(57)【要約】      （修正有）【課題】伝熱効率及び耐久性を向上することができる車両用加熱装置を提供する。【解決手段】電熱線ヒータ２が収容される挿入穴２８を有する伝熱ブロック４と、電熱線ヒータ２で加熱された熱媒体が流れる流路６とを備え、電熱線ヒータ２は挿入穴２８に焼ばめによって嵌合される。この、焼ばめの締めしろは１０μｍ以上である。【選択図】図８
2012136154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電熱線ヒータが収容される挿入穴を有する伝熱ブロックと、
前記電熱線ヒータで加熱された熱媒体が流れる流路とを備え、
前記電熱線ヒータは前記挿入穴に焼ばめによって嵌合されることを特徴とする車両用加熱装置。
【請求項２】
前記焼ばめの締めしろは１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の車両用加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の加熱装置には、内方を熱媒体である温水が流通する流通パイプと、この流通パイプに並設した電熱線ヒータとを伝熱金属内に埋設して扁平状の伝熱体を形成し、この伝熱体を複数個集積させ、流通パイプを直列に接続し熱源器として構成したものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2003-48422号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
昨今、ハイブリッド自動車や電気自動車の開発及び普及が促進され、今後はエンジンの廃熱を十分に利用できなくなることから、上述したような電熱線ヒータを発熱体とした加熱装置を上記車両に搭載することが考えられる。ハイブリッド自動車の場合には、エンジンの廃熱を補うように熱供給可能な補助熱源として、電気自動車の場合には、エンジンに代わって熱供給可能な代替熱源として、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ることが期待される。
【０００５】
しかしながら、上記従来技術では、伝熱体である伝熱ブロックに電熱線ヒータを収容するための収容穴と電熱線ヒータとの材料組織レベルの隙間が装置の伝熱効率及び耐久性に与える影響については格別な配慮がなされておらず、加熱装置の伝熱効率及び耐久性の向上には依然として課題が残されている。
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、伝熱効率及び耐久性を向上することができる車両用加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため本発明の請求項１記載の車両用加熱装置は、電熱線ヒータが収容される挿入穴を有する伝熱ブロックと、電熱線ヒータで加熱された熱媒体が流れる流路とを備え、電熱線ヒータは挿入穴に焼ばめによって嵌合されることを特徴としている。
請求項２記載の発明は焼ばめの締めしろは１０μｍ以上であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の車両用加熱装置によれば、電熱線ヒータは挿入穴に焼ばめによって嵌合されることにより、電熱線ヒータと挿入穴とが密着状態となり、電熱線ヒータと伝熱ブロックとの材料組織レベルの隙間を小さくすることができる。従って、電熱線ヒータと伝熱ブロックとの間の空気層の存在に起因する熱抵抗を小さくすることができ、電熱線ヒータと伝熱ブロックとの間で発生する温度ギャップを小さくすることができるため、加熱装置の伝熱効率を向上することができる。
【０００８】
また、温度ギャップが大きいことによって電熱線ヒータから伝熱ブロック、ひいては流路を流れる熱媒体への伝熱が阻害された結果生ずる電熱線ヒータ内の蓄熱を抑制することができる。従って、電熱線ヒータが異常に高温になって熱劣化することが防止され、電熱線ヒータ、ひいては加熱装置の耐久性を向上することができる。
更に、電熱線ヒータと挿入穴との隙間に、電熱線ヒータを挿入穴に固定するための接着剤や、伝熱効率を良くするための熱伝導材を設ける必要がないため、これら接着剤及び熱伝導材の熱劣化に伴う伝熱効率低下を防止することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、具体的には、焼ばめの締めしろは１０μｍ以上であることにより、電熱線ヒータと伝熱ブロックとの材料組織レベルの隙間が小さくなり、加熱装置の伝熱効率及び耐久性を効果的に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る加熱装置の外側ケースの側面を透視して示した斜視図である。
【図２】図１の電熱線ヒータの斜視縦断面図、及びその外部接続を示す図である。
【図３】図１の伝熱ブロックの斜視図である。
【図４】図１の外側ケースの縦断面図である。
【図５】図１の外側ケースの斜視図である。
【図６】図１の外側ケースの縦断面図である。
【図７】図１の加熱装置における熱媒体の流れを外側ケースのみ縦断面にして示した図である。
【図８】図１の電熱線ヒータと挿入穴との材料組織レベルの隙間を概念的に示した図である。
【図９】図８の隙間とヒータ内部温度との関係を示した図である。
【図１０】図１の伝熱ブロック内の温度分布を示した図である。
【図１１】図１０の温度分布の時系列的な変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜図７は本発明の一実施形態に係る車両用加熱装置１について示す。
図１に示されるように、加熱装置１は４つの電熱線ヒータ２が収容される伝熱ブロック４と、伝熱ブロック４が収容され、伝熱ブロック４との間に電熱線ヒータ２の熱媒体が流れる流路６を形成する外側ケース８との２つのユニットから構成されている。
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。
【００１２】
具体的には、ハイブリッド自動車の場合には、流路６にエンジンを冷却するべく冷却水回路を循環するＬＬＣ（冷却水、不凍液）が熱媒体として流れて電熱線ヒータ２により加熱される。この冷却水回路は車両用空調装置に設けられ、エンジン及び加熱装置１で加熱されたＬＬＣの熱は上記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、車室内の冷暖房が可能となる。
【００１３】
一方、電気自動車の場合には、流路６に冷凍回路を循環する冷媒が熱媒体として流れて電熱線ヒータ２により加熱される。この冷凍回路は上記と同様に車両用空調装置に設けられ、加熱装置１で加熱された冷媒の熱によって車室内の冷暖房が可能となる。また、流路６には熱媒体としての水を流通し、水を電熱線ヒータ２により温水にし、この温水をエンジンの代替熱源として車両用空調装置の暖房用回路を循環する冷媒などを加熱するための熱源として利用することも考えられる。
【００１４】
更に、ハイブリッド自動車、電気自動車の何れの場合においても、不凍液が循環する暖房用回路に図示しないヒータコアとともに加熱装置１を設け、加熱装置１を不凍液の熱源の一つとして利用し、ヒータコアで暖房された空気を送風することも考えられる。
図２に示されるように、電熱線ヒータ２は、有底円筒状の例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる金属パイプ１０内にニクロム線などのコイル状の電熱線１２を挿入し、金属パイプ１０内に高い電気絶縁性及び熱伝導性を有する耐熱絶縁材１４を加圧充填して電熱線１２を封入することで形成される。耐熱絶縁材１４は例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などであり、耐熱絶縁材１４及び金属パイプ１０を含む電熱線ヒータ２の本体は１１００℃程度の耐熱温度を有する。
【００１５】
金属パイプ１０の開口部には端子部１６が設けられ、端子部１６は電熱線１２に接続されるとともに電熱線ヒータ２から突出される端子１８を有している。各電熱線ヒータ２の各端子１８は外部の電源装置２０に電気的に接続されており、電熱線１２に通電するための通電回路２２を構成している。端子部１６は金属パイプ１０の開口部にシリコンやガラスなどで形成され、端子部１６は２００℃〜３００℃程度の耐熱温度を有する。
【００１６】
また、各電熱線ヒータ２の電熱線１２には図示しない電流ヒューズがそれぞれ設けられ、電熱線１２を流れる定格以上の大電流から各通電回路２２を保護し、各通電回路２２の過剰な高温や発火を防止している。更に、各電熱線ヒータ２の近傍には流路６内の熱媒体の温度を検出するサーミスタなどの温度センサ２４がそれぞれ配置されている。
【００１７】
各温度センサ２４は車両を総合的に制御する外部の電子制御装置（ＥＣＵ）２６に電気的に接続され、ＥＣＵ２６には電源装置２０も電気的に接続されている。ＥＣＵ２６は電源装置２０を介し、各温度センサ２４にて検出される各流路６内の熱媒体の温度に応じて、４つの各電熱線ヒータ２のうちの各々または複数群の端子部１６に対して個別に通電する通電制御が行われる。
【００１８】
図３及び図４に示されるように、伝熱ブロック４は、例えば、４００℃程度の耐熱温度を有し、高い熱伝導性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金を鋳造により１つのユニットとして形成されている。伝熱ブロック４の端面４ａには、各電熱線ヒータ２が収容される４つの挿入穴２８が端面４ａにおいて略等間隔に集約されて開けられたブロック開口端部３０が形成されている。
【００１９】
ブロック開口端部３０には鍔状のフランジ部４ｃが全周に亘って形成されており、フランジ部４ｃの四隅にはボルト挿通孔３２が貫通して形成されている。また、伝熱ブロック４の側面４ｂには後述の入口ポート４０から出口ポート４２に向けて熱媒体を導いて流すべく凸条のガイド３４が伝熱ブロック４に一体に形成されている。ガイド３４は電熱線ヒータ２の長手方向に対し垂直方向に交互に高さをずらして２つ設けられている。
【００２０】
一方、図５及び図６に示されるように、外側ケース８は、金属を例えば鋳造により１つのユニットとして一体に形成され、伝熱ブロック４が収容可能であり、且つ、伝熱ブロック４の側面４ｂと外側ケース８の内面８ａとの間に熱媒体の流路６を構成する隙間を形成可能な容積を有している。また、外側ケース８の伝熱ブロック４が収容される側の端面８ｂには伝熱ブロック４が挿入されるための開口穴８ｅを有するケース開口端部３６が形成されている。
【００２１】
ケース開口端部３６は、伝熱ブロック４を外側ケース８に挿入可能な大きさに形成され、伝熱ブロック４を外側ケース８に収容した状態でフランジ部４ｃの背面４ｄがその全周に亘ってケース開口端部３６に当接される形状を有している。また、ケース開口端部３６の四隅には、伝熱ブロック４を外側ケース８に収容した状態でボルト挿通孔３２と合致する位置にボルト穴３８が形成されている。即ち、フランジ部４ｃをケース開口端部３６にボルト締結して接合することで、伝熱ブロック４及び外側ケース８はそれぞれの各開口端部３０，３６のみにて接合され、換言すると、伝熱ブロック４は外側ケース８にケース開口端部３６を除いて非当接状態で固定される。
【００２２】
また、外側ケース８の側面８ｃのケース開口端部３６側、即ち伝熱ブロック４を外側ケース８に収容した状態でいうと端子部１６側の端には、熱媒体の入口ポート４０がパイプ状をなして突設されている。一方、外側ケース８の側面８ｃのケース開口端部３６と反対側の底部８ｄ側の端には、側面８ｃにおいて入口部４０と略対角線上に熱媒体の出口部４２がパイプ状をなして突設されている。すなわち、入口ポート４０と出口ポート４２とは側面８ｃの長手方向に対角をなす各頂部の近傍にそれぞれ設けられる。
【００２３】
図７に示されるように、ガイド３４は電熱線ヒータ２の長手方向に対し垂直方向に交互に高さをずらして２つ設けられ、具体的には、図７でみて正面側のガイド３４の高さは、この正面とは反対側の背面側のガイド３４の高さが一方の背面側のガイド３４の高さよりも高い場合には低くされ、逆に背面側のガイド３４の高さが一方の背面側のガイド３４の高さよりも低い場合には高くされている。これにより、図７中に実線矢印及び破線矢印で示されるように（伝熱ブロック４の背面側の熱媒体の流れは破線矢印で示す）、熱媒体はガイド３４に沿って電熱線ヒータ２の長手方向、即ち入口ポート４０から出口ポート４２に向けて蛇行しながら流路６を流通する。
【００２４】
図８は、図１のＡ方向から見た電熱線ヒータ２と挿入穴２８との材料組織レベルの隙間Ｃを概念的に示した拡大図である。本実施形態では、各挿入穴２８の穴径ｄは、各金属パイプ１０、すなわち各電熱線ヒータ２の外径Ｄよりも少なくとも１０μｍ以上、好ましくは３０〜４０μｍ程度小さく形成され、電熱線ヒータ２は挿入穴２８に焼ばめによって密着した状態で嵌合されている。
【００２５】
焼ばめは収縮ばめの一種であり、外側部材である伝熱ブロック４を１５０〜２５０℃程度の焼ばめ加熱温度で加熱して膨張させた状態で、冷却して収縮させた内側部材である電熱線ヒータ２を挿入穴２８に挿入する。そして、この状態で放置して常温まで冷却することにより、電熱線ヒータ２を挿入穴２８に少なくとも１０μｍ以上、好ましくは３０〜４０μｍ程度の締めしろ分に相当するしまりばめで嵌合させることができる。なお、本実施形態の場合には、締めしろを５０μｍ以上とすると電熱線ヒータ２を挿入穴２８に挿入できず、締めしろの大きさには限界があることが判っている。
【００２６】
ＳＵＳの金属パイプ１０の外表面１０ａと、アルミニウム合金の伝熱ブロック４に形成される挿入穴２８の内表面２８ａとには、それぞれの加工精度に応じた表面粗さによる凹凸が生じている。そして、挿入穴２８に対する電熱線ヒータ２のはめあいがすきまばめ、又は中間ばめの場合には勿論、図８に示すしまりばめの場合にも、材料組織レベルでは電熱線ヒータ２と伝熱ブロック４との間には隙間Ｃが生じている。
【００２７】
図９は図８の隙間Ｃと電熱線ヒータ２の内部温度Ｔiとの関係を示した図である。図９は、ＥＣＵ２６により設定された流路６を流れる熱媒体の目標温度Ｔｔを一定とした条件下で隙間Ｃを変えたときの金属パイプ１０内の耐熱絶縁材１４における内部温度Ｔiを実験により観察した結果である。この図によれば、隙間Ｃが大きくなって上記はめあいがすきまばめ傾向になると、隙間Ｃで生じた空気層による熱抵抗が発生し、電熱線ヒータ２から伝熱ブロック４、ひいては流路６を流れる熱媒体への伝熱が阻害される。この結果、目標温度Ｔｔが一定であることにより電熱線ヒータ２の発熱量は一定であるにも拘わらず、電熱線ヒータ２の熱の逃げ場がなくなり、電熱線ヒータ２内が断熱された状態となって内部温度Ｔiが著しく上昇する。
【００２８】
一方、隙間Ｃが０ｍｍ、すなわち、はめあい公差がほぼ０となる中間ばめのときには内部温度Ｔiは低下するものの最低とはならず、隙間Ｃが−１０μｍとなるしまりばめとなっても内部温度Ｔiは低下している。これは、上記はめあいがしまりばめの場合であっても材料組織レベルの隙間Ｃは存在するものの、隙間Ｃが小さくなり、空気層が小さくなることにより熱抵抗も小さくなり、上記はめあいがすきまばめ又は中間ばめである場合に比して伝熱性能が高まり、電熱線ヒータ２内の断熱状態が抑制されることを示しており、この結果、内部温度Ｔiが低下する。
【００２９】
図１０は流路６を流れる熱媒体の目標温度Ｔｔを８０℃としたときの伝熱ブロック４内の温度分布を示した図である。この図は、流路６と電熱線ヒータ２との間における伝熱ブロック４に温度センサ４４を埋め込み、温度センサ２４、４４で検出した各温度と、それぞれ、伝熱ブロック４：Ａｌ、金属パイプ１０：ＳＵＳ、耐熱絶縁材１４：ＭｇＯの材料で構成される各部の熱伝導性とにより、伝熱ブロック４内の上記各部の温度Ｔを推定した結果である。
【００３０】
図１０によれば、挿入穴２８に対する電熱線ヒータ２のはめあいがすきまばめ又は中間ばめの場合には、点線で示すように、隙間Ｃが大きいことにより挿入穴２８と金属パイプ１０との間の熱抵抗も大きくなり、金属パイプ１０の外表面１０ａと挿入穴２８の内表面２８ａとの間には１００℃程度の温度ギャップＴｇ’が発生することが推定される。この結果、電熱ヒータ２内が断熱状態となり、熱媒体の目標温度Ｔｔが８０℃であるのに対し、内部温度Ｔiは５００℃程度に達することがある。
【００３１】
一方、本実施形態では、挿入穴２８に対する電熱線ヒータ２のはめあいがしまりばめとなるため、実線で示すように、隙間Ｃが比較的小さいことにより挿入穴２８と金属パイプ１０との間の熱抵抗も小さくなり、金属パイプ１０の外表面１０ａと挿入穴２８の内表面２８ａとの間には１０℃程度の温度ギャップＴｇしか発生しないことが推定される。この結果、電熱ヒータ２内での断熱状態も抑制され、熱媒体の目標温度Ｔｔが８０℃であるのに対し内部温度Ｔiは２５０℃程度に抑えられる。
【００３２】
図１１は図１０の温度分布の時系列的な変化を示した図である。この図から明らかなように、当初は温度ギャップはＴｇ０であってほぼ０℃であるが、時間の経過とともに温度ギャップはＴｇ１、Ｔｇ２と徐々に大きくなり、熱媒体の温度が目標温度Ｔｔの８０℃に達すると、温度ギャップＴｇは最も大きい１０℃程度に安定する。すなわち、温度ギャップＴｇは、ＥＣＵ２６による通電制御の開始から徐々に大きくなって目標温度Ｔｔに達した時点で最も大きい状態で保持される。
【００３３】
以上のように本実施形態の車両用加熱装置１によれば、電熱線ヒータ２は挿入穴２８に焼ばめによって嵌合されることにより、電熱線ヒータ２と挿入穴２８とが密着状態となり、電熱線ヒータ２の金属パイプ１０と伝熱ブロック４との材料組織レベルの隙間Ｃを小さくすることができる。従って、電熱線ヒータ２と伝熱ブロック４との間の空気層の存在に起因する熱抵抗を小さくすることができ、電熱線ヒータ２と伝熱ブロック４との間で発生する温度ギャップＴｇを小さくすることができるため、加熱装置１の伝熱効率を向上することができる。
【００３４】
また、温度ギャップＴｇが大きいことによって電熱線ヒータ２から伝熱ブロック４、ひいては流路６を流れる熱媒体への伝達が阻害された結果生ずる電熱線ヒータ２内の断熱状態を抑制することができる。従って、電熱線ヒータ２が異常に高温になって熱劣化することが防止され、電熱線ヒータ２、ひいては加熱装置１の耐久性を向上することができる。
【００３５】
更に、隙間Ｃを小さくすることによるしまりばめで電熱線ヒータ２を挿入穴２８に嵌合して固定するため、電熱線ヒータ２を挿入穴２８に固定するための接着剤は不要である。また、伝熱効率を良くするための高熱伝導性のシリコン材を隙間Ｃに配置したり、或いは隙間Ｃに熱伝導性パテを埋め込んだりする必要がないため、上記接着剤、熱伝導材の熱劣化に伴う伝熱効率の低下を防止することができる。
【００３６】
本発明は上述の実施例に制約されるものではなく、更に種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、伝熱ブロック４はアルミニウム合金、金属パイプ１０はＳＵＳから形成されるが、これらの材料には限定されず、伝熱ブロック４は熱収縮性が高い材料であって、金属パイプ１０は高耐熱性材料であれば他の材料でも良い。
また、上記実施形態の挿入穴２８は寸法精度良く形成できるのであれば、その加工方法は問わない。
【００３７】
更に、上記実施形態の温度やはめあい公差の数値は実験結果としての一例であって、これらの数値には限定されない。しかし、焼ばめの締めしろが少なくとも１０μｍ以上であることにより、電熱線ヒータ２と伝熱ブロック４との材料組織レベルの隙間Ｃが小さくなり、加熱装置１の伝熱効率及び耐久性を効果的に向上することができて好ましい。
【符号の説明】
【００３８】
１    車両用加熱装置
２    電熱線ヒータ
４    伝熱ブロック
６    流路
２８    挿入穴
【図１】
2012136154.tif 000003
【図２】
2012136154.tif 000004
【図３】
2012136154.tif 000005
【図４】
2012136154.tif 000006
【図５】
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【図６】
2012136154.tif 000008
【図７】
2012136154.tif 000009
【図８】
2012136154.tif 000010
【図９】
2012136154.tif 000011
【図１０】
2012136154.tif 000012
【図１１】
2012136154.tif 000013