JP2013170810A - 温調器異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温調器の異常をより正確に検知できる温調器異常検出装置を提供する。
【解決手段】温度調節システム１００において、冷温器２０が作用する前の流体の温度を、入口温度測定手段６１が第１の温度（入口温度Ｔｉｎ）として測定する。冷温器２０が作用した後の流体の温度を、出口温度測定手段６２が第２の温度（出口温度Ｔｏｕｔ）として測定する。流量測定手段６５が流体の流量測定値Ｆを測定する。制御部４０は、入口温度Ｔｉｎおよび出口温度Ｔｏｕｔとの差分と、流量測定値Ｆとに基づいて、実際に流体に与えられた実測熱量ｄＱ’を算出し、さらに実測熱量ｄＱ’に基づいて冷温器２０の異常の有無を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温調器異常検出装置に関する。

特定の装置や空間を通って流体の冷媒が流動する構成において、入口および出口で流体の温度を測定し、これによって装置等の異常を検知する技術が知られている。たとえば特許文献１では、ケースの入口および出口で空気温度を測定し、温度差が小さい場合に冷却ファンの故障と判定することが記載されている。

特開２００５−２９３９７１号公報

特許文献１の構成では、温調対象である電池１と冷却ファン３を備えるケース４に流入する空気温度とケース４から流出する空気温度とに基づいて冷却ファン３の故障を検知しているため、温度異常の要因として冷却ファン３以外の要因があり、正確に冷却ファン３の故障を検知できない虞がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、流体を加熱または冷却する温調器の異常をより正確に検知できる装置を提供することを目的とする。

上述の問題を解決するため、この発明に係る温調器異常検出装置は、流体を加熱または冷却する温調器の異常を検知する温調器異常検出装置であって、温調器に流入する流体の温度を、第１の温度として測定する入口温度測定手段と、温調器から流出する流体の温度を、第２の温度として測定する出口温度測定手段と、第１の温度および第２の温度の差分に基づき、実測熱量を算出する実測熱量算出手段と、実測熱量算出手段で算出された実測熱量に基づき、温調器の異常の有無を判定する異常算出手段とを備える。

この装置によれば、温調器と熱交換する前後の流体の温度差に基づいて異常の有無を判定する。

流体の流量を測定する流量測定手段を備え、実測熱量は、第１の温度および第２の温度の差分と、流量とに基づいて算出されてもよい。
温調器を制御するための温調器指令値に基づいて温調器の熱量を推定する推定手段を備え、異常の有無は、実測熱量と、推定熱量とに基づいて判定されてもよい。
温調器指令値は、電流または電圧を表す指令値であってもよい。
温調器は電熱線もしくは熱電素子を備え、電流または電圧は、電熱線もしくは熱電素子を流れる電流または電熱線もしくは熱電素子に印加される電圧であってもよい。

本発明の装置によれば、流体を加熱または冷却する温調器について、当該温調器が作用する前後の流体の温度差に基づいて異常の有無を判定するので、より正確に温調器の異常を判定できる。

本発明の実施の形態１に係る温度調節システムの構成の例を示す図である。 実施の形態１に係る、冷温器の異常を検知するための動作を説明するフローチャートである。 実施の形態２に係る、冷温器の異常を検知するための動作を説明するフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、本発明の実施の形態１に係る温度調節システム１００の構成を示す。温度調節システム１００は、冷温対象１０の温度を調節するための装置として機能するとともに、温度の調節に関わる冷温器２０の異常を検知する温調器異常検出装置としても機能する。なお、後述するように、本明細書において「冷温器」とは加熱機能および冷却機能のいずれか一方を備えていればよく、必ずしも双方の機能を備えるものに限らない。また、以降、冷温器２０の名称を温調器２０としても参照するが、これらの名称は同一の構成要素を指す。

温度調節システム１００は、温度を調節するための対象として、冷温対象１０を含む。冷温対象１０は、たとえば電池または電池を含む構造であるが、これに限らない。
温度調節システム１００は、冷媒として流体が流動する経路である冷媒経路５０を備える。この流体はたとえば空気であるが、冷媒として機能する公知の様々な流体を用いることができる。
また、温度調節システム１００は、流体を加熱または冷却する冷温器２０を備える。冷温器２０は温調器である。冷温器２０はたとえば電熱線を備えてもよく、またはペルチェ素子等の熱電素子を備えてもよい。電熱線の場合には、冷温器２０は流体を加熱する。熱電素子の場合には、熱電素子に対する制御に応じ、冷温器２０は流体を加熱または冷却する。

温度調節システム１００は、流体を流動させる流動器３０をさらに備える。流動器３０はたとえばポンプやファン等、流体を流動させる機能を持つ機器によって構成することができる。流動器３０の作用により、冷媒経路５０内の流体は冷媒経路５０内を循環する。図１の例では矢印Ａの方向に循環するものとする。

また、図１の例では、冷媒経路５０において、冷温器２０、流動器３０および冷温対象１０は上流からこの順で設けられている（なお流体は循環しているので、ここで上流・下流とは相対的な表現である）。たとえば、冷媒経路５０内の流体は、流動器３０によって流動作用を受けて冷媒経路５０内を循環する。冷温器２０へ流入した流体は、温調器２０と熱交換を行って冷却され、流動器３０を介して冷温対象１０に流入する。冷温対象１０に流入した流体は、冷温対象１０から熱を奪って冷温対象１０を冷却した後、再度温調器２０に流入する。なお、冷温器２０、流動器３０および冷温対象１０は図１とは異なる順で配置されてもよい。
さらに、温度調節システム１００は、温度調節システム１００の全体を制御する制御部４０を備える。制御部４０はマイクロプロセッサ等の演算手段を備える。

温度調節システム１００は、冷温器２０に流入する流体の温度を第１の温度として測定する入口温度測定手段６１と、冷温器２０から流出する流体の温度を第２の温度として測定する出口温度測定手段６２とを備える。本明細書では、第１の温度を入口温度Ｔｉｎとし、第２の温度を出口温度Ｔｏｕｔとする。入口温度Ｔｉｎは、冷温器２０と熱交換する前の流体の温度であり、出口温度Ｔｏｕｔは、冷温器２０と熱交換した後の流体の温度である。冷温器２０は、冷媒経路５０の一部を構成する２つの開口として入口および出口を備えてもよく、入口温度Ｔｉｎは入口における流体の温度であってもよく、出口温度Ｔｏｕｔは出口における流体の温度であってもよい。

また、温度調節システム１００は、冷温対象１０の温度を対象温度Ｔｘとして測定する対象温度測定手段６３を備える。入口温度測定手段６１、出口温度測定手段６２および対象温度測定手段６３は、たとえば公知の温度センサを用いて構成することができる。

冷温器２０は、外部から入力される指令値（冷温器指令値Ｄ１）に基づいて動作するよう構成されている。たとえば冷温器２０が電熱線を備える場合、冷温器指令値Ｄ１は、電熱線に流れる電流または電熱線に印加される電圧を表す値である。また、冷温器２０が熱電素子を備える場合、冷温器指令値Ｄ１は、熱電素子に流れる電流または熱電素子に印加される電圧を表す値である。

温度調節システム１００は、冷温器２０における冷温器指令値Ｄ１を測定する冷温器指令値測定手段６４を備える。冷温器指令値測定手段６４は、冷温器２０に送信される信号である冷温器指令値Ｄ１の値を直接測定してもよいし、冷温器指令値Ｄ１に基づいて実現された冷温器２０の状態に基づいて、間接的に冷温器指令値Ｄ１の値を測定してもよい。本実施形態では、間接的に温調器指令値Ｄ１の値を測定しており、冷温器指令測定値Ｉを測定している。たとえば、冷温器２０の電熱線に流れる電流を、冷温器指令測定値Ｉとして測定することができる。
この冷温器指令値測定手段６４は、測定した冷温器指令測定値Ｉを外部（たとえば制御部４０）に送信する。

流動器３０は、外部から入力される指令値（流動器指令値Ｄ２）に基づいて動作するよう構成されている。流動器３０は、冷媒経路５０内を循環する流体の流量を、流動器指令値Ｄ２に応じて変更する。
温度調節システム１００は、冷媒経路５０内を循環する流体の流量を測定する流量測定手段６５を備える。測定される値を流量測定値Ｆとする。流量測定値Ｆは、たとえば単位時間あたりに冷媒経路５０の所定の断面を通過した流体の体積を表す値である。
この流量測定手段６５は、測定した流量測定値Ｆを外部（たとえば制御部４０）に送信する。

制御部４０は、このように測定される入口温度Ｔｉｎ、出口温度Ｔｏｕｔ、対象温度Ｔｘ、冷温器指令測定値Ｉおよび流量測定値Ｆを受信し、これらに基づいて温度調節システム１００の動作を制御する。

以上のような構成を有する温度調節システム１００の動作を、以下に説明する。
温度調節システム１００は、従来の温度調節システムと同様に、冷温対象１０の温度を調節するための動作を行う。たとえば、制御部４０は対象温度Ｔｘを受信し、これに応じて冷温器指令値Ｄ１および流動器指令値Ｄ２を生成し、それぞれ冷温器２０および流動器３０に送信する。また、冷温器２０は冷温器指令値Ｄ１を受信して流体を加熱または冷却し、流動器３０は流動器指令値Ｄ２に応じて流体を流動させる。このような冷温対象１０の温度を調節するための構成は、本明細書において説明するものに限らず、公知の構成であればどのような構成を用いてもよい。

図２は、本実施形態に係る温度調節システム１００において、冷温器２０の異常を検知するための動作を説明するフローチャートである。
まず、温度調節システム１００は、流体に与えられたと推定される熱量を、推定熱量ｄＱとして算出する（ステップＳ１）。このステップＳ１では、冷温器指令値測定手段６４が冷温器指令測定値Ｉを測定し、入口温度測定手段６１が冷温器２０を動作させる前の入口温度Ｔｉｎを測定し、出口温度測定手段６２が冷温器２０を動作させる前の出口温度Ｔｏｕｔを測定し、それぞれ制御部４０に送信する。また、制御部４０が入口温度Ｔｉｎ、出口温度Ｔｏｕｔおよび冷温器指令測定値Ｉを受信し、これらの関数として推定熱量ｄＱを算出する。このように、温度調節システム１００は推定手段を備える。

ステップＳ１において、冷温器２０が電熱線を備えるものである場合には、ｄＱ＝Ｉ^２・Ｒとして算出することができる。ただしＲは電熱線の抵抗値である。
また、冷温器２０が熱電素子を備えるものである場合には、ｄＱ＝Ａ・Ｔ・Ｉ±（Ｉ^２・Ｒ／２）−ＫΔＴとして算出することができる。ここで、±の符号は電圧の方向を表し、Ａは熱電素子の性能に依存する定数であり、Ｔは熱電素子の一方の電極の表面温度であり、Ｒは熱電素子の抵抗値であり、Ｋは熱の伝わりやすさを表す定数であり、ΔＴは熱電素子の両電極間の温度差である。Ｔは温調器２０を動作させる前の入口温度Ｔｉｎと温調器２０を動作させる前の出口温度Ｔｏｕｔから熱電素子の一方の電極の表面温度を推定する。温調器２０を動作させる前の入口温度Ｔｉｎと出口温度Ｔｏｕｔとは、ほぼ同じであるため、どちらか一方の温度から熱電素子の一方の電極の表面温度を推定してもよい。
ΔＴはたとえば冷温器指令測定値Ｉの関数として定義することができる。制御部４０はこの関数すなわちΔＴ＝ｆ（Ｉ）を表す計算式を記憶してもよく、この関数に冷温器指令測定値Ｉを代入してΔＴの値を決定してもよい。
なお、推定熱量ｄＱは負の値となる場合もある。この場合、流体には負の推定熱量ｄＱが与えられた、すなわち−ｄＱに相当する絶対値を持つ熱量が流体から奪われたということになる。

次に、温度調節システム１００は、実際に流体に与えられた熱量を、実測熱量ｄＱ’として算出する（ステップＳ２）。このステップＳ２では、入口温度測定手段６１が入口温度Ｔｉｎを測定し、出口温度測定手段６２が出口温度Ｔｏｕｔを測定し、流量測定手段６５が流量測定値Ｆを測定し、それぞれ制御部４０に送信する。また、制御部４０が、入口温度Ｔｉｎ、出口温度Ｔｏｕｔおよび流量測定値Ｆを受信し、これらの関数として実測熱量ｄＱ’を算出する。このように、温度調節システム１００は実測熱量算出手段を備える。

実測熱量ｄＱ’は、たとえばｄＱ’＝ρ・Ｆ・ｃ・（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）という式を用いて算出することができる。ただし、ρは流体の密度であり、ｃは流体の比熱である。このように、制御部４０は、流量測定値Ｆに基づいて、かつ、入口温度Ｔｉｎと出口温度Ｔｏｕｔとの差分に基づいて、実測熱量ｄＱ’を算出する。
なお、実測熱量ｄＱ’は負の値となる場合もある。この場合、流体には負の実測熱量ｄＱ’が与えられた、すなわち−ｄＱ’に相当する絶対値を持つ熱量が流体から奪われたということになる。

次に、制御部４０は、推定熱量ｄＱと実測熱量ｄＱ’との比を、熱量比Ｘａとして算出する（ステップＳ３）。すなわちＸａ＝ｄＱ／ｄＱ’である。
次に、制御部４０は、熱量比Ｘａに基づき、冷温器２０の異常の有無を判定する（ステップＳ４〜Ｓ７）。具体的には、まずＸａ＜０．９であるか否かを判定し（ステップＳ４）、Ｘａ＜０．９であれば異常ありと判定する（ステップＳ６）。したがって、ステップＳ６において冷温器２０の異常が検知されることになる。また、Ｘａ＜０．９でない場合には、さらにＸａ＞１．１であるか否かを判定し（ステップＳ５）、Ｘａ＞１．１であれば異常ありと判定する（上記ステップＳ６）。Ｘａ＞１．１でなければ異常なしと判定する（ステップＳ７）。
このように、制御部４０は、推定熱量ｄＱと実測熱量ｄＱ’とに基づき、これらの比が所定の上限と下限によって定まる範囲内であれば異常なしと判定し、そうでなければ異常ありと判定する。このように、温度調節システム１００は異常算出手段を備える。

以上のように、実施の形態１に係る温度調節システム１００によれば、冷温器２０が作用する前後の流体の温度差（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）に基づいて実測熱量ｄＱ’を算出し、この実測熱量ｄＱ’に基づいて異常の有無を判定するので、より正確に冷温器２０の異常を判定できる。さらに、流体に与えられたと推定される熱量を推定熱量ｄＱとして算出し、この推定熱量ｄＱも異常の判定に用いるので、推定値と実測値とを比較して判定することができ、さらに正確に冷温器２０の異常を判定できる。

なお、従来の構成として、冷温器２０の内部に温度センサ等を配置し、直接的に電熱線や熱電素子の動作状態を測定するものもある。しかしながら、冷温器は冷温効率を高めるために細密に構造が設計されているため、後付で温度センサ等を設置すると流体の流動性が失われ、冷温効率が低下する。
これに対し、実施の形態１に係る温度調節システム１００によれば、冷温器２０の内部には追加の構成要素を設置する必要がないので、流体の流動性が低下せず、高い冷温効率を維持することができる。

また、従来の構成では、冷温器指令測定値Ｉに相当する値（電流や電圧等）のみに基づいて冷温器の異常を判定するものもある。しかしながら、そのような構成では電流や電圧等に影響を出さない異常（冷温特性の変化等）を検知できない。
これに対し、実施の形態１に係る温度調節システム１００によれば、入口温度Ｔｉｎおよび出口温度Ｔｏｕｔも判定に利用するので、冷温器指令測定値Ｉに影響を出さない冷温特性の変化も適切に検知することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、推定熱量ｄＱと実測熱量ｄＱ’との比でなく、これらの差に基づいて異常を判定するものである。実施の形態２に係る温度調節システムの構成は、図１の温度調節システム１００と同様である。
図３は、本実施形態に係る温度調節システムにおいて、冷温器の異常を検知するための動作を説明するフローチャートである。

まず温度調節システムは、推定熱量ｄＱおよび実測熱量ｄＱ’を算出する（ステップＳ１１およびＳ１２）。この動作は実施の形態１（図２）のステップＳ１およびＳ２と同様である。
次に、制御部は、推定熱量ｄＱと実測熱量ｄＱ’との差の絶対値を、熱量差Ｘｂとして算出する（ステップＳ１３）。すなわちＸｂ＝｜ｄＱ’−ｄＱ｜である。

次に、制御部は、熱量差Ｘｂに基づき、冷温器の異常の有無を判定する（ステップＳ１４〜Ｓ１６）。具体的には、Ｘｂ＞１０であるか否かを判定し（ステップＳ１４）、Ｘｂ＞１０であれば異常ありと判定し（ステップＳ１５）、そうでなければ異常なしと判定する（ステップＳ１６）。
このように、制御部は、推定熱量ｄＱと実測熱量ｄＱ’とに基づき、これらの差の絶対値が所定の上限以下であれば異常なしと判定し、そうでなければ異常ありと判定する。

以上のように、実施の形態２に係る温度調節システムによれば、冷温器が作用する前後の流体の温度差（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）に基づいて実測熱量ｄＱ’を算出する点については実施の形態１と同様であり、この実測熱量ｄＱ’に基づいて異常の有無を判定するので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

上述の実施の形態１および２において、以下のような変形を施すことができる。
入口温度測定手段６１および出口温度測定手段６２は、冷温器２０にできるだけ近い位置に設置されることが望ましいが、離れた位置に設置されてもよい。

判定に用いる物理量は熱量に限らず、流体温度であってもよく、他の物理量であってもよい。たとえば流体温度を用いる場合には、まず入口温度Ｔｉｎ、冷温器指令測定値Ｉおよび流量測定値Ｆに基づいて出口温度の推定値Ｔｏｕｔ’を算出し、その後に推定値Ｔｏｕｔ’と、実際に測定された出口温度Ｔｏｕｔと比較して異常判定を行ってもよい。

冷媒経路５０は、閉じた経路でなくともよい。たとえば流体として大気や水流を用いる場合には、冷温器２０の上流および冷温対象１０の下流がそれぞれ開放されていてもよい。また、流動器３０を備えないものであってもよい。

異常判定に用いる閾値は、実施の形態１の「０．９」および「１．１」や、実施の形態２の「１０」に限らず、当業者が適宜決定することができる。また、この閾値は、外部の状況（たとえば外気温）に応じて制御部４０が決定するものであってもよい。たとえば外気温が所定の上限値より高い場合や所定の下限値より低い場合には、正常と判定される範囲が広くなるように閾値を調整してもよい。この調整は、たとえば実施の形態１の閾値「１．１」をより大きい値に変更することによって実現可能である。

冷温器２０は電熱線や熱電素子に限らず、推定熱量を算出できるものであればどのような装置であってもよい。たとえばヒートポンプであってもよい。また、冷却能力のみを有し加熱能力を有さないものであってもよい。

１０ 冷温対象、２０ 冷温器、３０ 流動器、４０ 制御部（演算手段）、５０ 冷媒経路、６１ 入口温度測定手段、６２ 出口温度測定手段、６３ 対象温度測定手段、６４ 冷温器指令値測定手段、６５ 流量測定手段、１００ 温度調節システム（温調器異常検出装置、実測熱量算出手段、異常算出手段、推定手段）、
Ｄ１ 冷温器指令値、Ｄ２ 流動器指令値、ｄＱ 推定熱量、ｄＱ’ 実測熱量、Ｆ 流量測定値（流体の流量）、Ｉ 冷温器指令測定値、Ｔｉｎ 入口温度（第１の温度）、Ｔｏｕｔ 出口温度（第２の温度）、Ｔｘ 対象温度。

Claims (5)

1. 流体を加熱または冷却する温調器の異常を検知する温調器異常検出装置であって、
   前記温調器に流入する流体の温度を、第１の温度として測定する入口温度測定手段と、
   前記温調器から流出する流体の温度を、第２の温度として測定する出口温度測定手段と、
   前記第１の温度および前記第２の温度の差分に基づき、実測熱量を算出する実測熱量算出手段と、
   前記実測熱量算出手段で算出された前記実測熱量に基づき、前記温調器の異常の有無を判定する異常算出手段と
   を備える、温調器異常検出装置。
2. 前記流体の流量を測定する流量測定手段を備え、
   前記実測熱量は、前記第１の温度および前記第２の温度の差分と、前記流量とに基づいて算出される、請求項１に記載の温調器異常検出装置。
3. 前記温調器を制御するための温調器指令値に基づいて前記温調器の熱量を推定する推定手段を備え、
   前記異常の有無は、前記実測熱量と、前記推定熱量とに基づいて判定される、請求項１または２に記載の温調器異常検出装置。
4. 前記温調器指令値は、電流または電圧を表す指令値である、請求項３に記載の温調器異常検出装置。
5. 前記温調器は電熱線もしくは熱電素子を備え、
   前記電流または電圧は、前記電熱線もしくは前記熱電素子を流れる電流または前記電熱線もしくは前記熱電素子に印加される電圧である、請求項４に記載の温調器異常検出装置。

Images