(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る流体加熱装置100について説明する。
【0011】
流体加熱装置100は、EV(Electric Vehicle:電動車両)やHEV(Hybrid Electric Vehicle:ハイブリッド車両)などの車両に搭載される車両用空調装置(図示省略)に適用される。流体加熱装置100は、車両用空調装置が暖房運転を実行するために、流体としての温水(熱媒体)を加熱するものである。
【0012】
まず、
図1から
図4を参照して、流体加熱装置100の全体構成について説明する。
【0013】
図1、
図2に示すように、流体加熱装置100は、水が流通する加熱流路8を形成するタンク10と、タンク10内に収容されるヒータユニット20と、各種電装部品を接続するためのバスバーモジュール30と、ヒータユニット20の動作を制御するための制御部としての制御基板40と、バスバーモジュール30及び制御基板40を覆うカバー50と、を備える。
【0014】
タンク10は、ボート形状に形成される。タンク10は、底面13と、底面13から湾曲して立設される4つの壁面14a、14b、14c、14d(
図3、
図4参照)と、壁面14a、14b、14c、14dの端部に底面13と対向するように開口する開口部15と、を有する。壁面14a、14b、14c、14dは、それぞれ上方に向くように鉛直線(基準線)に対して傾斜して形成される。
【0015】
タンク10の第1壁面14aには、外部から加熱流路8に温水を供給する供給口11と、加熱流路8から外部に温水を排出する排出口12と、が上下に並んで開口する。流体加熱装置100は、排出口12が供給口11と比較して上方に位置するように車両に搭載される。なお、これに限らず、流体加熱装置100は、排出口12と供給口11とが水平方向に並ぶように車両に搭載される構成としてもよい。
【0016】
タンク10の第2壁面14bは、第1壁面14aに対向し、かつ供給口11の中心線Oに対して角度θをもって傾斜するように形成される(
図3参照)。第2壁面14bが鉛直線(基準線)に対して傾斜する角度は、他の壁面14a、14c、14dと比較して大きく形成される。
【0017】
供給口11には、供給パイプ57の基端部57aが挿入される。タンク10から突出する供給パイプ57には、供給される温水を導く配管(図示省略)が接続される。
【0018】
排出口12には、排出パイプ58の基端部58aが挿入される。タンク10から突出する排出パイプ58には、排出される温水を導く配管(図示省略)が接続される。
【0019】
図3及び
図4に示すように、ヒータユニット20は、発熱する電熱式ヒータ21と、ヒータ21の周りを覆うように形成される加熱部22と、タンク10の開口部15を閉塞するリッド23と、加熱部22とリッド23とを連結する連結部24と、を有する。ヒータユニット20では、加熱部22、連結部24、及びリッド23が一体に成形される。
【0020】
ヒータ21は、加熱部22に鋳込まれる螺旋状の発熱部21cと、リッド23から上方に突出する一対の端子21a,21bと、を有する。なお、発熱部21cは、螺旋状ではなく、例えば、加熱部22内を往復するように形成されるものであってもよい。
【0021】
ヒータ21の端子21a,21bには、車両に搭載される電源装置(図示省略)からバスバーモジュール30を介して電力が供給される。ヒータ21は、通電することによって発熱部21cが発熱するシーズヒータ又はPTC(Positive Temperature Coefficient)ヒータである。ヒータ21は、制御基板40からの指令を受けて通電し、タンク10内を流通する温水を加熱する。
【0022】
加熱部22は、発熱部21cの内周と比較して小径に形成され発熱部21cの中心に沿って貫通する貫通孔25と、発熱部21cの外周と比較して大径に形成されタンク10の底面13から第3壁面14c及び第4壁面14dにかけて対峙する外壁部26と、第1壁面14aに対峙する第1端壁部27と、第2壁面14bに対峙する第2端壁部28と、を有する。
【0023】
貫通孔25は、螺旋状に巻かれる発熱部21cの内側に形成される。タンク10の供給口11は、貫通孔25の中心線O上に開口する。貫通孔25は、供給口11から供給される温水が流通する内周流路52(
図4参照)を形成する。
【0024】
外壁部26は、タンク10の底面13、第3壁面14c、第4壁面14d、及びリッド23の天壁面16との間に外周流路54を形成する。外周流路54は、内周流路52と連通して内周流路52から流れてきた温水を排出口12に導く。外壁部26は、貫通孔25と比較して伝熱面積が大きい。また、外周流路54は、内周流路52と比較して流路面積が大きい。
【0025】
第1端壁部27は、第1壁面14aに間隔をもって対峙し、第1壁面14aとの間に第1端流路51を形成する。第1端流路51は、供給口11、排出口12、内周流路52、及び外周流路54に連続して温水を流通させる。
【0026】
加熱部22の第1端壁部27には、貫通孔25が開口する環状のインレット部45が形成される。供給パイプ57の基端部57aは、第1壁面14aからタンク10内に突出し、貫通孔25のインレット部45(第1端壁部27)に対する開口部に間隔をもって配置される。供給パイプ57から供給される温水は、第1端流路51を通じて内周流路52に導かれる。
【0027】
上述した構成に限らず、供給パイプ57の基端部57aがインレット部45に挿入され、供給パイプ57が貫通孔25に接続される構成としてもよい。この場合には、供給パイプ57から供給される温水の全量が内周流路52に導かれる。
【0028】
加熱部22の第2端壁部28は、第2壁面14bに間隔をもって対峙し、第2壁面14bとの間に第2端流路53を形成する。第2端流路53は、内周流路52及び外周流路54に連続して温水を流通させる。
【0029】
タンク10の内部に形成される加熱流路8は、第1端流路51、内周流路52、外周流路54、及び第2端流路53によって構成される。
図3において、Hは、加熱流路8の中心線であり、ケース9の中心を通る直線である。供給口11は、その中心線Oが加熱流路8の中心線Hより下方に配置される。
【0030】
ヒータユニット20は、加熱部22がタンク10内に配置されてリッド23が開口部15に嵌合された状態で、開口部15の外周縁と溶接される。
【0031】
リッド23は、外周流路54に面する放熱壁面16を有する。放熱壁面16は、中心線Oと略平行に延びる。放熱壁面16は、加熱部22の外壁部26に間隔をもって対峙し、外壁部26との間に外周流路54の一部を形成する。放熱壁面16は、第1端流路51、外周流路54、及び第2端流路53に面して形成される。
【0032】
なお、タンク10及びリッド23は、ケース9を構成する。ケース9は、加熱部22(ヒータ21)を収容し、加熱部22との間に温水が流通する加熱流路8を形成する。
【0033】
図2、
図4に示すように、リッド23の上部には、上方に開口した箱形状のハウジング29が形成される。
【0034】
ハウジング29の両側部には、一対の取付座67,68が形成される。流体加熱装置100は、取付座67,68にそれぞれ締結されるブラケット(図示省略)を介して車両に取り付けられる。
【0035】
ハウジング29は、放熱壁面16の裏側に位置する底壁面17(底面)と、底壁面17から立設される側壁面18と、側壁面18の端部に開口する開口部19と、を有する。
【0036】
ハウジング29の開口部19は、カバー50によって閉塞される。ハウジング29とカバー50との間には、制御室60が形成される。ハウジング29の両側部には、複数のボス部65が形成される。カバー50は、ボス部65に螺合するボルト(図示省略)によってハウジング29に締結される。
【0037】
制御室60には、バスバーモジュール30及び制御基板40などが収容される。ハウジング29の両端には、取付座61,62がそれぞれ形成される。取付座61には、電気信号を導く信号線(図示省略)を接続するコネクタ63が取り付けられる。取付座62には、電力を供給する電力供給線(図示省略)を接続するコネクタ64が取り付けられる。
【0038】
バスバーモジュール30は、底壁面17の上部に積層される。バスバーモジュール30は、電力や電気信号を送給可能な金属板(導電材)によって形成される複数のバスバー(図示省略)を有する。
【0039】
底壁面17は、スイッチング素子としての一対のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)34,35を当接させる接触部17a,17bを有する。バスバーモジュール30には、IGBT34,35を収容する収容孔36,37が形成される。IGBT34,35は、底壁面17に当接し、プレート38を介してハウジング29に取り付けられる。プレート38は、その中央部がボルト39を介してリッド23に締結され、その両端部によってIGBT34,35を底壁面17に押し付ける。ボルト39は、バスバーモジュール30の孔49を貫通し、リッド23のネジ孔(図示省略)に螺合する。
【0040】
制御基板40は、バスバーモジュール30の上部に積層される。制御基板40は、バスバーモジュール30及びIGBT34,35と電気的に接続される。制御基板40は、車両に搭載される上位のコントローラ(図示省略)の指令に基づいてIGBT34,35を制御する。
【0041】
図2に示すように、リッド23は、温度スイッチとしてのバイメタルスイッチ31を取り付けるための凹部23aと、ヒータ温度センサ32を取り付けるための凹部(図示省略)と、水温センサ33を取り付けるための凹部(図示省略)と、が形成される。
【0042】
バイメタルスイッチ31は、ヒータユニット20の温度を検知し、検知した温度に応じて切り換わる。具体的には、バイメタルスイッチ31は、ヒータユニット20の温度が第1の設定温度よりも上昇した場合にヒータユニット20への電力の供給を遮断する。ヒータユニット20の温度が第1の設定温度と比較して低い第2の設定温度よりも下降した場合に、バイメタルスイッチ31が再び切り換わってヒータユニット20への電力の供給を再開するようにしてもよい。
【0043】
ヒータ温度センサ32は、ヒータユニット20におけるヒータ21の温度を検知する。ヒータ温度センサ32は、検知したヒータ21の温度に応じた電気信号を制御基板40に送る。制御基板40は、ヒータ温度センサ32が検知したヒータ21の温度が設定温度よりも高い場合に、ヒータ21への電力の供給を停止させる。
【0044】
水温センサ33は、排出口12近傍における温水の温度を検知する。即ち、水温センサ33は、ケース9から排出される加熱後の温水の温度を検知する。水温センサ33は、リッド23から加熱流路8に突出する突出部23g(
図3及び
図4参照)の内部に設けられる。水温センサ33は、検知した温水の温度に応じた電気信号を制御基板40に送る。制御基板40は、水温センサ33が検知した温水の温度が所望の温度になるように、IGBT34,35を介してヒータ21への電力の供給を制御する。
【0045】
IGBT34,35は、バスバーモジュール30を介して車両の電源装置に接続される。IGBT34,35は、制御基板40に接続され、制御基板40からの指令信号に応じてスイッチング動作する。IGBT34,35は、スイッチング動作によってヒータユニット20への電力の供給を制御する。これにより、ヒータユニット20は所望の温度に調整され、排出口12から排出される温水は所望の温度に調整される。
【0046】
IGBT34,35は、スイッチング動作を繰り返すことによって発熱する。IGBT34,35が動作可能な温度の最大値は、加熱流路8を流れる温水の温度と比較して高い。よって、IGBT34,35は、リッド23を介して加熱流路8を流れる温水に放熱して冷却される。
【0047】
リッド23には、IGBT34が当接する箇所の裏側に位置する放熱壁面16から加熱流路8に向けて突出する放熱フィン23fが形成される。
【0048】
放熱フィン23fは、外周流路54における温水の流れ方向に対向して複数形成される。放熱フィン23fは、第2端流路53及び外周流路54に面して形成される。
【0049】
各放熱フィン23fは、中心線Oと略直交する方向に延設され、中心線O方向に一定の間隔をもって並ぶように形成される。各放熱フィン23fは、放熱壁面16から一定の突出量(高さ)をもって形成される。
【0050】
放熱壁面16と第2壁面14bとは、互いに傾斜し、両者の間にテーパ状の加熱流路8(第2端流路53)の先端部8aを形成する。
【0051】
次に、流体加熱装置100の作用について説明する。
【0052】
図3に矢印Aで示すように供給パイプ57を通じて供給される温水は、加熱流路8の第1端流路51を通じて内周流路52に導かれ、矢印Bで示すように内周流路52を通過する。内周流路52では、内周フィン25aが形成される貫通孔25の内周との熱交換によって温水が加熱される。この温水の流れは、内周フィン25aによって整流される。
【0053】
内周流路52を通過した温水は、矢印Cで示すように第2端流路53に流出し、第2壁面14b沿って方向転換し、加熱部22のまわりの外周流路54に導かれる。第2壁面14bが放熱壁面16に対向するように傾斜しているため、第2端流路53で折り返す温水の流れは矢印Dで示すように放熱壁面16に向かう勢力が大きくなる。これにより、外周流路54において矢印Fで示すように放熱壁面16に沿って流れる温水の流速が、矢印Eで示すように外周フィン26aに沿って流れる温水の流速と比較して高くなる。
【0054】
第2端流路53及び外周流路54において放熱壁面16に沿って流れる温水は、放熱壁面16及び各放熱フィン23fとの熱交換によって加熱される。
【0055】
外周流路54において矢印Eで示すように加熱部22のまわりを流れる温水は、外壁部26及び外周フィン26aとの熱交換によって加熱される。この温水の流れは、外周フィン26aによって整流される。
【0056】
外周流路54を流通した温水は、第1端流路51を通じて排出口12の排出パイプ58から矢印Gで示すように排出される。
【0057】
以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。
【0058】
流体加熱装置100のケース9は、供給口11及び排出口12が開口する第1壁面14aと、IGBT34,35の熱を加熱流路8を流れる温水に放熱する放熱壁面16と、供給口11から加熱流路8に供給された流体を放熱壁面16に導くように供給口11の中心線Oに対して傾斜する第2壁面14bと、を有する構成とした。
【0059】
上記構成に基づき、温水は、供給口11から加熱流路8に流入し、第2壁面14bに沿って加熱流路8を折り返し、排出口12から流出する。第2壁面14bに沿って加熱流路8を折り返す温水は、
図3に矢印Dで示すように、放熱壁面16に対向するように傾斜する第2壁面14bに沿って放熱壁面16に導かれるために、放熱壁面16に沿って流れる温水の流速が高められる。これにより、IGBT34,35の熱が放熱壁面16から加熱流路8を流れる温水に放熱されることが促される。よって、IGBT34,35の冷却が十分に行われる。
【0060】
第2壁面14bが中心線Oに対して傾斜する傾斜角度θは、任意に設定される。傾斜角度θに応じて加熱流路8において放熱壁面16に沿って流れる温水の流速が調整される。
【0061】
また、排出口12は、供給口11と並んで開口し、放熱壁面16に対して供給口11と比較して近い位置に配置される構成とした。
【0062】
上記構成に基づき、排出口12が供給口11と比較して放熱壁面16に近接することにより、加熱流路8(外周流路54)において排出口12に向かう温水の流速が放熱壁面16に沿う領域で高められる。よって、IGBT34,35の冷却が十分に行われる。
【0063】
また、供給口11は、その中心線Oがケース9の中心(中心線H)と比較して放熱壁面16から離れた位置に配置される構成とした。
【0064】
上記構成に基づき、加熱流路8において、供給口11から流入する温水の流速が放熱壁面16から離れる下方領域で高められることにより、排出口12に向かう温水の流速が放熱壁面16に沿う上方領域で高められる。よって、IGBT34,35の冷却が十分に行われる。
【0065】
また、第2壁面14bは、放熱壁面16に対して傾斜し、放熱壁面16との間に加熱流路8の先端部8aを形成する構成とした。
【0066】
上記構成に基づき、互いに傾斜する放熱壁面16と第2壁面14bとの間にテーパ状の加熱流路8の先端部8aが形成されることにより、加熱流路8(第2端流路53)に面する放熱壁面16の面積が大きく確保される。よって、IGBT34,35の冷却が十分に行われる。
【0067】
また、ケース9は、放熱壁面16から加熱流路8に突出する放熱フィン23fを有する構成とした。
【0068】
上記構成に基づき、IGBT34,35が発生する熱は、放熱フィン23fを介して温水に放熱される。これにより、IGBT34,35がケース9を介して冷却されることが促される。
【0069】
また、放熱フィン23fは、供給口11の中心線Oに対して略直交する方向に延設される構成とした。
【0070】
上記構成に基づき、
図3に矢印Dで示すように、第2端流路53において折り返す温水の流れが放熱フィン23fに当たることにより、IGBT34,35に発生する熱が放熱フィン23fを介して温水に放熱されることが促される。
【0071】
また、各放熱フィン23fは、放熱壁面16からの突出量が等しくなるように形成される。これに限らず、各放熱フィン23fは、放熱壁面16からの突出量が第2壁面14bから第1壁面14aにかけて順に大きくなるように形成してもよい。この場合には、各放熱フィン23fは、放熱壁面16からの突出量が外周流路54における温水の流れ方向に沿って大きくなるために、温水の流れ方向の下流側においても放熱フィン23fから温水への放熱量が十分に確保され、IGBT34,35の冷却が促される。
【0072】
なお、上述した構成に限らず、放熱フィン23fは、供給口11の中心線Oに対する略平行方向に延設される構成としてもよい。この場合に、第2端流路53及び外周流路54において放熱フィン23fが温水の流れに与える抵抗を低減できる。
【0073】
また、ケース9の内部には、ヒータ21によって加熱される筒状の加熱部22が収容される。加熱部22は、供給口11から供給される温水が流通する内周流路52を形成する貫通孔25と、貫通孔25から排出口12へと向かう温水が流通する外周流路54を形成する外壁部26と、を有する構成とした。
【0074】
また、連結部24は、放熱壁面16において接触部17a,17bの裏側に位置する部位(放熱フィン23f)と比較して排出口12に近い位置に配置される構成とした。
【0075】
上記構成に基づき、外周流路54において連結部24のまわりを通過する前の温水が放熱壁面16において接触部17a,17bの裏側に位置する部位に沿って円滑に流れるために、放熱壁面16に沿って流れる温水の流速が高められる。これにより、IGBT34,35の熱が放熱壁面16から加熱流路8を流れる温水に放熱されることが促される。よって、IGBT34,35の冷却が十分に行われる。
【0076】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【0077】
上記実施形態では、温水の流れを放熱壁面16に向けるガイド部として、第2壁面14bは段差なく平滑に延びる面状に形成される。これに限らず、ガイド部として、第2壁面14bから突出するリブが形成され、リブによって温水の流れが放熱壁面16に向けられる構成としてもよい。
【0078】
上記実施形態では、供給口11から供給された温水が内周流路52を流れた後に、外周流路54を流れて排出口12から排出される。これに限らず、供給口11から供給された温水が外周流路54を流れた後に、内周流路52を流れて排出口12から排出されるようにしてもよい。
【0079】
上記実施形態では、ヒータ21は、筒状の加熱部22の内部に設けられる。これに限らず、加熱部22を廃止して、ヒータ21が温水を直接加熱するように構成してもよい。