JP6549919B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は流体加熱装置に関するものである。

従来、電流が流れることで発熱する発熱体をタンクに収容し、タンクに流体を流通させて、発熱体によって発生した熱で流体を加熱するヒータ装置が特許文献１に開示されている。

特開２０１４−０５３２８８号公報

上記のヒータ装置においては、保持部材を用いてヒータをタンクに固定しており、部品点数が多くなり、組み立て時の作業工程が多くなる。

また、ヒータ装置などを制御する制御部に用いられる半導体素子などは使用時に高温となるため、冷却する必要がある。ヒータ装置を流れる流体によって半導体を冷却することができると、ヒータ装置を含んだシステムを小型化することができる。

本発明はこのような点に鑑みて発明されたもので、作業工程を少なくし、システムを小型化することを目的とする。

本発明のある態様に係る流体加熱装置は、タンク内を流れる流体を加熱する流体加熱装置であって、発熱体と、発熱体の周りを覆うように成形され、タンクに収容され、流体を加熱する加熱部と、加熱部と一体成形され、タンクの開口部に接合される蓋部とを備え、蓋部は、発熱素子が接触する外面の裏側からタンク内に突出するフィンを備える。

この態様によると、加熱部と蓋部とが一体成形されることで、部品点数を少なくして作業工程を少なくし、フィンによって発熱素子で発生した熱を流体に放熱することができ、発熱素子を冷却できるのでシステムを小型化することができる。

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、図２のIV−IV断面図である。

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、螺旋状のヒータ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、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、ヒータ２１を包含して鋳ぐるんだ加熱部２２が形成される。ヒータユニット２０は、タンク１０の開口部１５を閉塞する天板部２３と一体に成形される。また、ヒータユニット２０と天板部２３との間には、連結部２９が形成され、連結部２９はヒータユニット２０とともに天板部２３と一体に成形される。即ち、ヒータユニット２０と連結部２９と天板部２３とは一体に成形されている。

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体２１ｃを有する。ヒータ２１は、通電することによって発熱体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、加熱部２２を介してタンク１０内を流通する温水を加熱する。

加熱部２２は、ヒータ２１の内周と比較して小さく形成されヒータ２１の中心軸に沿って貫通する貫通孔２５と、ヒータ２１の外周と比較して大きく形成されタンク１０の内壁１７と対峙する外壁部２６と、を有する。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。加熱部２２は、ヒータ２１で発生した熱を温水に伝達し、温水を加熱する。

貫通孔２５は、螺旋状に巻かれる発熱体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れる内周流路２７（図３参照）を形成する。

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を流れてきた温水を排出口１２に導く外周流路２８を形成する。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体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に近いほど大きく形成される。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。

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、ヒータ２１の内周と比較して小さく形成される貫通孔２５と、ヒータ２１の外周と比較して大きく形成される外壁部２６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、貫通孔２５と外壁部２６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。天板部２３には、図２に示すように、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。天板部２３には、ＩＧＢＴ３４、３５が当接する箇所の裏側に位置する天面１６からタンク１０内に向けて突出するフィン２３ｂが形成される。

フィン２３ｂは、フィン２３ｂ周囲における温水の流れ方向、即ち外周流路２８における温水の流れ方向に沿って複数形成され、温水の流れ方向に沿って天板部２３からの突出量が大きくなるように形成される。具体的には、排出口１２側となるにつれて天板部２３からの突出量が大きくなるように形成される。また、フィン２３ｂは、加熱部２２と接触しないように形成される。なお、ここでは、各フィン２３ｂを温水の流れに直交する方向に沿って延設しているが、各フィン２３ｂを温水の流れ方向に沿って延設してもよい。

連結部２９は、図４に示すようにヒータユニット２０の加熱部２２と天板部２３との間に設けられ、図２に示すようにヒータユニット２０の軸方向に沿って延設される。図４は図２のIV−IV断面図である。連結部２９は、加熱部２２の上部に連結する首部２９ａと、首部２９ａと天板部２３との間に設けられて首部２９ａと天板部２３とを連結する放熱部２９ｂとを有する。

首部２９ａは、図３、図４に示すように、首部２９ａの幅がヒータユニット２０の幅よりも短くなるように形成される。加熱部２２に対して首部２９ａの幅を短くすることで、加熱部２２から天板部２３への伝熱が抑制される。

放熱部２９ｂは、図３、図４に示すように、放熱部２９ｂの一部の幅が、首部２９ａの幅よりも長くなるように形成されている。放熱部２９ｂは、天板部２３から伝達される熱を温水に放熱する。また、放熱部２９ｂは、首部２９ａから伝達される熱を温水に放熱する。放熱部２９ｂによって温水に放熱することで、加熱部２２と天板部２３との間の伝熱が抑制される。

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で発生した熱は、フィン２３ｂ、放熱部２９ｂを介してタンク１０内を流れる温水に放熱され、ＩＧＢＴ３４、３５が冷却される。

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及び図３参照）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。

本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態では、ヒータ２１の周りを覆うように設けた加熱部２２と、ＩＧＢＴ３４、３５が当接する箇所の裏側の天面１６からタンク１０内に突出するフィン２３ｂを有する天板部２３とが一体に成形されている。

これにより、部品点数を少なくし、天板部２３とタンク１０とを接合することで、タンク１０にヒータユニット２０を収容して取り付けることができ、作業工程を少なくすることができる。また、ＩＧＢＴ３４、３５で発生する熱をフィン２３ｂを介して温水に放熱することができ、ＩＧＢＴ３４、３５を冷却する機構を別途設ける必要がなく、流体加熱装置１００を小型化することができる。

フィン２３ｂは、加熱部２２と接触しないように設けられる。これにより、ヒータ２１で発生する熱が加熱部２２からフィン２３ｂに伝達されることを防止することができ、ＩＧＢＴ３４、３５の冷却性能が低下することを防止することができる。

フィン２３ｂ周囲における温水の流れ方向に沿って、天面１６からのフィン２３ｂの突出量を大きくする。これにより、外周流路２８における温水の流れ方向の下流側においても、フィン２３ｂから温水への放熱量を大きくすることができ、ＩＧＢＴ３４、３５をより冷却することができる。

加熱部２２と天板部２３とを連結する連結部２９に加熱部２２よりも幅が短い首部２９ａを設ける。これにより、加熱部２２から天板部２３への伝熱を抑制することができ、天板部２３の温度が高くなることを抑制し、天板部２３に接触するＩＧＢＴ３４、３５の温度が高くなることを抑制することができる。また、加熱部２２から天板部２３への伝熱を抑制することで、加熱部２２から温水以外への伝熱を抑制することができ、温水以外への伝熱に起因よる加熱部２２の温度低下を抑制することができる。従って、ヒータ２１における発熱、即ちヒータ２１への通電量を抑制することができ、ヒータ２１における電力消費を抑制することができる。

首部２９ａと天板部２３との間に首部２９ａよりも幅が長い放熱部２９ｂを設ける。これにより、放熱部２９ｂにおける温水との伝熱面積を大きくすることができ、加熱部２２から首部２９ａを介して伝達された熱の放熱量を大きくすることができる。そのため、加熱部２２から天板部２３への伝熱を抑制することができ、天板部２３の温度が高くなることを抑制し、天板部２３に接触するＩＧＢＴ３４、３５の温度が高くなることを抑制することができる。また、天板部２３から放熱部２９ｂへ伝達された熱の放熱量を大きくすることができ、天板部２３の温度が高くなることを抑制し、天板部２３に接触するＩＧＢＴ３４、３５の温度が高くなることを抑制することができる。

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。

なお、連結部２９に放熱部２９ｂを設けずに、首部２９ａのみを設けてもよい。

１０ ：タンク
１５ ：開口部
１６ ：天面
２０ ：ヒータユニット
２１ ：ヒータ
２１ｃ ：発熱体
２２ ：加熱部
２３ ：天板部（蓋部）
２３ｂ ：フィン
２９ ：連結部
２９ａ ：首部
２９ｂ ：放熱部
１００ ：流体加熱装置

Claims (5)

1. タンク内を流れる流体を加熱する流体加熱装置であって、
   発熱体と、
   前記発熱体の周りを覆うように成形され、前記タンクに収容され、前記流体を加熱する加熱部と、
   前記加熱部と一体成形され、前記タンクの開口部に接合される蓋部とを備え、
   前記蓋部は、発熱素子が接触する外面の裏側から前記タンク内に突出するフィンを備える、
   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、
   前記フィンは前記加熱部に接触しない、
   ことを特徴とする流体加熱装置。
3. 請求項１または２に記載の流体加熱装置であって、
   前記フィンは、フィン周囲における前記流体の流れ方向に沿って前記蓋部からの突出量が大きくなる、
   ことを特徴とする流体加熱装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の流体加熱装置であって、
   前記加熱部と前記蓋部とを連結し、前記加熱部と前記蓋部と一体成形される連結部を備え、
   前記連結部は、前記加熱部よりも幅が短い首部を備える、
   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、
   前記連結部は、前記首部と前記蓋部との間に、前記首部よりも幅が長い放熱部を備える、
   ことを特徴とする流体加熱装置。

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