熱交換器
【課題】熱交換器要素と一体化された入口配管及び出口配管がハウジングを貫通する熱交換器において、熱交換要素が加熱・冷却により膨張・収縮をしたときのハウジングの破損を抑制することを目的とする。
【解決手段】チューブ１７に接続され、チューブ１７において加熱される熱媒体が流入する入口ヘッダ２２と、チューブ１７に接続され、チューブ１７において加熱された熱媒体が流出される出口ヘッダ２３と、熱媒体が入口ヘッダ２２に向けて流れる入口配管２２ａと、熱媒体が出口ヘッダ２３から外部に向けて流れる出口配管２３ａと、チューブ１７を流れる熱媒体を加熱するＰＴＣヒータ１８と、を有する。入口配管２２ａ及び出口配管２３ａは、下部ハウジング１１ｂにその周囲が封止されている。また、下部ハウジング１１ｂは、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間に、下壁１１２の面外方向へ突出する蛇腹状断面部１１３を有する。
【解決手段】チューブ１７に接続され、チューブ１７において加熱される熱媒体が流入する入口ヘッダ２２と、チューブ１７に接続され、チューブ１７において加熱された熱媒体が流出される出口ヘッダ２３と、熱媒体が入口ヘッダ２２に向けて流れる入口配管２２ａと、熱媒体が出口ヘッダ２３から外部に向けて流れる出口配管２３ａと、チューブ１７を流れる熱媒体を加熱するＰＴＣヒータ１８と、を有する。入口配管２２ａ及び出口配管２３ａは、下部ハウジング１１ｂにその周囲が封止されている。また、下部ハウジング１１ｂは、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間に、下壁１１２の面外方向へ突出する蛇腹状断面部１１３を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＰＴＣヒータを用いて熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置に適用される熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド車などに適用される車両用空調装置において、暖房用の熱源となる非加熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置として、正特性サーミスタ素子（Positive Temperature Coefficient，以下、ＰＴＣ素子）を発熱要素として用いるＰＴＣヒータが知られている。ＰＴＣヒータは、温度の上昇とともに抵抗値が上昇し、これによって消費電流が制御されるとともに温度上昇が緩やかになり、その後、消費電流及び発熱部の温度が飽和領域に達して安定するものであり、自己温度制御特性を備えている。
【０００３】
ＰＴＣヒータを用いた熱媒体加熱装置として、例えば、特許文献１〜特許文献３に開示されるものが知られている。これらはいずれも、流通路を流れる熱媒体がＰＴＣヒータで発生した熱の伝達を受けて熱媒体が加熱される点で共通しているが、具体的にはいくつかの形態に分かれる。
例えば、特許文献１のように、熱媒体の入口及び出口を供えるハウジングの内部に複数のＰＴＣヒータエレメントを独立して配置する装置（タイプ１）がある。このタイプ１による熱媒体加熱装置は、入口から流入した熱媒体はＰＴＣヒータエレメントの周囲を流れながら加熱され、出口から外部に流出する。
この他のタイプとして、特許文献２、３のように、内部を熱媒体が流れるチューブにＰＴＣヒータを密着させる装置（タイプ２）もある。このタイプ２による熱媒体加熱装置は、加熱される熱媒体をチューブに運ぶ入口配管及び加熱された熱媒体をチューブから外部に向けて運ぶ出口配管が、チューブを含む熱交換器要素と一体的に組み付けられている。そして、この形態は、ハウジング内にチューブを含む熱交換器要素を収納するとともに、所定の間隔を設けて配置されている入口配管及び出口配管がハウジングを貫通し、かつその周囲がハウジングに封止されている。熱交換要素から漏れた熱媒体が外部に漏れるのを阻止するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０９１３７号公報
【特許文献２】特開２００９−１４２０００号公報
【特許文献３】特許第４０５２１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
タイプ１による熱媒体加熱装置は、ハウジングの内部であってＰＴＣヒータエレメントの周囲を熱媒体が流れ、外部に流出する構造である。したがって、ＰＴＣヒータエレメントが加熱・冷却により膨張・収縮したとしても、その熱変形がハウジングに影響を及ぼすことはない。
これに対してタイプ２による熱媒体加熱装置は、チューブを含む熱交換器要素と一体化された入口配管及び出口配管の周囲がハウジングに密に封止されている。したがって、ＰＴＣヒータにより熱交換器要素が加熱され膨張すると、入口配管及び出口配管はその間隔が拡がるように位置が移動する。通常、ハウジングは、ＰＴＣヒータと離間しているので、ＰＴＣヒータによる熱の影響を受けにくい。そのために、ハウジングに入口配管及び出口配管が干渉し、ハウジングを破損するおそれがある。特に、コスト削減の観点から、ハウジングを樹脂で形成する場合には、一般的にアルミニウム合金から形成される入口配管及び出口配管に比べてハウジングの強度が低くなるため、破損のおそれが大きい。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、熱交換器要素と一体化された入口配管及び出口配管の周囲がハウジングにより封止されている熱交換器において、熱交換要素が加熱・冷却により膨張・収縮をしたときのハウジングの破損を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、熱交換器要素と同じ材料でハウジングを形成すれば、入口配管及び出口配管とハウジングの干渉を低減することができる。また、ハウジングの剛性を高くすることで、ハウジングの破損を抑制することもできる。
しかし、熱交換器要素と同じ材料、つまりアルミニウム合金等の金属材料でハウジングを形成すれば、熱媒体加熱装置の製造コストをあげる要因になる。また、ハウジングの剛性を高くすることでハウジングの破損を短期的には防ぐことはできるが、ＰＴＣヒータによる加熱が行われている間、入口配管及び出口配管とハウジングの間には熱応力が付与されるので、疲労による入口配管及び出口配管又はハウジングの破損が懸念される。
【０００７】
そこで本発明は、入口配管及び出口配管の熱変形にともなって、ハウジングの中で変形が生ずる領域の剛性を他の領域に比べてあえて弱くすることを提案する。
本発明の熱交換器は、熱交換器要素と、熱交換器要素を収容するハウジングと、を備える。
熱交換器要素は、熱媒体が内部を流れる単数又は複数の熱交換用管体と、入口ヘッダと、出口ヘッダと、を備える。入口ヘッダ及び出口ヘッダは、各々、熱交換用管体に接続され、熱交換用管体において加熱される熱媒体が入口ヘッダから流入し、熱交換用管体で加熱された熱媒体が、出口ヘッダから流出する。また、入口ヘッダには熱媒体が熱交換用管体に向けて流れる入口配管が接続され、出口ヘッダには熱媒体が外部に向けて流れる出口配管が接続される。
熱交換器要素は、また、熱交換用管体を流れる熱媒体を加熱する加熱源を備える。
本発明の熱交換器における入口配管及び出口配管は、各々、その周囲がハウジングにより封止されている。
そして本発明におけるハウジングは、入口配管と出口配管の間に、ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明におけるハウジングは、入口配管と出口配管を結ぶ線分の方向において、入口配管よりもハウジングの外側、及び、出口配管よりも外側に、ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を有することが好ましい。
ＰＴＣヒータが加熱されているとき、入口配管よりもハウジングの外側、及び、出口配管よりも外側には、縮みが生じることになるが、この縮みに追従してハウジングの当該外側の部分が縮みやすくなるように剛性を弱くするのである。
【０００９】
本発明の熱交換器において、ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を、突出が連続的に繰り返されるものにすることが好ましい。突出する方向のスペースを抑えながら、剛性を弱くするのに有利だからである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱交換器要素と一体化された入口配管及び出口配管がハウジングを貫通する熱交換器において、熱交換要素が加熱・冷却により膨張・収縮をしたときのハウジングの破損を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態における熱媒体加熱装置の分解斜視図である。
【図２】図１に示す熱媒体加熱装置を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側縦面図である。
【図３】図１に示す熱媒体加熱装置に適用する扁平状の熱交換チューブを示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は（Ｂ）の３Ｃ−３Ｃ断面図である。
【図４】図１に示す熱媒体加熱装置を背面側から示す斜視図である。
【図５】図１に示す熱媒体加熱装置の熱交換チューブの周囲を下部ハウジングとともに示す縦断面図であり、上段が通常時を示し、下段が加熱により熱膨張した状態を示す。
【図６】本発明による他の実施形態を示す縦断面図であり、（Ａ）は入口配管及び出口配管よりも外側にも蛇腹状の凹凸を形成した例を示し、（Ｂ）は曲率の大きい下向きの凸を一つだけ設けた例を示す。
【図７】本発明による他の凹凸の例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は７Ｂ−７Ｂ線断面図、（Ｃ）は７Ｃ−７Ｃ線断面図である。
【図８】熱媒体加熱装置が用いられる車両用空調装置の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第１実施形態］
本実施形態に係る熱媒体加熱装置１０（熱交換器）は、図１〜図３に示されるように、制御基板１３と、電極板１４（図３（Ｂ）参照）と、ＩＧＢＴ等からなる複数個の半導体スイッチング素子１２（図２（Ｂ）参照）と、熱交押え部材１６と、複数枚（例えば、３枚）の扁平状の熱交換用のチューブ１７と、複数組のＰＴＣ素子（Positive Temperature Coefficient）１８ａ（図２（Ｂ）参照）と、これら制御基板１３、電極板１４、半導体スイッチング素子１２、積層されたチューブ１７（熱交換用管体）、および熱交押え部材１６等を収容するハウジング１１と、を備えている。
なお、電極板１４、ＰＴＣ素子１８ａおよび絶縁体（図示せず）等により、複数組のＰＴＣヒータ１８が構成される。
【００１３】
＜ハウジング＞
ハウジング１１は、上半部と下半部とに２分割された構成になっており、上半部を構成する上部ハウジング１１ａ（図２（Ｂ）参照）と、下半部を構成する下部ハウジング１１ｂとを備えている。また、上部ハウジング１１ａおよび下部ハウジング１１ｂの内部には、下部ハウジング１１ｂの上方から下部ハウジング１１ｂの開口部１１ｃに上部ハウジング１１ａを載置することによって、制御基板１３、半導体スイッチング素子１２、電極板１４、熱交押え部材１６、積層された複数枚のチューブ１７、および複数組のＰＴＣヒータ１８等を収容する空間が形成されるようになっている。
【００１４】
下部ハウジング１１ｂの下面には、積層された３枚のチューブ１７に導入される熱媒体を導くための熱媒体入口路１１ｄおよびチューブ１７内を流通した熱媒体を導出するための熱媒体出口路１１ｅが一体的に形成されている。下部ハウジング１１ｂは、その内部空間に収容されるチューブ１７を形成しているアルミニウム合金と線膨張係数ができるだけ近い樹脂材料（例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート（polybutylene terephthalate））により形成されていることが、ハウジング１１の軽量化、低コストかにとって好ましい。なお、上部ハウジング１１ａも下部ハウジング１１ｂと同様の樹脂材料により成形されていることが好ましい。
【００１５】
また、下部ハウジング１１ｂの下面には、電源ハーネス２７およびＬＶハーネス２８の先端部を貫通するための電源ハーネス用孔１１ｆおよびＬＶハーネス用孔１１ｇ（図２（Ａ）参照）が開口されている。電源ハーネス２７は、制御基板１３および半導体スイッチング素子１２を介してＰＴＣヒータ１８に電力を供給するものであり、先端部が二股状に分岐され、制御基板１３に設けられている２つの電源ハーネス用端子台１３ｃに電源ハーネス接続用ネジ１３ｂによってネジ止めされる。また、ＬＶハーネス２８は、制御基板１３に制御用の信号を送信するものであり、その先端部は、制御基板１３にコネクタ接続可能とされている。
【００１６】
さらに、下部ハウジング１１ｂの下壁１１２には、図４、図５に示されるように、その断面が面外方向に凹凸が連続して形成される蛇腹状断面部１１３が設けられている。この蛇腹状断面部１１３は、熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅの間に形成される。また、蛇腹状断面部１１３は、その凸部（または凹部）の稜線が、熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅを結ぶ線分に対して直交するように形成されている。蛇腹状断面部１１３は、面内方向への剛性が低減されている。なお、蛇腹の段数は任意であり、特定の段数に本発明は限定されるものではない。
蛇腹状断面部１１３は、下部ハウジング１１ｂが図５の矢印Ｔに示すように引っ張られることを想定すると面内方向への延び代を備えており、また、下部ハウジング１１ｂが図５の矢印Ｐに示すように圧縮されることを想定すると面内方向への縮み代を備えていることになる。
下壁１１２には、入口配管２２ａが入口ヘッダ２２にかしめにより接合されるフランジ２２ｂの周囲に嵌合されるＯリング２９を収容するリング状の保持溝１２２ａが、また、出口配管２３ａが出口ヘッダ２３にかしめにより接合されるフランジ２３ｂの周囲に嵌合されるＯリング２９を収容するリング状の保持溝１２３ａが、形成されている。
ここで、面外方向とは、基準となる下壁１１２の平坦な部分の面に直交する方向をいい、本発明でいうところの「面外方向に突出」とは、当該平坦な部分を基準として突出している（又は、へこんでいる）部分があることをいう。
【００１７】
＜半導体スイッチング素子１２および制御基板１３＞
半導体スイッチング素子１２および制御基板１３は、上位制御装置（例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）からの指示に基づいて複数組のＰＴＣヒータ１８に対する通電制御を行う制御系を構成するものであり、ＩＧＢＴ等の複数個の半導体スイッチング素子１２を介して複数組のＰＴＣヒータ１８に対する通電状態が切替えできるように構成されている。そしてこの複数組のＰＴＣヒータ１８をその両面側から挟み込むように複数枚のチューブ１７が積層されている。
【００１８】
＜チューブ１７＞
チューブ１７は、アルミニウム合金製であり、図３（Ａ）に示されるように、例えば３枚のチューブ１７が互いに平行になるように積層されている。この３枚のチューブ１７は、下段、中段および上段のチューブ１７ｃ、１７ｂ、１７ａの順に積層される。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの扁平チューブ部２０の内部には、図３（Ｃ）に示されるように、コルゲート状のインナーフィン２１が形成されている。これによって、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃには、その軸方向に連通している複数の熱媒体流通路が形成されることとなる。
【００１９】
各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、図３に示されるように、扁平チューブ部２０と、その両端に成形されている熱媒体と供給する入口ヘッダ２２および熱媒体が導出される出口ヘッダ２３と、積層された入口ヘッダ２２間および出口ヘッダ２３間に設けられるシール状の液状ガスケット（シール材）２６と、を備えている。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、図２（Ｂ）に示されるように、ＰＴＣヒータ１８を挟んでその両面側に設けられる電極板１４を両側から挟みこむように互いに平行に積層されている。
【００２０】
また、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、平面視した場合、軸方向（図３（Ｂ）において左右方向）に長い扁平状を呈している。このチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、扁平方向、すなわち、軸方向と直交する厚さ方向（図３（Ｂ）において上下方向）に幅広となっている。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの軸方向の両端部、すなわち、扁平チューブ部２０の両端部には、入口ヘッダ２２と出口ヘッダ２３とが設けられており、入口ヘッダ２２および出口ヘッダ２３の中心部には、それぞれ連通孔２４、２５が設けられている。
【００２１】
また、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを、上記のように積層することによって、上段のチューブ１７ａ、中段のチューブ１７ｂおよび下段のチューブ１７の各連通孔２４、２５が連通され、入口ヘッダ２２同士および出口ヘッダ２３同士が互いに連通されるとともに、各連通孔２４、２５の周囲が液状ガスケット（シール材）２６によって密封状態にシールされるようになっている。
【００２２】
チューブ１７の入口ヘッダ２２には入口配管２２ａが接続され、また、出口ヘッダ２３には出口配管２３ａが接続されている。入口ヘッダ２２と入口配管２２ａの境界、出口ヘッダ２３と出口配管２３ａの境界から、熱媒体が容易に漏れないように接続方法が選択されるべきであるが、本実施形態では管端部にフランジ２２ｂ、２３ｂを形成することで、かしめにより接合している。
チューブ１７が下部ハウジング１１ｂの所定位置に配置されると、入口配管２２ａは熱媒体入口路１１ｄの内部に嵌挿され、また、出口配管２３ａは熱媒体出口路１１ｅの内部に嵌挿される（図５参照）。
入口配管２２ａ（フランジ２２ｂ）と下部ハウジング１１ｂの下壁１１２の間、及び、出口配管２３ａ（フランジ２３ｂ）と下部ハウジング１１ｂの下壁１１２の間には、Ｏリング２９が設けられているので、入口ヘッダ２２と入口配管２２ａの境界、あるいは、出口ヘッダ２３と出口配管２３ａの境界から、熱媒体が漏れても、ハウジング１１外への漏洩が阻止される。
以上のように、入口配管２２ａ及び出口配管２３ａは、下部ハウジング１１ｂにより、その周囲が封止されている。なお、本発明における封止とは、Ｏリング２９等を介して下部ハウジング１１ｂにより間接的に封止される場合を包含する。
【００２３】
熱媒体入口路１１ｄ（入口配管２２ａ）から導かれた熱媒体は、各入口ヘッダ２２から各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの扁平チューブ部２０内へと供給される。この熱媒体は、扁平チューブ部２０内を流通する過程でＰＴＣヒータ１８により昇温される。この熱媒体は、各出口ヘッダ２３に流出し、熱媒体出口路１１ｅ（出口配管２３ａ）を経て熱媒体加熱装置１０の外部へと導出されるようになっている。該熱媒体加熱装置１０から導出された熱媒体は、例えば後述するように、熱媒体循環回路１０Ａ（図８参照）を介して放熱器６に供給されることになる。
【００２４】
＜電極板１４＞
また、電極板１４は、ＰＴＣ素子１８ａに電力を供給するものであり、平面視において、矩形状を呈するアルミニウム合金製の板材とされている。電極板１４は、図２（Ｂ）に示されるように、ＰＴＣ素子１８ａを挟んでその両面に、ＰＴＣ素子１８ａの上面に接するように一枚、また、ＰＴＣ素子１８ａの下面に接するように一枚がそれぞれ積層されている。これら２枚の電極板１４によって、ＰＴＣ素子１８ａの上面と、ＰＴＣ素子１８ａの下面とが挟み込まれるようになっている。
【００２５】
さらに、ＰＴＣ素子１８ａの上面側に位置する電極板１４は、その上面がチューブ１７の下面に接するように配置され、ＰＴＣ素子１８ａの下面側に位置する電極板１４は、その下面がチューブ１７の上面に接するように配置されている。本実施形態の場合には、電極板１４は、下段のチューブ１７ｃと中段のチューブ１７ｂとの間、中段のチューブ１７ｂと上段のチューブ１７ａとの間に各々２枚、合計４枚が配置されている。
【００２６】
４枚の各電極板１４は、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃと略同形とされている。各電極板１４は、その長辺側に１つの端子１４ａが設けられている。電極板１４に設けられている端子１４ａは、各電極板１４を積層させた場合に重なることなく、電極板１４の長辺に沿って位置している。各端子１４ａは、上方に突出するように設けられ、制御基板１３に設けられている端子１３ａに端子接続用ネジ１４ｂを介して接続されるようになっている。
【００２７】
＜基板サブアッセンブリ１５＞
基板サブアッセンブリ１５は、制御基板１３と熱交押え部材１６とを互いに平行に配設し、熱交押え部材１６の上面に設置されているＩＧＢＴ等の複数個の半導体スイッチング素子１２を間に挟み込んでいるものである。制御基板１３と熱交押え部材１６は、例えば４本の基板サブアッセンブリ接続用ネジ１５ａで固定されており、これによって、基板サブアッセンブリ１５は、一体化されている。
【００２８】
基板サブアッセンブリ１５を構成している制御基板１３には、各電極板１４に直列に配列されている４つの端子１４ａに対応して、その一辺の下面に直列に４つの端子１３ａが配列されている。また、４つの端子１３ａと両端側に直列に並ぶように、電源ハーネス２７の２分岐されている先端部と接続される２つの電源ハーネス用端子台１３ｃが設けられている。
【００２９】
図２（Ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ等からなる半導体スイッチング素子１２は、略長方形状に樹脂成形されたトランジスタである。この半導体スイッチング素子１２は、作動することによって熱を生じる発熱素子であり、熱交押え部材１６の上面であって、上段のチューブ１７ａの入口ヘッダ２２近傍に接続用ネジ１２ａを介してねじ止めされ熱交押え部材１６をヒートシンクとして冷却されるようになっている。
【００３０】
基板サブアッセンブリ１５を構成している熱交押え部材１６は、平面視した際に扁平状のアルミニウム合金製板材とされている。この熱交押え部材１６は、制御基板１３よりも軸方向（図２（Ａ）の左右方向）に大きくされたものであり、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを覆うことができる大きさとされている。制御基板１３よりも軸方向に大きくなっている熱交押え部材１６には、該熱交押え部材１６を下部ハウジング１１ｂに固定する基板サブアッセンブリ固定用ネジ１５ｂ（図２（Ａ）参照）が貫通可能な孔（図示せず）が４箇所に設けられている。
【００３１】
基板サブアッセンブリ１５は、積層された上段のチューブ１７ａの上方に載置されている。すなわち、基板サブアッセンブリ１５は、熱交押え部材１６の下面が上段のチューブ１７ａの上面に接するようにして配置されている。この基板サブアッセンブリ１５は、熱交押え部材１６を４本の基板サブアッセンブリ固定用ネジ１５ｂを介して下部ハウジング１１ｂにネジ止めすることにより、熱交押え部材１６の下面と下部ハウジング１１ｂの内底面との間で積層された３枚のチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよびその間に挟まれている２枚のＰＴＣヒータ１８を挟みこんでいる。
【００３２】
このように、基板サブアッセンブリ１５を下部ハウジング１１ｂにネジ止め固定することにより、下部ハウジング１１ｂの内底面方向に積層された３枚のチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよびその間に挟まれている２枚のＰＴＣヒータ１８が押圧付勢されるようになっている。また、基板サブアッセンブリ１５を構成している熱交押え部材１６は、アルミニウム合金製板材であるため、チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ内を流れる熱媒体の冷熱を介して、熱交押え部材１６上に設置されているＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１２を冷却するヒートシンクとして用いられるようになっている。
【００３３】
＜効果＞
さて、以上の構成を有する熱媒体加熱装置１０において、通電することによりＰＴＣヒータ１８を昇温すると、チューブ１７の内部を流れる熱媒体は加熱される。そうすると、チューブ１７はその軸方向に延びるが、これにともない入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔は拡がる（図５の下段参照）。この熱変形に伴い、下部ハウジング１１ｂも当該軸方向に延びようとする。本実施形態の場合、熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅの間は、下部ハウジング１１ｂの下面が蛇腹状の断面形状を有しているので、軸線方向の剛性が弱いことに加えて、延び代を備えていることが相俟って、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がるのに追従して、下部ハウジング１１ｂの下壁１１２は熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅの間隔が拡がるのが容易である。したがって、熱媒体加熱装置１０は、加熱源であるＰＴＣヒータ１８の昇温に伴ってハウジング１１（下部ハウジング１１ｂ）が破損するのを抑制できる。
【００３４】
また、熱媒体加熱装置１０は、下部ハウジング１１ｂの下壁１１２に蛇腹状断面部１１３を有しており、下壁１１２の全域が平坦な場合に比べて、下壁１１２の表面積が大きいので、ハウジング１１の内部で生じた熱を外部に放出するのに有利である、という効果をも奏する。
【００３５】
以上説明した熱媒体加熱装置１０はあくまで一例であり、本発明では少なくとも以下に説明する変更を加えることができる。
［第２実施形態］
本発明においては、図６（Ａ）に示すように、下部ハウジング１１１ｂに、蛇腹状断面部１１３に加えて、入口配管２２ａと出口配管２３ａを結ぶ線分の方向において、入口配管２２ａ及び出口配管２３ａよりも外側に、面外方向へ突出する突出断面部１１４を設けることができる。
ＰＴＣヒータ１８が昇温されると、通常、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がることは前述の通りである。一方、熱媒体入口路１１ｄよりも外側の領域は、入口配管２２ａにより押され、また、熱媒体出口路１１ｅよりも外側の領域は、出口配管２３ａにより押されることで、縮むことになる。したがって、この領域の破損をより効果的に防止するために、突出断面部１１４を設けるのである。
【００３６】
また、図６（Ａ）に示す例では、Ｏリング２９に代えて、ゴム製のグロメット１２０を用いる。
このグロメット１２０は、Ｏリング２９と同様に、入口配管２２ａと下部ハウジング１１１ｂの間、及び、出口配管２３ａと下部ハウジング１１１ｂの間、に嵌装される。したがって、グロメット１２０は、入口ヘッダ２２と入口配管２２ａの境界、あるいは、出口ヘッダ２３と出口配管２３ａの境界から、熱媒体が漏れても、ハウジング１１外へ漏洩するのを阻止する。
グロメット１２０は、また、下部ハウジング１１１ｂの破損防止にも効果を発揮する。すなわち、ＰＴＣヒータ１８の発熱により、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がる際に、グロメット１２０は弾性的に変形して間隔の拡がりを吸収することができる
なお、図６（Ａ）に示す下部ハウジング１１１ｂは、熱媒体入口路１１ｄ及び熱媒体出口路１１ｅを備えていないが、本発明はこのような形態をも包含することは言うまでもない。
【００３７】
［第３実施形態］
以上説明した実施形態では面外方向へ突出する断面形状として蛇腹状断面を示してきたが、本発明はこれに限らず、図６（Ｂ）に示すように、曲率の大きな下向きの凸を一つだけ備えることを包含する。この場合も、下部ハウジング２１１ｂの下壁２１２はその面内方向の剛性が低く、かつ、面内方向への延び代及び縮み代を備えることになる。したがって、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がるのに追従して、下部ハウジング１１ｂは熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅの間隔が容易に拡がることができる。
第３実施形態のように曲率の大きな下向きの凸を一つだけ備えるものを上述した蛇腹状断面と比べると、以下の相違がある。
下部ハウジング１１ｂ〜２１１ｂは、樹脂で形成されるものであり、射出成形で作製される。その際に用いる金型の制作費は、加工工数が多くなる蛇腹状断面の方が高くなる。つまり、コスト的には、第３実施形態の下部ハウジング２１１ｂが有利である。
一方、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がるのに対する追従性については、蛇腹状断面のように振幅の小さい凸（または凹）を連続的に繰り返す方が有利である。つまり、面内方向の直線距離に対する下壁１１２の総延長の長さが大きいほど、面内方向の剛性は低くなる。また、熱媒体加熱装置１０は自動車に設置されるものであり、その周囲のスペースは限られる。この制約をも考慮すると、第１実施形態の下部ハウジング１１ｂで採用した蛇腹状断面の方がより狭いスペースで面内方向の直線距離に対する総延長の長さを大きくできるのである。
【００３８】
＜車両用空調装置への適用例＞
以上説明した本実施形態による熱媒体加熱装置の適用例として、車両用空調装置１を説明する。
車両用空調装置１は、図８に示すように、外気または車室内空気を取り込んで温調し、それを車室内へと導く空気流路２を形成するためのケーシング３を備えている。
ケーシング３の内部には、空気流路２の上流側から下流側にかけて順次、外気または車室内空気を吸い込んで昇圧し、それを下流側へと圧送するブロア４と、ブロア４により圧送される空気を冷却する冷却器５と、冷却器５を通過して冷却された空気を加熱する放熱器６と、放熱器６を通過する空気量と放熱器６をバイパスする空気量との流量割合を調整し、その下流側でエアミックスさせることによって、温調風の温度を調節するエアミックスダンパ７と、が設置されている。
【００３９】
ケーシング３の下流側は、図示しない吹き出しモード切り替えダンパおよびダクトを介して温調された空気を車室内に吹き出す複数の吹き出し口に接続されている。
冷却器５は、図示省略された圧縮機、凝縮器、膨張弁等と共に冷媒回路を構成し、膨張弁で断熱膨張された冷媒を蒸発させることによって、そこを通過する空気を冷却するものである。放熱器６は、タンク８、ポンプ９および熱媒体加熱装置１０とともに熱媒体循環回路１０Ａを構成し、熱媒体加熱装置１０により高温に加熱された熱媒体（例えば、不凍液等）がポンプ９を介して循環されることにより、そこを通過する空気を加温するものである。
【００４０】
以上の車両用空調装置１によれば、放熱器６に、上述した熱媒体加熱装置（ヒータユニット）により加熱された熱媒体が循環可能に構成されているため、この熱媒体を放熱器６に供給し、空気加温用の熱源とすることができる。従って、冷却水が用いられるエンジンが搭載されていない電気自動車等の空調装置に用いて好適な車両用空調装置を得ることができる。また、エンジンが搭載され、その冷却水を空気加温用の熱源とする車両用空調装置に適用することにより、起動時に低温冷却水を素早く加熱して放熱器に循環させることができるため、空調装置起動時の立ち上がり性能を改善することができる。
【００４１】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、以上ではＰＴＣヒータを用い熱媒体加熱装置（熱交換器）に適用した例を説明したが、樹脂製のハウジング内に熱交換器本体が収容され、かつこの熱交換器本体に接続される入口配管及び出口配管がハウジングを貫通する形態の熱媒体加熱装置に広く適用することができる。
また、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間に設けられる面外方向へ突出する断面形状については、以上説明した形態に限るものでない。例えば、図７に示すように、凹凸が二次元方向に連なる断面を有する下壁３１２を有する下部ハウジングとすることもできる。
また、面外方向へ突出する断面形状については、その稜線が、入口配管２２ａと出口配管２３ａを結ぶ線分に対して直交するように形成されている例を示した。これは剛性を低くする上で最も好ましい形態ではあるが、本発明はこれに限定されず、当該線分に対して交差するようにしてもよい。このときの交差角度は、４５°以下にするのが好ましい。
さらに、以上では、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がる例について説明したが、車両用空調装置１に用いる場合、外気が０℃以下と低い場合には、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が縮むことも想定されるが、そのような場合も本発明は有効であることはいうまでもない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…熱媒体加熱装置
１１…ハウジング、１１ａ…上部ハウジング、１１ｂ，１１１ｂ，２１１ｂ…下部ハウジング
１１２，２１２，３１２…下壁、１１３…蛇腹状断面部、１１４…突出断面部、１２２ａ，１２３ａ…保持溝
１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…熱交換チューブ、１８…ＰＴＣヒータ、１８ａ…ＰＴＣ素子
２２…入口ヘッダ、２２ａ…入口配管、２３…出口ヘッダ、２３ａ…出口配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＰＴＣヒータを用いて熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置に適用される熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド車などに適用される車両用空調装置において、暖房用の熱源となる非加熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置として、正特性サーミスタ素子（Positive Temperature Coefficient，以下、ＰＴＣ素子）を発熱要素として用いるＰＴＣヒータが知られている。ＰＴＣヒータは、温度の上昇とともに抵抗値が上昇し、これによって消費電流が制御されるとともに温度上昇が緩やかになり、その後、消費電流及び発熱部の温度が飽和領域に達して安定するものであり、自己温度制御特性を備えている。
【０００３】
ＰＴＣヒータを用いた熱媒体加熱装置として、例えば、特許文献１〜特許文献３に開示されるものが知られている。これらはいずれも、流通路を流れる熱媒体がＰＴＣヒータで発生した熱の伝達を受けて熱媒体が加熱される点で共通しているが、具体的にはいくつかの形態に分かれる。
例えば、特許文献１のように、熱媒体の入口及び出口を供えるハウジングの内部に複数のＰＴＣヒータエレメントを独立して配置する装置（タイプ１）がある。このタイプ１による熱媒体加熱装置は、入口から流入した熱媒体はＰＴＣヒータエレメントの周囲を流れながら加熱され、出口から外部に流出する。
この他のタイプとして、特許文献２、３のように、内部を熱媒体が流れるチューブにＰＴＣヒータを密着させる装置（タイプ２）もある。このタイプ２による熱媒体加熱装置は、加熱される熱媒体をチューブに運ぶ入口配管及び加熱された熱媒体をチューブから外部に向けて運ぶ出口配管が、チューブを含む熱交換器要素と一体的に組み付けられている。そして、この形態は、ハウジング内にチューブを含む熱交換器要素を収納するとともに、所定の間隔を設けて配置されている入口配管及び出口配管がハウジングを貫通し、かつその周囲がハウジングに封止されている。熱交換要素から漏れた熱媒体が外部に漏れるのを阻止するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０９１３７号公報
【特許文献２】特開２００９−１４２０００号公報
【特許文献３】特許第４０５２１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
タイプ１による熱媒体加熱装置は、ハウジングの内部であってＰＴＣヒータエレメントの周囲を熱媒体が流れ、外部に流出する構造である。したがって、ＰＴＣヒータエレメントが加熱・冷却により膨張・収縮したとしても、その熱変形がハウジングに影響を及ぼすことはない。
これに対してタイプ２による熱媒体加熱装置は、チューブを含む熱交換器要素と一体化された入口配管及び出口配管の周囲がハウジングに密に封止されている。したがって、ＰＴＣヒータにより熱交換器要素が加熱され膨張すると、入口配管及び出口配管はその間隔が拡がるように位置が移動する。通常、ハウジングは、ＰＴＣヒータと離間しているので、ＰＴＣヒータによる熱の影響を受けにくい。そのために、ハウジングに入口配管及び出口配管が干渉し、ハウジングを破損するおそれがある。特に、コスト削減の観点から、ハウジングを樹脂で形成する場合には、一般的にアルミニウム合金から形成される入口配管及び出口配管に比べてハウジングの強度が低くなるため、破損のおそれが大きい。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、熱交換器要素と一体化された入口配管及び出口配管の周囲がハウジングにより封止されている熱交換器において、熱交換要素が加熱・冷却により膨張・収縮をしたときのハウジングの破損を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、熱交換器要素と同じ材料でハウジングを形成すれば、入口配管及び出口配管とハウジングの干渉を低減することができる。また、ハウジングの剛性を高くすることで、ハウジングの破損を抑制することもできる。
しかし、熱交換器要素と同じ材料、つまりアルミニウム合金等の金属材料でハウジングを形成すれば、熱媒体加熱装置の製造コストをあげる要因になる。また、ハウジングの剛性を高くすることでハウジングの破損を短期的には防ぐことはできるが、ＰＴＣヒータによる加熱が行われている間、入口配管及び出口配管とハウジングの間には熱応力が付与されるので、疲労による入口配管及び出口配管又はハウジングの破損が懸念される。
【０００７】
そこで本発明は、入口配管及び出口配管の熱変形にともなって、ハウジングの中で変形が生ずる領域の剛性を他の領域に比べてあえて弱くすることを提案する。
本発明の熱交換器は、熱交換器要素と、熱交換器要素を収容するハウジングと、を備える。
熱交換器要素は、熱媒体が内部を流れる単数又は複数の熱交換用管体と、入口ヘッダと、出口ヘッダと、を備える。入口ヘッダ及び出口ヘッダは、各々、熱交換用管体に接続され、熱交換用管体において加熱される熱媒体が入口ヘッダから流入し、熱交換用管体で加熱された熱媒体が、出口ヘッダから流出する。また、入口ヘッダには熱媒体が熱交換用管体に向けて流れる入口配管が接続され、出口ヘッダには熱媒体が外部に向けて流れる出口配管が接続される。
熱交換器要素は、また、熱交換用管体を流れる熱媒体を加熱する加熱源を備える。
本発明の熱交換器における入口配管及び出口配管は、各々、その周囲がハウジングにより封止されている。
そして本発明におけるハウジングは、入口配管と出口配管の間に、ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明におけるハウジングは、入口配管と出口配管を結ぶ線分の方向において、入口配管よりもハウジングの外側、及び、出口配管よりも外側に、ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を有することが好ましい。
ＰＴＣヒータが加熱されているとき、入口配管よりもハウジングの外側、及び、出口配管よりも外側には、縮みが生じることになるが、この縮みに追従してハウジングの当該外側の部分が縮みやすくなるように剛性を弱くするのである。
【０００９】
本発明の熱交換器において、ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を、突出が連続的に繰り返されるものにすることが好ましい。突出する方向のスペースを抑えながら、剛性を弱くするのに有利だからである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱交換器要素と一体化された入口配管及び出口配管がハウジングを貫通する熱交換器において、熱交換要素が加熱・冷却により膨張・収縮をしたときのハウジングの破損を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態における熱媒体加熱装置の分解斜視図である。
【図２】図１に示す熱媒体加熱装置を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側縦面図である。
【図３】図１に示す熱媒体加熱装置に適用する扁平状の熱交換チューブを示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は（Ｂ）の３Ｃ−３Ｃ断面図である。
【図４】図１に示す熱媒体加熱装置を背面側から示す斜視図である。
【図５】図１に示す熱媒体加熱装置の熱交換チューブの周囲を下部ハウジングとともに示す縦断面図であり、上段が通常時を示し、下段が加熱により熱膨張した状態を示す。
【図６】本発明による他の実施形態を示す縦断面図であり、（Ａ）は入口配管及び出口配管よりも外側にも蛇腹状の凹凸を形成した例を示し、（Ｂ）は曲率の大きい下向きの凸を一つだけ設けた例を示す。
【図７】本発明による他の凹凸の例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は７Ｂ−７Ｂ線断面図、（Ｃ）は７Ｃ−７Ｃ線断面図である。
【図８】熱媒体加熱装置が用いられる車両用空調装置の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第１実施形態］
本実施形態に係る熱媒体加熱装置１０（熱交換器）は、図１〜図３に示されるように、制御基板１３と、電極板１４（図３（Ｂ）参照）と、ＩＧＢＴ等からなる複数個の半導体スイッチング素子１２（図２（Ｂ）参照）と、熱交押え部材１６と、複数枚（例えば、３枚）の扁平状の熱交換用のチューブ１７と、複数組のＰＴＣ素子（Positive Temperature Coefficient）１８ａ（図２（Ｂ）参照）と、これら制御基板１３、電極板１４、半導体スイッチング素子１２、積層されたチューブ１７（熱交換用管体）、および熱交押え部材１６等を収容するハウジング１１と、を備えている。
なお、電極板１４、ＰＴＣ素子１８ａおよび絶縁体（図示せず）等により、複数組のＰＴＣヒータ１８が構成される。
【００１３】
＜ハウジング＞
ハウジング１１は、上半部と下半部とに２分割された構成になっており、上半部を構成する上部ハウジング１１ａ（図２（Ｂ）参照）と、下半部を構成する下部ハウジング１１ｂとを備えている。また、上部ハウジング１１ａおよび下部ハウジング１１ｂの内部には、下部ハウジング１１ｂの上方から下部ハウジング１１ｂの開口部１１ｃに上部ハウジング１１ａを載置することによって、制御基板１３、半導体スイッチング素子１２、電極板１４、熱交押え部材１６、積層された複数枚のチューブ１７、および複数組のＰＴＣヒータ１８等を収容する空間が形成されるようになっている。
【００１４】
下部ハウジング１１ｂの下面には、積層された３枚のチューブ１７に導入される熱媒体を導くための熱媒体入口路１１ｄおよびチューブ１７内を流通した熱媒体を導出するための熱媒体出口路１１ｅが一体的に形成されている。下部ハウジング１１ｂは、その内部空間に収容されるチューブ１７を形成しているアルミニウム合金と線膨張係数ができるだけ近い樹脂材料（例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート（polybutylene terephthalate））により形成されていることが、ハウジング１１の軽量化、低コストかにとって好ましい。なお、上部ハウジング１１ａも下部ハウジング１１ｂと同様の樹脂材料により成形されていることが好ましい。
【００１５】
また、下部ハウジング１１ｂの下面には、電源ハーネス２７およびＬＶハーネス２８の先端部を貫通するための電源ハーネス用孔１１ｆおよびＬＶハーネス用孔１１ｇ（図２（Ａ）参照）が開口されている。電源ハーネス２７は、制御基板１３および半導体スイッチング素子１２を介してＰＴＣヒータ１８に電力を供給するものであり、先端部が二股状に分岐され、制御基板１３に設けられている２つの電源ハーネス用端子台１３ｃに電源ハーネス接続用ネジ１３ｂによってネジ止めされる。また、ＬＶハーネス２８は、制御基板１３に制御用の信号を送信するものであり、その先端部は、制御基板１３にコネクタ接続可能とされている。
【００１６】
さらに、下部ハウジング１１ｂの下壁１１２には、図４、図５に示されるように、その断面が面外方向に凹凸が連続して形成される蛇腹状断面部１１３が設けられている。この蛇腹状断面部１１３は、熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅの間に形成される。また、蛇腹状断面部１１３は、その凸部（または凹部）の稜線が、熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅを結ぶ線分に対して直交するように形成されている。蛇腹状断面部１１３は、面内方向への剛性が低減されている。なお、蛇腹の段数は任意であり、特定の段数に本発明は限定されるものではない。
蛇腹状断面部１１３は、下部ハウジング１１ｂが図５の矢印Ｔに示すように引っ張られることを想定すると面内方向への延び代を備えており、また、下部ハウジング１１ｂが図５の矢印Ｐに示すように圧縮されることを想定すると面内方向への縮み代を備えていることになる。
下壁１１２には、入口配管２２ａが入口ヘッダ２２にかしめにより接合されるフランジ２２ｂの周囲に嵌合されるＯリング２９を収容するリング状の保持溝１２２ａが、また、出口配管２３ａが出口ヘッダ２３にかしめにより接合されるフランジ２３ｂの周囲に嵌合されるＯリング２９を収容するリング状の保持溝１２３ａが、形成されている。
ここで、面外方向とは、基準となる下壁１１２の平坦な部分の面に直交する方向をいい、本発明でいうところの「面外方向に突出」とは、当該平坦な部分を基準として突出している（又は、へこんでいる）部分があることをいう。
【００１７】
＜半導体スイッチング素子１２および制御基板１３＞
半導体スイッチング素子１２および制御基板１３は、上位制御装置（例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）からの指示に基づいて複数組のＰＴＣヒータ１８に対する通電制御を行う制御系を構成するものであり、ＩＧＢＴ等の複数個の半導体スイッチング素子１２を介して複数組のＰＴＣヒータ１８に対する通電状態が切替えできるように構成されている。そしてこの複数組のＰＴＣヒータ１８をその両面側から挟み込むように複数枚のチューブ１７が積層されている。
【００１８】
＜チューブ１７＞
チューブ１７は、アルミニウム合金製であり、図３（Ａ）に示されるように、例えば３枚のチューブ１７が互いに平行になるように積層されている。この３枚のチューブ１７は、下段、中段および上段のチューブ１７ｃ、１７ｂ、１７ａの順に積層される。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの扁平チューブ部２０の内部には、図３（Ｃ）に示されるように、コルゲート状のインナーフィン２１が形成されている。これによって、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃには、その軸方向に連通している複数の熱媒体流通路が形成されることとなる。
【００１９】
各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、図３に示されるように、扁平チューブ部２０と、その両端に成形されている熱媒体と供給する入口ヘッダ２２および熱媒体が導出される出口ヘッダ２３と、積層された入口ヘッダ２２間および出口ヘッダ２３間に設けられるシール状の液状ガスケット（シール材）２６と、を備えている。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、図２（Ｂ）に示されるように、ＰＴＣヒータ１８を挟んでその両面側に設けられる電極板１４を両側から挟みこむように互いに平行に積層されている。
【００２０】
また、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、平面視した場合、軸方向（図３（Ｂ）において左右方向）に長い扁平状を呈している。このチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、扁平方向、すなわち、軸方向と直交する厚さ方向（図３（Ｂ）において上下方向）に幅広となっている。各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの軸方向の両端部、すなわち、扁平チューブ部２０の両端部には、入口ヘッダ２２と出口ヘッダ２３とが設けられており、入口ヘッダ２２および出口ヘッダ２３の中心部には、それぞれ連通孔２４、２５が設けられている。
【００２１】
また、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを、上記のように積層することによって、上段のチューブ１７ａ、中段のチューブ１７ｂおよび下段のチューブ１７の各連通孔２４、２５が連通され、入口ヘッダ２２同士および出口ヘッダ２３同士が互いに連通されるとともに、各連通孔２４、２５の周囲が液状ガスケット（シール材）２６によって密封状態にシールされるようになっている。
【００２２】
チューブ１７の入口ヘッダ２２には入口配管２２ａが接続され、また、出口ヘッダ２３には出口配管２３ａが接続されている。入口ヘッダ２２と入口配管２２ａの境界、出口ヘッダ２３と出口配管２３ａの境界から、熱媒体が容易に漏れないように接続方法が選択されるべきであるが、本実施形態では管端部にフランジ２２ｂ、２３ｂを形成することで、かしめにより接合している。
チューブ１７が下部ハウジング１１ｂの所定位置に配置されると、入口配管２２ａは熱媒体入口路１１ｄの内部に嵌挿され、また、出口配管２３ａは熱媒体出口路１１ｅの内部に嵌挿される（図５参照）。
入口配管２２ａ（フランジ２２ｂ）と下部ハウジング１１ｂの下壁１１２の間、及び、出口配管２３ａ（フランジ２３ｂ）と下部ハウジング１１ｂの下壁１１２の間には、Ｏリング２９が設けられているので、入口ヘッダ２２と入口配管２２ａの境界、あるいは、出口ヘッダ２３と出口配管２３ａの境界から、熱媒体が漏れても、ハウジング１１外への漏洩が阻止される。
以上のように、入口配管２２ａ及び出口配管２３ａは、下部ハウジング１１ｂにより、その周囲が封止されている。なお、本発明における封止とは、Ｏリング２９等を介して下部ハウジング１１ｂにより間接的に封止される場合を包含する。
【００２３】
熱媒体入口路１１ｄ（入口配管２２ａ）から導かれた熱媒体は、各入口ヘッダ２２から各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの扁平チューブ部２０内へと供給される。この熱媒体は、扁平チューブ部２０内を流通する過程でＰＴＣヒータ１８により昇温される。この熱媒体は、各出口ヘッダ２３に流出し、熱媒体出口路１１ｅ（出口配管２３ａ）を経て熱媒体加熱装置１０の外部へと導出されるようになっている。該熱媒体加熱装置１０から導出された熱媒体は、例えば後述するように、熱媒体循環回路１０Ａ（図８参照）を介して放熱器６に供給されることになる。
【００２４】
＜電極板１４＞
また、電極板１４は、ＰＴＣ素子１８ａに電力を供給するものであり、平面視において、矩形状を呈するアルミニウム合金製の板材とされている。電極板１４は、図２（Ｂ）に示されるように、ＰＴＣ素子１８ａを挟んでその両面に、ＰＴＣ素子１８ａの上面に接するように一枚、また、ＰＴＣ素子１８ａの下面に接するように一枚がそれぞれ積層されている。これら２枚の電極板１４によって、ＰＴＣ素子１８ａの上面と、ＰＴＣ素子１８ａの下面とが挟み込まれるようになっている。
【００２５】
さらに、ＰＴＣ素子１８ａの上面側に位置する電極板１４は、その上面がチューブ１７の下面に接するように配置され、ＰＴＣ素子１８ａの下面側に位置する電極板１４は、その下面がチューブ１７の上面に接するように配置されている。本実施形態の場合には、電極板１４は、下段のチューブ１７ｃと中段のチューブ１７ｂとの間、中段のチューブ１７ｂと上段のチューブ１７ａとの間に各々２枚、合計４枚が配置されている。
【００２６】
４枚の各電極板１４は、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃと略同形とされている。各電極板１４は、その長辺側に１つの端子１４ａが設けられている。電極板１４に設けられている端子１４ａは、各電極板１４を積層させた場合に重なることなく、電極板１４の長辺に沿って位置している。各端子１４ａは、上方に突出するように設けられ、制御基板１３に設けられている端子１３ａに端子接続用ネジ１４ｂを介して接続されるようになっている。
【００２７】
＜基板サブアッセンブリ１５＞
基板サブアッセンブリ１５は、制御基板１３と熱交押え部材１６とを互いに平行に配設し、熱交押え部材１６の上面に設置されているＩＧＢＴ等の複数個の半導体スイッチング素子１２を間に挟み込んでいるものである。制御基板１３と熱交押え部材１６は、例えば４本の基板サブアッセンブリ接続用ネジ１５ａで固定されており、これによって、基板サブアッセンブリ１５は、一体化されている。
【００２８】
基板サブアッセンブリ１５を構成している制御基板１３には、各電極板１４に直列に配列されている４つの端子１４ａに対応して、その一辺の下面に直列に４つの端子１３ａが配列されている。また、４つの端子１３ａと両端側に直列に並ぶように、電源ハーネス２７の２分岐されている先端部と接続される２つの電源ハーネス用端子台１３ｃが設けられている。
【００２９】
図２（Ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ等からなる半導体スイッチング素子１２は、略長方形状に樹脂成形されたトランジスタである。この半導体スイッチング素子１２は、作動することによって熱を生じる発熱素子であり、熱交押え部材１６の上面であって、上段のチューブ１７ａの入口ヘッダ２２近傍に接続用ネジ１２ａを介してねじ止めされ熱交押え部材１６をヒートシンクとして冷却されるようになっている。
【００３０】
基板サブアッセンブリ１５を構成している熱交押え部材１６は、平面視した際に扁平状のアルミニウム合金製板材とされている。この熱交押え部材１６は、制御基板１３よりも軸方向（図２（Ａ）の左右方向）に大きくされたものであり、各チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを覆うことができる大きさとされている。制御基板１３よりも軸方向に大きくなっている熱交押え部材１６には、該熱交押え部材１６を下部ハウジング１１ｂに固定する基板サブアッセンブリ固定用ネジ１５ｂ（図２（Ａ）参照）が貫通可能な孔（図示せず）が４箇所に設けられている。
【００３１】
基板サブアッセンブリ１５は、積層された上段のチューブ１７ａの上方に載置されている。すなわち、基板サブアッセンブリ１５は、熱交押え部材１６の下面が上段のチューブ１７ａの上面に接するようにして配置されている。この基板サブアッセンブリ１５は、熱交押え部材１６を４本の基板サブアッセンブリ固定用ネジ１５ｂを介して下部ハウジング１１ｂにネジ止めすることにより、熱交押え部材１６の下面と下部ハウジング１１ｂの内底面との間で積層された３枚のチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよびその間に挟まれている２枚のＰＴＣヒータ１８を挟みこんでいる。
【００３２】
このように、基板サブアッセンブリ１５を下部ハウジング１１ｂにネジ止め固定することにより、下部ハウジング１１ｂの内底面方向に積層された３枚のチューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよびその間に挟まれている２枚のＰＴＣヒータ１８が押圧付勢されるようになっている。また、基板サブアッセンブリ１５を構成している熱交押え部材１６は、アルミニウム合金製板材であるため、チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ内を流れる熱媒体の冷熱を介して、熱交押え部材１６上に設置されているＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１２を冷却するヒートシンクとして用いられるようになっている。
【００３３】
＜効果＞
さて、以上の構成を有する熱媒体加熱装置１０において、通電することによりＰＴＣヒータ１８を昇温すると、チューブ１７の内部を流れる熱媒体は加熱される。そうすると、チューブ１７はその軸方向に延びるが、これにともない入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔は拡がる（図５の下段参照）。この熱変形に伴い、下部ハウジング１１ｂも当該軸方向に延びようとする。本実施形態の場合、熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅの間は、下部ハウジング１１ｂの下面が蛇腹状の断面形状を有しているので、軸線方向の剛性が弱いことに加えて、延び代を備えていることが相俟って、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がるのに追従して、下部ハウジング１１ｂの下壁１１２は熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅの間隔が拡がるのが容易である。したがって、熱媒体加熱装置１０は、加熱源であるＰＴＣヒータ１８の昇温に伴ってハウジング１１（下部ハウジング１１ｂ）が破損するのを抑制できる。
【００３４】
また、熱媒体加熱装置１０は、下部ハウジング１１ｂの下壁１１２に蛇腹状断面部１１３を有しており、下壁１１２の全域が平坦な場合に比べて、下壁１１２の表面積が大きいので、ハウジング１１の内部で生じた熱を外部に放出するのに有利である、という効果をも奏する。
【００３５】
以上説明した熱媒体加熱装置１０はあくまで一例であり、本発明では少なくとも以下に説明する変更を加えることができる。
［第２実施形態］
本発明においては、図６（Ａ）に示すように、下部ハウジング１１１ｂに、蛇腹状断面部１１３に加えて、入口配管２２ａと出口配管２３ａを結ぶ線分の方向において、入口配管２２ａ及び出口配管２３ａよりも外側に、面外方向へ突出する突出断面部１１４を設けることができる。
ＰＴＣヒータ１８が昇温されると、通常、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がることは前述の通りである。一方、熱媒体入口路１１ｄよりも外側の領域は、入口配管２２ａにより押され、また、熱媒体出口路１１ｅよりも外側の領域は、出口配管２３ａにより押されることで、縮むことになる。したがって、この領域の破損をより効果的に防止するために、突出断面部１１４を設けるのである。
【００３６】
また、図６（Ａ）に示す例では、Ｏリング２９に代えて、ゴム製のグロメット１２０を用いる。
このグロメット１２０は、Ｏリング２９と同様に、入口配管２２ａと下部ハウジング１１１ｂの間、及び、出口配管２３ａと下部ハウジング１１１ｂの間、に嵌装される。したがって、グロメット１２０は、入口ヘッダ２２と入口配管２２ａの境界、あるいは、出口ヘッダ２３と出口配管２３ａの境界から、熱媒体が漏れても、ハウジング１１外へ漏洩するのを阻止する。
グロメット１２０は、また、下部ハウジング１１１ｂの破損防止にも効果を発揮する。すなわち、ＰＴＣヒータ１８の発熱により、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がる際に、グロメット１２０は弾性的に変形して間隔の拡がりを吸収することができる
なお、図６（Ａ）に示す下部ハウジング１１１ｂは、熱媒体入口路１１ｄ及び熱媒体出口路１１ｅを備えていないが、本発明はこのような形態をも包含することは言うまでもない。
【００３７】
［第３実施形態］
以上説明した実施形態では面外方向へ突出する断面形状として蛇腹状断面を示してきたが、本発明はこれに限らず、図６（Ｂ）に示すように、曲率の大きな下向きの凸を一つだけ備えることを包含する。この場合も、下部ハウジング２１１ｂの下壁２１２はその面内方向の剛性が低く、かつ、面内方向への延び代及び縮み代を備えることになる。したがって、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がるのに追従して、下部ハウジング１１ｂは熱媒体入口路１１ｄと熱媒体出口路１１ｅの間隔が容易に拡がることができる。
第３実施形態のように曲率の大きな下向きの凸を一つだけ備えるものを上述した蛇腹状断面と比べると、以下の相違がある。
下部ハウジング１１ｂ〜２１１ｂは、樹脂で形成されるものであり、射出成形で作製される。その際に用いる金型の制作費は、加工工数が多くなる蛇腹状断面の方が高くなる。つまり、コスト的には、第３実施形態の下部ハウジング２１１ｂが有利である。
一方、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がるのに対する追従性については、蛇腹状断面のように振幅の小さい凸（または凹）を連続的に繰り返す方が有利である。つまり、面内方向の直線距離に対する下壁１１２の総延長の長さが大きいほど、面内方向の剛性は低くなる。また、熱媒体加熱装置１０は自動車に設置されるものであり、その周囲のスペースは限られる。この制約をも考慮すると、第１実施形態の下部ハウジング１１ｂで採用した蛇腹状断面の方がより狭いスペースで面内方向の直線距離に対する総延長の長さを大きくできるのである。
【００３８】
＜車両用空調装置への適用例＞
以上説明した本実施形態による熱媒体加熱装置の適用例として、車両用空調装置１を説明する。
車両用空調装置１は、図８に示すように、外気または車室内空気を取り込んで温調し、それを車室内へと導く空気流路２を形成するためのケーシング３を備えている。
ケーシング３の内部には、空気流路２の上流側から下流側にかけて順次、外気または車室内空気を吸い込んで昇圧し、それを下流側へと圧送するブロア４と、ブロア４により圧送される空気を冷却する冷却器５と、冷却器５を通過して冷却された空気を加熱する放熱器６と、放熱器６を通過する空気量と放熱器６をバイパスする空気量との流量割合を調整し、その下流側でエアミックスさせることによって、温調風の温度を調節するエアミックスダンパ７と、が設置されている。
【００３９】
ケーシング３の下流側は、図示しない吹き出しモード切り替えダンパおよびダクトを介して温調された空気を車室内に吹き出す複数の吹き出し口に接続されている。
冷却器５は、図示省略された圧縮機、凝縮器、膨張弁等と共に冷媒回路を構成し、膨張弁で断熱膨張された冷媒を蒸発させることによって、そこを通過する空気を冷却するものである。放熱器６は、タンク８、ポンプ９および熱媒体加熱装置１０とともに熱媒体循環回路１０Ａを構成し、熱媒体加熱装置１０により高温に加熱された熱媒体（例えば、不凍液等）がポンプ９を介して循環されることにより、そこを通過する空気を加温するものである。
【００４０】
以上の車両用空調装置１によれば、放熱器６に、上述した熱媒体加熱装置（ヒータユニット）により加熱された熱媒体が循環可能に構成されているため、この熱媒体を放熱器６に供給し、空気加温用の熱源とすることができる。従って、冷却水が用いられるエンジンが搭載されていない電気自動車等の空調装置に用いて好適な車両用空調装置を得ることができる。また、エンジンが搭載され、その冷却水を空気加温用の熱源とする車両用空調装置に適用することにより、起動時に低温冷却水を素早く加熱して放熱器に循環させることができるため、空調装置起動時の立ち上がり性能を改善することができる。
【００４１】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、以上ではＰＴＣヒータを用い熱媒体加熱装置（熱交換器）に適用した例を説明したが、樹脂製のハウジング内に熱交換器本体が収容され、かつこの熱交換器本体に接続される入口配管及び出口配管がハウジングを貫通する形態の熱媒体加熱装置に広く適用することができる。
また、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間に設けられる面外方向へ突出する断面形状については、以上説明した形態に限るものでない。例えば、図７に示すように、凹凸が二次元方向に連なる断面を有する下壁３１２を有する下部ハウジングとすることもできる。
また、面外方向へ突出する断面形状については、その稜線が、入口配管２２ａと出口配管２３ａを結ぶ線分に対して直交するように形成されている例を示した。これは剛性を低くする上で最も好ましい形態ではあるが、本発明はこれに限定されず、当該線分に対して交差するようにしてもよい。このときの交差角度は、４５°以下にするのが好ましい。
さらに、以上では、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が拡がる例について説明したが、車両用空調装置１に用いる場合、外気が０℃以下と低い場合には、入口配管２２ａと出口配管２３ａの間隔が縮むことも想定されるが、そのような場合も本発明は有効であることはいうまでもない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…熱媒体加熱装置
１１…ハウジング、１１ａ…上部ハウジング、１１ｂ，１１１ｂ，２１１ｂ…下部ハウジング
１１２，２１２，３１２…下壁、１１３…蛇腹状断面部、１１４…突出断面部、１２２ａ，１２３ａ…保持溝
１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…熱交換チューブ、１８…ＰＴＣヒータ、１８ａ…ＰＴＣ素子
２２…入口ヘッダ、２２ａ…入口配管、２３…出口ヘッダ、２３ａ…出口配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器要素と、前記熱交換器要素を収容するハウジングと、を備え、
前記熱交換器要素は、
熱媒体が内部を流れる単数又は複数の熱交換用管体と、
前記熱交換用管体に接続され、前記熱交換用管体において加熱される前記熱媒体が流入する入口ヘッダと、
前記熱交換用管体に接続され、前記熱交換用管体において加熱された前記熱媒体が流出する出口ヘッダと、
前記入口ヘッダに接続され、前記熱媒体が前記熱交換用管体に向けて流れる入口配管と、
前記出口ヘッダに接続され、前記熱媒体が外部に向けて流れる出口配管と、
前記熱交換用管体を流れる前記熱媒体を加熱する加熱源と、
を有し、
前記入口配管及び前記出口配管は、各々、その周囲が前記ハウジングにより封止され、
前記ハウジングは、前記入口配管と前記出口配管の間に、前記ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を有することを特徴とする、
熱交換器。
【請求項２】
前記ハウジングは、
前記入口配管と前記出口配管を結ぶ線分の方向において、前記入口配管よりも外側、及び、前記出口配管よりも外側、に、
前記ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を有する、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記ハウジングの面外方向へ突出する前記断面形状は、突出が連続的に繰り返される、
請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項１】
熱交換器要素と、前記熱交換器要素を収容するハウジングと、を備え、
前記熱交換器要素は、
熱媒体が内部を流れる単数又は複数の熱交換用管体と、
前記熱交換用管体に接続され、前記熱交換用管体において加熱される前記熱媒体が流入する入口ヘッダと、
前記熱交換用管体に接続され、前記熱交換用管体において加熱された前記熱媒体が流出する出口ヘッダと、
前記入口ヘッダに接続され、前記熱媒体が前記熱交換用管体に向けて流れる入口配管と、
前記出口ヘッダに接続され、前記熱媒体が外部に向けて流れる出口配管と、
前記熱交換用管体を流れる前記熱媒体を加熱する加熱源と、
を有し、
前記入口配管及び前記出口配管は、各々、その周囲が前記ハウジングにより封止され、
前記ハウジングは、前記入口配管と前記出口配管の間に、前記ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を有することを特徴とする、
熱交換器。
【請求項２】
前記ハウジングは、
前記入口配管と前記出口配管を結ぶ線分の方向において、前記入口配管よりも外側、及び、前記出口配管よりも外側、に、
前記ハウジングの面外方向へ突出する断面形状を有する、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記ハウジングの面外方向へ突出する前記断面形状は、突出が連続的に繰り返される、
請求項１又は２に記載の熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２１３７２（Ｐ２０１２−１２１３７２Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７１６４４（Ｐ２０１０−２７１６４４）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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