(57)【要約】【課題】通電により急激に温度上昇させることが可能な発熱体用部材、発熱体、加熱装置及びボイラー装置を提供する。【解決手段】発熱体用部材は、導電性の植物性繊維の炭化物から形成されている。ラマン分光法により測定されるＧバンド強度が８７０ｃｍ-1から１１６０ｃｍ-1、Ｄバンド強度が１０６０ｃｍ-1から１３９５ｃｍ-1、ラマン強度比が１．１７から１．２２である。【選択図】図１
2018206613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の植物性繊維の炭化物から形成された発熱体用部材であって、
前記炭化物の５３２ｎｍにおけるラマン分光法により温度２０度のときに測定されるＧバンド強度が８７０ｃｍ-1から１１６４ｃｍ-1、Ｄバンド強度が１０６１ｃｍ-1から１３９６ｃｍ-1、ラマン強度比が１．１７から１．２２である発熱体用部材。
【請求項２】
前記植物性繊維の炭化物の粉体と導電性粉体とがバインダーにより結合した請求項１記載の発熱体用部材。
【請求項３】
前記導電性粉体は、ＳｉＣである請求項２記載の発熱体用部材。
【請求項４】
前記バインダーは、塩化マグネシウムである請求項２又は３記載の発熱体用部材。
【請求項５】
前記塩化マグネシウムは、粗製海水マグネシウムである請求項４記載の発熱体用部材。
【請求項６】
前記請求項１から５のいずれかの項に記載の発熱体用部材と、前記発熱体用部材が充填された筐体と、前記筐体に充填された前記発熱体用部材に接触する一対の端子部とを備えた発熱体。
【請求項７】
前記請求項６記載の発熱体を熱源として加熱された熱媒体と被加熱管に流れる被加熱体との間で熱交換する熱交換器と、前記発熱体に電源を供給する電源装置とを備えた加熱装置。
【請求項８】
前記請求項７記載の加熱装置と、前記加熱装置の前記被加熱管に温水を流入させるボイラーとを備えたボイラー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率よく発熱させることができる発熱体用部材、発熱体用部材を用いた発熱体、発熱体を用いた加熱装置、及び加熱装置を用いたボイラー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通電によるジュール熱で加熱するものとして、電熱器などに使用され、ニッケルとクロムの合金であるニクロム線が知られている。また、発熱体としてカーボンナノチューブを用いたものが特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１では、カーボンナノチューブ及び導電性微粒子を溶媒に分散した分散液を、多孔質絶縁基材に塗布・含浸した後、乾燥して発熱体を得るということが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−４７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に、カーボンナノチューブを含有する発熱体は通電から短時間で発熱すると記載されているように、発熱体は加熱温度が短時間で上昇するものが望まれている。
【０００６】
そこで本発明は、通電により急激に温度上昇させることが可能な発熱体用部材、発熱体、加熱装置及びボイラー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発熱体用部材は、導電性の植物性繊維の炭化物から形成された発熱体用部材であって、前記炭化物の５３２ｎｍにおけるラマン分光法により温度２０度のときに測定されるＧバンド強度が８７０ｃｍ-1から１１６４ｃｍ-1、Ｄバンド強度が１０６１ｃｍ-1から１３９６ｃｍ-1、ラマン強度比が１．１７から１．２２であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の発熱体用部材によれば、ラマン分光法により温度２０度のときに測定されるＧバンド強度が８７０ｃｍ-1から１１６４ｃｍ-1、Ｄバンド強度が１０６１ｃｍ-1から１３９６ｃｍ-1、ラマン強度比が１．１７から１．２２である植物性繊維の炭化物とすることにより、高いラマン強度比とすることができる。従って、本発明の発熱体用部材は、欠陥量が少なく高品質な炭化物とすることができる。
【０００９】
前記植物性繊維の炭化物の粉体と導電性粉体とをバインダーにより結合させることが望ましい。植物性繊維の炭化物の粉体を容器に充填するときに粉体が飛散して充填し難いが、導電性粉体をバインダーにより結合させることで、粉体同士が結合して大きくなるため、容易に充填することができる。
【００１０】
前記導電性粉体を、ＳｉＣとすることができる。また、前記バインダーは、塩化マグネシウムとすることができる。
【００１１】
前記塩化マグネシウムは、粗製海水マグネシウムとすることができる。粗製海水マグネシウムとすることで、植物性繊維の炭化物の粉体と導電性粉体とを結合するバインダーを容易に調達することができる。
【００１２】
本発明の発熱体は、本発明の発熱体用部材と、前記発熱体用部材が充填された筐体と、前記筐体に充填された前記発熱体用部材に接触する一対の端子部とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の発熱体によれば、一対の端子部に電圧が印加されることで、筐体に充填された本発明の発熱体用部材に電流が流れるため、本発明の発熱体用部材を発熱させることができる。従って、本発明の発熱体用部材の発熱効果を発揮させることができる。
【００１４】
本発明の加熱装置は、本発明の発熱体を熱源として熱媒体を加熱して、被加熱体が流れる被加熱管に熱交換する熱交換器と、前記発熱体に電源を供給する電源装置とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の加熱装置によれば、本発明の発熱体に電源装置から電源が供給されることで、本発明の発熱体が発熱して、熱交換器の被加熱管に流れる被加熱体が加熱される。従って被加熱管に流れる被加熱体を急激に加熱することができる。
【００１６】
本発明のボイラー装置は、本発明の加熱装置と、前記加熱装置の前記被加熱管に温水を流入させるボイラーとを備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明のボイラー装置によれば、ボイラーからの温水を、加熱装置の前記被加熱管に流入させることで、ボイラーだけで所定温度まで上昇させるより、ボイラーからの温水を、本発明の加熱装置により更に加熱することで、ボイラーで燃焼させる燃料を節約することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、欠陥量が少なく高品質な炭化物とすることができるため、発熱により温度が上昇すると、抵抗値が急激に上昇するので、通電により急激に温度上昇させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態の発熱体を示す図であり、（Ａ）は発熱体の外観を示す斜視図、（Ｂ）は発熱体の分解斜視図である。
【図２】図１に示す発熱体に用いられる発熱体用部材の等価回路の図である。
【図３】図１に示す発熱体を用いた加熱装置を備えたボイラー装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態に係る発熱体用部材を用いた発熱体を図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）及び同図（Ｂ）に示すように、発熱体１は、円筒状の容器である絶縁性または高抵抗の筐体２と、筐体２の両端部に設けられた一対の端子部３と、筐体２に封入された粉末状の発熱体用部材４とを備えている。
【００２１】
筐体２は、両端部に開口が形成され、内部の収容部２ａに充填された発熱体用部材４により発熱する金属製容器である。筐体２は、例えば、表面が陽極酸化処理されたアルミニウムにより形成することができる。筐体２は、耐熱性が高く、熱伝導率が高いものが望ましい。
一対の端子部３は、筐体２の両端部から、収容部２ａに充填された発熱体用部材４を挟んで両側に、挿入され、配置される。端子部３は、通電部３１と、外筒部３２と、ナット部３３とを備えている。
通電部３１は、収容部２ａの発熱体用部材４と接触する、六角形状の頭部３１１と、頭部３１１から筐体２の外側に延びる軸部３１２とにより形成されたボルトである。
外筒部３２は、筒部３２１と、鍔部３２２（第１鍔部３２２ａ〜第３鍔部３２２ｃ）とが一体的に形成された樹脂製部材である。
【００２２】
第１鍔部３２２ａ及び第２鍔部３２２ｂは、外径が筐体２の内径とほぼ同じに形成されているため、外筒部３２が筐体２に挿入されると、第１鍔部３２２ａ及び第２鍔部３２２ｂの外周面は、筐体２の内周面と密着した状態となる。第３鍔部３２２ｃは、筐体２の直径より大きく形成され、端子部３を筐体２へ圧入する際のストッパーとして機能する。
【００２３】
ナット部３３は、筐体２の両端の端面に、第３鍔部３２２ｃを押さえつける第１ナット３３１と、頭部３１１が形成された端部とは反対側となる軸部３１２の端部に配置された第２ナット３３２とを備えている。
【００２４】
発熱体用部材４は、導電性の植物性繊維の炭化物の粉体をより細かくした微粉末（以下、単に、炭化物の微粉末と称す。）と、導電性粉体の一例であるＳｉＣによる粉体をより細かくした微粉末とを混合したものである。炭化物の微粉末は、直流に対して抵抗を示すが、交流に対しては０Ωを示す。また、発熱体用部材４は、発熱により温度が上昇すると、急激に抵抗値が上昇する抵抗温度係数を有している。
【００２５】
ここで、発熱体用部材４の製造方法について説明する。
まず、植物性繊維の炭化物を製造する。植物性繊維は、例えば、綿や竹などが使用できる。この植物性繊維を鉄、セルロースを混合させて加熱炉に投入する。この混合物を、加熱炉により１２００℃〜２０００℃にて焼成して炭化させる。
そして、炭化させた植物性繊維に、チタン酸ストロンチウムを使用してチタンを蒸着させる。
【００２６】
セルロースは、炭化させる際に酸素を吸着するため、炭化物に酸化膜などが生成されることが防止できる。
炭化物にチタンを蒸着させることにより、チタンが分子クラックの隙間を埋めるため、炭化物を低抵抗とすることができる。
【００２７】
炭化した混合物を自然冷却した後に、タールを除去するために水に投入し、沈殿物を回収する。沈殿物を一次粉砕して粉末化し、固液分離機により水分を強制的に除去した後に、自然乾燥させる。
そして、粉末化した炭化物を二次粉砕することにより微粉末化し、篩機により篩をかけることで、所定粒径未満の微粉末を選別する。
所定粒径未満の炭化物の微粉末に、ＳｉＣをバインダーと共に混合する。そうすることで、炭化物の微粉末とＳｉＣの微粉末同士が結合して粒径を増加させる。このようにして、発熱体用部材４が完成する。バインダーとしては塩化マグネシウムが溶解した水溶液が使用できる。
【００２８】
次に、このようにして製造される発熱体用部材４を用いた発熱体１の製造方法を説明する。
まず、筐体２の一方の端部に端子部３を挿入し、固定するために、端子部３の外筒部３２の周囲面に接着材を塗布する。この接着材は、耐熱性が高いセラミック系接着材が使用できる。
【００２９】
筒部３２１の周囲面に接着材が塗布されることで、第１鍔部３２２ａと第２鍔部３２２ｂとの間、及び第２鍔部３２２ｂと第３鍔部３２２ｃの間の筒部３２１の領域３２１ｓに、充分な量の接着材を付着させることができる。
接着材が塗布された端子部３を筐体２の一方の端部に挿入して、放置することで、接着材を硬化させる。
これにより、第１鍔部３２２ａと第２鍔部３２２ｂとが筐体２の内周面に密着するだけでなく、接着材により、しっかりと、端子部３を筐体２に固定することができる。
【００３０】
筐体２の一方の端部の開口が塞がれば、筐体２に取り付けられた端子部３を下にして、上になった筐体２の他方の端部の開口から、所定量の発熱体用部材４を入れる。発熱体用部材４を筐体２に充填するときには、発熱体用部材４を少しずつ入れては棒状器具により押し付け圧縮する。
【００３１】
炭化物の微粉末だけでも、加熱性能を発揮させることができるが、筐体２に充填するときに炭化物の微粉末のみとした場合、筐体２に充填した炭化物の微粉末を棒状器具により押し込んでも、棒状器具と筐体２との隙間から飛散して詰め込み難い。
発熱体用部材４が、炭化物の微粉末とＳｉＣの微粉末とを塩化マグネシウムによるバインダーにより結合させることで、粉体の大きさが大きくなる。そのため、発熱体用部材４を筐体２に充填しながら、棒状器具により押し付けることで、しっかりと詰め込むことができる。
【００３２】
そして、筐体２の一方の端部に端子部３を固定したときと同様に、筐体２の他方の端部に、接着材を塗布した端子部３を挿入して固定することで、粉末状の発熱体用部材４を筐体２内に圧縮された状態で封入することができる。
筐体２の他方の端部に端子部３を取り付けることで、発熱体１が形成される。
【００３３】
発熱体１が形成されると、通電してエージングを行う。発熱体１に通電すると、発熱体用部材４が発熱する。この発熱体用部材４の発熱より、発熱体用部材４が変性して、直流に対して抵抗を示すが、交流に対して０Ωとなる、インピーダンスの変化が発現する。これは、エージングにより、図２に示す等価回路のように、直列接続された抵抗成分Ｒ及びコイル成分Ｌに、容量成分Ｃが並列接続された回路構成に、発熱体用部材４が変性したものと推定される。
【００３４】
エージングが完了すれば、発熱体１の検査を行う。発熱体１の検査方法について説明する。抵抗測定器、例えば、テスターの測定端子を、一対の端子部３に接触させ、発熱体１の抵抗を測定する。抵抗値が所定値より低ければ良品として判定する。このようにして、発熱体１を良品と不良品とに選別することができる。
【００３５】
次に、発熱体１を用いた加熱装置１０及び加熱装置１０を用いたボイラー装置２０について説明する。
図３に示すボイラー装置２０は、温水を使用する施設に設置される。
ボイラー装置２０は、燃料を燃焼させて、温水を供給するボイラー２１と、ボイラー２１からの配管２５に接続され、ボイラー２１による温水を再加熱する加熱装置１０と、配管２５に接続され、ボイラー２１又は加熱装置１０からの温水を貯留して温水を消費場所に供給する消費用貯槽２２と、加熱装置１０への入湯管２６及び加熱装置１０からの出湯管２７との間の配管２５に設置されたバルブ２３と、出湯管２７に設置されたポンプ２４とを備えている。
【００３６】
加熱装置１０は、発熱体１を熱源として加熱された熱媒体と被加熱管１１ｂに流れる被加熱体との間で熱交換する熱交換器１１と、発熱体１に電源を供給する電源装置１２と、熱媒体用貯槽１３と、熱媒体用貯槽１３からの熱媒体を熱交換器１１へ送水するポンプ１４とを備えている。
【００３７】
熱交換器１１は、並列接続された発熱体１と、発熱体１が加熱する熱媒体、例えば、水が貯留される本体部１１ａとを備えている。
電源装置１２は、電圧制限値が設定可能な定電流源である。
【００３８】
以上のように構成された本発明の実施の形態に係るボイラー装置２０の動作及び使用状態について、図面に基づいて説明する。
加熱装置１０を使用しないときは、ボイラー２１から消費用貯槽２２への配管２５に設置されたバルブ２３を通水状態とする。バルブ２３を通水状態とすることにより、ボイラー２１からの温水は、熱交換器１１へは流れず、配管２５を通って消費用貯槽２２へ流れる。従って、消費用貯槽２２に流れ込む全ての温水は、ボイラー２１により加熱されたものとなる。
【００３９】
しかし、ポンプ１４を稼働させることにより、熱媒体である水を、熱媒体用貯槽１３と熱交換器１１の本体部１１ａとの間で熱媒体を循環させ、バルブ２３を閉鎖状態とすることにより、ボイラー２１からの温水が、配管２５の一部を通り、入湯管２６から熱交換器１１の本体部１１ａへ流入する。
電源装置１２から電源が供給されることで、図１に示す発熱体１の端子部３に電圧が印加される。端子部３に電圧が印加されることで、発熱体用部材４に定電流が流れる。
【００４０】
発熱体用部材４は発熱により温度上昇することで抵抗値が増加する。発熱体用部材４の抵抗値が上昇しても発熱体用部材４には定電流が流れるため、抵抗値の上昇に応じた温度上昇が得られる。
従って、定電流が流れる発熱体１が、熱媒体である温水を介して被加熱管１１ｂを加熱することで、ボイラー２１から本体部１１ａに流入された被加熱体である温水は、更に加熱される。
発熱体１により再加熱された温水は、ポンプ２４により出湯管２７を流れ、配管２５を介して、消費用貯槽２２に流入して貯留される。消費用貯槽２２に貯留された温水は、浴槽や厨房、洗面台などで消費される。
【００４１】
このようにボイラー２１からの温水を加熱効率の高い加熱装置１０により再加熱することにより、ボイラー２１用の燃料を燃焼させ、消費場所に提供される温水を所定温度まで上昇させるための燃料を節約することができる。
【００４２】
バルブ２３は通水状態と閉鎖状態と切り替えるものとしたが、通水量を調整できるようにしてもよい。通水量が調整できるバルブ２３とすることで、消費用貯槽２２への温水について、ボイラー２１により加熱と、加熱装置１０により加熱との割合を調整することができる。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
実施例１では、図１に示す発熱体用部材４を作製した。
まず、発熱体用部材４の原料となる植物性繊維として、綿ロール１２本（１本当たり幅３００ｍｍ、直径４００ｍｍ、５１３．６ｇ）を使用した。この綿ロールに、チタン酸ストロンチウムを２０ｇ、鉄として釘を１５０ｇ、セルロースとして銀杏からの抽出物を１００ｇ混ぜ混合物とした。
【００４４】
次に、この混合物を加熱炉として真空溶融炉を使用して炭化物を焼成した。
焼成温度及び焼成時間は、１２００℃まで上昇させて２０時間、更に、１６００℃まで上昇させて１８時間である。その後、３６時間の自然冷却を行った。
【００４５】
次に、炭化物を水に投入しタール分が除去された沈殿物を回収し、一次粉砕した後に、固液分離機により１８００Ｇを１時間掛け、水分を除去した。
次に、水分を除去した炭化物を二次粉砕して微粉末化し、篩機により所定粒径未満の粉体を選別した。
次に、炭化物の微粉末と、ＳｉＣの微粉末とを１：２．５の容量の割合で混ぜ、バインダーとして、にがりと称される粗製海水マグネシウムを混合して結合させた。そして、自然乾燥により水分を除去することで、１２８０ｇの発熱体用部材４を得た。
バインダーとして粗製海水マグネシウムを使用することにより、バインダーとしての粗製海水マグネシウムを容易に調達することができる。
【００４６】
（実施例２）
実施例２では、実施例１にて作製した発熱体用部材４を用いて発熱体１を作製した。
発熱体１の筐体２として、直径１．２ｃｍ、長さ１２ｃｍの酸化皮膜が形成されたアルミニウム（アルマイト）を使用した。この筐体２に充填される発熱体用部材４は、１．１ｇである。この発熱体用部材４を筐体２に充填して端子部３を筐体２の両端部に取り付けた。そして、エージングとして、端子部３間に、交流１００Ｖを７２時間印加した。
【００４７】
この発熱体１に定電流源を接続して０．２Ａを通電し、１０秒ごとに温度と抵抗値とを測定した。表１からも判るように、測定当初６０Ωであったが、温度が上昇すると共に、急激に抵抗値が上昇していることが判る。ジュール熱Ｑは、Ｑ＝ＲＩ2ｔにより算出できる。ここで、Ｒは抵抗値、Ｉは電流値、ｔは時間である。
【００４８】
【表１】
2018206613.tif 000003
【００４９】
ジュール熱Ｑは抵抗値Ｒと比例するため、表１から、発熱体１の温度が上昇する共に、抵抗値が６０Ωから１．２ＭΩ、更に、７．９ＭΩまで上昇することで、発熱体１は抵抗値に応じて２０℃から８０℃、そして２８０℃まで温度上昇していることが判る。
【００５０】
発熱体用部材が、常温で高抵抗である場合では、所定の電流を流すためには高電圧を印加する必要がある。また、高温になっても低抵抗である場合には高い温度上昇が望めない。発熱体用部材４では、常温では低い抵抗値を示すため、低い電圧で所定電流を流すことができる。また、発熱体用部材４は、温度上昇すると共に、急激に抵抗が上昇するため、短時間で高温とすることができる。
【００５１】
なお、比較のためにニクロム線での加熱を測定した。ニクロム線では、電流を０．２Ａから２Ａまで増加させても、２３０℃までしか上昇させることができなかった。
【００５２】
【表２】
2018206613.tif 000004
【００５３】
このように、発熱体１の発熱体用部材４は、通電すると急激に温度上昇させることが可能であることが判った。
【００５４】
（実施例３）
実施例３では、実施例１にて作製した発熱体用部材４をラマン分光法によりＧバンド強度及びＤバンド強度を測定し、ラマン強度比を算出した。
Ｇバンド強度及びＤバンド強度は、レーザラマン分光光度計ＮＲＳ−３１００により以下の条件にて測定した。
（１）レーザ波長５３２ｎｍ
（２）サンプル上でのレーザ光強度１０ｍＷ
（３）測定温度２０度
（４）露光時間は３０秒
（４）積算回数は２回
（５）測定回数は測定箇所を変えて５回測定した。
【００５５】
発熱体用部材４のＧバンド強度及びＤバンド強度を測定し、ラマン強度比を算出した結果を表３に示す。また、表３では、比較のため天然黒鉛のＧバンド強度、Ｄバンド強度及びラマン強度比を示す。
【００５６】
【表３】
2018206613.tif 000005
【００５７】
表３からも判るように、発熱体用部材４は、Ｇバンド強度が８７０ｃｍ-1から１１６４ｃｍ-1、Ｄバンド強度が１０６１ｃｍ-1から１３９６ｃｍ-1であった。これらから、ラマン強度比が１．１７から１．２２であることが算出できる。
天然黒鉛のＧバンド強度が５３５ｃｍ-1、Ｄバンド強度が５６ｃｍ-1であり、ラマン強度比が０．１であることから、発熱体用部材４は、高いラマン強度比であるため、欠陥量が少なく高品質な炭化物であることが判る。
また、単層カーボンナノチューブでは、Ｇバンド強度が１５９０ｃｍ-1、Ｄバンド強度が１３５０ｃｍ-1となることから、発熱体用部材４はカーボンナノチューブとは異なるものであることが判る。
【００５８】
このようにラマン分光法により特定される発熱体用部材４は、発熱により温度が上昇すると、抵抗値が急激に上昇するので、通電により急激に温度上昇させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の発熱体は、熱媒体（被加熱物）として液体、気体、固体を効率よく、急激に加熱することができるため、被加熱物が油である揚げ機（電気フライヤー）、気体である送風暖房機、固体である岩盤浴の岩石などに適用できる。また、本発明のボイラー装置は、ボイラーが設置される施設であれば使用でき、例えば、ホテルや旅館などの宿泊施設、学校などの教育施設、会社が入居するビジネスビルなどに好適である。
【符号の説明】
【００６０】
１  発熱体
２  筐体
２ａ  収容部
３  端子部
３１  通電部
３１１  頭部
３１２  軸部
３２  外筒部
３２１  筒部
３２１ｓ  領域
３２２  鍔部
３２２ａ  第１鍔部
３２２ｂ  第２鍔部
３２２ｃ  第３鍔部
３３  ナット部
３３１  第１ナット
３３２  第２ナット
４  発熱体用部材
１０  加熱装置
１１  熱交換器
１１ａ  本体部
１１ｂ  被加熱管
１２  電源装置
１３  熱媒体用貯槽
１４  ポンプ
２０  ボイラー装置
２１  ボイラー
２２  消費用貯槽
２３  バルブ
２４  ポンプ
２５  配管
２６  入湯管
２７  出湯管
【図１】
2018206613.tif 000006
【図２】
2018206613.tif 000007
【図３】
2018206613.tif 000008