JP2007115680A - ヒータエレメントとして用いられたｐｔｃ電熱素子の作動のための回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】価格的に有利に実現可能で、高い安全性を持ち、且つ、加熱されるべき装置の予め定められた温度への迅速な到達を可能にする、ヒータエレメントとして用いられたＰＴＣ電熱素子の作動のための回路装置を提供する。
【解決手段】ＰＴＣ電熱素子の作動のための回路装置において、ＰＴＣ電熱素子（１０）がヒューズ（１１）と直列に接続されるヒータエレメントとして用いられる。ＰＴＣ電熱素子（１０）を、予め定められたパルス継続時間（ｔｉ１、ｔｉ２）及び／又は予め定められた周期時間（ｔｐ１、ｔｐ２）を有する時間制御された作動で、完全にオン又はオフするパルス幅変調器（１６）が備えられ、パルス継続時間及び／又は周期時間は、少なくとも、ＰＴＣ電熱素子（１０）を流れる電流（Ｉ）の有効値（Ｉｅｆｆ）のための尺度（１）が常にヒューズ（１１）の溶断積分（２）の下側にあるように決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータエレメントとして用いられたＰＴＣ電熱素子の作動のための回路装置に関する。

ＰＴＣ電熱素子は、極端に非線形の、正の温度係数を持つ温度依存抵抗を有する半導体エレメントであり、周囲温度、例えば２０℃の下での常温抵抗と、定常作動時の高温抵抗とが定められている。

ＰＴＣ電熱素子は、電流制限のため、温度制限のため、並びにヒータエレメントとして用いることができる。ＤＥＰ ３１ ３８ ５４７ Ａ１に、酸素センサのための温度調節装置が記載されているが、この装置において、センサのヒータエレメントがＰＴＣ電熱素子として作られているか、或いはセンサの抵抗性のヒータエレメントとＰＴＣ電熱素子とが直列に接続されている。ＰＴＣ電熱素子の採用によって、その他の制御用エレクトロニクス装置が必要ではなくなるという大きな利点が生まれる。何故なら、ＰＴＣ電熱素子は、その抵抗が正の温度係数を持つために自己調節特性を備えているからである。

時間制御によって作動している、ＰＴＣ電熱素子として作られていない、抵抗性のヒータエレメントの制御が一般に知られているが、その制御では、ヒータエレメントの温度を調節するために、ヒータエレメントが予め定められたパルス継続時間及び／又は予め定められた周期時間を用いて完全にオン又はオフされる。ＤＥ１９７ ４９ ５３５ Ａ１により、ＰＴＣ電熱素子として作られていない、抵抗性のヒータエレメントが、時間制御によって制御されている、センサの加熱のための回路装置が知られている。抵抗性のヒータエレメントの時間制御による制御は、温度調節の枠組みの中で二点温度調節器を用いて行われるので、パルス継続時間及び／又はパルスの頻度が二点調節器によって決定される。温度調節のために必要な抵抗性のヒータエレメントの実際温度の測定は、例えば、熱的に抵抗性のヒータエレメントと結合された別の温度センサを用いて行われる。代わりの手法として、抵抗性のヒータエレメントの実際温度は、間接的に、抵抗性のヒータエレメントの内部抵抗を通じて求めることができる。

電気回路の保護のために、特に、一方では構成要素を危険にし又他方では火災の危険を意味する過電流に対する保護のために、一方では予め定められた遮断電流に基づいて又他方では予め定められた時間／電流特性（この特性は、溶断時間をエラー電流の関数として表している）に基づいて区分されたヒューズを用いることができる。速動ヒューズ（ｆａｓｔｂｌｏｗ ｆｕｓｅ）とタイムラグヒューズとが区別され、幾つかの段階分けが行われている。ヒューズの反応に関して決定的なのは、溶断導線の溶断のために必要となるエネルギー量を示す溶断積分である。かくして溶断積分は、ヒューズの特性とパルス特性を示している。溶断積分は、遮断電流の遮断電流の１０倍の自乗とそれに係わる溶断時間とから求められる。

本発明は、価格的に有利に実現可能で、高い安全性を持ち、且つ、加熱されるべき装置の予め定められた温度への迅速な到達を可能にする、ヒータエレメントとして用いられたＰＴＣ電熱素子の作動のための回路装置を提供することを課題としている。

本発明に基づく、ヒータエレメントとして用いられたＰＴＣ電熱素子の作動のための回路装置は、ＰＴＣ電熱素子がヒューズと直列に接続されている。ＰＴＣ電熱素子を、時間制御された作動の際に、予め定められたパルス継続時間及び／又は予め定められた周期時間を用いて完全にオン又はオフする、パルス幅変調器が備えられている。パルス継続時間及び／又は周期時間は、少なくとも、ＰＴＣ電熱素子を流れる電流の有効値のための尺度が常にヒューズの溶断積分の下側にある様に決定される。

本発明に基づく回路装置は先ず、ＰＴＣ電熱素子の常温電流よりもずっと下にある、ＰＴＣ電熱素子を流れる電流に基づいて、回路装置の設計をすることを可能にする。これによって回路装置を価格的に有利に実現することができる。

本発明に基づく回路装置は、単に、いずれにせよＰＴＣ電熱素子が自己制限的なヒータエレメントとして備えられていることによって与えられるのではなく、ヒューズが更に備えられていることによって与えられる、高い安全性を備えている。特に、ヒューズの遮断電流を、ＰＴＣ電熱素子の高温電流のほんのわずか上の値に決定することができるということは有利である。

本発明に基づく回路装置の有利な拡張例と実施態様は付属の諸請求項から明らかとなる。
一実施態様は、パルス幅変調器によって準備される開閉信号のパルス継続時間及び／又は周期時間が、ＰＴＣ電熱素子を通って流れる電流に関する少なくとも一つの尺度に応じて変化されることを定めている。

一実施例では、予め定められた固定の上昇ランプ（傾斜面）が備えられており、このランプが、パルス幅変調器によって準備される開閉信号のパルス継続時間及び／又は周期時間を決定する。この実施例の一つの拡張例には指数関数的に上昇するランプが備えられている。この実施例の別の拡張例では、上昇ランプが最終値を有し、この最終値ではパルス幅変調器によって準備される開閉信号が、常にスイッチオン状態を持つ信号に対応している。この措置によって、開閉要素で生じる損失が最小化され、且つＰＴＣ電熱素子の与えられた作動電圧の下で利用できる加熱出力が最大化される。

一実施態様では、予め定められたパルス継続時間及び／又は予め定められた周期時間が回路装置の作動電圧に依存していることが定められている。この措置によって、電源によって準備される様々な作動電圧に対する適応が可能となる。

本発明に基づく回路装置は特に、１２Ｖの電源も２４Ｖの電源も使われることのあるような自動車で使用するのに適している。ＰＴＣ電熱素子によって加熱される要素としては、例えば自動車内に積み込まれる作動物質、例えばＳＣＲ触媒の中で反応剤として必要となるアンモニアの元となる尿素水溶液などがある。

本発明に基づく回路装置のその他の有利な拡張例や実施例は以下の説明から明らかとなる。

図１は、ヒューズ１１及び開閉要素１２と直列に接続されたＰＴＣ電熱素子１０を示している。直列回路１０、１１、１２はスイッチ１３を介して、動作電圧がＵの電源１４と結合することができる。開閉素子１２とスイッチ１３が閉じられているときには、ＰＴＣ電熱素子１０に電流Ｉが流れる。ＰＴＣ電熱素子１０は、加熱されるべき要素１５と熱的に結合されている。

開閉素子１２は、パルス幅変調器１６から開閉信号Ｓを受け取り、パルス幅変調器１６へ電流信号ＩＳを送り込む。パルス幅変調器１６には更に、電圧セレクタ１７によって準備された電圧信号１８とランプ発生器１９によって準備されたランプ信号Ｒとが送り込まれる。ランプ発生器１９と電圧セレクタ１７は、スイッチ１３と結合されている。

図２は、ＰＴＣ電熱素子１０を流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示している。電流Ｉはスイッチオン時間ｔ０に、常温電流ＩＫ、例えば３０Ａで始まる。この電流Ｉは、加熱時間Ｄの間に指数関数的に高温電流ＩＨ、例えば５Ａへと低下する。その間の時間間隔がｔｄとして記入されている。

図３は開閉信号Ｓと時間ｔとの関係を示している。この開閉信号Ｓは、パルス継続時間ｔｉ１、ｔｉ２と周期時間ｔｐ１、ｔｐ２を有している。パルス継続時間ｔｉ１、ｔｉ２の間、開閉信号Ｓは、スイッチオンレベル“１”を取り、又パルス継続時間ｔｉ１、ｔｉ２の外ではスイッチオフレベル“０”を取る。

図４はランプ信号Ｒと時間ｔとの関係を示している。このランプ信号Ｒは、スイッチオン時点ｔ０でスタート値ＳＷで始まり、有効加熱時間Ｄ′の後で最終値ＥＷで終わる。
本発明に基づく回路装置は次のように動作する。

ＰＴＣ電熱素子１０は、ＰＴＣ電熱素子１０がそれと熱的に結合されているエレメント１５の加熱のために備えられている。安全上の理由から、ＰＴＣ電熱素子１０はヒューズ１１と直列に接続されている。他の措置が無くても、スイッチ１３を閉じると、図２に示されている電流Ｉは時間ｔに依存して調節され、電流Ｉは常温電流ＩＫから高温電流ＩＨへ指数関数的に低下するであろう。スイッチオン時点ｔ０では、電流は、例えば３０Ａであるが、ＰＴＣ電熱素子１０の温度が最終温度へ上昇して行く加熱時間Ｄの間に、高温電流ＩＨ、例えば５Ａへ低下して行く。回路装置、特にヒューズ１１は、例えば３０Ａの常温電流ＩＫに合わせて設計されなければならないであろう。

単に加熱時間Ｄのためにだけ必要なこの過剰仕様の決定を避けるために、ＰＴＣ電熱素子１０の作動は、ＰＴＣ電熱素子１０が完全にオン或いはオフされる、時間制御された作動枠組みの中で行われる。それ故、開閉素子１２、例えば電界効果トランジスタに印加される図３に示されている開閉信号Ｓは、オンレベル“１”か或いはオフレベル“０”しか持っていない。オンレベル“１”は、予め定められた周期時間ｔｐ１、ｔｐ２をもって時間系列の中に周期的に現れるパルス継続時間ｔｉ１、ｔｉ２の間に現れる。

開閉信号Ｓの適当な設計によって、定常状態で加熱時間Dの後にＰＴＣ電熱素子１０を流れる電流Ｉの高温電流ＩＨのわずかだけ上方にある溶断電流を有するヒューズ１１を備えることが可能である。更に、電流Ｉによって貫流される全ての回路装置を、熱負荷の観点から常温電流ＩＫと比べて遥かに少ない高温電流ＩＨに合わせて設計することができる。

開閉信号Ｓの設計の際には、電流Ｉの有効値のための少なくとも一つの尺度がヒューズ１１の溶断積分よりも小さくなるように行なわれる。電流Ｉの有効値は、次式によって表すことができる。

ここで
Ｉ＝瞬間電流
ｔｄ＝流れ時間、ここでは、例えば時間間隔ｔｄ
とする。

ヒューズ１１の溶断積分は、次式によって与えられる。

ここで
Ｉ＝瞬間電流
ｔｄ＝流れ時間、ここでは、例えば時間間隔ｔｄ。

式（１）から理解されるように、例えば、電流Ｉの有効値の代わりに電流Ｉの有効値Ｉｅｆｆの二乗を用いることができる。式（１）で用いられている時間間隔ｔｄは、適当に選ばれなければならない。好ましくは、電流Ｉはその時々に考えられている時間間隔ｔｄの中では直線的に降下して行くと考えられるので、この間隔ｔｄの中で簡単な平均値を取ることが可能である。時間ｔと共に長さが長くなって行くのが好ましい間隔ｔｄは、最短で、例えば１０ミリ秒である。高温電流ＩＨに達するまで、ＰＴＣ電熱素子１０の熱容量、加熱されるべき要素１５、並びに周囲温度に応じて数秒掛かることがある。

開閉信号Ｓの平均スイッチオン時間長さは、電流Ｉの有効値Ｉｅｆｆのための尺度（１）が如何なる時点においても溶断積分（２）をオーバーしないように定められるものとする。この開閉信号Ｓは、例えば１０ミリ秒〜１００ミリ秒の周期時間を持っているのに対して、パルス継続時間ｔｉ１、ｔｉ２は、例えば１ミリ秒〜９０ミリ秒の領域内にあることができる。開閉信号Ｓの決定は、電流Ｉの有効値Ｉｅｆｆのための尺度（１）と溶断積分（２）との間にある既知の関係に基づいて理論的に計算することができる。開閉信号Ｓを具体的な回路構造を用いたテストの枠組みの中で実験的に決定するようなアプリケーションを準備することが好ましい。

開閉信号Ｓは、ＰＴＣ電熱素子１０の加熱とそれによって常に減少して行く電流Ｉとが考慮されるように決定されることが有利である。この考慮は、電流Ｉの測定によって行うことができる。図示されている実施例の場合には、電流の測定は、開閉素子１２に組み込まれている。電流センサを内蔵したそのような開閉素子１２は、市場で入手することができる。電流Ｉに依存してパルス継続時間ｔｉ１、ｔｉ２を連続的に延長し及び／又は周期時間ｔｐ１、ｔｐ２を連続的に短縮することができる。開閉信号Ｓの連続的適合も又アプリケーションに基づいて行われることが好ましい。

電流の測定無しで済ませる別の有利な実施態様もまた、パルス長さｔｉ１、ｔｉ２及び／又はパルス継続時間ｔｉ１、ｔｉ２の変化を考えている。開閉信号Ｓは、予め固定的に定められているランプ信号Ｒ、即ちスタート値ＳＷと最終値ＥＷとの間を上昇して行く信号によって影響を与えることができる。ランプ信号Ｒは、例えば直線的に上昇して行くことができる。好ましくは、図４に示されている指数関数的な上昇、即ち図２に示されているような時間ｔに対する電流Ｉの変化に関して見られるような上昇が想定される。図４には、時間制御された作動によって図２に記入されている加熱時間Ｄよりも長い有効加熱時間Ｄ′が記入されている。ランプ信号Ｒによって、互いに連続しているパルス継続時間ｔｉ１、ｔｉ２をそれぞれ延長し及び／又は互いに連続している周期時間ｔｐ１、ｔｐ２をそれぞれ短縮することができる。原理的に、ランプ信号Ｒの変化を計算することが可能である。ここでも又ランプ信号Ｒを具体的な回路構造に対するアプリケーションの枠組みの中で決定することが好ましい。

一つの有利な実施例では、有効加熱時間Ｄ′の後で、開閉素子１２が常に完全にスイッチオンされているように、開閉信号Ｓがスイッチオンレベル“１”しか持たないということが考えられている。この措置によって、一方では開閉素子１２に可能最少の損失出力しか生じないということ、又他方ではＰＴＣ電熱素子１０が与えられた作動電圧Ｕの下で可能最大の加熱出力を達成することができるということが達成される。

パルス幅変調器１６に対して電圧信号１８を送り込む電圧セレクタ１７の採用によって、開閉信号Ｓを電源１４の作動電圧Ｕに応じて決定することができる。これによって、本発明に基づく回路装置は、異なる作動電圧、例えば１２Ｖ或いは２４Ｖで作動させることができる。この電圧セレクタ１７は、電圧信号１８を、例えば直接作動電圧Ｕに基づいて自動的に決定する。場合によっては、プログラムフローの決定の枠組みの中に用意されるマニュアルによる選択を考えることもできる。

本発明に基づく回路装置を示している。 ＰＴＣ電熱素子１０を流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示している。 開閉信号Ｓと時間ｔとの関係を示している。 ランプ信号Ｒと時間ｔとの関係を示している。

符号の説明

１０…ＰＴＣ電熱素子
１１…ヒューズ
１２…開閉素子
１３…スイッチ
１４…電源
１５…加熱されるべき要素
１６…パルス幅変調器
１７…電圧セレクタ
１８…電圧信号
１９…ランプ発生器
ＩＳ…電流信号
Ｒ…ランプ信号
Ｓ…開閉信号
Ｕ…電源電圧

Claims (6)

1. ＰＴＣ電熱素子（１０）がヒューズ（１１）と直列に接続されていること、
   このＰＴＣ電熱素子（１０）を、予め定められたパルス継続時間（ｔｉ１、ｔｉ２）及び予め定められた周期時間（ｔｐ１、ｔｐ２）の少なくともいずれかを有する時間制御された作動で、完全にオン又はオフするパルス幅変調器（１６）が備えられていること、及び
   予め定められたパルス継続時間（ｔｉ１、ｔｉ２）及び予め定められた周期時間（ｔｐ１、ｔｐ２）の少なくともいずれかが、少なくとも、ＰＴＣ電熱素子（１０）を流れる電流（Ｉ）の有効値（Ｉｅｆｆ）のための尺度（１）が常にヒューズ（１１）の溶断積分（２）の下側にあるように決定されていること、
   からなる、ヒータエレメントとして用いられたＰＴＣ電熱素子の作動のための回路装置。
2. パルス継続時間（ｔｉ１、ｔｉ２）及び周期時間（ｔｐ１、ｔｐ２）の少なくともいずれかが、ＰＴＣ電熱素子（１０）を流れる電流（Ｉ）に依存し決定される請求項１に記載の回路装置。
3. 上昇ランプを有するランプ信号（Ｒ）が与えられ、このランプ信号がパルス継続時間（ｔｉ１、ｔｉ２）及び周期時間（ｔｐ１、ｔｐ２）の少なくともいずれかを決定する請求項１に記載の回路装置。
4. ランプ信号（Ｒ）が、スタート値（ＳＷ）から始めて最終値（ＥＷ）に到達するまで指数関数的上昇を示す請求項３に記載の回路装置。
5. スイッチング信号（Ｓ）が、ＰＴＣ電熱素子（１０）の有効加熱時間（Ｄ′）の後、常にスイッチオンレベル（“１”）を示す請求項１に記載の回路装置。
6. パルス継続時間（ｔｉ１、ｔｉ２）及び周期時間（ｔｐ１、ｔｐ２）の少なくともいずれかが、ＰＴＣ電熱素子（１０）の作動電圧（Ｕ）に依存している請求項１に記載の回路装置。

Images