JP6471109B2 - 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、供給通路からタンク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、タンク内に設けられる螺旋状のヒータによって、タンク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、流体が流通するタンク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、流体と熱交換を行うための伝熱面積は、ヒータの大きさに依存する。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、流体と熱交換を行うための伝熱面積を大きくす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、ヒータと前記ヒータの周りを覆うように形成される加熱部とを有するヒータユニットと、前記ヒータユニットを収容するタンクと、を備え、前記加熱部は、前記ヒータの内側を貫通する貫通孔の内面に形成されて流体と熱交換する内側熱交換面と、前記ヒータの外側の外壁部に形成されて流体と熱交換する外側熱交換面と、を有し、前記外壁部の伝熱面積は、前記貫通孔の伝熱面積と比較して大きく、前記外壁部は、外周に突出する外周フィンを有し、前記タンクは、前記ヒータユニットを挿入するための開口部を閉塞する天面を有し、前記外周フィンは、前記天面と略平行に延設され、前記貫通孔は、流体が流通する内周流路を形成し、前記外壁部は、前記タンクの内壁との間に流体が流通する外周流路を形成し、前記内周流路から前記外周流路へと流体が連続して流れ、前記外周流路の流路面積は、前記内周流路の流路面積と比較して大きいことを特徴とする。

この態様では、ヒータユニットは、ヒータの周りを覆うように形成される加熱部を有する。加熱部は、ヒータの内側を貫通する貫通孔の内面に形成される内側熱交換面と、ヒータの外側の外壁部に形成される外側熱交換面と、を有する。ヒータユニットでは、加熱部の表面積が流体との間で熱交換を行うための伝熱面積になるので、内側熱交換面と外側熱交換面との表面積の合計が伝熱面積になる。したがって、ヒータと流体とを直接接触させる場合と比較して、流体と熱交換を行うための伝熱面積を大きくすることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る流体加熱装置の分解斜視図である。 図２は、流体加熱装置のヒータユニット及びタンクの側面図であり、タンクを断面で示した図である。 図３は、流体加熱装置のヒータユニット及びタンクの正面図であり、タンクを断面で示した図である。 図４は、本発明の実施形態の変形例に係る流体加熱装置のヒータユニット及びタンクの正面図であり、タンクを断面で示した図である。 図５は、流体加熱装置によって加熱される流体の温度変化を説明する図である。

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、流体としての温水を加熱するものである。

まず、図１から図４を参照して、流体加熱装置１００の全体構成について説明する。

図１に示すように、流体加熱装置１００は、水が流通するタンク１０と、タンク１０内に収容されるヒータユニット２０と、各種電装部品を接続するためのバスバーモジュール３０と、ヒータユニット２０の動作を制御するための制御部としての制御基板４０と、バスバーモジュール３０及び制御基板４０を覆うカバー５０と、を備える。

タンク１０は、略直方体形状に形成される。タンク１０は、矩形の底面１３と、底面１３から立設される壁面１４と、壁面１４の端部に底面１３と対向するように開口する開口部１５と、を有する。タンク１０は、温水が供給される供給口１１と、温水が排出される排出口１２と、を有する。供給口１１と排出口１２とは、タンク１０の同じ壁面１４に上下に並んで開口する。流体加熱装置１００は、使用時に排出口１２が供給口１１と比較して上方に位置するように車両内に配設される。

図２及び図３に示すように、ヒータユニット２０は、ヒータ２１と、ヒータ２１の周りを覆うように形成される加熱部２２と、天面１６と加熱部２２とを連結する連結部２９と、連結部２９から突出して形成される一対の放熱部としての放熱フィン２９ａと、を有する。ヒータユニット２０では、ヒータ２１の周りに金属がダイキャスト成形されて加熱部２２が形成される。ヒータユニット２０は、ヒータユニット２０を挿入するための開口部１５を閉塞する天板部２３の天面１６に連結部２９を介して連結され、天板部２３と一体に成形される。

ヒータ２１は、車両に搭載される電源装置（図示省略）からバスバーモジュール３０を介して電力が供給される一対の端子２１ａ，２１ｂを有する。ヒータ２１は、一対の端子２１ａ，２１ｂ間に、タンク１０内に突出する螺旋状の発熱部２１ｃを有する。ヒータ２１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る発熱部を有してもよい。

ヒータ２１は、通電することによって発熱部２１ｃが発熱するシーズヒータ又はＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータである。ヒータ２１は、コスト的には、シーズヒータであることが望ましい。ヒータ２１は、制御基板４０からの指令を受けて発熱し、タンク１０内を流通する温水を加熱する。

加熱部２２は、発熱部２１ｃの内周と比較して小径に形成され発熱部２１ｃの中心軸に沿って内側を貫通する貫通孔２５と、発熱部２１ｃの外側に発熱部２１ｃの外周と比較して大径に形成されタンク１０の内壁１７と対峙する外壁部２６と、を有する。貫通孔２５の内面には、流体と熱交換する内側熱交換面２５ｃが形成され、外壁部２６には、流体と熱交換する外側熱交換面２６ｃを形成する。加熱部２２は、ヒータ２１と比較して融点の低い金属によって成形される。ここでは、ヒータ２１はステンレスで形成され、加熱部２２はアルミニウム合金で形成される。

貫通孔２５は、螺旋状に巻かれる発熱部２１ｃの内側に形成される。タンク１０の供給口１１は、貫通孔２５の延長線上に開口する。貫通孔２５は、供給口１１から供給される温水が流通する内周流路２７（図３参照）を形成する。これに限らず、タンク１０の排出口１２が貫通孔２５の延長線上に開口するようにしてもよい。

図３に示すように、貫通孔２５は、温水の流れ方向に沿って内周に突出する複数の内周フィン２５ａを有する。内周フィン２５ａは、内周流路２７における伝熱面積を、内周フィン２５ａが設けられない場合と比較して大きくする。複数の内周フィン２５ａは、貫通孔２５の全周にわたって等角度間隔で、内周に向けて放射状に形成される。

外壁部２６は、タンク１０の内壁１７との間に、内周流路２７と連続して温水が流通する外周流路２８を形成する。外周流路２８は、内周流路２７から流れてきた温水を排出口１２に導く。外壁部２６は、貫通孔２５と比較して伝熱面積が大きい。また、外周流路２８は、内周流路２７と比較して流路面積が大きい。

外壁部２６は、ヒータ２１の外周形状に沿って形成される外壁本体２６ａと、温水の流れ方向に沿って外壁本体２６ａから外周に突出する複数の外周フィン２６ｂと、を有する。

外壁本体２６ａ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。外壁本体２６ａが設けられるので、ヒータ２１と温水とが直接接触することはない。

外周フィン２６ｂは、外周流路２８における伝熱面積を、外周フィン２６ｂが設けられない場合と比較して大きくする。外周フィン２６ｂは、タンク１０の底面１３及び天面１６と略平行に延設される。外周フィン２６ｂは、タンク１０の高さ方向の中央部と比較して天面１６に近いほど基端部２６ｄからの距離が長く形成される。また、外周フィン２６ｂは、タンク１０の高さ方向の中央部と比較して天面１６から遠ざかるほど基端部２６ｄからの距離が長く形成される。外周フィン２６ｂは、タンク１０の対向する一対の壁面１４にそれぞれ所定の間隔をあけて臨むように形成される。

隣接する一対の外周フィン２６ｂの間である基端部２６ｄにおける外壁部２６は、他の部分における外壁部２６と比較してヒータ２１の発熱部２１ｃの近傍に形成される。これにより、外周流路２８を流れる温水をヒータ２１の発熱部２１ｃに近付けることができるため、加熱部２２と温水との熱交換効率を向上させることができる。また、加熱部２２におけるすべての基端部２６ｄは、ヒータ２１からの距離が略一定となるように形成される。

外周フィン２６ｂの数は、内周フィン２５ａと比較して多い。これにより、外側熱交換面２６ｃは、内側熱交換面２５ｃと比較して伝熱面積が大きくなっている。また、外周フィン２６ｂの長さは、内周フィン２５ａと比較して長い。これにより、加熱部２２をダイキャスト成形する際の成形性を損なわずに温水を加熱する性能を確保することができる。

以上のように、ヒータユニット２０は、ヒータ２１の周りを覆うように形成される加熱部２２を有する。加熱部２２は、発熱部２１ｃの内側を貫通する貫通孔２５の内面に形成される内側熱交換面２５ｃと、発熱部２１ｃの外周の外壁部２６に形成される外側熱交換面２６ｃと、を有する。ヒータユニット２０では、加熱部２２の表面積が温水との間で熱交換を行うための伝熱面積になるので、内側熱交換面２５ｃと外側熱交換面２６ｃとの表面積の合計が伝熱面積になる。したがって、ヒータ２１と温水とを直接接触させる場合と比較して、温水と熱交換を行うための伝熱面積を大きくすることができる。

図４に示す変形例のように、外周フィン２６ｂを、外周に向けて放射状に形成してもよく、内周フィン２５ａを、タンク１０の天面１６と略平行に延設してもよい。この場合にも同様に、温水と熱交換を行うための伝熱面積を大きくすることができる。なお、複数の内周フィン２５ａは、それぞれが略平行となるように形成されればよく、タンク１０の天面１６と略平行でなくてもよい。また、内周フィン２５ａと外周フィン２６ｂとを共に放射状に形成してもよく、内周フィン２５ａと外周フィン２６ｂとを共にタンク１０の天面１６と略平行に延設してもよい。

図３及び図４に示すように、連結部２９は、加熱部２２と連結される第１連結部２９ｂが天面１６と連結される第２連結部２９ｃと比較して断面積が小さくなるように形成される。これにより、ヒータ２１の熱が天面１６を介して後述するＩＧＢＴ３４，３５などの電子部品に伝達されることが抑制される。

放熱フィン２９ａは、外周フィン２６ｂと同様に、タンク１０の底面１３及び天面１６と略平行に延設される。放熱フィン２９ａが設けられることによって、加熱部２２から第１連結部２９ｂを介して伝達された熱が外周流路２８内の温水に放熱されるので、ヒータ２１の熱が天面１６を介して後述するＩＧＢＴ３４，３５などの電子部品に伝達されることが更に抑制される。

図２に示すように、天板部２３は、タンク１０の開口部１５と比較してヒータユニット２０の軸方向に長く形成される。天板部２３におけるタンク１０からはみ出た部分には、車両に搭載される電源装置や上位のコントローラ（図示省略）と流体加熱装置１００とを接続するためのコネクタ（図示省略）が設けられる。

天板部２３は、ヒータユニット２０がタンク１０内に挿入された状態で、開口部１５の外周縁と溶接される。天板部２３は、タンク１０の天面１６を形成する。天面１６は、タンク１０の底面１３と略平行に対向する。

図１に示すように、天板部２３には、温度スイッチとしてのバイメタルスイッチ３１を取り付けるための凹部２４ａと、ヒータ温度センサ３２を取り付けるための凹部２４ｂと、水温センサ３３を取り付けるための凹部２４ｃと、が形成される。

バイメタルスイッチ３１は、ヒータユニット２０の温度を検出し、検出した温度に応じて切り換わる。具体的には、バイメタルスイッチ３１は、ヒータユニット２０の温度が第１の設定温度よりも上昇した場合にヒータユニット２０への電力の供給を遮断する。ヒータユニット２０の温度が第１の設定温度と比較して低い第２の設定温度よりも下降した場合に、バイメタルスイッチ３１が再び切り換わってヒータユニット２０への電力の供給を再開するようにしてもよい。

ヒータ温度センサ３２は、ヒータユニット２０におけるヒータ２１の温度を検出する。ヒータ温度センサ３２は、検出したヒータ２１の温度に応じた電気信号を制御基板４０に送る。制御基板４０は、ヒータ温度センサ３２が検出したヒータ２１の温度が設定温度よりも高い場合に、ヒータ２１への電力の供給を停止させる。

水温センサ３３は、タンク１０の排出口１２近傍における温水の温度を検出する。即ち、水温センサ３３は、タンク１０から排出される加熱後の温水の温度を検出する。水温センサ３３は、天板部２３からタンク１０内部に突出する突出部２３ａ（図２，図３，及び図４参照）の内部に設けられる。水温センサ３３は、検出した温水の温度に応じた電気信号を制御基板４０に送る。制御基板４０は、水温センサ３３が検出した温水の温度が所望の温度になるように、ヒータ２１への電力の供給を制御する。

図２に示すように、天板部２３には、スイッチング素子としての一対のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）３４，３５が当接する。

ＩＧＢＴ３４，３５は、バスバーモジュール３０を介して車両の電源装置に接続される。ＩＧＢＴ３４，３５は、制御基板４０に接続され、制御基板４０からの指令信号に応じてスイッチング動作する。ＩＧＢＴ３４，３５は、スイッチング動作によってヒータユニット２０への電力の供給を制御する。これにより、ヒータユニット２０は所望の温度に調整され、排出口１２から排出される温水は所望の温度に調整される。

ＩＧＢＴ３４，３５は、スイッチング動作を繰り返すことによって発熱する。ＩＧＢＴ３４，３５が動作可能な温度の最大値は、タンク１０内を流れる温水の温度と比較して高い。よって、ＩＧＢＴ３４，３５は、タンク１０内を流れる温水の温度が天板部２３を介して伝達されて冷却される。

図１に示すように、バスバーモジュール３０は、天板部２３の上部に積層される。バスバーモジュール３０は、天板部２３と比較して小さな矩形に形成される。バスバーモジュール３０は、電力や電気信号を送給可能な金属板によって形成される導電性の接続部材である。

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、天板部２３と比較して小さな矩形に形成される。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。

カバー５０は、制御基板４０の上部に設けられる。カバー５０は、天板部２３と略同一の外周形状に形成される。カバー５０は、天板部２３の外周縁と溶接される。カバー５０は、天板部２３との間の内部空間を密閉する。

次に、主に図５を参照して、流体加熱装置１００の作用について説明する。

図５において、横軸は、供給口１１から排出口１２までタンク１０内を流通する温水が流れる距離であり、縦軸は、温度Ｔ［℃］である。図５に示すように、流体加熱装置１００では、供給口１１から供給される温度Ｔ₁［℃］の温水を、温度Ｔ_h［℃］のヒータユニット２０によって温度Ｔ₂［℃］まで加熱して排出口１２から排出する。

供給口１１は、貫通孔２５の延長線上に形成される。そのため、温度Ｔ₁の温水は、供給口１１から供給されて、内周流路２７に導かれる。内周流路２７では、内周フィン２５ａが形成される貫通孔２５の内周との熱交換によって温水が加熱される。このとき、温水は、温水の流れ方向に沿って形成される内周フィン２５ａによって整流される。

内周流路２７を通過した温水は、タンク１０における供給口１１と対向する壁面１４にぶつかって方向転換し、外周流路２８に導かれる。このように、温水は、内周流路２７と外周流路２８とを連続して流れる。外周流路２８を流れる温水は、外壁本体２６ａ及び外周フィン２６ｂとの熱交換によって更に加熱される。このときもまた、温水は、温水の流れ方向に沿って形成される外周フィン２６ｂによって整流される。そして、温度Ｔ₂まで加熱された温水は、排出口１２から排出される。

ここで、外周流路２８は、内周流路２７と比較して流路面積が大きい。そのため、外周流路２８における温水の流速Ｖ₂［ｍ／ｓ］は、内周流路２７における温水の流速Ｖ₁［ｍ／ｓ］と比較して遅い。しかしながら、外周流路２８に面する外壁部２６は、内周流路２７を形成する貫通孔２５と比較して伝熱面積が大きい。よって、図５に示すように、内周流路２７と外周流路２８とにおける温水の温度上昇率を略一定にすることができる。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

ヒータユニット２０は、ヒータ２１の周りを覆うように形成される加熱部２２を有する。加熱部２２は、発熱部２１ｃの内側を貫通する貫通孔２５の内面に形成される内側熱交換面２５ｃと、発熱部２１ｃの外周の外壁部２６に形成される外側熱交換面２６ｃと、を有する。ヒータユニット２０では、加熱部２２の表面積が温水との間で熱交換を行うための伝熱面積になるので、内側熱交換面２５ｃと外側熱交換面２６ｃとの表面積の合計が伝熱面積になる。したがって、ヒータ２１と温水とを直接接触させる場合と比較して、温水と熱交換を行うための伝熱面積を大きくすることができる。

また、外周流路２８は、内周流路２７と比較して流路面積が大きいため、外周流路２８における温水の流速Ｖ₂は、内周流路２７における温水の流速Ｖ₁と比較して遅い。しかしながら、外周流路２８に面する外壁部２６は、内周流路２７を形成する貫通孔２５と比較して伝熱面積が大きい。よって、内周流路２７と外周流路２８とにおける温度上昇率を略一定にすることができる。

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、供給口１１から供給された温水が内周流路２７を流れた後に、外周流路２８を流れて排出口１２から排出される。これに限らず、供給口１１から供給された温水が外周流路２８を流れた後に、内周流路２７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 タンク
１１ 供給口
１２ 排出口
１３ 底面
１４ 壁面
１５ 開口部
１６ 天面
１７ 内壁
２０ ヒータユニット
２１ ヒータ
２１ｃ 発熱部
２２ 加熱部
２５ 貫通孔
２５ａ 内周フィン
２５ｃ 内側熱交換面
２６ 外壁部
２６ｂ 外周フィン
２６ｃ 外側熱交換面
２６ｄ 基端部
２７ 内周流路
２８ 外周流路
２９ 連結部
２９ａ 放熱フィン（放熱部）

Claims (18)

1. 流体を加熱する流体加熱装置であって、
   ヒータと前記ヒータの周りを覆うように形成される加熱部とを有するヒータユニットと、
   前記ヒータユニットを収容するタンクと、を備え、
   前記加熱部は、
   前記ヒータの内側を貫通する貫通孔の内面に形成されて流体と熱交換する内側熱交換面と、
   前記ヒータの外側の外壁部に形成されて流体と熱交換する外側熱交換面と、を有し、
   前記外壁部の伝熱面積は、前記貫通孔の伝熱面積と比較して大きく、
   前記外壁部は、外周に突出する外周フィンを有し、
   前記タンクは、前記ヒータユニットを挿入するための開口部を閉塞する天面を有し、
   前記外周フィンは、前記天面と略平行に延設され、
   前記貫通孔は、流体が流通する内周流路を形成し、
   前記外壁部は、前記タンクの内壁との間に流体が流通する外周流路を形成し、
   前記内周流路から前記外周流路へと流体が連続して流れ、
   前記外周流路の流路面積は、前記内周流路の流路面積と比較して大きいことを特徴とする流体加熱装置。
2. 請求項１に記載の流体加熱装置であって、
   前記天面は、前記加熱部に連結されていることを特徴とする流体加熱装置。
3. 請求項１又は２に記載の流体加熱装置であって、
   前記ヒータユニットは、
   前記天面と前記加熱部とを連結する連結部と、
   前記連結部から突出して形成される放熱部と、を有することを特徴とする流体加熱装置。
4. 請求項３に記載の流体加熱装置であって、
   前記連結部は、前記加熱部と連結される部分が前記天面と連結される部分と比較して断面積が小さく形成されることを特徴とする流体加熱装置。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
   前記ヒータの両端は、前記加熱部を介して前記天面と接続されていることを特徴とする流体加熱装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
   前記ヒータは、螺旋状に形成される発熱部を有し、
   前記貫通孔は、前記発熱部の内周と比較して小径に形成され前記発熱部の中心軸に沿って貫通し、
   前記外壁部は、前記発熱部の外周と比較して大径に形成され前記タンクの内壁と対峙することを特徴とする流体加熱装置。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
   前記貫通孔は、内周に突出する内周フィンを有することを特徴とする流体加熱装置。
8. 請求項７に記載の流体加熱装置であって、
   前記内周フィンは、流体の流れ方向に沿って形成されることを特徴とする流体加熱装置。
9. 請求項１から８のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
   前記タンクの中央部よりも前記天面の近くに設けられる前記外周フィンは、前記タンクの中央部と比較して前記天面に近いほど基端部からの距離が長く形成されることを特徴とする流体加熱装置。
10. 請求項１から９のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
    前記タンクの中央部よりも前記天面から離れて設けられる前記外周フィンは、前記タンクの中央部と比較して前記天面から遠ざかるほど基端部からの距離が長く形成されることを特徴とする流体加熱装置。
11. 請求項７又は８に記載の流体加熱装置であって、
    前記内周フィンは、内周に向けて放射状に形成されることを特徴とする流体加熱装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
    前記外周フィンは、流体の流れ方向に沿って形成されることを特徴とする流体加熱装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
    前記外周フィンの基端部における前記外壁部は、前記ヒータの近傍に形成されることを特徴とする流体加熱装置。
14. 請求項７又は８に記載の流体加熱装置であって、
    前記外周フィンの数は、前記内周フィンの数と比較して多いことを特徴とする流体加熱装置。
15. 請求項７又は８に記載の流体加熱装置であって、
    前記外周フィンの長さは、前記内周フィンと比較して長いことを特徴とする流体加熱装置。
16. 請求項１から１５のいずれか一つに記載の流体加熱装置であって、
    前記タンクは、
    流体が供給される供給口と、
    流体が排出される排出口と、を有し、
    前記排出口は、前記タンクの同じ面に前記供給口と並んで開口することを特徴とする流体加熱装置。
17. 請求項１６に記載の流体加熱装置であって、
    前記供給口と前記排出口とのいずれか一方は、前記貫通孔の延長線上に開口することを特徴とする流体加熱装置。
18. 請求項１７に記載の流体加熱装置であって、
    前記供給口は、前記貫通孔の延長線上に開口することを特徴とする流体加熱装置。

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