JP2013177019A - 熱媒体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングを樹脂で作製しても、必要な強度を確保できるとともに、耐振性に優れる熱媒耐加熱装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ＰＴＣヒータ１８と、熱交換器要素を収容するハウジング１１と、を備え、ハウジングは１１、外部に固定される側の下部ハウジング１１ｂと、下部ハウジング１１ｂに対してねじ止めされる上部ハウジング１１ａと、からなり、下部ハウジング１１ｂと上部ハウジング１１ａは、各々、ねじ止めされる複数の箇所にねじ止め用の鍔１１３，１１７が形成され、上部ハウジング１１ａには、対向するねじ止め用の鍔１１７を繋ぎ、二本が一対をなす１１４ｃ，１１４ｃが形成されている、
ことを特徴とする熱媒体加熱装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータを用いて熱媒体を加熱する装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド車などに適用される車両用空調装置において、暖房用の熱源となる非加熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置として、正特性サーミスタ素子（Positive Temperature Coefficient，以下、ＰＴＣ素子）を発熱要素として用いるＰＴＣヒータが知られている。ＰＴＣヒータは、温度の上昇とともに抵抗値が上昇し、これによって消費電流が制御されるとともに温度上昇が緩やかになり、その後、消費電流及び発熱部の温度が飽和領域に達して安定するものであり、自己温度制御特性を備えている。

ＰＴＣヒータを用いた熱媒体加熱装置として、例えば、特許文献１、２に開示されるものが知られている。これらはいずれも、内部を熱媒体が流れるチューブにＰＴＣヒータを密着させるものであり、加熱される熱媒体をチューブに運ぶ入口配管及び加熱された熱媒体をチューブから外部に向けて運ぶ出口配管が、チューブを含む熱交換器要素と一体的に組み付けられている。そして、この形態は、ハウジング内にチューブを含む熱交換器要素を収納するとともに、所定の間隔を設けて配置されている入口配管及び出口配管がハウジングを貫通し、かつその周囲がハウジングに封止されている。熱交換要素から漏れた熱媒体が外部に漏れるのを阻止するためである。

特開２００９−１４２０００号公報 特許第４０５２１９７号公報

特許文献１、２に開示される熱媒体加熱装置は、チューブを含む熱交換器要素と一体化された入口配管及び出口配管の周囲がハウジングに密に封止されている。したがって、ＰＴＣヒータにより熱交換器要素が加熱され膨張すると、入口配管及び出口配管はその間隔が拡がるように位置が移動する。通常、ハウジングは、ＰＴＣヒータと離間しているので、ＰＴＣヒータによる熱の影響を受けにくい。そのために、ハウジングに入口配管及び出口配管が干渉し、ハウジングを破損するおそれがある。特に、重量低減、コスト削減の観点から、樹脂でハウジングを形成すると、一般的にアルミニウム合金から形成される入口配管及び出口配管に比べてハウジングの強度が低いので、破損するおそれがある。また、熱媒体加熱装置は、車両に固定されるため、車両の振動の影響を受ける。この振動も加わって、破損のおそれを助長する。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、ハウジングを樹脂で作製しても、必要な強度を確保できるとともに、耐振性に優れる熱媒耐加熱装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の熱媒体加熱装置は、ＰＴＣヒータと、熱交換器要素を収容するハウジングと、を備え、ハウジングは、外部に固定される側の第１ハウジングと、第１ハウジングとねじ止めにより互いに締結される第２ハウジングと、からなり、第１ハウジング及び第２ハウジングは、各々、ねじ止めされる複数の箇所にねじ止め用鍔が形成され、第２ハウジングには、対向するねじ止め用鍔を繋ぎ、二本が一対をなす第１リブが形成されている、ことを特徴とする。
また本発明の第２ハウジングは、第１リブと交差し、対向する他のねじ止め用鍔を繋ぐ第２リブが形成されていることが好ましい。

本発明によると、第２ハウジングに上述した第１リブが形成されているため、第２ハウジングの強度を向上できるとともに、耐振性に優れる熱媒体加熱装置が提供される。

本実施の形態における熱媒体加熱装置の分解斜視図である。 図１に示す熱媒体加熱装置を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側縦面図である。 図１に示す熱媒体加熱装置に適用する扁平状の熱交換チューブを示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は（Ｂ）の３Ｃ−３Ｃ断面図である。 図１に示す熱媒耐加熱装置の上部ハウジングを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態に係る熱媒体加熱装置１０（熱交換器）は、図１〜図４に示されるように、制御基板１３と、電極板１４（図２（Ｂ）参照）と、ＩＧＢＴ等からなる複数個の半導体スイッチング素子１２（図２（Ｂ）参照）と、熱交押え部材１６と、複数枚（例えば、３枚）の扁平状の熱交換用のチューブ１７と、複数組のＰＴＣ素子（Positive Temperature Coefficient）１８ａ（図２（Ｂ）参照）と、これら制御基板１３、電極板１４、半導体スイッチング素子１２、積層されたチューブ１７（熱交換用管体）、および熱交押え部材１６等を収容するハウジング１１と、を備えている。
なお、電極板１４、ＰＴＣ素子１８ａおよび絶縁体（図示せず）等により、複数組のＰＴＣヒータ１８が構成される。

＜ハウジング＞
ハウジング１１は、上半部と下半部とに２分割された構成になっており、上半部を構成する上部ハウジング１１ａ（第２ハウジング，図２（Ｂ），図４参照）と、下半部を構成する下部ハウジング１１ｂ（第１ハウジング）とを備えている。また、上部ハウジング１１ａおよび下部ハウジング１１ｂの内部には、下部ハウジング１１ｂの上方から下部ハウジング１１ｂの開口部１１ｃに上部ハウジング１１ａを載置することによって、制御基板１３、半導体スイッチング素子１２、電極板１４、熱交押え部材１６、積層された複数枚のチューブ１７、および複数組のＰＴＣヒータ１８等を収容する空間が形成されるようになっている。下部ハウジング１１ｂ側が、例えば車両に固定される。

上部ハウジング１１ａは、図４に示すように、天板１１１と、天板１１１の周囲から垂下する側壁１１２と、側壁１１２の先端（図では下端）に外側に向けて突出するボルト固定用の鍔１１３と、側壁１１２の先端の全周囲に設けられるフランジ１１５と、を備える。鍔１１３は、図４に示すように、複数個所（本実施形態では８箇所）に設けられている。上部ハウジング１１ａは、ハウジング１１の内部空間に収容されるチューブ１７を形成しているアルミニウム合金と線膨張係数ができるだけ近い樹脂材料（例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート（Polybutylene Terephthalate））により形成されており、ハウジング１１の軽量化、低コスト化に寄与する。

上部ハウジング１１ａは、天板１１１及び側壁１１２の外周面に複数のリブ１１４ａ〜１１４ｃが形成されている。リブ１１４ａ〜１１４ｃは、その終端（両端）が鍔１１３，１１３に繋がっており、対向する側壁１１２に設けられる一対の鍔１１３，１１３を繋ぐように形成されている。天板１１１の長手方向に沿って形成されるリブ１１４ａ、及び、天板１１１の長手方向と直行する幅方向に沿って形成される真ん中のリブ１１４ｂは、一対の鍔１１３，１１３について一本のみ形成されている。これに対して、リブ１１４ｂの両側に形成されるリブ１１４ｃ，１１４ｃは、二本が対となって形成されている。これは、当該鍔１１３，１１３が、他よりも大きいことに対応している。

下部ハウジング１１ｂの下面には、積層された３枚のチューブ１７に導入される熱媒体を導くための熱媒体入口路１１ｄおよびチューブ１７内を流通した熱媒体を導出するための熱媒体出口路１１ｅが一体的に形成されている。
下部ハウジング１１ｂも上部ハウジング１１ａと同様の樹脂材料により作製することができるし、チューブ１７と同様にアルミニウム合金で作製することができる。

また、下部ハウジング１１ｂの下面には、電源ハーネス２７およびＬＶハーネス２８の先端部を貫通するための電源ハーネス用孔１１ｆおよびＬＶハーネス用孔１１ｇ（図２（Ａ）参照）が開口されている。電源ハーネス２７は、制御基板１３および半導体スイッチング素子１２を介してＰＴＣヒータ１８に電力を供給するものであり、先端部が二股状に分岐され、制御基板１３に設けられている２つの電源ハーネス用端子台１３ｃに電源ハーネス接続用ネジ１３ｂによってネジ止めされる。また、ＬＶハーネス２８は、制御基板１３に制御用の信号を送信するものであり、その先端部は、制御基板１３にコネクタ接続可能とされている。

下部ハウジング１１ｂの上端縁には、上部ハウジング１１ａのフランジ１１５と突き合わされるフランジ１１６が形成されている。また、下部ハウジング１１ｂの周囲には、上部ハウジング１１ａの鍔１１３に対応する鍔１１７が形成されている。
上部フランジ１１ａと下部フランジ１１ｂは、フランジ１１５とフランジ１１６が突き合わされ、鍔１１３と鍔１１７を貫通する図示しないボルトとナットにより締結されることで、内部が封止される。

＜半導体スイッチング素子１２および制御基板１３＞
半導体スイッチング素子１２および制御基板１３は、上位制御装置（例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）からの指示に基づいて複数組のＰＴＣヒータ１８に対する通電制
御を行う制御系を構成するものであり、ＩＧＢＴ等の複数個の半導体スイッチング素子１２を介して複数組のＰＴＣヒータ１８に対する通電状態が切替えできるように構成されている。そしてこの複数組のＰＴＣヒータ１８をその両面側から挟み込むように複数枚のチューブ１７が積層されている。

＜チューブ１７＞
チューブ１７は、アルミニウム合金製であり、図３（Ａ）に示されるように、例えば３枚のチューブ１７が互いに平行になるように積層されている。この３枚のチューブ１７は、下段、中段および上段のチューブ１７ｃ、１７ｂ、１７ａの順に積層される。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの扁平チューブ部２０の内部には、図３（Ｃ）に示されるように、コルゲート状のインナーフィン２１が形成されている。これによって、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃには、その軸方向に連通している複数の熱媒体流通路が形成されることとなる。

各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、図３に示されるように、扁平チューブ部２０と、その両端に成形されている熱媒体と供給する入口ヘッダ２２および熱媒体が導出される出口ヘッダ２３と、積層された入口ヘッダ２２間および出口ヘッダ２３間に設けられるシール状の液状ガスケット（シール材）２６と、を備えている。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、図２（Ｂ）に示されるように、ＰＴＣヒータ１８を挟んでその両面側に設けられる電極板１４を両側から挟みこむように互いに平行に積層されている。

また、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、平面視した場合、軸方向（図３（Ｂ）において左右方向）に長い扁平状を呈している。このチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、扁平方向、すなわち、軸方向と直交する厚さ方向（図３（Ｂ）において上下方向）に幅広となっている。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの軸方向の両端部、すなわち、扁平チューブ部２０の両端部には、入口ヘッダ２２と出口ヘッダ２３とが設けられており、入口ヘッダ２２および出口ヘッダ２３の中心部には、それぞれ連通孔２４、２５が設けられている。

また、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを、上記のように積層することによって、上段のチューブ１７ａ、中段のチューブ１７ｂおよび下段のチューブ１７の各連通孔２４、２５が連通され、入口ヘッダ２２同士および出口ヘッダ２３同士が互いに連通されるとともに、各連通孔２４、２５の周囲が液状ガスケット（シール材）２６によって密封状態にシールされるようになっている。

チューブ１７の入口ヘッダ２２には入口配管２２ａが接続され、また、出口ヘッダ２３には出口配管２３ａが接続されている。入口ヘッダ２２と入口配管２２ａの境界、出口ヘッダ２３と出口配管２３ａの境界から、熱媒体が容易に漏れないように接続方法が選択されるべきであるが、本実施形態では管端部にフランジ２２ｂ、２３ｂを形成することで、かしめにより接合している。
チューブ１７が下部ハウジング１１ｂの所定位置に配置されると、入口配管２２ａは熱媒体入口路１１ｄの内部に嵌挿され、また、出口配管２３ａは熱媒体出口路１１ｅの内部に嵌挿される。
入口配管２２ａ（フランジ２２ｂ）と下部ハウジング１１ｂの間、及び、出口配管２３ａ（フランジ２３ｂ）と下部ハウジング１１ｂの間には、図示しないＯリングが設けられているので、入口ヘッダ２２と入口配管２２ａの境界、あるいは、出口ヘッダ２３と出口配管２３ａの境界から、熱媒体が漏れても、ハウジング１１外への漏洩が阻止される。
以上のように、入口配管２２ａ及び出口配管２３ａは、下部ハウジング１１ｂにより、その周囲が封止されている。

熱媒体入口路１１ｄ（入口配管２２ａ）から導かれた熱媒体は、各入口ヘッダ２２から各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの扁平チューブ部２０内へと供給される。この熱媒体は、扁平チューブ部２０内を流通する過程でＰＴＣヒータ１８により昇温される。この熱媒体は、各出口ヘッダ２３に流出し、熱媒体出口路１１ｅ（出口配管２３ａ）を経て熱媒体加熱装置１０の外部へと導出されるようになっている。

＜電極板１４＞
また、電極板１４は、ＰＴＣ素子１８ａに電力を供給するものであり、平面視において、矩形状を呈するアルミニウム合金製の板材とされている。電極板１４は、図２（Ｂ）に示されるように、ＰＴＣ素子１８ａを挟んでその両面に、ＰＴＣ素子１８ａの上面に接するように一枚、また、ＰＴＣ素子１８ａの下面に接するように一枚がそれぞれ積層されている。これら２枚の電極板１４によって、ＰＴＣ素子１８ａの上面と、ＰＴＣ素子１８ａの下面とが挟み込まれるようになっている。

さらに、ＰＴＣ素子１８ａの上面側に位置する電極板１４は、その上面がチューブ１７の下面に接するように配置され、ＰＴＣ素子１８ａの下面側に位置する電極板１４は、その下面がチューブ１７の上面に接するように配置されている。本実施形態の場合には、電極板１４は、下段のチューブ１７ｃと中段のチューブ１７ｂとの間、中段のチューブ１７ｂと上段のチューブ１７ａとの間に各々２枚、合計４枚が配置されている。

４枚の各電極板１４は、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃと略同形とされている。各電極板１４は、その長辺側に１つの端子１４ａが設けられている。電極板１４に設けられている端子１４ａは、各電極板１４を積層させた場合に重なることなく、電極板１４の長辺に沿って位置している。各端子１４ａは、上方に突出するように設けられ、制御基板１３に設けられている端子１３ａに端子接続用ネジ１４ｂを介して接続されるようになっている。

＜基板サブアッセンブリ１５＞
基板サブアッセンブリ１５は、制御基板１３と熱交押え部材１６とを互いに平行に配設し、熱交押え部材１６の上面に設置されているＩＧＢＴ等の複数個の半導体スイッチング素子１２を間に挟み込んでいるものである。制御基板１３と熱交押え部材１６は、例えば４本の基板サブアッセンブリ接続用ネジ１５ａで固定されており、これによって、基板サブアッセンブリ１５は、一体化されている。

基板サブアッセンブリ１５を構成している制御基板１３には、各電極板１４に直列に配列されている４つの端子１４ａに対応して、その一辺の下面に直列に４つの端子１３ａが配列されている。また、４つの端子１３ａと両端側に直列に並ぶように、電源ハーネス２７の２分岐されている先端部と接続される２つの電源ハーネス用端子台１３ｃが設けられている。

図２（Ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ等からなる半導体スイッチング素子１２は、略長方形状に樹脂成形されたトランジスタである。この半導体スイッチング素子１２は、作動することによって熱を生じる発熱素子であり、熱交押え部材１６の上面であって、上段のチューブ１７ａの入口ヘッダ２２近傍に接続用ネジ１２ａを介してねじ止めされ熱交押え部材１６をヒートシンクとして冷却されるようになっている。

基板サブアッセンブリ１５を構成している熱交押え部材１６は、平面視した際に扁平状のアルミニウム合金製板材とされている。この熱交押え部材１６は、制御基板１３よりも軸方向（図２（Ａ）の左右方向）に大きくされたものであり、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを覆うことができる大きさとされている。制御基板１３よりも軸方向に大きくなっている熱交押え部材１６には、該熱交押え部材１６を下部ハウジング１１ｂに固定する基板サブアッセンブリ固定用ネジ１５ｂ（図２（Ａ）参照）が貫通可能な孔（図示せず）が４箇所に設けられている。

基板サブアッセンブリ１５は、積層された上段のチューブ１７ａの上方に載置されている。すなわち、基板サブアッセンブリ１５は、熱交押え部材１６の下面が上段のチューブ１７ａの上面に接するようにして配置されている。この基板サブアッセンブリ１５は、熱交押え部材１６を４本の基板サブアッセンブリ固定用ネジ１５ｂを介して下部ハウジング１１ｂにネジ止めすることにより、熱交押え部材１６の下面と下部ハウジング１１ｂの内底面との間で積層された３枚のチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよびその間に挟まれている２枚のＰＴＣヒータ１８を挟みこんでいる。

このように、基板サブアッセンブリ１５を下部ハウジング１１ｂにネジ止め固定することにより、下部ハウジング１１ｂの内底面方向に積層された３枚のチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよびその間に挟まれている２枚のＰＴＣヒータ１８が押圧付勢されるようになっている。また、基板サブアッセンブリ１５を構成している熱交押え部材１６は、アルミニウム合金製板材であるため、チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ内を流れる熱媒体の冷熱を介して、熱交押え部材１６上に設置されているＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１２を冷却するヒートシンクとして用いられるようになっている。

＜効果＞
さて、以上の構成を有する熱媒体加熱装置１０において、上部ハウジング１１ａは、その外周面にリブ１１４を設けている。したがって、上部ハウジング１１ａは。樹脂で作製されているか、リブ１１４を設けることにより上部ハウジング１１ａの剛性が高くなるので、強度面の懸念が解消される。ここで、上部ハウジング１１ａの鍔１１３と下部ハウジング１１ｂの鍔１１７とをボルトＢで締結すると、ハウジング１１に外力が加わったときに、ボルトＢを介して応力が伝播する。したがって、ボルトＢが係止される鍔１１３，１１３を繋ぐようにリブ１１４を設けることにより、この応力の伝播を軽減できる。特に、二本が対になっているリブ１１４ｃを、相対的に大きな鍔１１３，１１３、つまり大きな応力が生じうる箇所に設けることで、応力を効果的に分散させることができる。また、本実施形態においては、リブ１１４（１１４ａ〜１１４ｃ）を、上部ハウジング１１ａの長手方向及び幅方向の両方向に沿って形成することで、リブ１１４同士が交差しているので、上部ハウジング１１ａ（天板１１１）の平面方向の強度が確保される。
また、リブ１１４は、強度のみならず、熱媒体加熱装置１０に振動が加わったときに、上部ハウジング１１ａの剛性を向上させることにより、耐振性を向上させる。特に、二本が対になっているリブ１１４ｃは、その間に生じた振動を閉じ込めることで、リブ１１４ｃよりも外側への伝播を抑制できる。

以上説明した熱媒体加熱装置１０はあくまで一例であり、本発明では少なくとも以下に説明する変更を加えることができる。
例えば、図示されたリブ１１４の幅、高さは一例にすぎず、上部ハウジング１１ａのサイズ、構成する樹脂材料の強度などの仕様によって適宜設定されるべきである。
また、上部ハウジング１１ａにのみリブ１１４を設けた例を示したが、下部ハウジング１１ｂに同様のリブを設けることもできる。ただし、下部ハウジング１１ｂをアルミニウム合金で作製した場合にはリブを設ける必要性は低い。また、下部ハウジング１１ｂは、車両に固定される側であり、車両の振動は下部ハウジング１１ｂを介して上部ハウジング１１ａに伝播されるので、上部ハウジング１１ａに比べて下部ハウジング１１ｂは強度向上の要請が小さい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０ 熱媒体加熱装置
１１ ハウジング
１１ａ 上部ハウジング
１１ｂ 下部ハウジング
１１ｃ 開口部
１１ｄ 熱媒体入口路
１１ｅ 熱媒体出口路
１２ 半導体スイッチング素子
１２ａ 接続用ネジ
１３ 制御基板
１３ａ 端子
１３ｂ 電源ハーネス接続用ネジ
１３ｃ 電源ハーネス用端子台
１４ 電極板
１４ａ 端子
１４ｂ 端子接続用ネジ
１５ 基板サブアッセンブリ
１５ａ 基板サブアッセンブリ接続用ネジ
１５ｂ 基板サブアッセンブリ固定用ネジ
１６ 部材
１７，１７ａ，１７ｃ チューブ
１８ ＰＴＣヒータ
１８ａ ＰＴＣ素子
２０ 扁平チューブ部
２１ インナーフィン
２２ 入口ヘッダ
２２ａ 入口配管
２２ｂ フランジ
２３ 出口ヘッダ
２３ａ 出口配管
２３ｂ フランジ
１１１ 天板
１１２ 側壁
１１３，１１７ 鍔
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ リブ
１１５，１１６ フランジ

Claims (2)

1. ＰＴＣヒータと、熱交換器要素を収容するハウジングと、を備え、
   前記ハウジングは、外部に固定される側の第１ハウジングと、前記第１ハウジングに対してねじ止めされる第２ハウジングと、からなり、
   前記第１ハウジング及び前記第２ハウジングは、各々、前記ねじ止めされる複数の箇所にねじ止め用鍔が形成され、
   前記第２ハウジングには、対向する前記ねじ止め用鍔を繋ぎ、二本が一対をなす第１リブが形成されている、
   ことを特徴とする熱媒体加熱装置。
2. 前記第２ハウジングは、
   前記第１リブと交差し、対向する他の前記ねじ止め用鍔を繋ぐ第２リブが形成される、
   請求項１に記載の熱媒体加熱装置。

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