流体加熱用ヒータ
【課題】 流体への熱伝達効率を向上させ、ヒータ自身の小型化を図ると共に、必要な温度の温水が供給されるまでの立ち上がり時間が短く、消費電力の少なくい流体加熱用ヒータを提供する。
【解決手段】 セラミックス基板１の一表面上に発熱体２を備え、セラミックス基板１の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、例えばセラミックス基板が窒化アルミニウムであって、且つ発熱体２を被覆する絶縁層４が形成されている。また、平板状のセラミックス基板１の一表面上に形成した発熱体２を備え、セラミックス基板１が窒化珪素であり、且つ該発熱体２を被覆する絶縁層４が形成されていてもよい。
【解決手段】 セラミックス基板１の一表面上に発熱体２を備え、セラミックス基板１の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、例えばセラミックス基板が窒化アルミニウムであって、且つ発熱体２を被覆する絶縁層４が形成されている。また、平板状のセラミックス基板１の一表面上に形成した発熱体２を備え、セラミックス基板１が窒化珪素であり、且つ該発熱体２を被覆する絶縁層４が形成されていてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体加熱用のヒータに関し、特に温水洗浄便座の洗浄用温水を湯沸かしするのに適した流体加熱用ヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、温水洗浄便座は、便座の後方下に設けた所定のノズルから温水を噴射し、その温水で人体の局部を洗浄するものである。また、洗浄に対する快適性を高めるために、従来から所定の温度に加熱された温水が使用されている。
【０００３】
しかし、従来の温水洗浄便座では、洗浄時に速やかに温水を使用できるようにするため、予め水を貯水タンクに溜めた後、シーズヒータ等で所定の温度に加熱して、保温する手法が取られている。このため、使用しない間も貯水タンクの水を保温し続けなければならず、ヒータの消費電力が非常に大きくなってしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、上記の問題を解決するために、最近では洗浄時にのみ水を加熱し、ノズルから噴射する方法が取られている。例えば、特開平１１−４３９７８号公報には、水の加熱用に平板状のセラミックス基板に発熱体を設けたセラミックスヒータを用い、このセラミックスヒータの表面に複数の櫛状リブで蛇行水路を形成した流体加熱用ヒータを備えた温水洗浄便座が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−４３９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、最近の温水洗浄便座に使用される流体加熱用ヒータは、平板状のセラミックス基板に発熱体を設けたヒータを用いて洗浄時に湯沸しするため、従来の貯水タンクで温水を保温するタイプのものに比べて保温のための電力が不要になり、消費電力を大幅に削減することができる。
【０００６】
しかしながら、このような温水洗浄便座用のセラミックスヒータ、例えば上記特開平１１−４３９７８号公報に記載されるようなセラミックスヒータにおいても、必ずしも熱効率が十分に高いとは言えず、また消費電力も比較的大きいという問題があった。また、必要な温度の温水を速やかに供給するため立ち上がり時間を短くしようとすると、熱衝撃でセラミックスヒータが破損しやすいなどの問題もあった。
【０００７】
本発明は、このような現状に鑑み、ヒータから流体への熱伝達効率を向上させることでヒータ自身の小型化を図ると共に、必要な温度の温水が供給されるまでの立ち上がり時間が短く、消費電力の少ない流体加熱用ヒータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明が提供する流体加熱用ヒータは、流体を加熱するためのヒータであって、平板状のセラミックス基板と、該セラミックス基板の一表面上に形成した発熱体とを備え、該セラミックス基板の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ該発熱体を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴とする。好ましくは、前記セラミックス基板が窒化アルミニウムであることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明が提供する他の流体加熱用ヒータは、流体を加熱するためのヒータであって、平板状のセラミックス基板と、該セラミックス基板の一表面上に形成した発熱体とを備え、該セラミックス基板が窒化珪素であり、且つ該発熱体を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
これらの本発明の流体加熱用ヒータにおいては、前記セラミックス基板の発熱体が露出していない表面を、流体と接する流体加熱面とすることを特徴とする。また、前記セラミックス基板の流体加熱面に、流体との接触面積を増やすための金属部材が固着されていることが好ましく、その金属部材が銅又はアルミニウムからなることが好ましい。更に、前記金属部材が多数のフィンであることが特に好ましい。
【００１１】
また、上記本発明の流体加熱用ヒータにおいては、セラミックス基板の流体加熱面に、交互に折れ曲って蛇行した水路を形成し、該水路内に多数のフィンが配置されていることを特徴とする。また、前記セラミックス基板の少なくとも流体加熱面以外の表面を覆うように、断熱材が取り付けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ヒータから流体への熱伝達効率を向上させることで、必要な温度の温水が供給されるまでの立ち上がり時間が短く、消費電力が少ないうえ、ヒータ自身の小型化を図ることができ、特に温水洗浄便座の湯沸し用ヒータとして好適な流体加熱用ヒータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の流体加熱用ヒータは、その一形態として、平板状のセラミックス基板の一表面上に発熱体を形成した構造を有し、そのセラミックス基板として熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるセラミックスを用いる。熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板を用いることにより、基板の温度上昇が早くなり、流体への熱伝達効率を高めることができる。
【００１４】
例えば、温水洗浄便座用ヒータでは、加熱前の水温は最も冷たい場合で０℃且つ加熱後の水温は４０℃程度となるが、このように瞬間的に水を加熱する場合、熱伝導率が低いセラミックス基板では発熱体で発生したジュール熱の基板内への拡散が難しい。このため基板の温度上昇速度が遅く、素早く水を加熱することができず、更に基板内に温度ムラが発生し、水の温度をムラなく均一にするために時間がかかる。
【００１５】
本発明では、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板を用いることによって、セラミックス基板内の温度をできるだけ均一にし、発熱体で発生した熱を素早く基板表面に伝えることができるため、水をムラなく均一に且つ効率よく、素早く加熱することができる。また、ヒータを瞬間的に温度上昇させると大きな熱衝撃が発生して、セラミックス基板自身が破損しやすいが、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板を用いることで破損を防止することが可能である。
【００１６】
このように熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板としては、具体的には、窒化アルミニウムや炭化ケイ素などがある。中でも窒化アルミニウムは、製法を工夫すれば容易に１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を得ることができ、基板内の温度分布をより均一にできるため特に好ましい。
【００１７】
本発明の流体加熱用ヒータにおける他の形態は、平板状のセラミックス基板の一表面上に発熱体を形成した構造を有し、そのセラミックス基板が窒化珪素である。窒化珪素に関しては、一般に熱伝導率は窒化アルミニウムよりも劣るものの、セラミックス自身の強度が高く、熱衝撃等の外部応力に対して非常に強いために好ましい。
【００１８】
また、本発明の流体加熱用ヒータにおいては、図１に示すように、セラミックス基板１の一表面上に発熱体２及び通電用の電極３が形成され、このセラミックス基板１の発熱体２が露出していない表面を流体と接する流体加熱面１ａとする。即ち、セラミックス基板１の流体加熱面１ａに流体を供給し、流体が流体加熱面１ａと接触している間に、発熱体２の熱を流体加熱面１ａから流体に伝えて加熱するのである。
【００１９】
発熱体２上には、絶縁を確保するための絶縁層４を形成する。一般に絶縁層４の熱伝導率はセラミックス基板１に比較して低く、発熱体２で発生した熱はセラミックス基板１の方に伝わり易く熱抵抗も小さくなるため、絶縁層４を流体加熱面とすることは好ましくない。特にセラミックス基板の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の場合には、絶縁層を形成していない側のセラミックス基板表面を流体加熱面とする。
【００２０】
更に、セラミックスヒータの熱を流体に一層効率的に伝達するため、セラミックス基板の流体加熱面に、流体との接触面積を増やすため金属部材を固着して、流体への伝熱面積を増大させることができる。かかる金属部材の形状は特に限定されるものではないが、表面積の大きなものが望ましく、一般的に放熱用に用いられるようなフィン形状が好ましい。このようにフィン形状等の表面積の大きい金属部材を設けることで、ヒータの熱が多数のフィン等に伝えられるので、伝熱面積を大幅に増加させ、更に効率的に水を加熱することができる。
【００２１】
また、セラミックス基板の流体加熱面に、金属や樹脂からなる壁で交互に折れ曲って蛇行するジグザグな長い水路を形成し、この水路内に多数のフィンを配置することによって、ヒータを３次元的に構成できると共に、伝熱面積を更に飛躍的に増大させることができ、ヒータ全体を小型化できるというメリットがある。尚、これらの金属部材あるいはフィン等は、セラミックス基板の両表面が流体加熱面である場合には、その両表面に形成することも可能である。
【００２２】
上記したフィンその他の金属部材としては、アルミニウム又は銅が好ましい。アルルニウムは熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高く、また金属自身が柔らかいために加工し易いというメリットがある。更にアルミニウムは比重も小さいために、ヒータユニット全体を軽量化できるメリットがある。また、銅は熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、伝熱効率を非常に高くすることができるので好ましい。
【００２３】
セラミックス基板上に上記金属部材を固着させる方法としては、公知の手法が利用できる。例えば、金属部材が銅の場合には、活性金属ロウによって接合することができ、またセラミックス基板上にＷ等のメタライズを施し、更にその上にＮｉ−Ｐメッキを形成し、このＮｉ−Ｐメッキを用いて銅の金属部材を接合することも可能である。また、アルミニウムの金属部材に関しては、アルミニウムより融点の低いアルミニウムロウを用いて接合することができる。
【００２４】
以上のように、フィン等の金属部材を設けた本発明の流体加熱用ヒータでは、伝熱面積が従来に比較して飛躍的に増加するために、流体への熱伝達効率が大幅に向上し、金属部材を含めたヒータユニット全体を従来に比べて小さくしても、従来と同様の温水を得ることが可能になる。即ち、従来のヒータでは流体への伝熱が平板状のセラミックス基板上のみで行われていたが、本発明では上記のごとく表面積の大きなフィン等の金属部材からも流体への熱伝達が行われるために、従来よりもヒータ及びヒータユニットを小さくしても、従来と同等又はそれ以上の伝熱面積が得られるからである。
【００２５】
具体的には、金属部材の形状にもよるが、多数のフィンを設置した場合には、概ねヒータ全体の大きさを半分程度にしても、温水を得る特性に影響はない。このように小型化するメリットとしては、ヒータそのもののコストを低下させることができると共に、ヒータ及びヒータユニットの熱容量を低下させることができるため、消費電力の低減、及び必要な温度の温水が供給されるまでの時間（ヒータの立ち上がり時間）の短縮を図ることができる。従って、本発明の流体加熱用ヒータは、温水洗浄便座の湯沸し用ヒータとして好適である。
【００２６】
また、本発明の流体加熱用ヒータに関しては、周囲への熱放散量を小さくすることで消費電力を低減し、より急速にヒータま温度を上昇させるために、少なくとも流体加熱面以外の表面を覆うように、断熱材を取り付けることができる。具体的には、セラミックス基板の流体加熱面以外の表面を包み込むように、セラミックス繊維や樹脂等の熱伝導率の低い断熱材を取り付けることができる。発熱体を被覆するガラス等の絶縁層も断熱効果を有するが、この絶縁層の上を更にセラミックス繊維や樹脂等の断熱材で覆うことによって、熱効率をより一層向上させることもできる。
【００２７】
次に、本発明の流体加熱用ヒータの製造方法について一例を述べる。まず、セラミックス基板として窒化アルミニウム又は窒化珪素を用意する。これらのセラミックス基板の製造方法については公知の方法が利用できる。例えば、原料粉末に所定量の焼結助剤を加え、更にバインダーや有機溶剤を加えてボールミル等で混合する。得られたスラリーをドクターブレード法等の手法でシート成形し、所定の寸法に切断した後、窒素中又は大気中で脱脂処理を行い、非酸化性雰囲気中で焼結することによってセラミックス基板が得られる。尚、成形方法に関してはプレス成形や押し出し成形等も利用できる。
【００２８】
次に、得られたセラミックス基板に発熱体を形成する。発熱体の材料としてはＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ等が好ましく用いられるが、これらに限定されるものではない。これらの発熱体はセラミックス基板上にスクリーン印刷等の手法によってパターン形成された後、所定の雰囲気中にて基板上に焼き付けられる。また、上記発熱体のうちＷやＭｏに関しては、セラミックス基板との同時焼成によって形成することも可能である。
【００２９】
また、この発熱体上には、絶縁を確保するための絶縁層を形成する。絶縁層の材質としては、特に制約は無いが、一般的にはガラス質の絶縁層が使用される。具体的には、ガラス粉末にバインダーと溶剤を加えてペースト状にし、このガラスペーストをスクリーン印刷により所定の形状に形成した後、焼成することにより絶縁層が得られる。更に、セラミックス基板の絶縁層と反対側の流体加熱面に、前記のようにフィン等の金属部材を取り付けることも可能である。
【実施例】
【００３０】
実施例１
以下の手順により、下記表１に示す各セラミックスを主成分とする組成１〜５の各セラミックス基板を作製した。まず、各セラミックス原料粉末に下記表１に示す割合で焼結助剤を添加し、更に有機溶剤とバインダーを加え、ボールミルにより２４時間混合してスラリーを作製した。このスラリーをドクターブレード法にて所定の厚みになるようにシート成形を行った。
【００３１】
次に、得られた各シートを焼結後の寸法が５０ｍｍ角になるように切断し、窒素中にて８００℃で脱脂処理を行った後、下記表１に示す温度で窒素中にて焼結した。得られた各焼結体を厚さ０.６３５ｍｍになるように研磨加工して、セラミックス基板とした。また、これらのセラミックス基板について、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定し、その結果を下記表１に併せて示した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
上記表１の各セラミックス基板の表面上に、発熱体としてＡｇ−Ｐｄペーストを、また電極として発熱体よりもシート抵抗値の低いＡｇペーストを、それぞれスクリーン印刷で塗布した。発熱体の形状は、図２に示すように、セラミックス基板１の表面の両端隅にそれぞれ電極３を設け、両方の電極３の間を平行な２本の発熱体２がセラミックス基板１の両端付近で１８０°折れ曲がりながら蛇行してジグザグに延長した形状とした。
【００３４】
続いて、上記ペーストを大気中にて８８０℃で焼成して焼付け、各セラミックス基板１上に発熱体２と電極３を形成した。その後、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯを主成分とするガラスペーストを発熱体２上にスクリーン印刷にて塗布し、大気中にて７００℃で焼き付け、絶縁層４を形成した。
【００３５】
次に、絶縁層４と反対側のセラミックス基板１の表面（流体加熱面）上に、樹脂製の壁と天井で水の流路を形成し、これらを温水洗浄便座のヒータとして取り付け、ヒータの消費電力及び立ち上がり時間を測定し、その評価を行った。尚、測定条件としては、温水放出時間を３０秒及び放出量は１８０ｇとした。また、加熱前の水温は２０℃、加熱後の水温は３７℃になるように設定した。立ち上がり時間の測定は、温水の放出開始から水温が３５℃に到達するまでの時間を測定した。これらの結果を、下記表２に示した。
【００３６】
【表２】
【００３７】
以上の結果から、熱伝導率が高いセラミックス基板、即ちＡｌＮ及びＳｉＣを主成分とするセラミックス基板を使用したヒータは、他のヒータに比べて立ち上がり時間が極めて短くなり、消費電力も低減できることが分かる。
【００３８】
実施例２
実施例１と同じ上記組成１〜５を有するシート状の各セラミックス成形体に対して、スクリーン印刷を用いてＷペーストの発熱体と電極を図２の形状に塗布した。更に、発熱体を形成していない表面に対しても全面にＷペーストをスクリーン印刷した後、これを実施例１と同様の条件で同時焼結した。得られた各セラミックス基板のＷ発熱体上に、実施例１と同じガラスペーストをスクリーン印刷により塗布した後、Ｗ発熱体が酸化しないように窒素中で焼き付けて絶縁層を形成した。
【００３９】
次に、上記の各セラミックス基板の電極と、Ｗ発熱体の反対側の流体加熱面全面にＮｉ−Ｐメッキを厚み２μｍに形成した。この流体加熱面のメッキ面に対して、図３に示すように、アルミニウム製の壁６と天井（図示せず）で交互に１８０°折れ曲って蛇行したジグザグな水路を形成すると共に、その水路内に複数の銅製のフィンを配置し、窒素中にて９００℃で接合した。
【００４０】
その後、銅製のフィンを配置した水路内に水が流れるようにホースを接続し、これらを温水洗浄便座のヒータとして取り付け、実施例１と同様の条件でヒータの消費電力及び立ち上がり時間を測定し、その結果を下記表３に示した。この結果から、銅製のフィンを取り付けた場合、実施例１に比較して、消費電力は若干増加するものの、ヒータの立ち上がり時間は短縮されたことが分かる。
【００４１】
【表３】
【００４２】
実施例３
実施例１で使用したものと同じ組成で且つ焼結後の厚みが０.３１８ｍｍになるようにシートを成形し、内部にＷの発熱体を内蔵するセラミックスヒータを作製した。このヒータ形状を形状Ａとする。一方、実施例１で使用した片方の表面にガラスの絶縁層を有するセラミックスヒータも同時に用意した。このヒータ形状を形状Ｂとする。
【００４３】
次に、これら形状Ａ及びＢの各セラミックスヒータの流体加熱面に、実施例２と同様にして、図３に示すようにジグザグな水路を形成すると共に、水路内に複数のアルミニウム製のフィン５を取り付けた。尚、発熱体を内蔵する形状Ａのヒータでは、露出している両方のセラミックス基板表面のうち片方のみを流体加熱面とし、この表面にのみ水路とフィンを取り付けた。
【００４４】
更に、図４に示すように、セラミックス基板１のフィン５を取り付けた流体加熱面と反対側の表面（形状Ａでは露出したセラミックス面、形状Ｂでは絶縁層）を、セラミックス繊維又は樹脂の断熱材８で覆った。このときの樹脂としては、耐熱性のあるＡＢＳ樹脂を使用した。尚、図４において、アルミニウム製の６は壁であり、７は天井である。
【００４５】
その後、フィンを配置した水路内に水が流れるようにホースを接続し、これらのヒータを温水洗浄便座に取り付け、実施例１と同様の条件でヒータの消費電力及び立ち上がり時間を測定し、その結果をセラミックス基板の組成ごとに下記表４〜８に示した。
【００４６】
【表４】
【００４７】
【表５】
【００４８】
【表６】
【００４９】
【表７】
【００５０】
【表８】
【００５１】
以上の結果から、セラミックス基板の流体加熱面と反対側の表面に断熱材を設けることによって、ヒータの立ち上がり時間を一層短縮できると共に、消費電力も低減することができ、ヒータの熱効率が向上していることが分かる。
【００５２】
比較例１
実施例１と同様にして、アルミニウム製のフィンを取り付けたヒータをそれぞれ作製した。ただし、セラミックス基板上の発熱体を覆うように設けた絶縁層の上にフィンを取り付け、この表面を流体加熱面とした。得られた各ヒータについて、実施例１と同様の評価を行い、その結果を下記表９に示した。
【００５３】
【表９】
【００５４】
以上の結果から、熱伝導率の高いセラミックス基板のヒータほど、実施例１に比べて立ち上がり時間及び消費電力が共に低下していることが分かる。これは発熱体から絶縁層表面までの熱抵抗が、発熱体からセラミックス基板の反対側の表面までの熱抵抗に比較して大きいためであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による流体加熱用ヒータの一具体例を示す概略の断面図である。
【図２】本発明の流体加熱用ヒータにおいて、発熱体を形成したセラミックス基板の一具体例を示す概略の平面図である。
【図３】本発明の流体加熱用ヒータにおいて、流体加熱面にフィンを配置した水路を設けたセラミックス基板の一具体例を示す概略の平面図である。
【図４】本発明の流体加熱用ヒータにおいて、流体加熱面にフィンを配置した水路を設けると共に、反対側に断熱材を配置したセラミックス基板の一具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ セラミックス基板
１ａ 流体加熱面
２ 発熱体
３ 電極
４ 絶縁層
５ フィン
８ 断熱材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体加熱用のヒータに関し、特に温水洗浄便座の洗浄用温水を湯沸かしするのに適した流体加熱用ヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、温水洗浄便座は、便座の後方下に設けた所定のノズルから温水を噴射し、その温水で人体の局部を洗浄するものである。また、洗浄に対する快適性を高めるために、従来から所定の温度に加熱された温水が使用されている。
【０００３】
しかし、従来の温水洗浄便座では、洗浄時に速やかに温水を使用できるようにするため、予め水を貯水タンクに溜めた後、シーズヒータ等で所定の温度に加熱して、保温する手法が取られている。このため、使用しない間も貯水タンクの水を保温し続けなければならず、ヒータの消費電力が非常に大きくなってしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、上記の問題を解決するために、最近では洗浄時にのみ水を加熱し、ノズルから噴射する方法が取られている。例えば、特開平１１−４３９７８号公報には、水の加熱用に平板状のセラミックス基板に発熱体を設けたセラミックスヒータを用い、このセラミックスヒータの表面に複数の櫛状リブで蛇行水路を形成した流体加熱用ヒータを備えた温水洗浄便座が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−４３９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、最近の温水洗浄便座に使用される流体加熱用ヒータは、平板状のセラミックス基板に発熱体を設けたヒータを用いて洗浄時に湯沸しするため、従来の貯水タンクで温水を保温するタイプのものに比べて保温のための電力が不要になり、消費電力を大幅に削減することができる。
【０００６】
しかしながら、このような温水洗浄便座用のセラミックスヒータ、例えば上記特開平１１−４３９７８号公報に記載されるようなセラミックスヒータにおいても、必ずしも熱効率が十分に高いとは言えず、また消費電力も比較的大きいという問題があった。また、必要な温度の温水を速やかに供給するため立ち上がり時間を短くしようとすると、熱衝撃でセラミックスヒータが破損しやすいなどの問題もあった。
【０００７】
本発明は、このような現状に鑑み、ヒータから流体への熱伝達効率を向上させることでヒータ自身の小型化を図ると共に、必要な温度の温水が供給されるまでの立ち上がり時間が短く、消費電力の少ない流体加熱用ヒータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明が提供する流体加熱用ヒータは、流体を加熱するためのヒータであって、平板状のセラミックス基板と、該セラミックス基板の一表面上に形成した発熱体とを備え、該セラミックス基板の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ該発熱体を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴とする。好ましくは、前記セラミックス基板が窒化アルミニウムであることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明が提供する他の流体加熱用ヒータは、流体を加熱するためのヒータであって、平板状のセラミックス基板と、該セラミックス基板の一表面上に形成した発熱体とを備え、該セラミックス基板が窒化珪素であり、且つ該発熱体を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
これらの本発明の流体加熱用ヒータにおいては、前記セラミックス基板の発熱体が露出していない表面を、流体と接する流体加熱面とすることを特徴とする。また、前記セラミックス基板の流体加熱面に、流体との接触面積を増やすための金属部材が固着されていることが好ましく、その金属部材が銅又はアルミニウムからなることが好ましい。更に、前記金属部材が多数のフィンであることが特に好ましい。
【００１１】
また、上記本発明の流体加熱用ヒータにおいては、セラミックス基板の流体加熱面に、交互に折れ曲って蛇行した水路を形成し、該水路内に多数のフィンが配置されていることを特徴とする。また、前記セラミックス基板の少なくとも流体加熱面以外の表面を覆うように、断熱材が取り付けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ヒータから流体への熱伝達効率を向上させることで、必要な温度の温水が供給されるまでの立ち上がり時間が短く、消費電力が少ないうえ、ヒータ自身の小型化を図ることができ、特に温水洗浄便座の湯沸し用ヒータとして好適な流体加熱用ヒータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の流体加熱用ヒータは、その一形態として、平板状のセラミックス基板の一表面上に発熱体を形成した構造を有し、そのセラミックス基板として熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるセラミックスを用いる。熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板を用いることにより、基板の温度上昇が早くなり、流体への熱伝達効率を高めることができる。
【００１４】
例えば、温水洗浄便座用ヒータでは、加熱前の水温は最も冷たい場合で０℃且つ加熱後の水温は４０℃程度となるが、このように瞬間的に水を加熱する場合、熱伝導率が低いセラミックス基板では発熱体で発生したジュール熱の基板内への拡散が難しい。このため基板の温度上昇速度が遅く、素早く水を加熱することができず、更に基板内に温度ムラが発生し、水の温度をムラなく均一にするために時間がかかる。
【００１５】
本発明では、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板を用いることによって、セラミックス基板内の温度をできるだけ均一にし、発熱体で発生した熱を素早く基板表面に伝えることができるため、水をムラなく均一に且つ効率よく、素早く加熱することができる。また、ヒータを瞬間的に温度上昇させると大きな熱衝撃が発生して、セラミックス基板自身が破損しやすいが、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板を用いることで破損を防止することが可能である。
【００１６】
このように熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板としては、具体的には、窒化アルミニウムや炭化ケイ素などがある。中でも窒化アルミニウムは、製法を工夫すれば容易に１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を得ることができ、基板内の温度分布をより均一にできるため特に好ましい。
【００１７】
本発明の流体加熱用ヒータにおける他の形態は、平板状のセラミックス基板の一表面上に発熱体を形成した構造を有し、そのセラミックス基板が窒化珪素である。窒化珪素に関しては、一般に熱伝導率は窒化アルミニウムよりも劣るものの、セラミックス自身の強度が高く、熱衝撃等の外部応力に対して非常に強いために好ましい。
【００１８】
また、本発明の流体加熱用ヒータにおいては、図１に示すように、セラミックス基板１の一表面上に発熱体２及び通電用の電極３が形成され、このセラミックス基板１の発熱体２が露出していない表面を流体と接する流体加熱面１ａとする。即ち、セラミックス基板１の流体加熱面１ａに流体を供給し、流体が流体加熱面１ａと接触している間に、発熱体２の熱を流体加熱面１ａから流体に伝えて加熱するのである。
【００１９】
発熱体２上には、絶縁を確保するための絶縁層４を形成する。一般に絶縁層４の熱伝導率はセラミックス基板１に比較して低く、発熱体２で発生した熱はセラミックス基板１の方に伝わり易く熱抵抗も小さくなるため、絶縁層４を流体加熱面とすることは好ましくない。特にセラミックス基板の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の場合には、絶縁層を形成していない側のセラミックス基板表面を流体加熱面とする。
【００２０】
更に、セラミックスヒータの熱を流体に一層効率的に伝達するため、セラミックス基板の流体加熱面に、流体との接触面積を増やすため金属部材を固着して、流体への伝熱面積を増大させることができる。かかる金属部材の形状は特に限定されるものではないが、表面積の大きなものが望ましく、一般的に放熱用に用いられるようなフィン形状が好ましい。このようにフィン形状等の表面積の大きい金属部材を設けることで、ヒータの熱が多数のフィン等に伝えられるので、伝熱面積を大幅に増加させ、更に効率的に水を加熱することができる。
【００２１】
また、セラミックス基板の流体加熱面に、金属や樹脂からなる壁で交互に折れ曲って蛇行するジグザグな長い水路を形成し、この水路内に多数のフィンを配置することによって、ヒータを３次元的に構成できると共に、伝熱面積を更に飛躍的に増大させることができ、ヒータ全体を小型化できるというメリットがある。尚、これらの金属部材あるいはフィン等は、セラミックス基板の両表面が流体加熱面である場合には、その両表面に形成することも可能である。
【００２２】
上記したフィンその他の金属部材としては、アルミニウム又は銅が好ましい。アルルニウムは熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高く、また金属自身が柔らかいために加工し易いというメリットがある。更にアルミニウムは比重も小さいために、ヒータユニット全体を軽量化できるメリットがある。また、銅は熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、伝熱効率を非常に高くすることができるので好ましい。
【００２３】
セラミックス基板上に上記金属部材を固着させる方法としては、公知の手法が利用できる。例えば、金属部材が銅の場合には、活性金属ロウによって接合することができ、またセラミックス基板上にＷ等のメタライズを施し、更にその上にＮｉ−Ｐメッキを形成し、このＮｉ−Ｐメッキを用いて銅の金属部材を接合することも可能である。また、アルミニウムの金属部材に関しては、アルミニウムより融点の低いアルミニウムロウを用いて接合することができる。
【００２４】
以上のように、フィン等の金属部材を設けた本発明の流体加熱用ヒータでは、伝熱面積が従来に比較して飛躍的に増加するために、流体への熱伝達効率が大幅に向上し、金属部材を含めたヒータユニット全体を従来に比べて小さくしても、従来と同様の温水を得ることが可能になる。即ち、従来のヒータでは流体への伝熱が平板状のセラミックス基板上のみで行われていたが、本発明では上記のごとく表面積の大きなフィン等の金属部材からも流体への熱伝達が行われるために、従来よりもヒータ及びヒータユニットを小さくしても、従来と同等又はそれ以上の伝熱面積が得られるからである。
【００２５】
具体的には、金属部材の形状にもよるが、多数のフィンを設置した場合には、概ねヒータ全体の大きさを半分程度にしても、温水を得る特性に影響はない。このように小型化するメリットとしては、ヒータそのもののコストを低下させることができると共に、ヒータ及びヒータユニットの熱容量を低下させることができるため、消費電力の低減、及び必要な温度の温水が供給されるまでの時間（ヒータの立ち上がり時間）の短縮を図ることができる。従って、本発明の流体加熱用ヒータは、温水洗浄便座の湯沸し用ヒータとして好適である。
【００２６】
また、本発明の流体加熱用ヒータに関しては、周囲への熱放散量を小さくすることで消費電力を低減し、より急速にヒータま温度を上昇させるために、少なくとも流体加熱面以外の表面を覆うように、断熱材を取り付けることができる。具体的には、セラミックス基板の流体加熱面以外の表面を包み込むように、セラミックス繊維や樹脂等の熱伝導率の低い断熱材を取り付けることができる。発熱体を被覆するガラス等の絶縁層も断熱効果を有するが、この絶縁層の上を更にセラミックス繊維や樹脂等の断熱材で覆うことによって、熱効率をより一層向上させることもできる。
【００２７】
次に、本発明の流体加熱用ヒータの製造方法について一例を述べる。まず、セラミックス基板として窒化アルミニウム又は窒化珪素を用意する。これらのセラミックス基板の製造方法については公知の方法が利用できる。例えば、原料粉末に所定量の焼結助剤を加え、更にバインダーや有機溶剤を加えてボールミル等で混合する。得られたスラリーをドクターブレード法等の手法でシート成形し、所定の寸法に切断した後、窒素中又は大気中で脱脂処理を行い、非酸化性雰囲気中で焼結することによってセラミックス基板が得られる。尚、成形方法に関してはプレス成形や押し出し成形等も利用できる。
【００２８】
次に、得られたセラミックス基板に発熱体を形成する。発熱体の材料としてはＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ等が好ましく用いられるが、これらに限定されるものではない。これらの発熱体はセラミックス基板上にスクリーン印刷等の手法によってパターン形成された後、所定の雰囲気中にて基板上に焼き付けられる。また、上記発熱体のうちＷやＭｏに関しては、セラミックス基板との同時焼成によって形成することも可能である。
【００２９】
また、この発熱体上には、絶縁を確保するための絶縁層を形成する。絶縁層の材質としては、特に制約は無いが、一般的にはガラス質の絶縁層が使用される。具体的には、ガラス粉末にバインダーと溶剤を加えてペースト状にし、このガラスペーストをスクリーン印刷により所定の形状に形成した後、焼成することにより絶縁層が得られる。更に、セラミックス基板の絶縁層と反対側の流体加熱面に、前記のようにフィン等の金属部材を取り付けることも可能である。
【実施例】
【００３０】
実施例１
以下の手順により、下記表１に示す各セラミックスを主成分とする組成１〜５の各セラミックス基板を作製した。まず、各セラミックス原料粉末に下記表１に示す割合で焼結助剤を添加し、更に有機溶剤とバインダーを加え、ボールミルにより２４時間混合してスラリーを作製した。このスラリーをドクターブレード法にて所定の厚みになるようにシート成形を行った。
【００３１】
次に、得られた各シートを焼結後の寸法が５０ｍｍ角になるように切断し、窒素中にて８００℃で脱脂処理を行った後、下記表１に示す温度で窒素中にて焼結した。得られた各焼結体を厚さ０.６３５ｍｍになるように研磨加工して、セラミックス基板とした。また、これらのセラミックス基板について、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定し、その結果を下記表１に併せて示した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
上記表１の各セラミックス基板の表面上に、発熱体としてＡｇ−Ｐｄペーストを、また電極として発熱体よりもシート抵抗値の低いＡｇペーストを、それぞれスクリーン印刷で塗布した。発熱体の形状は、図２に示すように、セラミックス基板１の表面の両端隅にそれぞれ電極３を設け、両方の電極３の間を平行な２本の発熱体２がセラミックス基板１の両端付近で１８０°折れ曲がりながら蛇行してジグザグに延長した形状とした。
【００３４】
続いて、上記ペーストを大気中にて８８０℃で焼成して焼付け、各セラミックス基板１上に発熱体２と電極３を形成した。その後、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯを主成分とするガラスペーストを発熱体２上にスクリーン印刷にて塗布し、大気中にて７００℃で焼き付け、絶縁層４を形成した。
【００３５】
次に、絶縁層４と反対側のセラミックス基板１の表面（流体加熱面）上に、樹脂製の壁と天井で水の流路を形成し、これらを温水洗浄便座のヒータとして取り付け、ヒータの消費電力及び立ち上がり時間を測定し、その評価を行った。尚、測定条件としては、温水放出時間を３０秒及び放出量は１８０ｇとした。また、加熱前の水温は２０℃、加熱後の水温は３７℃になるように設定した。立ち上がり時間の測定は、温水の放出開始から水温が３５℃に到達するまでの時間を測定した。これらの結果を、下記表２に示した。
【００３６】
【表２】
【００３７】
以上の結果から、熱伝導率が高いセラミックス基板、即ちＡｌＮ及びＳｉＣを主成分とするセラミックス基板を使用したヒータは、他のヒータに比べて立ち上がり時間が極めて短くなり、消費電力も低減できることが分かる。
【００３８】
実施例２
実施例１と同じ上記組成１〜５を有するシート状の各セラミックス成形体に対して、スクリーン印刷を用いてＷペーストの発熱体と電極を図２の形状に塗布した。更に、発熱体を形成していない表面に対しても全面にＷペーストをスクリーン印刷した後、これを実施例１と同様の条件で同時焼結した。得られた各セラミックス基板のＷ発熱体上に、実施例１と同じガラスペーストをスクリーン印刷により塗布した後、Ｗ発熱体が酸化しないように窒素中で焼き付けて絶縁層を形成した。
【００３９】
次に、上記の各セラミックス基板の電極と、Ｗ発熱体の反対側の流体加熱面全面にＮｉ−Ｐメッキを厚み２μｍに形成した。この流体加熱面のメッキ面に対して、図３に示すように、アルミニウム製の壁６と天井（図示せず）で交互に１８０°折れ曲って蛇行したジグザグな水路を形成すると共に、その水路内に複数の銅製のフィンを配置し、窒素中にて９００℃で接合した。
【００４０】
その後、銅製のフィンを配置した水路内に水が流れるようにホースを接続し、これらを温水洗浄便座のヒータとして取り付け、実施例１と同様の条件でヒータの消費電力及び立ち上がり時間を測定し、その結果を下記表３に示した。この結果から、銅製のフィンを取り付けた場合、実施例１に比較して、消費電力は若干増加するものの、ヒータの立ち上がり時間は短縮されたことが分かる。
【００４１】
【表３】
【００４２】
実施例３
実施例１で使用したものと同じ組成で且つ焼結後の厚みが０.３１８ｍｍになるようにシートを成形し、内部にＷの発熱体を内蔵するセラミックスヒータを作製した。このヒータ形状を形状Ａとする。一方、実施例１で使用した片方の表面にガラスの絶縁層を有するセラミックスヒータも同時に用意した。このヒータ形状を形状Ｂとする。
【００４３】
次に、これら形状Ａ及びＢの各セラミックスヒータの流体加熱面に、実施例２と同様にして、図３に示すようにジグザグな水路を形成すると共に、水路内に複数のアルミニウム製のフィン５を取り付けた。尚、発熱体を内蔵する形状Ａのヒータでは、露出している両方のセラミックス基板表面のうち片方のみを流体加熱面とし、この表面にのみ水路とフィンを取り付けた。
【００４４】
更に、図４に示すように、セラミックス基板１のフィン５を取り付けた流体加熱面と反対側の表面（形状Ａでは露出したセラミックス面、形状Ｂでは絶縁層）を、セラミックス繊維又は樹脂の断熱材８で覆った。このときの樹脂としては、耐熱性のあるＡＢＳ樹脂を使用した。尚、図４において、アルミニウム製の６は壁であり、７は天井である。
【００４５】
その後、フィンを配置した水路内に水が流れるようにホースを接続し、これらのヒータを温水洗浄便座に取り付け、実施例１と同様の条件でヒータの消費電力及び立ち上がり時間を測定し、その結果をセラミックス基板の組成ごとに下記表４〜８に示した。
【００４６】
【表４】
【００４７】
【表５】
【００４８】
【表６】
【００４９】
【表７】
【００５０】
【表８】
【００５１】
以上の結果から、セラミックス基板の流体加熱面と反対側の表面に断熱材を設けることによって、ヒータの立ち上がり時間を一層短縮できると共に、消費電力も低減することができ、ヒータの熱効率が向上していることが分かる。
【００５２】
比較例１
実施例１と同様にして、アルミニウム製のフィンを取り付けたヒータをそれぞれ作製した。ただし、セラミックス基板上の発熱体を覆うように設けた絶縁層の上にフィンを取り付け、この表面を流体加熱面とした。得られた各ヒータについて、実施例１と同様の評価を行い、その結果を下記表９に示した。
【００５３】
【表９】
【００５４】
以上の結果から、熱伝導率の高いセラミックス基板のヒータほど、実施例１に比べて立ち上がり時間及び消費電力が共に低下していることが分かる。これは発熱体から絶縁層表面までの熱抵抗が、発熱体からセラミックス基板の反対側の表面までの熱抵抗に比較して大きいためであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による流体加熱用ヒータの一具体例を示す概略の断面図である。
【図２】本発明の流体加熱用ヒータにおいて、発熱体を形成したセラミックス基板の一具体例を示す概略の平面図である。
【図３】本発明の流体加熱用ヒータにおいて、流体加熱面にフィンを配置した水路を設けたセラミックス基板の一具体例を示す概略の平面図である。
【図４】本発明の流体加熱用ヒータにおいて、流体加熱面にフィンを配置した水路を設けると共に、反対側に断熱材を配置したセラミックス基板の一具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ セラミックス基板
１ａ 流体加熱面
２ 発熱体
３ 電極
４ 絶縁層
５ フィン
８ 断熱材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を加熱するためのヒータであって、平板状のセラミックス基板と、該セラミックス基板の一表面上に形成した発熱体とを備え、該セラミックス基板の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ該発熱体を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴とする流体加熱用ヒータ。
【請求項２】
前記セラミックス基板が窒化アルミニウムであることを特徴とする、請求項１に記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項３】
流体を加熱するためのヒータであって、平板状のセラミックス基板と、該セラミックス基板の一表面上に形成した発熱体とを備え、該セラミックス基板が窒化珪素であり、且つ該発熱体を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴とする流体加熱用ヒータ。
【請求項４】
前記セラミックス基板の発熱体が露出していない表面を、流体と接する流体加熱面とすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項５】
前記セラミックス基板の流体加熱面に、流体との接触面積を増やすための金属部材が固着されていることを特徴とする、請求項４に記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項６】
前記金属部材が銅又はアルミニウムからなることを特徴とする、請求項５に記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項７】
前記金属部材が多数のフィンであることを特徴とする、請求項５又は６に記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項８】
前記セラミックス基板の流体加熱面に、交互に折れ曲って蛇行した水路を形成し、該水路内に多数のフィンが配置されていることを特徴とする、請求項４〜７のいずれかに記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項９】
前記セラミックス基板の少なくとも流体加熱面以外の表面を覆うように、断熱材が取り付けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項１０】
温水洗浄便座の湯沸し用ヒータであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項１】
流体を加熱するためのヒータであって、平板状のセラミックス基板と、該セラミックス基板の一表面上に形成した発熱体とを備え、該セラミックス基板の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ該発熱体を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴とする流体加熱用ヒータ。
【請求項２】
前記セラミックス基板が窒化アルミニウムであることを特徴とする、請求項１に記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項３】
流体を加熱するためのヒータであって、平板状のセラミックス基板と、該セラミックス基板の一表面上に形成した発熱体とを備え、該セラミックス基板が窒化珪素であり、且つ該発熱体を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴とする流体加熱用ヒータ。
【請求項４】
前記セラミックス基板の発熱体が露出していない表面を、流体と接する流体加熱面とすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項５】
前記セラミックス基板の流体加熱面に、流体との接触面積を増やすための金属部材が固着されていることを特徴とする、請求項４に記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項６】
前記金属部材が銅又はアルミニウムからなることを特徴とする、請求項５に記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項７】
前記金属部材が多数のフィンであることを特徴とする、請求項５又は６に記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項８】
前記セラミックス基板の流体加熱面に、交互に折れ曲って蛇行した水路を形成し、該水路内に多数のフィンが配置されていることを特徴とする、請求項４〜７のいずれかに記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項９】
前記セラミックス基板の少なくとも流体加熱面以外の表面を覆うように、断熱材が取り付けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の流体加熱用ヒータ。
【請求項１０】
温水洗浄便座の湯沸し用ヒータであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の流体加熱用ヒータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１４７５８９（Ｐ２００６−１４７５８９Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５６８４０（Ｐ２００５−３５６８４０）
【出願日】平成１７年１２月９日（２００５．１２．９）
【分割の表示】特願２０００−３３８７１６（Ｐ２０００−３３８７１６）の分割
【原出願日】平成１２年１１月７日（２０００．１１．７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月９日（２００５．１２．９）
【分割の表示】特願２０００−３３８７１６（Ｐ２０００−３３８７１６）の分割
【原出願日】平成１２年１１月７日（２０００．１１．７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]