(57)【要約】  本開示のヒータ装置１は、長手方向を有する筒状のセラミック体２と、セラミック体２の内部に埋設された抵抗体３とを備え、セラミック体２の内側を長手方向に沿って流れる流体を加熱するものである。そして、セラミック体２の内壁に螺旋状の凸部２１が設けられている。これにより、セラミック体２の一方の開口より入る流体の一部がセラミック体２の内壁の螺旋状の凸部２１に沿って流れるため、加熱面に沿った流路の長さが見かけ上長くなり、流体が螺旋状の凸部２１の壁にあたることによって乱流になり易くなり、熱伝達性が向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向を有する筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に埋設された抵抗体とを備え、前記セラミック体の内側を前記長手方向に沿って流れる流体を加熱するヒータ装置であって、前記セラミック体の内壁に螺旋状の凸部が設けられていることを特徴とするヒータ装置。
【請求項２】
前記螺旋状の凸部は複数の切欠き状部を有しており、該複数の切欠き状部が前記長手方向の直線上に沿って揃って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ装置。
【請求項３】
前記螺旋状の凸部は複数の切欠き状部を有しており、該複数の切欠き状部が前記長手方向の直線上に沿って揃わずに配置されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ装置。
【請求項４】
前記螺旋状の凸部は断面で見て四角形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載のヒータ装置。
【請求項５】
前記螺旋状の凸部は前記セラミック体の先端側の端部における高さが前記セラミック体の後端側の端部における高さよりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載のヒータ装置。
【請求項６】
前記セラミック体の内側の空間に芯棒が挿通されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載のヒータ装置。
【請求項７】
前記セラミック体の内壁と前記芯棒とで囲まれる空間の断面積が、前記セラミック体の後端側よりも前記先端側で小さいことを特徴とする請求項６に記載のヒータ装置。
【請求項８】
前記芯棒における前記セラミック体の後端側の端部に対応する部位に、前記セラミック体の後端側から先端側に向かって次第に高さが高くなる環状の凸部を有していることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のヒータ装置。
【請求項９】
前記螺旋状の凸部と前記芯棒とが当接していることを特徴とする請求項６乃至請求項８のうちのいずれかに記載のヒータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、流体加熱用のヒータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温水洗浄用ヒータとして、ケーシングにセラミック体からなる筒状のヒータを挿入するとともに、当該ヒータの内側に棒状の芯棒を挿入したものが知られている。そして、芯棒の外周面に螺旋状のガイドを設けて、筒状のヒータと芯棒との間に流体を流して加熱するヒータ装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−８０３５２号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示のヒータ装置は、長手方向を有する筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に埋設された抵抗体とを備え、前記セラミック体の内側を前記長手方向に沿って流れる流体を加熱するものである。そして、前記セラミック体の内壁に螺旋状の凸部が設けられている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】ヒータ装置の実施形態の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示すII−II線で切断した概略縦断面図である。
【図３】ヒータ装置の実施形態の他の例を示す概略縦断面図である。
【図４】ヒータ装置の実施形態の他の例を示す概略縦断面図である。
【図５】ヒータ装置の実施形態の他の例を示す概略縦断面図である。
【図６】はヒータ装置の実施形態の他の例を示す斜視図である。
【図７】図６に示すVII−VII線で切断した概略縦断面図である。
【図８】ヒータ装置の実施形態の他の例を示す概略縦断面図である。
【図９】ヒータ装置の実施形態の他の例を示す概略縦断面図である。
【図１０】ヒータ装置の実施形態の他の例を示す概略縦断面図である。
【図１１】ヒータ装置の実施形態の他の例を示す概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
近年、ヒータ装置の小型化が求められており、そのようなヒータ装置では加熱効率の向上が求められている。
【０００７】
芯棒の外周面に螺旋状のガイドを設けると、ガイドに沿って芯棒の周囲を流体が流れ、見かけ上流路が長くなり、加熱効率が上がるものの、芯棒には発熱抵抗体がなく芯棒自体は発熱しないので、加熱効率の向上の点で改善の余地があった。
【０００８】
本開示のヒータ装置は、長手方向を有する筒状のセラミック体と、このセラミック体の内部に埋設された抵抗体とを備え、セラミック体の内側を長手方向に沿って流れる流体を加熱するものである。そして、セラミック体の内壁に螺旋状の凸部を設けている。このような構成とすることにより、セラミック体の一方の開口より入る流体の一部がセラミック体の内壁の螺旋状の凸部に沿って流れ、加熱面に沿った流路の長さが見かけ上長くなる。また、流体が螺旋状の凸部の壁にあたることによって乱流になり易くなり、熱伝達性が向上する。したがって、加熱効率を向上できる。
【０００９】
以下、ヒータ装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１はヒータ装置の実施形態の一例を示す斜視図、図２は図１に示すII−II線で切断した概略縦断面図である。
【００１１】
図１および図２に示すヒータ装置１は、長手方向を有する筒状のセラミック体２と、セラミック体２の内部に埋設された抵抗体３とを備え、セラミック体２の内側を長手方向に沿って流れる流体を加熱するものである。そして、セラミック体２の内壁に螺旋状の凸部２１が設けられている。
【００１２】
ヒータ装置１は、セラミック体２の内側および必要により外側に液体、気体および粉体のような流体の被加熱物を長手方向に沿って通過させ、セラミック体２の内壁および必要により外壁に被加熱物を接触させて加熱させるものである。
【００１３】
セラミック体２は、長さ方向を有する筒状の部材である。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図に示すヒータ装置１においては、セラミック体２は円筒状である。セラミック体２が円筒状である場合の寸法は、例えば長さ方向の全長が４０〜１５０ｍｍ、外径が４〜３０ｍｍ、内径が１〜２８ｍｍに設定することができる。
【００１４】
セラミック体２は、絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁性のセラミック材料としては、例えばアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。熱伝導率に優れるという点では窒化アルミニウムを用いることができ、耐酸化性があって製造しやすい点ではアルミナを用いることができる。
【００１５】
セラミック体２の内部には、抵抗体３が埋設されている。抵抗体３は、電流が流れることによって発熱してセラミック体２を加熱するものである。図示していないが、抵抗体３は、長さ方向に繰り返して折り返しながら周方向に沿って設けられた折り返し部（蛇行部）を有している。そして、抵抗体３の一端が後述する一対の引出し部４のうちの一方と電気的に接続され、他端が後述する一対の引出し部４のうちの他方と電気的に接続されている。
【００１６】
抵抗体３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）等の高融点の金属を主成分とした導電体からなる。抵抗体３の寸法は、例えば、幅を０．３〜２ｍｍ、厚みを０．０１〜０．１ｍｍ、全長を５００〜５０００ｍｍに設定することができる。これらの寸法は、抵抗体３の発熱温度、抵抗体３に加える電圧等を考慮して、適宜設定される。
【００１７】
引出し部４は、抵抗体３と後述する電極パッド５とを電気的に接続するためのもので、抵抗体３の一端および他端のそれぞれに対応して一対設けられている。引出し部４は、抵抗体３と同様の材料からなる。引出し部４の断面が円形の場合の直径は、例えば１〜５ｍｍとされる。
【００１８】
セラミック体２の外周面である外壁には電極パッド５が設けられ、当該電極パッド５は引出し部４と電気的に接続されている。この電極パッド５は、後述するリード端子７を接合する部位となるもので、セラミック体２の後端側の外壁の対向する２か所（断面で見たときの直径上に位置する２箇所）にそれぞれ引出し部４と電気的に接続されて設けられる。
【００１９】
電極パッド５は、例えばタングステン、モリブデン等からなり、抵抗体３および引出し部４と同じ金属材料であってもよく、異なる金属材料であってもよい。電極パッド５の寸法は、例えば長さを５〜１０ｍｍに、幅を５〜１０ｍｍに、厚みを０．０１〜０．１ｍｍに設定することができる。
【００２０】
電極パッド５には、接合材を用いてリード端子６が接合されている。このリード端子６は一端が電極パッド５に接合され、他端が外部電源等に接続される。リード端子６の断面形状としては、例えば円形状、楕円形状、長方形状などが挙げられる。リード端子６が断面円形の場合の直径は、例えば０．５〜２．０ｍｍとされる。また、接合材としては、例えば銀ろう、銀銅ろう等のろう材またはＳｎ（錫）−Ａｇ（銀）−Ｃｕ（銅）等の半田を用いることができる。
【００２１】
そして、セラミック体２の内壁には、螺旋状の凸部２１が設けられている。これにより、セラミック体２の一方の開口より入る流体の一部がセラミック体２の内壁の螺旋状の凸部２１に沿って流れるため、加熱面に沿った流路の長さが見かけ上長くなる。また、流体が螺旋状の凸部２１の壁にあたることによって乱流になり易くなり、熱伝達性が向上する。したがって、加熱効率を向上でき、短い流路でも所望の温度に到達できる。
【００２２】
ここで、セラミック体２の内径が例えば５〜１５ｍｍの場合において、螺旋状の凸部２１の幅ｗ（図２の左右方向の幅）は例えば１〜３ｍｍ、また螺旋状の凸部２１の高さｔ（図２の上下方向の高さ）は例えば０．５〜３ｍｍとされる。また、螺旋状の凸部２１の切断面でみたときの隣り合う凸部の間隔ｄは螺旋状の凸部２１の幅ｗの２倍〜１０倍とされる。
【００２３】
なお、後述する芯棒７を挿通させる場合に対して芯棒７を挿通させない場合においては、螺旋状の凸部２１の幅ｗは同じでよいが、螺旋状の凸部２１の高さｔは高くてもよい。より乱流が発生しやすくなる点で、効果的である。
【００２４】
螺旋状の凸部２１の断面形状としては、四角形状、三角形状、半円形状などを採用することができるが、図に示す例では断面形状が四角形状である。図２に示すように、螺旋状の凸部２１の断面形状が四角形状の場合には、セラミック体２の内壁から螺旋状の凸部２１が垂直に立ち上がっているので、流体が螺旋状の凸部２１の壁面にあたってより乱流が起きやすくなって、加熱効率を向上でき、より短い流路でも所望の温度に到達できる。
【００２５】
また、図３に示すように、螺旋状の凸部２１は複数の切欠き状部２０を有していてもよい。さらに、複数の切欠き状部２０は長手方向の直線上に沿って揃って配置されていてもよい。これにより、螺旋状の凸部２１とセラミック体２の内壁面との境界部、すなわち隅部にとどまろうとする流体が切欠き状部２０を通過して流れやすくなり、加熱効率が向上する。
【００２６】
なお、切欠き状部２０とは、螺旋状の凸部２１の一部が途切れてセラミック体２の内壁と面一になっている部位、または螺旋状の凸部２１の一部が他の部位よりも低くなっている部位のことである。切欠き状部２０の周方向長さ、すなわちセラミック体２の内壁に沿った部分における円周方向の長さは、例えば１〜３ｍｍとされる。
【００２７】
また、図４に示すように、螺旋状の凸部２１が複数の切欠き状部２０を有している場合において、複数の切欠き状部２０が長手方向の直線上に沿って揃わずに配置されていてもよい。これにより、螺旋状の凸部２１とセラミック体２の内壁面との境界部、すなわち隅部に流体がとどまりにくくなるのに加え、切欠き状部２０を通った流体が次の螺旋状の凸部２１の壁面にあたり、より乱流が発生しやすくなって、熱伝達性が向上する。なお、長手方向に隣り合う切欠き状部２０の周方向へのずれとしては、少なくとも長手方向に重ならない程度、言い換えると、切欠き状部２０が一個分以上ずれていればよい。
【００２８】
また、図５に示すように、螺旋状の凸部２１はセラミック体２の先端側の端部における高さｔ１がセラミック体２の後端側の端部における高さｔ２よりも高くなっていてもよい。
【００２９】
一般に、セラミック体２の後端側は給電のためのスペースなどを設ける必要があり、セラミック体２の先端側にはこのようなスペースを確保する必要がないことから、セラミック体２の先端側ではより多くの範囲に抵抗体３を埋設することができる。したがって、セラミック体２は先端側でよく発熱するようになっている。そして、例えば図に矢印で示すように、流体はセラミック体２の後端側の開口が入り口、すなわち上流側となり、セラミック体２の先端側の開口が出口、すなわち下流側となるように流される。これにより、流体の流入による急激な温度変化によって、セラミック体２の特に入口側に熱衝撃が加わるのを低減することができる。
【００３０】
ここで、螺旋状の凸部２１はセラミック体２の先端側の端部における高さｔ１がセラミック体２の後端側の端部における高さｔ２よりも高くなっていることにより、下流側であるセラミック体２の先端側で加熱面の表面積が大きくなる。したがって、加熱効率がより向上する。
【００３１】
また、ヒータ装置の実施形態の他の例を示す斜視図である図６および図６に示すVII−VII線で切断した概略縦断面図である図７に示すように、ヒータ装置１はセラミック体２の内側の空間に芯棒７が挿通された構成であってもよい。セラミック体２の内側の空間、すなわち流路を狭くする方法としては、セラミック体２の径を細くする方法も挙げられるが、製造しやすさを考慮して、セラミック体２の内側の空間に芯棒７が挿通された構成とすることができる。これにより、セラミック体２の内側の空間、すなわち流路が狭くなるため、流体の流速が速くなり、流体に伝達される熱量の全体量をより増加させることができる。また、流体がよりセラミック体２の加熱面である内壁に近いところを流れることができるので、流体をより早く加熱でき、加熱効率を向上でき、より短い流路でも所望の温度に到達できる。
【００３２】
なお、芯棒７の断面形状としては、セラミック体２の内壁の断面形状と相似形であるのがよい。また、セラミック体２の内壁の断面形状が円形状、言い換えるとセラミック体２の断面形状が円環状であって、芯棒７の断面形状が円形状である場合の芯棒７の直径としては、例えば１〜１０ｍｍに設定されるが、セラミック体２の内壁の円形状の直径の例えば３０％以上の直径であるのがよい。
【００３３】
また、図８に示すように、セラミック体２の内壁と芯棒７とで囲まれる空間の断面積が、セラミック体２の後端側よりも先端側で小さくなっていてもよい。このような例として、図８では、セラミック体２の後端側から先端側に向かうにしたがって芯棒７の直径が次第に太くなっている例を示している。これにより、セラミック体２の先端側、すなわち下流側で流速が速くなり、より加熱効率が向上する。
【００３４】
なお、セラミック体２の後端側の開口における芯棒７の直径に対し、セラミック体２の先端側の開口における芯棒７の直径は、例えば１．１〜２倍に設定される。
【００３５】
また、図９および図１０に示すように、芯棒７におけるセラミック体２の後端側の端部に対応する部位に、セラミック体２の後端側から先端側に向かって次第に高さが高くなる環状の凸部７１、７２を有していてもよい。ここで、図９に示す環状の凸部７１は、上流側であるセラミック体２の後端側から、下流側である先端側に向かって次第に厚みが増す形状、いわゆる中実形状であり、図１０に示す環状の凸部７２は、上流側であるセラミック体２の後端側から、下流側である先端側に向かって厚みは一定で径が拡がる形状、いわゆる漏斗形状である。これにより、流入した流体がセラミック体２の内壁に流れやすくなるほか、乱流が起きやすくなる。したがって、さらに加熱効率が向上する。
【００３６】
なお、図９および図１０に示すように、セラミック体２には例えばチューブ８が接続され、チューブ８を通って流体が供給される。そして、図に示す矢印は、流体がセラミック体２の内壁に向かって流れる様子を示している。
【００３７】
環状の凸部７１、７２の高さは、環状の凸部７１、７２を除く芯棒７の外周面とセラミック体２の内壁との間隔、ここでは片側での間隔の例えば０．５〜０．８倍とされる。
【００３８】
また、図１１に示すように、螺旋状の凸部２１と芯棒７とが当接していてもよい。このような例として、芯棒７を太くする方法が挙げられる。これにより、セラミック体２の熱が芯棒７に伝達し、セラミック体２の内壁と芯棒７の外周面の両方から流体に熱伝達させることができるため、さらに加熱効率が向上し、短い流路でも所望の温度に到達できる。
【００３９】
なお、螺旋状の凸部２１と芯棒７とが当接しない場合は、芯棒７はできるだけ熱引けしないように熱伝導率が小さい材質の物を用いるとよい。具体的にはステンレスやアルミナ等のセラミック材料を用いることができる。
【００４０】
一方、螺旋状の凸部２１と芯棒７とが当接する場合は、セラミック体２の内壁に加えて、芯棒７も熱源として機能するように、芯棒７は熱伝導率の高い材質の物を用いると良い。具体的にはアルミニウムや銅等の高熱伝導金属を用いることができる。
【００４１】
次に、本実施形態のヒータ装置１の製造方法について説明する。
【００４２】
セラミック体２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。
【００４３】
まず、Ａｌ2Ｏ3を主成分とし、ＳｉＯ2，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ2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作製する。
【００４４】
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３となる所定の導体パターンを形成する。抵抗体３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、その他の方法として金属箔をエッチング法などにより形成する方法や、ニクロム線をコイル状に形成し埋設する方法などがあるが、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。
【００４５】
アルミナ質セラミックグリーンシートの抵抗体３を形成する面とは反対側の面に、電極パッド５を抵抗体３の形成と同様に所定のパターン形状で形成する。
【００４６】
また、アルミナ質セラミックグリーンシートには、抵抗体３と電極パッド５とを電気的に接続する引出し部４を設けるための孔加工およびスルーホール導体を形成するための導体ペーストの充填がなされる。
【００４７】
抵抗体３、電極パッド５および引出し部４であるスルーホール導体は、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。
【００４８】
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。ここでセラミック体２の内壁に設けられる螺旋状の凸部２１は、押し出し成型機の内側の口金に凹部を設け、円周上に回転させながら押し出し成型をすることにより得られる。また、アルミナ質のセラミックグリーンシートを細長く切断し、成型体の内壁に螺旋状に密着させてもよい。さらに、後述する成型体の焼結後、コイル状の部材をセラミック体２の内壁に密着させてもよい。
【００４９】
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つける。このとき、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、内部に抵抗体３が埋設されたセラミック体２となるアルミナ質一体成型体を得ることができる。
【００５０】
こうして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、前記アルミナ質一体成型体が収縮し、アルミナ質一体焼結体であるセラミック体２を作製することができる。
【００５１】
さらに、セラミック体２の内壁に設けた螺旋状の凸部２１に切欠き状部２０を設ける方法として、マシニング加工によりセラミック体２の軸方向に直線状に螺旋状の凸部２１を取り除く加工ができる。また、特殊な工具を用いることにより、セラミック体２の軸方向に螺旋状の凸部２１を１つおきに加工し除去することもできる。
【００５２】
次に、セラミック体２に形成された電極パッド５上に、給電部形成時の下地となるメッキを施す。メッキは、ニッケルメッキ、金メッキ、錫メッキなどが汎用的である。メッキの施術方法は無電解メッキや電解メッキ、バレルメッキなどの施術方法を目的に応じて選択すると良い。そして、ニッケルからなるリード端子６をパッド上に半田付けをする。
【００５３】
さらに、芯棒７をセラミック体２の内側に挿入する場合における芯棒７をセラミック体２の内側に挿通する方法としては、セラミック体２の外側にケーシングを配置し、当該ケーシングに芯棒７を固定すれば良い。
【００５４】
さらに、芯棒７におけるセラミック体２の後端側の端部に対応する部位に環状の凸部７１を設ける方法として、芯棒７と環状の凸部７１を一体加工にて作製する方法でもよく、芯棒７と環状の凸部７１を別々に作製し、接着剤等で接合する方法を用いても良い。
【００５５】
以上の方法で本実施形態のヒータ装置１が得られる。
【符号の説明】
【００５６】
１：ヒータ装置
２：セラミック体
２１：螺旋状の凸部
２０：切欠き状部
３：抵抗体
４：引出し部
５：電極パッド
６：リード端子
７：芯棒
７１、７２：環状の凸部
８：チューブ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2018135225.tif 000015
2018135225.tif 000016
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