KR20080069613A

KR20080069613A - 엔진 독립형 히터의 제어 장치, 히터, 가열 시스템 및 엔진독립형 히터의 제어 방법

Info

Publication number: KR20080069613A
Application number: KR1020087012032A
Authority: KR
Inventors: 니콜라우스 게르하르트; 칼 고틀; 마르쿠스 그리네르
Original assignee: 베바스토 아게
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-07-28
Also published as: JP5333833B2; CN101346249A; CN101346249B; US20090008464A1; EP1940636A1; JP2009512582A; WO2007048394A1; US8740105B2; DE102005050862B3; EP1940636B1

Abstract

본 발명은 특히 자동차용 열전달 매체 회로(1)의 액상 열전달 매체를 가열시키는 엔진 독립형 히터(3)를 위한 제 어장치(12)에 관한 것이다. 제어 장치(12)는 열전달 매체의 실제 온도 기울기((dT/dt)_1st)가 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)와 동일하거나 초과할 때 히터(3)의 용량을 감소시킨다. 제어 장치(12)는 열전달 매체의 목표 온도(

_Soll)와 열전달 매체의 실제 온도(

_1st)간의 온도차(D

)에 따라 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 동적으로 결정한다. 또,한 본 발명은 히터(3), 가열 시스템(1), 및 본 발명에 따른 히터(3)를 제어하는 방법에 관한 것이다.

자동차, 히터, 제어, 펌프, 온도 기울기

Description

엔진 독립형 히터의 제어 장치, 히터, 가열 시스템 및 엔진 독립형 히터의 제어 방법{Control device for an engine-independent heater, heating system, and method for controlling an engine-independent heater}

본 발명은 특히 자동차의 열전달 매체 회로의 액상 열전달 매체를 가열하는 엔진 독립형 히터의 제어 장치에 관한 것으로서, 상기 제어 장치는 열전달 매체의 현재 온도 기울기(gradient)가 온도 기울기 한계치(threshold value)와 동일하거나 더 클 때 가열 용량을 감소시킨다.

또한, 본 발명은 히터와 가열 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 특히 자동차의 열전달 매체 회로의 액상 열전달 매체를 가열하는 엔진 독립형 히터의 제어 방법에 관한 것이다.

열전달 매체 회로에 구비된 히터의 과열 위험을 미리 감지하기 위한 수단들은 선행기술에 이미 알려져 있다. 이 경우에, 목적은 상기 히터 또는 상기 열전달 매체 회로에 손상이 발생하기 전에 방지 대책을 강구하는 것이 가능하도록 실제 과열 상태가 발생하기 전에 위협적으로 과열된 상태를 분명하게 감지하는 것이다.

독일 특허 DE 195 24 260 C2에는 엔진 독립형 히터의 제어 장치, 히터, 가열 시스템 및 엔진 독립형 히터의 제어 방법이 개시되어 있다. 독일 특허 DE 195 24 260 C2에 개시된 히터는 특히 자동차의 내부를 가열하기 위해 사용되는 것이다. 작동 중에, 열전달 매체의 현재 온도 기울기가 온도 기울기의 한계치를 초과할 때, 이 히터의 경우 가열 용량이 감소 되거나 히터의 작동이 정지된다. 온도 기울기의 다양한 한계치들은 열전달 매체의 현재 온도에 대한 함수로서 선택된다. 따라서, 온도 레벨이 낮은 상태이고 그에 따라 분명히 위험한 온도 레벨보다 낮은 상태에 있는 한, 비교적 온도의 빠른 상승도 과열의 위험이 없이 허용될 수 있다. 이와 대조적으로, 고온에 도달하자마자 단지 비교적 느린 온도의 상승만이 허용될 수 있다.

결론적으로, 온도 기울기의 한계치들이 열전달 매체의 고정된 온도값들에 할당되기 때문에, 이 할당은 예를 들어, 열전달 시스템의 열역학적 특성들과 같은 특성들의 함수로서 미리 규정되어야 한다. 열전달 시스템의 변화 후에, 예를 들어, 다른 열전달 매체의 사용 후에, 히터의 제어는 현재 단지 조건부로 사용될 수 있고 더 이상 변화된 시스템에 맞춰지지 않았다.

그러므로, 본 발명의 목적은 과열 가능성이 있는 경우를 더 일찍 좀 더 차별화된 방식으로 감지하여 히터의 유연한 제어를 수행할 수 있도록 하는 일반적인 구성요소들과 일반적인 방법을 개발함에 있다.

이러한 목적은 독립항들의 특징에 의해서 달성된다.

본 발명의 유익한 개량과 개발은 종속항에 따른다.

본 발명의 엔진 독립형 히터의 제어 장치는, 제어 장치가 열전달 매체의 도달될 목표 온도와 현재 열전달 매체 온도 사이의 온도차에 대한 함수로서 온도 기울기 한계치를 동적으로 결정한다는 사실에 의한 일반적인 선행기술에 근거하고 있다. 왜냐하면 온도 기울기 한계치는 동적으로, 즉 계속 반복되는 방식으로, 결정되기 때문에, 열전달 시스템이나 이의 구성요소의 과열된 상태를 초과하는 정확한 온도 기울기 한계치는 영원히 존재한다. 또한, 온도 기울기 한계치가 실제 온도와 요구되는 온도 사이의 온도차에 대한 함수로서 결정되기 때문에, 열전달 매체의 목표 온도가 변하는 경우에 제어 장치는 또한 히터를 제어하는 데에 적합하다. 예를 들어, 비교적 더 낮은 온도에서 과열된 상태가 발생하는 경우 열전달 매체가 사용될 때에, 더 낮은 최고 목표 온도가 일반적으로 허용되도록 하기 위해서, 열전달 매체의 이러한 목표 온도는 사용된 열전달 매체에 의존할 수 있다. 또한, 이것은 다양한 작동 단계들 중에 다양한 온도 레벨에서 열전달 매체를 작동시키는 것을 목표로 하는 것도 고려할 수도 있다. 위협적으로 과열된 상태에 대한 감지는 다양한 목표 온도에서 본 발명에 근거한 신뢰할 수 있는 방식으로 수행될 수 있다. 즉, 열전달 시스템 또는 이의 구성요소에서 발생 가능한 과열된 상태는 본 발명의 제어 장치에 의해 훨씬 더 차별화된 방식으로 더 일찍 감지될 수 있다.

본 발명의 제어 장치는 온도 기울기 한계치를 결정할 때 제어 장치가 부수적으로 주위 온도를 고려한다는 사실에 의해서 유리하게 개발될 수 있다. 결과적으로, 위협적으로 과열된 상태를 감지하는 동안에, 다양한 기후 지역에서 자동차에 대한 사용에 관한 환경을 포함하여 본 발명의 히터 또는 본 발명의 가열 시스템이 사용되고 있는 환경도 또한 고려된다. 예를 들어, 만약 주위 온도가 상대적으로 낮다면, 높은 온도 기울기는 상대적으로 고온의 환경의 경우보다 과열된 경우를 잘 지시하지 못한다. 본 발명의 제어 장치는 이 개발에 따라 이러한 주위 환경을 고려한다.

또한, 본 발명에 따른 제어 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 온도 기울기 한계치를 계산하여 온도 기울기 한계치를 결정하는 제어장치가 제공된다. 온도 기울기 한계치에 대한 최적의 결정은 온도 기울기 한계치의 동적, 즉 끊임없이 반복되는 계산에 의해 달성된다. 또는, 제어 장치는 테이블로부터 온도 기울기 한계치를 읽어서 온도 기울기 한계치를 결정할 수 있다. 여기서, 과열된 상태에 대한 결정의 정확성은 테이블에 온도 기울기 한계치를 저장하기 위해 사용되는 간격에 달려 있다. 계산은 메모리를 소비하는 어떤 테이블들도 미리 제공할 필요가 없다는 이점을 가진다. 그러나 이런 경우에 온도 기울기 한계치는 본 발명의 제어 장치가 작동되는 시간에 가깝게 결정된다.

또한, 본 발명의 제어 장치는 아래의 방정식의 도움으로 온도 기울기 한계치를 결정하는 방식으로 개발될 수 있다.

이 방정식에서 c₁, c₂ 와 c₃는 미리 결정되어 제어 장치에 저장된 계수이다. 주위 온도는 여기의 온도 기울기 한계치의 결정에 반드시 관련된 것은 아니다. 예를 들어, 계수들이 시험에 의해 미리 결정되어 제어 장치에 저장되는 것도 고려될 수 있다. 또한, 계산이 선택된 열전달 시스템 구성요소들, 및 선택된 열전달 매체 등에 따라서 미리 결정된 계수들에 대한 기반이 될 수 있다.

또는, 본 발명의 제어 장치가 아래의 방정식의 도움으로 온도 기울기 한계치를 결정하도록 제어 장치가 개발될 수 있다.

이 방정식에서 c₁ 과 c₂는 주위 온도의 함수로서 제어 장치에 의해 결정된 계수들이고, c₃는 미리 결정되어 제어 장치에 저장된 계수이다.

이들 공식들은 온도 기울기 한계치를 결정하는 특별한 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 히터, 가열 시스템 및 히터를 제어하는 방법은 제어 장치가 도달될 열전달 매체의 목표 온도와 현재 열전달 매체 온도 사이의 온도차에 대한 함수로서 온도 기울기 한계치를 동적으로 결정한다는 사실에 의한 일반적인 선행기술에 기초한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 제어 장치와 관련하여 이에 의해 설명되는 이점들과 특성들은 동일하거나 유사한 방식이 된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 아래에서 도면들의 도움으로 예시적으로 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 가열 시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.

도 2는 도달될 열전달 매체의 목표 온도와 현재 열전달 매체 온도 사이의 온도차와 온도 기울기 한계치 사이의 함수 관계를 정성적으로 설명하는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1...열전달 매체 회로 2...재순환 펌프

3...히터 4...열교환기

5...차량 가열 팬 6...차량 내부

7...히터의 입구 8...히터의 출구

9...주입 펌프 10...연소 공기 팬

11...온도 센서 12...제어 장치

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은, 예를 들어, 자동차용 히터를 가진 냉각제 회로와 같은 열전달 매체 회로(1) 또는 열전달 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 것이다. 화살표에 의해 나타난 바와 같이, 예를 들어, 첨가물을 함유할 수 있는 물과 같은 열전달 매체는 열전달 매체 회로(1)의 내부에서 순환한다. 열전달 매체 회로(1)는 재순환 펌프(2), 내부에 재순환 펌프(2)가 구비된 엔진 독립형 연료 작동식 히터(3), 및 차량 가열 팬(5)이 할당된 열교환기(4)를 포함한다. 열전달 매체가 가열되고 팬(5)이 켜지면, 점선(일점 쇄선)의 오른쪽에 놓여있는 부분으로써 도 1에 개략적으로 도시된 차량 내부(6)로 열이 배출된다.

히터(3)는 입구(7)와 출구(8)를 갖는다. 입구(7)와 열교환기(4)의 출구측은, 예를 들어 내연기관(미도시)과 연결되어 있다. 또한, 히터(3)는 주입 펌프(9)와, 연소 공기와 연료를 버너 조립체(자세하게 도시되지 않음)에 공급하기 위한 연소 공기팬(10)으로 구성된다. 또한, 열전달 매체를 열전달 매체 회로(1)의 내부에서 순환시키는 재순환 펌프(2)는 히터(3)의 내부에 구비된다. 도 1에 표시된 참조부호 11은 온도 센서이며, 이 온도센서는 히터(3)의 내부에 적절히 결합되는 방식으로 히터(3)의 출구(8) 지역에 배치되고, 히터(3)로부터 출구에서 열전달 매체의 온도(

_1st)를 감지한다.

온도 센서(11)의 출구는 제어 장치(12)와 연결되고, 제어장치(12)의 출구는 재순환 펌프(2), 주입 펌프(9) 및 연소 공기 팬(10)에 연결된다. 제어 장치(12)가 히터(3)의 가열 용량을 제어할 수 있는 방식으로 제어 장치(12)가 히터(3)에 영향을 끼칠 수 있다는 것은 본 발명에 필수적이다. 이는 주입 펌프(9) 및/또는 연소 공기 팬(10)을 적당히 구동시킴으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 제어 장치(12)는 또한 히터의 내부에 있는 작동 제어 장치(미도시)와 연결될 수 있고, 제어 장치(12)는 목표로 정해진 가열 용량만을 작동 제어장치로 보내며, 히터 전용의 작동 제어장치는 이러한 목표 가열 용량에 도달하도록 주입 펌프(9)와 연소 공기 팬(10)을 적절하게 구동시킨다. 제어 장치(12)는 또한 그 자체가 히터(3)의 내부에 구비될 수 있다.

히터(3)가 작동되기 시작한 후에, 열전달 매체 온도(

_1st)는 온도 센서(11)를 통해 제어 장치(12)로 특정한 시간 간격으로 출력되고, 제어 장치(12)에 의해 평가 된다. 이런 경우에 제어 장치(12)는 열전달 매체의 순간 온도 기울기((dT/dt)_1st)를 산출하기 위해 매 열전달 매체의 시간 단위당 온도 상승을 평가한다. 이런 경우에, 온도 기울기((dT/dt)_1st)의 체크와 계산은 정해져 있는 시간 간격으로 수행된다. 이를 위해, 제어 장치는 적어도 두 개의 열전달 매체 온도(

_1st)들이 필요하다. 이 온도(

_1st)는 현재 온도 기울기((dT/dt)_1st)를 계산하기 위해 미리 결정된 시간 간격으로 측정된다.

이렇게 결정된 열전달 매체의 현재 온도 기울기((dT/dt)_1st)는 계속적으로 반복해서 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)와 비교된다. 현재 온도 기울기((dT/dt)_1st)가 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)에 도달하거나 초과하자마자, 이것은 과열된 상태의 발생에 대한 위험을 알리는 빠른 지시이고, 히터(3)의 가열 용량이 감소되거나 히터(3)의 작동이 정지된다.

이와 같은 과열된 상태는 건조 과열에 의해, 즉 히터(3)의 열전달 매체에 냉각제의 부족으로 일어나는 과열에 의해, 또는 열전달 매체 회로(1)의 내부에 있는 정지된 열전달 매체에 의해 일어날 수 있다. 가능하고 임박한 과열 상태를 감지하는 경우에 제어 장치(12)가 아주 초기에 가능성이 있는 과열 상태를 감지하여 구별해내는 것이 필수적이다. 따라서, 안전 임계 온도 범위에 도달하지 않도록 히터(3)가 초기에 가열 용량을 감소시키는 것이 중요하다. 본 발명의 개시된 범위 안에서, "가열 용량을 감소시킴"이라는 용어는 히터(3)의 작동을 완전히 정지시키는 것을 포함하고, 이런 경우에 가열 용량은 영으로 감소된다.

온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)는 동적으로, 즉 계속해서 반복되는 방식으로, 재계산되는데, 이것은 열전달 매체의 현재 온도 기울기((dT/dt)_1st)와 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)의 상술한 바와 같은 비교를 위한 것이다.

이를 위해, 도달될 열전달 매체의 목표 온도(

_Soll)와 열전달 매체의 현재 온도(

₁ _st) 사이의 온도차(△

)는 다음의 방정식을 이용하여 처음에 계산된다.

결과적으로, 상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)는 다음의 방정식을 이용하여 이 계산된 온도차(△

)의 함수와 주위 온도(T_amb)의 함수로서 계산된다.

여기서, c₁과 c₂는 주위 온도(T_amb)의 함수로서 결정된 계수들이다. 이를 위해, 주위 온도(T_amb)는 주위 온도 센서(미도시)에 의해 감지되고, 이에 의해 계수 c₁과 c₂를 정해진 간격으로 재계산하는 제어 유닛으로 출력된다. △t는 감지된 온도 기울기의 물리적인 단위를 이상적으로 가지면서 임의의 시간 간격이며 수치 1을 갖 는다.

c₃는 결정된 계수이고, 주위 온도(T_amb)의 함수는 아니다. 예를 들어, 계수 c₃는 시험 또는 시뮬레이션의 도움으로 미리 결정될 수 있다.

또는, 주위 온도(T_amb)로부터 독립된 계산도 또한 고려될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에 계수 c₁과 c₂는 반드시 사라지게 할 필요는 없다. 이와 같은 경우에, 계수 c₁과 c₂는 또한 예를 들어 시험 또는 시뮬레이션의 도움으로 미리 결정될 수 있다.

상기 방정식의 도움에 의한 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)의 계산이 도 2에서 정성적으로 도시된다. 여기서, 가로 좌표는 온도차(△

)를 나타내고, 세로 좌표는 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 나타낸다.

도 2의 도움으로 최대의 허용된 온도 기울기((dT/dt)_1st), 즉 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)가 온도차가 증가함에 따라 상승하는 것을 볼 수 있다(예를 들어, 히터의 작동이 시작되는 상태에서), 처음에 설명된 이점들은 이것에 의해 달성될 수 있다.

연료 작동식 히터(3)는 바람직한 실시예의 설명에서 사용되었다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 전기적으로 작동되는 히터들의 경우에도 사용될 수도 있다.

또한, 온도 센서(11)가 열전달 매체의 온도를 직접 측정하는 것이 반드시 필 요하지는 않다. 예를 들어, 버너 조립체는 폐쇄된 액상의 열교환 매체에 의해 둘러 싸여질 수 있고 이를 통해 열전달 매체는 가열된다. 이와 같은 경우에, 열교환 매체의 온도를 측정하는 것도 또한 고려될 수 있다.

전술한 설명과 첨부된 특허청구범위에서, "제어"라는 용어는 또한 "조정"을 포함한다. 따라서, 예를 들어 히터(3)의 구동에 대한 설명은 또한 조정의 과정에서 수행되는 구동을 포함한다.

상기한 설명과 도면뿐만 아니라 특허청구범위에 개시된 본 발명의 특징은 개별적으로나 어떤 바람직한 조합에 의해 본 발명의 실시에 필수적일 수 있다.

Claims

특히 자동차용 열전달 매체 회로(1)의 액상 열전달 매체를 가열하는 엔진 독립형 히터(3)에 사용되고, 상기 열전달 매체의 현재 온도 기울기((dT/dt)₁ _st)가 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)와 동일하거나 더 클 때 상기 히터(3)의 가열 용량을 감소시키는 제어 장치(12)에 있어서,

상기 제어장치(12)는 달성될 상기 열전달 매체의 목표 온도(
_Soll)와 현재 열전달 매체 온도(
₁ _st) 사이의 온도차(△
)의 함수로서 상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 동적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 결정할 때 상기 제어 장치(12)는 부가적으로 주위 온도(T_amb)를 고려하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제어 장치(12)는 상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 계산하여 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어 장치(12)는 아래 방정식의 도움으로 상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 결정하며,

여기서, c₁ 및 c₂와 c₃는 미리 결정되어 상기 제어 장치(12)에 저장된 계수들인 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어 장치(12)는 아래 방정식의 도움으로 상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 결정하며,

여기서, c₁과 c₂는 상기 주위 온도(T_amb)의 함수로서 상기 제어 장치(12)에 의해 결정되는 계수들이고, c₃는 미리 결정되어 상기 제어 장치(12)에 저장된 계수인 것을 특징으로 하는 제어 장치.
열전달 매체 회로(1)의 내부에 위치되는 액상 열전달 매체를 가열시키는 엔진 독립형 열원;

상기 열전달 매체가 배출되는 상기 히터(3)의 출구 주위에서 상기 열전달 매체의 현재 온도를 감지하는 온도 센서(11); 및

제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서 청구되는, 상기 히터(3)의 가열 용량을 제어하는 제어 장치(12);를 포함하는 것을 특징으로 하는 특히 자동차용 히터(3).
열에너지를 흡수하고, 이를 더 전달하며, 이를 미리 정해진 위치에서 다시 방출할 수 있는 액상 열전달 매체로 채워진 열전달 매체 회로(1); 및

제6항에 따른, 상기 열전달 매체를 가열시키는 히터(3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 특히 자동차용 가열 시스템.
특히 자동차용 열전달 매체 회로(1)의 액상 열전달 매체를 가열시키는 엔진 독립형 히터(3)의 제어 방법에 있어서,

상기 열전달 매체의 현재 온도 기울기((dT/dt)_1st)를 결정하는 단계;

온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 결정하는 단계;

상기 현재 온도 기울기((dT/dt)_1st)와 상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)를 비교하는 단계; 및

상기 현재 온도 기울기((dT/dt)_1st)가 상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)와 동일하거나 더 클 때 상기 히터(3)의 가열 용량을 감소시키는 단계;를 포함하고,

달성될 상기 열전달 매체의 목표 온도(
_Soll)와 현재 열전달 매체 온도(
_1st)사이의 온도차(△
)의 함수로서 상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)가 동적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 엔진 독립형 히터의 제어 방법.
제8항에 있어서,

상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)가 결정되는 동안에 주위 온도(T_amb)가 부가적으로 고려되는 것을 특징으로 하는 엔진 독립형 히터의 제어 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)는 계산되어 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)는 아래의 방정식의 도움으로 결정되며,

c₁ , c₂및 c₃는 미리 결정되는 계수들인 것을 특징으로 하는 엔진 독립형 히터의 제어 방법.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 온도 기울기 한계치((dT/dt)_Schwell)는 아래의 방정식의 도움으로 결정되며,

c₁과 c₂는 상기 주위 온도(T_amb)의 함수로서 결정되는 계수들이고, c₃는 미리 결정되는 계수인 것을 특징으로 하는 엔진 독립형 히터의 제어 방법.