(57)【要約】【課題】電子部品を冷却することができるとともに、小型化の可能な電気ヒータ装置を提供する。【解決手段】電気ヒータ装置１０は、熱交換部２０と、発熱素子３０と、ケース４０と、押し付け部材５０とを備える。熱交換部２０は、内部に水の流れる複数の配管２１が所定の隙間を有して積層された構造を有する。発熱素子３０は、複数の配管２１の間に配置されている。ケース４０には、複数の配管２１の積層方向において熱交換部２０の一端面に接触する接触部４４が形成されている。押し付け部材５０は、熱交換部２０を接触部４４に押し付けている。接触部４４には、スイッチング素子８１及び温度センサ８２，８３が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に水の流れる複数の配管（２１）が所定の隙間を有して積層された構造を有する熱交換部（２０）と、
前記複数の配管の間に配置され、電力の供給に基づき発熱する発熱素子（３０）と、
前記熱交換部及び前記発熱素子を内部に収容するとともに、複数の前記配管の積層方向において前記熱交換部の一端面に接触する接触部（４４）が形成されるケース（４０）と、
前記熱交換部を前記接触部に押し付ける押し付け部材（５０）と、
前記接触部に設けられる電子部品（８１，８２，８３）と、
を備える電気ヒータ装置。
【請求項２】
前記電子部品は、
前記接触部に複数設けられ、
前記接触部には、
複数の前記電子部品のそれぞれが設けられている部分の間にスリット（１００，１０１，１０２）が形成されている
請求項１に記載の電気ヒータ装置。
【請求項３】
前記電子部品には、
前記発熱素子の駆動回路を構成するスイッチング素子（８１）が含まれている
請求項１又は２に記載の電気ヒータ装置。
【請求項４】
前記電子部品には、
温度センサ（８２，８３）が含まれている
請求項１又は２に記載の電気ヒータ装置。
【請求項５】
前記接触部において前記熱交換部が接触する部位のうち、前記熱交換部における水の流れ方向の最も上流側の部分が接触する部位を第１接触部位（Ｐ１）とし、前記熱交換部における水の流れ方向の最も下流側の部分が接触する部位を第２接触部位（Ｐ２）とするとき、
前記温度センサは、
前記接触部における前記第１接触部位に近接した部分に設けられる第１温度センサ（８２）と、
前記接触部における前記第２接触部位に近接した部分に設けられる第２温度センサ（８３）と、からなる
請求項４に記載の電気ヒータ装置。
【請求項６】
前記接触部は、
前記熱交換部と接触する部分に熱伝導性部材（９０）を有している
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気ヒータ装置。
【請求項７】
前記接触部は、
前記電子部品が設けられる部分に熱伝導性部材（９１）を有している
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気ヒータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電気ヒータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載の電力変換装置がある。特許文献１に記載の電力変換装置は、半導体積層ユニットと、加圧部材とを備えている。半導体積層ユニットは、半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却する冷却管とが交互に積層されることにより構成されている。加圧部材は、半導体積層ユニットを積層方向に加圧している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１６６８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の電力変換装置の構造は、発熱素子により水を加熱する電気ヒータ装置に適用することが可能である。具体的には、特許文献１に記載の電力変換装置において半導体モジュールに代えて発熱素子を用いれば、冷却管の内部を流れる水を加熱する電気ヒータ装置を実現することができる。
【０００５】
ところで、このような電気ヒータ装置では、発熱素子を駆動させるための駆動回路等の電子部品が必要となる。また、電子部品が発熱する場合には、その冷却構造も必要となる。このような冷却構造としては、例えば所定の隙間を有して積層配置される冷却管を追加した上で、追加された冷却管の間に電子部品を配置する構造を採用することが考えられる。しかしながら、このような冷却構造を採用した場合、冷却管の数が増加することになるため、電気ヒータ装置の大型化が避けられないものとなる。
【０００６】
本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子部品を冷却することができるとともに、小型化の可能な電気ヒータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する電気ヒータ装置（１０）は、熱交換部（２０）と、発熱素子（３０）と、ケース（４０）と、押し付け部材（５０）と、電子部品（８１，８２，８３）と、を備える。熱交換部は、内部に水の流れる複数の配管（２１）が所定の隙間を有して積層された構造を有する。発熱素子は、複数の配管の間に配置され、電力の供給に基づき発熱する。ケースには、熱交換部及び発熱素子を内部に収容するとともに、複数の配管の積層方向において熱交換部の一端面に接触する接触部（４４）が形成されている。押し付け部材は、熱交換部を接触部に押し付けている。電子部品は、接触部に設けられる。
【０００８】
この構成によれば、電子部品から発せられる熱が接触部に伝達される。接触部には熱交換部が接触しているため、接触部の熱は、熱交換部の配管を流れる水に吸収される。結果的に、電子部品から発せられる熱が、配管を流れる水に吸収されることになるため、電子部品を冷却することができる。また、積層配置された配管の間に電子部品を設けることにより電子部品の冷却を行う構造を採用する場合と比較すると、電子部品の冷却のために積層配置される別途の配管２１が不要であるため、電気ヒータ装置を小型化することができる。
【０００９】
なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、電子部品を冷却することができるとともに、小型化の可能な電気ヒータ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態の電気ヒータ装置の平面構造を示す平面図である。
【図２】図２は、第１実施形態の電気ヒータ装置の平面構造を示す平面図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った部分断面構造を示す断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態の制御装置により実行される処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態の変形例の電気ヒータ装置の平面構造を示す平面図である。
【図６】図６は、第２実施形態の電気ヒータ装置の平面構造を示す平面図である。
【図７】図７は、他の実施形態の電気ヒータ装置の平面構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、電気ヒータ装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態＞
図１に示される本実施形態の電気ヒータ装置１０は、例えば車両用空調装置においてヒータコアを循環する循環水を電気的に加熱することによりヒータコアの温度を上昇させるための装置として用いられる。ヒータコアの温度を上昇させることにより、車室内に吹き出される空気の温度を上昇させることができるため、車室内の暖房が可能となる。図１に示されるように、電気ヒータ装置１０は、熱交換部２０と、複数の発熱素子３０と、ケース４０と、押し付け部材５０とを備えている。
【００１３】
熱交換部２０は、内部に水の流れる複数の扁平状の配管２１がＹ方向に所定の隙間を有して積層配置された構造を有している。以下では、Ｙ方向を「配管積層方向」とも称する。
各配管２１の長手方向の一端部における配管積層方向Ｙの両側面には、筒状の連結部２２ａ，２２ｂがそれぞれ形成されている。隣り合う配管２１，２１のそれぞれの連結部２２ａ，２２ｂが互いに連結されることにより、各配管２１の一端部が連通されている。また、各配管２１の長手方向の他端部における配管積層方向Ｙの両側面には、筒状の連結部２３ａ，２３ｂがそれぞれ形成されている。隣り合う配管２１，２１のそれぞれの連結部２３ａ，２３ｂが互いに連結されることにより、各配管２１の他端部が連通されている。
【００１４】
なお、配管積層方向Ｙの一端部に配置される配管２１ａには、連結部２２ａに代えて流入管７０が接続されるとともに、連結部２３ａに代えて排出管７１が接続されている。また、配管積層方向Ｙの他端部に配置される配管２１ｂには、連結部２２ｂ，２３ｂが形成されておらず、それらに対応する部分が閉塞されている。
【００１５】
熱交換部２０では、流入管７０に流入する水が各配管２１の連結部２２ａ，２２ｂを通じて各配管２１の内部に分配される。よって、熱交換部２０では、図中に矢印Ｗで示される方向に水が流れる。各配管２１を流れた水は各配管の連結部２３ａ，２３ｂにおいて集められた後、排出管７１から排出される。
【００１６】
発熱素子３０は、複数の配管２１，２１の間に配置されている。発熱素子３０は、電力の供給に基づき発熱する。発熱素子３０と熱交換部２０との間で熱交換が行われることにより、熱交換部２０の内部を流れる水が加熱される。
ケース４０は、四角箱状に形成されており、その内部に熱交換部２０及び発熱素子３０が収容されている。ケース４０は、アルミニウム等の高い熱伝導性を有する金属材料により形成されている。ケース４０の側壁４１には、流入管７０が挿入される貫通孔４２と、排出管７１が挿入される貫通孔４３とが形成されている。流入管７０及び排出管７１は、これらの貫通孔４２，４３を通じてケース４０の内部から外部に延びている。
【００１７】
ケース４０には、熱交換部２０の配管２１ａに接触する接触部４４が形成されている。すなわち、接触部４４は、配管積層方向Ｙにおいて熱交換部２０の一端面に接触している。接触部４４は、ケース４０の側壁４１における貫通孔４２と貫通孔４３との間に相当する部分からケース４０の内部に向かって突出するように形成された厚肉部からなる。接触部４４は、ダイカスト成形等によりケース４０に一体的に形成されている。接触部４４には、押し付け部材５０により熱交換部２０が押し付けられている。
【００１８】
具体的には、押し付け部材５０は、ばね部材５１と、プレート部材５２とにより構成されている。プレート部材５２は、熱交換部２０の配管２１ｂに面接触している。ばね部材５１は、円弧状に湾曲した形状からなる板ばねからなる。ばね部材５１の中央部はプレート部材５２に接触している。ばね部材５１の両端部は、ケース４０に一体的に形成された円柱状の固定ピン４５ａ，４５ｂにより支持されている。ばね部材５１は、固定ピン４５ａ，４５ｂとプレート部材５２との間に圧縮された状態で挿入されている。よって、熱交換部２０は、ばね部材５１からプレート部材５２を介して加わる弾性力により接触部４４に押し付けられている。これにより、配管２１と発熱素子３０との密着性が高められるため、それらの間の熱伝導性を高めることができる。
【００１９】
なお、図１では、接触部４４において熱交換部２０が接触する部位のうち、熱交換部２０における水の流れ方向Ｗの最も上流側の部分が接触する部位が第１接触部位Ｐ１として、また熱交換部２０における水の流れ方向Ｗの最も下流側の部分が接触する部位が第２接触部位Ｐ２として図示されている。
【００２０】
ケース４０の四隅には、雌ねじ穴が形成された雌ねじ部４６が形成されている。雌ねじ部４６には、図示しない上蓋をケース４０に組み付けるためのボルトがねじ込まれる。ケース４０に上蓋が組み付けられることにより、ケース４０の開口部分が閉塞される。
また、ケース４０の内部には、雌ねじ穴が形成された円柱状の雌ねじ部４７が複数形成されている。雌ねじ部４７には、図２に示される基板８０をケース４０に組み付けるためのボルト４８がねじ込まれる。これにより、基板８０は、熱交換部２０の全体及び接触部４４の一部と対向するように配置される。
【００２１】
基板８０には、発熱素子３０が実装されている。また、基板８０には、発熱素子３０を駆動させるための駆動回路や、電気ヒータ装置１０の各種状態量を検出するためのセンサ素子、発熱素子３０を制御する制御装置等の電子部品が実装されている。図２では、これらの電子部品のうち、駆動回路を構成するスイッチング素子８１、温度センサ８２，８３、及び制御装置８４が図示されている。スイッチング素子８１は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等からなる。駆動回路では、スイッチング素子８１のオン／オフの切り替えにより、発熱素子３０への電力の供給及び停止を切り替えることが可能となっている。
【００２２】
図３に示されるように、スイッチング素子８１及び温度センサ８２，８３は、熱伝導性部材９０を介して接触部４４と熱的に接合されている。熱伝導性部材９０は、例えば熱伝導性シートからなる。図１に示されるように、第１温度センサ８２は、接触部４４における第１接触部位Ｐ１に近接した部分に設けられている。また、第２温度センサ８３は、接触部４４における第２接触部位Ｐ２に近接した部分に設けられている。このような構造により、スイッチング素子８１を冷却することができるとともに、熱交換部２０を流れる水の温度を温度センサ８２，８３により検出することができる。
【００２３】
具体的には、スイッチング素子８１から発せられる熱は熱伝導性部材９０を通じて接触部４４に伝達される。接触部４４には、熱交換部２０の配管２１ａが接触しているため、接触部４４の熱は、熱交換部２０の配管２１ａを流れる水に吸収される。結果的に、スイッチング素子８１から発せられる熱が、配管２１ａを流れる水に吸収されることになるため、スイッチング素子８１を冷却することができる。
【００２４】
一方、第１温度センサ８２は、接触部４４における第１接触部位Ｐ１に近接した部分に設けられているため、第１接触部位Ｐ１の温度、あるいはそれと略同等の温度を検出することができる。第１接触部位Ｐ１は、接触部４４において熱交換部２０が接触する部位のうち、熱交換部２０における水の流れ方向Ｗの最も上流側の部分が接触する部位である。よって、第１温度センサ８２は、熱交換部２０に流入する水の温度である流入水温Ｔ１を検出することが可能である。
【００２５】
また、第２温度センサ８３は、接触部４４における第２接触部位Ｐ２に近接した部分に設けられているため、第２接触部位Ｐ２の温度、あるいはそれと略同等の温度を検出することができる。第２接触部位Ｐ２は、接触部４４において熱交換部２０が接触する部位のうち、熱交換部２０における水の流れ方向Ｗの最も下流側の部分が接触する部位である。よって、第２温度センサ８３は、熱交換部２０から流出する水の温度である流出水温Ｔ２を検出することが可能である。
【００２６】
次に、電気ヒータ装置１０の動作例について説明する。
制御装置８４は、図４に示される処理を所定の周期で繰り返し実行する。図４に示されるように、制御装置８４は、まず、ステップＳ１０の処理として、上位ＥＣＵから送信される目標水温Ｔ＊の情報を取得するとともに、ステップＳ１１の処理として、温度センサ８２，８３の出力信号に基づいて流入水温Ｔ１及び流出水温Ｔ２の情報を取得する。そして、制御装置８４は、ステップＳ１１の処理に続いて、ステップＳ１２の処理として、流入水温Ｔ１が保護水温Ｔｔｈ未満であるか否かを判断する。保護水温Ｔｔｈは、水が沸騰する可能性があるか否かを判定することができるように予め実験等により定められており、制御装置８４の記憶装置に記憶されている。
【００２７】
制御装置８４は、ステップＳ１２の処理で否定判断した場合には、すなわち流入水温Ｔ１が保護水温Ｔｔｈ以上である場合には、ステップＳ１５の処理として、水の沸騰を回避するための保護処理を実行する。保護処理としては、例えばスイッチング素子８１をオフさせて発熱素子３０への電力の供給を遮断することにより発熱素子３０を停止させる処理が行われる
制御装置８４は、ステップＳ１２の処理で肯定判断した場合には、すなわち流入水温Ｔ１が保護水温Ｔｔｈ未満である場合には、ステップＳ１３の処理として、流出水温Ｔ２が目標水温Ｔ＊未満であるか否かを判断する。制御装置８４は、ステップＳ１３の処理で肯定判断した場合には、すなわち流出水温Ｔ２が目標水温Ｔ＊未満である場合には、ステップＳ１４の処理として、発熱素子３０を駆動させる。具体的には、制御装置８４は、目標水温Ｔ＊と流出水温Ｔ２との偏差に基づきデューティ比を演算するとともに、演算されたデューティ比に基づいてスイッチング素子８１のオン／オフを制御することにより、発熱素子３０を駆動させる。
【００２８】
制御装置８４は、ステップＳ１４の処理を実行した後、一連の処理を一旦終了する。また、制御装置８４は、ステップＳ１３の処理で否定判断した場合にも、すなわち流出水温Ｔ２が目標水温Ｔ＊以上である場合にも、一連の処理を一旦終了する。
以上説明した本実施形態の電気ヒータ装置１０によれば、以下の（１）〜（３）に示される作用及び効果を得ることができる。
【００２９】
（１）電気ヒータ装置１０では、接触部４４にスイッチング素子８１が設けられている。これにより、スイッチング素子８１から発せられる熱が接触部４４を介して配管２１ａ内の水に吸収されるため、スイッチング素子８１を冷却することができる。また、積層配置された配管２１の間にスイッチング素子８１を設けることによりスイッチング素子８１の冷却を行う構造を採用する場合と比較すると、スイッチング素子８１の冷却のために積層配置される別途の配管２１が不要であるため、電気ヒータ装置１０を小型化することができる。
【００３０】
（２）電気ヒータ装置１０では、接触部４４に温度センサ８２，８３が設けられている。具体的には、第１温度センサ８２は、接触部４４における第１接触部位Ｐ１に近接した部分に設けられている。また、第２温度センサ８３は、接触部４４における第２接触部位Ｐ２に近接した部分に設けられている。これにより、熱交換部２０に流入する水の温度を第１温度センサ８２により検出することができるとともに、熱交換部２０から流出する水の温度を第２温度センサ８３により検出することができる。
【００３１】
（３）接触部４４は、スイッチング素子８１及び温度センサ８２，８３が設けられる部分に熱伝導性部材９０を有している。これにより、接触部４４とスイッチング素子８１との間の熱伝導性、並びに接触部４４と温度センサ８２，８３との間の熱伝導性を高めることができるため、スイッチング素子８１を冷却させ易くなるとともに、温度センサ８２，８３による温度の検出精度を高めることができる。
【００３２】
（変形例）
次に、第１実施形態の電気ヒータ装置１０の変形例について説明する。
図５に示されるように、接触部４４は、熱交換部２０の配管２１ａと接触する部分に熱伝導性部材９１を有している。熱伝導性部材９１は、例えば熱伝導性シートからなる。このような構成によれば、熱交換部２０の配管２１ａと接触部４４との間の熱伝導性を高めることができるため、スイッチング素子８１を更に冷却させ易くなるとともに、温度センサ８２，８３による温度の検出精度を更に高めることができる。
【００３３】
＜第２実施形態＞
次に、電気ヒータ装置１０の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態の電気ヒータ装置１０との相違点を中心に説明する。
図６に示されるように、本実施形態の接触部４４には、スイッチング素子８１が設けられる部分と第１温度センサ８２が設けられる部分との間にスリット１００が形成されている。また、接触部４４には、スイッチング素子８１が設けられる部分と第２温度センサ８３が設けられる部分との間にスリット１０１が形成されている。スリット１００，１０１は、凹状の溝からなる。
【００３４】
以上説明した本実施形態の電気ヒータ装置１０によれば、以下の（４）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
（４）スリット１００により、スイッチング素子８１が設けられている部分と、第１温度センサ８２が設けられている部分とが熱的に分断されるため、第１温度センサ８２による温度の検出精度を向上させることができる。同様に、スリット１０１により、スイッチング素子８１が設けられている部分と、第２温度センサ８３が設けられている部分とが熱的に分断されるため、第２温度センサ８３による温度の検出精度を向上させることができる。
【００３５】
＜他の実施形態＞
なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・スイッチング素子８１及び温度センサ８２，８３を接触部４４に接触させることにより、熱伝導性部材９０を排除してもよい。
【００３６】
・接触部４４には、スイッチング素子８１及び温度センサ８２，８３のいずれか一方のみが設けられていてもよい。例えば接触部４４に温度センサ８２，８３のみが設けられている場合には、図７に示されるように、接触部４４には、第１温度センサ８２と第２温度センサ８３との間にスリット１０２が形成されていてもよい。これにより、第２実施形態の電気ヒータ装置１０に類似の作用及び効果を得ることができる。
【００３７】
・接触部４４には、スイッチング素子８１及び温度センサ８２，８３以外の電子部品が設けられていてもよい。
・制御装置８４が提供する手段及び／又は機能は、実体的な記憶装置に記憶されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータ、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組み合わせにより提供することができる。例えば制御装置８４がハードウェアである電子回路により提供される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、又はアナログ回路により提供することができる。
【００３８】
・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
【符号の説明】
【００３９】
Ｐ１：第１接触部位
Ｐ２：第２接触部位
１０：電気ヒータ装置
２０：熱交換部
２１：配管
３０：発熱素子
４０：ケース
４４：接触部
５０：押し付け部材
８１：スイッチング素子（電子部品）
８２：第１温度センサ（電子部品）
８３：第２温度センサ（電子部品）
９０，９１：熱伝導性部材
１００，１０１，１０２：スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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