JP2017078394A - ブローバイガスヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管の伝熱性、加工性及び組立性を向上するブローバイガスヒータを提供する。【解決手段】樹脂製の外殻(2)にモールド成形される金属製の伝熱管(1)は、円筒状の外管(3)と、外管(3)の内部に配置されて外管(3)内の径方向断面を複数の環状断面通路(5)に分割する間仕切(4)とを備え、外管(3)の外周面(3a)に密着する円弧状面(7a)と、サーミスタ素子(8)に密着する平坦面(7b)とを備える支持体(7)を介して支持体(7)上にサーミスタ素子(8)を配置するので、通電によるサーミスタ素子(8)の加熱時に、支持体(7)を通じて伝熱管(1)にサーミスタ素子(8)の熱が効率良く伝達され、環状断面通路(5)内を通るブローバイガスを加熱できる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から漏出して再燃焼されるブローバイガスを加熱するブローバイガスヒータに関するものである。

車両の内燃機関、特にディーゼルエンジンは、燃焼室を形成するシリンダとピストンとの隙間を通ってクランクケース内に漏出するブローバイガス（未燃焼混合ガス）を適正に処理しなければならない課題を抱えている。大気汚染の原因となる未燃焼炭化水素（ＨＣ）ガス又は一酸化炭素（ＣＯ）ガス等を主に含むブローバイガスは、環境汚染防止の観点から直接大気中に放出することはできない。そこで、エンジンの吸気孔にブローバイガスを還流して、混合気と共にブローバイガスを再燃焼させるポジティブクランクケースベンチレーション（ＰＣＶ）システムが普及している。

図１５及び図１６に示すように、従来のブローバイガスヒータ(100)は、銅製の伝熱管(101)と、伝熱管(101)にモールド成形される樹脂製の外殻(102)と、伝熱管(101)に取り付けられて伝熱管(101)を加熱するサーミスタ素子(108)とを備える。通電時に発熱するサーミスタ素子(108)の熱は、伝熱管(101)に伝わり、伝熱管(101)の内部を通るブローバイガスを加熱して、ブローバイガス中の水分凍結を抑制し、ブローバイガスの燃焼を助長する。

伝熱管(101)に対するサーミスタ素子(108)の密着性と熱伝達性を改善するため、伝熱管(101)の湾曲部(101b)の一部に平面部(101a)が形成され、伝熱管(101)の少なくとも一部は、Ｄ形断面に形成される。サーミスタ素子(108)の底面は、電気絶縁材を介して伝熱管(101)の平面部(101a)に配置され、サーミスタ素子(108)の頂面には、一対の櫛型電極が設けられる。この取付構造により、サーミスタ素子(108)は、外殻(102)内で伝熱管(101)の平面部(101a)上に確実に保持されると共に、サーミスタ素子(108)から発生する熱を伝熱管(101)に伝達して、伝熱管(101)内を通るブローバイガスを加熱することができる。下記特許文献１は、Ｄ形断面を有する伝熱管の平面部にチタン酸バリウムを主体とするＰＴＣ素子を取り付けたブローバイガスヒータを示す。

特許第５６５０６３４号公報

ところで、従来のブローバイガスヒータには、種々の欠陥があった。まず、円形断面の伝熱管(101)の一部にＤ形断面を設けるため、伝熱管(101)の加工による工程数と製造原価が増加した。また、Ｄ形断面部は、円形断面部より断面積が小さくなる分、Ｄ形断面部を通過するブローバイガスの流速が増加して、ブローバイガスの十分な加熱が阻害された。更に、Ｄ形断面部内に間仕切を配置しても、伝熱管(101)の異形Ｄ形断面の内面に間仕切の外周面を密着できず、互いに非相補的形状のため、間仕切と伝熱管(101)の内面との間に間隙が形成され、サーミスタ素子により加熱される伝熱管(101)の熱を有効に間仕切に伝達できなかった。

本発明は、外管の内部に配置した間仕切に外管から効率的に熱を伝達して伝熱管内を通るブローバイガスを十分に加熱するブローバイガスヒータを提供することを目的とする。また、本発明は、加工の容易な円筒状の外管のどの外周面にもサーミスタ素子を取り付けられるブローバイガスヒータを提供することを目的とする。

本発明のブローバイガスヒータは、金属製の伝熱管(1)と、伝熱管(1)と一体にモールド成形される樹脂製の外殻(2)とを備える。伝熱管(1)は、円筒状の外管(3)と、外管(3)の内部に配置されて外管(3)内の径方向断面を複数の環状断面通路(5)に分割する間仕切(4)とを備える。外管(3)の外周面(3a)の一部を外殻(2)の外部に開放する開口部(6)を有する外殻(2)の開口部(6)内には、伝熱管(1)の外管(3)の外周面(3a)に密着する電気絶縁性で伝熱性の支持体(7)と、支持体(7)に密着するサーミスタ素子(8)とが配置される。サーミスタ素子(8)の通電時に、サーミスタ素子(8)から発生する熱は、支持体(7)を通じて伝熱管(1)の外管(3)と間仕切(4)に伝達され、環状断面通路(5)内を通るブローバイガスを加熱することができる。サーミスタ素子(8)が発生する熱は、金属製の伝熱管(1)外管(3)と間仕切(4)とに有効に伝達して、環状断面通路(5)内を通るブローバイガスを効率良く加熱できる。

間仕切(4)断面を除き、加工性の良い円形断面の外管(3)の内部にブローバイガスの十分な環状流路面積を無駄なく確保できる。外管(3)の外周面(3a)に密着して配置される支持体(7)上にサーミスタ素子(8)を配置するので、外管(3)のどの外周面(3a)に対してもサーミスタ素子(8)を配置することができる。

外管の内部に配置される間仕切により、複数の環状断面通路に分割した外管内の径方向断面を通るブローバイガスを効率良く加熱して、ブローバイガス中の水分の凍結を防止できる。

本発明によるブローバイガスヒータの実施の形態を示す分解斜視図 図１の側面図 図２のIII-III線に沿う断面図 図１の平面図 図４のV-V線に沿う断面図 外管の斜視図 外管の断面図 柿の花家紋状断面を有する間仕切の斜視図 図７ａの断面図 柿の花家紋状断面の間仕切を外管内に配置した斜視図 図８ａの断面図 陰七曜家紋状断面を有する間仕切の斜視図 図９ａの断面図伝熱管の変更例の斜視図及び正面図 図８の伝熱管の拡大断面図 図９の伝熱管の拡大断面図 支持体の斜視図 支持体の変更例の斜視図 サーミスタ素子の一方の斜視図 サーミスタ素子の他方の斜視図 サーミスタ素子の断面図 Ｄ形断面の伝熱管を備える従来のブローバイガスヒータの側面図 図１５のXVI-XVI線に沿う断面図

本発明によるブローバイガスヒータの実施の形態を図１〜図１４について以下説明する。

図１〜図５に示すように、本発明の実施の形態によるブローバイガスヒータ(10)は、伝熱管(1)と、伝熱管(1)を包囲して形成される外殻(2)と、伝熱管(1)に密着して外殻(2)の開口部(6)内に配置される支持体(7)と、支持体(7)上に配置されるサーミスタ素子(8)と、サーミスタ素子(8)を覆うキャップ(16)と、キャップ(16)とサーミスタ素子(8)との間に配置される偏位装置(17)と、キャップ(16)の一対の端子(22a,22b)とサーミスタ素子(8)の電極(14,15)とを電気的に接続する一対のコネクタ(21a,21b)とを備える。

図６〜図８に示すように、伝熱管(1)は、例えば、銅、アルミニウム又はこれらの合金等の伝熱性金属により形成される。伝熱管(1)は、円筒状の外管(3)と、外管(3)の内部に配置されて外管(3)内の径方向断面を複数の環状断面通路(5)に分割する間仕切(4)とを備える。図７に示す間仕切(4)は、引抜加工法により一体に形成されて外管(3)と間仕切(4)とが大きい熱接触面積を有する多葉状断面、例えば、図８ａ及び図８ｂに示す柿の花家紋状断面又はハニカムリング断面、例えば、図９ａ及び図９ｂに示す陰七曜家紋状断面を有する。前記断面により、伝熱管(1)と伝熱管(1)の内部を通過するブローバイガスとの接触面積を増加して、熱伝達性を向上できる。

外管(3)の内部で環状断面通路(5)を形成する図８ｂに示す柿の花家紋状断面の間仕切(4)は、扁平化されて外管(3)に面接触する湾曲壁(4a)を有する。図８ａと図８ｂに示す伝熱管(1)は、外管(3)内に間仕切(4)を配置した伝熱管(1)に径方向内側への絞り加工を行って、外管(3)に密着しかつ面接触する扁平化湾曲壁(4a)を間仕切(4)に形成するので、湾曲壁(4a)を介して伝熱管(1)の外管(3)から間仕切(4)に円滑に熱を伝達できる。また、伝熱管(1)の絞り加工により、間仕切(4)を径方向内側に圧縮する残留引張応力が外管(3)に保持されると同時に、外管(3)を径方向外側に拡張する残留圧縮応力が間仕切(4)に保持されるため、伝熱管(1)の組立にろう材又は接着剤を必要とせずに、外管(3)内の所定の位置に間仕切(4)を強固に保持することができる。

図９に示す陰七曜家紋状断面の間仕切(4)では、１本の大径の円筒状の外管(3)内に小径の７本の円筒管(4b)を間仕切(4)として配置して、外管(3)と共に円筒管(4a)に径方向内側への絞り加工を行って伝熱管(1)が形成される。この場合に、絞り加工により各円筒管(4b)は、極めて僅かに縮径され、図示できる大きな扁平化湾曲壁こそ形成されないが、外側の円筒管(4b)は、外管(3)の内面に密着しかつ面接触すると共に、隣り合う円筒管(4b)は、互いに密着しかつ面接触するので、円筒管(4b)は、間仕切(4)として伝熱管(1)の外管(3)から円滑に熱を受け取ることができる。複数の円筒管(4b)の代わりに、ハニカムパイプを間仕切(4)として使用することができる。

図１０に示す柿の花家紋状断面の間仕切(4)又は図１１に示す陰七曜家紋状断面の間仕切(4)により外管(3)内に形成される各環状断面通路(5)は、外管(3)の曲率半径(R)の１／３に等しいかそれ以下の曲率半径(r)により形成される円弧部を有する。小曲率半径(r)の円弧部を有する複数の環状断面通路(5)毎により外管(3)内を区分けすると、環状断面通路(5)を通るブローバイガスと外管(3)と間仕切(4)とを含む伝熱管(1)との総熱接触面積を増加することができる。即ち、間仕切(4)断面を除き、外管(3)の円形断面内部にブローバイガスの十分な円形流路面積を無駄なく確保できる。

例えば、耐熱性、機械的強度及び耐摩耗性に優れる樹脂により、外殻(2)は、伝熱管(1)と一体にモールド成形される。外殻(2)には、ガソリン又はオイル等の有機溶剤に対して優れた耐性を有するナイロン66等のポリアミド樹脂が好適である。図１に示すように、外殻(2)は、外管(3)の外周面(3a)を包囲する円筒部(29)と、円筒部(29)の長さ方向ほぼ中央に形成される矩形部(30)とを備え、外管(3)の外周面(3a)の一部を外殻(2)の外部に開放する開口部(6)が矩形部(30)に形成される。

支持体(7)と、支持体(7)に密着して配置されるサーミスタ素子(8)とは、外殻(2)の開口部(6)内に配置される。図１に示すように、外殻(2)の開口部(6)の側壁に環状段部(6a)が形成され、Ｏリング等のシール材(24)は、環状段部(6a)上に配置される。キャップ(16)と外殻(2)とによりシール材(24)を挟持して、外殻(2)の開口部(6)内を密封し、サーミスタ素子(8)への外部からの異物の侵入を防止できる。

外管(3)のブローバイガスの上流側と下流側の各外周面(3a)に形成する少なくとも１つの環状溝(13)内に外殻(2)の樹脂製の凸部(2a)を係止すると、外管(3)を外殻(2)に確実に固定することができる。環状溝(13)は、外管(3)と外殻(2)との間に形成される間隙の沿面距離を増加しかつ前記間隙の遮断部を形成するので、外管(3)と外殻(2)との間の間隙を通る開口部(6)内への異物の侵入を環状溝(13)により阻止して、サーミスタ素子(8)の劣化を防止できる。各２個の環状溝(13)を外管(3)の両端付近の外周面(3a)に設ける本実施の形態を示すが、環状溝(13)の形状及び数は、外管(3)の寸法等の条件により適宜に変更できる。

支持体(7)は、例えば、セラミック、酸化アルミニウム（アルミナ）又はアルマイト皮膜付きアルミニウム等の電気絶縁性及び伝熱性の材料により、ほぼ板状に形成される。図１２に示すように、支持体(7)は、シリコーン等の半固体又は半流動性の伝熱材を介して外管(3)の外周面(3a)に密着する円弧状面(7a)と、サーミスタ素子(8)に密着する平坦面(7b)とを有するほぼ鞍状に形成される。支持体(7)の平坦面(7b)は、サーミスタ素子(8)の他方の主面(8b)よりも僅かに広く形成され、サーミスタ素子(8)が発生する熱を効率良く吸収しかつ外管(3)に伝達する。また、支持体(7)の中央部は、円弧状面(7a)により各両側部より薄くかつ強度上可能な限り薄く形成される。支持体(7)の凹状円弧状面(7a)は、外管(3)の凸状湾曲状断面の外周面(3a)と相補的形状を有し、互いに密着して支持体(7)と外管(3)との間の伝熱効率を向上できる。図１３に示すように、円弧状面(7a)の内側のみを部分的に円弧状に形成してもよい。外管(3)の外周面(3a)に密着して支持体(7)の円弧状面(7a)を配置するので、外管(3)の何処の外周面(3a)にもサーミスタ素子(8)を取り付けることができる。サーミスタ素子(8)が発生する熱は、支持体(7)を介して外管(3)及び間仕切(4)に伝達され、環状断面通路(5)内を通るブローバイガスを効率良く加熱できる。

サーミスタ素子(8)は、例えば、チタン酸バリウムを主成分とする図示しない基板を有する表面実装型サーミスタであり、平板状に形成される。チタン酸バリウムを主成分とするＰＴＣ（正温度特性）サーミスタは、安定な抵抗温度特性を有し、原料の微粒化により小型に形成できる。ＰＴＣサーミスタの特性及び製法は、特開２０１０−３８１４号公報から公知である。本発明の実施の形態では、セラミックＰＴＣ、カーボン・ポリマー系ＰＴＣ又は金属酸化物・ポリマー系ＰＴＣ等の公知の正特性サーミスタを使用できる。本実施の形態では、サーミスタ素子(8)の電極(14,15)は、一方の主面(8a)に形成される給電端子(14a,15a)と、他方の主面(8b)に形成される一対の櫛型部(14b,15b)と、各側面(8c)に設けられて各給電端子(14a,15a)と各櫛型部(14b,15b)とを電気的に接続する配線部(14c,15c)とを有する。サーミスタ素子(8)への通電時に、電極(14,15)及びサーミスタ素子(8)に流れる電流によりサーミスタ素子が発熱し、支持体(7)を介して伝熱管(1)に熱伝達を行い、伝熱管(1)を通るブローバイガスを加熱することができる。図示しないが、導電性の支持体(7)と導電性の伝熱材を介して、一方の主面(8a)と他方の主面(8b)の両面に電極を有する周知のサーミスタ素子(8)の底面電極と外管(3)とを電気的に接続してもよい。

キャップ(16)は、外殻(2)と同種又は異種の樹脂により形成され、平板状のキャップ本体(27)と、キャップ本体(27)から垂直に延伸する筒体(28)とを備え、キャップ(16)の金属製の端子(22a,22b)は、キャップ本体(27)を貫通し、筒体(28)内でキャップ本体(27)から突出して外部に露出する。図１に示す複数のねじ(23)は、キャップ(16)のフランジ(16a)からキャップ(16)のねじ穴(16b)と外殻(2)の取付面(2b)のねじ穴(6b)に挿入され、キャップ(16)を外殻(2)に固定する。外殻(2)とキャップ(16)により、サーミスタ素子(8)、支持体(7)、偏位装置(17)及びコネクタ(21a,21b)を包囲するハウジングを形成する。外殻(2)に取り付けられるキャップ(16)とサーミスタ素子(8)との間に偏位装置(17)が配置され、サーミスタ素子(8)は、偏位装置(17)により常時外管(3)の外周面(3a)に押圧され、これにより、外管(3)に対するサーミスタ素子(8)と支持体(7)との良好な密着構造を得ることができる。

本実施の形態では、偏位装置(17)は、コイルばね(19)と、コイルばね(19)の先端に装着される樹脂製のカバー(25)とを備え、図５に示すように、キャップ(16)からサーミスタ素子(8)に向かって突出する突起(26)は、コイルばね(19)内に装入され、コイルばね(19)は、キャップ(16)に取り付けられる。絶縁性のカバー(25)は、コイルばね(19)とサーミスタ素子(8)の一方の主面(8a)との間に配置され、キャップ(16)に取り付けられる端子(22a,22b)とサーミスタ素子(8)の電極(14,15)とは、カバー(25)により絶縁されると共に、コイルばね(19)の先端によるサーミスタ素子(8)の損傷をカバー(25)により防止することができる。コイルばね(19)とカバー(25)の代わりに、図示しない弾性及び絶縁性を有する接着剤により偏位装置(17)を形成してもよい。

一対のコネクタ(21a,21b)の各々は、リン青銅等の導電性金属により形成され、キャップ(16)に固定される垂直部(31)と、垂直部(31)の一端からほぼ水平方向に折曲して形成される電極接続部(32)とを有する。コネクタ(21a,21b)の垂直部(31)の他端は、キャップ(16)の端子(22a,22b)に接続される。キャップ(16)の端子(22a, 22b)、コネクタ(21a,21b)及びサーミスタ素子(8)の電極(14,15)を通じて、サーミスタ素子(8)に電力が供給され、サーミスタ素子(8)が加熱し放熱するとき、サーミスタ素子(8)の熱は、支持体(7)を通じて伝熱管(1)の外管(3)と間仕切(4)に有効に伝達され、環状断面通路(5)内を通るブローバイガスを効率良く加熱できる。

本発明は、建設機械、農業機械、トラック及び乗用車等の車両のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンのブローバイガス還元装置向け凍結防止ヒータに適用することができる。

(1)・・伝熱管、 (2)・・外殻、 (2a)・・凸部、 (3)・・外管、 (3a)・・外周面、 (4)・・間仕切、 (4a)・・湾曲壁、 (5)・・環状断面通路、 (6)・・開口部、 (7)・・支持体、 (7a)・・円弧状面、 (7b)・・平坦面、 (8)・・サーミスタ素子、 (8a)・・一方の主面、 (8b)・・他方の主面、 (13)・・環状溝、 (14,15)・・電極、 (16)・・キャップ、 (17)・・偏位装置、

Claims (7)

1. 金属製の伝熱管と、
   伝熱管に一体にモールド成形される樹脂製の外殻とを備え、
   伝熱管は、円筒状の外管と、外管の内部に配置されて外管内の径方向断面を複数の環状断面通路に分割する間仕切とを備え、
   外殻は、外管の外周面の一部を外殻の外部に開放する開口部を有し、
   伝熱管の外管の外周面に密着して配置される電気絶縁性で伝熱性の支持体と、支持体に密着して配置されるサーミスタ素子とを外殻の開口部内に配置し、
   サーミスタ素子の通電時に、サーミスタ素子から発生する熱は、支持体を通じて伝熱管の外管と間仕切とに伝達され、環状断面通路内を通るブローバイガスを加熱することを特徴とするブローバイガスヒータ。
2. 支持体は、外管の外周面に密着する円弧状面と、サーミスタ素子に密着する平坦面とを備える請求項１に記載のブローバイガスヒータ。
3. 環状断面通路は、外管の曲率半径の１／３に等しいかそれ以下の曲率半径により形成される円弧部を有する請求項１又は２に記載のブローバイガスヒータ。
4. 外管の内部で環状断面通路を形成する間仕切は、扁平化されて外管に面接触する湾曲壁を有する請求項１〜３の何れか１項に記載のブローバイガスヒータ。
5. 支持体を配置する外管のブローバイガスの上流側と下流側の外周面にそれぞれ少なくとも１つの環状溝を形成し、各環状溝内に樹脂製の外殻の凸部を係合した請求項１〜４の何れか１項に記載のブローバイガスヒータ。
6. サーミスタ素子の一方の主面に形成した一対の電極を通じてサーミスタ素子に通電する請求項１〜５の何れか１項に記載のブローバイガスヒータ。
7. サーミスタ素子を覆うキャップを外殻に取り付け、キャップとサーミスタ素子との間に偏位装置を配置して、偏位装置によりサーミスタ素子を常時外管の外周面に向かう押圧力を加える請求項１〜６に何れか１項に記載のブローバイガスヒータ。

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