JP2013020805A - ヒータ構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】加熱効率を向上させることができるとともに、十分な強度を得られるヒータ構造を提供すること。
【解決手段】外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備え、上記発熱装置が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、1面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなる発熱体と、モールドとからなり、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄い、内燃機関の二次空気供給装置に使用可能なヒータ構造。
【選択図】 図2

Description

本発明は、内燃機関の二次空気供給装置等に使用可能なヒータ構造に係り、特に、効率的にエアポンプの凍結を防止することができるものに関する。
従来から、内燃機関の排気系に配置された排気浄化用の触媒に二次空気を供給することにより、触媒の活性化を促進し、有害成分の排出の低減を図る二次空気供給装置が知られている。例えば、特許文献1〜3には、二次空気を加熱することにより、触媒を早期に活性化させる技術が開示されている。
一方、各種機器の凍結防止に関しては、種々の発熱素子を使用した発熱装置により機器を加熱し凍結防止をすることが公知であるが、特に、正特性サーミスタ(以下、PTCと記す)発熱素子が種々の分野で着目され利用されている。これはPTC発熱素子が低温で固有の抵抗値を持ち発熱素子として作用し、所定温度(キュリー温度)以上では急激に抵抗値が増大して通電をカットするという自己温度制御機能を有し、安全性が極めて高いからである。このような特性を有するPTC発熱素子に一対の電極端子を接続し、適宜絶縁処理を施せば、各種機器の凍結防止用ヒータとして好適なPTC発熱体を得ることができる。
このようなPTC発熱体として、例えば特許文献4には、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、絶縁ケースと、からなる正特性サーミスタ発熱装置において、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子は、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが絶縁ケースにより絶縁されているものが開示されている。また、PTC発熱素子に関連する技術として、例えば、特許文献5〜10が挙げられる。
特開平6−241034公報:三菱電機 特開2009−52496公報:トヨタ自動車 特開2009−138529公報:トヨタ自動車 特開2010−135274公報:クラベ 特開昭60−49604号公報:村田製作所 特公平1−21601号公報:村田製作所 実開昭56−21288号公報:日立製作所 実開昭62−103203号公報:ティーディーケイ 特開平8−306469号公報:クラベ 特許第3804695号公報:クラベ
しかしながら、当該二次空気供給装置が搭載された自動車において、上記特許文献1〜3に開示された技術では、高速走行時の風の影響による温度低下への対応が充分なものと言えなかった。例えば、想定を超える厳しい使い方によりエアポンプに水が入った後に極寒中で高速走行をした場合、搭載位置によってはエアポンプ自体が凍結し、故障と誤判定してしまう恐れもあった。
このような問題に対し、発熱効率の高い上記特許文献4による発熱装置を熱源として使用することも検討されたが、それでも充分ではなく、更なる加熱効率の向上が求められていた。即ち、特許文献4による発熱装置は、発熱自体の効率は向上しているものの、その熱を被加熱体に有効に伝熱させることが十分ではなかったため、結果として加熱効率が十分ではなかった。特に、発熱体としてPTC発熱素子を使用する場合、キュリー温度で素子の抵抗値が大きくなってそれ以上の温度には発熱しなくなる。そのため、効率よく伝熱させなければ、PTC発熱素子はキュリー温度付近で温度保持され、被加熱物は一向に温まらないということになってしまう。一方で、モールドは保護材のみならず絶縁体としての役割も有していることから、十分な強度も求められていた。
本発明はこのような従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、発熱装置の加熱効率を向上させることができ、エアポンプの凍結が確実に防止することができるヒータ構造を提供することにある。
前記目的を達成するべく、本発明によるヒータ構造は、外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備え、上記発熱装置が、発熱体と該発熱体を覆う樹脂又はゴムからなるモールドからなり、上記発熱体が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、1面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなり、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が、電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子が、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが、絶縁ケースにより絶縁されており、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄いものである。
又、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さが保護シート厚さよりも薄いことが考えられる。
又、上記モールドがシリコーンゴムからなり、上記保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなることが考えられる。
又、上記ヒータ構造を内燃機関の二次空気供給装置に使用することが考えられる。
なお、上記したモールド厚さ及び保護シート厚さは、実質的に発熱する部分に該当する位置のモールド厚さ及び保護シート厚さを示し、厚さが均一ではない場合は平均値にて求められる。具体的には、PTC発熱素子が存在する部分を投影した位置のモールド厚さ及び保護シート厚さとなる。
本発明によるヒータ構造によれば、発熱装置におけるエアポンプに接する側の面のモールドが薄く、より効率的にエアポンプに熱が伝達するため、加熱効率を向上させることができる。しかも、保護シートにより補強されることになるため、強度的にも問題が生じることは無い。
特に、モールドがシリコーンゴムからなり、保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなるものであれば、保護シートは十分な強度を持ち、モールド及び保護シートが優れた耐熱性を有し、且つ、圧縮により容易にモールドと保護シートを圧着することができるため好ましい。
本発明による発熱装置の構造を示す斜視図である。 図1におけるII−II´断面図(y−z面)である。 図1におけるIII−III´断面図(x−y面)である。 図1におけるIV−IV´断面図(x−z面)である。 第二の電極端子を示す斜視図である。 絶縁ケースを示す斜視図である。 底面側から見た絶縁ケースを示す斜視図である。 本発明による発熱装置をエアポンプに取り付けた例を示す概略斜視図である。 本発明に係るヒータ構造が採用された内燃機関システムを概略的に示した図である。
図1〜図9を参照して本発明によるヒータ構造の実施の形態を説明する。二次空気供給装置は、外気を吸引して吐出するエアポンプ42と、上記エアポンプ42から吐出された外気を内燃機関の排気系に供給する二次空気供給路41と、上記エアポンプ42に配置され該エアポンプ42を加熱する発熱装置10からなるものである。
発熱装置10は、発熱体20と該発熱体20を覆う樹脂又はゴムからなるモールド31からなり、上記発熱体20が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子23と、第一の電極端子21と、第二の電極端子22と、1面を開口させた箱形状の絶縁ケース24からなるものである
第一の電極端子21は、厚さ0.2mmのバネ弾性に優れたステンレス板からなり、側面から見て弧状の曲面形状となっている。そのため、平面に配して押さえつければ、それに反発するように付勢されることになる。
第二の電極端子22は、図5に示す形状となっている。厚さ0.5mmのバネ弾性に優れたステンレス板により、断面コの字形状に形成されている。図5に示すように、2つの略水平面とそれらをつなぐ垂直面があり、一方の略水平面は他方より長くなっており、且つ、先端が幅広となっている。第二の電極端子22は、垂直部の高さ4.6mm、開口部先端の隙間は1.2mmで設計されており、PTC発熱素子、第一の電極、及び、絶縁ケースを掴持した際には、開口部が閉じるように付勢されることになる。尚、垂直部は厳密に垂直である必要はなく、例えば、傾きを持っていても良いし、この部分が略「く」の字状になっていても良い。
第一の電極端子21や第二の電極端子22を構成する材料としては、バネ弾性を有し、かつ電極として機能するものであれば特に限定されない。例えば、ステンレス板、りん青銅板、ニッケルメッキ真鍮板、スズメッキ真鍮板、銀メッキ真鍮板などを挙げることができる。これらの中でも、ステンレス板、りん青銅板などは長期間冷熱サイクルを受けた場合にも、そのバネ弾性を充分に保持することができるため、特に好ましい。
PTC発熱素子23は、縦6.5mm、横18.1mm、厚さ2.5mmの角板状に形成されたチタン酸バリウム系セラミック素子からなり、相対する両主面にはそれぞれ銀ペーストからなる電極が形成されている。この電極を形成した主面の一方が+極、もう一方が−極とされる。尚、PTC発熱素子の材料については、必要とされる発熱特性(例えば、キュリー温度等)に応じて適宜設定すればよい。
絶縁ケース24は、ポリフェニレンサルファイド樹脂からなり、図6、図7に示す形状となっている。1面を開口させた箱形状であり、絶縁ケース24の底面裏側には上記第二の電極端子22の幅とほぼ同幅の溝が形成されている。また、図6でいう長手方向の側面は、底面からの高さが3.3mmであり、第一の電極端子21とPTC発熱素子23のそれぞれの厚さを足した値よりも大きくなっている。
これらの構成部材を組付けて発熱体20とする手順について説明する。まず、絶縁ケース24内に第一の電極端子21とPTC発熱素子23を順次配置する。この状態で、第二の電極端子22の開口部を広げ、第一の電極端子21とPTC発熱素子23が配置された絶縁ケース24を第二の電極端子22の開口部に嵌め込む。すると、第二の電極端子22は、開口部を閉じる方向に付勢され、第一の電極端子21はPTC発熱素子23を第二の電極2側に押し付けるように付勢され、これらが固定保持される。これにより、第一の電極1とPTC発熱素子23の電気的接続、及び、第二の電極2とPTC発熱素子23の電気的接続が図られることになる。また、第一の電極1と第二の電極2とは、絶縁ケース24により絶縁されることになる。
ここで、絶縁ケース24の底面裏側には第二の電極2の幅とほぼ同幅の溝が形成されており、この溝に第二の電極端子22が嵌め込まれた状態となっている。また、絶縁ケース24の開口した面においても、上記したように、絶縁ケース24の長手方向の側面は、底面からの高さが、第一の電極端子21、及び、PTC発熱素子23のそれぞれの厚さを足した値よりも大きく、この絶縁ケース24の長手方向の側面間に第二の電極端子22が嵌め込まれた状態となる。そのため、第二の電極端子22が上記した絶縁ケース24の溝による壁や長手方向の側面に当たって横ズレしないので、導通不良の可能性は更に低いものとなる。
また、第二の電極端子22は、絶縁ケース24の底面裏側に配される側の面が絶縁ケース24の長さより長く、且つ、上記したように、絶縁ケース24からはみ出る部分について、上記絶縁ケース24の溝よりも幅広となっている。そのため、この幅広の部分が絶縁ケース24の底面に形成された溝の壁の端に当たり、ストッパーとなることから、第二の電極端子22を嵌め込んだ方向と逆方向に抜けてしまうことも防止することができる。
また、上記のように本実施の形態による発熱体20は、一方の面は第二の電極端子22のみが存在するのに対し、もう一方の面には、第一の電極端子21、絶縁ケース24、第二の電極端子22が積層されて断熱されるため、両面で発熱の温度差が生じることになる。従って、通常は、第二の電極端子22のみが存在する側の面(図2及び図4における上側面)が、エアポンプ42に接する側とされる。ここで、絶縁ケース24の底面の厚さを変更する、絶縁ケース24の底面に穴を設ける、絶縁ケース24の材料について熱伝導率の異なる材料に変更する、といったことにより、両面での発熱の温度差を適宜設定することも考えられる。
第一の電極21に接続されるリード線6、第二の電極端子22に接続されるリード線7については、半田付け、溶接、端子打ちなど、適宜に接続すればよい。作業の容易さから、当初の段階でリード線32,33を接続し、その後に各部材の組付けをした方が好ましい。
このようにして第一の電極端子21、PTC発熱素子23、絶縁ケース24、及び、第二の電極端子22の組付けをして発熱体20とした後、これらの周囲に、樹脂又はゴムによりモールド31を形成する。こうすることにより、発熱装置10として防水性を有することとなるとともに、第二の電極端子22にズレが生じることによる導通不良の可能性は確実になくなる。また、モールド31により、外部からの衝撃を弾力的に吸収することもできる。モールド31に使用される樹脂又はゴムとしては一般的なものを適宜に使用すればよいが、本実施の形態では、柔軟で耐熱性に優れるシリコーンゴムを使用している。なお、リード線32,33の導出部について、防水のためRTVシリコーンゴム等により封止してもかまわない。
また、モールド31の被加熱物に接する側の面には、保護シート34が形成される。保護シート34は、モールド31の補強をするために用いられるものであるため、引張強度に優れ、また、モールド31の柔軟性を阻害しないものが選択される。例えば、種々の樹脂やゴムが含浸された繊維布が好ましく使用される。本実施の形態においては、モールド31としてシリコーンゴムを使用していることから、これとの接着性に優れる材料として、厚さ0.3mmのシリコーンゴム含浸ガラス布を使用している。ここで、発熱装置10における被加熱物に接する面のモールド31厚さと保護シート34厚さの和が、被加熱物に接する面に対向する面のモールド31厚さより薄く形成される。図2及び図4において、上側が被加熱物に接する面となり、本実施の形態においては、被加熱物に接する面のモールド31厚さと保護シート34厚さの和が0.5mm、被加熱物に接する面に対向する面のモールド31厚さが2.5mmとなっている。これにより、発熱体20からの熱が効率的に被加熱物に伝わることになり、発熱装置10の加熱効率が向上することとなる。
モールド31及び保護シート34の形成方法としては、金型による圧縮成形や射出成形など、従来公知の方法により形成すればよい。例えば、発熱体20の周囲にモールド31及び保護シート34を配置して加圧して形成するなどの方法が考えられる。また、発熱体20におけるエアポンプ42に接する面において、モールド31を介さずに保護シート34が配置されることも考えられるが、加熱効率は非常に向上されるものの、強度の点で劣ることとなるため、薄いものであっても、発熱体20と保護シート34の間にはモールド31があることが好ましい。
上記のようにして得られた発熱装置10は、例えば、図8に示すようにしてエアポンプ42に設置される。特に自動車用の内燃機関に適用する場合には、外気温や車速等と連動した制御により適宜発熱装置10への通電がなされ、これにより、発熱装置10からの熱がエアポンプ42に伝導し、エアポンプ42の凍結が防止されることとなる。
図9は、本発明に係る二次空気供給装置が採用された内燃機関システムを概略的に示している。内燃機関であるエンジン50には、排気ガスを大気へと排出する排気通路61が連結されている。排気通路61には、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒62が設けられている。また、排気通路61の触媒62よりも上流側に、二次空気である大気を供給するべく、二次空気供給通路41が排気通路61に連通している。二次空気供給通路41には、上流側から順に、エアポンプ42、バルブ43が設けられている。エアポンプ42、バルブ43は、それぞれECU44によって各動作が制御されており、上記発熱装置10もこのECU44によって制御されるものである。ECU44は、エンジンシステムの動作全体を制御する電子制御ユニットである。エアポンプ42は、二次空気を加圧して排気通路61に圧送するものであり、公知のエアポンプと同一の構成である。バルブ43は、ECU44によってその開閉動作が制御され、二次空気を供給する際に開かれるものである。これら二次空気供給通路41、エアポンプ42、バルブ43、ECU44が、エンジンの排気系に二次空気を供給するための二次空気供給システムとして機能する。また、排気通路61、触媒62がエンジン50の排気システムとして機能する。
上記のようにして得られた発熱装置10について、以下の通り温度測定を行った。図2に示すように、エアポンプ42が接する面(第二の電極端子22のみが存在する面)の中心部をA点、エアポンプ42に接する面に対向する面(第一の電極端子21、絶縁ケース24、第二の電極端子22が積層された面)の中心部をB点とし、両方の点での温度差を検証した。本試験では、PTC発熱素子23としてキュリー温度180℃のものを使用し、雰囲気温度20℃として、加熱開始から600秒後のA点及びB点の温度を測定した。試料数を4としてその平均値を算出し、結果を表1に示す。なお、比較の形態として、上記実施の形態において、保護シート34を設けず、被加熱物が接する面のモールド31厚さを1.5mm、被加熱物に接する面に対向する面のモールド31厚さを1.5mmとしたものを作成し、併せてA点、B点の温度差を検証した。
Figure 2013020805
表1に示すように、本発明の実施の形態による発熱装置は、一方の面ともう一方の面で温度差を有するものであることが確認された。特に、実施の形態による発熱装置は、比較の形態と比べてA点とB点の温度差が大きく、PTC発熱素子23からの熱が効率的に被加熱物に伝わるものである。
更に、上記本実施の形態及び比較の形態による発熱装置10を実際にエアポンプ42に取り付け、被加熱物の温度を測定した。エアポンプ42は、図8に示す概略形状のSUS製のものであり、このエアポンプ42に発熱装置10がSUS製取付金具35によって設置される。本試験では、被加熱物の温度の測定位置は、併せて図8に示すC点、D点、E点とし、PTC発熱素子23としてキュリー温度217℃のものを使用し、雰囲気温度−10℃、風速8.0m/sとして、加熱開始から1000秒後の温度を測定した。結果を表2に示す。
Figure 2013020805
表2に示すように、本実施の形態による発熱装置10で加熱されたエアポンプ42は、何れの位置においても、比較の形態のものよりも温度が高く、加熱効率に優れていることが確認された。
また、本実施の形態による発熱装置は、モールド31が薄くなっている部分についても保護シート34によって十分に強度が保持されており、取付金具35によってエアポンプ42に取り付けた際にも、モールド31に割れ等が生じることはなかった。
以上詳述したように本発明によれば、発熱装置の加熱効率を向上させることができ、エアポンプの凍結が確実に防止することができるヒータ構造を提供することができる。このようなヒータ構造は、二次空気供給装置に好適に使用することができる。また、このようなヒータ構造を備えた二次空気供給装置は、例えば、自動車の内燃機関として好適に使用することができる。
10 発熱装置
20 発熱体
21 第一の電極端子
22 第二の電極端子
23 PTC発熱素子
24 絶縁ケース
31 モールド
32,33 リード線
34 保護シート
41 二次空気供給路
42 エアポンプ
これらの構成部材を組付けて発熱体20とする手順について説明する。まず、絶縁ケース24内に第一の電極端子21とPTC発熱素子23を順次配置する。この状態で、第二の電極端子22の開口部を広げ、第一の電極端子21とPTC発熱素子23が配置された絶縁ケース24を第二の電極端子22の開口部に嵌め込む。すると、第二の電極端子22は、開口部を閉じる方向に付勢され、第一の電極端子21はPTC発熱素子23を第二の電極端子22側に押し付けるように付勢され、これらが固定保持される。これにより、第一の電極端子21とPTC発熱素子23の電気的接続、及び、第二の電極端子22とPTC発熱素子23の電気的接続が図られることになる。また、第一の電極端子21と第二の電極端子22とは、絶縁ケース24により絶縁されることになる。
ここで、絶縁ケース24の底面裏側には第二の電極端子22の幅とほぼ同幅の溝が形成されており、この溝に第二の電極端子22が嵌め込まれた状態となっている。また、絶縁ケース24の開口した面においても、上記したように、絶縁ケース24の長手方向の側面は、底面からの高さが、第一の電極端子21、及び、PTC発熱素子23のそれぞれの厚さを足した値よりも大きく、この絶縁ケース24の長手方向の側面間に第二の電極端子22が嵌め込まれた状態となる。そのため、第二の電極端子22が上記した絶縁ケース24の溝による壁や長手方向の側面に当たって横ズレしないので、導通不良の可能性は更に低いものとなる。
また、第二の電極端子22は、絶縁ケース24の底面裏側に配される側の面が絶縁ケース24の長さより長く、且つ、絶縁ケース24からはみ出る部分について、上記絶縁ケース24の溝よりも幅広となっている。そのため、この幅広の部分が絶縁ケース24の底面に形成された溝の壁の端に当たり、ストッパーとなることから、第二の電極端子22を嵌め込んだ方向と逆方向に抜けてしまうことも防止することができる。
上記のようにして得られた発熱装置10について、以下の通り温度測定を行った。図2に示すように、エアポンプ42が接する面(第二の電極端子22のみが存在する面)の中心部をA点、エアポンプ42に接する面に対向する面(第一の電極端子21、絶縁ケース24、第二の電極端子22が積層された面)の中心部をB点とし、両方の点での温度差を検証した。本試験では、PTC発熱素子23としてキュリー温度180℃のものを使用し、雰囲気温度20℃として、加熱開始から600秒後のA点及びB点の温度を測定した。試料数を4としてその平均値を算出し、結果を表1に示す。なお、比較の形態として、上記実施の形態において、保護シート34を設けず、被加熱物が接する面のモールド31厚さを1.5mm、エアポンプ42に接する面に対向する面のモールド31厚さを1.5mmとしたものを作成し、併せてA点、B点の温度差を検証した。

Claims (4)

  1. 外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備えたヒータ構造において、
    上記発熱装置が、発熱体と該発熱体を覆う樹脂又はゴムからなるモールドからなり、上記発熱体が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、1面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなり、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が、電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子が、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが、絶縁ケースにより絶縁されており、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、
    上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄いことを特徴するヒータ構造。
  2. 上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さが保護シート厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1記載のヒータ構造。
  3. 上記モールドがシリコーンゴムからなり、上記保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のヒータ構造。
  4. 内燃機関の二次空気供給装置用である請求項1〜請求項3何れか記載のヒータ構造。
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