JP2015207502A - 車両用液体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの冷却効率を向上できるバッテリの温調装置を提供する。【解決手段】液体を貯留するタンク（４）と、タンクに挿装され、液体を加熱する電気ヒータ（３）と、タンクの外面に配置され、液体の温度に基づいて電気ヒータへの通電を制御する制御部（２５）と、を備え、電気ヒータ（３）は、第１の発熱部（３ｄ）と、第１の発熱部（３ｄ）よりも発熱量が大きい第２の発熱部（３ｅ）とからなり、制御部（２５）は、第２の発熱部（３ｅ）よりも、第１の発熱部（３ｄ）に近い位置に配置される。【選択図】図３

Description

本発明は車両用液体加熱装置に関するものである。

電動車両やハイブリッド自動車には、空調や温調のために液体の媒体を加熱する電気式の液体加熱装置が用いられる。

このような熱媒体加熱装置として、特許文献１には、平板状とされたＰＴＣヒータと、ＰＴＣヒータを挟んでその両面に積層された互いに連通される一対の熱媒体流通部と備え、熱媒体流通部の一側面に基板収容部が設けられ、基板収容部に制御基板が設けられる熱媒体加熱装置が開示されている。

特開２０１１−１６４８９号公報

特許文献１に記載の従来技術では、ヒータの温度を制御する制御基板が熱媒流通部に隣接して配置されている。このように構成した場合、熱媒体が加熱した場合に、制御基板を十分に冷却できなくなるという問題点がある。

本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、ヒータの温度を制御する制御部の加熱を抑制することを目的とする。

本発明のある態様の車両用液体加熱装置は、液体を貯留するタンクと、タンクに挿装され、液体を加熱する電気ヒータと、タンクの外面に配置され、液体の温度に基づいて電気ヒータへの通電を制御する制御部と、を備え、電気ヒータは、第１の発熱部と、第１の発熱部よりも発熱量が大きい第２の発熱部とからなり、制御部は、第２の発熱部よりも、第１の発熱部に近い位置に配置されることを特徴とする。

この態様によると、電気ヒータへの通電を制御する制御部を、発熱量が小さい第１の発熱部付近に配置したので、制御部をタンクに配置して車両用液体加熱装置を小型化しても、制御部の加熱を抑制できる。

本発明の実施形態の車両用液体加熱装置の回路図である。 本発明の実施形態の車両用液体加熱装置の概略上面図である。 本発明の実施形態における図２のIII−III断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の車両用液体加熱装置１の制御回路を示す説明図である。

車両用液体加熱装置１は、例えば電動車両やハイブリッド車両に搭載され、車室内の空調や搭載機器の温調を行うために流通する冷媒（液状熱冷媒）を加熱する。冷媒には、例えばＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）等の冷却水やフロン類が用いられる。

車両用液体加熱装置１は、直流電源２と、直流電源２から供給される電流により発熱する電気ヒータ３と、電気ヒータ３を収容すると共に冷媒が流通するタンク４と、電気ヒータ３への電流を供給、遮断することで冷媒を所定温度（通常加熱温度）に制御する制御装置５とを備える。

直流電源２は、電動車両やハイブリッド車両などに搭載される強電バッテリである。直流電源２の出力電圧は、例えば３５０Ｖとする。直流電源２からの電流は、供給ライン１５を通じて電気ヒータ３に供給される。直流電源２に代えて、交流電源を電源として用いてもよい。直流電源２は、冷媒を循環させる冷媒ポンプ等にも電流を供給する。図１においては、直流電源２の強電を実線で示し、弱電（制御信号等）を点線で示す。

電気ヒータ３は、抵抗体をコイル状に巻回し、これを円筒状のカートリッジに収装して構成されるカートリッジヒータである。電気ヒータ３には、供給ライン１５を経由して直流電源２の電流が入力される。電気ヒータ３は、カートリッジヒータではなく、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子により発熱するＰＴＣ素子であってもよい。

電気ヒータ３は、図２及び図３で説明するように、フランジ部３ａ側（第１の発熱部３ｄ）よりも、先端部３ｃ側（第２の発熱部３ｅ）の発熱量が大きくなるように構成される。

制御装置５は、直流電源２から供給ライン１５を通じて供給される電流が電気ヒータ３に通電されることを制御して、冷媒が前述した所定温度となるように冷媒を加熱する制御を行う。

制御装置５は、直流電源２の供給ライン１５の正極側及び負極側のそれぞれに備えられる一組の半導体スイッチ１０ａ、１０ｂと、一組の半導体スイッチ１０ａ、１０ｂに対応して、通電及び遮断の信号を出力するドライバ２０ａ、２０ｂと、水温センサ２３により検出した温度に基づいてドライバ２０ａ、２０ｂに制御信号を送ることで一組の半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの通電及び遮断を制御するコントローラ２５と、を備える。

半導体スイッチ１０ａ、１０ｂは、供給ライン１５を通電又は遮断することにより、直流電源２からの電流を電気ヒータ３に供給するか遮断するかを制御する。半導体スイッチ１０ａ、１０ｂは、コントローラ２５により制御されるドライバ２０ａ、２０ｂから入力される制御信号（ゲート電圧）が入力されることにより、通電又は遮断が制御される。

半導体スイッチ１０ａ、１０ｂには、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等のトランジスタが用いられる。

ドライバ２０ａ、２０ｂには、ノーマリークローズに設定されたバイメタルスイッチ１１を介して電源装置１２からの電流が入力される。ドライバ２０ａ、２０ｂは、コントローラ２５からの制御信号と、電源装置１２からの電流とがいずれも入力された場合（論理積）には、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂにゲート電流を供給して、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂを通電状態にする。電源装置１２は例えば直流１２Ｖを出力する。

コントローラ２５は、冷媒の温度を検出する水温センサ２３の温度に基づいてドライバ２０ａ、２０ｂに制御信号を送り、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの通電及び遮断を制御することにより、供給ライン１５から電気ヒータ３への通電及び遮断を制御する。これにより電気ヒータ３の発熱が制御されて、冷媒の加熱が制御される。

制御装置５には、安全装置としてのバイメタルスイッチ１１が備えられる。バイメタルスイッチ１１が遮断された場合は、電源装置１２からの電流がドライバ２０ａ、２０ｂに供給されなくなり、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂのゲート電流が停止されて半導体スイッチ１０ａ、１０ｂが遮断される。

バイメタルスイッチ１１は、電気ヒータ３の近傍に備えられ、電気ヒータ３の温度が第１設定温度に達したときに遮断状態となり、電源装置１２からの電流を遮断する。電気ヒータ３の温度が第１設定温度と比較して低い第２設定温度に低下したときは通電状態となり、電源装置１２の電流を通電する。

このことを利用して、コントローラ２５の制御と無関係に、電気ヒータ３の温度が第１設定温度以上である場合にバイメタルスイッチ１１が遮断することで、電気ヒータ３の発熱を停止させることができる。

第１設定温度は、前述した所定温度（通常加熱温度）以上であって、冷媒の沸点よりも低い温度に設定される。冷媒の沸点よりも低い温度とした理由は、タンク４内の冷媒が沸騰することを防止するためである。通常、冷媒が沸騰するまで電気ヒータ３により冷媒が加熱されることはなく、バイメタルスイッチ１１は、コントローラ２５による半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの制御が正常に行われている場合には通電状態に維持される。一方、第２設定温度は、バイメタルスイッチ１１が制御電流を遮断してからタンク４内の冷媒の温度が充分に下がった場合の温度に設定される。

制御装置５には、別の安全装置としてバイメタルスイッチ１４が備えられる。供給ライン１５には、電気ヒューズ１３と、供給ライン１５の正極側と負極側とを短絡可能な短絡ライン１６とが備えられ、短絡ライン１６にはバイメタルスイッチ１４が備えられる。

バイメタルスイッチ１４は、通常の状態で開放状態のノーマルオープンタイプである。バイメタルスイッチ１４は、電気ヒータ３の温度が第１設定温度と比較して高い第３設定温度に達したときに通電状態に切り換えられ、電気ヒータ３の温度が第３設定温度未満の状態では遮断状態となる。短絡ライン１６は、電気ヒータ３の温度が第３設定温度に達してバイメタルスイッチ１４が通電状態に切り換えられることにより、正極と負極とが短絡状態となる。短絡ライン１６が短絡状態となったときの短絡ラインの正極側と負極側との間の抵抗値は、電気ヒータ３の抵抗値よりも小さくなるように構成されている。

バイメタルスイッチ１４により短絡ライン１６が短絡したときは、直流電源２が短絡ライン１６により短絡されることによる瞬間的に流れる大電流（過電流）により、電気ヒューズ１３が切断される。電気ヒューズ１３は、直流電源２から供給される電流により、当該電流を供給するためのハーネス等（図示省略）の発熱が許容温度を超える前に切断される。この許容温度は、ハーネスを構成する部品が損傷しない程度の温度に設定される。

短絡ライン１６に備えられるバイメタルスイッチ１４は、電気ヒータ３の温度が第１設定温度に達してバイメタルスイッチ１１が遮断状態となり、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂを遮断して電気ヒータ３に直流電源２からの電流の供給を遮断とした後にも、電気ヒータ３の温度がさらに上昇して第３設定温度に達した場合に、強制的に電気ヒータ３に供給する電流を遮断することができる。

第３設定温度は、電気ヒータ３の最大温度よりも高い温度に設定される。通常は、電気ヒータ３の温度が第３設定温度に達することはない。一方で、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの故障や制御のオーバーシュートにより電気ヒータ３の温度が上昇して第３設定温度となった場合は、バイメタルスイッチ１４が短絡して電気ヒューズ１３を切断させることにより、強制的に電気ヒータ３への通電を遮断し、発熱を停止させる。

本実施形態は、このように複数の安全装置を設けることで、自己温度制御機能を持たないカートリッジヒータ等の電熱器を電気ヒータ３として用いても、安全性を低下させることがない。カートリッジヒータはＰＴＣヒータ等と比較して安価であるので、カートリッジヒータを電気ヒータ３として用いることで、車両用液体加熱装置１のコストの上昇を抑制できる。

次に、本実施形態の車両用液体加熱装置１の構造を図２及び図３を参照して説明する。

図２及び図３は、本実施形態の車両用液体加熱装置１の説明図である。図２は、車両用液体加熱装置１の上面図を、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。

車両用液体加熱装置１は、タンク４と、タンク４の上面に設置される制御装置５を構成するバスバー３３及び制御基板２１から構成される。

タンク４は、金属製の箱型形状を有し、内部に冷媒が流通する空間が形成される。タンク４の側面４ｂには、電気ヒータ３が挿装される開口部４ｓが形成されており、電気ヒータ３が、側面４ｂから側面４ｃへと向かってタンク４の内部に挿装される。

電気ヒータ３には、端部付近が拡径して構成されたフランジ部３ａが形成される。フランジ部３ａが側面４ｂに当接することで、電気ヒータ３の挿入深さの位置決めがなされる。フランジ部３ａと開口部４ｓとの間には、冷媒が漏出しないためのパッキン等が適切に施される。なお、フランジ部３ａを側面４ｂに当接させるのではなく、電気ヒータ３の先端部３ｃがタンク４の内壁に突き当たったことをもって位置決めをするように構成してもよい。

タンク４の前面４ａには、冷媒入口３０及び冷媒出口３１が備えられる。冷媒入口３０は、電気ヒータ３のフランジ部３ａに近い側に備えられ、冷媒出口３１は、電気ヒータ３の先端部３ｃに近い側に備えられる。冷媒出口３１には、水温センサ２３が備えられる。

タンク４の上面４ｅには、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂが上面４ｅに接触するように配置される。半導体スイッチ１０ａ、１０ｂは、電気ヒータ３のフランジ部３ａに近い側に配置される。

半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの端子１０ｃは、バスバー３３に接続される。バスバー３３のさらに上面側には、ドライバ２０ａ、２０ｂ及びコントローラ２５（図示省略）が搭載される制御基板２１が備えられる。バスバー３３と制御基板２１とは、コネクタやピンヘッダ等により接続される。このように制御装置５を構成する構成部品をタンク４に接触又は近接して配置することにより、車両用液体加熱装置１のサイズを小型化できる。

タンク４の上面４ｅには、バイメタルスイッチ１４が挿装される開口部４ｔが形成される。バイメタルスイッチ１４は、タンク４の上面４ｅから開口部４ｔに挿装され、その先端が電気ヒータ３に当接する。バイメタルスイッチ１４と開口部４ｔとの間には冷媒が漏出しないためのパッキン等が適切に施される。

電気ヒータ３のフランジ部３ａ側の端面にはハーネス３ｂが接続される。ハーネス３ｂはバスバー３３に接続される。同様にバイメタルスイッチ１４にはハーネス１４ｂが接続され、ハーネス１４ｂはバスバー３３に接続される。

前面４ａには、冷媒入口３０及び冷媒出口３１が備えられる。冷媒入口３０は、タンク４の上下方向の中心よりも下側に位置する。冷媒出口３１は、タンク４の上下方向の中心よりも上側に位置する。このような形状により、冷媒入口３０から流入した冷媒が、タンク４内で電気ヒータ３の周囲を循環することで電気ヒータ３により加熱され、加熱された冷媒が冷媒出口３１から流出する。冷媒出口３１から流出するときの冷媒温度が、水温センサ２３により検出される。

電気ヒータ３は、前述のように抵抗体がコイル状に巻回されて構成される。

本実施形態では、フランジ部３ａから先端部３ｃに渡って同じ径の円筒形状を有する電気ヒータ３において、電気ヒータ３の抵抗体の巻線密度を、フランジ部３ａ付近、すなわち電気ヒータ３の根本部分付近では粗となるように構成し、電気ヒータ３の先端部３ｃ付近では密となるように構成した。

このような構成により、電気ヒータ３の先端部３ｃ付近の単位体積当たりの発熱量が、フランジ部３ａ付近の単位体積当たりの発熱量よりも大きくなる。本実施形態では、巻線密度が粗であり発熱量が小さいフランジ部３ａの付近を「第１の発熱部３ｄ」と呼び、抵抗体の巻線密度が密であり発熱量が大きい先端部３ｃ付近を「第２の発熱部３ｅ」と呼ぶ。

このように構成された本実施形態の車両用液体加熱装置１の作用を説明する。

本実施形態の車両用液体加熱装置１は、前述のように、液体の冷媒を貯留するタンク４と、タンク４に挿装され、冷媒を加熱する電気ヒータ３と、タンク４の外面に配置され、冷媒の温度に基づいて電気ヒータ３への通電を制御する制御装置５と、を備える。電気ヒータ３は、第１の発熱部３ｄと、第１の発熱部３ｄよりも単位体積当たりの発熱量が大きい第２の発熱部３ｅとからなる。このような構成において、制御装置５の一部を構成する半導体スイッチ１０ａ、１０ｂを、第２の発熱部３ｅよりも第１の発熱部３ｄに近い位置に配置した。

本実施形態の車両用液体加熱装置１は、このような構成により、タンク４の内部では、発熱量が比較的小さく冷媒温度が比較的低い第１の発熱部３ｄの付近に半導体スイッチ１０ａ、１０ｂを配置することができ、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂが密着するタンク４の上面４ｅに比較的温度が低い冷媒を流通させることがきる。

これにより、制御装置５をタンク４の外面に密着して配置させて車両用液体加熱装置１を小型化した場合にも、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの加熱を抑制できる。半導体スイッチ１０ａ、１０ｂは、通電及び遮断動作により発熱するので、発熱を抑制することが望まし板。これにより、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの加熱を抑制することができるので、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの誤動作を防止できる。

本実施形態の車両用液体加熱装置１は、タンク４において、タンク４の内部に冷媒を導入する冷媒入口３０を第１の発熱部３ｄ付近に配置したので、第１の発熱部３ｄ付近から低温の冷媒を流通させて、タンク４の上面４ｅの半導体スイッチ１０ａ、１０ｂが密着する位置に、比較的温度が低い冷媒を流通させることがきる。

本実施形態の車両用液体加熱装置１は、電気ヒータ３の第２の発熱部３ｅの温度が所定温度（第３設定温度）よりも上昇したか否かを検出する温度上昇検出部としてのバイメタルスイッチ１４が備えられる。このような構成により、電気ヒータ３の最も発熱量が大きい部位の温度が所定温度（第３設定温度）よりも上昇したことを検出した場合は電流を遮断することができ、車両用液体加熱装置１の安全性を向上できる。

なお、図２及び図３では、バイメタルスイッチ１４のみを図示したが、第１設定温度に達したときに解放して半導体スイッチ１０ａ、１０ｂを遮断させるバイメタルスイッチ１１を、バイメタルスイッチ１４と同様に電気ヒータ３の第２の発熱部３ｅに密着して備えてもよい。

本実施形態の車両用液体加熱装置１は、電気ヒータ３は、冷媒入口３０及び冷媒出口３１の液体流れ方向と直交して、冷媒入口３０から冷媒出口３１に向かってタンク４の内部に挿装され、フランジ部３ａをタンク４の側面４ｂに接触させるか、タンク４の内面に先端部３ｃが突き当たるように構成することによって挿入深さを規定する位置決め部を有する。このような構成により、簡易な構成で、電気ヒータ３の第１の発熱部３ｄと第２の発熱部３ｅと、安全装置としてのバイメタルスイッチ１４との位置を正確に設定できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、電気ヒータ３の巻線密度を変更して、第１の発熱部３ｄの単位体積当たりの発熱量よりも第２の発熱部３ｅの単位体積当たりの発熱量が大きくなるように構成したが、これに限られない。例えば、電気ヒータ３の巻線密度は均一とし、第１の発熱部３ｄよりも第２の発熱部３ｅ付近の巻線の抵抗値が大きくなるように構成することによって、第１の発熱部３ｄの単位体積当たりの発熱量よりも第２の発熱部３ｅの単位体積当たりの発熱量が大きくなるように構成してもよい。さらに、カートリッジの中に複数の発熱部を備えた構成であってもよい。

上記実施形態では、車両に備えられる液体加温装置について説明したが、これに限られるものではない。車載以外の冷媒の温度を上昇させる用途に用いてもよい。

１ 車両用液体加熱装置
２ 直流電源
３ 電気ヒータ
３ａ フランジ部
３ｃ 先端部
３ｄ 第１の発熱部
３ｅ 第２の発熱部
４ タンク
５ 制御装置
１０ａ、１０ｂ 半導体スイッチ
１１ バイメタルスイッチ
１２ 電源装置
１３ 電気ヒューズ
１４ バイメタルスイッチ
１５ 供給ライン
１６ 短絡ライン
２０ａ、２０ｂ ドライバ
２１ 制御基板
２３ 水温センサ
２５ コントローラ
３０ 冷媒入口
３１ 冷媒出口
３３ バスバー

Claims (6)

1. 液体を貯留するタンクと、
   前記タンクに挿装され、前記液体を加熱する電気ヒータと、
   前記タンクの外面に配置され、前記液体の温度に基づいて前記電気ヒータへの通電を制御する制御部と、を備え、
   前記電気ヒータは、第１の発熱部と、第１の発熱部よりも発熱量が大きい第２の発熱部とからなり、
   前記制御部は、前記第２の発熱部よりも前記第１の発熱部に近い位置に配置されることを特徴とする車両用液体加熱装置。
2. 請求項１に記載の車両用液体加熱装置であって、
   前記電気ヒータは、前記第１の発熱部の単位体積当たりの発熱量よりも前記第２の発熱部の単位体積あたりの発熱量の方が大きいことを特徴とする車両用液体加熱装置。
3. 請求項１又は２に記載の車両用液体加熱装置であって、
   前記タンクには、前記液体が流入する入口部と、前記タンクから前記液体が流出する出口部とが備えられ、
   前記入口部は、前記第２の発熱部よりも前記第１の発熱部に近い位置に配置されることを特徴とする車両用液体加熱装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の車両用液体加熱装置であって、
   前記電気ヒータの温度が所定温度よりも上昇したかを検出する温度上昇検出部を備え、
   前記温度上昇検出部は、前記第２の発熱部の温度を取得することを特徴とする車両用液体加熱装置。
5. 請求項３に記載の車両用液体加熱装置であって、
   前記電気ヒータは、
   前記入口部及び前記出口部の液体流れ方向と直交して、前記入口部から前記出口部に向かう方向に前記タンクの内部に挿装され、
   前記タンクへの挿入深さを規定する位置決め部を有することを特徴とする車両用液体加熱装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の車両用液体加熱装置であって、
   前記制御部は、半導体スイッチにより構成されることを特徴とする車両用液体加熱装置。

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