JP7777455B2 - 液体加熱装置 - Google Patents

液体加熱装置

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Description

本発明は、セラミックヒータにより温水等を製造する液体加熱装置に関する。
温水洗浄便座、燃料電池システム、給湯器、24時間風呂、車両のウォッシャー液の加熱、車載エアコン用等には温水が必要となる。そこで、内蔵するヒータにて水を加熱する液体加熱装置が用いられている(特許文献1)。特に、温水洗浄便座用の温水などの急速加熱や、液体加熱装置の小型化を図るため、細長いセラミック基体の外周に巻き付けたセラミックシートに発熱部を埋設した棒状のセラミックヒータが使用されている。
このセラミックヒータの先端側は液体加熱装置の容器の側壁の開口部を貫通して容器内に配置されると共に、基端側が外部に露出している。又、セラミックヒータには長手方向に貫通する内孔が設けられており、外部に露出した基端側から内孔を通して被加熱水が容器内に導入され、セラミックヒータの内面及び外表面で加熱されて排出されるようになっている。
特開2016-51546号公報(図4)
ところで、液体加熱装置の小型化が要求されており、セラミックヒータも小型化される傾向にある。しかしながら、セラミックヒータを小型化(小径化)すると、その内孔も小径となるので、内孔に通水し難くなる。
そこで、内孔に通水せずにヒータの外表面のみで加熱する構造を採用すると、ヒータの内孔部位が被加熱水で冷却されないためにヒータが過熱し、ヒータと容器の隙間部分のシールや容器部材が熱変形したり、水漏れ等が生じるおそれがある。
従って、本発明は、セラミックヒータと容器の間の部位の熱変形や液体の漏れを抑制した液体加熱装置の提供を目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様に係る液体加熱装置は、内部空間を取り囲み、開口部を有する容器と、先後方向に延びて前記開口部を貫通し、自身の先端部が前記内部空間内に位置し、自身の基端部が前記内部空間の外部に位置し、前記先端部に発熱部を有するセラミックヒータと、前記開口部と前記セラミックヒータの隙間を封止しつつ、前記容器に前記セラミックヒータを固定する固定部材と、
を備え、前記セラミックヒータによって前記内部空間内の液体を加熱する液体加熱装置であって、前記容器は、前記固定部と別体の前端蓋であって、前記開口部を閉塞し、前記セラミックヒータの前記基端部が貫通し、流路を有する前端蓋をさらに有し、前記固定部は、前端蓋の前記流路の少なくとも一部を覆い、前記液体は、前記流路を通過して前記内部空間に導入されることを特徴とする。
この液体加熱装置によれば、流路が外部から固定部材の中を貫通しているので、加熱前の液体が流路を通ることにより固定部材が冷却される。このため、内孔に液体を通さずにセラミックヒータの外表面のみで加熱する構造を採用することでヒータの加熱温度が高くなっても、セラミックヒータ周囲の固定部材の過熱を抑制し、ひいては固定部材に接する容器の熱変形を抑制し、セラミックヒータと容器の間の液体の漏れを抑制することができる。
本発明の第2の態様に係る液体加熱装置は、内部空間を取り囲む壁を有する容器と、先後方向に延びて前記壁を貫通し、自身の先端部が前記内部空間内に位置し、自身の基端部が前記内部空間の外部に位置し、前記先端部に発熱部を有するセラミックヒータと、を備え、前記セラミックヒータによって前記内部空間内の液体を加熱する液体加熱装置であって、前記壁に前記セラミックヒータが固定され、前記壁のうち前記セラミックヒータが貫通して固定される壁において、前記セラミックヒータの固定部位の前記先後方向に沿った領域に重なるように前記壁の中を貫通して流路が設けられ、前記液体は、外部から前記流路を通過して前記内部空間に導入されることを特徴とする。


この液体加熱装置によれば、流路が外部から壁の中を貫通しているので、加熱前の液体が流路を通ることにより壁が冷却される。このため、内孔に液体を通さずにセラミックヒータの外表面のみで加熱する構造を採用することでヒータの加熱温度が高くなっても、セラミックヒータ周囲の壁の熱変形を抑制し、セラミックヒータと容器の間の液体の漏れを抑制することができる。
本発明の液体加熱装置において、前記壁と前記セラミックヒータとが隙間を設けずに密着していてもよい。
この液体加熱装置によれば、製造が容易となると共に、容器とセラミックヒータの間からの液体の漏れをより確実に抑制できる。
本発明の液体加熱装置において、前記セラミックヒータの外径が5mm以下であってもよい。
セラミックヒータの外径が5mm以下であると、セラミックヒータに内孔を設けても内孔が小径になって液体を導入し難く、セラミックヒータが過熱しやすいので本発明がより有効である。
本発明の液体加熱装置は、互いに離間して前記先後方向に延びる前記セラミックヒータを複数個有し、前記流路は、前記先後方向から見て少なくとも2つのセラミックヒータの間に形成されてもよい。
この液体加熱装置によれば、流路を挟む2つのセラミックヒータの間の熱が溜まり易い部位を有効に冷却できる。
本発明の液体加熱装置において、前記流路のうち前記内部空間に臨む端部の軸心方向が前記先後方向に沿っていてもよい。
この液体加熱装置によれば、セラミックヒータが伸びる先後方向Lに沿ってセラミックヒータの外表面を液体が流れ易くなるので、流路付近に液体が滞留して冷却効果が低下することを抑制できる。
この発明によれば、セラミックヒータと容器の間の部位の熱変形や液体の漏れを抑制した液体加熱装置が得られる。
本発明の第1の態様の実施形態に係る液体加熱装置の外観を示す斜視図である。 液体加熱装置の分解斜視図である。 図1のA-A線に沿う断面図 セラミックヒータの外観を示す斜視図である。 セラミックヒータの構成を示す分解斜視図である。 本発明の第2の態様の実施形態に係る液体加熱装置の断面図である。 本発明の第2の態様の実施形態に係る液体加熱装置の変形例の断面図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1の態様の実施形態に係る液体加熱装置200の斜視図、図2は液体加熱装置200の分解斜視図、図3は図1のA-A線に沿う断面図、図4はセラミックヒータ171の斜視図、図5はセラミックヒータ171の分解斜視図である。
この実施形態において、液体加熱装置200は、温水洗浄便座に設置され、内蔵された3つのセラミックヒータ171~173により常温の水を加熱して温水を供給するようになっている。
液体加熱装置200は、全体として略三角筒状(断面が三角形の筒状)をなす容器100と、3つのセラミックヒータ171~173と、を有する。
容器100は、液体W(水)を収容する内部空間100iを有する長円筒状の胴部101と、胴部101の軸方向の両端の開口をそれぞれ閉塞する前端蓋107及び後端蓋108と、液体Wの導入口103及び排出口105と、を有する。容器100は、例えば樹脂製である。
又、導入口103及び排出口105は、それぞれ前端蓋107及び胴部101に一体に設けられている。そして、胴部101の軸方向の前端(図1のセラミックヒータ171~173が露出する側の端部)の外周は輪郭に沿って軸方向外側に突出する突出部101pを有し、この突出部101pの内側に前端蓋107を収容可能になっている。
一方、胴部101の軸方向の後端はフランジ状に径方向に突出し、このフランジに、たとえばパッキンのようなゴムシールを介して後端蓋108が液密にシールされている。
このようにして、内部空間100iは、容器100を構成する胴部101、前端蓋107及び後端蓋108によって取り囲まれている。
3つのセラミックヒータ171~173はそれぞれ先後方向Lに延びる棒状をなし、それぞれ同一方向に(平行に)延びている。また、セラミックヒータ171~173はそれぞれ基端部17Rが前端蓋107の3つの開口部107m1~107m3を貫通している。そして、エポキシ樹脂による固定部材180(図2参照)によってセラミックヒータ171~173と開口部107m1~107m3の隙間が封止されることで、セラミックヒータ171~173が片持ち式に容器100に固定されている。
このようにして、セラミックヒータ171~173の各先端部17Tが内部空間100i内に位置している。なお、固定部材180の位置は、後述するセラミックヒータの発熱部17aよりも基端側であるのはいうまでもない。
又、セラミックヒータ171~173の基端部17R側には、外部から電力を供給するための後述するリード線15,16が接続されている。
なお、本例では、胴部101の軸方向が先後方向Lに平行になっていると共に、各セラミックヒータ171~173の並ぶ方向が胴部101の軸方向に沿うようにして各セラミックヒータ171~173が胴部101の内部空間100iに収容されている。
また、図示しないが、本例では、液体加熱装置200は、先後方向Lが略水平方向で排出口105側が若干上方に位置するように温水洗浄便座に設置され、各セラミックヒータ171~173は横置きされている。
導入口103及び排出口105は、内部空間100iに連通するとともに先後方向L(胴部101の軸方向でもある)に離間して配置されており、外部から導入口103を通って導入された液体Wは、流れ方向Fに沿って内部空間100iを通って排出口105から排出される。
また、容器100の内壁とセラミックヒータ171~173との間には隙間が形成されており、導入口103を通って内部空間100iに導入された液体Wは、セラミックヒータ171~173の外面に先後方向Lに沿って接触しつつ加熱された後、排出口105まで流れる。
図2に示すように、前端蓋107は、略三角形で板状のフランジ部107fと、フランジ部107fにそれぞれ配置された3つの開口部107m1~107m3と、隆起部107pと、隆起部107pから外側に延びる導入口103と、を備える。
3つの開口部107m1~107m3は、フランジ部107fの各頂点付近にそれぞれ配置されて円孔をなす。隆起部107pは、各開口部107m1~107m3の内側の位置でフランジ部107fから外側に隆起する。導入口103は、隆起部107pに繋がると共に、隆起部107pからフランジ部107fの板面に沿い、フランジ部107fの外周より外側に延びている。より詳しくは、導入口103は、隣接する2つの開口部107m3、107m2の間でフランジ部107fの一辺と交差するように延びている。
図3に示すように、導入口103の内孔103i(液体Wの流路)は、隆起部107pの内部でフランジ部107fの板面に略垂直になるように屈曲し、フランジ部107fの内面107aに開口している。
一方、容器100の突出部101pの一部には、導入口103を通すための切欠き101n(図2)が設けられている。
そして、エポキシ樹脂による固定部材180がセラミックヒータ171~173と開口部107m1~107m3の隙間だけでなく、前端蓋107を埋設するように充填されている。
次に、図4、図5を参照してセラミックヒータの構成について説明する。なお、セラミックヒータ171~173は同一形状であるので、セラミックヒータ171について説明する。
図4に示すように、セラミックヒータ171は、リード線15,16を介して外部からの通電により発熱する発熱体17hを有する。発熱体17hは、導体を先後方向Lに蛇行させて発熱パターンとして形成してなる発熱部17aを先端側に有すると共に、発熱部17aの両端から後端側に引き出される一対のリード部17bを有している。
なお、発熱部17aは先後方向LにLhの長さを有する。
より具体的には、図5に示すように、発熱体17hは、発熱部17aと、両リード部17bと、両リード部17bの後端に形成された電極パターン17cとを有し、この発熱体17hは二枚のセラミックグリーンシート17s1、17s2の間に挟持される。なお、このセラミックグリーンシートとしては、アルミナが用いられる。また、発熱部17a、リード部17bはタングステンやレニウム等が用いられる。セラミックグリーンシート17s2の表面にはリード端子18(図4参照)がロウ付けされる2つの電極パッド17pが形成され、電極パターン17cを電極パッド17pにスルーホールにて接続してセラミックグリーンシートの積層体を形成する。
更に、この積層体を、セラミックグリーンシート17s2を表側にして、アルミナ等を主成分とする棒状のセラミック基体17gに巻き付けて焼成することにより、各セラミックグリーンシート17s1、17s2がセラミックシート17sとなってセラミック基体17gの外周に巻き付けられて一体化したセラミックヒータ171を製造することができる。
なお、リード線15,16はリード端子18,18にカシメられて電気的に接続されている(図4参照)。
又、本例ではセラミック基体17gは中実であるが、筒状であってもよい。但し、筒状の場合は貫通孔から水が漏れないように樹脂等で封止することが望ましい。
ここで、上記積層体をセラミック基体17gに巻き付ける際、積層体の先後方向Lに沿う両端同士を、間隔を空けて巻き付ける。このため、セラミックヒータ171の外面の巻合わせ部には、先後方向Lに沿って凹溝となるスリット17vが非発熱部として形成されている。
次に、図3に戻り、第1の態様の実施形態に係る液体加熱装置200の特徴部分について説明する。
図3に示すように、固定部材180は、前端蓋107の外側に充填されることで、各開口部107m1~107m3とセラミックヒータ171~173との隙間を液密に封止しつつ、セラミックヒータ171~173を容器100(開口部107m1~107m3)に固定する。
さらに、導入口103を含む前端蓋107が固定部材180に埋設されるので、導入口103の一部、ひいては流路103iの一部(胴部101側)が外部から固定部材180の中を貫通して貫通部180pを形成している。
このようにすると、加熱前の液体Wが貫通部180pにおける流路103iを通ることにより固定部材180が冷却される。このため、内孔に液体を通さずにセラミックヒータの外表面のみで加熱する構造を採用することでヒータの加熱温度が高くなっても、セラミックヒータ171~173周囲の固定部材180の過熱を抑制し、ひいては固定部材180に接する容器100(前端蓋107)の熱変形を抑制し、セラミックヒータと容器の間の液体の漏れを抑制することができる。
次に、図6を参照し、本発明の第2の態様の実施形態に係る液体加熱装置210について説明する。なお、図6は、図3と同じ方向から見た断面図である。また、液体加熱装置210のうち、液体加熱装置200と同一の構成部分は同一の符号を付して説明を省略する。
液体加熱装置200は、容器110と、3つのセラミックヒータ171~173と、を有する。容器110は、胴部111と、胴部111の軸方向の一端の開口を閉塞する後端蓋108と、液体Wの導入口113及び排出口105と、を有する。
ここで、胴部111は、胴部101と略同一の三角筒状(断面が三角形の筒状)をなすが、前端蓋107を有さず、胴部111の軸方向の他端側の壁111wにセラミックヒータ171~173の基端部17Tが埋設されている点が、胴部101と異なる。また、導入口113は胴部111と一体に形成されている。
胴部111は、例えばセラミックヒータ171~173の周囲に樹脂材料を充填するインサート成形で製造することができる。
このようにして、壁111wとセラミックヒータ171~173とが隙間を設けずに液密に密着した状態となる。
また、壁111wは、容器110の内部空間110iを取り囲む側壁となっている。なお、壁111wは、セラミックヒータ171~173の基端部17Rだけでなく、リード端子18及びリード線15,16の一部を埋設するように形成されている。
導入口113の形状は第1の態様の実施形態の導入口103と略同一である。具体的には、導入口113は、軸方向から見て略三角形の壁111wの上辺を跨ぐように壁111wの上部に突出し、突端が入側となる。
そして、導入口113はこの突端から壁111wの中心(3つのセラミックヒータ171~173で囲まれる中心)付近まで垂直に延びた後、軸方向に沿うように屈曲し、壁111wの内面に開口し、内部空間110iに臨んでいる。
このようにして、導入口113の流路103iの一部(胴部111側)が外部から壁111wの中を貫通して貫通部111pを形成している。
これにより、加熱前の液体Wが貫通部111pにおける流路113iを通ることにより壁111wが冷却される。このため、内孔に液体を通さずにセラミックヒータの外表面のみで加熱する構造を採用することでヒータの加熱温度が高くなっても、セラミックヒータ171~173周囲の壁111wの熱変形を抑制し、セラミックヒータと容器の間の液体の漏れを抑制することができる。
なお、図6の例では、胴部111がセラミックヒータ171~173の周囲にインサート成形され、壁111wとセラミックヒータ171~173とが隙間を設けずに液密に密着(封止)されているが、これに限られない。
例えば、図3と同様に壁111wにセラミックヒータ171~173を貫通させる開口を設け、セラミックヒータ171~173と開口の隙間を、エポキシ樹脂で液密に封止及び固定してもよい。
本発明において、セラミックヒータの外径が5mm以下であると、セラミックヒータに内孔を設けても内孔が小径になって液体を導入し難く、セラミックヒータが過熱しやすいので本発明がより有効である。
図2,図3、図6に示すように、本発明において、互いに離間して先後方向Lに延びるセラミックヒータ171~173を複数個有し、流路103iは、先後方向Lから見て少なくとも2つのセラミックヒータ172,173の間に形成されてもよい。
このようにすると、流路103iを挟む2つのセラミックヒータ172,173の間の熱が溜まり易い部位を有効に冷却できる。
又、本発明において、流路103iのうち内部空間100iに臨む端部の軸心n方向が先後方向Lに沿っていてもよい。
このようにすると、セラミックヒータ171~173が伸びる先後方向Lに沿ってセラミックヒータ171~173の外表面を液体Wが流れ易くなるので、流路103i付近に液体Wが滞留して冷却効果が低下することを抑制できる。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、液体加熱装置、セラミックヒータや導入口、流路の形状は限定されない。
固定部材としては、エポキシ樹脂、ガラス等が例示できる。
また、容器全体が一体成形等で形成された1つの部材からなっていてもよい。
また、例えば図3では、容器100の一端(前端蓋107側)に、複数(3本)のセラミックヒータ171~173のすべての基端側が配置されていたが、容器100の両端(前端蓋107側と後端蓋108側)にそれぞれ1本以上のセラミックヒータの基端側を配置させてもよい。
ただし、この場合は、液体Wの排出口の位置は容器100の軸方向中央付近となる。
なお、図6のように、胴部111をセラミックヒータ171~173の周囲にインサート成形する構造の場合、セラミックヒータ171~173の延びる方向(先後方向)Lと、導入口113の延びる方向が異なる(図6では互いに直交)と、インサート金型から成型品を抜き難い。そして、この場合には複雑なスライド金型を用いる必要が生じたり、成形が困難となる可能性がある。
そこで、図7の液体加熱装置220のように、セラミックヒータ171~173の延びる方向(先後方向)Lに、導入口123の延びる方向を揃えると製造上好ましい。
図7の例では、具体的には、容器120の胴部121は、胴部111と略同一の三角筒状(断面が三角形の筒状)をなし、胴部121の軸方向の一端側の壁121wにセラミックヒータ171~173の基端部17Tが埋設されている点は胴部111と同様であるが、導入口123は胴部121と一体に形成されていない。
そして、内部空間120iは3つのセラミックヒータ171~173の周囲にそれぞれ別個に離間して形成されており、壁121wには各内部空間120iの内側に連通するように先後方向Lに延びる開口が設けられている。
さらに、この開口に筒状の導入口123が嵌合され、両者の隙間をエポキシ樹脂で液密に封止している。
従って、図7の例においても、導入口123の流路123iの一部(胴部111に嵌合された側)が外部から壁121wの中を貫通して貫通部121pを形成している。
これにより、加熱前の液体Wが貫通部121pにおける流路123iを通ることにより壁121wを冷却することができる。
なお、図7の例では、導入口123を嵌合するための開口は断面が六角形であり、各内部空間120iの断面は胴部121の中心(軸心)に向かって接近する楕円である。これにより、開口の外側部分が各内部空間120iの内側部分と重なり易くなる。そして、重なり部分が連通し、液体Wが導入口123から各内部空間120iへ向かって流れることになる。
又、導入口123は六角筒状である。さらに、図7の例においては、胴部121と導入口123とが別体で形成されているが、これらを一体で形成してもよい。
アルミナ粉及び焼結助材となるガラス成分粉をミルで水と粉砕混合し、バインダを混ぜて粘土状の混合体を得た。押出機を用い、中子を設置した口金からこの混合体を押出し、筒状のセラミック基体を製造し、所定長さに切断して仮焼した。
一方、アルミナグリーンシート上にタングステン、モリブデンペーストで発熱体のパターンを形成し、さらにこのパターンに繋がってシート反対面に繋がる端子部を印刷、形成した。
この印刷済みセラミックグリーンシートを仮焼済みのセラミック基体に巻付け、一体焼成した。焼成後のセラミックヒータの露出端子部にNiメッキを施し、Ni製リード部材をAgロウにてロウ付け接合し、リード付セラミックヒータを得た。
さらにセラミックヒータを先端側から樹脂製の容器の前端蓋107(図2)の開口に差込み、ヒータと開口との間を含めて前端蓋107を覆うようにエポキシ接着剤を充填して気密封止した。
以上のように、セラミックヒータの全長60mm、発熱部長30mm、外径2.8mm、室温抵抗値を9Ωとしたものを設置し、図1~図3に示す液体加熱装置を製造した。
得られた液体加熱装置の導入口に、流量450cc/min、水温5℃の水を流し、排出口からの出湯温度が35℃となるようにヒータ1本当たりの印加電圧を制御し、ヒータ印加15秒、停止15秒のサイクルを10回繰り返す連続通水試験を実施した。
その結果、連続通水試験中も問題なく温水を製造し、試験後に固定部となるエポキシ接着剤付近の前端蓋107の熱変形は見られず、水漏れもなかった。
なお、通常、固定部となるエポキシ接着剤の耐熱温度は、容器(前端蓋107)の樹脂の耐熱温度より高く、ヒータの加熱によりエポキシ接着剤が加熱されても大きな熱変形は少ないが、エポキシ接着剤から前端蓋107側へ熱が伝わって前端蓋107が熱変形する。
17a 発熱部
17T セラミックヒータの先端部
17R セラミックヒータの基端部
100、110、120 容器
100i、110i、120i 内部空間
103i、113i、123i 流路
107m1~107m3 容器の開口部
111W、121W 壁
171~173 セラミックヒータ
180 固定部材
200、210、220 液体加熱装置
L 先後方向
W 液体(水)
n 流路のうち内部空間に臨む端部の軸心

Claims (6)

  1. 内部空間を取り囲み、開口部を有する容器と、
    先後方向に延びて前記開口部を貫通し、自身の先端部が前記内部空間内に位置し、自身の基端部が前記内部空間の外部に位置し、前記先端部に発熱部を有するセラミックヒータと、
    前記開口部と前記セラミックヒータの隙間を封止しつつ、前記容器に前記セラミックヒータを固定する固定部材と、
    を備え、
    前記セラミックヒータによって前記内部空間内の液体を加熱する液体加熱装置であって、
    前記容器は、前記固定部と別体の前端蓋であって、前記開口部を閉塞し、前記セラミックヒータの前記基端部が貫通し、流路を有する前端蓋をさらに有し、
    前記固定部は、前端蓋の前記流路の少なくとも一部を覆い、
    前記液体は、前記流路を通過して前記内部空間に導入されることを特徴とする液体加熱装置。
  2. 内部空間を取り囲む壁を有する容器と、
    先後方向に延びて前記壁を貫通し、自身の先端部が前記内部空間内に位置し、自身の基端部が前記内部空間の外部に位置し、前記先端部に発熱部を有するセラミックヒータと、
    を備え、
    前記セラミックヒータによって前記内部空間内の液体を加熱する液体加熱装置であって、
    前記壁に前記セラミックヒータが固定され、
    前記壁のうち前記セラミックヒータが貫通して固定される壁において、前記セラミックヒータの固定部位の前記先後方向に沿った領域に重なるように前記壁の中を貫通して流路が設けられ、
    前記液体は、外部から前記流路を通過して前記内部空間に導入されることを特徴とする液体加熱装置。
  3. 前記壁と前記セラミックヒータとが隙間を設けずに密着していることを特徴とする請求項2に記載の液体加熱装置。
  4. 前記セラミックヒータの外径が5mm以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の液体加熱装置。
  5. 互いに離間して前記先後方向に延びる前記セラミックヒータを複数個有し、
    前記流路は、前記先後方向から見て少なくとも2つのセラミックヒータの間に形成されることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の液体加熱装置。
  6. 前記流路のうち前記内部空間に臨む端部の軸心方向が前記先後方向に沿うことを特徴とする請求項5に記載の液体加熱装置。
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