較例１の流体加熱器５０Ａは、第３参考例と実質的に同様のハウジング５０内に、発熱体１に代えて、らせん状に巻き回されたシーズヒータＳを単独で配置したものである。
比較例１の流体加熱器５０Ａにおいては、被加熱流体はシーズヒータＳに直接接触して加熱されることになる。

＜比較例２＞
図５は、本発明の比較例２である流体加熱器の模式的断面図である。
図５に示すように、比較例２の流体加熱器６０は、円筒状のハウジング６１の内部に、ヒータパイプが筒軸方向、径方向に分散するように配置されたシーズヒータＳを設けたものである。
被加熱流体は、ハウジング６１の一方の端部から導入され、シーズヒータＳと直接接触して加熱された後、ハウジング６１の他方の端部から排出される。

上述した第３参考例、比較例１、比較例２の特性について以下説明する。
比較例２の構成においては、被加熱流体の流路断面積が大きくなるため、被加熱流体の流速は第３参考例、比較例１に対して遅くなる。
このため、シーズヒータＳから被加熱流体への熱伝達率が悪くなるため、シーズヒータＳ自体は高温となりやすく、耐久性、信頼性に懸念が生じる。

これに対し、比較例１のように、中間筒５５を用いて流路断面積を絞った構成とした場合、被加熱流体の流速を向上させることができ、比較例２に対してシーズヒータＳから被加熱流体への熱伝達率を改善することができる。
また、シーズヒータＳの温度も比較例２に対して低温とすることができ、耐久性、信頼性の点で有利である。
しかし、比較例１、比較例２のいずれにおいても、被加熱流体がシーズヒータＳのヒータパイプと直接接することから、ヒータパイプの表面から剥離した金属片（パーティクル）等の異物が被加熱流体に混入してコンタミとなることが懸念される。

また、比較例１のように、被加熱流体がシーズヒータＳに直接接触したとしても、必ずしも被加熱流体への熱伝達率という点では有利とはいえない。この点について以下説明する。
図６は、比較例１の流体加熱器におけるシーズヒータ周囲の被加熱流体の流れを模式的に示す図である。
図６に示すように、シーズヒータＳのヒータパイプが、被加熱流体の流れＦに沿って複数本配置されている場合、各ヒータパイプの下流側には渦流Ｔが発生し、淀み領域が形成される。
このため、シーズヒータＳが被加熱流体と直接接触するとしても、被加熱流体の加熱に効果的に寄与する領域Ｒ（図６において太線破線で図示）は、このような淀みの領域以外の部分に限られるため、ヒータパイプの全表面積のうち、例えば１／２程度しか熱伝達有効面積として機能しないことになる。

これに対し、第３参考例においては、シーズヒータＳのヒータパイプが発熱体１の内筒１０、外筒２０に密着していることから、ヒータパイプが発する熱が内筒１０、外筒２０に伝搬し、内筒１０、外筒２０の実質的に全面が被加熱流体の加熱に寄与することから、比較例１に対して遜色ない熱伝達有効面積を確保することができる。

また、比較例１，２のように、シーズヒータＳが被加熱流体と直接接する構成とした場合、比較的細径のシーズヒータを使用する場合は形状の自己保持力が乏しく、他の構造物により支持、固定する必要がある。
また、細径のシーズヒータＳで流体加熱を行うと、被加熱流体の流れにより振動等が生じることで負荷がかかり、シーズヒータＳが変形したり、断線等の故障が発生することが懸念される。
一方、比較的太径のシーズヒータＳでも、被加熱流体の流速が速く、シーズヒータＳへ負荷される外力が強い場合は、同様に他の構造物で支持、固定する必要がある。

これに対し、第３参考例によれば、シーズヒータＳを、内筒１０及び外筒２０で挟むことにより、シーズヒータＳの補強、保護を可能とし、他の構造物なしでもシーズヒータＳの形状を保持し、変形や損傷を防止することができる。
さらに、シーズヒータＳの電気絶縁や、発熱体１の構成が容易となる。

＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態である流体加熱器について説明する。
図７は、第１実施形態の流体加熱器の模式的断面図である。
図７に示すように、流体加熱器１００は、第１筒１１０、第２筒１２０、第３筒１３０、第４筒１４０、入口筒１５０、シーズヒータＳ等を有して構成されている。

第１筒１１０、第２筒１２０、第３筒１３０、第４筒１４０、入口筒１５０は、それぞれ実質的に円筒状に形成されるとともに、実質的に同心となるように配置されている。
第１筒１１０は、流体加熱器１００の本体部における外表面部を構成する部材である。
第１筒１１０の両端部には、端面部１１１，１１２がそれぞれ設けられている。
端面部１１１，１１２は、第１筒１１０の両端部を実質的に閉塞する円盤状かつ平板状の部材である。
端面部１１１，１１２の中央部には、第１筒１１０の中心軸と実質的に同心の円形の開口が形成されている。
端面部１１１の開口の周縁部には、入口筒１５０の下流側の端部が接続されている。
入口筒１５０は、端面部１１１から突出した筒状の部材であり、被加熱流体が導入されるものである。
端面部１１２の開口の周縁部は、第３筒１３０の外周面に接合されている。

第２筒１２０は、第１筒１１０の内径側に挿入されている。
第２筒１２０の外周面は、第１筒１１０の内周面と径方向に間隔を隔てて対向して配置されている。
第２筒１２０の端面部１１１側（図７における左側）の端部には、端面部１２１、支持部材１２２が設けられている。
端面部１２１は、第２筒１２０の端部を閉塞する円盤状かつ平板状の部材である。
端面部１２１は、端面部１１１と第２筒１２０の中心軸方向に間隔を隔てて対向して配置されている。

支持部材１２２は、第１筒１１０の内部で第２筒１２０を支持する部材である。
支持部材１２２は、例えば、第１筒の径方向に沿って延在する平板状に形成されている。
支持部材１２２の第２筒１２０側の端縁は、第２筒１２０の端面部１２１側の端部近傍における外周面、及び、端面部１２１と接合されている。
支持部材１２２の第１筒１１０側の端縁は、第１筒１１０の端面部１１１側の端部近傍における内周面、及び、端面部１１１と接合されている。
第２筒１２０の端面部１１２側の端部は、開放された状態で、端面部１１１と第２筒１２０の中心軸方向に間隔を隔てて対向して配置され、第１筒１１０の内部と連通している。
第１筒１１０及び第２筒１２０は、第３筒１３０及び第４筒１４０からなる発熱体を収容するハウジングとして機能する。

第３筒１３０は、第２筒１２０の内径側に挿入されている。
第３筒１３０の外周面は、第２筒１２０の内周面と径方向に間隔を隔てて対向して配置されている。
第３筒１３０の端面部１１１側の端部には、端面部１３１が設けられている。
端面部１３１は、第３筒１３０の端面部１１１側の端部を閉塞する円盤状かつ平板状の部材である。
端面部１３１は、端面部１２１と第３筒１３０の中心軸方向に間隔を隔てて対向して配置されている。
端面部１３１の中央部には、第３筒１３０の中心軸と実質的に同心の円形の開口が形成されている。
端面部１３１の開口には、第４筒１４０の端面部１１１側の端部が接続されている。
端面部１３１は、第３筒１３０の内周面と第４筒１４０の外周面との間に被加熱流体が流入することを防止する。
第３筒１３０の端面部１３１側とは反対側の端部における外周面部は、端面部１１２の開口の内周縁部と接合されている。

第４筒１４０は、主要部分が第３筒１３０の内径側に挿入されるとともに、入口筒１５０側とは反対側の端部は、端面部１１２から突出して流体加熱器１００の出口筒として機能する。
第４筒１４０の外周面は、第３筒１３０の内周面と径方向に間隔を隔てて対向して配置されている。
第４筒１４０の端面部１１１側の端部における外周面部は、端面部１３１の開口の内周縁部と接合されている。
以上説明した各部材は、例えばステンレス鋼等の金属材料によって形成され、溶接により接合されている。

本実施形態においては、第３筒１３０が発熱体の外筒、第４筒１４０が発熱体の内筒として機能する。
シーズヒータＳは、ヒータパイプの長手方向における中間箇所でＵ字状に屈曲させ、２本のヒータパイプが束になった状態で、これらが二重螺旋状となるように、第４筒１４０の周囲かつ第３筒１３０の内部で巻き回されている。
シーズヒータＳの両端部（屈曲後における屈曲部とは反対側の端部）は、端面部１１２の開口から外部へ引き出され、ニクロム線は図示しない電源装置に接続される。

流体加熱器１００の製造時においては、シーズヒータＳは、先ず第４筒１４０の外周面に巻き回された状態で、第３筒１３０の内径側に挿入される。
このとき、シーズヒータＳと第３筒１３０の内周面との間には、挿入を可能とするために不可避的に設けられる隙間が設けられている。
その後、第４筒１４０の内周面に、流体圧（例えば水圧等の液圧）を負荷することにより、第４筒１４０を拡径させる。
第４筒１４０が拡径することにより、シーズヒータＳは、第４筒１４０の外周面と第３筒１３０の内周面との間で圧縮された状態で挟持され、シーズヒータＳは第４筒１４０、第３筒１３０に密着する。
このとき、第３筒１３０は、シーズヒータＳから内周面を押圧されるが、この入力によって実質的に拡径変形しないように、材質、板厚等を設定される。

第４筒１４０は、流体圧により拡径されるとともに、シーズヒータＳのヒータパイプの表面形状が転写された凹凸形状１４１が形成される。
凹凸形状１４１は、シーズヒータＳのヒータパイプの間隔に沿って、らせん状に溝部が形成された蛇腹状の形状を有する。
第４筒１４０は、流体圧による拡径加工時に、このような凹凸形状１４１の形成（ハイドロフォーミング）が可能なように、材質、板厚等を設定される。

次に、第１実施形態の流体加熱器１００における被加熱流体の流れについて説明する。
図７に矢印により図示するように、被加熱流体は、先ず入口筒１５０から第１筒１１０の内部に導入される。
その後、被加熱流体は、第１筒１１０の内周面と第２筒１２０の外周面との間を、端面部１１１側から端面部１１２側へ流れる。
このとき、被加熱流体は、第２筒１２０からの熱伝達により予熱されるが、発熱体（第３筒１３０、第４筒１４０）と直接接触していないことから、過度に高温とはならない。
ここでは被加熱流体は、第１筒１１０の外表面が過度に高温となることを防止し、周囲への放熱を抑制して効率を改善するとともに、流体加熱器１００の周囲に配置される部品等への熱害や、作業者の火傷等を防止する機能を発揮する。

端面部１１２側の端部へ到達した被加熱流体は反転し、第２筒１２０の内周面と第３筒１３０の外周面との間を、端面部１１２側から端面部１２１側へ流れる。
第３筒１３０は、シーズヒータＳのヒータパイプと密着し、高温に熱せられており、被加熱流体は、第３筒１３０からの熱伝達により加熱される。
このとき、第１筒１１０と第２筒１２０との間の領域が断熱層として機能することにより、第２筒１２０と第３筒１３０との間を流れる被加熱流体の外気による冷却が抑制される。

端面部１２１側の端部へ到達した被加熱流体は再度反転し、第４筒１４０の内部を端面部１１２側へ流れ、第４筒１４０の端部から外部へ排出される。
第４筒１４０は、シーズヒータＳのヒータパイプと密着し、高温に熱せられており、被加熱流体は、第４筒からの熱伝達によりさらに加熱される。
また、第４筒１４０は、凹凸形状１４１を有するため、単純な円筒内面状に対して表面積が増加するとともに、第４筒１４０の内周面近傍を流れる被加熱流体の乱流の発達が促進され、被加熱流体が攪拌されることによって熱伝達率が向上する。

以上説明した第１実施形態によれば、第１乃至第３参考例の効果と実質的に同様の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（１）発熱体を構成する第３筒１３０の外周面、及び、第４筒１４０の内周面でそれぞれ被加熱流体を加熱することによって、被加熱流体を効果的に加熱することができる。
また、第３筒１３０の外側で加熱された被加熱流体を、外部からの断熱性がより高い第４筒１４０の内側において再度加熱することによって、被加熱流体の出口温度を向上することができる。
（２）発熱体の内筒として機能する第４筒１４０に、蛇腹状の凹凸形状１４１を形成することによって、第４筒１４０とシーズヒータＳとの接触面積を増大させ、シーズヒータＳから第４筒１４０への伝熱を改善することができる。
また、凹凸形状１４１が流路の壁面として露出し、被加熱流体と接することによって、被加熱流体の流れに乱れを形成することが可能となり、被加熱流体を撹拌して伝熱を改善し、加熱効率をより向上することができる。
（３）第３筒１３０がシーズヒータＳの形状を保持し、外径側への変形を防止した状態で
第４筒１４０を拡径することによって、第４筒１４０の表面を塑性変形させてシーズヒータＳの表面形状を転写し、シーズヒータＳの表面に密着する凹凸形状１４１を簡単かつ正確に形成することができる。
（４）４本の筒状体（第１筒１１０〜第４筒１４０）を同心に配置した構成とし、被加熱流体が外径側から内径側へ順次流れる構成としたことにより、流体加熱器１００の表面温度を比較的低くすることができ、周辺部品への熱害や作業者の火傷等を防止できる。
また、断熱材が不要となることから、断熱材に起因するコンタミの発生を防止することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態である流体加熱器について説明する。
図８は、第２実施形態の流体加熱器の模式的断面図である。
第２実施形態の流体加熱器１００Ａは、Ｕ字状に屈曲させて２本のヒータパイプが束になった状態のシーズヒータＳとともに、温度センサである熱電対ＴＣを、第３筒１３０の内周面と第４筒１４０の外周面との間に、らせん状に巻き回したことを特徴とし、それ以外は実質的に第１実施形態の流体加熱器１００と同様の構成を有する。
すなわち、シーズヒータＳの２本のヒータパイプと、熱電対ＴＣとは、三重らせん状に巻き回されている。
以上説明した第２実施形態によれば、上述した第１実施形態の効果と実質的に同様の効果に加えて、第３筒１３０及び第４筒１４０からなる発熱体の内部の狭小なスペースに、シーズヒータＳの配置を実質的に妨げることなく熱電対ＴＣを配置し、発熱体内部の温度を適切に検出することができる。

＜第４参考例＞
次に、本発明の第４参考例である流体加熱器について説明する。
図９は、第４参考例の流体加熱器の模式的断面図である。
第４参考例の流体加熱器６０Ａは、第１参考例の発熱体１を、比較例２と実質的に同様のハウジング６１の内径側に収容したものである。
ハウジング６１は、全長にわたって実質的に一定の外径、内径を有する円筒状に形成されている。
発熱体１の内径側には、第３参考例の中間筒５５と実質的に同様の中間筒６２が設けられている。
以上説明した第４参考例においても、上述した第３参考例の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）発熱体及び流体加熱器の構成は、上述した実施形態に限定されることなく適宜変更することが可能である。
例えば、第１、第２実施形態においては、発熱体の内筒として機能する第４筒１４０をハイドロフォーミングにより拡径するとともに、第４筒１４０に凹凸形状１４１を形成しているが、これに代えて、あるいは、これとともに、外筒を流体圧あるいはスウェージャーのような機械力で縮径するとともに外筒に凹凸形状を形成してもよい。
また、流体加熱器のハウジングの構成や、発熱体の配置、搭載される発熱体の個数等は適宜変更することができる。
（２）本発明の流体加熱器は、実施形態に記載されたような半導体や有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の製造プロセスで用いられるプロセスガス、加熱用空気等の加熱に限らず、他の用途にも用いることが可能である。
例えば、水分除去、乾燥用の熱媒として用いられる空気等の各種ガスの加熱や、熱処理
炉雰囲気ガス加熱、分析装置用ガス加熱、各種不活性ガス加熱、各種液体加熱、過熱水蒸気の生成、加熱ガスによる食品の焼目付、不活性ガスを加熱することによる体積膨張を利用したガス使用量の削減等に用いることができる。

１ 発熱体（第１参考例） １Ａ 発熱体（第２参考例）
１０ 内筒 ２０ 外筒
３０ 端面部 ４０ 端面部
Ｓ シーズヒータ ５０ 流体加熱器（第３参考例）
５０Ａ 流体加熱器（比較例１） ５１ ハウジング
５２ 円筒部 ５３ 入口部
５４ 出口部 ５５ 中間筒
６０ 流体加熱器（比較例２） ６０Ａ 流体加熱器（第４参考例）
６１ ハウジング ６２ 中間筒
Ｔ 渦流 Ｒ 熱伝達有効面積となる領域
１００ 流体加熱器（第１実施形態） １００Ａ 流体加熱器（第２実施形態）
１１０ 第１筒 １１１ 端面部
１１２ 端面部 １２０ 第２筒
１２１ 端面部 １２２ 支持部材
１３０ 第３筒 １３１ 端面部
１４０ 第４筒 １４１ 凹凸形状
１５０ 入口筒 ＴＣ 熱電対

Claims (6)

1. 筒状に形成された外筒と、
   筒状に形成され前記外筒の内径側に挿入された内筒と、
   少なくとも一部が前記内筒の外周面にらせん状に巻き回されかつ前記外筒の内周面と前記内筒の外周面との間に挟持されたシーズヒータとを備え、
   前記外筒の外周面及び前記内筒の内周面は、被加熱流体が順次通過する流路の壁面を構成し、
   前記内筒の内周面における前記被加熱流体と接触する箇所に、前記シーズヒータの表面に沿った凹凸形状を形成し、
   前記外筒の材質及び板厚を、前記内筒の凹凸形状形成時に実質的に拡径変形しないよう設定したこと
   を特徴とする発熱体。
2. 前記外筒の内周面と前記内筒の外周面との間を閉塞して前記被加熱流体が前記シーズヒータが収容された空間部へ流入することを防止する閉塞部を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の発熱体。
3. 前記シーズヒータに実質的に沿うように前記内筒の外周面に巻き回された温度センサを備えること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱体。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の発熱体と、
   前記発熱体を収容するとともに被加熱流体が通過する流路が形成されたハウジングと、
   前記ハウジングに導入された被加熱流体が前記外筒の外周面に沿って前記外筒の軸方向に流れる第１の流路と、
   前記第１の流路を通過した前記被加熱流体が導入され前記内筒の内周面に沿って前記第１の流路内と逆方向に流れる第２の流路と
   を備えることを特徴とする流体加熱器。
5. 前記ハウジングは、
   第１筒と、
   前記第１筒の内径側に挿入されるとともに、前記発熱体の前記外筒が内径側に挿入される第２筒とを有し、
   前記被加熱流体は、前記第１筒の内周面と前記第２筒の外周面との間を通って前記第１の流路に導入されること
   を特徴とする請求項４に記載の流体加熱器。
6. 筒状に形成された外筒と、
   筒状に形成され前記外筒の内径側に挿入された内筒と、
   少なくとも一部が前記内筒の外周面にらせん状に巻き回されかつ前記外筒の内周面と前記内筒の外周面との間に挟持されたシーズヒータとを備え、
   前記外筒の外周面及び前記内筒の内周面は、被加熱流体が順次通過する流路の壁面を構成し、
   前記内筒の内周面における前記被加熱流体と接触する箇所に、前記シーズヒータの表面に沿った凹凸形状を形成した発熱体の製造方法であって、
   前記シーズヒータを前記外筒の内周面と前記内筒の内周面との間に配置した後、内筒の内周面を流体圧によって加圧して前記内筒を拡径するとともに、前記内筒に前記シーズヒータの形状を転写した前記凹凸形状を形成するとともに、前記外筒の材質及び板厚を、前記内筒の凹凸形状形成時に実質的に拡径変形しないよう設定したこと
   を特徴とする発熱体の製造方法。
   

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