JPWO2020175564A1 - 熱交換ユニットおよびこれを備えた洗浄装置 - Google Patents
熱交換ユニットおよびこれを備えた洗浄装置 Download PDFInfo
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Abstract
熱交換ユニット（１）は、筒状のセラミック体（１１）、およびセラミック体（１１）に埋設された発熱抵抗体（１２）を含むヒータ（１０）と、筒状の入水部（２０）とを備える。入水部（２０）は、一方の端部（２０ａ）が、セラミック体（１１）の一端（１１ａ）の開口から、セラミック体（１１）の内部に挿入されており、一方の端部（２０ａ）の少なくとも一部が、発熱抵抗体（１２）におけるセラミック体（１１）の一端（１１ａ）側の端部よりも、セラミック体（１１）の他端（１１ｂ）側に位置している。
Description
本開示は、流体加熱装置、気体加熱装置、粉体加熱装置、酸素センサ、はんだごて等に用いられる熱交換ユニットおよびこれを備えた洗浄装置に関する。
従来技術の一例は、特許文献１に記載されている。
本開示の一つの態様の熱交換ユニットは、両端が開口した筒状のセラミック体、および前記セラミック体に埋設された発熱抵抗体を含むヒータと、
両端が開口した筒状の入水部であって、一方の端部が、前記セラミック体の一端の開口から、前記セラミック体の内部に挿入されており、前記一方の端部の少なくとも一部が、前記発熱抵抗体における前記セラミック体の一端側の端部よりも、前記セラミック体の他端側に位置している入水部と、を備える構成である。
両端が開口した筒状の入水部であって、一方の端部が、前記セラミック体の一端の開口から、前記セラミック体の内部に挿入されており、前記一方の端部の少なくとも一部が、前記発熱抵抗体における前記セラミック体の一端側の端部よりも、前記セラミック体の他端側に位置している入水部と、を備える構成である。
本開示の一つの態様の洗浄装置は、上記の熱交換ユニットを備え、外部の水源から前記入水部を介して導入した水を、前記ヒータにより加熱し、外部に流出させる構成である。
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本開示の熱交換ユニットが基礎とする構成である、洗浄装置に用いられる熱交換ユニットとして、内部に通水路を有する中空円筒状のヒータと、前記通水路に水を供給するための給水ラインと、を備えた熱交換ユニットが知られている。
被加熱流体を効率的に加熱可能な熱交換ユニットを提供することが求められている。本開示の熱交換ユニットが基礎とする構成の熱交換ユニットでは、ヒータの通水路を水が層流の状態で流れやすいため、水とヒータとの熱交換効率が低下し、水を効率的に加熱できないことがある。
以下、本開示の熱交換ユニットの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の熱交換ユニットを示す斜視図であり、図２は、本実施形態の熱交換ユニットを示す、図１とは異なる視点の斜視図であり、図３は、本実施形態の熱交換ユニットを示す断面図であり、図４は、本実施形態の熱交換ユニットにおけるセラミック体の展開図であり、図５は、本実施形態の熱交換ユニットを示す要部拡大断面図である。図６は、本実施形態の熱交換ユニットの変形例を示す要部拡大断面図であり、図７は、本実施形態の熱交換ユニットの他の変形例を示す要部拡大断面図である。図１，２では、熱交換ユニットにおけるヒータおよび入水部以外の部分を省略して図示している。図３，５〜７は、熱交換ユニットを模式的に示しており、図３，５〜７における貫通導体および電極パッドの位置は、正確に図示されたものではない。図２，４では、発熱抵抗体および引出導体にハッチングを付して示している。図４では、表層部における芯材に臨む面を展開して示している。図５は、図３に示すＡ部の拡大断面図である。図６，７に示す要部拡大断面図は、図５に示す要部拡大断面図に対応する。
熱交換ユニット１は、ヒータ１０と入水部２０とを備えている。ヒータ１０は、セラミック体１１と発熱抵抗体１２とを含んでいる。
セラミック体１１は、筒状の部材であり、一端１１ａおよび他端１１ｂが開口している。セラミック体１１は、三角筒状、四角筒状、円筒状、楕円筒状等であってもよく、その他の形状であってもよい。熱交換ユニット１では、例えば図１，２に示すように、セラミック体１１は円筒状とされている。
セラミック体１１は、絶縁性のセラミック材料から成る。セラミック体１１で用いられ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、窒化アルミニウム等が挙げられる。耐酸化性を有し、製造しやすいという観点からは、アルミナを用いることができる。高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性に優れるという観点からは、窒化珪素を用いることができる。熱伝導に優れるという観点からは、窒化アルミニウムを用いることができる。
セラミック体１１の内周面１１ｃおよび外周面１１ｄは、少なくとも一方が金属材料から成る被覆層によって被覆されていてもよい。これにより、セラミック体１１の耐蝕性を向上させることができ、ひいては、熱交換ユニット１の耐久性を高めることが可能になる。被覆層に用いられる金属材料としては、例えば、銀、金、銅、ニッケル等を含む金属材料が挙げられる。被覆層の外表面には、酸化膜が形成されていてもよい。
セラミック体１１は、例えば図１〜３，５〜７に示すように、芯材１１ｅと表層部１１ｆとを有している。芯材１１ｅは、両端が開口した円筒状の部材である。表層部１１ｆは、芯材１１ｅの外周面に配設されている。表層部１１ｆは、芯材１１ｅの外周面の全てを覆っていてもよく、芯材１１ｅの外周面の一部のみを覆っていてもよい。熱交換ユニット１では、セラミック体１１の軸線方向（以下、単に、軸線方向ともいう）における芯材１１ｅの両端部が、表層部１１ｆによって覆われておらず、露出している。芯材１１ｅは、例えば、軸線方向における全長が３０ｍｍ〜１５０ｍｍであり、外径が１０ｍｍ〜２０ｍｍであり、内径が８ｍｍ〜１８ｍｍである。表層部１１ｆは、例えば、軸線方向における全長が２８ｍｍ〜１４８ｍｍであり、厚みが０．２ｍｍ〜１ｍｍである。
セラミック体１１の外周面１１ｄには、軸線方向に延びる凹部１１ｇが形成されていてもよい。凹部１１ｇは、例えば図１，２に示すように、表層部１１ｆが芯材１１ｅの外周面の全てを覆っておらず、芯材１１ｅの外周面の一部が露出することにより形成されていてもよい。凹部１１ｇは、軸線方向における表層部１１ｆの全長にわたって設けられていてもよく、軸線方向における表層部１１ｆの一部のみに設けられていてもよい。
発熱抵抗体１２は、導電性を有する、線状または帯状の部材である。発熱抵抗体１２は、電流が流れることによって発熱し、セラミック体１１を介して、被加熱流体を加熱する。発熱抵抗体１２は、セラミック体１１に埋設され、一端１１ａ側と他端１１ｂ側との間に延びている。熱交換ユニット１では、例えば図２，３，５〜７に示すように、発熱抵抗体１２は、芯材１１ｅと表層部１１ｆとの間に配設されている。発熱抵抗体１２は、芯材１１ｅの露出した外周面には配設されていなくてもよい。
発熱抵抗体１２は、高融点の金属を主成分とする導電性材料から成る。発熱抵抗体１２で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。発熱抵抗体１２は、セラミック体１１の形成材料を含んでいてもよい。発熱抵抗体１２の寸法は、発熱抵抗体１２の発熱温度、発熱抵抗体１２に印加する電圧等に応じて適宜設定される。発熱抵抗体１２は、例えば、幅を０．３ｍｍ〜２ｍｍとし、厚みを０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍとし、全長を５００ｍｍ〜５０００ｍｍとすることができる。セラミック体１１は、発熱抵抗体１２に含まれる金属元素の化合物を含有していてもよい。例えば、発熱抵抗体１２にタングステンまたはモリブデンが含まれている場合には、セラミック体１１は、タングステンシリサイド（ＷＳｉ２）または二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）を含有していてもよい。
発熱抵抗体１２は、セラミック体１１の一端１１ａ側と他端１１ｂ側との間で折り返して往復した形状の導体パターンを有していてもよい。熱交換ユニット１では、例えば図２，４に示すように、発熱抵抗体１２は、セラミック体１１の周方向に沿って一端１１ａ側と他端１１ｂ側との間で繰り返して折り返して往復した形状の導体パターンを有している。すなわち、発熱抵抗体１２は、複数の直線状部分１２ａと複数の折り返し部分１２ｂとを含むミアンダ状の導体パターンを有している。複数の直線状部分１２ａは、軸線方向に沿って延び、それぞれが間隙を介して並設されている。複数の折り返し部分１２ｂは、軸線方向に垂直な断面で見たときに、セラミック体１１の周方向に沿って延び、隣り合う直線状部分１２ａの端部同士を接続している。折り返し部分１２ｂは、例えば図２，４に示すような直線形状であってもよく、曲線形状であってもよい。発熱抵抗体１２の横断面は、円形状、楕円形状、矩形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。
ヒータ１０は、引出導体１３と、貫通導体１４と、電極パッド１５とをさらに含んでいる。発熱抵抗体１２は、引出導体１３、貫通導体１４および電極パッド１５を介して、外部回路（外部電源）に電気的に接続される。
引出導体１３は、線状または帯状の部材である。引出導体１３は、例えば図３，５〜７に示すように、芯材１１ｅと表層部１１ｆとの間に配設され、軸線方向に延びている。引出導体１３は、一方の端部が、発熱抵抗体１２に接続されており、他方の端部が、発熱抵抗体１２に接続された一方の端部よりも、セラミック体１１の一端１１ａ側に位置している。
引出導体１３は、例えば高融点の金属を主成分とする、導電性材料から成る。引出導体１３で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。引出導体１３は、セラミック体１１の形成材料を含んでいてもよい。
引出導体１３は、発熱抵抗体１２よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。引出導体１３は、セラミック体１１の形成材料の含有量を発熱抵抗体１２よりも少なくすることによって、発熱抵抗体１２よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。あるいは、引出導体１３は、引出導体１３の横断面の面積を発熱抵抗体１２の横断面の面積よりも大きくすることによって、発熱抵抗体１２よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。
貫通導体１４は、セラミック体１１の内部に配設され、セラミック体１１の径方向に延びている。熱交換ユニット１では、貫通導体１４は、セラミック体１１の表層部１１ｆを貫通している。貫通導体１４は、一方の端面が、引出導体１３の、発熱抵抗体１２に接続されていない他方の端部に接続され、他方の端面が、セラミック体１１の外周面１１ｄに露出している。
貫通導体１４は、例えば高融点の金属を主成分とする、導電性材料から成る。貫通導体１４で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。貫通導体１４は、セラミック体１１の形成材料を含んでいてもよい。
電極パッド１５は、セラミック体１１の外周面１１ｄに配設されている。電極パッド１５は、貫通導体１４の、外周面１１ｄに露出している端面を覆っている。電極パッド１５には、リード端子が接合されており、電極パッド１５は、このリード端子を介して、外部回路（外部電源）と電気的に接続される。電極パッド１５は、導電性材料から成る。電極パッド１５で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデン等からなる導電性材料が挙げられる。また、電極パッド１５の外表面には、例えば、ニッケル−ボロン、金等からなるめっき層が設けられていてもよい。電極パッド１５は、例えば、厚みが１０μｍ〜３００μｍであり、長さおよび幅が１ｍｍ〜１０ｍｍである。
入水部２０は、両端が開口した筒状の形状を有している。入水部２０は、外部から供給される、例えば水である被加熱流体を、セラミック体１１の内部に導入するための部材である。セラミック体１１の内部とは、セラミック体１１の内周面１１ｃによって規定される空間を指す。入水部２０は、一方の端部（以下、第１端部ともいう）２０ａがセラミック体１１の内部に挿入され、ヒータ１０に固定されている。入水部２０のヒータ１０への固定方法としては、入水部２０の、第１端部２０ａにおける外周面２０ｂと、セラミック体１１の内周面１１ｃとの間に配設される接着剤による方法であってもよく、その他の方法であってもよい。入水部２０の、第１端部２０ａとは反対側の第２端部は、外部の被加熱流体供給源に接続されている。
入水部２０は、第１端部２０ａにおける外周面２０ｂが、全周にわたって、セラミック体１１の内周面１１ｃに当接していてもよい。第１端部２０ａは、例えば図３，５に示すように、セラミック体１１の軸線方向に対して傾斜した端面を有する形状であってもよい。第１端部２０ａは、例えば図６，７に示すように、セラミック体１１の軸線に対して直交した端面を有する形状であってもよい。
入水部２０は、樹脂材料、金属材料等から成る。入水部２０で用いられる樹脂材料としては、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。入水部２０で用いられる金属材料としては、例えば、ステンレス鋼が挙げられる。入水部２０は、例えば、外径が８ｍｍ〜１８ｍｍであり、内径が３ｍｍ〜１３ｍｍである。入水部２０の長さは、ヒータ１０と外部の被加熱流体供給源との距離に応じて適宜設定される。
熱交換ユニット１では、被加熱流体が流れる熱交換流路が、入水部２０の内周面によって規定される第１流路Ｆ１と、セラミック体１１の内周面１１ｃによって規定される、第１流路Ｆ１よりも流路断面積が大きい第２流路Ｆ２とを含んでいる。第２流路Ｆ２は、被加熱流体の流れ方向（図３，５〜７における左方から右方に向かう方向）において、第１流路Ｆ１の下流に位置している。それゆえ、熱交換ユニット１の動作時に、第２流路Ｆ２における第１流路Ｆ１に隣接した部分（第２流路Ｆ２の上流部分）では、被加熱流体の流線が内周面１１ｃから離れ、被加熱流体の乱流が生成されやすくなる。乱流が生成されると、内周面１１ｃと熱交換した被加熱流体は内周面１１ｃから遠ざかる方向に流れ、内周面１１ｃと熱交換していない被加熱流体は内周面１１ｃに近づく方向に流れるため、セラミック体１１の径方向における被加熱流体の熱分布が一様になりやすい。したがって、熱交換ユニット１によれば、被加熱流体とヒータ１０との効果的な熱交換を行うことができる。
また、熱交換ユニット１では、第１端部２０ａの少なくとも一部が、発熱抵抗体１２におけるセラミック体１１の一端１１ａ側の端部よりも、セラミック体１１の他端１１ｂ側に位置している。すなわち、第１端部２０ａの少なくとも一部は、例えば図３，５に示すように、セラミック体１１の内部における、発熱抵抗体１２が埋設されており、動作時に高温となる部位まで挿入されている。それゆえ、乱流が生成されやすい、第２流路Ｆ２の上流部分は、動作時に高温となる部位を含むことになる。したがって、熱交換ユニット１によれば、熱交換流路における高温となる部位で、乱流による効果的な熱交換を行うことができることから、被加熱流体を効率的に加熱することができる、低消費電力の熱交換ユニットを提供することができる。
入水部２０の第１端部２０ａは、図６に示すように、周方向の全周が、発熱抵抗体１２におけるセラミック体１１の一端１１ａ側の端部よりも、セラミック体１１の他端１１ｂ側に位置している構成であってもよい。このような構成によれば、セラミック体１１の内部における動作時に高温となる部位で乱流を生成し、当該部位で乱流による効果的な熱交換を行うことができるため、被加熱流体をより効率的に加熱することができる。したがって、図６に示した構成の熱交換ユニット１によれば、より低消費電力の熱交換ユニットを提供することができる。
入水部２０の第１端部２０ａは、図７に示すように、セラミック体１１の他端１１ｂ側に向かうにつれて内径が大きい構成であってもよい。このような構成によれば、第１流路Ｆ１における、圧力損失等に起因する、被加熱流体の流速の低下を低減することができる。それゆえ、第１流路Ｆ１から第２流路Ｆ２に流れ込む被加熱流体の流速を、第２流路Ｆ２の上流部分で乱流を効果的に生成できる流速に維持することが可能になる。これにより、セラミック体１１の内部における動作時に高温となる部位で乱流を効果的に生成し、当該部位で乱流による効果的な熱交換を行うことができるため、被加熱流体をより効率的に加熱することができる。したがって、図７に示した構成の熱交換ユニット１によれば、より低消費電力の熱交換ユニットを提供することができる。
熱交換ユニット１は、フランジ３０をさらに備えている。フランジ３０は、ヒータ１０を外部機器に取り付けやすくするための部材である。フランジ３０は、環状であり、例えば図３，５〜７に示すように、セラミック体１１が挿通される孔３０ａを有している。フランジ３０は、例えば金属材料から成る。フランジ３０に用いられる金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、鉄−ニッケル−コバルト合金等が挙げられる。耐蝕性の観点からは、ステンレス鋼を用いることができる。フランジ３０の表面は、ニッケル、錫、金等の金属を主成分とするめっき層で被覆されていてもよく、これにより、フランジ３０の耐蝕性を向上させることができる。
フランジ３０は、孔３０ａの内周面３０ａａがセラミック体１１の外周面１１ｄに接合されることにより、ヒータ１０に固定されている。内周面３０ａａは、例えば図３，５〜７に示すように、金属層３４を介して、セラミック体１１の外周面１１ｄに接合されていてもよい。金属層３４は、軸線方向において、電極パッド１５よりもセラミック体１１の他端１１ｂ側に位置している。金属層３４に用いられる金属材料としては、例えば、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
フランジ３０は、接合材３５を用いて、金属層３４の外表面に接合されていてもよい。接合材３５としては、フランジ３０と金属層３４とを接合するための材料を適宜用いることができる。接合材３５は、例えば、銀ろう、銀−銅ろう等のろう材であってもよい。金属層３４の外表面には、ニッケル、錫、金等から成るめっき層が形成されていてもよい。これにより、金属層３４と接合材３５との濡れ性を向上させることができ、ひいては、セラミック体１１とフランジ３０との接合強度を高めることができる。
熱交換ユニット１では、例えば図３，５〜７に示すように、入水部２０は、第１端部２０ａの少なくとも一部が、孔３０ａの内周面３０ａａにおける一端１１ａ側の縁部３０ａｂよりも、他端１１ｂ側に位置している。すなわち、軸線方向に垂直な方向に視たときに、第１端部２０ａと内周面３０ａａとが重なっている。それゆえ、フランジ３０からの熱引きにより、第１端部２０ａの温度が、発熱抵抗体１２が発する熱によって過度に上昇することを抑制することができる。そのため、入水部２０が樹脂材料を含む場合であっても、発熱抵抗体１２が発する熱による第１端部２０ａの変形および劣化を抑制し、第２流路Ｆ２における乱流の生成を安定化させることができる。ひいては、長期間にわたって被加熱流体を効率的に加熱することができる、耐久性に優れた熱交換ユニットを提供することが可能になる。特に、発熱抵抗体１２が、例えば図４に示すように、ミアンダ状である場合、発熱抵抗体１２における一端１１ａ側の端部１２ｃには、発熱抵抗体１２のうち最も高温となる折り返し部分１２ｂが位置する。このような場合であっても、熱交換ユニット１によれば、発熱抵抗体１２の熱による入水部２０の劣化を抑制することができ、ひいては、長期間にわたって被加熱流体を効率的に加熱することができる、耐久性に優れた熱交換ユニットを提供することが可能になる。
フランジ３０は、例えば図３，５〜７に示すように、第１部分３１、第２部分３２および第３部分３３を有していてもよい。第１部分３１は、金属層３４から外周側に向かって垂直に立ち上がっている。第２部分３２は、第１部分３１の外周側の端部から、セラミック体１１の一端１１ａ側に向かって延びている。第３部分３３は、第２部分３２の一端１１ａ側の端部から外周側に向かって延びている。すなわち、フランジ３０は、例えば図３，５〜７に示すように、セラミック体１１の軸線を含む断面で見たときに、内周から外周に至る途中に２つの屈曲部を有している。
金属層３４は、例えば図３，５〜７に示すように、軸線方向における金属層３４の長さが、軸線方向における内周面３０ａａの長さよりも大きくされていてもよい。これにより、接合材３５が金属層３４からフランジ３０の第１部分３１にかけて広がるメニスカスを形成しやすくなるので、ヒータ１０とフランジ３０との接合強度を高め、熱交換ユニット１の耐久性を向上させることが可能になる。
熱交換ユニット１は、接続部材４０と、環状部材５０とをさらに備えている。接続部材４０は、両端が開放された筒状の部材である。接続部材４０は、セラミック体１１における一端１１ａ側の部位の外周面から、入水部２０におけるセラミック体１１に挿入されていない部位の外周面２０ｃにかけて覆っている。接続部材４０は、例えば図３，５〜７に示すように、寸法が異なる複数の円筒状部材を、それらの軸線が一致する状態で接続してなる形状であってもよい。接続部材４０の内周面は、セラミック体１１の外周面１１ｄおよび入水部２０の外周面２０ｃに当接していてもよい。
接続部材４０は、例えば金属材料、樹脂材料等から成る。接続部材４０に用いられる金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、鉄−ニッケル−コバルト合金等が挙げられる。接続部材４０に用いられる樹脂材料としては、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。
ヒータ１０と入水部２０との接続部分に接続部材４０を配設することにより、ヒータ１０と入水部２０との機械的接続の耐久性を向上させることができる。これにより、耐久性に優れた熱交換ユニットを提供することが可能になる。
環状部材５０は、樹脂材料を含む環状の部材（Ｏリング）である。環状部材５０は、接続部材４０の内周面とセラミック体１１の外周面１１ｄとの間に配設されている。環状部材５０に用いられる樹脂材料としては、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。
セラミック体１１と接続部材４０との間に環状部材５０を配設することにより、セラミック体１１と接続部材４０との熱膨張差による応力を緩和し、セラミック体１１におけるクラックの発生を抑制することができる。これにより、耐久性に優れた熱交換ユニットを提供することが可能になる。
環状部材５０は、図３，５〜７に示すように、セラミック体１１における発熱抵抗体１２が埋設されていない部位の外周面１１ｄに接触するように配設されていてもよい。これにより、発熱抵抗体１２が発する熱による環状部材５０の劣化を抑制することができる。そのため、被加熱流体を効率的に加熱できる、耐久性に優れた熱交換ユニットを提供することが可能になる。
熱交換ユニット１は、ケース６０をさらに備えている。ケース６０は、一端が閉塞され、他端が開放された筒状の部材である。ケース６０は、三角筒状、四角筒状、円筒状、楕円筒状等であってもよく、その他の形状であってもよい。熱交換ユニット１では、ケース６０は円筒状とされている。ヒータ１０およびケース６０は、セラミック体１１の軸線とケース６０の軸線とが一致するように配置されていてもよい。
ケース６０は、耐熱性に優れた樹脂材料から成る。ケース６０に用いられる樹脂材料としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられる。また、ケース６０は、例えば、軸線方向における全長が４０ｍｍ〜１６０ｍｍであり、内径が１０ｍｍ〜２５ｍｍである。
ケース６０の、開放された他端の開口６０ａには、ヒータ１０が挿着されている。ケース６０は、図３，５〜７に示すように、セラミック体１１の一端１１ａ寄りの部分を収容している。ヒータ１０は、図３，５〜７に示すように、フランジ３０の第２部分３２が開口６０ａに圧入固定されることによって、ケース６０に挿着されていてもよい。第２部分３２は、樹脂材料から成る環状部材（Ｏリング）を介して、開口６０ａに圧入固定されていてもよい。
熱交換ユニット１では、第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、ならびにセラミック体１１の外周面１１ｄ、ケース６０の内面６０ｂおよびフランジ３０におけるケース６０の内部に臨む面によって規定される第３流路Ｆ３が連通して、被加熱流体が流過する流路を形成している。被加熱流体は、第２流路Ｆ２および第３流路Ｆ３において、ヒータ１０との熱交換を行う。ケース６０は、例えば図３，５〜７に示すように、第３流路Ｆ３と外部とを連通させる流出口６１を有している。流出口６１は、ヒータ１０によって加熱された被加熱流体を外部に流出させるための開口である。流出口６１は、例えば、内径が１ｍｍ〜５ｍｍである。流出口６１は、例えば図３，５〜７に示すように、ケース６０の側壁のうち、セラミック体１１の一端１１ａ寄りの箇所に設けられていてもよい。これにより、第３流路Ｆ３における被加熱流体とヒータ１０との熱交換を促進することができるため、被加熱流体を効率的に加熱することができる。
次に、熱交換ユニット１の製造方法の一例について説明する。以下では、セラミック体１１がアルミナ質セラミックスから成る場合の例について説明する。
まず、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とし、シリカ（ＳｉＯ２），カルシア（ＣａＯ），マグネシア（ＭｇＯ），ジルコニア（ＺｒＯ２）が合計で１０質量％以内になるように調整した、セラミック体１１の表層部１１ｆとなるアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体１２および引出導体１３となる所定のパターンを形成する。所定のパターンの形成方法としては、例えば、スクリーン印刷法、転写法、抵抗体埋設法が挙げられる。所定のパターンは、金属泊をエッチング法などにより形成する方法、ニクロム線をコイル状に形成し埋設する方法等によって形成されてもよい。品質面での安定性および製造コストの抑制の観点からは、スクリーン印刷法が用いられやすい。なお、発熱抵抗体１２および引出導体１３は、それぞれを異なる形成方法で形成してもよい。
次に、セラミックグリーンシートの、発熱抵抗体１２および引出導体１３を形成する面とは反対側の面に、発熱抵抗体１２および引出導体１３の形成と同様に、電極パッド１５および金属層３４となるパターンを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、引出導体１３と電極パッド１５とを電気的に接続する貫通導体１４を形成するための孔加工、および貫通導体１４となる導体ペーストの充填がなされる。発熱抵抗体１２、引出導体１３、貫通導体１４および電極パッド１５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。
一方、押し出し成型にて、セラミック体１１の芯材１１ｅとなる、円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。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、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、セラミック体１１となるアルミナ質一体成型体を得ることができる。なお、アルミナ質セラミック成型体にアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつける際に、アルミナ質セラミック成型体の外周面のうち所定の領域がアルミナ質セラミックグリーンシートによって覆われないようにすることで、凹部１１ｇとなる溝を有するアルミナ質一体成型体を得ることができる。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、アルミナ質一体成型体が収縮し、アルミナ質一体焼結体（セラミック体１１）を作製することができる。
次に、セラミック体１１に形成された電極パッド１５および金属層３４上にめっきを施す。めっきは、ニッケルめっき、金めっき、錫めっき等が汎用的である。めっきの施術方法は、無電解めっき、電解めっき、バレルめっき等の施術方法を目的に応じて選択することができる。
フランジ３０は、ステンレス鋼の板に切削加工、打ち抜き加工、プレス加工等を施して、第１部分３１、第２部分３２および第３部分３３を有するとともに、セラミック体１１が挿通される孔３０ａを有する形状にすることで作製することができる。
次に、治具にセラミック体１１をセットし、フランジ３０の孔３０ａが、セラミック体１１の外周面１１ｄに形成された金属層３４と重なるように位置合わせし、接合材３５を用いて、還元雰囲気の炉にて約１０００℃の温度でろう付けする。
次に、フランジ３０の第２部分３２の外周面に、ゴム等から成る環状部材（Ｏリング）を取り付ける。樹脂製のケース６０を準備し、環状部材を取り付けたヒータ１０をケース６０に挿着し、樹脂材料、金属材料等から成る入水部２０をセラミック体１１の内部に挿入することによって、熱交換ユニット１を製造することができる。
次に、本開示の洗浄装置の実施形態の一例について説明する。
本実施形態の洗浄装置は、上記の熱交換ユニット１を備える。洗浄装置は、外部の水源から入水部２０を介して導入した水をヒータ１０により加熱し、加熱した水を外部に流出させるように構成されている。外部の水源は、例えば公共水道等の水源であってもよい。水は、第１流路Ｆ１から第２流路Ｆ２に流入した後、第３流路Ｆ３に流入し、流出口６１から外部へ放出される。水は、第２流路Ｆ２を通過する間、および第３流路Ｆ３を通過する間にヒータ１０によって所定の温度まで加熱される。加熱された水は、例えば、人体局部の洗浄用に使用することができる。本実施形態の洗浄装置によれば、熱交換ユニット１を備えていることから、水を効率的に加熱することができる、低消費電力の洗浄装置を提供することが可能になる。
本開示は次の実施の形態が可能である。
本開示の一つの態様の熱交換ユニットは、両端が開口した筒状のセラミック体、および前記セラミック体に埋設された発熱抵抗体を含むヒータと、
両端が開口した筒状の入水部であって、一方の端部が、前記セラミック体の一端の開口から、前記セラミック体の内部に挿入されており、前記一方の端部の少なくとも一部が、前記発熱抵抗体における前記セラミック体の一端側の端部よりも、前記セラミック体の他端側に位置している入水部と、を備えることを特徴とする構成である。
両端が開口した筒状の入水部であって、一方の端部が、前記セラミック体の一端の開口から、前記セラミック体の内部に挿入されており、前記一方の端部の少なくとも一部が、前記発熱抵抗体における前記セラミック体の一端側の端部よりも、前記セラミック体の他端側に位置している入水部と、を備えることを特徴とする構成である。
本開示の一つの態様の熱交換ユニットによれば、被加熱流体を効率的に加熱することができる、低消費電力の熱交換ユニットを提供することができる。また、本開示の一つの態様の洗浄装置によれば、上記の熱交換ユニットを備えることにより、水を効率的に加熱することができる、低消費電力の洗浄装置を提供することができる。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
１ 熱交換ユニット
１０ ヒータ
１１ セラミック体
１１ａ 一端
１１ｂ 他端
１１ｃ 内周面
１１ｄ 外周面
１１ｅ 芯材
１１ｆ 表層部
１１ｇ 凹部
１２ 発熱抵抗体
１２ａ 直線状部分
１２ｂ 折り返し部分
１２ｃ 端部
１３ 引出導体
１４ 貫通導体
１５ 電極パッド
２０ 入水部
２０ａ 一方の端部（第１端部）
２０ｂ 外周面
２０ｃ 外周面
３０ フランジ
３０ａ 孔
３０ａａ 内周面
３０ａｂ 縁部
３１ 第１部分
３２ 第２部分
３３ 第３部分
３４ 金属層
３５ 接合材
４０ 接続部材
５０ 環状部材
６０ ケース
６０ａ 開口
６０ｂ 内面
６１ 流出口
１０ ヒータ
１１ セラミック体
１１ａ 一端
１１ｂ 他端
１１ｃ 内周面
１１ｄ 外周面
１１ｅ 芯材
１１ｆ 表層部
１１ｇ 凹部
１２ 発熱抵抗体
１２ａ 直線状部分
１２ｂ 折り返し部分
１２ｃ 端部
１３ 引出導体
１４ 貫通導体
１５ 電極パッド
２０ 入水部
２０ａ 一方の端部（第１端部）
２０ｂ 外周面
２０ｃ 外周面
３０ フランジ
３０ａ 孔
３０ａａ 内周面
３０ａｂ 縁部
３１ 第１部分
３２ 第２部分
３３ 第３部分
３４ 金属層
３５ 接合材
４０ 接続部材
５０ 環状部材
６０ ケース
６０ａ 開口
６０ｂ 内面
６１ 流出口
Claims (7)
- 両端が開口した筒状のセラミック体、および前記セラミック体に埋設された発熱抵抗体を含むヒータと、
両端が開口した筒状の入水部であって、一方の端部が、前記セラミック体の一端の開口から、前記セラミック体の内部に挿入されており、前記一方の端部の少なくとも一部が、前記発熱抵抗体における前記セラミック体の一端側の端部よりも、前記セラミック体の他端側に位置している入水部と、を備えることを特徴とする熱交換ユニット。 - 前記入水部の前記一方の端部は、周方向の全周が、前記発熱抵抗体における前記一端側の前記端部よりも、前記セラミック体の前記他端側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換ユニット。
- 前記セラミック体が挿通された孔を有し、前記孔の内周面が前記セラミック体の外周面に接合されているフランジをさらに備え、
前記入水部は、樹脂材料を含み、前記一方の端部の少なくとも一部が、前記内周面における前記第一端側の縁部よりも、前記他端側に位置していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換ユニット。 - 前記発熱抵抗体は、前記セラミック体の軸線方向に延びる複数の直線部、および前記セラミック体の周方向に延びる複数の折り返し部を有するミアンダ状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱交換ユニット。
- 前記セラミック体における前記一端側の部位の外周面から、前記入水部における前記セラミック体に挿入されていない部位の外周面にかけて覆う筒状の接続部材と、
前記接続部材の内周面と前記セラミック体の前記外周面との間に配設された、樹脂材料を含む環状部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の熱交換ユニット。 - 前記入水部の前記一方の端部は、前記他端側に向かうにつれて内径が大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の熱交換ユニット。
- 請求項１〜６のいずれか１つに記載の熱交換ユニットを備え、外部の水源から前記入水部を介して導入した水を、前記ヒータにより加熱し、外部に流出させることを特徴とする洗浄装置。
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