JP6697667B2 - 熱交換器、及び熱交換器を備える車両用加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器、及びそのような熱交換器を備える車両用加熱装置に関する。

本発明は、車両用加熱装置に使用することができる、一体化した温度センサを有する熱交換器の構造を簡素化する目的に基づいている。

車両用加熱装置のための温度センサを有する熱交換器について説明する。熱交換器は、温度センサと、熱入力面と、熱入力面に配置された電気発熱エレメントと、熱出力面とを備える。温度センサは熱出力面の凹部に配置される。温度センサが熱出力面の凹部に配置される結果、電気発熱エレメントが配置される熱交換器本体の側の自由面は凹みを設ける必要はない。したがって、熱交換器の所定の全体寸法及び所定の必要な加熱容量に対してより大きな熱入力面を選ぶことが可能であり、その結果、電気発熱エレメントの抵抗片導体の表面負荷が低減される。更に、電気発熱エレメントを制御する制御装置は通例、制御装置内にある電子装置の熱負荷を下げるために、電気発熱エレメントから逸れた方を向く熱交換器の側に配置される。温度センサが熱出力面の凹部に配置される結果、温度センサと接触させるために必要な線の長さは、したがって、それらの線を熱交換器周りに案内する必要がないのでかなり短くすることができる。比較的短い線は、必要とする空間量を小さくし、より小さな磁場によって電磁両立性を改善する。温度センサは、例えば、高電圧温度センサとすることができる。熱入力面及び熱出力面は、熱交換器本体の表面とすることができ、それが、例えば、熱交換器の外形を実質的に決める。熱交換器本体の熱入力面は、熱交換器を備える車両用加熱装置の作動中、熱が熱交換器本体に入る又は通り過ぎる熱交換器本体の表面領域を意味することができる。熱入力面は、例えば、電気発熱エレメントが配置される熱交換器本体の表面とすることができる。電気発熱エレメントは、例えば、層状の発熱エレメントとして設計することができる。熱交換器の熱出力面は、熱交換器を備える加熱装置の作動中、加熱される媒体に熱を伝える熱交換器本体の表面を意味することができる。熱交換器の本体は金属材料を含むことができる。金属材料は、例えば、熱伝導の良いアルミニウム又はアルミニウム合金とすることができる。電気発熱エレメントの電流が通る領域は、熱入力面に対して電気的に絶縁することができる。電気絶縁層は、熱交換器本体の熱入力面に直接塗布することができる。「直接塗布する」という表現は、この場合、特に、熱溶射又はスプレーオン・プロセスによって熱交換器の熱入力面に電気絶縁層を塗布することを意味するように理解することができる。熱溶射プロセスは、例えば、プラズマ溶射、冷間ガス溶射、フレーム溶射、及び／又は懸濁液フレーム溶射とすることができる。これに代えて、電気絶縁層を同様に直接塗布することができる他のコーティング・プロセスもまた用いることができる。電気発熱エレメントの電気発熱層は、電気絶縁層に直接塗布することができる。電気発熱層はまた、薄膜として電気絶縁層に直接塗布することができる。上記ですでに説明した熱溶射又はスプレーオン・プロセスはまた、電気発熱層を塗布するために用いることができる。電気絶縁層は、セラミック層、特に、酸化アルミニウムよりなるセラミック層を含むことができる。電気発熱層及び電気絶縁層は、上記の溶射又はスプレーオン・プロセスによって簡単に塗布することができる。この場合、電気絶縁層は、熱交換器本体に永久に定着させることができ、電気発熱層は、電気絶縁層に永久に定着させることができる。したがって、電気絶縁層に塗布することができる電気発熱層と熱入力面の領域の熱交換器本体との間の熱伝達を良好にすることができる。更に、セラミック層はまた、加熱中又は冷却中に生じる応力を補償するために機械的に安定した状態で熱交換器本体の表面に接続される。この特性は、特に、熱交換器本体と絶縁層とが少なくとも同様な熱膨張係数を有することから生じることができる。電気発熱層と、例えば、セラミック層として設計された電気絶縁層との間もまた、同様な膨張係数のため、十分な機械的安定性を有することができる。電気発熱層は、金属材料、特に、ニッケル又はニッケル合金を含むことができる。ニッケル又はニッケル合金は、十分に熱的に安定した抵抗発熱抵抗体として容易に設計することができる。電気発熱層は電気発熱層の層平面に構成され、互いに独立した少なくとも二つの抵抗発熱エレメントを含むことができる。このようにして、互いに独立し、層状の発熱エレメントとして設計された複数の抵抗発熱エレメントは、抵抗発熱エレメントの数に関係なく少ない製造ステップで、熱交換器本体の熱入力面に一緒に直接塗布することができる。個々の抵抗発熱エレメントは、例えば、電気発熱エレメントの電気発熱層に条導体の形態で具現化することができる。条導体は、互いにある距離をおいて配置することができ、また、それぞれの専用の電気接続接点を有することができる。電気接点の接続を簡単にするために、電気接続接点はまとめられて一つの電圧源に一緒に接続することができる。電気発熱エレメントには、発熱容量を調整するために、例えば、パルス幅変調形態の電力を供給することができる。電気発熱エレメントは、高電圧発熱エレメントとして設計することができる。このような高電圧発熱エレメントは、高い供給電圧を供給されて作動することができる。高い供給電圧は、例えば、少なくとも１００ボルトとすることができる。高い供給電圧は、高電圧範囲と呼ばれ、例えば、１００ボルトより高い電圧範囲内とすることができる。熱交換器は、例えば、電動車両又はハイブリッド車両用に使用することができる電気加熱装置の熱交換器として使用することができる。電気発熱エレメントは、電動車両又はハイブリッド車両の高電圧電気システムでの作動に適する可能性がある。電気発熱エレメントは、電動車両又はハイブリッド車両の高電圧電気システムに作動可能に直接接続する、すなわち、例えば、高電圧電気システムから電気発熱エレメントに供給することができる最高電圧を制限する電圧変換器を相互接続せずに、直接接続するのに特に適する可能性がある。熱出力面の凹部は、熱交換器本体の材料層によって熱入力面から隔てることができる。熱交換器本体の材料層は、例えば、厚さが薄いことを特徴とすることができる。薄い隔離材料層の厚さは、例えば、絶縁層の厚さの２から３倍とすることができる。材料層は、例えば、１．５ｍｍから３．５ｍｍとすることができ、２．５ｍｍが好ましい。凹部は、熱交換器の厚さに対して、熱交換器の厚さの少なくとも半分に相当する深さを有することができる。深さは、熱交換器の厚さの少なくとも２／３とすることが好ましい場合がある。深さは、熱交換器の厚さの３／４が特に好ましい。熱入力面に対して垂直の熱交換器の厚さは、単に熱交換器本体の厚さによって決めることができる。熱交換器の厚さは、例えば、熱入力面に対して垂直の熱出力面から熱入力面への最短距離によって与えることができる。

凹部は盲穴として設計することができる。盲穴は、熱交換器の本体の製造時に簡単に生成することができる。盲穴は、例えば、熱交換器本体の製造とは独立した作業ステップで穿孔として生成することができる、又は、熱交換器本体が注型プロセスで製造される場合、対応する形状の注型用具によって注型時に設けることができる。盲穴が対応する形状の注型用具によって生成される場合でも、盲穴はドリル加工によって仕上げることができる。当業者に知られている盲穴を生成する他の方法も同様に可能である。盲穴として設計される凹部を熱入力面から隔てる材料層の直径及び厚さの両方は、容易且つ正確に調節することができる。更に、温度センサが熱交換器本体に熱伝導するように接続される表面積は、盲穴の底面を越えて広がることができる。例えば、盲穴の側面もまた、温度センサに熱伝導するように接続することができ、盲穴の底面に加えて、温度センサを熱交換器本体に熱接続するために使用することができる。温度センサは、凹部を埋めるスリーブ内で注型することができる。凹部を埋めるスリーブは、例えば、セラミック材料から形成することができる。スリーブは、例えば、一体接合又は嵌合若しくは圧入で凹部に配置することができる。スリーブは、例えば、温度センサと熱交換器本体との間に電気絶縁層を形成することができる。スリーブの壁厚さ及び底厚さは、例えば、必要な空間距離及び沿面距離を保つような寸法とすることができる。したがって、電気発熱エレメントと温度センサとは、作動中、電気的に分離されているとみなすことができる。スリーブは、例えば、凹部の形成後に凹部に配置することができる、又は凹部に直接生成することができる。スリーブは、例えば、熱溶射又はスプレーオン・プロセスによって凹部に直接生成することができる。これらのプロセスは、電気絶縁層と関連してすでに言及した。スリーブは、それに注型された温度センサと共に別個に製造されて、凹部に組立体として挿入されて機械的に取り付けられることが好ましい。凹部でスリーブと熱交換器本体との間を更に接着接合すると、熱伝達を改善し、且つスリーブを固定することができる。

熱出力面は、フィンによって少なくとも部分的に形成することができる。フィンは、例えば、熱出力面を広くすることができ、この目的で、その向きは、特に、熱入力面に対して実質的に垂直方向にされる。フィンは、熱交換器本体の残りの部分とは別に製造することができ、熱交換器本体の残りの部分に、例えば、一体接合又は圧入で接続することができる。これに代えて、フィンは、熱交換器本体と一体の部品として製造することも可能であり、例えば、それ自体当業者には知られている注型又はミリング・プロセスを使用することができる。

更に、加熱される媒体が流れることができる少なくとも一つのダクトを熱出力面と共に画定するカバーを設けることが可能である。加熱される媒体は、例えば、水又は空気とすることができる。ダクトは、例えば、熱入力面から一定の距離で通すことができる。ダクトは、例えば、曲がりくねった形状を有することができる。例えば、熱入力面に近いダクトの長さを延ばすために、ダクトは加熱される媒体を少なくとも一度曲げることができる。

カバーはまた、温度センサを凹部内に挿入可能な開口を含むことができる。これは、温度センサを凹部に取り付けることを容易にすることができる、特に、その取付けは、熱交換器本体が実際に製造されて熱交換器本体にカバーを取り付けた後に行うことができる。開口は、密封装置によってダクトから密封することができる。これによって、加熱される媒体が温度センサの領域のダクトから逃げることを防ぐことができる。密封装置は、例えば、シーム溶接部として設計することができる。シーム溶接部は、すでに熱交換器の製造時に他の箇所でしばしば設けられ、したがって、追加のシーム溶接部は、他の製造ステップとは全く異なる製造ステップを必要としない。密封装置は、金属又はゴムのシール・リングの形態で設計されることも考えられる。

上記の熱交換器は、車両用加熱装置の一部分として使用することができる。

次に、好ましい実施形態を用いた例によって、また添付の図面を参照して本発明を説明する。

温度センサを有する熱交換器の側面断面図である。 温度センサが中に配置されていない熱交換器の側面断面図である。 熱交換器を備える車両用加熱装置の象徴的な図である。 発熱エレメント上に凹みを設けた熱交換器の３次元外観図である。

下記で図面を説明する際、同じ参照符号は同一又は類似の構成部品を示す。

図１は、温度センサを有する熱交換器の側面断面図である。熱交換器１０の詳細は側面断面図で見ることができる。熱交換器１０は、熱交換器本体３８、熱交換器本体３８に配置された電気発熱エレメント１６、及びカバー２８を備える。カバー２８は、発熱エレメント１６から見て熱交換器本体３８の反対側に配置される。カバー２８は開口３４を含む。カバー２８と熱交換器本体３８とは密封装置３６によって互いにぴったりと接続され、したがって、加熱される媒体は、熱交換器本体３８とカバー２８との間で熱交換器１０内に保持され、熱交換器１０から特にカバー２８の開口３４の領域に逃げることができない。密封装置３６は、例えば、シーム溶接部として、又はシールとして設計することができる。熱交換器本体３８は、図１には詳細には示されていない凹部を含み、その中にスリーブ２４が収められる。スリーブ２４は、例えば、セラミック材料より構成することができる。スリーブ２４は、スリーブ２４の内部、特に、スリーブ２４の底部に注型材４２によって注型することができる温度センサ２２を収めることができる。電気接触接続体４０は、温度センサ２２を電気制御器（図１には示さず）に接続するように働く。セラミック・スリーブ２４は、カバー２８の開口３４を通して熱交換器本体３８の凹部（詳細には示さず）に挿入することができる。スリーブ２４は、熱交換器本体３８に、例えば、嵌合若しくは圧入又は一体接合して接続することができる。スリーブ２４は、固定するために、及び熱交換器本体３８とスリーブとの間で特に熱伝導のよい接続とするために凹部に接着接合することができる。これに代えて、スリーブ２４はまた、熱交換器本体３８の凹部に直接塗布することによって生成することができる。この場合、それ自体当業者には知られている熱溶射又はスプレーオン・プロセスを用いることができる。注型材４２は、例えば、熱伝導のよい樹脂とすることができる。スリーブ２４は、温度センサ２２を熱交換器１０の残りの部分に対して電気的に絶縁することができる。注型材４２は、電気的な絶縁に寄与することができる。電気発熱エレメント１６は、熱交換器本体３８に取り付けることができる、又は、熱溶射若しくはスプレーオン・プロセスを用いて直接塗布することによって熱交換器本体３８に直接生成することができる。

図２は、温度センサなしの熱交換器の側面断面図である。電気発熱エレメント１６は熱入力面１４に配置される。ここでは、図２に示す距離は、より明瞭にするためだけの観点で表されている。カバー２８は熱交換器本体３８の反対側に配置され、そのカバーは開口３４を有し、それを通って凹部２０内へのアクセスが可能となる。熱交換器本体３８とカバー２８との間の距離もまた、より明瞭にするためだけのものである。凹部２０は、すでに図１から知られている温度センサ２２を収めるために設けられる。熱交換器本体３８はフィン２６を備え、フィン２６は、熱入力面１４に対して実質的に垂直に延在して、加熱される媒体３２が流れる少なくとも一つのダクト３０を画定する。媒体３２が流れる方向は記号によって示される。図２で選ばれた視点では、示された流れの方向は紙面に対して垂直方向を向く。図１には示されているが、図２には示されていない密封装置３６は、加熱される媒体３２がカバー２８の開口３４から逃げることを効果的に防ぐようにカバー２８と熱交換器本体３８との間を密封する。凹部２０と熱入力面１４との間には、熱交換器本体３８の比較的薄い材料の層があり、したがって、熱交換器本体３８の熱伝導率が良いので、凹部２０に配置される温度センサによる温度の検知は、発熱エレメント１６の温度に実質的に相当する。フィン２６によって、加熱される媒体３２は何度も向きを変えられ、したがって、熱入力面１４の領域において少なくとも一つのダクト３０の有効長さが長くなる。

図３は、熱交換器を備える車両用加熱装置を象徴的に示した図である。図３に示す車両用加熱装置１２は、図１及び２と関連して例として説明したような熱交換器１０を備える。熱交換器１０に加えて、図３に象徴的に示した車両用加熱装置１２はまた、例えば、制御装置（図示せず）を備えることができる。

図４は、発熱エレメント上に凹みを設けた熱交換器の３次元外観図である。図４に示す熱交換器１０は、図１及び２と関連して説明した熱交換器１０と同様なものである。例えば、図４に示す熱交換器の基本的な形状及び外形寸法もまた、図１及び２と関連して説明した熱交換器１０の場合と同じように与えることができる。しかしながら、図４に示す熱交換器１０の場合には、温度センサ２２は、熱交換器１０の側面にある凹み４４に配置され、その熱交換器１０の側面には電気発熱エレメント１６もまた配置される。したがって、凹み４４は、熱交換器１０で電気発熱エレメント１６のために利用できる表面積を減少させ、したがって、熱入力面を事実上減少させる。温度センサ２２は、凹み４４の面で平面状に熱伝導するように熱交換器１０に接続される。制御装置（図４には示さず）は通例、熱交換器１０の後側（図４では見えない）に配置される。温度センサ２２の電気接触接続体は、したがって、ケーブル通路４６を通る必要があり、したがって、長い線を熱交換器１０周りに案内しなければならない。図１及び２で説明した熱交換器１０と関連して、発熱エレメント１６の反対側の熱交換器１０の側に制御装置をこのように特別に配置することもできる。

上記の説明、図面、及び特許請求の範囲で開示する本発明の特徴は、本質的には、独立しており、且つ、本発明を実施するために任意に望むように組み合わせることができる。

１０ 熱交換器
１２ 車両用加熱装置
１４ 熱入力面
１６ 発熱エレメント
１８ 熱出力面
２０ 凹部
２２ 温度センサ
２４ スリーブ
２６ フィン
２８ カバー
３０ ダクト
３２ 媒体
３４ 開口
３６ 密封装置
３８ 熱交換器本体
４０ 接触接続体
４２ 注型材
４４ 凹み
４６ ケーブル通路

Claims (8)

1. 車両用加熱装置（１２）のための温度センサ（２２）を有する熱交換器（１０）であって、
   前記温度センサ（２２）と、
   熱入力面（１４）と、
   前記熱入力面（１４）に配置された電気発熱エレメント（１６）と、
   加熱される媒体に熱を伝える熱出力面（１８）と
   を備え、
   前記温度センサが前記熱出力面（１８）の凹部（２０）内に配置され、
   加熱される媒体（３２）が流れることができる少なくとも一つのダクト（３０）を前記熱出力面（１８）と共に画定するカバー（２８）が設けられ、
   前記カバー（２８）が、前記温度センサ（２２）を前記凹部（２０）内に挿入可能な開口（３４）を含むことを特徴とする、熱交換器（１０）。
2. 前記凹部（２０）が盲穴として設計されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
3. 前記温度センサ（２２）が、前記凹部（２０）を埋めるスリーブ（２４）内で注型されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱交換器（１０）。
4. 前記スリーブ（２４）がセラミック材から形成されることを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器（１０）。
5. 前記スリーブ（２４）が、一体接合及び／又は嵌合及び／又は圧入で前記凹部（２０）に配置されることを特徴とする、請求項３又は４に記載の熱交換器（１０）。
6. 前記熱出力面（１８）がフィン（２６）によって少なくとも部分的に形成されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱交換器（１０）。
7. 前記開口（３４）が、密封装置（３６）によって前記ダクト（３０）から隔てられることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱交換器（１０）。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の熱交換器（１０）を備える車両用加熱装置（１２）。
   

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