JP3692244B2 - 流体加熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体加熱装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
液体や気体等の流体を加熱するするための流体加熱装置として、内部に流体を循環させるための加熱容器と、この加熱容器内に配置されたセラミックヒーターとを備えたものがある。この装置では、加熱容器内の流体は、循環しながらセラミックヒーターに直接接触し加熱されるようにして流体加熱装置を構成してある。また、特開平6−117687号に示されるように、内部に流体が通過する金属体の外部にセラミックヒーターを接触させて流体とセラミックヒーターが直接接触しない流体加熱装置が提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の流体加熱装置においては、たとえば高温のセラミックヒーターに冷水が接触した場合等、セラミックヒーターが熱衝撃を受けた場合に、セラミックヒーターにクラック等の損傷が起こる場合がある。また長時間使用していると、水垢等がセラミックヒーターに付着するので、セラミックヒーターの加熱効率が低下する。
【0004】
そこで、特開平6−117687号において、内部に流体が通過する金属管の周囲に金属加熱器を備えその外部にセラミックヒ−タ−を接触させて流体とセラミックヒーターが直接接触しない流体加熱装置を提案している。この流体加熱装置では、上記問題点は解決されるが、金属管の材質は、耐食性に優れたステンレスもしくはチタンが用いられ、金属加熱器の材質は熱伝導性に優れたアルミニウムが用いられており、金属管と金属加熱器が異種金属で形成されていたことから、以下のような問題があった。
【0005】
即ち、金属管と金属加熱器との間での熱伝達によるセラミックヒーターの熱効率の低下、および長時間使用した場合、金属加熱器と金属管との接合面において異種金属接合部での金属間電池による腐食が問題点として残っている。なお金属間電池とは、腐食電位の異なる金属が接触した場合に、2つの異なる金属は局部的に電池を形成し、腐食電位の低い金属が腐食することをいう。
【0006】
同様にアルミニウムからなる金属加熱器と、ステンレス等のバネ材から成る固定部材との接合面においても腐食の問題があった。
【0007】
そこで本発明の目的は、流体加熱装置においてセラミックヒーターの加熱効率を上昇するとともに、異種金属接合面の腐食を解決した装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる流体加熱装置は内部に流体を通過させるための金属管を有する2つの金属加熱器と、上記2つの金属加熱器の間に配置され、両金属加熱器を加熱するためのセラミックヒーターと、上記金属加熱器とセラミックヒ−タ−とを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置において、上記金属管と金属加熱器がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、該アルミニウムまたはアルミニウム合金の成分が、アルミニウムを主成分とし、 Si12 %以下、 Cu3.5 %以下、 Zn 3%以下、 Fe1.3 %以下、その他の成分が合計3%以下であることを特徴とする。
【0009】
即ち、金属加熱器本体と金属管を同材質にすることにより熱効率の低下及び異種金属接合面の腐食を防止するようにしたものである。
【0010】
また、本発明は固定部材と金属加熱器の間に樹脂を介在させたことを特徴とする。即ち、固定部材と金属加熱器の間に樹脂を介在させることにより、異種金属の接合がなく、腐食を防止することができる。
【0011】
【作用】
本発明に係わる流体加熱装置は、セラミックヒーターが2つの金属加熱器を加熱し、これにより2つの金属加熱器に備えた金属管の内部を通過する流体が加熱される。ここではセラミックヒーターが流体に直接触れることにより生じる不具合を回避できる。しかもセラミックヒーターが両側の2つの金属加熱器を加熱しているのでセラミックヒーターの加熱効率が向上する。加えて金属加熱器の材質をアルミニウムまたはアルミニウム合金とすることにより、熱伝導もよく、また金属加熱器の本体と金属管を同材質とすることにより、本体―金属管間の熱伝達による熱効率の低下を防ぎ、長時間使用した場合、金属加熱器内の金属管接合面において金属間電池による腐食を防止できる。
【0012】
また金属加熱器と固定部材との接合面に樹脂を介在させることで、この部分における異種金属接合面の金属間電池による腐食を防止することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の一実施例が採用された循環温水器1を示す。この循環温水器1は、浴槽2内の湯を吸引して加熱した後で浴槽2内にもどし、湯温を調節するための装置である。循環温水器1内では、循環ポンプ5と、フィルタ6と、天然石室8と、調圧室9と、本発明の一実施例としての加熱装置12とが、上流側からこの順に連結されている。
【0014】
循環ポンプ5は、浴槽2内の湯を循環温水器1内に吸い込むための装置であり、浴槽2側から延びるホース4に連結されている。ホース4の他端は浴槽2内に配置されており、ヘアキャッチフィルタ3が取り付けられている。フィルタ6は、縦長に構成されており、上部に循環ポンプ5からの連絡管5aが接続されている。なお、連絡管5aは、フィルタ6との接続部の近傍に水位センサ7を有している。天然石室8は、フィルタ6と同様の縦長に構成されており、フィルタ6と平行に配置されている。天然石室8は、下部にフィルタ6の下部から延びる連絡管6aが接続されており、また内部にミネラル鉱石が充填されている。調圧室9は、入口側が天然石室8の上部に接続されており、上部に自動エア逃がし弁10を、下部に温度センサ11をそれぞれ備えている。温度センサ11は、調圧室9内の湯温を測定し、その信号を後述する電圧印加装置(図示せず)に送るためのものである。
【0015】
調圧室9の出口側は、ホース13aを介して加熱装置12に連結されている。この加熱装置12の出口側には、ホース13bが連結されている。ホース13bの先端は浴槽2内に延びており、ジェットノズル14に連結されている。
【0016】
次に、図2〜図5を参照して、上述の加熱装置12を詳細に説明する。なお、図においてはケース及び断熱材としてのグラスウールは取り除かれている。
【0017】
加熱装置12は、第1金属加熱器16と、第2金属加熱器17と、両金属加熱器16、17間に配置されたセラミックヒータ18とから主に構成されている。両金属加熱器16、17は、平坦な圧接面を有する直方体のアルミニウム製であり、中心に同じアルミニウム製の金属管19を備えて構成されている。
【0018】
このように金属加熱器16、17の本体と金属管19を同一金属で形成することにより、熱伝導性を向上し、金属間電池による腐食を防止する事ができる。なお熱伝導性を向上できるのは金属加熱器16、17と金属管19の異種材質による熱伝達の損失を抑えた結果であり、また金属間電池による腐食を防止できるのは同一金属を用いることで腐食のメカニズムである腐食電位の差をなくすることによるものである。
【0019】
なお金属加熱器16、17の本体と金属間19を同一金属で形成するとは、主成分が同一であり、腐食電位の近い金属を用いることを意味する。好ましくは両者をアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成する。これは金属の中でもアルミニウムまたはアルミニウム合金が熱伝導の優れた金属であるためである。
【0020】
さらに好ましくは、上記アルミニウムまたはアルミニウム合金におけるアルミニウム以外の成分を、Si12%以下、Cu3.5 %以下、Zn3%以下、Fe1.3 %以下、その他の成分が合計3%以下とする。これはアルミニウム以外の上記成分が、上記範囲を越えて存在すると腐食が発生し易くなるためである。したがって、上記範囲内の成分を持ったアルミニウム又はアルミニウム合金を用いれば、金属管19を形成しても優れた耐食性を有することができる。
【0021】
また、上記実施形態では金属加熱器と金属管を別体で形成して接合したが、両者を一体化しておくこともできる。即ち、本発明の他の実施形態として、第1金属加熱器16、第2金属加熱器17を上述した組成のアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、その内側に貫通孔を備えて、これを流体の通過部としてもよい。
【0022】
第1金属加熱器16の金属管19の右端にはホース13aの一端が、第2金属加熱器17の金属管19の右端にはホース13bの一端が接続されている。両金属管19の左端には、U字状管(図示せず)により互いに接続されている。これにより、ホース13aから送られてきた湯は第1金属加熱器16内の金属管19を通ってホース13bに流れるようになっている。
【0023】
両金属加熱器16、17は、両側に4つずつ突出して互いに近接する台座16a、17a(図5)を有している。この台座16a、17aにステンレス製のバネ部材からなる固定具20が取り付けられることにより、第1金属加熱器16及び第2金属加熱器17の圧接面がセラミックヒータ18を狭持する構造となっている。
【0024】
ここで、台座16a、17aと固定具20の間には、樹脂28を挟み、固定具20が直接金属加熱器16、17に接触することを防ぐこととする。このように樹脂28を介在させることによって、異種金属の接触を無くすることができ、その結果金属間電池による腐食を防止することができる。
【0025】
第1金属加熱器16及び第2金属加熱器17のほぼ中央部には、角形部16b,17bが形成されている。角形部16b,17bの側面には、サーモスタットを取り付けるための円形の凹部16c,17cがそれぞれ形成されている。なお、この実施例では、サーモスタット21が第金属加熱器16の角形部16bに固定されている。
【0026】
第1金属加熱器16及び第2金属加熱器17の両端部には四角形のフランジ16d,17dが設けられている。このフランジ16d,17dの側面(図3の紙面直交方向)には複数のねじ孔16e,17eが形成されており、このねじ孔16e,17eにより加熱装置12を他の部材に固定することができる。第1金属加熱器16の金属管19の左端には第1アルミブロック22が、第2金属加熱器17の金属管19の右端には第2アルミブロック23がそれぞれ固定されている。両アルミブロック22,23はセラミックヒータ18の両端に当接している。セラミックヒータ18は、アルミナ,ムライトまたは窒化珪素からなる板状部材であり、図4,5に示すように、両主面が第1金属加熱器16及び第2金属加熱器17の圧接面に面接触している。なお、セラミックヒータ18と両加熱器16,17の圧接面は、両者の接触面が平坦に仕上げられているので、密着状態となっている。
【0027】
セラミックヒータ18の内部には、図6に示すように連続した1本の発熱抵抗体パターン25が屈折状態で埋設されている。この発熱抵抗体パターン25は、たとえば、タングステン、モリブテン,マンガン,レニウム, 窒化チタンまたは酸化チタン製である。発熱抵抗体パターン25の両端は、ヒータリード線26及び27にロウ材により固定されている。このロウは金銅ロウ、金ニッケルロウ、銀銅ロウ、銀ロウいずれでもかまわない。このロウ材固定部の背面にアルミブロック23が当接している。ヒータリード線26,27は図示しない電圧印加装置に接続されている。
【0028】
次に、前記循環温水器1の動作について説明する。図示しないスイッチがONされると、循環ポンプ5が作動し、浴槽2からホース4を介して循環温水器1内に湯が吸い込まれる。循環温水器1内に吸い込まされた湯は、循環ポンプ5からフィルタ6に送り込まれ、ゴミ等の浮遊物が濾過される。続いて、濾過された湯は、天然石室8に送られてミネラル鉱石により不純物等が除去され、清浄化される。清浄化された湯は、調圧室9に送られる。この調圧室9では、自動エア逃し弁10により圧力が調整される。また、調圧室9では、温度センサ11により循環湯の湯温が計測され、その信号が図示しない電圧印加装置に送られる。電圧印加装置は、温度センサ11からの情報に基づいて、セラミックヒータ18に印加する電圧を調整する。これにより、加熱装置12では、セラミックヒータ18が発熱し、第1金属加熱器16及び第2金属加熱器17が加熱される。
【0029】
調圧室からの湯は、ホース13aを介して加熱装置12に送られ、第1金属加熱器16内の金属管19を通過しさらには第2金属加熱器17内の金属管19を通過する際に加熱される。そして、加熱された湯は、ホース13bを介してジェットノズル14に送られ、浴槽2内に戻される。ここでは、セラミックヒータ18には循環湯が直接触れないで、従来例のようセラミックヒータ18に水垢等付着することなはく、セラミックヒータ18の加熱効率は長時間良好に維持される。
【0030】
また、セラミックヒータ18の両面が第1金属加熱器16と第2金属加熱器17の双方を加熱する構造となっているために、セラミックヒータ18の熱が有効に利用され、加熱効率が向上する。なお、上述の実施例によれば、さらに以下の効果が期待できる。
【0031】
(a)たとえば循環ポンプ5の故障により加熱装置12内に湯が供給されない場合であっても、第1金属加熱器16に取り付けられたサーモスタット21に基づいてセラミックヒータ18への電圧印加が停止されるので、加熱装置12の空炊きは防止される。
【0032】
(b)仮に加熱装置12に熱衝撃が加わった場合(たとえば、加熱された第1金属加熱器16及び第2金属加熱器17内に冷水が通過して両金属加熱器16,17が急冷されたような場合)であっても、熱膨張特性の異なる両金属加熱器16, 17とセラミックヒータ18とは圧接されているだけで固定されていないので、セラミックヒータ18に損傷が生じにくい。
【0033】
(c)セラミックヒータ18のロウ材固定部背面にはアルミブロック23が当接しているために、ロウ材固定部の熱はアルミブロック23に良好に伝達され、ロウ材固定部の温度を低温とする。このため、酸化腐食を受けにくくなり、ヒータリード線16,17は、セラミックヒータ18から外れにくい。
【0034】
(d)加熱装置12は、組み立て及び分解が容易である。すなわち、固定具20の取り付け及び取り外し動作で組み立て及び分解を簡単に行える。その結果、セラミックヒータに故障が生じた際のメンテナンス作業が容易である。
【0035】
【実施例】
ここで、図2、3に示す流体加熱装置12を構成する金属加熱器16、17および金属管19について種々の実験を行った。
【0036】
まず、金属加熱器16、17をアルミニウム合金で形成し、金属管19の材質をステンレス製および金属加熱器と同材質のアルミニウム合金製の2種類の製品を用意し、熱効率および腐食の実験を行った。結果は表1に示す通りである。
【0037】
なお熱効率の測定は純水を40℃保持の状態での純水に与えられた熱量とヒ−タ−の消費電力の比率にて示し、腐食試験はJISC 0024塩水噴霧サイクル試験1000サイクルを行い、耐久後の外観の腐食にて評価を行った。
【0038】
このように金属加熱器16、17がアルミニウム合金で、金属管19がステンレスからなり、両者の材質が異なるものは熱効率が低くまた腐食試験に対しても耐食性が悪かった。これに対し金属加熱器16、17と金属管19を同じアルミニウム合金にした場合は熱効率も良く、耐食性も優れていた。
【0039】
【表1】
【0040】
次に上記本発明の実施例としてアルミニウムの成分を変更した金属加熱器16、17と金属管19を用いて同様の実験を行った。
【0041】
結果を表2に示すように、金属加熱器16、17および金属管19の材質は、アルミニウムおよびアルミニウム合金のAl以外の成分が、Si12%以下、Cu3.5 %以下、Zn3%以下、Fe1.3 %以下、その他合計3%以下にすれば優れた耐食性が得られることがわかる。
【0042】
【表2】
【0043】
さらに本発明の別の実施例を説明する。
【0044】
上記金属管19の厚みを変更して、その強度・腐食試験の評価を行った。評価に際し、強度試験については金属管19に加重50Nを加え試験後の歪み量が3%以下のものを○とし、熱効率は95%以上を○とし、腐食試験については前述の評価内容にて判定した。
【0045】
表3に示す結果のように、金属管19の厚みが1mm以下の場合は強度に問題があり、5mm以上の場合は熱効率の低下がおこるため、金属管19の厚みは1mm〜5mmの範囲内とし、好ましくは1.5mm〜3mmの範囲がよい。
【0046】
【表3】
【0047】
さらに本発明の別の実施例を説明する。
【0048】
アルミニウム製の金属加熱器16、17とステンレスのバネ材からなる固定部材20の接合面について上記実験例にて示した腐食試験を行った。評価については金属加熱器16、17と固定部材20が直接接触する従来の構造と金属加熱器16、17と固定部材20の間に樹脂28を挟んだ構造について評価を行った。
【0049】
このように金属加熱器と固定部材が直接接触する事を防ぐことにより、腐食の防止に効果が得られた。
【0050】
【表4】
【0051】
【発明の効果】
本発明に係わる流体加熱装置は、金属加熱器の本体と金属管を同材質とすることにより、本体―金属管間の熱伝達による熱効率の低下を防ぎ、また長時間使用した場合の金属加熱器内の金属管接合面における金属間電池による腐食を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例が採用された循環温水器の概略図である。
【図2】本発明の一実施例としての流体加熱装置の正面図である。
【図3】図2の流体加熱装置の平面図である。
【図4】図2のX−X断面図である。
【図5】図2のY−Y断面図である。
【図6】本発明の流体加熱装置に用いるセラミックヒーターの正面図である。
【符号の説明】
12 加熱装置
16 第1金属加熱器
17 第2金属加熱器
18 セラミックヒ−タ−
19 金属管
Claims (3)
- 内部に流体を通過させるための金属管を有する2つの金属加熱器と、上記2つの金属加熱器の間に配置され、両金属加熱器を加熱するためのセラミックヒーターと、上記金属加熱器とセラミックヒ−タ−とを圧接させるための固定部材とを備えた流体加熱装置において、上記金属管と金属加熱器がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、該アルミニウムまたはアルミニウム合金の成分が、アルミニウムを主成分とし、 Si12 %以下、 Cu3.5 %以下、 Zn 3%以下、 Fe1.3 %以下、その他の成分が合計3%以下であることを特徴とする流体加熱装置。
- 上記金属管の厚みが1〜5mmであることを特徴とする請求項1に記載の流体加熱装置。
- 上記固定部材と金属加熱器の間に樹脂を介在させたことを特徴とする請求項1または2に記載の流体加熱装置。
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