JP7195807B2

JP7195807B2 - 空気調和装置

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Publication number: JP7195807B2
Application number: JP2018146629A
Authority: JP
Inventors: 聡小南; 史郎松原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2022-12-26
Anticipated expiration: 2038-08-03
Also published as: JP2020019451A

Description

本発明は、空気調和装置に関するものである。

電気自動車やハイブリッド車等に設置される車両用空調装置に適用され、暖房用の熱源となる熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置の１つに、正特性サーミスタ素子（Positive Temperature Coefficient；以下、ＰＴＣ素子という。）を発熱要素とするＰＴＣヒータを用いたものが知られている。

熱媒体加熱装置には、基板収容ボックスと、上部熱交換器と、ＰＴＣヒータと、下部熱交換器を備え、これらが上記の順に積層され、ボルトを介して締め付け固定されることにより、一体化されるものがある。これにより、ＰＴＣヒータの両面から放熱し、上部熱交換器及び下部熱交換器内を流通する熱媒体を加熱する構成とされているため、ＰＴＣヒータの放熱効率を高めて加熱性能を向上させることができる。下記の特許文献１では、ＰＴＣヒータの上面と下面のそれぞれに上部熱交換器及び下部熱交換器が設置された熱媒体加熱装置が開示されている。

特許第４９８１３８６号公報

熱媒体加熱装置は、ＰＴＣ素子を発熱要素としており、車両に搭載されたバッテリーから電源が供給されるため、バッテリーの電圧が下がると、ＰＴＣヒータの発熱量が低下する。また、寒冷時など外気温度が低いとき、熱媒体加熱装置の熱交換器を流れる熱媒体の温度が低下するため、熱交換器の放熱量が高くなる。これらの少なくとも一つの条件下では、ＰＴＣヒータにおいて発熱が生じていたとしても、ＰＴＣ素子の温度が上昇せず、発熱量が不十分な状態が維持される。その結果、発熱量が放熱量を上回ることができない温度範囲で、ＰＴＣ素子の温度が安定化してしまう。

図８に示すように、ＰＴＣ素子は、電流が流れ始めて、例えば常温（約２５℃）から温度上昇するにつれて、抵抗値が低下し、キュリー温度を超えると抵抗値が急激に上昇する特性を有している。しかし、熱媒体加熱装置において、電圧が低下した条件下、又は、熱媒体の温度が低い条件下では、電流を流し続けてもＰＴＣ素子の温度上昇が妨げられて、ＰＴＣ素子の温度が低温領域で安定化してしまう。その結果、熱媒体加熱装置は、本来の加熱能力を発揮できず、車両用空調装置の暖房能力が不足するという問題が生じる。

また、熱媒体加熱装置に組み込まれたＰＴＣヒータのＰＴＣ素子自体の温度を計測することは一般的に困難である。そのため、ＰＴＣ素子が有する温度に基づいて熱媒体加熱装置の加熱能力を直接的に制御することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電圧が低下した条件下、又は、熱媒体の温度が低い条件下においても、ＰＴＣ素子の温度を上昇させて加熱能力を発揮させることが可能な熱媒体加熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の空気調和装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る空気調和装置は、内部にて熱媒体が流通する熱交換器と、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を持つＰＴＣ素子を含み、前記熱交換器と重ねて配置されるＰＴＣヒータとを有する熱媒体加熱装置と、前記ＰＴＣヒータに供給される電気の電圧及び電流を測定する第１測定部と、前記熱交換器に供給される前記熱媒体の温度を測定する第２測定部と、前記熱交換器を流通する前記熱媒体の流量を測定する第３測定部と、測定された前記電圧及び前記電流に基づいて、前記ＰＴＣヒータの実際の発熱量を算出する発熱量算出部と、測定された前記熱媒体の温度と前記ＰＴＣ素子の持つキュリー温度との温度差に基づいて、実際の放熱量が、算出された前記発熱量よりも低くなるように、前記熱交換器を流通する前記熱媒体の流量を算出する流量算出部と、算出された前記熱媒体の流量に基づいて、前記熱媒体の流量を調整する流量調整部とを備える。

この構成によれば、ＰＴＣヒータに供給される電気の電圧及び電流が測定されて、ＰＴＣヒータにおける実際の発熱量が算出される。電圧低下時、又は、熱媒体の温度が低いとき、実際の発熱量は目標発熱量よりも低いまま維持される可能性がある。上記態様では、測定された熱媒体の温度とＰＴＣ素子の持つキュリー温度との温度差に基づいて、実際の放熱量が、算出された発熱量よりも低くなるように、熱交換器を流通する熱媒体の流量が算出されて、算出された熱媒体の流量に基づいて、熱媒体の流量が調整される。その結果、熱交換器における放熱量が低下し、ＰＴＣヒータによって熱媒体の温度が上昇しやすくなる。また、ＰＴＣ素子自体の温度も上昇してキュリー温度に到達し、熱媒体加熱装置は、本来の加熱能力を発揮できる。

上記発明において、算出された前記発熱量が所定値以下である状態が、所定時間以上経過したか否かを判断する判断部を更に備え、前記判断部において、前記発熱量が所定値以下である状態が、所定時間以上経過したと判断されたとき、前記流量算出部によって算出された前記熱媒体の流量に基づいて、前記流量調整部が前記熱媒体の流量を調整してもよい。

この構成によれば、算出された発熱量が所定値以下である状態が、所定時間以上経過したとき、算出された熱媒体の流量に基づいて、熱媒体の流量が調整されるため、低い温度領域で安定化していたＰＴＣ素子の温度及び熱媒体の温度を上昇させることができる。

上記発明において、算出された前記発熱量が温度上昇時に閾値以上となったとき、前記流量算出部は、前記熱交換器を流通する前記熱媒体の流量を再び算出し、再び算出された前記熱媒体の流量に基づいて、前記流量調整部が前記熱媒体の流量を再び調整してもよい。

この構成によれば、熱媒体の流量を再調整せずに低い値としたままにする場合と比べて、熱交換器における放熱量が上昇して、発熱量と放熱量が高い値でバランスするため、熱媒体加熱装置は、高い加熱能力を発揮できる。

本発明によれば、電圧が低下した条件下、又は、熱媒体の温度が低い条件下においても、ＰＴＣ素子の温度を上昇させて加熱能力を発揮させることができる。

本発明の一実施形態に係る熱媒体加熱装置を備えた車両用空調装置を示す概略構成図である。本発明の一実施形態に係る熱媒体加熱装置を示す分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る熱媒体加熱装置の熱媒体流通経路を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る熱媒体加熱装置の熱媒体流通経路を示す分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る熱媒体加熱装置を示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る空気調和装置を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る空気調和装置の動作を示すフローチャートである。ＰＴＣ素子の抵抗値とＰＴＣ素子の温度の関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る熱媒体加熱装置１０を備えた車両用空調装置１の概略構成図が示されている。
車両用空調装置１は、外気または車室内空気を取り込んで温調した後、それを車室内へと導くための空気流通路２を形成するケーシング３を備えている。

このケーシング３の内部には、空気流通路２の上流側から下流側にかけて順次、外気または車室内空気を吸い込んで昇圧し、それを下流側へと圧送するブロア４と、該ブロア４により圧送される空気を冷却する冷却器５と、冷却器５を通過して冷却された空気を加熱する放熱器６と、放熱器６を通過する空気量と放熱器６をバイパスする空気量との流量割合を調整し、その下流側でエアミックスすることにより、温調風の温度を調節するエアミックスダンパ７とが設置されている。

ケーシング３の下流側は、図示省略された吹き出しモード切替えダンパ及びダクトを介して温調された空気を車室内に吹き出す複数の吹き出し口に接続されている。
冷却器５は、図示省略された圧縮機、凝縮器、膨張弁等と共に冷媒回路を構成し、膨張弁で断熱膨張された冷媒を蒸発させることにより、そこを通過する空気を冷却するものである。また、放熱器６は、タンク８、ポンプ９及び熱媒体加熱装置１０とともに熱媒体循環回路１１を構成し、熱媒体加熱装置１０で高温に加熱された熱媒体（例えば、不凍液や温水等）がポンプ９を介して循環されることにより、そこを通過する空気を加温するものである。

図２及び図５に示すように、熱媒体加熱装置１０は、基板収容ボックス２０と、熱交換器３０と、ＰＴＣヒータ４０と、熱交換器５０と、を備え、これらが上記の順に積層され、図示省略のボルトを介して締め付け固定されることにより、一体化されている。

基板収容ボックス２０は、長方形状を有し、蓋２１が設けられる。熱交換器３０は、基板収容ボックス２０と同じ大きさの長方形状を有する。ＰＴＣヒータ４０は、熱交換器３０よりも小さい長方形状を有する。熱交換器５０は、熱交換器３０と同じ大きさの長方形状を有し、蓋５１が設けられる。

基板収容ボックス２０は、アルミニウム合金等の熱伝導性材料により構成される、上面が蓋２１により密閉される長方形状の箱体であり、内部にＰＴＣヒータ４０を制御する制御基板２２が収納設置される。制御基板２２は、ＦＥＴ（電界効果トランジスター：Field effect transistor）２３等の発熱部品や制御回路が組み込まれる。制御基板２２には、ＰＴＣヒータ４０を駆動するための３００Ｖの高電圧と、制御用の１２Ｖの低電圧が供給される。

制御基板２２は、図５に示すように、基板収容ボックス２０の底面から突出されている支持部２４に、四隅をビス止めして固定設置される。また、ＦＥＴ２３等の発熱部品は、制御基板２２の下面に配設され、基板収容ボックス２０の底面に設けられている冷却部２５の上面に対し、図示省略の絶縁層を介して接触される。ＦＥＴ２３等の発熱部品及び冷却部２５は、発熱部品に対する冷却効果を高めるために、熱交換器３０に設けられる後述の熱媒体流通路の入口側近傍に配設される。

熱交換器３０は、図３及び図４に示すように、アルミニウム合金等の熱伝導性材料により構成される長方形状の箱体であり、その上面側には、両端部に形成される一対の入口ヘッダ３１及び出口ヘッダ３２と、この入口ヘッダ３１及び出口ヘッダ３２間に形成される多数のセパレートされた平行な溝状の流通路３３と、が設けられる。

入口ヘッダ３１及び出口ヘッダ３２並びに流通路３３の上面は、上記した基板収容ボックス２０の底面により密閉される（図５参照）。これにより、熱交換器３０内には、入口ヘッダ３１内に流入された熱媒体が多数の流通路３３に分配され、流通路３３内を同時平行的に流れて出口ヘッダ３２に至る熱媒体の流通経路が形成される。また、基板収容ボックス２０の底面に設けられている冷却部２５が、上記の流通路３３内を流通される熱媒体によって冷却される制御基板の冷却構造が提供される。

また、上記した入口ヘッダ３１には、熱媒体の流入口３４が設けられ、出口ヘッダ３２には、熱交換器５０への連通口３５と、出口ヘッダ３２から分離され、熱交換器５０から流入される熱媒体を外部に流出させる流出口３６と、が設けられる。

また、熱交換器３０の下面側には、ＰＴＣヒータ４０を収容設置するための凹面３７（図５参照）が設けられる。この凹面３７は、熱媒体が流通する流通路３３の裏面と対向され、ＰＴＣヒータ４０が密着されるよう平坦面とされている。

ＰＴＣヒータ４０は、図５に示すように、長方形状に構成された平板状のＰＴＣ素子４１を発熱要素とし、このＰＴＣ素子４１を挟んでその両面に各々電極板４２、非圧縮性絶縁層４３及び圧縮性熱伝導層４４が順次積層されて設けられた積層構造を有するものである。

ＰＴＣ素子４１は、複数組、例えば４組のＰＴＣ素子４１が並置されて設けられたものであり、制御基板２２に組み込まれている制御回路により、各々ＰＴＣ素子４１単位でオンオフ制御される構成とされている。

電極板４２は、ＰＴＣ素子４１に電力を供給するためのもので、ＰＴＣ素子４１と同じ長方形状の薄板であり、導電性および熱伝導性を有している。
非圧縮性絶縁層４３は、長方形状の薄板であり、アルミナ等の絶縁材により構成され、熱伝導性を有するものである。この非圧縮性絶縁層４３は、電極板４２よりも大きな面積を有し、電極板４２の外面側に積層された状態において、その四辺が電極板４２の四辺よりも少し外側に延出されるようになっている（図５参照）。

また、非圧縮性絶縁層４３は、その厚さが１．０ｍｍ～２．０ｍｍに構成される。これは、ＰＴＣ素子４１および電極板４２とその外側に設けられる熱交換器３０および熱交換器５０との間において、その間の熱抵抗を極力小さくするとともに、電気絶縁性を十分に確保するためであり、万一非圧縮性絶縁層４３が割れたりした場合でも、空気層により絶縁性が保たれるよう、少なくとも１．０ｍｍ以上の厚さとされている。

圧縮性熱伝導層４４は、圧縮性を有する長方形状のシート材であり、シリコンシート等の絶縁シートで構成され、熱伝導性を有するものである。この圧縮性熱伝導層４４は、非圧縮性絶縁層４３よりも大きな面積を有し、非圧縮性絶縁層４３の外面側に積層された状態において、その四辺が電極板４２の四辺よりも大分外側に延出されるようになっている（図５参照）。

また、圧縮性熱伝導層４４は、シリコンシートにより構成される場合、その厚さが０．４ｍｍ～２．０ｍｍとされる。これは、厚さを２．０ｍｍ以下に制限し、発熱要素であるＰＴＣ素子４１と熱交換器３０および熱交換器５０間の熱抵抗を極力小さくするためである。また、厚さを少なくとも０．４ｍｍ以上とすることにより圧縮機能を確保し、熱交換器３０と熱交換器５０との間にＰＴＣヒータ４０を組み付ける際に、圧縮性を利用してＰＴＣヒータ４０に熱交換器３０および熱交換器５０を確実に密着させるとともに、組み付け寸法公差を吸収するためである。

熱交換器５０は、図３及び図４に示すように、アルミニウム合金等の熱伝導性材料により構成される長方形状の箱体であり、その下面側には、一端部に形成される一対の入口ヘッダ５２及び出口ヘッダ５３と、この入口ヘッダ５２から他端側に延び、他端部でＵターンして出口ヘッダ５３に戻る、多数のセパレートされた平行な溝状の流通路５４と、が設けられる。

入口ヘッダ５２及び出口ヘッダ５３並びに流通路５４の下面は、蓋５１によって密閉される。これによって、熱交換器５０内に、入口ヘッダ５２内に流入された熱媒体が、入口ヘッダ５２により多数の流通路５４に分配され、各流通路５４内を同時平行的に流通して他端部でＵターンし、出口ヘッダ５３に至る熱媒体の流通経路が形成される。

熱交換器５０の入口ヘッダ５２は、熱交換器３０の出口ヘッダ３２に設けられている連通口３５と連通され、熱交換器３０を経た熱媒体が流入される。また、熱交換器５０の出口ヘッダ５３は、熱交換器３０の出口ヘッダ３２に、それと分離されて設けられている流出口３６に連通され、熱交換器５０を経た熱媒体を外部に流出させる経路を構成している。

熱交換器５０の上面は、平坦面５５（図５参照）とされ、平坦面５５は、熱交換器３０の平坦な凹面３７との間で、ＰＴＣヒータ４０をサンドイッチ状に挟み込む。これにより、凹面３７と平坦面５５が、ＰＴＣヒータ４０の圧縮性熱伝導層４４に圧着される。

ＰＴＣヒータ４０は、図５に示すように、その両面に各々密着されて設けられる熱交換器３０及び熱交換器５０内を流通される熱媒体に対して、両面から放熱して熱媒体を加熱できるよう構成される。

熱交換器３０の流入口３４には、熱媒体循環回路１１が接続される。ポンプ９から圧送されてくる低温の熱媒体は、流入口３４から入口ヘッダ３１に流入し、各流通路３３に分配される。各流通路３３を出口ヘッダ３２に向って流通された熱媒体は、出口ヘッダ３２でいったん合流された後、連通口３５を経て熱交換器５０の入口ヘッダ５２に流入される。この熱媒体は、入口ヘッダ５２により各流通路５４に分配され、各流通路５４内を流通して他端部でＵターンされた後、出口ヘッダ５３に至り、再び合流される。この熱媒体は、出口ヘッダ５３に連通されている流出口３６から熱媒体循環回路１１へと流出される。以上により熱媒体の流通経路が構成される。

ＰＴＣヒータ４０の両面から放熱し、熱交換器３０及び熱交換器５０内を流通する熱媒体を加熱する構成とされているため、ＰＴＣヒータ４０の放熱効率を高めて加熱性能を向上させることができる。また、ＰＴＣヒータ４０を熱交換器３０及び熱交換器５０によりサンドイッチ状に挟み込み、ＰＴＣヒータ４０の両面に熱交換器３０及び熱交換器５０を密着させる積層構造としているため、ＰＴＣヒータ４０と熱交換器３０及び熱交換器５０とを密着させて組み付けることができ、熱伝導性及び組み立て性を良好にすることができる。

なお、上記実施形態では、熱媒体を熱交換器３０から熱交換器５０へと流通させる例について説明したが、逆に熱交換器５０から熱交換器３０へと流通させるようにしてもよく、この場合、制御基板２２の冷却機能を維持するため、基板収容ボックス２０は熱交換器５０側に配設することができる。

図６に示すように、ＰＴＣヒータ４０の電源系統には、ＰＴＣヒータ４０へ供給される電気の電圧及び電流を測定する測定計５７が接続される。測定計５７は、測定された電圧及び電流に関する情報を制御部６１へ送信する。なお、上述した例では、測定計５７が、電圧及び電流の両者を測定するとしたが、電圧と電流を個別に測定する二つの測定計としてもよい。

温度測定部５８は、熱媒体循環回路１１において、熱媒体加熱装置１０の熱交換器３０，５０の入口側に設置され、熱交換器３０，５０に供給される熱媒体の温度を測定する。温度測定部５８は、測定された温度に関するデータ情報を制御部６１へ送信する。

流量計５９は、熱媒体循環回路１１に設置され、熱媒体循環回路１１を流れる熱媒体の流量を測定する。流量計５９は、測定された流量に関するデータ情報を制御部６１へ送信する。

流量調整弁６０は、熱媒体循環回路１１に設置され、熱媒体循環回路１１を流れる熱媒体の流量を調整する。熱媒体循環回路１１を流れる熱媒体の流量は、例えば、制御部６１で算出された熱媒体の流量となるように調整される。なお、流量調整弁６０ではなく、熱媒体循環回路１１に設置されたポンプ９によって熱媒体循環回路１１を流れる熱媒体の流量を調整してもよい。

制御部６１は、発熱量算出部６２と、判断部６３と、流量算出部６４と、メモリ６５などを備える。制御部６１の動作は、予め記録されたプログラムを実行して、ＣＰＵ等のハードウェア資源によって実現される。

発熱量算出部６２は、測定されたＰＴＣヒータ４０の電圧及び電流に基づいて、ＰＴＣヒータ４０の実際の発熱量を算出する。具体的には、発熱量Ｑ_１［Ｗ］は、下記の式で算出される。
Ｑ_１＝Ｖ×Ｉ
ここで、Ｖは、測定された電圧であり、Ｉは、測定された電流である。発熱量Ｑ_１は、上記式で算出されるが、電流と抵抗の関係によって、以下の式に置き換えることができる。
Ｑ_１＝Ｖ^２／Ｒ
ここで、Ｒは、ＰＴＣ素子４１の抵抗値である。電圧低下時は、上記式からも分かるように、ＰＴＣヒータ４０の発熱量が低い。また、ＰＴＣ素子４１の特性によって、常温からキュリー温度までの範囲では、ＰＴＣ素子４１の温度が上昇するにつれて、ＰＴＣ素子４１の抵抗値が低下する。そのため、常温からキュリー温度までの範囲では、ＰＴＣ素子４１の温度が上昇するにつれて、発熱量が上昇する。一方、キュリー温度を超えると、ＰＴＣ素子４１の温度が上昇した場合、ＰＴＣ素子４１の抵抗値が上昇する。そのため、キュリー温度を超えたＰＴＣ素子４１の温度が上昇したとしても、流れる電流が減少するため、発熱量が減少する。

判断部６３は、算出された実際の発熱量が所定値以下である状態が、所定時間以上経過したか否かを判断する。例えば、熱媒体加熱装置１０の運転が開始されてから所定時間以上経過しても、実際の発熱量が上昇しない場合などを判断する。

流量算出部６４は、熱交換器３０，５０の実際の放熱量が、算出された実際の発熱量よりも低くなるように、熱交換器３０，５０の目標放熱量を設定する。流量算出部６４によって、目標放熱量が設定されるとき、目標放熱量に対応した熱媒体の流量が算出される。

目標放熱量は、測定された熱媒体のＰＴＣヒータ入口温度とＰＴＣ素子４１の持つキュリー温度との温度差に基づいて、熱媒体の流量に応じて算出される。具体的には、放熱量Ｑ_２［Ｗ］は、下記の式で表される。
Ｑ_２＝Ｋ×（Ｔ_素子－Ｔ_水温）
ここで、Ｋは熱媒体の流量毎に定まる係数、Ｔ_素子はＰＴＣ素子４１が持つキュリー温度、Ｔ_水温は測定された熱媒体のＰＴＣヒータ入口温度である。なお、係数Ｋは、製品設計・製造時のテストやシミュレーション等によって、放熱量Ｑ_２、及び、測定された熱媒体のＰＴＣヒータ入口温度とＰＴＣ素子４１の持つキュリー温度との温度差の関係に基づいて、予め取得しておく。また、係数Ｋは、熱媒体の流量毎に取得されており、メモリ６５に記録されている。

目標放熱量は係数Ｋに応じて変化し、係数Ｋは熱媒体の流量毎に定まる係数であり、測定された熱媒体のＰＴＣヒータ入口温度とＰＴＣ素子４１の持つキュリー温度との温度差が一定であるから、目標放熱量が設定されると熱媒体の流量が算出される。

次に、図７を参照して、本実施形態に係る車両用空調装置１の動作について説明する。
車両用空調装置１において、熱媒体加熱装置１０の運転が開始されると、熱交換器３０，５０に熱媒体が流通し、ＰＴＣヒータ４０に電気が供給される。

このとき、測定計５７によって、ＰＴＣヒータ４０へ供給される電気の電圧及び電流が測定される。また、熱交換器３０，５０の入口側に設置された温度測定部５８によって、熱交換器３０，５０に供給される熱媒体の温度が測定される。さらに、熱媒体循環回路１１に設置された流量計５９によって、熱媒体循環回路１１を流れる熱媒体の流量が測定される（ステップＳ１）。

そして、発熱量算出部６２では、測定されたＰＴＣヒータ４０の電圧及び電流に基づいて、ＰＴＣヒータ４０の実際の発熱量が逐次算出されている（ステップＳ２）。

ＰＴＣ素子４１の温度が低い状態で安定化しているとき、例えば、判断部６３において熱媒体加熱装置１０の運転が開始されてから所定時間以上経過しても、実際の発熱量が上昇しないと判断された場合（ステップＳ３）、流量算出部６４によって、熱交換器３０，５０の実際の放熱量が、算出された実際の発熱量よりも低くなるように、熱交換器３０，５０の目標放熱量が設定される（ステップＳ４）。

目標放熱量は、測定された熱媒体のＰＴＣヒータ入口温度とＰＴＣ素子４１の持つキュリー温度との温度差と、係数Ｋによって設定される。測定された熱媒体のＰＴＣヒータ入口温度とＰＴＣ素子４１の持つキュリー温度との温度差が一定であるから、係数Ｋを変化させることによって、目標放熱量が設定される。係数Ｋは熱媒体の流量毎に定まる係数であるから、流量を変化させることによって目標放熱量を変化させることができる。

電圧低下時、又は、熱媒体の温度が低温の場合、実際の放熱量が実際の発熱量よりも低くなるようにするためには、係数Ｋをより小さい値に設定して目標放熱量を低下させる。その結果、熱媒体の流量がより少なくなるように算出される（ステップＳ４）。

そして、制御部６１は、算出された熱媒体の流量となるように流量調整弁６０の開度を調整する（ステップＳ５）。調整後の熱媒体の流量は流量計５９で確認される。

実際の放熱量が実際の発熱量よりも低くなるように少ない流量で熱媒体が流通すると、放熱量が抑制されるため、ＰＴＣヒータ４０によって加熱された熱媒体の温度が上昇し始める。熱媒体の温度が上昇すると、ＰＴＣヒータ４０のＰＴＣ素子４１の温度も上昇する。図８に示すように、低温領域で安定化していたＰＴＣ素子４１の温度が上昇することによって、キュリー温度に到達するまで、ＰＴＣ素子４１の抵抗値が低下し、実際の発熱量も上昇する。

ＰＴＣ素子４１の温度が上昇しキュリー温度を超えると、ＰＴＣ素子４１の抵抗値が反対に上昇するため、発熱量が低下する。そして、熱媒体の温度上昇率が低下し、発熱量と放熱量とのバランスでＰＴＣ素子４１の温度や熱媒体の温度が安定化する。このときのＰＴＣ素子４１の温度は、流量調整前のＰＴＣ素子４１の温度よりも高く、熱媒体加熱装置１０は、本来の加熱能力を発揮する。その結果、電圧が低下した場合、又は、外気温度が低い場合でも、車両用空調装置１の通常の暖房能力を得ることができる。

なお、ＰＴＣ素子４１の温度が上昇している過程で、実際の発熱量が上昇することから、流量算出部６４が設定した目標放熱量を再設定することが望ましい。すなわち、実際の放熱量が実際の発熱量よりも低くなるようにしつつ、目標放熱量を当初の目標放熱量よりも高く設定し直す。これにより、係数Ｋがより大きい値に設定され、熱媒体の流量がより多くなるように算出される。そして、流量調整弁６０によって熱媒体の流量が再度調整される。

その結果、目標放熱量を再設定せずに低い値としたまま、すなわち、熱媒体の流量を再調整せずに低い値としたままにする場合と比べて、熱交換器３０，５０における放熱量が上昇して、発熱量と放熱量が高い値でバランスするため、熱媒体加熱装置１０は、高い加熱能力を発揮できる。

目標放熱量を再設定するタイミングは、例えば、温度上昇時に発熱量算出部６２が算出している発熱量が所定閾値以上となったとき等である。所定閾値は、当初設定された目標放熱量よりも低い値であり、当初設定された目標放熱量に対する所定の割合などで決定される。目標放熱量を再設定するタイミングとして適切な所定閾値は、製品設計・製造時のテストやシミュレーションなどによって予め取得しておく。

以上、本実施形態によれば、目標放熱量が、算出された発熱量よりも低くなるように、熱交換器３０，５０を流通する熱媒体の流量が調整される。その結果、熱交換器３０，５０における放熱量が低下し、ＰＴＣヒータ４０によって熱媒体の温度が上昇しやすくなる。また、ＰＴＣ素子４１自体の温度も上昇してキュリー温度に到達し、熱媒体加熱装置１０は、本来の加熱能力を発揮できる。

また、電圧低下時、又は、熱媒体の温度が低いときに、実際の発熱量が目標発熱量よりも低いまま維持された場合において、上述した制御によって、低い温度領域で安定化していたＰＴＣ素子４１の温度及び熱媒体の温度を上昇させることができる。

さらに、熱媒体の流量を変化させた後、算出された発熱量が温度上昇時に閾値以上となったとき、熱媒体の流量を再度調整することによって、発熱量と放熱量を高い値でバランスさせることができるため、熱媒体加熱装置１０は、高い加熱能力を発揮できる。

１：車両用空調装置
２：空気流通路
３：ケーシング
４：ブロア
５：冷却器
６：放熱器
７：エアミックスダンパ
８：タンク
９：ポンプ
１０：熱媒体加熱装置
１１：熱媒体循環回路
２０：基板収容ボックス
２１：蓋
２２：制御基板
２３：ＦＥＴ
２４：支持部
２５：冷却部
３０：熱交換器
３１：入口ヘッダ
３２：出口ヘッダ
３３：流通路
３４：流入口
３５：連通口
３６：流出口
３７：凹面
４０：ＰＴＣヒータ
４１：ＰＴＣ素子
４２：電極板
４３：非圧縮性絶縁層
４４：圧縮性熱伝導層
５０：熱交換器
５１：蓋
５２：入口ヘッダ
５３：出口ヘッダ
５４：流通路
５５：平坦面
５７：測定計
５８：温度測定部
５９：流量計
６０：流量調整弁
６１：制御部
６２：発熱量算出部
６３：判断部
６４：流量算出部
６５：メモリ

Claims

内部にて熱媒体が流通する熱交換器と、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を持つＰＴＣ素子を含み、前記熱交換器と重ねて配置されるＰＴＣヒータとを有する熱媒体加熱装置と、
前記ＰＴＣヒータに供給される電気の電圧及び電流を測定する第１測定部と、
前記熱交換器に供給される前記熱媒体の温度を測定する第２測定部と、
前記熱交換器を流通する前記熱媒体の流量を測定する第３測定部と、
測定された前記電圧及び前記電流に基づいて、前記ＰＴＣヒータの実際の発熱量を算出する発熱量算出部と、
算出された前記発熱量よりも低くなるように、目標放熱量を設定し、前記目標放熱量に対応した前記熱交換器を流通する前記熱媒体の流量を算出する流量算出部と、
算出された前記熱媒体の流量に基づいて、前記熱媒体の流量を調整する流量調整部と、
を備え、
前記目標放熱量は、測定された前記熱媒体の温度と前記ＰＴＣ素子の持つキュリー温度との温度差に基づいて、前記熱媒体の流量に応じて算出される空気調和装置。
算出された前記発熱量が所定値以下である状態が、所定時間以上経過したか否かを判断する判断部を更に備え、
前記判断部において、前記発熱量が所定値以下である状態が、所定時間以上経過したと判断されたとき、前記流量算出部によって算出された前記熱媒体の流量に基づいて、前記流量調整部が前記熱媒体の流量を調整する請求項１に記載の空気調和装置。
算出された前記発熱量が温度上昇時に閾値以上となったとき、前記流量算出部は、前記熱交換器を流通する前記熱媒体の流量を再び算出し、再び算出された前記熱媒体の流量に基づいて、前記流量調整部が前記熱媒体の流量を再び調整する請求項１又は２に記載の空気調和装置。