JP2004165158A

JP2004165158A - 複数の加熱素子を有する電気加熱装置及びこれを制御する方法

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Publication number: JP2004165158A
Application number: JP2003365844A
Authority: JP
Inventors: Frank Probst; プロブスト，フランク
Original assignee: Catem GmbH and Co KG
Current assignee: Catem GmbH and Co KG
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: ATE272933T1; EP1416770B2; CN100352683C; US20040256377A1; ES2225714T5; JP3885887B2; KR100582324B1; DE50200767D1; EP1416770A1; CN1500665A; US6940050B2; ES2225714T3; KR20040038691A; EP1416770B1

Abstract

【課題】加熱素子が均一に加熱され、かつ電力損失が低い電気加熱装置、並びにかかる電気加熱装置を制御する方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る電気加熱装置１は、加熱ブロックを形成するように組み合わされ、かつ各々が別個に制御され得る複数の加熱素子１７と、加熱素子１７を制御する制御装置１６とを有し、加熱素子（１７）の各々の発熱量は別個に調整され得る、電気加熱装置であって、制御装置（１６）は、個々の加熱素子（１７）の制御が行われる時、個々の加熱素子（１７）へのそれぞれの別個に調整可能な発熱量の割り当てが、所定の時間間隔（Ｔ_R）で変更され得るように構成されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、加熱ブロックを形成するように組み合わされ、かつ各々が別個に制御されることに適した複数の加熱素子、及び加熱素子を制御する制御装置を含み、加熱素子の各々の発熱量は別個に調整されることに適した電気加熱装置であって、自動車の補助電気加熱としての使用に特に適している、電気加熱装置に関する。

自動車において、電気加熱装置は、数ある目的の中で、客室内の空気を加熱するため、水冷機関内の冷却剤を予熱するため、又は燃料を暖めるために使用される。かかる補助電気加熱は、普通、加熱素子及び制御装置による少なくとも１つの加熱段階からなる。加熱素子は、普通、抵抗発熱体として、特にＰＴＣ素子として実施される。加熱及び制御ユニットは、別個の機能ユニットとして実施され得るが、単一の構造ユニットを形成するために組み合わされても良い。

特許文献１は、加熱素子及び制御ユニットが、単一の構造ユニットを形成するために組み合わされる電気加熱装置を開示している。加熱素子を制御するために、複数の制御概念が開示されているが、以下でそれらを簡単に要約する。

電気加熱装置の電力制御は、最も簡単な場合において、複数の別個の加熱素子及び全ての加熱素子の同一の制御を含む。かかる制御を、例として３つの加熱段階をなす図１に示す。個々の加熱段階の発熱量Ｐ１、Ｐ２及びＰ３を、（一番下の図内の）全発熱量Ｐの上に、縦に続けて示す。加熱需要が増加する時、個々の加熱素子は、個々の加熱素子の各々が、増加する発熱量を生じさせるために、均一に制御される。全発熱量Ｐは、個々の発熱量Ｐ１からＰ３の和に相当する。

電力負荷を制御するために、いわゆるパルス幅変調（ＰＷＭ）が頻繁に使用される。前記パルス幅変調の特性は、それが技術的に特に簡単に実現され得ることである。図２は、かかる計時制御を示す。加熱装置の各加熱回路は、固定周波数Ｆ及び期間Ｔで、制御装置によって計時される。各個々の加熱素子の電力は、クロック比率から生じる。パルス幅を変調することにより、発熱量を変化させることが可能である。

図２に示す電力制御は、原則として図１を参照して記載した線形制御に相当する。従って、全ての加熱素子は、所定の全発熱量を生じさせるために、均一に制御される。全発熱量が増加する時、個々の加熱素子の発熱量が、それに応じて増加する。図２のクロック比率は、パルスの各々に対して例えば７０％である。従って、７０％の最大可能発熱量が生じる。図２の一番下の図において、Ｐ_70%の指示を有する破線は、加熱装置の全加熱素子の平均有効発熱量を示し、しかるに実線は、それぞれの瞬時電力を示す。

パルス幅変調の使用に関連してＥＭＣ問題を減少させるために、負荷は、「穏やかに」、すなわち比較的低速な境界でスイッチが入れられ、かつ切られる。しかしながらこの目的に必要な電力スイッチは、かかる境界の間に、線形操作で制御されるので、実質的な瞬時電力損失が、同時に生じる。かかる「境界損失」は、電気補助加熱の制御においてそれぞれのスイッチでの全電力損失の大きな割合にのぼる。

図２に示すタイプの制御は、加熱素子によって生じる発熱量が時間によって変化する限りにおいて不利である。もう一つの問題は、全ての負荷が、同時にスイッチを入れられ、かつ切られるので、供給ラインの非常に高いピーク電流である。

伝熱中にかかる時間による変化を回避するために、電気加熱の加熱素子は、パルス幅変調が使用される時、時間シフトにより制御され得る。この種類の制御の一例を図３に示す。この例において、示した３つの加熱素子は、時間シフトｔによって計時される。それぞれの活性パルス幅は、個々の段階に対してクロックの全期間Ｔにわたって分配される。

かかる過程において、ｎ回（ｎ＝チャンネル数）周波数成分は、負荷、すなわち加熱素子の合計電流において現れる。このことは、均一な合計電流周波数での比較的低いパルス幅変調周波数を可能にする。

かかる電気加熱装置が、自動車に使用される時、合計電流周波数は、自動車の全車上電源に影響を与え、かつ視覚的限界にもはや達しなくなり次第、乱れた光点滅として見られ得る。

以上で言及したように、境界損失は、制御がパルス幅変調を介して行われる時、常に起こる。これらの境界損失は、負荷のスイッチが入れられ、かつ切られる時はいつでも起こり、その結果その割合は、増加する制御周波数と共に線形状に増加する。しかしながら、制御周波数は、光点滅が現れることを妨げるために、特定の下限未満に低下してもならない。従って、制御周波数が変化し得る特定の回廊状帯域のみが、適切な制御周波数として残る。

境界損失の規模は、次の式から得られる：

この式において、Ｐ_Edgeは、境界によって引き起こされる電力損失を、Ｗ_{Rising Edge}は、立ち上がり境界中に電力スイッチにおいて変換されるエネルギーを、Ｗ_{Falling Edge}は、立ち下り境界中に電力スイッチにおいて変換されるエネルギーを、Ｔ_PWMは、パルス幅変調の持続期間を、かつｎは、チャンネル数、すなわち別個に制御される加熱素子の数を表す。

かかる境界損失は、改良された制御方法によって著しく減少され得る。電気加熱装置の改良された制御方法において、加熱素子の１つのみの発熱量は、このために変化するように調節されることに適している。全ての他の加熱素子は、スイッチを入れられ得るか、切られ得るのみであり、すなわちこれらは、全負荷又はゼロ負荷で操作され得る。これらの加熱素子は要求に従ってスイッチが入れられ、かつ切られる。発生する発熱量の「微調整」のために、可変発熱量分担を有する連続的に調整可能な加熱素子が、スイッチを入れられる。

この概念がパルス幅変調と組み合わされる時、全てのチャンネルが連続的に計時されるのではなく、連続的に調整可能なチャンネルの発熱量のみがパルス幅変調により調整される。このタイプの制御を、図４及び図５に示す。加熱素子の発熱量は、加熱素子が、生成され得る発熱量の最大に達するまで増加する。続いて、この加熱素子への電流供給が、計時なしに、すなわちパルス幅変調なしに続けられる。生成する発熱量が更に一層増加するならば、前記発熱量は、次の加熱素子のパルス幅変調を介して生成される。この過程は、全ての加熱素子が連続的にスイッチを入れられるまで続けられる。図５は、代替案を示し、その場合に加熱素子の１つの発熱量のみが連続的に調整可能であり、しかるにその他の加熱素子は、スイッチが入れられ、かつ切られるのみである。

このようにして、同一の生じた発熱量が、低い境界損失で生成され得る。起きる境界損失は、次の式で表される：

加熱素子の１つのみがパルス幅変調を介して同時に制御されるために、境界損失は、先行する式と比較して１／ｎに減少する。

しかしながら、上記タイプの発熱量制御は、個々の加熱素子による加熱ブロックの不均質な加熱に対して不利である。このことは、加熱する媒体が、局部的に不均一に加熱され、かつそれ故に異なる温度区域を有するという効果がある。

欧州特許出願公開第２１１５７８６８号明細書

本発明の目的は、加熱素子が均一に加熱され、かつ電力損失が低い電気加熱装置、並びにかかる電気加熱装置を制御する方法を提供することである。

上記目的を達成することのできる本発明に係る電気加熱装置は、加熱ブロックを形成するように組み合わされ、かつ各々が別個に制御され得る複数の加熱素子（１７）と、前記加熱素子（１７）を制御する制御装置（１６）とを有し、前記加熱素子（１７）の各々の発熱量は別個に調整され得る、電気加熱装置であって、前記制御装置（１６）は、個々の前記加熱素子（１７）の制御が行われる時、個々の前記加熱素子（１７）へのそれぞれの別個に調整可能な発熱量の割り当てが、所定の時間間隔（Ｔ_R）で変更され得るように構成された電気加熱装置である。

本発明に係る電気加熱装置において、前記割り当ての変更は、個々の前記加熱素子（１７）へのそれぞれ別個に調整される発熱量の割り当ての置換又は循環を示すことが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置において、前記制御装置（１６）は、最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えにより前記加熱素子（１７）の少なくとも１つを制御することが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置において、前記制御装置（１６）は、連続的に調整可能な発熱量を介して前記加熱素子（１７）の少なくとも１つを制御することが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置において、前記制御装置（１６）は、連続的に調整可能な発熱量を介して前記加熱素子（１７）の１つを、かつ最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えにより全ての他の前記加熱素子（１７）を制御することが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置において、前記制御装置（１６）は、パルス幅変調を介して、発熱量が連続的に調整可能な少なくとも１つの前記加熱素子（１７）を制御することが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置において、所定の前記時間間隔（Ｔ_R）は、前記パルス幅変調の期間（Ｔ_PWM）の整数の倍数（ｋ）を示すことが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置において、前記電気加熱装置は、合計４つの別個に制御可能な前記加熱素子（１７）を備え、かつ所定の前記時間間隔（Ｔ_R）は、前記パルス幅変調の前記期間（Ｔ_PWM）の８倍に等しいことが好ましい。

また、上記目的を達成することのできる本発明に係る電気加熱装置の制御方法は、加熱ブロックを形成するように組み合わされ、かつ各々が別個に制御され得る複数の加熱素子（１７）を有し、前記加熱素子（１７）の各々の発熱量が別個に調整される、電気加熱装置を制御する方法であって、個々の前記加熱素子（１７）へのそれぞれの別個に調整される発熱量の割り当ては、所定の時間間隔（Ｔ_R）で変更される、電気加熱装置の制御方法である。

本発明に係る電気加熱装置の制御方法において、前記割り当ての変更は、個々の前記加熱素子（１７）へのそれぞれの別個に調整される発熱量の割り当ての置換又は循環を示すことが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置の制御方法において、前記加熱素子（１７）の１つは、最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えによって制御されることが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置の制御方法において、前記加熱素子（１７）の少なくとも１つは、連続的に調整可能な発熱量を介して制御されることが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置の制御方法において、前記加熱素子（１７）の１つは、連続的に調整可能な発熱量を介して制御され、かつ全ての他の加熱素子（１７）は、最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えによって制御されることが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置の制御方法において、発熱量が連続的に調整可能な少なくとも１つの前記加熱素子（１７）は、パルス幅変調を介して制御されることが好ましい。

本発明に係る電気加熱装置の制御方法において、所定の前記時間間隔（Ｔ_R）は、前記パルス幅変調の期間（Ｔ_PWM）の整数の倍数（ｋ）を示すことが好ましい。

本発明によれば、加熱素子への制御信号割り当ては、所定の時間間隔で変化する。かかる電気加熱装置を制御するために、加熱素子に供給されるそれぞれの電流は、加熱素子が、制御ユニットの異なる「制御チャンネル」によって引き続き制御されるように交換される。このようにして、加熱する媒体のより均質な加熱が、時間が経って平均化されると、達成され得る。

好ましい実施態様によれば、割り当ては、全ての割り当ての置換又は循環によって変更される。加熱される媒体の均質な加熱は、各加熱素子が、引き続き装置の各「チャンネル」をそこに割り当てたので、このようにして達成され得る。

特に、個々の加熱素子が、最大発熱量及びゼロ発熱量の間で切り替えられる制御方式が使用される時、加熱される媒体の不同は、このようにして回避され得る。

最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えが、加熱素子を制御するために使用される時、発熱量が連続的に調整され得る、少なくとも１つの制御チャンネルが、必要である。１つの連続的に調整可能な制御チャンネル及び、その他については、最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えがその場合行われるチャンネルを使用することが好適である。このタイプの制御は、発熱量のより正確な調整と組み合わせて、より低い電力損失を達成することを可能にする。

好適な実施態様に従って、パルス幅変調が、連続的に調整可能な発熱量を制御するために使用される。割り当てが変更される時間間隔は、好ましくは、パルス幅変調の期間の整数の倍数である。このようにして、境界損失は、切り替えが行われることにおいて、特に低く保たれ得る。

本発明によれば、加熱素子が均一に加熱され、かつ電力損失が低い電気加熱装置、並びにかかる電気加熱装置を制御する方法を提供することができる。

以下において、本発明は、添付の図を参照して記載される。

図６ａは、自動車における使用に特に適する、本発明による電気加熱装置１の側面図を示す。図６ｂは、電気加熱装置１の平面図を示す。電気加熱装置１は、複数の層状又は積み重ね加熱素子２を含む加熱ブロックを含む。各加熱素子２は、隣接して配置されたラジエータ又は導熱表面を有する少なくとも１つの抵抗加熱素子を含む。抵抗加熱素子として使用される素子は、好ましくはＰＴＣ素子である。加熱素子２を含む加熱ブロックは、フレーム内に保持される。このフレームは、対向する縦バー３並びにこれらの縦バー３に対して直角に配置される横バー４及び５を含む。横バー４と対照的に、横バー５は、一方の側面が開放された箱として実施される。この箱形状の横バー５の開口部は、加熱素子２に面する前記横バー５の側面に位置する。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り個々の加熱素子２の熱出力を制御する制御装置をその中に挿入させることに適している。箱として実施される横バー５の開放側面は、制御回路の挿入後に前記横バー５に付着されるか、留められるカバーによって閉鎖される。電気加熱装置１は、２つの端子ピン８を介して電流が供給される。これらの端子ピン８は、必要な加熱電流が、それらによって容易に伝導され得るように実施される。特殊な実施態様によれば、横バー５は、側面に窓の開口部７を有する。これらの窓の開口部７は、これらがまた、加熱される媒体の流れ内に位置するように配置される。冷却素子６は、対向する窓の開口部７の間に配置され、前記冷却素子６は、制御回路の電力電子部品の放散熱を除去する。

本発明により補助加熱として使用される電気加熱装置の基本回路を、図７に示す。制御ユニット１６、好ましくは演算ユニット又はマイクロコンピュータは、複数の電気抵抗発熱体１７の発熱量を制御する。１０００〜２０００ワットの範囲の全発熱量を達成するために必要とする高電流は、電力半導体１１、特にパワートランジスタを介して電子抵抗発熱体１７に供給される。制御装置１６は、抵抗１７へ、トランジスタ１１によって伝導される電流量を決定し、前記電流量は、使用される制御方法、及び所定の設定値に基づき決定される。このために、演算ユニット１６は、別個にパワートランジスタ１１の各々への線１８を介して接続される。

抵抗発熱体によって生成された全発熱量は、所望の発熱量に基づき、演算ユニット１６によって制御される。また、自動車内で利用可能な最大発電機電力は、その上制御目的で考慮に入れられ得る。

先行技術は、種々の電力制御概念を開示し、その場合例えば幾つかの独立した加熱素子が、所望の全発熱量に基づき、均一に制御、又は順次制御される。本発明によれば、各抵抗発熱体は、同じ時間平均を有する発熱量の分担が、全発熱量に寄与する。このために、個々の加熱素子への制御装置１６によって生成される制御信号（チャンネル）の割り当ては、所定の時間間隔で変化し、特に循環又は置換される。加熱の不均一は、このようにして全加熱ブロックにわたって分配され、かつ加熱される気流内での不均一加熱区域は、回避される。

好ましくは、時間間隔は、加熱素子の余熱を利用して、均質な加熱が行われるように選択される。

パルス幅変調を利用すると、時間間隔、すなわち循環期間（Ｔ_R）は、ＰＷＭ期間Ｔ_PWMの整数の倍数ｋに相当する。この場合生成される境界数は、要求される発熱量に左右される。すなわち加熱素子のスイッチを入れる／切る状態が割り当て変更により変更されるか否かに特に左右される。境界数が、生成される電力損失の規模を決定するので、単一の計時チャンネルが、発熱量の「微調整」のために使用される時、かつそれぞれの残りのチャンネルのスイッチが入れられるか、切られる時、次の式は、生成される境界の最大数に関して当てはまる：

時間間隔、すなわち循環又は置換期間が、非常に大きく選択されるならば（すなわちｋΠ∞）、式（３）は、式（２）と等しくなる。

図８は、４つの「制御チャンネル」を有する加熱素子の循環制御の例を示す。制御チャンネルは、所定の循環方式に従って加熱素子１７に割り当てられる。持続期間Ｔ_Rは、ＰＷＭ期間Ｔ_PWMの持続期間の８倍と等しいように選択される。

上記の倍数ｋがＰＷＭ期間への制御循環時間間隔の比率に対して８の値を有する時、計時チャンネルを有し、かつ循環を有さない公知の方法（式２）と比較して、１２．５％の追加境界損失が、生成される。しかしながら、全てのチャンネルが均一に計時される場合の方法（式１）と比較して、７１．９％の境界損失の減少が、本実施例により達成される。

更に、循環チャンネル割り当てを有する方法に従って行われる更に個々の制御のために、全電力は、加熱素子が式１により均一に制御される場合よりも遥かに正確に定められ得る。

要約すると、本発明は、電気加熱装置、及び加熱レジスタの均質な加熱が達成される、かかる加熱装置を制御する方法に関していると述べられ得る。このために、制御装置の制御チャンネル及び加熱素子の間の割り当ては、所定の時間間隔で変化する。

３つの加熱素子を均一に制御する、制御概念を示す。発熱量の計時制御の例を示す。個々の制御チャンネルの時間シフトを有する発熱量の計時制御を示す。常に、一度に１つの加熱素子のみがゼロ負荷及び最大発熱量の間で操作される、制御概念の変形を示す。常に、一度に１つの加熱素子のみがゼロ負荷及び最大発熱量の間で操作される、制御概念の変形を示す。本発明による電気加熱装置の側面図を示す。本発明による電気加熱装置の平面図を示す。３つの加熱素子を含む本発明による電気加熱装置の基本回路を示す。電気加熱装置の加熱素子の循環制御の例を示す。

符号の説明

１６制御装置
１７加熱素子
Ｔ_R 所定の時間間隔
Ｔ_PWM パルス幅変調の期間
ｋ整数の倍数

Claims

加熱ブロックを形成するように組み合わされ、かつ各々が別個に制御され得る複数の加熱素子（１７）と、前記加熱素子（１７）を制御する制御装置（１６）とを有し、前記加熱素子（１７）の各々の発熱量は別個に調整され得る、電気加熱装置であって、
前記制御装置（１６）は、個々の前記加熱素子（１７）の制御が行われる時、個々の前記加熱素子（１７）へのそれぞれの別個に調整可能な発熱量の割り当てが、所定の時間間隔（Ｔ_R）で変更され得るように構成された電気加熱装置。
前記割り当ての変更は、個々の前記加熱素子（１７）へのそれぞれ別個に調整される発熱量の割り当ての置換又は循環を示す請求項１に記載の電気加熱装置。
前記制御装置（１６）は、最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えにより前記加熱素子（１７）の少なくとも１つを制御する請求項１又は２に記載の電気加熱装置。
前記制御装置（１６）は、連続的に調整可能な発熱量を介して前記加熱素子（１７）の少なくとも１つを制御する請求項１から３のいずれか１項に記載の電気加熱装置。
前記制御装置（１６）は、連続的に調整可能な発熱量を介して前記加熱素子（１７）の１つを、かつ最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えにより全ての他の前記加熱素子（１７）を制御する請求項１に記載の電気加熱装置。
前記制御装置（１６）は、パルス幅変調を介して、発熱量が連続的に調整可能な少なくとも１つの前記加熱素子（１７）を制御する請求項４又は５に記載の電気加熱装置。
所定の前記時間間隔（Ｔ_R）は、前記パルス幅変調の期間（Ｔ_PWM）の整数の倍数（ｋ）を示す請求項６に記載の電気加熱装置。
前記電気加熱装置は、合計４つの別個に制御可能な前記加熱素子（１７）を備え、かつ所定の前記時間間隔（Ｔ_R）は、前記パルス幅変調の前記期間（Ｔ_PWM）の８倍に等しい請求項７に記載の電気加熱装置。
加熱ブロックを形成するように組み合わされ、かつ各々が別個に制御され得る複数の加熱素子（１７）を有し、前記加熱素子（１７）の各々の発熱量が別個に調整される、電気加熱装置を制御する方法であって、個々の前記加熱素子（１７）へのそれぞれの別個に調整される発熱量の割り当ては、所定の時間間隔（Ｔ_R）で変更される、電気加熱装置の制御方法。
前記割り当ての変更は、個々の前記加熱素子（１７）へのそれぞれの別個に調整される発熱量の割り当ての置換又は循環を示す請求項９に記載の電気加熱装置の制御方法。
前記加熱素子（１７）の１つは、最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えによって制御される請求項９又は１０に記載の電気加熱装置の制御方法。
前記加熱素子（１７）の少なくとも１つは、連続的に調整可能な発熱量を介して制御される請求項９から１１のいずれか１項に記載の電気加熱装置の制御方法。
前記加熱素子（１７）の１つは、連続的に調整可能な発熱量を介して制御され、かつ全ての他の加熱素子（１７）は、最大発熱量及びゼロ発熱量の間の切り替えによって制御される請求項１１又は１２に記載の電気加熱装置の制御方法。
発熱量が連続的に調整可能な少なくとも１つの前記加熱素子（１７）は、パルス幅変調を介して制御される請求項１２又は１３に記載の電気加熱装置の制御方法。
所定の前記時間間隔（Ｔ_R）は、前記パルス幅変調の期間（Ｔ_PWM）の整数の倍数（ｋ）を示す請求項１４に記載の電気加熱装置の制御方法。