JP4981386B2

JP4981386B2 - 熱媒体加熱装置およびそれを用いた車両用空調装置

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Publication number: JP4981386B2
Application number: JP2006234151A
Authority: JP
Inventors: 知康足立; 幹彦石井; 信也中川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: DE102007040526A1; JP2008056044A; DE102007040526B4; US7977606B2; US20080053981A1

Description

本発明は、ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータを用いて熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置およびそれを用いた車両用空調装置に関するものである。

従来から、被加熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置の１つとして、正特性サーミスタ素子（ＰＴＣ素子）を発熱要素とするＰＴＣヒータを用いたものが知られている。
ＰＴＣヒータは、正特性のサーミスタ特性を有しており、温度の上昇と共に抵抗値が上昇し、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、消費電流およ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。

上記のように、ＰＴＣヒータは、ヒータの温度が上昇すると消費電流が低くなり、その後一定温度の飽和領域に達すると、消費電流が低い値で安定するという特性を有する。この特性を利用することにより、消費電力を節減することができるとともに、発熱部温度の異常上昇を防止することができるという利点が得られる。
このような特長を有することから、ＰＴＣヒータは、多くの技術分野において用いられており、空調の分野においても、例えば、車両用空調装置において、空気加温用の放熱器に供給する熱媒体（ここでは、エンジンの冷却水）を加熱するための加熱装置に適用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１０４０４１号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載されたものは、流体の流路を仕切る仕切り壁にＰＴＣヒータが配設される凹み部を設け、この凹み部にＰＴＣヒータを配設し、仕切り壁を介して流路内を流れる冷却水を加熱する構成とされている。
この場合、流体流路に対する伝熱面積を大きくすることができるものの、発熱要素であるＰＴＣ素子を凹み部に挿入し、それを仕切り壁の壁面に密着させて組み付けることの困難性は避けがたく、流体流路への熱伝導性や加熱装置の組み立て性等について、改善すべき課題を有している。
また、上記の加熱装置を電気自動車用の空調装置に適用した場合、ＰＴＣヒータに、例えば３００Ｖの高電圧が印加されることになる。このため、ＰＴＣヒータと流体流路との間の電気絶縁性確保が大きな課題の１つとなるが、特許文献１には、そのような課題すら記載されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、良好な熱伝導性および組み立て性を得て、加熱性能を向上させることができるとともに、十分な電気絶縁性を確保することができる、ＰＴＣヒータを用いた熱媒体加熱装置およびそれを用いた車両用空調装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱媒体加熱装置およびそれを用いた車両用空調装置は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる熱媒体加熱装置は、ＰＴＣ素子を挟んでその両面に各々電極板、非圧縮性絶縁層および圧縮性熱伝導層が順次設けられた積層構造のＰＴＣヒータと、該ＰＴＣヒータの両面に各々密着させて設けられ、各々内部に熱媒体の流通路が形成された熱媒体流通ボックスと、を備え、前記圧縮性熱伝導層は、圧縮機能が確保可能な厚さを有する圧縮性のシート材により構成され、前記積層構造のＰＴＣヒータと、その両面に設けられる前記熱媒体流通ボックスとは、互いに積層されて締め付け固定されることにより一体化され、前記ＰＴＣヒータの両面からの放熱により前記熱媒体流通ボックス内を流通する熱媒体が加熱されるとともに、前記熱媒体流通ボックスのいずれか一方の前記ＰＴＣヒータと当接される面とは反対側の面に、基板収容ボックスが設けられ、該基板収容ボックス内に、前記ＰＴＣヒータ制御用の制御基板が収納設置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ＰＴＣヒータの両面からの放熱により熱媒体流通ボックス内を流通される熱媒体を加熱することができるため、ＰＴＣヒータの放熱効率を高め加熱性能を向上させることができる。また、ＰＴＣヒータの両面に熱媒体流通ボックスを密着させた積層構造としているため、ＰＴＣヒータと熱媒体流通ボックスとを密着させて組み付けることができる。従って、熱伝導性および組み立て性を良好にすることができる。また、ＰＴＣヒータが、ＰＴＣ素子の両面に各々電極板、非圧縮性絶縁層および圧縮性熱伝導層を順次設けた積層構造とされているため、ＰＴＣ素子と熱媒体流通ボックス間の熱抵抗を小さくし、熱伝導性を高めることができるとともに、その間の電気絶縁性を十分に確保することができる。特に、圧縮性熱伝導層が圧縮機能を確保可能な厚さを有する圧縮性のシート材により構成されているため、ＰＴＣヒータと熱媒体流通ボックスとを積層して締め付け固定することにより一体化する際、その圧縮性を利用して、ＰＴＣヒータと熱媒体流通ボックスとを圧着させて組み付けることができるため、両者間の密着性を向上させることができる。従って、ＰＴＣヒータと熱媒体流通ボックス間の接触熱抵抗を低減し、熱伝導性をより高めることができるとともに、組み付け寸法公差を吸収することができる。また、基板収容ボックスを一方の熱媒体流通ボックスのＰＴＣヒータと当接される面と反対側の面に設け、その内部にＰＴＣヒータ制御用の制御基板が収納設置されているため、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスター：Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の発熱部品が設けられる制御基板を、熱媒体流通ボックス内を流通する熱媒体により強制冷却することができる。従って、制御基板を熱的に保護し、その耐熱信頼性を向上させることができる。

さらに、本発明の熱媒体加熱装置は、上記の熱媒体加熱装置において、前記ＰＴＣヒータの両面に設けられた前記熱媒体流通ボックスの熱媒体流通路が、互いに連通されていることを特徴とする。

本発明によれば、ＰＴＣヒータの両面に設けられた熱媒体流通ボックスの熱媒体流通路が、互いに連通されているため、熱媒体の流通路とＰＴＣヒータとの接触距離を長くすることができる。従って、熱媒体の加熱性能を高めることができる。

本発明の熱媒体加熱装置は、上記の熱媒体加熱装置において、前記制御基板に設けられる発熱部品は、前記熱媒体流通ボックスの熱媒体流通路の入口側近傍に配設されることを特徴とする。

本発明によれば、制御基板に設けられるＦＥＴ等の発熱部品が、熱媒体流通ボックスの熱媒体流通路の入口側近傍に配設されているため、ＦＥＴ等の発熱部品を、ＰＴＣヒータにより加熱される前の比較的低温の熱媒体によって、効率よく冷却することができる。

さらに、本発明の熱媒体加熱装置は、上記の熱媒体加熱装置において、前記発熱部品は、前記熱媒体流通ボックス内を流通される熱媒体により冷却される部位に接触されて配設されることを特徴とする。

本発明によれば、発熱部品が熱媒体流通ボックス内を流通される熱媒体により冷却される部位に接触されて配設されているため、ＦＥＴ等の発熱部品で発生された熱は、熱媒体流通ボックスとの接触部を経て熱媒体に放熱される。従って、ＦＥＴ等の発熱部品を、熱伝導により直接冷却することができ、発熱部品の冷却効率を高めて、それらの耐熱信頼性を向上させることができる。

さらに、本発明の熱媒体加熱装置は、上述のいずれかの熱媒体加熱装置において、前記圧縮性熱伝導層は、絶縁材により構成されることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮性熱伝導層が絶縁材により構成されるため、非圧縮性絶縁層と併せた二層構造の絶縁層を構成することができる。従って、高電圧が印加されるＰＴＣ素子および電極板と熱媒体流通ボックス間の電気絶縁機能を倍加させ、その信頼性を向上させることができる。

さらに、本発明の熱媒体加熱装置は、上述のいずれかの熱媒体加熱装置において、前記非圧縮性絶縁層の面積は、前記電極板の面積よりも大きくされていることを特徴とする。

本発明によれば、非圧縮性絶縁層の面積が電極板の面積よりも大きくされているため、高電圧が印加されるＰＴＣ素子および電極板と熱媒体流通ボックス間の短絡を防止し、電気絶縁性をより高めることができる。

さらに、本発明の熱媒体加熱装置は、上述のいずれかの熱媒体加熱装置において、前記圧縮性熱伝導層の面積は、前記非圧縮性絶縁層の面積よりも大きくされていることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮性熱伝導層の面積が非圧縮性絶縁層の面積よりも大きくされているため、高電圧が印加されるＰＴＣ素子および電極板と熱媒体流通ボックスとの間の短絡を確実に防止して電気絶縁性を高め、その信頼性をさらに向上させることができる。

さらに、本発明の熱媒体加熱装置は、上述のいずれかの熱媒体加熱装置において、前記ＰＴＣ素子は、複数組設けられ、各々ＰＴＣ素子単位でオンオフ制御可能に構成されることを特徴とする。

本発明によれば、ＰＴＣ素子が複数組設けられ、各々ＰＴＣ素子単位でオンオフ制御可能に構成されているため、複数組のＰＴＣ素子を適宜オンオフ制御することにより、加熱能力を調整することができる。従って、負荷に応じてＰＴＣヒータの能力制御を簡便に行うことができる。

また、本発明にかかる車両用空調装置は、外気または車室内空気循環させるブロアと、該ブロアの下流側に設けられる冷却器と、該冷却器の下流側に設けられる放熱器と、を備えた車両用空調装置において、前記放熱器に、上述のいずれかの熱媒体加熱装置により加熱された熱媒体が循環可能に構成されることを特徴とする。

本発明によれば、放熱器に、上述のいずれかの熱媒体加熱装置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、空調装置起動時の温調立ち上がり性能を改善することができる。

本発明の熱媒体加熱装置によれば、ＰＴＣヒータの放熱効率を高めて加熱性能を向上させることができる。また、ＰＴＣヒータと熱媒体流通ボックスとを密着させて組み付けることができ、熱伝導性および組み立て性を良好にすることができる。また、ＰＴＣ素子と熱媒体流通ボックス間の熱抵抗を小さくし、熱伝導性を高めることができるとともに、その間の電気絶縁性を十分に確保することができる。特に、圧縮性熱伝導層の圧縮性を利用し、ＰＴＣヒータと熱媒体流通ボックスとを圧着させて組み付けることにより、両者間の密着性を高めることができるため、熱伝導性をより向上させることができるとともに、組み付け寸法公差を吸収することができる。

また、本発明の車両用空調装置によれば、熱媒体加熱装置により加熱された熱媒体を空気加温用の熱源とすることができるため、冷却水が用いられるエンジンが搭載されない電気自動車等の車両の空調装置に用いて好適な車両用空調装置を提供することができる。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できるため、空調装置起動時の温調立ち上がり性能を改善することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の一実施形態について、図１ないし図６を用いて説明する。
図１には、本実施形態にかかる車両用空調装置１の概略構成図が示されている。車両用空調装置１は、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をバイパスして流れる空気量との割合を調整し、その下流側でミックスされる空気の温度を調節するエアミックスダンパ７と、が設置される。

ケーシング３の下流側は、図示省略の吹き出しモード切替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、図示省略の複数の吹き出し口へと接続される。
冷却器５は、図示省略の圧縮機、凝縮器、膨張弁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り、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と共に熱媒体循環回路１１を構成し、熱媒体加熱装置１０により加熱された熱媒体がポンプ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。

図２には、上記熱媒体加熱装置１０の分解斜視図が示され、図５には、その縦断面図が示されている。この熱媒体加熱装置１０は、蓋２１が設けられる長方形状の基板収容ボックス２０と、基板収容ボックス２０と同じ長方形状を有する上部熱媒体流通ボックス３０と、上部熱媒体流通ボックス３０よりも小さい長方形状を有するＰＴＣヒータ４０と、蓋５１が設けられる、上部熱媒体流通ボックス３０と同じ長方形状を有する下部熱媒体流通ボックス５０と、を備え、これらが上記順に積層され、図示省略のボルトを介して締め付け固定されることにより、一体化されるものである。

図５に示されるように、基板収容ボックス２０は、アルミニウム合金等の熱伝導性材料により構成される、上面が蓋２１により密閉される長方形状の箱体であり、内部にＰＴＣヒータ４０を制御する制御基板２２が収納設置される。制御基板２２は、ＦＥＴ（電界効果トランジスター：Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２３等の発熱部品や制御回路が組み込まれるものであり、ＰＴＣヒータ４０を駆動するための３００Ｖの高電圧と、制御用の１２Ｖの低電圧が供給される。この制御基板２２は、基板収容ボックス２０の底面から突出されている支持部２４に、四隅をビス止めして固定設置される。また、ＦＥＴ２３等の発熱部品は、制御基板２２の下面に配設され、基板収容ボックス２０の底面に設けられている冷却部２５の上面に対し、図示省略の絶縁層を介して接触される。このＦＥＴ２３等の発熱部品および冷却部２５は、発熱部品に対する冷却効果を高めるために、上部熱媒体流通ボックス３０に設けられる後述の熱媒体流通路の入口側近傍に配設される。

図３および図４に、上部熱媒体流通ボックス３０の熱媒体流路が示されている。
上部熱媒体流通ボックス３０は、アルミニウム合金等の熱伝導性材料により構成される長方形状の箱体であり、その上面側には、両端部に形成される一対の入口ヘッダ３１および出口ヘッダ３２と、この入口ヘッダ３１および出口ヘッダ３２間に形成される多数のセパレートされた平行な溝状の流通路３３と、が設けられる。この入口ヘッダ３１および出口ヘッダ３２並びに流通路３３の上面は、上記した基板収容ボックス２０の底面により密閉される（図５参照）。これにより、上部熱媒体流通ボックス３０内には、入口ヘッダ３１内に流入された熱媒体が多数の流通路３３に分配され、流通路３３内を同時平行的に流れて出口ヘッダ３２に至る熱媒体の流通経路が形成される。また、基板収容ボックス２０の底面に設けられている冷却部２５が、上記の流通路３３内を流通される熱媒体によって冷却される制御基板の冷却構造が提供される。

また、上記した入口ヘッダ３１には、熱媒体の流入口３４が設けられ、出口ヘッダ３２には、下部熱媒体流通ボックス５０への連通口３５と、出口ヘッダ３２から分離され、下部熱媒体流通ボックス５０から流入される熱媒体を外部に流出させる流出口３６と、が設けられる。
また、上部熱媒体流通ボックス３０の下面側には、ＰＴＣヒータ４０を収容設置するための凹面３７（図５，６参照）が設けられる。この凹面３７は、熱媒体が流通する流通路３３の裏面と対向され、ＰＴＣヒータ４０が密着されるよう平坦面とされている。

図５および図６に、ＰＴＣヒータ４０の構成が示されている。
ＰＴＣヒータ４０は、長方形状に構成された平板状のＰＴＣ素子４１を発熱要素とし、このＰＴＣ素子４１を挟んでその両面に各々電極板４２、非圧縮性絶縁層４３および圧縮性熱伝導層４４が順次積層されて設けられた積層構造を有するものである。
ＰＴＣ素子４１は、複数組、例えば４組のＰＴＣ素子４１が並置されて設けられたものであり、制御基板２２に組み込まれている制御回路により、各々ＰＴＣ素子４１単位でオンオフ制御される構成とされている。

電極板４２は、ＰＴＣ素子４１に電力を供給するためのもので、ＰＴＣ素子４１と同じ長方形状の薄板であり、導電性および熱伝導性を有している。
非圧縮性絶縁層４３は、長方形状の薄板であり、アルミナ等の絶縁材により構成され、熱伝導性を有するものである。この非圧縮性絶縁層４３は、電極板４２よりも大きな面積を有し、電極板４２の外面側に積層された状態において、その四辺が電極板４２の四辺よりも少し外側に延出されるようになっている（図５参照）。

また、非圧縮性絶縁層４３は、その厚さが１．０ｍｍ〜２．０ｍｍに構成される。これは、ＰＴＣ素子４１および電極板４２とその外側に設けられる上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０との間において、その間の熱抵抗を極力小さくするとともに、電気絶縁性を十分に確保するためであり、万一非圧縮性絶縁層４３が割れたりした場合でも、空気層により絶縁性が保たれるよう、少なくとも１．０ｍｍ以上の厚さとされている。

圧縮性熱伝導層４４は、圧縮性を有する長方形状のシート材であり、シリコンシート等の絶縁シートで構成され、熱伝導性を有するものである。この圧縮性熱伝導層４４は、非圧縮性絶縁層４３よりも大きな面積を有し、非圧縮性絶縁層４３の外面側に積層された状態において、その四辺が電極板４２の四辺よりも大分外側に延出されるようになっている（図５参照）。
また、圧縮性熱伝導層４４は、シリコンシートにより構成される場合、その厚さが０．４ｍｍ〜２．０ｍｍとされる。これは、厚さを２．０ｍｍ以下に制限し、発熱要素であるＰＴＣ素子４１と上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０間の熱抵抗を極力小さくするためである。また、厚さを少なくとも０．４ｍｍ以上とすることにより圧縮機能を確保し、上部熱媒体流通ボックス３０と下部熱媒体流通ボックス５０との間にＰＴＣヒータ４０を組み付ける際に、圧縮性を利用してＰＴＣヒータ４０に上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０を確実に密着させるとともに、組み付け寸法公差を吸収するためである。

図３および図４に、下部熱媒体流通ボックス５０の熱媒体流路が示されている。
下部熱媒体流通ボックス５０は、アルミニウム合金等の熱伝導性材料により構成される長方形状の箱体であり、その下面側には、一端部に形成される一対の入口ヘッダ５２および出口ヘッダ５３と、この入口ヘッダ５２から他端側に延び、他端部でＵターンして出口ヘッダ５３に戻る、多数のセパレートされた平行な溝状の流通路５４と、が設けられる。この入口ヘッダ５２および出口ヘッダ５３並びに流通路５４の下面は、蓋５１によって密閉される。これによって、下部熱媒体流通ボックス５０内に、入口ヘッダ５２内に流入された熱媒体が、入口ヘッダ５２により多数の流通路５４に分配され、各流通路５４内を同時平行的に流通して他端部でＵターンし、出口ヘッダ５３に至る熱媒体の流通経路が形成される。なお、流通路５４は、Ｕターン流路であり、上部熱媒体流通ボックス３０の流通路３３よりも長く圧損の増加が予測されることから、流通路５４を構成する溝幅を流通路３３の溝幅よりも大きくしている（図５，６参照）。

この下部熱媒体流通ボックス５０の入口ヘッダ５２は、上部熱媒体流通ボックス３０の出口ヘッダ３２に設けられている連通口３５と連通され、上部熱媒体流通ボックス３０を経た熱媒体が流入されるようになっている。また、下部熱媒体流通ボックス５０の出口ヘッダ５３は、上部熱媒体流通ボックス３０の出口ヘッダ３２に、それと分離されて設けられている流出口３６に連通され、下部熱媒体流通ボックス５０を経た熱媒体を外部に流出させる経路を構成している。
下部熱媒体流通ボックス５０の上面は、平坦面５５（図，６参照）とされ、上部熱媒体流通ボックス３０の平坦な凹面３７との間で、ＰＴＣヒータ４０をサンドイッチ状に挟み込むことにより、これらの面３７，５５が、ＰＴＣヒータ４０の圧縮性熱伝導層４４に圧着されるようになっている。

図３には、ＰＴＣヒータ４０を挟んで、上部熱媒体流通ボックス３０と下部熱媒体流通ボックス５０とが積層された状態での熱媒体流通経路の斜視図が示されている。
こうして、ＰＴＣヒータ４０は、その両面に各々密着されて設けられる上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０内を流通される熱媒体に対して、両面から放熱して熱媒体を加熱できるよう構成される。

また、図４には、上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０により構成される熱媒体の流通経路が示されている。
上部熱媒体流通ボックス３０の流入口３４には、熱媒体循環回路１１が接続される。ポンプ９から圧送されてくる低温の熱媒体は、流入口３４から入口ヘッダ３１に流入し、各流通路３３に分配される。各流通路３３を出口ヘッダ３２に向って流通された熱媒体は、出口ヘッダ３２でいったん合流された後、連通口３５を経て下部熱媒体流通ボックス５０の入口ヘッダ５２に流入される。この熱媒体は、入口ヘッダ５２により各流通路５４に分配され、各流通路５４内を流通して他端部でＵターンされた後、出口ヘッダ５３に至り、再び合流される。この熱媒体は、出口ヘッダ５３に連通されている流出口３６から熱媒体循環回路１１へと流出される。以上により熱媒体の流通経路が構成される。

つぎに、本実施形態にかかる車両用空調装置１および熱媒体加熱装置１０の作用について説明する。
上記車両用空調装置１において、ブロア４に吸い込まれた外気または車室内空気は、冷却器５へと圧送され、冷却器５でその内部を流通する冷媒と熱交換されて冷却される。この冷却空気は、エアミックスダンパ７により分流され、一部は放熱器６へと流入し、他の一部は放熱器６をバイパスして流れる。放熱器６で加温された空気は、その下流側で放熱器６をバイパスした空気とエアミックスされ、所定温度に調節された後、車室内へと吹き出される。これによって、車室内が温調される。

放熱器６による空気加温は、熱媒体循環回路１１内を循環される高温の熱媒体からの放熱により行われる。熱媒体循環回路１１内の熱媒体は、タンク８からポンプ９を介して熱媒体加熱装置１０に供給され、ここで８０℃程度に加熱されて放熱器６に供給される。この高温の熱媒体は、放熱器６内を循環する間に冷却器５により冷却除湿された空気と熱交換され、該空気に放熱して温度降下し、再びタンク８に戻る。この繰り返しにより、放熱器６による空気加温作用が継続される。

熱媒体加熱装置１０では、上部熱媒体流通ボックス３０の流入口３４から温度の低い熱媒体が入口ヘッダ３１へと流入される。この熱媒体は、入口ヘッダ３１により分配されて流通路３３内を流通される間に、ＰＴＣヒータ４０により加熱昇温され、出口ヘッダ３２に至る。出口ヘッダ３２で合流された熱媒体は、連通口３５を経て下部熱媒体流通ボックス５０の入口ヘッダ５２に流入され、入口ヘッダ５２により分配されて流通路５４内を流通される間に、再びＰＴＣヒータ４０により加熱昇温され、出口ヘッダ５３に至る。こうして、熱媒体は、上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０内を流通される間に、８０℃程度の高温熱媒体に加熱昇温され、出口ヘッダ５３から流出口３６を経て熱媒体循環回路１１へと流出される。

ＰＴＣヒータ４０の発熱要素であるＰＴＣ素子４１には、制御基板２２から電極板４２を介して高電圧が印加され、これによって、ＰＴＣ素子４１は発熱しその両面から放熱する。この熱は、ＰＴＣ素子４１に密着されている電極板４２、非圧縮性絶縁層４３および圧縮性熱伝導層４４を介して、上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０に熱伝導され、熱媒体の加熱昇温に供される。
ＰＴＣ素子４１は、４組設けられており、熱媒体加熱装置１０に流入されてくる熱媒体の温度に応じて、制御基板２２により各々ＰＴＣ素子４１単位で個別にオンオフされ、加熱能力が制御される。これにより、熱媒体を所定の温度に加熱昇温して流出させることができる。

ＰＴＣ素子４１に印加される高電圧は、その両面側に設けられている非圧縮性絶縁層４３により上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０に対して電気的に絶縁される。本実施形態では、さらに圧縮性熱伝導層４４が、シリコンシート等の絶縁シートで構成されているため、これも絶縁層として機能することとなる。従って、二重の絶縁層が構成されることとなり、電気絶縁機能が倍加される。また、非圧縮性絶縁層４３は、電極板４２よりも面積が大きく、この非圧縮性絶縁層４３よりも、さらに圧縮性熱伝導層４４の方が面積が大きくされ、それぞれの四辺が電極板４２および非圧縮性絶縁層４３の四辺よりも外側へ延出されている。このため、ＰＴＣ素子４１および電極板４２と上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０との間の短絡も確実に防止される。

また、ＰＴＣヒータ４０を制御する制御基板２２には、ＦＥＴ２３等の発熱部品が設けられているが、このＦＥＴ２３等の発熱部品は、制御基板２２の下面に設けられ、基板収容ボックス２０の底面に設けられている冷却部２５の上面に接触されている。この冷却部２５は、上部熱媒体流通ボックス３０の熱媒体流通路３３と接しており、その内部を流通する熱媒体によりＦＥＴ２３等の発熱部品より低温状態とされているため、上記の発熱部品は、熱媒体の流通により強制冷却される。また、ＦＥＴ２３等の発熱部品および冷却部２５は、熱媒体流通路３３の入口側近傍に配設されていることから、入口付近のまだ温度の低い熱媒体によって効率よく冷却される。

しかして、本実施形態によると、以下の効果を奏する。
ＰＴＣヒータ４０の両面から放熱し、上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０内を流通する熱媒体を加熱する構成とされているため、ＰＴＣヒータ４０の放熱効率を高めて加熱性能を向上させることができる。また、ＰＴＣヒータ４０を上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０によりサンドイッチ状に挟み込み、ＰＴＣヒータ４０の両面に上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０を密着させる積層構造としているため、ＰＴＣヒータ４０と上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０とを密着させて組み付けることができ、熱伝導性および組み立て性を良好にすることができる。

また、ＰＴＣヒータ４０が、ＰＴＣ素子４１の両面に各々電極板４２、非圧縮性絶縁層４３および圧縮性熱伝導層４４を順次設けた積層構造とされているため、ＰＴＣ素子４１と上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０との間の熱抵抗を小さくし、熱伝導性を高めることができるとともに、その間の電気絶縁性を十分確保することができる。特に、圧縮性熱伝導層４４の圧縮性を利用し、ＰＴＣヒータ４０と上部および下部熱媒体流通ボックス３０，５０とを圧着させて組み付けることができるため、両者間の密着性をより向上させることができる。従って、熱伝導性を高めることができるとともに、組み付け寸法公差を吸収することができる。

また、非圧縮性絶縁層４３は、その厚さが１．０ｍｍ〜２．０ｍｍとされているため、ＰＴＣ素子４１および電極板４２とその外側に設けられる上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０間の熱抵抗を十分小さくすることができるとともに、その間の電気絶縁性を十分確保することができる。また、万一非圧縮性絶縁層４３が割れたりした場合でも、少なくとも１．０ｍｍ以上の空気層を確保できるため、絶縁性を保持することができる。

また、圧縮性熱伝導層４４をシリコンシート等の絶縁シートにより構成することによって、これも絶縁層として機能させることができるため、絶縁層を二重構成とし、電気絶縁機能を倍加させることができる。また、この絶縁シート（シリコンシート）の厚さを０．４ｍｍ〜２．０ｍｍとしているため、熱抵抗を十分小さくしながら、必要な圧縮機能を確保することができる。

また、非圧縮性絶縁層４３の面積を電極板４２よりも大きくし、さらにその非圧縮性絶縁層４３よりも圧縮性熱伝導層４４の面積を大きくしている。このため、それぞれの四辺を電極板４２および非圧縮性絶縁層４３の四辺よりも外側へ延出させることができる。従って、ＰＴＣ素子４１および電極板４２と上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０との間の短絡を確実に防止することができ、電気絶縁性を一層向上させることができる。

また、ＰＴＣヒータ４０の両面に設けられる上部熱媒体流通ボックス３０および下部熱媒体流通ボックス５０の流通路３３，５４を連通し、熱媒体の流通経路を長くしている。このため、ＰＴＣヒータ４０との接触距離を長くすることができ、熱媒体の加熱性能を高めることができる。また、ＰＴＣヒータ４０は、熱媒体の温度に応じて能力制御可能とされているため、熱媒体を所定温度に加熱して安定供給することができる。
また、上部熱媒体流通ボックス３０に接する基板収容ボックス２０内に、ＦＥＴ２３等の発熱部品を有する制御基板２２を設置し、上部熱媒体流通ボックス３０内を流通する熱媒体により強制冷却するようにしているため、制御基板２２を熱的に保護し、その耐熱信頼性を向上させることができる。特に、上記発熱部品を、基板収容ボックス２０に設けられている冷却部２５に接触させて熱伝導により直接冷却できるようにしているため、冷却効果をより高めることができる。しかも、上記発熱部品および冷却部２５を上部熱媒体流通ボックス３０の入口側近傍に配設しているため、比較的低温の熱媒体により効率よく冷却することができる。

また、本実施形態の車両用空調装置１は、熱媒体加熱装置１０を備え、この熱媒体加熱装置１０により加熱された熱媒体を放熱器に循環させ、空気の加温熱源とするものであるため、電気自動車等のように、冷却水を用いるエンジンを搭載していない車両の空調装置に用いて好適なものであるが、これに限らず、エンジンを搭載し、その冷却水を放熱器での空気加温熱源とする車両用空調装置に対しても同様に適用できる。この場合、空調装置起動時に低温の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、温調の立ち上がり性能を改善することができる。

なお、上記実施形態では、熱媒体を上部熱媒体流通ボックス３０から下部熱媒体流通ボックス５０へと流通させる例について説明したが、逆に下部熱媒体流通ボックス５０から上部熱媒体流通ボックス３０へと流通させるようにしてもよく、この場合、制御基板２２の冷却機能を維持するため、基板収容ボックス２０は下部熱媒体流通ボックス５０側に配設することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用空調装置の概略構成図である。本発明の一実施形態に係る熱媒体加熱装置の分解斜視図である。図２に示された熱媒体加熱装置における熱媒体流通ボックスの熱媒体流通経路を示す斜視図である。図２に示された熱媒体加熱装置における熱媒体流通ボックスの熱媒体流通経路を示す分解斜視図である。図２に示された熱媒体加熱装置の縦断面図である。図５におけるＡ部の拡大断面図である。

１車両用空調装置
４ブロア
５冷却器
６放熱器
１０熱媒体加熱装置
２０基板収容ボックス
２２制御基板
２３ＦＥＴ（発熱部品）
２５冷却部
３０上部熱媒体流通ボックス
３３流通路
４０ＰＴＣヒータ
４１ＰＴＣ素子
４２電極板
４３非圧縮性絶縁層
４４圧縮性熱伝導層（絶縁シート）
５０下部熱媒体流通ボックス
５４流通路

Claims

ＰＴＣ素子を挟んでその両面に各々電極板、非圧縮性絶縁層および圧縮性熱伝導層が順次設けられた積層構造のＰＴＣヒータと、
該ＰＴＣヒータの両面に各々密着させて設けられ、各々内部に熱媒体の流通路が形成された熱媒体流通ボックスと、を備え、
前記圧縮性熱伝導層は、圧縮機能が確保可能な厚さを有する圧縮性のシート材により構成され、
前記積層構造のＰＴＣヒータと、その両面に設けられる前記熱媒体流通ボックスとは、互いに積層されて締め付け固定されることにより一体化され、
前記ＰＴＣヒータの両面からの放熱により前記熱媒体流通ボックス内を流通する熱媒体が加熱されるとともに、
前記熱媒体流通ボックスのいずれか一方の前記ＰＴＣヒータと当接される面とは反対側の面に、基板収容ボックスが設けられ、該基板収容ボックス内に、前記ＰＴＣヒータ制御用の制御基板が収納設置されていることを特徴とする熱媒体加熱装置。
前記ＰＴＣヒータの両面に設けられた前記熱媒体流通ボックスの熱媒体流通路が、互いに連通されていることを特徴とする請求項１に記載の熱媒体加熱装置。
前記制御基板に設けられる発熱部品は、前記熱媒体流通ボックスの熱媒体流通路の入口側近傍に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱媒体加熱装置。
前記発熱部品は、前記熱媒体流通ボックス内を流通される熱媒体により冷却される部位に接触されて配設されていることを特徴とする請求項３に記載の熱媒体加熱装置。
前記圧縮性熱伝導層は、絶縁材により構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱媒体加熱装置。
前記非圧縮性絶縁層の面積は、前記電極板の面積よりも大きくされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の熱媒体加熱装置。
前記圧縮性熱伝導層の面積は、前記非圧縮性絶縁層の面積よりも大きくされていることを特徴とする請求項５または６に記載の熱媒体加熱装置。
前記ＰＴＣ素子は、複数組設けられ、各々ＰＴＣ素子単位でオンオフ制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の熱媒体加熱装置。
外気または車室内空気循環させるブロアと、該ブロアの下流側に設けられる冷却器と、該冷却器の下流側に設けられる放熱器と、を備えた車両用空調装置において、
前記放熱器に、前記請求項１ないし８のいずれかに記載された熱媒体加熱装置により加熱された熱媒体が循環可能に構成されることを特徴とする車両用空調装置。