JP2016134212A

JP2016134212A - 加熱装置、温度推定装置、ヒータ制御装置

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Publication number: JP2016134212A
Application number: JP2015006310A
Authority: JP
Inventors: 将憲大坪; Masanori Otsubo; 洋平菅; Yohei Suga
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-07-25
Anticipated expiration: 2035-01-16
Also published as: JP6433304B2; EP3046395B1; EP3046395A1

Abstract

【課題】ヒータの温度推定の精度を向上させること、又はヒータの温度を精度良く制御すること。
【解決手段】加熱装置は、ヒータと、通電部と、を備える。ヒータは、導電体と、通電によって発熱する発熱体と、基体と、を備える。基体は、セラミック製であり、導電体および発熱体を互いに隔離した状態で内部に埋設して保持する。通電部は、発熱体に通電することによって、ヒータを発熱させる。加熱装置は、導電体と発熱体との間の基体の電気抵抗値を取得する取得部を更に備える。取得部によって取得された電気抵抗値に基づき、基体の温度を精度良く推定すること、又は基体の温度を精度良く制御することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、加熱に関する。

圧縮着火方式による内燃機関（例えばディーゼルエンジン等）の補助熱源として、グロープラグが広く用いられている。グロープラグの表面温度を推定する手法として、グロープラグを構成する発熱体の電気抵抗値を利用する手法が知られている。この手法は、発熱体の電気抵抗値が発熱体の温度に依存することを利用している（例えば、特許文献１）。

特許第５３５０７６１号公報

上記先行技術の場合、発熱体の電気抵抗値とグロープラグの表面温度とが一定の関係にあることを前提としている。しかし実際には、発熱体の電気抵抗値は、エンジンの冷却水温度、エンジンオイルの温度、燃焼室内の温度などにも依存し、グロープラグの表面温度を正確に推定するためには上記要因を考慮した複雑な補正が必要になる。さらには、発熱体の電気抵抗値と発熱体の温度との関係は、製造上のばらつきの影響を受けやすい。これらの要因のため、上記先行技術には、温度推定の精度に向上の余地があった。このような課題は、グロープラグに限られず、発熱体を用いたヒータ全般に共通であった。本発明は、上記先行技術に鑑み、ヒータの温度推定の精度を向上させること、又はヒータの温度を精度良く制御することを解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、導電体と、通電によって発熱する発熱体と、前記導電体および前記発熱体を互いに隔離した状態で内部に埋設して保持するセラミック製の基体と、を備えるヒータと；前記発熱体に通電することによって、前記ヒータを発熱させる通電部と、を備える加熱装置が提供される。この加熱装置は；前記導電体と前記発熱体との間の前記基体の電気抵抗値を取得する取得部と；前記取得部により取得された前記電気抵抗値に基づき、前記基体の温度を推定する推定部と、を備えることを特徴とする。基体はセラミック製なので、基体の電気抵抗値は温度に対して強く依存し、基体における高温の部位ほど電気抵抗値が小さくなる。よって、導電体と発熱体との間における最高温度の部位の電気抵抗値が、導電体と発熱体との間の基体の電気抵抗値（以下「基体抵抗値」という）の支配的な因子になる。このような局所的な部位の電気抵抗値に基づき温度推定を実行することで、ヒータが配置される外部環境の影響や製造上のばらつきの影響等を低減でき、ひいてはヒータの温度推定の精度が向上する。

（２）本発明の他の形態によれば、導電体と、通電によって発熱する発熱体と、前記導電体および前記発熱体を互いに隔離した状態で内部に埋設して保持するセラミック製の基体と、を備えるヒータと；前記発熱体に通電することによって、前記ヒータを発熱させる通電部と、を備える加熱装置が提供される。この加熱装置は；前記導電体と前記発熱体との間の前記基体の電気抵抗値を取得する取得部を備え；前記通電部は、前記取得部により取得された前記電気抵抗値が所定の値となるように、前記発熱体への通電を制御することを特徴とする。先述したように、基体抵抗値とヒータの温度とには強い相関がある。よって、基体抵抗値を制御することで、ヒータの温度を精度良く制御できる。

（３）上記形態において、前記取得部は、前記導電体および前記発熱体の間の電位差、並びに前記導電体および前記発熱体の間に流れる電流値に基づき、前記電気抵抗値を取得してもよい。容易に電気抵抗値を取得できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、ヒータを備えなくてもよい。つまり、温度推定装置やヒータ制御装置として実現してもよい。或いは、温度推定方法やヒータ制御方法、この方法を実現するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。

加熱装置の概略構成図。グロープラグの部分断面図。グロープラグの先端付近の断面図。温度制御処理を示すフローチャート。基体の最高表面温度と基体抵抗値との関係を概略的に示すグラフ。

図１は、加熱装置１００の概略構成を示す。加熱装置１００は、ディーゼルエンジン車に搭載され、ディーゼルエンジンの燃焼室を加熱する。この加熱は、インジェクタ４５９から噴射された燃料の着火を補助するために実行される。

加熱装置１００は、グロープラグ１と、制御部５０と、を備える。グロープラグ１は、セラミックグロープラグである。グロープラグ１は、図１に示すように、シリンダブロック４５に対して、ハウジング４の雄ねじ部を螺合することにより装着する。これにより、グロープラグ１の先端部が、シリンダブロック４５の燃焼室に露出した状態で装着される。

制御部５０は、ＥＣＵ５２と、グローリレー５３と、バッテリ５４と、グローリレー５３１と、を備える。グローリレー５３は、バッテリ５４の正極と、グロープラグ１に備えられた外部リード線２３３との間に配置される。

バッテリ５４の負極は、グローリレー５３１を介して、シリンダブロック４５に接続されている。グローリレー５３がオンの場合、バッテリ５４の負極がシリンダブロック４５に導通する。シリンダブロック４５の電位は接地電位であるので、グローリレー５３１がオンの場合、バッテリ５４の負極は接地される。

ＥＣＵ５２は、グローリレー５３及びグローリレー５３１をオンにすることで、バッテリ５４の電力を、グロープラグ１に備えられた外部リード線２３３を介して給電する。ＥＣＵ５２は、この給電によって、グロープラグ１を発熱させる。ＥＣＵ５２は、グローリレー５３のオン時間とオフ時間との割合を制御することで、グロープラグ１の発熱を制御する。グローリレー５３１は、加熱が実行される間は常にオンにされ、加熱が停止された場合にオフにされる。

制御部５０は、さらに、直流電源５１と、リレー５５と、抵抗５２１と、電位差計５２２と、を備える。リレー５５は、抵抗５２１と、グロープラグ１に備えられた外部リード線３３３との間に配置される。リレー５５は、直流電源５１からグロープラグ１への給電のオン、オフをスイッチングするためのものである。

直流電源５１の負極は、シリンダブロック４５に接続されることで、接地されている。抵抗５２１は、直流電源５１の正極側に配置されている。電位差計５２２は、抵抗５２１において降下する電圧値（降下電圧）を測定する。

ＥＣＵ５２は、これらの回路構成を用いて、グロープラグ１の温度を推定する。ＥＣＵ５２は、推定した温度を、先述したグロープラグ１の発熱の制御に利用する（図４，図５と共に後述）。ＥＣＵ５２は、さらに、水温センサ５２５と回転数センサ５２６とから取得した値も、上記発熱の制御に利用する。水温センサ５２５は、エンジン冷却水の温度を測定する。回転数センサ５２６は、エンジン回転数を測定する。上記の温度推定と発熱制御とについては図４，図５と共に後述する。

図２は、グロープラグ１の部分断面図である。図３は、グロープラグ１の先端付近の断面図であり、シリンダブロック４５に取り付けられた状態を示す。以下、図２、図３を参照して説明する。

グロープラグ１は、図２に示すように、ハウジング４と、ヒータ１０と、端子部２３と、端子部３１と、内部リード線３３と、内部リード線２３１と、接続端子２３２と、外部リード線２３３と、接続端子３３２と、外部リード線３３３と、ゴムブッシュ４２１と、を備える。これらの部材は、グロープラグ１の軸線Ｏに沿って組み付けられている。なお、本明細書では、グロープラグ１におけるヒータ１０側を「先端側」と呼び、その反対側を「後端側」と呼ぶ。

図２に示すように、ハウジング４は、外筒４１と、保護筒４２と、主体金具４７と、を有する。保護筒４２は、軸線Ｏに沿って延びる略円筒形状の部材であり、先端側および後端側に開口部を有する。保護筒４２の先端側開口部は、主体金具４７の後端に装着されている。保護筒４２の後端側開口部には、ゴムブッシュ４２１が挿入されている。ゴムブッシュ４２１は、ゴム製の円柱部材である。ゴムブッシュ４２１が保護筒４２に挿入されることで、ゴムブッシュ４２１よりも先端側が封止される。外筒４１は、保護筒４２の先端側に配置される。主体金具４７には、雄ねじ部４３が設けられている。雄ねじ部４３は、エンジンのシリンダブロック４５へ装着するために用いられる。

図３に示すように、ヒータ１０は、半球状の先端部を有し、軸線Ｏに沿って延びる略棒状の部材である。ヒータ１０は、ハウジング４内に、外筒４１を介して固定されている。外筒４１は、金属製であり、リング形状の部材である。ヒータ１０は、通電発熱体２と、電極３と、基体１１と、一対のリード線２１、２２と、を有する。通電発熱体２、電極３及びリード線２１、２２は、基体１１内に埋設されて保持される。基体１１は、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化ケイ素）を主成分として含有するセラミックで形成される。

図２に示すように、外部リード線２３３、３３３は、ゴムブッシュ４２１を貫通し、グロープラグ１の内部に通じている。外部リード線２３３は、接続端子２３２と内部リード線２３１とを介して、端子部２３に接続されている。端子部２３は、ハウジング４の内周面との隙間が設けられた状態で、基体１１の外周面に配置される。端子部２３は、後述するように、ヒータ１０を介して、ハウジング４に導通している。ハウジング４は、先述したようにシリンダブロック４５に固定されることで、接地電位のシリンダブロック４５に導通している。シリンダブロック４５は、先述したように、バッテリ５４の負極に接続されている。よって、グローリレー５３，５３１がオンになると、閉回路が形成される。

図３に示すように、端子部２３には、リード線２１が接続される。リード線２１は、基体１１の内部を通り、Ｕ字形状を有する通電発熱体２の一端に接続される。通電発熱体２の他端は、リード線２２を介し、外筒４１に接続される。よって、グローリレー５３，５３１がオンになると、バッテリ５４の電圧が通電発熱体２に印加され、基体１１の内部に埋設された通電発熱体２を電流が流れる。通電発熱体２は、基体１１よりも電気抵抗値が小さいセラミックで形成され、通電されると先端付近が発熱する。

次に、先述した温度推定のための回路について説明する。図２に示すように、外部リード線３３３は、接続端子３３２と内部リード線３３とを介して、基体１１の後端に配置された端子部３１に接続されている。図３に示すように、電極３は、一端が端子部３１に接続され、基体１１内部で軸線Ｏ方向に沿って延びる。電極３の他端は、通電発熱体２の先端付近に配置される。

電極３は、導電性セラミックからなり、通電発熱体２に対して隔離された状態で、基体１１の内部に埋設される。よって、リレー５５がオンになり、直流電源５１と電極３とが導通すると、電極３と通電発熱体２との間に電位差が発生する。この電位差は、次から説明する温度制御処理において利用される。

図４は、温度制御処理を示すフローチャートである。温度制御処理は、グロープラグ１による発熱が要求されている間、ＥＣＵ５２によって繰り返し実行される。

まず、電位差計５２２を用い、抵抗５２１における降下電圧Ｖ₅₂₁を取得する（ステップＳ６１０）。続いて、基体抵抗値Ｒ₁₁を算出する（ステップＳ６２０）。基体抵抗値Ｒ₁₁とは、通電発熱体２と電極３との間の基体１１の電気抵抗値である。

基体１１は、セラミック製であり、一般的には絶縁体に分類される電気抵抗値を有する。しかし、基体１１の電気抵抗値は、当然、有限なので、電極３に高電圧を印加すると、僅かな電流が基体１１内を流れる。この電流は、基体１１内に埋設された導電体、及び基体１１に接触した導電体に流れ、最終的にはシリンダブロック４５へと流れる。基体１１内に配置された導電体とは、通電発熱体２と、リード線２１と、リード線２２と、である。基体１１に接触した導電体とは、端子部２３と、端子部３１と、外筒４１と、である。

但し、上記の基体１１内を流れる電流の大部分は、電極３の先端付近から通電発熱体２の先端付近へと流れる。これは、後述するように、基体１１は、温度が高い部位ほど電気抵抗値が低くなるからである。先述したように通電発熱体２は、先端付近が発熱するので、通電発熱体２の先端付近の基体１１は、他の部位に比べて温度が高くなる。

そこで、基体抵抗値Ｒ₁₁の算出においては、電極３以外に流れる電流は無視する。さらに、通電発熱体２の電気抵抗値は、基体抵抗値Ｒ₁₁に比べて小さいので、基体抵抗値Ｒ₁₁の算出においては無視する。つまり、通電発熱体２は、本実施形態では導電体として取り扱う。

上記を前提にした場合、基体抵抗値Ｒ₁₁は、下記式（５）によって算出される。下記式（１）〜（５）におけるＶ₁₁は通電発熱体２と電極３との電位差、Ｉは抵抗５２１を流れる電流値、Ｖ₀は直流電源５１の電圧を示す。

Ｒ₁₁＝Ｖ₁₁／Ｉ…（１）、Ｖ₁₁＝Ｖ₀−Ｖ₅₂₁…（２）、Ｉ＝Ｖ₅₂₁／Ｒ₅₂₁…（３）
式（１）に式（２）と式（３）と、を代入すると、式（４）になる。
Ｒ₁₁＝（Ｖ₀−Ｖ₅₂₁）／（Ｖ₅₂₁／Ｒ₅₂₁）…（４）
本実施形態では、Ｖ₅₂₁≪Ｖ₀なので、式（４）を変形すると、式（５）になる。
Ｒ₁₁＝Ｖ₀×Ｒ₅₂₁／Ｖ₅₂₁…（５）

続いて、基体１１の最高表面温度を推定する（ステップＳ６３０）。基体１１の最高表面温度とは、基体１１の表面温度の中での最高値のことである。基体１１の表面温度は、部位によって異なり、通常、通電発熱体２の先端付近が最高値を呈する。

図５は、基体１１の最高表面温度と基体抵抗値Ｒ₁₁との関係を概略的に示すグラフである。このグラフは、基体抵抗値Ｒ₁₁を対数で示す片対数グラフである。この関係は、基体１１の最高表面温度を変化させながら基体抵抗値Ｒ₁₁を実測する実験によって予め取得されたものであり、ＥＣＵ５２に記憶されている。

基体１１の最高表面温度は、図５に示すように、基体抵抗値Ｒ₁₁の変化に対し、僅かにしか変化しない。例えば、図５に示すように、基体抵抗値Ｒ₁₁が値Ａから１０００倍に増大しても、対応する基体１１の最高表面温度は１２００℃から６００℃にしか変化しない。

次に、目標温度を決定する（ステップＳ６４０）。目標温度とは、基体１１の最高表面温度の目標値である。目標温度は、水温センサ５２５からの入力値、回転数センサ５２６からの入力値、その他、エンジンに関する値（例えば、吸気の温度）に基づき決定する。

続いて、目標抵抗値を決定する（ステップＳ６５０）。目標抵抗値とは、ステップＳ６４０で決定した目標温度に対応する基体抵抗値Ｒ₁₁のことである。この決定は、図５に示した関係に基づき実行される。

最後に、通電を制御する（ステップＳ６６０）。具体的には、基体抵抗値Ｒ₁₁が目標抵抗値に近づくように、グローリレー５３のオン時間とオフ時間との比率を制御する。その後、温度制御処理を終える。

上記の実施形態によれば、少なくとも以下の効果を得ることができる。
（ａ）基体１１の最高表面温度を精度良く推定できる。この効果がもたらされる理由は、主には次の（ａ−１），（ａ−２），（ａ−３）であると考えられる。

（ａ−１）基体抵抗値Ｒ₁₁に基づく推定手法の場合、先述したように、推定される最高表面温度の値は、基体抵抗値Ｒ₁₁の変動に対して鈍感である。この結果、基体抵抗値Ｒ₁₁の測定に多少の誤差が含まれたとしても、推定される温度の値はあまり変わらない。よって、上記の推定精度が良くなる。

（ａ−２）基体１１は、温度が高くなると電気抵抗値が大幅に小さくなるので、通電発熱体２と電極３との間の基体１１のうち、最高温度を呈する部位における電気抵抗値が、基体抵抗値Ｒ₁₁の支配的因子になる。つまり、基体抵抗値Ｒ₁₁は、上記最高温度の値を強く反映するパラメータである。上記最高温度の値は、基体１１の最高表面温度に近似すると考えられる。よって、基体抵抗値Ｒ₁₁は、基体１１の最高表面温度を推定するパラメータとして優れている。

（ａ−３）基体抵抗値Ｒ₁₁は、上記のように局所的な部位の状態を強く反映したパラメータであるので、グロープラグの製造におけるばらつきや、外乱の影響を受けにくい。外乱とは、エンジンの冷却水温度、エンジンオイルの温度、燃焼室内の温度などのことである。

（ｂ）基体抵抗値Ｒ₁₁の取得は、先述した簡易な回路によって容易に実現できる。
（ｃ）上記のように本実施形態の温度推定は、外乱の影響を受けにくいので、外乱を考慮した複雑な補正処理等が不要になる。
（ｄ）上記のように、最高表面温度を精度良く推定できるので、最高表面温度を精度良く制御できる。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

基体の最高表面温度を制御しなくてもよい。つまり、先述した温度制御処理において、ステップＳ６１０〜Ｓ６３０を実行する一方で、基体の最高表面温度を制御するためのステップ（ステップＳ６４０〜Ｓ６６０）は実行しなくてもよい。つまり、温度制御処理の一部を、温度推定処理として実行してもよい。

基体の最高表面温度を推定しなくてもよい。つまり、先述した温度制御処理において、基体の最高表面温度の推定（ステップＳ６３０）を実行しなくてもよい。基体の温度推定を実行しなくても、基体の最高表面温度を制御するためのステップ（ステップＳ６４０〜Ｓ６６０）は実行できる。

基体の材質は、他のセラミックに変更してもよい。例えば、二ホウ化チタン単体、或いは窒化ケイ素と二ホウ化チタンとの混合物でもよいし、アルミナやサイアロン等でもよい。

基体抵抗値を求めるための回路構成は、変更してもよい。例えば、１対の外部リード線の間に電圧を印加して、電流値を測定するように構成してもよい。このように構成すれば、通電発熱体と電極との間に印加される電圧が正確に把握できるので、基体抵抗値の測定精度が向上する。

グロープラグ以外のセラミックヒータに適用してもよい。例えば、例えば暖房器具、ハンダゴテ用熱源、温水便座、半導電体製造装置用熱源、測定機器用熱源、理化機器部品に適用してもよい。

１…グロープラグ
２…通電発熱体
３…電極
４…ハウジング
１０…ヒータ
１１…基体
２１…リード線
２２…リード線
２３…端子部
３１…端子部
３３…内部リード線
４１…外筒
４２…保護筒
４３…雄ねじ部
４５…シリンダブロック
５０…制御部
５１…直流電源
５２…ＥＣＵ
５３…グローリレー
５４…バッテリ
５５…リレー
１００…加熱装置
２３１…内部リード線
２３２…接続端子
２３３…外部リード線
３３３…外部リード線
４２１…ゴムブッシュ
５２１…抵抗
５２２…電位差計
５２５…水温センサ
５２６…回転数センサ
５３１…グローリレー

Claims

導電体と、通電によって発熱する発熱体と、前記導電体および前記発熱体を互いに隔離した状態で内部に埋設して保持するセラミック製の基体と、を備えるヒータと、
前記発熱体に通電することによって、前記ヒータを発熱させる通電部と、
を備える加熱装置であって、
前記導電体と前記発熱体との間の前記基体の電気抵抗値を取得する取得部と、
前記取得部により取得された前記電気抵抗値に基づき、前記基体の温度を推定する推定部と、
を備えることを特徴とする加熱装置。
導電体と、通電によって発熱する発熱体と、前記導電体および前記発熱体を互いに隔離した状態で内部に埋設して保持するセラミック製の基体と、を備えるヒータと、
前記発熱体に通電することによって、前記ヒータを発熱させる通電部と、
を備える加熱装置であって、
前記導電体と前記発熱体との間の前記基体の電気抵抗値を取得する取得部を備え、
前記通電部は、前記取得部により取得された前記電気抵抗値が所定の値となるように、前記発熱体への通電を制御する
ことを特徴とする加熱装置。
前記取得部は、前記導電体および前記発熱体の間の電位差、並びに前記導電体および前記発熱体の間に流れる電流値に基づき、前記電気抵抗値を取得する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加熱装置。
導電体と、通電によって発熱する発熱体と、前記導電体および前記発熱体を互いに隔離した状態で内部に埋設して保持するセラミック製の基体と、を備えるヒータの温度を推定する温度推定装置であって、
前記導電体と前記発熱体との間の前記基体の電気抵抗値を取得する取得部と、
前記取得部により取得された前記電気抵抗値に基づき、前記基体の温度を推定する推定部と、
を備えることを特徴とする温度推定装置。
導電体と、通電によって発熱する発熱体と、前記導電体および前記発熱体を互いに隔離した状態で内部に埋設して保持するセラミック製の基体と、を備えるヒータを発熱させるために、前記発熱体に通電する通電部を備えるヒータ制御装置であって、
前記導電体と前記発熱体との間の前記基体の電気抵抗値を取得する取得部を備え、
前記通電部は、前記取得部により取得された前記電気抵抗値が所定の値となるように、前記発熱体への通電を制御する
ことを特徴とするヒータ制御装置。