JP6471080B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

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、供給通路からケース内に供給された流体をヒータによって加熱して排出通路から排出する流体加熱装置が開示されている。この流体加熱装置では、ケース内に設けられる螺旋状のヒータによって、ケースを流通する流体を加熱している。

特開２０１４−０５３２８８号公報

しかしながら、特許文献１の流体加熱装置では、流体が流通するケース内にヒータの発熱部が収容され、発熱部の表面に流体が直接接触して熱交換を行う。そのため、発熱部付近を流通しない流体は、ヒータとの間で熱交換を十分に行えないまま排出通路から排出される。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ケース内を流通する流体とヒータとの間で十分に熱交換を行わせ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、熱を発するヒータと前記ヒータによって加熱される加熱部とを有するヒータユニットと、前記加熱部を収容し、前記加熱部と熱交換を行う流体が内部を流通するケースと、前記ケースの開口部を閉塞する天面と、を備え、前記加熱部は、流体の流れ方向に延在するように外周に突出する外周フィンを周方向に間隔を空けて複数有し、前記外周フィンは、前記天面と平行に形成されて先端部が前記ケースの壁面に隣接し、前記ヒータユニットの中央部に位置する前記外周フィンと比較して、前記天面側に位置する前記外周フィンの方が前記天面に近付くにつれて長くなるように形成される、ことを特徴とする。
また、流体を加熱する流体加熱装置であって、熱を発するヒータと前記ヒータによって加熱される加熱部とを有するヒータユニットと、前記加熱部を収容し、前記加熱部と熱交換を行う流体が内部を流通するケースと、前記ケースの開口部を閉塞する天面と、を備え、前記加熱部は、流体の流れ方向に延在するように外周に突出する外周フィンを周方向に間隔を空けて複数有し、前記外周フィンは、前記天面と平行に形成されて先端部が前記ケースの壁面に隣接し、前記ヒータユニットの中央部に位置する前記外周フィンと比較して、前記天面側に位置する前記外周フィンの方が前記天面に近付くにつれて前記先端部が外周に大きく突出するように形成される、ことを特徴とする。
また、流体を加熱する流体加熱装置であって、熱を発するヒータと前記ヒータによって加熱される加熱部とを有するヒータユニットと、前記加熱部を収容し、前記加熱部と熱交換を行う流体が内部を流通するケースと、前記ケースの開口部を閉塞する天面と、を備え、前記加熱部は、流体の流れ方向に延在するように外周に突出する外周フィンを周方向に間隔を空けて複数有し、前記外周フィンは、前記天面と平行に形成されて先端部が前記ケースの壁面に隣接し、前記ヒータユニットの中央部に位置する前記外周フィンと比較して、前記天面側に位置する前記外周フィンの方が前記天面に近付くにつれて長くなるように、かつ前記天面に近付くにつれて前記先端部が外周に大きく突出するように形成される、ことを特徴とする。

上記態様によれば、加熱部の外周に間隔を空けて複数形成された外周フィンによって、ケース内を流通する流体の流れが案内される。また、外周フィンは先端部がケースの内壁に隣接するように複数形成されているので、ケース内を流通する流体は、外周フィン付近を必ず流れることになり、外周フィン及び加熱部を介してヒータとの間で十分に熱交換を行うことができる。

図１は、本発明の実施形態に係る流体加熱装置の斜視図である。 図２は、流体加熱装置の分解斜視図である。 図３は、流体加熱装置のヒータユニット及びケースの側面図であり、ケースを断面で示した図である。 図４は、流体加熱装置のヒータユニット及びケースの正面図であり、ケースと加熱部とを断面で示した図である。

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、流体を加熱するものである。

図１は、本発明の実施形態に係る流体加熱装置１００の斜視図である。

図１に示すように、流体加熱装置１００は、流体が流通するケース１０と、ケース１０内に収容されるヒータユニット２０と、ヒータユニット２０を覆うカバー５０と、を備える。流体には、例えば不凍液が用いられる。

ケース１０には、外部からケース１０内に流体を供給する供給口１１と、ケース１０内を流通した流体を外部に排出する排出口１２と、が並んで開口する。供給口１１には供給パイプ５１が挿入され、排出口１２には排出パイプ５２が挿入されることで、ケース１０の内外を流体が流通する。

ヒータユニット２０には、電気信号を導く図示しない信号線が接続されるコネクタ６０や電力を導く図示しない電力供給線が接続されるコネクタ６１が取り付けられる。

図２は、流体加熱装置１００の分解斜視図である。

ケース１０は、図２に示すように、一方に底部１３を、他方に開口部１５を有する有底の箱状に形成される。ケース１０は、底部１３から立設される４つの壁面１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを有する。４つの壁面１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは、それぞれ開口部１５に向かって開くように傾斜して形成される。即ち、壁面１４ａ及び１４ｂは、開口部１５から底部１３に向かって互いの間隔が小さくなるように対向するテーパ形状となっており、壁面１４ｃ及び壁面１４ｄも同様に対抗するテーパ形状となっている。底部１３と壁面１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄとの間には、図４に示すように、底部１３と壁面１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄとをそれぞれ接続する接続部１６が形成される。

図３は、流体加熱装置１００のヒータユニット２０及びケース１０の側面図であり、ケースを断面で示した図である。

ケース１０の壁面１４ｂは、図３に示すように、壁面１４ａに対向し、かつ、供給口１１の中心線Ｏに対して角度θをもって傾斜するように形成される。壁面１４ｂが開口部１５に向かって開くように傾斜する角度は、他の壁面１４ａ、１４ｃ、１４ｄと比較して大きく形成される。

ヒータユニット２０は、図２及び図３に示すように、ケース１０内に収容される加熱部２２と、ケース１０の外に形成されるハウジング部２３と、から構成される。

加熱部２２は、図３に示すように、ヒータ２１の周りを覆うように金属がダイキャスト成形されることによって形成される。

ヒータ２１は、加熱部２２に鋳込まれる螺旋状の発熱部２１ｃと、ハウジング部２３から突出する一対の端子２１ａ、２１ｂと、を有する。なお、発熱部２１ｃは、螺旋状ではなく、例えば、加熱部２２内を往復するように形成されてもよい。ヒータ２１は、車両に搭載される図示しない電源装置から端子２１ａ、２１ｂに電力が供給されることによって、発熱部２１ｃが発熱する。ヒータ２１には、例えば、シーズヒータやＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータが用いられる。ケース１０内を流通する流体は、ヒータ２１の発熱部２１ｃが発熱することによって、加熱部２２を介して加熱される。

図４は、流体加熱装置１００のヒータユニット２０及びケース１０の正面図であり、ケース１０と加熱部２２とを断面で示した図である。

加熱部２２は、図４に示すように、発熱部２１ｃの内周と比較して小径に形成され発熱部２１ｃの中心軸に沿って貫通する貫通孔２２ａと、発熱部２１ｃの外周と比較して大径に形成されケース１０の壁面１４ｃ、１４ｄと対峙する外壁部２２ｃと、を有する。

貫通孔２２ａは、螺旋状に巻かれる発熱部２１ｃの内側に流体の流れ方向に貫通するよう筒状に形成される。貫通孔２２ａは、図３に示すように、ケース１０の供給口１１の延長線上に開口する。供給口１１から供給される流体は、貫通孔２２ａ内に形成される内周流路７０を流通する。

貫通孔２２ａは、図４に示すように、流体の流れ方向に沿って延在するように内周に突出する複数の内周フィン２２ｂを有する。内周流路７０は、内周フィン２２ｂが設けられることによって、内周フィン２２ｂが設けられない場合と比較して、大きな伝熱面積を確保できる。複数の内周フィン２２ｂは、貫通孔２２ａの全周にわたって等角度間隔で形成される。

外壁部２２ｃは、ケース１０の壁面１４ｃ又は壁面１４ｄとの間に、流体が流通する外周流路７１を形成する。外周流路７１は、内周流路７０から流れてきた流体を排出口１２に導く。外周流路７１は、内周流路７０と比較して流路面積が大きい。また、外壁部２２ｃは、貫通孔２２ａと比較して伝熱面積が大きい。

外壁部２２ｃは、螺旋状に巻かれる発熱部２１ｃの外側を覆うように形成される。外壁部２２ｃが設けられるので、発熱部２１ｃと流体とが直接接触することはない。外壁部２２ｃは、流体の流れ方向に沿って延在するように外壁部２２ｃから外周に突出する複数の外周フィン２２ｄを有する。

外周フィン２２ｄは、外壁部２２ｃの周方向に間隔を空けて複数形成される。外周フィン２２ｄは、ケース１０の底部１３及び開口部１５と略平行に延設される。壁面１４ｃ又は壁面１４ｄと対峙する外周フィン２２ｄは、外周フィン２２ｄの先端部２２ｅが壁面１４ｃ又は壁面１４ｄと隣接する。外周フィン２２ｄの先端部２２ｅと壁面１４ｃ又は壁面１４ｄとの距離は、所定の距離Ｌ１でそれぞれ一定となる。外周フィン２２ｄが設けられることで、外周フィン２２ｄが設けられない場合と比較して、外周流路７１における伝熱面積を大きくなる。外周フィン２２ｄは、図４に示すように、ケース１０の壁面１４ｃ又は壁面１４ｄと底部１３とを滑らかに接続する接続部１６と対峙する位置にも形成される。

図３に戻って、ヒータユニット２０のハウジング部２３について説明する。

ヒータユニット２０のハウジング部２３は、ケース１０の開口部１５を閉塞するように成形される。

ヒータユニット２０は、加熱部２２がケース１０内に配置された状態でハウジング部２３がケース１０の開口部１５の外周縁に接合される。ハウジング部２３の底部は、ケース１０の天面を形成する。ハウジング部２３の底部は、ケース１０の底部１３と対向するよう略平行に配置される。

制御基板４０は、バスバーモジュール３０の上部に積層される。制御基板４０は、ハウジング部２３内に格納可能な大きさで矩形に形成される。制御基板４０は、バスバーモジュール３０及びＩＧＢＴ３４、３５と電気的に接続される。制御基板４０は、上位のコントローラの指令に基づいてＩＧＢＴ３４、３５を制御する。

次に、流体加熱装置１００の作用について説明する。

図３に矢印Ａで示すように供給パイプ５１を通じて供給される流体は、内周流路７０を矢印Ｂで示すように流通する。内周流路７０を流通する流体は、内周フィン２２ｂの形成された貫通孔２２ａと熱交換を行うことによって、加熱される。この流体の流れは、内周フィン２２ｂによって整流される。

内周流路７０を通過した流体は、矢印Ｃで示すように壁面１４ｂへ流出し、壁面１４ｂに沿って方向転換して外周流路７１に導かれる。壁面１４ｂは、開口部１５に向かって開かれるように傾斜しているので、壁面１４ｂで方向転換する流体は、矢印Ｄで示すように流れやすい。流体は、矢印Ｅや矢印Ｆで示すように外周流路７１を流通する。外周流路７１を流通する流体は、加熱部２２の外壁部２２ｃ及び外周フィン２２ｄとの熱交換によって加熱される。外周流路７１を流通する流体は、外周フィン２２ｄによって整流される。

その後、外周流路７１を通過した流体は、排出パイプ５２からケース１０の外部へと矢印Ｇで示すように排出される。このように、供給口１１を通って外部からケース１０内に流入した流体は、ケース１０内の内周流路７０を通過した後、Ｕターンして外周流路７１を流通することで、供給口１１と同一の壁面１４ａに形成された排出口１２から外部に排出される。

また、壁面１４ｂに沿って矢印Ｄで示すように方向転換した流体は、ハウジング部２３からケース１０内に向かって複数形成されるフィン２３ｂに流れて、フィン２３ｂと熱交換を行う。フィン２３ｂは、ＩＧＢＴ３４、３５と熱的に接続されており、ＩＧＢＴ３４、３５の熱を壁面１４ｂに沿って流れてくる流体に放熱する。

ここで、外周流路７１は、内周流路７０と比較して流路面積が大きい。そのため、外周流路７１における流体の流速は、内周流路７０における流体の流速と比較して遅くなる。しかしながら、外周流路７１に面する外壁部２２ｃは、内周流路７０を形成する貫通孔２２ａと比較して伝熱面積が大きい。よって、内周流路７０と外周流路７１とにおける流体の温度の上昇率を略一定にすることができる。

なお、空調装置では、図示しないポンプによって送られる流体が配管及び供給パイプ５１を介して供給口１１からケース１０内に供給される。内周流路７０と外周流路７１とを流通することでケース１０内をＵターンした流体は、排出口１２から排出パイプ５２を介して図示しないヒータコアに送られる。空調装置は、流体がヒータコアを介して空調用空気と熱交換を行うことで、空調用空気を暖めるようになっている。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

流体を加熱する流体加熱装置１００は、熱を発するヒータ２１とヒータ２１によって加熱される加熱部２２とを有するヒータユニット２０と、加熱部２２を収容し、加熱部２２と熱交換を行う流体が内部を流通するケース１０と、を備える。加熱部２２は、流体の流れ方向に延在するように外周に突出する外周フィン２２ｄを周方向に間隔を空けて複数有する。外周フィン２２ｄは、先端部２２ｅがケース１０の壁面１４ｃ又は壁面１４ｄに隣接する。

流体加熱装置１００では、加熱部２２の外周に間隔を空けて複数形成された外周フィン２２ｄによって、ケース１０内を流通する流体の流れが案内される。また、外周フィン２２ｄは先端部２２ｅがケース１０の壁面１４ｃ又は壁面１４ｄに隣接するように複数形成されるので、ケース１０内を流通する流体は、外周フィン２２ｄ付近を必ず流れることになり、外周フィン２２ｄ及び加熱部２２を介してヒータ２１との間で十分に熱交換を行うことができる。

さらに、ヒータユニット２０では、加熱部２２の外壁部２２ｃや外周フィン２２ｄ等との表面積の合計が流体との間で熱交換を行うための伝熱面積になる。したがって、ヒータ２１と流体とを直接接触させる場合と比較して、効率的に熱交換を行うことができる。これにより、ヒータ２１の出力を大きくした場合にも流体を効率よく加熱することができる。そして、ヒータ２１と流体とが直接接触しないので、流体が局所的に加熱されることが抑制され、流体が沸騰することを防止できる。

また、ケース１０の壁面１４ｃ又は１４ｄの近傍を流れる流体にも外周フィン２２ｄを介してヒータ２１の熱が十分伝わるので、熱交換せずに外周流路７１を通過するバイパス流が発生することを抑制できる。

ケース１０は、一方に底部１３を、他方に開口部１５を有する、有底の箱状である。壁面１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは、開口部１５から底部１３に向かって対向する壁面同士の間隔が小さくなるテーパ形状である。

流体加熱装置１００では、ケース１０の壁面１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが開口部１５から底部１３に向かって互いの間隔が小さくなるように対向するテーパ形状なので、ヒータユニット２０の加熱部２２を開口部１５から挿入するだけで簡単にケース１０とヒータユニット２０とを組み付けることができる。

外周フィン２２ｄは、底部１３及び開口部１５と略平行に延設され、先端部２２ｅと壁面１４ｃ又は壁面１４ｄとの距離がそれぞれ一定の距離Ｌ１となるように形成される。

流体加熱装置１００では、ケース１０の形状に合わせて壁面１４ｃ又は壁面１４ｄとそれぞれ一定の距離Ｌ１となるように外周フィン２２ｄの先端部２２ｅが形成されるので、外周流路７１全体で均一に流体を流通させることができる。また、外周流路７１全体を流体が均一に流通可能となるので、流体が熱交換せずに通過したり、局所的に流体が加熱され沸騰するようなことを抑制できる。

ヒータ２１は、螺旋状に形成される発熱部２１ｃを有する。発熱部２１ｃは、加熱部２２によって表面が被覆される。加熱部２２は、流体の流れ方向に貫通する貫通孔２２ａを有するように筒状に形成される。貫通孔２２ａは、発熱部２１ｃの内周と比較して小径に形成され発熱部２１ｃの中心軸に沿って加熱部２２を貫通する。

流体加熱装置１００では、貫通孔２２ａに流体を流通させることができるので、螺旋状の発熱部２１ｃの内側及び外側の両側から加熱部２２を介して流体を効率的に加熱することができる。また、流体の流れを内周流路７０と外周流路７１とで切り分けて逆方向に流すことができるので、流通抵抗を低くすることができ、小型のポンプを用いることができる。

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。

例えば、上記実施形態では、壁面１４ｃ又は壁面１４ｄとの距離を所定の距離Ｌ１となるように外周フィン２２ｄを形成したが、壁面１４ｃ又は壁面１４ｄと当接するように外周フィン２２ｄを形成してもよい。

このように外周フィン２２ｄを形成することによって、外周流路７１を流通する流体は、外周フィン２２ｄとの伝熱面積が増加するので熱交換効率が良くなるとともに、外周フィン２２ｄによって流体の流れがより整流されやすくなる。

また、上記実施形態では、壁面１４ｃ又は壁面１４ｄと対峙する位置の外周フィン２２ｄの先端部２２ｅと壁面１４ｃ又は壁面１４ｄとの距離が所定の距離Ｌ１で一定となるようにした。しかしながら、これに限らず、接続部１６に対峙する位置の外周フィン２２ｄについても、接続部１６との距離が所定の距離Ｌ１で一定となるように形成してよい。

このように、外周フィン２２ｄを、壁面１４ｃ又は壁面１４ｄだけでなく、接続部１６に対しても隣接させることによって、外周流路７１の全域で整流効果がより生じやすくなるとともに、伝熱面積を増やして熱交換効率を高くすることができる。

さらに、上記実施形態では、供給口１１から供給された流体が内周流路７０を流れた後に、外周流路７１を流れて排出口１２から排出される。しかしながら、これに限らず、供給口１１から供給された流体が外周流路７１を流れた後に、内周流路７０を流れて排出口１２から排出されるようにしてもよい。

１００ 流体加熱装置
１０ ケース
１１ 供給口
１２ 排出口
１３ 底面
１４ｃ、１４ｄ 壁面
１５ 開口部
２０ ヒータユニット
２１ ヒータ
２１ｃ 発熱部
２２ 加熱部
２２ａ 貫通孔
２２ｂ 内周フィン
２２ｃ 外壁部
２２ｄ 外周フィン
２２ｅ 先端部
２３ ハウジング部
３０ バスバーモジュール
４０ 制御装置
７０ 内周流路
７１ 外周流路

Claims (7)

1. 流体を加熱する流体加熱装置であって、
   熱を発するヒータと前記ヒータによって加熱される加熱部とを有するヒータユニットと、
   前記加熱部を収容し、前記加熱部と熱交換を行う流体が内部を流通するケースと、
   前記ケースの開口部を閉塞する天面と、を備え、
   前記加熱部は、流体の流れ方向に延在するように外周に突出する外周フィンを周方向に間隔を空けて複数有し、
   前記外周フィンは、前記天面と平行に形成されて先端部が前記ケースの壁面に隣接し、
   前記ヒータユニットの中央部に位置する前記外周フィンと比較して、前記天面側に位置する前記外周フィンの方が前記天面に近付くにつれて長くなるように形成される、
   ことを特徴とする流体加熱装置。
2. 流体を加熱する流体加熱装置であって、
   熱を発するヒータと前記ヒータによって加熱される加熱部とを有するヒータユニットと、
   前記加熱部を収容し、前記加熱部と熱交換を行う流体が内部を流通するケースと、
   前記ケースの開口部を閉塞する天面と、を備え、
   前記加熱部は、流体の流れ方向に延在するように外周に突出する外周フィンを周方向に間隔を空けて複数有し、
   前記外周フィンは、前記天面と平行に形成されて先端部が前記ケースの壁面に隣接し、
   前記ヒータユニットの中央部に位置する前記外周フィンと比較して、前記天面側に位置する前記外周フィンの方が前記天面に近付くにつれて前記先端部が外周に大きく突出するように形成される、
   ことを特徴とする流体加熱装置。
3. 流体を加熱する流体加熱装置であって、
   熱を発するヒータと前記ヒータによって加熱される加熱部とを有するヒータユニットと、
   前記加熱部を収容し、前記加熱部と熱交換を行う流体が内部を流通するケースと、
   前記ケースの開口部を閉塞する天面と、を備え、
   前記加熱部は、流体の流れ方向に延在するように外周に突出する外周フィンを周方向に間隔を空けて複数有し、
   前記外周フィンは、前記天面と平行に形成されて先端部が前記ケースの壁面に隣接し、
   前記ヒータユニットの中央部に位置する前記外周フィンと比較して、前記天面側に位置する前記外周フィンの方が前記天面に近付くにつれて長くなるように、かつ前記天面に近付くにつれて前記先端部が外周に大きく突出するように形成される、
   ことを特徴とする流体加熱装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
   前記ケースは、一方に底部を、他方に前記開口部を有する、有底の箱状であり、
   前記壁面は、前記開口部から前記底部に向かって互いの間隔が小さくなるように対向するテーパ形状である、
   ことを特徴とする流体加熱装置。
5. 請求項４に記載の流体加熱装置であって、
   前記外周フィンは、前記先端部と前記壁面との距離がそれぞれ一定となるように形成される、
   ことを特徴とする流体加熱装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の流体加熱装置であって、
   前記外周フィンは、前記底部及び前記開口部と略平行に延設される、
   ことを特徴とする流体加熱装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
   前記ケースは、
   前記ケースの外部から内部に流体を供給する供給口と、
   前記供給口と同一の面に形成され、前記ケース内をＵターンして流通した流体を外部に排出する排出口と、
   を有する、
   ことを特徴とする流体加熱装置。

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