JP2015020605A - 車両用加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト、速熱性、及び温度検出安定性に優れ、且つ信頼性の高い車両用加熱装置を提供する。
【解決手段】通電により発熱する発熱パターン（３２）、及び通電により温度を検出するセンサパターン（３４）を含むセラミック筒体（２４）を有したヒータ（２）と、ヒータとの間に熱媒体の流路（６）を形成する筐体（４）とを備え、ヒータは、セラミック筒体が挿入された有底状の金属筒体（２６）を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は車両用加熱装置に関する。

例えば特許文献１には、恒温槽のセラミック内筐の表面に、温度検出用サーミスタ材と加熱用抵抗体を焼き付けた技術が開示されている。

特公昭４６−１８７０５号公報

ところで、従来の車両用加熱装置は、金属管内に酸化マグネシウムなどの充填材を加圧充填してニクロム線などの電熱線を封入したヒータと、ヒータとの間に熱媒体が流れる流路を形成するケースとを備える。また、ヒータの温度を検出する温度センサがケースの外部から挿入されてヒータに接触される。温度センサはヒータとは別部材であることにより、温度センサを流路から防水するためのシール機構が必要であった。また、温度センサにケースの振動が伝達されてヒータと離間しないように、温度センサをヒータに押圧するための機構が必要であった。

これに対して、上記特許文献１のヒータは、発熱部とセンサ部とをセラミック材に一体に形成可能であるため、上記シール機構及び押圧機構が不要となり、従来よりも部品点数及び組立工数の大幅な低減を図った低コストの加熱装置を実現可能である。また、セラミックは熱伝導性に優れていることが知られており、従来よりも速熱性を高めた加熱装置を提供することができる。また、上述した押圧接触による温度検出ではないため、温度検出の安定性を確保することができる。

しかしながら、上記特許文献１は、あくまでも恒温槽で使用されるセラミックヒータを開示し、比較的低温の熱媒体の温度を保持する場合を想定しているため、車両に搭載される加熱装置については格別な配慮がなされていない。
詳しくは、車両用加熱装置は、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、車両用空調装置の冷凍回路を循環する冷媒を高温（１００℃程度）にするべく迅速に熱供給する。

ハイブリッド自動車の場合、加熱装置には、エンジンの不足する廃熱を補うようにして冷媒に熱供給する補助熱源として用いられる。具体的には、冷却液回路を循環するエチレングリコールなどの冷却液（熱媒体）がエンジンを冷却した後に流路に流入され、ヒータによりさらに加熱するべく、例えば３ｋＷ程度の加熱性能を要求される。エンジン及び加熱装置で加熱された冷却液の熱は、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。

また、上述したセラミックヒータを高温加熱用に利用するには、セラミックが急激な温度変化や温度分布の不均一によって割れを生じ易い、いわゆる熱衝撃破壊特性を有する点について新たな措置が必要である。
また、万一、セラミックが割れた場合には、その破片が加熱装置の流路を流れる冷却液とともに冷却液回路に混入し、エンジン冷却などの熱交換システムに支障を来すおそれもある。したがって、上記従来技術は、セラミックの熱衝撃破壊特性や加熱装置が用いられる熱交換システムへの影響についても格別な配慮がなされておらず、車両用空調装置としての信頼性を高める点について依然として課題が残されていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コスト、速熱性、及び温度検出安定性に優れ、且つ信頼性の高い車両用加熱装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の車両用加熱装置は、通電により発熱する発熱パターン、及び通電により温度を検出するセンサパターンを含むセラミック筒体を有したヒータと、ヒータとの間に熱媒体の流路を形成する筐体とを備え、ヒータは、セラミック筒体が挿入された有底状の金属筒体を具備することを特徴とする。
好ましくは、ヒータは、金属筒体とセラミック筒体との間に熱伝導性を有する充填層が介在する。

好ましくは、ヒータは、セラミック筒体の内側が中空である。
別の好ましい形態として、ヒータは、セラミック筒体の内側に熱伝導性を有する充填材を充填してなる。
好ましくは、ヒータは、その一端に発熱パターン及びセンサパターンがそれぞれ電気的に接続された端子部を有し、センサパターンは、セラミック筒体において発熱パターンよりも端子部側に位置付けられる。

本発明の車両用加熱装置によれば、ヒータは、セラミック筒体が挿入された有底状の金属筒体を具備することにより、セラミック筒体の発熱パターンから金属筒体への熱伝導が連続的に行われる。これにより、一般にセラミックよりも金属のほうが熱伝導率が高いため、急激な温度変化や温度分布の不均一によるセラミック筒体の割れ、すなわちセラミック筒体の熱衝撃破壊特性を抑制することができる。

また、セラミック筒体が万一割れた場合であっても、その破片は金属筒体内に留まり、熱媒体の流路、ひいては熱媒体の循環回路に混入することが抑制され、熱媒体による熱交換システムへの弊害が阻止される。したがって、低コスト、速熱性、及び温度検出安定性を備えたセラミックヒータを用いながらにして、信頼性の高い車両用加熱装置を提供することができる。

また、ヒータは、金属筒体とセラミック筒体との間に熱伝導性を有する充填層が介在することにより、セラミック筒体の発熱パターンから金属筒体への熱伝導を促進することができる。したがって、セラミック筒体の熱衝撃破壊特性をさらに効果的に抑制することができ、車両用加熱装置の信頼性をさらに高めることができる。
また、ヒータは、セラミック筒体の内側が中空であることにより、一般に空気は熱伝導率が低いため、セラミック筒体の発熱パターンとその内側との温度差を抑制することができる。したがって、急激な温度変化や温度分布の不均一によるセラミック筒体の割れ、ひいてはセラミック筒体の熱衝撃破壊特性をさらに効果的に抑制することができ、車両用加熱装置の信頼性をさらに高めることができる。

一方、ヒータは、セラミック筒体の内側に熱伝導性を有する充填材を充填してなることにより、セラミック筒体の発熱パターンから、その内側の充填材への熱伝導が連続的に行われるため、セラミック筒体の熱衝撃破壊特性をさらに抑制することができる。したがって、セラミック筒体の熱衝撃破壊特性をさらに効果的に抑制することができ、車両用加熱装置の信頼性をさらに高めることができる。

また、センサパターンは、セラミック筒体において発熱パターンよりも端子部側に位置付けられる。これにより、センサパターンにおいて、発熱パターンによる発熱の影響を極力小さくした温度検出を行うことができるとともに、温度変化を端子部側に極力迅速に伝達可能である。したがって、車両用加熱装置の信頼性をさらに高めることができる。

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のヒータの縦断面図である。 図２のセラミック管の斜視図である。 図３の発熱パターンに対して行われる通電制御を説明する図である。

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に示すように、加熱装置１は２本のヒータ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。
ケース４は例えばアルミニウム合金の１又は複数の鋳造体から形成され、各ヒータ２間、及び各ヒータ２とケース４の内面４ａとの間には、クリアランスが確保されている。このクリアランスは後述する冷却液が流れる流路６として使用される。

また、各ヒータ２の両端近傍にはそれぞれＯリング８が装着されている。ケース４の内面４ａ、及びケース４内に突設された支持壁１０には、Ｏリング８の該当位置にそれぞれ凹部１２が凹設されている。これら凹部１２に各Ｏリング８の一部が位置付けられ、これより各ヒータ２はケース４内で両端支持されている。また、各ヒータ２のリード線１４が引き出された端子部１６には、リード線１４を囲むようにして配置された環状の絶縁部材１８がケース４の内面４ａとの間に介在されている。

こうして、各Ｏリング８により、流路６の内外が気密にシールされるとともにケース４からの各ヒータ２への振動の伝達が抑制され、また、各絶縁部材１８により、端子部１６側への電気的な絶縁が行われている。また、ケース４の外面４ｂからは、流路６に連通する入口パイプ２０及び出口パイプ２２が突設されている。
このように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、車両用空調装置の冷凍回路を循環する冷媒などに熱供給する。

例えば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冷媒に熱供給する補助熱源としてとして用いられる。具体的には、図示しない冷却液回路を循環するエチレングリコールなどの冷却液（熱媒体）がエンジンを冷却した後に流路６に入口パイプ２０を介して流入され、ヒータ２によりさらに加熱される。エンジン及び加熱装置１で加熱された冷却液の熱は、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る。

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。冷媒を加熱することによって冷却された冷却液は、流路６から出口パイプ２２を介して流出されて冷却液回路に戻され、エンジンを再び冷却する。なお、加熱装置１は、電気自動車の場合には存在しないエンジンに代わって冷媒に熱供給する代替熱源として利用される。
図２に示すように、ヒータ２は、通電により発熱するセラミックヒータであり、円筒状のセラミック管（セラミック筒体）２４と、セラミック管２４が挿入された有底円筒状の例えばステンレス鋼から形成された金属管（金属筒体）２６とを備えている。

本実施形態の場合には、セラミック管２４の内側には中空部２８が形成されている。また、金属管２６とセラミック管２４との間には、少なくとも高い熱伝導性を有し、好ましくは電気絶縁性及び耐熱性を有する、例えば酸化マグネシウムなど充填層３０が介在されている。
金属管２６の一端開口には前述した端子部１６が形成され、端子部１６はシリコンやガラスなどを鋳込みモールド成形して形成されている。端子部１６からは前述したリード線１４が引き出され、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ている。

図３に示すように、セラミック管２４には、通電により発熱する発熱パターン３２と、通電により温度を検出するセンサパターン３４が内蔵されており、何れもリード線１４を介して上記電源装置に電気的に接続され、図示しない通電回路を構成している。センサパターン３４は、通電による電気抵抗の変化を温度変化として検出する抵抗温度計であり、セラミック管２４において発熱パターン３２よりも端子部１６側に位置付けられている。なお、各パターン３２，３４をセラミック管２４の表面に印刷しても良い。

また、センサパターン３４の外端から引き出された２本のリード線１４は、図示しないインバータに電気的に接続されている。インバータは、上述した電源装置及び通電回路を介し、センサパターン３４が検出する温度変化に応じて、発熱パターン３２への通電をオンオフする通電制御を行う。
図４に示すように、この通電制御では、先ず発熱パターン３２への通電がオンの状態において、センサパターン３４にて検出された温度Ｔが所定の第１閾値ＴＳ１以上となるか否かを判定する。

Ｔ≧ＴＳ１の関係式が成立する場合には、ヒータ２の温度が異常に温度上昇していると判定し、発熱パターン３２の通電をオフにして通電待機状態（ウェイト状態）とする。
次に、発熱パターン３２への通電がオフの状態において、センサパターン３４にて検出された温度Ｔが所定の第２閾値ＴＳ２以上となるか否かを判定する。なお、第２閾値ＴＳ２は第１閾値ＴＳ１よりも小さい値である。そして、Ｔ≦ＴＳ２の関係式が成立する場合には、ヒータ２の温度が適正範囲になったと判定し、発熱パターン３２の通電をオンにして通電復帰状態とする。

このように、流路６に規定量の冷却液が存在する場合、冷却液の温度がＴＳ２以上ＴＳ２以下の適正範囲に制御されるため、ヒータ２、ひいては流路６の冷却液が異常に温度上昇することはない。
一方、発熱パターン３２の通電をオフにした通電待機状態にもかかわらず、センサパターン３４にて検出された温度Ｔが第２閾値ＴＳ２に低下するどころかさらに上昇することがある。この場合には、温度Ｔが第１閾値ＴＳ１よりも大きな所定の第３閾値ＴＳ３以上となるか否かを判定する。

Ｔ≧ＴＳ３の関係式が成立する場合には、冷却液回路への冷却液の未供給状態により流路６に冷却液が存在しない、或いは、冷却液回路からの冷却液の漏洩等の理由により、流路６の冷却液が規定量よりも少ない、いわゆる空焚き状態であると判定する。
この場合には、ヒータ２自体の温度が異常上昇しており、加熱装置１の発煙発火に至るおそれがあるため、加熱装置１の高温異常処理を行う。この異常処理では、発熱パターン３２の通電を継続的にオフすることにより通電完全停止状態（スリープ状態）とし、以降の通電復帰は自動では行わない。

以上のように本実施形態では、ヒータ２は、セラミック管２４が挿入された有底状の金属管２６を具備することにより、セラミック管２４の発熱パターン３２から金属管２６への熱伝導が連続的に行われる。これにより、一般にセラミックよりも金属にほうが熱伝導率が高いため、急激な温度変化や温度分布の不均一によるセラミック管２４の割れ、すなわちセラミック管２４の熱衝撃破壊特性を抑制することができる。

また、セラミック管２４が万一割れた場合であっても、その破片が金属管２６内に留まり、冷却液の流路６、ひいては冷却液回路に混入することが抑制され、冷却液によるエンジン冷却システム（熱交換システム）への弊害が阻止される。したがって、低コスト、速熱性、及び温度検出安定性を備えたセラミックヒータを用いながらにして、信頼性の高い加熱装置１を提供することができる。

また、ヒータ２は、金属管２６とセラミック管２４との間に熱伝導性を有する充填層３０が介在することにより、セラミック管２４の発熱パターン３２から金属管２６への熱伝導を促進することができる。したがって、セラミック管２４の熱衝撃破壊特性をさらに効果的に抑制することができ、加熱装置１の信頼性をさらに高めることができる。
また、ヒータ２は、セラミック管２４の内側を中空とした中空部２８を有することにより、一般に空気は熱伝導率が低いため、セラミック管２４の発熱パターン３２とその内側との温度差を抑制することができる。したがって、セラミック管２４の熱衝撃破壊特性をさらに効果的に抑制することができ、車両用加熱装置１の信頼性をさらに高めることができる。

また、センサパターン３４は、セラミック管２４において発熱パターン３２よりも端子部１６側に位置付けられる。これにより、センサパターン３４において、発熱パターン３２による発熱の影響を極力小さくした温度検出を行うことができるとともに、温度変化を端子部１６側にリード線１４を介して接続されたインバータに極力迅速に伝達可能である。したがって、加熱装置１の信頼性をさらに高めることができる。

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。
例えば上記実施形態では、ヒータ２に中空部２８が形成されるが、これに限らず、セラミック管２４の内側に熱伝導性を有する、充填層３０を形成する充填材と同様の図示しない充填材（酸化マグネシウムなど）を充填してヒータを形成しても良い。この場合であっても、セラミック管２４の発熱パターン３２から、その内側の充填材への熱伝導が連続的に行われるため、セラミック管２４の熱衝撃破壊特性を効果的に抑制することができ、加熱装置１の信頼性をさらに高めることができる。

また、上記実施形態ではヒータ２に充填層３０を有する場合について説明したが、充填層３０を有さず、金属管２６にセラミック管２４をそのまま挿入する場合であっても本発明の本質的な作用効果を十分に得ることができる。
また、上記実施形態では、２本のヒータ２を収容する加熱装置１について説明したが、ヒータを１本設けた場合、或いは３本以上設けた場合であっても本発明を適用することができる。

また、流路６を流れる冷却液は、エチレングリコールなどに限らず種々の熱媒体が適用可能である。
また、本発明の車両用加熱装置は、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、他のタイプの車両の他の用途の車両用熱源としても利用可能であるのは勿論である。

１ 車両用加熱装置
２ ヒータ
４ 筐体
６ 流路
１６ 端子部
２４ セラミック管（セラミック筒体）
２６ 金属管（金属筒体）
３０ 充填層
３２ 発熱パターン
３４ センサパターン

Claims (5)

1. 通電により発熱する発熱パターン、及び通電により温度を検出するセンサパターンを含むセラミック筒体を有したヒータと、
   前記ヒータとの間に熱媒体の流路を形成する筐体と
   を備え、
   前記ヒータは、前記セラミック筒体が挿入された有底状の金属筒体を具備することを特徴とする車両用加熱装置。
2. 前記ヒータは、前記金属筒体と前記セラミック筒体との間に熱伝導性を有する充填層が介在することを特徴とする請求項１記載の車両用加熱装置。
3. 前記ヒータは、前記セラミック筒体の内側が中空であることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用加熱装置。
4. 前記ヒータは、前記セラミック筒体の内側に熱伝導性を有する充填材を充填してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用加熱装置。
5. 前記ヒータは、その一端に前記発熱パターン及び前記センサパターンがそれぞれ電気的に接続された端子部を有し、
   前記センサパターンは、前記セラミック筒体において前記発熱パターンよりも前記端子部側に位置付けられることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の車両用加熱装置。

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