JP2013122990A - 温調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、余剰電力を消費しつつ、意図しない温度変化の発生を回避できる温調装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明による温調装置は、ジェネレータが発電中であり、かつバッテリの充電率が所定値を超えていると判定された場合、温調制御手段の動作モードとして余剰電力消費モードが選択される。余剰電力消費モードには、ペルチェ素子の加温及び冷却による温度変化が互いに打ち消されるようにペルチェ素子に加温及び冷却を交互に行わせる電力消費期間５０１が含まれている。
【選択図】図３

Description

本発明は、被温調体の温度調節を行う温調装置に関するものである。

従来用いられていたこの種の温調装置としては、例えば下記の特許文献１等に示されている装置を挙げることができる。すなわち、従来装置では、バッテリにファンが接続されており、ファンが回転駆動されることにより生じる冷却風によって被温調体の温度調節が行われる。バッテリの充電率が所定値を超えている場合、ファンが高速回転されることによりバッテリの電力が消費されて、バッテリの過充電が防止される。

特開２００６−２８８１５０号公報

上記のような従来の温調装置では、バッテリの充電率が所定値を超えている場合に、ファンが高速回転されることによりバッテリの電力が消費されるように構成されているので、バッテリの過充電を防止しようとする際に大量の冷却風が発生し、例えばバッテリ等の他の機器が不必要に冷却されてしまうことがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、余剰電力を消費しつつ、意図しない温度変化の発生を回避できる温調装置を提供することである。

本発明に係る温調装置は、電力を消費して被温調体の加温及び冷却を行う温調器と、温調器への電力供給を制御することにより、温調器の動作を制御する温調制御手段とを備え、温調制御手段の動作モードには、温調器の加温及び冷却による温度変化が互いに打ち消されるように温調器に加温及び冷却を交互に行わせる電力消費期間を含む余剰電力消費モードが含まれている。

本発明の温調装置によれば、温調器の加温及び冷却による温度変化が互いに打ち消されるように温調器に加温及び冷却を交互に行わせる電力消費期間を含む余剰電力消費モードが温調制御手段の動作モードに含まれているので、余剰電力を消費しつつ、意図しない温度変化の発生を回避できる。

本発明の実施の形態１による温調装置を示すブロック図である。 図１の動作指令生成部の構成を示すブロック図である。 図２の余剰電力消費モード管理部によって行われる余剰電力消費モード時の加温／冷却制御を示す説明図である。 図２の余剰電力消費モード管理部によって行われる媒体制御器の動作制御を示す説明図である。 図２の動作指令生成部の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による温調装置を示すブロック図である。図において、車両１には、ペルチェ素子２（温調器）、熱交換媒体３、被温調体４、温調制御手段５、ジェネレータ６、バッテリ７、及び媒体制御器８が搭載されている。

ペルチェ素子２は、熱交換媒体３を介して被温調体４に熱的に接続されている。ペルチェ素子２は、周知のように、電流が流されることで熱を移動させる素子であり、流される電流の向きに応じて被温調体４の加温及び冷却を行う。なお、図示はしないが、ペルチェ素子２には、熱交換媒体３との接触面積を広くするために、例えばフィン又はヒートパイプ等のペルチェ熱交換部材が取付けられている。熱交換媒体３としては、例えば水、不凍液、又は空気等が用いられる。被温調体４は、温度調節が必要な１つ又は複数の機器（車載機器）である。図１では、被温調体４はバッテリ７と別に示されているが、バッテリ７が被温調体４であってもよい。

ペルチェ素子２には、温調制御手段５を介してジェネレータ６及びバッテリ７が接続されている。ジェネレータ６は、車両１の回生ブレーキに用いられるものであり、回生ブレーキ時に発電する。バッテリ７は、ジェネレータ６で発電された電力を蓄えるものである。ペルチェ素子２には、これらジェネレータ６及びバッテリ７の少なくとも一方からの電力が供給される。具体的には、ジェネレータ６が発電している場合、ジェネレータ６での発電量に応じて、ジェネレータ６のみから、又はジェネレータ６及びバッテリ７からペルチェ素子２に電力が供給される。一方で、ジェネレータ６が発電していない場合、バッテリ７のみからペルチェ素子２に電力が供給される。

温調制御手段５は、例えばマイクロコンピュータ及びスイッチング素子等により構成されたものであり、ペルチェ素子２及び媒体制御器８の動作を制御するものである。この温調制御手段５には、温度検出部５０、発電状態検出部５１、充電率検出部５２、動作指令生成部５３、及び電流出力部５４が含まれている。

温度検出部５０は、図示しない温度センサからの信号に基づいて、被温調体４の温度を検出する。
発電状態検出部５１は、例えばジェネレータ６の出力電圧等に基づいて、ジェネレータ６の発電状態、すなわちジェネレータ６が発電をしているか否か、及びジェネレータ６の発電量を検出する。
充電率検出部５２は、例えばバッテリ７の両端電圧等に基づいて、バッテリ７の充電率を検出する。
動作指令生成部５３は、上述の温度検出部５０、発電状態検出部５１、及び充電率検出部５２の検出結果に基づいて、ペルチェ素子２及び媒体制御器８の動作を制御するための動作指令を生成する。
電流出力部５４は、動作指令生成部５３からの動作指令に基づいてペルチェ素子２に電流を流すか否か、及びペルチェ素子２に流す電流の向きを制御する。この電流出力部５４による電流制御に基づいて、ペルチェ素子２による被温調体４の加温及び冷却が行われる。

媒体制御器８は、例えばファン又はポンプ等により構成されるものであり、動作指令生成部５３からの動作指令に応じてペルチェ素子２と被温調体４との間の熱交換媒体３の移動を制御することにより、ペルチェ素子２と被温調体４との間の熱的な結合度を制御する。図示はしないが、媒体制御器８は、ジェネレータ６及びバッテリ７に接続されており、熱交換媒体３の移動を制御する際にジェネレータ６及びバッテリ７の少なくとも一方の電力を消費するように構成されている。

次に、図２は、図１の動作指令生成部５３の構成を示すブロック図である。図において、動作指令生成部５３には、動作モード決定部５３０、通常温調モード管理部５３１、及び余剰電力消費モード管理部５３２が含まれている。

動作モード決定部５３０は、温度検出部５０、発電状態検出部５１、及び充電率検出部５２の検出結果に基づいて、温調制御手段５の動作モードを選択する。動作モード決定部５３０が選択する温調制御手段５の動作モードには、被温調体４の温度を所定の目標温度とするためにペルチェ素子２に加温及び冷却のいずれか一方を行わせる通常温調モードと、余剰電力を消費するための余剰電力消費モードとが含まれている。

上述したように、ジェネレータ６（図１参照）は、車両１の回生ブレーキ時に発電を行うものであり、その発電は、バッテリ７に蓄えられている電力量に拘わらず行われる。すなわち、バッテリ７の充電率が所定値を超えている場合、ジェネレータ６で発電された電力は余剰電力となる。

動作モード決定部５３０は、余剰電力が発生しているとき、すなわちジェネレータ６が発電を行い、かつバッテリ７の充電率が所定値を超えているときに余剰電力消費モードを選択し、それ以外のとき（ジェネレータ６が発電を行っていないか、又はバッテリ７の充電率が所定値以下であるとき）に通常温調モードを選択する。なお、動作モード決定部５３０は、図示しない上位制御手段からの選択指令に基づいて温調制御手段５の動作モードを選択することもできる。

通常温調モード管理部５３１は、温調制御手段５の動作モードとして通常温調モードが選択された場合に、ペルチェ素子２及び媒体制御器８の動作を制御するための動作指令を生成する。この通常温調モード時の動作指令は、周知のように、被温調体４の目標温度、温度検出部５０によって検出された被温調体４の検出温度、ペルチェ素子２の効率、並びに被温調体４及び熱交換媒体３の熱容量などに基づいて生成される。

余剰電力消費モード管理部５３２は、温調制御手段５の動作モードとして余剰電力消費モードが選択された場合に、ペルチェ素子２及び媒体制御器８の動作を制御するための動作指令を生成する。

次に、図３は、図２の余剰電力消費モード管理部５３２によって行われる余剰電力消費モード時の加温／冷却制御を示す説明図である。図３の（ａ）は、余剰電力消費モード時の加温状態と冷却状態との切替え例を示している。図３の（ａ）に示すように、余剰電力消費モードには、温調期間５００（＝Ｔｔ）と、電力消費期間５０１（＝Ｔｈ＋Ｔｃ）とが含まれている。

温調期間５００は、通常温調モードと同様に、被温調体４の温度を所定の目標温度とするためにペルチェ素子２に加温及び冷却のいずれか一方を行わせる期間である。図３の（ａ）では、温調期間５００において加温が行われるように示しているが、被温調体４の温度によっては冷却が行われる場合もある。

電力消費期間５０１は、ペルチェ素子２の加温及び冷却による温度変化（加温／冷却効果）が互いに打ち消されるようにペルチェ素子２に加温（Ｔｈ）及び冷却（Ｔｃ）を交互に行わせる期間である。このような電力消費期間５０１の加温／冷却制御が行われることで、余剰電力を消費しつつ、意図しない温度変化の発生を回避できる。

なお、図３の（ａ）では、温調期間５００及び電力消費期間５０１が１回ずつ含まれる加温／冷却制御の１サイクルのみを示しているが、実際には、図３の（ａ）で示す加温／冷却制御が繰り返し行われる。図３の（ａ）に示す加温状態と冷却状態との切替えは、図３の（ｂ）に示すＰＷＭ制御、又は図３の（ｃ）に示す電圧制御により実現できる。図では示さないが、電圧ではなく、電流又は電力によって制御する方法も採り得る。温調期間５００の時間Ｔｔ、電力消費期間５０１中の加温期間Ｔｈ、及び電力消費期間５０１中の冷却期間Ｔｃ、並びにＰＷＭ制御のデューティー比及び電圧制御の電圧値は、被温調体４の温度や消費すべき電力量等に基づいて適宜決定される。

次に、図４は、図２の余剰電力消費モード管理部５３２によって行われる媒体制御器８の動作制御を示す説明図である。図４の（ａ）のように余剰電力消費モードで動作する場合、余剰電力消費モード管理部５３２は、媒体制御器８への動作指令を図４の（ｂ）又は（ｃ）に示すように生成する。図４の（ｂ）では、電力消費期間５０１中、媒体制御器８への入力電圧が０とされて、媒体制御器８の動作が停止されている。一方で、図４の（ｃ）では、電力消費期間５０１中でも、媒体制御器８に所定の電圧値が入力されて、媒体制御器８が動作されている。

余剰電力消費モードで動作する場合、余剰電力消費モード管理部５３２は、温調期間５００中にペルチェ素子２が消費する電力量（Ｗ１ａ）、温調期間５００中に媒体制御器８が消費する電力量（Ｗ１ｂ）、及び電力消費期間５０１中にペルチェ素子２が消費できる最大電力量（Ｗ１ｃ）の合計値である消費電力量（Ｗ１）（＝Ｗ１ａ＋Ｗ１ｂ＋Ｗ１ｃ）と、ジェネレータ６での発電量（Ｗ２）とを比較する。

このとき、消費電力量（Ｗ１）が発電量（Ｗ２）以上の場合、余剰電力消費モード管理部５３２は、図４の（ｂ）に示すように、電力消費期間５０１中、媒体制御器８への入力電圧を０とすることにより、媒体制御器８の動作を停止させる。このように電力消費期間５０１中に媒体制御器８の動作を停止させることで、余剰電力を消費している際にペルチェ素子２と被温調体４との間の熱的な結合度を小さくでき、余剰電力を消費している際の温度変化が被温調体４に影響を与えることを小さくできる。

一方で、消費電力量（Ｗ１）が発電量（Ｗ２）よりも小さい場合、余剰電力消費モード管理部５３２は、図４の（ｃ）に示すように、電力消費期間５０１中、媒体制御器８を動作させることにより、発電量（Ｗ２）と消費電力量（Ｗ１）との間の差分電力量（Ｗ３）を媒体制御器８に消費させる。すなわち、上述の図４の（ｂ）のように電力消費期間５０１中に媒体制御器８を停止させると余剰電力を消費しきれない場合に、差分電力量（Ｗ３）を消費させるように媒体制御器８を動作させる。このように差分電力量（Ｗ３）を消費させる際に媒体制御器８を動作させることで、より確実に余剰電力を消費できる。

次に、図５は、図２の動作指令生成部５３の動作を示すフローチャートである。図において、温調制御手段５の電源が投入された場合、動作モード決定部５３０によって、ジェネレータ６が発電中であるか否かが判定されるとともに（ステップＳ１）、バッテリ７の充電率が所定値を超えているか否かが判定される（ステップＳ２）。

このとき、ジェネレータ６が発電中でないか、又はバッテリ７の充電率が所定値以下であると判定された場合、温調制御手段５の動作モードとして通常温調モードが選択され（ステップＳ３）、被温調体４の目標温度、温度検出部５０によって検出された被温調体４の検出温度、ペルチェ素子２の効率、並びに被温調体４及び熱交換媒体３の熱容量などに基づいてペルチェ素子２及び媒体制御器８の動作が制御される。

一方で、ジェネレータ６が発電中であり、かつバッテリ７の充電率が所定値を超えていると判定された場合、温調制御手段５の動作モードとして余剰電力消費モードが選択され（ステップＳ４）、図３の（ａ）で示すような温調期間５００及び電力消費期間５０１を含む加温／冷却制御が行われる。

このとき、温調期間５００中にペルチェ素子２が消費する電力量（Ｗ１ａ）、温調期間５００中に媒体制御器８が消費する電力量（Ｗ１ｂ）、及び電力消費期間５０１中にペルチェ素子２が消費できる最大電力量（Ｗ１ｃ）の合計値である消費電力量（Ｗ１）（＝Ｗ１ａ＋Ｗ１ｂ＋Ｗ１ｃ）がジェネレータ６での発電量（Ｗ２）以上であるか否かが余剰電力消費モード管理部５３２によって判定される（ステップＳ５）。

この判定時に消費電力量（Ｗ１）が発電量（Ｗ２）以上であると判定されると、図４の（ｂ）に示すように、電力消費期間５０１中、媒体制御器８への入力電圧を０値とすることにより、媒体制御器８の動作が停止される（ステップＳ６）。これに対して、消費電力量（Ｗ１）が発電量（Ｗ２）よりも小さいと判定されると、図４の（ｃ）に示すように、電力消費期間５０１中、媒体制御器８が動作されて（ステップＳ７）、発電量（Ｗ２）と消費電力量（Ｗ１）との間の差分電力量（Ｗ３）が媒体制御器８によって消費される。

次に、余剰電力消費モード時に余剰電力消費モード管理部５３２によって行われる動作指令の生成方法について、より詳細に説明する。温調制御手段５の動作モードとして余剰電力消費モードが選択されると、通常温調モード時の動作指令と同様に、被温調体４の目標温度、温度検出部５０によって検出された被温調体４の検出温度、ペルチェ素子２の効率、並びに被温調体４及び熱交換媒体３の熱容量などに基づいて温調目的の第１出力Ｄｕｔｙ（以下、Ｄ１と呼ぶ）と温調目的の媒体制御器８の出力Ｄｕｔｙ（以下Ｄｆと呼ぶ）が計算される。

これにより、温調目的で使用される電力量（以下、Ｐ１と呼ぶ）が計算される。
Ｐ１＝Ｄ１×ペルチェ素子２で消費できる最大電力＋Ｄｆ×媒体制御器８で消費できる最大電力

Ｐ１が求められた後、電力消費目標値をＰ２とすると、Ｐ１がＰ２以上であるか（Ｐ１≧Ｐ２）、又はＰ１がＰ２より小さいか（Ｐ１＜Ｐ２）が判定される。このとき、Ｐ１≧Ｐ２であると判定された場合には、後述のようにＴｈ及びＴｃの算出に用いられるＤ３が０に設定されるとともに、電力消費期間５０１中の媒体制御器８の印加電圧Ｔｆ（図４の（ｃ）を参照）の算出に用いられるＤ４が０に設定される（Ｄ１＞Ｄ２・・・Ｄ３＝０，Ｄ４＝０）。
換言すると、Ｐ１≧Ｐ２である場合には、温調目的の動作のみで余剰電力を消費できるので、電力消費期間のペルチェ素子２及び媒体制御器８の動作変更が不要となることを意味する。

一方で、Ｐ１＜Ｐ２であると判定されると、以下の式にて電力消費目的の第２出力Ｄｕｔｙ（以下、Ｄ２と呼ぶ）が計算される。
Ｄ２＝Ｄ１＋（Ｐ２−Ｐ１）÷（ペルチェ素子２で消費できる最大電力）（％）
さらに、Ｄ２≦１００％であるか、又はＤ２＞１００％であるかが判定される。
このとき、Ｄ２≦１００％であると判定されると、Ｄ３＝Ｄ２−Ｄ１に設定されるとともに、Ｄ４＝０に設定される（Ｐ１＜Ｐ２，Ｄ２≦１００％・・・Ｄ３＝Ｄ２−Ｄ１，Ｄ４＝０）。この場合、温調期間５００のペルチェ素子２及び媒体制御器８の動作、並びに電力消費期間５０１のペルチェ素子２の動作により発電量（Ｗ２）のすべてを消費できることを意味し、電力消費期間５０１中に媒体制御器８を停止させることができることを意味する。
これに対して、Ｄ２＞１００％であると判定されると、Ｄ３＝１００−Ｄ１に設定されるとともに、Ｄ４＝Ｄ２−１００に設定される（Ｄ１≦Ｄ２，Ｄ２＞１００％・・・Ｄ３＝１００−Ｄ１，Ｄ４＝Ｄ２−１００）。この場合、温調期間５００のペルチェ素子２及び媒体制御器８の動作、並びに電力消費期間５０１のペルチェ素子２の動作により発電量（Ｗ２）のすべてを消費できないため、電力消費期間５０１中に媒体制御器８を動作させることを意味する。

これらＤ１〜Ｄ４が求められると、以下の式に基づいて、温調期間５００の時間Ｔｔ、電力消費期間５０１中の加温期間Ｔｈ、電力消費期間５０１中の冷却期間Ｔｃ、及び電力消費期間５０１中の媒体制御器８への出力Ｄｕｔｙ（以下、Ｔｆと呼ぶ）が適宜決定される。
Ｔｔ＝Ｄ１／制御サイクル時間
Ｔｈ＝０．５×（暖房効率／（暖房効率＋冷房効率））×（Ｄ３／制御サイクル時間）
Ｔｃ＝０．５×（冷房効率／（暖房効率＋冷房効率））×（Ｄ３／制御サイクル時間）
Ｔｆ＝Ｄ４×（ペルチェ素子２の最大消費電力／媒体制御器８の最大消費電力）

このような温調装置では、ペルチェ素子２の加温及び冷却による温度変化が互いに打ち消されるようにペルチェ素子２に加温及び冷却を交互に行わせる電力消費期間５０１を含む余剰電力消費モードが温調制御手段５の動作モードに含まれているので、余剰電力を消費しつつ、意図しない温度変化の発生を回避できる。
特に、ペルチェ素子２に加温及び冷却を行わせることで、ファン等の他の機器を用いる場合に比べて、より大きな電力を消費でき、より確実に余剰電力を消費できる。

また、温調制御手段５は、車両の回生ブレーキに用いられるジェネレータ６が発電を行い、かつバッテリ７の充電率が所定値を超えているときに、余剰電力消費モードで動作するので、回生ブレーキ時に発生する余剰電力を確実に消費でき、この余剰電力により回生ブレーキが制限されることを回避できる。

さらに、温調制御手段５は、余剰電力消費モードで動作する場合、電力消費期間中、媒体制御器の動作を停止させるので、余剰電力を消費している際にペルチェ素子２と被温調体４との間の熱的な結合度を小さくでき、余剰電力を消費している際の温度変化が被温調体４に影響を与えることを小さくできる。

さらにまた、温調制御手段５は、余剰電力消費モードで動作する場合、温調期間５００中にペルチェ素子２が消費する電力量、温調期間５００中に媒体制御器８が消費する電力量、及び電力消費期間５０１中にペルチェ素子２が消費できる最大電力量の合計値である消費電力量が、ジェネレータ６での発電量よりも小さい場合、電力消費期間５０１中、媒体制御器８を動作させることにより、発電量と消費電力量との間の差分電力量を媒体制御器８に消費させるので、より確実に余剰電力を消費できる。

２ ペルチェ素子（温調器）、３ 熱交換媒体、４ 被温調体、５ 温調制御手段、６ ジェネレータ、７ バッテリ、８ 媒体制御器。

Claims (5)

1. 電力を消費して被温調体の加温及び冷却を行う温調器と、
   前記温調器への電力供給を制御することにより、前記温調器の動作を制御する温調制御手段と
   を備え、
   前記温調制御手段の動作モードには、前記温調器の加温及び冷却による温度変化が互いに打ち消されるように前記温調器に加温及び冷却を交互に行わせる電力消費期間を含む余剰電力消費モードが含まれていることを特徴とする温調装置。
2. 車両の回生ブレーキ時に発電を行うジェネレータと、
   前記ジェネレータからの電力を蓄えるバッテリと
   をさらに備え、
   前記温調器には、前記ジェネレータ及び前記バッテリの少なくとも一方からの電力が供給され、
   前記温調制御手段は、前記ジェネレータが発電を行い、かつ前記バッテリの充電率が所定値を超えているときに、前記余剰電力消費モードで動作することを特徴とする請求項１記載の温調装置。
3. 前記温調制御手段の制御に応じて、前記被温調体と前記温調器との間の熱交換媒体の移動量を制御する媒体制御器をさらに備え、
   前記温調制御手段は、前記余剰電力消費モードで動作する場合、前記電力消費期間中、前記媒体制御器の動作を停止させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温調装置。
4. 前記媒体制御器は、前記熱交換媒体の移動量を制御する際に電力を消費するように構成されており、
   前記余剰電力消費モードには、前記被温調体の温度を所定の目標温度とするために前記ペルチェ素子に加温及び冷却のいずれか一方を行わせるとともに、前記媒体制御器に前記熱交換媒体の移動量を制御させる温調期間がさらに含まれており、
   前記温調制御手段は、前記余剰電力消費モードで動作する場合、前記温調期間中に前記ペルチェ素子が消費する電力量、前記温調期間中に前記媒体制御器が消費する電力量、及び前記電力消費期間中に前記ペルチェ素子が消費できる最大電力量の合計値である消費電力量が、前記ジェネレータでの発電量よりも小さい場合、前記電力消費期間中、前記媒体制御器を動作させることにより、前記発電量と前記消費電力量との間の差分電力量を前記媒体制御器に消費させることを特徴とする請求項３記載の温調装置。
5. 前記温調器は、ペルチェ素子であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の温調装置。

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