JP5333833B2

JP5333833B2 - エンジンに依存しない加熱装置用の制御装置、加熱システム、及びエンジンに依存しない加熱装置の制御方法

Info

Publication number: JP5333833B2
Application number: JP2008535884A
Authority: JP
Inventors: ゲールハルトニコラウス; ゲットルカール; グリナーマルクス
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2026-10-23
Also published as: EP1940636A1; JP2009512582A; US20090008464A1; EP1940636B1; DE102005050862B3; KR20080069613A; CN101346249A; CN101346249B; US8740105B2; WO2007048394A1

Description

本発明は、特に自動車用の熱伝達媒体回路の液体熱伝達媒体を加熱する、エンジンに依存しない加熱装置のための制御装置であって、熱伝達媒体の現在の温度勾配が温度勾配の閾値と等しい又はそれを上回っている場合に加熱装置（ヒーター）の加熱能力を減少させる制御装置に関する。

本発明は更に加熱装置及び加熱システムに関する。

更に、本発明は、特に自動車用の熱伝達媒体回路の液体熱伝達媒体を加熱する、エンジンに依存しない加熱装置の制御方法に関する。

熱伝達媒体回路に組み込まれた加熱装置について過熱の危険を早期に検出する手段は従来技術ですでに知られている。この場合の目的は、過熱状態が実際に発生する前に過熱状態の発生の兆候をはっきりと検出し、加熱装置又は熱伝達媒体回路に対する損傷が発生する前に対策がとれるようにすることにある。

独国特許発明第１９５２４２６０Ｃ２号明細書は、エンジンに依存しない加熱装置のための制御装置、加熱装置、加熱システムおよびエンジンに依存しない加熱装置の制御方法を開示している。独国特許発明第１９５２４２６０Ｃ２号明細書に記述されている加熱装置は、自動車の室内を暖房するために特に使用される。当該加熱装置の場合は、動作中、熱伝達媒体の現在の温度勾配が温度勾配の閾値を超えた場合に加熱能力が減少させられるか、または加熱装置のスイッチが切られる。温度勾配の閾値は、熱伝達媒体の現在の温度に応じて、様々な値に選択される。従って、温度レベルが低く保たれている、つまり、危険な温度レベルを明らかに下回っている限りは、過熱の危険を伴うことなく比較的速い温度上昇が可能である。対照的に、高温に達するとすぐに、比較的ゆっくりとした温度上昇しか許されなくなる。

結果として、温度勾配の閾値は熱伝達媒体の固定された温度値に割り当てられるので、熱伝達システムの特性（例えば熱力学的特性）に応じてこの割当てをあらかじめ規定しておく必要がある。熱伝達システムを変更すると（例えば、別の熱伝達媒体を使用すると）、その後、加熱装置の制御機構は条件付でしか使用できなくなり、変更されたシステムにもはや適応しなくなる。

従って、本発明の目的は、予想される過熱の状況をより早期に及びより差別化された方法で検出する柔軟な加熱装置制御を可能にするように、汎用的な構成要素及び汎用的な方法を開発することにある。

上記の目的は独立請求項に記載の特徴によって達成される。

本発明の有利な改良形態及び発展形態は従属請求項に示す。

エンジンに依存しない加熱装置用の本発明による制御装置は、汎用的な従来技術に基づいており、熱伝達媒体の到達すべき目標温度と熱伝達媒体の現在の温度との温度差の関数として温度勾配の閾値を動的に決定する。温度勾配の閾値は動的に（即ち、何回も繰り返して）決定されるので、正確な温度勾配の閾値（この閾値を超えると、熱伝達システム又はその構成要素の過熱状態が発生する恐れがある）が永続的に存在する。更に、温度勾配の閾値は、実際の温度と所望の温度との温度差の関数として決定されるので、本制御装置はまた、熱伝達媒体の目標温度が変化する場合の加熱装置の制御にも適している。熱伝達媒体のこのような目標温度は、例えば、使用される熱伝達媒体に依存してもよく、この結果、比較的低い温度で過熱状態が発生する熱伝達媒体が使用される場合に最大目標温度を低くすることが一般に許容される。更に、様々な動作段階における様々な温度レベルでの熱伝達媒体の動作を目的とすることも考えられる。様々な目標温度にて本発明に基づいて過熱状態の兆候の検出を確実に実行することができる。熱伝達システム又はその構成要素の予想される過熱状態は、本発明の制御装置によってより差別化された方法でより早期に検出され得ることになる。

温度勾配の閾値を決定する際に制御装置が更に周囲温度も考慮に入れるようにすることにより、本発明の制御装置を発展させることが可能である。従って、過熱状態の兆候の検出中は、本発明の加熱装置又は本発明の加熱システムが使用されている環境も考慮に入れられ、これには様々な気候地域での自動車の使用に関することも含まれる。例えば、周囲温度が比較的低いと、温度勾配が大きくても、温度が比較的高い環境の場合ほど過熱の発生の明らかな兆候とはならない。この発展形態に係る本発明の制御装置は、このような状況を考慮に入れる。

本発明の制御装置の好適な実施形態では、更に制御装置が計算により温度勾配の閾値を決定することが提供される。温度勾配の閾値の動的な（即ち、絶え間ない繰返し）計算によって、最適な温度勾配の閾値が決定される。或いは、制御装置は、温度勾配の閾値をテーブルから読み出すことにより決定することができる。ここで、過熱状態の検出が正確に行われるかどうかは、温度勾配の閾値をテーブルに格納する間隔に左右される。計算には、メモリを消費するテーブルをあらかじめ設けておく必要がないという利点があるが、本発明の制御装置が動作する時間の近くで温度勾配の閾値が決定される場合がある。

更に、本発明の制御装置は、次式を用いて温度勾配の閾値を決定するように発展され得る。

式中、ｃ_１、ｃ_２およびｃ_３はあらかじめ決定され、制御装置に格納された係数である。ここで、温度勾配の閾値の決定時に周囲温度は必ずしも必要でない。例えば、試行によってあらかじめ係数を決定し、それを制御装置に格納しておくことが考えられる。更には、選択された熱伝達システムの構成要素や選択された熱伝達媒体等に応じて、計算に基づいて係数をあらかじめ決定しておくことができる。

或いは、本発明の制御装置は次式を用いて温度勾配の閾値を決定するように発展され得る。

式中、ｃ_１及びｃ_２は周囲温度に応じて制御装置によって決定された係数、ｃ_３はあらかじめ決定され、制御装置に格納された係数である。

これらの式は、温度勾配の閾値を決定する特別な方法を提供する。

本発明の加熱装置、加熱システム、及び該加熱装置の制御方法は、汎用的な従来技術に基づいており、制御装置が、熱伝達媒体の到達すべき目標温度と現在の熱伝達媒体温度との温度差に応じて温度勾配の閾値を動的に決定する。そのために、本発明の制御装置とともに説明される利点及び特性は、同じ又は同様な結果となる。

本発明の好適な実施形態について、図を参照しながら例を挙げて以下に説明する。

図１は、自動車用の加熱装置付き冷却剤回路等の熱伝達系又は熱伝達媒体回路１の例を概略的に示す。矢印で示すように、添加剤を含有可能な水等の熱伝達媒体は、熱伝達媒体回路１内を循環する。熱伝達媒体回路１は、再循環ポンプ２と、エンジンに依存しない燃料で運転される加熱装置３（再循環ポンプ２を内蔵）と、車両加熱ファン５が割り当てられた熱交換器４とを備える。熱伝達媒体が暖められファン５のスイッチが入れられると、図１で一点鎖線の右側の部分によって概略的に示された車両内部６に熱が送出される。

加熱装置３は入口７と出口８を有する。入口７と熱交換器４の出口側は、例えば内燃機関（図示せず）につながっていてもよい。更に、加熱装置３は、燃料及び燃焼用空気をバーナーアセンブリ（別段、詳細は図示せず）に供給するための計量ポンプ９及び燃焼空気ファン１０を有する。更に、加熱装置３には、熱伝達媒体が熱伝達媒体回路１内を循環するようにするための再循環ポンプ２が組み込まれている。図１で参照記号１１により表されているのは温度センサーである。該温度センサーは加熱装置３の出口８の領域に配置され（加熱装置３内に組み込まれる態様が好都合）、加熱装置３の出口で熱伝達媒体の温度

を検出する。

温度センサー１１の出力は、制御装置１２に接続されており、該制御装置１２の出力は再循環ポンプ２、計量ポンプ９、及び燃焼空気ファン１０に接続されている。制御装置１２が加熱装置３に影響を及ぼしてその加熱能力を制御できるようにすることが、本発明では重要である。この制御は、計量ポンプ９及び／又は燃焼空気ファン１０を適切に駆動することにより、実現することができる。例えば、制御装置１２を加熱装置内の動作制御部（図示せず）に接続することもできる。この場合、制御装置１２は目標とする加熱能力を動作制御部に伝えるだけである。加熱装置専用の動作制御部は、この目標とする加熱能力に達するように計量ポンプ９及び燃焼空気ファン１０を適宜駆動する。制御装置１２自体を加熱装置３内に組み込むことも可能である。

加熱装置３が始動すると、その後は熱伝達媒体の温度

がある時間間隔で温度センサー１１を介して制御装置１２に出力され、制御装置１２によって評価される。この場合、制御装置１２は単位時間当たりの熱伝達媒体の温度上昇を評価して、熱伝達媒体の時間的な温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）を求める。この場合、温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）のチェック及び計算は、定義された時間間隔で実行される。そのために、制御装置は、現在の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）を算出するために、所定の時間間隔で測定される少なくとも２つの熱伝達媒体温度

を必要とする。

このようにして求められた熱伝達媒体の現在の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）は、温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）と絶えず繰返し比較される。現在の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）が温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）に到達又はこの閾値を超えた場合はすぐに、過熱状態の発生の恐れがあるとみなされ、加熱装置３の加熱能力が減少されるか、加熱装置３のスイッチが切られる。

このような過熱状態は、乾燥過熱（即ち、加熱装置３の熱伝達媒体内での冷却剤の不足）によって又は熱伝達媒体回路１内での熱伝達媒体の停留によって引き起こされ得る。差し迫った過熱状態の発生を検出する場合は、制御装置１２が過熱の可能性を極めて早期に検出及び識別することが必要である。したがって、加熱装置３は、安全臨界温度範囲に達しないように加熱能力を早期に減少させることが重要である。本開示の範囲内では、「加熱能力を減少させる」という用語は、加熱装置３のスイッチを完全に切るということも含むものであり、その場合加熱能力はゼロまで減少する。

温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）は、熱伝達媒体の現在の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）と温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）との上記比較を行うために動的に（即ち、絶えず繰返し）再計算される。
このためには、熱伝達媒体の到達すべき目標温度

と熱伝達媒体の現在の温度

との温度差

が次式を使用してまず算出される。

従って、温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）は、上記のように算出された温度差

の関数として、かつ周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）の関数として、次式により算出される。

ここで、ｃ_１及びｃ_２は、周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）の関数として決定されるべき係数である。そのために、周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）は周囲温度センサー（図示せず）によって検出され、制御ユニットに出力された後、該制御ユニットにて、指定の間隔で係数ｃ_１及びｃ_２が再計算される。Δｔは、検出される温度勾配の物理単位を有し、１の値を有することが理想的な任意の時間間隔である。

ｃ_３は、決定すべき係数であるが、周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）の関数ではない。例えば、係数ｃ_３は、試行又はシミュレーションによりあらかじめ決定しておくことができる。

或いは、周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）に依存しない計算も考えられる。しかしながら、この場合、係数ｃ_１とｃ_２が必ずしもゼロになるとは限らない。そのような場合は、係数ｃ_１及びｃ_２は同様に試行やシミュレーションにより求めることができる。

図２は、上記の式を用いて行う温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）の計算結果を定性的に示したものである。ここで、横座標は温度差

を示し、縦座標は温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）を示す。

図２からわかることは、温度差が大きくなるに従って（例えば、加熱装置の始動段階にて）、許容される最大の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）、即ち、温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）が上昇するということである。これによって冒頭で述べた利点が達成される。

好適な実施形態の説明では、燃料式加熱装置３を使用した。しかしながら、本発明は燃料式加熱装置３に限定されるものではなく、電気加熱装置の場合にも使用できる。

更に、温度センサー１１は、熱伝達媒体の温度を必ずしも直接測定する必要はない。例えば、バーナーアセンブリの場合は、密閉液体熱交換媒体によって取り囲むことが可能であり、この密閉液体熱交換媒体を介して熱伝達媒体が加熱される。このような場合は、熱交換媒体の温度を測定することも考えられる。

前述の説明及び添付の特許請求の範囲において、用語「制御」には「調整」も含まれるものである。従って、例えば、加熱装置３の駆動に関する説明には、調整中に実行される加熱装置３の駆動も含まれるものである。

前述の説明、図面、及び特許請求の範囲に開示されている本発明の特徴は、それぞれ独立して、又は所望の組み合わせにより、本発明を実施するために必須となり得る。

本発明の加熱システムの概略ブロック図を示す。到達すべき熱伝達媒体の目標温度と現在の熱伝達媒体温度との温度差と、温度勾配の閾値との間の関数関係について定性的な説明を提供する図である。

符号の説明

１…熱伝達媒体回路、２…再循環ポンプ、３…加熱装置、４…熱交換器、５…車両加熱ファン、６…車両内部、７…加熱装置の入口、８…加熱装置の出口、９…計量ポンプ、１０…燃焼空気ファン、１１…温度センサー、１２…制御装置

Claims

特に自動車用の熱伝達媒体回路（１）の液体熱伝達媒体を加熱する、エンジンに依存しない加熱装置（３）のための制御装置（１２）であって、前記熱伝達媒体の現在の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）が温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）以上である場合に前記加熱装置（３）の加熱能力を減少させる制御装置（１２）において、
前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）を、前記熱伝達媒体の到達すべき目標温度

と現在の熱伝達媒体温度

との温度差

が大きくなるに従って上昇するように、前記温度差の関数として、動的に繰り返し再計算して決定することを特徴とする制御装置（１２）。
前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）を繰り返し再計算して決定する際に、前記制御装置（１２）が周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）を更に考慮に入れることを特徴とする請求項１に記載の制御装置（１２）。
前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）を次式

（式中、ｃ_１、ｃ_２及びｃ_３は、あらかじめ決定され、前記制御装置（１２）に格納された係数）
を用いて繰り返し再計算して決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置（１２）。
前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）を次式

（式中、ｃ_１及びｃ_２は前記周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）の関数として前記制御装置（１２）によって決定される係数であり、ｃ_３はあらかじめ決定され、前記制御装置（１２）に格納された係数）
を用いて繰り返し再計算して決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置（１２）。
特に自動車用の加熱装置（３）であって、
熱伝達媒体回路（１）内の液体熱伝達媒体を加熱するための、エンジンに依存しない熱源と、
前記熱伝達媒体が排出される前記加熱装置（３）の出口の環境における前記熱伝達媒体の現在の温度を検出するための温度センサー（１１）と、
前記加熱装置（３）の加熱能力を制御するための請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御装置（１２）と、
を有する加熱装置（３）。
特に自動車用の加熱システムであって、
熱エネルギーを吸収し、該熱エネルギーを移送し、所定の位置で該熱エネルギーを再び出力することが可能な液体熱伝達媒体で満たされた熱伝達媒体回路（１）と、
前記熱伝達媒体を加熱するための請求項５に記載の加熱装置（３）と、
を有する加熱システム。
特に自動車用の熱伝達媒体回路（１）の液体熱伝達媒体を加熱する、エンジンに依存しない加熱装置（３）を制御するための方法であって、
前記熱伝達媒体の現在の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）を決定するステップと、
温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）を決定するステップと、
前記現在の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）と前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）とを比較するステップと、
前記現在の温度勾配（（ｄＴ／ｄｔ）_Ｉｓｔ）が前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）以上である場合に前記加熱装置（３）の加熱能力を減少させるステップと、
を有する方法において、
前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）が、前記熱伝達媒体の到達すべき目標温度

と現在の熱伝達媒体の温度

との温度差

が大きくなるに従って上昇するように、前記温度差の関数として、動的に繰り返し再計算されて決定されることを特徴とする方法。
前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）が繰り返し再計算されて決定される時に周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）が更に考慮に入れられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）が、次式

（式中、ｃ_１、ｃ_２及びｃ_３は、あらかじめ決定された係数である）
を用いて繰り返し再計算されて決定されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
前記温度勾配の閾値（（ｄＴ／ｄｔ）_{Ｓｃｈｗｅｌｌ}）が、次式

（式中、ｃ_１及びｃ_２は前記周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）の関数として決定される係数であり、ｃ_３はあらかじめ決定された係数である）
を用いて繰り返し再計算されて決定されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。