JP3748340B2

JP3748340B2 - Fluid heating device

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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fluid heating device, and more particularly to a fluid heating device using a ceramic heater.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, fluid heating devices have been used in the fields of water heaters, circulating water heaters, and the like. As shown in FIG. 4, two

metal heaters

16 and 17 each having a metal pipe 19 for allowing fluid to pass therethrough, and both metal heaters 17 are in contact with each other between the two

metal heaters

16 and 17. The fluid heater is provided with a ceramic heater 18 for heating the two

metal heaters

16, 17. Aluminum is used as the material of the two metal heaters 17 to improve the thermal efficiency. It had been.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, there has been a demand for space saving of the fluid heating device or raising the temperature of the fluid. However, in the conventional fluid heating apparatus, the thermal deformation due to creep of aluminum used as the metal heater 17 proceeds more rapidly than 200 ° C., so that the ceramic heater 18 is cracked or disconnected, and the heat conduction to the metal heater 17. There was a problem that the heat efficiency was lowered and the heat efficiency was lowered.
[0004]
For this reason, when the power density of the ceramic heater 18 is increased to reduce the size of the fluid heating device or to increase the temperature of the fluid, there is a problem that aluminum is deformed. Therefore, the power density of the ceramic heater 18 could only be used up to 35 W / cm ² .
[0005]
Further, when the

metal heaters

16 and 17 are made of other metals, there is a problem that the thermal conductivity is deteriorated.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies by the present inventors, the power density of the ceramic heater can be obtained by making the material of the metal heater of the fluid heating device a material having a high creep resistance of 20 kgf / mm ² at 300 ° C. or higher. It was found that the size of the metal heater can be reduced to half that of the conventional one, and the decrease in efficiency can be covered by increasing the power density. It is also possible to increase the power density of the ceramic heater and increase the temperature of the fluid without changing the dimensions.
[0007]
The creep rupture strength is obtained by quantifying the fact that a metal is deformed by being placed under a certain pressure (creep) for a certain time at a certain temperature, based on the minimum pressure at which the metal is deformed. In the present invention, the creep rupture strength is defined as a pressure that deforms 0.1 mm or more when a certain pressure is applied at 300 ° C. for 1000 hours.
[0008]
Moreover, it becomes possible to improve thermal efficiency by making the thickness of the metal heater in contact with the metal tube 10 mm or less. Furthermore, by increasing the heat resistance of the metal heater, the power density of the ceramic heater can be increased to 35 W / cm ² or more. Moreover, by making the surface roughness of the inside of the metal tube 20S or less, it is possible to suppress adhesion and to suppress a decrease in thermal efficiency.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The embodiment of the present invention has been described with reference to the drawings.
[0010]
As shown in FIG. 1, the fluid heating apparatus 1 is an apparatus for adjusting the hot water temperature by sucking and heating the hot water in the bathtub 2 and then returning it to the bathtub 2. In the fluid heating device 1, a circulation pump 5, a filter 6, a natural stone chamber 8, a pressure regulating chamber 9, and a heating device 12 as an embodiment of the present invention are connected in this order from the upstream side. .
[0011]
The circulation pump 5 is a device for sucking hot water in the bathtub 2 into the fluid heating device 1, and is connected to a hose 4 extending from the bathtub 2 side. The other end of the hose 4 is disposed in the bathtub 2 and a hair catch filter 3 is attached. The filter 6 is configured to be vertically long, and a communication pipe 5a from the circulation pump 5 is connected to the upper part of the filter 6. The communication pipe 5 a has a water level sensor 7 in the vicinity of the connection portion between the filter and the filter 6. The natural stone chamber 8 is configured in a vertically long shape similar to that of the filter 6, and is disposed in parallel with the filter 6. The natural stone chamber 8 is connected to the lower part of a connecting pipe 6a extending from the lower part of the filter 6 and filled with mineral ore. The pressure regulating chamber 9 is connected to the upper portion of the natural stone chamber 8 at the inlet side, and includes an automatic air relief valve 10 at the upper portion and a temperature sensor 11 at the lower portion. The temperature sensor 11 is for measuring the hot water temperature in the pressure regulating chamber 9 and sending the signal to a voltage applying device (not shown) described later.
[0012]
The outlet side of the pressure regulating chamber 9 is connected to the heating device 12 through a hose 13a. A hose 13 b is connected to the outlet side of the heating device 12. The tip of the hose 13 b extends into the bathtub 2 and is connected to the jet nozzle 14. With reference to FIGS. 2 to 5, the heating device 12 will be described in detail. In the figure, the case and glass wool as a heat insulating material are removed.
[0013]
The heating device 12 mainly includes a first metal heater 16, a second metal heater 17, and a ceramic heater 18 disposed between the two

metal heaters

16 and 17. Both

metal heaters

16 and 17 are made of a rectangular parallelepiped aluminum having a flat pressure contact surface, and a metal tube 19 made of titanium or stainless steel is inserted and fixed in the center by a casting method. One end of the hose 13 a is connected to the right end of the metal tube 19 of the first metal heater 16, and one end of the right end hose 13 b of the metal tube 19 of the second metal heater 17 is connected. Thereby, the hot water sent from the hose 13a flows to the hose 13b through the metal pipe 19 in the first metal heater.
[0014]
Both

metal heaters

16 and 17 have

pedestals

16a and 17a (FIG. 5) that protrude from each other on four sides and are close to each other. By attaching a fixture 20 made of a stainless steel spring member to the

pedestals

16a and 17a, the pressure contact surfaces of the first metal heater 16 and the second metal heater 17 sandwich the ceramic heater 18. Yes.
[0015]

Square portions

16 b and 17 b are formed at substantially the center of the first metal heater 16 and the second metal heater 17.

Circular recesses

16c and 17c for attaching a thermostat are formed on the side surfaces of the

square portions

16b and 17b, respectively. In this embodiment, the thermostat 21 is fixed to the rectangular portion 16 b of the first metal heater 16.
[0016]

Square flanges

16 d and 17 d are provided at both ends of the first metal heater 16 and the second metal heater 17. A plurality of

screw holes

16e and 17e are formed on the side surfaces of the

flanges

16d and 17d (in the direction perpendicular to the plane of FIG. 3), and the heating device 12 can be fixed to other members by the screw holes 16e and 17e. . A first aluminum block 22 is fixed to the left end of the metal tube 19 of the first metal heater 16, and a second aluminum block 23 is fixed to the right end of the metal tube 19 of the second metal heater 17. Both aluminum blocks 22 and 23 are in contact with both ends of the ceramic heater 18.
[0017]
The ceramic heater 18 is a plate-like member made of alumina, mullite, or silicon nitride, and as shown in FIGS. 4 and 5, both main surfaces face the pressure contact surfaces of the first metal heater 16 and the second metal heater 17. In contact. The pressure contact surfaces of the ceramic heater 18 and the

heaters

16 and 17 are in close contact with each other because the contact surfaces of both are finished flat.
[0018]
As shown in FIG. 6, one continuous heating resistor pattern 25 is embedded in the ceramic heater 18 in a refractive state. The heating resistor pattern 25 is made of, for example, tungsten, molybdenum, manganese, rhenium, titanium nitride, or titanium oxide. Both ends of the heating resistor pattern 25 are fixed to the

heater lead wires

26 and 27 with a brazing material. This solder may be either gold-copper solder / silver-copper solder / silver solder. An aluminum block 23 is in contact with the back surface of the brazing material fixing portion. The

heater lead wires

26 and 27 are connected to a voltage application device (not shown).
[0019]
Next, the operation of the fluid heating apparatus 1 will be described. When a switch (not shown) is turned on, the circulation pump 5 is activated and hot water is sucked into the fluid heating device 1 from the bathtub 2 through the hose 4. Hot water sucked into the fluid heating device 1 is sent from the circulation pump 5 to the filter 6 to filter floating matters such as dust. Subsequently, the filtered hot water is sent to the natural stone chamber 8 where impurities and the like are removed by the mineral ore and cleaned. The purified hot water is sent to the pressure regulating chamber 9. In the pressure regulating chamber 9, the pressure is adjusted by the automatic air relief valve 10. Further, in the pressure regulating chamber 9, the temperature of the circulating hot water is measured by the temperature sensor 11, and the signal is sent to a voltage application device (not shown). The voltage application device adjusts the voltage applied to the ceramic heater 18 based on information from the temperature sensor 11. Thereby, in the heating device 12, the ceramic heater 18 generates heat, and the first metal heater 16 and the second metal heater 17 are heated.
[0020]
Hot water from the pressure adjusting chamber is sent to the heating device 12 through the hose 13a, passes through the metal tube 19 in the first metal heater 16, and further passes through the metal tube 19 in the second metal heater 17. When heated. The heated hot water is sent to the jet nozzle 14 via the hose 13b and returned to the bathtub 2. Here, the circulating hot water is not in direct contact with the ceramic heater 18 and does not adhere to the ceramic heater 18 as in the conventional example, and the heating efficiency of the ceramic heater 18 is maintained well for a long time.
[0021]
Moreover, since both surfaces of the ceramic heater 18 are structured to heat both the first metal heater 16 and the second metal heater 17, the heat of the ceramic heater 18 is effectively used, and the heating efficiency is improved. . In addition, according to the above-mentioned Example, the following effects can be further expected.
[0022]
(A) For example, even when hot water is not supplied into the heating device 12 due to a failure of the circulation pump 5, voltage application to the ceramic heater 18 is stopped based on the thermostat 21 attached to the first metal heater 16. Therefore, empty cooking of the heating device 12 is prevented.
[0023]
(B) If a thermal shock is applied to the heating device 12 (for example, cold water passes through the heated first metal heater 16 and the second metal heater 17 and both

metal heaters

16 and 17 are rapidly cooled. Even in such a case, both the

metal heaters

16, 17 having different thermal expansion characteristics and the ceramic heater 18 are merely pressed and not fixed, so that the ceramic heater 18 is hardly damaged.
[0024]
(C) Since the aluminum block 23 is in contact with the back surface of the brazing material fixing portion of the ceramic heater 18, the heat of the brazing material fixing portion is well transmitted to the aluminum block 23, and the temperature of the brazing material fixing portion is lowered. To do. For this reason, it becomes difficult to receive oxidative corrosion, and the

heater lead wires

16 and 17 are hard to come off from the ceramic heater 18.
[0025]
(D) The heating device 12 is easy to assemble and disassemble. That is, assembly and disassembly can be easily performed by attaching and detaching the fixing tool 20. As a result, maintenance work when a failure occurs in the ceramic heater is easy.
[0026]
In the present invention, a material having a creep rupture strength of 20 kg / mm ² or more at 300 ° C. is used as the material of the

metal heaters

16 and 17. The creep rupture strength at 300 ° C. means the maximum stress at which no tensile failure occurs when a tensile stress is applied to a cylindrical metal sample with a diameter of 5 mm for 1000 hours in an environment of 300 ° C.
[0027]
Since the creep rupture strength of aluminum at 200 ° C. is 20 kgf / mm ² , and rapidly weakens at 200 ° C. or higher, the present invention has a strength of 20 kgf / mm ² or higher at 300 ° C., such as duralumin, 8/2 brass. We have found that titanium and stainless steel are good for fluid heating devices. In contrast, aluminum, 9/1 brass, and titanium alloy having a creep rupture strength at 300 ° C. of 20 kgf / cm ² or less cause problems such as a decrease in thermal efficiency of the metal heater and heater cracking. Here, 9/1 brass and 8/2 brass indicate that the weight ratios of Cu and Zn are 9: 1 and 8: 2 alloys, respectively. Further, the titanium alloy is specifically an alloy made of 96.45Ti-5Al-2.55N.
[0028]
Further, when the thickness b between the surface of the

metal heaters

16 and 17 in contact with the ceramic heater 18 and the metal tube 19 is 10 mm or less, there is no particular problem even if a metal having low thermal conductivity is used. When the thickness b is larger than 10 mm, heat conduction from the ceramic heater 18 to the metal tube 19 is deteriorated, and the heating efficiency of the fluid is lowered.
[0029]
The power density of the ceramic heater is desirably 35 W / cm ² or more in view of the relationship with the deformation of the

metal heaters

16 and 17. Moreover, adhesion can be prevented by making the surface roughness of the inner surface of the metal tube 19 20 S or less, and a reduction in thermal efficiency can be prevented. If scale or the like adheres to the inner surface of the metal tube 19, heat conduction from the metal tube 19 to the fluid is hindered, so that the heating efficiency of the fluid decreases.
[0030]
【Example】
Example 1
In this example, aluminum was used as a conventional example (No. 1), and

metal heaters

16 and 17 of various materials having different creep rupture strengths were prepared. As a test method, as shown in FIGS. 2 to 5, a hot water heater in which a ceramic heater 18 is sandwiched between

metal heaters

16 and 17 is prepared, and 20 liters / minute of water is allowed to flow through a metal tube 19. A voltage was applied so that the temperature of the ceramic heater 18 was 300 ° C., and the displacement and the change in efficiency before and after the test for 1000 hours were compared. The displacement was evaluated as NG when the displacement was 0.1 mm or more, and NG when the efficiency was 1% or more.
[0031]
The heating efficiency was obtained by insulating the circulating water as a closed system, converting the amount of heat absorbed by the water from the product of the temperature rise and the amount of water, and dividing this amount of heat by the amount of heat applied to the ceramic heater 18. The change in efficiency in the table shows the increase or decrease in efficiency before and after the test.
[0032]
[Table 1]

[0033]
As a result, in Tests 1 to 3 using aluminum and a material having a strength of 18, 19 kgf / mm 2 at 300 ° C., both the appearance and the efficiency changed and the result was unsuitable. On the other hand, the duralumin, 8/2 brass, titanium, stainless steel, etc. whose creep rupture strength at 300 ° C. shown in Tests 4 to 7 is 20 kgf / mm ² or more within the scope of the claims of the present invention appear at 300 ° C. As a result, the efficiency was not changed and the durability was good.
[0034]
Example 2
The test samples were prepared as

conventional metal heaters

16 and 17 with 75 mm and 150 mm

length metal heaters

16 and 17 made of conventional aluminum and stainless steel, 8/2 brass, 9/1 brass, titanium and titanium alloy. The electric power density applied to the ceramic heater 18 was varied, and the operation was continued for 1000 hours while flowing water into the metal tube 19. The configuration of the hot water heater other than the length a of the

metal heaters

16 and 17 is the same as that of the first embodiment.
[0035]
Regarding the power density applied to the ceramic heater 18 and the amount of water flowing in the metal tube 19, when the

metal heaters

16 and 17 have a length a of 75 mm, the power density is 40 W / cm ² and the water temperature is 40 ° C. adjusted to, for those length a of the

metal heater

16 and 17 is 150mm, the power density water temperature of 70 W / cm ² or 80W / cm ² was adjusted to 70 ° C.. The length a of the

metal heaters

16 and 17 in

tests

2, 5, 8, 10, and 13 was 75 mm. The other sample was 150 mm.
[0036]
About each test article, the water temperature after 1000 hours continuous operation with respect to the electric power applied to the ceramic heater 18 was shown in the temperature column. In addition, for the case where a change occurred during the test, an abnormality was indicated in the temperature column.
[0037]
The results are shown in Table 2.
[0038]
[Table 2]

[0039]
First, with respect to a test product in which the length a of the

metal heaters

16 and 17 was 75 mm, a heater crack occurred in Test 1 using aluminum. In contrast, Tests 2, 5, 8, 10, and 13 using stainless steel, 8/2 brass, 9/1 brass, titanium, and titanium alloy increased the power density to 40 W / cm ² and changed the water temperature to the current product. It was possible to achieve an equivalent temperature.
[0040]
Next, for the test products in which the length a of the

metal heaters

16 and 17 is 150 mm, the test in which the power density is 70 W / cm ² is 9/1 brass and a test using titanium alloys A heater crack occurred. On the other hand, stainless steel, 8/2 brass, and titanium whose creep rupture strengths at 300 ° C. are within the scope of the claims of the present invention had almost no change in water temperature and maintained 70 ° C.
[0041]
Moreover, as shown in Tests 4, 7, and 12, heater cracks occurred when the power density was 80 W / cm ² . When the power density is 80 W / cm ² or more, the ceramic heater 18 made of alumina seems to be the limit. For example, if a high-temperature strength ceramic heater such as silicon nitride is used, the power density may be further improved.
[0042]
Example 3
The

metal heaters

16 and 17 in which the distance between the

metal heaters

16 and 17 and the metal tube 19, that is, the thickness b of the

metal heaters

16 and 17 was varied between 7 and 13 mm, were produced, and the same as in Example 1. A test sample was prepared and correlated with the initial efficiency. The length a of the

metal heaters

16 and 17 was 150 mm. As a criterion, the efficiency of 90% or more, which is the same as the current one, was determined to be OK. The efficiency was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
[0043]
[Table 3]

[0044]
As a result, the conventional products in which the thickness b of the

metal heaters

16 and 17 exceeds 10 mm and the

tests

3, 4, 7, 8, 11, 14, and 17 have a problem that heat transfer is deteriorated and efficiency is lowered. On the other hand, the

tests

1, 2, 5, 6, 9, 10, 12, 13, 15, and 16 in which the thickness b of the

metal heaters

16 and 17 is 10 mm or less, which is the claim of the present invention, can maintain efficiency. I understood.
[0045]
Example 4
The test sample uses stainless steel as the material of the

metal heaters

16 and 17, changes the surface roughness of the inner surface of the metal tube 19 between 10 and 25 S, and circulates hot water in the bath 500 through the metal tube 19. A test for continuous energization for hours was conducted. In the middle, at the time of 100 hours and 500 hours, the efficiency was evaluated in the same manner as in Example 1. The

metal heaters

16 and 17 had a length a of 150 mm and a thickness of 10 mm. The results are shown in Table 4.
[0046]
[Table 4]

[0047]
As a result, it was found that when the surface roughness of the inner surface of the metal tube exceeds 20S, the efficiency is lowered and it is not suitable for use. On the other hand, it has been found that if the surface roughness is 20 S or less, the efficiency is small and suitable for use.
[0048]
【The invention's effect】
The fluid heating apparatus according to the present invention is an overall fluid heating apparatus including a metal heater that increases the power density of the ceramic heater by making the metal heater a material having a creep rupture strength at 300 ° C. of 20 kgf / mm ² or more. The dimension of can be reduced. In addition, since the ceramic heater and the metal heater become smaller, the heat of the ceramic heater can be efficiently transmitted to the metal heater. Further, when the temperature of the fluid is increased, the temperature of the metal heater can be increased and the temperature of the fluid can be increased by increasing the power density of the ceramic heater even with the same size as the conventional one.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a fluid heating apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a front view of the fluid heater according to the present invention.
FIG. 3 is a plan view of a fluid heater according to the present invention.
4 is a IV-IV sectional view of the fluid heating apparatus shown in FIG.
5 is a VV cross-sectional view of the fluid heating apparatus shown in FIG.
FIG. 6 is a front view of a ceramic heater used in the present invention.
[Explanation of symbols]
12: heating device 16: first metal heater 17: second metal heater 18: ceramic heater 19: metal tube

Claims

Two metal heaters having a metal tube for allowing liquid to pass inside, and disposed between the two metal heaters in contact with both metal heaters, for heating the two metal heaters A fluid heating apparatus comprising a ceramic heater, wherein the two metal heaters are made of a material having a creep rupture strength at 300 ° C. of 20 kgf / mm ² or more.

2. The fluid heating apparatus according to claim 1, wherein a thickness of the metal heater in contact with the metal tube is 10 mm or less.

The fluid heating apparatus according to claim 1, wherein the ceramic heater has a power density of 35 W / cm ² or more.