JPH11185937A

JPH11185937A - 気化素子ヒ−タ

Info

Publication number: JPH11185937A
Application number: JP35831297A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Hashimoto; 勝人橋本; Masahide Akiyama; 雅英秋山; Kazunori Takenouchi; 一憲竹之内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】省エネタイプの高性能かつ高品質な気化素子ヒ
−タを提供する。【解決手段】比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上のセラミック
多孔質体２の内部に、化１で表されるペロブスカイト型
結晶構造のセラッミクスで構成した比抵抗１０^-2〜１０
０Ω・ｃｍの発熱体３を配設した気化素子ヒ−タ１【化１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気ヒータを用いた
各種電気加熱器具、とくに３００℃以上の高温加熱が必
要な石油ファンヒータに用いられる気化素子ヒ−タに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】石油を燃焼させて大きな熱量を得る石油
ファンヒータは、着火源によって効率よく燃焼させるた
めに、あらかじめ灯油を気化させている。この気化手段
としてブンゼン方式と呼ばれる方法があり、まず多孔質
体（気化素子）に灯油を含浸させた後、この多孔質体を
封入した容器の外側からヒータを使って、容器全体を加
熱し、しかる後に容器に設けた小孔から気化灯油を吹き
出させ、それに着火源を置くことで燃焼させるというも
のである。

【０００３】上記ブンゼン方式の気化器として、気化容
器の外側からアルミナ等からなるセラミックスヒータで
加熱する技術が提案されている（特開平４−２２２３０
６および特開平４−３６３５０９参照）。

【０００４】しかしながら、この技術においては、発熱
機能のない気化素子をいれた容器全体を外部に設置した
ヒ−タで間接的に加熱するので、非常に熱効率が低下
し、暖房開始までに２分以上の時間を要し、多大な電気
エネルギーを必要としていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、気化に至る所
要時間を短縮するために、気化容器内部に直接ヒータを
組み込んだ技術が提案されている（特開昭６１−２７６
６１４号、特開平１−２６９８０８号、特開平７−１６
７４０９号参照）。この技術においては、緻密質の炭化
珪素などからなるヒ−タの周囲に繊維物質や多孔質セラ
ミックスを抱き合わせた方式である。

【０００６】しかしながら、これら炭化珪素等の材料
は、常温から５００℃の温度範囲で比抵抗が１０³〜１
０⁴Ω・ｃｍと高いので、断面積を大きくして所要の抵
抗値を達成しているが、その反面、形状を大きくしてい
る。しかも、周囲に抱き合わせた繊維物質や多孔質セラ
ミックスの形状も大きくなるので、ヒータ全体の温度を
上昇させて、灯油の気化温度まで高めるには、多大な電
力消費になっていた。その上、容器形状も大きくするこ
とで、燃焼開始後、燃焼熱を利用して、灯油気化を維持
する（燃焼熱循環）までに多大な時間を要してした。

【０００７】また、実開平４−６８９５６号によれば、
導電性の多孔質セラミックスを液体に浸漬する構造の液
体蒸発装置が提示されているが、液体全体を蒸発温度ま
で高めるには、ヒ−タを高温度で長時間発熱させなけれ
ばならず、これにより、多大に電力消費し、しかも、大
きな電流値が得られないので、気化までの所要時間が短
縮できなかった。さらに上記導電性多孔質セラミックス
を露出した状態で気化装置内部にセットする構造では、
導電性多孔質セラミックスと気化装置との間で電気的に
絶縁にすることがむずかしく、そのため、漏電をおこし
ていた。加えて、常時多孔質セラミックスを液体に浸漬
する構造の場合、灯油気化に対して最適な気孔率や気孔
径を設定することが困難であった。

【０００８】したがって、本発明の目的は多孔質体の内
部に適当に比抵抗の小さい発熱体を配設し、その発熱体
の断面積を小さくして、さらに発熱体を囲む多孔質体も
小さくし、そして、灯油を気化温度まで高めるのに要す
る電力消費を少なくし、さらにその所要時間も短縮し、
これによって省エネタイプの高性能かつ高品質な気化素
子ヒ−タを提供することにある。

【０００９】また、本発明の他の目的は漏電が発生しな
い長期にわたって高い信頼性を達成した気化素子ヒ−タ
を提供することにある。

【００１０】さらにまた、本発明の他の目的は多孔質セ
ラミックスを使用するにしても、気孔率や気孔径を厳密
に設定しないことで、製造工程管理が容易になり、これ
によって製造コストを低減させた気化素子ヒ−タを提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の気化素子ヒ−タ
は、比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上のセラミック多孔質体
の内部に、化１で表されるペロブスカイト型結晶構造の
セラッミクスで構成した比抵抗１０^-2〜１００Ω・ｃｍ
の発熱体を配設したことを特徴とする。

【００１２】

【化１】

【００１３】本発明の他の気化素子ヒ−タは、上記セラ
ッミクスに含まれる不純物が５重量％以下であることを
特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図７により説明する。図１は本発明の気化素子ヒ−タ
を示す斜視図であり、図２は本発明の気化素子ヒ−タを
構成するヒ−タの斜視図である。また、図３は本発明の
気化素子ヒ−タを搭載した気化器の破断面図である。図
４は気化器の給電部構造を示す分解斜視図であり、図５
は図４に示す給電部構造の要部拡大断面図である。さら
にまた、図６は本発明の他の気化素子ヒ−タを示す分解
斜視図であり、図７はその気化素子ヒ−タを構成するヒ
ータの破断面図である。

【００１５】図１の気化素子ヒ−タ１は、セラミックス
からなる一対の半円柱形状の多孔質体２の間に、図２に
示す平板形状をなす発熱体３を挟み込んだ構造であっ
て、この発熱体３は抵抗値調整のために蛇行状に溝入れ
をおこなっている。４は発熱体３の電極部であって、こ
の電極部４には白金ペーストやモリブデン等のメタライ
ズ層を介して白金等からなる給電用金具を固定する。こ
の発熱体３は平板形状等の板状体の他に、円筒等の筒状
体、円柱や角柱等の柱状体でもよく、このような板状
体、筒状体もしくは柱状体にすることで、加工性および
強度の点で良好となる。

【００１６】また、図２に示すように発熱体３にスリッ
ト５を入れ、これによって発熱体のＬ寸法を調整しても
よい。そして、スリット５の配設数によって抵抗値を精
度よく調整できるとともに、発熱量を増加できる。

【００１７】また、上記構成の発熱体３において、電極
部４を、発熱体３の主要部に比べ厚くすることで、電極
部４を低抵抗化させ、温度上昇を防止することができ、
電極部４を発熱部３の主要部より低温に保つことがで
き、これにより、上記のような給電用金具の酸化に起因
する気化素子ヒ−タ全体の寿命低下を防止でき、Ａｓｓ
ｙ精度を長期にわたって維持することができる。たとえ
ば発熱体３の主要部の厚みを０．５〜１０ｍｍ、好適に
は１〜５ｍｍにした場合には、電極部４の厚みを１〜２
０ｍｍ、好適には２〜１０ｍｍにするとよい。

【００１８】上記多孔質体２は比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ
以上であるセラミックスで作製した。また、このセラミ
ックスの気孔率を２０〜５０％、好適には３５〜４５％
にすると、表面積が大きくなり、被加熱の液体を効果的
に加熱でき、そして、気化させる。気孔率が２０％未満
の場合には、灯油を充分に含浸・気化できず、加熱効率
が不十分となり、５０％を越えるとセラミックス多孔質
体強度が大幅に低下する。

【００１９】また、上記セラミックスの平均細孔径（多
孔質体全気孔の平均径）を５０〜２００μｍにすると、
灯油（粘性流体）を充分に含浸・気化することができる
が、平均細孔径が５０μｍ未満では灯油を充分含浸・気
化できず、加熱効率が不十分となり、２００μｍを越え
るとセラミックス多孔質体強度が大幅に低下する。

【００２０】本発明においては、上記発熱体３が十分に
高い発熱量を得るために、比抵抗を１０^-2〜１００Ω・
ｃｍ、好適には１０^-2〜１Ω・ｃｍにして、液体を直接
加熱し、瞬時に気化させることができた。そのための発
熱材料としては、下記の化１に示すペロブスカイト型の
結晶構造をもつセラッミクスがあり、一例としてランタ
ンカルシウムクロマイト（ＬａＣａＣｒＯ₃）がある。

【００２１】

【化１】

【００２２】上記比抵抗が１０^-2Ω・ｃｍ未満の場合に
は、発熱体の抵抗値が低すぎ、そこで、充分な発熱量を
得るために断面積を著しく小さくして、Ｌ寸法を長くす
る必要がある（たとえば断面積を３ｍｍ²、Ｌ寸法を１
００ｍｍにすると、抵抗値が約１Ωとなり、１００Ｗ程
度の発熱量を得るために１０Ａ以上の電流が必要とな
る）。したがって、発熱体自体細長くなり、絶縁ケース
等で支えなければ保持できない形状となる。

【００２３】また、比抵抗が１００Ω・ｃｍを越える場
合には、発熱体の抵抗値が高くなりすぎ、そこで、発熱
体の断面積を大きくして、Ｌ寸法を短くする必要がある
（たとえば断面積を１００ｍｍ²、Ｌ寸法を１００ｍｍ
にすると、抵抗値が約１ｋΩとなり、１００Ｖの電圧下
で０．１Ａの電流しか流れず、発熱量としては１０Ｗ程
度しか得られない）。そのために発熱体自体相当に大き
な形状となる。

【００２４】そして、上記発熱体３を比抵抗が１０¹⁰Ω
・ｃｍ以上の多孔質体２の内部に配設することで、電気
的な絶縁性が維持される。この多孔質体２は主にアルミ
ナセラミックス（Ａｌ₂Ｏ₃）により構成するが、助剤
としてＭｇＯ、ＳｉＯ₂を加える。その他にマグネシ
ア、ムライト、コージライト、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮなど
のセラミック多孔質体を使用してもよい。

【００２５】つぎに図３により上記構成の気化素子ヒ−
タ１を用いた気化器５でもって説明すると、気化器５の
容器６の内部には気化素子ヒ−タ１が組み込まれ、気化
素子ヒ−タ１の端には絶縁治具７が配設され、発熱体３
の電極部４からリード線８を引出し、このリード線８が
絶縁治具７を通して外部に導出されている。９は給油
管、１０は小孔（ニードル弁）であり、液体燃料を気化
することで、１０００倍程に体積膨張し、そのため、小
孔１０でもって気化した液体燃料が噴出される。

【００２６】たとえば、石油ファンヒータの場合には、
気化素子ヒ−タ１に対しあらかじめ灯油を電磁ポンプで
定量的で圧送し、しみ込ませる。そして、電源をＯＮに
すると直接加熱により瞬時に灯油の気化が始まり、小孔
１０から気化した灯油が噴出する。ここで、着火源によ
り点火すると灯油の燃焼がおこなわれ、その熱エネルギ
ーをファンによって室内循環させる。

【００２７】かくして本発明の気化素子ヒ−タ１におい
ては、比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上の多孔質体２の内部
に１０^-2〜１００Ω・ｃｍの比抵抗を有する発熱体３を
配設した気化素子ヒ−タ１を気化器５の内部に設けたこ
とで、従来の間接加熱方式に比べ、直接的に加熱でき、
すなわち、気化素子ヒ−タ１の多孔質体２に含浸させた
液体燃料にほぼ直接的に熱を与えることができるため、
効率的かつ短時間で燃料の気化をおこなうことができ、
これにより、暖房開始までの待ち時間が大幅に短縮で
き、しかも、電気エネルギーが大幅に削減できた。しか
も、気化素子表面が完全に絶縁されているため、気化器
に気化素子表面が接触するような構造をとっても漏電等
の心配がない。

【００２８】本発明においては、図６および図７に示す
他の気化素子ヒ−タ１ａでもよい。この気化素子ヒ−タ
１ａはセラミックスからなる一対の半円柱形状の多孔質
体２ａの間に、図６に示すような円柱状をなす発熱体３
ａを挟み込んだ構造である。そして、図７に示す気化器
５ａによれば、容器６ａの内部に気化素子ヒ−タ１ａを
装着し、気化素子ヒ−タ１ａの両端に電極金具１５を設
け、さらにリード線８で導出する。また、同様に電磁ポ
ンプで灯油を給油管９を通して定量的に圧送し、液体燃
料を気化することで、１０００倍程に体積膨張され、小
孔１０で気化した液体燃料が噴出される。

【００２９】（例１）本発明者は図１に示す本発明の気
化素子ヒ−タ１を用いたブンゼン式の石油ファンヒータ
用気化器を作製した。

【００３０】この気化素子ヒ−タ１の多孔質体２はアル
ミナで構成し、長さ６５ｍｍ、外径φ１５ｍｍの円柱体
を中心軸に沿って割断した半円柱形状である。

【００３１】また、発熱体３はランタンカルシウムクロ
マイト（Ｌａ_0.8Ｃａ_0.22ＣｒＯ₃）で構成し、長さ７
０ｍｍ、幅１３ｍｍ、厚み１．５ｍｍの平板形状であ
り、電極部４は厚さ３ｍｍ、高さ５ｍｍとした。さらに
抵抗値を調整するために、図２に示すように幅０．５〜
１ｍｍのスリット５を入れた。そして、この発熱体３を
多孔質体２で挟み込み、気化素子ヒ−タ１を作製した。

【００３２】上記多孔質体２を作製するには、Ａｌ₂Ｏ
₃を主成分とする原料にＳｉＯ₂や有機バインダー、水
等を添加し、混練し、円筒形状に押し出して成形した
り、あるいは上述の原料粉体にバインダー等を加え、ス
プレードライ装置によって造粒し、粉体の流動性、保形
性を向上させ、ついで乾式プレス装置によって成形す
る。しかる後にこの成形体を焼成し、所定の形状に研削
加工を施し、気孔率４５％、平均細孔径１１０μｍ、比
抵抗１×１０¹⁴の多孔質体２を得た。

【００３３】また、ランタンカルシウムクロマイトから
なる発熱体３については、原料粉体にバインダ−等を添
加し、スプレ−ドライ装置によって造粒し、その後、プ
レス成形し、その成形体を焼成し、所定の形状に研削加
工し、発熱体３を得た。

【００３４】かくして得られた気化素子ヒ−タ１を、図
３に示す気化器５にセットし、実際に灯油を気化させる
気化テストを実施した。本例においては、このテストに
使用した気化器５のさらに具体的な構造を図４と図５に
示す。

【００３５】同図において、多孔質体２で発熱体３を挟
み込み、発熱体３の電極部４にアルミナ、コ−ジライト
等からなるセラミックス板１１を当て、さらに白金ある
いはインコネルからなる電極金具１２とセラミックス板
１１との間で電極部４をネジ１３（インコネル、ＳＵＳ
等）で固定し、そして、気化素子ヒ−タ１を挿入口１４
に挿入し、担持する。また、白金やインコネルからなる
電極金具１２に接続したリード線８は耐熱絶縁樹脂から
なる絶縁治具７を介在させることで気化器５との間で電
気的な絶縁をなしている。

【００３６】上記構成の気化器５を用いて、電磁ポンプ
で毎分８ｃｃずつの灯油を送り、気化素子ヒ−タ１を加
熱すると、気化した灯油が小孔１０より噴出する。そし
て、着火源として別に設置した点火ヒータにより点火さ
せ、さらにファンヒータにより燃焼エネルギーを送風フ
ァンによって外部に送り出す。

【００３７】かかる気化テストにより灯油の気化状況を
調べたところ、毎分８ｃｃの灯油を３００℃の蒸気に変
換できた。すなわち、本発明の気化器５より毎時約４５
００ｋｃａｌの燃焼エネルギーを取り出すことができ
た。また、灯油を気化温度まで高めるのに要する時間は
約３０秒程度であり、従来の間接加熱方式の２分間、ま
た、本発明のペロブスカイト型結晶構造のセラミックス
を用いない気化器内蔵型ヒータの所要時間（１分３０
秒）と比べても、ヒートアップタイムが大幅に短縮でき
た。

【００３８】なお、本例ではアルミナ多孔質体を用いた
自己発熱型気化素子で実施したが、マグネシア多孔質体
を用いた自己発熱気化素子についても同様の優れた特性
が得られた。

【００３９】（例２）発熱体３を化１に示すペロブスカ
イト型の結晶構造をもつセラッミクスで構成した場合、
不純物量が発熱体の高温変形に、どのように及ぼすか、
下記のとおりに実験した。

【００４０】ランタンカルシウムクロマイト（組成Ｌａ
_0.8Ｃａ_0.23ＣｒＯ₃）の粉末中にＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉの
各不純物を表１に示すように、総量で０．３７〜５．６
７重量％の範囲になるように、それら酸化物粉末で添加
した。そして、この原料粉末を成形・焼成し、これによ
ってテストピ−スを製作した。

【００４１】

【表１】

【００４２】ついで、大気中１０００℃で２００時間焼
鈍して、変形率と外径の変化率（収縮率）を測定したと
ころ、表１に示すような結果が得られた。

【００４３】変形・収縮率測定には外径７ｍｍ、長さ１
００ｍｍの円柱状焼結体を、また、１０００℃電気抵抗
測定には３×３×６５ｍｍの角柱状焼結体を用いた。そ
して、変形率については、円柱状焼結体を電気炉に支点
間距離が８０ｍｍとなるように横置きに設置して、試料
のたわみ量を支点間距離８０ｍｍで除したもので、すな
わち、〔試料のたわみ量／支点間距離〕でもって示し
た。試料中の不純物量はＩＣＰ分析により測定し、Ａ
ｌ、Ｓｉ、Ｔｉの合量を示した。

【００４４】表１の結果から明らかなとおり、不純物総
量が５．０重量％を越える試料Ｎｏ．７の場合には変形
率、収縮率とも急激に大きくなった。したがって、試料
Ｎｏ．１〜６のように不純物総量が５重量％以下である
Ｌａ_0.8Ｃａ_0.23ＣｒＯ₃を用いるとよい。

【００４５】（例３）つぎに（例１）に示すブンゼン式
の石油ファンヒータ用気化器において、発熱体３の材質
を表２に示すようにＳｉＣ、ＭｏＳｉＯ₂、グラファイ
トおよび本発明のＬａＣａＣｒＯ₃の４とおりにして、
それぞれ図１および図２に示すような構造の気化素子ヒ
−タ１を作製し、抵抗値を測定した。また、同表には各
材質の比抵抗も示す。

【００４６】そして、灯油気化試験をおこなって、灯油
気化温度３００℃までの発熱試験をおこなって、その
後、実際に気化器５に組み込み、気化試験をおこなった
ところ、表２に示すような結果が得られた。

【００４７】

【表２】

【００４８】この表から明らかなとおり、本発明のＬａ
ＣａＣｒＯ₃材質を使用した場合には、３００℃まで定
電流２Ａで温度上昇し、灯油気化試験において良好であ
った。これに対し、ＳｉＣの場合には１００Ｖの電圧印
加に対し、抵抗値が大きいので、電流が流れなくなり、
そのために発熱しなかった。ＭｏＳｉＯ₂の場合には、
１００Ｖの電圧印加に対し、抵抗値が小さすぎるので、
大電流を流しても、３００℃まで温度上昇しなかった。
また、グラファイトを使用すると、酸化によって抵抗値
変化（抵抗値の上昇）が著しくなった。

【００４９】

【発明の効果】以上のとおり、本発明の気化素子ヒ−タ
によれば、比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上のセラミック多
孔質体の内部に、ペロブスカイト型結晶構造のセラッミ
クスで構成した比抵抗１０^-2〜１００Ω・ｃｍの発熱体
を配設したことで、発熱体の断面積を小さくして、さら
に発熱体を囲む多孔質体も小さくし、そして、灯油を気
化温度まで高めるのに要する電力消費を少なくし、さら
にその所要時間も短縮し、これによって省エネタイプの
高性能かつ高品質な気化素子ヒ−タが提供できた。

【００５０】また、本発明の気化素子ヒ−タによれば、
比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上のセラミック多孔質体を使
用したことで、漏電が発生しなくなり、長期にわたって
高い信頼性を達成した気化素子ヒ−タが提供できた。

【００５１】さらにまた、本発明の気化素子ヒ−タによ
れば、従来のように多孔質セラミックスの気孔率や気孔
径を厳密に設定しないでも、比抵抗を１０¹⁰Ω・ｃｍ以
上にするだけでよく、これによって製造工程管理が容易
になり、製造コストが低減できた。しかも、ペロブスカ
イト型結晶構造のセラッミクスに対し、不純物を５重量
％以下にすることで、変形率および収縮率ともに小さく
なり、このように不純物量を規定することで、高い品質
の気化素子ヒ−タが得られる点でも、生産管理が容易に
なった。

【００５２】しかも、本発明においては、下記のような
効果もある。

【００５３】（１）発熱体およびセラミック多孔質体を
所望形状に加工できるとともに、気化器内部を気化素子
ヒ−タにそった大きさにできるので、気化装置を小型化
にできた。

【００５４】（２）発熱体を高温まで昇温することによ
って、多孔質体細孔内部に堆積した灯油の未燃焼成分
（タ−ル）の分解が可能である。すなわち、定期的にタ
ールの燃焼温度である６００℃まで加熱させることによ
って、発熱体を挿入したセラミックス多孔質体の気孔の
目詰まりを防ぐことができ、長年の使用によって燃焼効
率の低下がなく、その結果、初期特性を長期間にわたっ
て維持することができた。

【００５５】（３）発熱体を高温まで昇温しても、電極
部は低温を維持することができ、電極部に使用した金属
金具の酸化による劣化を防ぎ、その結果、気化素子ヒ−
タの寿命低下を防止することができた。

【００５６】（４）燃焼熱の循環方式（従来の石油ファ
ンヒータは、点火前は気化器外側に取り付けられた加熱
用ヒータを発熱させ、その熱を気化器を通して気化素子
へ伝熱し、灯油気化をおこなっているが、点火後は加熱
用ヒータの発熱をストップし、燃焼炎を直接気化器の一
部にあて、その熱を気化器から気化素子へ伝え、灯油気
化をおこなっている。）を考慮した場合、本発明は気化
器内壁部と絶縁性セラミックス多孔質体のクリアランス
を極小化でき、これにより、燃焼熱を直接気化素子に伝
えることができ、伝熱効率を高くすることができた。

【００５７】（５）灯油を瞬時に気化できるため、不完
全燃焼ガスの発生が激減し、石油ファンヒ−タ特有の臭
いの発生が少なくなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の気化素子ヒ−タを示す斜視図である。

【図２】発熱体の斜視図である。

【図３】本発明の気化素子ヒ−タを搭載した気化器の破
断面図である。

【図４】気化器の給電部構造を示す分解斜視図である。

【図５】図４に示す給電部構造の要部拡大断面図であ
る。

【図６】本発明の他の気化素子ヒ−タを示す分解斜視図
である。

【図７】本発明の気化素子ヒ−タを構成するヒータの破
断面図である。

【符号の説明】１気化素子ヒ−タ２多孔質体３発熱体４電極部５スリット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上のセラミック
多孔質体の内部に、化１で表されるペロブスカイト型結
晶構造のセラッミクスで構成した比抵抗１０^-2〜１００
Ω・ｃｍの発熱体を配設したことを特徴とする気化素子
ヒ−タ。【化１】
【請求項２】前記セラッミクスに含まれる不純物が５重
量％以下であることを特徴とする請求項１の気化素子ヒ
−タ。