WO2012120708A1 - 液体加熱ヒータ - Google Patents

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WO2012120708A1
WO2012120708A1 PCT/JP2011/069176 JP2011069176W WO2012120708A1 WO 2012120708 A1 WO2012120708 A1 WO 2012120708A1 JP 2011069176 W JP2011069176 W JP 2011069176W WO 2012120708 A1 WO2012120708 A1 WO 2012120708A1
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浩四郎 田口
渡辺　浩
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カシン工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a liquid heater using a PTC (Positive Temperature Coefficient) element as a heat source.
  • PTC Physical Temperature Coefficient
  • Patent Document 1 A device using a PTC element as a heating element in an electric heater is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • a fluid heating device using a PTC element is disposed at an inlet of a heater core, the PTC element faces a flow path of engine cooling water through a partition wall, and fluid passing through the flow path is transferred to the PTC.
  • a structure for heating with an element is disclosed.
  • a heating device in which the pipe portion through which the liquid flows and the electrically conductive PTC heat generating unit are completely separated is desirable.
  • simply attaching a PTC heating element to the side surface of a pipe as conventionally known does not provide efficient heat conduction.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a liquid heater that can generate hot water more efficiently, has excellent reliability and safety in actual use, and can be reduced in weight, space-saving, and cost. To do.
  • a metal main body having a liquid flow path through which a liquid flows and a cylindrical portion integrally provided outside the liquid flow path and containing a heat generation unit
  • a sealing body that closes an end of the cylindrical portion, and the heat generating unit includes a PTC (Positive Temperature Coefficient) element having an electrode surface, an electrode plate bonded to the electrode surface, and the electrode plate And an insulator provided between the inner wall of the cylindrical portion and superimposed on the electrode plate, wherein the heat generating unit is compressed between the inner walls of the cylindrical portion, and the liquid flow path and the There is provided a liquid heater, wherein there is no gap between the heat generating unit and a part of the main body is integrally interposed.
  • PTC Physical Temperature Coefficient
  • hot water can be generated more efficiently, and it is excellent in reliability and safety in actual use, and can be reduced in weight, space-saving, and cost.
  • FIG. 1 A) And (b) is an external view of the liquid heater of embodiment.
  • AA expanded sectional view in FIG. The enlarged view of the principal part in FIG.
  • (A)-(c) is a schematic cross section showing the other specific example of a liquid channel. Sectional drawing which shows the other specific example of the part shown in FIG.
  • FIG. 1A is an external perspective view of the liquid heater 1 according to the embodiment, and FIG. 1B is a side view of the liquid heater 1.
  • FIG. 2 is an AA enlarged cross-sectional view in FIG.
  • the liquid heater 1 has a main body 11 and sealing bodies 23 provided at both ends in the longitudinal direction in which the main body 11 extends.
  • the main body 11 is made of metal such as aluminum.
  • the sealing body 23 is a cap such as a resin, for example.
  • a liquid channel 50 is formed as shown in FIG.
  • the liquid channel 50 is formed so as to penetrate the longitudinal direction of the main body 11 along the longitudinal direction.
  • a liquid inlet portion 21 and a liquid outlet portion 22 are provided integrally with the main body 11 at both ends in the longitudinal direction of the main body 11, respectively.
  • the liquid inlet portion 21 and the liquid outlet portion 22 protrude outside the sealing body 23, respectively.
  • the liquid inlet 21 is formed in a cylindrical shape, and the inside thereof leads to the liquid flow path 50.
  • the liquid outlet portion 22 is also formed in a cylindrical shape, and the inside thereof communicates with the liquid flow path 50.
  • a cylindrical portion 12 is provided on the side surface of the main body 11. As shown in FIG. 2, the cylindrical portion 12 is integrally provided outside the liquid flow path 50. For example, four cylindrical portions 12 are provided around the liquid flow path 50 every 90 °.
  • the main body 11 including the liquid inlet portion 21 and the liquid outlet portion 22 is integrally formed by, for example, extrusion molding.
  • a hollow portion 35 having a rectangular cross section is formed inside the cylindrical portion 12.
  • the hollow portion 35 extends in the longitudinal direction of the main body 11, similarly to the liquid channel 50.
  • the heating unit 10 is accommodated in the hollow portion 35.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the heat generating unit 10 accommodated in a certain cylindrical portion 12.
  • FIG. 4 corresponds to a plan view of the cylindrical portion 12 viewed from below in FIG.
  • the heat generating unit 10 has a PTC (Positive Temperature Coefficient) element 16 as a heat generating element.
  • the PTC element 16 is a ceramic element having a positive temperature characteristic, and when the temperature becomes equal to or higher than the Curie point, the resistance rapidly increases and further temperature rise is limited.
  • the PTC element 16 is formed in, for example, a rectangular thin plate shape, and electrode surfaces 16a made of metal such as silver or aluminum are formed on both front and back surfaces. A plurality of PTC elements 16 are arranged along the longitudinal direction of the cylindrical portion 12 inside the cylindrical portion 12.
  • the electrode plates 41 and 42 are bonded to the pair of electrode surfaces 16a of the PTC element 16, respectively.
  • the PTC element 16 is sandwiched between a pair of electrode plates 41 and 42.
  • a voltage of opposite polarity is applied to the pair of electrode plates 41 and 42, respectively.
  • the electrode plates 41 and 42 are overlapped with the electrode surface 16 a of the PTC element 16 inside the cylindrical portion 12.
  • the electrode plates 41 and 42 and the electrode surface 16a are bonded with, for example, a silicone-based adhesive having excellent thermal conductivity.
  • the electrode surface 16a is formed on the front and back surfaces of the PTC element 16 by spraying aluminum, for example.
  • the electrode surface 16 a is formed by applying, for example, silver paste on the front and back surfaces of the PTC element 16.
  • the electrode surface 16a is formed by spraying aluminum. For this reason, fine irregularities are formed on the electrode surface 16a.
  • the electrode plates 41 and 42 and the PTC element 16 sandwiched between them are wrapped in an insulating sheet 21.
  • the insulating sheet 21 has flexibility, thermal conductivity, and electrical insulation, and is, for example, a polyimide film. Both edge portions 21 a and 21 b of the insulating sheet 21 are overlapped with each other, and the insulating sheet 21 covers the electrode plates 41 and 42 bonded to the PTC element 16.
  • the cylinder portion 12 has an inner inner wall 31 provided on the liquid flow path 50 side and an outer inner wall 32 provided on the opposite side.
  • the PTC element 16 has one electrode surface 16a facing the inner inner wall 31 side, that is, the liquid flow path 50 side, and the other electrode surface 16a facing the outer inner wall 32 side.
  • One electrode plate 41 is interposed between the inner inner wall 31 and one electrode surface 16a, and the other electrode 42 is interposed between the other electrode surface 16a and the outer inner wall 32.
  • Both end edges 21 a and 21 b of the insulating sheet 21 are overlapped not on the electrode surface 16 a of the PTC element 16 and the inner inner wall 31 but on the back side of the side surface 12 b of the cylindrical portion 12. Thereby, the fall of the heat transfer efficiency from the PTC element 16 to the liquid flow path 50 can be suppressed.
  • the cylindrical portion 12 is formed in a flat shape having an inner inner wall 31 and an outer inner wall 32 facing each other, and a pair of side surfaces 12b that are formed substantially at right angles to them and facing each other.
  • the inner inner wall 31 and the outer inner wall 32 are wider and larger in area than the side surface 12b.
  • the PTC element 16 and the electrode plates 41 and 42 are accommodated inside the cylindrical portion 12 in a state where the periphery is covered with the insulating sheet 21. Between one electrode surface 16a and the inner inner wall 31, the electrode plate 41 and the insulating sheet 21 are narrowly pressed. Between the other electrode surface 16a and the outer inner wall 32, the electrode plate 42 and the insulating sheet 21 are narrowly pressed.
  • the cylindrical portion 12 is crushed by applying mechanical pressure in a direction connecting the inner inner wall 31 and the outer inner wall 32.
  • the PTC element 16, the electrode plates 41 and 42, and the insulating sheet 21 are in a state of being compressed between the inner inner wall 31 and the outer inner wall 32, and are fixed in the cylindrical portion 12.
  • the side surface 12b of the cylinder part 12 is formed with a groove or a depression along the longitudinal direction, the side surface 12b can be prevented from bulging outward when the cylinder part 12 is crushed.
  • sealing bodies 23 having electrical insulation, waterproofness, and heat resistance are provided at the openings at both ends of the cylindrical portion 12.
  • a gap between the cylindrical portion 12 and the sealing body 23 is filled with, for example, a silicone-based sealing material having electrical insulation, waterproofness, and heat resistance.
  • An electric cable (not shown) is connected to one end of each of the electrode plates 41 and 42, and the electric cable passes through one sealing body 23 and is led out to the outside.
  • the electric cable led out to the outside is connected to a power source.
  • a portion where the electric cable penetrates the sealing body 23 is filled with, for example, a silicone-based sealing material having electric insulation, waterproofness, and heat resistance.
  • the liquid heater 1 according to the present embodiment can be mounted on, for example, an automobile and used as a heater for heating a vehicle. And the electric power from the battery mounted in the motor vehicle is supplied to the PTC element 16 via the electric cable and the electrode plates 41 and 42, and the PTC element 16 generates heat.
  • This heat is transmitted to the metal main body 11 through the electrode plates 41 and 42 and the insulating sheet 21 and further to the liquid flowing through the liquid flow path 50.
  • a liquid such as water or antifreeze is introduced into the liquid channel 50.
  • the liquid flows into the liquid channel 50 from the liquid inlet 21 and flows through the liquid channel 50.
  • the liquid flowing through the liquid flow path 50 is heated by heat exchange with the portion 33 between the liquid flow path 50 and the cylindrical portion 12 in the main body 11 heated by the heat generating unit 10, and is heated to the outside from the liquid outlet portion 22 as hot water. leak.
  • the main body 11 having the liquid flow path 50 and the cylindrical portion 12 is an integral body formed by, for example, extrusion molding. Therefore, an integral metal is interposed between the inner inner wall 31 and the liquid flow path 50. Further, the heat generating unit 10 is narrowed in the cylindrical portion 12, and the heat generating unit 10 is in close contact with the inner inner wall 31 without interposing an air layer. Therefore, the heat of the heat generating unit 10 can be efficiently transmitted to the liquid flowing through the liquid channel 50.
  • the PTC element 16 has a characteristic of releasing energy as it cools. Therefore, the heat of the heat generating unit 10 is efficiently taken from the liquid channel 50 side where the liquid having a lower temperature flows, and as a result, the amount of heat escaping from the outer inner wall 32 side of the cylindrical portion 12 to the opposite side of the liquid channel 50 is It can be suppressed.
  • the volume of the portion 33 between the liquid flow path 50 and the inner inner wall 31 is larger than the volume of the outer portion 34 than the outer inner wall 32. For this reason, as represented by an arrow A in FIG. 2, the heat transferred to the portion 34 on the opposite side of the liquid channel 50 in the main body 11 passes through the portion 33 in which the cross-sectional area of the path toward the liquid channel 50 is increased. It can be efficiently transmitted to the liquid flow path 50 through the liquid crystal.
  • the present inventors conducted the following experiment using the fluid heater 1 of the embodiment.
  • the inlet water temperature of running water was 9.0 ° C
  • the environmental temperature was 18 ° C
  • the running water amount was 10 liters / minute.
  • the electric energy of 3220 W can be converted into the amount of heat of 3220 W, and the efficiency becomes 100%.
  • a heat sink is attached to increase the contact area.
  • the liquid heater 1 is accommodated in a metal case 60, for example.
  • the case 60 may be made of resin.
  • the sealing body 23 or the liquid inlet portion 21 and the liquid outlet portion 22 at both ends thereof are both supported by the wall portion of the case 60. That is, both ends of the liquid heater 1 are supported by the case 60, and the main body 11 is in a floating state in the internal space of the case 60. Therefore, the outer surface of the main body 11 does not come into contact with the inner wall of the case 60, and there is a gap between the main body 11 and the inner wall of the case 60.
  • the main body 11 since the main body 11 is covered with the case 60, it can prevent that a person and an object touch the surface of the heated main body 11, and can improve safety
  • air may be interposed as a heat insulating layer, or a gas having higher heat insulating properties such as CFC gas may be interposed.
  • the outer surface of the main body 11 may be covered with, for example, a silicone-based sponge-like heat insulating material 70.
  • the case 60 may not be provided.
  • the PTC element 16 and the electrode plates 41 and 42 in contact with the PTC element 16 are accommodated inside the cylindrical portion 12 sealed by the sealing body 23 and are not exposed to the outside. Moreover, since the insulating sheet 21 is interposed between the electrode plates 41 and 42 and the inner wall of the cylindrical portion 12, the cylindrical portion 12 is not energized. High safety and reliability can be obtained while obtaining high heat exchange efficiency.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the vehicle-mounted hot water heater system of the embodiment.
  • FIG. 5 shows a specific example in which the liquid heater 1 described above is attached to a vehicle such as an automobile.
  • the liquid inlet 21 and the liquid outlet 22 are connected to the circulation path 6.
  • the circulation path 6 has pipe lines 6a to 6d.
  • the pipe 6 a connects the liquid outlet portion 22 and the heater core 2.
  • the pipe line 6 b connects the heater core 2 and the hydraulic pump 3.
  • the pipe line 6c connects the hydraulic pump 3 and the three-way valve 4.
  • the pipe 6 d connects the three-way valve 4 and the liquid inlet 21.
  • the circulation path 6 and the liquid heater 1 are also connected to the engine 5 through the pipe lines 7a and 7b.
  • the three-way valve 4 blocks the pipe 6c and the pipe 7a and allows the pipe 6c and the pipe 6d to communicate with each other, when the hydraulic pump 3 is driven, the liquid heater 1
  • the liquid circulates in the inner and circulation paths 6 in the direction indicated by white arrows in FIG.
  • the heat generating unit 10 of the liquid heater 1 by supplying electric power from the battery mounted on the vehicle to the heat generating unit 10 of the liquid heater 1, the heat generating unit 10 generates heat, and the liquid in the liquid flow path 50 is heated.
  • the warm water generated by this heating is supplied to the heater core 2 through the liquid outlet portion 22 and the pipe line 6a.
  • the hot water supplied to the heater core 2 flows through a pipe provided in the heater core 2. Gas (air) is blown from the blower 8 to the heater core 2. Heat of the hot water flowing through the pipe of the heater core 2 is transmitted to the gas blown from the blower 8 via a heat transfer surface such as a fin provided in the heater core 2. As a result, warm air is blown into the vehicle.
  • This mode is selected when the exhaust heat of the engine 5 cannot be used, for example, when the engine 5 is started.
  • the three-way valve 4 is switched so that the pipe line 6c and the pipe line 7a communicate with each other, and the pipe line 6c and the pipe line 6d are shut off. Function as.
  • the flow of the liquid at this time is represented by a black arrow in FIG.
  • Hot water that has passed through the engine 5 and has been heated by heat exchange with the engine 5 is supplied to the heater core 2 via the pipe lines 7b and 6d, the inflow part 51, the liquid flow path 50, the liquid outlet part 22 and the pipe line 6a. . Therefore, in this mode, hot water can be supplied to the heater core 2 without energizing (generating heat) the heat generating unit 10, and by driving the blower 8, hot air can be sent into the vehicle.
  • the contact area between the inner wall and the liquid can be increased, and the heat exchange efficiency can be further increased.
  • FIG. 6A shows a liquid flow channel 51 in which star-shaped irregularities are formed on the inner wall.
  • FIG. 6B shows a liquid channel 52 in which corrugated irregularities are formed on the inner wall.
  • a partition 54 may be provided in the liquid channel 53 to increase the contact area with the liquid.
  • a partition is not restricted to the form shown in FIG.6 (c), For example, you may partition a liquid flow path in a grid
  • cylindrical portion 12 is not limited to a rectangular cylindrical flat shape, and may be an ellipse or a circular shape. As the distance between the PTC element 16 and the inner inner wall 31 is shorter, the efficiency of heat transfer to the portion 33 of the main body 11 can be increased.
  • the liquid heater 1 of the embodiment can be widely applied to uses other than in-vehicle, and in any application, the liquid can be efficiently heated to generate hot water with a small, simple and low-cost configuration.
  • SYMBOLS 1 Liquid heater, 10 ... Heat generating unit, 11 ... Main body, 12 ... Tube part, 16 ... PTC element, 16a ... Electrode surface, 21 ... Insulating sheet, 31 ... Inner inner wall, 32 ... Outer inner wall, 41 ... Electrode plate, 50 to 53 ... Liquid flow path

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Abstract

　液体加熱ヒータは、金属製の本体であって、液体が流れる液体流路と、液体流路の外側に一体に設けられ発熱ユニットが収容された筒部とを有する本体と、筒部の端部を閉塞する封止体とを備えている。発熱ユニットは、電極面を有するＰＴＣ素子と、電極面に接着された電極板と、電極板と筒部の内壁との間に設けられ電極板に重ね合わされた絶縁体とを有する。発熱ユニットは筒部の内壁間に狭圧され、液体流路と発熱ユニットとの間に隙間がなく、本体の一部が一体に介在している。

Description

液体加熱ヒータ
　本発明は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子を発熱源に用いた液体加熱ヒータに関する。
　従来の自動車室内の暖房用の主熱源としては、エンジン冷却水の排熱を利用して空気を加熱する温水式ヒータが用いられているが、エンジン始動時はエンジン冷却水の温度が低いことなどから補助熱源として電気式ヒータも使われる。また、今後、電気自動車の普及が進むのに伴い電気式ヒータの搭載が促進されるものと思われる。
　電気式ヒータにおける発熱体としてＰＴＣ素子を用いたものが例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、ＰＴＣ素子を用いた流体加熱装置がヒータコアの流入口に配設され、ＰＴＣ素子は仕切壁を介してエンジン冷却水の流路に向き合い、その流路内を通過する流体をＰＴＣ素子で加熱する構造が開示されている。
特開２００８－７１０６号公報
　特許文献１に開示された、流路を通過する液体をＰＴＣ素子で加熱する構造の場合、熱効率が悪く、液体が流れるタンクを構成する部品点数が多くなり、結果として重くなり、省スペース化、コストダウンが難しくなる。また、電気的に導通している部分が液体中に浸漬している状態になるので、漏電の可能性も懸念される。
　そこで、液体が流れるパイプ部分と、電気的に導通しているＰＴＣ発熱ユニットが完全に分離されている形での加熱装置が望ましい。しかしながら、従来知られているようなパイプ側面にＰＴＣ発熱素子を単純に貼り付けただけでは、効率の良い熱伝導が得られない。
　本発明は上述の問題に鑑みてなされ、より効率よく温水を生成でき、且つ実使用上の信頼性、安全性に優れ、軽量化、省スペース化、コストダウンを可能とした液体加熱ヒータを提供する。
　本発明の一態様によれば、金属製の本体であって、液体が流れる液体流路と、前記液体流路の外側に一体に設けられ、発熱ユニットが収容された筒部とを有する本体と、前記筒部の端部を閉塞する封止体と、を備え、前記発熱ユニットは、電極面を有するＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子と、前記電極面に接着された電極板と、前記電極板と、前記筒部の内壁との間に設けられ、前記電極板に重ね合わされた絶縁体と、を有し、前記発熱ユニットは前記筒部の内壁間に狭圧され、前記液体流路と前記発熱ユニットとの間に隙間がなく、前記本体の一部が一体に介在していることを特徴とする液体加熱ヒータが提供される。
　本発明によれば、より効率よく温水を生成でき、且つ実使用上の信頼性、安全性に優れ、軽量化、省スペース化、コストダウンが可能となる。
（ａ）及び（ｂ）は、実施形態の液体加熱ヒータの外観図。 図１におけるＡ－Ａ拡大断面図。 図２における要部の拡大図。 筒部内の発熱ユニットの模式平面図。 実施形態の液体加熱ヒータを用いた車載温水ヒータシステムの模式図。 （ａ）～（ｃ）は、液体流路の他の具体例を表す模式断面図。 図２に示す部分の他の具体例を示す断面図。
　以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
　図１（ａ）は実施形態の液体加熱ヒータ１の外観斜視図であり、図１（ｂ）はその液体加熱ヒータ１の側面図である。　
　図２は、図１（ｂ）におけるＡ－Ａ拡大断面図である。
　液体加熱ヒータ１は、本体１１と、本体１１が延びる長手方向の両端部に設けられた封止体２３とを有する。本体１１は、例えばアルミニウムなどの金属製である。封止体２３は、例えば樹脂等のキャップである。
　本体１１の中心軸近傍には、図２に示すように、液体流路５０が形成されている。液体流路５０は、本体１１の長手方向に沿って、その長手方向を貫通して形成されている。
　本体１１の長手方向の両端部には、それぞれ、液体入口部２１と液体出口部２２が本体１１に一体に設けられている。液体入口部２１及び液体出口部２２はそれぞれ封止体２３の外部に突出している。
　液体入口部２１は筒状に形成され、その内部は液体流路５０に通じている。液体出口部２２も筒状に形成され、その内部は液体流路５０に通じている。
　本体１１の側面側には、筒部１２が設けられている。図２に示すように、筒部１２は、液体流路５０の外側に一体に設けられている。液体流路５０のまわりに、例えば９０°置きに４つの筒部１２が設けられている。
　液体入口部２１及び液体出口部２２も含めて本体１１は、例えば押し出し成形にて一体に形成される。
　筒部１２の内部には断面矩形状の中空部３５が形成されている。中空部３５は、液体流路５０と同様に、本体１１の長手方向に延びている。中空部３５には、発熱ユニット１０が収容されている。
　図３は、ある１つの筒部１２内に収容された発熱ユニット１０の断面図を表す。図４は、図３において下方から見た筒部１２の平面図に対応する。
　発熱ユニット１０は、発熱素子としてＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子１６を有する。ＰＴＣ素子１６は、正温度特性をもったセラミック素子であり、キューリー点以上の温度になると急激に抵抗が増加してそれ以上の温度上昇が制限される。
　ＰＴＣ素子１６は、例えば四角い薄板片状に形成され、その表裏両面には、例えば銀やアルミニウムなどの金属からなる電極面１６ａが形成されている。複数のＰＴＣ素子１６が、筒部１２の内部で筒部１２の長手方向に沿って配置されている。
　ＰＴＣ素子１６の一対の電極面１６ａには、それぞれ、電極板４１、４２が接着されている。ＰＴＣ素子１６は、一対の電極板４１、４２に挟み込まれている。一対の電極板４１、４２には、それぞれ逆極性の電圧が印加される。
　電極板４１、４２は、筒部１２の内部でＰＴＣ素子１６の電極面１６ａに重ね合わされている。電極板４１、４２と電極面１６ａとは、熱伝導性に優れた例えばシリコーン系接着剤によって接着されている。
　ＰＴＣ素子１６の表裏面に、例えばアルミニウムを溶射することで電極面１６ａが形成される。あるいは、ＰＴＣ素子１６の表裏面に、例えば銀ペーストを塗布することで、電極面１６ａが形成される。または、ＰＴＣ素子１６の表裏面に銀ペーストを塗布した後に、アルミニウムを溶射することで、電極面１６ａが形成される。このため、電極面１６ａには微細な凹凸が形成される。
　したがって、電極面１６ａと電極板４１、４２とを接着するための接着剤が絶縁性であっても、電極面１６ａの凹凸における凸部が接着剤を突き抜けて電極板４１、４２に接し、ＰＴＣ素子１６と電極板４１、４２との導通は確保できる。なお、接触抵抗の低減には、アルミニウムの溶射がより望ましい。
　電極板４１、４２及びこれらに挟まれたＰＴＣ素子１６は、絶縁シート２１に包まれている。絶縁シート２１は、可撓性、熱伝導性及び電気絶縁性を有し、例えばポリイミドフィルムである。絶縁シート２１の両端縁部２１ａ、２１ｂは互いに重ね合わされ、絶縁シート２１は、ＰＴＣ素子１６に接着された電極板４１、４２を覆っている。
　筒部１２は、液体流路５０側に設けられた内側内壁３１と、その反対側に設けられた外側内壁３２とを有する。ＰＴＣ素子１６は、一方の電極面１６ａを内側内壁３１側、すなわち液体流路５０側に向け、他方の電極面１６ａを外側内壁３２側に向けている。
　一方の電極板４１は、内側内壁３１と一方の電極面１６ａとの間に介在され、他方の電極４２は、他方の電極面１６ａと外側内壁３２との間に介在されている。
　絶縁シート２１の両端縁部２１ａ、２１ｂを、ＰＴＣ素子１６の電極面１６ａと、内側内壁３１との間ではなく、筒部１２の側面１２ｂの裏側で重なり合うようにしている。これにより、ＰＴＣ素子１６から液体流路５０への熱伝達効率の低下を抑制できる。
　筒部１２は、互いに対向する内側内壁３１及び外側内壁３２と、それらに対して略直角に形成され、互いに対向する一対の側面１２ｂとを有する扁平形状に形成されている。内側内壁３１及び外側内壁３２の方が側面１２ｂより幅が広く面積が大きい。
　ＰＴＣ素子１６及び電極板４１、４２は、絶縁シート２１で周囲を覆われた状態で、筒部１２の内部に収容される。一方の電極面１６ａと内側内壁３１との間には、電極板４１と絶縁シート２１が狭圧されている。他方の電極面１６ａと外側内壁３２との間には、電極板４２と絶縁シート２１が狭圧されている。
　絶縁シート２１で包んだＰＴＣ素子１６及び電極板４１、４２を筒部１２の中に挿入した後、内側内壁３１と外側内壁３２とを結ぶ方向に機械的圧力を加えて筒部１２を押しつぶす。これにより、ＰＴＣ素子１６、電極板４１、４２及び絶縁シート２１は、内側内壁３１と外側内壁３２との間で狭圧された状態となり、筒部１２内で固定される。
　したがって、ＰＴＣ素子１６の電極面１６ａと、液体流路５０との間には隙間が形成されず、金属製の本体１１の一部３３が一体に介在される。このため、ＰＴＣ素子１６と液体流路５０を流れる液体との間に、空気層が介在しない熱伝達経路を広い面積にわたって確保することができ、熱伝達効率を向上できる。
　筒部１２の側面１２ｂには、長手方向に沿って溝、もしくはくぼみが形成されているため、筒部１２を押しつぶしたときに側面１２ｂが外側に膨らんでしまうのを防ぐことができる。
　図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、筒部１２の両端部の開口には、電気絶縁性、防水性及び耐熱性を有する封止体２３が設けられる。また、筒部１２と封止体２３との間の隙間には、電気絶縁性、防水性及び耐熱性を有する例えばシリコーン系の封止材が充填される。これにより、筒部１２の内部への液体の浸入が防止される。
　電極板４１、４２のそれぞれの一端部には図示しない電気ケーブルが接続され、その電気ケーブルは一方の封止体２３を貫通して外部に導出される。外部に導出された電気ケーブルは、電源と接続される。電気ケーブルが封止体２３を貫通する部分には、電気絶縁性、防水性及び耐熱性を有する例えばシリコーン系の封止材が充填される。
　本実施形態の液体加熱ヒータ１は、例えば自動車に搭載して、車内暖房用のヒータとして用いることができる。そして、自動車に搭載されたバッテリからの電力が、電気ケーブル及び電極板４１、４２を介して、ＰＴＣ素子１６に供給され、ＰＴＣ素子１６が発熱する。
　この熱は、電極板４１、４２及び絶縁シート２１を介して、金属製の本体１１へと伝わり、さらに液体流路５０を流れる液体に伝わる。液体流路５０内には、例えば水、不凍液などの液体が導入される。液体は、液体入口部２１から液体流路５０内に流入して、液体流路５０を流れる。
　液体流路５０を流れる液体は、発熱ユニット１０によって加熱された本体１１における液体流路５０と筒部１２との間の部分３３との熱交換により加熱され、液体出口部２２から温水として外部に流出する。
　液体流路５０及び筒部１２を有する本体１１は、例えば押し出し成形で形成された一体物である。したがって、内側内壁３１と液体流路５０との間には一体の金属が介在している。また、発熱ユニット１０は、筒部１２内で狭圧され、発熱ユニット１０は内側内壁３１に対して空気層を介在させずに密着している。そのため、発熱ユニット１０の熱を効率よく、液体流路５０を流れる液体に伝達することができる。
　ＰＴＣ素子１６は冷えれば冷えるほどエネルギーを放出するという特性を有する。そのため、より温度が低い液体が流れる液体流路５０側から効率的に発熱ユニット１０の熱が奪われ、結果として、筒部１２の外側内壁３２側から液体流路５０の反対側に逃げる熱量は抑えられる。
　また、本体１１において、液体流路５０と内側内壁３１との間の部分３３の体積は、外側内壁３２よりも外側の部分３４の体積よりも大きい。このため、図２において矢印Ａで表すように、本体１１において液体流路５０の反対側の部分３４に伝わった熱は、液体流路５０に向かう経路の断面積がより大きくされた部分３３を介して効率よく液体流路５０に伝わることができる。
　以上説明したＰＴＣ素子１６の特性、および本体１１の構造の工夫により、発熱ユニット１０が液体流路５０の外側に位置していても、発熱ユニット１０のエネルギーのほとんどは、内側の液体流路５０側に向かって伝達する。すなわち、液体流路５０の反対側に逃げる熱を抑えつつ、効率よく液体を加熱することができる。
　本発明者等は、実施形態の流体加熱ヒータ１を使って以下の実験を行った。
　発熱ユニット１０に電力を供給する前の初期状態において、流水の入口水温は９．０℃、環境温度は１８℃、流水量は１０リットル／分であった。
　そして、印加電圧を直流３５０Ｖ、電流値を９．２Ａ、電力量を３２２０Ｗとして、発熱ユニット１０に電力を供給した状態で、流水の出口水温は１３．６℃になった。
　熱量（Ｊ）＝４．２×水の質量（ｇ）×水の上昇温度（℃）であるため、熱量（Ｊ）は、４．２×１００００（ｇ）×４．６（℃）＝１９３２００（Ｊ）となる。　
　また、電力量（Ｊ）＝電力（Ｗ）×時間（秒）であるため、１９３２００（Ｊ）／６０秒（分）＝３２２０（Ｗ）となる。
　すなわち、３２２０Ｗの電気エネルギーを３２２０Ｗの熱量に変換できたことになり、効率は１００％となる。
　従来、発熱体を収容した金属から、液体などの媒体に熱を伝達するには、放熱板などを取り付けて、接触面積を大きくすることが行われていた。これに対して、本実施形態では、接触面積を大きく確保するのではなく、上記部分３３の体積を大きく確保することにより、発熱ユニット１０から発生した熱を効率的に液体に伝達することを実現した。
　液体が効率よく熱を奪うことで、１枚あたりのＰＴＣ素子１６の出力を極限まで取り出すことが可能となる。したがって、使用するＰＴＣ素子１６の数の低減を図れる。この結果、ヒータ全体の軽量化、省スペース化、低コスト化が可能となり、社会に大きく貢献できる。
　図２に示すように、液体加熱ヒータ１は、例えば金属製のケース６０内に収容される。あるいは、ケース６０は樹脂製であってもよい。
　液体加熱ヒータ１は、その両端部の封止体２３もしくは液体入口部２１及び液体出口部２２が、ケース６０の壁部に両持ち支持される。すなわち、液体加熱ヒータ１の両端部がケース６０に支えられて、本体１１はケース６０の内部空間に浮いた状態となっている。したがって、本体１１の外側表面は、ケーズ６０の内壁と接触せず、本体１１とケース６０の内壁との間には、隙間が存在する。
　このため、本体１１の熱がケース６０及びその外側に逃げにくい。また、本体１１がケース６０で覆われることで、加熱された本体１１の表面に人や物が触れてしまうことを防ぐことができ、安全性を高めることができる。
　本体１１とケース６０との間には、断熱層として、空気を介在させてもよいし、あるいは例えばフロンガスなどのより断熱性が高いガスを介在させてもよい。
　あるいは、図７に示すように、本体１１の外側表面を、例えばシリコーン系のスポンジ状の断熱材７０で覆ってもよい。この場合、ケース６０はなくてもよい。
　また、本実施形態では、ＰＴＣ素子１６及びＰＴＣ素子１６に接する電極板４１、４２は、封止体２３によって密閉される筒部１２内部に収容され、外部に露出していない。また、電極板４１、４２と筒部１２の内壁との間には絶縁シート２１が介在されているので、筒部１２は通電されない。高い熱交換効率を得つつ、なおかつ高い安全性及び信頼性が得られる。
　次に、図５は、実施形態の車載温水ヒータシステムを示す模式図である。
　図５は、前述した液体加熱ヒータ１を自動車等の車両に取り付けた具体例を表す。液体入口部２１及び液体出口部２２は、循環路６に接続される。
　循環路６は管路６ａ～６ｄを有する。管路６ａは、液体出口部２２とヒータコア２とを接続する。管路６ｂは、ヒータコア２と液圧ポンプ３とを接続する。管路６ｃは、液圧ポンプ３と三方弁４とを接続する。管路６ｄは、三方弁４と液体入口部２１とを接続する。
　また、循環路６及び液体加熱ヒータ１は、管路７ａ、７ｂを介してエンジン５とも接続されている。三方弁４が管路６ｃと管路７ａとの間を遮断し、管路６ｃと管路６ｄとの間を連通させた状態のとき、液圧ポンプ３が駆動されると、液体加熱ヒータ１内及び循環路６を、図５において白矢印で示す方向に液体が循環する。
　このとき、車両に搭載されたバッテリーから、液体加熱ヒータ１の発熱ユニット１０に電力を供給することで発熱ユニット１０が発熱し、液体流路５０内の液体が加熱される。この加熱により生成された温水は液体出口部２２及び管路６ａを通ってヒータコア２に供給される。
　ヒータコア２に供給された温水はヒータコア２に具備された管を流れる。ヒータコア２には送風装置８から気体（空気）が送風される。ヒータコア２の管を流れる温水の熱は、ヒータコア２に具備されたフィンなどの熱伝達面を介して、送風装置８から送風された気体に伝達される。これにより、車内に温風が送風される。このモードは、例えばエンジン５の始動時など、エンジン５の排熱を利用できない場合に選択される。
　エンジン５が始動後、三方弁４を切り替えて、管路６ｃと管路７ａとを連通させ、管路６ｃと管路６ｄとを遮断すれば、液体はエンジン５に供給されエンジン５の冷却水として機能する。このときの液体の流れを図５において黒矢印で表す。エンジン５を通過しエンジン５との熱交換により温められた温水は管路７ｂ、６ｄ、流入部５１、液体流路５０内、液体出口部２２および管路６ａを介してヒータコア２に供給される。したがって、このモードの場合には発熱ユニット１０を通電（発熱）させなくてもヒータコア２に温水を供給でき、送風装置８を駆動させることで、車内に温風を送ることができる。
　液体流路５０の内壁に凹凸を形成することで、その内壁と液体との接触面積を大きくして、熱交換効率をより高めることができる。
　例えば、図６（ａ）は、星形形状の凹凸を内壁に形成した液体流路５１を表す。また、図６（ｂ）は、波形形状の凹凸を内壁に形成した液体流路５２を表す。
　あるいは、図６（ｃ）に示すように、液体流路５３内に仕切り５４を設けて、液体との接触面積を増大させてもよい。また、仕切りは図６（ｃ）に示す形態に限らず、液体流路を例えば格子状に仕切るものであってもよい。
　また、筒部１２は、角筒状の扁平形状に限らず、楕円もしくは円形状であってもよい。ＰＴＣ素子１６と内側内壁３１との間の距離が短いほど、本体１１の部分３３への熱伝達効率を高くすることができる。
　実施形態の液体加熱ヒータ１は、車載以外の用途にも広く適用でき、いずれの用途にしても、小型、シンプル且つ低コストな構成にて、効率良く液体を加熱して、温水を生成できる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１…液体加熱ヒータ、１０…発熱ユニット、１１…本体、１２…筒部、１６…ＰＴＣ素子、１６ａ…電極面、２１…絶縁シート、３１…内側内壁、３２…外側内壁、４１…電極板、５０～５３…液体流路

Claims (3)

  1. 　金属製の本体であって、液体が流れる液体流路と、前記液体流路の外側に一体に設けられ、発熱ユニットが収容された筒部とを有する本体と、
    　前記筒部の端部を閉塞する封止体と、
    　を備え、
    　前記発熱ユニットは、
    　電極面を有するＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子と、
    　前記電極面に接着された電極板と、
    　前記電極板と、前記筒部の内壁との間に設けられ、前記電極板に重ね合わされた絶縁体と、
    　を有し、
    　前記発熱ユニットは前記筒部の内壁間に狭圧され、前記液体流路と前記発熱ユニットとの間に隙間がなく、前記本体の一部が一体に介在していることを特徴とする液体加熱ヒータ。
  2. 　前記ＰＴＣ素子は、前記電極面を前記液体流路側に向けていることを特徴とする請求項１記載の液体加熱ヒータ。
  3. 　前記筒部は、前記液体流路側に設けられた内側内壁と、前記内側内壁の反対側に設けられた外側内壁とを有し、
    　前記本体において、前記液体流路と前記内側内壁との間の部分の体積は、前記外側内壁よりも外側の部分の体積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の液体加熱ヒータ。
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