JP3692244B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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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