JP2023531088A - らせん抵抗器を有する電気加熱装置 - Google Patents

Abstract

自動車用の伝熱流体を加熱するための電気加熱装置（１）が開示される。前記電気加熱装置（１）は、内部で前記伝熱流体が伝熱流体用入口（３ａ）と伝熱流体用出口（３ｂ）との間において通流することが意図される管状キャビティ（３２）を備える加熱チャンバ（３）を規定するハウジングを備え、前記管状キャビティ（３２）の内部において、第１内側らせん抵抗器（３１a）と第２外側らせん抵抗器（３１ｂ）とを有する電気加熱素子（３１）が延び、前記第２外側抵抗器（３１ｂ）は、前記第１内側抵抗器（３１ａ）を取り囲み、前記第１抵抗器（３１ａ）および前記第２抵抗器（３１ｂ）は、互いに対して対向する巻き方向を有し、前記管状キャビティ（３２）の内部において、前記伝熱流体用入口（３ａ）と前記伝熱流体用出口（３ｂ）との間にらせん状伝熱流体流が生成されるように、前記伝熱流体用入口（３ａ）は、前記管状キャビティ（３２）に対して接線方向に配置され、前記伝熱流体流の前記らせん巻き方向は、前記第２外側抵抗器（３１ｂ）の前記巻き方向に対して反対である。

Description

本発明の分野は、特に自動車の内部の暖房、換気および／または空調設備用の伝熱流体を加熱および通流させるための電気装置の分野である。より具体的には、本発明は、高電圧電力供給ネットワークを装備した電気自動車またはハイブリッド自動車においてこのような設備に使用される電気加熱装置に関する。

熱機関を有する自動車の内部の熱処理を目的とする空気は、空気流と伝熱流体との熱交換により、ラジエータを介して加熱される。ハイブリッド車両または電気車両の場合、熱エネルギー源を形成する電気加熱装置が知られている。電気加熱装置には、この加熱装置に内蔵された電気加熱素子の温度を上昇させるように、一般に高電圧の電流が流れる。こうして、加熱すべき伝熱流体は、電気加熱装置を通って流れ、電気加熱素子に接触する。これにより、電気加熱素子と伝熱流体との間で熱エネルギーの交換が行われる。次いで、この伝熱流体は、車室用に意図された空気流を加熱するように、暖房、換気および／または空調設備内に配置されたラジエータに流れ込む。

電気加熱素子は、通常、例えば単数または複数の加熱抵抗器である電気加熱手段からなる。伝熱流体が電気加熱装置内で特に電気加熱素子に沿って通流する際、伝熱流体と電気加熱素子との間における熱交換の質に変化が生じ得る。この結果、電気加熱素子に、時間の経過とともにその効果を低下させ得るホットスポットが形成され得る。また、これにより、伝熱流体がより高いまたはより低い温度を有する領域が生じ得る。このため、電気加熱装置の出口において、伝熱流体の温度が変化する結果となり得る。そして、例えばラジエータにおいて、したがって乗っている人の快適性に影響が及ぼされ得る。

したがって、本発明の目的は、先行技術の欠点を少なくとも部分的に克服し、改良された電気加熱装置を提供することである。

したがって、本発明は、自動車用の伝熱流体を加熱するための電気加熱装置であって、前記電気加熱装置は、内部で前記伝熱流体が伝熱流体用入口と伝熱流体用出口との間において通流することが意図される管状キャビティを備える加熱チャンバを画定するハウジングを備え、
前記管状キャビティの内部において、第１内側らせん抵抗器と第２外側らせん抵抗器とを有する電気加熱素子が延びる、電気加熱装置において、
前記第２外側抵抗器は、前記第１内側抵抗器を取り囲み、
前記第１抵抗器および前記第２抵抗器は、前記伝熱流体用入口から前記伝熱流体用出口に向かう方向において、互いに対して対向する時計回りまたは反時計回りの巻き方向を有し、
前記管状キャビティの内部において、前記伝熱流体用入口と前記伝熱流体用出口との間に、時計回りまたは反時計回りのらせん状伝熱流体流が生成されるように、前記伝熱流体用入口は、前記管状キャビティに対して接線方向に配置され、前記らせん状伝熱流体流の前記巻き方向は、前記第２外側抵抗器の前記巻き方向に対して反対である、
電気加熱装置に関する。

本発明の一態様によれば、前記第１内側らせん抵抗器および前記第２外側らせん抵抗器は、前記管状キャビティの前記回転軸を中心として巻き回されるターンを形成する。

本発明の他の一態様によれば、前記第１抵抗器および前記第２抵抗器は、前記管状キャビティの前記回転軸に沿って一定の巻き直径を有する。

本発明の他の一態様によれば、前記管状キャビティは、横方向管状壁を有し、前記横方向管状壁は、当該横方向管状壁の各端部にそれぞれ配置された第１端部壁と第２端部壁との間で延び、前記伝熱流体用入口は、前記横方向管状壁に配置される。

本発明の他の一態様によれば、前記伝熱流体用入口は、前記管状キャビティの前記回転軸を通る平面に対して実質的に垂直に配置される。

本発明の他の一態様によれば、前記伝熱流体用出口は、前記管状キャビティの前記第１端部壁および前記第２端部壁のうちの一方に、前記管状キャビティの前記回転軸に対して実質的に平行に配置される。

本発明の他の一態様によれば、前記伝熱流体用出口は、前記第１端部壁または前記第２端部壁の縁部に配置される。

本発明の他の一態様によれば、前記管状キャビティは、円錐台形状である。

本発明の他の一態様によれば、前記伝熱流体用入口は、前記管状キャビティの第１端部に配置され、前記伝熱流体用出口は、前記第１端部の反対側の、前記管状キャビティの第２端部に配置される。

本発明の他の一態様によれば、前記管状キャビティの前記第１端部における直径は、前記管状キャビティの前記第２端部における直径よりも大きい。

本発明の他の一態様によれば、前記第１らせん抵抗器および／または前記第２らせん抵抗器の前記ターンは、一定のピッチを有する。

本発明の他の一態様によれば、前記第１らせん抵抗器の前記ターンの前記ピッチと、前記第２らせん抵抗器の前記ターンの前記ピッチとは、同一である。

本発明の他の一態様によれば、前記第１抵抗器および前記第２抵抗器は、管状素線により各々形成され、前記素線の直径は、その全長に亘って一定である。

本発明のさらなる特徴および利点は、非限定的な例示としてなされる以下の説明を読み、添付図面を参照することで、より明瞭かつ明確になるであろう。

図１ａは、電気加熱装置の概略的な斜視図である。 図１ｂは、図１ａの電気加熱装置の概略分解斜視図である。 図２は、図１ａの電気加熱装置の長手方向断面の概略的な図である。 図３は、図１ａの電気加熱装置の横方向断面の概略的な図である。 図４は、電気加熱素子の概略的な斜視図である。

図面において、同一の要素には同一の参照番号を付す。

以下の実施形態は、例である。説明では単数または複数の実施形態について言及がなされるが、これは、必ずしも、各言及が同一の実施形態に関することを意味するものではない、または特徴が単一の実施形態にしか適用されないことを意味するものではない。異なる実施形態の個々の特徴を、他の実施形態を提供するために組み合わせる、および／または交換することができる。

本明細書において、特定の要素またはパラメータにインデックスが付され得る。例えば、第１要素または第２要素、第１パラメータおよび第２パラメータ、さらにまたは第１基準および第２基準等である。この場合、類似しているが同一ではない要素またはパラメータまたは基準を区別して表示するために単純にインデックスを付すことが重要である。このようなインデックスは、ある要素、パラメータまたは基準の別のものに対する優先順位を意味するものではない。このような名称は、本発明の範囲を逸脱せずに容易に変更され得る。同様に、このインデックスは、例えば任意の基準を評価するための時系列的な順序を意味するものでもない。

図１ａは組み立てられた状態の電気加熱装置１の概略的な斜視図を示し、図１ｂは分解した状態の電気加熱装置１の概略的な斜視図を示す。

電気加熱装置１は、内部で伝熱流体が通流することが意図されている少なくとも１つの加熱チャンバ３を画定するハウジングを有している。より具体的には、加熱チャンバ３は、管状キャビティ３２を有している。管状キャビティ３２の内部において、伝熱流体が、伝熱流体用入口３ａ（図３に図示）と伝熱流体用出口３ｂ（図２に図示）との間にある加熱チャンバ３に流入および流出することが意図されている。伝熱流体用入口３ａおよび伝熱流体用出口３ｂは、ともに前記管状キャビティ３２に開口している。管状キャビティ３２は、特に、回転軸Ｘを中心として延びる横方向管状壁２２ａを有し得る。横方向管状壁２２ａの各端部に、第１端部壁２２ｂおよび第２端部壁２２ｃがそれぞれ配置されている。

この管状キャビティ３２の内部において、伝熱流体を加熱することが意図された少なくとも１つの電気加熱素子３１が延びている。電気加熱素子３１は、特に加熱チャンバ３、より具体的には管状キャビティ３２を閉鎖する。このため、伝熱流体は、伝熱流体用入口３ａと伝熱流体用出口３ｂとの間でしか通流できない。したがって、電気加熱素子３１は、第２端部壁２２ｃを有し得る。

電気加熱装置１は、電気加熱素子３１の電気コネクタへのアクセスを許容する、加熱チャンバ３の延長部４も有し得る。この延長部４は、カバー４１により閉鎖され得る。伝熱流体は、この延長部４内を通流しない。

また、電気加熱装置１は、内部に電子管理プリント回路基板５１が配置される凹部５を有している。この凹部５は、特に、これを閉鎖するキャップ５２を有し得る。凹部５は、プリント回路基板５１および電気加熱素子３１の電力供給を可能にするための電気コネクタ（図示せず）も有する。プリント回路基板５１は、一般に低電圧電流（例えば１２～４８Ｖ）で電力供給され、電気加熱素子３１は、一般に高電圧電流（電気自動車の場合、例えば５００Ｖを超え得る）で電力供給される。

伝熱流体用入口３ａは、特に管状キャビティ３２の第１端部に配置され得る。一方、伝熱流体用出口３ｂは、第１端部の反対側の、管状キャビティ３２の第２端部に配置され得る。これにより、伝熱流体は、電気加熱素子３１の全長に亘って通流することができる。

図２の断面図に示すように、管状キャビティ３２は、特に、装着状態において水平方向に対して傾斜し得る。管状キャビティ３２のこのような傾斜により、特に、頂部に蓄積し得る潜在的な気泡がより良好に排出され得る。

管状キャビティ３２の第２端部は、装着状態において、管状キャビティ３２の第１端部よりも高い高さに配置され得る。こうして、気泡は、伝熱流体用出口３ｂを通って排出され得る。気泡の排出をさらに容易にすべく、伝熱流体用出口３ｂを管状キャビティ３２の頂部に配置してもよい。

伝熱流体用出口３ｂは、特に、管状キャビティ３２の第１端部壁２２ｂおよび第２端部壁２２ｃのうちの一方に、前記管状キャビティ３２の回転軸Ｘに対して実質的に平行に配置され得る。図２に示す例において、伝熱流体用出口３ｂは、第１端部壁２２ｂに配置されている。したがって、伝熱流体用入口３ａは、管状キャビティ３２の反対側の端部に、すなわち第２端部壁２２ｃに近接して配置され得る。

さらに図２によれば、管状キャビティ３２は、円錐台形状であり得る。これが意味することは、管状キャビティ３２の一方の端部が、その反対側の端部の断面よりも大きい直径の断面を有するということである。より詳細には、管状キャビティ３２の直径は、伝熱流体用入口３ａが配置されるその第１端部において、伝熱流体用出口３ｂが配置される前記管状キャビティ３２の第２端部における直径よりも大きい。

図３に示すように、管状キャビティ３２の内部において、伝熱流体用入口３ａと伝熱流体用出口３ｂとの間に、時計回りまたは反時計回りのらせん状伝熱流体流が生成されるように、伝熱流体用入口３ａは、管状キャビティ３２に対して接線方向に配置される。より詳細には、入口３ａは、管状キャビティ３２の横方向管状壁２２ａに配置され得る。伝熱流体用入口３ａは、特に、管状キャビティ３２の回転軸Ｘを通る平面に対して実質的に垂直に配置され得る。これにより、伝熱流体の流れは、管状キャビティ３２の内壁の形状に一致するため、伝熱流体用出口３ｂに至るまでらせん状のプロファイルを有する流れを得ることができる。

図４により詳細に示すように、電気加熱素子３１は、特に、第１内側らせん抵抗器３１ａおよび第２外側らせん抵抗器３１ｂを有している。これらの第１抵抗器３１ａおよび第２抵抗器３１ｂは、特に、管状キャビティ３２の回転軸Ｘを中心として巻き回されている。より具体的には、第２外側抵抗器３１ｂは、第１内側抵抗器３１ａを取り囲んでいる。また、第１抵抗器３１ａおよび第２抵抗器３１ｂは、伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向において、互いに対して対向する時計回りまたは反時計回りの巻き方向を有している。したがって、第１抵抗器３１ａが、伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向において時計回りの巻き方向を有する場合、第２抵抗器３１ｂは、同一方向において反時計回りの巻き方向を有するであろう。同様に、第１抵抗器３１ａが、伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向において反時計回りの巻き方向を有する場合、第２抵抗器３１ｂは、同一方向において時計回りの巻き方向を有するであろう。第１抵抗器３１ａおよび第２抵抗器は、特に、管状素線により各々形成され得る。素線の直径は、その全長に亘って一定である。

第１抵抗器３１ａおよび第２抵抗器３１ｂは、より詳細には、管状キャビティ３２の回転軸Ｘに沿って一定の巻き直径を有し得る。したがって、電気加熱素子３１は、管状キャビティ３２の内部において円筒形のプロファイルを有している。

図２だけでなく図４にも示すように、第１抵抗器３１ａおよび第２抵抗器３１ｂのターンは、一定のピッチを有し得る。さらに、第１内側抵抗器３１ａのターンのピッチと、第２内側抵抗器３１ｂのターンのピッチとは、同一であり得る。特に、これにより、電気加熱素子３１の製造が容易となり得るだけでなく、管状キャビティ３２の内部において伝熱流体が均一に加熱され得る。

図４において、伝熱流体用入口３ａおよび伝熱流体用出口３ｂは、灰色の矢印で示されている。第２外側抵抗器３１ｂの巻き方向は、管状キャビティ３２の内部において伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向におけるらせん状伝熱流体流の巻き方向に対して反対である。したがって、第２抵抗器３１ｂが、伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向において時計回りの巻き方向を有する場合、らせん状伝熱流体流は、同一方向において反時計回りの巻き方向を有するであろう。同様に、第２抵抗器３１ｂが、伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向において反時計回りの巻き方向を有する場合、らせん状伝熱流体流は、同一方向において時計回りの巻き方向を有するであろう。これにより、伝熱流体用の接線方向入口３ａと組み合わせることで、電気加熱装置１の性能を向上させることができる。特に、伝熱流体と電気加熱素子３１との間での熱交換係数を向上させることができる。

伝熱流体用の接線方向入口３ａと電力７ｋＷの電気加熱素子３１とを有する電気加熱装置１についてシミュレーションが実施された。電気加熱素子３１の内部において、流量０．１７２６ｋｇ／ｓ、入口温度７０℃の伝熱流体が通流する。これらのシミュレーションでは、管状キャビティ３２の特性、例えば体積、直径、長さは同一である。

第２外側抵抗器３１ｂのターンが、伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向において、伝熱流体流と同一方向に、時計回りまたは反時計回りに巻き回されている場合、以下の結果が得られる。
伝熱流体の出口温度：８１．４℃
伝熱流体の圧力損失：１２ｍｂａｒ
電気加熱素子３１の最高温度：１９０℃
キャビティ３２における１００℃以上の温度を有する伝熱流体の割合：９．５％
キャビティ３２における１００℃以上の温度を有する伝熱流体の割合：０．０７％

第２外側抵抗器３１ｂのターンが、伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向において、伝熱流体流に対して反対方向に、時計回りまたは反時計回りに巻き回されている場合、以下の結果が得られる。
伝熱流体の出口温度：８１．５℃
伝熱流体の圧力損失：１３ｍｂａｒ
電気加熱素子３１の最高温度：１７８．８℃
キャビティ３２における１００℃以上の温度を有する伝熱流体の割合：１．４％
キャビティ３２における１００℃以上の温度を有する伝熱流体の割合：０．０２％

これらのシミュレーションから、第２外側抵抗器３１ｂのターンが、伝熱流体用入口３ａから伝熱流体用出口３ｂに向かう方向において、伝熱流体流に対して反対方向に巻き回されている場合、電気加熱素子３１の最高温度はより低いことが分かる。これは、電気加熱素子３１においてホットスポットが少ないことを意味する。したがって、電気加熱素子３１と伝熱流体との間の熱交換は、管状キャビティ３２の内部においてより均一となる。これにより、キャビティ３２において１００℃以上の温度を有する伝熱流体の割合が低くなる結果となる。また、管状キャビティ３２内での伝熱流体の温度がより均一になる。さらに、伝熱流体の圧力損失は、制限されたままとされる。

Claims (10)

1. 自動車用の伝熱流体を加熱するための電気加熱装置（１）であって、前記電気加熱装置（１）は、内部で前記伝熱流体が伝熱流体用入口（３ａ）と伝熱流体用出口（３ｂ）との間において通流することが意図される管状キャビティ（３２）を備える加熱チャンバ（３）を画定するハウジングを備え、
   前記管状キャビティ（３２）の内部において、第１内側らせん抵抗器（３１a）と第２外側らせん抵抗器（３１ｂ）とを有する電気加熱素子（３１）が延びる、電気加熱装置（１）において、
   前記第２外側抵抗器（３１ｂ）は、前記第１内側抵抗器（３１ａ）を取り囲み、
   前記第１抵抗器（３１ａ）および前記第２抵抗器（３１ｂ）は、前記伝熱流体用入口（３ａ）から前記伝熱流体用出口（３ｂ）に向かう方向において、互いに対して対向する時計回りまたは反時計回りの巻き方向を有し、
   前記管状キャビティ（３２）の内部において、前記伝熱流体用入口（３ａ）と前記伝熱流体用出口（３ｂ）との間に、時計回りまたは反時計回りのらせん状伝熱流体流が生成されるように、前記伝熱流体用入口（３ａ）は、前記管状キャビティ（３２）に対して接線方向に配置され、前記らせん状伝熱流体流の前記巻き方向は、前記第２外側抵抗器（３１ｂ）の前記巻き方向に対して反対である、
   ことを特徴とする電気加熱装置（１）。
2. 前記第１内側らせん抵抗器（３１ａ）および前記第２外側らせん抵抗器（３１ｂ）は、前記管状キャビティ（３２）の前記回転軸（Ｘ）を中心として巻き回されるターンを形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気加熱装置（１）。
3. 前記第１抵抗器（３１ａ）および前記第２抵抗器（３１ｂ）は、前記管状キャビティ（３２）の前記回転軸（Ｘ）に沿って一定の巻き直径を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気加熱装置（１）。
4. 前記管状キャビティ（３２）は、横方向管状壁（２２ａ）を有し、前記横方向管状壁（２２ａ）は、当該横方向管状壁（２２ａ）の各端部にそれぞれ配置された第１端部壁（２２ｂ）と第２端部壁（２２ｃ）との間で延び、前記伝熱流体用入口（３ａ）は、前記横方向管状壁（２２ａ）に配置される、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電気加熱装置（１）。
5. 前記伝熱流体用入口（３ａ）は、前記管状キャビティ（３２）の前記回転軸（Ｘ）を通る平面に対して実質的に垂直に配置される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電気加熱装置（１）。
6. 前記伝熱流体用出口（３ｂ）は、前記管状キャビティ（３２）の前記第１端部壁（２２ｂ）および前記第２端部壁（２２ｃ）のうちの一方に、前記管状キャビティ（３２）の前記回転軸（Ｘ）に対して実質的に平行に配置される、
   ことを特徴とする請求項４および５のいずれか一項に記載の電気加熱装置（１）。
7. 前記伝熱流体用出口（３ｂ）は、前記第１端部壁（２２ｂ）または前記第２端部壁（２２ｃ）の縁部に配置される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の電気加熱装置（１）。
8. 前記管状キャビティ（３２）は、円錐台形状である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の電気加熱装置（１）。
9. 前記伝熱流体用入口（３ａ）は、前記管状キャビティ（３２）の第１端部に配置され、前記伝熱流体用出口（３ｂ）は、前記第１端部の反対側の、前記管状キャビティ（３２）の第２端部に配置される、
   ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の電気加熱装置（１）。
10. 前記第１らせん抵抗器（３１ａ）および／または前記第２らせん抵抗器（３１ｂ）の前記ターンは、一定のピッチを有する、
    ことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の電気加熱装置（１）。

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