WO2013168735A1

WO2013168735A1 - 加熱装置

Info

Publication number: WO2013168735A1
Application number: PCT/JP2013/062922
Authority: WO
Inventors: 好信前村
Original assignee: サンデン株式会社
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-11-14
Also published as: CN104303592A; DE112013002422T5; JP2013235760A; US20150131980A1; CN104303592B; JP6029851B2

Abstract

　通電により発熱する発熱部（６）を有するヒータ（２）と、発熱部が収容され、該発熱部との間に熱媒体の流路（１８）を形成する筐体（４）と、流路にて熱媒体の温度を検出する温度検出手段（２６）と、温度検出手段にて検出された熱媒体の温度に応じてヒータへの通電を遮断する通電遮断手段とを備え、温度検出手段は発熱部に押圧接触されている。

Description

加熱装置

　本発明は加熱装置に関し、特にヒータの発熱部との間に熱媒体の流路を形成する筐体を備えた加熱装置に関する。

　この種の加熱装置には、通電により発熱する発熱部を有するヒータと、この発熱部が収容され、該発熱部との間に熱媒体の流路を形成する筐体と、この流路にて熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、この検出された熱媒体の温度に応じてヒータへの通電を遮断する通電遮断手段とを備えたものが知られている。

　そして、特許文献１には、サーモスタットや温度ヒューズを発熱部の発熱面と同一面上の筐体外の部位に設けることにより、温度ヒューズの誤作動を防止しながら、流路に熱媒体が存在しない場合に発生する空焚きを防止した加熱装置が開示されている。
　また、特許文献２には、温度ヒューズを通電端子に設けることにより、通電端子を介して伝達される発熱部の熱によって、流路における熱媒体の液位に関係なくヒータへの通電を遮断し、空焚きを防止する加熱装置が開示されている。

　また、特許文献３では、筐体の内側に凸となる凸部を設け、この筐体の凸部を介して温度ヒューズを発熱部と接触させることで空焚きを防止した加熱装置が開示されている。

特許第４５６１３１９号公報特許第４２９３０９１号公報特許第３３９５５７１号公報

　しかしながら、上記特許文献１～３では、何れも筐体外に位置するヒータの非発熱部に温度検出手段を接触させ、非発熱部を介して伝達された熱に基づいてヒータへの通電を遮断するため、通電遮断手段の応答性が悪化し、ヒータを迅速に停止することができず、また、空焚き検知の精度が低下し、ひいては加熱装置の発煙発火に至るおそれがある。
　また、ヒータ、筐体、及び温度検出手段がそれぞれ異なる材質で形成されている場合、加熱装置が使用される温度環境によっては、これら異なる材質の線膨張係数及び線収縮係数の相違によって、特に温度検出手段が筐体側にねじ等で締結されている場合には、温度検出手段による温度測定点が移動してずれ、通電遮断手段の応答性悪化、ひいては空焚き検知精度低下を更に助長するおそれがある。

　本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、熱媒体の温度を検出しながら空焚きを高精度に検出し、応答性に優れた通電遮断を行うことができ、発煙発火を確実に防止することにより信頼性を高めた加熱装置を提供することにある。

　上記の目的を達成するため、本発明の加熱装置は、通電により発熱する発熱部を有するヒータと、前記発熱部が収容され、該発熱部との間に熱媒体の流路を形成する筐体と、前記流路にて前記熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段にて検出された前記熱媒体の温度に応じて前記ヒータへの通電を遮断する通電遮断手段とを備え、前記温度検出手段は前記発熱部に弾性部材により押圧接触されている。

　好ましくは、前記弾性部材は、前記発熱部に対する前記温度検出手段の押圧方向に平行に作用する前記発熱部、前記温度検出手段、及び前記筐体のそれぞれの線膨張及び線収縮に抗して前記温度検出手段を前記発熱部に押圧可能な大きさの弾性力を有する。
　好ましくは、前記温度検出手段は前記筐体にシール部材を介して接続され、前記弾性部材は、前記発熱部に対する前記温度検出手段の押圧方向に平行に作用する前記シール部材の摩擦力に抗して前記温度検出手段を前記発熱部に押圧可能な大きさの弾性力を有する。

　好ましくは、前記弾性部材は、前記発熱部に対する前記温度検出手段の押圧方向に平行に作用する前記流路の内圧に抗して前記温度検出手段を前記発熱部に押圧可能な大きさの弾性力を有する。
　好ましくは、前記筐体は前記弾性部材と断熱部材を介して接触されている。

　本発明によれば、熱媒体の流路にて熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段にて検出された熱媒体の温度に応じてヒータへの通電を遮断する通電遮断手段とを備え、前記温度検出手段がヒータの発熱部に押圧接触されていることにより、熱媒体の温度を検出しながら空焚きを高精度に且つ確実に検出し、応答性に優れた通電遮断を行うことができ、発煙発火を確実に防止することができるため、信頼性の高い加熱装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る加熱装置の縦断面図である。図１の加熱装置をＡ－Ａ方向から見た要部断面図である。本発明の変形例に係る加熱装置の縦断面図である。図３の加熱装置を図３のＢ－Ｂ方向から見た要部断面図である。

　以下、図面に基づいて本発明の加熱装置に係る一実施形態について説明する。
　図１に概略的に示されるように、加熱装置１はヒータ２、及びヒータ２が収容されるケース（筐体）４を備えている。
　図２に概略的に示されるように、ヒータ２は、通電により発熱する電熱線ヒータであり、有底円筒状の例えばステンレス鋼製の金属パイプ（発熱部）６内にニクロム線などのコイル状の電熱線８を挿入し、金属パイプ６内に高い電気絶縁性及び熱伝導性を有する酸化マグネシウムなどの耐熱絶縁材１０を加圧充填して電熱線８を封入することで形成されている。

　金属パイプ６の一端開口部には、シリコンやガラスなどを鋳込みモールド成形した端子部１２が設けられ、端子部１２からは電熱線８に接続されたリード線１４が引き出されている。リード線１４は外部の図示しない電源装置に電気的に接続され、電熱線８に通電するための図示しない通電回路を構成している。なお、図１ではヒータ２は１本しか示されていないが、ヒータ２を複数本設けても良い。

　一方、ケース４は、１又は複数の例えばアルミニウム合金の鋳造体から構成され、ケース４内には金属パイプ６の両端近傍を環状のＯリング１６を介して気密に囲繞することでヒータ２が収容されている。ケース４の内面４ａと金属パイプ６の外周面６ａとの間にはクリアランスが確保され、このクリアランスはエチレングリコールなどのＬＬＣ（冷却水、不凍液）としての熱媒体が流れる流路１８として使用される。また、ケース４の外面４ｂの適宜位置には、熱媒体の入口パイプ２０と出口パイプ２２とが流路に連通するように突設されている。

　このように概略構成される加熱装置１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に搭載され、ハイブリッド自動車の場合には、エンジンの不足する廃熱を補うようにして熱供給する補助熱源として、電気自動車の場合には、存在しないエンジンに代わって熱供給する代替熱源として、車両用空調装置の冷凍回路を循環する冷媒などの加熱に用いられる。

　例えばハイブリッド自動車の場合には、エンジン冷却用の図示しない冷却水回路を循環するＬＬＣが流路１８に入口パイプ２０を介して流入され、ヒータ２により加熱される。エンジン及び加熱装置１で加熱されたＬＬＣの熱は、車両用空調装置に設けられた冷凍回路を循環する冷媒の加熱に用いられ、この加熱された冷媒によって車室内空気の冷暖房が行われる。冷媒の加熱に供したＬＬＣは、流路１８から出口パイプ２２を介して流出されて冷却水回路に戻され、エンジンを再び冷却する。

　ここで、本実施形態では、ケース４のヒータ２の長手方向と垂直方向に貫通孔２４が穿孔され、貫通孔２４には流路１８を流れるＬＬＣの温度を検出する温度センサ（温度検出手段）２６が挿入されている。温度センサ２６は、例えば真鍮材で被われた略円柱形状の外観を有するサーミスタであって、その温度測定端部２８が先端面３０においてヒータ２の金属パイプ６の外周面６ａに接触されている。これより温度センサ２６はＬＬＣの温度のみならずヒータ２の発熱部である金属パイプ６の表面温度をも検出可能である。

　また、温度センサ２６の側面２６ａには環状溝３２が形成され、環状溝３２にはＯリング（シール部材）３４が装着されており、温度センサ２６は各Ｏリング３４を介して貫通孔２４に気密に接続固定されている。
　また、本実施形態では、温度センサ２６を金属パイプ６に押圧付勢するための押圧機構３９を備えている。

　詳しくは、温度センサ２６の側面２６ａには貫通孔２４よりも大径となる環状のフランジ部４０が形成され、フランジ部４０は貫通孔２４においてケース４の外側に位置づけられている。一方、ケース４の外面４ｂにおける貫通孔２４の開口縁には、温度センサ２６を固定するための環状の固定部４２が突設され、固定部４２の内周面４２ａには環状のスナップリング４４が嵌め込まれている。スナップリング４４のリング孔４４ａからは温度センサ２６の外端部３６が非接触状態で突出され、温度センサ２６は貫通孔２４の孔方向において移動が許容されている。

　更に、スナップリング４４とフランジ部４０とには、これらの互いの対向面にばね（弾性部材）４６が係止され、ばね４６は、フランジ部４０の外端部３６側において温度センサ２６の側面２６ａに巻回装着されている。
　ばね４６は所定の弾性係数Ｇを有する例えばばね鋼材から形成され、図２においては、ばね４６は自然長からスナップリング４４とフランジ部４０との間の距離Ｌに縮められた状態となっており、フランジ部４０にはばね４６の伸縮方向に弾性係数Ｇ及び距離Ｌに基づく所定の弾性力Ｆが作用している。この状態においてフランジ部４０はケース４の外面４ｂからＬ１の距離だけ離間しており、温度センサ２６はその先端面３０が金属パイプ６の外周面６ａに図２に示される矢印方向に弾性力Ｆで押圧付勢されている。

　上述したように、金属パイプ６はステンレス鋼製、温度センサ２６は真鍮製、ケース４はアルミニウム合金製であり、これら各部材は、曝される温度環境下によってそれぞれ異なる線膨張及び線収縮の特性を有している。しかし、ばね４６の材質の選定により弾性係数Ｇを予め設定し、更にケース４の構造において上述したスナップリング４４とフランジ部４０との距離Ｌを予め設定することにより、ばね４６は、金属パイプ６に対する温度センサ２６の押圧方向に平行に作用する金属パイプ６、温度センサ２６、ケース４の線膨張及び線収縮による力Ｆ１に抗する弾性力Ｆを備えるべく予め調整されている。

　また、温度センサ２６は、金属パイプ６に弾性力Ｆで押圧付勢されるに際し、ケース４の外面４ｂとフランジ部４０とが上述した距離Ｌ１を有して離間していることにより、温度センサ２６の移動がその押圧方向に平行に許容されている。しかし、温度センサ２６に装着されたＯリング３４が貫通孔２４に密着することで流路１８の気密性が保持されているため、ばね４６の材質の選定により弾性係数Ｇを予め設定し、更にケース４の構造において距離Ｌを予め設定することにより、ばね４６は、金属パイプ６に対する温度センサ２６の押圧方向に平行に作用するＯリング３４の貫通孔２４に対する摩擦力Ｆ２に抗して温度センサ２６を金属パイプ６に押圧する弾性力Ｆを備えるべく予め調整されている。

　また、流路１８にはＬＬＣを含む熱媒体の内圧Ｐが作用しているため、ばね４６の材質の選定により弾性係数Ｇを予め設定し、更にケース４の構造において距離Ｌを予め設定することにより、ばね４６は、金属パイプ６に対する温度センサ２６の押圧方向に平行に作用する流路１８の内圧Ｐに抗して温度センサ２６を金属パイプ６に押圧する弾性力Ｆを備えるべく予め調整されている。

　このような弾性力Ｆで金属パイプ６に押圧される温度センサ２６は、その外端部３６から引き出されたリード線３８によって図示しないインバータに電気的に接続され、インバータは、上述した電源装置及び通電回路を介し、温度センサ２６にて検出されるＬＬＣの温度及び／又は金属パイプ６の表面温度に応じて、ヒータ２への通電をオンオフする通電制御を行う（通電遮断手段）。

　この通電制御では、流路１８にＬＬＣが存在する場合、温度センサ２６によってＬＬＣの温度が適正範囲に制御されるため、ヒータ２が異常に温度上昇することはない。
　一方、従来において、冷却水回路へのＬＬＣの未供給状態や冷却水回路からのＬＬＣの漏洩等の理由により、流路１８にＬＬＣが存在しないか或いは非常に少ない場合、ヒータ２からの熱を伝達する熱媒体が存在しない、或いは熱媒体が少量の状態となるため、加熱装置１が空焚き状態となってヒータ２自体の温度が異常上昇してしまうという不具合が生じ得る。このような空焚き状態が生じても、温度センサ２６が金属パイプ６に非接触であってＬＬＣの温度のみを検出する位置に配置されている従来の場合には、温度センサ２６の周囲に存在する空気による断熱効果によって温度センサ２６の応答性が悪化し、空焚き検知が遅延した結果、流路１８内の温度が上昇し続け、ひいては加熱装置１の発煙発火に至るおそれがある。

　これに対し本実施形態では、温度センサ２６をヒータ２の発熱部である金属パイプ６の外周面６ａに直接に押圧接触させ、且つＬＬＣが流れる流路１８に配置することにより、液体であるＬＬＣと空気である気体との伝熱性の差異に着目し、流路１８にＬＬＣが存在するときにはＬＬＣの温度が支配的になる一方、流路１８にＬＬＣが存在しない、或いは少量であるときにはヒータ２自体の温度が支配的になることを利用した通電制御が行われる。

　以上のように本実施形態では、流路１８にＬＬＣが存在するときには加熱装置１を保護停止せずに通常の通電制御を行うことができる一方、流路１８にＬＬＣが存在しない、或いは少量であるときには、温度センサ２６が金属パイプ６にばね４６による弾性力Ｆで押圧付勢されていることにより、温度センサ２６を金属パイプ６に常時接触させた状態で確実に空焚きを検知し、異常処理を行うことで加熱装置１を迅速且つ確実に保護停止することができる。従って、温度センサ２６による通常の通電制御を行いながら、空焚きを高精度且つ迅速に検知し、発煙発火を確実に防止することにより信頼性を高めた加熱装置１を提供することができる。

　特に、ばね４６による弾性力Ｆが金属パイプ６に対する温度センサ２６の押圧方向に平行に作用する金属パイプ６、温度センサ２６、ケース４の線膨張及び線収縮による力Ｆ１に抗する荷重に予め設定されることにより、金属パイプ６、温度センサ２６、ケース４が異なる材質で形成され、加熱装置１が過酷な温度環境下で使用され、熱膨張や熱収縮の影響を受けたとしても、温度測定端部２８の先端面３０を金属パイプ６の外周面６ａに常時接触させ、空焚きを高精度且つ迅速に検知し、発煙発火を確実に防止することができる。

　また、ばね４６による弾性力Ｆは、貫通孔２４に対するＯリング３４の摩擦力Ｆ２、及び流路１８の内圧Ｐに抗する荷重に設定されるため、弾性力Ｆによる温度センサ２６の移動がこれら摩擦力Ｆ２及び内圧Ｐに阻害されることなく温度測定端部２８の先端面３０を金属パイプ６の外周面６ａに確実に接触させることができる。
　本発明は、上記実施形態の加熱装置１に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。

　例えば、温度センサ２６の押圧機構３９は上記実施形態に限らず、図３及び図４に示される押圧機構４８であっても良い。
　具体的には、温度センサ２６のフランジ部４０を貫通孔２４の孔径よりも小さくして貫通孔２４に位置付け、更に、固定部４２及びスナップリング４４の代わりにケース４の外面４ｂにねじ５０で締結される蓋部材５２を設け、フランジ部４０と蓋部材５２とでばね４６を係止するとしても良い。この場合には、温度センサ２６の押圧機構３９における上述した距離Ｌ１を確保するという構造上の制約が排除されるため、より簡素化した押圧機構４８を提供可能であり、加熱装置１の生産性を高めることができる。

　また、図３及び図４に示されるように、蓋部材５２とばね４６との間に環状の断熱部材５４を設け、ばね４６が断熱部材５４を介して蓋部材５２の裏面５２ａに当接されるようにしても良い。この場合には、温度センサ２６に接触されるばね４６から蓋部材５２を介して流路１８内の熱が放熱されるのを抑制可能であり、加熱装置１の熱効率を高めることができる。なお、この断熱部材５４を有する構成は図１及び図２に示される押圧機構３９にも適用可能である。

　また、上記実施形態及び変形例では、押圧機構３９，４８において弾性力Ｆを発生させる弾性部材としてばね４６を用いたが、これに限定されない。具体的には、弾性力Ｆを発生可能であればカップ状の皿ばねであってもよいし、ゴム等の弾性体であっても良い。
　また、上記実施形態及び変形例では、金属パイプ６はステンレス鋼製、温度センサ２６は真鍮製、ケース４はアルミニウム合金製としたが、これらの材質に限定されないし、これらのうちの何れかの部材が同じ材質であっても良い。この場合であっても、弾性力Ｆを予め設定した弾性部材を用いることにより、弾性力Ｆによる温度センサ２６の移動が線膨張及び線収縮による力Ｆ１、摩擦力Ｆ２、内圧Ｐに阻害されることなく温度測定端部２８の先端面３０を金属パイプ６の外周面６ａに確実に接触させることができる。

　更には、金属パイプ６、温度センサ２６、ケース４を含む押圧機構３９，４８、ひいては加熱装置１の構成部品の寸法公差及び組立公差を吸収可能な弾性力Ｆを設定することにより、これら寸法公差及び組立公差を厳密に管理しなくとも、温度測定端部２８の先端面３０を金属パイプ６の外周面６ａに確実に接触可能である。
　また、上記実施形態では、温度センサ２６を温度検出手段とし、通電制御を行うインバータを通電遮断手段としているが、温度検出手段及び通電遮断手段を一体に備えた温度ヒューズなどを金属パイプ６に押圧接触させても良い。

　また、本発明の加熱装置１は、ハイブリッド自動車や電気自動車の車両用空調装置に組み込むのみならず、他の用途の熱源としても利用可能であるのは勿論である。

　　１　　加熱装置
　　２　　ヒータ
　　４　　ケース（筐体）
　　６　　金属パイプ（発熱部）
　１８　　流路
　２６　　温度センサ（温度検出手段）
　３４　　Ｏリング（シール部材）
　４６　　ばね（弾性部材）
　５４　　断熱部材

Claims

　通電により発熱する発熱部を有するヒータと、
　前記発熱部が収容され、該発熱部との間に熱媒体の流路を形成する筐体と、
　前記流路にて前記熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、
　前記温度検出手段にて検出された前記熱媒体の温度に応じて前記ヒータへの通電を遮断する通電遮断手段と
を備え、
　前記温度検出手段は前記発熱部に弾性部材により押圧接触されていることを特徴とする加熱装置。
　前記弾性部材は、前記発熱部に対する前記温度検出手段の押圧方向に平行に作用する前記発熱部、前記温度検出手段、及び前記筐体のそれぞれの線膨張及び線収縮に抗して前記温度検出手段を前記発熱部に押圧可能な大きさの弾性力を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
　前記温度検出手段は前記筐体にシール部材を介して接続され、
　前記弾性部材は、前記発熱部に対する前記温度検出手段の押圧方向に平行に作用する前記シール部材の摩擦力に抗して前記温度検出手段を前記発熱部に押圧可能な大きさの弾性力を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱装置。
　前記弾性部材は、前記発熱部に対する前記温度検出手段の押圧方向に平行に作用する前記流路の内圧に抗して前記温度検出手段を前記発熱部に押圧可能な大きさの弾性力を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の加熱装置。
　前記筐体は前記弾性部材と断熱部材を介して接触されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の加熱装置。