(57)【要約】【課題】ＰＴＣヒータの発熱をより効率的に熱媒体と熱交換できる熱媒体加熱装置を提供する。【解決手段】熱交換器２０と、ＰＴＣヒータ５０とを備える熱媒体加熱装置１０に関する。熱交換器２０は、熱媒体が流れる第１流路３２〜第３流路３４と、第１流路３２〜第３流路３４に向けて熱媒体が供給される熱媒体流入管３７と、第１流路３２〜第３流路３４を流れてきた熱媒体を外部に向けて排出させる熱媒体流出管３８と、を有する。ＰＴＣヒータ５０は、隣接する流路の間に設けられ、流路を流れる熱媒体を加熱する。本発明の熱媒体加熱装置は、熱交換器２０が、隣接する流路を区分するとともに、ＰＴＣヒータ５０を収容し、保持する複数のポケット２２を備えることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に隣接して設けられ、熱媒体が流れる複数の流路と、
複数の前記流路に向けて前記熱媒体が供給される熱媒体流入口と、
複数の前記流路を流れてきた前記熱媒体を外部に向けて排出させる熱媒体流出口と、を有する熱交換器筐体と、
隣接する前記流路の間に設けられ、前記流路を流れる前記熱媒体を加熱する加熱源と、
を備え、
前記熱交換器筐体は、
隣接する前記流路を区分するとともに、前記加熱源を収容し、保持する単数又は複数のポケットを備える、
ことを特徴とする熱媒体加熱装置。
【請求項２】
前記加熱源は、直方体状の形態をなし、
前記ポケットの内部において、少なくとも３つの面以上が前記熱交換器筐体と接触する、
請求項１に記載の熱媒体加熱装置。
【請求項３】
前記熱交換器筐体は、
単一の前記熱媒体流入口と複数の前記流路との間に設けられる入口側共通流路と、
複数の前記流路と単一の前記熱媒体流出口との間に設けられる出口側共通流路と、を備え、
前記熱媒体は、
前記入口側共通流路から複数の前記流路に分岐して流れた後に、前記出口側共通流路に流出する経路を経て前記熱媒体流出口に達する、
請求項１又は２に記載の熱媒体加熱装置。
【請求項４】
前記熱交換器筐体は、
前記ポケットを含む一部が、板金による折り曲げ加工により形成された筐体素体により構成され、
前記筐体素体の接合部が、かしめによりなされている、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱媒体加熱装置。
【請求項５】
かしめによる前記接合部は、前記熱媒体加熱装置が要求される向きに置かれた状態で、
前記加熱源よりも下方に位置する、
請求項４に記載の熱媒体加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータを用いて熱媒体を加熱する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド車などに適用される車両用空調装置において、暖房用の熱源となる非加熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置として、正特性サーミスタ素子（Positive Temperature Coefficient，以下、ＰＴＣ素子）を発熱要素として用いるＰＴＣヒータが知られている。ＰＴＣヒータは、温度の上昇とともに抵抗値が上昇し、これによって消費電流が制御されるとともに温度上昇が緩やかになり、その後、消費電流及び発熱部の温度が飽和領域に達して安定するものであり、自己温度制御特性を備えている。
【０００３】
ＰＴＣヒータを用いた熱媒体加熱装置として、例えば、特許文献１に開示されるものが知られている。これらはいずれも、内部を熱媒体が流れるチューブ（熱交換器）にＰＴＣヒータを密着させるものであり、加熱される熱媒体をチューブに運ぶ入口配管及び加熱された熱媒体をチューブから外部に向けて運ぶ出口配管が、チューブを含む熱交換器要素と一体的に組み付けられている。そして、この形態は、ハウジング内にチューブを含む熱交換器要素を収納するとともに、所定の間隔を設けて配置されている入口配管及び出口配管がハウジングを貫通し、かつその周囲がハウジングに封止されている。熱交換要素から漏れた熱媒体が外部に漏れるのを阻止するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４２０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＰＴＣヒータを用いた熱媒体加熱装置において、熱交換器として機能するチューブは、熱交換の効率を上げるため、内部にインナーフィンを設ける。その概略構造の一例を図７に示す。図７に示す熱媒体加熱装置２００は、２つのＰＴＣヒータ２１０を３つの熱交換器２２０で挟み込むことで、２つのＰＴＣヒータ２１０により３つの熱交換器２２０を加熱できる多段構造をなしている。この構造もまた、熱交換の効率を向上のためである。
熱交換器２２０は、外殻をなすチューブ２２１と、チューブ２２１の内部に設けられるインナーフィン２２５と、から構成される。チューブ２２１は、所定形状に成形された一対のチューブ素材２２２からなり、互いのリブ２２３を付き合わせてろう付けにより接合する。また、インナーフィン２２５は、頂部がチューブ２２１の内面にろう付けされることで、チューブ２２１の内部に接合される。
熱媒体加熱装置２００は、前述したことからも明らかなように、ＰＴＣヒータ２１０による発熱が熱交換器２２０を介してその内部を流れる熱媒体に効率よく伝達されることが求められる。ところが、従来の熱媒体加熱装置２００は、熱交換器２２０に直接的に接触するのはＰＴＣヒータ２１０の表裏面に過ぎず、ＰＴＣヒータ２１０の側面における発熱を有効に利用することができない。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、ＰＴＣヒータの発熱をより効率的に熱媒体と熱交換できる熱媒体加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した従来の多段の熱媒体加熱装置は、複数の独立した熱交換器（チューブ）とＰＴＣヒータを積層する形態をなしているため、ＰＴＣヒータの発熱を有効に利用できない。そこで本発明は、加熱源としてのＰＴＣヒータを収容し、保持するポケットを備える熱交換器を提案する。この熱交換器であれば、ＰＴＣヒータを挿入するポケットの間口部分を除いて、ＰＴＣヒータの表裏面のみならず、側面をも熱交換器に接触させることができるので、ＰＴＣヒータの発熱をより効率的に熱媒体と熱交換することができる。
【０００７】
本発明の熱媒体加熱装置は熱交換器筐体と、加熱源とを備える。
熱交換器筐体は、その内部に設けられ、熱媒体が流れる複数の流路と、複数の流路に向けて熱媒体が供給される熱媒体流入口と、複数の流路を流れてきた熱媒体を外部に向けて排出させる熱媒体流出口と、を有する。
加熱源は、隣接する流路の間に設けられ、流路を流れる熱媒体を加熱する。
本発明の熱媒体加熱装置は、熱交換器筐体が、隣接する流路を区分するとともに、加熱源を収容し、保持する単数又は複数のポケットを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の熱媒体加熱装置において、加熱源は、ポケットの内部において、少なくとも３つの面以上、好ましくは５つの面が熱交換器筐体と接触することが、熱交換の効率を向上する上で好ましい。
【０００９】
本発明の熱媒体加熱装置において熱交換器筐体は、単一の熱媒体流入口と複数の流路との間に設けられる入口側共通流路と、複数の流路と単一の熱媒体流出口との間に設けられる出口側共通流路と、を備え、熱媒体は、入口側共通流路から複数の流路に分岐して流れた後に、出口側共通流路に流出する経路を経て前記熱媒体流出口に達する構成にすることができる。熱媒体流入口及び熱媒体流出口をともに一つにすることができるので、部品点数の削減、ひいては熱媒体加熱装置のコスト低減に寄与する。
【００１０】
本発明の熱媒体加熱装置において、熱交換器筐体を、ポケットを含む一部が、板金による折り曲げ加工により形成された筐体素体により構成し、筐体素体の接合部をかしめによりなすことができる。ろう材による接合を廃することで、ろう材の優先腐食による貫通腐食の発生を回避する。
かしめによる接合部は、熱媒体加熱装置が要求される向きに置かれた状態で、ＰＴＣヒータよりも下方に設けること好ましい。万が一の接合部の損傷により熱媒体が熱交換器筐体から漏れたとしても、ＰＴＣヒータへ直接かかるのを避けるためである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、加熱源、例えばＰＴＣヒータを挿入するポケットの間口部分を除いて、加熱源の表裏面のみならず、側面をも熱交換器に接触させることができるので、加熱源の発熱をより効率的に熱媒体と熱交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態における熱媒体加熱装置の正面図である。
【図２】本実施の形態における熱媒体加熱装置の背面図である。
【図３】図１のIII−III矢視断面図である。
【図４】本実施の形態における熱媒体加熱装置の平面図である。
【図５】本実施の形態における熱媒体加熱装置の変形例を示し、図３に対応する断面図である。
【図６】本実施の形態における熱媒体加熱装置の変形例を示し、図４に対応する平面図である。
【図７】従来の熱媒体加熱装置の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付する図１〜図４に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態における熱媒体加熱装置１０は、熱交換器（熱交換器筐体）２０と、ＰＴＣヒータ（加熱源）５０と、から構成される。熱媒体加熱装置１０は、図に示すように、２つのＰＴＣヒータ５０を備える多段型の熱媒体加熱装置１０である。
熱交換器２０は、直方体状の外形を有する筐体をなしており、熱媒体が流れる熱媒体流路３０を備えるとともに、ＰＴＣヒータ５０を収容する２つのポケット２２を備えている。このポケット２２が、本実施形態の特徴の一つである。なお、熱交換器２０の各要素は、熱伝導性、加工性に優れるアルミニウム合金を用いるのが最も好ましいが、同様に熱伝導性、加工性に優れるその他の材料、例えば銅合金を用いることができることは言うまでもない。
【００１４】
熱交換器２０は、前壁２１と、前壁２１と対向する後壁２４と、を備える。
前壁２１には、ヒータ挿入間口２３が開口しており、ヒータ挿入間口２３から後壁２４に向けて前壁２１が後退することで、ポケット２２が形成されている。
後壁２４には、熱媒体、例えば水を熱媒体流路３０に供給する熱媒体流入管３７と、熱媒体流路３０を通ることで加熱された熱媒体を外部に向けて排出する熱媒体流出管３８と、が接続されている。
前壁２１と後壁２４に、幅方向の両側に一対の側壁２５，２５が連なることで、熱交換器２０は幅方向が封止される。
また、前壁２１と後壁２４に、上下方向の両側に対となる上壁２６と下壁２７が連なることで、熱交換器２０は上下方向が封止される。
【００１５】
以上のように、前壁２１、後壁２４、側壁２５、上壁２６及び下壁２７により、外部と区画された熱交換器２０の内部に熱媒体流路３０が設けられる。
熱媒体流路３０は、第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４を備えている。第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４は、熱交換器２０の幅方向（図１左右方向）に沿って形成されている。そして、隣接する第１流路３２と第２流路３３は、ＰＴＣヒータ５０を収容するポケット２２により上・下に区分される。また、隣接する第２流路３３と第３流路３４は、ＰＴＣヒータ５０を収容するポケット２２により上・下に区分される。したがって、第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４を流れる熱媒体は、ＰＴＣヒータ５０の発熱を直接的に受けて加熱される。第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４には、この加熱による熱交換の効率を向上するために各々、フィン４０が配置されている。ただし、フィン４０は本発明において必須の要素ではない。
【００１６】
フィン４０は横断面が波形に形成されており、第１流路３２においてはその頂部４１が上壁２６とポケット２２に例えばろう付けにより接合され、第２流路３３においてはその頂部４１がポケット２２とポケット２２にろう付けにより接合され、第３流路３４においてはその頂部４１がポケット２２と下壁２７にろう付けにより接合され、各々の流路に固定されている。熱媒体は、各流路を流れる過程で表面積の大きいフィン４０に接触することで、効率よく加熱される。
【００１７】
熱媒体流路３０は、第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４の上流側に位置する入口側共通流路３１と、第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４の下流側に位置する出口側共通流路３５と、を備えている。入口側共通流路３１は熱媒体流入管３７が接続される側に設けられ、出口側共通流路３５は熱媒体流出管３８が接続される側に設けられる。また、熱媒体流路３０は、入口側共通流路３１と出口側共通流路３５の間を繋ぐ後側共通流路３６を備えている。後側共通流路３６は、第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４と後壁２４との間に配置される。
【００１８】
さて、２つのポケット２２は、各々、ＰＴＣヒータ５０を収容、保持している。
各々のポケット２２は、ＰＴＣヒータ５０を隙間なく挿入するキャビティを有している。このキャビティは、上下方向でＰＴＣヒータ５０を保持する上保持壁２２ａ、下保持壁２２ｂと、幅方向でＰＴＣヒータ５０を保持する一対の側保持壁２２ｃ，２２ｃと、奥側でＰＴＣヒータ５０を保持する奥保持壁２２ｄと、により区画される。
そして、ヒータ挿入間口２３から挿入されたＰＴＣヒータ５０は、上保持壁２２ａ、下保持壁２２ｂ、側保持壁２２ｃ，２２ｃ、及び奥保持壁２２ｄの併せて５つの面と接触する。このように、ＰＴＣヒータ５０は、ヒータ挿入間口２３に臨む面を除き、ポケット２２を形成する熱交換器２０の要素に接触するので、ＰＴＣヒータ５０にて生じた熱は、ほとんど無駄になることなく熱交換器２０に伝達される。
【００１９】
次に、熱交換器２０を作製するのに好適な例を説明する。
この例は、側方の壁、つまり側壁２５及び側保持壁２２ｃを除いて一体的に作製する。具体的には、所定形状の板材を、図３に示すように、折り曲げ加工する。この板材には、折り曲げ加工の過程で、ポケット２２に相当する部分を形成する。折り曲げ加工された熱交換器２０の素材には、接合部に一対の接合代２８が形成される。接合代２８同士は、例えばかしめにより接合できるし、ろう付け、あるいは溶接によって接合することもできる。なお、本実施形態は、熱交換器２０を所定の位置に配置した状態で、接合代２８が下側に配置されたＰＴＣヒータ５０よりも下方に設けられている。
【００２０】
板材を折り曲げ加工し、次いで、接合代２８を用いて接合（以下、接合部２８と言うことがある）することで、前壁２１、後壁２４、上壁２６及び下壁２７を一体的に備える熱交換器予備体が得られる。同時に、ポケット２２も、側保持壁２２ｃ，２２ｃの部分を除いて、成形される。
【００２１】
次いで、３つのフィン４０を第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４の所定位置に配置した後に、ろう付けのための加熱処理を施す。ここで、フィン４０は、表裏両面にろう材（Ａｌ−Ｓｉ系合金）がクラッドされたブレージングシートを折り曲げ加工することで、波形に成形されている。したがって、フィン４０は加熱処理を経ることで、第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４の内部に接合、固定される。このろう付け処理の際に、別途用意された板材をろう付けすることにより、ポケット２２を区画する側保持壁２２ｃ，２２ｃを形成することができる。
なお、ろう材は、フィン４０の替わりに、折り曲げ加工されて熱交換器２０となる板材の側にクラッドにより設けることもできる。
【００２２】
フィン４０が固定された後に、所定形状に加工された板材を例えばろう付け、溶接、接着剤により熱交換器予備体の必要な箇所に接合することで、側壁２５、２５の部分を形成する。
【００２３】
以上の通りにして熱交換器２０が完成したならば、ポケット２２にＰＴＣヒータ５０を挿入し、かつポケット２２内にＰＴＣヒータ５０を固定することで、熱媒体加熱装置１０ができあがる。ＰＴＣヒータ５０の固定手段は任意であり、例えば、ヒータ挿入間口２３側又はポケット２２内部で接着剤により固定することができるし、ＰＴＣヒータ５０とポケット２２の寸法を調整した上でＰＴＣヒータ５０をポケット２２に圧入することで固定することもできる。
【００２４】
以上のようにして作製された熱媒体加熱装置１０は、以下のようにして熱媒体を加熱する。なお、ＰＴＣヒータ５０が発熱していることを前提とする。
別途用意されたポンプ、その他の圧送装置により熱媒体（例えば水）が熱媒体流入管３７から熱交換器２０の入口側共通流路３１に流入する。なお、図１〜図４において、熱媒体の流れる向きの概略を一点鎖線の矢印で示している。熱媒体は、入口側共通流路３１を経て第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４に分岐して流れる。第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４を流れる過程で、熱媒体は加熱され、出口側共通流路３５に達し、そこから外部に向けて排出される。
また、入口側共通流路３１に流入した熱媒体の一部は、第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４を経ることなく、後側共通流路３６を流れる。後側共通流路３６において、熱媒体は、第１流路３２、第２流路３３及び第１流路３４に設けられるフィン４０、並びに、ポケット２２の奥保持壁２２ｄに接することで加熱されてから出口側共通流路３５に達し、やはり、そこから外部に向けて排出される。
【００２５】
ここで、熱媒体の加熱源であるＰＴＣヒータ５０は、ポケット２２を区画する上保持壁２２ａ、下保持壁２２ｂ、一対の側保持壁２２ｃ，２２ｃ、及び奥保持壁２２ｄと接触している。このように、ＰＴＣヒータ５０で生じた熱の大部分が、ポケット２２を構成する上記の壁及びフィン４０を介して熱媒体に伝達される本実施形態によると、極めて高い熱交換効率で熱媒体を加熱できる。
【００２６】
次に、本実施形態による熱媒体加熱装置１０は、下側に配置されたＰＴＣヒータ５０よりも接合部２８が下方に設けられているので、腐食、その他の理由により接合部２８から熱媒体が仮に漏れたとしても、ＰＴＣヒータ５０に熱媒体が直接はかからない。したがって、熱媒体加熱装置１０は、熱媒体によるＰＴＣヒータ５０の損傷が著しく低減される。
【００２７】
特に、かしめにより接合部２８を構成すれば、接合部２８からの熱媒体の漏れ防止にとって好ましく、熱媒体によるＰＴＣヒータ５０の損傷の低減が顕著になる。
ここで従来より、芯材（アルミニウム合金）にクラッドされるろう材（Ａｌ−Ｓｉ系合金）に亜鉛を添加し、ろう材の電位よりも芯材を貴にすることで、芯材の貫通腐食を防ぐ犠牲防食設計とすることが行われている。この従来技術にしたがって、ろう材がクラッドされた板材により熱交換器２０を構成すると、接合部２８に亜鉛を含むろう材が存在するため、ろう材が優先して腐食し接合部２８（ろう材）に貫通腐食が生じるおそれがある。これに対して、フィン４０の側にろう材をクラッドした素材を用いる一方、かしめにより接合部２８を構成すれば、接合部２８にはろう材の優先腐食は生じることはない。したがって、接合部２８からの熱媒体の漏れ防止に有効である。
もっとも、本発明はろう材がクラッドされた板材により熱交換器２０を構成することを排除するものではない。接合部２８の接合代を十分に広くすれば、ろう材に貫通腐食が生じる可能性を限りなく低減できる。
【００２８】
さらに、熱媒体加熱装置１０は、ＰＴＣヒータ５０がポケット２２内において５つの面が保持されているとともに、側壁２５を除いて板金による折り曲げ加工で形成されているために弾性を備える熱交換器２０に保持されていることになる。したがって、熱媒体加熱装置１０が外部から衝撃を受けたとしても、ＰＴＣヒータ５０を衝撃から保護することができるので、ＰＴＣヒータ５０の寿命が向上する。
【００２９】
以上、本発明の好ましい形態を説明したが、これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施形態においては、２つのＰＴＣヒータ５０を備える例を示したが、ＰＴＣヒータ５０の数は任意であり、３つ以上のＰＴＣヒータ５０を備えることができる。同様に、上記実施形態においては、上下方向（鉛直方向）にＰＴＣヒータ５０を並べて配列した例を示したが、幅方向（水平方向）ＰＴＣヒータ５０を並べて配列することができる。つまり、複数のＰＴＣヒータ５０をポケット２２で収容、保持するのであれば、その数、配列状態は任意である。
【００３０】
また、上記実施形態では、ＰＴＣヒータ５０が、表裏両面に加えて、３つの側面がポケット２２を区画する壁面と接触する例を示したが、奥保持壁２２ｄと接触するが、側保持壁２２ｃ，２２ｃとは接触しない形態、逆に、側保持壁２２ｃ，２２ｃと接触するが、奥保持壁２２ｄとは接触しない形態を本発明は包含する。これらの形態であっても、表裏両面だけが接触するのに比べて、熱交換の効率は高い。
また、上記実施形態では、２つのポケット２２ともに前壁２５にヒータ挿入間口２３が開口しているが、例えば、ヒータ挿入間口２３の一方を後壁２４に開口させてもよい。
【００３１】
さらに、上記実施形態においては、熱媒体流入管３７と熱媒体流出管３８を熱交換器２０の後壁２４に設けたが、本発明はこれに限定されず、図５、図６に示すように熱交換器１２０の一方の側壁１２５に熱媒体流入管１３７を、また、他方の側壁１２５に熱媒体流出管１３８を設けることができる。この熱媒体加熱装置１００によると、熱媒体の流れがスムーズになる。つまり、上述した熱交換器２０（図１〜図４）の場合、熱媒体流入管３７から流入する熱媒体の流れの向きと、第１流路３２〜第３流路３４を流れる熱媒体の流れる向きと、が９０度相違する（図４参照）。これに対して、熱交換器１２０（図５、図６）は、熱媒体流入管１３７から流入する熱媒体の流れる向きと、第１流路３２〜第３流路３４を熱媒体が流れる向きと、水平方向において一致しているので、熱交換器２０に比べて熱媒体の流れがスムーズである。
一方で、上述した熱交換器２０（図１〜図４）は、熱媒体の入口側に後側共通流路３６があるため、なんらかの異物（または腐食生成物）が混入したとしても、フィン４０で詰まりが発生しにくく、仮に発生した場合でも後側共通流路３６により熱媒体の入口と出口がつながっているため、完全な閉塞が避けられる利点がある。
なお、以上の例では、熱媒体流入管３７（１３７）、熱媒体流出管３８（１３８）は一つのみ設けているが、第１流路３２〜第３流路３４に対応する数だけ熱媒体流入管３７（１３７）、熱媒体流出管３８（１３８）を設けることができる。なお、図５、図６において、図１〜図４と同じ要素については図１〜図４と同じ符号を付している。
【符号の説明】
【００３２】
１０，１００，２００  熱媒体加熱装置
２０，１２０，２２０  熱交換器
２１    前壁
２２    ポケット
２２ａ  上保持壁
２２ｂ  下保持壁
２２ｃ  側保持壁
２２ｄ  奥保持壁
２３    ヒータ挿入間口
２４    後壁
２５，１２５  側壁
２６    上壁
２７    下壁
２８    接合代（接合部）
３０    熱媒体流路
３１    入口側共通流路
３２    第１流路
３３    第２流路
３４    第３流路
３５    出口側共通流路
３６    後側共通流路
３７，１３７  熱媒体流入管
３８，１３８  熱媒体流出管
４０    フィン
４１    頂部
５０    ＰＴＣヒータ
【図１】
2013184635.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013184635.tif 000007
【図６】
2013184635.tif 000008
【図７】
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