(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の被加熱部位と、該被加熱部位の近傍に位置するパイプを有する構造の被加熱物に、取付部材の弾性力を利用して金属被覆面状発熱体を密着状態に装着することができる取付部材付き金属被覆面状発熱体において、前記金属被覆面状発熱体は、接合部が無いか若しくは溶融接合され所定の形状に成形された金属製の管状成形体内に給電導体を備えた面状発熱素子が収納され、その両端開口部が絶縁材によって封止されてなるとともに、平面部分の面積が全表面積の２５％以上となるように成形されており、前記取付部材は、前記パイプと嵌合する嵌合部と、該嵌合部に一体に形成された金属被覆面状発熱体保持部とから構成されており、前記金属被覆面状発熱体保持部に設けられた複数個の爪部によって上記金属被覆面状発熱体をつかむことにより、該金属被覆面状発熱体が前記取付部材に保持されているとともに、前記爪部が金属被覆面状発熱体の平面部分における側面をつかんでいることを特徴とする取付部材付き金属被覆面状発熱体。
【請求項２】
前記取付部材は、前記嵌合部と前記金属被覆面状発熱体保持部との間に、折り曲げ加工によりバネ弾性が付与された連結部を有しており、加熱部位近傍に位置するパイプを支点にして、前記金属被覆面状発熱体を被加熱物の平面状の加熱部位に弾性的に押し付けていることを特徴とする請求項１記載の取付部材付き金属被覆面状発熱体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、給湯器の熱交換器のように、平面状の被加熱部位（熱交換器の外壁を構成する銅板）と、該被加熱部位の近傍に位置する三次元構造物（通水パイプとしての銅パイプ）を有する構造の被加熱物に、取付部材の弾性力を利用して金属被覆面状発熱体を密着状態に装着したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術を給湯器で用いられている凍結防止用発熱体を例に挙げて説明する。従来、給湯器の熱交換器を加熱して通水パイプ内の水の凍結を防止する発熱体として様々な構成のものが提案されているが、一般的によく使用されるものの例として、例えば、セラミック製の管状成形体内に巻線型の発熱素子を収容し、その空隙部に無機絶縁物を充填した構造の管状発熱体を、熱交換器外壁と通水パイプに接する位置に沿わせて設置し、断面略コの字状の止め金具で固定したものがある。又、別の例として、例えば、ステンレス等からなる金属細管内に巻線型の発熱素子を収容し、その空隙部に無機絶縁物を充填した構造の管状発熱体（所謂、細管ヒータ）を、熱交換器外壁に巻き付けたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成によると次のような問題があった。まず、前段の発熱体は、熱交換器外壁と通水パイプの両方に接触しているものの、線接触であるため接触面積が小さく加熱効率が悪いという問題があった。又、発熱体の熱交換器への取付作業が、発熱体を所定の位置に設置する作業と、止め金具を所定の位置に取り付ける作業の２段階の作業からなっているため、作業性が悪かった。一方、後段の発熱体においても、熱交換器外壁との接触部が線接触であるため接触面積が小さく加熱効率が悪いという問題があった。
【０００４】
ここで、加熱効率が悪いという問題に関しては、発熱体と被加熱物との接触面積を増やせば良いことから、例えば、管状の発熱体に代えて、伝熱面積の広い面状の発熱体を使用することが考えられる。面状発熱体を熱交換器に取り付ける方法としては、例えば、熱交換器外壁にほぼ平行して配置される２本の通水パイプに嵌合する押さえバネで発熱体を熱交換器外壁に押え付けて固定する方法が考えられる。しかしながら、この方法の場合には、通水パイプの配置によっては取り付けが困難になり、別の取付部材を用意する必要があるなど、取り付けに制限を受けてしまう。
【０００５】
そこで、発熱体の取り付けに制限を受けない方法として、１本の通水パイプに片持ちで固定する方法が考えられるが、現状、そのような取り付け方法において、発熱体と被加熱物の安定した面接触状態は得られていない。
【０００６】
本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、伝熱面積の広い面状発熱体を、１本の通水パイプに片持ちで固定し、被加熱物に弾性密着させることが可能なものを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく本発明による取付部材付き金属被覆面状発熱体は、平面状の被加熱部位と、該被加熱部位の近傍に位置するパイプを有する構造の被加熱物に、取付部材の弾性力を利用して金属被覆面状発熱体を密着状態に装着することができる取付部材付き金属被覆面状発熱体において、前記金属被覆面状発熱体は、接合部が無いか若しくは溶融接合され所定の形状に成形された金属製の管状成形体内に給電導体を備えた面状発熱素子が収納され、その両端開口部が絶縁材によって封止されてなるとともに、平面部分の面積が全表面積の２５％以上となるように成形されており、前記取付部材は、前記パイプと嵌合する嵌合部と、該嵌合部に一体に形成された金属被覆面状発熱体保持部とから構成されており、前記保持部に設けられた複数個の爪部によって上記金属被覆面状発熱体をつかむことにより、該金属被覆面状発熱体が前記取付部材に保持されているとともに、前記爪部が金属被覆面状発熱体における平面部分の側面をつかんでいることが考えられる。
また、上記取付部材は、嵌合部と金属被覆面状発熱体保持部との間に、折り曲げ加工によりバネ弾性が付与された連結部を有しており、加熱部位近傍に位置するパイプを支点にして、金属被覆面状発熱体を被加熱物の平面状の加熱部位に弾性的に押し付けていることが考えられる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明において使用される金属被覆面状発熱体は、接合部が無いか若しくは溶融接合され、好ましくは平面部分の面積が全表面積の２５％以上となるように成形された金属製の管状成形体と、該管状成形体内に収納された面状発熱素子と、該面状発熱素子に電気的に接続され前記管状成形体の一端又は両端から外部に導出された給電導体と、前記管状成形体の両端開口部を封止する絶縁材とから構成されたものである。
【０００９】
管状成形体は、ステンレス、炭素鋼、鉄、真鍮、銅、アルミニウム等の金属を構成材料として、後述する面状発熱素子の大きさ、形状に合わせて成形したものである。本発明では、平面部分の面積が全表面積の２５％以上となるように成形することが好ましい。これは、平面部分の面積が全表面積の２５％以上であれば、被加熱物との接触面積が充分となり加熱効率を向上させることができるからである。成形方法としては、例えば、上記の金属材料からなる円筒状パイプに、プレス加工、ローリング絞り加工等の塑性加工を施すことにより所定形状の管状成形体を得る方法、上記の金属材料からなる板状体に溶接、溶着、ロー付け等を施すことにより所定形状の管状成形体を得る方法、上記の金属材料を引抜成形することにより所定形状の管状成形体を得る方法などが挙げられる。
【００１０】
上記の管状成形体内に収納される面状発熱素子は、従来公知の金属線や金属箔などからなる抵抗体を所定のパターン又は巻き線状に配置したものを、マイカ、セラミック等の無機材料やシリコーンゴム、フッ素ゴム、フッ素樹脂等の有機高分子材料などからなる絶縁材で挟み込むか、若しくは、包み込むことによって絶縁を施し、その両端に給電導体を電気的に接続した構造のものである。
【００１１】
給電導体は、従来公知の導体材料に適宜に絶縁処理が施された構成であり、接続端子等を介して又は介さずに面状発熱素子の抵抗体と電気的に接続される。接続端子等を介さずに抵抗体と接続する方法の一例を、面状発熱素子としてマイカ板積層型ヒータを用いた場合を例に挙げて説明する。まず、マイカ板積層型ヒータは、抵抗体としてのニッケルクロム合金線を芯材としてのマイカ板に所定のピッチで巻装したものを、絶縁材としてのマイカ板で上下方向から挟持した構造であり、ニッケルクロム合金線の両端は、同一方向に向けて所定の長さだけ延長されている。そして、この延長されたニッケルクロム合金線に、給電導体としての純ニッケル線を所定のピッチで撚り合わせることにより両者を電気的に接続する。この方法であれば、接続端子等を不要にすることができるため部品点数が削減でき好ましい。
【００１２】
給電導体の管状成形体外部への導出構造としては、管状成形体の両端から外部に導出する構造と、管状成形体の一端から外部に導出する構造が考えられる。どちらの構造を採用しても良いが、管状成形体の一端から導出する構造とした方が、給電導体の配線作業が容易であり好ましい。
【００１３】
管状成形体の両端開口部を封止する絶縁材は、実使用時に要求される耐熱性や防水性、製造作業時の作業性、生産性などを考慮して従来公知の絶縁材料の中から適宜に選択される。例えば、セラミック等の無機材料や、シリコーンゴム、合成ゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の有機高分子材料などが挙げられる。
【００１４】
上記構成の金属被覆面状発熱体は、被加熱物の平面状の加熱部位に取付部材の有する弾性力によって密着状態で装着される。この取付部材は、例えば、ステンレス、炭素鋼、銅合金などの金属材料からなる板状体に折り曲げ加工などを施すことにより、少なくとも加熱部位近傍に位置する三次元構造物と嵌合する嵌合部と、該嵌合部に一体に形成された金属被覆面状発熱体保持部とを備えた構造に成形されたものである。この際、嵌合部と金属被覆面状発熱体保持部との間に、例えば、折り曲げ加工により断面略くの字状に成形された連結部を備えた構成とした場合には、被加熱部位の表面形状や傾きなどにかかわらず金属被覆面状発熱体を連結部のバネ弾性力を利用して密着状態に装着することが可能になる。
【００１５】
金属被覆面状発熱体を保持する手段としては、該保持部に設けた複数個の爪部によって金属被覆面状発熱体をつかむことにより保持する方法、爪部によって金属被覆面状発熱体をつかみ、更に、金属被覆面状発熱体の金属被覆と溶接することにより保持する方法、保持部と金属被覆面状発熱体の金属被覆とを溶接することにより保持する方法などが考えられる。
【００１６】
【実施例】
以下、図１乃至図４を参照して本発明の一実施例を説明する。尚、この実施例は、本発明を、給湯器の熱交換器本体部分における通水パイプの加熱に適用することを想定した場合の例である。
【００１７】
実施例１
この実施例による金属被覆面状発熱体１は図１に示すように、両端開口部をシリコーンゴムからなる絶縁材２により封止した、長さ１５６ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、外側高さ４．５ｍｍ、外側幅２１．６ｍｍの断面略楕円形状のステンレス製管状成形体３（平面部分の面積は全表面積の６０％）内に、抵抗体としてニッケルクロム合金線が巻き付けられた芯材となるマイカ板を、絶縁材としてのマイカ板で上下から挟持したマイカ板積層型ヒータからなる面状発熱素子４（厚さ３．２ｍｍ、幅１８．５ｍｍ、長さ１５１ｍｍ）が収納された構造である。ここで、前記管状成形体３は、引抜成形により成形された外径１５ｍｍの円筒状ステンレスパイプをプレス加工により断面略楕円形状にしたものである。符号５に示す給電導体は、面状発熱素子４から延長されたニッケルクロム合金線に撚り合わせにより電気的に接続された純ニッケル線からなっており、管状成形体３の一端から２本合わせて同一方向に導出され、ガラス編組シリコーンゴムチューブ６にて絶縁被覆されている。
【００１８】
一方、取付部材７は、肉厚０．４ｍｍのステンレス板に折り曲げ加工を施すことによりバネ弾性を付与した断面略コの字状の通水パイプ嵌合部７ａと、該嵌合部７ａに一体に形成された金属被覆面状発熱体保持部７ｂとから構成されており、該保持部７ｂは、金属被覆面状発熱体１を複数個（ここでは３個）の爪部７ｃによって保持している。
【００１９】
実施例２
上記実施例１と同様構造の金属被覆面状発熱体１を、図２に示すような構造の取付部材８を利用して保持したものを用意した。この取付部材８は、肉厚０．４ｍｍのステンレス板に折り曲げ加工を施すことによりバネ弾性を付与した断面略コの字状の通水パイプ嵌合部８ａと、該嵌合部８ａに一体に形成された金属被覆面状発熱体保持部８ｂとの間に、折り曲げ加工によりバネ弾性が付与された断面略くの字状の連結部８ｄを備えた構成となっており、該保持部８ｂは、金属被覆面状発熱体１を複数個（ここでは３個）の爪部８ｃによって保持している。
【００２０】
比較例１
従来、給湯器の熱交換器の加熱に一般的に用いられているセラミック管状発熱体と断面略コの字状の止め金具を用意した。尚、この発熱体のリード線は、管状発熱体の両端から導出する構造となっているため、片方のリード線を他方のリード線の導出方向に折り返した後、発熱部との接触によるリード線被覆材の破損を防止するために金属製スプリング内に挿通した。
【００２１】
ここで、上記３種類の発熱体の被加熱物への装着作業性と加熱効率を評価するために、以下に示すような試験を行った。まず、図３に示すような、縦３００ｍｍ、横３６０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの銅板９の中央部に、外径１２．７ｍｍ、長さ４００ｍｍ、肉厚１．０ｍｍの銅パイプ１０を接合した構造の被加熱物を用意し、上記３種類の発熱体を銅パイプ１０の中央部下側に取り付けた。実施例１、実施例２ともに発熱体を被加熱物の平面状の加熱部位（銅板９）に密着させて装着することができた。また、実施例１、実施例２ともに取付部材の嵌合部を銅パイプに嵌合させるという１工程のみで済んだが、比較例１においては発熱体を所定の位置に設置する作業と、止め金具を所定の位置に取り付ける作業の２段階の作業からなり２工程必要であった。次に、雰囲気温度３℃に設定した恒温槽内に設置した測定箱内において、実施例１、実施例２及び比較例１の発熱体に所定電力を印加して発熱させ、被加熱物の表面温度を測定した。測定点は図３に示した▲１▼〜▲８▼の８箇所とした。その結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】
0004590053.tif 000002
【００２３】
表１の結果によれば、銅板（測定点▲１▼〜▲４▼）、銅パイプ（測定点▲５▼〜▲８▼）ともに実施例１及び実施例２の方が比較例１よりも温度が高く、加熱効率に優れていることがわかる。これは、比較例１よりも実施例１及び実施例２の方が、発熱体と被加熱物との接触面積が大きいためであると考えることができる。
【００２４】
本実施例では更に、実使用時の加熱効率を評価するために、以下に示すような試験を行った。まず、図４に示すような市販の給湯器の熱交換器１１に、上記３種類の発熱体を取り付けた。ここで、給湯器の熱交換器１１の壁面は多少凸凹しており、通水パイプ１２に対して若干の傾きがみられた。次に、雰囲気温度０℃に設定した恒温槽内に設置した測定箱内において、実施例１、実施例２及び比較例１の発熱体に所定電力を印加して発熱させ、被加熱物（給湯器の熱交換器）の表面温度を測定した。測定点は図４に示した▲１▼〜▲３▼の３箇所とした。その結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】
0004590053.tif 000003
【００２６】
表２の結果によれば、まず、各測定点において、実施例１及び実施例２の方が比較例１よりも温度が高く、加熱効率に優れていることがわかる。これは、比較例１よりも実施例１及び実施例２の方が、発熱体と被加熱物との接触面積が大きいためであると考えることができる。次に実施例１と実施例２を比べてみると実施例２の方が実施例１よりも若干温度が高くなっている。これは、実施例１よりも実施例２の方が、金属被覆面状発熱体を熱交換器壁面により一層密着状態で装着でき、優れた加熱効率をもって熱交換器と通水パイプを加熱できるためであると考えることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明による金属被覆面状発熱体の実装方法は、被加熱物の平面状の加熱部位に密着させるための取付部材が、少なくとも加熱部位近傍に位置する三次元構造物と嵌合する嵌合部と、金属被覆面状発熱体が取付部材から脱落するのを防ぐのに充分な保持力を持った金属被覆面状発熱体保持部を有しており、伝熱面積の広い金属被覆面状発熱体を、金属被覆面状発熱体の保持部に一体に設けられた嵌合部のみで被加熱物に容易に取り付けることができる。又、上記取付部材において、嵌合部と保持部の間にバネ弾性が付与された連結部を持たせることにより、被加熱物の表面状態にかかわらず、発熱体と被加熱物の面接触状態を安定して実現することができ、高い加熱効率を得ることが可能となる。更に、面状発熱素子に電気的に接続される給電導体を管状成形体の一端から外部に導出する構造とした場合には、給電導体の配線作業が容易であるとともに、従来必要とされていたような金属製スプリングなどを不要にできるため、製造コストが低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す図で、（ａ）は金属被覆面状発熱体と取付部材の構成を示す斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明の一実施例を示す図で、（ａ）は金属被覆面状発熱体と取付部材の構成を示す斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図３】装着作業性及び加熱効率を評価する際に使用した被加熱物の構成と、表面温度測定箇所を示す図である。
【図４】実使用時の加熱効率を評価する際に使用した給湯器の熱交換器の構成と、表面温度測定箇所を示す図で、（ａ）は熱交換器の斜視図、（ｂ）は展開図である。
【符号の説明】
１  金属被覆面状発熱体
２  絶縁材
３  管状成形体
４  面状発熱素子
５  給電導体
６  ガラス編組シリコーンゴムチューブ
７  取付部材
７ａ  嵌合部
７ｂ  金属被覆面状発熱体保持部
７ｃ  爪部
８  取付部材
８ａ  嵌合部
８ｂ  金属被覆面状発熱体保持部
８ｃ  爪部
８ｄ  連結部
９  銅板
１０  銅パイプ
１１  熱交換器
１２  通水パイプ
【図１】
0004590053.tif 000004
【図２】
0004590053.tif 000005
【図３】
0004590053.tif 000006
【図４】
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