JP4455473B2

JP4455473B2 - 車載用ヒータ

Info

Publication number: JP4455473B2
Application number: JP2005319654A
Authority: JP
Inventors: 浩四郎田口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: JP2007125967A

Description

本発明は、自動車に搭載される車載用ヒータに関し、特にＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子を発熱源に用いた車載用ヒータに関する。

一般に、自動車室内の暖房用の主熱源としては、エンジン冷却水の廃熱を利用して空気を加熱する温水式ヒータが用いられているが、エンジン始動時はエンジン冷却水の温度が低いことなどから補助熱源として電気式ヒータも備えている。その電気式ヒータの発熱体としてはＰＴＣ素子がよく用いられている（例えば、特許文献１）。

図８は、特許文献１に開示された車両用空調装置に用いられるＰＴＣヒータの斜視図を表す。
ＰＴＣ素子６２の上下にフィン６９を配置すると共に、フィン６９に接して電極部材６７、６８を設けたヒータユニットが２つ積層された構造を有する。電極部材６７は、２つのヒータユニットで共用されている。
特開平５−１６９９６７号公報

特許文献１に開示されたヒータでは、電極部材６７、６８、フィン６９およびＰＴＣ素子６２が電気的に接続され、これら通電部分が露出された構造となっており、特に外気を取り込んでヒータに送る場合に、雨や雪が降る環境下で水分がヒータに送られると漏電の心配がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、通電部分が外部に露出しない車載用ヒータを提供することを目的とする。

本発明の車載用ヒータは、電極面と、前記電極面に対して略垂直な側面とを有する発熱素子と、前記電極面に接して前記発熱素子に重ね合わされた電極部材と、前記発熱素子と前記電極部材とを包む絶縁シートと、前記絶縁シートに包まれた前記発熱素子及び前記電極部材を収容する中空部と、前記電極部材及び前記絶縁シートを介して前記発熱素子の前記電極面に対向し、前記発熱素子からの熱が伝導される放熱面と、前記放熱面に対して略垂直であり前記放熱面よりも面積が小さい側面とを有する筒体と、少なくともフィンを含み、前記筒体の前記放熱面上に設けられた放熱体ユニットと、を備え、前記放熱面に圧力が加えられて前記筒体が押しつぶされ、前記発熱素子の前記電極面と前記放熱面の裏面との間で、前記電極部材及び前記絶縁シートが狭圧されており、前記絶縁シートの両端縁部が、前記筒体の前記側面の裏側で前記発熱素子の前記側面に対して略平行に重なり合っていることを特徴としている。

本発明の車載用ヒータによれば、通電部分が外部に露出しておらず安全である。

以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る車載用ヒータ１の平面図である。

本実施形態に係る車載用ヒータ１は、発熱素子を筒体１２内部に収容した複数の発熱体ユニット３ａ〜３ｃと、一対の金属板間でフィン８を挟んでなる複数の放熱体ユニット６０ａ〜６０ｆと、を積層した構造を有する。その積層体１０の一端部にはキャップ５が装着され、他端部にはキャップ６、７が装着されている。

図２は発熱体ユニット３ａの平面図を表す。
図３は図２おけるＡ−Ａ線方向の拡大断面図を表す。
なお、他の発熱体ユニット３ｂ、３ｃも、発熱体ユニット３ａと同様に構成される。

発熱体ユニット３ａは、発熱素子２０と、発熱素子２０を挟み込むように設けられた一対の電極部材２２ａ、２２ｂと、発熱素子２０と電極部材２２ａ、２２ｂとを包む絶縁シート２４と、絶縁シート２４に包まれた発熱素子２０及び電極部材２２ａ、２２ｂを内部に収容する筒体１２と、を備える。

発熱素子２０は、正温度特性をもったＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）セラミック素子であり、キューリー点以上の温度になると急激に抵抗が増加してそれ以上の温度上昇が制限される。図２において点線で表されるように、複数の発熱素子２０が筒体１２の長手方向に沿って配置されている。発熱素子２０は、例えば四角い薄板片状を呈し、他の面よりも面積が大なる表裏両面には、例えば銀などの金属からなる電極面が形成されている。発熱素子２０の両電極面には、それぞれ、電極部材２２ａ、２２ｂが接して重ね合わされている。

電極部材２２ａは、例えばアルミニウムなどの金属からなり、帯板状の平板部２６と、その平板部２６の一端側に一体に設けられた端子部２７ａと、を有する。他方の電極部材２２ｂも同様に、例えばアルミニウムなどの金属からなり、帯板状の平板部２６と、その平板部２６の一端側に一体に設けられた端子部２７ｂと、を有する。平板部２６は、発熱素子２０の電極面に接して重ね合わされている。平板部２６と、発熱素子２０の電極面とは、導電性及び熱伝導性に優れた、例えばシリコーン系接着剤によって接着されている。各電極部材２２ａ、２２ｂの端子部２７ａ、２７ｂは、筒体１２の一端部側の開口から突出している。

図３に表されるように、電極部材２２ａ、２２ｂ及びこれら間に挟まれた発熱素子２０は、絶縁シート２４に包まれている。絶縁シート２４は、可撓性、熱伝導性及び電気絶縁性を有し、例えばポリイミドフィルムからなる。絶縁シート２４の両端縁部２４ａ、２４ｂは互いに重ね合わされ、絶縁シート２４は、発熱素子２０及び電極部材２２ａ、２２ｂの両端部以外の部分を完全に覆っている。その絶縁シート２４の両端縁部２４ａ、２４ｂは、電極部材２２ａ、２２ｂ上ではなく、発熱素子２０及び電極部材２２ａ、２２ｂの側面に対向する部分で重なり合っている。すなわち、絶縁シート２４の両端縁部２４ａ、２４ｂは、筒体１２の側面１２ｂの裏側で重なり合っている。

発熱素子２０及び電極部材２２ａ、２２ｂは、両端部以外の部分が絶縁シート２４に包まれた状態で、角筒状の筒体１２の中空部１３内に収容される。筒体１２は、例えばアルミニウム等の熱伝導性及び容易な加工性を有する材料からなる。筒体１２は両端部のみに開口が形成され、その両端部の開口を通じてのみ中空部１３は外部と連通可能となっている。

筒体１２は、互いに略平行な２つの放熱面１２ａと、放熱面１２ａに略垂直な２つの側面１２ｂと、を有する。放熱面１２ａの方が側面１２ｂより面積が大きい。側面１２ｂには、図１にも表されるように、長手方向に沿って溝１８が形成されている。

発熱素子２０は、その電極面が、筒体１２の放熱面１２ａの裏面に対向するように中空部１３内に収容される。発熱素子２０の電極面と、放熱面１２ａの裏面との間には、電極部材２２ａ、２２ｂのうちのどちらか一方と、絶縁シート２４とが介在される。組立前の状態においては、筒体１２の内部寸法（図３における上下方向の寸法）は、図３に表したよりもやや大きめとされている。そして、発熱素子２０と電極部材２２ａ、２２ｂとを組み立てて絶縁シート２４にくるんだ状態の構造体を筒体１２の中に挿入し、筒体１２の放熱面１２ａに機械的圧力を加えて図３の上下方向に筒体１２を押しつぶすことで、発熱素子２０、電極部材２２ａ、２２ｂ及び絶縁シート２４は、筒体１２の放熱面１２ａの裏面間で狭圧された状態となり中空部１３内で固定される。

上述した筒体１２の押しつぶし量は、例えば０．５ｍｍほどである。ここで、筒体１２の両側面１２ｂには長手方向に沿って溝１８が形成されているため、筒体１２を押しつぶしたときにその側面１２ｂが外側に膨らんでしまうことを防げる。つまり、外寸の増加を防止できる。筒体１２の側面１２ｂが凸面にならないため、側面１２ｂに例えば熱電対などの温度センサを取り付けやすくなり、また取り付けた後の安定性もよい。

発熱体ユニット３ａにおいて２つの放熱面１２ａのうち一方側には、図１に表されるように、略平行に向かい合わされた一対の金属板４０、４１間にフィン８を挟んでなる放熱体ユニット６０ａが設けられている。他方の放熱面１２ａ側にも同様に、略平行に向かい合わされた一対の金属板４２、４３間にフィン８を挟んでなる放熱体ユニット６０ｂが設けられている。

各金属板４０〜４３は、放熱面１２ａと略同面積の平面を有する薄板状を呈し、例えばアルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属からなる。金属板４１及び４２は、耐熱性及び熱伝導性に優れた例えばシリコーン系の接着剤により放熱面１２ａに接着固定されている。

フィン８は、例えばアルミニウムからなる板材をジグザグに折り曲げてなる。各放熱ユニット６０ａ、６０ｂにおいて、フィン８は、対応する一対の金属板の間に配置され、その頂部が、耐熱性及び熱伝導性に優れた例えばシリコーン系の接着剤、はんだなどにより各金属板４０〜４３に接着固定されている。

発熱体ユニット３ａと同様に構成される発熱体ユニット３ｂについても、その一方の放熱面１２ａ側には、略平行に向かい合わされた一対の金属板４４、４５間にフィン８を挟んでなる放熱体ユニット６０ｃが設けられ、他方の放熱面１２ａ側には、略平行に向かい合わされた一対の金属板４６、４７間にフィン８を挟んでなる放熱体ユニット６０ｄが設けられている。

各金属板４４〜４７は、放熱面１２ａと略同面積の平面を有する薄板状を呈し、例えばアルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属からなる。金属板４５及び４６は、耐熱性及び熱伝導性に優れた例えばシリコーン系の接着剤により放熱面１２ａに接着固定されている。フィン８の頂部は、耐熱性及び熱伝導性に優れた例えばシリコーン系の接着剤、はんだなどにより各金属板４４〜４７に接着固定されている。

発熱体ユニット３ａと同様に構成される発熱体ユニット３ｃについても、その一方の放熱面１２ａ側には、略平行に向かい合わされた一対の金属板４８、４９間にフィン８を挟んでなる放熱体ユニット６０ｅが設けられ、他方の放熱面１２ａ側には、略平行に向かい合わされた一対の金属板５０、５１間にフィン８を挟んでなる放熱体ユニット６０ｆが設けられている。

各金属板４８〜５１は、放熱面１２ａと略同面積の平面を有する薄板状を呈し、例えばアルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属からなる。金属板４９及び５０は、耐熱性及び熱伝導性に優れた例えばシリコーン系の接着剤により放熱面１２ａに接着固定されている。フィン８の頂部は、耐熱性及び熱伝導性に優れた例えばシリコーン系の接着剤、はんだなどにより各金属板４８〜５１に接着固定されている。

そして、金属板４３、４４どうし、および金属板４７、４８どうしが、耐熱性及び熱伝導性に優れた例えばシリコーン系の接着剤により接着されることで、図１に表されるように、３個の発熱体ユニット３ａ〜３ｃと、６個の放熱体ユニット６０ａ〜６０ｆとが積層された積層体１０が得られる。

その積層体１０の両端部にはそれぞれ、キャップ５、６が装着されている。これらキャップ５、６によって、筒体１２の中空部１３は閉塞される。キャップ６の外側にはさらに別のキャップ７が装着されている。各キャップ５、６、７は、耐熱性及び電気絶縁性を有する樹脂材料からなる。

図４は、キャップ７を取り外した状態のキャップ６の端面の拡大斜視図である。
キャップ６の端面には６個のスリットが形成され、それらスリットを介して、各発熱ユニット３ａ〜３ｃが一対ずつ備える電極部材２２ａ、２２ｂの各端子部２７ａ〜２７ｆの先端が、キャップ６の外側に突き出ている。

端子部２７ａ、２７ｂは、発熱体ユニット３ａが備える電極部材２２ａ、２２ｂの端子部である。端子部２７ｃ、２７ｄは、発熱体ユニット３ｂが備える電極部材２２ａ、２２ｂの端子部である。端子部２７ｅ、２７ｆは、発熱体ユニット３ｃが備える電極部材２２ａ、２２ｂの端子部である。

端子部２７ａ、２７ｃ、２７ｅは、電源ラインと接続される端子部である。端子部２７ｂ、２７ｄ、２７ｆは、グランドラインと接続される端子部であり、これら端子部２７ｂ、２７ｄ、２７ｆは、例えばアルミニウムからなる帯板２８によって相互に電気的に接続されている。端子部２７ｄを除く５個の端子部２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｅ、２７ｆは、それぞれ、接続部材を介して、図１に表される５本のケーブル１４ａ〜１４ｅと接続される。

図５は、例えば端子部２７ａに取り付けられた接続部材３５の斜視図を表す。
接続部材３５は、端子部２７ａの先端を挟み込むように二つ折りにされて端子部２７ａの先端に取り付けられた折り曲げ片部３５ａと、この折り曲げ片部３５ｂの上端部に一体に設けられた断面略Ｃ字状の筒部３５ｂとからなる。

筒部３５ｂの内部に、図１に表されるケーブル１４ａの一端が挿入され、筒部３５ｂを縮径方向に押しつぶすことで筒部３５ｂにケーブル１４ａの一端が固定される。ケーブル１４ａは、例えば樹脂からなる被覆材によって導線を被覆してなり、そのケーブル１４ａにおいて、筒部３５ｂに固定される部分の少なくとも先端側の導線の一部は被覆材から露出され筒部３５ｂに接している。これにより、発熱素子２０の電極面は、電極部材２２ａの平板部２６、端子部２７ａ、および接続部材３５を介してケーブル１４ａと電気的に接続される。

他の端子部２７ｂ、２７ｃ、２７ｅ、２７ｆについても同様に、接続部材３５を介して、それぞれ、ケーブル１４ｂ〜１４ｅと接続される。

図１に表されるキャップ７は、キャップ６の端面を覆うようにして、例えばねじ止めによりキャップ６に装着される。キャップ７には、キャップ７の内外を連通させる５個の切り欠き孔７ａが形成されている。その切り欠き孔７ａを介して各ケーブル１４ａ〜１４ｅがキャップ７の外側に取り出される。

以上のように構成される本実施形態に係る車載用ヒータ１は、自動車に搭載され、いわゆるカーエアコン用のヒータとして用いられる。例えば、車載用ヒータ１は、自動車において車外または車室内の空気が取り込まれて空気の流れが形成される通路に配置される。図１において、紙面を貫く方向に空気が流れるように、車載用ヒータ１が配置される。

そして、その自動車に搭載されたバッテリからの電力が、図示しない制御回路、ケーブル１４ａ〜１４ｅ、接続部材３５、および電極部材２２ａ、２２ｂを介して、発熱素子２０に供給され、発熱素子２０は発熱する。発熱素子２０が発する熱は、いずれも熱伝導性を有する電極部材２２ａ、２２ｂ、絶縁シート２４を介して筒体１２の放熱面１２ａへと伝わり、さらに放熱面１２ａ上に設けられた金属板を介してフィン８へと伝わる。そのフィン８の間を空気が流れることでその空気は加温されて車室内に供給される。

そして、本具体例では、発熱素子２０、この電極面に接する電極部材２２ａ、２２ｂの平板部２６は、キャップ５、６によって密閉される筒体１２内部に収容され、またキャップ６の端面から露出する端子部２７ａ〜２７ｆはキャップ７によって覆われる構造となっているため、それら通電部分が外部に露出していない。また、電極部材２２ａ、２２ｂと、筒体１２との間には絶縁シート２４が介在されているので、筒体１２及びフィン８は通電されない。

このように、本実施形態に係る車載用ヒータ１では、通電部分が外部に露出されない構造となっているため、車載用ヒータ１に送られる空気中に雨水、雪、塵、ほこりなどが混入していても漏電を起こすことなく安全である。

なお、発熱体ユニット３ａ〜３ｃ及び放熱体ユニット６０ａ〜６０ｆを互いに接着固定させることに限らず、それら積層体１０の両端部をキャップ５、６に圧入することで、それらの積層状態が保持される構造としてもよい。この場合、各ユニットの個数を自由に変えられ、設計の自由度が高くなる。

発熱体ユニット３ａ〜３ｃ及び放熱体ユニット６０ａ〜６０ｆを互いに接着固定させて積層した場合には、各ユニット間の隙間をなくして密着させることができ、熱を積層体全体に効率よく伝えることができる。また、ＰＴＣ素子である発熱素子２０自体の必要以上の温度上昇による出力低下も防げる。また、各ユニット間を接着して一体構造とすることで、特に悪路などの走行中に受ける振動により各ユニットがガタガタと振動することも防げる。

また、フィン８を挟むように設けられた各金属板４０〜５１は、フィン８を補強するのはもちろん、積層体１０全体の機械的強度を高める補強板としても機能し、このことも耐振動性の向上に寄与している。

以下、本発明の他の実施形態について説明する。なお、前出したものと同様の要素については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図６は、発熱体ユニットの変形例を表す断面図である。
この発熱体ユニット２１が、図３に表される上述した実施形態と異なるのは、電極部材２２ａと、放熱面１２ａの裏面との間の部分で、絶縁シート２４の両端縁部２４ａ、２４ｂを重ね合わせている点である。

発熱素子２０から放熱面１２ａへの伝熱効率を考えると、上述した実施形態のように、筒体１２の側面１２ｂの裏側の部分で絶縁シート２４の両端縁部２４ａ、２４ｂを重ね合わせた方が望ましい。電極部材２２ａと放熱面１２ａとの間の部分は、発熱素子２０から放熱面１２ａへの伝熱経路中にあり、この部分に２重に絶縁シート２４が重なり合うとその分、伝熱の妨げになる。また、絶縁シート２４が重なり合った部分の両側に隙間が生じ、このことも発熱素子２０から放熱面１２ａへの熱伝達効率を低下させる。

図３に表される構造と図６に表される構造とを比較した場合、図３の構造の場合には、４００［Ｗ］の出力が得られたのに対し、図６の構造の場合には、３７０〜３８０［Ｗ］であった。すなわち、図６の構造では、発熱素子２０の熱が外部（特に、図６において上方）に伝わりにくく、自らの温度上昇によって出力を低下させる性質を有するＰＴＣ素子である発熱素子２０の出力が５〜８％ほど低下した。ただし、例えば、発熱素子２０から放出される熱を片側（図６において下方）のみに取り出したいような場合には、本実施形態の構造を採用することができる。

図７は、発熱体ユニットの他の変形例を表す断面図である。
この発熱体ユニット３１では、電極部材２２ａの外側にスペーサ２９を重ねた上で、発熱素子２０、電極部材２２ａ、２２ｂ、スペーサ２９を絶縁シート２４で包んで、筒体１２の中空部１３に収容して、筒体１２を押しつぶしている。

スペーサ２９は、例えばアルミナ、アルミニウムなど熱伝導性を有する材料からなり、発熱素子２０から放熱面１２ａへの熱伝達を妨げない。スペーサ２９は、筒体１２を押しつぶす際の緩衝材として機能し、発熱素子２０に過剰な力が作用するのを抑えて発熱素子２０の破損を防ぐことができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

上述の具体例では、３つの発熱体ユニット３ａ〜３ｃと、６つの放熱体ユニット６０ａ〜６０ｆとの積層構造としたが、各ユニットの個数は上記個数に限らない。また、金属板４０〜５１を設けずに、筒体１２の放熱面上に直接フィン８を設けてもよい。

また、フィン８と筒体１２とを接着剤によって固定することに限らず、ロウ付けや、はんだ付けによって固定してもよい。

また、フィン８及び筒体１２は、アルミニウムからなることに限らず。例えば、アルミニウム−マグネシウム合金のようなアルミニウム合金から構成してもよい。この場合には、以下のような固定方法も採用できる。

例えばアルミニウムからなる筒体１２と、例えばアルミニウム−マグネシウム合金からなるフィン８とを、フラックスに浸漬して取り出した後、エアブローにより余分なフラックスを吹き飛ばす。この後、筒体１２とフィン８とを圧接させた状態で、例えば窒素ガス雰囲気中で６００℃に加熱することで、フィン８と筒体１２とが接合される。この接合では、高湿環境下で変質して劣化しやすい傾向がある一般的なアルミ材接合用のロウ材を用いないため、高湿環境下でも劣化しにくいという利点がある。

なお、上記接合時、筒体１２は、発熱素子２０、電極部材２２ａ、２２ｂ、絶縁シート２４などを収容せず、内部が空の状態であり、筒体１２とフィン８とが接合された後、筒体１２の内部に、絶縁シート２４で包まれた発熱素子２０と電極部材２２ａ、２２ｂを入れて、フィン８が取り付けられた状態のまま筒体１２を押しつぶして、発熱素子２０などの収容物を筒体１２内部に固定させる。

本発明の実施形態に係る車載用ヒータの平面図である。本発明の実施形態に係る車載用ヒータにおける発熱体ユニットの平面図である。図２におけるＡ−Ａ線方向の拡大断面図である。本発明の実施形態に係る車載用ヒータにおける電極端子部の拡大斜視図である。図４に表される電極端子部にケーブルとの接続部材が取り付けられた状態を例示する拡大斜視図である。図３に表される発熱体ユニットの変形例を表す断面図である。図３に表される発熱体ユニットの他の変形例を表す断面図である。従来例の車載用ヒータの斜視図である。

符号の説明

１車載用ヒータ
３ａ〜３ｃ発熱体ユニット
５〜７キャップ
８フィン
１２筒体
１２ａ放熱面
１２ｂ側面
１３中空部
１４ａ〜１４ｅケーブル
１８溝
２０発熱素子
２２ａ，２２ｂ電極部材
２４絶縁シート
２７ａ〜２７ｆ端子部
２９スペーサ
３５接続部材
４０〜５１金属板
６０ａ〜６０ｆ放熱体ユニット

Claims

電極面と、前記電極面に対して略垂直な側面とを有する発熱素子と、
前記電極面に接して前記発熱素子に重ね合わされた電極部材と、
前記発熱素子と前記電極部材とを包む絶縁シートと、
前記絶縁シートに包まれた前記発熱素子及び前記電極部材を収容する中空部と、前記電極部材及び前記絶縁シートを介して前記発熱素子の前記電極面に対向し、前記発熱素子からの熱が伝導される放熱面と、前記放熱面に対して略垂直であり前記放熱面よりも面積が小さい側面とを有する筒体と、
少なくともフィンを含み、前記筒体の前記放熱面上に設けられた放熱体ユニットと、
を備え、
前記放熱面に圧力が加えられて前記筒体が押しつぶされ、前記発熱素子の前記電極面と前記放熱面の裏面との間で、前記電極部材及び前記絶縁シートが狭圧されており、
前記絶縁シートの両端縁部が、前記筒体の前記側面の裏側で前記発熱素子の前記側面に対して略平行に重なり合っていることを特徴とする車載用ヒータ。
前記放熱体ユニットは、一対の金属板の間で前記フィンを接着固定してなることを特徴とする請求項１記載の車載用ヒータ。
複数の前記筒体と、複数の前記放熱体ユニットと、が、交互に積層され互いに接着固定されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の車載用ヒータ。
前記発熱素子は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）セラミック素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の車載用ヒータ。
前記中空部内において、前記電極部材と前記絶縁シートとの間に、熱伝導性を有するスペーサが介在されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の車載用ヒータ。
前記筒体の前記側面に溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の車載用ヒータ。