セラミックヒータ及びそれを用いた温水装置
【課題】 小型または薄型で、耐冷熱衝撃性および熱交換効率が優れた温水加熱用のセラミックヒータ及びそれを用いた温水装置を提供する。
【解決手段】 セラミック基材３の表面に配設された矩形状の発熱抵抗体４と、該発熱抵抗体４の対向する端部に接続される複数の電極５と、該電極５に夫々接続される複数の端子７と、前記発熱抵抗体４表面に積層した保護層６と、を備える。
【解決手段】 セラミック基材３の表面に配設された矩形状の発熱抵抗体４と、該発熱抵抗体４の対向する端部に接続される複数の電極５と、該電極５に夫々接続される複数の端子７と、前記発熱抵抗体４表面に積層した保護層６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に水を所定温度に加熱する温水加熱用のセラミックヒータ及びそれを用いた温水装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】近年、温水装置を備えた商品の小型化や軽量化に伴い、温水加熱用ヒータとして、図６に示す平板状セラミックヒータ２１の発熱部２４を、比較的容量の少ない貯湯タンク（図示せず）内部に水没させた瞬間加熱式温水装置が使用されている。このセラミックヒータ２１は、まずアルミナを主成分とする焼結前のセラミック基材２２ａ表面にタングステンとモリブデンの合金からなる材料を用いて配線パターン２３を形成する。配線パターン２３は、並列にすることで抵抗値を増加させ、通電した際に発熱する発熱部２４と、幅広にすることで抵抗値を低下させ、通電しても発熱しない非発熱部２５と、から構成される。次いで、発熱部２４表面にセラミック基材２２ｂを積層し還元雰囲気炉にて一体焼結した後、非発熱部２５にあたる配線パターン２３の両端部に、銀ロウを用いて通電端子２６ａ、２６ｂが固定される。そして、両通電端子２６ａ、２６ｂ間に電源電圧を接続し通電することにより発熱部２３が加熱され、セラミックヒータ２１の表面に接触した水を加熱して温水とすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、温水装置をさらにコンパクトにするには、発熱部の配線密度を高くしＷ密度を下げたり、基材の厚みを薄くし発熱部から水への熱伝達率を上げて、セラミックヒータの内部温度と加熱する水との温度差を小さくするとともに、発熱部の配線パターンに均一に電流を流し局部加熱の発生を防止する必要がある。
【０００４】前記のセラミックヒータ２１では、配線密度を高くするとセラミック基材２２ａ、２２ｂを積層して焼結する際に、セラミック基材２２ａ、２２ｂ同士の密着性が低下し、ヒータ加熱時に基材２２が剥離し配線パターン２３が断線するおそれがある。そして、シート抵抗値が低い材料を用いて細線状の配線パターンを蛇行させながら配設した場合、配線パターン２３の屈曲部２７ａ、２７ｂ、２７ｃの内側に電流が集中的に流れ局部的に加熱されるため、そこへ冷水が接すると屈曲部２７を起点としてセラミックヒータ２１にクラックが入り発熱抵抗体２４が断線するとともに、セラミックヒータ２２が破断するおそれがある。また、配線パターン２３をスクリーン印刷等で形成する時には、基材２２は焼結されておらず形状が不安定なため基材を薄くすることに限界があり、また、印刷膜厚にバラツキが生じやすいため局部加熱の発生の原因となりやすい。
【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型または薄型で、耐冷熱衝撃性および熱交換効率が優れた温水加熱用のセラミックヒータ及びそれを用いた温水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および作用・効果】上記課題を解決する為、請求項１記載の発明は、セラミック基材の表面に配設された矩形状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の対向する端部に接続される複数の電極と、該電極に夫々接続される複数の端子と、前記発熱抵抗体表面に積層した保護層と、を備えたことを特徴とするセラミックヒータである。
【０００７】かかる構成により、以下の作用効果を奏する。
（１）発熱抵抗体をセラミック基材にて挟み込む必要がないため、セラミック基材略全表面に発熱抵抗体を配設することが可能となり、Ｗ密度を極力低くして発熱抵抗体の単位面積当りの温度上昇を抑制し、基材の熱応力による歪みを抑制することができる。
（２）基材を薄くしても発熱ムラを生じず均一に発熱させることができる。
（３）シート抵抗値が低い発熱抵抗体を、例えば蛇行した形状で配設した場合、基材の厚みが薄くなると、発熱抵抗体が配設されている部分とそれ以外の部分とで温度差が生じるため、均一に発熱させることができない。そこで、発熱抵抗体を屈曲部がない矩形状（正方形、長方形等）に形成することにより、局部的に電流の疎密が生じることがなく、局所的な異常加熱による断線を防止できる。
（４）発熱抵抗体をトリミングし抵抗値調整することが可能になり、制御性が向上する。
（５）焼結されたセラミック基材に発熱抵抗体を印刷するため、基材の薄型化が可能になり、例えばその厚みを０．５〜１ｍｍ程度にすることで熱伝達率が向上し、応答性を向上させることができるため瞬時に水を加熱することができる。
（６）ガラス材にて保護層を形成することで耐熱性が向上し、結露による発熱抵抗体や電極間の短絡を防止し、ヒータ駆動回路等の過電流破壊を防止できる。
【０００８】請求項２記載の発明は、前記電極のシート抵抗値は、前記発熱抵抗体のシート抵抗値より低いことを特徴とする。電極と発熱抵抗体のシート抵抗値が同じ場合、電極の発熱を防止するためには発熱抵抗体より電極の形状を大きくする必要があるため、ヒータが大型化してしまうが、電極のシート抵抗値を発熱抵抗体のシート抵抗値より極端に小さくすることにより、電極を細線化しヒータ自体のコンパクト化が図れる。また、発熱抵抗体全体に均一に電流を流すことが可能となり、基材を均一に発熱させることができる。
【０００９】請求項３記載の発明は、前記発熱抵抗体が複数形成されたことを特徴とする。かかる構成により、発熱抵抗体を任意の位置に複数配置することにより、任意の発熱量を得ることが容易となる。また、シート抵抗値が異なる複数の発熱抵抗体を配設することにより、シート抵抗値が同じ複数の発熱抵抗体を配設するよりも、発熱抵抗体の小型化が図れるためヒータの小型化が図れる。そして、シート抵抗値がそれぞれ異なる材質で発熱抵抗体を形成することにより、同一面積でも発熱量を任意に調整することができる更に、スクリーン印刷により発熱抵抗体を形成する際、膜厚のバラツキを抑えることで局部加熱を防止でき、抵抗値のバラツキを抑制することができる。
【００１０】請求項４記載の発明は、シート抵抗値が前記発熱抵抗体のシート抵抗値より低い導体にて、前記発熱抵抗体が直列に接続されたことを特徴とする。導体のシート抵抗値を発熱抵抗体のシート抵抗値より極端に低くすることにより、屈曲部に電流が集中的に流れることはなく、局部加熱を防止することができる。発熱抵抗体にシート抵抗値が低い（ガラスフリットの混合比率が少ない）材料を用いることで、発熱抵抗体の耐熱性が向上し、細線状の発熱体が複数配設された高電力のヒータを形成できる。
【００１１】請求項５記載の発明は、セラミック基材を板形状とし、給水流路に接続された入水口と排出流路に接続された吐水口とを備えた貯湯タンクの底面または側面に備え、入水口から流入し貯湯された水を前記発熱抵抗体にて加熱し、吐水口から排出することを特徴とする温水装置である。セラミックヒータ自体をタンク外壁の一部とすることで直接セラミックヒータにて水を効率良く加熱することができる。また、セラミックヒータを貯湯タンク底面に密着させることにより、貯湯タンク内の水をムラ無く加熱することができる。
【００１２】請求項６記載の発明は、セラミック基材を筒形状とし、一端を給水流路に他端を排出流路に夫々接続され、給水流路から流入した水を前記発熱抵抗体にて加熱し排出流路へ排出することを特徴とする温水装置である。従って、貯湯タンクを必要としないので小型化が図れるとともに、応答性が向上するため温水と冷水の交互吐水が精度良く行える。特に、近年、衛生洗浄装置の分野においては、小型で応答性が優れた瞬間加熱式の温水装置が望まれているが、本発明の温水装置を備えることによりコンパクト化を図ることができる。セラミックヒータ内面に複数の流路を形成し流路断面積を小さくしたり、樹脂や金属材料を使用し螺旋流路形成するなどの流速向上手段を設け、水への熱伝達率を向上させることで外表面の温度上昇や沸騰音の発生を防止することができる。
【００１３】請求項７記載の発明は、前記発熱抵抗体に流れる電流が、水の入水方向に対して垂直方向に流れるように前記電極が配置されたことを特徴とする。円筒型ヒータの内部に水を流入させて温水を生成する場合、入水口側付近と出水口側付近とで経時的に発熱抵抗体の表面温度分布に偏りが発生する。特に、このような問題は、熱伝達率を向上させて、表面温度の低下や沸騰音の低減を図るために、例えば、円筒のセラミック基材内部に棒状体や螺旋体等の流速向上手段を配置した場合等に、Ｗ密度が大きくなるので、顕著に現れる。そこで、前記発熱抵抗体に流れる電流が、水の入水方向に対して垂直方向に流れるように、前記複数の電極を配置することにより、入水口側と出湯口側の発熱抵抗体に流れる電流量を調整できるため、ヒータの表面温度分布を均一にすることができる。
【００１４】請求項８記載の発明は、前記セラミック基材の表面を断熱用の空隙を介して被覆する断熱材を備えたことを特徴とする。ヒータ基材表面からの放熱を抑制し熱交換効率を向上させるため、断熱材に銅やアルミなどの熱伝導に優れた金属を用いて、その一部をセラミックヒータに接触させることで、断熱材に蓄積された熱をヒータ基材に伝熱し熱回収が図れ断熱材の表面温度を低下させることができるため、ヒータ周辺機器に悪影響を与えない。そして、ヒータ基材表面に直接触れることを防止できるため安全性が向上する。
【００１５】
【発明の実施形態】以下本発明にかかるセラミックヒータの実施の形態を、図面により詳細に説明する。なお、本実施例に記載した図面においては、各部材の厚みは実際の厚みとは異なっている。図１は本発明にかかる平板状セラミックヒータ１を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。このセラミックヒータ１は、焼結された平板状のセラミック基材３の表面に、矩形状の発熱抵抗体４と、該発熱抵抗体４の対向する端部（図示の上下端部）に複数の電極５ａ、５ｂが接続されるよう配設し、該電極５ａ、５ｂに夫々接続される複数の端子７ａ、７ｂと、前記発熱抵抗体４の表面に積層した保護層６と、から概略構成されている。
【００１６】セラミック基材３の厚みは、外形形状により変化するが生産性や作業性を考慮すると２ｍｍ以上、熱伝達率や軽量化を考慮すると２ｍｍ以内が好ましい。
【００１７】前記セラミック基材３の表面には、酸化ルテニウムを主成分とする矩形状の発熱抵抗体４が配設されている。
【００１８】ここで、１００〜５００ｍΩ程度のシート抵抗値にて発熱抵抗体４をコンパクトにセラミック基材３表面に配設しようとすると、細線状に形成した発熱抵抗体４蛇行させる等の必要があり、印刷性や局部加熱等の問題があるが、シート抵抗値を高くすることによりこれらの問題を解決できる。例えば、抵抗値は電極と接している抵抗体の幅と、電極間の抵抗体の長さで決定するが、シート抵抗に２０Ωを使用した場合、発熱体形状は、次のように決定される。発熱体の電力を１０００Ｗ、電圧を１００Ｖとすると、発熱体の抵抗値は、電力（Ｗ）＝電圧（Ｖ）×電圧（Ｖ）÷抵抗（Ω）
の式から、１０Ωとなる。シート抵抗値が２０Ω／□の材料を使用した場合、１０Ωの抵抗値を得るのに必要なトラック数は、トラック数＝抵抗（Ω）÷シート抵抗（Ω／□）
の式から、０．５□となる。表面温度の上昇、沸騰音の発生を考慮し、電力密度を０．４Ｗ／ｍｍ2とすると、１０００Ｗの発熱体のトラック面積は、トラック面積＝電力（Ｗ）÷電力密度（Ｗ／ｍｍ2）
の式から、２５００ｍｍ2となる。トラック数とトラック面積から発熱体の幅と長さが以下の通り決定する。このときの膜厚は１０μｍ前後である。
幅＝√（トラック面積÷トラック数）、長さ＝幅×トラック数幅：７０．７ｍｍ、長さ：３５．４ｍｍ同条件にてシート抵抗に２００ｍΩを使用した場合、幅：７．１ｍｍ、長さ：３５３．６ｍｍまた、シート抵抗値を２倍にして膜厚を２倍にすることにより、抵抗値は同じでも膜厚のバラツキにより局部的に電流が流れても発熱抵抗体が断線することを防止できる。
【００１９】発熱抵抗体がスクリーン印刷等でセラミック基材の表面に形成される場合、抵抗値のバラツキが±１０％程度発生する可能性がある。発熱抵抗体の抵抗値精度を向上させる方法として、発熱抵抗体の形状を仕様となる目標抵抗値に対し９０％前後の抵抗値になるよう決定する。そして、発熱抵抗体形成後に目標抵抗値に達していない場合、発熱抵抗体に流れる電流方向と並行に発熱抵抗体の側端部をレーザにてカットし抵抗値を増加、調整することで、抵抗値のバラツキを吸収できる。
【００２０】発熱抵抗体４の対向する端部（図示の上下端部）には、シート抵抗値が２０ｍΩ以下の銀を主成分とする細線状の一対の電極５ａ、５ｂが配設されており、発熱抵抗体４に接していない幅広の端部に後述する一対の通電端子７ａ、７ｂが夫々設けられている。
【００２１】また、発熱抵抗体４の更に表面（最表面）には、ガラスを主成分とする保護層６が積層されている。この保護層６の材質として結晶化ガラスを用いることにより焼成する際、発熱抵抗体４へのガラスの浸入を抑制し発熱抵抗体４の抵抗値バラツキを抑えることができる。または、５００℃前後で焼結する低融点のガラス材を用いることで、発熱抵抗体４の抵抗値変動を抑制し抵抗値バラツキを抑えることもできる。さらに、結晶化ガラスを積層するかもしくは結晶化ガラスの表面に非結晶質ガラスを積層することにより、結晶化ガラス中のポアを埋め、沿面放電を防止できる。なお、図示においては、説明の便宜上、保護層６を発熱抵抗体４や電極５等の下側に隠れるように示したが、実際は保護層６にて発熱抵抗体４等の略全面が被覆されている（図１ｂの断面図参照）。
【００２２】一対の通電端子７ａ、７ｂは、ニッケル線表面に３００〜８００℃による高温大気雰囲気においても不導体膜を形成しない、周期表１ｂ族に属する銀がメッキされている。銀などの比抵抗が小さい材料を使用することにより、端子の発熱を防止できる。また、銀材料を用いて電極５ａ、５ｂと通電端子７ａ、７ｂとを７００〜８００℃で大気焼成にて接合することにより、密着強度、耐熱性を向上させることができる。また、通電端子７の電極５に接する一部を櫛歯状に形成することにより、銀材料が付着する表面積が増加し接続強度が向上する。なお、通電端子７の材質としては、銀や金、１ｂ族元素と白金族元素からなる合金等を用いることもできる。
【００２３】図２に本発明の第二実施例を示す。なお、前記した第一実施例と同様の構成部材については、同一符号を付して詳細説明は省略する。後述する他の実施例も同様である。この実施例の円筒状セラミックヒータ２は、円筒状のセラミック基材３の外表面の軸方向に２本の電極５ａ、５ｂを備え複数の発熱抵抗体４ａ、４ｂ、４ｃを並列に配置し、保護層６を順次積層している。第一実施例と同様に、セラミック基材３の略全周（全面）に発熱抵抗体４を配置しているため、全体を均一に加熱することができる。
【００２４】図３に第３実施例を示す。この実施例にかかる平板状セラミックヒータ１は、帯状に形成した複数（図示では４本）の発熱抵抗体４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇを基材３の表面に平行して設けると共に、この複数の発熱抵抗体４よりもシート抵抗値が小さい材質にて形成した複数（図示では３本）の導体８ａ、８ｂ、８ｃで隣接する発熱抵抗体４の端部同士を接続するように配設することによって、抵抗体全体（４ｄ〜４ｇ、８ａ〜８ｃ）を直列に接続した点に特徴を有している。一例として、複数の発熱抵抗体４ｄ〜４ｇを２００ｍΩのシート抵抗値材料にて形成し、複数の導体８ａ〜８ｃを２０ｍΩ以下のシート抵抗値材料にて形成する。また、一対の電極５ａ、５ｂも導体８と同じ材質にて形成されている。このように、局部加熱が生じ易い直列抵抗体の屈曲部をシート抵抗値の低い導体８ａ〜８ｃで構成することにより、屈曲部付近での発熱を低減でき、各発熱抵抗体４ｄ〜４ｇに均一に電流を流して発熱させることができる。
【００２５】次に本発明にかかる温水装置の実施の形態を、図面により詳細に説明する。図４に示す貯湯加熱式温水装置１９は、ステンレス材からなる管体に図示しない給水流路に接続される入水口９を側面下部に、図示しない排出流路に接続される吐水口１０を上面に設けた貯湯タンク１１の底面に、図１に示した平板セラミックヒータ１が支持部材１２にて固定されている。
【００２６】発熱抵抗体４をセラミック基材３を介して貯湯タンク１１に密着させているため確実に絶縁が図れ、熱伝導率の向上が図れる。貯湯タンク１１内面には、入水口９から流入した水が攪拌されるよう乱流促進手段１３を設けることにより、吐水口１０から温水を効率良く排出することができる。
【００２７】図５に示す瞬間加熱式温水装置２０は、図２R>２に示した円筒状セラミックヒータ２の一端（図示左側）を入水口９として図示しない給水流路に接続し、他端（図示右側）を出湯口１０として図示しない排出流路に接続している。入水口９の近傍には、銅材からなる厚さ１ｍｍ程度の断熱外筒１４の一端がセラミック基材３に直接密着するよう固定され、断熱外筒１４の他端は発熱抵抗体４が配設されていないセラミック基材３部にＯリング１５を介して固定されている。入水口９から流入された水は、円筒状金属ヒータ２の内部流路を通過する過程で徐々に加熱され、出湯口１０から温水となって吐出される。この時、円筒状セラミックヒータ２外表面から放熱された熱が断熱外筒１４を介して、セラミック基材３に伝熱されるため断熱外筒１４の温度上昇を防止するとともに、熱交換効率を向上させる。また、直接入水口に接断熱外筒の一端を接続することによりさらに熱交換効率が向上する。
【００２８】ここで、発熱抵抗体４は、この発熱抵抗体４を流れる電流（図中αの方向）が水の流路方向（図示右側から左側）に対して垂直方向となるように配設されている。かかる構成により、円筒状金属ヒータ２の入水口９側と出湯口１０側とで温度差が生じるのを可及的に防止できる。また、熱伝達係数に応じて複数の発熱抵抗体４ａ、４ｂ、４ｃの抵抗値をそれぞれ設定することができ、円筒状金属ヒータ２の表面温度分布を均一にすることができる。
【００２９】円筒状セラミックヒータ２内部の流路形状や断面積等に応じて円筒状金属ヒータ２自体を傾け、出湯口１０を入水口９より高い位置に配置することで、円筒状金属ヒータ２内部で発生する気泡の停滞および成長を防止し、局部加熱による円筒状セラミックヒータ２の破壊を防止できる。
【００３０】以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、円筒状金属ヒータ２の内部流路に、図示しない棒状や螺旋状等の流速向上手段を配置して熱伝達率を向上させることにより、熱応答性を向上させ、円筒状金属ヒータ２の表面温度を低下させることもできる。また、板は湾曲していても良いし、筒は内面に凹凸があっても良いし、本実施例では通電端子をセラミックヒータの片端に集約したが、両端に配置しても同様の効果を得ることができる。更に、本発明の温水装置は、衛生洗浄装置、電気温水器、温水機能付き自動手洗い器等に適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、小型または薄型で、耐冷熱衝撃性および熱交換効率が優れた温水加熱用のセラミックヒータ及びそれを用いた温水装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるセラミックヒータの第一実施例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図２】 同、第二実施例を示す（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【図３】 同、第三実施例を示す正面図である。
【図４】 本発明にかかる貯湯加熱式温水装置の一実施例を示す断面図である。
【図５】 本発明にかかる瞬間加熱式温水装置の一実施例を示す断面図である。
【図６】 従来の平板状セラミックヒータを示し、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図である。
【符号の説明】
１：平板状セラミックヒータ、２：円筒状セラミックヒータ、３：セラミック基材、４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ）：発熱抵抗体、５（５ａ、５ｂ）：電極、６：保護層、７（７ａ、７ｂ）：通電端子、８（８ａ、８ｂ、８ｃ）：導体、９：入水口、１０：吐水口、１１：貯湯タンク、１２：支持部材、１３：乱流促進手段、１４：断熱外筒、１５：Ｏリング、１６：入水方向、１７：断熱外筒取付パターン、１９：貯湯加熱式温水装置、２０：瞬間加熱式温水装置、２１：平板状セラミックヒータ、２２：セラミック基材、２３：配線パターン、２４：発熱部、２５：非発熱部、２６（２６ａ、２６ｂ）：通電端子、２７（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）：屈曲部
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に水を所定温度に加熱する温水加熱用のセラミックヒータ及びそれを用いた温水装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】近年、温水装置を備えた商品の小型化や軽量化に伴い、温水加熱用ヒータとして、図６に示す平板状セラミックヒータ２１の発熱部２４を、比較的容量の少ない貯湯タンク（図示せず）内部に水没させた瞬間加熱式温水装置が使用されている。このセラミックヒータ２１は、まずアルミナを主成分とする焼結前のセラミック基材２２ａ表面にタングステンとモリブデンの合金からなる材料を用いて配線パターン２３を形成する。配線パターン２３は、並列にすることで抵抗値を増加させ、通電した際に発熱する発熱部２４と、幅広にすることで抵抗値を低下させ、通電しても発熱しない非発熱部２５と、から構成される。次いで、発熱部２４表面にセラミック基材２２ｂを積層し還元雰囲気炉にて一体焼結した後、非発熱部２５にあたる配線パターン２３の両端部に、銀ロウを用いて通電端子２６ａ、２６ｂが固定される。そして、両通電端子２６ａ、２６ｂ間に電源電圧を接続し通電することにより発熱部２３が加熱され、セラミックヒータ２１の表面に接触した水を加熱して温水とすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、温水装置をさらにコンパクトにするには、発熱部の配線密度を高くしＷ密度を下げたり、基材の厚みを薄くし発熱部から水への熱伝達率を上げて、セラミックヒータの内部温度と加熱する水との温度差を小さくするとともに、発熱部の配線パターンに均一に電流を流し局部加熱の発生を防止する必要がある。
【０００４】前記のセラミックヒータ２１では、配線密度を高くするとセラミック基材２２ａ、２２ｂを積層して焼結する際に、セラミック基材２２ａ、２２ｂ同士の密着性が低下し、ヒータ加熱時に基材２２が剥離し配線パターン２３が断線するおそれがある。そして、シート抵抗値が低い材料を用いて細線状の配線パターンを蛇行させながら配設した場合、配線パターン２３の屈曲部２７ａ、２７ｂ、２７ｃの内側に電流が集中的に流れ局部的に加熱されるため、そこへ冷水が接すると屈曲部２７を起点としてセラミックヒータ２１にクラックが入り発熱抵抗体２４が断線するとともに、セラミックヒータ２２が破断するおそれがある。また、配線パターン２３をスクリーン印刷等で形成する時には、基材２２は焼結されておらず形状が不安定なため基材を薄くすることに限界があり、また、印刷膜厚にバラツキが生じやすいため局部加熱の発生の原因となりやすい。
【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型または薄型で、耐冷熱衝撃性および熱交換効率が優れた温水加熱用のセラミックヒータ及びそれを用いた温水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および作用・効果】上記課題を解決する為、請求項１記載の発明は、セラミック基材の表面に配設された矩形状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の対向する端部に接続される複数の電極と、該電極に夫々接続される複数の端子と、前記発熱抵抗体表面に積層した保護層と、を備えたことを特徴とするセラミックヒータである。
【０００７】かかる構成により、以下の作用効果を奏する。
（１）発熱抵抗体をセラミック基材にて挟み込む必要がないため、セラミック基材略全表面に発熱抵抗体を配設することが可能となり、Ｗ密度を極力低くして発熱抵抗体の単位面積当りの温度上昇を抑制し、基材の熱応力による歪みを抑制することができる。
（２）基材を薄くしても発熱ムラを生じず均一に発熱させることができる。
（３）シート抵抗値が低い発熱抵抗体を、例えば蛇行した形状で配設した場合、基材の厚みが薄くなると、発熱抵抗体が配設されている部分とそれ以外の部分とで温度差が生じるため、均一に発熱させることができない。そこで、発熱抵抗体を屈曲部がない矩形状（正方形、長方形等）に形成することにより、局部的に電流の疎密が生じることがなく、局所的な異常加熱による断線を防止できる。
（４）発熱抵抗体をトリミングし抵抗値調整することが可能になり、制御性が向上する。
（５）焼結されたセラミック基材に発熱抵抗体を印刷するため、基材の薄型化が可能になり、例えばその厚みを０．５〜１ｍｍ程度にすることで熱伝達率が向上し、応答性を向上させることができるため瞬時に水を加熱することができる。
（６）ガラス材にて保護層を形成することで耐熱性が向上し、結露による発熱抵抗体や電極間の短絡を防止し、ヒータ駆動回路等の過電流破壊を防止できる。
【０００８】請求項２記載の発明は、前記電極のシート抵抗値は、前記発熱抵抗体のシート抵抗値より低いことを特徴とする。電極と発熱抵抗体のシート抵抗値が同じ場合、電極の発熱を防止するためには発熱抵抗体より電極の形状を大きくする必要があるため、ヒータが大型化してしまうが、電極のシート抵抗値を発熱抵抗体のシート抵抗値より極端に小さくすることにより、電極を細線化しヒータ自体のコンパクト化が図れる。また、発熱抵抗体全体に均一に電流を流すことが可能となり、基材を均一に発熱させることができる。
【０００９】請求項３記載の発明は、前記発熱抵抗体が複数形成されたことを特徴とする。かかる構成により、発熱抵抗体を任意の位置に複数配置することにより、任意の発熱量を得ることが容易となる。また、シート抵抗値が異なる複数の発熱抵抗体を配設することにより、シート抵抗値が同じ複数の発熱抵抗体を配設するよりも、発熱抵抗体の小型化が図れるためヒータの小型化が図れる。そして、シート抵抗値がそれぞれ異なる材質で発熱抵抗体を形成することにより、同一面積でも発熱量を任意に調整することができる更に、スクリーン印刷により発熱抵抗体を形成する際、膜厚のバラツキを抑えることで局部加熱を防止でき、抵抗値のバラツキを抑制することができる。
【００１０】請求項４記載の発明は、シート抵抗値が前記発熱抵抗体のシート抵抗値より低い導体にて、前記発熱抵抗体が直列に接続されたことを特徴とする。導体のシート抵抗値を発熱抵抗体のシート抵抗値より極端に低くすることにより、屈曲部に電流が集中的に流れることはなく、局部加熱を防止することができる。発熱抵抗体にシート抵抗値が低い（ガラスフリットの混合比率が少ない）材料を用いることで、発熱抵抗体の耐熱性が向上し、細線状の発熱体が複数配設された高電力のヒータを形成できる。
【００１１】請求項５記載の発明は、セラミック基材を板形状とし、給水流路に接続された入水口と排出流路に接続された吐水口とを備えた貯湯タンクの底面または側面に備え、入水口から流入し貯湯された水を前記発熱抵抗体にて加熱し、吐水口から排出することを特徴とする温水装置である。セラミックヒータ自体をタンク外壁の一部とすることで直接セラミックヒータにて水を効率良く加熱することができる。また、セラミックヒータを貯湯タンク底面に密着させることにより、貯湯タンク内の水をムラ無く加熱することができる。
【００１２】請求項６記載の発明は、セラミック基材を筒形状とし、一端を給水流路に他端を排出流路に夫々接続され、給水流路から流入した水を前記発熱抵抗体にて加熱し排出流路へ排出することを特徴とする温水装置である。従って、貯湯タンクを必要としないので小型化が図れるとともに、応答性が向上するため温水と冷水の交互吐水が精度良く行える。特に、近年、衛生洗浄装置の分野においては、小型で応答性が優れた瞬間加熱式の温水装置が望まれているが、本発明の温水装置を備えることによりコンパクト化を図ることができる。セラミックヒータ内面に複数の流路を形成し流路断面積を小さくしたり、樹脂や金属材料を使用し螺旋流路形成するなどの流速向上手段を設け、水への熱伝達率を向上させることで外表面の温度上昇や沸騰音の発生を防止することができる。
【００１３】請求項７記載の発明は、前記発熱抵抗体に流れる電流が、水の入水方向に対して垂直方向に流れるように前記電極が配置されたことを特徴とする。円筒型ヒータの内部に水を流入させて温水を生成する場合、入水口側付近と出水口側付近とで経時的に発熱抵抗体の表面温度分布に偏りが発生する。特に、このような問題は、熱伝達率を向上させて、表面温度の低下や沸騰音の低減を図るために、例えば、円筒のセラミック基材内部に棒状体や螺旋体等の流速向上手段を配置した場合等に、Ｗ密度が大きくなるので、顕著に現れる。そこで、前記発熱抵抗体に流れる電流が、水の入水方向に対して垂直方向に流れるように、前記複数の電極を配置することにより、入水口側と出湯口側の発熱抵抗体に流れる電流量を調整できるため、ヒータの表面温度分布を均一にすることができる。
【００１４】請求項８記載の発明は、前記セラミック基材の表面を断熱用の空隙を介して被覆する断熱材を備えたことを特徴とする。ヒータ基材表面からの放熱を抑制し熱交換効率を向上させるため、断熱材に銅やアルミなどの熱伝導に優れた金属を用いて、その一部をセラミックヒータに接触させることで、断熱材に蓄積された熱をヒータ基材に伝熱し熱回収が図れ断熱材の表面温度を低下させることができるため、ヒータ周辺機器に悪影響を与えない。そして、ヒータ基材表面に直接触れることを防止できるため安全性が向上する。
【００１５】
【発明の実施形態】以下本発明にかかるセラミックヒータの実施の形態を、図面により詳細に説明する。なお、本実施例に記載した図面においては、各部材の厚みは実際の厚みとは異なっている。図１は本発明にかかる平板状セラミックヒータ１を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。このセラミックヒータ１は、焼結された平板状のセラミック基材３の表面に、矩形状の発熱抵抗体４と、該発熱抵抗体４の対向する端部（図示の上下端部）に複数の電極５ａ、５ｂが接続されるよう配設し、該電極５ａ、５ｂに夫々接続される複数の端子７ａ、７ｂと、前記発熱抵抗体４の表面に積層した保護層６と、から概略構成されている。
【００１６】セラミック基材３の厚みは、外形形状により変化するが生産性や作業性を考慮すると２ｍｍ以上、熱伝達率や軽量化を考慮すると２ｍｍ以内が好ましい。
【００１７】前記セラミック基材３の表面には、酸化ルテニウムを主成分とする矩形状の発熱抵抗体４が配設されている。
【００１８】ここで、１００〜５００ｍΩ程度のシート抵抗値にて発熱抵抗体４をコンパクトにセラミック基材３表面に配設しようとすると、細線状に形成した発熱抵抗体４蛇行させる等の必要があり、印刷性や局部加熱等の問題があるが、シート抵抗値を高くすることによりこれらの問題を解決できる。例えば、抵抗値は電極と接している抵抗体の幅と、電極間の抵抗体の長さで決定するが、シート抵抗に２０Ωを使用した場合、発熱体形状は、次のように決定される。発熱体の電力を１０００Ｗ、電圧を１００Ｖとすると、発熱体の抵抗値は、電力（Ｗ）＝電圧（Ｖ）×電圧（Ｖ）÷抵抗（Ω）
の式から、１０Ωとなる。シート抵抗値が２０Ω／□の材料を使用した場合、１０Ωの抵抗値を得るのに必要なトラック数は、トラック数＝抵抗（Ω）÷シート抵抗（Ω／□）
の式から、０．５□となる。表面温度の上昇、沸騰音の発生を考慮し、電力密度を０．４Ｗ／ｍｍ2とすると、１０００Ｗの発熱体のトラック面積は、トラック面積＝電力（Ｗ）÷電力密度（Ｗ／ｍｍ2）
の式から、２５００ｍｍ2となる。トラック数とトラック面積から発熱体の幅と長さが以下の通り決定する。このときの膜厚は１０μｍ前後である。
幅＝√（トラック面積÷トラック数）、長さ＝幅×トラック数幅：７０．７ｍｍ、長さ：３５．４ｍｍ同条件にてシート抵抗に２００ｍΩを使用した場合、幅：７．１ｍｍ、長さ：３５３．６ｍｍまた、シート抵抗値を２倍にして膜厚を２倍にすることにより、抵抗値は同じでも膜厚のバラツキにより局部的に電流が流れても発熱抵抗体が断線することを防止できる。
【００１９】発熱抵抗体がスクリーン印刷等でセラミック基材の表面に形成される場合、抵抗値のバラツキが±１０％程度発生する可能性がある。発熱抵抗体の抵抗値精度を向上させる方法として、発熱抵抗体の形状を仕様となる目標抵抗値に対し９０％前後の抵抗値になるよう決定する。そして、発熱抵抗体形成後に目標抵抗値に達していない場合、発熱抵抗体に流れる電流方向と並行に発熱抵抗体の側端部をレーザにてカットし抵抗値を増加、調整することで、抵抗値のバラツキを吸収できる。
【００２０】発熱抵抗体４の対向する端部（図示の上下端部）には、シート抵抗値が２０ｍΩ以下の銀を主成分とする細線状の一対の電極５ａ、５ｂが配設されており、発熱抵抗体４に接していない幅広の端部に後述する一対の通電端子７ａ、７ｂが夫々設けられている。
【００２１】また、発熱抵抗体４の更に表面（最表面）には、ガラスを主成分とする保護層６が積層されている。この保護層６の材質として結晶化ガラスを用いることにより焼成する際、発熱抵抗体４へのガラスの浸入を抑制し発熱抵抗体４の抵抗値バラツキを抑えることができる。または、５００℃前後で焼結する低融点のガラス材を用いることで、発熱抵抗体４の抵抗値変動を抑制し抵抗値バラツキを抑えることもできる。さらに、結晶化ガラスを積層するかもしくは結晶化ガラスの表面に非結晶質ガラスを積層することにより、結晶化ガラス中のポアを埋め、沿面放電を防止できる。なお、図示においては、説明の便宜上、保護層６を発熱抵抗体４や電極５等の下側に隠れるように示したが、実際は保護層６にて発熱抵抗体４等の略全面が被覆されている（図１ｂの断面図参照）。
【００２２】一対の通電端子７ａ、７ｂは、ニッケル線表面に３００〜８００℃による高温大気雰囲気においても不導体膜を形成しない、周期表１ｂ族に属する銀がメッキされている。銀などの比抵抗が小さい材料を使用することにより、端子の発熱を防止できる。また、銀材料を用いて電極５ａ、５ｂと通電端子７ａ、７ｂとを７００〜８００℃で大気焼成にて接合することにより、密着強度、耐熱性を向上させることができる。また、通電端子７の電極５に接する一部を櫛歯状に形成することにより、銀材料が付着する表面積が増加し接続強度が向上する。なお、通電端子７の材質としては、銀や金、１ｂ族元素と白金族元素からなる合金等を用いることもできる。
【００２３】図２に本発明の第二実施例を示す。なお、前記した第一実施例と同様の構成部材については、同一符号を付して詳細説明は省略する。後述する他の実施例も同様である。この実施例の円筒状セラミックヒータ２は、円筒状のセラミック基材３の外表面の軸方向に２本の電極５ａ、５ｂを備え複数の発熱抵抗体４ａ、４ｂ、４ｃを並列に配置し、保護層６を順次積層している。第一実施例と同様に、セラミック基材３の略全周（全面）に発熱抵抗体４を配置しているため、全体を均一に加熱することができる。
【００２４】図３に第３実施例を示す。この実施例にかかる平板状セラミックヒータ１は、帯状に形成した複数（図示では４本）の発熱抵抗体４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇを基材３の表面に平行して設けると共に、この複数の発熱抵抗体４よりもシート抵抗値が小さい材質にて形成した複数（図示では３本）の導体８ａ、８ｂ、８ｃで隣接する発熱抵抗体４の端部同士を接続するように配設することによって、抵抗体全体（４ｄ〜４ｇ、８ａ〜８ｃ）を直列に接続した点に特徴を有している。一例として、複数の発熱抵抗体４ｄ〜４ｇを２００ｍΩのシート抵抗値材料にて形成し、複数の導体８ａ〜８ｃを２０ｍΩ以下のシート抵抗値材料にて形成する。また、一対の電極５ａ、５ｂも導体８と同じ材質にて形成されている。このように、局部加熱が生じ易い直列抵抗体の屈曲部をシート抵抗値の低い導体８ａ〜８ｃで構成することにより、屈曲部付近での発熱を低減でき、各発熱抵抗体４ｄ〜４ｇに均一に電流を流して発熱させることができる。
【００２５】次に本発明にかかる温水装置の実施の形態を、図面により詳細に説明する。図４に示す貯湯加熱式温水装置１９は、ステンレス材からなる管体に図示しない給水流路に接続される入水口９を側面下部に、図示しない排出流路に接続される吐水口１０を上面に設けた貯湯タンク１１の底面に、図１に示した平板セラミックヒータ１が支持部材１２にて固定されている。
【００２６】発熱抵抗体４をセラミック基材３を介して貯湯タンク１１に密着させているため確実に絶縁が図れ、熱伝導率の向上が図れる。貯湯タンク１１内面には、入水口９から流入した水が攪拌されるよう乱流促進手段１３を設けることにより、吐水口１０から温水を効率良く排出することができる。
【００２７】図５に示す瞬間加熱式温水装置２０は、図２R>２に示した円筒状セラミックヒータ２の一端（図示左側）を入水口９として図示しない給水流路に接続し、他端（図示右側）を出湯口１０として図示しない排出流路に接続している。入水口９の近傍には、銅材からなる厚さ１ｍｍ程度の断熱外筒１４の一端がセラミック基材３に直接密着するよう固定され、断熱外筒１４の他端は発熱抵抗体４が配設されていないセラミック基材３部にＯリング１５を介して固定されている。入水口９から流入された水は、円筒状金属ヒータ２の内部流路を通過する過程で徐々に加熱され、出湯口１０から温水となって吐出される。この時、円筒状セラミックヒータ２外表面から放熱された熱が断熱外筒１４を介して、セラミック基材３に伝熱されるため断熱外筒１４の温度上昇を防止するとともに、熱交換効率を向上させる。また、直接入水口に接断熱外筒の一端を接続することによりさらに熱交換効率が向上する。
【００２８】ここで、発熱抵抗体４は、この発熱抵抗体４を流れる電流（図中αの方向）が水の流路方向（図示右側から左側）に対して垂直方向となるように配設されている。かかる構成により、円筒状金属ヒータ２の入水口９側と出湯口１０側とで温度差が生じるのを可及的に防止できる。また、熱伝達係数に応じて複数の発熱抵抗体４ａ、４ｂ、４ｃの抵抗値をそれぞれ設定することができ、円筒状金属ヒータ２の表面温度分布を均一にすることができる。
【００２９】円筒状セラミックヒータ２内部の流路形状や断面積等に応じて円筒状金属ヒータ２自体を傾け、出湯口１０を入水口９より高い位置に配置することで、円筒状金属ヒータ２内部で発生する気泡の停滞および成長を防止し、局部加熱による円筒状セラミックヒータ２の破壊を防止できる。
【００３０】以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、円筒状金属ヒータ２の内部流路に、図示しない棒状や螺旋状等の流速向上手段を配置して熱伝達率を向上させることにより、熱応答性を向上させ、円筒状金属ヒータ２の表面温度を低下させることもできる。また、板は湾曲していても良いし、筒は内面に凹凸があっても良いし、本実施例では通電端子をセラミックヒータの片端に集約したが、両端に配置しても同様の効果を得ることができる。更に、本発明の温水装置は、衛生洗浄装置、電気温水器、温水機能付き自動手洗い器等に適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、小型または薄型で、耐冷熱衝撃性および熱交換効率が優れた温水加熱用のセラミックヒータ及びそれを用いた温水装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるセラミックヒータの第一実施例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図２】 同、第二実施例を示す（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【図３】 同、第三実施例を示す正面図である。
【図４】 本発明にかかる貯湯加熱式温水装置の一実施例を示す断面図である。
【図５】 本発明にかかる瞬間加熱式温水装置の一実施例を示す断面図である。
【図６】 従来の平板状セラミックヒータを示し、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図である。
【符号の説明】
１：平板状セラミックヒータ、２：円筒状セラミックヒータ、３：セラミック基材、４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ）：発熱抵抗体、５（５ａ、５ｂ）：電極、６：保護層、７（７ａ、７ｂ）：通電端子、８（８ａ、８ｂ、８ｃ）：導体、９：入水口、１０：吐水口、１１：貯湯タンク、１２：支持部材、１３：乱流促進手段、１４：断熱外筒、１５：Ｏリング、１６：入水方向、１７：断熱外筒取付パターン、１９：貯湯加熱式温水装置、２０：瞬間加熱式温水装置、２１：平板状セラミックヒータ、２２：セラミック基材、２３：配線パターン、２４：発熱部、２５：非発熱部、２６（２６ａ、２６ｂ）：通電端子、２７（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）：屈曲部
【特許請求の範囲】
【請求項１】 セラミック基材の表面に配設された矩形状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の対向する端部に接続される複数の電極と、該電極に夫々接続される複数の端子と、前記発熱抵抗体表面に積層した保護層と、を備えたことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】 前記電極のシート抵抗値は、前記発熱抵抗体のシート抵抗値より低いことを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】 前記発熱抵抗体が複数形成されたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載のセラミックヒータ。
【請求項４】 前記複数の発熱抵抗体が直列に接続され、かつ、シート抵抗値が前記発熱抵抗体のシート抵抗値より低い導体にて、直列に接続されたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のセラミックヒータ。
【請求項５】 請求項１乃至４いずれか１項記載のセラミックヒータにおいて、前記セラミック基材を板形状とし、給水流路に接続された入水口と排出流路に接続された吐水口とを備えた貯湯タンクの底面または側面に備え、入水口から流入し貯湯された水を前記発熱抵抗体にて加熱し、吐水口から排出することを特徴とする温水装置。
【請求項６】 請求項１乃至４いずれか１項記載のセラミックヒータにおいて、前記セラミック基材を筒形状とし、一端を給水流路に他端を排出流路に夫々接続され、給水流路から流入した水を前記発熱抵抗体にて加熱し排出流路へ排出することを特徴とする温水装置。
【請求項７】 前記発熱抵抗体に流れる電流が、水の入水方向に対して垂直方向に流れるように前記電極が配置されたことを特徴とする請求項５乃至６いずれか１項記載記載の温水装置。
【請求項８】 前記セラミック基材の表面を断熱用の空隙を介して被覆する断熱材を備えたことを特徴とする請求項５乃至７いずれか１項記載の温水装置。
【請求項１】 セラミック基材の表面に配設された矩形状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の対向する端部に接続される複数の電極と、該電極に夫々接続される複数の端子と、前記発熱抵抗体表面に積層した保護層と、を備えたことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】 前記電極のシート抵抗値は、前記発熱抵抗体のシート抵抗値より低いことを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】 前記発熱抵抗体が複数形成されたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載のセラミックヒータ。
【請求項４】 前記複数の発熱抵抗体が直列に接続され、かつ、シート抵抗値が前記発熱抵抗体のシート抵抗値より低い導体にて、直列に接続されたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のセラミックヒータ。
【請求項５】 請求項１乃至４いずれか１項記載のセラミックヒータにおいて、前記セラミック基材を板形状とし、給水流路に接続された入水口と排出流路に接続された吐水口とを備えた貯湯タンクの底面または側面に備え、入水口から流入し貯湯された水を前記発熱抵抗体にて加熱し、吐水口から排出することを特徴とする温水装置。
【請求項６】 請求項１乃至４いずれか１項記載のセラミックヒータにおいて、前記セラミック基材を筒形状とし、一端を給水流路に他端を排出流路に夫々接続され、給水流路から流入した水を前記発熱抵抗体にて加熱し排出流路へ排出することを特徴とする温水装置。
【請求項７】 前記発熱抵抗体に流れる電流が、水の入水方向に対して垂直方向に流れるように前記電極が配置されたことを特徴とする請求項５乃至６いずれか１項記載記載の温水装置。
【請求項８】 前記セラミック基材の表面を断熱用の空隙を介して被覆する断熱材を備えたことを特徴とする請求項５乃至７いずれか１項記載の温水装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００２−５６９５２（Ｐ２００２−５６９５２Ａ）
【公開日】平成１４年２月２２日（２００２．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−２４２４８１（Ｐ２０００−２４２４８１）
【出願日】平成１２年８月１０日（２０００．８．１０）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年２月２２日（２００２．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年８月１０日（２０００．８．１０）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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