(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単線よりなる発熱素線に樹脂被覆層を設け、該樹脂被覆層上に金属管を被覆した細管ヒータであって、
前記樹脂被覆層は、前記発熱素線上に形成された第１の樹脂被覆層と、該第１の樹脂被覆層上に形成された第２の樹脂被覆層からなり、前記第１の樹脂被覆層が２００℃以上の耐熱絶縁性能を有する樹脂からなると共に、
前記金属管は、前記第２の樹脂被覆層上に大径の管をロール掛け、あるいはダイス引きするドローイングにより縮径されて前記第２の樹脂被覆層上に密着して形成されていることを特徴とする細管ヒータ。
【請求項２】
前記第１の樹脂被覆層は、前記発熱素線に、溶媒に溶解された前記樹脂の樹脂液を塗布した後熱風乾燥する被覆層形成処理を数回繰り返して厚さ２５μm以上のものに形成されていることを特徴とする請求項１記載の細管ヒータ。
【請求項３】
前記２００℃以上の耐熱絶縁性能を有する第１の樹脂被覆層が、ポリイミド、ポリアミドイミドまたはポリベンゾイミダゾール等からなる樹脂であることを特徴とする請求項１または２記載の細管ヒータ。
【請求項４】
前記第２の樹脂被覆層がフッ素樹脂もしくはシリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項１、２または３記載の細管ヒータ。
【請求項５】
前記樹脂被覆層の少なくとも１層に無機材料からなる粉体が混入されていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の細管ヒータ。
【請求項６】
前記無機材料からなる粉体が３０ｗｔ％以下の量で混入されていることを特徴とする請求項５記載の細管ヒータ。
【請求項７】
前記無機材料からなる粉体が、マグネシア、アルミナ、窒化アルミニウム、ガラスの粉末から選ばれる１種以上の粉体であることを特徴とする請求項５または６記載の細管ヒータ。
【請求項８】
金属管が銅、アルミニウムまたはステンレス管であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の細管ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力負荷密度を向上させた細管ヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水等の液体や空気を加熱するヒータ１０は、図７に示すように、コア１２に発熱線１４をコイル状に巻回し、その外側にポリイミド樹脂テープ１６を巻き、さらにその外側にフッ素樹脂等からなる耐熱性樹脂被覆層１８を設けたものであった。
あるいは図９に示すように、金属管２２内に発熱線１４を配し、発熱線１４と金属管２２との管の空間にマグネシア等の無機粉末２４を充填したシーズヒータ２６が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のヒータ１０は、コア１２に発熱線１４をコイル状に巻回しているから、単位長さあたりどの位の容量のヒータ線とするかの容量調節は比較的容易に行えるという利点がある。
しかしながら、電力負荷密度が低いという問題点があった。
従来の被覆発熱体の電力負荷密度が低い理由は次のようなことが考えられる。
すなわち、コア１２に発熱線１４をコイル状に巻回し、さらにその上にポリイミド樹脂テープ１６を巻きつける構成にしているため、図８に示すように、発熱線１４が介在するが故に、コア１２とポリイミド樹脂テープ１６との間に空隙２０が生じ易いのである。
【０００４】
この空隙２０の空気層が断熱層として作用し、局部加熱される結果、該部位のポリイミド樹脂テープ１６や耐熱性樹脂被覆層１８が炭化したり、溶けたりして耐圧不良を起こすこととなる。
したがって、ポリイミド樹脂テープ１６、耐熱性樹脂被覆層１８の有する耐熱性から想定される最大の耐電力負荷密度下では使用することができず、これよりもかなり低い安全な電力負荷密度下で使用せざるを得なかった。因みに従来のヒータ１０の電力負荷密度は高々６〜７Ｗ／ｃｍ2 程度でしかなかった。
したがってまた必要な容量を確保するためには必然的に長尺なものを使用せざるを得ず、大型化するという課題があった。
さらには、空隙２０の空気層が断熱層として作用することから、加熱効率が悪く、特に温度の立ち上がりが遅くなるという課題があった。
図９に示すシーズヒータ２６の場合は、一般的に、大径の金属管内に発熱線１４を配し、その周囲に無機粉末２４を充填したものをドローイングして所望の径のシーズヒータ２６に形成しており、ドローイングにより無機粉末の充填密度が高くなってはいるが、やはり空気が混入しているから、加熱効率が悪く、特に温度の立ち上がり特性に劣るという課題があった。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題点を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、電力負荷密度が向上し、小型化が図れ、また温度の立ち上がり特性に優れる細管ヒータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る細管ヒータは、単線よりなる発熱素線に樹脂被覆層を設け、該樹脂被覆層上に金属管を被覆した細管ヒータであって、前記樹脂被覆層は、前記発熱素線上に形成された第１の樹脂被覆層と、該第１の樹脂被覆層上に形成された第２の樹脂被覆層からなり、前記第１の樹脂被覆層が２００℃以上の耐熱絶縁性能を有する樹脂からなると共に、前記金属管は、前記第２の樹脂被覆層上に大径の管をロール掛け、あるいはダイス引きするドローイングにより縮径されて前記第２の樹脂被覆層上に密着して形成されていることを特徴としている。
発熱素線に樹脂被覆層を設けたので、発熱素線と樹脂被覆層との間に空隙が生じず、これによる局部加熱が避けられるから、高い電力負荷密度での使用が可能となり、小型化が図れ、また加熱効率も向上して温度の立ち上がり特性を改善できる。
また金属管を被覆することにより、外傷がつかず、またハンドリングが容易になる。
【０００７】
前記第１の樹脂被覆層は、前記発熱素線に、溶媒に溶解された前記樹脂の樹脂液を塗布した後熱風乾燥する被覆層形成処理を数回から数十回繰り返して厚さ２５μm以上のものに形成すると好適で、これにより密着性のよい、かつピンホールのない被覆層となり、前記作用効果をより効果的に達成できる。
また前記２００℃以上の耐熱絶縁性能を有する第１の樹脂被覆層を、ポリイミド、ポリアミドイミドまたはポリベンゾイミダゾール等からなる樹脂で形成することができる。
さらに前記第２の樹脂被覆層をフッ素樹脂もしくはシリコーン樹脂で形成することができる。
【０００８】
また前記樹脂被覆層の少なくとも１層に無機材料からなる粉体が混入することにより、耐熱絶縁性能をより向上させることができる。
前記無機材料からなる粉体は３０ｗｔ％以下の量で混入すると好適である。
前記無機材料からなる粉体は、マグネシア、アルミナ、窒化アルミニウム、ガラスの粉末から選ばれる１種以上の粉体を混入することができる。
また前記金属管は銅、アルミニウムまたはステンレスの管を好適に用いることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は細管ヒータ３０の実施の形態を示す断面図である。
３２は単線からなる発熱素線である。該発熱素線３２は、鉄クロム線あるいはニッケルクロム線等を用いることができる。
発熱素線３２の断面形状は前記したように、円形、楕円または矩形等とすることができ、特に断面形状には限定されない。
３４は第１の樹脂被覆層であり、発熱素線３２上に密着して形成されている。この樹脂被覆層３４はポリイミド、ポリアミドイミドまたはポリベンゾイミダゾール樹脂等の２００℃以上の耐熱性を有する樹脂で形成されている。
該樹脂被覆層３４は厚さ２５μｍ以上、好ましくは２５〜３０μｍ程度のものに形成するとよい。
【００１０】
樹脂被覆層３４は、溶媒で溶解した上記樹脂の樹脂液中に発熱素線３２をディッピング等するなどして、発熱素線３２に上記樹脂液を塗布して後、熱風乾燥して溶媒を飛ばして被覆層を形成する被覆層形成処理を数回から数十回（３〜２０回程度）繰り返して所望の厚さの被覆層に形成することができる。これによりピンホールのない、かつ発熱素線３２に対する密着性の良好な被覆層とすることができる。
あるいは、発熱素線３２上に上記樹脂を所定の厚さに押出成形して、発熱素線３２上に樹脂被覆層３４を形成するようにすることもできる。
【００１１】
３６は第２の樹脂被覆層であり、樹脂被覆層３４の外周上に  形成されている。
該樹脂被覆層３６は厚さ５０μｍ程度のフッ素樹脂層あるいはシリコーン樹脂層を設けると好適である。
３８は第２の樹脂被覆層３６を覆って設けた金属管である。金属管３８には、銅（銅合金を含む）、アルミニウム、ステンレス等を用いることができ、場合によっては鉄系合金なども用いることができる。
第２の樹脂被覆層３６上に金属管３８を密着して形成するには、大径の管をロール掛け、あるいはダイス引きするドローイングによりシーズヒータと同様にして形成することができる。
上記のように形成された細管ヒータ３０の外径は、例えば１〜３ｍｍなど種々の太さのものにすることができる。
【００１２】
水中で使用した場合の耐電力負荷密度の結果は次の通りである。
上記実施の形態の２５Ｗ／ｃｍ2 のワット密度（２００℃）の細管ヒータ３０の場合、水中に入れて１００時間通電後、水中耐圧  １５００Ｖ  でも絶縁が破壊しなかった。２０Ｗ／ｃｍ2 のワット密度（１４５℃）の細管ヒータ３０では５００時間以上水中に入れて通電した後でも絶縁破壊を起こさなかった。
このように大きな電力負荷密度が得られるのは、水中において、金属管が均等熱放散を行うので、沸騰境膜でのローカルスポット（空隙）が生じにくくなるからである。
因みに、図７に示す従来のヒータ１０で同様の試験を行ったところ、１０Ｗ／ｃｍ2 のワット密度で絶縁破壊を起こした。原因としては前記したように空隙２０が生じているからと考えられる。
なお、発熱素線３２にフッ素樹脂層からなる樹脂被覆層３６のみを直接形成した１５Ｗ／ｃｍ2 のワット密度のヒータ（金属管の被覆なし）を製造して同様の試験を行ったところ、１５００Ｖ，１分間の水中耐圧で絶縁が破壊した。
【００１３】
流水中において水温が安定するまでの時間を計測した結果は図２に示すように、本実施の形態の細管ヒータ３０の場合は約１５秒であったが、図７に示す従来のヒータ１０では２５秒を要した。
なお、細管ヒータ３０およびヒータ１０は同一容量のものに調整し、本実施の形態のものはコイル状に巻回した状態のものを使用し、両細管ヒータ３０、ヒータ１０をガラスパイプ中に配置し、１ｌ／ｍｉｎの流水で試験をした。
【００１４】
空中で使用した結果は次の通りである。
本実施の形態の細管ヒータ３０の場合、０．９Ｗ／ｃｍ2 のワット密度（１８０℃）で１００時間連続通電後、樹脂被覆層３６（フッ素樹脂層）に劣化が見られなかった。
図７に示すヒータ１０の場合は、０．６５Ｗ／ｃｍ2 のワット密度（１５０℃）でフッ素樹脂層に劣化が見られた。
また、発熱素線３２に直接フッ素樹脂層のみを形成したヒータでは、０．８Ｗ／ｃｍ2 のワット密度（１６５℃）でフッ素樹脂層に劣化が見られた。
このように、本実施の形態の細管ヒータ３０は空中での使用の場合にも従来のものあるいは比較例のものに比して高い電力負荷密度で使用が可能となった。
また、金属管３８で覆っていることから、外部からの衝撃を受けても傷が発生しにくく、ハンドリングも容易となった。
【００１５】
図３は第２の実施の形態を示す。
図１に示すものと同一の部材は同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態では、第２の樹脂被覆層３６に、マグネシア、アルミナ、窒化アルミニウム、ガラス等の無機材料からなる粉体を混入させている。
これら無機粉体の混入量が３０ｗｔ％以下が好適であり、また１種に限られず、２種以上を混合して用いてもよい。
無機粉体を混入させることにより、耐熱絶縁性能がより向上し、また強度的にも優れる。第２の樹脂被覆層３６の硬度が増すから、ステンレス等の固い素材の金属管３８をドローイングにより形成する場合に好適である。また窒化アルミニウムを混入した場合には熱伝導性に優れるから、温度の立ち上がり特性もより向上した。
その他の電気的特性も図１に示すものと同等の結果が得られた。
【００１６】
図４は第３の実施の形態を示す。
図１に示すものと同一の部材は同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態では、第１の樹脂被覆層３４に、マグネシア、アルミナ、窒化アルミニウム、ガラス等の無機材料からなる粉体を混入させている。
これら無機粉体の混入量は３０ｗｔ％以下が好適であり、また１種に限られず、２種以上を混合して用いてもよい。
無機粉体を混入させることにより、耐熱絶縁性能がより向上し、また強度的にも優れる。特に窒化アルミニウムを混入した場合には熱伝導性に優れるから、温度の立ち上がり特性もより向上した。
その他の電気的特性も図１に示すものと同等の結果が得られた。
なお、第１および第２の両樹脂被覆層３４、３６に無機粉体を混入させることもできる。
【００１７】
図５は第４の実施の形態を示す。
本実施の形態では、図１のものにおいて第２の樹脂被覆層３６を省いて、第１の樹脂被覆層３４上に直接金属管３８を設けている。
本実施の形態でも第１の樹脂被覆層３４に前記と同様の材質のものを用いることにより発熱素線３２との密着性は良好で両者間に空隙は生じないから、前記各実施の形態と同様に優れた電気的特性が得られ、高い電力負荷密度が得られる。樹脂被覆層は１層、２層に限られず、３層以上の多層に設けることもできる。
【００１８】
図６は第５の実施の形態を示す。
図１に示すものと同一の部材は同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態では、金属管３８を第２の樹脂被覆層３４上に部分的に設けている。
金属管３８を設ける部位は、例えば細管ヒータ３０を外部機器に取り付ける場合の取付部（金属管を端子構造の一部にする場合を含む）に設けることができる。これにより、取り付けの際の傷発生を防止できる。
また、金属管３８を設ける部位は、細管ヒータ３０が被加熱液体中から露出する部位に設けることができる。細管ヒータ３０が液中に存する部位は熱が液体にどんどん吸収されるので過熱されることはなく、金属管がないことで効率的な加熱が行える、細管ヒータ３０が液外に露出する部位に金属管３８を設けることによって、放熱が図れ、この部位の樹脂被覆層の過熱を防止できる。
なお、樹脂被覆層が露出し、液中に進入することから、第２の樹脂層３６は耐環境性に優れるフッ素樹脂層とするのが好適である。
フッ素樹脂は水中や空中での長時間での使用に好適に耐えることができ、耐環境性に優れている。
樹脂被覆層３６がフッ素樹脂以外の、例えばポリイミドのときには、水中での使用で吸水してしまい、長時間の使用で絶縁不良になるおそれがある。
本実施の形態においても、他の電気的特性は図１に示すものと同等の結果が得られる。
【００１９】
以上本発明につき好適な実施の形態を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００２０】
【発明の効果】
本発明に係る被覆発熱体によれば、上述したように、発熱素線に樹脂被覆層を設けたので、発熱素線と樹脂被覆層との間に空隙が生じず、これによる局部加熱が避けられるから、高い電力負荷密度での使用が可能となり、小型化が図れ、また加熱効率も向上して温度の立ち上がり特性を改善できる。
また金属管を被覆することにより、外傷がつかず、またハンドリングが容易になる。
さらに、第１の樹脂被覆層は、前記発熱素線に、溶媒に溶解された前記樹脂の樹脂液を塗布した後熱風乾燥する被覆層形成処理を数回から数十回繰り返して厚さ２５μｍ以上のものに形成すると好適で、これにより密着性のよい、かつピンホールのない被覆層となり、前記作用効果をより効果的に達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】水中で使用した場合の温度の立ち上がり特性を示すグラフである。
【図３】第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】第３の実施の形態を示す断面図である。
【図５】第４の実施の形態を示す断面図である。
【図６】第５の実施の形態を示す断面図である。
【図７】従来のヒータの構造を示す説明図である。
【図８】従来のヒータの断面構造を示す。
【図９】シーズヒータの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
３０  細管ヒータ
３２  発熱素線
３４  第１の樹脂被覆層
３６  第２の樹脂被覆層
３８  金属管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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