JP2007186089A - 車両用機器の暖機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車載機器の冷却システムにおいて、車両重量の増加を抑えつつ、熱媒体を良好に加熱する。
【解決手段】車載機器の冷却システムにおいて、電子制御装置３０は、熱媒体を加熱するために必要な熱量Ｑａが大きいほど、ウォータポンプ２１の回転数を高くして圧力損失、ひいては熱媒体に付与される熱量を増やしている。したがって、車両重量の増加を抑えつつ、熱媒体を良好に加熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車搭機器と熱交換する熱媒体を加熱する暖機装置に関する。

従来のハイブリット車においては、外気温が極めて低いときでも、走行用エンジンの始動開始後に短期間で高出力を得るために、エンジン冷却水（すなわち、熱媒体）を加熱する暖機装置として電気ヒータが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１７９３７５号公報

しかし、上述の電気ヒータは、重量が大きいので、車両重量の増加を招き、ひいては、燃費を悪化させる問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、車両重量の増加を抑えつつ、熱媒体を良好に加熱することができるようにした車両用機器の暖機装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、車載機器（１０）と熱交換する熱媒体を循環させる循環回路（２０）中に配置され、熱媒体の流れを発生させる電動ポンプ（２１）と、熱媒体を加熱することが必要であると判定したとき、熱媒体を加熱するために熱媒体に与えることが必要な熱量（Ｑａ）が大きいほど熱媒体の流れを速くするように電動ポンプを制御して循環回路内の圧力損失を増やすようにする制御装置（３０）と、を備えることを特徴とする。

したがって、熱媒体に与えることが必要な熱量が大きいほど熱媒体の流れを速くするので、熱媒体に与えることが必要な熱量が大きいほど循環回路内の圧力損失を増える。ここで、圧力損失は熱エネルギーに変化して熱媒体を加熱する役割を果たすため、熱媒体に与えることが必要な熱量が大きいほど熱媒体に与えられる熱エネルギーが増え、熱媒体を良好に加熱することができる。

また、熱媒体を加熱するために電動ポンプを用いるため、車両重量の増加を抑えることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る車載機器の暖機装置を適用した車載機器の冷却システムの構成図である。

図１に示すように、冷却システムは、ハイブリット自動車の走行用エンジン１０に熱媒体を循環させるための主循環回路２０を備えている。なお、熱媒体としては、一般的な不凍液冷却水を用いることができる。

主循環回路２０中には、ラジエータ２１に熱媒体を供給する循環回路２０ａが設けられている。ラジエータ２１は、空気と熱交換して熱媒体を冷却する熱交換器である。

主循環回路２０中には、循環回路２０ａをバイパスして熱媒体を流すバイパス回路２０ｂが設けられている。循環回路２０ａとバイパス回路２０ｂとの合流部には、切換弁２２が設けられている。切換弁２２は、周知のサーモスタット弁であって、熱媒体の温度に基づいて、自動的に、回路２０ａ、２０ｂのうち一方の回路の出口を開放し、他方の回路の出口を閉鎖する弁である。

主循環回路２０中には、ヒータコア２５が配置されており、ヒータコア２５は、熱媒体により空気を加熱する暖房用熱交換器である。主循環回路２０中には、熱媒体の流れを発生させる電動式のウォータポンプ２１が配置されている。主循環回路２０中には、ウォータポンプ２１の作動により、熱媒体が図中の矢印Ａの向きに流れるようになっている。

冷却システムは、電子制御装置３０を備えており、電子制御装置３０には、水温センサ３１、外気温センサ３２、およびエンジン制御用電子制御装置からの各信号が入力されるようになっている。電子制御装置３０は、センサ３１、３２、およびエンジン制御用電子制御装置からの各信号に基づいてウォータポンプ２１を制御する。

水温センサ３１は、走行用エンジン１０に流入する熱媒体の温度を検出し、外気温センサ３２は、車室外の空気温度を検出する。エンジン制御用電子制御装置から電子制御装置３０に与えられる信号は、走行用エンジン１０に対して供給される燃料の供給量を示す信号である。

次に、本実施形態の作動について図２を参照して説明する。以下、極めて低い外気温の環境下で当該ハイブリット自動車が停車していると仮定して、電子制御装置３０の制御処理について説明する。

運転者がイグニッションスイッチＩＧをオンすると、走行用エンジン１０が始動して、アイドリング状態になる。また、イグニッションスイッチＩＧのオンに伴い、電子制御装置３０が、図２に示すフローチャートにしたがって、コンピュータプログラムの実行を開始する。

まず、ステップ１００において、水温センサ３１の検出温度が目標温度Ｔ１（第１の温度）以上である否かを判定する。このとき、熱媒体の温度は極めて低いため、水温センサ３１の検出温度が目標温度Ｔ１未満であるとして、ＮＯと判定する。ここで、熱媒体の温度が目標温度Ｔ１未満であるとき、切替弁２２が循環回路２０ａの出口を閉鎖し、バイパス回路２０ｂの出口を開放する。

次に、ステップ１１０において、外気温センサ３２の検出温度が温度Ｔ２（第２の温度）以上であるか否かを判定する。このとき、外気が極めて低いため、外気温センサ３２の検出温度が温度Ｔ２未満であるとしてＮＯと判定する。

次に、ステップ１２０において、走行用エンジン１０の発熱量が一定レベルＴ３以上であるか否かを判定する。

ここで、図３に示すように、一定期間の燃料供給量の平均値（すなわち、平均燃料供給量）が大きくなるほど、走行用エンジン１０の発熱量は大きくなり、一定期間の燃料供給量の平均値と１対１で特定される関係にある。そこで、本実施形態では、エンジン制御用電子制御装置から与えられる信号に基づいて一定期間毎に燃料供給量の平均値を算出し、この平均値に基づいて走行用エンジン１０の発熱量を求める。

ここで、走行用エンジン１０がアイドリングの状態であると、平均燃料供給量が少なく、走行用エンジン１０の発熱量が一定レベルＴ３未満であるとしてステップ１２０においてＮＯと判定する。

以上のようにステップ１００、１１０、１２０のそれぞれでＮＯと判定することによって、熱媒体を加熱することが必要であると判定することになる。

次に、ステップ１３０において、熱媒体を加熱するために熱媒体に与えることが必要である熱量Ｑａを算出する。熱量Ｑａは、「ヒータコア２５による車室内の暖房に必要な熱量」、および「走行用エンジン１０の暖機に必要な熱量」を含むもので、本実施形態では、熱媒体の目標温度をＴ１、水温センサ３１の検出温度をＴｋ、係数をθとして、熱量Ｑａを、［Ｑａ＝（Ｔ１−Ｔｋ）×θ］で示される数式で算出する。

次に、ステップ１３０において、ウォータポンプ２１の運転を開始する。これに伴って、熱媒体は、走行用エンジン１０→主循環回路２０→バイパス回路２０ｂ→切替弁２２→ウォータポンプ２１→走行用エンジン１０の経路で循環する。これに加えて、熱媒体は、走行用エンジン１０→ヒータコア２５→走行用エンジン１０の経路で循環する。

ここで、ウォータポンプ２１の回転数（すなわち、熱冷媒の流速）は、熱量Ｑａを基づいて制御される。具体的には、図４の特性図に示すように、熱量Ｑａが大きいほどウォータポンプ２１の回転数を大きくなる関係にある。このため、熱量Ｑａが大きいほど熱媒体の流速が速くなるため、圧力損失が大きくなる。ここで、圧力損失は、熱エネルギーに変化して熱媒体に与えられる。したがって、熱量Ｑａが大きいほど、熱媒体には多くの熱エネルギーが与えられることになる。

その後、熱冷媒の温度が目標温度Ｔ１未満で、外気温が温度Ｔ２未満で、かつ、走行用エンジン１０の発熱量が一定レベルＴ３未満である状態が継続すると、熱冷媒温度判定（ステップ１００：ＮＯ）、外気温判定（ステップ１１０：ＮＯ）、発熱量判定（ステップ１２０：ＮＯ）、熱量算出（ステップ１３０）およびポンプ制御（ステップ１４０）を実行することを繰り返す。

このため、熱媒体は、走行用エンジン１０→主循環回路２０→バイパス回路２０ｂ→切替弁２２→ウォータポンプ２１→走行用エンジン１０の経路で循環するとともに、走行用エンジン１０→ヒータコア２５→走行用エンジン１０の経路で循環する。このとき、熱媒体には、圧力損失による熱エネルギーが与えられるとともに、走行用エンジン１０から排出される熱エネルギーも与えられ、熱媒体の温度が上昇する。

ここで、熱媒体の温度が目標温度Ｔ１以上となると、切替弁２２が循環回路２０ａの出口を開放し、バイパス回路２０ｂの出口を閉鎖する。このため、熱媒体は、走行用エンジン１０からバイパス回路２０ｂに流れるのではなく、走行用エンジン１０→ラジエータ２１→切替弁２２→ウォータポンプ２１→走行用エンジン１０の経路で循環するとともに、走行用エンジン１０→ヒータコア２５→走行用エンジン１０の経路で循環する。

また、熱媒体の温度が目標温度Ｔ１以上になると、ステップ１００でＹＥＳと判定する。これに伴って、ステップ１５０に進んで、ウォータポンプ２１の通常回転数制御を行う。このとき、走行用エンジン１０の発熱量が大きいほど、ウォータポンプ２１の回転数を高くする。このため、走行用エンジン１０の発熱量が大きいほど、ラジエータ２１およびヒータコア２５に供給される熱媒体の流量が増加することになる。これに伴い、ラジエータ２１およびヒータコア２５から放出される熱エネルギーが増えることになる。なお、発熱量は、上述の如く、走行用エンジン１０に対する一定期間の燃料供給量の平均値によって決まる。

その後、当該ハイブリット自動車が走行を開始し、熱媒体の温度が目標温度Ｔ１以上を維持すると、熱冷媒温度判定（ステップ１００：ＹＥＳ）およびポンプの通常回転数制御（ステップ１５０）を繰り返す。これに伴って、熱媒体は、走行用エンジン１０→ラジエータ２１→走行用エンジン１０の経路で循環するとともに、走行用エンジン１０→ヒータコア２５→走行用エンジン１０の経路で循環する。

また、当該ハイブリット自動車の走行用エンジン１０が停止して、走行用電動モータにより駆動輪を駆動するようになると、走行用エンジン１０から熱媒体に対する廃熱が停止されるので、熱媒体の温度が低下する。これに伴って、熱冷媒の温度が目標温度Ｔ１未満になると、切替弁２２が循環回路２０ａの出口を閉鎖し、バイパス回路２０ｂの出口を開放する。

また、熱冷媒の温度が目標温度Ｔ１未満になると、ステップ１００でＮＯと判定する。このとき、外気温が温度Ｔ２未満であるとステップ１１０においてＮＯと判定して、ステップ１２０に進む。

ここで、上述のように走行用エンジン１０が停止していると、走行用エンジン１０の発熱量が一定レベルＴ３未満であるとして、ステップ１２０でＮＯと判定する。これに伴い、熱量算出（ステップ１３０）およびポンプ制御（ステップ１４０）を実行するので、熱媒体には、圧力損失による熱エネルギーが与えられ、熱媒体の温度が上昇する。

その後、熱冷媒の温度が目標温度Ｔ１未満である状態が継続すると、熱冷媒の温度が目標温度Ｔ１以上になるまで、熱冷媒温度判定（ステップ１００：ＮＯ）、外気温判定（ステップ１１０：ＮＯ）、発熱量判定（ステップ１２０：ＮＯ）、熱量算出（ステップ１３０）、およびポンプ制御（ステップ１４０）の実行を繰り返す。

また、熱冷媒の温度が目標温度Ｔ１未満であってステップ１００でＮＯと判定しても、外気温が温度Ｔ２以上であるときには、ステップ１１０でＹＥＳとなり、ステップ１５０でウォータポンプ２１の通常回転数制御を行う。

この場合、切替弁２２が循環回路２０ａの出口を閉鎖し、バイパス回路２０ｂの出口を開放する。このため、熱媒体は、走行用エンジン１０→主循環回路２０→バイパス回路２０ｂ→切替弁２２→ウォータポンプ２１→走行用エンジン１０の経路で循環するとともに、走行用エンジン１０→ヒータコア２５→走行用エンジン１０の経路で循環する。

このとき、熱冷媒の温度が一時的に目標温度Ｔ１未満になっても、ウォータポンプ２１の通常回転数制御を行う理由は、外気温が高いため、ウォータポンプ２１により熱媒体を加熱しなくても、走行用エンジン１０からの廃熱等により熱冷媒の温度が短期間で目標温度Ｔ１以上なることを想定しているからである。

以上説明した本実施形態によれば、電子制御装置３０は、熱媒体を加熱するために必要な熱量Ｑａが大きいほど、ウォータポンプ２１の回転数を高くして圧力損失、ひいては熱媒体に付与される熱エネルギーを増やしている。したがって、熱媒体を良好に加熱することができる。また、熱冷媒を加熱するためにウォータポンプ２１を用いているため、車両重量の増加を抑えることができる。

また、本実施形態では、外気温が温度Ｔ２以上であるときには、上述のごとく、ウォータポンプ２１により熱媒体を加熱しなくても、走行用エンジン１０からの廃熱等により熱冷媒の温度が短期間で目標温度Ｔ１以上なることを想定して、ウォータポンプ２１による熱媒体の加熱を行っていない。したがって、省電力化を図ることができる。

上述の各実施形態では、車載機器として走行用エンジン１０を用いた例について説明したが、これに限らず、電気自動車の電源となる燃料電池を用いてもよい。この場合、図２のステップ１２０では、走行用エンジン１０の発熱量に代えて、燃料電池の発熱量を用いる。

上述の各実施形態では、ステップ１００、１１０、１２０のそれぞれでＮＯと判定することによって、熱媒体を加熱することが必要であると判定した例について説明したが、これに代えて、（１）ステップ１００、１１０のそれぞれでＮＯと判定することによって、熱媒体を加熱することが必要であると判定してもよく、あるいは（２）ステップ１００でＮＯと判定することによって、熱媒体を加熱することが必要であると判定してもよい。

（第２実施形態）
本第２実施形態では、ウォータポンプ２１に対して電気ヒータを補助的に用いて熱媒体の加熱に際する例について説明する。

本実施形態の冷却システムの構成を図５に示す。図５において、図１と同一符号のものは、同一のものを示す。当該冷却システムは、図１の構成に電気ヒータ２３が追加されたものであり、電気ヒータ２３は、バイパス回路２０ｂ中に配置されて熱媒体を加熱する。

電気ヒータ２３は、例えばニクロム線やセラミックからなるもので、入力電圧により熱媒体に与える熱量を変えることが可能なものである。

次に、本実施形態の作動について説明する。図６に本実施形態の電子制御装置による制御処理を示す。図６中で、図３と同一ステップは同一処理を示す。

この制御処理では、熱媒体を加熱するために熱媒体に与えることが必要な熱量Ｑａをステップ１３０で算出したとき、熱量Ｑａがウォータポンプ２１による最大発生熱量Ｑｍａｘよりも大きいか否かにより、電気ヒータ２３をオンするか否かを判定する（ステップ１３５）。最大発生熱量Ｑｍａｘは、ウォータポンプ２１を最大回転数で回転させて熱媒体に与えることが可能である最大の熱エネルギーである。

ステップ１３５において、熱量Ｑａ＞最大発生熱量Ｑｍａｘのときには、ＹＥＳと判定し、電気ヒータ２３をオンする（ステップ１４３）。このとき、熱量Ｑａと最大発生熱量Ｑｍａｘとの差ΔＱ（Ｑａ−Ｑｍａｘ）に相当する相当する熱量を電気ヒータ２３により発生させて、熱媒体を加熱する。その後、ウォータポンプ２１を最大回転数で駆動する。

これに伴い、熱冷媒の圧力損失によって最大発生熱量Ｑｍａｘが発生して最大発生熱量Ｑｍａｘが熱媒体に加えられる。

また、ステップ１３５において、熱量Ｑａ<最大発生熱量Ｑｍａｘのときには、ＮＯと判定して、ステップ１４０において、上述の第１実施形態と同様、熱量Ｑａに対応する回転数でウォータポンプ２１回転させる。これに伴い、熱冷媒の圧力損失によって熱量Ｑａが発生して熱量Ｑａが熱媒体に加えられる。

上述の第２実施形態では、ウォータポンプ２１に対して補助的に用いるヒータとして、電気ヒータ２３を用いた例について説明したが、これに限らず、燃焼式ヒータ、ヒート電動ポンプ等を用いることができる。

上述の第２実施形態では、熱量Ｑａ＞ウォータポンプ２１の最大発生熱量Ｑｍａｘのとき、ウォータポンプ２１により最大発生熱量Ｑｍａｘを発生させて、電気ヒータ２３により熱量ΔＱ（＝Ｑａ−Ｑｍａｘ）を発せさせるようにした例について説明したが、これに代えて、次のようにしてもよい。

すなわち、電気ヒータ２３により発生させることが可能である最大発熱量を最大発生熱量ＱＨｍａｘとし、熱量Ｑａ＞最大発生熱量ＱＨｍａｘのとき、電気ヒータ２３により最大発生熱量ＱＨｍａｘを発生させるとともに、ウォータポンプ２１により熱量ΔＱ（＝Ｑａ−ＱＨｍａｘ）を発させる。また、熱量Ｑａ≦最大発生熱量ＱＨｍａｘのとき、電気ヒータ２３により熱量Ｑａを発させる。

この場合、熱媒体を加熱するために必要な熱量Ｑａのすべてを電気ヒータ２３により発生させる場合に比べて、電気ヒータ２３の熱発生能力を小さくすることが可能になるので、電気ヒータ２３自体の大きさ、ひいては重量をも軽くすることが可能になる。したがって、重量の増加を抑えつつ、熱媒体を良好に加熱することができる。

（第３実施形態）
上述の第１実施形態では、熱媒体を加熱するために、ウォータポンプ２１を制御する例について説明したが、これに加えて、ウォータポンプ２１の電動モータから発生する熱を用いる例について説明する。図７に本第３実施形態のウォータポンプ２１の構成を示す。

ウォータポンプ２１は、熱媒体の流れを回転により発生させる羽根車２１ａと、羽根車２１ａを回転させる電動モータ２１ｂとから構成されている。図中Ｙは羽根車２１ａによる熱媒体の流れを示す。

電動モータ２１ｂは、固定子２１０と、この固定子２１０のシャフト２１０ａに対して軸受け２００ａによって回転可能に支持されている回転子２００とから構成されている。

ここで、固定子２１０には、通電により回転子２００の磁石２０１に磁界を与えるコイル２１１が配置されており、回転子２００および固定子２１０の間には熱媒体が介在している。このため、コイル２１１は、通電に伴って発生する熱を熱媒体に与えるようになっている。このため、コイル２１１から発生する熱により熱媒体を加熱することができる。

上述の各実施形態では、切替弁２１として周知のサーモスタット弁を用いる例について説明したが、これに変えて、ステッピングの駆動により弁の切り替えを行う電動弁を用いるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る車載機器の暖機装置を適用した冷却システムの構成図である。 図１の電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。 図１の電子制御装置の制御処理で用いるエンジン発熱量の特性図である。 図１の電子制御装置の制御処理で用いる熱量の特性図である。 本発明の第２実施形態に係る車載機器の暖機装置を適用した冷却システムの構成図である。 図２の電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るウォータポンプの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０…走行用エンジン、２０…主循環回路、２０ａ…循環回路、
２１…ウォータポンプ、２２…切換弁、２５…ヒータコア、
３０…電子制御装置、３１…水温センサは、３２…外気温センサ。

Claims (5)

1. 車載機器（１０）と熱交換する熱媒体を循環させる循環回路（２０）中に配置され、前記熱媒体の流れを発生させる電動ポンプ（２１）と、
   前記熱媒体を加熱することが必要であると判定したとき、前記熱媒体を加熱するために前記熱媒体に与えることが必要な熱量（Ｑａ）が大きいほど前記熱媒体の流れを速くするように前記電動ポンプを制御して前記循環回路内の圧力損失を増やすようにする制御装置（３０）と、
   を備えることを特徴とする車両用機器の暖機装置。
2. 前記熱媒体の温度を検出する第１の温度検出手段（３１）を備え、
   前記制御装置は、前記第１の温度検出手段により検出された温度が第１の温度よりも低いとき、前記熱媒体を加熱することが必要であると判定することを特徴とする請求項１に記載の車両用機器の暖機装置。
3. 車室外の温度を検出する第２の温検出手段（３２）を備え、
   前記制御装置は、前記第２の温検出手段による検出温度が第２の温度よりも低く、かつ前記第１の温度検出手段の検出温度が前記第１の温度よりも低いときに、前記熱媒体を加熱することが必要であると判定し、
   前記第２の温検出手段による検出温度が第２の温度よりも高く、かつ前記第１の温度検出手段の検出温度が前記第１の温度よりも低いときに、前記熱媒体を加熱することが必要でないと判定することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用機器の暖機装置。
4. 前記電動ポンプは、前記熱媒体の流れを回転により発生させる羽根車と、前記羽根車を回転させる電動モータを備え、
   前記電動モータは、その運転に伴って発生する熱を前記熱媒体に放出するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１つに記載の車両用機器の暖機装置。
5. 車載機器（１０）と熱交換する熱媒体を循環させる循環回路（２０）中に配置され、前記熱媒体の流れを発生させる電動ポンプ（２１）と、
   前記熱媒体の温度が所定温度未満であるとき、前記熱媒体の流れを速くするように前記ポンプを制御する制御装置（３０）を備えることを特徴とする車両用機器の暖機装置。

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