JP2013196809A - 熱媒体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく熱媒体を加熱することができる熱媒体加熱装置を提供する。
【解決手段】インナーフィン２１が設けられ、熱媒体がインナーフィン２１で形成される流路１９を流れるチューブ１７と、流路１９を流れる熱媒体を加熱するＰＴＣヒータ１８と、チューブ１７に接続され、チューブ１７に向けて熱媒体を供給する入口ヘッダ２２と、チューブ１７に接続され、チューブ１７において加熱された熱媒体を受け入れる出口ヘッダ２３と、を備え、インナーフィン２１は、入口ヘッダ２２の周囲を囲むように延長して設けられ、かつ、幅方向の端に近づくのにつれて長さが長くなる熱媒体加熱装置１０。
【選択図】図３

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。チューブは、ＰＴＣヒータから受けた熱と熱媒体との間で熱交換する熱交換要素である。チューブには熱交換の効率を向上するためにインナーフィンが設けられている。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容するとともに、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

以上のような熱媒体加熱装置において、熱媒体をＰＴＣヒータによって効率よく加熱することが求められる。
そこで本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、効率よく熱媒体を加熱することができる熱媒体加熱装置を提供することを目的とする。

本発明は、内部にフィンが設けられ、熱媒体が前記フィンで形成される流路を流れる熱交換用管体と、流路を流れる熱媒体を加熱するＰＴＣヒータと、熱交換用管体に接続され、熱交換用管体に向けて熱媒体を供給する入口ヘッダと、熱交換用管体に接続され、熱交換用管体において加熱された熱媒体を受け入れる出口ヘッダと、を備える。
本発明の熱媒体加熱装置は、入口ヘッダと出口ヘッダが、熱交換用管体の幅方向の中央に配置されものであり、フィンは、入口ヘッダの周囲を囲むように延長して設けられ、かつ、幅方向の端に近づくのにつれて長さが長くなるように形成されている。
本発明の熱媒体加熱装置は、入口ヘッダの周囲を囲むように延長してフィンが形成されているので、例えば、ＰＴＣヒータがこの延長部分には接触しない寸法、形状のものであっても、熱伝導により延長部分が加熱されるので、ＰＴＣヒータの熱を無駄なく熱媒体の加熱に用いることができる。しかも、フィンは、幅方向の端に近づくのにつれて長さが長くなるように形成されているので、入口ヘッダから供給される熱媒体は、フィンに形成される流路にスムーズに流入することができる。

本発明の熱媒体加熱装置は、入口ヘッダ側における構成を出口ヘッダ側にも形成することができる。つまり、フィンは、出口ヘッダの周囲を囲むように延長して設けられ、かつ、幅方向の端に近づくのにつれて長さが長くなる、ようにすることができる。そうすれば、出口ヘッダの周囲においても、ＰＴＣヒータの熱を無駄なく熱媒体の加熱に用いることができる。

本発明の熱媒体加熱装置において、フィンの熱媒体の流入端、又は、フィンの熱媒体の流出端には、熱媒体の流れる向きに沿うガイドを形成することが、熱媒体をスムーズに流すことができるので、好ましい。

本発明の熱媒体加熱装置によると、入口ヘッダの周囲を囲むように延長してフィンが形成されているので、例えば、ＰＴＣヒータがこの延長部分には接触しない寸法、形状のものであっても、熱伝導により延長部分が加熱されるので、ＰＴＣヒータの熱を無駄なく熱媒体の加熱に用いることができる。しかも、フィンは、幅方向の端に近づくのにつれて長さが長くなるように形成されているので、入口ヘッダから供給される熱媒体は、フィンに形成される流路にスムーズに流入することができる。したがって本発明の熱媒体加熱装置は、熱媒体を効率よく加熱することができる。

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の側縦面図である。 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３（Ｂ）の部分拡大図である。 本実施形態の変形例を示す図である。 本実施形態と比較される熱交換チューブの平面図である。

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３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と、下半部を構成する下部ハウジング１１ｂ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。

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は、そ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））により形成されていることが、ハウジング１１の軽量化、低コストかにとって好ましい。なお、上部ハウジング１１ａも下部ハウジング１１ｂと同様の樹脂材料により成形されていることが好ましい。

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。

［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（熱交換管体）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の偏平管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が設けられている。これによって、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃには、その軸方向（図３（Ａ），（Ｂ）の左右方向）に連通している複数の熱媒体の流路１９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、偏平管２０と、その軸方向の両端に成形されている熱媒体を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。ＰＴＣヒータ１８は、図３（Ｂ）に示すように、平面視した形状が矩形をなしており、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、ＰＴＣヒータ１８よりも軸方向の両側にはみ出している。このはみ出した領域は、ＰＴＣヒータ１８と直接的な接触をともなわない、間接接触領域３０とする。なお平面視して、ＰＴＣヒータ１８と重なる領域を、直接接触領域３１とする。

また、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、平面視した場合、軸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（Ａ）、（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、偏平管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。入口ヘッダ２２、出口ヘッダ２３は、チューブ１７の幅方向の中央部に設けられている。

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の偏平管２０内へと供給される。この熱媒体は、偏平管２０内の流路１９を流れる過程で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に流入し、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。

ここで、本実施形態は、図３（Ｂ）、図４に示すように、平面視すると、インナーフィン２１が入口ヘッダ２２及び出口ヘッダ２３の周囲を取り囲んでおり、間接接触領域３０にまで延長されている部分がある。また、インナーフィン２１の幅方向の中央付近は入口ヘッダ２２と出口ヘッダ２３の間の直接接触領域３１の範囲に収まっているが、幅方向の端に近づくのにつれてインナーフィン２１の長さが長くなり、その先端付近は入口ヘッダ２２の周囲を取り囲んでいる。入口ヘッダ２２の中心を基準にすると、当該中心から幅方向に離れるほどインナーフィン２１は長く形成されている。出口ヘッダ２３についても同様である。
以上のように、インナーフィン２１が入口ヘッダ２２及び出口ヘッダ２３の周囲を取り囲むように形成されていることが、本実施形態の特徴部分であり、それによる効果は後述する。

［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、熱媒体加熱装置１０は、入口ヘッダ２２及び出口ヘッダ２３の周囲を取り囲むようにインナーフィン２１を設けている。しかも、この周囲に設けられた部分は、間接接触領域３０上に位置する。このように、インナーフィン２１は、ＰＴＣヒータ１８との直接接触領域３１から間接接触領域３０に亘って形成されている。したがって、インナーフィン２１は、ＰＴＣヒータ１８により直接接触領域３１において直接的に加熱されるが、その熱は間接接触領域３０上に存在する部分まで伝導される。その結果、熱媒体加熱装置１０は、間接接触領域３０においても、インナーフィン２１は熱媒体を加熱することができるので、直接接触領域３１にのみインナーフィン２１を設ける場合に比べて、加熱効率を向上できる。

本実施形態は、入口ヘッダ２２（及び出口ヘッダ２３）の周囲を取り囲むようにインナーフィン２１を形成しているが、入口ヘッダ２２から流出した熱媒体がインナーフィン２１の内部に適切に流入させるために、インナーフィン２１の平面視した形状に特徴を持たせている。
例えば、図６に示す形態のチューブ１１７について、チューブ１１７の形態を維持したままでフィン１２１を入口ヘッダ２２の周囲を取り囲むように延長させたとする。この形態では、延長されたフィン１２１の部分が山形形状をなすため、その頂上１２１ｔよりも幅方向の外側への熱媒体の流通を、頂上１２１ｔよりも幅方向の内側の部分が堰き止めてしまう。
そこで、本実施形態では、インナーフィン２１（チューブ１７）の形態に変更を加えた。つまり、幅方向の最も外側に位置する部分を延長し、最も外側にインナーフィン２１の頂上２１ｔを配置させる。しかも、入口ヘッダ２２と頂上２１ｔの間で熱媒体の流れを遮らないように、幅方向の中央よりに位置するインナーフィン２１は、それよりも外側に位置するインナーフィン２１よりも軸方向に延長されないように形成されている。したがって、入口ヘッダ２２から流出した熱媒体は、遮るものがないためにスムーズに、インナーフィン２１の流路に流れ着くことができる。
なお、以上では、入口ヘッダ２２からインナーフィン２１への熱媒体の流入を捉えたが、インナーフィン２１から出口ヘッダ２３への熱媒体の流入についても同様のことが言える。つまり、インナーフィン２１を通って加熱された熱媒体は、インナーフィン２１から流出した後に、遮るものがないため、出口ヘッダ２３にスムーズに流れ着く。

本実施形態では、入口ヘッダ２２及び出口ヘッダ２３の周囲を取り囲むようにインナーフィン２１を形成しているが、本発明はこれに限定されない。熱媒体の入口側、つまり入口ヘッダ２２側に本発明のフィンの形態を設ける方が熱効率の観点から好ましいので、本発明は入口ヘッダ２２の周囲をインナーフィン２１で取り囲むことが推奨される。
本実施形態によれば、前述したように、入口ヘッダ２２の中心から離れるほどインナーフィン２１が長く形成されているために、当該領域においてもインナーフィン２１に熱媒体が流入しやすいことは前述の通りである。しかるに、熱媒体のより一層の流入のしやすさを確保するために、図５に示すように、熱媒体の流れをインナーフィン２１間に導くガイド２１ａを、インナーフィン２１の先端に設けることができる。

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。特に、熱媒体加熱装置１０の具体的な構成はあくまで一例にすぎず、入口配管、チューブ及び出口配管を備える熱媒体加熱装置に広く適用することができる。例えば、熱媒体加熱装置１０は、その一方の側の入口配管２２ａから他方の側の出口配管２３ａに到る直線状の流路１９を備えているが、入口配管と出口配管の両者が一方の側に設けられ、流路がＵ字状に形成される熱媒体加熱装置に本発明を適用することもできる。

１０ 熱媒体加熱装置
１１ ハウジング
１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ チューブ
１８ ＰＴＣヒータ
１８ａ ＰＴＣ素子
１９ 流路
２０ 偏平管
２１ インナーフィン
２１ａ ガイド
２１ｔ 頂上
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
３０ 間接接触領域
３１ 直接接触領域
１７１ チューブ
１２１ フィン
１２１ｔ 頂上

Claims (3)

1. 内部にフィンが設けられ、熱媒体が前記フィンで形成される流路を流れる熱交換用管体と、
   前記流路を流れる前記熱媒体を加熱するＰＴＣヒータと、
   前記熱交換用管体に接続され、前記熱交換用管体に向けて前記熱媒体を供給する入口ヘッダと、
   前記熱交換用管体に接続され、前記熱交換用管体において加熱された前記熱媒体を受け入れる出口ヘッダと、を備え、
   前記入口ヘッダと前記出口ヘッダは、前記熱交換用管体の幅方向の中央に配置され、
   前記フィンは、前記入口ヘッダの周囲を囲むように延長して設けられ、かつ、前記幅方向の端に近づくのにつれて長さが長くなる、
   ことを特徴とする、熱媒体加熱装置。
2. 前記フィンは、
   前記出口ヘッダの周囲を囲むように延長して設けられ、かつ、前記幅方向の端に近づくのにつれて長さが長くなる、
   請求項１に記載の熱媒体加熱装置。
3. 前記フィンの前記熱媒体の流入端、又は、前記フィンの前記熱媒体の流入端には、前記熱媒体の流れる向きに沿うガイドが形成れている、
   請求項１に記載の熱媒体加熱装置。

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