特許第6430289号(P6430289)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6430289
(24)【登録日】2018年11月9日
(45)【発行日】2018年11月28日
(54)【発明の名称】熱媒体加熱装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
   B60H 1/22 20060101AFI20181119BHJP
   H05B 3/06 20060101ALI20181119BHJP
【FI】
   B60H1/22 611C
   H05B3/06 B
【請求項の数】4
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2015-38283(P2015-38283)
(22)【出願日】2015年2月27日
(65)【公開番号】特開2016-159693(P2016-159693A)
(43)【公開日】2016年9月5日
【審査請求日】2017年12月12日
(73)【特許権者】
【識別番号】516299338
【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100140914
【弁理士】
【氏名又は名称】三苫 貴織
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100118913
【弁理士】
【氏名又は名称】上田 邦生
(72)【発明者】
【氏名】姫野 太充
(72)【発明者】
【氏名】小南 聡
(72)【発明者】
【氏名】松原 史郎
(72)【発明者】
【氏名】足立 知康
【審査官】 田中 一正
(56)【参考文献】
【文献】 特開2008−016718(JP,A)
【文献】 国際公開第2006/025465(WO,A1)
【文献】 特開2012−141096(JP,A)
【文献】 特開2014−224628(JP,A)
【文献】 国際公開第2014/000665(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B60H 1/22
H05B 3/06
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部にて熱媒体が流通する扁平状の熱交換管と、
PTC(Positive Temperature Coefficient)特性を有し、前記熱交換管と重ねて配置されるPTCヒータと、
互いに重ねられた前記熱交換管及び前記PTCヒータの両面側にそれぞれ設置され、前記熱交換管及び前記PTCヒータを挟む支持部と、
を備える熱媒体加熱装置の製造方法であって、
互いに重ねられた前記熱交換管及び前記PTCヒータを前記支持部間に配置する工程と、
前記熱交換管内部に圧力をかけて、前記支持部間に配置された前記熱交換管を拡張する工程と、
前記支持部間の距離を縮めて、前記支持部間に配置された前記熱交換管を強制変位させる工程と、
を有し、
前記熱交換管の強制変位量は、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性に基づいて決定される熱媒体加熱装置の製造方法。
【請求項2】
前記熱交換管と前記PTCヒータとの間の隙間の大小に関わらず、前記熱交換管と前記PTCヒータの接触力が保持されるように、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性が設定される請求項1に記載の熱媒体加熱装置の製造方法。
【請求項3】
前記PTCヒータの温度変動の繰り返し回数に関わらず、前記熱交換管と前記PTCヒータの接触力が保持されるように、前記熱交換管の強制変位量が設定される請求項1又は2に記載の熱媒体加熱装置の製造方法。
【請求項4】
前記熱交換管の強制変位量は、下記の式1を満たすように、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性に基づいて決定される請求項1から3のいずれか1項に記載の熱媒体加熱装置の製造方法。
y≦(kA+B)x+(kC+D) …… (式1)
ここで、xは拡管圧力[MPa]、yは相対強制変位[-](無次元)、kは前記熱交換管の剛性[N/mm]である。A,B,C,Dは、いずれも係数であり、下記の式2〜式5に示す範囲である。
+2.6×10-5≦A≦+3.3×10-5 …… (式2)
−1.5×10-2≦B≦−9.2×10-3 …… (式3)
−6.0×10-5≦C≦−5.3×10-5 …… (式4)
+2.2×10-2≦D≦+2.7×10-2 …… (式5)
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、PTCヒータを用いて熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電気自動車やハイブリッド車等の車両用空調装置において、PTC素子を用いて暖房用の熱源となる熱媒体を加熱するPTCヒータを組み込んだ熱媒体加熱装置が用いられている。熱媒体加熱装置は、内部に熱媒体が流通される流路が形成された扁平状の扁平熱交換管が複数枚積層され、2枚の扁平熱交換管の間にPTCヒータが密着して設置される。これにより、PTCヒータの発熱で扁平熱交換管内を流通する熱媒体が加熱される。
【0003】
下記の特許文献1では、扁平熱交チューブ(扁平熱交換管)の内部に圧力をかけて、熱交チューブを拡管することによって、熱交チューブとPTCヒータとを密着させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2014−224628号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
熱媒体加熱装置は、加熱性能を向上させるため、扁平熱交換管とPTCヒータ間の接触熱抵抗を低減させることが望ましい。そのためには、扁平熱交換管とPTCヒータの接触力を高める必要がある。
【0006】
しかし、特許文献1に示されているような拡管方法によって、扁平熱交換管とPTCヒータとを密着させる場合、内部圧力を高く設定しすぎる(例えば1.5MPa)と、セラミックス製のPTCヒータが破損してしまう。
【0007】
本発明者らは、内部圧力を比較的低く設定する(例えば0.7MPa)代わりに、扁平熱交換管とPTCヒータを両側から挟む際の強制変位の変位量を大きく設定(例えば0.2mm)して、接触力の向上を試みた。その結果、熱媒体加熱装置の温度変動の繰り返しによって、扁平熱交換管に縮み変形が生じてしまい、扁平熱交換管とPTCヒータの接触力が徐々に低下した。したがって、扁平熱交換管とPTCヒータの接触力を高めるには、他のパラメータを考慮せずに内部圧力を単純に高く設定するという方法や、内部圧力を比較的低く設定し、強制変位の変位量を大きく設定するという方法以外の方法を検討する必要があるという知見が得られた。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、扁平熱交換管に縮み変形を生じさせず、かつ、扁平熱交換管とPTCヒータ間の接触力を向上させることが可能な熱媒体加熱装置の製造方法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】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明の熱媒体加熱装置の製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る熱媒体加熱装置の製造方法は、内部にて熱媒体が流通する扁平状の熱交換管と、PTC(Positive Temperature Coefficient)特性を有し、前記熱交換管と重ねて配置されるPTCヒータと、互いに重ねられた前記熱交換管及び前記PTCヒータの両面側にそれぞれ設置され、前記熱交換管及び前記PTCヒータを挟む支持部とを備える熱媒体加熱装置の製造方法であって、互いに重ねられた前記熱交換管及び前記PTCヒータを前記支持部間に配置する工程と、前記熱交換管内部に圧力をかけて、前記支持部間に配置された前記熱交換管を拡張する工程と、前記支持部間の距離を縮めて、前記支持部間に配置された前記熱交換管を強制変位させる工程とを有し、前記熱交換管の強制変位量は、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性に基づいて決定される。
【0010】
この構成によれば、熱交換管内部に圧力をかけて、熱交換管を拡張するとともに、支持部間の距離を縮めて、熱交換管を強制変位させることによって、熱交換管とPTCヒータの接触力を向上させる。このとき、熱交換管内部にかける圧力だけでなく、熱交換管の剛性に基づいて、熱交換管の強制変位量が決定される。発明者らによって、熱交換管の強制変位量が大きいと、熱媒体加熱装置の温度変動の繰り返しによって、熱交換管に縮み変形が生じ、接触力が低減していくという知見が得られている。上記構成によれば、熱交換管内部にかける圧力と熱交換管の剛性を考慮して熱交換管の強制変位量が決定されることによって、熱媒体加熱装置の温度変動の繰り返しが増えた場合でも、接触力の低減を抑制できる。
【0011】
上記発明において、前記熱交換管と前記PTCヒータとの間の隙間の大小に関わらず、前記熱交換管と前記PTCヒータの接触力が保持されるように、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性が設定される。
【0012】
この構成によれば、熱交換管内部に圧力をかけたとき、熱交換管とPTCヒータとの間の隙間の大小に関わらず、熱交換管とPTCヒータの接触力が保持される。たとえば、熱交換管内部にかける圧力を比較的高く設定し、熱交換管の剛性を比較的低く設定することによって、熱交換管とPTCヒータとの間の隙間が大きい場合であっても、熱交換管とPTCヒータの接触力を保持できる。
【0013】
上記発明において、前記PTCヒータの温度変動の繰り返し回数に関わらず、前記熱交換管と前記PTCヒータの接触力が保持されるように、前記熱交換管の強制変位量が設定される。
【0014】
この構成によれば、支持部間に配置された熱交換管を強制変位させた結果、PTCヒータの温度変動の繰り返し回数、例えば熱媒体加熱装置の運転回数に関わらず、熱交換管とPTCヒータの接触力が保持される。たとえば、熱交換管の強制変位量を比較的小さく設定することによって、PTCヒータの温度変動の繰り返しが増加したとしても、熱交換管に縮み変形が生じにくく、接触力の低減を抑制できる。
【0015】
上記発明において、前記熱交換管の強制変位量は、下記の式1を満たすように、前記熱交換管内部にかける圧力と、前記熱交換管の剛性に基づいて決定される。
y≦(kA+B)x+(kC+D) …… (式1)
ここで、xは拡管圧力[MPa]、yは相対強制変位[-](無次元)、kは扁平熱交換管14の剛性[N/mm]である。A,B,C,Dは、いずれも係数であり、下記の式2〜式5に示す範囲である。
+2.6×10-5≦A≦+3.3×10-5 …… (式2)
−1.5×10-2≦B≦−9.2×10-3 …… (式3)
−6.0×10-5≦C≦−5.3×10-5 …… (式4)
+2.2×10-2≦D≦+2.7×10-2 …… (式5)
【0016】
この構成によれば、熱交換管内部に圧力をかけたとき、熱交換管とPTCヒータとの間の隙間の大小に関わらず、熱交換管とPTCヒータの接触力が保持され、かつ、支持部間に配置された熱交換管を強制変位させた結果、PTCヒータの温度変動の繰り返し回数、例えば熱媒体加熱装置の運転回数に関わらず、熱交換管とPTCヒータの接触力が保持される。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、扁平熱交換管に縮み変形を生じさせず、かつ、扁平熱交換管とPTCヒータ間の接触力を向上させることができ、その結果、熱媒体加熱装置の伝熱性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
図1】本発明の第1実施形態に係る熱媒体加熱装置の外観斜視図である。
図2図1に示す熱媒体加熱装置の分解斜視図である。
図3図1に示す熱媒体加熱装置の縦断面図である。
図4図1に示す熱媒体加熱装置の熱交換エレメントの側面図である。
図5図4に示す熱交換エレメントの分解斜視図である。
図6図4に示す熱交換エレメントの熱媒体出入口パイプ取り出し部の拡大断面図である。
図7図4に示す熱交換エレメントの扁平熱交換管、熱媒体出入口ヘッダおよび熱媒体出入口パイプの平面図である。
図8図7に示す扁平熱交換管、熱媒体出入口ヘッダおよび熱媒体出入口パイプのチューブ長手方向の側面図である。
図9図7に示す扁平熱交換管、熱媒体出入口ヘッダおよび熱媒体出入口パイプの左側面図である。
図10図7に示す扁平熱交換管、熱媒体出入口ヘッダおよび熱媒体出入口パイプの分解斜視図である。
図11図7に示す扁平熱交換管の断面図である。
図12】扁平熱交換管の第1変形例を示す断面図である。
図13】扁平熱交換管の第2変形例を示す断面図である。
図14】拡管圧力を変化させたときの接触力と隙間の関係を示すグラフである。
図15】波形インナーフィンのピッチを変化させたときの接触力と隙間の関係を示すグラフである。
図16】強制変位量を変化させたときの接触力と運転回数の関係を示すグラフである。
図17】扁平熱交換管における強制変位量と拡管圧力の関係を示すグラフである。
図18】扁平熱交換管における相対強制変位量と拡管圧力の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図1から図11を参照して、本発明の第1実施形態に係る熱媒体加熱装置について説明する。
熱媒体加熱装置1は、電気自動車やハイブリッド車等に適用される車両用空調装置であり、暖房用の熱源となる熱媒体を加熱する。熱媒体加熱装置1は、放熱器との間で熱媒体ポンプを介して熱媒体が循環される。
【0020】
熱媒体加熱装置1において、熱交換エレメント12は、Uターン流路21が形成されている複数枚の扁平熱交換管14と、扁平熱交換管14間に設置されるPTCヒータ18とによって構成され、扁平熱交換管14とPTCヒータ18がそれぞれ交互に積層されている。
【0021】
扁平熱交換管14は、その一端がロウ付け接合によって、熱媒体出入口ヘッダ17と接続されるとともに、熱媒体出入口ヘッダ17は、熱媒体の入口パイプ15及び出口パイプ16と接続されている。
【0022】
熱交換エレメント12は、押え板40又は下部ハウジング3の底面と、基板台41との間に挟み込まれる。そして、扁平熱交換管14とPTCヒータ18は、互いに密着した状態でハウジング2内に収容設置されている。
【0023】
ハウジング2は、箱形形状であって、一側面にパイプ貫通面5を有し、パイプ貫通面5には、熱媒体が流通する入口パイプ15又は出口パイプ16がシール状態で貫通される貫通穴6又は7が設けられている。
【0024】
パーティングラインPLは、パイプ貫通面5の上方部からパイプ貫通面5の対向面8の下方部に向って斜めに設けられている。パーティングラインPLは、上下に2分割された樹脂製の下部ハウジング3と上部ハウジング4とから構成されている。上部ハウジング4は、内装部品が組み付けられた下部ハウジング3に対して、液状ガスケット等を介してねじで締め付け固定される。
【0025】
下部ハウジング3の他の一側面9には、HVハーネス48及びLVハーネス49が貫通する貫通穴10を備えたハーネス貫通部11が設けられている。また、下部ハウジング3の底面には、熱交換エレメント12をねじ等で締め付け固定するための複数のボス部3Aが設けられる。シール部材53は、貫通穴6,7に入口パイプ15及び出口パイプ16を貫通させた後、貫通穴6,7を密閉シールする。パイプ貫通面5には、シール部材53を締め付け固定するための複数のボス部3Bが一体成形により設けられる。
【0026】
ハウジング2の内部には、熱交換エレメント12と、制御基板13とが収容設置されている。熱交換エレメント12は、入口パイプ15及び出口パイプ16を介して流通される熱媒体と熱交換して、熱媒体を加熱する。制御基板13は、熱交換エレメント12を構成するPTCヒータ18に印加される電力を制御する。熱交換エレメント12は、図4,5に示されるように、複数枚(本実施形態の場合、4枚)の扁平熱交換管14と、熱媒体出入口ヘッダ17と、複数組のPTCヒータ18などから構成されている。
【0027】
熱媒体出入口ヘッダ17は、複数枚の扁平熱交換管14が所定の間隔で接続されるとともに、一対の入口パイプ15及び出口パイプ16が接続され、ロウ付け接合により一体化されている。複数組のPTCヒータ18は、複数枚の扁平熱交換管14間に組み込まれる。
【0028】
扁平熱交換管14は、図7から図9に示されるように、一端に設けられた熱媒体入口19から流入した熱媒体が他端側でUターンして一端側に設けられた熱媒体出口20に戻るUターン流路21が形成されている。複数枚の扁平熱交換管14は、各々の熱媒体入口19及び熱媒体出口20を熱媒体出入口ヘッダ17にロウ付けによって接続され、各扁平熱交換管14と熱媒体出入口ヘッダ17とが一体化されている。
【0029】
各扁平熱交換管14は、図10及び図11に示されるように、上下一対の成形プレート22A,22Bが突き合わされて対向配置されている。
【0030】
成形プレート22A,22Bは、アルミ合金製であり、凹状にUターン流路21が成形される。
【0031】
成形プレート22A,22BのUターン流路21の直線部分には、図11に示すように、アルミ合金製の薄板を波形に成形した同一形状の波形インナーフィン23A,23Bが2枚重ねにされて挿入され一体にロウ付け接合される。
なお、本実施形態に係る波形インナーフィン23の形状は、上述した例に限定されない。波形インナーフィン23は、例えば図12及び図13に示すように、高さ方向中央部にて段差部が設けられた断面形状を有し、成形プレート22A,22Bの間に1枚のみ設けられてもよい。
【0032】
成形プレート22A,22BのUターン流路21のUターン部位には、成形プレート22A,22Bの内面側に突出されたU字形をなすリブ24が一体成形される。
【0033】
成形プレート22A,22Bは、内面側のみにロウ材が被覆(クラッド)されたクラッド材を用いて成形され、全ての波形インナーフィン23A,23Bは、ベア材で成形される。
【0034】
図11に示す2枚の波形インナーフィン23A,23Bは、重ねて挿入され、波形インナーフィン23A,23Bの一面側が成形プレート22A,22Bの内面にロウ付け接合される。中央合わせされた2枚の波形インナーフィン23A,23B同士は接合されない。これにより、扁平熱交換管14の内部に圧力をかけたとき、インナーフィンの挿入にも拘らず、扁平熱交換管14自体が容易に拡管される。
【0035】
このため、複数枚の扁平熱交換管14を、その間に電極板37,38及び絶縁シート(図示省略)を含むPTCヒータ18を挿入設置することが可能な一定の隙間を確保して配置してもよい。すなわち、複数枚の扁平熱交換管14間にPTCヒータ18を交互に積層配置した後、波形インナーフィン23A,23Bが挿入されている扁平熱交換管14を拡管することによって、複数枚の扁平熱交換管14と複数組のPTCヒータ18とを密着させて設置することができる。また、扁平熱交換管14とPTCヒータ18間の接触熱抵抗を低減して熱伝達率を向上し、熱媒体加熱装置1を高性能化することができるとともに、扁平熱交換管14間へのPTCヒータ18の組み込みを容易化し、組み立て性を向上することができる。
【0036】
より具体的には、2枚の波形インナーフィン23A,23Bは、図11に示されているように、一方の波形インナーフィン23Aの山部23Cと谷部23Dが、他方の波形インナーフィン23Bの山部23Cと谷部23Dと対向配置される。各々の波形インナーフィン23A,23Bの山部23Cが成形プレート22A,22Bの内面にロウ付け接合されるとともに、谷部23D同士が直接接触されるように挿入設置されており、2枚の波形インナーフィン23A,23B同士は、ロウ付けされず非接合状態とされている。また、波形インナーフィン23A,23Bは、山部23Cと谷部23DのピッチP1,P2が等ピッチ(P1=P2)とされている。なお、本発明に係る波形インナーフィンの断面形状は、上述した形状に限定されず、他の形状であってもよい。
【0037】
熱媒体出入口ヘッダ17は、入口パイプ15から流入した熱媒体を複数枚の扁平熱交換管14に分配し、かつ、各扁平熱交換管14内を流通する間にPTCヒータ18により加熱された熱媒体を合流して出口パイプ16に流出させる。
【0038】
熱媒体出入口ヘッダ17は、図10に示されるように、ヘッダプレート25と、ヘッダタンク部材27と、パイプ接続部材32が結合されて一体化されている。
【0039】
ヘッダプレート25は、アルミ合金製の板材が成形され、外面にロウ材がクラッドされている。ヘッダタンク部材27は、仕切壁で区画され、一対の入口ヘッダタンク部28と出口ヘッダタンク部29とが形成される。また、ヘッダタンク部材27は、アルミ合金製の外面にロウ材がクラッドされ、ヘッダプレート25と結合される。
【0040】
パイプ接続部材32は、アルミ合金製のめがね形状とされ、ヘッダタンク部材27の外面側において入口パイプ15及び出口パイプ16を接続する一対の接続口33,34を備える。
【0041】
ヘッダプレート25には、接続穴26が、左右2列、各列4段に設けられている。接続穴26には、複数枚(4枚)の扁平熱交換管14の熱媒体入口19及び熱媒体出口20が挿入されて接続される。
【0042】
また、ヘッダタンク部材27の入口ヘッダタンク部28には、入口パイプ15と連通する熱媒体入口30が設けられ、出口ヘッダタンク部29には、出口パイプ16と連通する熱媒体出口31が設けられている。
【0043】
さらに、パイプ接続部材32には、一対の接続口33,34が設けられるほか、水温センサ設置片35A,35Bと、フランジ部36A,36Bが一体に設けられている。
【0044】
水温センサ設置片35A,35Bは、各々の接続口33,34の上部から上方に延出された部位である。フランジ部36A,36Bは、基板台41の脚部42に設けられている固定部42Aに対してねじ止め固定される。
【0045】
入口パイプ15又は出口パイプ16は、所定長さの円筒状のパイプであり、パイプ接続部材32の接続口33又は34と、ヘッダタンク部材27の熱媒体入口30又は熱媒体出口31に一端が挿入され、ロウ付け接続される。
【0046】
なお、上記した扁平熱交換管14の各構成部品間、熱媒体出入口ヘッダ17の各構成部品間、扁平熱交換管14と熱媒体出入口ヘッダ17間、及び、熱媒体出入口ヘッダ17と入口パイプ15又は出口パイプ16間は、それぞれロウ付けにより結合される。ロウ付け結合は、冶具を用いて各構成部品を上記の構成で仮組み立てした後に、一括して炉中ロウ付けを行ってもよい。
【0047】
熱交換エレメント12は、図7から図9に示されるように、一体化された扁平熱交換管14、入口パイプ15、出口パイプ16及び熱媒体出入口ヘッダ17に対して、PTCヒータ18が組み込まれて、サブアセンブリされる。PTCヒータ18自体は、公知のものでよく、2枚の電極板37,38が、PTC素子の上下面を上下から挟む。
【0048】
PTCヒータ18は、扁平熱交換管14間の所定の位置に位置決めピン等を介して位置決めされた状態で、図4及び図5に示されるように、絶縁シート(図示省略)を介して挿入設置される。
【0049】
PTCヒータ18の各電極板37,38からは、一定の幅を有する板状の端子39が延出される。端子39は、それぞれ屈曲されて上方に延長され、後述する制御基板13の下面の一辺側に並設されている複数の端子台46に対して、直接ねじ止め固定されて接続される。
【0050】
熱交換エレメント12は、図4及び図5に示されるように、矩形状の押え板40と、基板台41との間に組み込まれる。押え板40は、最下層の扁平熱交換管14の下面に設置される。基板台41は、アルミダイキャスト製であり、押え板40上に4コーナ部に設けられている所定長さの脚部42を介して固定設置される。
【0051】
熱交換エレメント12は、上下面を冶具で固定した状態で、各扁平熱交換管14内に水圧等がかけられる。これにより、各扁平熱交換管14が拡管され、各PTCヒータ18と各扁平熱交換管14との表面同士が互いに密着状態とされる。
【0052】
基板台41は、押え板40や扁平熱交換管14及び制御基板13と平面面積が略同一の矩形形状とされ、4コーナ部に下方に延長された所定長さの脚部42を備える。
【0053】
基板台41の上面には、制御基板13を締め付け固定するためのボス部43が4箇所に設けられる。
【0054】
制御基板13は、基板台41上のボス部43にねじ等で固定設置され、PTCヒータ18に印加される電力を制御する制御回路44が実装される。制御基板13は、ハーネス貫通部11に固定設置されるコネクタ47を介してHVハーネス48及びLVハーネス49が接続される。
【0055】
また、制御基板13には、パイプ接続部材32に一体に設けられている水温センサ設置片35A,35Bに設置された入口側及び出口側の水温センサ50,51からの検出信号がハーネス52を介して入力される。さらに、制御基板13には、その下面側に制御回路44を構成するIGBT等の複数個のパワートランジスタ45が設置されているとともに、その一辺に沿ってPTCヒータ18の電極板37,38から延長された端子39を接続する複数個の端子台46が設置されている。
【0056】
制御基板13は、基板台41上に設置され、発熱部品であるIGBT等のパワートランジスタ45は、扁平熱交換管14の上面に設置されているアルミ合金材製の基板台41に接触されて設置される。
【0057】
これにより、基板台41がヒートシンクとしてパワートランジスタ45を冷却する。また、端子台46には、電極板37,38から延長された端子39が、ねじ等を介して直接接続される。
【0058】
本実施形態によれば、熱媒体加熱装置1は、以下の作用効果を奏する。
ポンプを介して上記熱媒体加熱装置1に循環された熱媒体は、熱交換エレメント12の入口パイプ15から熱媒体出入口ヘッダ17の入口ヘッダタンク部28に流入し、4枚の扁平熱交換管14に分配され、そのUターン流路21内を流通する間にPTCヒータ18によって加熱、昇温される。扁平熱交換管14内を流通される間に加熱、昇温された熱媒体は、出口ヘッダタンク部29で合流され、出口パイプ16を経て放熱器に供給されることにより、暖房用の熱源に供される。
【0059】
熱媒体加熱装置1によって加熱される熱媒体は、熱媒体出入口ヘッダ17に結合されたパイプ接続部材32に一体に設けられている水温センサ設置片35A,35Bに設置されている水温センサ50,51によって、熱媒体の入口温度及び出口温度が検出される。そして、検出値に応じて、PTCヒータ18に対する通電電流が、制御基板13で制御されることによって、設定温度に調整される。
【0060】
次に、図2を用いて、熱媒体加熱装置1の組立方法について説明する。
複数組のPTCヒータ18は、所定の間隔で熱媒体出入口ヘッダ17に接続された複数枚の扁平熱交換管14間に、微小の隙間を保った状態で挿入設置される。このとき、PTCヒータ18は、上下両面が電極板37,38で挟まれ、更にその両面に絶縁シートが介装した状態である。
【0061】
そして、扁平熱交換管14及びPTCヒータ18は、押え板40と基板台41との間に挟み込まれ、冶具に装着された状態で、扁平熱交換管14内に水圧等をかけて、扁平熱交換管14が拡管される。これにより、扁平熱交換管14及びPTCヒータ18が、互いに密着する。
【0062】
このように、本実施形態に係る熱媒体加熱装置1は、積層構造とされる複数枚の扁平熱交換管14と複数組のPTCヒータ18とを互いに密着させてハウジング2内に組み込むことができる。その結果、扁平熱交換管14とPTCヒータ18の接触面での接触力を高めることができ、接触熱抵抗を低減し、伝熱効率を確保することができる。
【0063】
また一方で、HVハーネス48及びLVハーネス49が、貫通穴10に貫通して設置される。HVハーネス48及びLVハーネス49のコネクタ47は、下部ハウジング3側のハーネス貫通部11に液状ガスケットを塗布してねじ止め固定される。
【0064】
その後、予めサブアセンブリされた熱交換エレメント12及び制御基板13が、下部ハウジング3上に、下部ハウジング3の底面に設けられている複数のボス部3Aにねじ等で締め付け固定することにより設置される。
【0065】
このとき、入口パイプ15及び出口パイプ16が、パイプ貫通面5に設けられている貫通穴6又は7に水平方向から挿入して組み込まれる。
【0066】
そして、パイプ貫通面5の貫通穴6又は7に挿通された熱媒体の入口パイプ15又は出口パイプ16には、外端部側から入口パイプ15及び出口パイプ16の外周にグロウメット等のシール部材53が挿入される。シール部材53は、ボス部3Bに対してねじ等で締め付け固定することによって、貫通穴6,7をシール状態とする。
【0067】
また、サブアセンブリされた熱交換エレメント12及び制御基板13を、上記のように下部ハウジング3上に組み込んだ後、制御基板13に対して、HVハーネス48及びLVハーネス49、水温センサ50,51からのハーネス52をそれぞれ接続する。これにより、制御基板13に対する電気系統の接続が行われる。そして、それらの接続が完了した後、下部ハウジング3に液状ガスケットを塗布し、上部ハウジング4をねじ等で締め付け固定することによって、ハウジング2を密閉する。
【0068】
なお、上記実施形態では、制御基板13を基板台41上に設置してサブアセンブリする際、電極板37,38から延長された端子39を端子台46に接続する。本発明はこの例に限定されず、制御基板13にハーネス類を接続する際、同時に端子39を端子台46に接続してもよい。
【0069】
また、上記実施形態では、扁平熱交換管14間にPTCヒータ18が挿入設置された熱交換エレメント12を、押え板40と基板台41間に組み込んだ状態で、上下面を冶具で固定して、扁平熱交換管14内に水圧等をかけることによって、各扁平熱交換管14を拡管する。そして、サブアセンブリされた熱交換エレメント12及び制御基板13を下部ハウジング3上に組み込む。
【0070】
本発明はこの例に限定されず、扁平熱交換管14間にPTCヒータ18が挿入設置された熱交換エレメント12を、押え板40を介さずに、下部ハウジング3の底面上に直接組み込み、基板台41を下部ハウジング3の底面に固定設置した状態で、各扁平熱交換管14を拡管してもよい。そして、扁平熱交換管14とPTCヒータ18とを密着状態とした後、基板台41上に制御基板13を組み込む。
【0071】
次に、扁平熱交換管の拡管方法及び熱交換エレメントの組立方法について詳細に説明する。
熱媒体加熱装置1は、加熱性能を向上させるため、扁平熱交換管14とPTCヒータ18間の接触力を高め、接触熱抵抗を低減させる。以下、実験によって得られた知見を図14から図17を用いて説明する。
【0072】
例えば、図12に示すように、扁平熱交換管14内部に設けられた波形インナーフィン(I/F)23のピッチが比較的大きい場合、すなわち、扁平熱交換管14の剛性が比較的低い場合において、拡管時の内部圧力(拡管圧力)が接触力へ及ぼす寄与度(影響)を検討した。なお、扁平熱交換管14とPTCヒータ18間の接触力が高いほど、熱媒体加熱装置1の伝熱性能が向上し、反対に、扁平熱交換管14とPTCヒータ18間の接触力が低いと、熱媒体加熱装置1の伝熱性能が低下する関係にある。
【0073】
その結果、図14に示すように、拡管圧力を低く設定すると、扁平熱交換管14とPTCヒータ18の隙間が大きい場合、隙間が小さい場合よりも、接触力が低くなることが分かった。一方、拡管圧力を高く設定すると、隙間の大小に関わらず、接触力が高くなった。したがって、拡管圧力が低いと、隙間の大小の影響を受けて、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることが困難である。これに対し、拡管圧力が高いと、隙間の大小の影響に関わらず、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることができる。
【0074】
次に、拡管圧力を比較的高く設定した場合、波形インナーフィン23のピッチが接触力へ及ぼす寄与度を検討した。その結果、図15に示すように、波形インナーフィン23のピッチを比較的小さくすると、すなわち、扁平熱交換管14の剛性を比較的高くすると、扁平熱交換管14とPTCヒータ18の隙間が大きい場合、隙間が小さい場合よりも、接触力が低くなることが分かった。一方、波形インナーフィン23のピッチを比較的大きくすると、すなわち、扁平熱交換管14の剛性を比較的低くすると、隙間の大小に関わらず、接触力が高い傾向にあった。したがって、扁平熱交換管14の剛性が高いと、隙間の大小の影響を受けて、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることが困難である。これに対し、扁平熱交換管14の剛性が低いと、隙間の大小の影響に関わらず、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることができる。
【0075】
また、拡管圧力を比較的高く設定し、かつ、波形インナーフィン23のピッチを比較的大きくする、すなわち、扁平熱交換管14の剛性を比較的低くする場合、扁平熱交換管14とPTCヒータ18を両側から挟む際の強制変位が、接触力へ及ぼす寄与度を検討した。その結果、図16に示すように、強制変位量を大きくすると、熱媒体加熱装置の運転回数、すなわち、熱媒体加熱装置の温度変動の繰り返しが増えるにつれて、接触力が低くなることが分かった。一方、強制変位の変位量を小さくした場合、運転回数、すなわち、温度変動の繰り返しに関わらず、接触力はほぼ一定に保たれる。
【0076】
上述した結果は、扁平熱交換管14及びPTCヒータ18に外力が比較的高くかかっている場合には、温度変動の繰り返しによって、扁平熱交換管14に生じる縮み変形が徐々に大きくなっているということを示している。これは、強制変位量が大きい結果、扁平熱交換管14が弾性変形の範囲を超えて、扁平熱交換管14に塑性変形が生じているためと推測される。
【0077】
したがって、強制変位量が大きいと、運転回数の増加の影響を受けて、接触力、すなわち伝熱性能の向上を図ることが困難である。これに対し、強制変位量が小さいと、運転回数の増加に関わらず、接触力、すなわち伝熱性能をほぼ一定に保つことができる。
【0078】
以上より、接触力を所定値以上に保つ、すなわち、熱媒体加熱装置における伝熱性能(熱媒体の加熱性能)を所定以上に設定するためには、図17において網掛け部分で示すような領域に強制変位の変位量及び拡管圧力を設定することが望ましい。
【0079】
図17には、波形インナーフィン23のピッチが小さい場合と、大きい場合の二つの例について、それぞれの望ましい設定領域を示している。いずれの場合も、境界線は、右肩下がりの直線である。したがって、拡管圧力を低く設定する場合は、強制変位量が大きくても許容され、拡管圧力を高く設定する場合は、強制変位量が小さいほうが好ましい傾向にある。
【0080】
そして、図17に示すグラフの直線の傾きは、扁平熱交換管14の剛性が高い場合は、扁平熱交換管14の剛性が低い場合に比べ、緩やかとなり、かつ、設定可能な拡管圧力の範囲は小さい。
【0081】
上述したとおり、拡管圧力が低いと、隙間の大小の影響を受けて、接触力の向上を図ることが困難である。したがって、扁平熱交換管14の剛性を比較的高くして、拡管圧力を低めに設定することは回避したほうが良い。よって、扁平熱交換管14の剛性が比較的低いことが望ましい。
【0082】
また、扁平熱交換管14の剛性が比較的低い場合であっても、強制変位量を大きくすると、運転回数の増加に応じて、接触力が低下する。したがって、強制変位量を小さくすることが望ましい。また、この場合は、拡管圧力を高くしたほうが、隙間の大小に関わらず、高い接触力となって、より高い性能が得られる。
【0083】
以上より、拡管圧力を比較的高く設定しつつ、強制変位量を比較的小さく設定する。これにより、隙間の大小に関わらず、接触力を向上させて、熱媒体加熱装置における熱媒体の加熱性能を向上させることができる。また、運転回数の増加の影響を受けないで、接触力を保たせつつ、熱媒体の加熱性能を維持することができる。
【0084】
次に、図18を用いて、扁平熱交換管14の拡管圧力、扁平熱交換管14の強制変位量、波形インナーフィン23のピッチ(扁平熱交換管14の剛性)、扁平熱交換管14とPTCヒータ18間の隙間、及び、熱媒体加熱装置1の運転回数をパラメータとして考慮した解析結果について説明する。
【0085】
相対強制変位と拡管圧力の関係について、任意の扁平熱交換管14の伝熱性能が2500Wを満たすときのグラフを算出した。その結果、波形インナーフィン23のピッチが比較的小さい場合(扁平熱交換管14の剛性が400N/mm)は、三角形の印で結んだ直線となり、波形インナーフィン23のピッチが比較的大きい場合(扁平熱交換管14の剛性が40N/mm)は、円形の印で結んだ直線となる。
【0086】
波形インナーフィン23のピッチが比較的小さく、剛性が高いほど、許容できる領域は、小さくなる。反対に、波形インナーフィン23のピッチが比較的大きく、強制変位による影響を受けにくいことから、許容できる領域は大きい。
【0087】
従来の組立における技術常識に鑑みると、拡管圧力は高く、強制変位量は大きいほうが、PTCヒータ18と扁平熱交換管14間の接触面圧が高くなり、熱媒体加熱装置における熱媒体の加熱性能を向上させることができると推測される。この場合、グラフは右肩上がりとなる。
【0088】
しかし、上述した本発明者らの解析結果によると、拡管圧力が高い場合、強制変位量は小さいほうが、加熱性能を向上させることができるという結果が得られた。グラフは右肩上がりではなく右肩下がりとなることが判明した。
【0089】
解析結果から、任意の剛性に対しても適用できる式へと一般化すると、下記のとおりとなる。一例を図18の実線で示している。
【0090】
y=(kA+B)x+(kC+D) …… (式1)
ここで、xは拡管圧力[MPa]、yは相対強制変位[-](無次元)、kは扁平熱交換管14の剛性[N/mm]である。A,B,C,Dは、いずれも係数であり、以下に示す範囲に設定することが望ましい。
+2.6×10-5≦A≦+3.3×10-5 …… (式2)
−1.5×10-2≦B≦−9.2×10-3 …… (式3)
−6.0×10-5≦C≦−5.3×10-5 …… (式4)
+2.2×10-2≦D≦+2.7×10-2 …… (式5)
【0091】
以上より、y≦(kA+B)x+(kC+D)を満たすとき、隙間の大小に関わらず、接触力を向上させて、熱媒体加熱装置における熱媒体の加熱性能を向上させることができる。また、運転回数の増加の影響を受けないで、接触力を保たせつつ、熱媒体の加熱性能を維持することができる。
【符号の説明】
【0092】
1 熱媒体加熱装置
12 熱交換エレメント
14 扁平熱交換管(熱交換管)
15 入口パイプ
16 出口パイプ
17 熱媒体出入口ヘッダ
18 PTCヒータ
22A 成形プレート
22B 成形プレート
23,23A,23B 波形インナーフィン
40 押え板(支持部)
41 基板台(支持部)
42 脚部
図1
図2
図3
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図6
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