JPH06320938A

JPH06320938A - 流体の流れを加熱する方法および装置

Info

Publication number: JPH06320938A
Application number: JP6045812A
Authority: JP
Inventors: W Kawate Keith; ダブリュ．カワテケイス; Peter G Berg; ジー．バーグピーター
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 1994-11-22
Also published as: US5471034A; EP0616486A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】特に自動客室に対する空気流を加熱する改良
加熱器を提供し，在来のＰＴＣ加熱器に比し安価に製造
組立を行い得て信頼性，安全性を向上する。【構成】加熱器は伝熱部材と導電的且つ伝熱的関係を
有するように配置された複数の自己調整抵抗加熱素子を
有し流体中に配置した時，加熱素子により発生の熱が伝
熱部材を通る流体内に散逸され，加熱素子はグループ配
置され，一つのグループ内の少くも二つの加熱素子は電
気的に直列に，かつグループは並列に接続される。枠部
材１２内に形成の凹所１４内に伝熱部材の反対端を受け
入れ，かつ加熱素子と共に頂部と底部に装架のばねの圧
縮力をうける。加熱素子は電気的短絡阻止のガスケツト
により位置決めされる。板状の端子部材は部材から横に
延び，かつ枠部材内の溝孔に受け入れられ対応の枠部材
上のレール２６．３，２８．３と連結される。端子板に
は切欠きを形成し，折り曲げて伝熱部材の転位を防止。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に加熱器に関し、特
に空気の如き流体を加熱するために伝熱部材を使用する
電気加熱器に関する。たとえば自動車客室用加熱器に
は、熱交換フイン部材が設けられ、該熱交換フイン部材
は空気通路内において、この熱交換フイン部材と熱伝導
関係を有するように配置された、固有抵抗の正の温度係
数（ＰＴＣ）の自己調整電気抵抗加熱素子と共に装架さ
れている。自己調整加熱素子が付勢されれば、温度はい
わゆる異常温度まで急上昇し、これはさらにフイン部材
を加熱する。この時通路を通る空気が熱交換フイン部材
によって加熱される。ＰＴＣ加熱は種々の理由によって
有利であるとされている。たとえば前記の如き加熱器は
その材料の初期抵抗が低く、しかも加熱器が過熱されな
いために、すなわち加熱器の温度が本質的にその異常温
度においてが制限されるために、ウオームアップが速や
かに行われると言う特徴を有している。ＰＴＣ加熱によ
れば、低温で高出力が得られ、かつ比較的一定した作業
温度を維持しつつ空気の流量を大きくすることができ
る。このような加熱器は頑丈な構造を有し、振動の大き
なかつ温度の高い自動車の環境にも適合し、電気的また
は機械的騒音を発生させることもなく、しかも電圧範囲
の広い性能を有している。この型の加熱器は本発明の譲
受人に譲渡された、米国特許出願第 07/571 、379 号に
記載されている。

【０００２】

【従来の技術】ＰＴＣ加熱器の場合は、空気の静止状態
において過熱し、かつ焼損する普通の直線抵抗加熱器の
場合のような最少流量に対する要求はないが、もし加熱
器が、高温に敏感な材料、たとえば加熱器の近くの管路
内に位置する低温プラスチックに近接している時は、通
常はある種の制御装置が使用され、空気の流量が所定の
最低値に達した時に加熱器を除勢するようになってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は流体の
流れを加熱するための新規な改良加熱器で、特に自動車
客室等に対する空気の流れを加熱する加熱器を提供し、
在来のＰＴＣ加熱器に比してその製造および組立てを安
価に行い得るようにし、その信頼度、安全性および効率
を高めると共に、加熱器に近接して位置する感温材料に
対しても適当に使用し得るようにすることである。なお
他の目的は、特に高電圧を使用する自動車に対して有用
な流動流体加熱器を提供することである。

【０００４】

【問題を解決するための手段】簡単に言えば、本発明に
よる加熱装置は流体通路内に装架し得る単数または複数
のモジュールを有し、各モジュールが複数の電気加熱素
子よりなり、かつ各加熱素子は、フイン部材の形をなし
た熱伝導装置と熱伝導関係を有するように装架された、
固有抵抗温度係数が正（ＰＴＣ）の加熱素子とされる。
複数のＰＴＣ加熱素子は、電気的に直列に接続された少
なくとも二つの加熱素子であり、通路を通る流体の流量
が選択された流量を超えた時に、直列に接続された各加
熱素子を通って生じる電圧低下が、比較的低い各加熱素
子の抵抗によって全体的に平衡化され、かつ通路を通る
流体の流量が選択された流量以下に減少した時に、直列
に接続された加熱素子の一つの抵抗が増加し、電源の電
位の大部分が、抵抗の増加した加熱素子を通って低下
し、それによって残余の直列に接続された加熱素子を効
果的に遮断し、加熱装置の出力を減少させる。

【０００５】本発明の好適な実施例によれば、加熱装置
は上下に重ねられたＰＴＣ加熱素子の複数のグループを
有するモジュールよりなり、各グループは第１および第
２導電伝熱部材の間に挿置されたＰＴＣ加熱素子の第１
対を有し、かつ該伝熱部材は同様に第３および第４導電
伝熱部材の間に挿置されたＰＴＣ加熱素子の第２対の頂
部に載置されている。第１端子、すなわち接地端子は第
１または頂部グループ内のＰＴＣ加熱素子の第１対の頂
面と電気的に接続され、かつ第２または正電位端子は伝
熱部材を通して、該グループのＰＴＣ部材の第２対の底
面と電気的に接続され、かつ伝熱部材を通して、次の隣
接グループのＰＴＣ加熱素子の第１対の頂面と接続され
ている。他の接地端子は伝熱部材を通して、前記グルー
プ内のＰＴＣ加熱素子の第２対の底面と電気的に接続さ
れ、残余のグループに対しても同様な電気的接続が行わ
れる。好ましくは、ＰＴＣ加熱素子の各対の周りには電
気絶縁層が配置され、該ＰＴＣ加熱素子の周りに短絡の
生じるのを阻止し、もし必要であれば、ＰＴＣ加熱素子
の相対する面に熱グリースを載置し、ここからの熱伝導
を高めるようにされる。モジュールは電気絶縁材料の相
対する横枠部材の間に保持された五つのグループを有
し、かつ適当なばね部材の選択された圧縮力を受け、モ
ジュールの導電構成部材間に優れた電気的接続と、優れ
た熱伝導が生じるようにされる。使用するグループの特
定数は、特定用途に対する空間配分と、他の要求とに基
づき適当に選択し得ることがわかる。この時は各枠部材
上に導電レールを装架し、各レールをアースおよび正電
位に接続し、前記グループが並列に接続され、一つのグ
ループ内の第１対の各加熱素子が、対応するグループ内
の第２対の各加熱素子と直列に接続されるようにする。

【０００６】本発明の特性によれば流体の流れは、複数
の自己調整ＰＴＣ電気抵抗素子を、複数の流体受入通路
を形成するような形の伝熱部材と熱的に接続し、かつグ
ループをなすこれらＰＴＣ素子を、直列に接続された一
つのグループ、および並列に接続されたグループ内のＰ
ＴＣ素子と電気的に接続し、流体の流量が選択された流
量以下に減少した時に、ＰＴＣ素子の熱出力が減少する
ようなす方法によって加熱される。

【０００７】本発明の１実施例によれば加熱装置は、伝
熱部材と熱的に接続され、かつ電気的に直列に接続され
た第１および第２ＰＴＣ加熱素子の少なくとも一つのグ
ループを有している。他の実施例によれば加熱装置は、
伝熱部材に熱的に接続されかつ電気的に直列に接続され
た第１、第２および第３ＰＴＣ加熱素子の少なくとも一
つのグループを有している。

【０００８】本発明の一つの特色によれば、伝熱部材は
アルミニュウム等の如き、伝熱性および導電性の大な
る、安価な材料よりなり、加熱装置の作動効率を高める
ようになっている。伝熱部材はジグザグ状に前後に曲げ
られた材料の帯片によって形成され、隣接伝熱部材、端
子またはＰＴＣ加熱素子と、電気的および熱的に係合す
る上方および下方半連続面の間を延びる、複数の開放チ
ャネルを形成するようになっている。電気抵抗加熱素子
には、安価な多量生産を行うために、典型的には方形、
円形、三角形または矩形輪郭を有する平らな薄板が使用
される。加熱器構成部材はそのケーシング内に、相互に
伝熱的および導電的に確実に保持されるように組立てら
れる。装置の組立てには、通常の並列接続ＰＴＣ加熱素
子のように多くの作業段階と時間とを必要としない。そ
の理由は横レール部材を形成する時の溶接接続仕事が少
なくて済むからである。

【０００９】前記特許出願第 07/571,379 号に記載され
ている如く、多ピル（multi-pill)ＰＴＣ加熱器を使用
する時は、通常ＰＴＣ加熱素子は並列に配置される。こ
の配置によれば各ピルは個々に付勢され、したがって他
の加熱素子とは別個に作動し、かつ自己調整を行う。そ
の理由は各素子に電圧が供給されるからである。

【００１０】直列に接続されたＰＴＣ抵抗器は異なる作
動特性を表す。電圧を加えれば一つの抵抗器の抵抗が著
しく上昇し、これを通って電位のほとんど全てが低下
し、他の抵抗器に対して残される利用電圧は僅少とな
る。抵抗の著しく増加した抵抗器はロック(lock)された
と称され、かつこの現象はバンディング(banding) と称
される。この現象が生じるために、ＰＴＣ抵抗器は直列
に配置されることはなかった。しかしながら本発明によ
るＰＴＣ加熱素子を伝熱部材と熱伝導関係を有するよう
に装架し、かつ流体の流れの中に配置した時には、もし
流体の流量が著しく増加し、かつ／または周囲温度が低
下すれば、少なくとも二つまたは三つのＰＴＣ加熱素子
よりなる直列配置内において、ロックされたＰＴＣ加熱
素子が冷却され、その抵抗は減少し、したがって該素子
を通って生じる電圧低下は減少する。ロックの解かれる
素子を通る電圧が低下すれば、他の二つの素子を通る電
圧は増加する。ある流体流量においては、他の素子（複
数）を通って生じる電圧低下は、比較的均等に配分さ
れ、抵抗器は抵抗−温度曲線の平らな部分において作動
し、これは流体の流れが最大出力を有する状態にあるこ
とを表す。

【００１１】通常の並列に接続されたＰＴＣ加熱素子に
対する、出力および相対温度と、異なる空気流量との関
係は図７に示されているが、図８は本発明による直列−
並列ＰＴＣ加熱素子の一つのグループの同様なグラフを
示す。図７および８は相互に大きな流量に対応するもの
であるが、小さな流量においては直列−並列配置の相対
温度は著しく低い。図８は空気の低、中および高流量に
おいて、三つの直列に接続された各素子に起こる電圧低
下を示す。

【００１２】本発明の新規な改良加熱装置および加熱方
法の他の目的、利点および詳細は、添付図面によって次
に説明する、本発明の好適な実施例によりさらに明らか
となる。

【００１３】

【実施例】図１ー４に示された、本発明による加熱装置
の好適な実施例は、相対する細長い枠部材１２を有する
モジュール１０よりなり、該枠部材はポリカーボネート
の如き、適当な電気絶縁材料によって形成されている。
枠部材１２は凹欠された部分１４を有し、該凹欠部分は
次に述べる加熱器組立体の対応する端部を受入れるよう
になっている。モジュール１０は、ＰＴＣ加熱素子およ
び伝熱部材の５グループを有し、これら部材は相対する
ばね部材１６の間に相互に重ねられ、モジュールの導電
部材内に所定の圧縮力を加え、これらの間に優れた電気
的および熱的接続部分を形成するようになっている。説
明のために展開されたモジュールの一部分を示す図３に
おいては、ばね部材１６はチャネル形部材１８内に受入
れられ、該チャネル部材はばね１６の力を、堆積として
配置された組立体の部材に、平等に配分するために設け
られたものである。ばね１６は反対端に近接して孔１
６．１を有し、この孔は凹欠部分１４内において枠１２
上に形成された適当な突起１２．１（図１）を受入れる
ようになっている。伝熱部材２０は電気絶縁ガスケット
２４を挟んでＰＴＣ加熱素子２２の上と下とに配置さ
れ、該ガスケットは素子２２より薄い、シリコン感圧材
料の如き適当な材料によって形成される。ガスケット２
４には窓２５が形成され、選択された位置に１対のＰＴ
Ｃ加熱素子２２を位置決め維持し、かつ１対のＰＴＣ加
熱素子の反対側に配設された伝熱部材間の短絡を阻止す
るようになっている。第１端子板２６は図３に示される
如く、ＰＴＣ加熱素子２２の上方対の上面と電気的に係
合するように配置され、かつ端子接続部分２６．１は図
１および３に示される如く、左横方向に延びている。第
２端子板２８は図３に示される如く、ＰＴＣ加熱素子２
２の下方対の下面と電気的に係合するように配置され、
かつ端子接続部分２８．１は図１および３に示される如
く、右横方向に延びている。これら２対のＰＴＣ加熱素
子およびその対応する伝熱部材はモジュール１０内の５
グループの一つを形成している。図３に示された最下方
伝熱部材２０はＰＴＣ加熱素子および伝熱部材の次のグ
ループの構成部材である。端子板２６および２８には、
それぞれその前縁および後縁に沿って、横方向に隔置さ
れた切欠き２６．２、２８．２が形成され（これら切欠
きは図においては前縁に示されている）、必要に応じ外
縁部分が交互に、僅かに上下に曲げられ、伝熱部材と端
子板との係合位置を安定化すると共に、組立体に剛性を
与えるようになっている。

【００１４】端子コネクタ２６．１は整合孔を通して一
つの枠部材１２内に受入れられ、かつ他の端子コネクタ
２８．１は整合孔を通して他の枠部材１２内に受入れら
れる。レール２６．３は図１に示される如く、左方枠部
材１２内に形成された溝１２．２内に受入れられ、端子
コネクタ２６．１は対応する孔２６．４を通して受入れ
られる。同様にレール２８．３（図３においては部分的
に切除されている）は図示の如く、右方枠部材１２に受
入れられ、端子コネクタ２８．１は対応する孔２８．４
を通して受入れられる。次に端子コネクタは曲げられ、
溶接（図示せず）によって対応するレールに装着され
る。前述の如くモジュール１２は、四つのＰＴＣ加熱素
子２２の５グループを有し、該グループは相互に並列に
接続され、かつ１対の加熱素子２２は図４に示される如
く、グループの他の対と直列に接続されている。

【００１５】前述の如く使用されるグループの特定数は
選択可能であり、一つのグループは若干数の用途に割当
てられ、５グループ以上の幾つかのグループは他の若干
数の用途に割当てられる。グループ内において直列に接
続されるＰＴＣ加熱素子の数は常態では、必要に応じ二
つまたは三つに制限される。すなわちロックされずに、
バンデングされたＰＴＣ加熱素子に関連する問題に起因
して、多くの用途においては直列に接続されるＰＴＣ加
熱素子は三つに制限される。

【００１６】ばね部材１６はステンレス鋼の如き堅い弾
性材料によって形成され、かつ好ましくは図３に示され
る如く、波状ばね部分を有するものとされる。端子板２
６、２８はアルミニウムまたは鋼の如き適当な導電およ
び伝熱材料によって形成される。各伝熱部材２０はアル
ミニウムの如き、伝熱性および導電性の優れた材料の連
続帯片２０．１によって形成され、かつジグザグまたは
アコーデオン状に前後に曲げられ、両端に平坦部分を有
するループが形成されるようにする。このループは相互
に密接に圧縮され、片側から他の側に開放チャネルまた
はルーバーが延びる細長い帯片が形成され、該帯片が図
２に示される如く、全体が平らな、半連続性の上面およ
び下面を有するようにされる。もし必要であればこの伝
熱部材は、優れた伝熱特性を有する限り、合成部材また
は類似の他の形のものとなすことができる。図１ー４に
示された実施例における如く、伝熱部材は導電性を有
し、ＰＴＣ加熱素子と共に、回路内の導電体として働
き、電気的接続は、ばね部材１６の圧縮力による物理低
係合によって得られる。しかしながらもし必要であれ
ば、加熱素子に対する電気的接続は、たとえば伝熱部材
を回路から絶縁せんとするような用途においては、加熱
素子の各上面および下面と係合する端子板を設けること
によって行うことができ、この場合は端子部材と隣接伝
熱部材との間に適当な電気絶縁層を配置することができ
る。しかしながら伝熱部材２０を導電体として使用すれ
ば、構成部材の少ない、かつ組立ての容易な組立体が得
られる。

【００１７】各加熱素子２２は、固有抵抗の温度係数が
正（ＰＴＣ）である、ランタンでドープしたチタン酸バ
リュウム等の如きセラミック材料よりなる体部で、その
両面にアルミニウム等を火炎噴射することにより、粗い
金属面を形成した電気接触装置を有する体部となすこと
が望ましい。このような自己調整電気抵抗加熱素子は公
知であるから、その詳細な説明は省略するが、接点間の
体部を通して電流を導くことにより、加熱素子を電気的
に付勢した時に、該体部材料は自己加熱して、熱を発生
し、かつ漸次温度および抵抗を増加し、最後は加熱素子
が、ある温度、すなわち抵抗の増加によって発生した熱
の減少が、伝熱部材を通して加熱素子から散逸または引
出されつつある熱と平衡するような温度において、安定
することがわかる。

【００１８】前述の如く、酸化亜鉛粉末を充填したシリ
コングリース等の如き熱グリースを、加熱素子および隣
接する端子または伝熱部材の間に配置し、加熱素子から
の熱伝導を高めるようになすことができる。

【００１９】本発明によって形成した加熱装置は、主加
熱器が燃料の燃焼によって作動する、内燃機またはデイ
ーゼルエンジンを動力とする自動車の客室に対する、補
助空気加熱器の如き、多くの用途に対して有用である。
本発明が特に有利な他の用途は、客室の熱全体が電気抵
抗加熱によって得られる電動自動車の場合である。この
ような加熱器は典型的には高電圧によって付勢され、た
とえばその１例においては１９２ボルト、他の例におい
ては３３６ボルトが使用される。直列に接続された加熱
素子を使用する本発明は、固有のＰＴＣ特性により、低
いファン速度で動力を減少させる。さらにＰＴＣ加熱素
子に不調が生じたような場合には、これと直列に接続さ
れた他のピルが自動リセッテングヒューズまたはカレン
トレギュレータとして作用し、したがって別の安全機能
が得られる。

【００２０】図５は本発明の変形を示す略線図である
が、この変形においては加熱装置１００は、ＰＴＣ加熱
素子２２および導電伝熱部材１２０の単一のグループよ
りなっている。図で見て第１の上方加熱素子２２および
第２の下方加熱素子２２は、それぞれ伝熱部材１２０の
間に配置されている。伝熱グリース１２１は加熱素子お
よび隣接伝熱部材の間に載置され、熱伝導を高めるよう
になっている。端子１２６は上方伝熱部材１２０と電気
的に接続され、かつ端子１２８は下方伝熱部材１２０と
電気的に接続され、二つの加熱素子を直列に接続してい
る。二つの加熱素子の間には一つの伝熱部材１２０が配
設されているが、必要に応じ二つの加熱素子の間に追加
伝熱部材１２０を配置し、さらに均一に配分された熱流
が得られるようになし得ることがわかる。

【００２１】図６は三つのＰＴＣ加熱素子が電気的に直
列に接続された、同様な加熱装置１０２を示す。図５お
よび６の両実施例においては、矢印１２５によって示さ
れる如き、適当な圧縮力が各組立体に加えられ、図１ー
４に示された実施例のように、幾つかの構成部材間に優
れた電気的および熱的接続が行われるようにされてい
る。図５および６の実施例においては、直列に接続され
た単一の加熱素子が示されているが、各伝熱部材１２０
の間に、同様に二つまたはそれ以上のＰＴＣ加熱素子を
設け得ることがわかる。流体の流れを加熱するための加
熱装置は、本発明によれば、図５および６に示される如
く、直列に接続されたＰＴＣ加熱素子の一つのグループ
が使用され、または並列に接続された複数のグループ
で、各グループ内の加熱素子が直列に接続されたグルー
プが使用される。

【００２２】以上本発明を例証するために、その加熱装
置の特定実施例を説明したが、発明の範囲内において種
々の変形が可能であり、かつ本発明は特許請求の範囲内
に含まれる全ての変形および等効物を含むものと解すべ
きである。

【００２３】以上の説明によって明らかな如く、本発明
の装置によれば、管路の過熱を阻止するために、空気流
量の小さな加熱器区域を切換える高価な制御スイッチを
省略することができ、本発明の過熱装置を使用して、流
量の大きな、しかも“バンデング”の状態で最大出力を
発生せしめ、高価な外部スイッチに頼ることなく、単数
または複数の、流量の小さな区域を自動的に遮断するこ
とができる。本発明によればなお前述の如く、予備自動
安全装置が得られ、一つのＰＴＣ加熱素子が短絡した場
合に、全体的なシステムの故障を発生させることなく、
他の直列ＰＴＣ加熱素子が、直列自動リセットヒューズ
として働くようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によって形成された加熱器モジュールの
展開図；

【図２】図１のモジュールに使用された伝熱部材の一部
分の、切欠正面図；

【図３】図１のモジュールの一部分の展開透視図；

【図４】図１のモジュールの略正面図；

【図５】本発明の他の実施例の略線図；

【図６】本発明のなお他の実施例の略線図；

【図７】並列接続ＰＴＣ加熱素子に対する出力および相
対温度と、空気流量との関係を表すグラフ；

【図８】直列−並列接続ＰＴＣ加熱素子に対する出力お
よび相対温度と、空気流量との関係を表すグラフ；

【図９】幾つかの異なる空気流量において、直列に接続
された三つの各加熱素子に生じる電圧低下を表す棒グラ
フ。

【符号の説明】

１０モジュール１２枠部材１４凹欠部分１６ばね部材１８チャネル形部材２０伝熱部材２２加熱素子２４ガスケット２６第１端子板２６．１コネクタ２６．２切欠き２６．３レール２８第２端子板２８．１コネクタ２８．２切欠き２８．３レール１００，１０２加熱装置１２０伝熱部材１２１グリース１２６端子１２８伝熱部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れを加熱する方法において、複
数のＰＴＣ自己調整電気抵抗加熱素子および複数の伝熱
部材を配置する段階で、各伝熱部材が複数の流体受入通
路を形成するような形を呈する段階と、各電気加熱素子
を少なくとも一つのグループを形成するように配置する
段階で、各グループが少なくとも二つの加熱素子を含む
段階と、各グループ内の加熱素子を電気的に直列に接続
する段階とを有することを特徴とする方法。
【請求項２】加熱素子の複数のグループを形成する段
階と、該グループを電気的に並列に接続する段階とを有
する、請求項１記載の方法。
【請求項３】加熱装置において、貫通流体通路を画定
するケーシングと、ケーシングの通路内に装架された伝
熱装置と、各個が伝熱装置と熱伝導関係を有するように
配置された、複数の自己調整電気抵抗加熱素子と、加熱
素子を電源に接続する電気回路素子とを有し、少なくと
も二つの加熱素子が電気的に直列に接続され、通路を通
る流体の流量が、流体の温度と共に変化する選択された
流量を超えた時に、少なくとも二つの各加熱素子に生じ
る電圧低下が、比較的低い各加熱素子の抵抗によって全
体的に平衡化され、かつ通路を通る流体の流量が、選択
された流量以下となった時に、直列に接続された加熱素
子の一つの抵抗が増加し、電源の電位の大部分が、直列
加熱素子の前記一つを通って低下し、それによって前記
直列に接続された加熱素子の他のものを効果的に遮断
し、かつ加熱装置の熱出力を減少させるようになってい
る加熱装置。
【請求項４】加熱素子がグループとして配置され、各
グループ内の加熱素子が電気的に直列に接続され、かつ
グループが電気的に並列に接続されている、請求項３記
載の加熱装置。
【請求項５】各グループ内において、３個の加熱素子
が直列に接続されている、請求項４記載の加熱装置。