JP6856668B2 - Heater device - Google Patents
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Description
本開示は、流体加熱用のヒータ装置に関する。 The present disclosure relates to a heater device for fluid heating.
温水洗浄用ヒータとして、ケーシングにセラミック体からなる筒状のヒータを挿入するとともに、当該ヒータの内側に棒状の芯棒を挿入したものが知られている。そして、芯棒の外周面に螺旋状のガイドを設けて、筒状のヒータと芯棒との間に流体を流して加熱するヒータ装置が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。 As a heater for washing hot water, a tubular heater made of a ceramic body is inserted into a casing, and a rod-shaped core rod is inserted inside the heater. Then, a heater device has been proposed in which a spiral guide is provided on the outer peripheral surface of the core rod to allow a fluid to flow between the tubular heater and the core rod to heat the core rod (see, for example, Patent Document 1).
本開示のヒータ装置は、長手方向を有する筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に埋設された抵抗体とを備え、前記セラミック体の内側を前記長手方向に沿って流れる流体を加熱するものである。そして、前記セラミック体の内壁に螺旋状の凸部が設けられており、該螺旋状の凸部は前記セラミック体の先端側の端部における高さが前記セラミック体の後端側の端部における高さよりも高い。 The heater device of the present disclosure includes a tubular ceramic body having a longitudinal direction and a resistor embedded in the ceramic body, and heats a fluid flowing along the longitudinal direction inside the ceramic body. It is a thing. A spiral convex portion is provided on the inner wall of the ceramic body , and the height of the spiral convex portion at the end portion on the front end side of the ceramic body is at the end portion on the rear end side of the ceramic body. Higher than height .
近年、ヒータ装置の小型化が求められており、そのようなヒータ装置では加熱効率の向上が求められている。 In recent years, miniaturization of heater devices has been required, and improvement of heating efficiency is required for such heater devices.
芯棒の外周面に螺旋状のガイドを設けると、ガイドに沿って芯棒の周囲を流体が流れ、見かけ上流路が長くなり、加熱効率が上がるものの、芯棒には発熱抵抗体がなく芯棒自体は発熱しないので、加熱効率の向上の点で改善の余地があった。 If a spiral guide is provided on the outer peripheral surface of the core rod, fluid will flow around the core rod along the guide, apparently lengthening the flow path and improving heating efficiency, but the core rod does not have a heat generating resistor and the core. Since the rod itself does not generate heat, there was room for improvement in terms of improving heating efficiency.
本開示のヒータ装置は、長手方向を有する筒状のセラミック体と、このセラミック体の内部に埋設された抵抗体とを備え、セラミック体の内側を長手方向に沿って流れる流体を加熱するものである。そして、セラミック体の内壁に螺旋状の凸部を設けている。このような構成とすることにより、セラミック体の一方の開口より入る流体の一部がセラミック体の内壁の螺旋状の凸部に沿って流れ、加熱面に沿った流路の長さが見かけ上長くなる。また、流体が螺旋状の凸部の壁にあたることによって乱流になり易くなり、熱伝達性が向上する。したがって、加熱効率を向上できる。 The heater device of the present disclosure includes a tubular ceramic body having a longitudinal direction and a resistor embedded inside the ceramic body, and heats a fluid flowing along the longitudinal direction inside the ceramic body. is there. Then, a spiral convex portion is provided on the inner wall of the ceramic body. With such a configuration, a part of the fluid entering through one opening of the ceramic body flows along the spiral convex portion of the inner wall of the ceramic body, and the length of the flow path along the heating surface is apparently long. become longer. Further, when the fluid hits the wall of the spiral convex portion, turbulence is likely to occur, and the heat transfer property is improved. Therefore, the heating efficiency can be improved.
以下、ヒータ装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the heater device will be described with reference to the drawings.
図1はヒータ装置の実施形態の一例を示す斜視図、図2は図1に示すII−II線で切断した概略縦断面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of the heater device, and FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view taken along the line II-II shown in FIG.
図1および図2に示すヒータ装置1は、長手方向を有する筒状のセラミック体2と、セラミック体2の内部に埋設された抵抗体3とを備え、セラミック体2の内側を長手方向に沿って流れる流体を加熱するものである。そして、セラミック体2の内壁に螺旋状の凸部21が設けられている。
The
ヒータ装置1は、セラミック体2の内側および必要により外側に液体、気体および粉体のような流体の被加熱物を長手方向に沿って通過させ、セラミック体2の内壁および必要により外壁に被加熱物を接触させて加熱させるものである。
The
セラミック体2は、長さ方向を有する筒状の部材である。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図に示すヒータ装置1においては、セラミック体2は円筒状である。セラミック体2が円筒状である場合の寸法は、例えば長さ方向の全長が40〜150mm、外径が4〜30mm、内径が1〜28mmに設定することができる。
The
セラミック体2は、絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁性のセラミック材料としては、例えばアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。熱伝導率に優れるという点では窒化アルミニウムを用いることができ、耐酸化性があって製造しやすい点ではアルミナを用いることができる。
The
セラミック体2の内部には、抵抗体3が埋設されている。抵抗体3は、電流が流れることによって発熱してセラミック体2を加熱するものである。図示していないが、抵抗体3は、長さ方向に繰り返して折り返しながら周方向に沿って設けられた折り返し部(蛇行部)を有している。そして、抵抗体3の一端が後述する一対の引出し部4のうちの一方と電気的に接続され、他端が後述する一対の引出し部4のうちの他方と電気的に接続されている。
A
抵抗体3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なる。抵抗体3の寸法は、例えば、幅を0.3〜2mm、厚みを0.01〜0.1mm、全長を500〜5000mmに設定することができる。これらの寸法は、抵抗体3の発熱温度、抵抗体3に加える電圧等を考慮して、適宜設定される。
The
引出し部4は、抵抗体3と後述する電極パッド5とを電気的に接続するためのもので、抵抗体3の一端および他端のそれぞれに対応して一対設けられている。引出し部4は、抵抗体3と同様の材料からなる。引出し部4の断面が円形の場合の直径は、例えば1〜5mmとされる。
The
セラミック体2の外周面である外壁には電極パッド5が設けられ、当該電極パッド5は引出し部4と電気的に接続されている。この電極パッド5は、後述するリード端子7を接合する部位となるもので、セラミック体2の後端側の外壁の対向する2か所(断面で見たときの直径上に位置する2箇所)にそれぞれ引出し部4と電気的に接続されて設けられる。
An
電極パッド5は、例えばタングステン、モリブデン等からなり、抵抗体3および引出し部4と同じ金属材料であってもよく、異なる金属材料であってもよい。電極パッド5の寸法は、例えば長さを5〜10mmに、幅を5〜10mmに、厚みを0.01〜0.1mmに設定することができる。
The
電極パッド5には、接合材を用いてリード端子6が接合されている。このリード端子6は一端が電極パッド5に接合され、他端が外部電源等に接続される。リード端子6の断面形状としては、例えば円形状、楕円形状、長方形状などが挙げられる。リード端子6が断面円形の場合の直径は、例えば0.5〜2.0mmとされる。また、接合材としては、例えば銀ろう、銀銅ろう等のろう材またはSn(錫)−Ag(銀)−Cu(銅)等の半田を用いることができる。
A
そして、セラミック体2の内壁には、螺旋状の凸部21が設けられている。これにより、セラミック体2の一方の開口より入る流体の一部がセラミック体2の内壁の螺旋状の凸部21に沿って流れるため、加熱面に沿った流路の長さが見かけ上長くなる。また、流体が螺旋状の凸部21の壁にあたることによって乱流になり易くなり、熱伝達性が向上する。したがって、加熱効率を向上でき、短い流路でも所望の温度に到達できる。
A
ここで、セラミック体2の内径が例えば5〜15mmの場合において、螺旋状の凸部21の幅w(図2の左右方向の幅)は例えば1〜3mm、また螺旋状の凸部21の高さt(図2の上下方向の高さ)は例えば0.5〜3mmとされる。また、螺旋状の凸部21の切断面でみたときの隣り合う凸部の間隔dは螺旋状の凸部21の幅wの2倍〜10倍とされる。
Here, when the inner diameter of the
なお、後述する芯棒7を挿通させる場合に対して芯棒7を挿通させない場合においては、螺旋状の凸部21の幅wは同じでよいが、螺旋状の凸部21の高さtは高くてもよい。より乱流が発生しやすくなる点で、効果的である。
When the
螺旋状の凸部21の断面形状としては、四角形状、三角形状、半円形状などを採用することができるが、図に示す例では断面形状が四角形状である。図2に示すように、螺旋状の凸部21の断面形状が四角形状の場合には、セラミック体2の内壁から螺旋状の凸部21が垂直に立ち上がっているので、流体が螺旋状の凸部21の壁面にあたってより乱流が起きやすくなって、加熱効率を向上でき、より短い流路でも所望の温度に到達できる。
As the cross-sectional shape of the spiral
また、図3に示すように、螺旋状の凸部21は複数の切欠き状部20を有していてもよい。さらに、複数の切欠き状部20は長手方向の直線上に沿って揃って配置されていてもよい。これにより、螺旋状の凸部21とセラミック体2の内壁面との境界部、すなわち隅部にとどまろうとする流体が切欠き状部20を通過して流れやすくなり、加熱効率が向上する。
Further, as shown in FIG. 3, the spiral
なお、切欠き状部20とは、螺旋状の凸部21の一部が途切れてセラミック体2の内壁と面一になっている部位、または螺旋状の凸部21の一部が他の部位よりも低くなっている部位のことである。切欠き状部20の周方向長さ、すなわちセラミック体2の内壁に沿った部分における円周方向の長さは、例えば1〜3mmとされる。
The notch-shaped
また、図4に示すように、螺旋状の凸部21が複数の切欠き状部20を有している場合において、複数の切欠き状部20が長手方向の直線上に沿って揃わずに配置されていてもよい。これにより、螺旋状の凸部21とセラミック体2の内壁面との境界部、すなわち隅部に流体がとどまりにくくなるのに加え、切欠き状部20を通った流体が次の螺旋状の凸部21の壁面にあたり、より乱流が発生しやすくなって、熱伝達性が向上する。なお、長手方向に隣り合う切欠き状部20の周方向へのずれとしては、少なくとも長手方向に重ならない程度、言い換えると、切欠き状部20が一個分以上ずれていればよい。
Further, as shown in FIG. 4, when the spiral
また、図5に示すように、螺旋状の凸部21はセラミック体2の先端側の端部における高さt1がセラミック体2の後端側の端部における高さt2よりも高くなっていてもよい。
Further, as shown in FIG. 5, the height t1 at the distal end side of the
一般に、セラミック体2の後端側は給電のためのスペースなどを設ける必要があり、セラミック体2の先端側にはこのようなスペースを確保する必要がないことから、セラミック体2の先端側ではより多くの範囲に抵抗体3を埋設することができる。したがって、セラミック体2は先端側でよく発熱するようになっている。そして、例えば図に矢印で示すように、流体はセラミック体2の後端側の開口が入り口、すなわち上流側となり、セラミック体2の先端側の開口が出口、すなわち下流側となるように流される。これにより、流体の流入による急激な温度変化によって、セラミック体2の特に入口側に熱衝撃が加わるのを低減することができる。
Generally, it is necessary to provide a space for power supply on the rear end side of the
ここで、螺旋状の凸部21はセラミック体2の先端側の端部における高さt1がセラミック体2の後端側の端部における高さt2よりも高くなっていることにより、下流側であるセラミック体2の先端側で加熱面の表面積が大きくなる。したがって、加熱効率がより向上する。
Here, the spiral
また、ヒータ装置の実施形態の他の例を示す斜視図である図6および図6に示すVII−VII線で切断した概略縦断面図である図7に示すように、ヒータ装置1はセラミック体2の内側の空間に芯棒7が挿通された構成であってもよい。セラミック体2の内側の空間、すなわち流路を狭くする方法としては、セラミック体2の径を細くする方法も挙げられるが、製造しやすさを考慮して、セラミック体2の内側の空間に芯棒7が挿通された構成とすることができる。これにより、セラミック体2の内側の空間、すなわち流路が狭くなるため、流体の流速が速くなり、流体に伝達される熱量の全体量をより増加させることができる。また、流体がよりセラミック体2の加熱面である内壁に近いところを流れることができるので、流体をより早く加熱でき、加熱効率を向上でき、より短い流路でも所望の温度に到達できる。
Further, as shown in FIG. 6 which is a perspective view showing another example of the embodiment of the heater device and FIG. 7 which is a schematic vertical cross-sectional view taken along the line VII-VII shown in FIG. 6, the
なお、芯棒7の断面形状としては、セラミック体2の内壁の断面形状と相似形であるのがよい。また、セラミック体2の内壁の断面形状が円形状、言い換えるとセラミック体2の断面形状が円環状であって、芯棒7の断面形状が円形状である場合の芯棒7の直径としては、例えば1〜10mmに設定されるが、セラミック体2の内壁の円形状の直径の例えば30%以上の直径であるのがよい。
The cross-sectional shape of the
また、図8に示すように、セラミック体2の内壁と芯棒7とで囲まれる空間の断面積が、セラミック体2の後端側よりも先端側で小さくなっていてもよい。このような例として、図8では、セラミック体2の後端側から先端側に向かうにしたがって芯棒7の直径が次第に太くなっている例を示している。これにより、セラミック体2の先端側、すなわち下流側で流速が速くなり、より加熱効率が向上する。
Further, as shown in FIG. 8, the cross-sectional area of the space surrounded by the inner wall of the
なお、セラミック体2の後端側の開口における芯棒7の直径に対し、セラミック体2の先端側の開口における芯棒7の直径は、例えば1.1〜2倍に設定される。
The diameter of the
また、図9および図10に示すように、芯棒7におけるセラミック体2の後端側の端部に対応する部位に、セラミック体2の後端側から先端側に向かって次第に高さが高くなる環状の凸部71、72を有していてもよい。ここで、図9に示す環状の凸部71は、上流側であるセラミック体2の後端側から、下流側である先端側に向かって次第に厚みが増す形状、いわゆる中実形状であり、図10に示す環状の凸部72は、上流側であるセラミック体2の後端側から、下流側である先端側に向かって厚みは一定で径が拡がる形状、いわゆる漏斗形状である。これにより、流入した流体がセラミック体2の内壁に流れやすくなるほか、乱流が起きやすくなる。したがって、さらに加熱効率が向上する。
Further, as shown in FIGS. 9 and 10, the height of the
なお、図9および図10に示すように、セラミック体2には例えばチューブ8が接続され、チューブ8を通って流体が供給される。そして、図に示す矢印は、流体がセラミック体2の内壁に向かって流れる様子を示している。
As shown in FIGS. 9 and 10, for example, a
環状の凸部71、72の高さは、環状の凸部71、72を除く芯棒7の外周面とセラミック体2の内壁との間隔、ここでは片側での間隔の例えば0.5〜0.8倍とされる。
The height of the
また、図11に示すように、螺旋状の凸部21と芯棒7とが当接していてもよい。このような例として、芯棒7を太くする方法が挙げられる。これにより、セラミック体2の熱が芯棒7に伝達し、セラミック体2の内壁と芯棒7の外周面の両方から流体に熱伝達させることができるため、さらに加熱効率が向上し、短い流路でも所望の温度に到達できる。
Further, as shown in FIG. 11, the spiral
なお、螺旋状の凸部21と芯棒7とが当接しない場合は、芯棒7はできるだけ熱引けしないように熱伝導率が小さい材質の物を用いるとよい。具体的にはステンレスやアルミナ等のセラミック材料を用いることができる。
When the spiral
一方、螺旋状の凸部21と芯棒7とが当接する場合は、セラミック体2の内壁に加えて、芯棒7も熱源として機能するように、芯棒7は熱伝導率の高い材質の物を用いると良い。具体的にはアルミニウムや銅等の高熱伝導金属を用いることができる。
On the other hand, when the spiral
次に、本実施形態のヒータ装置1の製造方法について説明する。
Next, a method of manufacturing the
セラミック体2がアルミナ質セラミックスからなる場合の例について説明する。
An example in which the
まず、Al2O3を主成分とし、SiO2,CaO,MgO,ZrO2が合計で10質量%以内になるように調整したアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。First, an alumina ceramic green sheet containing Al 2 O 3 as a main component and adjusted so that SiO 2 , CaO, MgO, and ZrO 2 are within 10% by mass in total is produced.
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、抵抗体3となる所定の導体パターンを形成する。抵抗体3の形成方法としては、スクリーン印刷法、転写法、抵抗体埋設法、その他の方法として金属箔をエッチング法などにより形成する方法や、ニクロム線をコイル状に形成し埋設する方法などがあるが、スクリーン印刷法で形成することが品質面での安定性や製造コストが抑えられるといった面から用いられやすい。
Then, a predetermined conductor pattern serving as the
アルミナ質セラミックグリーンシートの抵抗体3を形成する面とは反対側の面に、電極パッド5を抵抗体3の形成と同様に所定のパターン形状で形成する。
The
また、アルミナ質セラミックグリーンシートには、抵抗体3と電極パッド5とを電気的に接続する引出し部4を設けるための孔加工およびスルーホール導体を形成するための導体ペーストの充填がなされる。
Further, the alumina ceramic green sheet is subjected to hole processing for providing a
抵抗体3、電極パッド5および引出し部4であるスルーホール導体は、例えばタングステン、モリブデン、レニウムなど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。
As the through-hole conductors of the
一方、押し出し成型にて円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。ここでセラミック体2の内壁に設けられる螺旋状の凸部21は、押し出し成型機の内側の口金に凹部を設け、円周上に回転させながら押し出し成型をすることにより得られる。また、アルミナ質のセラミックグリーンシートを細長く切断し、成型体の内壁に螺旋状に密着させてもよい。さらに、後述する成型体の焼結後、コイル状の部材をセラミック体2の内壁に密着させてもよい。
On the other hand, a cylindrical alumina ceramic molded body is molded by extrusion molding. Here, the spiral
そして、この円筒状のアルミナ質セラミック成型体に前述のアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつける。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塗布して密着させることで、内部に抵抗体3が埋設されたセラミック体2となるアルミナ質一体成型体を得ることができる。
Then, the above-mentioned alumina ceramic green sheet is wound around this cylindrical alumina ceramic molded body. At this time, by applying an adhering liquid in which alumina ceramics having the same composition are dispersed and adhering them to each other, it is possible to obtain an alumina-based integrally molded body which becomes a
こうして得られたアルミナ質一体成型体を1500〜1600℃の還元雰囲気中(窒素雰囲気)で焼成することで、前記アルミナ質一体成型体が収縮し、アルミナ質一体焼結体であるセラミック体2を作製することができる。
By firing the alumina-integrated molded body thus obtained in a reducing atmosphere (nitrogen atmosphere) at 1500 to 1600 ° C., the alumina-based integrally molded body shrinks, and the
さらに、セラミック体2の内壁に設けた螺旋状の凸部21に切欠き状部20を設ける方法として、マシニング加工によりセラミック体2の軸方向に直線状に螺旋状の凸部21を取り除く加工ができる。また、特殊な工具を用いることにより、セラミック体2の軸方向に螺旋状の凸部21を1つおきに加工し除去することもできる。
Further, as a method of providing the notch-shaped
次に、セラミック体2に形成された電極パッド5上に、給電部形成時の下地となるメッキを施す。メッキは、ニッケルメッキ、金メッキ、錫メッキなどが汎用的である。メッキの施術方法は無電解メッキや電解メッキ、バレルメッキなどの施術方法を目的に応じて選択すると良い。そして、ニッケルからなるリード端子6をパッド上に半田付けをする。
Next, the
さらに、芯棒7をセラミック体2の内側に挿入する場合における芯棒7をセラミック体2の内側に挿通する方法としては、セラミック体2の外側にケーシングを配置し、当該ケーシングに芯棒7を固定すれば良い。
Further, as a method of inserting the
さらに、芯棒7におけるセラミック体2の後端側の端部に対応する部位に環状の凸部71を設ける方法として、芯棒7と環状の凸部71を一体加工にて作製する方法でもよく、芯棒7と環状の凸部71を別々に作製し、接着剤等で接合する方法を用いても良い。
Further, as a method of providing the annular
以上の方法で本実施形態のヒータ装置1が得られる。
The
1:ヒータ装置
2:セラミック体
21:螺旋状の凸部
20:切欠き状部
3:抵抗体
4:引出し部
5:電極パッド
6:リード端子
7:芯棒
71、72:環状の凸部
8:チューブ1: Heater device 2: Ceramic body 21: Spiral convex portion 20: Notch-shaped portion 3: Resistor 4: Drawer portion 5: Electrode pad 6: Lead terminal 7:
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