JP5999631B2

JP5999631B2 - 加熱装置

Info

Publication number: JP5999631B2
Application number: JP2012160496A
Authority: JP
Inventors: 和昌高田
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: DE112013002131B4; CN104247559B; JP2013256274A; WO2013157430A1; US9662961B2; US20150125139A1; CN104247559A; DE112013002131T5

Description

本発明は、発熱体により熱媒体を加熱する加熱装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車のように、エンジンの廃熱を充分に利用することが困難な車両において、電熱線ヒータ（発熱体）によって冷却水等の熱媒体を加熱する加熱装置を搭載し、車両の暖房等に利用する技術が知られている。

例えば、特許文献１では、円柱状の電熱線ヒータを伝熱金属により形成された伝熱体に埋設し、当該伝熱体を熱媒体を流通させるケース内に設置して加熱装置を構成し、伝熱体の表面に熱媒体を接触させることで熱媒体を加熱するようにしている。

特開２０１１−１４３７８０号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、伝熱体を介して熱媒体を加熱する構造とした場合、伝熱体が存在する分、加熱装置の寸法や重量が増加するとともに、熱容量の増加により熱交換効率が低下するといった問題がある。

そこで、電熱線ヒータの表面を例えばステンレス等の防錆性を有する物質とした上で、電熱線ヒータの表面に直接熱媒体を接触させるような構成の加熱装置が検討されている。このような加熱装置は、例えば円柱状の電熱線ヒータの両端にＯリングを設け、ケースに設けられた穴に電熱線ヒータを挿入することで組み立てられ、Ｏリングによって電熱線ヒータの周囲を流通する熱媒体の外部への漏れを防止するような構成が考えられる。

しかしながら、Ｏリングはゴムで形成されているため、加熱装置の組み立て時に電熱線ヒータをケースへ挿入する際にＯリングを破損させる虞がある。また、電熱線ヒータによる発熱によりＯリングが劣化する虞もある。

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、簡易な構成でＯリングの破損または劣化を防止して組み立て性の良好な、熱交換効率の高い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、請求項１の加熱装置は、ケースに設けられた孔に円柱状の発熱体を挿入して組み立てられ、前記ケース内に導入した熱媒体を前記発熱体により加熱する加熱装置であって、前記発熱体は、少なくとも片方の端部にテーパ部が形成された円筒状の筒部と前記筒部に内装された電熱線と前記筒部の前記テーパ部側の端部を封止する底板とを備えて構成され、前記端部が前記ケースに設けられたボス部に挿入されて、前記ボス部の内周壁と前記発熱体の外周壁との間に配設されたＯリングによって支持され、前記ケースには、前記Ｏリングの内側に前記発熱体の外周面に沿って熱媒体を通過させる熱媒体通路が形成されるとともに、前記底板は、前記テーパ部よりも前記筒部の軸方向内側に配置されることを特徴とする。

また、請求項２の加熱装置は、請求項１において、前記底板は、前記筒部の内壁に溶接されて前記筒部の端部を封止することを特徴とする。

また、請求項３の加熱装置は、請求項１または２において、車両に搭載され、前記熱媒体は、前記車両の空調装置に用いられる冷却水であることを特徴とする。

請求項１記載の加熱装置によれば、ケース内の円柱状の発熱体の外周壁に面して熱媒体通路が形成され、この熱媒体通路を熱媒体が通過することで、発熱体の外周壁に熱媒体が接触して、熱媒体を効率よく加熱することができ、熱交換効率の良好な加熱装置とすることができる。
また、加熱装置は、円柱状の発熱体をケースに挿入して組み立てられ、熱媒体通路を通過する熱媒体はＯリングによって外部への流出を阻止することができ、簡易な構成で組み立て性を良好とすることができる。

更に、発熱体の挿入方向先端側にテーパ部が形成されているので、加熱装置の組み立て時において発熱体を挿入する際に発熱体の端部の引っ掛かりによるＯリングの破損を防止することができる。
また、筒体の端部を封止する底板が、テーパ部よりも軸線方向内側に配置されているので、筒体の端部を切削する追加工が可能となり、テーパ部の形成及び筒体全体の長さの調整が可能となって、筒体のテーパ部の形状及び全長を精度良く設定することができる。
また、底板がテーパ部よりも軸線方向内側に配置されていることから、発熱体の端部が中空構造となるので、電熱線による発熱体の加熱時において当該端部の温度上昇が抑制される。これにより、発熱体の端部を支持する部位であるケースのボス部について耐熱性を低下させることができ、材質等の設計上の自由度を向上させることができる。
請求項２記載の加熱装置によれば、底板が筒部の内壁に溶接されるので、筒部の外側の溶接焼けを減らすことができるとともに、筒部の外側に接続箇所をなくすことができ、ケースに挿入した際にボス部での気密性を向上させることができる。

請求項３記載の加熱装置によれば、加熱装置によって車両の空調装置に用いられる冷却水を加熱することができる。これにより、ハイブリッド車や電動車両に好適な、簡易な構成で組み立て性の良好な熱交換効率の高い加熱装置を提供することができる。

本願発明の一実施形態の加熱装置の外観を示す斜視図である。図１の電熱線ヒータの挿入部における加熱装置の横断面図である。図１の電熱線ヒータの内部構造を示す横断面図である。図１の電熱線ヒータの端部の形状を示す拡大図である。図１の電熱線ヒータの端部の内部構造を示す拡大断面図である。

図１〜図３を用いて本願発明の一実施形態の加熱装置について説明する。
図１は、本願発明の一実施形態の加熱装置の外観を示す斜視図である。
図１に示されるように、加熱装置１は２つの円柱状の電熱線ヒータ２（発熱体）と、電熱線ヒータ２が収容されるケース３とを有して構成されている。

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（熱源）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等の熱媒体の加熱に用いられる。

具体的には、ハイブリッド自動車の場合には、加熱装置１は、エンジンの冷却水回路に介装され、冷却水回路を循環するＬＬＣ（冷却水、不凍液）を熱媒体として導入し電熱線ヒータ２により加熱することが可能である。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。

一方、電気自動車の場合には、加熱装置１は、冷媒を循環する冷凍回路に介装され、熱媒体として冷媒を導入し電熱線ヒータ２により加熱することが可能である。この冷凍回路は上記ハイブリッド自動車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、熱媒体として水を導入し、当該水を電熱線ヒータ２によって加熱して温水にし、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。

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１に示すように、ケース３は、内部に空間を有する直方体の箱型に形成されており、一側面に電熱線ヒータ２を挿入する孔３０が、上下方向に間隔をおいて２個設けられている。また、ケース３の上面には、冷却水の入口部３２と出口部３３とが設けられている。
ケース３の内部は、図１中左右方向中間部を上下方向に延び、ケース３内の空間を左右に仕切る隔壁部３５が設けられている。隔壁部３５には、電熱線ヒータ２が挿入可能な穴が形成されている。また、隔壁部３５は、２つの電熱線ヒータ２より下方でケース３内の空間が左右で連通可能となるように形成されている。

図２は電熱線ヒータ２の挿入部における加熱装置１の横断面図である。
図２に示すように、ケース３の左右幅は、電熱線ヒータ２の長さより若干大きく設定されている。
ケース３に設けられた電熱線ヒータ２の挿入用の孔３０は、ケース３を左右方向に貫通している。そして、この孔３０の一方の縁部には、電熱線ヒータ２の外径より小さい孔となるように段差４０が設けられている。電熱線ヒータ２は、段差４０を有しない側から孔３０に挿入可能であり、先端が段差４０に接触するまでケース３内に挿入して位置決めされる。

ケース３には、電熱線ヒータ２の前端部及び後端部が挿入されるボス部４２、４３が形成されている。ボス部４２、４３の内周壁には、円環状の溝４７が設けられるとともに、当該溝４７には、Ｏリング５０が夫々挿入されている。
電熱線ヒータ２を段差４０に接触するまで完全にケース３に挿入したときに、ボス部４２、４３に保持されたＯリング５０によって、電熱線ヒータ２の前端部及び後端部が支持される。

ケース３内には、ボス部４２、４３に保持された２つのＯリング５０の間で、電熱線ヒータ２の外周壁に沿って冷却水が流通可能なように隙間４５（熱媒体通路）が設けられている。この隙間４５は、ケース内の空間の一部を形成しており、電熱線ヒータ２の上下のケース３内の空間と連通している。隙間４５を通過する熱媒体が電熱線ヒータ２の外周壁に極力近づいた位置を通過するように、隙間４５の幅は小さく形成されている。また、隙間４５は、隔壁部３５によって左右に分割されている。

図３に示されるように、電熱線ヒータ２は、有底円筒状の金属パイプ５１(筒部)内にニクロム線などのコイル状の電熱線５２を挿入し、金属パイプ５１内に高い電気絶縁性及び熱伝導性を有する耐熱絶縁材を加圧充填して電熱線５２を封入することで形成される。この耐熱絶縁材は例えば酸化マグネシウムなどであり、耐熱絶縁材及び金属パイプ５１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。また、金属パイプ５１は、例えばステンレス鋼等の防錆性を有する金属で形成されている。

金属パイプ５１の一端には、電熱線５２に接続され、外部に先端を突出する端子５４を有している。各電熱線ヒータ２の各端子５４は外部の電源装置５６に電気的に接続されている。

電源装置５６は、車両を総合的に制御する外部の電子制御装置（ＥＣＵ）５８に電気的に接続されている。ＥＣＵ５８は電源装置５６を介し、２つの各電熱線ヒータ２のうちの各々または両方の端子５４に対して個別に通電する通電制御を可能としている。

そして、本実施形態では、特に、金属パイプ５１の両端部、即ち電熱線ヒータ２の両端部に、数ｍｍ程度のテーパ部６０が形成されている。
更に、電熱線ヒータ２の、挿入方向先端側のテーパ部６０とＯリング５０の支持位置との間の外周面にＲ部６１が設けられている。
詳しくは、図４に示すように、電熱線ヒータ２の挿入方向先端側の端部は、電熱線ヒータの挿入前のＯリング５０の内径よりも中心側の位置からテーパ部６０が形成され、このテーパ部６０から電熱線ヒータ２の挿入後のＯリング５０の支持位置の方向へ連続してＲ部６１が形成されている。
また、電熱線ヒータ２の内部の電熱線５２は、電熱線ヒータ２がケース３に挿入されたときに２つのＯリング５０が接触する位置より軸方向で内側に離間した範囲内でしか設置されていない。
図５は、電熱線ヒータ２の端部の内部構造を示す拡大断面図である。本図は、電熱線ヒータ２の両端部のうち、端子５４が突出している側とは反対側の端部の構造を示している。
図５に示すように、電熱線ヒータ２の端子５４が突出している側とは反対側の端部では、円筒状の金属パイプ５１に底板６５が溶接されて当該端部が封止されている。
底板６５は、円板状に形成され、その外周部が全周に亘って例えば数ｃｍ程度垂直に折り曲げられて鍔部６６が形成されている。
底板６５は、電熱線ヒータ２の端部のテーパ部６０よりも軸線方向内側（電熱線５２側）に設置されており、鍔部６６が外方側に配置され、当該鍔部６６の先端部６６ａと金属パイプ５１の内壁５１ａとが全周に亘って溶接されている。

以上のような構成により、本実施形態の加熱装置１では、入口部３２に冷却水を流入させると、図１内の２点鎖線矢印で示すように、冷却水は、電熱線ヒータ２の側方を通過して下方に流通し、ケース３内の下部で入口部３２側から出口部３３側に左右方向に移動して、更に電熱線５２の側方を通過しながら上方に移動して出口部３３から排出される。

このように加熱装置１内に冷却水を導入して、電熱線ヒータ２の側方を通過する際には、電熱線ヒータ２の外周壁に面した隙間４５を冷却水が通過するので、電源装置５６から電熱線ヒータ２の電熱線５２に電力を供給することで、電熱線５２から発生する熱により冷却水を加熱することができる。

本実施形態では、電熱線ヒータ２の外周壁に直接冷却水が接触する構造であるので、熱交換効率が高く、また、加熱装置１の寸法や重量を抑制することができ、車両搭載に好適な加熱装置１とすることができる。

また、本実施形態では、電熱線ヒータ２の挿入部においてＯリング５０を用いているので、簡素且つコンパクトな構造でケース３内からの冷却水の洩れを防止することができる。
更に、ケース３の溝４７にＯリング５０を嵌め込み、電熱線ヒータ２を挿入することで、加熱装置１を組み立てることができるので、加熱装置１の組み立て性を良好にすることができる。

例えば、電熱線ヒータ２にフランジを設け、このフランジとケース３とをボルト等で固定するような構造と比較して、本実施形態では、組み立て性が向上するとともに、加熱装置１全体のコンパクト化及び軽量化を図ることができる。

そして、本実施形態では、電熱線ヒータ２の挿入方向先端側の端部にテーパ部６０及びＲ部６１を形成しているので、電熱線ヒータ２のケース３への挿入時において、電熱線ヒータ２の先端部がＯリング５０に引っ掛らずに滑らかに挿入することができ、Ｏリング５０の破損を防止することができる。このように本願発明の加熱装置１は、組み立て時における部品破損をし難くして、組み立て性を更に向上させることができる。

また、電熱線ヒータ２の内部の電熱線５２が、Ｏリング５０が接触する部位によりも内側に離間した位置までしか配置されていないので、組み立て後の電熱線５２とＯリング５０との距離を確保することができる。これにより、電熱線５２からの熱によるＯリング５０の劣化を抑制することができる。
このように、本実施形態では、Ｏリング５０の破損や劣化を簡易な構成で防止することができ、ケース３内から外部への冷却水の漏れを長期間防止することが可能となる。
また、電熱線ヒータ２の金属パイプ５１の端部を封止する底板６５が、テーパ部６０よりも軸線方向内側に配置されているので、底板６５の溶接後に金属パイプ５１の端部を切削する追加工が可能となる。したがって、底板６５の溶接後に金属パイプ５１の端部を切削してテーパ部６０を形成することができるとともに、金属パイプ５１全体の長さの調整も可能となり、金属パイプ５１のテーパ部６０の形状及び全長を精度良く設定することができる。また、本実施形態では、底板６５の溶接部を削ることなく金属パイプ５１の端部を平坦に形成することができ、電熱線ヒータ２の内部の気密性を保持しつつ電熱線ヒータ２の端部を一定の滑らかな形状に追加工することができる。
更には、底板６５がテーパ部６０よりも軸線方向内側に配置されていることから、電熱線ヒータ２の端部が中空構造となるので、電熱線ヒータ２の作動時において当該端部の温度上昇が抑制される。これにより、電熱線ヒータ２の端部を支持する部位であるケース３のボス部４２について耐熱性を低下させることができ、材質等の設計上の自由度を向上させることができる。
また、底板６５が金属パイプ５１の内壁５１ａに溶接されるので、金属パイプ５１の外側の溶接焼けを減らすことができるとともに、金属パイプ５１の外側に接続箇所をなくすことができ、ケース３に挿入した際にボス部４２での気密性を向上させることができる。
なお、本発明は上記の実施形態に限定するものではない。例えば、電熱線ヒータ２の挿入方向先端側の端部にテーパ部６０を設けることと、電熱線ヒータ２の内部の電熱線５２を、ケース３に電熱線ヒータ２が挿入されたときにＯリング５０が接触する部位よりも内側に離間した位置に配置することのうち、少なくともいずれか一方を採用すればよい。
また、上記実施形態では、電熱線ヒータ２の両端部を夫々Ｏリング５０で支持しているが、ケース３が電熱線ヒータ２の挿入方向先端側で孔３０を閉塞するように構成されている場合には、２つのＯリング５０のうち挿入方向先端側のＯリング５０が不要となる。このような場合でも上記実施形態のように、電熱線ヒータ２の挿入方向先端側の端部にテーパ部６０及びＲ部６１を形成することで、組み立て時に残りのＯリング５０の破損を防止することができる。
また、上記実施形態では、電熱線ヒータ２の端子５４が突出している側からケース３に挿入する構成であるが、端子５４が突出している側とは反対側、即ち底板６５により封止されている側から電熱線ヒータ２をケース３に挿入する構成である場合には、上記のように底板６５がテーパ部６０よりも軸線方向内側に配置され、金属パイプ５１の端部を追加工して電熱線ヒータ２の端部を滑らかな形状にすることで、ケース３に電熱線ヒータ２を挿入する際に、更にＯリング５０を破損し難くすることができる。

なお、本発明の加熱装置は、電熱線５２以外の発熱体を適用することもできる。また、水以外の流体を熱媒体としても良い。但し、安価な汎用の電熱線ヒータ２を用いることで加熱装置１の製造コストを低減することができるとともに、汎用の電熱線ヒータ２は一般に広く普及し信頼性も高いことから、加熱装置１の信頼性を高めることができて好ましい。

更に、本発明の加熱装置１を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ことにより、冷却水回路、冷凍回路、ひいてはこれらの回路が設けられる空調装置、ひいてはこの空調装置が搭載される上記車両の組立性の向上及び製造コストの低減を図ることができて好ましい。また、加熱装置１を上記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電熱線ヒータ（発熱体）
３ケース
４２、４３ボス部
４５隙間（熱媒体通路）
５０Ｏリング
５１金属パイプ（筒部）
５２電熱線
６０テーパ部
６１Ｒ部

Claims

ケースに設けられた孔に円柱状の発熱体を挿入して組み立てられ、前記ケース内に導入した熱媒体を前記発熱体により加熱する加熱装置であって、
前記発熱体は、少なくとも片方の端部にテーパ部が形成された円筒状の筒部と前記筒部に内装された電熱線と前記筒部の前記テーパ部側の端部を封止する底板とを備えて構成され、前記端部が前記ケースに設けられたボス部に挿入されて、前記ボス部の内周壁と前記発熱体の外周壁との間に配設されたＯリングによって支持され、
前記ケースには、前記Ｏリングの内側に前記発熱体の外周面に沿って熱媒体を通過させる熱媒体通路が形成されるとともに、
前記底板は、前記テーパ部よりも前記筒部の軸方向内側に配置されることを特徴とする加熱装置。
前記底板は、前記筒部の内壁に溶接されて前記筒部の端部を封止することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
前記加熱装置は、車両に搭載され、
前記熱媒体は、前記車両の空調装置に用いられる冷却水であることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱装置。