JP2013524422A - 特にハイブリッド車又は電気自動車のための電気加熱システム - Google Patents

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Abstract

【解決手段】特にハイブリッド車又は電気自動車のための電気加熱システムが、加熱モジュール(10)を備えている。加熱モジュール(10)は、電気絶縁性且つ熱伝導性のセラミック基板(14)を備えており、セラミック基板(14)は、互いに離隔配置された加熱域(16)及び制御域(18)を有している。加熱モジュール(10)は、セラミック基板(14)の加熱域(16)に配置された電気抵抗加熱素子(22)を備えており、電気抵抗加熱素子(22)は、セラミック基板(14)に取り付けられた抵抗加熱導体(24)として構成されている。更に加熱モジュール(10)は、抵抗加熱導体(24)を流れる電流を制御するためのトランジスタ(26)を備えており、トランジスタ(26)、任意に存在する他の電気部品(28)及び導体トラック(30)が、セラミック基板(14)の制御域(18)に配置されている。加熱モジュール(10)は、セラミック基板(14)の加熱域(16)に熱的に連結された第１の冷却要素(42)を備えている。

Description

本発明は、特にハイブリッド車又は電気自動車での使用に適した電気加熱システムに関する。
ＰＴＣ素子を備えた電気加熱システムが、本技術分野で公知である。12Ｖの車載式電気システムが従来の自動車に通常使用されているので、相当量の電流がＰＴＣ素子を通って流れ、パワートランジスタによって制御されている。該パワートランジスタの電力損失が比較的高いため、パワートランジスタを冷却する必要がある。このため、設計が複雑になる。
仏国特許出願公開第2855933 号明細書
ハイブリッド車及び電気自動車という今後の車輌では、車輌電圧が数100Vまで増加するため、電気加熱システム及びその加熱要素のための電流負荷が著しく低下する。電気加熱システムが現在完全な加熱システムであるので、従来のＰＴＣ補助加熱システムより３倍高い電熱出力が必要である。
自動車に約400Vの高電圧車載式電気システムを使用することにより、電流強度を下げることが可能になり、低電圧車載式電気システム（例えば24Ｖ）のための電気加熱器より高い熱出力が達成され、それにより更に供給ラインの断面積を小さくすることが可能になる。しかしながら、高電圧の印加のために、耐電圧が高い密閉された加熱要素が必要であり、該加熱要素は更に、感電防止対策がなされており(beruhrungssicher, scoop-proof)、防湿性を有する必要がある。
本発明は、上述の要件を満たす、特にハイブリッド車又は電気自動車のための電気加熱システムを提供することを目的とする。
本発明によれば、この目的は、特にハイブリッド車又は電気自動車のための電気加熱システムにおいて、
− 加熱モジュールを備えており、
該加熱モジュールは、
− 互いに離隔配置された加熱域及び制御域を有する電気絶縁性且つ熱伝導性のセラミック基板と、
− 該セラミック基板の加熱域に配置され、前記セラミック基板に取り付けられた抵抗加熱導体としての電気抵抗加熱素子と、
− 前記抵抗加熱導体を流れる電流を制御するためのトランジスタと
を含んでおり、前記トランジスタ、任意に存在する他の電気部品及び導体トラックが前記セラミック基板の制御域に配置されており、
前記加熱モジュールは、
− 前記セラミック基板の加熱域に熱的に連結された第１の冷却要素を更に含んでいることを特徴とする電気加熱システム
により達成される。
本発明によれば、高電圧車載式電気システムの使用による最大電流負荷の低下により、特に印刷された抵抗加熱導体を有するセラミックパネルの加熱ストリップ片がＰＴＣ加熱要素の代わりに使用され得る。従来のＰＴＣ加熱システムでは選択的な熱入力（ホットスポット）のみが行われるのに対して、均一な全体的な熱発生が有利である。
本発明によれば、電気絶縁性且つ熱伝導性のセラミック基板が、電気加熱システムに使用されており、加熱域及び制御域を有している。加熱域及び制御域は、セラミック基板の同一の側又は異なる側に配置されており、セラミック基板の平面状の延長部に互いに離隔配置されている。セラミック基板の加熱域内に抵抗加熱素子が設けられており、抵抗加熱素子は、特にペースト印刷法によってセラミック基板に印刷された抵抗加熱導体として構成されている。セラミック基板の制御域に、抵抗加熱導体を流れる電流を制御するためのトランジスタが設けられており、トランジスタに加えて、他の電気部品及び導体トラックが制御域内に任意に配置されてもよい。セラミック基板の加熱域は、（第１の）冷却要素に熱的に連結されている。
本発明に係る設計では、セラミック基板は導体基板及び加熱システムの両方の組み合わせであり、冷却要素に加えて加熱域及び制御域を配置することにより、加熱モジュールの全体的な熱伝導率を実現することが可能になり、トランジスタ及び任意に設けられた他の電気部品がもしあれば過熱しないことが保証される。従って、加熱域内で生じた熱が第１の冷却要素を介して外部に放散することにより、トランジスタ及び任意に設けられた他の構成要素の機能が熱によって影響されないと評価される。
（第１の）冷却要素はセラミック基板全体に亘って設けられており、セラミック基板の一側に（第１の）冷却要素は熱的に連結されるように支持されていることが有利である。抵抗加熱素子及び制御域はセラミック基板の反対側に設けられていることが好ましい。従って、セラミック基板を通って制御域に移動する加熱域で生じた熱の一部が制御域から第１の冷却要素に運ばれ、第１の冷却要素によって外部に放散される。
本発明の有利な実施形態では、抵抗加熱導体は、セラミック基板の加熱域全体に亘って設けられたセラミックのカバー要素によって覆われており、該セラミックのカバー要素は、複合構造体を形成すべくセラミック基板に接続されている。セラミックのカバー要素に熱伝導するように支持され、加熱域全体に亘って広がる第２の冷却要素が設けられている。セラミック基板及びセラミックのカバー要素から構成された複合構造体は２つの第１及び第２の冷却要素間に設けられている。本発明の本実施形態では、第２の冷却要素がセラミックのカバー要素に配置され得るように、抵抗加熱導体、ひいては加熱域がセラミックのカバー要素によって覆われており、前記第２の冷却要素はセラミックのカバー要素に熱的に連結されている。従って、セラミックの加熱要素（セラミック基板、抵抗加熱素子及びセラミックのカバー要素）は第１及び第２の冷却要素間に挟持されている。操作の安全性を確保するために、セラミック基板及びセラミックのカバー要素から構成された複合構造体が外部に対して密閉されている場合、気体及び／又は流体が前記複合構造体に入り込むのを防ぎ、更に耐電圧が高くなることが有利である。従って、加熱モジュールは感電防止対策がなされており、防湿性を有する。
有利には、抵抗加熱導体を覆うパッシベーション層が、セラミック基板の加熱域に設けられている。パッシベーション層は、ガラスのパッシベーション層として構成されていることが好ましい。
セラミック要素（セラミック基板及びセラミックのカバー要素）によって抵抗加熱素子（抵抗加熱導体）を挟持して覆うことにより、設置し易く、感電防止対策がなされ、損傷から保護された加熱要素が設けられる。挟持するセラミックの外部シェルにより、加熱要素が２つの第１及び第２の冷却要素間に容易に配置されることが可能であり、セラミック要素は電気抵抗加熱導体を損傷から保護する。
抵抗加熱導体は、抵抗ペースト印刷法によって設けられていることが有利である。この方法により、抵抗加熱導体の製造が容易になる。
本発明の有利な実施形態では、セラミックのカバー要素と（ガラスの）パッシベーション層とはガラスの半田層によって連結されており、ガラスの半田層により、セラミックのカバー要素はパッシベーション層と「溶解」させられる。
本発明に係る電気加熱システムは、制御域内に配置された温度センサを備えており、温度センサの出力信号が、過熱から保護すべく温度を監視するための評価・制御部に与えられることが有利である。従って、セラミック基板の温度は常時検出され制限されている。温度を監視して温度を制限するために、抵抗加熱導体の電流の量が常時測定され得る。従って、定められた温度／抵抗の比率により、加熱要素の温度が電流特性に基づいて導き出され得る。本実施形態では、温度が、主として電気加熱システムの冗長性及び操作の安全性のために温度センサによって決定される。
セラミックの加熱ストリップ片(Al2O3) の形態で加熱要素を使用する本発明に係る設計により、導体基板が、加熱セラミックの制御域に駆動出力段を配置すべく設けられ得る。使用されるセラミック材料の熱伝導係数に加えて、加熱域から間隔を空けて配置される制御域の空間的な配置により、加熱域から制御域への熱入力が定められ、この熱入力は、第１及び／又は第２の冷却要素への放熱によって更に定められる。出力を制御し温度を制限することにより、更なる労力を必要とすることなく、固定された熱複合構造体内の駆動出力段が過熱から保護される。
本発明の好ましい実施形態では、更に、２つの第１及び第２の冷却要素を夫々備えた複数の加熱モジュールが保持枠に並設されており、第１及び第２の冷却要素は、加熱モジュールの反対側に延びる冷却フィンを夫々有している。２つの隣り合う加熱モジュールの対向して配置された第１及び第２の冷却要素の冷却フィンは互いに係合している。流れ抵抗の傾きを電気加熱システムの断面積全体に亘って均一にするために、保持枠がカバー部を有しており、カバー部の縁部が外側の第１及び第２の冷却要素の冷却フィンに沿って延びていることが有利である。前記カバー部が冷却フィンを越えて突出し、冷却フィンを覆うため、第１及び第２の冷却要素の冷却フィンが隣り合う冷却要素の冷却フィンと係合していないこれらの冷却要素の流れ抵抗が、冷却フィンが係合する領域での流れ抵抗に応じて調整され得る。
加熱モジュールを示す斜視図である。 図１の加熱モジュールを示す分解斜視図である。 図１及び２に示されているような加熱モジュールを複数備えた電気加熱システムを示す図である。
本発明の実施形態を、図面を参照して以下に詳細に説明する。
図１は、加熱モジュール10を示す斜視図であり、加熱モジュール10の構成が図２の分解斜視図に示されている。加熱モジュール10は、車輌、特にハイブリッド車又は電気自動車の400Vまでの高電圧車載式電気システムでの使用に設計されている。加熱モジュール10は、以下に述べられる層構成を有する電気的な加熱要素12を中央部に備えている。加熱要素12は、加熱域16と制御域18とに分割されたセラミック基板14を有している。加熱域16及び制御域18の両方は、図２に示されたセラミック基板14の上側20に設けられている。加熱域16内に、抵抗加熱素子22が抵抗加熱導体24の形態でセラミック基板14上に特にはペースト印刷法によって設けられており、抵抗加熱導体24の電流がトランジスタ26により制御されている。トランジスタ26及び他の電気部品28が制御域18内に設けられており、制御域18内に、接触領域32を有する導体トラック30が更に設けられている。
加熱域16は、ガラスのパッシベーション層34によって覆われている。ガラスのパッシベーション層34より上に、セラミックのカバー要素36が配置されており、ガラスの半田層38を介してガラスのパッシベーション層34に接続されている。セラミックのカバー要素36は、制御域18の構成要素が露出するように加熱域16と制御域18との間の移行領域で終了している。セラミック基板14、ガラスのパッシベーション層34、ガラスの半田層38及びセラミックのカバー要素36から構成された複合構造体全体は密閉され、高い耐電圧を示し、従って感電防止対策がなされており、防湿性を有する。
第１の冷却要素42が、図２に示されたセラミック基板14の下側40に支持されており、加熱域16と制御域18との全長に亘って設けられている。第１の冷却要素42は、アルミニウム合金のような熱伝導金属材料から形成されており、台板44を備えている。台板44は、台板44から突出する複数の個々の冷却フィン46を有している。第２の冷却要素48が、セラミックのカバー要素36に支持されており、第１の冷却要素42がセラミック基板14に熱的に連結されている方法と同一の方法で、前記第２の冷却要素48はセラミックのカバー要素36に熱的に連結されている。第２の冷却要素48の構成は、第１の冷却要素42の構成と同様であり、台板50を備えている。台板50は、台板50から延びる複数の冷却フィン52を有している。第１の冷却要素42及び第２の冷却要素48の両方は、クランプ要素54によって結合されており、従って加熱要素12の両側に固定されている。
２つの第１及び第２の冷却要素42,48 を介して、加熱域16で生じた熱が外部に放散される。制御域18が、加熱域16の直ぐ隣に配置されているが、電気部品の機能に影響しない温度で維持され得るように加熱モジュール10全体が設計されている。温度センサ56が、制御域18の温度を検出可能であり、温度の監視を可能にする。このような温度の監視は、抵抗加熱導体24の電流特性から加熱要素12の温度を導き出すことにより更に実現され得る。セラミック基板14の温度が常時監視されていることが好ましい。温度を監視することにより、加熱要素12の電子温度、従って出力制限が可能になる。更に、トランジスタ26が過熱から保護される。
図１及び２に示されているような複数の加熱モジュール10が、図３に示されているような電気加熱システム58を形成すべく組み合わされ得る。図３に図示されているように、電気加熱システム58は、本実施形態では３つの加熱モジュール10が並置されている保持枠60を備えている。この場合、並置されている加熱要素12の隣り合う第１及び第２の冷却要素42,48 の冷却フィン46,52が互いに係合している。加熱モジュール10の制御域18の接触領域32は、評価・制御部62に電気的に接続されている。係合する冷却フィン46,52 により、電気加熱システム58は、電気加熱システム58の外側に設けられた第１及び第２の冷却要素42,48 の領域の流れ抵抗より、隣り合う加熱モジュール10間の流れ断面積全体に亘ってより高い流れ抵抗を有する。電気加熱システム58の外側に設けられた第１及び第２の冷却要素42,48 の領域でも、加熱モジュール10間の流れ抵抗に調整された流れ抵抗に達するために、図３で両側に延びる枠部64が、冷却フィン46,52を部分的に覆うカバー部66を備えている。
10 加熱モジュール
12 加熱要素
14 セラミック基板
16 加熱域
18 制御域
20 上側
22 抵抗加熱素子
24 抵抗加熱導体
26 トランジスタ
28 電気部品
30 導体トラック
32 接触領域
34 ガラスのパッシベーション層
36 セラミックのカバー要素
38 ガラスの半田層
40 下側
42 第１の冷却要素
44 台板
46 冷却フィン
48 第２の冷却要素
50 台板
52 冷却フィン
54 クランプ要素
56 温度センサ
58 電気加熱システム
60 保持枠
62 評価・制御部
64 枠部
66 保持枠のカバー部

Claims (9)

  1. 特にハイブリッド車又は電気自動車のための電気加熱システムにおいて、
    − 加熱モジュール(10)を備えており、
    該加熱モジュールは、
    − 互いに離隔配置された加熱域(16)及び制御域(18)を有する電気絶縁性且つ熱伝導性のセラミック基板(14)と、
    − 該セラミック基板(14)の加熱域(16)に配置され、前記セラミック基板(14)に取り付けられた抵抗加熱導体(24)としての電気抵抗加熱素子(22)と、
    − 前記抵抗加熱導体(24)を流れる電流を制御するためのトランジスタ(26)と
    を含んでおり、前記トランジスタ(26)、任意に存在する他の電気部品(28)及び導体トラック(30)が前記セラミック基板(14)の制御域(18)に配置されており、
    前記加熱モジュールは、
    − 前記セラミック基板(14)の加熱域(16)に熱的に連結された第１の冷却要素(42)を更に含んでいることを特徴とする電気加熱システム。
  2. 前記加熱域(16)及び制御域(18)は、前記セラミック基板(14)の同一の側(20)に、又は前記セラミック基板(14)の異なる側(20,40) に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気加熱システム。
  3. 前記加熱域(16)及び制御域(18)は、前記セラミック基板(14)の同一の第１の側(20)に設けられており、
    前記第１の冷却要素(42)は、前記セラミック基板(14)の第１の側(20)の反対側である第２の側(40)に熱伝導するように支持されており、前記加熱域(16)及び制御域(18)の反対側である前記セラミック基板(14)の第２の側(40)の領域全体に亘って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電気加熱システム。
  4. 前記抵抗加熱導体(24)は、前記セラミック基板(14)の加熱域(16)全体に亘って設けられたセラミックのカバー要素(36)によって覆われており、該カバー要素(36)は、複合構造体を形成すべく前記セラミック基板(14)に接続されており、
    第２の冷却要素(48)が、前記カバー要素(36)に熱伝導するように支持されており、前記加熱域(16)全体に亘って設けられており、
    前記セラミック基板(14)及びカバー要素(36)から構成された前記複合構造体は、２つの前記第１及び第２の冷却要素(42,48) 間に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電気加熱システム。
  5. 前記セラミック基板(14)の加熱域(16)に、前記抵抗加熱導体(24)を覆うパッシベーション層(34)が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の電気加熱システム。
  6. 前記パッシベーション層(34)と前記カバー要素(36)との間に、密に連結するためのガラスの半田層(38)が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の電気加熱システム。
  7. 前記制御域(18)内に配置された温度センサ(56)を更に備えており、該温度センサ(56)の出力信号が、過熱から保護すべく温度を監視するための評価・制御部(62)に与えられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電気加熱システム。
  8. ２つの第１及び第２の冷却要素(42,48) を夫々有する複数の加熱モジュール(10)を備えており、前記第１及び第２の冷却要素は、加熱モジュール(10)の反対側に延びる冷却フィン(46,52) を夫々有しており、
    前記加熱モジュールが並置され保持される保持枠(60)を更に備えており、
    ２つの隣り合う加熱モジュール(10)の相互に対向する第１及び第２の冷却要素(42,48) の冷却フィン(46,52) は交互に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電気加熱システム。
  9. 互いに最も離れた２つの加熱モジュール(10)の外側の第１及び第２の冷却要素(42,48) の冷却フィン(46,52) は、前記保持枠(60)のカバー部(66)によって部分的に覆われていることを特徴とする請求項８に記載の電気加熱システム。
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