JP2017101892A

JP2017101892A - 流体加熱装置

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Publication number: JP2017101892A
Application number: JP2015236537A
Authority: JP
Inventors: 雄豪岡田; Yoshikatsu Okada; 利浩新林; Toshihiro Shinbayashi
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2035-12-03
Also published as: JP6471086B2

Abstract

【課題】ヒータと流体との熱交換効率を向上させる流体加熱装置を提供すること。
【解決手段】流体加熱装置１００は、発熱するヒータ２１と、ヒータ２１の周りを覆うように形成されて温水（流体）との間で熱交換を行う加熱部２２と、を備え、加熱部２２は、温水が流通する内周流路２９を形成する貫通孔２５と、貫通孔２５の内周面２５ａから突出して貫通孔２５の軸Ｏを中心とする螺旋状に延びる内周フィン２６と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒータによって流体を加熱する流体加熱装置に関する。

特許文献１には、供給通路からタンク内に供給された流体をヒータによって加熱して排出通路から排出する流体加熱装置が開示されている。

この流体加熱装置では、タンク内に螺旋状のヒータが設けられ、ヒータの表面に流体が接触して熱交換を行うようになっている。

特開２０１４−０５３２８８号公報

しかしながら、特許文献１の流体加熱装置では、螺旋状のヒータの内周を通過する流体のうち、ヒータの近傍を通過する流体はヒータとの熱交換が十分に行われるが、ヒータから離れた中心部近傍を通過する流体はヒータとの熱交換が十分に行われず、熱交換効率が低下するおそれがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ヒータと流体との熱交換効率を向上させる流体加熱装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、流体を加熱する流体加熱装置であって、発熱するヒータと、前記ヒータを覆うように形成されて流体との間で熱交換を行う加熱部と、を備え、前記加熱部は、流体が流通する内周流路を形成する貫通孔と、前記内周流路を流れる流体を攪拌する攪拌手段と、を有することを特徴とする。

この態様では、流体が内周流路を流通し、ヒータの熱が加熱部を介して流体に伝えられる。内周流路を流れる流体は、攪拌手段によって攪拌されることにより、加熱部と熱交換することが促される。こうして、流体加熱装置は、ヒータの熱が効率よく流体に伝えられ、ヒータと流体との熱交換効率を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る流体加熱装置の分解斜視図である。図２は、流体加熱装置のヒータユニット及びタンクの断面図である。図３は、流体加熱装置のヒータユニット及びタンクの正面図であり、タンクを断面で示した図である。図４は、加熱部の断面図である。図５は、変形例に係る加熱部の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る流体加熱装置１００について説明する。

流体加熱装置１００は、ＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ：電動車両）やＨＥＶ（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ：ハイブリッド車両）などの車両に搭載される車両用空調装置（図示省略）に適用される。流体加熱装置１００は、車両用空調装置が暖房運転を実行するために、流体（媒体）としての温水を加熱するものである。

まず、図１から図３を参照して、流体加熱装置１００の全体構成について説明する。

図１に示すように、流体加熱装置１００は、温水が流通するタンク１０と、タンク１０内に収容されるヒータユニット２０と、各種電装部品を接続するためのバスバーモジュール４０と、ヒータユニット２０の作動を制御するための制御部としての制御基板４６と、バスバーモジュール４０及び制御基板４６を覆うカバー５０と、を備える。

タンク１０は、ヒータユニット２０を囲む壁面１４と、上方に開口してヒータユニット２０が組み付けられる開口部１５と、温水が供給される供給口１１と、温水が排出される排出口１２と、を有する。供給口１１及び排出口１２は、上下に並んで壁面１４に開口する。

図２及び図３に示すように、ヒータユニット２０は、螺旋状のヒータ２１と、ヒータ２１の周りを覆うように形成されるブロック状の加熱部２２と、タンク１０の開口部１５を閉塞する蓋部２３と、加熱部２２を蓋部２３に支持する支持部２４と、を有する。ヒータユニット２０は、加熱部２２と蓋部２３とが支持部２４を介して一体に成形される。なお、これに限らず、加熱部２２と蓋部２３とが別体に成形されるものであってもよい。

蓋部２３は、加熱部２２及び支持部２４がタンク１０内に収容された状態で、開口部１５の外周縁と溶接されることで、開口部１５を閉塞する。蓋部２３は、タンク１０内に面する壁面１６を有する。

蓋部２３及び支持部２４には、温度スイッチとしてのバイメタルスイッチ４１を取り付けるための凹部２３ａと、ヒータ温度センサ３２を取り付けるための凹部２３ｂと、水温センサ４３を取り付けるための凹部２３ｃと、が形成される。

バイメタルスイッチ４１は、ヒータユニット２０の温度を検出し、検出した温度に応じて切り換わる。具体的には、バイメタルスイッチ４１は、ヒータユニット２０の温度が第１の設定温度よりも上昇した場合にヒータユニット２０への電力の供給を遮断する。ヒータユニット２０の温度が第１の設定温度と比較して低い第２の設定温度よりも下降した場合に、バイメタルスイッチ４１が再び切り換わってヒータユニット２０への電力の供給を再開するようにしてもよい。

ヒータ温度センサ３２は、ヒータユニット２０におけるヒータ２１の温度を検出する。ヒータ温度センサ３２は、検出したヒータ２１の温度に応じた電気信号を制御基板４６に送る。制御基板４６は、ヒータ温度センサ３２が検出したヒータ２１の温度が設定温度よりも高い場合に、ヒータ２１への電力の供給を停止させる。

水温センサ４３は、タンク１０の排出口１２近傍における温水の温度を検出する。即ち、水温センサ４３は、タンク１０から排出される加熱後の温水の温度を検出する。水温センサ４３は、蓋部２３からタンク１０内部に突出する突出部２３ｄ（図２及び図３参照）の内部に設けられる。水温センサ４３は、検出した温水の温度に応じた電気信号を制御基板４６に送る。制御基板４６は、水温センサ４３が検出した温水の温度が所望の温度になるように、ヒータ２１への電力の供給を制御する。

蓋部２３には、スイッチング素子としての一対のＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）４４，４５が当接して設けられる。

ＩＧＢＴ４４，４５は、バスバーモジュール４０を介して車両の電源装置に接続される。ＩＧＢＴ４４，４５は、制御基板４６に接続され、制御基板４６からの指令信号に応じてスイッチング動作する。ＩＧＢＴ３４，３５は、スイッチング動作によってヒータユニット２０への電力の供給を制御する。これにより、ヒータユニット２０は所望の温度に調整され、排出口１２から排出される温水は所望の温度に調整される。

ＩＧＢＴ４４，４５は、スイッチング動作を繰り返すことによって発熱する。ＩＧＢＴ４４，４５が動作可能な温度の最大値は、タンク１０内を流れる温水の温度と比較して高い。よって、ＩＧＢＴ４４，４５は、タンク１０内を流れる温水の温度が蓋部２３を介して伝達されて冷却される。

図１に示すように、バスバーモジュール４０は、蓋部２３の上部に積層される。バスバーモジュール４０は、蓋部２３と比較して小さな矩形に形成される。バスバーモジュール４０は、電力や電気信号を送給可能な金属板によって形成される導電性の接続部材である。

制御基板４６は、バスバーモジュール４０の上部に積層される。制御基板４６は、蓋部２３と比較して小さな矩形に形成される。制御基板４６は、バスバーモジュール４０及びＩＧＢＴ４４，４５と電気的に接続される。制御基板４６は、上位のコントローラの指令に基づいてＩＧＢＴ４４，４５を制御する。

カバー５０は、制御基板４６の上部に設けられる。カバー５０は、蓋部２３に樹脂製のパッキン（図示省略）を介して取り付けられ、蓋部２３との間に形成される内部空間を密閉する。

電熱式ヒータ２１は、ニクロム線が金属パイプで包まれたシーズヒータである。なお、これに限らず、ヒータ２１は、ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータ又は他のヒータであってもよい。シーズヒータは、ＰＴＣヒータに比べてコストを抑えられる。

ヒータ２１は、一対の端子２１ａ，２１ｂと、端子２１ａ，２１ｂを介して通電されることによって発熱する発熱部２１ｃと、を有する。

端子２１ａ，２１ｂは、蓋部２３の上部に突出する。端子２１ａ，２１ｂには、車両に搭載される電源装置（図示省略）からバスバーモジュール４０を介して電力が供給される。

発熱部２１ｃは、軸Ｏを中心として螺旋状に巻かれる。なお、発熱部２１ｃは、螺旋状ではなく、例えば加熱部２２内を往復する形状であってもよい。

加熱部２２は、ヒータ２１によって加熱され、温水との間で熱交換を行う。加熱部２２は、ヒータ２１と比較して融点の低い金属によって成形される。ここでは、ヒータ２１の金属パイプはステンレスで形成され、加熱部２２はアルミニウム合金で形成される。

加熱部２２は、螺旋状に巻かれる発熱部２１ｃの外側を覆う筒状に形成される。これにより、ヒータ２１と温水とが直接接触することはない。

加熱部２２は、ヒータ２１の発熱部２１ｃの内側を貫通する貫通孔２５と、タンク１０の壁面１４に対峙する外壁部３６と、を有する。

タンク１０の供給口１１は、貫通孔２５の延長上に開口する。貫通孔２５は、供給口１１から供給される温水が流通する内周流路２８（図３参照）を形成する。供給口１１及び貫通孔２５は、軸Ｏを中心として形成される。なお、流体加熱装置１００は、タンク１０の供給口１１から貫通孔２５に差し込まれる入口パイプ（図示省略）備えるものであってもよい。

タンク１０の排出口１２は、供給口１１の上方に位置し、供給口１１と並んで開口する。

外壁部３６は、タンク１０の壁面１４との間に外周流路３８を形成する。外周流路３８には、内周流路２８と連続して温水が流通する。外周流路３８を流通した温水は、排出口１２を通じて排出される。

タンク１０の壁面１４は、貫通孔２５を介して供給口１１に対向するガイド部１４ａを有する。ガイド部１４ａは、軸Ｏに対して上方を向くように傾斜し、蓋部２３の壁面１６に対向する。内周流路２８から流出する温水は、壁面１４のガイド部１４ａに当たって壁面１６に向かうにように折り返して流れる。

なお、上述した構成に限らず、壁面１４のガイド部１４ａは、タンク１０の底部１４ｂから略直交して立ち上がって、供給口１１及び排出口１２が開口する壁面１４の端面と略平行に延在するように形成してもよい。この場合にも、内周流路２８から流出する温水は、壁面１４のガイド部１４ａに当たって折り返して流れる。

外壁部３６は、ヒータ２１の外周形状に沿って形成される外周面３６ａと、温水の流れ方向に沿って外周面３６ａから突出する複数の外周フィン３７と、を有する。外周フィン３７は、外周流路３８における加熱部２２の伝熱面積を、外周フィン３７が設けられない場合と比較して大きくする。

外周フィン３７は、軸Ｏに沿って直線状に延びる。外周フィン３７は、タンク１０の壁面１４及び蓋部２３の壁面１６に所定の間隔をあけて対峙する。外周フィン３７は、タンク１０の壁面１４の底部１４ｂ及び蓋部２３の壁面１６と略平行に延設される。外周フィン３７は、タンク１０の高さ方向の中央部と比較して蓋部２３の壁面１６に近いほど大きく形成される。

図３に示すように、貫通孔２５は、軸Ｏを中心とする断面円形の内周面２５ａと、内周面２５ａから温水の流れ方向に沿って突出する複数の内周フィン２６と、を有する。

ヒータユニット２０は、鋳造によって形成される。鋳造時には、ヒータユニット２０を成形する金型を用い、金型の内部に貫通孔２５を成形する棒状の型が設けられる。棒状の型の外周には、螺旋状の凸部が形成される。内周フィン２６は、この型によって成形される。

複数の内周フィン２６は、貫通孔２５の全周にわたって等角度間隔をあけて突出する。内周流路２８は、放射形状をした流路断面を有する。内周フィン２６は、内周流路２８における加熱部２２の伝熱面積を、内周フィン２６が設けられない場合と比較して大きくする。

内周フィン２６は、その頂部２６ａが貫通孔２５の中心軸Ｏの周りに螺旋状に延び、内周流路２８を流通する温水の流れを軸Ｏのまわりに旋回させるようになっている。内周フィン２６は、軸Ｏ方向の両端が所定（例えば９０度）の捻れ角度（軸Ｏを中心とする角度差）を持つ。内周フィン２６の捻れ角度は、温水の流れに与える旋回成分の大きさに応じて任意に設定される。

図４は、軸Ｏに直交する加熱部２２の断面図である。内周フィン２６は、軸Ｏに直交する断面形状が先細テーパ状に形成され、軸Ｏを中心とする放射線Ｒに対して傾斜する対の側面２６ｂを有する。内周フィン２６は、直線状に延びる側面２６ｂと曲線状に延びる頂部２６ａとからなる山形の断面形状を有する。なお、内周フィン２６は、山形の断面形状に限らず、直線状に延びる頂部と直線状に延びる側面とからなる台形の断面形状であってもよい。

貫通孔２５の内周面２５ａの直径は、供給口１１から離れるのにしたがって次第に小さくなるように形成される。これにより、内周流路２８は、軸Ｏに直交する断面積が温水の流れ方向にしたがって次第に小さくなる。つまり、内周流路２８の断面積は、軸Ｏ方向について上流側から下流側に向けて次第に小さくなる。

貫通孔２５の入口側開口端の長径Ｄ１は、出口側開口端の長径Ｄ２より大きく形成される。長径Ｄ１に対する長径Ｄ２の比率は、要求される温水の流速分布に応じて任意に設定される。

次に、流体加熱装置１００の作用、効果について説明する。

車両用空調装置の作動時に、温水は以下のように循環する。
・ポンプ（図示省略）によって送られる温水は、図２に矢印Ａで示すように、配管（図示省略）を通じて供給口１１からタンク１０内に供給され、加熱部２２の内周流路２８に流入する。
・続いて、温水は、矢印Ｂで示すように、内周流路２８を図２において右方向に流れ、内周フィン２６との熱交換によって加熱される。
・続いて、温水は、矢印Ｃで示すように、壁面１４のガイド部１４ａに当たって方向転換する。
・続いて、温水は、矢印Ｄで示すように、外周流路３８を図２において左方向に流れ、外周フィン３７との熱交換によって加熱される。
・続いて、温水は、矢印Ｅで示すように、排出口１２を通じてタンク１０内から排出される。
・続いて、温水は、配管（図示省略）を通じてヒータコア（図示省略）に送られ、ヒータコアを介して空調用空気を暖める。
・続いて、ヒータコアを通過した温水は、配管（図示省略）を通じてポンプに吸い込まれる。

流体加熱装置１００では、螺旋状の内周フィン２６を設けて、内周流路２８を流れる温水の流れが軸Ｏの周りを旋回して攪拌されるようにしている。こうして、温水が内周流路２８の断面中央部を直線的に流れることが抑えられることにより、内周フィン２６及び貫通孔２５の内周面２５ａと熱交換することが促される。さらに、温水の流れに付与される遠心力により比重の大きい低温の部分が内周流路２８の外周側に移動することにより、内周フィン２６及び貫通孔２５の内周面２５ａと熱交換することが促される。これにより、内周流路２８における温水の温度上昇率が外周流路３８における温水の温度上昇率と同等に高められる。

図４に矢印Ｆで示すように、内周流路２８に流れる温水は、傾斜した内周フィン２６の側面２６ｂに沿って図４に矢印Ｇで示すように内周流路２８の中心部に向かう。これにより、温水が攪拌されることで、内周フィン２６及び貫通孔２５の内周面２５ａと熱交換することが促される。

内周流路２８の断面積が温水の流れ方向（軸Ｏ方向）について次第に小さくなるために、内周流路２８における温水の流速が流れ方向について次第に高まる。これにより、温水の温度上昇率が内周流路２８の上流側より下流側で低下することが抑えられる。

なお、上述した構成に限らず、内周流路２８の断面積が温水の流れ方向（軸Ｏ方向）について一定になるように形成してもよい。この場合に、温水の温度上昇率が内周流路２８の上流側より下流側で低下するものの、内周流路２８を流れる温水に与えられる流路抵抗を小さくすることができる。

内周フィン２６が貫通孔２５の中心軸Ｏを中心とする螺旋状に連続して延びることにより、内周流路２８の下流側でも温水が十分に攪拌される。これにより、温水の温度上昇率が内周流路２８の上流側より下流側で低下することが抑えられる。

こうして、ヒータ２１の熱が加熱部２２を介して内周流路２８に流れる温水に効率よく伝えられる。このために、ヒータ２１の出力を大きくした場合にも温水が局所的に加熱されることが抑制され、温水が沸騰することが防止される。

図５は、変形例を示す内周フィン２７の正面図である。

変形例に係る内周フィン２７は、略矩形の断面形状を有し、軸Ｏを中心とする放射線Ｒに略平行に延びる対の側面２７ａを有する。

この場合に、内周流路２８における温水の流れは、内周フィン２７の側面２７ａに沿って内周流路２８の中心部に向かうことが抑えられ、軸Ｏのまわりに旋回する勢力が高められる。これにより、温水の流れに付与される遠心力により、温水の低温部分が内周フィン２６及び貫通孔２５の内周面２５ａと熱交換することが促される。

流体加熱装置１００は、内周流路２８を流れる温水を攪拌する攪拌手段として、貫通孔２５の内周面２５ａから突出して貫通孔２５の軸Ｏを中心とする螺旋状に延びる内周フィン２６を備える。

なお、攪拌手段は、上述した構成に限らず、貫通孔２５の内周面２５ａから突出する内周フィン（図示省略）を軸Ｏ方向に間隔をあけて複数箇所に形成してもよい。この場合に、内周フィンに軸Ｏに対して傾斜するガイド面を形成することにより、内周流路２８を流れる温水が内周フィンのガイド面に当たって攪拌される。

また、攪拌手段は、上述した内周フィンに限らず、貫通孔２５の内周面２５ａを湾曲する曲面によって形成してもよい。この場合に、内周流路２８を流れる温水が湾曲する貫通孔２５の内周面２５ａに沿って攪拌される。

以上のように、流体加熱装置１００では、温水が内周流路２９を流通し、ヒータ２１の熱が加熱部２２を介して温水に伝えられる。内周流路２８を流れる温水は、攪拌手段によって攪拌されることにより、加熱部２２と熱交換することが促される。こうして、流体加熱装置１００は、温水とヒータとの間での熱交換効率を向上させることができる。また、温水と熱交換を行うための伝熱面積がヒータ２１の大きさに依存することがなく、ヒータ２１を小さく形成することが可能となり、装置の小型化が図れる。

また、攪拌手段として設けられる内周フィンは、加熱部２２が温水と熱交換を行うための伝熱面積を増やすことにより、ヒータ２１の熱が効率よく温水に伝えられる。

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部を示したに過ぎず、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。

例えば、上記実施形態では、供給口１１から供給された温水が内周流路２８を流れた後に、外周流路３８を流れて排出口１２から排出される。これに限らず、供給口１１から供給された温水が外周流路３８を流れた後に、内周流路２８を流れて排出口１２から排出されるようにしてもよい。

また、加熱部２２のまわりに外周流路３８を設けず、供給口から供給された温水が内周流路２８を流れた後に排出口から排出される構成としてもよい。

２１ヒータ
２２加熱部
２５貫通孔
２５ａ内周面
２６，２７内周フィン
２６ｂ，２７ｂ側面
２８内周流路
３６外壁部
３８外周流路
１００流体加熱装置
Ｏ軸

Claims

流体を加熱する流体加熱装置であって、
発熱するヒータと、
前記ヒータを覆うように形成されて流体との間で熱交換を行う加熱部と、を備え、
前記加熱部は、
流体が流通する内周流路を形成する貫通孔と、
前記内周流路を流れる流体を攪拌する攪拌手段と、を有することを特徴とする流体加熱装置。
請求項１に記載の流体加熱装置であって、
前記攪拌手段は、前記貫通孔の内周面から突出する内周フィンであることを特徴とする流体加熱装置。
請求項２に記載の流体加熱装置であって、
前記内周フィンは、前記貫通孔の軸の周りに螺旋状に延びることを特徴とする流体加熱装置。
請求項３に記載の流体加熱装置であって、
前記内周フィンは、前記貫通孔の軸を中心とする放射線に対して傾斜する側面を有することを特徴とする流体加熱装置。
請求項３に記載の流体加熱装置であって、
前記内周フィンは、前記貫通孔の軸を中心とする放射線に対して略平行に延びる側面を有することを特徴とする流体加熱装置。
請求項１から５のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
前記内周流路の断面積が前記貫通孔の軸方向について上流側から下流側に向けて次第に小さくなることを特徴とする流体加熱装置。
請求項１から６のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
前記加熱部は、前記内周流路と連続して流体が流通する外周流路を形成する外壁部を有することを特徴とする流体加熱装置。