(57)【要約】【課題】簡単な構成でありながら水を効率よく加熱して瞬時に所望の温水や熱水を得ることができる瞬間式電気湯沸器に適した熱交換構造体を得ることを目的とする。【解決手段】電気絶縁性を備える熱交換プレートの一側面に通水路を設けるとともに他側面に半導体発熱機能材を配設し、この半導体発熱機能材に通電することにより熱交換プレートを介して通水路を流通する水を加熱する構成を採用する。この熱交換構造体によれば、水道直圧の流水を短時間に効率よく加熱することができるので、ガス湯沸器に代替する小型軽量な瞬間式電気湯沸器として好適に構成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性を備える熱交換プレートの一側面に通水路を設けるとともに他側面に半導体発熱機能材を配設し、前記半導体発熱機能材に通電することにより熱交換プレートを介して通水路を流通する水を加熱することを特徴とする熱交換構造体。
【請求項２】
熱交換プレートとして、外側面に電気絶縁被覆を施した金属板を使用することからなる請求項１に記載の熱交換構造体。
【請求項３】
金属板として、外側面を電気絶縁性のセラミックで被覆したアルミ合金板を使用することからなる請求項２に記載の熱交換構造体。
【請求項４】
熱交換プレートとしてガラス板を使用することからなる請求項１に記載の熱交換構造体。
【請求項５】
半導体発熱機能材は、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を加えて１５０℃〜２５０℃に加熱し、得られた加熱混合沈澱物に増粘剤と還元剤を加えて再度２００℃程度に加熱したのちバインダーを加えて展延することによりテープ状発熱基材を形成し、さらにこのテープ状発熱基材に電極を付設するとともに耐熱防水被覆してなる請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換構造体。
【請求項６】
半導体発熱機能材を重畳して使用することからなる請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換構造体。
【請求項７】
半導体発熱機能材は、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を加えて１５０℃〜２５０℃に加熱したのち得られた加熱混合物の一部と酸化錫と酸化亜鉛との溶解混合物を再度加熱して得られた発熱基材からなり、この発熱基材を熱交換プレートの一側面に蒸着して電極を付設することにより構成してなる請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換構造体。
【請求項８】
熱交換プレートの外側に熱反射材および断熱材を配設することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換構造体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換構造体を使用することを特徴とする電気式瞬間湯沸器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は熱交換構造体に関するものであり、一層詳細には、電気湯沸器の熱交換手段として好適に使用される熱交換構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  一般に家庭で使用されるエネルギーは、照明を含む家電製品が約４０％、冷暖房が約２６％で残りの３０％以上が風呂や台所などの給湯に消費されているのが現状であり、この給湯部分の効率が省エネを大きく左右することになる。【０００３】  ところで、家庭で温水や熱水を得る手段としては、ガスの燃焼熱で細いパイプ内の水を熱する「瞬間式」ガス給湯器（湯沸器）が最も広く使用されているが、不完全燃焼時に発生する一酸化炭素の危険性が常に指摘されている。
最近では、お湯を沸かした後のガスの排熱を再度加熱に使用することにより効率を上げる潜熱回収型と呼ばれる高効率給湯器（商品名；エコジョーズ）が実施化されており、この潜熱回収型給湯器を一般的なガス給湯器に置き換えるとどんな家庭でも省エネに繋がり、二酸化炭素ＣＯ２の削減にも有効とされているが、ＣＯ２の削減を目的とした場合は、ガス（火）を使わない方式への転換が最も望ましいと言える。【０００４】  また、発電しながらお湯を沸かす家庭用のコージェネ給湯器も提案されている。このコージェネ給湯器の電気と熱を併せたエネルギー効率は８５％とされているが、運転する時間が限られるだけでなく、ガス湯沸器なのに貯湯式であるため、湯水をたくさん使用する場合でないとメリットが少なく、価格もかなり高価となっている。【０００５】  一方、電気エネルギーは、発電や送電時のロスのため手元に届くエネルギーは元の燃料（一次エネルギー）の４０％程度であり、この電気を加熱手段として使用するとさらにロスが生じてエネルギー効率は低くなってしまう。
また、家庭用として使える電力は限られているので、ガス湯沸器ほど急速に水を温めることができないが、電気の場合は料金の格安な深夜電力の使用が可能であり、またオール電化にするとさらに優遇されて割引されることから光熱費の低減を図ることができる反面、全体としては省エネにはつながらないという“ねじれ現象”が生じていた。【０００６】  そこで、エアコンや冷蔵庫と同じ原理で空気中の熱を取り込んで湯沸しに使用するヒートポンプ式の高効率給湯器（商品名；エコキュート）が開発された。このエコキュートは消費電力の３倍以上の加熱効率を誇り、発電や送電時のロスを前提にしてもその効率はガス給湯器と同等以上とされている。
しかしながら、このヒートポンプ式の高効率給湯器もある程度の水を予め加熱して温水として貯留しておき、これを加熱して必要な温水や熱水を得るような方法が採られているため、温水貯蔵タンクとして大容量のものが必要になるので装置が大型化し、スペースが限られている集合住宅などでは設置しにくいだけでなく後付けも難しいなどの問題があった。【０００７】  このような問題を解決するために、例えば、電力をコンデンサや蓄電装置（電気二重層コンデンサ、蓄電池、二次電池など）に充電しておき、湯沸し時にこの充電電力をヒータに流し熱交換を行って熱水とすることにより温水タンクを省略できるようにした電気湯沸器（特許文献１及び特許文献２）、あるいは、タングステンなどを主成分とする面状発熱体を密に配置し、この面状発熱体の間に水を流して熱交換効率を上げることにより温水タンクをなくした電気湯沸器（特許文献３参照）など種々の提案がなされている。【０００８】
【特許文献１】  特開平１１−２８１１５５号公報
【０００９】
【特許文献２】  特開２００４−５３０９８号公報
【００１０】
【特許文献３】  特開２０００−７４４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  しかしながら、このようにガスに代替して電気を水の加熱手段として使用する電気式湯沸器においては、温水タンクを備えたものは装置が大型化し、一方、温水タンクを省略するようにした型式の電気式湯沸器は熱効率を向上させるため構造が複雑化して、従来のガス湯沸器ほど小型で簡単な構成にはならないなどの解決すべき点が指摘されている。
そこでこの発明では、簡単な構成でありながら効率よく水を加熱して所望の温水や熱水を瞬時に得ることができる瞬間式電気湯沸器に適した熱交換構造体の実現を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  ところで、発明者は、金属酸化物を加えた錫混合物に有機溶剤で溶解した鉛混合物および還元剤を加えて加熱し、さらにこの加熱混合物に増粘剤と還元剤を加えて再度加熱し、バインダーを加えてこれをテープ状に形成した半導体発熱機能材を開発している。【００１３】  そしてこの半導体発熱機能材は、金属酸化物を組み合わせた半導体への通電により電子を衝突させて安定的に発熱させるメカニズムを採用しているので小電力で高温の熱を迅速に得られ、防火性に優れているだけでなく、１５０℃以上の高温にしたときに火薬や燃焼性ガスに触れても発火することがない、熱転換率も９３％と非常に高効率で格段の節電効果を得ることができ、また極性がないので交流・直流のいずれも電源として使用でき、予め発熱上限温度を設定することができ、さらにはＲｏＨＳ規制をクリアできるなど種々の効果が確認されている。【００１４】  そこで、この発明では電気絶縁性を備える熱交換プレートの一側面に通水路を設けるとともに他側面に半導体発熱機能材を配設し、この半導体発熱機能材に通電することにより熱交換プレートを介して通水路を流通する水を加熱する構成を採用した熱交換構造体を提供することを特徴とするものである。【００１５】  この場合、熱交換プレートとしては、外側面に電気絶縁被覆を施し熱伝導性に優れた金属板を使用するのが好ましく、さらに詳細には、外側面を電気絶縁性のセラミックで被覆することにより充分な強度も兼ね備えたアルミ合金板を使用するのが好適である。【００１６】  なお、熱交換プレートとしては、電気絶縁性を備える金属板に代替して、例えば、ソーダガラス又は強化ガラスなどのガラス板も好適に使用することができる。【００１７】  また、半導体発熱機能材としては、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を加えて１５０℃〜２５０℃に加熱し、得られた加熱混合沈澱物に増粘剤と還元剤を加えて再度２００℃程度に加熱したのちバインダーを加えて展延することによりテープ状発熱基材を形成し、さらにこのテープ状発熱基材に電極を付設するとともに耐熱防水被覆して構成したシート状の半導体発熱機能材を使用する。【００１８】  この場合、シート状半導体発熱機能材を重畳して使用すれば、消費電力を変えることなく発熱温度を上昇させることができるのでさらに節電を図ることができる。【００１９】  さらに半導体発熱機能材としては、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を加えて１５０℃〜２５０℃に加熱したのち得られた加熱混合物の一部と酸化錫と酸化亜鉛との溶解混合物を再度加熱して得られた発熱基材を熱交換プレートの一側面に蒸着して電極を付設することにより構成した蒸着形半導体発熱機能材も好適に使用することができる。【００２０】  このように構成される熱交換構造体は、小電力で温水や熱水を瞬時に得ることができるので瞬間式電気湯沸器として好適に構成することができる。
【発明の効果】
【００２１】  本発明に係る熱交換構造体およびこの熱交換構造体を使用した電気式瞬間湯沸器によれば；
（１）構造が簡単なので小型化でき、設置場所も限定されることがないのでガス湯沸器との代替を好適に行うことができる。
（２）流水を短時間にしかも効率的に熱交換（加熱）することができるので水道直圧で使用することができる。
（３）小電力で高温の熱を迅速に得ることができ、しかも熱変換効率が高いので電力の使用量を大幅に低減することができ、ランニングコストもガス給湯型と同レベル以下となり、さらには二酸化炭素ＣＯ２の削減にも極めて有効である、
などの優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】  次に、本発明を実施するための最良の形態として、本発明に係る熱交換構造体を組み込んだ電気湯沸器を例示し、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。【００２３】  図１及び図２において、電気式湯沸器１０は、内部に配設した熱交換構造体１２の給水口１４は図示しないバルブを介して水道などの上水管１６が直結されており、また、熱交換構造体１２の吐出口１８には湯水供給管２０が接続されている。【００２４】  熱交換構造体１２は、電気絶縁性を有する２枚の熱交換プレート２２、２２の対向する側面につづら形に形成した通水路２４を設けるとともに各熱交換プレート２２、２２の外側面にはシート状の半導体発熱機能材２６を配設し、このシート状半導体発熱機能材２６に通電することにより熱交換プレート２２を加熱してつづら形通水路２４を流通する水と熱交換させることにより所望の熱水を得る構成となっている。【００２５】  この場合、熱交換プレート２２の素材としては熱伝導性に優れるだけでなく加工性も良いアルミ合金板２２ａを使用すれば、つづら形通水路２４を容易に成形加工することができるので好適であり、またこのアルミ合金板２２ａの外側面はセラミック２８で被覆することにより電気絶縁性を確保するとともに急激な熱変形にも充分耐え得る強度を備えるものを使用する。【００２６】  一方、シート状半導体発熱機能材２６は、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に、例えば、アルミナ、アンチモンなどの金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を所定の割合で加えて１５０℃〜２５０℃に加熱し、得られた加熱混合沈澱物に増粘剤と還元剤を加えて再度２００℃程度に加熱したのち、例えば、フッ素樹脂などのバインダーを加えて展延することによりテープ状発熱基材を形成し、さらに前記テープ状発熱基材に電極を付設するとともに、例えば、ポリイミドなどの合成樹脂シートにより耐熱防水被覆することにより形成されている。なお、このシート状半導体発熱機能材２６は耐熱性接着剤を使用してつづら形通水路２４に沿って貼着されている。
この場合、シート状半導体発熱機能材２６は、折り畳んだりあるいは積層するなど重畳して使用するのが好ましい。これはシート状半導体発熱機能材２６（Ａ）は、例えば、二つ折り（Ａ／２）、三つ折（Ａ／３）、四つ折（Ａ／４）にして使用すると発熱基材から放射される赤外線などの電磁波を増幅できるので消費電力を変えることなく発熱温度を１．５〜２．１倍以上に上昇させることができるからである（表１参照）。【００２７】  すなわち、幅１０ｍｍ×長さ２８０ｍｍ、内部抵抗９９２Ωに設定したシート状半導体発熱機能材２６（Ａ）を卓上から１５ｃｍの空中に張設し、通電（交流１００Ｖ）して消費電力とシート状半導体発熱機能材２６（Ａ）中間点の表面温度を熱電対により経時的に計測し、同様の条件で二つ折り（Ａ／２）、三つ折（Ａ／３）、四つ折（Ａ／４）の表面温度も経時的に計測した。
そして通電５分〜１０分の表面の平均温度（℃）とその温度上昇率を求めたところ以下の結果を得た。【００２８】
【表１】
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【００２９】  なお、図面において参照符号３０は各熱交換プレート２２の外側に配設した熱反射材であり、この熱反射材３０のさらに外側には断熱材３２を配設して、通電により半導体発熱機能材２６に発生する熱と通水路２６を流通する水との熱交換率の低下を可及的に阻止するよう構成されている。
また、参照符号３４は、給水センサー３６、プレート温度センサー３８および給湯センサー４０からの検知信号によって、半導体発熱機能材２６の通電制御を行う制御器であり、この制御器３４には湯温調整器４２が付設されている。【００３０】  このように構成される電気湯沸器１０は商用電源（交流１００Ｖ）に接続して使用するが、加熱手段である半導体発熱機能材２６には極性がないので直流電源でも使用することができることは言うまでもない。【００３１】  商用電源に接続して具体的に使用するに際しては、水道などの上水管１６のバルブを緩めて水を熱交換構造体１２の通水路２４に流すとともに、図示しないスイッチを入れ、商用電源から半導体発熱機能材２６に電力を供給することにより、半導体発熱機能材２６を、例えば、１５０℃程度に発熱させ、アルミ合金板（熱交換プレート）２２ａ、２２ａを介して通水路２４を流れる水との熱交換を行って加熱する。【００３２】  この場合、通常のアルミ合金板であれば半導体発熱機能材２６の急激な温度上昇により熱変形してしまうが、本実施の形態では、アルミ合金板（熱交換プレート）２２ａ、２２ａの表面をセラミック２８で被覆して熱変形をきわめて小さく押さえるとともに増強してあるのでこのような不都合を可及的に回避することができる。【００３３】  また、アルミ合金板（熱交換プレート）２２ａ、２２ａは熱伝導性に優れた素材であるため、その温度上昇は熱反射材３０および断熱材３２との相乗補完作用によって無駄なく通水路２４を流れる水を温めるために用いられることになるので、流水を短時間に高効率で熱湯とすることが可能になる。したがって、上水管１６からの水量調節を行うことにより、湯水供給管２０から流れる温水や熱水の温度を広範囲に調節することができる。
また、通水路２４を流れる水量に応じて電源電圧を制御することにより、湯水供給管２０からの温水や熱水の温度を一定に保つことも容易におこなうことができる。従って、バルブを緩め熱交換構造体１２の通水路２４に水を流し始めた当初に冷たい水が流れたり、バルブを閉めたときに湯が高温のまま流れ出るなどの不都合も防止することができる。【００３４】  一方、図３は、セラミック２８を被覆して電気絶縁性を付与したアルミ合金板２２ａの外側面に発熱基材４４を蒸着して薄膜状に形成することより半導体発熱機能材４６を構成した別の実施の形態である。
この実施の形態のごとく、シート状半導体発熱機能材２６に代替して蒸着形半導体発熱機能材４６を使用することにより、製造の容易化による大量生産を図ることが可能となり、製造コストの低減とともにメンテナンスの容易化も併せて達成することができる。【００３５】  また、前記発熱基材４４は、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を加えて１５０℃〜２５０℃に加熱したのち得られた加熱混合物の一部と酸化錫と酸化亜鉛との溶解混合物を再度加熱することにより調製され、約４５０℃程度まで発熱温度を設定することができる。
そしてこの発熱基材４４は、アルミ合金板２２ａ（熱交換プレート）の所望箇所、すなわち、アルミ合金板２２ａに形成したつづら形通水路２４と対応する外側面に例えば、真空蒸着法などの手段を使用して薄膜状に蒸着したのちその端部に電極を付設することにより加熱手段として構成される。なお、この場合、薄膜状に蒸着した発熱基材４４の厚み寸法を適宜調整することにより、前述のシート状半導体発熱機能材を重畳して使用した時と同様に消費電力を変えることなく発熱温度を上昇させることができることは言うまでもない。【００３６】  以上、本発明の熱交換構造体を瞬間式電気湯沸器に応用する場合の実施の態様につき説明したが、本発明はこの実施の態様に限定されるものではなく、例えば、熱交換プレートの素材として、ソーダガラス又は強化ガラスなどを素材とするガラス板を使用したり、つづら形通水路を厚み方向に重畳して配設することにより熱交換効率の更なる向上化を図ったり、さらには、貯湯タンクと組み合わせて大容量の給湯にも対処できるように構成するなどは設計変更の範疇に属するものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】  先に述べたように、本発明に係る熱交換構造体は、液体などの流体を簡単な構成で効率よくしかも小電力で加熱することができるので、湯沸器だけでなく、急速に流体（液体）を加熱したりあるいは閉鎖雰囲気の加熱、保温などの用途も含め、広範囲な産業分野に利用することが可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る熱交換構造体を使用した瞬間式電気湯沸器における熱反射材および断熱材を省略した状態の概略説明図である。
【図２】図１に示す瞬間式電気湯沸器の要部概略一部断面説明図である。
【図３】別の半導体発熱機能材を使用して構成した本発明に係る別の熱交換構造体（瞬間式電気湯沸器）の要部概略説明斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】  １０・・電気式湯沸器
１２・・熱交換構造体
１４・・給水口
１６・・上水管
１８・・吐出口
２０・・湯水供給管
２２・・熱交換プレート（２２ａ・・アルミ合金板）
２４・・つづら形通水路
２６・・シート状半導体発熱機能材
２８・・セラミック被覆
３０・・熱反射材
３２・・断熱材
３４・・制御器
３６・・給水センサー
３８・・プレート温度センサー
４０・・給湯センサー
４２・・湯温調整器
４４・・発熱基材
４６・・蒸着形半導体発熱機能材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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