JP2007046894A - 電気ヒータモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】最終製品を作り出すための機械による自動組み立てに関して利点をもつ電気ヒータモジュールを提供することである。
【解決手段】ＰＴＣ発熱体８とこの発熱体８と隣接する少なくとも１つの空気貫流可能な熱放出領域２とを備え、熱放出領域２にはＰＴＣ発熱体８と接続されているとともにＰＴＣ発熱体８と一体構成されている熱伝導板１が含まれている電気ヒータモジュール。熱伝導板１は板材から作られ、熱伝導板１を互いに重ね合わせるとともに熱伝導可能に接当させることで作り出される板パッケージ３がＰＴＣ発熱体の領域でまとめられ、かつ板パッケージ３は記熱放出領域２内で径方向外方にに拡げられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、加熱空気流を作り出すための電気ヒータモジュールであって、少なくとも１つのＰＴＣ発熱体とこの発熱体と隣接する少なくとも１つの空気貫流可能な熱放出領域とを備え、この熱放出領域が前記ＰＴＣ発熱体と接続されているとともに前記ＰＴＣ発熱体と一体構成されている熱伝導板を含むものに関する。この電気ヒータモジュールは、特に車両などのシートの通気と暖房のために用いられる。

ＰＴＣ（positive temperature coefficient：正温度係数）発熱体は、セラミック製の半導体抵抗素子であり、そのオーム抵抗は温度依存性を有する。この抵抗 − 温度特性は非線形である。ＰＴＣ発熱体の抵抗はＰＴＣ発熱体を組み込んだ構造体の温度が上昇するとまずわずかに低下し、所定の温度（基準温度）において急激に上昇する。抵抗 − 温度特性（正温度係数）の全体的な正の関係が、ＰＴＣ発熱体の自己制御性を作り出す。つまり、外的な無制御で一定の温度を保つことができる。構造体の温度が基準温度より低い場合、ＰＴＣ発熱体の抵抗値は低く、それに伴い大きな電流を流すことができる。ＰＴＣ発熱体の表面からの熱放出が良好に行われるならば、通電量が大きくなるほど発熱量が大きくなる。ＰＴＣ発熱体の温度が基準温度より高くなると、ＰＴＣ発熱体の抵抗値が急速に大きくなり、通電量が非常に低い値に制限されてしまう。構造体の温度はＰＴＣ発熱体周囲の熱吸収に依存する上限値に近づく。通常の環境条件下では、故障時に故意の熱排出が完全に中断されても、ＰＴＣ発熱体の構造体温度は所定の最高温度を超えない。ＰＴＣ発熱体の自己調節機能により通電量が正確に発熱量に対応することになり、ＰＴＣ発熱体は、車両の暖房や空調、あるいは車両におけるその他の空気流加熱に適している。なぜなら、安全性の理由から、これらの適用事例では、故障時であっても火災の危険があるレベルまでヒータの温度が上昇してはいけないし、同時に通常時には高い発熱量が要求されるからである。

自動車の室内暖房のために、多くのＰＴＣ発熱体とこの発熱体に隣接するとともに熱伝導板を備えた少なくとも１つの空気貫流可能な熱放出領域とを一体構成させている枠体からなる電気ヒータモジュールが用いられていることは知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、ハウジング内に組み込まれた横流れファンと技術分野の欄で述べたタイプの電気ヒータモジュールとから構成されるファンモジュールが開示されており、これは通気される自動車シートのシート暖房に利用される。自動車シートは安全上の理由からファンが故障してもその表面が人間がけがをしない最高温度を超えてはいけないので、ＰＴＣ発熱体を備えた電気ヒータモジュールが適している。従来のシート暖房に用いられていた電気抵抗線付きマットが安全性の問題から制限をもった使用しかできないことから、このＰＴＣ発熱体を備えた電気ヒータモジュールは、同等の安全度において、従来の電気抵抗線付きマットに較べ優れた加熱能力をもつ。

技術分野の欄で述べたタイプの従来の電気ヒータモジュールは、空気流内に設けられた平たく横並び配列された多数のＰＴＣ発熱体からなり、そのＰＴＣ発熱体はその平らな表面とその裏面を接点プレートを用いて電気接続している。それに隣接する熱放出領域は蛇行状に配置されたメタルプレートを備え、メタルプレートの細長い方が空気流に向けられており、幅の広い方にＰＴＣ発熱体の接点プレートが一定間隔で熱交換の目的で立ち上がって熱伝導可能に接触している。ＰＴＣ発熱体から熱伝導板への良好な熱伝達を達成するため、熱伝導接着剤やその種の接合技術が用いられる。その際、ＰＴＣ発熱体と熱伝導体をモジュール化する枠体内にＰＴＣ発熱体と熱伝導体を装着するとともに交互に配置された熱放出領域（熱伝導板を含む）とＰＴＣ発熱体を有するリブとを互いに組み付けるバネ部材を少なくとも１つこの枠体内に設けることが効果的な方法として実施される。

自動車のように空気流を流す流路のための場所が非常に制限されている場合、空気流加熱のためには流れ工学的にあまり適しない構造部材の列状レイアウトとともにＰＴＣ発熱体の矩形形状は不都合である。特許文献１による自動車シート用ファンモジュールにとって横流れファンを採用することはやむをえない。しかしながら、高い圧力の空気流を大きい流れ速度で作り出すことから、横流れファンはこのような目的にはあまり適していないと言われている。

さらに、この公知の電子ヒータモジュールは、枠体内で多重に重ね合わされてバネ付勢されているという理由から、機械による自動組み立てが困難であり、むしろ、かなりの手作業が必要になると言える。

さらに別な自動車シート用ファンモジュールも知られている（特許文献２参照）。ファンとその空気流内に配置した抵抗ヒータ線とからなるヘヤードライヤーのようなタイプで自動車シートに組み込んだものも知られている（例えば、特許文献３参照）。

欧州特許公開公報１４７９９１８号（対応する日本の公報は特開２００４−３３８７０２号公報（段落番号００１８、図３）） 欧州特許公開公報１４６４５３３号 米国特許公報６５４１７３７号

上記実状に鑑み、本発明の課題は、技術分野の欄で述べたタイプの電気ヒータモジュールにおいて最終製品を作り出すための機械による自動組み立てに関して利点をもつものを提供することである。

加熱空気流を作り出すための、特に車両座席の通気と暖房のための電気ヒータモジュールであって、少なくとも１つのＰＴＣ発熱体とこの発熱体と隣接する少なくとも１つの空気貫流可能な熱放出領域とを備え、前記熱放出領域には前記ＰＴＣ発熱体と接続されているとともに前記ＰＴＣ発熱体と一体構成されている熱伝導板が含まれているものにおいて、上記課題を解決するため、前記熱伝導板は板材から作られ、前記熱伝導板を互いに重ね合わせるとともに熱伝導可能に接当させることで作り出される少なくとも１つの板パッケージが前記ＰＴＣ発熱体）の領域でまとめられ、かつ前記板パッケージは前記熱放出領域内で径方向外方に拡げられている。

本発明では、板材から作られた熱伝導板はＰＴＣ発熱体の領域で少なくとも１つの板パッケージにまとめられる。この板パッケージは互いに重なり合って熱伝達可能に接触している熱伝導板から作り上げられ、さらにこの熱伝導板は熱放出領域において扇状に拡げられることにより、その拡げられた隙間を空気が貫流可能となる。ＰＴＣ発熱体から熱伝導体への熱伝達は多数の熱伝導体が板パッケージにまとめられる領域においても行われる。この領域は、塊体として機能し、そこでＰＴＣ発熱体からの熱が急速に拡散する。熱伝導体が熱放出領域まで延びたところで、互いに間隔をあけるように拡げられる。その際、板パッケージの端の方に位置する熱伝導体ほど、熱放出領域への移行部のところでの折り曲げ角度がきつくなっている。個々の熱伝導体の内部でも良好な熱伝導が行われており、その熱は熱放出領域において貫流している空気に放出される。同時に、そのような熱伝導体としての板材からの切り出し、これらの熱伝導体の板パッケージへの統合化、熱放出領域における各熱伝導体の先端にスペースをもたせるための折り曲げが完全に機械加工で可能となり、それ故、その加工プロセスが効率よく、低コストで実施される。

板材から作られた（切り出された）各熱伝導体が板パッケージとしてまとめられるＰＴＣ発熱体領域から始まる熱伝導体の好ましくは扇状の拡げ形態は、熱放射領域での熱伝導体の拡がりレイアウトに制限され、この目的のため屈曲形状を有することになる。これは、もし、熱放出領域がリング状、特に円形リング状に形成され、ＰＴＣ発熱体の領域を空気流方向に対してほぼ垂直となる面上で包囲している場合、特に好都合である。このリング状の熱放出領域において、熱伝導体が実質的に放射状に延びており、本発明では、電気ヒータモジュールが流れ工学的に有利な円柱状の空気流路又はそれに類似するパイプ内に装着される。これにより、熱放出領域内での一様な流れが保証され、例えば、従来通りの直角で列状に配列されたヒータモジュールのコーナー部のような局部的に熱い領域を発生させない。リング状の熱放出領域を有するヒータモジュールは軸流ファン又は斜流ファンとの組み合わせが適している。これらのファンは簡単に本発明のヒータモジュールに組み付けることができ、過剰に熱くならないファンとなる。

ＰＴＣ発熱体は２つの板パッケージの間に装填され、この板パッケージに対して熱伝導的にかつ導電的に接続される。同時に、２つの板パッケージの間に配置されるとともにＰＴＣ発熱体を組み込んでいる電気絶縁された枠体が備えられている場合、ＰＴＣ発熱体が板パッケージを介して給電される。これにより、一方の板パッケージがＰＴＣ発熱体の一側に負極又は正極をつなぎ、他方の板パッケージがＰＴＣ発熱体の他側に正極又は負極をつなぐことが簡単となり、発熱に必要な電流がＰＴＣ発熱体を流れる。このやり方で、ＰＴＣ発熱体が非常にコンパクトに板パッケージに組み込まれ、第１には簡単に、特に機械的な組み付けが可能となり、コンパクトな構造、効率的な熱交換、及び簡単な機械加工と自動組み立てが実現する。

電気絶縁された枠体は、板パッケージを互いに分離することができ、熱伝導体の同じような形状部を有するとともに、そこから熱放出領域へ延びる形状を有する。そして、熱放出領域においても一方の板パッケージの熱伝導体と他方の板パッケージの熱伝導体との間の電気的短絡が生じることがない。その他、この枠体は、モジュールハウジングへの取り付けのための組み付け部材を備えており、これにより自動的な機械組み立てが容易となる。

本発明では、それぞれにＰＴＣ発熱体を組み込んでいる３つ又はそれ以上の板パッケージを組み合わせ、必要に応じて電気絶縁された枠体を用いて一体モジュール化することも提案される。

板パッケージにＰＴＣ発熱体への給電のための接点部材が設けられ、この接点部材に電源が接続されている。この構成は、この電気ヒータモジュールの機械組み立てにおける自動化度の拡大に貢献する。

ＰＴＣ発熱体が組み込まれた板パッケージの間に電気絶縁された枠体を備える場合には、ＰＴＣ発熱体が軟弾性の密封層によって包囲され電気絶縁された枠体内に装着されることが好適である。この軟弾性の密封（パッキン）層は、自動組み立てを容易にするという観点から、Ｏ−リングゴムパッキン又は枠体材料の軟弾性部であることが好ましい。枠体材料の軟弾性部を密封層として用いる場合、その枠体は樹脂材料を用いた２成分射出成形で製作すると良い。そのような軟弾性パッキンは、ＰＴＣ発熱体の機械的な外力などからの保護の役割とともに湿気からの保護の役割も果たす。この湿気からの保護は、この電気ヒータモジュールをシートに組み込むようなケースにおいて特に重要である。

好ましくは、熱伝導板はアルミ板材又は銅板材から作られるとよい。これらの材料は高い熱伝導性を有し、機械加工性も悪くない。

ＰＴＣ発熱体の領域で熱伝導体をまとめている板パッケージは、溶接によって、好ましくはレーザ溶接によって接合すると良い。さらに、板パッケージをバネクリップバンドによってバネ付勢力をもって束ねることができる。このバネクリップバンドは、単なる板パッケージのみならず、ＰＴＣ発熱体を組み込んでいる板パッケージもまとめて束ねることができるので、ＰＴＣ発熱体と板パッケージとの間の熱伝達、及び各熱伝導体間の熱伝達も良好に行われる。

簡単で正確な自動組み立てを実現するために、板片として形成された複数の熱伝導体を組み立て時にきちんと整列させる芯合わせ孔が熱伝導体に設けられるとよい。

本発明による電気ヒータモジュールをハウジング内に納める場合、このハウジングは円柱状の空気流路（流れ空間）又は円錐状の空気流路を作り出すものであり、この空気流路内に電気ヒータモジュールとこのヒータモジュールの上流又は下流あるいはその両方の位置に軸流ファン又は斜流ファンを設けるとよい。

軸流ファンと斜流ファンは市場によく流通しているが、ケースと電気プラグを予め備えているタイプが好ましく、そのファンをケースごとヒータモジュールのハウジングに納める場合には特に好都合となる。

通気されるシート、特に自動車シートのための空調送風手段として用いられ、ＰＴＣ発熱体と熱伝導体による空気流の加熱でシート暖房を必要に応じて行うケースでは、本発明による電気ヒータモジュールの採用は特に適している。
本発明によるその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるだろう。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１にその外観を示している本発明による電気ヒータモジュールは完全に組み立てられた形態であり、多数の板金状の熱伝導体１から構成されている。この熱伝導体１は長尺のアルミ板から切り出し加工されており、それらの両端部の拡がりによってリング状の熱放出領域２を作り出している。つまり、熱伝導板１のそれぞれの自由端領域が円形リング状空間を満たすように、順次深い角度をもって折り曲げられている。熱放出領域２の中心部において熱伝導板１は４つの板パッケージ３にまとめられてサブアッセンブリ化されており、各板パッケージ３における熱伝導体１の中間部はぴったりと密に重なり合わされており互いの間での熱伝導接続かつ電導接続が作り上げられている。各板パッケージ３に含まれる熱伝導体１は溶接（図では溶接線として示されている）４によって接合固定されている。

中央側と外側の板パッケージ３の間には２つの電気絶縁している枠体５が配置されており、この枠体５が中央側の板パッケージ３と隣接する外側の板パッケージ３を電気的に絶縁している。枠体５は中央部分から熱放出領域２の内部に延びている延長部を備えており、その延長部の先端に組み付け部材６を設けている。この組み付け部材６を利用して、後で説明するように、ハウジングやファンが取り付け可能となっている。

中央側の２つの板パッケージ３は接点部材７によって単に分離されている。この接点部材７を用いて、枠体５に組み込まれているＰＴＣ発熱体（図１では見えない）が電源とつながれることになる。他の接点部材７は外側の２つの板パッケージ３の外面にそれぞれ配置されており、ＰＴＣ発熱体と電源との接続に利用される。つまり、中央の接点部材７が共通電極となって両側のＰＴＣ発熱体に給電する。

この電極の符号は、図１による電気ヒータモジュールの平面図である図２に示されている。中央の接点部材７には正極マークが外側の接点部材７には負極マークが記されている。熱伝導体１の中央部は枠体５の中に位置しているＰＴＣ発熱体の周りで完全面接触しているので、良好な熱伝導だけでなく良好な電導性も示している。従って、接点部材７からの電流が板パッケージ３を介してＰＴＣ発熱体に流れる。電気絶縁している枠体５は、板パッケージ３の領域だけでなく熱放出領域２においても短絡が生じることを防いでいる。

図３は、図１による電気ヒータモジュールの分解図を示しており、枠体５内にＰＴＣ発熱体８が組み込まれている様子を見ることができる。枠体５はその上端と下端に正確な位置決めのための組み付け桟９を備えており、さらにその中央部に円形の開口部１０が形成されており、この開口部１０にＰＴＣ発熱体８とＯ−リングパッキン１１がぴったりと装着されている。各熱伝導体１はその中央部分で板パッケージ３として組み合わされ、各熱伝導体１の両側自由端部分は互いに間隔をあけながら扇状に拡げられ、放射状に延びている。板パッケージ３は溶接線４によって接合固定されている。また、熱伝導体１は芯合わせ（芯だし）孔１２を設けており、この芯合わせ孔１２を用いて熱伝導体１は正確な位置で積層され、板パッケージ２を作り出す。４つの板パッケージ２と両ＰＴＣ発熱体８を取り付けた枠体５との組み付け及びそれらへの接点部材７の挿入ないしは外付けの後、この電気ヒータモジュール全体は最終的にバネクリップバンド１３によって固定される。バネクリップ１３はこれ以外に板パッケージ３群を押し付けるように永久的に付勢する機能を有するので、結果的にＰＴＣ発熱体８も最適な接触状態を保証すべく押し付けられる。

図１から図３から、本発明による電気ヒータモジュールが簡単に組み立て可能で、それゆえ全自動で機械加工から組み立てまでを行うことが可能であると理解できる。組み立てられたモジュールのハウジングへの組み込みとファンの組み付けは、以下に説明するように、簡単に行うことができ、接点部材７を用いるとモジュールへの電気接続も簡単である。

図４は、ハウジング１４と軸流ファン１５が取り付けられる図１から図３で示された電気ヒータモジュールの組み立ての様子を斜視図の形で示している。軸流ファン１５として、ロータ１６とモータ１７とケース１８とからなる市場流通性の高い軸流ファンが用いられている。ハウジング１４は、円筒状の熱交換領域壁１９と円筒状のファン領域壁２０と空気流出口２１を備え、空気流出口２１には整流的な作用を持たせたリブ２２が設けられている。ハウジング１４には、芯合わせ（位置決め）ピン２４を設けた取り付けフランジ２３が形成されている。そのケース１８も含む軸流ファン１５全体を何ら改変することなしにそのままでハウジング１４内に装着するために、ファン領域壁２０は、内部に電気ヒータモジュールを装着する熱交換領域壁１９と向かえ合わせとなる位置で拡径している。枠体５の組み付け部材６は、軸流ファン１５のケース１８を熱伝導体１に対して正確な姿勢で固定し、そのハウジング１４内でしっかりと保持するために貢献する。軸流ファン１５のモータ１７への給電線や接点部材７を介して電源につながっているＰＴＣ発熱体８への給電線を貫通させるために、ハウジング１４に貫通孔２５が設けられている。

図５と図６は、図５で示す組み立て要領によって組み立てられた空調空気送風ユニットをそれぞれ斜め上方と斜め下方からみた斜視図である。これらの図から、コンパクトで簡単に組み立てることができ、特に自動車の通気シートへの組み込みに適した空調（加熱）空気送風ユニットとして、本発明による電気ヒータモジュールとこれを用いた送風ユニットが適していることが理解できる。同時に、図１から図６は、本発明による電気ヒータモジュールが高い自動化度で機械加工と自動組み立てが可能であることを示している。図５と図６に示された、軸流ファン１５を装着したハウジング１４に電気ヒータモジュールを組み込んだユニットが、自動車シートの通気（ＰＴＣ発熱体作動時では暖気放出）のため、及び効率的な空気流加熱によるシート暖房のために効果的に用いられる。その際、空気流加熱は、径方向に沿って延びるように縦姿勢で熱伝導体を配置させている円形断面の熱放出領域２のおかげで、ハウジング１４内で一様な温度分布を得ることになり、最終的にシート表面を一様な温度分布で暖めることができる。さらに、正温度係数特性に基づき、どのような環境下でも（故障時でも）最大温度を保証できるＰＴＣ発熱体８の特徴により、暖房時において高い開始時加熱能力をもたせることができる。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。

本発明による電気ヒータモジュールの斜視図 図１による電気ヒータモジュールの平面図 図１による電気ヒータモジュールの分解図 図１による電気ヒータモジュールへのハウジングとファンの組み付けを示す組み立て模式図 ハウジングに装着された電気ヒータモジュールを斜め上方からみた斜視図 ハウジングに装着された電気ヒータモジュールを斜め下方からみた斜視図

符号の説明

１ 熱伝導板
２ 熱放出領域
３ 板パッケージ
５ 枠体
６ 組み付け部材
７ 接点部材
８ ＰＴＣ発熱体

Claims (15)

1. 加熱空気流を作り出すための電気ヒータモジュールであって、少なくとも１つのＰＴＣ発熱体（８）とこの発熱体（８）と隣接する少なくとも１つの空気貫流可能な熱放出領域（２）とを備え、前記熱放出領域（２）には前記ＰＴＣ発熱体（８）と接続されているとともに前記ＰＴＣ発熱体（８）と一体構成されている熱伝導板（１）が含まれているものにおいて、
   前記熱伝導板（１）は板材から作られ、前記熱伝導板（１）を互いに重ね合わせるとともに熱伝導可能に接当させることで作り出される少なくとも１つの板パッケージ（３）が前記ＰＴＣ発熱体（８）の領域でまとめられ、かつ前記板パッケージ（３）は前記熱放出領域（２）内で径方向外方に拡げられていることを特徴とする電気ヒータモジュール。
2. 前記熱放出領域（２）がリング状であり、前記ＰＴＣ発熱体（８）の領域を空気流方向に対してほぼ垂直となる面上で包囲していることを特徴とする請求項１に記載の電気ヒータモジュール。
3. 前記ＰＴＣ発熱体（８）が前記２つの板パッケージ（３）の間に位置するとともにこの板パッケージ（３）と熱伝導的にかつ導電的に接続されており、電気絶縁された枠体（５）が前記２つの板パッケージ（３）の間に配置され、この枠体（５）内に前記ＰＴＣ発熱体（８）が組み込まれ、かつ前記ＰＴＣ発熱体（８）が板パッケージ（３）を介して給電されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気ヒータモジュール。
4. 前記枠体（５）は前記熱伝導板（１）と類似する形状を有し、前記熱放出領域（２）内に延びていることを特徴とする請求項３に記載の電気ヒータモジュール。
5. 前記枠体（５）はこの電気ヒータモジュールのハウジング（１４）に装着するための組み付け部材（６）を備えていることを特徴とする請求項３又は４に記載の電気ヒータモジュール。
6. 前記板パッケージ（３）に前記ＰＴＣ発熱体（８）への給電のための接点部材（７）が設けられていることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の電気ヒータモジュール。
7. 前記ＰＴＣ発熱体（８）は軟弾性の密封層によって包囲され電気絶縁された前記枠体（５）内に装着されていることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の電気ヒータモジュール。
8. 前記軟弾性の密封層はＯ−リングゴムパッキン（１１）又は枠体材料の軟弾性部であることを特徴とする請求項７に記載の電気ヒータモジュール。
9. 前記板パッケージ（３）を構成する熱伝導板（１）は溶接により互いに連結されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電気ヒータモジュール。
10. 前記熱伝導板（１）はアルミ板材又は銅板材から作られていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電気ヒータモジュール。
11. 前記熱伝導板（１）に組み立て時の位置決めのための芯合わせ用孔（１２）が設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の電気ヒータモジュール。
12. 前記板パッケージ（３）を構成する熱伝導板（１）と前記枠体（５）がバネクリップバンドによって重ね合わされていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気ヒータモジュール。
13. 前記ハウジング（１４）は円柱状又は円錐状の空気流路を作り出しており、その空気流路内でこの電気ヒータモジュールの下流側又は上流側あるいはその両方に軸流ファン又は斜流ファン（１５）が付設されていることを特徴とする請求項５に記載の電気ヒータモジュール。
14. 前記軸流ファン又は斜流ファン（１５）は自己のファンケース（１８）を有し、このファンケース（１８）は前記ハウジング（１４）内に納められることを特徴とする請求項１３に記載の電気ヒータモジュール。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の電気ヒータモジュールを組み込んで制御された加熱空気流を放出するシート。

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