JPH10247584A - セラミックシーズヒータ及びこれを用いた流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】万一セラミックス体にクラックが生じたような
場合でも、漏電や感電を防止する。 【解決手段】金属製の有底筒状体３中に、絶縁性粉体２
を介在させて、発熱抵抗体１２を埋設したセラミックス
体１１を挿入固定して成るセラミックシーズヒータにお
いて、上記セラミックス体１１にクラックが生じた時の
発熱抵抗体１２と有底筒状体３間の抵抗値を１０⁴ Ω以
上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属製の有底筒状
体にセラミックヒータを挿入してなるセラミックシーズ
ヒータ、及びこれを用いた液体加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、セラミックス体中に発熱抵抗
体を埋設したセラミックヒータがさまざまな分野で使用
されている。そして、浴槽用温水器等の液体加熱用のヒ
ータとして用いる場合は、上記セラミックヒータを直接
水の中に入れて、加熱することが行われている。

【０００３】しかし、セラミックヒータの途中までしか
水がないような場合、水の無い部分が異常発熱してクラ
ックが生じたり、あるいは水垢等の付着により発熱が不
均一となってヒートショックによりクラックが生じやす
かった。あるいは、アルカリ溶液中等に浸漬した場合
は、セラミックスが浸食される恐れもあった。

【０００４】このように、クラックや浸食が生じると発
熱抵抗体が剥き出しとなって漏電や感電事故を起こすと
いう問題があった。

【０００５】そこで、上記セラミックヒータを金属製の
有底筒状体で覆うようにしたセラミックシーズヒータが
用いられている。これは、例えば特開昭５７−１５１１
８７号、特開昭６０−１２７６８９号公報等に示すよう
に、セラミックス体中に発熱抵抗体を埋設してなる棒状
のセラミックヒータを、金属製の有底筒状体中に挿入
し、両者の間に粉体を充填したものである。

【０００６】このような構造とすることによって、セラ
ミックヒータが直接水と触れることを防止し、クラック
の発生を防ぐことができる。

【０００７】また、セラミックヒータと金属製有底筒状
体との間に充填する粉体としては、熱伝導性を高くする
ために金属粉末を用いることが一般的である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
なセラミックシーズヒータであっても、使用条件等によ
っては、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体にクラッ
クが生じることがある。このような場合、発熱抵抗体に
印加した電流が、粉体と有底筒状体を通じて水中に流
れ、漏電や感電の恐れがあるという問題があった。

【０００９】即ち、従来のセラミックシーズヒータにお
いては、セラミックヒータ自体が絶縁性が高いため、有
底筒状体との間に介在させる粉体としては、金属粉末等
の絶縁性の低い粉体を用いている。そのため、万一セラ
ミックヒータにクラックが生じたような場合は、電流の
漏れを防止する効果が乏しいものであった。

【００１０】また、従来のセラミックシーズヒータで
は、セラミックヒータと有底筒状体の間に充填した粉体
の密度が低く、熱伝達が悪いという問題もあった。さら
に、繰り返し使用時に、有底筒状体中でのセラミックヒ
ータの位置がずれやすいという問題もあった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１の発明
は、金属製の有底筒状体中に、絶縁性粉体を介在させ
て、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体を挿入固定し
て成るセラミックシーズヒータにおいて、上記セラミッ
クス体にクラックが生じた時の発熱抵抗体と有底筒状体
間の室温での抵抗値を１０⁴ Ω以上としたことを特徴と
するものである。

【００１２】即ち、有底筒状体とセラミックス体中に介
在させる粉体の絶縁性を高くしておくことにより、万一
セラミックス体にクラックが生じたような場合でも、漏
電や感電を防止するようにした。

【００１３】また、請求項２の発明は、上記絶縁性粉体
が、熱伝導率０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の
窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素の
一種以上からなることを特徴とする。

【００１４】これらの材質からなる粉体を用いれば、絶
縁性が高く、かつ熱伝導性に優れることから、漏電や感
電を防止するとともに、熱効率のよいセラミックシーズ
ヒータとできる。

【００１５】さらに、請求項３の発明は、金属製の有底
筒状体中に、粉体を介在させて、発熱抵抗体を埋設した
セラミックス体を挿入固定して成るセラミックシーズヒ
ータにおいて、上記有底筒状体の開口部とセラミックス
体の間に粉体を押圧する部材を配置したことを特徴とす
る。

【００１６】即ち、加圧部材で粉体を加圧して充填密度
を向上させるとともに、有底筒状体とセラミックス体と
の位置ずれを防止するようにした。

【００１７】また、請求項４の発明は、発熱抵抗体を埋
設した筒状のセラミックス体を、該セラミックス体の内
周面及び外周面を同時に覆うような二重の有底筒状体に
挿入し、両者の間に粉体を介在させるともに、上記有底
筒状体の内面側及び外面側の両方に流体を通過させて流
体加熱装置を構成したことを特徴とする。

【００１８】即ち、セラミックシーズヒータ自体を筒状
に形成し、その内面側と外面側の両方に流体を通過させ
ることによって、効率的に流体を加熱できるようにした
ものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、請求項１の発明の実施形態
を図によって説明する。

【００２０】図１、２に示すように、本発明のセラミッ
クシーズヒータは、円柱状のセラミックヒータ１を金属
製の有底筒状体３に挿入し、両者の間に絶縁粉体２を介
在させ、セラミックヒータ１の後端部は金属製のカバー
４を配置して、有底筒状体３の後端部でかしめて構成し
たものである。上記セラミックヒータ１は、円柱状のセ
ラミックス体１１中に発熱抵抗体１２を埋設し、該発熱
抵抗体１２の後端部をリード線１３に接続したものであ
り、リード線１３間に通電することによって、発熱抵抗
体１２を発熱させることができるようになっている。

【００２１】このセラミックシーズヒータを浴槽用温水
器等の水加熱用に使用する場合は、有底筒状体３部分を
水中に浸漬し、リード線１３に通電することによってセ
ラミックヒータ１を発熱させ、この熱を伝えることによ
って水を加熱することができる。この時、セラミックス
体１１が直接水に触れることがないため、クラック等の
発生を防止することができる。

【００２２】このようなセラミックシーズヒータにおい
て、絶縁粉体２は、セラミックヒータ１と有底筒状体３
間の緩衝材を成すとともに、熱を伝達する作用を成す。
しかし、本発明で最も大切な点は、万一セラミックス体
１１にクラック等が生じたような場合でも、発熱抵抗体
１２の電流が有底筒状体３に流れることを防止できるよ
うに、絶縁粉体２に充分な絶縁性を持たせていることで
ある。

【００２３】具体的には、セラミックス体１１にクラッ
クが生じた場合でも、発熱抵抗体１２と有底筒状体３と
の間の室温での抵抗値Ｒが１０⁴ Ω以上となるようにし
ておけば良い。これは、家庭用電圧１００Ｖを印加した
時に、上記抵抗値Ｒを１０⁴Ω以上としておけば、万一
漏れ電流が生じても１０ｍＡ以下となり、人体に悪影響
を及ぼさないレベルとできるためである。

【００２４】好ましくは漏れ電流は０．５ｍＡ以下が良
く、そのためにはセラミックス体１１にクラックが生じ
た場合でも、発熱抵抗体１２と有底筒状体３との間の室
温での抵抗値Ｒを２×１０⁵ Ω以上としておけば良い。

【００２５】なお、上記抵抗値Ｒを測定する場合は、予
めセラミックシーズヒータに規定以上の電圧を印加して
セラミックス体１にクラックを発生させ、この状態で発
熱抵抗体１２と有底筒状体３間の抵抗値Ｒを室温で測定
すれば良い。

【００２６】このような絶縁粉体２としては、窒化ホウ
素（ＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄）、窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）の一種以上を用い
る。これらは、表１に示すように、いずれも体積固有抵
抗が大きく、絶縁性を高くすることができる。

【００２７】同時に、絶縁粉体２は伝熱性を良くする必
要があるが、これらの材質は表１に示すように熱伝導率
が０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上と高いことか
ら、セラミックヒータ１に生じる熱を効率的に有底筒状
体３に伝えることができる。

【００２８】これらの絶縁粉体２は平均粒径０．５〜１
０μｍのものを用い、充填した際の厚みｔ₂ は１ｍｍ以
下とすることが好ましい。これは、厚みｔ₂ が１ｍｍを
超えると熱伝導性が低くなるためである。また、充填率
は５０％以上となるように高密度に充填することによっ
て熱伝導性を向上できる。

【００２９】さらに、絶縁粉体２に対し、シリコンオイ
ル等の耐熱性、絶縁性が良好な液体を含浸することによ
って、さらに熱伝導性を高くすることもできる。

【００３０】

【表１】

【００３１】一方有底筒状体３は、熱伝導性の良好な銅
やアルミニウム等の金属材を用いるが、必要に応じてス
テンレスや他の鉄系合金を用いることもできる。また、
この有底筒状体３の厚みｔ₁ は、熱効率を高くするため
に、１ｍｍ以下とすることが好ましい。

【００３２】さらに、セラミックヒータ１を成すセラミ
ックス体１１としてはアルミナ、窒化珪素等のセラミッ
クスを用い、発熱抵抗体１２としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ
等の高融点金属やＴｉＣ，ＴｉＮ，ＷＣ等の金属化合物
を用いる。そして、上記円柱状のセラミックヒータ１を
作製する場合は、例えばセラミックスのシート状成形体
に上記発熱抵抗体１２を成す材質をペースト状として所
定パターンに塗布し、このシート状成形体を別の円柱状
成形体の周囲を覆うように重ね合わせ、全体を焼成一体
化することによって得ることができる。

【００３３】なお、図では円柱状のセラミックヒータ１
と円筒状の有底筒状体３を示したが、これに限らず、角
柱状や板状等さまざまな形状とできることは言うまでも
ない。また、本発明のセラミックシーズヒータは、特に
浴槽用温水器等の液体加熱用に敵しているが、その他の
さまざまな用途にも好適に用いることができる。

【００３４】次に、請求項３の発明の実施形態を説明す
る。

【００３５】図３に示すセラミックシーズヒータは、基
本的に前述した実施形態と同様であるが、セラミックヒ
ータ１と有底筒状体２との接合構造に特徴がある。

【００３６】即ち、有底筒状体２の開口部には、筒状の
フランジ部材２０を接合してあり、このフランジ部材２
０の有底筒状体２と反対側端部において、セラミックヒ
ータ１とフランジ部材２０の間に押圧部材２１を配置し
てある。

【００３７】この押圧部材２１は、内径がセラミックヒ
ータ１の外径とほぼ一致する円筒状体であり、先端外周
にネジ部２１ａを備え、一方、フランジ部２０側の内径
にもネジ部２０ａを備えている。そして、押圧部材２１
をこのネジ部２０ａに螺着することによって、絶縁粉体
２を押圧し、充填密度を高めることができる。

【００３８】また、押圧部材２１の後端側には切り欠き
２１ｂを形成し、この部分に接着剤２２を充填してセラ
ミックヒータ１と接合してある。この時、接合力を高め
るために、セラミックヒータ１側のセラミックス体１１
の表面に凹部１４を形成しておけばより好適である。例
えば、セラミックヒータ１を作製する際に最外周のセラ
ミックグリーンシートに孔を形成しておいて積層し、図
４に示すように、表面に凹部１４を形成することもでき
る。この場合、凹部１４は、直径０．５ｍｍ以上、深さ
０．１ｍｍ以上とすることが好ましく、接着材２２とし
て、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、又は，無機接着剤を
用いる。

【００３９】このように、押圧部材２１を備えたことに
よって、絶縁粉体２の充填密度を高めて熱伝導率を向上
できるとともに、有底筒状体２に対してセラミックヒー
タ１を強固に位置決めできるため、使用中にセラミック
ヒータ１の位置がずれることを防止できる。

【００４０】また、上記実施形態では押圧部材２１を螺
着する構造を示したが、螺着以外でも、絶縁粉体２を押
圧できるような接合構造であれば良い。

【００４１】さらに、フランジ部材２０には外周面側に
もネジ部２０ｂを備えており、他部材との接合を容易に
してある。なお、この実施形態では有底筒状体２とフラ
ンジ部材２０を別体として接合したが、両者を一体形成
することもできる。

【００４２】また、上記セラミックヒータ１や有底筒状
体２の材質は図１、２の実施形態と同様であり、フラン
ジ部材２０、押圧部材２１は、有底筒状体２と同様にス
テンレス、銅、黄銅、チタン等の金属で形成する。さら
に、絶縁粉体３の材質は、図１、２の実施形態に示した
窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）、窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）に限らず、
Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯを用いることもでき、また絶縁粉体
の代わりにＣｕ、Ａｌ等の金属粉末を用いることもでき
る。また、接着剤２２としては、エポキシ系、シリコン
系等の樹脂、ガラス、無機接着剤等を用いる。

【００４３】次に、本発明のセラミックシーズヒータを
用いた流体加熱装置を説明する。

【００４４】図５に示す流体加熱装置は、セラミックヒ
ータ１を絶縁粉体２を介して金属製の有底筒状体３に挿
入し、この有底筒状体３と金属外管３０とを接合して構
成される。また、この金属外管３０には、入水ホース３
１と吐水ホース３２を接合してあり、セラミックヒータ
１に通電し、加熱しながら、入水ホース３１より水等の
流体を供給すれば、加熱されて吐水ホース３２より外部
へ送り出すことができる。

【００４５】このとき、セラミックヒータ１は有底筒状
体３で覆われているため、流体が接触しない。そのた
め、ヒートショックによるクラックの発生や、水垢の付
着を防止できる。

【００４６】なお、図２では有底筒状体３の開口部をパ
ッキン３３で塞いだが、図３に示すような押圧部材を備
えれば、より好適である。

【００４７】次に、請求項４の発明の実施形態を説明す
る。

【００４８】図６に示す流体加熱装置は、セラミックヒ
ータ１を成すセラミックス体１１を筒状に形成し、この
セラミックス体１１の外周面と内周面の両方を、絶縁粉
体２を介して二重の有底筒状体３で覆い、この有底筒状
体３と金属外管３０を接合してある。また、上記有底筒
状体３のうち、セラミックス体１１の内周面を覆う内管
３ａはセラミックヒータ１の後端まで導出して、入水パ
イプ３１と接合し、吐水パイプ３２は金属外管３０に備
えてある。

【００４９】いま、セラミックヒータ１に通電し、加熱
しながら、入水ホース３１より水等の流体を供給すれ
ば、内管３ａを通過する際にセラミックヒータ１の内面
で加熱され、金属外管３０を通過する際にセラミックヒ
ータ１の外面で加熱されることになり、効率的に加熱す
ることができる。

【００５０】

【実施例】実施例１ 請求項１、２の発明の実施例として、図１、２に示すセ
ラミックシーズヒータを作製した。

【００５１】アルミナセラミックスからなるセラミック
ス体１１に、Ｗからなる発熱抵抗体１２を埋設し、直径
１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの円柱状セラミックヒータ１
を作製した。一方、ステンレスからなり、外径１１．５
ｍｍ、内径１０．５ｍｍ、長さ１２２ｍｍの有底筒状体
３中に上記セラミックヒータ１を挿入して、両者が接触
しないように保持する。これらの隙間に窒化ホウ素又は
炭化珪素からなる絶縁粉体２を充填し、有底筒状体３を
振動させて絶縁粉体２の充填密度を高くする。最後に、
セラミックヒータ１のリード線１３に絶縁パイプ（不図
示）を備え、後端部に金属製のカバー４を配置して、有
底筒状体３の後端部でかしめて固定した。

【００５２】なお、絶縁粉体２を充填する場合は、以下
のようにすることもできる。即ち、有底筒状体３とセラ
ミックヒータ１との隙間に、絶縁粉体２を分散剤を併用
して溶媒中に分散させたスラリーを充填し、その後加熱
して溶媒を蒸発させることもできる。

【００５３】以上のように、本発明実施例として、絶縁
粉体２が窒化ホウ素又は炭化珪素からなり、その充填時
の厚みｔ₂ が０．２５ｍｍのセラミックシーズヒータを
得た。

【００５４】一方比較例として、絶縁粉体２の代わりに
金属（銅）粉末を充填し、他は全て上記実施例と同様に
してシーズヒータを作製した。

【００５５】これら、本発明実施例と比較例について、
１００Ｖの電圧を印加して水加熱用に用いた場合の加熱
効率を比較した後、それぞれ規定値以上の電圧を印加し
て意識的にセラミックヒータ１にクラックを発生させ
た。この時の、発熱抵抗体１３と有底筒状体３間の抵抗
値Ｒと、使用時に水中に発生する漏れ電流を測定した。

【００５６】結果は表２に示す通りである。この結果よ
り、比較例ではクラックが生じた時の発熱抵抗体１３と
有底筒状体３間の抵抗値が低く、水中に１０ｍＡを超え
る漏れ電流が流れたため、感電等の恐れがあった。

【００５７】これに対し、本発明実施例では、クラック
が生じても発熱抵抗体１３と有底筒状体３間の抵抗値Ｒ
が１０⁴ Ωを超えているため、水中の漏れ電流を１０ｍ
Ａ以下とすることができ、感電の恐れはなかった。ま
た、絶縁粉体２が充分な熱伝導性を有するため、水を良
好に加熱することができた。

【００５８】

【表２】

【００５９】実施例２ 次に、請求項４の発明の実施例として、図６に示す流体
加熱装置を試作した。外径８ｍｍ、全長１２０ｍｍ、発
熱部長さ８５ｍｍのアルミナ製セラミックヒータ１を、
外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍの有底筒状体３に挿入し
た。この装置に、３リットルの水を流し、２５℃から４
５℃まで５分間で昇温させた。

【００６０】この時の平均電力は９０６．１Ｗで、熱効
率９２．４％であった。なお、比較例として有底筒状体
３を備えない装置についても同様の測定を行ったとこ
ろ、平均電力９０２．２Ｗで熱効率９２．８％であっ
た。この結果より、本発明の流体加熱装置は、有底筒状
体３を備えていても、従来例と同様に優れた熱効率を示
すことがわかる。

【００６１】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明によれば、
金属製の有底筒状体中に、絶縁性粉体を介在させて、発
熱抵抗体を埋設したセラミックス体を挿入固定して成る
セラミックシーズヒータにおいて、上記セラミックス体
にクラックが生じた時の発熱抵抗体と有底筒状体間の抵
抗値を１０⁴ Ω以上としたことによって、万一セラミッ
クス体にクラックが生じたような場合でも、漏電や感電
を防止することができる。

【００６２】また、請求項２の発明によれば、上記絶縁
性粉体として、熱伝導率０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ
・℃以上の窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、
炭化珪素の一種以上を用いることによって、熱伝導性を
高くして、ヒータとしての熱効率を高くすることができ
る。

【００６３】さらに、請求項３の発明によれば、金属製
の有底筒状体中に、粉体を介在させて、発熱抵抗体を埋
設したセラミックス体を挿入固定して成るセラミックシ
ーズヒータにおいて、上記有底筒状体の開口部とセラミ
ックス体の間に粉体を押圧する部材を配置したことによ
って、押圧部材で粉体を加圧して充填密度を向上させる
とともに、有底筒状体とセラミックス体との位置ずれを
防止することができる。

【００６４】また、請求項４の発明によれば、発熱抵抗
体を埋設した筒状のセラミックス体を、該セラミックス
体の内周面及び外周面を覆うような二重の有底筒状体で
覆い、両者の間に粉体を介在させるとともに、上記有底
筒状体の内面側及び外面側の両方に流体を通過させるよ
うにして流体加熱装置を構成したことによって、効率的
に流体を加熱することができる。

【００６５】以上のように、本発明によれば、熱効率に
優れるとともに、漏電や感電を防止できる安全性の高い
セラミックシーズヒータを得ることができ、浴槽用温水
器等の流体加熱装置として好適に使用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックシーズヒータを示す縦断面
図である。

【図２】図１中のＸ−Ｘ線断面図である。

【図３】本発明のセラミックシーズヒータを示す縦断面
図である。

【図４】図３に示すセラミックヒータの部分側面図であ
る。

【図５】本発明のセラミックシーズヒータを用いた流体
加熱装置の断面図である。

【図６】本発明のセラミックシーズヒータを用いた流体
加熱装置の断面図である。

【符号の説明】

１：セラミックヒータ １１：セラミックス体 １２：発熱抵抗体 １３：リード線 １４：凹部 ２：絶縁粉体 ３：有底筒状体 ４：カバー ２０：フランジ部材 ２１：押圧部材 ２２：接着剤 ３０：金属外管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属製の有底筒状体中に、絶縁粉体を介在
   させて、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体を挿入固
   定して成り、上記セラミックス体にクラックが生じた時
   の発熱抵抗体と有底筒状体間の室温での抵抗値が１０⁴
   Ω以上であることを特徴とするセラミックシーズヒー
   タ。
2. 【請求項２】上記絶縁粉体が、熱伝導率０．０６ｃａｌ
   ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の窒化ホウ素、窒化珪素、窒化
   アルミニウム、炭化珪素の一種以上からなることを特徴
   とする請求項１記載のセラミックシーズヒータ。
3. 【請求項３】金属製の有底筒状体中に、粉体を介在させ
   て、発熱抵抗体を埋設したセラミックス体を挿入固定し
   て成り、上記有底筒状体の開口部とセラミックス体の間
   に粉体を押圧する部材が配置してあることを特徴とする
   セラミックシーズヒータ。
4. 【請求項４】発熱抵抗体を埋設した筒状のセラミックス
   体を、該セラミックス体の内周面と外周面を同時に覆う
   ような二重の有底筒状体に挿入し、両者の間に粉体を介
   在させるとともに、該有底筒状体の内面側及び外面側の
   両方に流体を通過させるようにしたことを特徴とする流
   体加熱装置。