JP2019184164A - 電気ヒータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体を小型化することの可能な電気ヒータ装置を提供する。【解決手段】電気ヒータ装置１０は、内部に流体の流れる複数の配管２１が所定の隙間を有して積層配置された構造からなる管積層体２０と、通電に基づき発熱する発熱素子３０と、発熱素子とは異なる電子部品が設けられる電子部品モジュール７０と、を備える。発熱素子３０及び電子部品モジュール７０は、複数の配管２１の間の隙間に配置されている。【選択図】図１

Description

本開示は、電気ヒータ装置に関する。

従来、下記の特許文献１に記載の電気ヒータ装置がある。特許文献１に記載の電気ヒータ装置は、内部に水の流れる配管が所定の隙間を有して積層配置された構造からなる管積層体と、複数の配管の隙間に配置される発熱素子と、管積層体及び発熱素子を内部に収容する筐体とを備えている。筐体の内部には、その外壁の内面から突出するように厚肉部が形成されている。また、筐体の内部には、複数の配管と発熱素子との間の密着度を高めるために管積層体を厚肉部に向かって押しつける押しつけ部材が設けられている。さらに、厚肉部には、配管内を流れる水の温度を検出する温度センサが配置されている。この電気ヒータ装置では、発熱素子から発せられる熱が配管の内部を流れる水に伝達されることにより水が加熱される。

特願２０１７−４６３９６号公報

ところで、特許文献１に記載の電気ヒータ装置では、温度センサを設置するために、筐体に厚肉部を形成する必要がある。これが、筐体の大型化を招く要因となっている。
本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、筐体を小型化することの可能な電気ヒータ装置を提供することにある。

上記課題を解決する電気ヒータ装置（１０）は、内部に流体の流れる複数の配管（２１）が所定の隙間を有して積層配置された構造からなる管積層体（２０）と、通電に基づき発熱する発熱素子（３０）と、発熱素子とは異なる電子部品が設けられる電子部品モジュール（７０）と、を備える。発熱素子及び電子部品モジュールは、複数の配管の間の隙間に配置されている。

この構成によれば、複数の配管の間の隙間に電子部品モジュールが配置されているため、電子部品の設置スペースを管積層体の外部に別途設ける必要がない。そのため、電気ヒータ装置を小型化することができる。
なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本開示によれば、筐体を小型化することの可能な電気ヒータ装置を提供できる。

図１は、第１実施形態の電気ヒータ装置の平面構造を模式的に示す平面図である。 図２は、第１実施形態の電気ヒータ装置の正面構造を模式的に示す正面図である。 図３は、第１実施形態の電子部品モジュールの正面構造を模式的に示す正面図である。 図４は、第１実施形態の電子部品モジュールの背面構造を模式的に示す背面図である。 図５は、第１実施形態の電気ヒータ装置の電気的な構成を示すブロック図である。 図６は、第１実施形態の変形例の電気ヒータ装置の平面構造を模式的に示す平面図である。 図７は、第１実施形態の変形例の電気ヒータ装置の平面構造を模式的に示す平面図である。 図８は、第２実施形態の電気ヒータ装置の電気的な構成を示すブロック図である。

以下、電気ヒータ装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態＞
はじめに、図１に示される第１実施形態の電気ヒータ装置１０について説明する。図１に示される本実施形態の電気ヒータ装置１０は、例えば車両用空調装置においてヒータコアを循環する循環水を電気的に加熱することによりヒータコアの温度を上昇させるための装置として用いられる。ヒータコアの温度を上昇させることにより、車室内に吹き出される空気の温度を上昇させることができるため、車室内の暖房が可能となる。このように、本実施形態の電気ヒータ装置１０は、その加熱対象である流体として水が用いられるものである。

図１に示されるように、電気ヒータ装置１０は、管積層体２０と、複数の発熱素子３０と、筐体４０と、押し付け部材５０と、プレート６０と、電子部品モジュール７０とを備えている。
管積層体２０は、内部に水の流れる複数の扁平状の配管２１がＹ軸方向に所定の隙間を有して積層配置された構造を有している。以下では、Ｙ軸方向のうちの一方向を「Ｙ１軸方向」と称し、その逆の方向を「Ｙ２軸方向」と称する。また、配管２１の長手方向を「Ｘ軸方向」と称するとともに、Ｘ軸方向のうちの一方向を「Ｘ１軸方向」と称し、その逆の方向を「Ｘ２軸方向」と称する。さらに、図２に示されるように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方に直交する方向をＺ軸方向と称するとともに、Ｚ軸方向のうちの一方向を「Ｚ１軸方向」と称し、その逆の方向を「Ｚ２軸方向」と称する。

各配管２１のＸ１軸方向の端部は、Ｙ軸方向に延びるように形成される分配管２２に連結されている。分配管２２により各配管２１のＸ１軸方向の端部が連通されている。各配管２１のＸ２軸方向の端部は、Ｙ軸方向に延びるように形成される集合管２３に連結されている。集合管２３により各配管２１のＸ２軸方向の端部が連通されている。

Ｙ２軸方向における分配管２２の一端部は、プレート６０に形成された流入口６１に接続されている。また、Ｙ２軸方向における集合管２３の一端部は、プレート６０に形成された流出口６２に接続されている。
管積層体２０では、流入口６１に流入する水が分配管２２を介して各配管２１の内部に分配され、各配管２１の内部をＸ２軸方向に向かって水が流れる。各配管２１を流れた水は集合管２３において集められた後、流出口６２から流出する。

複数の配管２１のうち、Ｙ２軸方向の再端部に配置される第１配管２１ａと、第１配管２１ａとＹ１軸方向に隣り合う第２配管２１ｂとの間に形成される隙間には、電子部品モジュール７０が配置されている。それ以外の配管２１の隙間には、発熱素子３０が配置されている。電子部品モジュール７０及び発熱素子３０は、複数の配管２１により挟み込まれている。

発熱素子３０は、例えば抵抗体を内部に配置して焼結して製造するセラミックヒータ素子や、ＰＴＣ素子等からなり、通電に基づき発熱する。発熱素子３０は、Ｚ軸方向の外面３２に端子３１を備えている。端子３１は、Ｚ軸方向において管積層体２０に対向するように配置される基板８０に電気的に接続されている。発熱素子３０は、基板８０を通じて供給される電力に基づき発熱する。発熱素子３０から発せられる熱が配管２１に伝達されることにより、各配管２１の内部を流れる水が加熱される。

電子部品モジュール７０には、スイッチング素子７１や第１温度センサ７２、第２温度センサ７３等、発熱素子３０とは異なる電子部品が設けられている。Ｚ軸方向における電子部品モジュール７０の外面７５には、端子７４が設けられている。端子７４は、基板８０に電気的に接続されている。

スイッチング素子７１及び第１温度センサ７２は、Ｙ２軸方向における電子部品モジュール７０の外面７６に配置されている。外面７６は、電子部品モジュール７０において第１配管２１ａに接触している面である。図３に示されるように、スイッチング素子７１は、電子部品モジュール７０の外面７６の略中央においてＸ軸方向に並べて配置されている。スイッチング素子７１はＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等からなる。スイッチング素子７１は、発熱素子３０の駆動回路を構成するものであって、そのオン／オフの切り替えにより発熱素子３０への電力の供給及び停止を切り替える。第１温度センサ７２は、電子部品モジュール７０の外面７６におけるＸ１軸方向の端部に配置されている。図１に示されるように、第１温度センサ７２は、電子部品モジュール７０における第１配管２１ａとの接触部分のうち、第１配管２１ａの内部を流れる水の流れ方向における最も上流側の接触部分Ｐ１に配置されている。本実施形態では、接触部分Ｐ１が第１接触部分に相当する。第１温度センサ７２は、接触部分Ｐ１に接触する第１配管２１ａの温度を検出するとともに、検出された温度に応じた信号を出力する。

第２温度センサ７３は、Ｙ１軸方向における電子部品モジュール７０の外面７７に配置されている。外面７７は、電子部品モジュール７０において第２配管２１ｂに接触している面である。図４に示されるように、第２温度センサ７３は、電子部品モジュール７０の外面７７におけるＸ２軸方向の端部に配置されている。図１に示されるように、第２温度センサ７３は、電子部品モジュール７０における第２配管２１ｂとの接触部分のうち、第２配管２１ｂの内部を流れる水の流れ方向における最も下流側の接触部分Ｐ２に配置されている。本実施形態では、接触部分Ｐ２が第２接触部分に相当する。第２温度センサ７３は、接触部分Ｐ２に接触する第２配管２１ｂの温度を検出するとともに、検出された温度に応じた信号を出力する。

図１に示されるように、筐体４０は、四角箱状の金属製の部材からなる。筐体４０の内部には、管積層体２０、発熱素子３０、押し付け部材５０、電子部品モジュール７０、及び基板８０等が収容されている。
Ｙ２軸方向における筐体４０の側壁４１には、開口部４２が形成されている。開口部４２には、プレート６０が挿入されている。図２に示されるように、プレート６０は、ボルト６４により筐体４０に一体的に組み付けられることにより、筐体４０の開口部４２を閉塞している。

図１に示されるように、Ｙ２軸方向におけるプレート６０の外面には、流入口６１及び流出口６２が突出するように形成されている。分配管２２及び集合管２３のそれぞれの一端部は、Ｙ１軸方向におけるプレート６０の外面からその内部に挿入されている。分配管２２の一端部は、プレート６０の内部に形成された図示しない流路を通じて流入口６１に連通されている。同様に、集合管２３の一端部は、プレート６０の内部に形成された図示しない流路を通じて流出口６２に連通されている。

Ｙ１軸方向におけるプレート６０の外面には、突出部６３が形成されている。突出部６３の先端部は、第１配管２１ａに接触している。突出部６３には、押し付け部材５０により管積層体２０が押し付けられている。
具体的には、押し付け部材５０は、管積層体２０においてＹ１軸方向の最端部に配置される配管２１と筐体４０との間に配置されている。押し付け部材５０は、板ばね等からなり、その弾性力により、管積層体２０においてＹ１軸方向の再端部に配置される配管２１をＹ２軸方向に押圧している。この押し付け部材５０の弾性力により、管積層体２０がプレート６０の突出部６３に押し付けられている。これにより、複数の配管２１と複数の発熱素子３０との密着性が高められるため、それらの間の熱伝導性を高めることが可能となっている。

次に、電気ヒータ装置１０の電気的な構成について説明する。
図５に示されるように、電気ヒータ装置１０は、基板８０に実装される制御装置９０を更に備えている。本実施形態では、制御装置９０が演算部に相当する。制御装置９０は、第１温度センサ７２及び第２温度センサ７３により検出される温度に基づいてスイッチング素子７１のオン／オフを切り替えることにより、流出口６２から流出する水の温度が目標温度となるように発熱素子３０の発熱量を制御する。

具体的には、制御装置９０は、第１温度センサ７２の出力信号に基づいて電子部品モジュール７０の接触部分Ｐ１に接触する第１配管２１ａの温度を検出する。制御装置９０は、第１温度センサ７２により検出される温度に基づいて、管積層体２０に流入する水の温度である流入温度Ｔ１の情報を取得する。また、制御装置９０は、第２温度センサ７３の出力信号に基づいて、電子部品モジュール７０の接触部分Ｐ２に接触する第２配管２１ｂの温度を検出する。制御装置９０は、第２温度センサ７３により検出される温度に基づいて、管積層体２０から流出する水の温度である流出温度Ｔ２の情報を取得する。

制御装置９０は、例えば流入温度Ｔ１が所定温度未満であるか否かを監視している。制御装置９０は、流入温度Ｔ１が所定温度以上である場合には、発熱素子３０により水を更に加熱すると水が沸騰する可能性があると判定し、発熱素子３０への電力の供給を遮断することにより発熱素子３０の発熱を停止する。

制御装置９０は、流入温度Ｔ１が所定温度未満である場合には、流出温度Ｔ２に基づいて発熱素子３０の発熱量を制御する。具体的には、制御装置９０は、流出温度Ｔ２と目標温度との偏差に基づきデューティ比を演算するとともに、演算されたデューティ比に基づいてスイッチング素子７１のオン／オフを制御することにより、発熱素子３０の発熱量を制御する。

以上説明した本実施形態の電気ヒータ装置１０によれば、以下の（１）〜（３）に示される作用及び効果を得ることができる。
（１）発熱素子３０及び電子部品モジュール７０は、複数の配管２１の間の隙間に配置されている。電子部品モジュール７０には、スイッチング素子７１や温度センサ７２，７３等、発熱素子３０とは異なる電子部品が設けられている。このような構成によれば、スイッチング素子７１や温度センサ７２，７３等の電子部品の設置スペースを管積層体２０の外部に別途設ける必要がないため、電気ヒータ装置１０を小型化することができる。

（２）電子部品モジュール７０には、第１配管２１ａとの第１接触部分Ｐ１に配置される第１温度センサ７２が設けられている。第１配管２１ａは、電子部品モジュール７０のみに接触しているため、発熱素子３０から発せられる熱が伝達され難い。これに加え、第１接触部分Ｐ１が分配管２２の近傍に位置していることから、第１接触部分Ｐ１の温度は、発熱素子３０により加熱される前の水の温度、換言すれば流入口６１に流入する水の温度に略等しい。よって、第１温度センサ７２により、発熱素子３０により加熱される前の水の温度を精度良く検出することが可能となる。

（３）電子部品モジュール７０には、第２配管２１ｂとの第２接触部分Ｐ２に配置される第２温度センサ７３が設けられている。第２配管２１ｂは、発熱素子３０に接触しているため、発熱素子３０から発せられる熱が伝達される。これに加え、第２接触部分Ｐ２が集合管２３の近傍に位置していることから、第２接触部分Ｐ２の温度は、発熱素子３０により加熱された水の温度、換言すれば流出口６２から流出する水の温度に略等しい。よって、第２温度センサ７３により、発熱素子３０により加熱された水の温度を精度良く検出することが可能となる。

（変形例）
次に、第１実施形態の電気ヒータ装置１０の第１変形例について説明する。
図６に示されるように、本変形例の電気ヒータ装置１０では、電子部品モジュール７０の外面７７に、第２温度センサ７３だけでなく、スイッチング素子７１及び第１温度センサ７２が配置されている。すなわち、本変形例では、電子部品モジュール７０における第２配管２１ｂとの接触部分のうち、第２配管２１ｂの内部を流れる水の流れ方向における最も上流側の第１接触部分Ｐ１に第１温度センサ７２が配置されるとともに、第２配管２１ｂの内部を流れる水の流れ方向における最も下流側の第２接触部分Ｐ２に第２温度センサ７３が配置されている。

このような構成であっても、第１温度センサ７２により流入温度Ｔ１を検出することが可能であるとともに、第２温度センサ７３により流出温度Ｔ２を検出することが可能である。
また、電子部品モジュール７０は、複数の配管２１の間に形成される隙間のうち、流入口６１及び流出口６２の最も近くに配置される隙間に限らず、例えば図７に示されるように、それ以外の隙間に配置されていてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、電気ヒータ装置１０の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態の電気ヒータ装置１０との相違点を中心に説明する。
図８に示されるように、本実施形態の電気ヒータ装置１０は、第２温度センサ７３を有していない点で第１実施形態の電気ヒータ装置１０と異なる。制御装置９０は、温度センサ７２により検出される流入温度Ｔ１に基づいて流出温度Ｔ２を演算する。

具体的には、電気ヒータ装置１０には、発熱素子３０に印加されている電圧に応じた信号を出力する電圧センサ１００、及び発熱素子３０を流れる電流に応じた信号を出力する電流センサ１１０を備えている。制御装置９０は、電圧センサ１００の出力信号に基づいて発熱素子３０に印加されている電圧値Ｖを検出するとともに、電流センサ１１０の出力信号に基づいて発熱素子３０を流れる電流値Ｉを検出する。制御装置９０は、電圧値Ｖと電流値Ｉとの乗算値を求めることにより、発熱素子３０に供給されている電力である通電電力Ｗを求める。また、制御装置９０は、電流値Ｉの積算値も求めている。更に、制御装置９０は、発熱素子３０に電力を供給している時間である通電時間Ｔｉを計測している。制御装置９０は、通電電力Ｗ、通電時間Ｔｉ、及び電流値Ｉの積算値から演算式を用いて発熱素子３０の発熱量Ｈｃを演算する。

また、制御装置９０は、スイッチング素子７１のオン／オフの切り替えの回数をカウントしており、このカウント値に基づいてスイッチング素子７１の発熱量Ｓｃを演算式やマップ等を用いて演算する。
そして、制御装置９０は、流入温度Ｔ１、発熱素子３０の発熱量Ｈｃ、及びスイッチング素子７１の発熱量Ｓｃから以下の式ｆ１を用いて流出温度Ｔ２を演算する。なお、式ｆ１において「ｃ」は水の比熱を示し、「ｑ」は水の流量を示す。

Ｔ２＝Ｔ１＋（Ｈｃ＋Ｓｃ）／（ｃ×ｑ） （ｆ１）
なお、水の流量ｑとしては、予め定められている一定値を用いてもよいし、流量センサから検出される値を用いてもよい。あるいは、電気ヒータ装置１０に水を供給するポンプから、水の流量ｑの情報を取得してもよい。

また、発熱素子３０の発熱量Ｈｃに対してスイッチング素子７１の発熱量Ｓｃが小さい場合には、制御装置９０は、以下の式ｆ２に基づいて流出温度Ｔ２を演算することも可能である。
Ｔ２＝Ｔ１＋Ｈｃ／（ｃ×ｑ） （ｆ２）
以上説明した本実施形態の電気ヒータ装置１０によれば、上記の（１）及び（２）に示される作用及び効果に加え、以下の（４）に示される作用及び効果を得ることができる。

（４）電子部品モジュール７０に一つの温度センサ７２を設けるだけで、流入温度Ｔ１及び流出温度Ｔ２の情報を取得することができる。これにより、第１実施形態のように電子部品モジュール７０に２つの温度センサ７２，７３が設けられている構造と比較すると、電子部品モジュール７０から温度センサ７３を削減することができるため、部品点数を削減することができる。

（変形例）
次に、第２実施形態の電気ヒータ装置１０の変形例について説明する。
本変形例の電子部品モジュール７０には、温度センサ７２に代えて、温度センサ７３のみを有している。制御装置９０は、温度センサ７３の出力信号に基づいて流出温度Ｔ２を検出するとともに、以下の式ｆ３、あるいは式ｆ４に基づいて流入温度Ｔ１を演算する。

Ｔ１＝Ｔ２−（Ｈｃ＋Ｓｃ）／（ｃ×ｑ） （ｆ３）
Ｔ１＝Ｔ２−Ｈｃ／（ｃ×ｑ） （ｆ４）
このような構成であっても、電子部品モジュール７０に一つの温度センサ７３を設けるだけで、流入温度Ｔ１及び流出温度Ｔ２の情報を取得することができる。よって、第１実施形態のように電子部品モジュール７０に２つの温度センサ７２，７３が設けられている構造と比較すると、電子部品モジュール７０から温度センサ７２を削減することができるため、部品点数を削減することが可能である。

＜他の実施形態＞
なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・各実施形態の電気ヒータ装置１０は、その加熱対象である流体として、水以外の適宜の流体を用いることが可能である。

・制御装置９０が提供する手段及び／又は機能は、実体的な記憶装置に記憶されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータ、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組み合わせにより提供することができる。例えば制御装置９０がハードウェアである電子回路により提供される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、又はアナログ回路により提供することができる。

・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：電気ヒータ装置
２０：管積層体
２１：配管
２１ａ：第１配管
２１ｂ：第２配管
３０：発熱素子
７０：電子部品モジュール
７１：スイッチング素子
７２：第１温度センサ
７３：第２温度センサ
９０：制御装置（演算部）

Claims (8)

1. 内部に流体の流れる複数の配管（２１）が所定の隙間を有して積層配置された構造からなる管積層体（２０）と、
   通電に基づき発熱する発熱素子（３０）と、
   前記発熱素子とは異なる電子部品が設けられる電子部品モジュール（７０）と、を備え、
   前記発熱素子及び前記電子部品モジュールは、複数の前記配管の間の隙間に配置されている
   電気ヒータ装置。
2. 前記電子部品には、前記発熱素子の駆動回路を構成するスイッチング素子（７１）が含まれている
   請求項１に記載の電気ヒータ装置。
3. 前記電子部品には、温度を検出する温度センサ（７２，７３）が含まれている
   請求項１又は２に記載の電気ヒータ装置。
4. 前記配管の内部を流れる流体の流れ方向における最も上流側の接触部分を第１接触部分とし、前記配管の内部を流れる流体の流れ方向における最も下流側の接触部分を第２接触部分とするとき、
   前記電子部品モジュールには、前記温度センサとして、前記第１接触部分に配置される第１温度センサ（７２）と、前記第２接触部分に配置される第２温度センサ（７３）とが設けられている
   請求項３に記載の電気ヒータ装置。
5. 前記複数の配管のうち、前記電子部品モジュールのみに接触するように配置される配管を第１配管（２１ａ）とし、前記第１配管の隣に位置して前記電子部品モジュール及び前記発熱素子に接触するように配置される配管を第２配管（２１ｂ）とし、
   前記電子部品モジュールにおける前記第１配管及び前記第２配管との接触部分のうち、前記第１配管の内部を流れる流体の流れ方向における最も上流側の接触部分を第１接触部分とし、前記第２配管の内部を流れる流体の流れ方向における最も下流側の接触部分を第２接触部分とするとき、
   前記電子部品モジュールには、前記温度センサとして、前記第１接触部分に配置される第１温度センサ（７２）と、前記第２接触部分に配置される第２温度センサ（７３）とが設けられている
   請求項３に記載の電気ヒータ装置。
6. 前記温度センサは、前記管積層体に流入する流体の温度である流入温度、及び前記管積層体から流出する流体の温度である流出温度のいずれか一方を検出するものであり、
   前記温度センサにより検出される流体の温度に基づいて前記流入温度及び前記流出温度のいずれか他方を演算する演算部（９０）を更に備える
   請求項３に記載の電気ヒータ装置。
7. 前記演算部は、前記発熱素子の発熱量、及び前記管積層体を流れる流体の流量に基づいて前記流入温度及び前記流出温度のいずれか他方を演算する
   請求項６に記載の電気ヒータ装置。
8. 前記電子部品には、前記発熱素子の駆動回路を構成するスイッチング素子（７１）が更に含まれ、
   前記演算部は、前記発熱素子の発熱量、前記管積層体を流れる流体の流量、及び前記スイッチング素子の発熱量に基づいて前記流入温度及び前記流出温度のいずれか他方を演算する
   請求項６に記載の電気ヒータ装置。

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