ヒータ構造
【課題】加熱効率を向上させることができるとともに、十分な強度を得られるヒータ構造を提供すること。
【解決手段】外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備え、上記発熱装置が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、１面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなる発熱体と、モールドとからなり、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄い、内燃機関の二次空気供給装置に使用可能なヒータ構造。
【解決手段】外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備え、上記発熱装置が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、１面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなる発熱体と、モールドとからなり、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄い、内燃機関の二次空気供給装置に使用可能なヒータ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の二次空気供給装置等に使用可能なヒータ構造に係り、特に、効率的にエアポンプの凍結を防止することができるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気系に配置された排気浄化用の触媒に二次空気を供給することにより、触媒の活性化を促進し、有害成分の排出の低減を図る二次空気供給装置が知られている。例えば、特許文献１〜３には、二次空気を加熱することにより、触媒を早期に活性化させる技術が開示されている。
【０００３】
一方、各種機器の凍結防止に関しては、種々の発熱素子を使用した発熱装置により機器を加熱し凍結防止をすることが公知であるが、特に、正特性サーミスタ（以下、ＰＴＣと記す）発熱素子が種々の分野で着目され利用されている。これはＰＴＣ発熱素子が低温で固有の抵抗値を持ち発熱素子として作用し、所定温度（キュリー温度）以上では急激に抵抗値が増大して通電をカットするという自己温度制御機能を有し、安全性が極めて高いからである。このような特性を有するＰＴＣ発熱素子に一対の電極端子を接続し、適宜絶縁処理を施せば、各種機器の凍結防止用ヒータとして好適なＰＴＣ発熱体を得ることができる。
【０００４】
このようなＰＴＣ発熱体として、例えば特許文献４には、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、絶縁ケースと、からなる正特性サーミスタ発熱装置において、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子は、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが絶縁ケースにより絶縁されているものが開示されている。また、ＰＴＣ発熱素子に関連する技術として、例えば、特許文献５〜１０が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２４１０３４公報：三菱電機
【特許文献２】特開２００９−５２４９６公報：トヨタ自動車
【特許文献３】特開２００９−１３８５２９公報：トヨタ自動車
【特許文献４】特開２０１０−１３５２７４公報：クラベ
【特許文献５】特開昭６０−４９６０４号公報：村田製作所
【特許文献６】特公平１−２１６０１号公報：村田製作所
【特許文献７】実開昭５６−２１２８８号公報：日立製作所
【特許文献８】実開昭６２−１０３２０３号公報：ティーディーケイ
【特許文献９】特開平８−３０６４６９号公報：クラベ
【特許文献１０】特許第３８０４６９５号公報：クラベ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、当該二次空気供給装置が搭載された自動車において、上記特許文献１〜３に開示された技術では、高速走行時の風の影響による温度低下への対応が充分なものと言えなかった。例えば、想定を超える厳しい使い方によりエアポンプに水が入った後に極寒中で高速走行をした場合、搭載位置によってはエアポンプ自体が凍結し、故障と誤判定してしまう恐れもあった。
【０００７】
このような問題に対し、発熱効率の高い上記特許文献４による発熱装置を熱源として使用することも検討されたが、それでも充分ではなく、更なる加熱効率の向上が求められていた。即ち、特許文献４による発熱装置は、発熱自体の効率は向上しているものの、その熱を被加熱体に有効に伝熱させることが十分ではなかったため、結果として加熱効率が十分ではなかった。特に、発熱体としてＰＴＣ発熱素子を使用する場合、キュリー温度で素子の抵抗値が大きくなってそれ以上の温度には発熱しなくなる。そのため、効率よく伝熱させなければ、ＰＴＣ発熱素子はキュリー温度付近で温度保持され、被加熱物は一向に温まらないということになってしまう。一方で、モールドは保護材のみならず絶縁体としての役割も有していることから、十分な強度も求められていた。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、発熱装置の加熱効率を向上させることができ、エアポンプの凍結が確実に防止することができるヒータ構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するべく、本発明によるヒータ構造は、外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備え、上記発熱装置が、発熱体と該発熱体を覆う樹脂又はゴムからなるモールドからなり、上記発熱体が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、１面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなり、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が、電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子が、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが、絶縁ケースにより絶縁されており、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄いものである。
又、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さが保護シート厚さよりも薄いことが考えられる。
又、上記モールドがシリコーンゴムからなり、上記保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなることが考えられる。
又、上記ヒータ構造を内燃機関の二次空気供給装置に使用することが考えられる。
なお、上記したモールド厚さ及び保護シート厚さは、実質的に発熱する部分に該当する位置のモールド厚さ及び保護シート厚さを示し、厚さが均一ではない場合は平均値にて求められる。具体的には、ＰＴＣ発熱素子が存在する部分を投影した位置のモールド厚さ及び保護シート厚さとなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるヒータ構造によれば、発熱装置におけるエアポンプに接する側の面のモールドが薄く、より効率的にエアポンプに熱が伝達するため、加熱効率を向上させることができる。しかも、保護シートにより補強されることになるため、強度的にも問題が生じることは無い。
特に、モールドがシリコーンゴムからなり、保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなるものであれば、保護シートは十分な強度を持ち、モールド及び保護シートが優れた耐熱性を有し、且つ、圧縮により容易にモールドと保護シートを圧着することができるため好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による発熱装置の構造を示す斜視図である。
【図２】図１におけるII−II´断面図（ｙ−ｚ面）である。
【図３】図１におけるIII−III´断面図（ｘ−ｙ面）である。
【図４】図１におけるIV−IV´断面図（ｘ−ｚ面）である。
【図５】第二の電極端子を示す斜視図である。
【図６】絶縁ケースを示す斜視図である。
【図７】底面側から見た絶縁ケースを示す斜視図である。
【図８】本発明による発熱装置をエアポンプに取り付けた例を示す概略斜視図である。
【図９】本発明に係るヒータ構造が採用された内燃機関システムを概略的に示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１〜図９を参照して本発明によるヒータ構造の実施の形態を説明する。二次空気供給装置は、外気を吸引して吐出するエアポンプ４２と、上記エアポンプ４２から吐出された外気を内燃機関の排気系に供給する二次空気供給路４１と、上記エアポンプ４２に配置され該エアポンプ４２を加熱する発熱装置１０からなるものである。
【００１３】
発熱装置１０は、発熱体２０と該発熱体２０を覆う樹脂又はゴムからなるモールド３１からなり、上記発熱体２０が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子２３と、第一の電極端子２１と、第二の電極端子２２と、１面を開口させた箱形状の絶縁ケース２４からなるものである
【００１４】
第一の電極端子２１は、厚さ０．２ｍｍのバネ弾性に優れたステンレス板からなり、側面から見て弧状の曲面形状となっている。そのため、平面に配して押さえつければ、それに反発するように付勢されることになる。
【００１５】
第二の電極端子２２は、図５に示す形状となっている。厚さ０．５ｍｍのバネ弾性に優れたステンレス板により、断面コの字形状に形成されている。図５に示すように、２つの略水平面とそれらをつなぐ垂直面があり、一方の略水平面は他方より長くなっており、且つ、先端が幅広となっている。第二の電極端子２２は、垂直部の高さ４．６ｍｍ、開口部先端の隙間は１．２ｍｍで設計されており、ＰＴＣ発熱素子、第一の電極、及び、絶縁ケースを掴持した際には、開口部が閉じるように付勢されることになる。尚、垂直部は厳密に垂直である必要はなく、例えば、傾きを持っていても良いし、この部分が略「く」の字状になっていても良い。
【００１６】
第一の電極端子２１や第二の電極端子２２を構成する材料としては、バネ弾性を有し、かつ電極として機能するものであれば特に限定されない。例えば、ステンレス板、りん青銅板、ニッケルメッキ真鍮板、スズメッキ真鍮板、銀メッキ真鍮板などを挙げることができる。これらの中でも、ステンレス板、りん青銅板などは長期間冷熱サイクルを受けた場合にも、そのバネ弾性を充分に保持することができるため、特に好ましい。
【００１７】
ＰＴＣ発熱素子２３は、縦６．５ｍｍ、横１８．１ｍｍ、厚さ２．５ｍｍの角板状に形成されたチタン酸バリウム系セラミック素子からなり、相対する両主面にはそれぞれ銀ペーストからなる電極が形成されている。この電極を形成した主面の一方が＋極、もう一方が−極とされる。尚、ＰＴＣ発熱素子の材料については、必要とされる発熱特性（例えば、キュリー温度等）に応じて適宜設定すればよい。
【００１８】
絶縁ケース２４は、ポリフェニレンサルファイド樹脂からなり、図６、図７に示す形状となっている。１面を開口させた箱形状であり、絶縁ケース２４の底面裏側には上記第二の電極端子２２の幅とほぼ同幅の溝が形成されている。また、図６でいう長手方向の側面は、底面からの高さが３．３ｍｍであり、第一の電極端子２１とＰＴＣ発熱素子２３のそれぞれの厚さを足した値よりも大きくなっている。
【００１９】
これらの構成部材を組付けて発熱体２０とする手順について説明する。まず、絶縁ケース２４内に第一の電極端子２１とＰＴＣ発熱素子２３を順次配置する。この状態で、第二の電極端子２２の開口部を広げ、第一の電極端子２１とＰＴＣ発熱素子２３が配置された絶縁ケース２４を第二の電極端子２２の開口部に嵌め込む。すると、第二の電極端子２２は、開口部を閉じる方向に付勢され、第一の電極端子２１はＰＴＣ発熱素子２３を第二の電極２側に押し付けるように付勢され、これらが固定保持される。これにより、第一の電極１とＰＴＣ発熱素子２３の電気的接続、及び、第二の電極２とＰＴＣ発熱素子２３の電気的接続が図られることになる。また、第一の電極１と第二の電極２とは、絶縁ケース２４により絶縁されることになる。
【００２０】
ここで、絶縁ケース２４の底面裏側には第二の電極２の幅とほぼ同幅の溝が形成されており、この溝に第二の電極端子２２が嵌め込まれた状態となっている。また、絶縁ケース２４の開口した面においても、上記したように、絶縁ケース２４の長手方向の側面は、底面からの高さが、第一の電極端子２１、及び、ＰＴＣ発熱素子２３のそれぞれの厚さを足した値よりも大きく、この絶縁ケース２４の長手方向の側面間に第二の電極端子２２が嵌め込まれた状態となる。そのため、第二の電極端子２２が上記した絶縁ケース２４の溝による壁や長手方向の側面に当たって横ズレしないので、導通不良の可能性は更に低いものとなる。
【００２１】
また、第二の電極端子２２は、絶縁ケース２４の底面裏側に配される側の面が絶縁ケース２４の長さより長く、且つ、上記したように、絶縁ケース２４からはみ出る部分について、上記絶縁ケース２４の溝よりも幅広となっている。そのため、この幅広の部分が絶縁ケース２４の底面に形成された溝の壁の端に当たり、ストッパーとなることから、第二の電極端子２２を嵌め込んだ方向と逆方向に抜けてしまうことも防止することができる。
【００２２】
また、上記のように本実施の形態による発熱体２０は、一方の面は第二の電極端子２２のみが存在するのに対し、もう一方の面には、第一の電極端子２１、絶縁ケース２４、第二の電極端子２２が積層されて断熱されるため、両面で発熱の温度差が生じることになる。従って、通常は、第二の電極端子２２のみが存在する側の面（図２及び図４における上側面）が、エアポンプ４２に接する側とされる。ここで、絶縁ケース２４の底面の厚さを変更する、絶縁ケース２４の底面に穴を設ける、絶縁ケース２４の材料について熱伝導率の異なる材料に変更する、といったことにより、両面での発熱の温度差を適宜設定することも考えられる。
【００２３】
第一の電極２１に接続されるリード線６、第二の電極端子２２に接続されるリード線７については、半田付け、溶接、端子打ちなど、適宜に接続すればよい。作業の容易さから、当初の段階でリード線３２，３３を接続し、その後に各部材の組付けをした方が好ましい。
【００２４】
このようにして第一の電極端子２１、ＰＴＣ発熱素子２３、絶縁ケース２４、及び、第二の電極端子２２の組付けをして発熱体２０とした後、これらの周囲に、樹脂又はゴムによりモールド３１を形成する。こうすることにより、発熱装置１０として防水性を有することとなるとともに、第二の電極端子２２にズレが生じることによる導通不良の可能性は確実になくなる。また、モールド３１により、外部からの衝撃を弾力的に吸収することもできる。モールド３１に使用される樹脂又はゴムとしては一般的なものを適宜に使用すればよいが、本実施の形態では、柔軟で耐熱性に優れるシリコーンゴムを使用している。なお、リード線３２，３３の導出部について、防水のためＲＴＶシリコーンゴム等により封止してもかまわない。
【００２５】
また、モールド３１の被加熱物に接する側の面には、保護シート３４が形成される。保護シート３４は、モールド３１の補強をするために用いられるものであるため、引張強度に優れ、また、モールド３１の柔軟性を阻害しないものが選択される。例えば、種々の樹脂やゴムが含浸された繊維布が好ましく使用される。本実施の形態においては、モールド３１としてシリコーンゴムを使用していることから、これとの接着性に優れる材料として、厚さ０．３ｍｍのシリコーンゴム含浸ガラス布を使用している。ここで、発熱装置１０における被加熱物に接する面のモールド３１厚さと保護シート３４厚さの和が、被加熱物に接する面に対向する面のモールド３１厚さより薄く形成される。図２及び図４において、上側が被加熱物に接する面となり、本実施の形態においては、被加熱物に接する面のモールド３１厚さと保護シート３４厚さの和が０．５ｍｍ、被加熱物に接する面に対向する面のモールド３１厚さが２．５ｍｍとなっている。これにより、発熱体２０からの熱が効率的に被加熱物に伝わることになり、発熱装置１０の加熱効率が向上することとなる。
【００２６】
モールド３１及び保護シート３４の形成方法としては、金型による圧縮成形や射出成形など、従来公知の方法により形成すればよい。例えば、発熱体２０の周囲にモールド３１及び保護シート３４を配置して加圧して形成するなどの方法が考えられる。また、発熱体２０におけるエアポンプ４２に接する面において、モールド３１を介さずに保護シート３４が配置されることも考えられるが、加熱効率は非常に向上されるものの、強度の点で劣ることとなるため、薄いものであっても、発熱体２０と保護シート３４の間にはモールド３１があることが好ましい。
【００２７】
上記のようにして得られた発熱装置１０は、例えば、図８に示すようにしてエアポンプ４２に設置される。特に自動車用の内燃機関に適用する場合には、外気温や車速等と連動した制御により適宜発熱装置１０への通電がなされ、これにより、発熱装置１０からの熱がエアポンプ４２に伝導し、エアポンプ４２の凍結が防止されることとなる。
【００２８】
図９は、本発明に係る二次空気供給装置が採用された内燃機関システムを概略的に示している。内燃機関であるエンジン５０には、排気ガスを大気へと排出する排気通路６１が連結されている。排気通路６１には、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒６２が設けられている。また、排気通路６１の触媒６２よりも上流側に、二次空気である大気を供給するべく、二次空気供給通路４１が排気通路６１に連通している。二次空気供給通路４１には、上流側から順に、エアポンプ４２、バルブ４３が設けられている。エアポンプ４２、バルブ４３は、それぞれＥＣＵ４４によって各動作が制御されており、上記発熱装置１０もこのＥＣＵ４４によって制御されるものである。ＥＣＵ４４は、エンジンシステムの動作全体を制御する電子制御ユニットである。エアポンプ４２は、二次空気を加圧して排気通路６１に圧送するものであり、公知のエアポンプと同一の構成である。バルブ４３は、ＥＣＵ４４によってその開閉動作が制御され、二次空気を供給する際に開かれるものである。これら二次空気供給通路４１、エアポンプ４２、バルブ４３、ＥＣＵ４４が、エンジンの排気系に二次空気を供給するための二次空気供給システムとして機能する。また、排気通路６１、触媒６２がエンジン５０の排気システムとして機能する。
【００２９】
上記のようにして得られた発熱装置１０について、以下の通り温度測定を行った。図２に示すように、エアポンプ４２が接する面（第二の電極端子２２のみが存在する面）の中心部をＡ点、エアポンプ４２に接する面に対向する面（第一の電極端子２１、絶縁ケース２４、第二の電極端子２２が積層された面）の中心部をＢ点とし、両方の点での温度差を検証した。本試験では、ＰＴＣ発熱素子２３としてキュリー温度１８０℃のものを使用し、雰囲気温度２０℃として、加熱開始から６００秒後のＡ点及びＢ点の温度を測定した。試料数を４としてその平均値を算出し、結果を表１に示す。なお、比較の形態として、上記実施の形態において、保護シート３４を設けず、被加熱物が接する面のモールド３１厚さを１．５ｍｍ、被加熱物に接する面に対向する面のモールド３１厚さを１．５ｍｍとしたものを作成し、併せてＡ点、Ｂ点の温度差を検証した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
表１に示すように、本発明の実施の形態による発熱装置は、一方の面ともう一方の面で温度差を有するものであることが確認された。特に、実施の形態による発熱装置は、比較の形態と比べてＡ点とＢ点の温度差が大きく、ＰＴＣ発熱素子２３からの熱が効率的に被加熱物に伝わるものである。
【００３２】
更に、上記本実施の形態及び比較の形態による発熱装置１０を実際にエアポンプ４２に取り付け、被加熱物の温度を測定した。エアポンプ４２は、図８に示す概略形状のＳＵＳ製のものであり、このエアポンプ４２に発熱装置１０がＳＵＳ製取付金具３５によって設置される。本試験では、被加熱物の温度の測定位置は、併せて図８に示すＣ点、Ｄ点、Ｅ点とし、ＰＴＣ発熱素子２３としてキュリー温度２１７℃のものを使用し、雰囲気温度−１０℃、風速８．０ｍ／ｓとして、加熱開始から１０００秒後の温度を測定した。結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】
表２に示すように、本実施の形態による発熱装置１０で加熱されたエアポンプ４２は、何れの位置においても、比較の形態のものよりも温度が高く、加熱効率に優れていることが確認された。
【００３５】
また、本実施の形態による発熱装置は、モールド３１が薄くなっている部分についても保護シート３４によって十分に強度が保持されており、取付金具３５によってエアポンプ４２に取り付けた際にも、モールド３１に割れ等が生じることはなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上詳述したように本発明によれば、発熱装置の加熱効率を向上させることができ、エアポンプの凍結が確実に防止することができるヒータ構造を提供することができる。このようなヒータ構造は、二次空気供給装置に好適に使用することができる。また、このようなヒータ構造を備えた二次空気供給装置は、例えば、自動車の内燃機関として好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 発熱装置
２０ 発熱体
２１ 第一の電極端子
２２ 第二の電極端子
２３ ＰＴＣ発熱素子
２４ 絶縁ケース
３１ モールド
３２，３３ リード線
３４ 保護シート
４１ 二次空気供給路
４２ エアポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の二次空気供給装置等に使用可能なヒータ構造に係り、特に、効率的にエアポンプの凍結を防止することができるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気系に配置された排気浄化用の触媒に二次空気を供給することにより、触媒の活性化を促進し、有害成分の排出の低減を図る二次空気供給装置が知られている。例えば、特許文献１〜３には、二次空気を加熱することにより、触媒を早期に活性化させる技術が開示されている。
【０００３】
一方、各種機器の凍結防止に関しては、種々の発熱素子を使用した発熱装置により機器を加熱し凍結防止をすることが公知であるが、特に、正特性サーミスタ（以下、ＰＴＣと記す）発熱素子が種々の分野で着目され利用されている。これはＰＴＣ発熱素子が低温で固有の抵抗値を持ち発熱素子として作用し、所定温度（キュリー温度）以上では急激に抵抗値が増大して通電をカットするという自己温度制御機能を有し、安全性が極めて高いからである。このような特性を有するＰＴＣ発熱素子に一対の電極端子を接続し、適宜絶縁処理を施せば、各種機器の凍結防止用ヒータとして好適なＰＴＣ発熱体を得ることができる。
【０００４】
このようなＰＴＣ発熱体として、例えば特許文献４には、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、絶縁ケースと、からなる正特性サーミスタ発熱装置において、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子は、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが絶縁ケースにより絶縁されているものが開示されている。また、ＰＴＣ発熱素子に関連する技術として、例えば、特許文献５〜１０が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２４１０３４公報：三菱電機
【特許文献２】特開２００９−５２４９６公報：トヨタ自動車
【特許文献３】特開２００９−１３８５２９公報：トヨタ自動車
【特許文献４】特開２０１０−１３５２７４公報：クラベ
【特許文献５】特開昭６０−４９６０４号公報：村田製作所
【特許文献６】特公平１−２１６０１号公報：村田製作所
【特許文献７】実開昭５６−２１２８８号公報：日立製作所
【特許文献８】実開昭６２−１０３２０３号公報：ティーディーケイ
【特許文献９】特開平８−３０６４６９号公報：クラベ
【特許文献１０】特許第３８０４６９５号公報：クラベ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、当該二次空気供給装置が搭載された自動車において、上記特許文献１〜３に開示された技術では、高速走行時の風の影響による温度低下への対応が充分なものと言えなかった。例えば、想定を超える厳しい使い方によりエアポンプに水が入った後に極寒中で高速走行をした場合、搭載位置によってはエアポンプ自体が凍結し、故障と誤判定してしまう恐れもあった。
【０００７】
このような問題に対し、発熱効率の高い上記特許文献４による発熱装置を熱源として使用することも検討されたが、それでも充分ではなく、更なる加熱効率の向上が求められていた。即ち、特許文献４による発熱装置は、発熱自体の効率は向上しているものの、その熱を被加熱体に有効に伝熱させることが十分ではなかったため、結果として加熱効率が十分ではなかった。特に、発熱体としてＰＴＣ発熱素子を使用する場合、キュリー温度で素子の抵抗値が大きくなってそれ以上の温度には発熱しなくなる。そのため、効率よく伝熱させなければ、ＰＴＣ発熱素子はキュリー温度付近で温度保持され、被加熱物は一向に温まらないということになってしまう。一方で、モールドは保護材のみならず絶縁体としての役割も有していることから、十分な強度も求められていた。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、発熱装置の加熱効率を向上させることができ、エアポンプの凍結が確実に防止することができるヒータ構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するべく、本発明によるヒータ構造は、外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備え、上記発熱装置が、発熱体と該発熱体を覆う樹脂又はゴムからなるモールドからなり、上記発熱体が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、１面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなり、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が、電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子が、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが、絶縁ケースにより絶縁されており、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄いものである。
又、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さが保護シート厚さよりも薄いことが考えられる。
又、上記モールドがシリコーンゴムからなり、上記保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなることが考えられる。
又、上記ヒータ構造を内燃機関の二次空気供給装置に使用することが考えられる。
なお、上記したモールド厚さ及び保護シート厚さは、実質的に発熱する部分に該当する位置のモールド厚さ及び保護シート厚さを示し、厚さが均一ではない場合は平均値にて求められる。具体的には、ＰＴＣ発熱素子が存在する部分を投影した位置のモールド厚さ及び保護シート厚さとなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるヒータ構造によれば、発熱装置におけるエアポンプに接する側の面のモールドが薄く、より効率的にエアポンプに熱が伝達するため、加熱効率を向上させることができる。しかも、保護シートにより補強されることになるため、強度的にも問題が生じることは無い。
特に、モールドがシリコーンゴムからなり、保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなるものであれば、保護シートは十分な強度を持ち、モールド及び保護シートが優れた耐熱性を有し、且つ、圧縮により容易にモールドと保護シートを圧着することができるため好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による発熱装置の構造を示す斜視図である。
【図２】図１におけるII−II´断面図（ｙ−ｚ面）である。
【図３】図１におけるIII−III´断面図（ｘ−ｙ面）である。
【図４】図１におけるIV−IV´断面図（ｘ−ｚ面）である。
【図５】第二の電極端子を示す斜視図である。
【図６】絶縁ケースを示す斜視図である。
【図７】底面側から見た絶縁ケースを示す斜視図である。
【図８】本発明による発熱装置をエアポンプに取り付けた例を示す概略斜視図である。
【図９】本発明に係るヒータ構造が採用された内燃機関システムを概略的に示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１〜図９を参照して本発明によるヒータ構造の実施の形態を説明する。二次空気供給装置は、外気を吸引して吐出するエアポンプ４２と、上記エアポンプ４２から吐出された外気を内燃機関の排気系に供給する二次空気供給路４１と、上記エアポンプ４２に配置され該エアポンプ４２を加熱する発熱装置１０からなるものである。
【００１３】
発熱装置１０は、発熱体２０と該発熱体２０を覆う樹脂又はゴムからなるモールド３１からなり、上記発熱体２０が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子２３と、第一の電極端子２１と、第二の電極端子２２と、１面を開口させた箱形状の絶縁ケース２４からなるものである
【００１４】
第一の電極端子２１は、厚さ０．２ｍｍのバネ弾性に優れたステンレス板からなり、側面から見て弧状の曲面形状となっている。そのため、平面に配して押さえつければ、それに反発するように付勢されることになる。
【００１５】
第二の電極端子２２は、図５に示す形状となっている。厚さ０．５ｍｍのバネ弾性に優れたステンレス板により、断面コの字形状に形成されている。図５に示すように、２つの略水平面とそれらをつなぐ垂直面があり、一方の略水平面は他方より長くなっており、且つ、先端が幅広となっている。第二の電極端子２２は、垂直部の高さ４．６ｍｍ、開口部先端の隙間は１．２ｍｍで設計されており、ＰＴＣ発熱素子、第一の電極、及び、絶縁ケースを掴持した際には、開口部が閉じるように付勢されることになる。尚、垂直部は厳密に垂直である必要はなく、例えば、傾きを持っていても良いし、この部分が略「く」の字状になっていても良い。
【００１６】
第一の電極端子２１や第二の電極端子２２を構成する材料としては、バネ弾性を有し、かつ電極として機能するものであれば特に限定されない。例えば、ステンレス板、りん青銅板、ニッケルメッキ真鍮板、スズメッキ真鍮板、銀メッキ真鍮板などを挙げることができる。これらの中でも、ステンレス板、りん青銅板などは長期間冷熱サイクルを受けた場合にも、そのバネ弾性を充分に保持することができるため、特に好ましい。
【００１７】
ＰＴＣ発熱素子２３は、縦６．５ｍｍ、横１８．１ｍｍ、厚さ２．５ｍｍの角板状に形成されたチタン酸バリウム系セラミック素子からなり、相対する両主面にはそれぞれ銀ペーストからなる電極が形成されている。この電極を形成した主面の一方が＋極、もう一方が−極とされる。尚、ＰＴＣ発熱素子の材料については、必要とされる発熱特性（例えば、キュリー温度等）に応じて適宜設定すればよい。
【００１８】
絶縁ケース２４は、ポリフェニレンサルファイド樹脂からなり、図６、図７に示す形状となっている。１面を開口させた箱形状であり、絶縁ケース２４の底面裏側には上記第二の電極端子２２の幅とほぼ同幅の溝が形成されている。また、図６でいう長手方向の側面は、底面からの高さが３．３ｍｍであり、第一の電極端子２１とＰＴＣ発熱素子２３のそれぞれの厚さを足した値よりも大きくなっている。
【００１９】
これらの構成部材を組付けて発熱体２０とする手順について説明する。まず、絶縁ケース２４内に第一の電極端子２１とＰＴＣ発熱素子２３を順次配置する。この状態で、第二の電極端子２２の開口部を広げ、第一の電極端子２１とＰＴＣ発熱素子２３が配置された絶縁ケース２４を第二の電極端子２２の開口部に嵌め込む。すると、第二の電極端子２２は、開口部を閉じる方向に付勢され、第一の電極端子２１はＰＴＣ発熱素子２３を第二の電極２側に押し付けるように付勢され、これらが固定保持される。これにより、第一の電極１とＰＴＣ発熱素子２３の電気的接続、及び、第二の電極２とＰＴＣ発熱素子２３の電気的接続が図られることになる。また、第一の電極１と第二の電極２とは、絶縁ケース２４により絶縁されることになる。
【００２０】
ここで、絶縁ケース２４の底面裏側には第二の電極２の幅とほぼ同幅の溝が形成されており、この溝に第二の電極端子２２が嵌め込まれた状態となっている。また、絶縁ケース２４の開口した面においても、上記したように、絶縁ケース２４の長手方向の側面は、底面からの高さが、第一の電極端子２１、及び、ＰＴＣ発熱素子２３のそれぞれの厚さを足した値よりも大きく、この絶縁ケース２４の長手方向の側面間に第二の電極端子２２が嵌め込まれた状態となる。そのため、第二の電極端子２２が上記した絶縁ケース２４の溝による壁や長手方向の側面に当たって横ズレしないので、導通不良の可能性は更に低いものとなる。
【００２１】
また、第二の電極端子２２は、絶縁ケース２４の底面裏側に配される側の面が絶縁ケース２４の長さより長く、且つ、上記したように、絶縁ケース２４からはみ出る部分について、上記絶縁ケース２４の溝よりも幅広となっている。そのため、この幅広の部分が絶縁ケース２４の底面に形成された溝の壁の端に当たり、ストッパーとなることから、第二の電極端子２２を嵌め込んだ方向と逆方向に抜けてしまうことも防止することができる。
【００２２】
また、上記のように本実施の形態による発熱体２０は、一方の面は第二の電極端子２２のみが存在するのに対し、もう一方の面には、第一の電極端子２１、絶縁ケース２４、第二の電極端子２２が積層されて断熱されるため、両面で発熱の温度差が生じることになる。従って、通常は、第二の電極端子２２のみが存在する側の面（図２及び図４における上側面）が、エアポンプ４２に接する側とされる。ここで、絶縁ケース２４の底面の厚さを変更する、絶縁ケース２４の底面に穴を設ける、絶縁ケース２４の材料について熱伝導率の異なる材料に変更する、といったことにより、両面での発熱の温度差を適宜設定することも考えられる。
【００２３】
第一の電極２１に接続されるリード線６、第二の電極端子２２に接続されるリード線７については、半田付け、溶接、端子打ちなど、適宜に接続すればよい。作業の容易さから、当初の段階でリード線３２，３３を接続し、その後に各部材の組付けをした方が好ましい。
【００２４】
このようにして第一の電極端子２１、ＰＴＣ発熱素子２３、絶縁ケース２４、及び、第二の電極端子２２の組付けをして発熱体２０とした後、これらの周囲に、樹脂又はゴムによりモールド３１を形成する。こうすることにより、発熱装置１０として防水性を有することとなるとともに、第二の電極端子２２にズレが生じることによる導通不良の可能性は確実になくなる。また、モールド３１により、外部からの衝撃を弾力的に吸収することもできる。モールド３１に使用される樹脂又はゴムとしては一般的なものを適宜に使用すればよいが、本実施の形態では、柔軟で耐熱性に優れるシリコーンゴムを使用している。なお、リード線３２，３３の導出部について、防水のためＲＴＶシリコーンゴム等により封止してもかまわない。
【００２５】
また、モールド３１の被加熱物に接する側の面には、保護シート３４が形成される。保護シート３４は、モールド３１の補強をするために用いられるものであるため、引張強度に優れ、また、モールド３１の柔軟性を阻害しないものが選択される。例えば、種々の樹脂やゴムが含浸された繊維布が好ましく使用される。本実施の形態においては、モールド３１としてシリコーンゴムを使用していることから、これとの接着性に優れる材料として、厚さ０．３ｍｍのシリコーンゴム含浸ガラス布を使用している。ここで、発熱装置１０における被加熱物に接する面のモールド３１厚さと保護シート３４厚さの和が、被加熱物に接する面に対向する面のモールド３１厚さより薄く形成される。図２及び図４において、上側が被加熱物に接する面となり、本実施の形態においては、被加熱物に接する面のモールド３１厚さと保護シート３４厚さの和が０．５ｍｍ、被加熱物に接する面に対向する面のモールド３１厚さが２．５ｍｍとなっている。これにより、発熱体２０からの熱が効率的に被加熱物に伝わることになり、発熱装置１０の加熱効率が向上することとなる。
【００２６】
モールド３１及び保護シート３４の形成方法としては、金型による圧縮成形や射出成形など、従来公知の方法により形成すればよい。例えば、発熱体２０の周囲にモールド３１及び保護シート３４を配置して加圧して形成するなどの方法が考えられる。また、発熱体２０におけるエアポンプ４２に接する面において、モールド３１を介さずに保護シート３４が配置されることも考えられるが、加熱効率は非常に向上されるものの、強度の点で劣ることとなるため、薄いものであっても、発熱体２０と保護シート３４の間にはモールド３１があることが好ましい。
【００２７】
上記のようにして得られた発熱装置１０は、例えば、図８に示すようにしてエアポンプ４２に設置される。特に自動車用の内燃機関に適用する場合には、外気温や車速等と連動した制御により適宜発熱装置１０への通電がなされ、これにより、発熱装置１０からの熱がエアポンプ４２に伝導し、エアポンプ４２の凍結が防止されることとなる。
【００２８】
図９は、本発明に係る二次空気供給装置が採用された内燃機関システムを概略的に示している。内燃機関であるエンジン５０には、排気ガスを大気へと排出する排気通路６１が連結されている。排気通路６１には、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒６２が設けられている。また、排気通路６１の触媒６２よりも上流側に、二次空気である大気を供給するべく、二次空気供給通路４１が排気通路６１に連通している。二次空気供給通路４１には、上流側から順に、エアポンプ４２、バルブ４３が設けられている。エアポンプ４２、バルブ４３は、それぞれＥＣＵ４４によって各動作が制御されており、上記発熱装置１０もこのＥＣＵ４４によって制御されるものである。ＥＣＵ４４は、エンジンシステムの動作全体を制御する電子制御ユニットである。エアポンプ４２は、二次空気を加圧して排気通路６１に圧送するものであり、公知のエアポンプと同一の構成である。バルブ４３は、ＥＣＵ４４によってその開閉動作が制御され、二次空気を供給する際に開かれるものである。これら二次空気供給通路４１、エアポンプ４２、バルブ４３、ＥＣＵ４４が、エンジンの排気系に二次空気を供給するための二次空気供給システムとして機能する。また、排気通路６１、触媒６２がエンジン５０の排気システムとして機能する。
【００２９】
上記のようにして得られた発熱装置１０について、以下の通り温度測定を行った。図２に示すように、エアポンプ４２が接する面（第二の電極端子２２のみが存在する面）の中心部をＡ点、エアポンプ４２に接する面に対向する面（第一の電極端子２１、絶縁ケース２４、第二の電極端子２２が積層された面）の中心部をＢ点とし、両方の点での温度差を検証した。本試験では、ＰＴＣ発熱素子２３としてキュリー温度１８０℃のものを使用し、雰囲気温度２０℃として、加熱開始から６００秒後のＡ点及びＢ点の温度を測定した。試料数を４としてその平均値を算出し、結果を表１に示す。なお、比較の形態として、上記実施の形態において、保護シート３４を設けず、被加熱物が接する面のモールド３１厚さを１．５ｍｍ、被加熱物に接する面に対向する面のモールド３１厚さを１．５ｍｍとしたものを作成し、併せてＡ点、Ｂ点の温度差を検証した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
表１に示すように、本発明の実施の形態による発熱装置は、一方の面ともう一方の面で温度差を有するものであることが確認された。特に、実施の形態による発熱装置は、比較の形態と比べてＡ点とＢ点の温度差が大きく、ＰＴＣ発熱素子２３からの熱が効率的に被加熱物に伝わるものである。
【００３２】
更に、上記本実施の形態及び比較の形態による発熱装置１０を実際にエアポンプ４２に取り付け、被加熱物の温度を測定した。エアポンプ４２は、図８に示す概略形状のＳＵＳ製のものであり、このエアポンプ４２に発熱装置１０がＳＵＳ製取付金具３５によって設置される。本試験では、被加熱物の温度の測定位置は、併せて図８に示すＣ点、Ｄ点、Ｅ点とし、ＰＴＣ発熱素子２３としてキュリー温度２１７℃のものを使用し、雰囲気温度−１０℃、風速８．０ｍ／ｓとして、加熱開始から１０００秒後の温度を測定した。結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】
表２に示すように、本実施の形態による発熱装置１０で加熱されたエアポンプ４２は、何れの位置においても、比較の形態のものよりも温度が高く、加熱効率に優れていることが確認された。
【００３５】
また、本実施の形態による発熱装置は、モールド３１が薄くなっている部分についても保護シート３４によって十分に強度が保持されており、取付金具３５によってエアポンプ４２に取り付けた際にも、モールド３１に割れ等が生じることはなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上詳述したように本発明によれば、発熱装置の加熱効率を向上させることができ、エアポンプの凍結が確実に防止することができるヒータ構造を提供することができる。このようなヒータ構造は、二次空気供給装置に好適に使用することができる。また、このようなヒータ構造を備えた二次空気供給装置は、例えば、自動車の内燃機関として好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 発熱装置
２０ 発熱体
２１ 第一の電極端子
２２ 第二の電極端子
２３ ＰＴＣ発熱素子
２４ 絶縁ケース
３１ モールド
３２，３３ リード線
３４ 保護シート
４１ 二次空気供給路
４２ エアポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備えたヒータ構造において、
上記発熱装置が、発熱体と該発熱体を覆う樹脂又はゴムからなるモールドからなり、上記発熱体が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、１面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなり、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が、電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子が、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが、絶縁ケースにより絶縁されており、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、
上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄いことを特徴するヒータ構造。
【請求項２】
上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さが保護シート厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１記載のヒータ構造。
【請求項３】
上記モールドがシリコーンゴムからなり、上記保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒータ構造。
【請求項４】
内燃機関の二次空気供給装置用である請求項１〜請求項３何れか記載のヒータ構造。
【請求項１】
外気を吸引して吐出するエアポンプと、上記エアポンプに設置され該エアポンプを加熱する発熱装置とを備えたヒータ構造において、
上記発熱装置が、発熱体と該発熱体を覆う樹脂又はゴムからなるモールドからなり、上記発熱体が、一対の電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一の電極端子と、第二の電極端子と、１面を開口させた箱形状の絶縁ケースからなり、上記第一の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が、電気的に接続した状態で上記絶縁ケース内に配置され、上記第二の電極端子が、バネ弾性を有する金属板からなる断面略コの字形状のものであり、該略コの字形状の開口部によって、上記正特性サーミスタ発熱素子、上記第一の電極端子、及び、上記絶縁ケースを掴持することで、上記第二の電極端子と上記正特性サーミスタ発熱素子が電気的に接続した状態となるとともに、上記第二の電極端子と上記第一の電極端子とが、絶縁ケースにより絶縁されており、上記絶縁ケースの開口面が、上記エアポンプに接する面となり、
上記エアポンプに接する面に、保護シートが配置されているとともに、上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さと保護シート厚さの和が、上記エアポンプに接する面に対向する面のモールド厚さより薄いことを特徴するヒータ構造。
【請求項２】
上記発熱装置におけるエアポンプに接する面のモールド厚さが保護シート厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１記載のヒータ構造。
【請求項３】
上記モールドがシリコーンゴムからなり、上記保護シートがシリコーンゴム含浸ガラス布からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒータ構造。
【請求項４】
内燃機関の二次空気供給装置用である請求項１〜請求項３何れか記載のヒータ構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２０８０５（Ｐ２０１３−２０８０５Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３１００（Ｐ２０１１−１５３１００）
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００１２９５２９）株式会社クラベ (125)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００１２９５２９）株式会社クラベ (125)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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