JP3748340B2

JP3748340B2 - 流体加熱装置

Info

Publication number: JP3748340B2
Application number: JP12194199A
Authority: JP
Inventors: 浩治徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: JP2000314555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体加熱装置、特にセラミックヒーターを用いた流体加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より給湯器、循環温水器等の分野で流体加熱装置が用いられている。これは図４に示すと内部に流体を通過させるための金属管１９を有する二つの金属加熱器１６、１７と、前記二つの金属加熱器１６、１７の間で両金属加熱器１７に接するように配置され、前記二つの金属加熱器１６、１７を加熱するためのセラミックヒーター１８とを備えた流体加熱装置であり前記二つの金属加熱器１７の材質としては熱効率を良くするためにアルミニウムが使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、流体加熱装置の省スペース化、又は流体の温度を上げるよう要求がされるようになった。しかしながら、前記従来の流体加熱装置においては、金属加熱器１７として使用するアルミニウムの、クリープによる熱変形が２００℃より急速に進む事によりセラミックヒーター１８のクラック、断線や金属加熱器１７への熱伝導が悪くなり熱効率の低下を引き起こすという問題点があった。
【０００４】
このため流体加熱装置を小さくするため、または流体の温度を上げるためにセラミックヒーター１８の電力密度を上げると、アルミニウムが変形してしまうという問題があった。そのためセラミックヒーター１８の電力密度は３５Ｗ／ｃｍ²までしか使用することができなかった。
【０００５】
また、金属加熱器１６、１７を他の金属にした場合、熱伝導性が悪くなるという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、流体加熱装置の金属加熱器の材質を、クリープラプチャー強さが３００℃で２０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の耐熱温度の高い材質にすることにより、セラミックヒーターの電力密度をあげ金属加熱器を従来の半分の大きさにすることができ、また電力密度を上げることにより効率の低下分をカバーすることができる事がわかった。また寸法をそのままでセラミックヒーターの電力密度を上げ流体の温度を上げる事も可能である。
【０００７】
このクリープラプチャー強さとはある温度下で一定時間ある圧力（クリープ）下に置かれることにより金属が変形するということを、その温度下の変形する最低の圧力とにより数値化したものである。本発明では３００℃で１０００時間、ある圧力を加えた時に０．１ｍｍ以上変形する圧力をクリープラプチャー強さとした。
【０００８】
また、金属管と接する部分の金属加熱器の厚みを１０ｍｍ以下とすることにより熱効率を向上させることが可能となる。さらに、金属加熱器の耐熱性を上げたことによりセラミックヒーターの電力密度を３５Ｗ／ｃｍ²以上に上げる事が可能となる。また、前記金属管の内部の表面粗さを２０Ｓ以下とすることにより付着に対し抑止効果を持つとともに熱効率の低下を抑えることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以上、本発明の実施形態を図によって説明する。
【００１０】
図１に示すように、流体加熱装置１は、浴槽２内の湯を吸引して加熱した後で浴槽２内に戻し、湯温を調節するための装置である。流体加熱装置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。
【００１１】
循環ポンプ５は、浴槽２内の湯を流体加熱装置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、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。
【００１２】
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。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。
【００１３】
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、中心にチタンやステンレス製等の金属管１９が鋳込み方式でそれぞれ挿入固定されている。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の右端ホース１３ｂの一端が接続されている。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。
【００１４】
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成る固定具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。
【００１５】
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１金属加熱器１６の角形部１６ｂに固定されている。
【００１６】
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アルミニウムブロック２２が、第２金属加熱器１７の金属管１９の右端には第２アルミニウムブロック２３がそれぞれ固定されている。両アルミニウムブロック２２、２３はセラミックヒータ１８の両端に当接している。
【００１７】
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。
【００１８】
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／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ニウムブロック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。
【００１９】
次に、前記流体加熱装置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を介して流体加熱装置１内に湯が吸い込まれる。流体加熱装置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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
（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。
【００２３】
（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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
本発明では、上記金属加熱器１６、１７の材質として、３００℃におけるクリープラプチャー強さが２０ｋｇ／ｍｍ²以上のものを用いた。３００℃におけるクリープラプチャー強さとは、３００℃の環境下で、５ｍｍφの円柱状の金属サンプルに引っ張り応力を１０００時間掛け、破壊の発生しない最大応力を意味する。
【００２７】
アルミニウムの２００℃におけるクリープラプチャー強さは２０ｋｇｆ／ｍｍ²であり２００℃以上では急激に弱くなるため、本発明では３００℃で２０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の強度を持つもの、例えばジュラルミン、８／２黄銅、チタン、ステンレスが流体加熱装置に対し良好であることを見出した。これに対し、３００℃におけるクリープラプチャー強さが２０ｋｇｆ／ｃｍ²以下であるアルミニウム、９／１黄銅、チタン合金は、金属加熱器の熱効率の低下とヒーター割れ等の問題が発生する。ここで、９／１黄銅、８／２黄銅は、それぞれＣｕとＺｎの重量比が９：１および８：２の合金であることを示している。また、チタン合金は、具体的には、９６．４５Ｔｉ−５Ａｌ−２．５５Ｎからなる合金である。
【００２８】
また金属加熱器１６、１７のセラミックヒーター１８と接する面と金属管１９間の厚みｂを１０ｍｍ以下とすることにより、熱伝導性の低い金属を使用しても特に問題とならない。前記厚みｂを１０ｍｍより大きくすると、セラミックヒーター１８から金属管１９への熱伝導が悪くなり、流体の加熱効率が低下する。
【００２９】
なお、セラミックヒーターの電力密度は金属加熱器１６、１７の変形との関係より３５Ｗ／ｃｍ²以上とすることが望ましい。また、金属管１９の内面の表面粗さを２０Ｓ以下とすることによって付着を防止し、熱効率の低下を防止できる。金属管１９の内面にスケール等が付着すると、金属管１９から流体への熱伝導が阻害されるので、流体の加熱効率が低下する。
【００３０】
【実施例】
実施例１
この実施例では従来例としてアルミニウムを用い（Ｎｏ．１）、クリープラプチャー強さの異なる様々な材質の金属加熱器１６、１７を準備した。試験方法としては、図２〜５に示したように金属加熱器１６、１７の間にセラミックヒーター１８を挟み込んだ温水加熱器を準備し、金属管１９に２０リットル／分の水を流しながら、セラミックヒーター１８の温度が３００℃になるように電圧を印加し１０００時間試験した前後の変位量と効率の変化を比較した。変位量は０．１ｍｍ以上の変位をＮＧとし効率は１％以上の変化をＮＧとして評価した。
【００３１】
加熱効率は、循環する水を断熱し閉鎖系として、水に吸収された熱量を水の温度上昇と水量の積から換算し、この熱量をセラミックヒーター１８に印加した熱量で割って求めた。表の効率変化は、試験前後の効率の増減を示したものである。
【００３２】
【表１】

【００３３】
その結果、アルミニウム及び３００℃で１８、１９ｋｇｆ／ｍｍ２の強度の材質を用いたテスト１〜３においては外観、効率ともに変化し不適であるとの結果を得た。これに対し、テスト４〜７に示した、３００℃のクリープラプチャー強さが本発明の請求範囲内の２０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であるジュラルミン、８／２黄銅、チタン、ステンレス等は３００℃で外観、効率ともに変化せず耐久性良好との結果を得た。
【００３４】
実施例２
試験サンプルは金属加熱器１６、１７の材質として、従来のアルミニウムとステンレス、８／２黄銅、９／１黄銅、チタン、チタン合金からなる長さ７５ｍｍと１５０ｍｍの金属加熱器１６、１７を準備し、セラミックヒーター１８に印加する電力密度を振って、金属管１９内に水を流しながら１０００時間連続運転した。金属加熱器１６、１７の長さａ以外の温水加熱器の構成は実施例１と同様である。
【００３５】
セラミックヒーター１８に印加する電力密度と金属管１９内を流れる水量については、前記金属加熱器１６、１７の長さａが７５ｍｍのものは前記電力密度が４０Ｗ／ｃｍ²で水温が４０℃になるように調整し、金属加熱器１６、１７の長さａが１５０ｍｍのものについては、前記電力密度が７０Ｗ／ｃｍ²もしくは８０Ｗ／ｃｍ²とし水温が７０℃になるように調整した。テスト２、５、８、１０、１３の金属加熱器１６、１７の長さａは７５ｍｍとした。その外のサンプルは１５０ｍｍとした。
【００３６】
各テスト品について、セラミックヒーター１８に印加する電力に対する１０００時間連続運転後の水温を温度欄に示した。また、テスト中に変化が生じたものについては、温度欄に異常を表記した。
【００３７】
結果を表２に示した。
【００３８】
【表２】

【００３９】
まず、金属加熱器１６、１７の長さａを７５ｍｍとしたテスト品については、アルミニウムを用いたテスト１は、ヒーター割れが発生した。これに対し、ステンレス、８／２黄銅、９／１黄銅、チタン、チタン合金を用いたテスト２、５、８、１０、１３は、電力密度を４０Ｗ／ｃｍ²に上げて水温を現行品と同等の温度にすることができた。
【００４０】
次に、金属加熱器１６、１７の長さａを１５０ｍｍとしたテスト品については、前記電力密度を７０Ｗ／ｃｍ²としたものは、９／１黄銅、チタン合金を用いたテスト８と１３はヒーター割れが発生した。これに対し、３００℃におけるクリープラプチャー強さが本発明の請求範囲内であるステンレス、８／２黄銅、チタンについては水温の変化がほとんどなく、７０℃を維持していた。
【００４１】
また、前記電力密度を８０Ｗ／ｃｍ²としたものは、テスト４、７、１２に示したようにヒーター割れが発生した。電力密度を８０Ｗ／ｃｍ²以上にすると、アルミナからなるセラミックヒーター１８が限界となるようである。例えば、窒化珪素等の高温強度の高いセラミックヒータを使用すれば、さらに電力密度を向上できる可能性がある。
【００４２】
実施例３
金属加熱器１６、１７と金属管１９の間の距離、即ち金属加熱器１６、１７の厚みｂを７〜１３ｍｍの間で変量した金属加熱器１６、１７を作製して、実施例１と同様にして試験サンプルを作成し、作製初期の効率との相関を取った。金属加熱器１６、１７の長さａは１５０ｍｍとした。判定基準としては現行と同じ９０％以上の効率はＯＫと判定した。効率の測定は、実施例１と同様にして実施した。結果を表３に示した。
【００４３】
【表３】

【００４４】
その結果、金属加熱器１６、１７の厚みｂが１０ｍｍを越える従来品とテスト３、４、７、８、１１、１４、１７は熱伝達が悪くなり効率が落ちるという不具合が出てしまう。これに対し金属加熱器１６、１７の厚みｂを本発明の請求範囲である１０ｍｍ以下としたテスト１、２、５、６、９、１０、１２、１３、１５、１６は、効率を維持できることが分かった。
【００４５】
実施例４
試験サンプルは金属加熱器１６、１７の材質としてステンレスを用い、金属管１９の内面の表面粗さを１０〜２５Ｓの間で変更して、浴槽内のお湯を金属管１９内に循環しながら５００時間連続通電する試験を行った。途中、１００時間と５００時間の時点で、実施例１の要領で効率の評価を行った。金属加熱器１６、１７の長さａは１５０ｍｍとし厚みは１０ｍｍのものを用いた。結果は、表４に示した。
【００４６】
【表４】

【００４７】
その結果金属管の内面の表面粗さが２０Ｓを越えると効率が低下し使用に適さないことが分かった。一方、前記表面粗さが２０Ｓ以下であれば効率の低下が少なく使用に適していることが分かった。
【００４８】
【発明の効果】
本発明に係わる流体加熱装置は、金属加熱器を３００℃におけるクリープラプチャー強さが２０Ｋｇｆ／ｍｍ²以上の材質にすることにより、セラミックヒーターの電力密度を高くし金属加熱器を含む流体加熱装置全体の寸法を小さくすることができる。しかもセラミックヒーター、金属加熱器が小さくなることによりセラミックヒーターの熱が金属加熱器に効率的に伝わるようになる。また流体の温度を上げる場合は、従来と同じ大きさでもセラミックヒーターの電力密度を上げることにより、金属加熱器の温度が上がり流体の温度も上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体加熱装置の概略図である。
【図２】本発明の流体加熱器の正面図である。
【図３】本発明の流体加熱器の平面図である。
【図４】図２に示した流体加熱装置のIV−IV断面図である。
【図５】図２に示した流体加熱装置のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】本発明に使用す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：セラミックヒーター
１９：金属管

Claims

内部に液体を通過させるための金属管を有する二つの金属加熱器と、前記二つの金属加熱器の間で両金属加熱器に接するように配置され、前記二つの金属加熱器を加熱するためのセラミックヒーターとを備えた流体加熱装置であって、前記二つの金属加熱器を３００℃におけるクリープラプチャー強さが２０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の材質で形成したことを特徴とする流体加熱装置。
上記金属管と接する部分の金属加熱器の厚みを１０ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。
上記セラミックヒーターの電力密度を３５Ｗ／ｃｍ²以上としたことを特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。