JP2013177028A - 熱媒体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体の流通路に近接される制御基板を含めた加熱性能を向上できるＰＴＣヒータを用いる熱媒体加熱装置を提供する。
【解決手段】ＰＴＣヒータ４０により加熱される熱媒体が流れる流通路３３が形成された上部熱媒体流通ハウジング３０と、上部熱媒体流通ハウジング３０に隣接され、ＰＴＣヒータ４０の動作を制御する制御基板を、上部熱媒体流通ハウジング３０に対応する側に収容する基板収容ハウジング２０と、を備える。流通路３３は、上流側流路３３ａと、上流側流路に連なる折り返し流路３３ｂと、折り返し流路３３ｂに連なる下流側流路３３ｃとからなる。制御基板２２は、上流側流路３３ａに対応する上流部２２ａと下流側流路３３ｃに対応する下流部２２ｃの間に隙間が設けられることで区分されている。
【選択図】図２

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。

従来から、被加熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置の１つとして、正特性サーミスタ素子（ＰＴＣ素子）を発熱要素とするＰＴＣヒータを用いたものが知られている。
ＰＴＣヒータは、ヒータの温度が上昇すると消費電流が低くなり、その後一定温度の飽和領域に達すると、消費電流が低い値で安定するという特性を有する。この特性を利用することにより、消費電力を節減することができるとともに、発熱部温度の異常上昇を防止することができるという利点が得られる。このような特徴を有することから、ＰＴＣヒータは、多くの技術分野において用いられている。その用途の一つとして、車両の空調装置、特に暖房の際の補助ヒータとしてＰＴＣヒータを用いることが知られている。

補助ヒータに限らず、ＰＴＣヒータは高い加熱効率を有することが望まれる。この要望に応える熱媒体加熱装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の熱媒体加熱装置は、ＰＴＣ素子を挟んでその両面に各々電極板、非圧縮性絶縁層および圧縮性熱伝導層が順次設けられた積層構造のＰＴＣヒータと、このＰＴＣヒータの両面に各々密着させて設けられ、各々内部に熱媒体の流通路が形成された熱媒体流通ボックスと、を備えている。この熱媒体加熱装置は、ＰＴＣヒータの両面からの放熱により熱媒体流通ボックス内を流通する熱媒体が加熱されるので、ＰＴＣヒータの放熱効率を高め加熱性能を向上させることができる、とされている。
特許文献１は、Ｕ字状に形成された熱媒体の流通路を用いている。この流通路は、直線状の上流側流路と、上流側流通路に連なるＵ字状の折り返し流路と、折り返し流路に連なる直線状の下流側流路と、からなる。上流側流路と下流側流路は、互いに平行に設けられている。熱媒体は、上流側流路を流れた後に、折り返し流路で折り返してから下流側流路を流れる。

特開２００８−５６０４４号公報

ＰＴＣヒータを用いる熱媒体加熱装置は、ＰＴＣヒータ制御用の制御基板を備えている。この制御基板は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）といった発熱素子を備えている。したがって、特許文献１にも記載されているように、熱媒体の流通路に近接して設けることで、制御基板に実装される発熱素子を強制冷却することが行なわれている。
そこで本発明は、熱媒体の流通路に近接される制御基板を含めた加熱性能を向上できるＰＴＣヒータを用いる熱媒体加熱装置を提供することを目的とする。

通常、制御基板は相当の表面積を有しているため、制御基板は、Ｕ字状に形成された流通路の上流側流路及び下流側流路の両者に掛け渡して配置される。したがって、制御基板を介して、ＰＴＣヒータの上流側流路に対応する部分と下流側流路に対応する部分との間で熱交換が生じてしまう。より具体的には、温度が相対的に高くなる下流側流路に対応する基板の部分から上流側流路に対応する基板の部分へと熱が伝達される。
一方、制御基板に実装される発熱素子を強制冷却する場合、流通路の中でも上流側流路、それも熱媒体の入口付近に発熱素子を設けることが好ましい。温度の低い熱媒体によって効率よく冷却できるからである。ところが、上記のような熱の伝達が起きると、温度の低い熱媒体による冷却の効率が阻害される。

そこでなされた本発明の熱媒体加熱装置は、ＰＴＣヒータと、ＰＴＣヒータにより加熱される熱媒体が流れる流通路が形成された熱媒体流通ハウジングと、熱媒体流通ハウジングに隣接され、ＰＴＣヒータの動作を制御する制御基板を、熱媒体流通ハウジングに対応する側に収容する基板収容ハウジングと、を備える。
本発明における流通路は、熱媒体流通ハウジングの一端側から他端側に向けて延びる上流側流路と、上流側流路に連なる折り返し流路と、折り返し流路に連なり、他端側に向けて延びる下流側流路と、からなることを前提としている。そして、本発明における制御基板は、上流側流路に対応する部分と下流側流路に対応する部分の間の一部又は全部に隙間を設けることで区分することを特徴とする。
本発明のように、制御基板を、上流側流路に対応する部分と下流側流路に対応する部分の間の一部又は全部に隙間を設けることで区分することで、上流側流路に対応する基板の部分から下流側流路に対応する基板の部分への熱の伝達を防ぐことができる。

本発明の熱媒体加熱装置において、制御基板に設けられる発熱素子は、上流側流路に対応して配設されること、特に上流側流路の熱媒体の入口近傍に配設されることが、冷却効率の観点から好ましい。

本発明によれば、制御基板を、上流側流路に対応する部分と下流側流路に対応する部分の間の一部又は全部に隙間を設けることで区分することで、上流側流路に対応する基板の部分から下流側流路に対応する基板の部分への熱の伝達を防ぐことができる。したがって、本発明によると、発熱素子を上流側流路に対応して配設熱媒体の入口付近に発熱素子を設けることで、温度の低い熱媒体により一層効率よく冷却できる。

本実施形態に係る車両用空調装置の概略構成図である。 本実施形態に係る熱媒体加熱装置の横断面図である。 本実施形態に係る熱媒体加熱装置の平面図であり、（ａ）は制御基板を、（ｂ）は上部熱媒体流通ハウジングを、単独で示す図である。 本実施形態に係る制御基板の変形例を示す平面図である。 本実施形態の変形例に係り、（ａ）は制御基板を、（ｂ）は上部熱媒体流通ハウジングを、単独で示す図である。

以下、本発明に係る熱媒体加熱装置１０を車両用空調装置１に用いる例を説明する。
車両用空調装置１は、図１に示すように、外気または車室内空気を取り込んで温調し、それを車室内へと導く空気流路２を形成するためのケーシング３を備えている。
ケーシング３の内部には、空気流路２の上流側から下流側にかけて順次、外気または車室内空気を吸い込んで昇圧し、それを下流側へと圧送するブロア４と、ブロア４により圧送される空気を冷却する冷却器５と、冷却器５を通過して冷却された空気を加熱する放熱器６と、放熱器６を通過する空気量と放熱器６をバイパスして流れる空気量との割合を調整し、その下流側でミックスされる空気の温度を調節するエアミックスダンパ７と、が設置される。

ケーシング３の下流側は、図示省略の吹き出しモード切替ダンパおよびダクトを介して温調された空気を車室内に吹き出す、図示省略の複数の吹き出し口へと接続される。
冷却器５は、図示を省略した圧縮機、凝縮器、膨張弁と共に冷媒回路を構成し、膨張弁で断熱膨張された冷媒を蒸発させることにより、そこを通過する空気を冷却するものである。
放熱器６は、タンク８、ポンプ９および熱媒体加熱装置１０と共に熱媒体循環回路１１を構成し、熱媒体加熱装置１０により加熱された熱媒体がポンプ９を介して循環されることにより、そこを通過する空気を加温する。

以上の車両用空調装置１によれば、放熱器６に、上述した熱媒体加熱装置（ヒータユニット）により加熱された熱媒体が循環可能に構成されているため、この熱媒体を放熱器６に供給し、空気加温用の熱源とすることができる。従って、冷却水が用いられるエンジンが搭載されていない電気自動車等の空調装置に用いて好適な車両用空調装置を得ることができる。また、エンジンが搭載され、その冷却水を空気加温用の熱源とする車両用空調装置に適用することにより、起動時に低温冷却水を素早く加熱して放熱器に循環させることができるため、空調装置起動時の温調立ち上がり性能を改善することができる。

さて、熱媒体加熱装置１０は、図２、図３に示されるように、蓋２１が設けられる箱状の基板収容ハウジング２０と、基板収容ハウジング２０と接する上部熱媒体流通ハウジング３０と、上部熱媒体流通ハウジング３０及び下部熱媒体流通ハウジング５０を加温するＰＴＣヒータ４０と、ＰＴＣヒータ４０を境にして上部熱媒体流通ハウジング３０と反対側に配置される下部熱媒体流通ハウジング５０と、を備え、これらが上記順に積層され、図示を省略したボルトを介して締め付け固定されることにより、一体化されている。基板収容ハウジング２０、上部熱媒体流通ハウジング３０、下部熱媒体流通ハウジング５０は、熱伝導性の高い材料、例えばアルミニウム合金により構成される。

基板収容ハウジング２０は、上部の開口が蓋２１により密閉される矩形状の箱体であり、内部にＰＴＣヒータ４０の動作を制御する制御基板２２が収納設置される。制御基板２２は、例えばＩＧＢＴからなる発熱素子２３や制御回路が組み込まれるものであり、ＰＴＣヒータ４０を駆動するための例えば３００Ｖといった高電圧と、制御用の例えば１２Ｖの低電圧が供給される。この制御基板２２は、基板収容ハウジング２０の底面の冷却壁２５から突出されている支持部２４に、四隅を例えばビス止めして固定される。また、発熱素子２３は、制御基板２２の下面に配設され、冷却壁２５の上面に対し、図示を省略する絶縁層を介して接触される。この発熱素子２３は、発熱素子に対する冷却効果を高めるために、後述するように、上部熱媒体流通ハウジング３０の熱媒体流通路の入口側近傍に配設される。

上部熱媒体流通ハウジング３０は、平面形状が矩形を有しており、その上面側には、一端部に形成される一対の入口ヘッダ３１および出口ヘッダ３２が設けられている。この入口ヘッダ３１に連なるとともに、他端側に延びる流通路３３が設けられる。流通路３３は他端部でＵターンして出口ヘッダ３２に戻る。複数の流通路３３は、Ｕターン部分を除いて、平行に形成されている。このように、流通路３３は、直線状の上流側流路３３ａと、上流側流路３３ａに連なるＵ字状の折り返し流路３３ｂと、折り返し流路３３ｂに連なる直線状の下流側流路３３ｃとに区分される。上流側流路３３ａと下流側流路３３ｃの間には、空隙３３ｄが上流側流路３３ａ及び下流側流路３３ｃに沿って形成されており、上流側流路３３ａと下流側流路３３ｃの間の流路に直交する方向の熱交換を阻止している。複数の流通路３３は、上面が開放されているが、基板収容ハウジング２０がその上に配置されることで、上下方向に密閉される。
以上の構成を備えることにより、上部熱媒体流通ハウジング３０内に、入口ヘッダ３１を介して流入された熱媒体は、複数の流通路３３に分配され、上流側流路３３ａ内を同時平行的に流通して折り返し流路３３ｂでＵターンし、下流側流路３３ｃを通って、出口ヘッダ３２に至る熱媒体の流通経路が形成される。
また、上部熱媒体流通ハウジング３０の下面側は、ＰＴＣヒータ４０が密着されるよう平坦面とされている。

ＰＴＣヒータ４０は、平板状のＰＴＣ素子４１を発熱要素とし、このＰＴＣ素子４１を挟んでその両側に各々電極板４２、絶縁層４３および熱伝導層４４が順次積層されている。
ＰＴＣ素子４１は、複数組のＰＴＣ素子４１を並設することができ、制御基板２２に組み込まれている制御回路により、各々ＰＴＣ素子４１単位でオン・オフ制御される。

薄板状の電極板４２は、ＰＴＣ素子４１に電力を供給するためのもので、ＰＴＣ素子４１と同じ矩形状を有しており、導電性および熱伝導性を有している。
絶縁層４３は、ＰＴＣ素子４１および電極板４２とその外側に設けられる上部熱媒体流通ハウジング３０および下部熱媒体流通ハウジング５０との間において、その間の熱抵抗を極力小さくするとともに、電気絶縁性を十分に確保するために設けられる。絶縁層４３は、アルミナのように、絶縁性とともに熱伝導性を有する材料から構成される。

熱伝導層４４は、発熱要素であるＰＴＣ素子４１と上部熱媒体流通ハウジング３０および下部熱媒体流通ハウジング５０間の熱抵抗を極力小さくするために設けられる。熱伝導層４４は、ＰＴＣヒータ４０に上部熱媒体流通ハウジング３０および下部熱媒体流通ハウジング５０を確実に密着させるとともに、組み付け寸法公差を吸収するための圧縮性を備えている。熱伝導層４４は熱伝導性を有する絶縁シート、例えばシリコンシートで構成される。また，絶縁性と熱伝導性の両方を有する材料で，絶縁層と熱伝導層を一層で構成してもよい。

下部熱媒体流通ハウジング５０は、上部熱媒体流通ハウジング３０と同様の構成を備えている。つまり、下部熱媒体流通ハウジング５０内に、入口ヘッダ３１を介して流入された熱媒体は、複数の流通路５３に分配され、上流側流路５３ａ内を同時平行的に流通して折り返し流路５３ｂでＵターンし、下流側流路５３ｃを通って、出口ヘッダ５２に至る熱媒体の流通経路が形成される。ただし、下部熱媒体流通ハウジング５０は、上部熱媒体流通ハウジング３０と上下が反転して設けられており、下面に開放されている流通路５３は、蓋５４が設けられることで、上下方向に密閉される。
また、下部熱媒体流通ハウジング５０の上面側は、ＰＴＣヒータ４０が密着されるよう平坦面とされており、上部熱媒体流通ハウジング３０の下面側の平坦面との間で、ＰＴＣヒータ４０をサンドイッチ状に挟み込んで、ＰＴＣヒータ４０を保持する。

以上のように構成された熱媒体加熱装置１０は、ＰＴＣヒータ４０が、その表裏両面に各々密着されて設けられる上部熱媒体流通ハウジング３０および下部熱媒体流通ハウジング５０内を流通される熱媒体に対して、表裏両面から放熱して熱媒体を加熱できるよう構成される。したがって、ＰＴＣヒータ４０の放熱効率を高めて加熱性能を向上させることができる。
上部熱媒体流通ハウジング３０の入口ヘッダ３１には、熱媒体循環回路１１が接続される。ポンプ９から圧送されてくる低温の熱媒体は、入口ヘッダ３１に流入し、各流通路３３、５３に分配される。各流通路３３、５３を出口ヘッダ３２に向って流通された熱媒体は、出口ヘッダ３２でいったん合流された後、熱媒体循環回路１１へと流出される。以上により熱媒体の循環経路が構成される。

本実施形態による熱媒体加熱装置１０は、図３に示すように、制御基板２２がコの字状の平面形状を有している。つまり、制御基板２２は、上部熱媒体流通ハウジング３０の上流側流路３３ａに対応して配置される上流部２２ａと、折り返し流路３３ｂに対応して配置される繋ぎ部２２ｂと、下流側流路３３ｃに対応して配置される下流部２２ｃとから構成されており、上流部２２ａと下流部２２ｃの間には隙間が設けられる。このように、制御基板２２は、上流側流路３３ａに対応する上流部２２ａと下流側流路３３ｃに対応する下流部２２ｃとが、隙間を空けて区分して形成されている。
また、制御基板２２に設けられる発熱素子２３は、制御基板２２を所定の位置に設置したときに、上流側流路３３ａの入口ヘッダ３１に近いところに配設される。

本実施形態にかかる熱媒体加熱装置１０は以下のように動作する。
上部熱媒体流通ハウジング３０の入口ヘッダ３１へ温度の低い熱媒体と流入される。この熱媒体は、入口ヘッダ３１により分配されて流通路３３，５３内を流通される間に、ＰＴＣヒータ４０により加熱昇温され、出口ヘッダ３２に至る。出口ヘッダ３２で合流された熱媒体は、例えば８０℃程度の高温熱媒体に加熱昇温され、出口ヘッダ３２から熱媒体循環回路１１へと流出される。

ＰＴＣヒータ４０の発熱要素であるＰＴＣ素子４１には、制御基板２２から電極板４２を介して高電圧が印加され、これによって、ＰＴＣ素子４１は発熱しその両面から放熱する。この熱は、ＰＴＣ素子４１に密着されている電極板４２、絶縁層４３および熱伝導層４４を介して、上部熱媒体流通ハウジング３０および下部熱媒体流通ハウジング５０に熱伝導され、熱媒体の加熱昇温に供される。

本実施形態にかかる熱媒体加熱装置１０は以下の効果を奏する。
ＰＴＣヒータ４０を制御する制御基板２２には、発熱素子２３が設けられているが、この発熱素子２３は、制御基板２２の下面に設けられ、基板収容ハウジング２０の底面に設けられている冷却壁２５の上面に接触されている。この冷却壁２５は、上部熱媒体流通ハウジング３０の熱媒体流通路３３と接しているために、その内部を流通する熱媒体により発熱素子２３よりも低温状態とされている。したがって、発熱素子２３は、熱媒体の流通により強制冷却される。また、発熱素子２３は、熱媒体流通路３３の入口側近傍に配設されていることから、入口付近のまだ温度の低い熱媒体によって効率よく冷却される。このことは、発熱素子２３により熱媒体が加熱されることを意味しており、熱媒体加熱装置１０の熱効率を向上させることに繋がる。

さらに、制御基板２２は、上流側流路３３ａに対応する上流部２２ａと下流側流路３３ｃに対応する下流部２２ｃとが、隙間を空けて区分して形成されているので、上流側流路３３ａと下流側流路３３ｃの間の熱交換を防ぐことができる。つまり、相対的に温度が高い下流側流路３３ｃに対応する下流部２２ｃから上流側流路３３ａに対応する下流部２２ｃへと熱が伝達されるのを抑制することができるので、発熱素子２３を効率よく冷却することができる。

なお、上記実施の形態では、制御基板２２の上流部２２ａと下流部２２ｃとが隙間を空けて区分して形成されている例として平面視がコの字状を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４に示すように、上流部２２ａと下流部２２ｃを繋ぐ繋ぎ部２２ｂを省くことで、上流部２２ａと下流部２２ｃを完全に分離することもできる。また、上流部２２ａと下流部２２ｃを繋ぐ繋ぎ部２２ｂは、折り返し流路３３ｂに対応する位置に限らず、入口ヘッダ３１（出口ヘッダ３２）に近い側に繋ぎ部２２ｂを設けることもできる。ただし、繋ぎ部２２ｂは、発熱素子２３が配設される領域を避けるとともに、電気的な配線を設けるのに必要最低限の幅にすることが好ましい。

制御基板２２を所定の位置に配置する際に、向きを間違えないようにするために、図５に示すように、例えば制御基板２２側に切り込み２６を設ける一方、上部熱媒体流通ハウジング３０にこの切り込み２６が挿入される突起３４を設けることができる。そうすれば、発熱素子２３を、間違えることなく、熱媒体流通路３３の入口側近傍に配置することができる。
また、上記実施形態では、ＰＴＣ素子４１の表裏両面に熱媒体流通路を備える熱媒体加熱装置１０の例を示したが、ＰＴＣ素子４１の一方の面側にのみ熱媒体流通路を備える熱媒体加熱装置に本発明を適用できる。
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。

１ 車両用空調装置
２ 空気流路
３ ケーシング
４ ブロア
５ 冷却器
６ 放熱器
７ エアミックスダンパ
８ タンク
９ ポンプ
１０ 熱媒体加熱装置
１１ 熱媒体循環回路
２０ 基板収容ハウジング
２１ 蓋
２２ 制御基板
２２ａ 上流部
２２ｂ 繋ぎ部
２２ｃ 下流部
２３ 発熱素子
２４ 支持部
２５ 冷却壁
３０ 上部熱媒体流通ハウジング
５０ 下部熱媒体流通ハウジング
３１，５１ 入口ヘッダ
３２，５２ 出口ヘッダ
３３，５３ 熱媒体流通路
３３ａ，５３ａ 上流側流路
３３ｂ，５３ｂ 折り返し流路
３３ｃ，５３ｃ 下流側流路
３３ｄ 空隙
３４ 突起
４０ ＰＴＣヒータ
４１ ＰＴＣ素子
４２ 電極板
４３ 絶縁層
４４ 熱伝導層
５４ 蓋

Claims (2)

1. ＰＴＣヒータと、
   前記ＰＴＣヒータにより加熱される熱媒体が流れる流通路が形成された熱媒体流通ハウジングと、
   前記熱媒体流通ハウジングに隣接され、前記ＰＴＣヒータの動作を制御する制御基板を、熱媒体流通ハウジングに対応する側に収容する基板収容ハウジングと、を備え、
   前記流通路は、
   熱媒体流通ハウジングの一端側から他端側に向けて延びる上流側流路と、前記上流側流路に連なる折り返し流路と、前記折り返し流路に連なり、前記他端側に向けて延びる下流側流路と、からなり、
   前記制御基板は、
   上流側流路に対応する部分と前記下流側流路に対応する部分の間の一部又は全部に隙間が設けられることで区分されている、
   こと特徴とする熱媒体加熱装置。
2. 前記制御基板に設けられる発熱素子は、
   前記上流側流路に対応して設けられる、
   請求項１に記載の熱媒体加熱装置。

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