JP2019045060A - 流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体加熱装置の小型化を図ること。【解決手段】流体加熱装置１００は、ヒータ１８の通電を制御するスイッチング素子４１（電装部品）と、ヒータ１８の熱を流体に伝える伝熱体２０と、伝熱体２０との間に流体が流通する流体室８を形成するタンク１０と、を備える。伝熱体２０は、ヒータ１８を内蔵する加熱部２１と、タンク１０の開口部１５を閉塞する電装室９とを仕切る隔壁部２５と、加熱部２１と隔壁部２５との間にスイッチング素子４１の熱を流体に伝える放熱流路３ａを形成する空洞部３９と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、流体を加熱する流体加熱装置に関する。

特許文献１には、ケースの内部に流体を加熱するヒータが収容される流体加熱装置が開示されている。

上記ケースの外部には、ヒータの通電を制御する電装部品が取り付けられる。ケースの内部には、ヒータの周りに形成される加熱流路と、電装部品が取り付けられるケースの裏側に形成される放熱流路と、が形成される。電装部品は、その作動に伴って発生する熱がケースを介して放熱流路を流れる流体に放熱されるようになっている。

特開２０１７−７２２９２号公報

しかしながら、特許文献１の流体加熱装置では、加熱流路と放熱流路とが流体の流れ方向に並ぶように配置されているため、電装部品をヒータの周りのスペースに収まるように配置できない。このため、流体加熱装置は、装置の大型化を招くおそれがある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、流体加熱装置の小型化を図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、通電されることで発熱するヒータと、前記ヒータの通電を制御する電装部品と、前記ヒータの熱を流体に伝える伝熱体と、前記伝熱体との間に流体が流通する流体室を形成するタンクと、を備え、前記伝熱体は、前記ヒータを内蔵して前記流体室に収容される加熱部と、前記タンクの開口部を閉塞して前記流体室と前記電装部品を収容する電装室とを仕切る隔壁部と、前記加熱部と前記隔壁部とを連結する連結部と、前記加熱部と前記隔壁部との間に前記電装部品の熱を流体に伝える放熱流路を形成する空洞部と、を有することを特徴とする流体加熱装置が提供される。

上記態様によれば、放熱流路は、空洞部によって加熱部と隔壁部との間に形成される。これにより、流体加熱装置は、電装部品及び放熱流路がヒータの周りのスペースに収まるように配置されるため、装置の小型化が図れる。

図１は、本発明の実施形態に係る流体加熱装置の断面図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。

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（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：電動車両）やＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：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、熱媒体としての温水（液体）を加熱するものである。

まず、図１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。なお、説明の簡略化のため、流体加熱装置１００は一部を省略して図示している。

流体加熱装置１００は、温水が流通するタンク１０と、タンク１０内に収容される電熱式ヒータユニット１９と、を備える。

タンク１０は、流体室８を形成する内壁面１４と、上方に開口してヒータユニット１９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には、供給パイプ３７が挿入される。排出口１２には、排出パイプ３８が挿入される。供給パイプ３７及び排出パイプ３８には、温水が流通する配管（図示省略）が接続される。

ヒータユニット１９は、通電により発熱する螺旋状のヒータ１８と、ヒータ１８が埋設される伝熱体２０と、を備える。

ヒータ１８は、ニクロム線が絶縁材を介して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１８は、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータ又は他のヒータであってもよい。

ヒータ１８は、螺旋状に巻かれる発熱部１８ａと、発熱部１８ａの両端部１８ｂから突出する一対の端子１８ｃと、を有する。ヒータ１８は、一対の端子１８ｃを介して通電されることによって発熱部１８ａが発熱する。

ヒータ１８の金属パイプは、例えばステンレス等の金属によって形成される。伝熱体２０は、ヒータ１８の金属パイプと比較して融点の低い金属として例えばアルミニウム合金によって鋳造される。

伝熱体２０は、発熱部１８ａが埋設される筒状の加熱部２１と、タンク１０の開口部１５を閉塞する蓋状の隔壁部２５と、加熱部２１を隔壁部２５に連結する連結部２２〜２４と、を有する。

伝熱体２０は、加熱部２１と隔壁部２５との間に形成される空洞部３９を有する。空洞部３９は、後述するように放熱流路３ａを形成する。

隔壁部２５は、タンク１０内に面して流体室８を形成する流体室壁面２６（下面）と、電装室９を形成する電装室壁面２７（上面）と、を有する。電装室壁面２７には、温度検知器４２〜４４を取り付けるための凹部２８〜３０が開口する。

図３に示すように、凹部２８は、連結部２３の内部に形成される。凹部２８には、２個の温度検知器４２が取り付けられる。各温度検知器４２は、それぞれ加熱部２１を介してヒータ１８の温度を検知する。

凹部２９は、連結部２４の内部に形成される。凹部２９には、温度検知器４３が取り付けられる。温度検知器４３は、加熱部２１を介してヒータ１８の温度を検知する。

凹部３０は、流体室８に突出する凸部３１の内部に形成される。凹部３０には、温度検知器４４が取り付けられる。温度検知器４４は、凸部３１を介して流体室８から流出する温水の温度を検知する。

図２、図３に示すように、伝熱体２０は、隔壁部２５から延在してタンク１０の側方に突出する突出壁部３５を有する。コネクタ４５及コネクタ４６は、タンク１０の側方に並ぶように設けられる。突出壁部３５には、電力供給線（図示省略）を接続するコネクタ４５、及び信号線（図示省略）を接続するコネクタ４６が取り付けられる。

伝熱体２０は、電装室９を形成する箱状の包囲壁部３６を有する。包囲壁部３６の開口端には、電装室９を形成するカバー４８が取り付けられる。

電装室９には、ヒータ１８の作動を制御する制御基板（図示省略）が設けられる。制御基板には、スイッチング素子４１（電装部品）として２個のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が接続される。スイッチング素子４１は、制御基板の指令に基づいてスイッチング動作をすることで、ヒータ１８に供給される電力を制御する。制御基板は、温度検知器４２、４３、４４によって検知されるヒータ１８の温度が設定温度範囲になるように、スイッチング素子４１の作動を制御する。

２個のスイッチング素子４１は、電装室壁面２７に当接して取り付けられる。スイッチング素子４１は、スイッチング動作を繰り返すことによって発熱する。スイッチング素子４１に発生する熱は、後述するように、隔壁部２５を介して放熱流路３ａを流れる温水に放熱される。

次に、流体室８に係る構成について説明する。

流体室８には、加熱部２１の内側に形成される内側流路１と、加熱部２１とタンク１０
との間に形成される折返し流路２と、加熱部２１の外側に形成される外側流路３と、加熱部２１とタンク１０との間に形成される合流路４と、が設けられる。

内側流路１は、加熱部２１を貫通する中空部２１ｃによって形成される。内側流路１は、供給口１１の延長上に形成される。内側流路１及び供給口１１は、ヒータ中心線Ｏを中心として形成される。供給パイプ３７の開口端は、加熱部２１の端面２１ｅに対する中空部２１ｃの開口端に間隙をもって対峙する。

なお、ヒータ中心線Ｏは、中空部２１ｃと同一方向に延在し、ヒータ１８の螺旋状をした発熱部１８ａの中心を通る直線である。また、後述するヒータ中央線Ｈは、ヒータ中心線Ｏに直交し、発熱部１８ａの中央部を通る直線である。

加熱部２１は、中空部２１ｃの内周から放射方向に突出する複数(ここでは５個)の内側フィン２１ａを有する。こうして、加熱部２１は、内側フィン２１ａによって内側流路１に面する伝熱面積が確保される。

折返し流路２は、加熱部２１の端面２１ｄとタンク１０の端面１４ａとの間に形成される。折返し流路２は、ヒータ中心線Ｏ方向に扁平な流路(空間)として形成される。

外側流路３は、加熱部２１の周りに形成される複数(ここでは１６個)のフィン間流路３ｂと、加熱部２１と隔壁部２５との間に形成される放熱流路３ａと、加熱部２１とタンク１０の底面１４ｃとの間に形成される底部流路３ｃと、を有する。

加熱部２１は、その外周から略水平方向に突出する複数(ここでは１８個)の外側フィン２１ｂを有する。外側フィン２１ｂは、加熱部２１の外周から図２、図３において左右方向に突出し、流体室壁面２６及びタンク１０の底面１４ｃと略平行に延在する。各外側フィン２１ｂの先端は、タンク１０の側面１４ｂに略等しい間隙をもって対峙する。

フィン間流路３ｂは、隣り合う外側フィン２１ｂとタンク１０の側面１４ｂとの間に形成される。上下方向に並ぶ各フィン間流路３ｂは、それぞれの流路断面積が異なり、隔壁部２５に近い最上部のフィン間流路３ｂの流路断面積が最も大きくなっている。

加熱部２１の上部には、隔壁部２５に対向する対向面２１ｆ（上面）が平面状に形成される。対向面２１ｆは、最上部の外側フィン２１ｂによって形成される。

隔壁部２５には、スイッチング素子４１が電装室壁面２７に当接する箇所の裏側に位置して放熱壁面２６ａが形成される。放熱壁面２６ａは、対向面２１ｆと所定の距離をもって略平行に延在する平面状に形成される。

伝熱体２０には、放熱壁面２６ａと対向面２１ｆと連結部２３とによって空洞部３９が形成される。

放熱流路３ａは、空洞部３９によってヒータ中央線Ｈ方向に扁平な流路(空間)として形成される。

放熱流路３ａは、最上部のフィン間流路３ｂに比べてヒータ中心線Ｏに直交する流路断面積が大きくなるように形成される。こうして、放熱流路３ａを流通する温水の流量が十分に確保される。

放熱壁面２６ａには、放熱流路３ａに突出する放熱フィン２６ｂが形成される。

底部流路３ｃは、加熱部２１の背面２１ｇとタンク１０の底面１４ｃとの間に形成される。背面２１ｇは、最下部の外側フィン２１ｂによって形成される。底部流路３ｃは、ヒータ中央線Ｈ方向に扁平な流路(空間)として形成される。

放熱流路３ａは、底部流路３ｃに比べてヒータ中心線Ｏに直交する流路断面積が大きくなるように形成される。こうして、放熱流路３ａを流通する温水の流量が十分に確保される。

図１において、連結部２３、２４は、加熱部２１の中央に位置するヒータ中央線Ｈより右側に位置するように形成される。こうして、放熱流路３ａは、ヒータ中央線Ｈを含むように形成されることで、ヒータ中心線Ｏ方向に延在する流路長さが十分に確保される。これにより、２つのスイッチング素子４１を放熱流路３ａと隣り合うように並んで配置することができる。

図３に示すように、連結部２３は、その外側から水平方向に突出する複数(ここでは２個)の外側フィン２３ａを有する。外側フィン２３ａは、加熱部２１の外周から図２、図３の左右方向に突出する。外側フィン２３ａは、放熱流路３ａの下流側に位置する。

図１に示すように、連結部２４は、その外側から水平方向に突出する外側フィン２４ａを有する。外側フィン２４ａは、外側フィン２３ａの下流側に位置し、かつ合流路４の上流側に位置する。

合流路４は、加熱部２１の端面２１ｅと、隔壁部２５の流体室壁面２６と、タンク１０の段部１４ｄと、排出口１２が開口するタンク１０の端面１４ｅと、の間に形成される。タンク１０の段部１４ｄの内側には、供給口１１が形成される。タンク１０の段部１４ｄの内部には、供給口１１が形成される。こうして、合流路４は、供給口１１の上方(ヒータ中心線Ｏに対する直交方向)に並んで配置される。

隔壁部２５の凸部３１は、合流路４に突出する。こうして、凸部３１内の凹部３０に収容される温度検知器４４は、凸部３１を介して合流路４を流通する温水の温度を検知するようになっている。

流体加熱装置１００の作動時には、温水が以下のようにして循環する。
・ポンプ（図示省略）によって送られる温水は、図１に矢印Ａで示すように、配管（図示省略）及び供給パイプ３７を通じて供給口１１に供給される。
・続いて、供給口１１に供給された温水は、矢印Ｂで示すように、内側流路１を図１において左方向に流れ、内側フィン２１ａとの熱交換によって加熱される。
・続いて、温水は、折返し流路２にてタンク１０の端面１４ａに当たることで方向転換する。
・続いて、温水は、外側流路３の放熱流路３ａ、底部流路３ｃ、及びフィン間流路３ｂを図１において右方向に流れ、加熱部２１を介してヒータ１８の熱を吸収する。このとき、矢印Ｃで示すように、放熱流路３ａを流れる温水は、放熱壁面２６ａを介してスイッチング素子４１の熱を吸収する。
・こうして、外側流路３の放熱流路３ａ、底部流路３ｃ、及びフィン間流路３ｂを流通した温水は、矢印Ｄで示すように、合流路４にて合流する。
・続いて、温水は、矢印Ｅで示すように、排出口１２から排出パイプ３８を通じて排出される。
・続いて、温水は、排出パイプ３８に接続した配管（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。
・こうして、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て循環する。

次に、本実施形態の効果について説明する。

本実施形態によれば、伝熱体２０が、ヒータ１８を内蔵して流体室８に収容される加熱部２１と、タンク１０の開口部１５を閉塞して流体室８とスイッチング素子４１を収容する電装室９とを仕切る隔壁部２５と、加熱部２１と隔壁部２５とを連結する連結部２２〜２４と、加熱部２１と隔壁部２５との間にスイッチング素子４１の熱を流体に伝える放熱流路３ａを形成する空洞部３９と、を有する流体加熱装置１００が提供される。

このように構成することで、放熱流路３ａは、空洞部３９によって加熱部２１と隔壁部２５との間に形成される。これにより、流体加熱装置１００は、スイッチング素子４１及び放熱流路３ａがヒータ１８の周りのスペースに収まるように配置されるため、装置の小型化が図れる。

また、本実施形態によれば、放熱流路３ａの流路断面積は底部流路３ｃの流路断面積より大きい構成とした。

このように構成することで、流体室８において加熱部２１の周りを流れる温水は、底部流路３ｃより流路断面積が大きい放熱流路３ａに導かれ、スイッチング素子４１の冷却が十分に行われる。

また、本実施形態によれば、放熱流路３ａの流路断面積はフィン間流路３ｂの流路断面積より大きい構成とした。

このように構成することで、流体室８において加熱部２１の周りを流れる温水は、フィン間流路３ｂより流路断面積が大きい放熱流路３ａに導かれ、スイッチング素子４１の冷却が十分に行われる。

また、本実施形態によれば、加熱部２１は隔壁部２５に対向する対向面２１ｆが平面状に形成される構成とした。

このように構成することで、放熱流路３ａは、流路幅方向(図３において左右方向)の寸法が十分に確保されるため、流路高さ方向(図３において上下方向)の寸法が抑えられる。これにより、流体加熱装置１００は、放熱流路３ａによってタンク１０及び流体室８が大きくなることが抑えられ、装置の小型化が図れる。

また、本実施形態によれば、合流路４は供給口１１と隣り合うように並んで前記タンク１０の段部１４ｄと隔壁部２５との間に形成される構成とした。

このように構成することで、合流路４は、流路方向(ヒータ中心線Ｏ方向)において供給口１１が設けられるスペースに収まるため、装置の小型化が図れる。

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。

本発明は、車両に搭載される流体加熱装置として好適であるが、車両以外に使用される流体加熱装置にも適用できる。

１ 内側流路
２ 折返し流路
３ 外側流路
３ａ 放熱流路
３ｂ フィン間流路
３ｃ 底部流路
４ 合流路
８ 流体室
９ 電装室
１０ タンク
１１ 供給口
１２ 排出口
１４ 内壁面
１４ｃ 底面
１５ 開口部
１８ ヒータ
２０ 伝熱体
２１ 加熱部
２１ｂ 外側フィン
４１ スイッチング素子（電装部品）
１００ 流体加熱装置

Claims (5)

1. 流体を加熱する流体加熱装置であって、
   通電されることで発熱するヒータと、
   前記ヒータの通電を制御する電装部品と、
   前記ヒータの熱を流体に伝える伝熱体と、
   前記伝熱体との間に流体が流通する流体室を形成するタンクと、を備え、
   前記伝熱体は、
   前記ヒータを内蔵して前記流体室に収容される加熱部と、
   前記タンクの開口部を閉塞して前記流体室と前記電装部品を収容する電装室とを仕切る隔壁部と、
   前記加熱部と前記隔壁部とを連結する連結部と、
   前記加熱部と前記隔壁部との間に前記電装部品の熱を流体に伝える放熱流路を形成する空洞部と、を有することを特徴とする流体加熱装置。
2. 請求項１に記載の流体加熱装置であって、
   前記流体室は、前記タンクの底面と前記加熱部との間に形成される底部流路を有し、
   前記放熱流路の流路断面積は、前記底部流路の流路断面積より大きいことを特徴とする流体加熱装置。
3. 請求項１又は２に記載の流体加熱装置であって、
   前記加熱部は、前記タンクの内壁面に向けて突出する複数の外側フィンを有し、
   前記流体室は、隣り合う前記外側フィンと前記内壁面との間に形成される複数のフィン間流路を有し、
   前記放熱流路の流路断面積は、前記フィン間流路の流路断面積より大きいことを特徴とする流体加熱装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
   前記空洞部は、前記隔壁部に対向する前記加熱部の対向面が平面状に形成されることを特徴とする流体加熱装置。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
   前記タンクは、
   温水が供給される供給口と、
   温水が排出される排出口と、を有し、
   前記流体室は、
   前記供給口に連通し、筒状をした前記加熱部の内側に形成される内側流路と、
   前記加熱部と前記タンクとの間に形成される折返し流路と、
   前記加熱部の外側に形成され、前記放熱流路を含む外側流路と、
   前記加熱部と前記タンクとの間に形成され、前記外側流路を前記排出口に連通する合流路と、を有し、
   前記合流路は、前記供給口と並んで前記タンクと前記隔壁部との間に形成されることを特徴とする流体加熱装置。

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