JP3747031B2 - 自動車に使用される電気加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、矩形フレーム内に保持された加熱ブロックを形成するように結合された複数の加熱素子と、該加熱素子を制御する制御装置とを含み、前記制御装置が、該矩形フレーム内に保持された前記加熱ブロックと一緒になって構造ユニットを形成する印刷回路板上に配置された電力用トランジスタを備えかつ個々の電力用トランジスタが各々の前記加熱素子への電力供給量を調整している自動車用の空気補助加熱手段として使用される電気加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車には、車両内部および／またはエンジンを加熱するために加熱装置またはラジエータが使用される。一方では、エンジンの始動時で、エンジンが十分な熱エネルギを与えない間、それらが使用される。他方、特に消費量最適化内燃機関では、自動車にそのような加熱装置を使用する必要がある。
【０００３】
しかし、そのような加熱装置の使用は、自動車の分野に制限されない。これらの加熱装置は、様々な他の目的に、たとえば家庭用機器（ルームエアコン）や工場などの分野にも使用するのに適している。
【０００４】
ヨーロッパ特許第Ａ２−０９０１３１１号明細書には、自動車用の電気加熱手段を開示している。かかる明細書に記載の加熱装置は、加熱ブロックを形成するように結合された複数の加熱素子を含む。加熱ブロックおよび加熱ブロックを制御する制御装置が、共通のフレーム内に保持されている。このように、制御装置は、フレーム内に保持された加熱ブロックと一緒になって構造ユニットを形成している。かかる制御装置は、冷却エレメントを備えた電子スイッチを有する電力用電子部品を含んでいる。制御装置は、加熱すべき空気流の主要部分が加熱ブロックを流れ、その空気流の周辺部分が冷却用に制御装置に加えられるように配置されている。
【０００５】
この周知の加熱装置は、制御装置を流れる空気流が加熱電力の全体効率を低下させるので、あまり好ましいものではない。加熱すべき空気流の加熱ブロックを通過する部分と冷却のために制御装置を通過する部分とでは出口温度に差異がある。制御装置に加えられた空気流の出口温度は主空気流より大幅に低い。その結果、特に排出される空気の温度が不均一になる。また同時に、低温の空気流が流れ込むことにより加熱装置の効率は低下する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、もっと効率的な加熱を行うことができる電気加熱装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的は、本発明によれば、電気加熱装置において、制御装置が、接続ピンからの電力を個々の電力用トランジスタへ供給するための導電性レールを備えていることによって達成される。
【０００８】
本発明の好適な実施形態によれば、前記電力用トランジスタの出力端が、該トランジスタの各々に割り当てられたばね部材に接続されかつ加熱ブロックにおける加熱素子に接続されている。
【０００９】
本発明の好適な実施形態によれば、前記接続ピンが、前記制御装置のハウジングから突出している。
【００１０】
本発明の好適な実施形態によれば、前記矩形フレームが、互いに対向配置された２本の長手方向バーとこれら長手方向バーと各々垂直に交差する方向に接続された２本の側部バーとで構成され、少なくとも一方の側部バーが、一方の側面が開放されかつその中に前記制御装置を嵌挿可能とした箱形に形成されており、窓形開口が、前記一方の側部バーの上下面に各々対応して設けられており、更に、前記電力用トランジスタの冷却エレメントが、前記制御装置を前記側部バー内に嵌挿した状態において、前記窓形開口に挟まれるように位置付けられている。
【００１１】
かかる電気加熱装置の構成により、加熱すべき空気が制御装置に全体的に加えられるのではなく、電力用電子部品を流れてそれらを冷却するために使用される空気量を窓形開口で制御することができる。このようにして、加熱ブロックを通過する空気量への適合が可能であるため、両方の空気量がほぼ同一の出力温度になるであろう。このようにして、加熱装置全体の効率が、制御電子部品の冷却用に分流される空気流によって低下することはないであろう。
【００１２】
本発明の好適な実施形態によれば、前記制御回路の印刷回路板が、一方の面にのみ各部品を実装している。かかる構成により、冷却空気は制御装置の部材上を誘導される時、さらに加熱されるであろう。このようにして、空気を部材に特に簡単に加えることができる。また、部材のそのような配置は製造エンジニアリングの点からも特に好都合である。
【００１３】
本発明の好適な実施形態によれば、前記印刷回路板が、前記矩形フレームの平面に対して直角方向に配設されておりかつその長さが前記側部バーの長さに実質的に一致している。このような配置は、一方では空気を部材に簡単に加えることができるようにする。他方、これによって電気加熱装置の構造深さを小さくすることができる。
【００１４】
本発明の好適な実施形態によれば、前記制御装置が、前記加熱素子から前記側部バー内に突出する接続ラグによって、該側部バー内に固定可能と成っている。
【００１５】
上記した構成と相俟って、本発明の好適な実施形態によれば、前記ばね部材が、前記印刷回路板との間に接続ラグを挿入されかつ受け容れており、該接続ラグと相補的に接続されている。この実施形態では、同手段の補助によって、機械的固定と共に、加熱素子用の制御電流を流すための電気的接続も行うことができる。これは、本発明に従った電気加熱装置に必要な材料の量と、そのような電気加熱装置の製造用の設備とを大幅に減少させるという効果を有する。
【００１６】
次に、添付の図面を参照しながら本発明による電気加熱装置の好ましい１つの実施の形態を以下に説明する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に従った電気加熱装置１の側面図を示している。図２は、電気加熱装置１の上面図を示している。電気加熱装置１は、層状に配置された、すなわち積み重ねられた複数の加熱素子２を有する加熱ブロックを含む。各加熱素子２は、抵抗加熱素子と、この抵抗加熱素子に隣接配置されたラジエータすなわち伝熱性プレートとで構成されている。抵抗加熱素子として使用される加熱素子は、好ましくはＰＴＣ素子である。加熱素子２を有する加熱ブロックは、フレーム内に保持されている。このフレームは、対向した長手方向バー３と、それに直角に配置された側部バー４および５とで構成されている。フレームのバーは、金属製またはプラスチック材製のいずれかである。
【００１８】
図１及び２に示されている実施形態では、長手方向バー３はほぼ対称的な構造であるが、２つの側部バー４および５は異なっている。側部バー４とは異なって、側部バー５は、一側部が開放した箱として実現されている。この箱形側部バー５の開放部分は、加熱素子２側と反対側に位置する側部バーの側部に位置している。この箱は、加熱素子２に供給される電流を制御することによって個々の加熱素子２の熱出力を制御する制御装置を内部に挿入できるようになっている。箱形側部バー５の開放側部は、制御回路の挿入後にプラグオンまたはクリップオン式カバーによって閉鎖される。
【００１９】
挿入後、制御装置の印刷回路板１０は好ましくは、フレームの平面に直角に配置されるが、平行配置も可能である（図示せず）。加熱装置１は、２つの接続ピン８を介して電流を供給される。これらの接続ピンは、要求された加熱電流を容易に流すことができるように実現されている。図１及び２に示されている実施形態では、接続ピン８は、箱形側部バー５が開放している側部から突出している。
【００２０】
同一側部に、制御装置を制御するためのさらなるプラグベースが設けられているが、このプラグベースは図１及び２に示されていない。側部バー５は、フレームの平面上に位置する側部に窓形開口７を有する。これらの窓形開口７は、それらも加熱すべき空気流内に位置するようにして配置される。向き合った窓形開口７の間に冷却エレメント６が配置されているが、これらの冷却エレメント６は、制御回路の電力用電子部品に付属する。加熱装置が作動状態にある時、加熱すべき空気が、加熱素子２からなる加熱ブロックだけでなく、窓形開口７も流れる。
【００２１】
冷却エレメント６を通過する空気量は、窓形開口７の寸法を選択することによって決定することができる。本発明によれば、加熱ブロックを流れる空気と冷却エレメント６を流れる空気との間の温度差ができる限り小さくなるように、空気流量が調整される。窓形開口７を流れる空気の温度が加熱ブロックを流れる空気の温度にできる限り近づいた場合だけ、加熱装置は最高可能効率で作動するであろう。
【００２２】
図３は、箱形側部バー内に配置された制御装置の詳細を斜視図で示している。印刷回路板１０の上に、電力用電子部品１１に加えて制御電子部品１２が実際に装着されている。制御電子部品１２は、電力用電子部品１１、特に電力用トランジスタによってそれぞれの対応の加熱素子２に供給すべき電流の量を決定する。電流は、接続ピン８の一方から導電性レール１３を介して制御装置に供給される。電力用トランジスタ１１の出力部は、印刷回路板１０に溶接により固定されて、さらに、このトランジスタに対応したばね部材１４に接続されている。
【００２３】
ばね部材１４は、制御装置が側部バー５に取り付けられた時に加熱素子の接続ラグに接続されるようにして、印刷回路板上に配置されている。そのような接続ラグ１５が、図４および図５に示されている。
【００２４】
図示の実施形態では、接続ラグ１５が図３の印刷回路板１０を通過して、ばね部材１４内へ挿入される。そのような構造にすることによって、印刷回路板１０を制御電子部品と共にフレーム内に迅速に機械的に固定することができる。同時に、それぞれの加熱素子との電気接続が行われる。
【００２５】
印刷回路板は、一方側だけに部材を備えている。加熱段階の数に応じて、電力用トランジスタ１１が印刷回路板に水平方向に固定されている。図示の実施形態では、３つの加熱段階が、したがって３つの電力用トランジスタが設けられている。各電力用トランジスタ１１は、出力端子が印刷回路板１０に溶接で固定されている。連結ラグがトランジスタを越えて突出しており、この連結ラグに冷却エレメント６が固定されている。冷却エレメント６を加熱素子に断熱状態で連結することが好都合であろう。
【００２６】
冷却エレメント６に冷却フィンが設けられており、これは、印刷回路板１０に直角をなす平面上に位置している。図示の実施形態ではさらに、冷却フィンは、印刷回路板の部材非実装側に配置されている。冷却エレメント６の１つの脚部だけが印刷回路板の部材実装側まで突出して、トランジスタ１１の連結ラグに連結されていることによって、そのトランジスタで発生した熱を消散させることができる。
【００２７】
図示の実施形態では、トランジスタ１１に連結された冷却エレメント脚部が、印刷回路板１０の開口に挿通されて印刷回路板１０の部材実装側まで突出している。しかし、それが印刷回路板の縁部を越えて突出するようにしてもよく、その場合には印刷回路板１０の開口をなくすことができる。トランジスタ１１、ばね部材１４及び冷却エレメント６を含む部材の同じ構造が各加熱段階用に印刷回路板上に設けられている。
【００２８】
図４は、箱形側部バー５、およびこの側部バーに挿入されるようにした制御回路の詳細の説明用斜視図である。側部バー５の一方側が、長手方向バー３と、加熱素子２を備えた加熱ブロックとに連結されている。側部バー５の上表面に、加熱すべき空気が通る窓形開口７を見ることができる。
【００２９】
箱形側部バー５内に、３つの接続ラグ１５と１つの接続ピン８ａとを見ることができる。この接続ピンは、すべての加熱素子２用の陽極接続部を形成している。本図面はさらに、側部バー５の箱に挿入されるようにした制御装置５ａの斜視図を示している。制御装置５ａは、側部バー５に面する側が側部バー５に挿入される。
【００３０】
制御装置５ａの側部バー５に面する側に、印刷回路板１０の下面を見ることができる。３つの冷却エレメント６がこの印刷回路板１０を越えて突出している。これらの冷却エレメントまたは冷却プレートの各々が、加熱段階の電力用トランジスタ１１の１つに対応している。各冷却エレメント６用に、相補的な窓形開口７が側部バー５の表面に設けられている。これによって、加熱装置が作動している時、各冷却エレメントに空気流が効果的に供給されるという効果が得られる。
【００３１】
側部バーから離れた側に面する側部に、さらなる接続ピン８ｂを見ることができる。この接続ピンは、電流の供給時に電気アースとして機能する。接続ピン８ｂは、図３および図５に示された、加熱電力を個々の加熱段階に供給する導電性レール１３に接続されている。加熱段階の各々は、導電性レール１３を経て供給される電流量から約４０アンペアまでをそれの電力用トランジスタ１１を介して引き込む。
【００３２】
図５は、側部バー５、およびこの側部バー５の箱形開口に挿入されるようにした制御回路のさらなる詳細を斜視図で示している。図５の上部分には、窓形開口７の２つを側部バー５の表面上に見ることができる。これらの窓形開口は、制御回路を側部バー５内に挿入した時、冷却エレメント６の上下に位置するように配置されている。側部バー５の箱形開口内に、加熱部材２の接続ラグ１５を見ることができる。各加熱段階用にそれぞれ１つの接続ラグ１５が設けられている。
【００３３】
図５の下半分に、側部バー５に挿入されるようにした制御回路が示されている。構造をさらにわかりやすく示すため、この場合には電力用トランジスタの１つだけが冷却エレメント６を備えている。その他に関しては、制御回路の構造は図３に関連して記載した制御回路と同じである。
【００３４】
図６乃至８は、本発明のさらなる実施形態を示している。図６、図７および図８は、この実施形態が先行実施形態と特に異なっている構成部分の様々な詳細を示している。
【００３５】
図６は、側部バー５のわずかに変更した構造を部分斜視図で示している。窓形開口７の配置は、上記実施形態と同じである。空気流の影響をもっと正確に与えるために、側部バー５への制御回路の挿入を妨害されることなく行なえるのであれば、壁が側部バー５の窓形開口７の間に設けられている。窓の間の上側部と加熱素子に面する側部とに位置する中間空間がすべて、追加壁１８で閉鎖されている。これによって、加熱装置が作動している間に空気が無意味に流れることが防止される。
【００３６】
図７は、空気が窓形開口７の間をどのように誘導されるかを示している。空気をさらに正確に誘導するために、窓形開口７の間に位置する領域に、空気誘導部材１７が挿入されている。Ｙ形スポイラ部材によって、Ｕ形冷却エレメント６の冷却フィンの周囲を空気がうまく流れるようにすることができる。冷却エレメント６のそれぞれの冷却フィンは、窓形開口７に露出するように隣接配置されている。図７に、電力用トランジスタ１１を備えた印刷回路板１０も示されている。
【００３７】
図８は、冷却エレメント６の対応の構造を示している。上記実施形態では、ほぼＵ形冷却エレメント６は、そのＵ形側部が印刷回路板上に垂直になるように載置されているが、本実施形態の冷却エレメント６は、Ｕ形の下側が印刷回路板１０に平行になるようにして配置されている。したがって、Ｙ形空気誘導部材１７は、加熱部材に面する側部バー側から制御装置の方向に突出するように配置されている。第１実施形態に従った冷却エレメント６を使用した時、相補的な空気誘導部材を向き合った窓形開口７の間の側方周辺部分に配置することができる。
【００３８】
図８に示されている実施形態では、冷却フィンの幅ｂ１が約３ｍｍである一方、冷却フィン間の距離ｂ２がわずかに小さく、約２．５ｍｍである。冷却エレメントは、好ましくはアルミニウムまたは銅で形成されている。
【００３９】
図９乃至１２には、本発明に従った制御装置のさらなる実施形態が示されている。この実施形態では、特に電力用トランジスタおよび冷却エレメントの構造が、先行実施形態のものと異なっている。本実施形態に従った冷却エレメント２０は、異なったやり方で電力用トランジスタに連結されている。先行実施形態では、電力用トランジスタ１１に冷却ベーンが形成されて、それが電力用トランジスタの一側部を越えて突出している。上記実施形態の冷却エレメントは、これらの冷却ベーンに固定されている。電力用トランジスタの冷却ベーンは、印刷回路板に溶接されている。
【００４０】
以下に記載する実施形態では、冷却エレメントがクリップ連結部によってトランジスタに連結されている。
【００４１】
図９乃至１２に、本実施形態の冷却エレメント２０が特別な構造を有することが示されている。ばねクリップ２１を係合させるために、冷却エレメント２０の冷却フィンが非対称的構造を有する。このために、好ましくは、Ｕ形冷却エレメントの一方側でフィンの数が通常の場合より少なくなって、ばねクリップ２１を係合させることができるようにしている。好ましくは、ばねクリップは電力用トランジスタ１９および冷却エレメント２０に外側から係合し、このようにして冷却エレメント２０を制御装置およびトランジスタ１９に固定する。
【００４２】
本実施形態は特に、ＳＭＤ形電力用トランジスタに適している。冷却エレメントを固定できる冷却ベーンを備えていないことは、ＳＭＤ形トランジスタの構造依存特性である。冷却エレメントを電力用トランジスタ１９の下表面に連結できるようにするために、印刷回路板に穴が設けられており、この穴の直径が好ましくは約７．５ｍｍである。
【００４３】
したがって、冷却エレメント２０は、その下側にピン２０ａを有する。図示の実施形態では、このピンが個々の冷却フィンの方向と逆の方向に突出している。ピン２０ａの直径は好ましくは約７ｍｍである。冷却エレメント２０に形成されたピン２０ａは、印刷回路板１０の穴を貫通して、直接的にトランジスタ１９と接触する。
【００４４】
この構造が、図１０、図１１及び図１２に詳細に示されている。図１０は、電力用トランジスタ１９を設けた印刷回路板の上面図を示している。電力用トランジスタ１９を印刷回路板１０の周辺部分に配置することによって、冷却エレメント２０を固定するために使用されるばねクリップ２１を容易に留め付けることができる。
【００４５】
印刷回路板の、ばねクリップ２１が印刷回路板に上下から係合する位置に凹みを設けることによって、ばねクリップ２１のために印刷回路板１０の構造深さを大きくする必要をなくすことができる。好ましくは、この凹みの深さは、この領域でのばねクリップ２１の厚さとほぼ同じである。トランジスタ１９は好ましくは、接続接点２２が印刷回路板１０の反対の縁部の方に向くように配置される。
【００４６】
図１１は、側面図を示している。図１２は、図１１のＡ−Ａ線に沿った断面図を示している。図１２は、最適加圧点を有する正確な位置決め固定が保証されるように、冷却エレメント２０およびばねクリップ２１が互いに幾何学的に適応していることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電気加熱装置の上面図である。
【図２】 本発明による電気加熱装置の側面図である。
【図３】 制御装置の詳細を示す斜視図であって、この印刷回路板は電気部品を実装されている。
【図４】 箱形側部バー及びこの側部バーに挿入されるようにした制御装置の詳細の説明用斜視図である。
【図５】 箱形側部バー、およびこの側部バーに挿入されるようにした制御装置のさらなる詳細を示す斜視図である。
【図６】 本発明に係る制御装置における箱形側部バーに若干の変更を加えた実施形態の要部を示す部分斜視図である。
【図７】 図６に示された側部バー内部の詳細を示す横断面図である。
【図８】 図７において示された冷却エレメントの斜視図である。
【図９】 実際に製造され得る簡略化された形態の本発明による制御装置のもう１つの実施形態の斜視図である。
【図１０】図９に示された制御装置の部分上面図である。
【図１１】図９に示された制御装置の部分側面図である。
【図１２】図９に示された制御装置の図１１におけるＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
２ 加熱素子
３ 長手方向バー
４ 側部バー
５ 側部バー
６ 冷却エレメント
７ 窓形開口
１０ 印刷回路板
１１ 電力用トランジスタ

Claims (8)

1. 自動車用の空気補助加熱手段として使用される電気加熱装置であって、
   矩形フレーム（３、４、５）内に保持された加熱ブロックを形成するように結合された複数の加熱素子（２）と、
   該複数の加熱素子（２）を制御するための制御装置とを含み、
   該制御装置は、前記矩形フレーム（３、４、５）内に保持された前記加熱ブロックと一緒になって構造ユニットを形成すると共に、印刷回路板（１０）上に配置された複数の電力用トランジスタ（１１）を備えており、該電力用トランジスタ（１１）の各々が個々の前記加熱素子（２）への電力供給量を調整している、前記電気加熱装置において、
   前記制御装置は、接続ピン（８ｂ）からの電力を個々の前記電力用トランジスタ（１１）へ供給するための導電性レール（１３）を備えている、ことを特徴とする電気加熱装置。
2. 前記電力用トランジスタ（１１）の出力端が、該トランジスタの各々に割り当てられたばね部材（１４）に接続されかつ加熱ブロックにおける加熱素子（２）に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電気加熱装置。
3. 前記接続ピン（８ｂ）が、前記制御装置のハウジングから突出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気加熱装置。
4. 前記矩形フレームが、互いに対向配置された２本の長手方向バー（３）とこれら長手方向バーと各々垂直に交差する方向に接続された２本の側部バー（４、５）とで構成され、
   少なくとも一方の側部バー（５）が、一方の側面が開放されかつその中に前記制御装置を嵌挿可能とした箱形に形成されており、
   窓形開口（７）が、前記一方の側部バー（５）の上下面に各々対応して設けられており、
   更に、前記電力用トランジスタ（１１）の冷却エレメント（６）が、前記制御装置を前記側部バー内に嵌挿した状態において、前記窓形開口（７）に挟まれるように位置付けられていることを特徴とする請求項１〜３の内の何れか1項に記載の電気加熱装置。
5. 前記制御回路の印刷回路板（１０）が、一方の面にのみ各部品を実装していることを特徴とする請求項１〜４の内の何れか1項に記載の電気加熱装置。
6. 前記印刷回路板（１０）が、前記矩形フレームの平面に対して直角方向に配設されておりかつその長さが前記側部バー（５）の長さに実質的に一致していることを特徴とする請求項４又は５に記載の電気加熱装置。
7. 前記制御装置が、前記加熱素子（２）から前記側部バー(５)内に突出する接続ラグ（１５）によって、該側部バー（５）内に固定可能と成っていることを特徴とする請求項４〜８の内の何れか１項に記載の電気加熱装置。
8. 前記ばね部材（１４）が、前記印刷回路板（１０）との間に接続ラグ（１５）を挿入されかつ受け容れており、該接続ラグと相補的に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の電気加熱装置。

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