JP2016159693A - 熱媒体加熱装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】扁平熱交換管に縮み変形を生じさせず、かつ、扁平熱交換管とＰＴＣヒータ間の接触力を向上させることが可能な熱媒体加熱装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】熱媒体加熱装置の製造方法は、内部にて熱媒体が流通する扁平熱交換管と、ＰＴＣ特性を有し、扁平熱交換管と重ねて配置されるＰＴＣヒータと、扁平熱交換管及びＰＴＣヒータを挟む押え板及び基板台とを備える熱媒体加熱装置の製造方法であって、互いに重ねられた扁平熱交換管及びＰＴＣヒータを押え板及び基板台の間に配置する工程と、扁平熱交換管内部に圧力をかけて、押え板及び基板台間に配置された扁平熱交換管を拡張する工程と、押え板及び基板台間の距離を縮めて、押え板及び基板台間に配置された扁平熱交換管を強制変位させる工程とを有し、扁平熱交換管の強制変位量は、扁平熱交換管内部にかける圧力と、扁平熱交換管の剛性に基づいて決定される。【選択図】図１７

Description

本発明は、ＰＴＣヒータを用いて熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置の製造方法に関するものである。

電気自動車やハイブリッド車等の車両用空調装置において、ＰＴＣ素子を用いて暖房用の熱源となる熱媒体を加熱するＰＴＣヒータを組み込んだ熱媒体加熱装置が用いられている。熱媒体加熱装置は、内部に熱媒体が流通される流路が形成された扁平状の扁平熱交換管が複数枚積層され、２枚の扁平熱交換管の間にＰＴＣヒータが密着して設置される。これにより、ＰＴＣヒータの発熱で扁平熱交換管内を流通する熱媒体が加熱される。

下記の特許文献１では、扁平熱交チューブ（扁平熱交換管）の内部に圧力をかけて、熱交チューブを拡管することによって、熱交チューブとＰＴＣヒータとを密着させる方法が開示されている。

特開２０１４−２２４６２８号公報

熱媒体加熱装置は、加熱性能を向上させるため、扁平熱交換管とＰＴＣヒータ間の接触熱抵抗を低減させることが望ましい。そのためには、扁平熱交換管とＰＴＣヒータの接触力を高める必要がある。

しかし、特許文献１に示されているような拡管方法によって、扁平熱交換管とＰＴＣヒータとを密着させる場合、内部圧力を高く設定しすぎる（例えば1.5MPa）と、セラミックス製のＰＴＣヒータが破損してしまう。

本発明者らは、内部圧力を比較的低く設定する（例えば0.7MPa）代わりに、扁平熱交換管とＰＴＣヒータを両側から挟む際の強制変位の変位量を大きく設定（例えば0.2mm）して、接触力の向上を試みた。その結果、熱媒体加熱装置の温度変動の繰り返しによって、扁平熱交換管に縮み変形が生じてしまい、扁平熱交換管とＰＴＣヒータの接触力が徐々に低下した。したがって、扁平熱交換管とＰＴＣヒータの接触力を高めるには、他のパラメータを考慮せずに内部圧力を単純に高く設定するという方法や、内部圧力を比較的低く設定し、強制変位の変位量を大きく設定するという方法以外の方法を検討する必要があるという知見が得られた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、扁平熱交換管に縮み変形を生じさせず、かつ、扁平熱交換管とＰＴＣヒータ間の接触力を向上させることが可能な熱媒体加熱装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱媒体加熱装置の製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る熱媒体加熱装置の製造方法は、内部にて熱媒体が流通する扁平状の熱交換管と、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有し、前記熱交換管と重ねて配置されるＰＴＣヒータと、互いに重ねられた前記熱交換管及び前記ＰＴＣヒータの両面側にそれぞれ設置され、前記熱交換管及び前記ＰＴＣヒータを挟む支持部とを備える熱媒体加熱装置の製造方法であって、互いに重ねられた前記熱交換管及び前記ＰＴＣヒータを前記支持部間に配置する工程と、前記熱交換管内部に圧力をかけて、前記支持部間に配置された前記熱交換管を拡張する工程と、前記支持部間の距離を縮めて、前記支持部間に配置された前記熱交換管を強制変位させる工程とを有し、前記熱交換管の強制変位量は、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性に基づいて決定される。

この構成によれば、熱交換管内部に圧力をかけて、熱交換管を拡張するとともに、支持部間の距離を縮めて、熱交換管を強制変位させることによって、熱交換管とＰＴＣヒータの接触力を向上させる。このとき、熱交換管内部にかける圧力だけでなく、熱交換管の剛性に基づいて、熱交換管の強制変位量が決定される。発明者らによって、熱交換管の強制変位量が大きいと、熱媒体加熱装置の温度変動の繰り返しによって、熱交換管に縮み変形が生じ、接触力が低減していくという知見が得られている。上記構成によれば、熱交換管内部にかける圧力と熱交換管の剛性を考慮して熱交換管の強制変位量が決定されることによって、熱媒体加熱装置の温度変動の繰り返しが増えた場合でも、接触力の低減を抑制できる。

上記発明において、前記熱交換管と前記ＰＴＣヒータとの間の隙間の大小に関わらず、前記熱交換管と前記ＰＴＣヒータの接触力が保持されるように、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性が設定される。

この構成によれば、熱交換管内部に圧力をかけたとき、熱交換管とＰＴＣヒータとの間の隙間の大小に関わらず、熱交換管とＰＴＣヒータの接触力が保持される。たとえば、熱交換管内部にかける圧力を比較的高く設定し、熱交換管の剛性を比較的低く設定することによって、熱交換管とＰＴＣヒータとの間の隙間が大きい場合であっても、熱交換管とＰＴＣヒータの接触力を保持できる。

上記発明において、前記ＰＴＣヒータの温度変動の繰り返し回数に関わらず、前記熱交換管と前記ＰＴＣヒータの接触力が保持されるように、前記熱交換管の強制変位量が設定される。

この構成によれば、支持部間に配置された熱交換管を強制変位させた結果、ＰＴＣヒータの温度変動の繰り返し回数、例えば熱媒体加熱装置の運転回数に関わらず、熱交換管とＰＴＣヒータの接触力が保持される。たとえば、熱交換管の強制変位量を比較的小さく設定することによって、ＰＴＣヒータの温度変動の繰り返しが増加したとしても、熱交換管に縮み変形が生じにくく、接触力の低減を抑制できる。

上記発明において、前記熱交換管の強制変位量は、下記の式１を満たすように、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性に基づいて決定される。
ｙ≦（ｋＡ＋Ｂ）ｘ＋（ｋＣ＋Ｄ） …… （式１）
ここで、ｘは拡管圧力[MPa]、ｙは相対強制変位[-]（無次元）、ｋは扁平熱交換管１４の剛性[N/mm]である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、いずれも係数であり、下記の式２〜式５に示す範囲である。
＋2.6×10^-5≦Ａ≦＋3.3×10^-5 …… （式２）
−1.5×10^-2≦Ｂ≦−9.2×10^-3 …… （式３）
−6.0×10^-5≦Ｃ≦−5.3×10^-5 …… （式４）
＋2.2×10^-2≦Ｄ≦＋2.7×10^-2 …… （式５）

この構成によれば、熱交換管内部に圧力をかけたとき、熱交換管とＰＴＣヒータとの間の隙間の大小に関わらず、熱交換管とＰＴＣヒータの接触力が保持され、かつ、支持部間に配置された熱交換管を強制変位させた結果、ＰＴＣヒータの温度変動の繰り返し回数、例えば熱媒体加熱装置の運転回数に関わらず、熱交換管とＰＴＣヒータの接触力が保持される。

本発明によれば、扁平熱交換管に縮み変形を生じさせず、かつ、扁平熱交換管とＰＴＣヒータ間の接触力を向上させることができ、その結果、熱媒体加熱装置の伝熱性能を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱媒体加熱装置の外観斜視図である。 図１に示す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縦断面図である。 図１に示す熱媒体加熱装置の熱交換エレメントの側面図である。 図４に示す熱交換エレメントの分解斜視図である。 図４に示す熱交換エレメントの熱媒体出入口パイプ取り出し部の拡大断面図である。 図４に示す熱交換エレメントの扁平熱交換管、熱媒体出入口ヘッダおよび熱媒体出入口パイプの平面図である。 図７に示す扁平熱交換管、熱媒体出入口ヘッダおよび熱媒体出入口パイプのチューブ長手方向の側面図である。 図７に示す扁平熱交換管、熱媒体出入口ヘッダおよび熱媒体出入口パイプの左側面図である。 図７に示す扁平熱交換管、熱媒体出入口ヘッダおよび熱媒体出入口パイプの分解斜視図である。 図７に示す扁平熱交換管の断面図である。 扁平熱交換管の第１変形例を示す断面図である。 扁平熱交換管の第２変形例を示す断面図である。 拡管圧力を変化させたときの接触力と隙間の関係を示すグラフである。 波形インナーフィンのピッチを変化させたときの接触力と隙間の関係を示すグラフである。 強制変位量を変化させたときの接触力と運転回数の関係を示すグラフである。 扁平熱交換管における強制変位量と拡管圧力の関係を示すグラフである。 扁平熱交換管における相対強制変位量と拡管圧力の関係を示すグラフである。

以下、図１から図１１を参照して、本発明の第１実施形態に係る熱媒体加熱装置について説明する。
熱媒体加熱装置１は、電気自動車やハイブリッド車等に適用される車両用空調装置であり、暖房用の熱源となる熱媒体を加熱する。熱媒体加熱装置１は、放熱器との間で熱媒体ポンプを介して熱媒体が循環される。

熱媒体加熱装置１において、熱交換エレメント１２は、Ｕターン流路２１が形成されている複数枚の扁平熱交換管１４と、扁平熱交換管１４間に設置されるＰＴＣヒータ１８とによって構成され、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８がそれぞれ交互に積層されている。

扁平熱交換管１４は、その一端がロウ付け接合によって、熱媒体出入口ヘッダ１７と接続されるとともに、熱媒体出入口ヘッダ１７は、熱媒体の入口パイプ１５及び出口パイプ１６と接続されている。

熱交換エレメント１２は、押え板４０又は下部ハウジング３の底面と、基板台４１との間に挟み込まれる。そして、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８は、互いに密着した状態でハウジング２内に収容設置されている。

ハウジング２は、箱形形状であって、一側面にパイプ貫通面５を有し、パイプ貫通面５には、熱媒体が流通する入口パイプ１５又は出口パイプ１６がシール状態で貫通される貫通穴６又は７が設けられている。

パーティングラインＰＬは、パイプ貫通面５の上方部からパイプ貫通面５の対向面８の下方部に向って斜めに設けられている。パーティングラインＰＬは、上下に２分割された樹脂製の下部ハウジング３と上部ハウジング４とから構成されている。上部ハウジング４は、内装部品が組み付けられた下部ハウジング３に対して、液状ガスケット等を介してねじで締め付け固定される。

下部ハウジング３の他の一側面９には、ＨＶハーネス４８及びＬＶハーネス４９が貫通する貫通穴１０を備えたハーネス貫通部１１が設けられている。また、下部ハウジング３の底面には、熱交換エレメント１２をねじ等で締め付け固定するための複数のボス部３Ａが設けられる。シール部材５３は、貫通穴６，７に入口パイプ１５及び出口パイプ１６を貫通させた後、貫通穴６，７を密閉シールする。パイプ貫通面５には、シール部材５３を締め付け固定するための複数のボス部３Ｂが一体成形により設けられる。

ハウジング２の内部には、熱交換エレメント１２と、制御基板１３とが収容設置されている。熱交換エレメント１２は、入口パイプ１５及び出口パイプ１６を介して流通される熱媒体と熱交換して、熱媒体を加熱する。制御基板１３は、熱交換エレメント１２を構成するＰＴＣヒータ１８に印加される電力を制御する。熱交換エレメント１２は、図４，５に示されるように、複数枚（本実施形態の場合、４枚）の扁平熱交換管１４と、熱媒体出入口ヘッダ１７と、複数組のＰＴＣヒータ１８などから構成されている。

熱媒体出入口ヘッダ１７は、複数枚の扁平熱交換管１４が所定の間隔で接続されるとともに、一対の入口パイプ１５及び出口パイプ１６が接続され、ロウ付け接合により一体化されている。複数組のＰＴＣヒータ１８は、複数枚の扁平熱交換管１４間に組み込まれる。

扁平熱交換管１４は、図７から図９に示されるように、一端に設けられた熱媒体入口１９から流入した熱媒体が他端側でＵターンして一端側に設けられた熱媒体出口２０に戻るＵターン流路２１が形成されている。複数枚の扁平熱交換管１４は、各々の熱媒体入口１９及び熱媒体出口２０を熱媒体出入口ヘッダ１７にロウ付けによって接続され、各扁平熱交換管１４と熱媒体出入口ヘッダ１７とが一体化されている。

各扁平熱交換管１４は、図１０及び図１１に示されるように、上下一対の成形プレート２２Ａ，２２Ｂが突き合わされて対向配置されている。

成形プレート２２Ａ，２２Ｂは、アルミ合金製であり、凹状にＵターン流路２１が成形される。

成形プレート２２Ａ，２２ＢのＵターン流路２１の直線部分には、図１１に示すように、アルミ合金製の薄板を波形に成形した同一形状の波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂが２枚重ねにされて挿入され一体にロウ付け接合される。
なお、本実施形態に係る波形インナーフィン２３の形状は、上述した例に限定されない。波形インナーフィン２３は、例えば図１２及び図１３に示すように、高さ方向中央部にて段差部が設けられた断面形状を有し、成形プレート２２Ａ，２２Ｂの間に１枚のみ設けられてもよい。

成形プレート２２Ａ，２２ＢのＵターン流路２１のＵターン部位には、成形プレート２２Ａ，２２Ｂの内面側に突出されたＵ字形をなすリブ２４が一体成形される。

成形プレート２２Ａ，２２Ｂは、内面側のみにロウ材が被覆（クラッド）されたクラッド材を用いて成形され、全ての波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂは、ベア材で成形される。

図１１に示す２枚の波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂは、重ねて挿入され、波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂの一面側が成形プレート２２Ａ，２２Ｂの内面にロウ付け接合される。中央合わせされた２枚の波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂ同士は接合されない。これにより、扁平熱交換管１４の内部に圧力をかけたとき、インナーフィンの挿入にも拘らず、扁平熱交換管１４自体が容易に拡管される。

このため、複数枚の扁平熱交換管１４を、その間に電極板３７，３８及び絶縁シート（図示省略）を含むＰＴＣヒータ１８を挿入設置することが可能な一定の隙間を確保して配置してもよい。すなわち、複数枚の扁平熱交換管１４間にＰＴＣヒータ１８を交互に積層配置した後、波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂが挿入されている扁平熱交換管１４を拡管することによって、複数枚の扁平熱交換管１４と複数組のＰＴＣヒータ１８とを密着させて設置することができる。また、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８間の接触熱抵抗を低減して熱伝達率を向上し、熱媒体加熱装置１を高性能化することができるとともに、扁平熱交換管１４間へのＰＴＣヒータ１８の組み込みを容易化し、組み立て性を向上することができる。

より具体的には、２枚の波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂは、図１１に示されているように、一方の波形インナーフィン２３Ａの山部２３Ｃと谷部２３Ｄが、他方の波形インナーフィン２３Ｂの山部２３Ｃと谷部２３Ｄと対向配置される。各々の波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂの山部２３Ｃが成形プレート２２Ａ，２２Ｂの内面にロウ付け接合されるとともに、谷部２３Ｄ同士が直接接触されるように挿入設置されており、２枚の波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂ同士は、ロウ付けされず非接合状態とされている。また、波形インナーフィン２３Ａ，２３Ｂは、山部２３Ｃと谷部２３ＤのピッチＰ１，Ｐ２が等ピッチ（Ｐ１＝Ｐ２）とされている。なお、本発明に係る波形インナーフィンの断面形状は、上述した形状に限定されず、他の形状であってもよい。

熱媒体出入口ヘッダ１７は、入口パイプ１５から流入した熱媒体を複数枚の扁平熱交換管１４に分配し、かつ、各扁平熱交換管１４内を流通する間にＰＴＣヒータ１８により加熱された熱媒体を合流して出口パイプ１６に流出させる。

熱媒体出入口ヘッダ１７は、図１０に示されるように、ヘッダプレート２５と、ヘッダタンク部材２７と、パイプ接続部材３２が結合されて一体化されている。

ヘッダプレート２５は、アルミ合金製の板材が成形され、外面にロウ材がクラッドされている。ヘッダタンク部材２７は、仕切壁で区画され、一対の入口ヘッダタンク部２８と出口ヘッダタンク部２９とが形成される。また、ヘッダタンク部材２７は、アルミ合金製の外面にロウ材がクラッドされ、ヘッダプレート２５と結合される。

パイプ接続部材３２は、アルミ合金製のめがね形状とされ、ヘッダタンク部材２７の外面側において入口パイプ１５及び出口パイプ１６を接続する一対の接続口３３，３４を備える。

ヘッダプレート２５には、接続穴２６が、左右２列、各列４段に設けられている。接続穴２６には、複数枚（４枚）の扁平熱交換管１４の熱媒体入口１９及び熱媒体出口２０が挿入されて接続される。

また、ヘッダタンク部材２７の入口ヘッダタンク部２８には、入口パイプ１５と連通する熱媒体入口３０が設けられ、出口ヘッダタンク部２９には、出口パイプ１６と連通する熱媒体出口３１が設けられている。

さらに、パイプ接続部材３２には、一対の接続口３３，３４が設けられるほか、水温センサ設置片３５Ａ，３５Ｂと、フランジ部３６Ａ，３６Ｂが一体に設けられている。

水温センサ設置片３５Ａ，３５Ｂは、各々の接続口３３，３４の上部から上方に延出された部位である。フランジ部３６Ａ，３６Ｂは、基板台４１の脚部４２に設けられている固定部４２Ａに対してねじ止め固定される。

入口パイプ１５又は出口パイプ１６は、所定長さの円筒状のパイプであり、パイプ接続部材３２の接続口３３又は３４と、ヘッダタンク部材２７の熱媒体入口３０又は熱媒体出口３１に一端が挿入され、ロウ付け接続される。

なお、上記した扁平熱交換管１４の各構成部品間、熱媒体出入口ヘッダ１７の各構成部品間、扁平熱交換管１４と熱媒体出入口ヘッダ１７間、及び、熱媒体出入口ヘッダ１７と入口パイプ１５又は出口パイプ１６間は、それぞれロウ付けにより結合される。ロウ付け結合は、冶具を用いて各構成部品を上記の構成で仮組み立てした後に、一括して炉中ロウ付けを行ってもよい。

熱交換エレメント１２は、図７から図９に示されるように、一体化された扁平熱交換管１４、入口パイプ１５、出口パイプ１６及び熱媒体出入口ヘッダ１７に対して、ＰＴＣヒータ１８が組み込まれて、サブアセンブリされる。ＰＴＣヒータ１８自体は、公知のものでよく、２枚の電極板３７，３８が、ＰＴＣ素子の上下面を上下から挟む。

ＰＴＣヒータ１８は、扁平熱交換管１４間の所定の位置に位置決めピン等を介して位置決めされた状態で、図４及び図５に示されるように、絶縁シート（図示省略）を介して挿入設置される。

ＰＴＣヒータ１８の各電極板３７，３８からは、一定の幅を有する板状の端子３９が延出される。端子３９は、それぞれ屈曲されて上方に延長され、後述する制御基板１３の下面の一辺側に並設されている複数の端子台４６に対して、直接ねじ止め固定されて接続される。

熱交換エレメント１２は、図４及び図５に示されるように、矩形状の押え板４０と、基板台４１との間に組み込まれる。押え板４０は、最下層の扁平熱交換管１４の下面に設置される。基板台４１は、アルミダイキャスト製であり、押え板４０上に４コーナ部に設けられている所定長さの脚部４２を介して固定設置される。

熱交換エレメント１２は、上下面を冶具で固定した状態で、各扁平熱交換管１４内に水圧等がかけられる。これにより、各扁平熱交換管１４が拡管され、各ＰＴＣヒータ１８と各扁平熱交換管１４との表面同士が互いに密着状態とされる。

基板台４１は、押え板４０や扁平熱交換管１４及び制御基板１３と平面面積が略同一の矩形形状とされ、４コーナ部に下方に延長された所定長さの脚部４２を備える。

基板台４１の上面には、制御基板１３を締め付け固定するためのボス部４３が４箇所に設けられる。

制御基板１３は、基板台４１上のボス部４３にねじ等で固定設置され、ＰＴＣヒータ１８に印加される電力を制御する制御回路４４が実装される。制御基板１３は、ハーネス貫通部１１に固定設置されるコネクタ４７を介してＨＶハーネス４８及びＬＶハーネス４９が接続される。

また、制御基板１３には、パイプ接続部材３２に一体に設けられている水温センサ設置片３５Ａ，３５Ｂに設置された入口側及び出口側の水温センサ５０，５１からの検出信号がハーネス５２を介して入力される。さらに、制御基板１３には、その下面側に制御回路４４を構成するＩＧＢＴ等の複数個のパワートランジスタ４５が設置されているとともに、その一辺に沿ってＰＴＣヒータ１８の電極板３７，３８から延長された端子３９を接続する複数個の端子台４６が設置されている。

制御基板１３は、基板台４１上に設置され、発熱部品であるＩＧＢＴ等のパワートランジスタ４５は、扁平熱交換管１４の上面に設置されているアルミ合金材製の基板台４１に接触されて設置される。

これにより、基板台４１がヒートシンクとしてパワートランジスタ４５を冷却する。また、端子台４６には、電極板３７，３８から延長された端子３９が、ねじ等を介して直接接続される。

本実施形態によれば、熱媒体加熱装置１は、以下の作用効果を奏する。
ポンプを介して上記熱媒体加熱装置１に循環された熱媒体は、熱交換エレメント１２の入口パイプ１５から熱媒体出入口ヘッダ１７の入口ヘッダタンク部２８に流入し、４枚の扁平熱交換管１４に分配され、そのＵターン流路２１内を流通する間にＰＴＣヒータ１８によって加熱、昇温される。扁平熱交換管１４内を流通される間に加熱、昇温された熱媒体は、出口ヘッダタンク部２９で合流され、出口パイプ１６を経て放熱器に供給されることにより、暖房用の熱源に供される。

熱媒体加熱装置１によって加熱される熱媒体は、熱媒体出入口ヘッダ１７に結合されたパイプ接続部材３２に一体に設けられている水温センサ設置片３５Ａ，３５Ｂに設置されている水温センサ５０，５１によって、熱媒体の入口温度及び出口温度が検出される。そして、検出値に応じて、ＰＴＣヒータ１８に対する通電電流が、制御基板１３で制御されることによって、設定温度に調整される。

次に、図２を用いて、熱媒体加熱装置１の組立方法について説明する。
複数組のＰＴＣヒータ１８は、所定の間隔で熱媒体出入口ヘッダ１７に接続された複数枚の扁平熱交換管１４間に、微小の隙間を保った状態で挿入設置される。このとき、ＰＴＣヒータ１８は、上下両面が電極板３７，３８で挟まれ、更にその両面に絶縁シートが介装した状態である。

そして、扁平熱交換管１４及びＰＴＣヒータ１８は、押え板４０と基板台４１との間に挟み込まれ、冶具に装着された状態で、扁平熱交換管１４内に水圧等をかけて、扁平熱交換管１４が拡管される。これにより、扁平熱交換管１４及びＰＴＣヒータ１８が、互いに密着する。

このように、本実施形態に係る熱媒体加熱装置１は、積層構造とされる複数枚の扁平熱交換管１４と複数組のＰＴＣヒータ１８とを互いに密着させてハウジング２内に組み込むことができる。その結果、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８の接触面での接触力を高めることができ、接触熱抵抗を低減し、伝熱効率を確保することができる。

また一方で、ＨＶハーネス４８及びＬＶハーネス４９が、貫通穴１０に貫通して設置される。ＨＶハーネス４８及びＬＶハーネス４９のコネクタ４７は、下部ハウジング３側のハーネス貫通部１１に液状ガスケットを塗布してねじ止め固定される。

その後、予めサブアセンブリされた熱交換エレメント１２及び制御基板１３が、下部ハウジング３上に、下部ハウジング３の底面に設けられている複数のボス部３Ａにねじ等で締め付け固定することにより設置される。

このとき、入口パイプ１５及び出口パイプ１６が、パイプ貫通面５に設けられている貫通穴６又は７に水平方向から挿入して組み込まれる。

そして、パイプ貫通面５の貫通穴６又は７に挿通された熱媒体の入口パイプ１５又は出口パイプ１６には、外端部側から入口パイプ１５及び出口パイプ１６の外周にグロウメット等のシール部材５３が挿入される。シール部材５３は、ボス部３Ｂに対してねじ等で締め付け固定することによって、貫通穴６，７をシール状態とする。

また、サブアセンブリされた熱交換エレメント１２及び制御基板１３を、上記のように下部ハウジング３上に組み込んだ後、制御基板１３に対して、ＨＶハーネス４８及びＬＶハーネス４９、水温センサ５０，５１からのハーネス５２をそれぞれ接続する。これにより、制御基板１３に対する電気系統の接続が行われる。そして、それらの接続が完了した後、下部ハウジング３に液状ガスケットを塗布し、上部ハウジング４をねじ等で締め付け固定することによって、ハウジング２を密閉する。

なお、上記実施形態では、制御基板１３を基板台４１上に設置してサブアセンブリする際、電極板３７，３８から延長された端子３９を端子台４６に接続する。本発明はこの例に限定されず、制御基板１３にハーネス類を接続する際、同時に端子３９を端子台４６に接続してもよい。

また、上記実施形態では、扁平熱交換管１４間にＰＴＣヒータ１８が挿入設置された熱交換エレメント１２を、押え板４０と基板台４１間に組み込んだ状態で、上下面を冶具で固定して、扁平熱交換管１４内に水圧等をかけることによって、各扁平熱交換管１４を拡管する。そして、サブアセンブリされた熱交換エレメント１２及び制御基板１３を下部ハウジング３上に組み込む。

本発明はこの例に限定されず、扁平熱交換管１４間にＰＴＣヒータ１８が挿入設置された熱交換エレメント１２を、押え板４０を介さずに、下部ハウジング３の底面上に直接組み込み、基板台４１を下部ハウジング３の底面に固定設置した状態で、各扁平熱交換管１４を拡管してもよい。そして、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８とを密着状態とした後、基板台４１上に制御基板１３を組み込む。

次に、扁平熱交換管の拡管方法及び熱交換エレメントの組立方法について詳細に説明する。
熱媒体加熱装置１は、加熱性能を向上させるため、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８間の接触力を高め、接触熱抵抗を低減させる。以下、実験によって得られた知見を図１４から図１７を用いて説明する。

例えば、図１２に示すように、扁平熱交換管１４内部に設けられた波形インナーフィン（Ｉ／Ｆ）２３のピッチが比較的大きい場合、すなわち、扁平熱交換管１４の剛性が比較的低い場合において、拡管時の内部圧力（拡管圧力）が接触力へ及ぼす寄与度（影響）を検討した。なお、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８間の接触力が高いほど、熱媒体加熱装置１の伝熱性能が向上し、反対に、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８間の接触力が低いと、熱媒体加熱装置１の伝熱性能が低下する関係にある。

その結果、図１４に示すように、拡管圧力を低く設定すると、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８の隙間が大きい場合、隙間が小さい場合よりも、接触力が低くなることが分かった。一方、拡管圧力を高く設定すると、隙間の大小に関わらず、接触力が高くなった。したがって、拡管圧力が低いと、隙間の大小の影響を受けて、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることが困難である。これに対し、拡管圧力が高いと、隙間の大小の影響に関わらず、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることができる。

次に、拡管圧力を比較的高く設定した場合、波形インナーフィン２３のピッチが接触力へ及ぼす寄与度を検討した。その結果、図１５に示すように、波形インナーフィン２３のピッチを比較的小さくすると、すなわち、扁平熱交換管１４の剛性を比較的高くすると、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８の隙間が大きい場合、隙間が小さい場合よりも、接触力が低くなることが分かった。一方、波形インナーフィン２３のピッチを比較的大きくすると、すなわち、扁平熱交換管１４の剛性を比較的低くすると、隙間の大小に関わらず、接触力が高い傾向にあった。したがって、扁平熱交換管１４の剛性が高いと、隙間の大小の影響を受けて、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることが困難である。これに対し、扁平熱交換管１４の剛性が低いと、隙間の大小の影響に関わらず、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることができる。

また、拡管圧力を比較的高く設定し、かつ、波形インナーフィン２３のピッチを比較的大きくする、すなわち、扁平熱交換管１４の剛性を比較的低くする場合、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８を両側から挟む際の強制変位が、接触力へ及ぼす寄与度を検討した。その結果、図１６に示すように、強制変位量を大きくすると、熱媒体加熱装置の運転回数、すなわち、熱媒体加熱装置の温度変動の繰り返しが増えるにつれて、接触力が低くなることが分かった。一方、強制変位の変位量を小さくした場合、運転回数、すなわち、温度変動の繰り返しに関わらず、接触力はほぼ一定に保たれる。

上述した結果は、扁平熱交換管１４及びＰＴＣヒータ１８に外力が比較的高くかかっている場合には、温度変動の繰り返しによって、扁平熱交換管１４に生じる縮み変形が徐々に大きくなっているということを示している。これは、強制変位量が大きい結果、扁平熱交換管１４が弾性変形の範囲を超えて、扁平熱交換管１４に塑性変形が生じているためと推測される。

したがって、強制変位量が大きいと、運転回数の増加の影響を受けて、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることが困難である。これに対し、強制変位量が小さいと、運転回数の増加に関わらず、接触力、すなわち伝熱性能をほぼ一定に保つことができる。

以上より、接触力を所定値以上に保つ、すなわち、熱媒体加熱装置における伝熱性能（熱媒体の加熱性能）を所定以上に設定するためには、図１７において網掛け部分で示すような領域に強制変位の変位量及び拡管圧力を設定することが望ましい。

図１７には、波形インナーフィン２３のピッチが小さい場合と、大きい場合の二つの例について、それぞれの望ましい設定領域を示している。いずれの場合も、境界線は、右肩下がりの直線である。したがって、拡管圧力を低く設定する場合は、強制変位量が大きくても許容され、拡管圧力を高く設定する場合は、強制変位量が小さいほうが好ましい傾向にある。

そして、図１７に示すグラフの直線の傾きは、扁平熱交換管１４の剛性が高い場合は、扁平熱交換管１４の剛性が低い場合に比べ、緩やかとなり、かつ、設定可能な拡管圧力の範囲は小さい。

上述したとおり、拡管圧力が低いと、隙間の大小の影響を受けて、接触力の向上を図ることが困難である。したがって、扁平熱交換管１４の剛性を比較的高くして、拡管圧力を低めに設定することは回避したほうが良い。よって、扁平熱交換管１４の剛性が比較的低いことが望ましい。

また、扁平熱交換管１４の剛性が比較的低い場合であっても、強制変位量を大きくすると、運転回数の増加に応じて、接触力が低下する。したがって、強制変位量を小さくすることが望ましい。また、この場合は、拡管圧力を高くしたほうが、隙間の大小に関わらず、高い接触力となって、より高い性能が得られる。

以上より、拡管圧力を比較的高く設定しつつ、強制変位量を比較的小さく設定する。これにより、隙間の大小に関わらず、接触力を向上させて、熱媒体加熱装置における熱媒体の加熱性能を向上させることができる。また、運転回数の増加の影響を受けないで、接触力を保たせつつ、熱媒体の加熱性能を維持することができる。

次に、図１８を用いて、扁平熱交換管１４の拡管圧力、扁平熱交換管１４の強制変位量、波形インナーフィン２３のピッチ（扁平熱交換管１４の剛性）、扁平熱交換管１４とＰＴＣヒータ１８間の隙間、及び、熱媒体加熱装置１の運転回数をパラメータとして考慮した解析結果について説明する。

相対強制変位と拡管圧力の関係について、任意の扁平熱交換管１４の伝熱性能が2500Wを満たすときのグラフを算出した。その結果、波形インナーフィン２３のピッチが比較的小さい場合（扁平熱交換管１４の剛性が400N/mm）は、三角形の印で結んだ直線となり、波形インナーフィン２３のピッチが比較的大きい場合（扁平熱交換管１４の剛性が40N/mm）は、円形の印で結んだ直線となる。

波形インナーフィン２３のピッチが比較的小さく、剛性が高いほど、許容できる領域は、小さくなる。反対に、波形インナーフィン２３のピッチが比較的大きく、強制変位による影響を受けにくいことから、許容できる領域は大きい。

従来の組立における技術常識に鑑みると、拡管圧力は高く、強制変位量は大きいほうが、ＰＴＣヒータ１８と扁平熱交換管１４間の接触面圧が高くなり、熱媒体加熱装置における熱媒体の加熱性能を向上させることができると推測される。この場合、グラフは右肩上がりとなる。

しかし、上述した本発明者らの解析結果によると、拡管圧力が高い場合、強制変位量は小さいほうが、加熱性能を向上させることができるという結果が得られた。グラフは右肩上がりではなく右肩下がりとなることが判明した。

解析結果から、任意の剛性に対しても適用できる式へと一般化すると、下記のとおりとなる。一例を図１８の実線で示している。

ｙ＝（ｋＡ＋Ｂ）ｘ＋（ｋＣ＋Ｄ） …… （式１）
ここで、ｘは拡管圧力[MPa]、ｙは相対強制変位[-]（無次元）、ｋは扁平熱交換管１４の剛性[N/mm]である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、いずれも係数であり、以下に示す範囲に設定することが望ましい。
＋2.6×10^-5≦Ａ≦＋3.3×10^-5 …… （式２）
−1.5×10^-2≦Ｂ≦−9.2×10^-3 …… （式３）
−6.0×10^-5≦Ｃ≦−5.3×10^-5 …… （式４）
＋2.2×10^-2≦Ｄ≦＋2.7×10^-2 …… （式５）

以上より、ｙ≦（ｋＡ＋Ｂ）ｘ＋（ｋＣ＋Ｄ）を満たすとき、隙間の大小に関わらず、接触力を向上させて、熱媒体加熱装置における熱媒体の加熱性能を向上させることができる。また、運転回数の増加の影響を受けないで、接触力を保たせつつ、熱媒体の加熱性能を維持することができる。

１ 熱媒体加熱装置
１２ 熱交換エレメント
１４ 扁平熱交換管（熱交換管）
１５ 入口パイプ
１６ 出口パイプ
１７ 熱媒体出入口ヘッダ
１８ ＰＴＣヒータ
２２Ａ 成形プレート
２２Ｂ 成形プレート
２３，２３Ａ，２３Ｂ 波形インナーフィン
４０ 押え板（支持部）
４１ 基板台（支持部）
４２ 脚部

Claims (4)

1. 内部にて熱媒体が流通する扁平状の熱交換管と、
   ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有し、前記熱交換管と重ねて配置されるＰＴＣヒータと、
   互いに重ねられた前記熱交換管及び前記ＰＴＣヒータの両面側にそれぞれ設置され、前記熱交換管及び前記ＰＴＣヒータを挟む支持部と、
   を備える熱媒体加熱装置の製造方法であって、
   互いに重ねられた前記熱交換管及び前記ＰＴＣヒータを前記支持部間に配置する工程と、
   前記熱交換管内部に圧力をかけて、前記支持部間に配置された前記熱交換管を拡張する工程と、
   前記支持部間の距離を縮めて、前記支持部間に配置された前記熱交換管を強制変位させる工程と、
   を有し、
   前記熱交換管の強制変位量は、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性に基づいて決定される熱媒体加熱装置の製造方法。
2. 前記熱交換管と前記ＰＴＣヒータとの間の隙間の大小に関わらず、前記熱交換管と前記ＰＴＣヒータの接触力が保持されるように、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性が設定される請求項１に記載の熱媒体加熱装置の製造方法。
3. 前記ＰＴＣヒータの温度変動の繰り返し回数に関わらず、前記熱交換管と前記ＰＴＣヒータの接触力が保持されるように、前記熱交換管の強制変位量が設定される請求項１又は２に記載の熱媒体加熱装置の製造方法。
4. 前記熱交換管の強制変位量は、下記の式１を満たすように、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性に基づいて決定される請求項１から３のいずれか１項に記載の熱媒体加熱装置の製造方法。
   ｙ≦（ｋＡ＋Ｂ）ｘ＋（ｋＣ＋Ｄ） …… （式１）
   ここで、ｘは拡管圧力[MPa]、ｙは相対強制変位[-]（無次元）、ｋは前記熱交換管の剛性[N/mm]である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、いずれも係数であり、下記の式２〜式５に示す範囲である。
   ＋2.6×10^-5≦Ａ≦＋3.3×10^-5 …… （式２）
   −1.5×10^-2≦Ｂ≦−9.2×10^-3 …… （式３）
   −6.0×10^-5≦Ｃ≦−5.3×10^-5 …… （式４）
   ＋2.2×10^-2≦Ｄ≦＋2.7×10^-2 …… （式５）
   

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