JP2017531588A - 組み込まれた温度センサを有する加熱装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、加熱装置（１０）、特に自動車用の電気加熱装置であって、熱交換器ハウジング（１２）と、熱入力面で熱を吸収する熱交換器コア（１４）と、加熱装置（１０）を制御するための電子部品（１６、１８）を有するプリント回路基板（２０）とを有し、プリント回路基板（２０）は、熱交換器ハウジング（１２）の外側部（２２）に配置され、熱交換器ハウジング（１２）の外側部（２２）に面するプリント回路基板（２０）の一方の側（２６）に温度センサ（２４）が配置され、温度センサ（２４）を熱交換器ハウジング（１２）の外側部（２２）に熱伝導方式で接続する接続手段（２８）が設けられ、熱交換器コア（１４）の熱入力面は熱交換器ハウジング（１２）に熱伝導方式で接続され、それによって熱交換器ハウジング（１２）の内部を通じて接続手段（２８）へ延びる連続した短い熱橋が発生する加熱装置（１０）に関する。

Description

本発明は、組み込まれた温度センサを有する加熱装置、特に自動車用の電気加熱装置に関する。

本発明の目的は、確実に効率よく且つ迅速に加熱装置の過熱を検出することである。

加熱装置、特に自動車用の電気加熱装置であって、熱交換器ハウジングと、熱入力面で熱を吸収する熱交換器コアと、加熱装置を制御するための電子部品を支持するプリント回路基板とを有する加熱装置が説明されており、プリント回路基板は、熱交換器ハウジングの外側部に配置され、熱交換器ハウジングの外側部に面するプリント回路基板の一方の側に温度センサが配置され、温度センサを熱交換器ハウジングの外側部に熱伝導方式で接続する接続手段が設けられ、熱交換器コアの熱入力面は熱交換器ハウジングに熱伝導方式で接続され、それによって熱入力面から接続手段への連続した短い熱橋が発生し、この熱橋は熱交換器ハウジングの内部を通じて延びる。加熱装置の動作中に発生する熱が熱交換器コアの中に入る又は伝達される熱交換器コアの表面領域は、熱交換器コアの熱入力面と呼ばれ得る。熱入力面は、例えば、高温の燃焼排ガスが発生する燃焼室を画定する熱交換器コアの表面であり得る。熱入力面は、例えば、電気式膜発熱要素を支持する熱交換器コアの表面とすることもできる。発生する熱橋は、熱入力面と接続手段との間の直線距離の観点で熱橋が直接最短接続に少なくとも近い場合に、短いと呼ぶこともできる。熱橋は、熱橋が例えば加熱される冷媒が流れるある種の任意の間隙でない場合に、連続しているとみなすことができる。熱交換器ハウジングの外側部に温度センサを熱伝導方式で接続する接続手段のすぐ近くで熱交換器コアの熱入力面を熱交換器ハウジングへ熱伝導接続する結果として、短い直接の熱橋が、温度センサと加熱装置の最高温領域、すなわち熱交換器コアの熱入力面との間に与えられる。短い連続した熱橋が与えられる結果として、それによって、熱入力面における温度の変化が温度センサにおいて迅速且つ確実に検出されることが可能である。特に、熱交換器コアの領域内の温度の上昇、例えば望ましくなく許容できない過熱は、温度センサの領域内の対応する温度の上昇の結果として、それによって、最小時間で指示される。更に、温度センサが熱交換器ハウジングの外側部に配置されるので、熱交換器の構成を単純に保つことができる。接続手段によって、温度センサの熱交換器ハウジングの外側部への物理的な取り付けを実現することができる。例えば、接続手段は、良好な熱伝導度を有する材料、例えば充填シリコーンで構成することができる又は充填シリコーンからなることができる。接続手段は、例えば小出し方法を用いて、熱交換器ハウジングの外側部と温度センサとの間の所望の領域中に導入することができる。ここでの熱伝導材料、例えば小出し可能なペーストは、ディスペンサから小出しされ、熱交換器ハウジングと温度センサとの間の所望の接続点に施されることができる。表現「すぐ近くで」は、一般に、温度センサと熱交換器ハウジングの外側部との間の最短の接続線に直交する平面内に距離が見られるとした場合に、小さい空間距離を特に指すものであり得る。加熱装置は、例えば、燃料で動作する又は電気で動作する加熱装置であり得る。熱交換器コアの熱入力面は、例えば、熱交換器ハウジングの外側部から空間的にもっとも遠く離れている熱交換器コアの表面であり得る。熱入力面と熱交換器ハウジングの外側部とは、相互に対向した両側で熱交換器を画定することを可能にする。したがって、熱入力面は、熱交換器コア及び熱交換器ハウジングによって形成された熱交換器の外側部に位置することができ、この外側部は、温度センサが配置される空間的にすぐ近くにおける熱交換器の外側部の反対側にある。電気式膜発熱要素は、電圧源の正端子に接続されている又は接続可能である少なくとも一つの第１の電気接続点と電圧源の接地端子に接続されている少なくとも一つの第２の電気接続点とに接続されている電気発熱膜であり得る。電気絶縁膜は、電気発熱膜と熱交換器コアとの間に配置することができ、この絶縁膜は、電気発熱膜に対して熱交換器コアを少なくとも一部電気絶縁しており、電気発熱膜を電圧源の接地端子に電導式に接続するために、電気絶縁膜は、少なくとも一つの第２の電気接続点で遮断されると共に、電気発熱膜に電気的に接続されることができる。それによって、破壊的な及び／又は製造するのが高価であり得る電気接続を与える必要なく、熱交換器コアが電導性を有するときに、少なくとも一つの第１の電気接続点が熱交換器コアを介して電圧源の接地端子に簡単なやり方で接続されることを可能にする。例えば電気発熱膜が複数の相互に独立した導体トラックを備える場合であり得る電気発熱膜が複数の相互に別々の第１の電気接続点を備える場合に、これらは、熱交換器コアを介して電圧源の接地端子にまとまって接続することができ、それによって作り出される電気接続の個数が減少する。この接続では、電気加熱装置の構成部分の選択された製造方法及び／又は選択された寸法の結果として、追加の組み立て工程を必要とすることなく、少なくとも一つの第２の電気接続点で電気絶縁膜を遮断する結果として、熱交換器コアと電気発熱膜との間の電導性接続は、電気加熱装置の作製中に「自動的」に実現されると考えられ得る。加熱装置は、媒体又は体積を直接又は間接的に加熱するように用意することができる。加熱される体積は、例えば車両の客室であり得る。加熱される媒体は、例えば熱交換用流体、例えば空気などの気体、又は水若しくは水／アルコール混合物、例えば水／グリコール混合物などの液体であり得る。電気発熱膜は電気絶縁膜と共に、電気式膜発熱要素とみなすことができる。熱交換器コアは、一方で加熱される媒体又は加熱される体積に接触し、他方で膜発熱要素と接触していることができる。膜発熱要素内の個々の導体トラックの熱出力は低いものであり得、それによって、所望の熱出力を実現するために、比較的多数の相互に独立した導体トラックが、電気加熱装置の比較的大きい膜発熱要素に集められ得る。膜発熱要素の個々の導体トラックを動作させるために必要な電気接続は、少なくとも一部の場合では、膜発熱要素の各導体トラックに個々に配置することができる。膜発熱要素を有する電気加熱装置は、例えば、車両内部を加熱するために化石燃料の直接燃焼を避けるように非常に効率的なハイブリッド車又は電気車に使用することができる。この接続には、製造が簡単である小型の加熱装置が、特に望ましい。適宜、電圧源は、交流電圧又は直流電圧を供給することができる。電圧源は、低電圧又は高電圧のいずれかの範囲内で加熱装置を動作させるために必要な電圧を更に供給することができる。電圧源によって供給される電圧は、例えば電気加熱装置に関連した制御装置において、電気加熱装置を動作させるために好ましい電圧に変換することもできる。電気加熱装置は、ハウジング内に配置することができ、このハウジングは、例えば車両内に配置することができる。ハウジングは、電気加熱装置の一部とみなすことができ、例えば、加熱される媒体のために任意の必要な電気絶縁及び／又は案内路を与えることができる。電気絶縁膜が熱交換器コアの熱入力面に直接堆積されるように実現され得る。本事例では、表現「直接堆積される」は、熱スプレ又はスパッタリング法を用いて電気絶縁膜を熱交換器の熱入力面に施すことを特に指し得る。例えば、熱スプレ法は、プラズマ・スプレ、コールド・ガス・スプレ、フレーム・スプレ、及び／又はサスペンション・フレーム・スプレであり得る。代替として、薄い電気絶縁膜の直接堆積／塗布を同様に可能にする他のコーティング法を使用することも可能である。電気絶縁膜が存在する場合、電気発熱膜が電気絶縁膜へ直接堆積されることを実現することができる。電気絶縁膜が存在する場合、電気発熱膜は、少なくとも一つの第２の電気接続点において熱交換器コアの熱入力面へ直接堆積することもできる。電気発熱膜は、薄膜として電気絶縁膜へ直接堆積することもできると共に、第２の電気接続点として与えられる電気絶縁膜の遮蔽物となることもできる。すでに上述された熱スプレ又はスパッタリング法が、膜を堆積させるためにここで同様に使用されてもよい。熱交換器コアが電導性である又は電導性の接地接続面を備えることを実現することができる。特に、熱交換器コアが電気的に絶縁である場合、電導性の接地接続面はその表面に設けることができ、電圧源の接地端子への電気接続はこの電導性の接地接続面を介して実現することができ、これは熱入力面の領域の中に到達する。接地接続面は、特に、スプレ又はスパッタリング法において熱交換器コアへ堆積することもできる。熱交換器コアが金属材料、特にアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されることを実現することもできる。特に、金属材料は、熱交換器コアに有利な高い熱伝導性と電導性とを組み合わせることができる。電気絶縁膜がセラミック膜、特に酸化アルミニウムのセラミック膜で構成されることを実現することができる。セラミック膜は、簡単なやり方で熱交換器コアへ直接施すことができ、それらは熱交換器コアと永久に固定される接続を形成することができ、それによって熱入力面の領域内で電気発熱膜と熱交換器コアとの間の良好な熱交換を確実にする。更に、セラミック膜は、加熱中又は冷却中に生じる応力を補償するために十分に安定したやり方で熱交換器コアの表面にも接続される。特に、この特性は、熱交換器コアと絶縁膜の少なくとも同様の熱膨張係数の結果であり得る。電気発熱膜が金属材料、特にニッケル又はニッケル合金で構成されることを実現することができる。ニッケル又はニッケル合金は、十分に温度が安定したオーム加熱抵抗器として容易に形成することができる。電気発熱膜が電気発熱膜の膜平面内に構築されると共に少なくとも二つの相互に独立した抵抗発熱要素を備えることを実現することができる。それによって、抵抗発熱要素の個数に依存しない少数の製造工程において、膜発熱要素として形成される複数の相互に独立した抵抗発熱要素が熱交換器コアの熱入力面へ共同で直接施されることが可能になる。例えば、個々の抵抗発熱要素は、発熱膜内に導体トラックの形態で実現することができるものであり、これらの導体トラックは、発熱膜内で互いからある距離に配置され、別々の電気接続接点をそれぞれ有することができる。電気的な接触を単純化するために、これらの電気接続接点は、まとめられ、電圧源に共同して接続することができる。電気式膜発熱要素には、例えば、熱出力を調整するためにパルス幅変調方式で電力を供給することができる。電気加熱装置は、高電圧電気加熱装置として設計することができる。このタイプの高電圧電気加熱装置は、高い供給電圧が供給され動作することができる。高い供給電圧は、例えば、少なくとも１００ボルトであり得る。高い供給電圧は、１００ボルトから始まる高電圧範囲と呼ばれる電圧範囲内にあり得る。電気加熱装置は、例えば電気又はハイブリッドの車両用の加熱装置として実現することができる。電気加熱装置は、電気又はハイブリッドの車両の高電圧車両電気システム上での動作に適し得る。この接続において、電気加熱装置は、直接、すなわち、例えば高電圧車両電気システムから電気加熱装置へ供給できる最大電圧供給を制限する電圧変換器の相互接続なしで、電気車又はハイブリッドの車両の高電圧車両電気システムに動作可能に接続されるものに特に適し得る。

熱交換器コアの熱入力面と接続手段との間の熱橋が熱交換器ハウジングと熱交換器コアとの間に接続を備えるように提供することができる。この接続は、例えば、フォーム・フィッティング及び／又はフォース・フィッティング接続とすることができる。

接続が物質接着式の接続であることも実現することができる。熱交換器コアと熱交換器ハウジングとの間の物質接着式の接続は、例えば接着及び／又は溶接によってもたらすことができる。熱交換器ハウジングの外側部と温度センサとの間の最短距離の領域内で熱交換器コアを熱交換器ハウジングに溶接する結果として、特に、熱交換器コアと熱交換器ハウジングとの間の良好な熱伝導度が、接続点で実現される。所望の熱橋を形成するための熱交換器コアと熱交換器ハウジングとの間の良好な熱伝導接続は、上述の点で熱交換器コアを熱交換器ハウジングに接着することによって実現することもできる。接着は、溶接に加えて又は溶接の代わりに行うことができる。

熱交換器ハウジングが熱交換器ハウジングの残りの部分と比較して接続手段のすぐ近くで薄くなった壁厚を有することも実現することができる。接続手段のすぐ近くで薄くなった壁厚を実現した結果として、熱交換器コアと温度センサとの間に形成された熱橋の熱容量は減少され得、それによって、熱交換器コアの領域内の過熱は、温度センサによってより迅速に検出することができる。熱交換器ハウジングの外側部で、熱交換器ハウジング上の薄くなった壁厚の領域は、プリント回路基板から見られるように凹みを形成することができ、この凹みは、プリント回路基板上に配置される温度センサの空間的にすぐ近くに設けられ、この凹みの中に、分配方法を用いて施され使用される接続手段が集まることができることが好ましい。

温度センサがＳＭＤセンサであることを実現することができる。ＳＭＤは、「表面実装デバイス」の上に配設された温度センサを指しており、これは基板上に直接実装されると共に、プリント回路基板へ直接はんだ付けされる。更なるハウジング、配線、プラグなどを用いて分配することが可能である。それに応じてＳＭＤ温度センサのかさは低いものとなり得、それによって温度センサの熱容量はとても小さくなり、熱交換器コアの領域内の過熱は温度センサによって即座に検出される。

熱交換器ハウジングの外側部から離れるように向いているプリント回路基板の一方の側に電子部品が配置されることを実現できる。熱交換器ハウジングの外側部から離れるように向いているプリント回路基板の一方の側に電子部品を配置することによって、電子部品の周囲温度を下げることができる。特に、電子部品と熱交換器ハウジングの外側部との間の比較的大きい距離は、電子部品の周囲温度を下げることに貢献することができる。

電子部品がプリント回路基板の平面内で温度センサからある距離に配置されることを実現することができる。それによって、電子部品が熱交換器ハウジングの外側部と温度センサとの間の所望の熱橋から更に離れて配置されるので、電子部品の周囲温度を下げることも可能である。

プリント回路基板が異なる熱伝導度を有した領域を有すると共に、少なくとも温度センサを配置するプリント回路基板の領域がプリント回路基板の他の領域と比較して減少した熱伝導度を有することを実現することができる。異なる熱伝導度は、例えば異なる厚さを有するプリント回路基板の領域によって実現することができる。プリント回路基板内の特定の方向の熱伝導度は、プリント回路基板の厚さに正比例するプリント回路基板の利用可能な断面によって決定される。プリント回路基板を貫くドリル／ミル穴を備えることによって、プリント回路基板のいくつかの領域内で利用可能な平均的な断面積を減少させることもできる。

上記の加熱装置は、特に自動車内の加熱装置として配置し使用することができる。

次に、本発明を、好ましい例示の実施形態を用いて添付図面を参照して例によって説明する。

加熱装置の細部の斜視断面図である。 加熱装置の細部の断面側面図である。

図面の以下の説明において、同じ参照符号は、同一又は類似の部分を示す。

図１は、加熱装置の細部の斜視断面図を示す。図示した加熱装置１０は、例えば熱交換器ハウジング１２の内部に配置することができる熱交換器コア１４を備える。熱交換器コア１４及び熱交換器ハウジング１２は、共同で熱交換器を形成することができる。熱交換器ハウジング１２は、外側部に熱交換器を少なくとも一部画定することができる。同様に、熱交換器コアは、形成される熱交換器の外面を少なくとも一部与えることができる。熱交換器コア１４から離れるように向いている熱交換器ハウジング１２の一方の側は、熱交換器ハウジング１２の外側部２２とみなすことができる。熱交換器コア１４は、少なくともいくつかの領域内で熱交換器ハウジング１２への物理的接続３６を有することができる。熱交換器コア１４はリブ４２を備えることができ、リブ４２の間には隙間４０が存在する。隙間４０内では、加熱される媒体、例えば加熱される冷媒が、加熱された熱交換器コア１４に沿って流れることができる。電気加熱要素は、例えば熱交換器コア１４上に、隙間４０から離れて配置することができる。電気加熱要素によって覆われる面は、熱入力面とみなすことができ、加熱装置１０の動作中に、この熱入力面を介して熱が熱交換器コア１４内に到達する。加熱装置１０が燃料で動作する場合、燃焼室を画定する熱交換器コア１４の表面は、熱入力面とみなすことができる。図１に示した熱交換器コア１４の熱入力面は、例えば、外側部２２から離れるように向いているリブ４２を接続する背部４８の裏側に位置することができる。この裏側は、熱交換器の外側部を同時に形成することができる。熱交換器コア１４と熱交換器ハウジング１２の間の接続３６は、例えば、フォーム・フィッティング及び／又はフォース・フィッティング、及び／或いは物質接着式の接続とすることができる。接続点で熱交換器ハウジング１２を熱交換器コア１４に溶接する及び／又は接着することによって、特に狭い接続を生じさせることが可能である。それによって、接続点で熱交換器コア１４と熱交換器ハウジング１２との間に効率的な熱橋を発生させることが可能であり、熱は、この熱橋を介して熱交換器の外縁へすなわち外側部２２へ迅速に伝達される。

加熱装置１０を制御／調整するための必要な電子部品１６、１８は、プリント回路基板２０に配置することができる。プリント回路基板２０は、特に図１には見えないデバイスを介して熱交換器ハウジング１２の外側部２２から好ましく定められた距離で配置することができる。電子部品１６、１８は、熱交換器ハウジング１２の外側部２２から離れるように向いているプリント回路基板２０の一方の側３２に配置することができる。温度センサ２４は、例えばＳＭＤ温度センサとすることができ、離れる方に向いている側３２の反対側にあるプリント回路基板２０の一方の側に配置することができる。離れる方に向いている側３２の反対側にあるプリント回路基板２０の一方の側は、熱交換器ハウジング１２の外側部２２に向いている一方の側２６であり得る。プリント回路基板２０は、カバー３８によって望ましくない外部の影響から保護され得る。温度センサ２４と熱交換器との間の所望の物理的な熱橋、特に熱交換器ハウジング１２と温度センサ２４との間の熱伝導接続は、接続手段２８によって与えることができる。接続手段２８は、例えば小出し方法を用いて熱交換器ハウジング１２とプリント回路基板２０との間の所望の領域中に小出しされ得る。接続手段２８は、例えば良好な熱伝導度を有するシリコーンとすることができる。

図２は、加熱装置の断面側面図を示す。図２に示した加熱装置１０は、図１に示した加熱装置と比較してわずかに変更された構成を有する。熱交換器コア１４のリブ４２は、異なる長さを有し、それによって短いリブ４２を熱交換器ハウジング１２から隔てる隙間４０が、温度センサ２４から更に離れている領域内にもたらされる。それによって、温度センサ２４の外側部で熱交換器ハウジング１２の温度を下げることが可能であり、このため、エネルギー損失が最小にされる。温度センサ２４のすぐ近くの熱交換器ハウジング１２の薄くなった壁厚３０が、図２に更に示されている。この領域内の薄くなった壁厚３０は、熱交換器ハウジング１２の加熱能力を局所的に低下させ、このため熱交換器内、特に熱交換器コア１４内の温度変動は、温度センサ２４によってより迅速に検出することができる。接続手段２８の施しは、特に小出し方法を用いて行うことができるものであり、薄くなった壁厚３０の領域内で外から見える凹み内に接続手段が容易に集まることができるので更に単純化することができる。温度センサ２４のすぐ近くは、温度センサ２４と熱交換器ハウジング１２の外側部２２との間の最短接続に直交する平面内のわずかな距離５０であると特に理解される。プリント回路基板２０は、緩衝材４６を使用しつつねじ４４を用いて熱交換器ハウジング１２の外側部２２にねじ止めすることができる。例えば、緩衝材４６は、弾力があり得る。例えば、緩衝材４６は、断熱であり得る。プリント回路基板２０は、プリント回路基板２０の残りの部分と比較して減少した熱伝導度を有する温度センサ２４のすぐ近くの領域３４を備えることができる。それによって、温度センサ２４の領域内に熱交換器コア１２への直接熱橋が存在するにも関わらず、電子部品１６、１８の動作温度が低く維持されることを可能にする。

上記明細書、図面、及び特許請求の範囲に開示されている本発明の特徴は、個々でもまた任意の組み合わせでも本発明を実現するための根底をなすものであり得る。

１０ 加熱装置
１２ 熱交換器ハウジング
１４ 熱交換器コア
１６ 電子部品
１８ 電子部品
２０ プリント回路基板
２２ 外側部
２４ 温度センサ
２６ 一方の側
２８ 接続手段
３０ 薄くなった壁厚
３２ 離れる方に向いている側
３４ 領域
３６ 接続
３８ カバー
４０ 隙間
４２ リブ
４４ ねじ
４６ 緩衝材
４８ 背部
５０ 距離

Claims (9)

1. 加熱装置（１０）、特に自動車用の電気加熱装置であって、熱交換器ハウジング（１２）と、熱入力面で熱を吸収する熱交換器コア（１４）と、前記加熱装置（１０）を制御するための電子部品（１６、１８）を支持するプリント回路基板（２０）とを有し、
   − 前記プリント回路基板（２０）は、前記熱交換器ハウジング（１２）の外側部（２２）に配置され、
   − 前記熱交換器ハウジング（１２）の前記外側部（２２）に面する前記プリント回路基板（２０）の一方の側（２６）に温度センサ（２４）が配置され、
   − 前記温度センサ（２４）を前記熱交換器ハウジング（１２）の前記外側部（２２）に熱伝導方式で接続する接続手段（２８）が設けられ、
   − 前記熱交換器コア（１４）の前記熱入力面は前記熱交換器ハウジング（１２）に熱伝導方式で接続され、それによって前記接続手段（２８）への連続した短い熱橋が発生し、この熱橋は前記熱交換器ハウジング（１２）の内部を通じて延びる、加熱装置。
2. 前記熱交換器コア（１４）の前記熱入力面と前記接続手段（２８）との間の前記熱橋は、前記熱交換器ハウジング（１２）と前記熱交換器コア（１４）との間に接続（３６）を備える、請求項１に記載の加熱装置（１０）。
3. 前記接続（３６）は、物質接着式の接続である、請求項２に記載の加熱装置（１０）。
4. 前記熱交換器ハウジング（１２）は、前記接続手段（２８）のすぐ近くで、前記熱交換器ハウジング（１２）の残りの部分と比較して薄くなった壁厚（３０）を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の加熱装置（１０）。
5. 前記温度センサ（２４）は、ＳＭＤセンサである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の加熱装置（１０）。
6. 前記電子部品（１６、１８）は、前記熱交換器ハウジング（１２）の前記外側部（２２）から離れるように向いている前記プリント回路基板（２０）の一方の側（３２）に配置される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の加熱装置（１０）。
7. 前記電子部品（１６、１８）は、前記プリント回路基板（２０）の平面内で前記温度センサ（２４）からある距離に配置される、請求項６に記載の加熱装置（１０）。
8. 前記プリント回路基板（２０）は、異なる熱伝導度を有する複数の領域を有し、少なくとも前記温度センサ（２４）が配置される前記プリント回路基板（２０）の領域は、前記プリント回路基板（２０）の他の領域と比較して減少した熱伝導度を有する、請求項６又は７に記載の加熱装置（１０）。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の加熱装置を有する自動車。

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