JP6653601B2 - 液体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は液体加熱装置に関するものである。

特許文献１には、暖房が必要であり、エンジン始動直後等で冷却水の温度が低い場合に、電気ヒータに通電させて冷却水を加熱する車両用暖房装置が開示されている。

特開２００１−１７１３３５号公報

しかしながら、特許文献１の車両用暖房装置では、冷却水の温度が低く粘度が比較的高い状態で電気ヒータに通電すると、冷却水の循環が不十分なまま電気ヒータ付近の冷却水が加熱され過ぎるおそれがある。そのため、電気ヒータに過熱保護スイッチを取り付けて、過熱保護スイッチの働きによって電気ヒータを作動・停止させて冷却水を徐々に加熱することも考えられる。しかしながら、この場合には、作動・停止を繰り返すことによって電気ヒータの回路に負担がかかるおそれがある。

本発明はこのような問題を解決するために発明されたもので、冷却水を加熱し過ぎることがなく、かつ、電気ヒータの回路にかかる負担を低減できる液体加熱装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様に係る液体加熱装置は、液体が循環する液体循環回路と、前記液体循環回路に設けられ、前記液体循環回路を循環する液体を加熱する加熱器と、前記加熱器の出力を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、液体の粘度が所定閾値を超えた場合に、前記加熱器の出力を制限する、ことを特徴とする。

このような態様によれば、液体循環回路を循環する液体を加熱する加熱器は、液体の粘度が所定閾値を超えた場合に出力が制限されるので、急激に液体を加熱することがない。したがって、液体を加熱し過ぎることを抑制することができる。また、加熱器が粘度に応じて出力を変えて液体を加熱することによって液体の過度な温度上昇が抑えられるので、過熱保護スイッチが設けられていても作動・停止を繰り返すことがない。そのため、過熱保護スイッチが作動することなく加熱器が継続して液体を加熱できるので、液体は速やかに加熱される。その結果、液体を加熱し過ぎることがなく、かつ、加熱器の回路にかかる負担を低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る液体加熱装置の構成図である。 図２は、流体加熱装置の電気ヒータの加熱制限制御の流れを示すフローチャートである。 図３は、不凍液の粘度と電力上限値との関係を示す電力上限値特性マップである。 図４は、不凍液の温度と粘度との関係を示す粘度特性テーブルである。 図５は、不凍液の粘度に応じて変化するポンプの回転数と出力との関係を示すポンプ出力特性テーブルである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の実施形態に係る液体加熱装置１００の構成図である。

液体加熱装置１００は、液体が循環する液体循環回路１から構成される。例えば、液体には、エチレングリコールを希釈した水溶液である不凍液が用いられる。また、液体加熱装置１００には、例えば、車室内の空調に利用する空気が通過するＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）ユニット２が併設される。

液体循環回路１は、ポンプ１１と、電気ヒータ１２と、ヒータコア１３と、これらを不凍液が循環可能となるように接続する流路１０と、から構成される。

ポンプ１１は、流路１０内の不凍液を送液して循環させる。

電気ヒータ１２は、内部に図示しない加熱部を有し、通過する不凍液を加熱する。電気ヒータ１２には、例えば、シーズヒータやＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータが用いられる。

ヒータコア１３は、ＨＶＡＣユニット２内に配置され、ヒータコア１３を通過する空気に不凍液の熱を吸収させることで、車室内に送風する空気を暖める。

ＨＶＡＣユニット２には、車室内に送風する空気が導入される。ＨＶＡＣユニット２は、空気を送風する図示しないブロワと、ヒータコア１３を通過する空気の量を調整するエアミックスドア２１と、を備える。また、ＨＶＡＣユニット２内にはエバポレータ２２とヒータコア１３とが配置され、ブロワから送風された空気は、エバポレータ２２内を流れる冷媒やヒータコア１３内を流れる冷却液との間で熱交換を行う。

エアミックスドア２１は、ＨＶＡＣユニット２内に配置されたヒータコア１３のブロワ側に設置される。エアミックスドア２１は、暖房運転時にヒータコア１３側を開き、冷房運転時にヒータコア１３側を閉じる。エアミックスドア２１の開度によって、空気とヒータコア１３内の不凍液との間の熱交換量が調節される。

エバポレータ２２は、冷房運転時に、車室内空調に利用する空気の熱を、図示しない冷凍サイクルを流れる冷媒に吸収させ、冷媒を蒸発させるとともに空気を冷却する。

液体加熱装置１００には、ポンプ入口温度センサ３１が設置されている。

ポンプ入口温度センサ３１は、ポンプ１１の入口に設置され、ポンプ１１に流入する不凍液の温度を検出する。

コントローラ３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などによって構成され、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵによって読み出すことで、液体加熱装置１００に各種機能を発揮させる。

コントローラ３０には、ポンプ入口温度センサ３１からの信号が入力される。コントローラ３０は、入力された信号に基づいて、ポンプ１１と、電気ヒータ１２と、エアミックスドア２１と、の出力をそれぞれ制御する。

次に、図２を参照して、不凍液が冷えた状態から液体加熱装置１００を起動する際にコントローラ３０が実行する電気ヒータ１２の加熱制限制御について説明する。図２は、電気ヒータ１２の加熱制限制御の流れを示すフローチャートである。ポンプ１１が起動すると、コントローラ３０は、図２のフローチャートに示す電気ヒータ１２の加熱制限制御を所定周期毎に実行する。

ステップＳ１０１では、コントローラ３０は、比例積分制御を実行し、電気ヒータ１２のヒータ出力演算値Ｄを算出する。

比例積分制御では、コントローラ３０は、不凍液の温度と目標温度との偏差を求め、当該偏差が大きくなるほどヒータ出力演算値Ｄが大きくなるように比例制御を行う。そして、コントローラ３０は、積分制御を行い、比例制御によって生じた残留偏差を時間積分してヒータ出力演算値Ｄに加算することで、積分制御後のヒータ出力演算値Ｄを算出する。

ステップＳ１０２では、コントローラ３０は、不凍液の粘度に基づいて、電気ヒータ１２の電力上限値Ｗｍａｘを算出する。コントローラ３０は、例えば、図３に示すような電力上限値特性マップに基づいて電力上限値Ｗｍａｘを求める。

図３は、不凍液の粘度と電力上限値Ｗｍａｘとの関係を示す電力上限値特性マップである。図３の横軸は不凍液の粘度であり、縦軸は不凍液の温度に対応する電力上限値Ｗｍａｘである。

電力上限値Ｗｍａｘは、図３に示すように、不凍液の粘度が所定の閾値粘度を超えると、閾値粘度以下の場合と比べて低く制限されるように予め定められている。また、不凍液の粘度が所定の閾値粘度を超えた場合の電力上限値Ｗｍａｘは、図３に実線で示すように、不凍液の粘度が大きくなるにつれて低下するように定められている。なお、電力上限値Ｗｍａｘは、図３に破線で示すように、不凍液の粘度が大きくなるにつれて段階的に低下するように定めてもよい。

ここで、不凍液の粘度は、温度に応じて変化するが、不凍液の液種類ごとにその物性が異なる。そこで、コントローラ３０のＲＯＭには、例えば、使用する不凍液の粘度を予め温度毎にプロットした図４に示すような粘度特性テーブルが記憶されている。

図４は、不凍液の温度と粘度との関係を示す粘度特性テーブルである。図４の横軸は不凍液の温度であり、縦軸は不凍液の粘度である。

不凍液の温度が比較的低い低温度域において、不凍液の粘度は、図４に示すように、閾値粘度を超えた粘度となり、不凍液の温度が低くなるにつれて急激に増大する。そのため、例えば寒冷地においてポンプ１１と電気ヒータ１２とを長時間停止した後に起動した場合には、不凍液の温度が低温度域となり、不凍液の粘度が閾値粘度を超えて大きく上昇している。

一方で、通常の使用時の温度範囲である通常温度域において、不凍液の粘度は、閾値粘度以下の粘度となり、温度の変化に応じて緩やかに変化する。

このように、低温度域と通常温度域とは、閾値粘度に基づいて設定される。低温度域と通常温度域との境界には、境界温度が設定される。

そして、図２のステップＳ１０２に示すように、コントローラ３０は、図４の粘度特性テーブルを参照し、ポンプ入口温度センサ３１によって検出されたポンプ１１の入口の不凍液の温度に基づいて、不凍液の粘度を求める。

ステップＳ１０３では、コントローラ３０は、ヒータ出力演算値Ｄが電力上限値Ｗｍａｘを超えていないか否かが判定される。コントローラ３０の処理は、ヒータ出力演算値Ｄが電力上限値Ｗｍａｘを超えていない、すなわちヒータ出力演算値Ｄが電力上限値Ｗｍａｘ以下の場合には、ステップＳ１０４に進む。他方で、ヒータ出力演算値Ｄが電力上限値Ｗｍａｘを超えている場合には、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０４では、コントローラ３０は、ヒータ出力値Ｄｗにヒータ出力演算値Ｄの値を代入する。そのため、電気ヒータ１２は、制限されていないヒータ出力演算値Ｄのままでヒータ出力値Ｄｗを出力して不凍液を加熱する。したがって、不凍液は、急速に加熱されることになる。その後、コントローラ３０は、電気ヒータ１２の加熱制限制御を終了する。

ステップＳ１０５では、コントローラ３０は、ヒータ出力値Ｄｗに電力上限値Ｗｍａｘの値を代入する。電気ヒータ１２は、不凍液の温度に基づいて低く制限された電力上限値Ｗｍａｘの値に基づいてヒータ出力値Ｄｗを出力して不凍液を加熱する。したがって、不凍液は、緩やかに加熱されることになる。その後、コントローラ３０は、電気ヒータ１２の加熱制限制御を終了する。

上記した液体加熱装置１００によれば、以下の効果を得ることができる。

液体加熱装置１００は、不凍液が循環する液体循環回路１と、液体循環回路１に設けられ、液体循環回路１を循環する不凍液を加熱する電気ヒータ１２と、電気ヒータ１２の出力を制御する制御部としてのコントローラ３０、を備える。コントローラ３０は、不凍液の粘度が所定閾値を超えた場合に、電気ヒータ１２の出力を制限する。

液体加熱装置１００によれば、液体循環回路１を循環する不凍液を加熱する電気ヒータ１２は、不凍液の粘度が所定の閾値粘度を超えた場合に、出力が制限されるので、急激に不凍液を加熱することがない。したがって、不凍液を加熱し過ぎることを抑制することができる。また、電気ヒータ１２が粘度に応じて出力を変えて液体を加熱することによって不凍液の過度な温度上昇が抑えられるので、過熱保護スイッチが設けられていても作動・停止を繰り返すことがない。そのため、過熱保護スイッチが作動することなく電気ヒータ１２が継続して不凍液を加熱できるので、不凍液は速やかに加熱される。その結果、不凍液を加熱し過ぎることがなく、かつ、電気ヒータ１２の回路にかかる負担を低減することができる。

液体加熱装置１００では、コントローラ３０は、不凍液の粘度が所定の閾値粘度よりも高くなるほど、電気ヒータ１２の出力の上限が低くなるように制限する。したがって、液体加熱装置１００によれば、電気ヒータ１２は、低温始動時等の不凍液の粘度が高い場合ほど、緩やかに不凍液を加熱することになるので、不凍液の流動性が著しく低下している場合でも、不凍液を加熱し過ぎることがなく、電気ヒータ１２の回路に負担がかかることを抑制することができる。

また、液体加熱装置１００では、コントローラ３０は、不凍液の温度に基づいて不凍液の粘度を推定する。このような液体加熱装置１００によれば、液体循環回路１内の不凍液の温度を検出することによって不凍液の粘度を簡単に推定でき、不凍液の粘度に基づいて電気ヒータ１２を制御することができる。

さらに、液体加熱装置１００では、コントローラ３０は、ポンプ１１の入口の不凍液の温度に基づいて不凍液の粘度を推定する。ポンプ１１の入口の不凍液は、ヒータコア１３で放熱した後の状態であり、液体循環回路１内で最も温度が低くなるので、粘性抵抗が最も大きくなる。そのため、推定した粘度から液体循環回路１内で最も大きい粘性抵抗を求めることでポンプ１１の出力を調整することができるので、液体循環回路１に不凍液を所望の流量で精度よく循環させることができる。

なお、コントローラ３０は、ポンプ入口温度センサ３１とは別の図示しない温度センサによって、電気ヒータ１２の入口とポンプ１１の入口との間のいずれかの位置の不凍液の温度を検出し、当該温度に基づいて上流に位置するポンプ１１の入口の不凍液の粘度を推定してもよい。ポンプ１１の仕事によって生じた熱損失によって、ポンプ１１の出口における不凍液の温度が上昇しているので、別の温度センサで検出した温度から当該熱損失分を減じることによって、ポンプ１１の入口における不凍液の温度を求めることができる。したがって、求めた不凍液の温度からポンプ１１の入口における粘度を推定することで、液体循環回路１内で最も大きい粘性抵抗を加味してポンプ１１の出力を調整することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、コントローラ３０は、ポンプ１１の入口の不凍液の温度を不凍液の粘度に基づいて求めたが、他の態様によって不凍液の粘度を求めてもよい。

例えば、コントローラ３０は、図５の特性テーブルを参照し、ポンプ１１の出力と回転数とに基づいて不凍液の粘度を推定することができる。

図５は、不凍液の粘度に応じて変化するポンプ１１の回転数と出力との関係を示すポンプ出力特性テーブルである。図５の横軸はポンプ１１の回転数であり、縦軸は出力である。ポンプ１１の出力は、図５に示すように、回転数が速くなるにしたがって増大する。ここで、不凍液の粘度が高い場合には、粘度が小さい場合と比較して粘性抵抗がかかって負荷が増大するので、同じ回転数でも出力が高くなる。コントローラ３０は、ポンプ１１の指示電流から出力を算出するとともに、ポンプ１１の回転数を図示しない回転センサによって検出する。そして、図５の特性テーブルを参照して、算出したポンプ１１の出力と、検出した回転数と、に基づいて不凍液の粘度を推定することができる。このような態様によれば、温度センサを用いることなく不凍液の粘度を推定することができる。

また、液体循環回路１には、電気ヒータ１２とともに、図示しない熱交換器を設けて、液体循環回路１を循環する不凍液を加熱することもできる。この場合の熱交換器は、例えば、図示しないヒートポンプサイクルを循環する冷媒やエンジン等の駆動源冷却回路を循環する冷却水と、液体循環回路１を循環する不凍液とが、熱交換できるように設置される。このような態様によっても、電気ヒータ１２の回路に負担をかけることなく、不凍液を徐々に加熱することができる。

１００ 車両用空調装置
１ 液体循環回路
２ ＨＶＡＣユニット
１０ 熱媒流路
１１ ポンプ
１２ 電気ヒータ（加熱器）
１３ ヒータコア
２１ エアミックスドア
２２ エバポレータ
３０ コントローラ（制御部）
３１ ポンプ入口温度センサ

Claims (6)

1. 液体加熱装置であって、
   液体が循環する液体循環回路と、
   前記液体循環回路に設けられ、前記液体循環回路を循環する液体を加熱する加熱器と、
   前記加熱器の出力を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、液体の粘度が所定閾値を超えた場合に、前記加熱器の出力を制限する、
   ことを特徴とする液体加熱装置。
2. 請求項１に記載の液体加熱装置であって、
   前記制御部は、液体の粘度が前記所定閾値よりも高くなるほど、前記加熱器の出力の上限が低くなるように制限する、
   ことを特徴とする液体加熱装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の液体加熱装置であって、
   前記制御部は、液体の温度に基づいて液体の粘度を推定する、
   ことを特徴とする液体加熱装置。
4. 請求項３に記載の液体加熱装置であって、
   前記加熱器の上流に設けられ、前記液体循環回路に液体を循環させるポンプをさらに備え、
   前記制御部は、前記加熱器の入口と前記ポンプの入口との間のいずれかの位置の液体の温度に基づいて、前記ポンプの入口の液体の粘度を推定する、
   ことを特徴とする液体加熱装置。
5. 請求項４に記載の液体加熱装置であって、
   前記制御部は、前記ポンプの入口の液体の温度に基づいて液体の粘度を推定する、
   ことを特徴とする液体加熱装置。
6. 請求項１又は請求項２に記載の液体加熱装置であって、
   前記制御部は、前記ポンプの出力と、前記ポンプの回転数と、に基づいて液体の粘度を推定する、
   ことを特徴とする液体加熱装置。