JP2024030007A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱媒体の加熱効率をより向上させることができる技術を提供する。【解決手段】 加熱装置は、中空構造を有しており、通電により発熱する第１発熱部材と、中空構造を有しており、通電により発熱する第２発熱部材と、第１発熱部材及び第２発熱部材が収容され、熱媒体が流れる流路を有する筐体と、を備える。流路は、熱媒体が、第１発熱部材の内周面から外周面に沿って通過した後、第２発熱部材の外周面から内周面に沿って通過するように構成されている、または、第１発熱部材の外周面から内周面に沿って通過した後、第２発熱部材の内周面から外周面に沿って通過するように構成されている。【選択図】図１

Description

本明細書に開示する技術は、発熱部材の表面に沿って熱媒体が流れる流路が形成された筐体を備える加熱装置に関する。

特許文献１には、中空構造を有する２つのセラミックヒータと、セラミックヒータを収容し、熱媒体が流れる流路を有する筐体と、を備える加熱装置が開示されている。この加熱装置では、熱媒体が、一方のセラミックヒータの内周面及び外周面に沿って通過した後、他方のセラミックヒータの内周面及び外周面に沿って通過する。特許文献１では、熱媒体がセラミックヒータの外周面だけでなく、内周面にも接するため、熱媒体を効率的に加熱することができる。

特開２０１３－１２６８４４号公報

特許文献１の技術では、中空構造を有する２つのセラミックヒータを用いているものの、依然として熱媒体の加熱効率の向上が要求されている。本明細書では、熱媒体を加熱する加熱装置において、熱媒体の加熱効率をより向上させることができる技術を提供する。

本明細書が開示する技術の第１の態様では、加熱装置は、中空構造を有しており、通電により発熱する第１発熱部材と、中空構造を有しており、通電により発熱する第２発熱部材と、前記第１発熱部材及び前記第２発熱部材を収容し、熱媒体が流れる流路を有する筐体と、を備える。前記流路は、前記熱媒体が、前記第１発熱部材の内周面から外周面に沿って通過した後、前記第２発熱部材の外周面から内周面に沿って通過するように構成されている、または、前記第１発熱部材の前記外周面から前記内周面に沿って通過した後、前記第２発熱部材の前記内周面から前記外周面に沿って通過するように構成されている。

上記の加熱装置では、熱媒体が、例えば、第１発熱部材の内周面に沿って流れた後、第１発熱部材の外周面に沿って流れ、その後、第２発熱部材の外周面に沿って流れた後、第２発熱部材の内周面に沿って流れる。このように、上記の加熱装置では、中空構造を有する第１発熱部材及び第２発熱部材の内周面及び外周面に沿って熱媒体が順に流れるので、熱媒体が発熱部材に接する時間（加熱される時間）が長く、熱媒体の温度が上昇し易い。したがって、加熱装置のサイズを大きくしたり、ワット密度を大きくすることなく、加熱効率を向上させることができる。

第２の態様では、上記第１の態様において、前記流路は、下流側の断面積が上流側の断面積よりも小さくてもよい。熱媒体が過度に加熱されると、熱媒体が沸騰する場合がある。熱媒体が沸騰すると、大きな気泡の発生や熱媒体を構成する成分の析出等により、熱媒体の加熱効率の低下や熱媒体の劣化が生じ得る。上記の構成では、下流側の流路の断面積が上流側の流路の断面積よりも小さい。流路の断面積が小さくなると、熱媒体の流速が大きくなる。流路の下流側の断面積を上流側の断面積よりも小さくすることにより、流路の下流側における熱媒体の流速が上昇し、発熱部材の温度上昇が抑制されるため、熱媒体の温度が過度に上昇することを抑制することができる。

第３の態様では、上記第１又は第２の態様において、前記第２発熱部材は、前記第１発熱部材の上方に配置されてもよい。前記流路は、前記熱媒体が、前記第１発熱部材の前記内周面から前記外周面に沿って通過した後、前記第２発熱部材の前記外周面から前記内周面に沿って通過するように構成されてもよい。前記筐体の上面には、外部空間から前記第２発熱部材の前記外周面に沿う前記流路に達する貫通孔が形成されてもよい。熱媒体が加熱されると、溶存酸素等が気泡となって発生する。気泡が生じると、熱媒体の加熱効率が低下し得る。上記の構成では、筐体の上面に、外部空間から第２発熱部材の外周面に沿う流路に達する貫通孔が形成されている。このため、この貫通孔を気泡の排出孔として利用することで、熱媒体とともに下流側（上方）に流れた気泡を、貫通孔を介して効率的に排除することができる。

第４の態様では、上記第１から第３の態様のいずれか一つにおいて、前記第１発熱部材及び前記第２発熱部材は、カートリッジヒータであってもよい。カートリッジヒータは、熱が溜まり易いため、発熱部材（例えば、電熱線）等の寿命が低下し易い。しかしながら、第１発熱部材及び第２発熱部材は、中空構造を有しているので、放熱性が高く、発熱部材の寿命の低下を抑制することができる。このように、本明細書に開示の技術は、各発熱部材がカートリッジヒータである場合に、特に有用である。

実施例に係る加熱装置の断面図。 図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図。 実施例に係る加熱装置の筐体の断面図。

以下、図面を参照して、実施例の加熱装置１０について説明する。加熱装置１０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、補助熱源や代替熱源として、車両用空調装置の冷凍回路を循環する冷媒（熱媒体）の加熱に用いられる。熱媒体は、例えば、エンジン冷却水や不凍液である。図１に示すように、加熱装置１０は、第１発熱部材３０と、第２発熱部材４０と、第１発熱部材３０及び第２発熱部材４０が収容される筐体２０と、を備えている。なお、図１の上下方向は、加熱装置１０が実際に車両に搭載されて使用されるときの上下方向（鉛直方向）に一致している。

第１発熱部材３０及び第２発熱部材４０は、通電により発熱する電熱線ヒータであり、図１に示すように、円筒形状を有する発熱部３２及び継手部３４を有している。図２に示すように、第１発熱部材３０の発熱部３２は、例えば、円筒形状のセラミックス３５の外周にニクロム線等のコイル状の電熱線３６を巻き付け、これをステンレス鋼製のパイプ３７に挿入し、電熱線３６とパイプ３７の間を耐熱絶縁材（例えば、酸化マグネシウム）で封入することにより形成されている。すなわち、第１発熱部材３０は、いわゆるカートリッジヒータである。継手部３４は、例えば金属や耐熱性樹脂等により構成されており、図１に示すように、その一端が発熱部３２の一端に接続されている。継手部３４の外径は、発熱部３２の外径よりも小さい。継手部３４の内径は、発熱部３２の内径と略等しい。第１発熱部材３０は、中空構造を有している。

図１に示すように、発熱部３２（詳細には電熱線３６）には、図示しない端子部を介してリード線８０が接続されている。リード線８０は、外部の図示しない電源装置に電気的に接続されている。このリード線８０に通電することにより、電熱線３６が発熱する。

第２発熱部材４０は、発熱部４２と継手部４４を有している。第２発熱部材４０の発熱部４２、継手部４４、リード線８２等の構成は、第１発熱部材３０のそれぞれと同様である。

筐体２０は、略直方体形状を有しており、第１発熱部材３０及び第２発熱部材４０を収容する。筐体２０は、例えば、アルミニウム等の金属や耐熱性樹脂等により構成されている。図３に示すように、筐体２０はその内部に、第１発熱部材３０を収容する空間Ｓ１と、第２発熱部材４０を収容する空間Ｓ２を有している。空間Ｓ１及び空間Ｓ２は、略円柱形状を有している。空間Ｓ１の直径（図３の上下方向の長さ）は、第１発熱部材３０の発熱部３２の外径よりも大きい。空間Ｓ２の直径（図３の上下方向の長さ）は、第２発熱部材４０の発熱部４２の外径よりも大きい。空間Ｓ１と空間Ｓ２は、連通孔９１によって接続されている。また、筐体２０の上面２０ａには、外部空間から空間Ｓ２に達する貫通孔９０が形成されている。貫通孔９０の中心軸と連通孔９１の中心軸は一致している。貫通孔９０には、継手部９２が接続されている。図示していないが、継手部９２は、バルブを介して、熱媒体を貯留する貯留槽に接続されている。

第１発熱部材３０を筐体２０に収容するときには、バックアップリング６０を介して第１発熱部材３０の発熱部３２を筐体２０の挿入孔６８に挿通させる。そして、第１発熱部材３０を空間Ｓ１に挿入した状態で、Ｏリング６２を介して蓋５２により挿入孔６８を閉塞し、締結部材５４（例えば、ねじ）により、蓋５２を筐体２０に固定する。これにより、第１発熱部材３０が筐体２０に収容された状態となる。第２発熱部材４０を筐体２０に収容するときには、第１発熱部材３０と同様に、バックアップリング６４を介して発熱部４２を筐体２０の挿入孔６９に挿通させ、第２発熱部材４０を空間Ｓ２に挿入した状態で、Ｏリング６６を介して蓋５６により挿入孔６９を閉塞し、締結部材５８により蓋５６を筐体２０に固定する。これにより、第２発熱部材４０が筐体２０に収容された状態となる。

このようにして構成された加熱装置１０の内部には、図１に示すように、第１発熱部材３０の継手部３４側の端部を流入口１１０とし、第２発熱部材４０の継手部４４側の端部を流出口１２０とする流路Ｐ１～Ｐ５が形成される。流路Ｐ１は、第１発熱部材３０の内周面３０ａに沿って形成されている。流路Ｐ２は、第１発熱部材３０の外周面３０ｂに沿って形成されている。流路Ｐ３は、筐体２０の連通孔９１を通過しており、流路Ｐ２と流路Ｐ４を接続している。流路Ｐ４は、第２発熱部材４０の外周面４０ｂに沿って形成されている。流路Ｐ５は、第２発熱部材４０の内周面４０ａに沿って形成されている。本実施例では、流路Ｐ１～Ｐ５の断面積は、互いに略等しい。流入口１１０から加熱装置１０に流入した熱媒体は、図１の矢印で示すように、流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の順に加熱装置１０の内部を流れ、流路Ｐ１～Ｐ５を流れる過程で各発熱部材３０、４０により加熱され、流出口１２０から外部に流出する。

以上に説明したように、本実施例の加熱装置１０では、流入口１１０から流入した熱媒体は、第１発熱部材３０の内周面３０ａに沿って流路Ｐ１を流れた後、第１発熱部材３０の外周面３０ｂに沿って流路Ｐ２を流れ、その後、連通孔９１（流路Ｐ３）を介して、第２発熱部材４０の外周面４０ｂに沿って流路Ｐ４を流れた後、第２発熱部材４０の内周面４０ａに沿って流路Ｐ５を流れ、流出口１２０から流出する。このように、本実施例の加熱装置１０では、熱媒体が、第１発熱部材３０の内周面３０ａ及び外周面３０ｂと、第２発熱部材４０の外周面４０ｂ及び内周面４０ａとに沿う各流路Ｐ１～Ｐ５を順に流れるので、熱媒体が各発熱部３２、４２に接する時間（加熱される時間）が長く、熱媒体の温度が上昇し易い。したがって、加熱装置１０のサイズを大きくしたり、ワット密度（発熱部３２、４２の単位面積当たりの電力）を大きくすることなく、熱媒体の加熱効率を向上させることができる。

また、本実施例の加熱装置１０は、筐体２０の上面２０ａに、外部空間と流路Ｐ４を連通する貫通孔９０が形成されており、加熱装置１０を使用するときに、第２発熱部材４０が、第１発熱部材３０の上方に位置する向きで車両に搭載される。加熱装置１０では、熱媒体が加熱されると、溶存酸素等が気泡となって発生する。気泡が生じると、熱媒体の加熱効率が低下し得る。熱媒体中に生じた気泡は、加熱装置１０の内部を上方に流動する。したがって、本実施例の加熱装置１０では、筐体２０の上面２０ａ（すなわち、流路の最上部）に設けられた貫通孔９０を気泡の排出孔として利用することで、当該貫通孔９０を介して気泡を効率的に排除することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下、上述した実施例の変形例を以下に列挙する。

上述した実施例では、熱媒体が、第１発熱部材３０の内周面３０ａから外周面３０ｂに沿って通過した後、第２発熱部材４０の外周面４０ｂから内周面４０ａに沿って通過するように構成されていた。すなわち、熱媒体が、加熱装置１０の内部を、流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の順に通過する構成であった。しかしながら、熱媒体は、第１発熱部材３０の外周面３０ｂから内周面３０ａに沿って通過した後、第２発熱部材４０の内周面４０ａから外周面４０ｂに沿って通過するように構成されていてもよい。すなわち、熱媒体は、加熱装置１０の内部を、流路Ｐ２、Ｐ１、Ｐ５、Ｐ４の順に通過してもよい。例えば、上述した加熱装置１０において、筐体２０の下面に外部から流路Ｐ２に熱媒体を流入させる流入口（不図示）を形成する。さらに、連通孔９１を閉塞すると共に、流入口１１０と流出口１２０を管部材（不図示）により接続する。これにより、貫通孔９０を熱媒体の流出口として、筐体２０の下面に形成した流入口から貫通孔９０まで、流路Ｐ２、Ｐ１、Ｐ５、Ｐ４の順に熱媒体を通過させることができる。

また、上述した実施例では、流路Ｐ１～Ｐ５の断面積が互いに等しかったが、下流側に位置する流路の断面積が上流側に位置する流路の断面積よりも小さくてもよい。例えば、流路Ｐ５の断面積が、他の流路Ｐ１～Ｐ４の断面積よりも小さくてもよい。また例えば、流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５が、この順に小さくなる断面積を有していてもよい。このような構成では、下流側の流路における熱媒体の流速が、上流側の流路における熱媒体の流速よりも大きくなる。熱媒体が過度に加熱されると、熱媒体が沸騰する場合がある。熱媒体が沸騰すると、大きな気泡の発生や熱媒体を構成する成分の析出等により、熱媒体の加熱効率の低下や熱媒体の劣化が生じ得る。本変形例では、流路の下流側の断面積を上流側の断面積よりも小さくすることにより、流路の下流側における熱媒体の流速が上昇し、発熱部材の温度上昇が抑制されるため、熱媒体の温度が過度に上昇することを抑制することができる。

また、上述した実施例では、図１の上下方向が、鉛直方向に一致する方向で加熱装置１０を使用する場合について説明した。しかしながら、加熱装置１０を使用するときの加熱装置１０の姿勢はこれに限られない。例えば、第１発熱部材３０と第２発熱部材４０が、水平方向に位置する姿勢で加熱装置１０を使用してもよい。

また、上述した実施例において、貫通孔９０は設けられていなくてもよい。また、上述した実施例では、第１発熱部材３０及び第２発熱部材４０が、カートリッジヒータである例について説明したが、第１発熱部材３０及び第２発熱部材４０は、いわゆるセラミックヒータであってもよい。

本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：加熱装置、２０：筐体、２０ａ：上面、３０：第１発熱部材、３０ａ：内周面、３０ｂ：外周面、４０：第２発熱部材、４０ａ：内周面、４０ｂ：外周面、９０：貫通孔、９１：連通孔

Claims (4)

1. 中空構造を有しており、通電により発熱する第１発熱部材と、
   中空構造を有しており、通電により発熱する第２発熱部材と、
   前記第１発熱部材及び前記第２発熱部材を収容し、熱媒体が流れる流路を有する筐体と、
   を備え、
   前記流路は、前記熱媒体が、
   前記第１発熱部材の内周面から外周面に沿って通過した後、前記第２発熱部材の外周面から内周面に沿って通過するように構成されている、または、
   前記第１発熱部材の前記外周面から前記内周面に沿って通過した後、前記第２発熱部材の前記内周面から前記外周面に沿って通過するように構成されている、
   加熱装置。
2. 請求項１に記載の加熱装置であって、
   前記流路は、下流側の断面積が上流側の断面積よりも小さい、加熱装置。
3. 請求項１に記載の加熱装置であって、
   前記第２発熱部材は、前記第１発熱部材の上方に配置されており、
   前記流路は、前記熱媒体が、前記第１発熱部材の前記内周面から前記外周面に沿って通過した後、前記第２発熱部材の前記外周面から前記内周面に沿って通過するように構成されており、
   前記筐体の上面には、外部空間から前記第２発熱部材の前記外周面に沿う前記流路に達する貫通孔が形成されている、加熱装置。
4. 請求項１に記載の加熱装置であって、
   前記第１発熱部材及び前記第２発熱部材は、カートリッジヒータである、加熱装置。

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