JP4043179B2 - パイプヒータおよびパイプヒータを用いる流体加熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はパイプヒータおよびパイプヒータを用いる流体加熱装置に関する。さらに詳しくは、パイプ材内を流通する水を効率よく加熱し、短時間で温水を提供するために使用するパイプヒータおよび水などの流体に直接浸漬しても耐水性や耐腐食性に長期間優れており、パイプ材内外を流通する水などの流体を加熱し、短時間で温水を提供するために使用する流体加熱装置に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
電気温水器や温水器付便座などのように、短時間で適度な温度の温水を提供する装置や器具がある。これらの装置のうち、パイプ内に被加熱媒体である水を流すタイプのものでは、水道水を直ちに、可能なら連続的に所望の温度まで上げるため、通常、あらかじめ温水を貯めておくタンクを設け、そのタンク内の水を連続的に加熱しておく必要があるものや、パイプの周囲にシーズヒータを巻き付けるタイプのものがある。
【0003】
しかし、これらのタイプのヒータでは、水を保温するためのエネルギーが必要であったり、パイプを外部から間接的に加熱するため、熱交換効率に劣り、加熱するのに時間がかかるだけでなく、熱エネルギーの有効利用が図れていなかった。
【0004】
本発明は、叙上の事情に鑑み、熱効率に優れ、短時間で温水を得ることができるパイプヒータおよびパイプヒータを用いる流体加熱装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の流体加熱装置は、一端が流入口であり、他端が閉塞されるとともに、該閉塞側の近傍に流通孔が形成されるパイプ材、該パイプ材の外周表面に積層される絶縁ガラスと発熱部と保護用ガラス層、および前記発熱部の端部に接続される端子からなるパイプヒータと、
前記発熱部および流通孔の外周に流体の流通路を確保して該発熱部および流通孔の外周辺部を覆うとともに、前記流体を外方へ導く供給口が形成される外装体
とからなり、前記発熱部が、銀−遷移金属の抵抗体層からなる流体加熱装置であって、前記保護用ガラス層にエポキシ樹脂層およびフッ素樹脂層がさらに積層されてなることを特徴とする。
【0007】
また本発明の流体加熱装置は、一端が流入口であり、他端が閉塞されるとともに、該閉塞側の近傍に流通孔が形成されるパイプ材、該パイプ材の外周表面に積層される絶縁ガラスと発熱部と保護用ガラス層、および前記発熱部の端部に接続される端子からなるパイプヒータと、
前記発熱部および流通孔の外周に流体の流通路を確保して該発熱部および流通孔の外周辺部を覆うとともに、前記流体を外方へ導く供給口が形成される外装体とからなり、該外装体内に前記パイプヒータが少なくとも2本配置されるとともに、該外装体が多連に配置され、かつ隣接する外装体のパイプヒータのあいだで流体を流入または流出させる第1循環路と、最終列の外装体内のパイプヒータのあいだにおいて、流体を循環させる第2循環路を備えており、前記発熱部が、銀−遷移金属の抵抗体層からなることを特徴とする。
【0008】
さらに本発明の流体加熱装置は、一端が流入口であり、他端が閉塞されるとともに、該閉塞側の近傍に流通孔が形成されるパイプ材、該パイプ材に流体の流通路を確保して外挿され、両端が閉塞されるとともに、前記流通路に連結する流通孔が形成される大径パイプ材、各パイプ材の外周表面に積層される絶縁ガラスと発熱部と保護用ガラス層、および前記発熱部の端部に接続される端子からなる多重パイプヒータと、
前記大径パイプ材の発熱部および流通孔の外周に流体の流通路を確保して該発熱部および流通孔の外周辺部を覆うとともに、前記流体を外方へ導く供給口が形成される外装体
とからなり、前記発熱部が、銀−遷移金属の抵抗体層からなる流体加熱装置であって、前記保護用ガラス層にエポキシ樹脂層およびフッ素樹脂層がさらに積層されてなることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のパイプヒータおよびパイプヒータを用いる流体加熱装置を説明する。図1は本発明のパイプヒータの一実施の形態を示す側面図、図2は図1におけるA−A線断面図、図3は図1におけるパイプヒータの展開図、図4はパイプヒータの使用例を示す説明図、図5は本発明の流体加熱装置の一実施の形態を示す斜視図、図6は図5における流体加熱装置の断面図、図7は図5におけるA−A線断面図、図8は図5におけるパイプヒータの展開図、図9は本発明の流体加熱装置の他の実施の形態を示す斜視図、図10は図9における外装体を示す部分切欠図、図11は本発明の流体加熱装置のさらに他の実施の形態を示す斜視図、図12は図11における流体加熱装置の断面図である。ただし、説明を容易にするために、断面図以外の図においてハッチングを施したり、各層の寸法を拡大または縮小して記載してある。
【0010】
図1〜3に示されるように、本発明の一実施の形態にかかわるパイプヒータ1は、パイプ材2に積層される発熱部と保護部11および該発熱部に接続される端子7からなる。すなわち、パイプ材2と、該パイプ材2の外周表面に積層される絶縁ガラス層3と、該絶縁ガラス層3に積層される発熱部の銀−遷移金属、たとえば銀−パラジウム系、銀−ルテニウム系、銀−ロジウム系の抵抗体層4と、該抵抗体層4の端部5に導電層6を介して接続される端子7と、前記銀−遷移金属の抵抗体層4上に保護用ガラス層8と、エポキシ樹脂層9およびフッ素樹脂層10がこの順に積層されてなる保護部11とから構成されている。なお、12は端子7のロウ付部である。また前記保護部11は、パイプ材2の外周表面だけに限定されるものではなく、パイプ材2の内壁にも施すことができる。
【0011】
本発明のパイプヒータは、たとえば図4に示されるように、温水器の蛇口21に配管されるパイプ材22に、発熱部と保護部からなる積層部23と該発熱部に接続される端子とを設けるパイプヒータ24として使用することができる。
【0012】
前記パイプ材2としては、種々の金属が使用できるが、たとえばステンレス鋼、銅、アルミニウム、鉄などがあげられ、とくにステンレス鋼が安価で、かつ耐食性がよいことから好ましい。断面形状は円形、楕円形、矩形、多角形でもよく、異形であってもよい。
【0013】
パイプヒータの寸法としては、断面形状が円形の場合、外径が8〜300mm程度で、長さが10〜1000mm程度のパイプ材の外表面に抵抗体層印刷面(図1の符号13)として長さ8〜990mm程度をもつようなものが適当である。このパイプヒータを単独で、または複数個連結して使用することができる。
【0014】
前記絶縁ガラス層3は、通常厚さが0.06〜0.1mm程度であり、ガラスの種類としては、BaO/SiO2/CaO/SrO(たとえば、重量比:30〜50/15〜30/10〜20/1〜5)のガラス、とくにこの組成の結晶化ガラスなどを使用することができる。
【0015】
絶縁ガラス層3上には、銀−遷移金属の抵抗体層4がパターン化されており、抵抗体層4は端部5で銀を主体とする端子7用の導電層6と電気的に接続されている。抵抗体層4の厚さは、8〜15μm程度である。
【0016】
つぎに本実施の形態の保護部11を説明する。保護部11は、保護用ガラス層8の上に積層されるエポキシ樹脂層9とフッ素樹脂層10から構成されており、この保護部11を設けることにより、ヒータの電気絶縁性や耐水性を向上させることができる。したがって、湿度の高い場所や水にさらされる惧れのある場所で本発明のパイプヒータを使用するときは、かかる保護部11を設けておくのが好ましい。
【0017】
まず、抵抗体層4の上に設けられる保護用ガラス層8は、抵抗体層4を物理的、電気的に保護するという働きをもつ。この保護用ガラス層8に用いるガラスの種類は、たとえばPbO−B2O3−SiO2、BaO−SiO2−SrO−CaOなどがあげられるが、耐水性に優れる点からとくにそれらの結晶化ガラスが好ましい。保護用ガラス層8の厚さは、通常0.02〜0.07mmである。この保護用ガラス層8は、少なくとも抵抗体層4を完全に覆っていることが必要である。
【0018】
保護用ガラス層8の上に積層されるエポキシ樹脂層9は、保護用ガラス層8だけでは不充分な電気絶縁性を確保するという働きをもつ。一般に樹脂類は、熱伝導性がわるいが、そのなかでもエポキシ樹脂は比較的熱伝導性がよいものである。本発明においては、さらに熱伝導性を向上させるために、Al2O3などの良熱伝導性のアルミニウム系のセラミックス粉などの耐食性と電気絶縁性に優れた添加材を配合してもよい。配合量はエポキシ樹脂100重量部に対し、10〜200重量部、好ましくは180〜200重量部である。エポキシ樹脂としては、電気絶縁性に優れ、かつ熱伝導性が良好であればとくに限定されるものではない。また、電気絶縁性や熱伝導性を損なわない限り、シリコーン樹脂などの他の樹脂を併用することもできる。なお、たとえば変性脂肪族ポリアミンなどの硬化触媒や硬化促進剤などを適宜添加してもよい。エポキシ樹脂層6の厚さは、0.05〜2.0mm、好ましくは1.0〜1.5mmである。これより薄くなりすぎると必要な電気絶縁性が得られず、厚くなりすぎるとヒータの熱効率が低下するからである。
【0019】
エポキシ樹脂層9の上にさらにフッ素樹脂層10を設ける。これはエポキシ樹脂層単独では長期にわたる耐水性、耐食性が充分ではないからである。フッ素樹脂層10に用いるフッ素樹脂としては、熱硬化させたときにエポキシ樹脂層9や発熱部に悪影響を与えないために、硬化温度が200℃以下であるフッ素樹脂組成物を使用する。そのようなフッ素樹脂組成物としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やテトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素樹脂とエポキシ樹脂(とくにビスフェノール系エポキシ樹脂)との混合物などが好ましい。とくに、エポキシ樹脂層9との接着性が良好な点、耐水性に優れる点および硬化温度が低い点から、PTFEとエポキシ樹脂との混合物が好ましい。フッ素樹脂とエポキシ樹脂との混合割合は、フッ素樹脂/エポキシ樹脂(重量比)が7/3〜8/2であるのが好ましい。フッ素樹脂層10の厚さは、通常0.02〜0.04mm、好ましくは0.03〜0.04mmである。
【0020】
つぎに製造方法について簡単に説明する。
【0021】
まず、要すれば、サンドブラストなどの粗面加工をパイプ材2の表面に施したのち、パイプ材2をアルコールなどの有機溶剤や洗剤で脱脂洗浄(たとえば超音波洗浄など)する。このパイプ材2に絶縁ガラスをコーティング(刷毛塗り法、ロールコート法、ディスペンサー法、スクリーン印刷法など)し、乾燥後焼成して絶縁ガラス層3を形成する。ついで絶縁ガラス部3の一端部に銀ペーストを印刷(スクリーン印刷法、ディスペンサー法など)し、乾燥、焼成して端子7を形成したのち、その上に一部重なるように、銀−遷移金属(たとえば、銀−パラジウムなど)のペーストを印刷(スクリーン印刷法、ディスペンサー法など)し、乾燥、焼成して抵抗体層4を形成する。そののち、保護用ガラス組成物をコーティング、乾燥、焼成して保護用ガラス層8を形成する。
【0022】
つぎにエポキシ樹脂組成物をコーティング(ディッピング法、刷毛塗り法、ロールコート法、ディスペンサー法、スクリーン印刷法など)し、乾燥後、200℃まで(たとえば150℃)の乾燥炉で約15〜20分間加熱硬化させて、エポキシ樹脂層9を形成する。
【0023】
最後に最外層であるフッ素樹脂層10を形成する。フッ素樹脂組成物をコーティング(スプレー法、ディッピング法、刷毛塗り法、ロールコート法、ディスペンサー法、スクリーン印刷法など。スプレー法が一般的である)し、ピンホールなどの発生を避けるために、まず100℃程度で10分間一次硬化させたのち、200℃程度の温度で二次硬化させる。
【0024】
つぎに本発明の流体加熱装置を説明する。
【0025】
図5〜8に示されるように、本発明の一実施の形態にかかわる流体加熱装置51は、パイプヒータ52と該ヒータ52を覆う外装体53からなる。すなわち、一端が流入口54であり、他端が栓55により閉塞されるとともに、該閉塞側の近傍に流通孔56が形成されるパイプ材57、該パイプ材57の外周表面に積層される絶縁ガラス層63と発熱部である銀−遷移金属の抵抗体層64と保護部59、および前記発熱部の抵抗体層64の端部58に接続される端子60からなるパイプヒータ52と、前記発熱部の抵抗体層64および流通孔56の外周に流体の流通路61を確保して該発熱部の抵抗体層64および流通孔56の外周辺部を覆うとともに、前記流体を外方へ導く供給口62が形成される外装体53とから構成されている。なお、前記保護部59は、パイプ材57の外周表面だけに限定されるものではなく、パイプ材57の内壁にも施すことができる。
【0026】
前記発熱部は、前記発熱部と同様に、絶縁ガラス層63に積層される銀−遷移金属の抵抗体層64のパターンからなり、また、前記保護部59も前記保護部11と同様に、保護用ガラス層65に積層されるエポキシ樹脂層66およびフッ素樹脂層67からなっている。
【0027】
前記パイプ材57としては、前記パイプ材22と同様の種々の金属が使用できる。また外装体53としては、耐熱性の合金または合成樹脂から作製される矩形の中空本体53aと蓋53bを嵌め込んで組み立たものを用いているが、流通路61を確保して覆うことができる形状であれば、前記パイプ材57と同様円形とすることができる。なお、本実施の形態では、流通路を確保するために、外装体は中空体にされているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、予め内部に螺旋形状の流通路を成形したものとすることもできる。
【0028】
絶縁ガラス層63上には、銀−遷移金属の抵抗体層64がパターン化されており、抵抗体層64は端部64aで銀を主体とする端子用の導電層69と電気的に接続されている。
【0029】
つぎに本実施の形態の保護部59は、保護用ガラス層65の上に積層されるエポキシ樹脂層66とフッ素樹脂層67から構成されており、この保護部59を設けることにより、ヒータの電気絶縁性や耐水性を向上させることができるが、本発明においては、保護用ガラス層65だけとすることもできる。
【0030】
前記抵抗体層64の上に設けられる保護用ガラス層65、保護用ガラス65の上に積層されるエポキシ樹脂層66およびエポキシ樹脂66の上にさらに積層されるフッ素樹脂層67は、それぞれ前記保護用ガラス層8、エポキシ樹脂層9およびフッ素樹脂層10と同様のものを用いることができる。
【0031】
本実施の形態では、パイプヒータ52の流入口54から注入された水またはオイルなどの流体が、パイプ材57内を流通するあいだに発熱部の抵抗体層64により加熱されるとともに、流通孔56から流通路61を流通するあいだにも発熱部の抵抗体層64により加熱される。これにより、供給口62から流れ出る流体は高温にされる。
【0032】
つぎに流体加熱装置の他の実施の形態を説明する。
【0033】
本実施の形態では、流体の加熱経過を長くしてさらに高温の流体を発生させるようにしている。すなわち本実施の形態の流体加熱装置は、図9〜10に示されるように、外装体71内にパイプヒータ52を2本配置するとともに、該外装体71を4列組み合せるように配置している。各パイプヒータ52の外周には、合成樹脂製の外装体71の内部に予め螺旋形状に成形された流通路72が形成されている。73は螺旋形状の治具などにより、流通路72およびパイプヒータ52の挿入孔を成形したのち、前記治具を抜き取ったときに残る、外装体71の端部に開口する流通路72を塞ぐ補助蓋である。なお、本実施の形態では、樹脂の螺旋形状の流通路にされているが、本発明においては、これに代えて、流通路を螺旋形状のパイプにより形成することもできる。
【0034】
各パイプヒータ52と外装体71とは、互いに嵌合したのち、流通路72とパイプヒータ52の流通孔56(図6参照)との位置合わせを行ない、ついで流体が外表面に漏れないように補助蓋73とともに溶着などにより固着されている。流入口54から流入される流体は、パイプ材57内および流通孔56から流通路72を通過したのち、供給口62aから第1循環路74aを経由して隣接する外装体71aのパイプヒータの流入口54aへ流入される。同様に隣接する外装体71b、71cのパイプヒータへは、第1循環路74b、74cを経由して流入される。そして最終列の外装体71c内の上部パイプヒータ52から下部パイプヒータ52のあいだだけに第2循環路75を経由して流体を循環させている。ついで、今度は最終列の外装体71cの下部パイプヒータ52から順次第1循環路76c、76b、76aを経由して隣接する外装体71b、71aおよび71の下部パイプヒータ52へ流体が循環される。これにより、流入口54に流入される流体は、各外装体71〜71cのパイプヒータ52により加熱されて供給口62から流出される。たとえば各外装体71〜71c内の各パイプヒータ52の出力が370Wとすると、供給口62から流出される流体には、2960W(370W×8本)の熱エネルギーを得ることができる。
【0035】
つぎに本発明のさらに他の実施の形態を説明する。本実施の形態では、図11〜12に示されるように、多重パイプヒータにより、流体を高温に加熱するようにしている。すなわち、本実施の形態の流体加熱装置は、パイプヒータ52のパイプ材57に流体の流通路61を確保して順次外挿される大径パイプ材81、82を有するパイプヒータ83、84が配置されている。各大径パイプ材81、82には、パイプヒータ52と同様に発熱部と保護部とからなる積層部85が形成されているとともに、前記発熱部の端部に端子60が接続されている。本実施の形態では、パイプ材57のパイプヒータ52および大径パイプ材81、82のパイプヒータ83、84の両端は、外装体86の蓋材87に支持されている。したがって、流入口54から流入される流体は、パイプ材57内から流通路56を通過したのち、大径パイプ材81、82の流通孔88、89および流通路90、91を通過して供給口92から流出される。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、熱効率に優れ、短時間で温水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパイプヒータの一実施の形態を示す側面図である。
【図2】図1におけるA−A線断面図である。
【図3】図1におけるパイプヒータの展開図である。
【図4】パイプヒータの使用例を示す説明図である。
【図5】本発明の流体加熱装置の一実施の形態を示す斜視図である。
【図6】図5における流体加熱装置の断面図である。
【図7】図5におけるA−A線断面図である。
【図8】図5におけるパイプヒータの展開図である。
【図9】本発明の流体加熱装置の他の実施の形態を示す斜視図である。
【図10】図9における流体加熱装置の一部を示す部分切欠図である。
【図11】本発明の流体加熱装置のさらに他の実施の形態を示す斜視図である。
【図12】図11における流体加熱装置の断面図である。
【符号の説明】
1、52 パイプヒータ
2、57 パイプ材
3、63 絶縁ガラス層
4、64 発熱部(抵抗体層)
5、58、64a 端部
6、69 導電層
7、60 端子
8、65 保護用ガラス層
9、66 エポキシ樹脂層
10、67 フッ素樹脂層
11、59 保護部
12 ロウ付部
51 流体加熱装置
53 外装体
54 流入口
55 栓
56 流通孔
61 流通路
62 供給口
68 印刷面
Claims (5)
- 一端が流入口であり、他端が閉塞されるとともに、該閉塞側の近傍に流通孔が形成されるパイプ材、該パイプ材の外周表面に積層される絶縁ガラスと発熱部と保護用ガラス層、および前記発熱部の端部に接続される端子からなるパイプヒータと、
前記発熱部および流通孔の外周に流体の流通路を確保して該発熱部および流通孔の外周辺部を覆うとともに、前記流体を外方へ導く供給口が形成される外装体
とからなり、前記発熱部が、銀−遷移金属の抵抗体層からなる流体加熱装置であって、前記保護用ガラス層にエポキシ樹脂層およびフッ素樹脂層がさらに積層されてなる流体加熱装置。 - 前記外装体が中空体にされてなる請求項1記載の流体加熱装置。
- 一端が流入口であり、他端が閉塞されるとともに、該閉塞側の近傍に流通孔が形成されるパイプ材、該パイプ材の外周表面に積層される絶縁ガラスと発熱部と保護用ガラス層、および前記発熱部の端部に接続される端子からなるパイプヒータと、
前記発熱部および流通孔の外周に流体の流通路を確保して該発熱部および流通孔の外周辺部を覆うとともに、前記流体を外方へ導く供給口が形成される外装体
とからなり、該外装体内に前記パイプヒータが少なくとも2本配置されるとともに、該外装体が多連に配置され、かつ隣接する外装体のパイプヒータのあいだで流体を流入または流出させる第1循環路と、最終列の外装体内のパイプヒータのあいだにおいて、流体を循環させる第2循環路を備えており、前記発熱部が、銀−遷移金属の抵抗体層からなる流体加熱装置。 - 前記流通路が螺旋形状を呈してなる請求項1、2または3記載の流体加熱装置。
- 一端が流入口であり、他端が閉塞されるとともに、該閉塞側の近傍に流通孔が形成されるパイプ材、該パイプ材に流体の流通路を確保して外挿され、両端が閉塞されるとともに、前記流通路に連結する流通孔が形成される大径パイプ材、各パイプ材の外周表面に積層される絶縁ガラスと発熱部と保護用ガラス層、および前記発熱部の端部に接続される端子からなる多重パイプヒータと、
前記大径パイプ材の発熱部および流通孔の外周に流体の流通路を確保して該発熱部および流通孔の外周辺部を覆うとともに、前記流体を外方へ導く供給口が形成される外装体
とからなり、前記発熱部が、銀−遷移金属の抵抗体層からなる流体加熱装置であって、前記保護用ガラス層にエポキシ樹脂層およびフッ素樹脂層がさらに積層されてなる流体加熱装置。
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