JPWO2013146777A1

JPWO2013146777A1 - 管状ヒーター

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Publication number: JPWO2013146777A1
Application number: JP2014507913A
Authority: JP
Inventors: 英徳中間
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2015-12-14
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: JP5766348B2; CN104206004A; CN104206004B; WO2013146777A1

Abstract

本発明の管状ヒーターは、内側に流体の流路となる空間を有する管状の絶縁基体と、絶縁基体の内部に埋設された、発熱部を有する抵抗体とを含み、絶縁基体の内壁は、流路の長さ方向に垂直な面の断面積が上流側から下流側にかけてほぼ一定のまま流路の長さ方向に垂直な面の形状が変化する変化領域を有する。

Description

本発明は、流体加熱用ヒーター等に用いられる管状ヒーターに関するものである。

管状ヒーターとして、図１１に示すように、流体の流路９０２を備えた管状のセラミック基体９０１と、管状のセラミック基体９０１の内部に埋設され、流路９０２の周囲にほぼ均等に配置された線状の抵抗発熱体９０３とを有するものが提案されている（特許文献１を参照）。

しかしながら、図１１に示す管状ヒーターでは、流路９０２の断面形状が上流側から下流側にかけて一定であって、流路９０２を流れる流体への伝熱効率が高いとは言えないことから、被加熱物である流体を所定の温度まで加熱する際に、流体が暖まりにくく、流体が所定の温度になるまでの加熱時間が比較的長くかかるという問題がある。

そこで、図１２に示すように、流路９０２として、径の異なる複数の流路部が接続された構成とすることで、流体の流速を減速させることによって流体の滞留時間を増やし、伝熱効率を高めることも提案されている（特許文献１を参照）。

しかしながら、図１２に示す管状ヒーターによっても、流体が液体の場合には流路径の大きな領域に沸騰時の気泡等が溜まったり、流体が停滞したりする等して、伝熱効率の向上が十分ではない。

一方、ヒーターを用いて被加熱物となる流体を加熱する際に、必要時のみ電源を供給し、より短時間で所望の温度に到達させるといったランニングタイムの短縮要求が高まってきている。ここで、ランニングタイムの短縮を達成させる手段のひとつとして、予め目的とした加熱温度以下で予備加熱をしておき、必要時に流体を必要温度まで加熱し、所望の温度までの到達時間を短くするといった手段が挙げられる。しかし、近年の省エネ要求に鑑みれば、必要時のみ電源を供給し、より効率よく加熱するようにできるのが望ましい。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、伝熱効率が良く、流体を予定の温度まで短時間で昇温することができる管状ヒーターを提供することにある。

特開２００４−１８５９２９号公報

本発明の管状ヒーターは、内側に流体の流路となる空間を有する管状の絶縁基体と、該絶縁基体の内部に埋設された、発熱部を有する抵抗体とを含み、前記絶縁基体の内壁は、前記流路の長さ方向に垂直な面の断面積が上流側から下流側にかけてほぼ一定のまま前記流路の長さ方向に垂直な面の形状が変化する変化領域を有する。

本発明の管状ヒーターの実施の形態の一例を示す概略図である。図１に示す管状ヒーターの左側面図である。図１に示す管状ヒーターの右側面図である。図１に示す管状ヒーターの抵抗体の例を示す概略透視図である。図４に示すＡ−Ａ線における横断面図である。図４に示すＢ−Ｂ線における横断面図である。本発明の管状ヒーターの実施の形態の他の例を示す概略図である。本発明の管状ヒーターの実施の形態の他の例を示す概略透視図である。本発明の管状ヒーターの実施の形態の他の例を示す概略図である。図９に示す管状ヒーターの概略縦断面図である。従来のヒーターの一例を示す概略透視図である。従来のヒーターの他の例を示す概略透視図である。

以下、本発明の管状ヒーターについて実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の管状ヒーターの実施の形態の一例を示す概略透視図であり、図２は図１に示す管状ヒーターの左側面図、図３は図１に示す管状ヒーターの右側面図である。本実施形態の管状ヒーターは、内側に流体の流路２となる空間を有する管状の絶縁基体１と、絶縁基体１の内部に埋設された、発熱部７を有する抵抗体６とを含み、絶縁基体１の内壁は、流路２の断面積が上流側から下流側にかけてほぼ一定のまま流路２の断面形状が変化する変化領域１０を有することを特徴とするものである。

絶縁基体１としては、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を備えたセラミックスを用いることができる。具体的には、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を用いることができる。中でも、耐酸化性の点からは、アルミナ質セラミックスを用いることが好ましい。また、被加熱物である流体への熱伝導性の点からは、高純度のアルミナ質セラミックスや窒化アルミニウム質セラミックスを用いてもよい。

絶縁基体１は管状に形成されていて、図４に示すように、内側には流体の流路２となる空間を有している。また、流路２を取り巻く管状の絶縁基体１の内部には、発熱部７を有する抵抗体６が埋設されている。

具体的には、絶縁基体１は厚みの薄い端部領域１１と厚みの厚い中央領域１２とを有していて、中央領域１２の内部に抵抗体６が埋設されている。例えば、絶縁基体１の長さ（流路２の長さ）は４０〜２００ｍｍで、厚みの薄い端部領域１１の長さは０．５〜１５ｍｍ、厚みの厚い中央領域１２の長さは３０〜１９０ｍｍである。また、流路２の直径は、例えば４〜２０ｍｍである。このような形状であるのは後述する製造方法によって作製されることによるが、特にこの形状に限定されるものではない。

抵抗体６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した導電体からなる。例えばスクリーン印刷法または転写法によって抵抗体６を形成する場合は、これらの高融点金属を主成分とする導電性ペーストが用いられる。

ここで、図４に示すように、抵抗体６は加熱領域となる発熱部７と非加熱領域となる引き出し部８とを備えているのが好ましい。

非加熱領域となる引き出し部８を設けることで、パッド５にろう付けや半田付け等の手段でリード端子４が接続される給電部３の温度上昇が抑制され、熱疲労によってクラックが発生したり加熱による酸化で接触不良が生じたりするのを抑制することができる。したがって、漏電や断線といった故障が抑制された、より長寿命で信頼性の高い管状ヒーターを提供することが可能になる。

給電部３の温度が５０℃以下となるような低温で使用をする場合にはこの限りではないが、給電部３の接続信頼性を高めるためには、発熱部７と引き出し部８とを有する構成にすることがよい。なお、配線パターンの線幅や厚みを異ならせることで、発熱部７と引き出し部８とを明確に区別できる配線パターンとすることができる。

また、発熱部７が絶縁基体１の一端側に設けられているとともに、抵抗体６の端部が発熱部７に対応する位置よりも絶縁基体１の他端側で絶縁基体１の表面に導出されていることが好ましい。このような構成であれば、抵抗体６の端部に接続される給電部３が温度上昇しにくくなるため、接触不良がなく安定した加熱が可能になるとともに、漏電や断線がない長寿命で信頼性の高い管状ヒーターとすることができる。

さらに、図４〜６に示すように、加熱領域を形成する発熱部７は、例えば管状の絶縁基体１の周方向にわたってほぼ均等な間隔に配置されている。また、抵抗体６は発熱部７の他に非加熱領域となる引き出し部８を有していて、引き出し部８も発熱部７と同様に周方向にわたってほぼ均等な間隔に配置されている。

これにより、均一な温度分布となり、ヒートショック割れが生じるといった不具合を低減させる効果がある。また、絶縁基体１を焼成する際に、焼結バランスが崩れてクラックが生じるといった不具合も低減させる効果がある。

そして、絶縁基体１の内壁は、流路２の断面積が絶縁基体１の一端側から他端側にかけてほぼ一定のまま流路２の断面形状が変化する変化領域１０を有している。本実施形態においては、絶縁基体１は中央領域１２の一端から他端にかけて連続的に断面形状が変化している。すなわち、本実施形態においては、中央領域１２の内壁の全体が変化領域１０になっている。そのため、図２および図３に示すとおり、絶縁基体１の一端面の形状と他端面の形状とが異なる。なお、絶縁基体１に部分的に変化領域１０が設けられていてもよい。

ここで、変化領域１０における断面形状が変化するとは、急激に変化していることではなく、緩やかに変化していることである。より具体的には、「断面形状が変化している」状態とは、以下の状態をいう。すなわち、図５に示すように、絶縁基体１の長さ方向に垂直な横断面のうちの１つの面において、内径が最大となる方向の軸をＸ軸とし、それと直角に交わる方向の軸をＹ軸として、Ｘ軸方向の長さをＹ軸方向の長さで割った値をＲ１とする。さらに、図６に示すように、絶縁基体１の長さ方向に垂直な横断面のうちの他の面において、先ほどのＸ軸方向の長さをＹ軸方向の長さで割った値をＲ２とする。このとき、Ｒ１の値とＲ２の値とが０．５％以上異なる場合には、「断面形状が変化している」と見なす。

このように絶縁基体１に変化領域１０を設けることによって、流路２において気泡等の溜まりが発生することを抑制できる。また、流路２の内部を流れる流体（被加熱物）に乱流が発生し、流体に対する伝熱効率が良くなる。したがって、流体が暖まりやすく、短時間で目的の温度まで暖めることが可能となる。

ここでいう、断面積がほぼ一定とは、断面積の平均値に対して±５％以下の面積の差の範囲内であることをいう。この構成によれば、流路２に凹凸が無くなめらかな変化であるため、流体が液体である場合において、液体が流れる際の気泡等の巻き込みが無くなり、伝熱効率が良くなる。

なお、断面形状の変化していること、および断面積が一定であることの確認には以下の方法を用いることができる。例えば、変化領域１０を５ｍｍ間隔で輪切りにして、断面をMitsutoyo社製Measuring Microscopeを用いて、前述したＲ１およびＲ２ならびに断面積を測定すればよい。

また、図７に示すように、一端側の断面と他端側の断面とがそれぞれ楕円形状であるとともに、中央部において断面が円形状になっているような形状変化になっていてもよい。また、一端側の断面と他端側の断面とが円形状であるとともに、中央部において断面の形状が円形状から最も大きく変化しているような形状変化になっていてもよい。

変化領域１０が所望の領域のみに設けられている場合としては、例えば図８に示すように、発熱部７が絶縁基体１の一端側に設けられているとともに、変化領域１０が絶縁基体１の他端側に設けられているとよい。これにより、絶縁基体１の他端側から流体を流したときに、変化領域１０において流体が乱流になった後に、発熱部７において流体を加熱することができる。これにより、流体を加熱しやすくすることができ、より短時間で目的の温度まで暖めることが可能となる。

絶縁基体１の内側に設けられた流路２に設けられた形状が変化する部分が多いほど、流路２内を通過する流体に与える乱流発生効果が大きくなり、より伝熱効率が良くなるという効果が得られる。

そこで、図９に示すように、変化領域１０が複数ある構成であって、さらに絶縁基体１の一端側から他端側にかけて流路２の断面積がほぼ一定のまま流路２の断面形状が変化していることが好ましい。なお、図９は本発明の管状ヒーターの実施の形態の他の例を示す概略透視図であり、図１０は図９に示す管状ヒーターの縦断面図である。

絶縁基体１の一端側から他端側の全域にかけて繰り返し断面形状を変化させた変化領域１０を設けることで、流路２に設けられた形状が変化する部分がより多くなるため、流路２内を通過する流体に与える乱流発生効果がより大きくなり、より伝熱効率が良くなるという効果が得られるからである。

なお、図１〜図１０に示す管状ヒーターは、流路２の断面形状の変化に伴って絶縁基体１の外形も変化したものとなっているが、このような構成に限らず、絶縁基体１の外形は変化しないもの（縦断面で見て真っ直ぐな形状）であってもよい。

また、発熱部７が絶縁基体１の一端側に設けられているとともに、発熱部７に対応する領域に変化領域１０が設けられていてもよい。この場合は、発熱部７において乱流を発生させることができるので、流路２中の温度が比較的高い部分で流体を加熱しやすくすることができる。

次に、本実施の形態の管状ヒーターの製造方法について説明する。

ここでは、絶縁基体１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。

まず、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とし、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）およびジルコニア（ＺｒＯ_２）が合計で１０質量％以内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。

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６となる所定のパターンを形成する。抵抗体６の形成方法としては、スクリーン印刷法、転写法、抵抗体埋設法が、あるいはその他の方法として金属箔を用いてエッチング法等によって形成する方法またはニクロム線をコイル状に形成して埋設する方法等があるが、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。また、抵抗体６は発熱部７と引き出し部８とからなるが、それぞれを別々な形成方法で形成してもよい。

また、セラミックグリーンシートの抵抗体６を形成する面とは反対側の面に、パッド５を抵抗体６の形成と同様に所定のパターン形状で形成する。

また、セラミックグリーンシートには、抵抗体６とパッド５とを電気的に接続するための孔加工およびスルーホール導体９を形成するための導体ペーストの充填を行なう。

抵抗体６、パッド５およびスルーホール導体９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。

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。

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付け、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、絶縁基体１となるアルミナ質一体成型体を得ることができる。この一体成型体に３０℃で８０％ＲＨの加湿状態にて種々の形状からなる型で荷重を加えて変形させた後、７０℃の乾燥室にて乾燥させることで、断面積がほぼ均一なまま断面形状を変化させた変化領域１０を有する一体成形体を形成することができる。

こうして得られた一体成型体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中（窒素雰囲気）で焼成することで、アルミナ質一体焼結体（絶縁基体１）を作製することができる。

次に、絶縁基体１に形成されたパッド５上に給電部３を形成時の下地となるめっきを施す。めっきは、ニッケルめっき、金めっき、スズめっき等が汎用的である。めっきを施す方法としては無電解めっきや電解めっき、バレルめっき等のめっき方法を目的に応じて選択するとよい。給電部３は端子やリードをろう付けで形成する方法や、縒り線を半田付けする方法で得られる。管状ヒーターの使用時の電流値を考慮し、太さや材質から選定するとよい。

以上の方法で本発明の管状ヒーターが得られる。

Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２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準備し、この表面にタングステンおよびモリブデンを主導電成分としてなる抵抗体用導電性ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。また、裏面にはタングステンを主導電成分としてなるパッド用導電性ペーストを同様にスクリーン印刷法にて印刷した。

具体的には、抵抗体は幅１ｍｍの５往復の蛇行形状にて発熱部を形成し、その両端部に接続する幅３ｍｍの引き出し部８を経て給電部の位置にて導出させた。

引き出し部の端部にはφ０．４ｍｍのスルーホールを形成し、タングステンを主導電成分としたペーストを注入することにより、パッドと抵抗体とを電気的に接続するスルーホール導体を形成した。ここで、スルーホール導体は５ｍｍ×６ｍｍの四角形状のパッドの対角線上に４箇所設け、それぞれのスルーホール導体間の距離を１ｍｍ以上となるようにした。

次に、準備したアルミナ質セラミックグリーンシートの抵抗体用導電性ペースト形成側に、略同一組成からなるアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布し、別で準備した絶縁基体となる円筒状のアルミナ質セラミック成型体の周囲に密着して、アルミナ質一体成型体を作製した。絶縁基体となるアルミナ質セラミック成型体は押し出し成型によって作製し、乾燥したものである。具体的には、アルミナ質セラミック成型体を押し出し成型し、その成型体に３０℃で８０％ＲＨの加湿状態にて種々の形状からなる型で荷重を加えて変形させた後、７０℃の乾燥室にて乾燥させることで、断面積がほぼ均一なまま断面形状を変化させた変化領域を持った絶縁基体を得た。

なお、絶縁基体の長さは９０ｍｍであり、厚みの厚い中央領域の長さは７０ｍｍ、厚みの薄い端部領域の長さは中央領域の両端に１０ｍｍずつであった。また、絶縁基体の内径（流路の直径）は６．５ｍｍで、中央領域の厚みは２．７５ｍｍ、端部領域の厚みは２．２５ｍｍであった。

ここで、作製した管状ヒーターのサンプルとして、まず図１に示す形態のアルミナ質一体成型体（試料１）を作製した。この管状ヒーターは、絶縁基体の一端側に発熱部が設けられているとともに、一端側の断面が円形状であって、他端側に向かうにつれて円形状から楕円形状に変化させたものである。

また、図７に示す形態のアルミナ質一体成型体（試料２）を作製した。この管状ヒーターは一端側の断面と他端側の断面とが楕円形状であるとともに、中央部において断面が円形状になっているような変化領域を有している。

また、部分的に変化領域を設けた型を使用することで、図８に示す形態のアルミナ質一体成型体（試料３）を作製した。この管状ヒーターは、絶縁基体の一端側に発熱部が設けられているとともに、他端側にのみ変化領域を有している。

また、加湿状態での荷重を加える際に全体的に変化領域を設けた型を使用することで、図９に示す形態のアルミナ質一体成型体（試料４）を作製した。

さらに、比較用の従来の構造として、流体の流通経路を押し出し加工で形成した後、内径加工で均一に加工し、一定の断面形状を有した形態のアルミナ質一体成型体（試料５）を作製した。

このようにして準備された各種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、アルミナ質一体焼結体を作製した。アルミナ質一体焼結体の表面には、前述のパッドを形成した。このパッドに無電解めっきにてニッケルめっきを施し、φ１．２ｍｍのニッケルワイヤーを銀ろうにてろう付けし、評価用の管状ヒーターを作製した。

作製した管状ヒーターについて、流入させる水の温度５℃、流量５００ｍｌ／ｍｉｎにて通過させ、この通過した水を一旦恒温水槽に入れてから再び入口側に戻して流入させることを繰り返して循環させて、作製されたいずれのセラミックヒーターにも４５℃時のヒーター電力が１０００Ｗとなる電力を与え、５リットルの水が４５℃になるまでの時間を比較評価した。なお、水温の測定は、恒温水槽にＫタイプ熱電対を槽内５カ所に設置して、その測温値の５カ所平均を加熱後の水温とすることで行なった。

その結果、比較例である試料５の管状ヒーターでは、水温が４５℃に到達するまでの時間が３分１０秒かかった。

これに対し、本発明の実施例である試料１〜４の管状ヒーターでは、それぞれ２分３０秒（試料１）、２分１０秒（試料２）、１分４０秒（試料３）および１分１０秒（試料４）で、それぞれ５リットルの水を４５℃に加熱することができた。

このように、試料１〜４の管状ヒーターは、比較例である試料５の管状ヒーターよりも伝熱効率が良くなり、被加熱物である流体を短時間で目的の温度まで暖めることができた。これは、絶縁基体の内部に設けられた流路の形状変化により、流体に乱流が発生し、伝熱効率が良くなったためであると思われる。

なお、本発明の管状ヒーターは、流体を流すことによって、上述した作用効果を得ることができるが、粉体を含む固体または気体を加熱する際にも用いることができる。

また、本発明の管状ヒーターの用途としては、温水洗浄便座などが挙げられる。

１：絶縁基体
２：流路
３：給電部
４：リード端子
５：パッド
６：抵抗体
７：発熱部
８：引き出し部
９：スルーホール導体
１０：変化領域

Claims

内側に流体の流路となる空間を有する管状の絶縁基体と、該絶縁基体の内部に埋設された、発熱部を有する抵抗体とを含み、前記絶縁基体の内壁は、前記流路の長さ方向に垂直な面の断面積が上流側から下流側にかけてほぼ一定のまま前記流路の長さ方向に垂直な面の形状が変化する変化領域を有することを特徴とする管状ヒーター。
前記発熱部が前記絶縁基体の一端側に設けられているとともに、前記変化領域が絶縁基体の他端側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の管状ヒータ。
前記発熱部が前記絶縁基体の一端側に設けられているとともに、前記抵抗体の端部が前記発熱部に対応する位置よりも前記絶縁基体の他端側で前記絶縁基体の表面に導出されていることを特徴とする請求項１に記載の管状ヒーター。
前記変化領域を複数有することを特徴とする請求項１に記載の管状ヒーター。