JP2012136154A - Vehicle heating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は車両用加熱装置に関する。 The present invention relates to a vehicle heating device.
この種の加熱装置には、内方を熱媒体である温水が流通する流通パイプと、この流通パイプに並設した電熱線ヒータとを伝熱金属内に埋設して扁平状の伝熱体を形成し、この伝熱体を複数個集積させ、流通パイプを直列に接続し熱源器として構成したものが知られている(例えば特許文献1参照)。 In this type of heating device, a flat heat transfer body is formed by burying a flow pipe through which hot water as a heat medium circulates and a heating wire heater arranged in parallel with the flow pipe in a heat transfer metal. There is known a structure in which a plurality of the heat transfer bodies are formed and the flow pipes are connected in series and configured as a heat source device (see, for example, Patent Document 1).
昨今、ハイブリッド自動車や電気自動車の開発及び普及が促進され、今後はエンジンの廃熱を十分に利用できなくなることから、上述したような電熱線ヒータを発熱体とした加熱装置を上記車両に搭載することが考えられる。ハイブリッド自動車の場合には、エンジンの廃熱を補うように熱供給可能な補助熱源として、電気自動車の場合には、エンジンに代わって熱供給可能な代替熱源として、車両用空調装置の冷凍回路を循環する冷媒などの加熱に用いることが期待される。 Recently, the development and spread of hybrid vehicles and electric vehicles has been promoted, and the waste heat of the engine can no longer be used in the future. Therefore, the heating device using the heating wire heater as described above is mounted on the vehicle. It is possible. In the case of a hybrid vehicle, the refrigeration circuit of the vehicle air conditioner is used as an auxiliary heat source that can supply heat to supplement the waste heat of the engine, and in the case of an electric vehicle, as an alternative heat source that can supply heat instead of the engine. It is expected to be used for heating circulating refrigerants.
しかしながら、上記従来技術では、伝熱体である伝熱ブロックに電熱線ヒータを収容するための収容穴と電熱線ヒータとの材料組織レベルの隙間が装置の伝熱効率及び耐久性に与える影響については格別な配慮がなされておらず、加熱装置の伝熱効率及び耐久性の向上には依然として課題が残されている。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、伝熱効率及び耐久性を向上することができる車両用加熱装置を提供することにある。
However, in the above prior art, regarding the effect of the material structure level gap between the housing hole for housing the heating wire heater and the heating wire heater in the heat transfer block, which is a heat transfer body, on the heat transfer efficiency and durability of the device No particular consideration has been given, and there are still problems in improving the heat transfer efficiency and durability of the heating device.
The present invention has been made based on the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a vehicle heating apparatus that can improve heat transfer efficiency and durability.
上記の目的を達成するため本発明の請求項1記載の車両用加熱装置は、電熱線ヒータが収容される挿入穴を有する伝熱ブロックと、電熱線ヒータで加熱された熱媒体が流れる流路とを備え、電熱線ヒータは挿入穴に焼ばめによって嵌合されることを特徴としている。
請求項2記載の発明は焼ばめの締めしろは10μm以上であることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a vehicle heating apparatus according to
The invention described in
請求項1記載の車両用加熱装置によれば、電熱線ヒータは挿入穴に焼ばめによって嵌合されることにより、電熱線ヒータと挿入穴とが密着状態となり、電熱線ヒータと伝熱ブロックとの材料組織レベルの隙間を小さくすることができる。従って、電熱線ヒータと伝熱ブロックとの間の空気層の存在に起因する熱抵抗を小さくすることができ、電熱線ヒータと伝熱ブロックとの間で発生する温度ギャップを小さくすることができるため、加熱装置の伝熱効率を向上することができる。 According to the vehicle heating device of the first aspect, the heating wire heater and the insertion hole are brought into close contact with each other by fitting the heating wire heater into the insertion hole by shrink fitting. The gap at the material structure level can be reduced. Accordingly, it is possible to reduce the thermal resistance due to the presence of the air layer between the heating wire heater and the heat transfer block, and to reduce the temperature gap generated between the heating wire heater and the heat transfer block. Therefore, the heat transfer efficiency of the heating device can be improved.
また、温度ギャップが大きいことによって電熱線ヒータから伝熱ブロック、ひいては流路を流れる熱媒体への伝熱が阻害された結果生ずる電熱線ヒータ内の蓄熱を抑制することができる。従って、電熱線ヒータが異常に高温になって熱劣化することが防止され、電熱線ヒータ、ひいては加熱装置の耐久性を向上することができる。
更に、電熱線ヒータと挿入穴との隙間に、電熱線ヒータを挿入穴に固定するための接着剤や、伝熱効率を良くするための熱伝導材を設ける必要がないため、これら接着剤及び熱伝導材の熱劣化に伴う伝熱効率低下を防止することができる。
Further, the heat gap in the heating wire heater, which is generated as a result of hindering the heat transfer from the heating wire heater to the heat transfer block and thus to the heat medium flowing through the flow path due to the large temperature gap, can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the heating wire heater from being abnormally heated and thermally deteriorated, and it is possible to improve the durability of the heating wire heater and thus the heating device.
Furthermore, since it is not necessary to provide an adhesive for fixing the heating wire heater to the insertion hole or a heat conducting material for improving heat transfer efficiency in the gap between the heating wire heater and the insertion hole, these adhesive and heat It is possible to prevent the heat transfer efficiency from being lowered due to thermal deterioration of the conductive material.
請求項2記載の発明によれば、具体的には、焼ばめの締めしろは10μm以上であることにより、電熱線ヒータと伝熱ブロックとの材料組織レベルの隙間が小さくなり、加熱装置の伝熱効率及び耐久性を効果的に向上することができる。
According to the invention of
図1〜図7は本発明の一実施形態に係る車両用加熱装置1について示す。
図1に示されるように、加熱装置1は4つの電熱線ヒータ2が収容される伝熱ブロック4と、伝熱ブロック4が収容され、伝熱ブロック4との間に電熱線ヒータ2の熱媒体が流れる流路6を形成する外側ケース8との2つのユニットから構成されている。
加熱装置1は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に搭載され、ハイブリッド自動車の場合には、エンジンの不足する廃熱を補うようにして熱供給する補助熱源として、電気自動車の場合には、存在しないエンジンに代わって熱供給する代替熱源として、車両用空調装置の冷凍回路を循環する冷媒などの加熱に用いられる。
1 to 7 show a
As shown in FIG. 1, the
The
具体的には、ハイブリッド自動車の場合には、流路6にエンジンを冷却するべく冷却水回路を循環するLLC(冷却水、不凍液)が熱媒体として流れて電熱線ヒータ2により加熱される。この冷却水回路は車両用空調装置に設けられ、エンジン及び加熱装置1で加熱されたLLCの熱は上記空調装置に設けられた冷凍回路を循環する冷媒の加熱に用いられ、車室内の冷暖房が可能となる。
Specifically, in the case of a hybrid vehicle, LLC (cooling water, antifreeze liquid) circulating in the cooling water circuit to cool the engine in the
一方、電気自動車の場合には、流路6に冷凍回路を循環する冷媒が熱媒体として流れて電熱線ヒータ2により加熱される。この冷凍回路は上記と同様に車両用空調装置に設けられ、加熱装置1で加熱された冷媒の熱によって車室内の冷暖房が可能となる。また、流路6には熱媒体としての水を流通し、水を電熱線ヒータ2により温水にし、この温水をエンジンの代替熱源として車両用空調装置の暖房用回路を循環する冷媒などを加熱するための熱源として利用することも考えられる。
On the other hand, in the case of an electric vehicle, the refrigerant circulating in the refrigeration circuit flows through the
更に、ハイブリッド自動車、電気自動車の何れの場合においても、不凍液が循環する暖房用回路に図示しないヒータコアとともに加熱装置1を設け、加熱装置1を不凍液の熱源の一つとして利用し、ヒータコアで暖房された空気を送風することも考えられる。
図2に示されるように、電熱線ヒータ2は、有底円筒状の例えばステンレス鋼(SUS)からなる金属パイプ10内にニクロム線などのコイル状の電熱線12を挿入し、金属パイプ10内に高い電気絶縁性及び熱伝導性を有する耐熱絶縁材14を加圧充填して電熱線12を封入することで形成される。耐熱絶縁材14は例えば酸化マグネシウム(MgO)などであり、耐熱絶縁材14及び金属パイプ10を含む電熱線ヒータ2の本体は1100℃程度の耐熱温度を有する。
Further, in both cases of a hybrid vehicle and an electric vehicle, a
As shown in FIG. 2, the
金属パイプ10の開口部には端子部16が設けられ、端子部16は電熱線12に接続されるとともに電熱線ヒータ2から突出される端子18を有している。各電熱線ヒータ2の各端子18は外部の電源装置20に電気的に接続されており、電熱線12に通電するための通電回路22を構成している。端子部16は金属パイプ10の開口部にシリコンやガラスなどで形成され、端子部16は200℃〜300℃程度の耐熱温度を有する。
A
また、各電熱線ヒータ2の電熱線12には図示しない電流ヒューズがそれぞれ設けられ、電熱線12を流れる定格以上の大電流から各通電回路22を保護し、各通電回路22の過剰な高温や発火を防止している。更に、各電熱線ヒータ2の近傍には流路6内の熱媒体の温度を検出するサーミスタなどの温度センサ24がそれぞれ配置されている。
In addition, each
各温度センサ24は車両を総合的に制御する外部の電子制御装置(ECU)26に電気的に接続され、ECU26には電源装置20も電気的に接続されている。ECU26は電源装置20を介し、各温度センサ24にて検出される各流路6内の熱媒体の温度に応じて、4つの各電熱線ヒータ2のうちの各々または複数群の端子部16に対して個別に通電する通電制御が行われる。
Each
図3及び図4に示されるように、伝熱ブロック4は、例えば、400℃程度の耐熱温度を有し、高い熱伝導性を有するアルミニウム(Al)合金を鋳造により1つのユニットとして形成されている。伝熱ブロック4の端面4aには、各電熱線ヒータ2が収容される4つの挿入穴28が端面4aにおいて略等間隔に集約されて開けられたブロック開口端部30が形成されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
ブロック開口端部30には鍔状のフランジ部4cが全周に亘って形成されており、フランジ部4cの四隅にはボルト挿通孔32が貫通して形成されている。また、伝熱ブロック4の側面4bには後述の入口ポート40から出口ポート42に向けて熱媒体を導いて流すべく凸条のガイド34が伝熱ブロック4に一体に形成されている。ガイド34は電熱線ヒータ2の長手方向に対し垂直方向に交互に高さをずらして2つ設けられている。
A flange-
一方、図5及び図6に示されるように、外側ケース8は、金属を例えば鋳造により1つのユニットとして一体に形成され、伝熱ブロック4が収容可能であり、且つ、伝熱ブロック4の側面4bと外側ケース8の内面8aとの間に熱媒体の流路6を構成する隙間を形成可能な容積を有している。また、外側ケース8の伝熱ブロック4が収容される側の端面8bには伝熱ブロック4が挿入されるための開口穴8eを有するケース開口端部36が形成されている。
On the other hand, as shown in FIGS. 5 and 6, the
ケース開口端部36は、伝熱ブロック4を外側ケース8に挿入可能な大きさに形成され、伝熱ブロック4を外側ケース8に収容した状態でフランジ部4cの背面4dがその全周に亘ってケース開口端部36に当接される形状を有している。また、ケース開口端部36の四隅には、伝熱ブロック4を外側ケース8に収容した状態でボルト挿通孔32と合致する位置にボルト穴38が形成されている。即ち、フランジ部4cをケース開口端部36にボルト締結して接合することで、伝熱ブロック4及び外側ケース8はそれぞれの各開口端部30,36のみにて接合され、換言すると、伝熱ブロック4は外側ケース8にケース開口端部36を除いて非当接状態で固定される。
The case opening
また、外側ケース8の側面8cのケース開口端部36側、即ち伝熱ブロック4を外側ケース8に収容した状態でいうと端子部16側の端には、熱媒体の入口ポート40がパイプ状をなして突設されている。一方、外側ケース8の側面8cのケース開口端部36と反対側の底部8d側の端には、側面8cにおいて入口部40と略対角線上に熱媒体の出口部42がパイプ状をなして突設されている。すなわち、入口ポート40と出口ポート42とは側面8cの長手方向に対角をなす各頂部の近傍にそれぞれ設けられる。
Further, when the
図7に示されるように、ガイド34は電熱線ヒータ2の長手方向に対し垂直方向に交互に高さをずらして2つ設けられ、具体的には、図7でみて正面側のガイド34の高さは、この正面とは反対側の背面側のガイド34の高さが一方の背面側のガイド34の高さよりも高い場合には低くされ、逆に背面側のガイド34の高さが一方の背面側のガイド34の高さよりも低い場合には高くされている。これにより、図7中に実線矢印及び破線矢印で示されるように(伝熱ブロック4の背面側の熱媒体の流れは破線矢印で示す)、熱媒体はガイド34に沿って電熱線ヒータ2の長手方向、即ち入口ポート40から出口ポート42に向けて蛇行しながら流路6を流通する。
As shown in FIG. 7, two
図8は、図1のA方向から見た電熱線ヒータ2と挿入穴28との材料組織レベルの隙間Cを概念的に示した拡大図である。本実施形態では、各挿入穴28の穴径dは、各金属パイプ10、すなわち各電熱線ヒータ2の外径Dよりも少なくとも10μm以上、好ましくは30〜40μm程度小さく形成され、電熱線ヒータ2は挿入穴28に焼ばめによって密着した状態で嵌合されている。
FIG. 8 is an enlarged view conceptually showing the gap C at the material structure level between the
焼ばめは収縮ばめの一種であり、外側部材である伝熱ブロック4を150〜250℃程度の焼ばめ加熱温度で加熱して膨張させた状態で、冷却して収縮させた内側部材である電熱線ヒータ2を挿入穴28に挿入する。そして、この状態で放置して常温まで冷却することにより、電熱線ヒータ2を挿入穴28に少なくとも10μm以上、好ましくは30〜40μm程度の締めしろ分に相当するしまりばめで嵌合させることができる。なお、本実施形態の場合には、締めしろを50μm以上とすると電熱線ヒータ2を挿入穴28に挿入できず、締めしろの大きさには限界があることが判っている。
Shrink fit is a kind of shrink fit. Inner member that is cooled and shrunk in a state where
SUSの金属パイプ10の外表面10aと、アルミニウム合金の伝熱ブロック4に形成される挿入穴28の内表面28aとには、それぞれの加工精度に応じた表面粗さによる凹凸が生じている。そして、挿入穴28に対する電熱線ヒータ2のはめあいがすきまばめ、又は中間ばめの場合には勿論、図8に示すしまりばめの場合にも、材料組織レベルでは電熱線ヒータ2と伝熱ブロック4との間には隙間Cが生じている。
On the
図9は図8の隙間Cと電熱線ヒータ2の内部温度Tiとの関係を示した図である。図9は、ECU26により設定された流路6を流れる熱媒体の目標温度Ttを一定とした条件下で隙間Cを変えたときの金属パイプ10内の耐熱絶縁材14における内部温度Tiを実験により観察した結果である。この図によれば、隙間Cが大きくなって上記はめあいがすきまばめ傾向になると、隙間Cで生じた空気層による熱抵抗が発生し、電熱線ヒータ2から伝熱ブロック4、ひいては流路6を流れる熱媒体への伝熱が阻害される。この結果、目標温度Ttが一定であることにより電熱線ヒータ2の発熱量は一定であるにも拘わらず、電熱線ヒータ2の熱の逃げ場がなくなり、電熱線ヒータ2内が断熱された状態となって内部温度Tiが著しく上昇する。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the gap C in FIG. 8 and the internal temperature Ti of the
一方、隙間Cが0mm、すなわち、はめあい公差がほぼ0となる中間ばめのときには内部温度Tiは低下するものの最低とはならず、隙間Cが−10μmとなるしまりばめとなっても内部温度Tiは低下している。これは、上記はめあいがしまりばめの場合であっても材料組織レベルの隙間Cは存在するものの、隙間Cが小さくなり、空気層が小さくなることにより熱抵抗も小さくなり、上記はめあいがすきまばめ又は中間ばめである場合に比して伝熱性能が高まり、電熱線ヒータ2内の断熱状態が抑制されることを示しており、この結果、内部温度Tiが低下する。
On the other hand, when the gap C is 0 mm, that is, when the fit is an intermediate fit where the fit tolerance is almost zero, the internal temperature Ti is lowered but not the lowest. Even if the gap C is −10 μm, the internal temperature is reduced. Ti is decreasing. This is because the gap C at the material structure level exists even in the case where the fit is an interference fit, but the clearance C is reduced and the thermal resistance is reduced due to a reduction in the air layer. This indicates that the heat transfer performance is enhanced as compared with the case of the second or intermediate fit, and the heat insulation state in the
図10は流路6を流れる熱媒体の目標温度Ttを80℃としたときの伝熱ブロック4内の温度分布を示した図である。この図は、流路6と電熱線ヒータ2との間における伝熱ブロック4に温度センサ44を埋め込み、温度センサ24、44で検出した各温度と、それぞれ、伝熱ブロック4:Al、金属パイプ10:SUS、耐熱絶縁材14:MgOの材料で構成される各部の熱伝導性とにより、伝熱ブロック4内の上記各部の温度Tを推定した結果である。
FIG. 10 is a diagram showing the temperature distribution in the
図10によれば、挿入穴28に対する電熱線ヒータ2のはめあいがすきまばめ又は中間ばめの場合には、点線で示すように、隙間Cが大きいことにより挿入穴28と金属パイプ10との間の熱抵抗も大きくなり、金属パイプ10の外表面10aと挿入穴28の内表面28aとの間には100℃程度の温度ギャップTg’が発生することが推定される。この結果、電熱ヒータ2内が断熱状態となり、熱媒体の目標温度Ttが80℃であるのに対し、内部温度Tiは500℃程度に達することがある。
According to FIG. 10, when the fit of the
一方、本実施形態では、挿入穴28に対する電熱線ヒータ2のはめあいがしまりばめとなるため、実線で示すように、隙間Cが比較的小さいことにより挿入穴28と金属パイプ10との間の熱抵抗も小さくなり、金属パイプ10の外表面10aと挿入穴28の内表面28aとの間には10℃程度の温度ギャップTgしか発生しないことが推定される。この結果、電熱ヒータ2内での断熱状態も抑制され、熱媒体の目標温度Ttが80℃であるのに対し内部温度Tiは250℃程度に抑えられる。
On the other hand, in this embodiment, since the fitting of the
図11は図10の温度分布の時系列的な変化を示した図である。この図から明らかなように、当初は温度ギャップはTg0であってほぼ0℃であるが、時間の経過とともに温度ギャップはTg1、Tg2と徐々に大きくなり、熱媒体の温度が目標温度Ttの80℃に達すると、温度ギャップTgは最も大きい10℃程度に安定する。すなわち、温度ギャップTgは、ECU26による通電制御の開始から徐々に大きくなって目標温度Ttに達した時点で最も大きい状態で保持される。
FIG. 11 is a diagram showing a time-series change in the temperature distribution of FIG. As is apparent from this figure, the temperature gap is initially Tg0, which is approximately 0 ° C., but the temperature gap gradually increases with time as Tg1 and Tg2, and the temperature of the heat medium becomes 80% of the target temperature Tt. When it reaches ° C., the temperature gap Tg stabilizes at about 10 ° C. which is the largest. That is, the temperature gap Tg is gradually increased from the start of the energization control by the
以上のように本実施形態の車両用加熱装置1によれば、電熱線ヒータ2は挿入穴28に焼ばめによって嵌合されることにより、電熱線ヒータ2と挿入穴28とが密着状態となり、電熱線ヒータ2の金属パイプ10と伝熱ブロック4との材料組織レベルの隙間Cを小さくすることができる。従って、電熱線ヒータ2と伝熱ブロック4との間の空気層の存在に起因する熱抵抗を小さくすることができ、電熱線ヒータ2と伝熱ブロック4との間で発生する温度ギャップTgを小さくすることができるため、加熱装置1の伝熱効率を向上することができる。
As described above, according to the
また、温度ギャップTgが大きいことによって電熱線ヒータ2から伝熱ブロック4、ひいては流路6を流れる熱媒体への伝達が阻害された結果生ずる電熱線ヒータ2内の断熱状態を抑制することができる。従って、電熱線ヒータ2が異常に高温になって熱劣化することが防止され、電熱線ヒータ2、ひいては加熱装置1の耐久性を向上することができる。
Further, since the temperature gap Tg is large, it is possible to suppress the heat insulation state in the
更に、隙間Cを小さくすることによるしまりばめで電熱線ヒータ2を挿入穴28に嵌合して固定するため、電熱線ヒータ2を挿入穴28に固定するための接着剤は不要である。また、伝熱効率を良くするための高熱伝導性のシリコン材を隙間Cに配置したり、或いは隙間Cに熱伝導性パテを埋め込んだりする必要がないため、上記接着剤、熱伝導材の熱劣化に伴う伝熱効率の低下を防止することができる。
Further, since the
本発明は上述の実施例に制約されるものではなく、更に種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、伝熱ブロック4はアルミニウム合金、金属パイプ10はSUSから形成されるが、これらの材料には限定されず、伝熱ブロック4は熱収縮性が高い材料であって、金属パイプ10は高耐熱性材料であれば他の材料でも良い。
また、上記実施形態の挿入穴28は寸法精度良く形成できるのであれば、その加工方法は問わない。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
For example, in the above embodiment, the
Moreover, the
更に、上記実施形態の温度やはめあい公差の数値は実験結果としての一例であって、これらの数値には限定されない。しかし、焼ばめの締めしろが少なくとも10μm以上であることにより、電熱線ヒータ2と伝熱ブロック4との材料組織レベルの隙間Cが小さくなり、加熱装置1の伝熱効率及び耐久性を効果的に向上することができて好ましい。
Furthermore, the numerical values of the temperature and the fitting tolerance in the above embodiment are examples of experimental results, and are not limited to these numerical values. However, when the interference fit is at least 10 μm or more, the gap C at the material structure level between the
1 車両用加熱装置
2 電熱線ヒータ
4 伝熱ブロック
6 流路
28 挿入穴
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記電熱線ヒータで加熱された熱媒体が流れる流路とを備え、
前記電熱線ヒータは前記挿入穴に焼ばめによって嵌合されることを特徴とする車両用加熱装置。 A heat transfer block having an insertion hole for accommodating a heating wire heater;
A flow path through which the heat medium heated by the heating wire heater flows,
The heating apparatus for vehicles, wherein the heating wire heater is fitted into the insertion hole by shrink fitting.
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