JP4856671B2 - 内燃機関用エアヒータ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関への吸気又は内燃機関からの排気を加熱するための内燃機関用エアヒータに関する。

従来から、内燃機関への吸気又は内燃機関からの排気を加熱するための内燃機関用エアヒータが知られている。

このような内燃機関用エアヒータとしては、例えば、矩形の枠状に形成された金属製のケース部材と、このケース部材の内側に支持されたヒータエレメントと、ケース部材の対向する２つの辺の内側部分に配置され、ヒータエレメントの端部を支持する少なくとも２つの絶縁部材とを具備した内燃機関用エアヒータが知られている。

また、上記構成の内燃機関用エアヒータでは、ヒータエレメントが高温になると熱膨張を起こす。このため、上記した絶縁部材とケース部材との間に、絶縁部材及びヒータエレメントを弾性的に支持する板バネ等の弾性部材を設け、ヒータエレメントの熱膨張を弾性部材によって吸収してヒータエレメントが変形することを防止するとともに、内燃機関からの振動によってヒータの断線等が生じることを防止することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−１８３４６３号公報

上記したとおり、従来の内燃機関用エアヒータでは、板バネ等の弾性部材を設け、ヒータエレメントの熱膨張の吸収と、振動に対する対策を行っている。しかしながら、本発明者等が詳査したところ、このように構成された従来の内燃機関用エアヒータでは、例えば、内燃機関による振動周波数として発現する可能性の高い振動周波数域２０〜２５０Ｈｚのうち、例えば、振動周波数２２０〜２５０Ｈｚの領域で、弾性部材を介してケース部材に支持された絶縁部材及びヒータエレメントに大きな共振が発生し、ヒータの断線等が生じる場合があることが判明した。

このような場合、弾性部材のバネ定数を大きくして、共振の発生を防止することが考えられるが、バネ定数を大きくすると、ヒータエレメントが熱膨張を起こした際に、この熱膨張を吸収するよう弾性部材が十分に変形しなくなり、ヒータエレメントが変形してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、耐振性の向上を図ることができるとともに、ヒータエレメントの熱膨張を吸収してヒータエレメントが変形することを防止することのできる内燃機関用エアヒータを提供することを目的とする。

本発明の内燃機関用エアヒータは、矩形の枠状に形成された金属製のケース部材と、前記ケース部材の内側に配置され、蛇行状に屈曲されたヒータエレメントと、前記ケース部材の対向する２つの辺の内側部分に配置され、前記ヒータエレメントの屈曲部と当接する少なくとも２つの絶縁部材と、各前記絶縁部材と前記ケース部材との間に設けられ、前記絶縁部材及び前記ヒータエレメントを弾性的に支持する少なくとも２つの弾性部材とを具備した内燃機関用エアヒータであって、前記弾性部材の少なくとも一方は、屈曲された板状部材からなり、前記絶縁部材及び前記ヒータエレメントを常時弾性的に支持する第１の板バネであり、他方の弾性部材は屈曲された板状部材からなり、前記ケース部材と前記絶縁部材との間で生じる振動の振幅が一定以上になった場合にのみ前記絶縁部材及び前記ヒータエレメントを弾性的に支持する第２の板バネであり、前記第１の板バネと前記第２の板バネとは互いに積層されていることを特徴とする。

上記構成の本発明の内燃機関用エアヒータでは、絶縁部材とケース部材との間に設けられ、絶縁部材及びヒータエレメントを弾性的に支持する弾性部材の少なくとも一方は、屈曲された板状部材からなり、絶縁部材及びヒータエレメントを常時弾性的に支持する第１の板バネであり、他方の弾性部材は屈曲された板状部材からなり、ケース部材と絶縁部材との間で生じる振動の振幅が一定以上になった場合にのみ絶縁部材及びヒータエレメントを弾性的に支持する第２の板バネであり、第１の板バネと第２の板バネとは互いに積層されている。したがって、ケース部材と絶縁部材との間で生じる振動の振幅が一定以上になった場合のみ、第２の板バネが作用して弾性部材全体としてバネ定数が大きくなり、共振が発生することを防止できる。また、通常時は、第１の板バネのみが作用することにより、ヒータエレメントの熱膨張を吸収してヒータエレメントが変形することを防止することができる。

上記構成の内燃機関用エアヒータでは、第１の板バネと第２の板バネとは、凸状に屈曲された凸状部を具備し、第１の板バネの凸状部は、第２の板バネの凸状部より高さが高く形成され、かつ、第１板バネが第２の板バネより絶縁部材側であって第１の板バネの凸状部と第２の板バネの凸状部とが積層方向に沿うように設けられている構成とすることができる。このような構成とすることによって、構造を単純化し、かつ、確実に上記した作用、効果を得ることができる。この場合、第１の板バネと第２の板バネに、凸状部が複数設けられている構成とすることが好ましい。これによって、ヒータエレメントをより安定した状態で支持することができる。また、第２の板バネのバネ定数を、第１の板バネのバネ定数より大きくすることが好ましい。これによって、確実にヒータエレメントの熱膨張を吸収してヒータエレメントが変形することを防止することができるとともに、共振により振動の振幅が増大することをより確実に防止することができる。

本発明の内燃機関用エアヒータによれば、耐振性の向上を図ることができるとともに、ヒータエレメントの熱膨張を吸収してヒータエレメントが変形することを防止することのできる内燃機関用エアヒータを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１，２は、本発明の実施形態に係る内燃機関用エアヒータ１００の概略構成を示している。図１（ａ）は、内燃機関用エアヒータ１００の要部構成を模式的に示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一点鎖線で囲まれた部分を拡大して示している。また、図２（ａ）は、内燃機関用エアヒータ１００の全体の正面概略構成を示し、図２（ｂ）は、内燃機関用エアヒータ１００の全体の側面概略構成を示している。

図２に示すように、内燃機関用エアヒータ１００は、アルミニウム等の金属から矩形の枠状に形成された金属製のケース部材１０を具備している。この金属製のケース部材１０の内側には、ヒータエレメント２０が配置されている。このヒータエレメント２０は、薄板状の抵抗発熱体を、図２中上下方向に蛇行するように複数回折り返して、全体形状がケース部材１０の内側に収まる略矩形状となるように形成されている。

そして、このヒータエレメント２０の折り返し部（屈曲部）、すなわち図２中に示すヒータエレメント２０の下部及び上部は、絶縁部材３１と絶縁部材３２とによって係止されている。すなわち、ヒータエレメント２０は、絶縁部材３１と絶縁部材３２を介してケース部材１０の対向する２つの辺（図２中下側の辺と上側の辺）の内側部分に係止されている。

上記の絶縁部材３１、絶縁部材３２を係止するため、ケース部材１０の下側の辺と上側の辺の内側部分には、絶縁部材３１、絶縁部材３２の形状に合わせて凹陥した凹陥部１１と凹陥部１２が形成されている。そして、これらの凹陥部１１、凹陥部１２に、夫々絶縁部材３１、絶縁部材３２が嵌めこまれている。また、ケース部材１０の四隅には、内燃機関用エアヒータ１００を、例えば内燃機関のインテークマニホールド等に取り付けるための取り付け孔１３が夫々設けられている。

また、絶縁部材３１及び絶縁部材３２と、ケース部材１０との間には、後述する弾性部材４１，４２（図２中には弾性部材４１のみを示す。）が介挿されている。なお、図２では、下部に設けられた絶縁部材３１の部分のみを切り欠いて、その縦断面構成が分かるように図示してある。図２のこの部分に示されるように、絶縁部材３１には、複数のヒータ係止穴３１０が形成されており、これらのヒータ係止穴３１０にヒータエレメント２０のＵ字状の折り返し部が挿入されて、ヒータエレメント２０が係止されている。なお、上側に設けられた絶縁部材３２も同様に構成されている。

上記ヒータエレメント２０の両側端部、すなわち、正極側端部と負極側端部は、夫々ケース部材１０に取り付けられた正極側電極端子５１、負極側電極端子５２に固定されている。これらの正極側電極端子５１及び負極側電極端子５２は、ボルト５３とナット５４等から構成され、ケース部材１０に設けられた貫通孔に、円筒状の絶縁部材を介して、ケース部材１０と電気的に絶縁された状態で取り付けられている。

上記した弾性部材４１は、図１（ｂ）に拡大して示すように、第１板バネ４１０と第２板バネ４２０の２つの板バネから構成されている。第１板バネ４１０と第２板バネ４２０とは、互いに積層され、後述する凸状部４１１と凸状部４２１とが積層方向に沿うように配置されている。これらの板バネのうち、第１板バネ４１０は、第２板バネ４２０より絶縁部材３１側に設けられている。この第１板バネ４１０は、複数（本実施形態では２つ）の凸状部４１１を具備しており、これらの凸状部４１１は、常時絶縁部材３１と接触状態とされ、絶縁部材３１及びヒータエレメント２０を常時弾性的に支持した状態となっている。

一方、第２板バネ４２０は、複数（本実施形態では２つ）の凸状部４２１を具備している。これらの凸状部４２１は、上記した第１板バネ４１０の凸状部４１１と比べてその高さが低くなっており、通常時には、第１板バネ４１０の凸状部４１１の下面とは接触せず、第１板バネ４１０の凸状部４１１が所定量以上弾性変形して下方に所定距離以上変位した場合のみ、凸状部４１１の下面と接触するようになっている。

したがって、弾性部材４１は、ケース部材１０の内側で、絶縁部材３１が下方に変位した場合に、一定の変位量までは、第１板バネ４１０が有するバネ定数（Ｋ１）で絶縁部材３１等を弾性的に支持する。そして、絶縁部材３１の変位量が一定の変位量を超えた場合は、第１板バネ４１０が有するバネ定数（Ｋ１）と、第２板バネ４２０が有するバネ定数（Ｋ２）とを加えたバネ定数（Ｋ１＋Ｋ２）で絶縁部材３１等を弾性的に支持する。

この時の使用点（ケース部材１０の内側下端からの距離（図１に示す距離Ｉ））とバネ荷重の変化の様子の一例を、縦軸をバネ荷重（Ｎ）、横軸を使用点（ｍｍ）とした図３のグラフに示す。この図３の例では、使用点が１．６５ｍｍ〜１．１５ｍｍの範囲では、第１板バネ４１０のバネ定数（Ｋ１（１９．６Ｎ／ｍｍ））が作用し、使用点が１．１５ｍｍより小さくなると（変位が大きくなると）、第１板バネ４１０が有するバネ定数（Ｋ１（１９．６Ｎ／ｍｍ））と、第２板バネ４２０が有するバネ定数（Ｋ２（５８．８Ｎ／ｍｍ））とを加えたバネ定数（１９．６Ｎ／ｍｍ＋５８．８Ｎ／ｍｍ＝７８．４Ｎ／ｍｍ）が作用する。

なお、以上の説明では、図２中下側に設けられた弾性部材４１のみについて説明したが、本実施形態では、上側に設けられた弾性部材４２についても同様な構成とされている。しかしながら、必ずしも両方の弾性部材を上記の構成とする必要はなく、少なくとも一方が上記のような構成とされていればよい。

上記構成の本実施形態の内燃機関用エアヒータ１００は、例えば内燃機関のインテークマニホールド等に取り付けられ、ディーゼルエンジンの始動時の吸気の加熱等に使用される。この際、ヒータエレメント２０に通電して加熱を開始すると、それまで雰囲気温度と略同じ温度であったヒータエレメント２０を構成する薄板状の抵抗発熱体が熱膨張により伸長し、ヒータエレメント２０を支持する絶縁部材３１、絶縁部材３２がケース部材１０側に向けて押圧される。

この時、絶縁部材３１を、ヒータエレメント２０側に向けて付勢した状態で支持する弾性部材４１は、実質的にバネ定数がＫ１の第１板バネ４１０のみが作用し、バネ定数がＫ２の第２板バネ４２０が作用していない状態になっているので、第１板バネ４１０が弾性的に撓み、ヒータエレメント２０の熱膨張による変形を吸収する。また、上側の絶縁部材３２を支持する弾性部材４２についても同様である。このような弾性部材４１、弾性部材４２の作用により、ヒータエレメント２０が熱膨張により変形してしまうことを防止できる。このように、第１板バネ４１０は、ヒータエレメント２０の熱膨張による変形を吸収する作用を発揮する必要があるので、第２板バネ４２０と比べた場合、バネ定数を小さくすることが好ましい。

一方、内燃機関からの振動により、ケース部材１００内で、ヒータエレメント２０及び絶縁部材３１と絶縁部材３２が振動した際に、その振幅が増大して第１板バネ４１０の変形量が多くなると、第１板バネ４１０の凸部４１１の裏面側が第２板バネ４２０の凸部４２１に接触し、弾性部材４１全体としてのバネ定数が変化する。これによって、振幅の増大が抑制され、共振により過大な振動が発生してヒータエレメント２０に断線等が生じることを防止することができる。このように、第２板バネ４２０は、振幅の大きな振動を抑制する作用を発揮する必要があるので、第１板バネ４１０と比べた場合、バネ定数を大きくすることが好ましい。このような理由から、図３に示した例では、第１板バネ４１０のバネ定数Ｋ１が１９．６Ｎ／ｍｍとなっており、第２板バネ４２０のバネ定数Ｋ２が５８．８Ｎ／ｍｍとなっている。

ここで、内燃機関による振動周波数として発現する可能性の高い周波数域は、例えば、２０〜２５０Ｈｚ程度と考えられるが、従来の内燃機関用エアヒータでは、図２において符号Ａで示すヒータエレメント２０の位置に歪みゲージを設け、図２に矢印で示すＹ方向（上下方向）に振動を加える振動試験を行ったところ、２２０Ｈｚ〜２５０Ｈｚの振動周波数において大きな共振が見られた。また、この共振に起因すると見られるヒータエレメント２０の断線も発生した。

一方、上記構成の本実施形態の内燃機関用エアヒータ１００において同様な振動試験を行ったところ、周波数が２０〜２５０Ｈｚの範囲において、共振による過大な振動の発生は見られなかった。また、ヒータエレメント２０の断線も発生しなかった。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る内燃機関用エアヒータの要部構成を示す図。 図１の内燃機関用エアヒータの全体構成を示す図。 実施形態における使用点とバネ荷重の変化の様子の一例を示すグラフ。

符号の説明

１０……ケース部材、１１，１２……凹陥部、１３……取り付け孔、２０……ヒータエレメント、３１，３２……絶縁部材、４１，４２……弾性部材、５１……正極側電極端子、５２……負極側電極端子、５３……ボルト、５４……ナット、１００……内燃機関用エアヒータ、３１０……ヒータ係止穴、４１０……第１板バネ、４１１……凸状部、４２０……第２板バネ、４２１……凸状部。

Claims (4)

1. 矩形の枠状に形成された金属製のケース部材と、
   前記ケース部材の内側に配置され、蛇行状に屈曲されたヒータエレメントと、
   前記ケース部材の対向する２つの辺の内側部分に配置され、前記ヒータエレメントの屈曲部と当接する少なくとも２つの絶縁部材と、
   各前記絶縁部材と前記ケース部材との間に設けられ、前記絶縁部材及び前記ヒータエレメントを弾性的に支持する少なくとも２つの弾性部材と
   を具備した内燃機関用エアヒータであって、
   前記弾性部材の少なくとも一方は、
   屈曲された板状部材からなり、前記絶縁部材及び前記ヒータエレメントを常時弾性的に支持する第１の板バネであり、
   他方の弾性部材は屈曲された板状部材からなり、前記ケース部材と前記絶縁部材との間で生じる振動の振幅が一定以上になった場合にのみ前記絶縁部材及び前記ヒータエレメントを弾性的に支持する第２の板バネであり、
   前記第１の板バネと前記第２の板バネとは互いに積層されている
   ことを特徴とする内燃機関用エアヒータ。
2. 請求項１記載の内燃機関用エアヒータであって、
   前記第１の板バネと前記第２の板バネとは、凸状に屈曲された凸状部を具備し、前記第１の板バネの凸状部は、前記第２の板バネの凸状部より高さが高く形成され、かつ、前記第１板バネが前記第２の板バネより前記絶縁部材側であって前記第１の板バネの凸状部と前記第２の板バネの凸状部とが積層方向に沿うように設けられていることを特徴とする内燃機関用エアヒータ。
3. 請求項２記載の内燃機関用エアヒータであって、
   前記第１の板バネと前記第２の板バネに、前記凸状部が複数設けられていることを特徴とする内燃機関用エアヒータ。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載の内燃機関用エアヒータであって、
   前記第２の板バネのバネ定数が、前記第１の板バネのバネ定数より大きいことを特徴とする内燃機関用エアヒータ。

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