JP4268468B2 - 車両用エアヒータユニット及び車両用エアヒータシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用エアヒータユニット及び車両用エアヒータシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、様々な車両用エアヒータユニットが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。これらの車両用エアヒータユニットは、電熱式発熱体(ヒータエレメント)を備えており、例えば、内燃機関の吸気経路に設けられ、吸気を加熱するために用いられている。
【0003】
【特許文献1】
特開09−245939号公報(第8(b)図)
【特許文献2】
特開2000−257518号公報(第5,6頁、第1図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これらの車両用エアヒータユニットでは、電熱式発熱体に対する通電のON−OFF切り替えは、いずれもリレースイッチを用いて行っていた。このため、車両用エアヒータユニットを含めた車両用エアヒータシステム全体の部品点数が多くなり、さらに、これらを接続するハーネスを取り回すスペースも大きくなっていた。さらに、車両用エアヒータには100A程度の大電流を用いるため、ON−OFF切り替えを繰り返すことによってリレー接点が溶着してしまう虞があった。
【0005】
また、リレースイッチでは、ON−OFF切り替えの速度が遅いうえ、例えば、10万回程度でリレー接点の寿命が尽きてしまうので、1つの電熱式発熱体を用いて、その通電のON−OFFを短時間で切り替えて加熱温度を調整することは、耐久性及び信頼性の点から実質的に困難であった。このため、個々にON−OFF切り替えを可能とした複数の電熱式発熱体を用いることで、吸気に対する加熱温度を調節するようにしていた。このように、リレースイッチを用いた車両用エアヒータユニットでは、電熱式発熱体への通電制御が容易でなかった。
さらには、電熱式発熱体の過昇温を抑制するために、電熱式発熱体に直列に接続されたPTC素子を別途設けていた。このため、エアヒータユニット自身が大型化し、取付位置に制約が生じていた。
【0006】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、簡易な構造で、電熱式発熱体の通電制御を容易に行うことができると共に、電熱式発熱体の過昇温をも抑制できる車両用エアヒータユニット及び車両用エアヒータシステムを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
その解決手段は、電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電制御が可能な半導体スイッチと、を備える車両用エアヒータユニットであって、上記半導体スイッチは、自身の温度が遮断温度になると自身を流れる電流を遮断する過昇温保護機能を有し、上記枠体のうち、上記電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が上記遮断温度となる位置に固着されてなる車両用エアヒータユニットである。
【0008】
本発明の車両用エアヒータユニットは、エアヒータの電熱式発熱体に直列に接続され、この電熱式発熱体への通電制御が可能な半導体スイッチを有している。このため、本発明のエアヒータユニットを用いることで、従来のように、エアヒータのON−OFF切り替えを行うために、別途リレースイッチを設ける場合に比して、構造が簡易になると共に信頼性及び耐久性が向上し、さらには低コストとなる。
【0009】
さらに、本発明の車両用エアヒータユニットでは、半導体スイッチを用いていることから、エアヒータの通電制御(例えば、ON−OFF制御、PWM制御等)を容易に行うことができる。例えば、エアヒータの電熱式発熱体に直列に接続した半導体スイッチを、制御装置(例えば、ECU)によってON−OFFさせることで、電熱式発熱体への通電制御を容易に行うことができる。また、半導体スイッチを用いることにより、リレースイッチに比して速い速度で電熱式発熱体へのON−OFF切替えを行うことが可能となるので、電熱式発熱体に対する細かな(換言すれば、精度の良い)通電制御を実現することができる。
【0010】
さらに、本発明の車両用エアヒータユニットでは、半導体スイッチが、自身の温度が遮断温度になると自身を流れる電流を遮断する過昇温保護機能を有し、さらに、この半導体スイッチは、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が遮断温度となる位置に設けられている。このため、半導体スイッチが自身の発熱により遮断温度に至った場合のほか、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合にも、半導体スイッチの温度が遮断温度となるため、その過昇温保護機能によって半導体スイッチがOFFとなる。これにより、電熱式発熱体への通電が半導体スイッチ自身によって遮断されるので、電熱式発熱体の温度が過昇温度を超えるのを抑制できる。このように、半導体スイッチの過昇温保護機能を、自身の過昇温に対する保護のほか、電熱式発熱体や枠体の過昇温に対する保護にも用いることができる。
【0011】
なお、遮断温度は、予め半導体スイッチに設定されている温度であって、この温度になったときに半導体スイッチを流れる電流が遮断されるように設定された温度をいう。具体的に、この遮断温度は、半導体スイッチのジャンクション温度Tj等で予め設定することができる。また、過昇温度は、電熱式発熱体の材質や形状等に応じて設定される温度であって、電熱式発熱体や枠体などに熱的損傷を与え難い温度に設定される。従って、本発明の車両用エアヒータユニットは、電熱式発熱体の温度が異常に高くなることで、電熱式発熱体や枠体などが劣化・溶断等してしまうのを防止することができる。
また、過昇温保護機能を有する半導体スイッチとしては、例えば、MOSFET、あるいは過昇温保護回路を有する半導体スイッチ回路等が挙げられる。過昇温保護回路を有する半導体スイッチ回路としては、例えば、infineon technorogies社製のPROFET(商標名),NO.BTS550Pなどが挙げられる。
【0012】
また、本発明の車両用エアヒータユニットでは、半導体スイッチをエアヒータの枠体に固着している。このため、半導体スイッチの取付場所を別途設ける必要がなく、省スペースである。また、半導体スイッチを別途車両に取付ける場合に比して、組付けの作業効率が良い。なお、半導体スイッチをエアヒータの枠体に固着するに当たり、枠体に直接固着しても良いし、あるいは、配線基板等を介在させて固着するようにしても良い。
【0013】
他の解決手段は、電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電制御が可能な半導体スイッチと、を備える車両用エアヒータユニットであって、上記半導体スイッチは、自身の温度が警告温度になった場合に過昇温警告信号を出力する過昇温信号出力用端子を有し、上記枠体のうち、上記電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が上記警告温度となる位置に固着されてなる車両用エアヒータユニットである。
【0014】
本発明の車両用エアヒータユニットでは、半導体スイッチが、自身の温度が警告温度になった場合に過昇温警告信号を出力する過昇温信号出力用端子を有している。さらに、この半導体スイッチは、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が警告温度となる位置に設けられている。従って、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合には、半導体スイッチの温度が警告温度となる。このため、半導体スイッチの過昇温信号出力用端子を利用して、半導体スイッチの温度が自身の発熱により警告温度を超えたのを検知できるほか、電熱式発熱体の温度が過昇温度となったことをも検知することができる。
【0015】
このような本発明の車両用エアヒータユニットを利用すれば、半導体スイッチの温度が警告温度を長期間にわたって超えることを抑制することができ、さらには、電熱式発熱体の温度が過昇温度を長期間にわたって超えるのを抑制することも可能となる。具体的には、半導体スイッチの過昇温信号出力用端子の出力を制御装置(例えば、ECU)で監視して、過昇温信号出力用端子から過昇温警告信号が発せられた場合に、半導体スイッチを流れる電流を遮断するように制御する。このようにすることで、半導体スイッチの温度が警告温度を長期間にわたって超えることを抑制できると共に、電熱式発熱体の温度が過昇温度を長期間にわたって超えることをも抑制することができる。
【0016】
なお、警告温度は、予め半導体スイッチに設定されている温度であって、この温度になったときに過昇温信号出力用端子より過昇温警告信号が出力されるように設定された温度をいう。具体的に、この警告温度は、半導体スイッチのジャンクション温度Tj等で予め設定することができる。また、過昇温度は、電熱式発熱体の材質や形状等に応じて設定される温度であって、電熱式発熱体や枠体などに熱的損傷を与え難い温度に設定される。
また、過昇温信号出力用端子を有する半導体スイッチとしては、例えば、株式会社東芝セミコンダクタ社製のIGBT,NO.MG200Q2YS60Aが挙げられる。
【0017】
さらに、上記いずれかの車両用エアヒータユニットであって、前記エアヒータの前記枠体は金属部を有し、前記半導体スイッチは、上記枠体の上記金属部に直接または電気絶縁体を介して固着されてなる車両用エアヒータユニットとすると良い。
【0018】
本発明の車両用エアヒータユニットでは、半導体スイッチを、エアヒータの枠体の金属部に直接または電気絶縁体を介して固着している。このため、エアヒータの電熱式発熱体の温度が上昇すると、それに追従するようにして半導体スイッチの温度も速やかに上昇する。従って、エアヒータの電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合には、半導体スイッチの温度が速やかに遮断温度となるので、その過昇温保護機能によって半導体スイッチ自身がOFFとなる。あるいは、半導体スイッチの温度が警告温度となり、過昇温信号出力用端子から過昇温警告信号を出力させることができる。従って、電熱式発熱体への通電を速やかに遮断して、電熱式発熱体の温度が過昇温度を超えるのを抑制できる。あるいは、速やかに、電熱式発熱体の過昇温への対応をとらせることができる。
なお、エアヒータの枠体は、その全体を金属で構成しても良いし、あるいは、一部を金属部として他の部分を樹脂などの他の材質で構成するようにしても良い。
【0019】
他の解決手段は、電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電を制御する半導体スイッチと、を備える車両用エアヒータシステムであって、上記半導体スイッチは、自身の温度が遮断温度になると自身を流れる電流を遮断する過昇温保護機能を有し、上記枠体のうち、上記電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が上記遮断温度となる位置に固着されてなる車両用エアヒータシステムである。
【0020】
本発明の車両用エアヒータシステムは、電熱式発熱体に直列に接続された半導体スイッチを用いて、この電熱式発熱体への通電を制御する。このため、本発明のエアヒータシステムは、従来のように、エアヒータのON−OFF切り替えを行うためにリレースイッチを用いたエアヒータシステムに比して、構造が簡易になると共に信頼性及び耐久性が向上し、さらには低コストとなる。さらに、本発明のエアヒータシステムでは、エアヒータに対する通電制御(例えば、ON−OFF制御、PWM制御等)を容易に行うことができる。例えば、エアヒータの電熱式発熱体に直列に接続した半導体スイッチを、制御装置(例えば、ECU)によってON−OFFさせることで、電熱式発熱体への通電制御を容易に行うことができる。また、半導体スイッチを用いることにより、リレースイッチに比して速い速度で電熱式発熱体へのON−OFF切替えを行うことが可能となるので、電熱式発熱体に対する細かな(換言すれば、精度の良い)通電制御を実現することができる。
【0021】
さらに、本発明の車両用エアヒータシステムでは、半導体スイッチが、自身の温度が遮断温度になると自身を流れる電流を遮断する過昇温保護機能を有し、さらに、この半導体スイッチは、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が遮断温度となる位置に設けられている。このため、半導体スイッチが自身の発熱により遮断温度に至った場合のほか、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合にも、半導体スイッチの温度が遮断温度となるため、その過昇温保護機能によって半導体スイッチがOFFとなる。これにより、電熱式発熱体への通電を遮断できるので、電熱式発熱体の温度が過昇温度を超えるのを抑制できる。このように、半導体スイッチの過昇温保護機能を、自身の過昇温に対する保護のほか、電熱式発熱体や枠体の過昇温に対する保護にも用いることができる。
【0022】
なお、半導体スイッチを用いた制御方式として、エアヒータへ所定の電力が供給されるように、PWM制御を行うことが好ましい。PWM制御では、Duty比を調整することで、バッテリ電圧の変化を補正してエアヒータへの供給電力量を一定にすることができるなど、適切なエアヒータの温度制御、電力制御を行うことができる。特に、半導体スイッチを用いるため、PWM制御における繰り返し周波数を、吸気管の寸法、吸気の流速、あるいはエアヒータの取付位置等に応じて適切に設定することができ、ON−OFF切替えによる電熱式発熱体の温度の変動を抑え、加熱温度を略一定に保つことができる。
【0023】
また、内燃機関では、運転状況に応じたヒートモードが要求されている。具体的には、まず、内燃機関を始動する際は、クランキング前に所定時間エアヒータに通電することで吸気を加熱する(以下、プリヒートともいう)。このように加熱された吸気によって内燃機関を予熱し、内燃機関の始動性を向上させることができる。さらに、内燃機関始動後は、運転状況に応じたアフターヒートを行う。アフターヒートには、アイドリング時の吸気加熱と、走行時の吸気加熱とがある。アイドリング時にはバッテリへの負担軽減のために吸気加熱を抑制すると良い。一方、走行時には内燃機関の回転数の増大に伴う吸気量の増大に対応して、吸気加熱を増大させる必要がある。
【0024】
これに対し、Duty比を調整することで、様々な内燃機関の運転状況に応じたヒートモードを実現することができる。このため、従来のように、複数の電熱式発熱体及びリレースイッチを設けて加熱調整を行う場合に比して、運転状況に応じて精度良く通電制御を行うことができると共に、部品点数が削減でき、省スペースとなる。
【0025】
他の解決手段は、電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電を制御する半導体スイッチと、を備える車両用エアヒータシステムであって、上記半導体スイッチは、自身の温度が警告温度になった場合に過昇温警告信号を出力する過昇温信号出力用端子を有し、上記枠体のうち、上記電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が上記警告温度となる位置に固着され、上記車両用エアヒータシステムは、上記半導体スイッチの上記過昇温信号出力用端子からの上記過昇温警告信号に基づいて、上記半導体スイッチを流れる電流を遮断する過昇温保護手段、を備える車両用エアヒータシステムである。
【0026】
本発明の車両用エアヒータシステムでは、半導体スイッチが、自身の温度が警告温度になった場合に過昇温警告信号を出力する過昇温信号出力用端子を有している。さらに、この半導体スイッチは、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が警告温度となる位置に設けられている。従って、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合には、半導体スイッチの温度が警告温度となる。
【0027】
さらに、本発明の車両用エアヒータシステムは、過昇温信号出力用端子からの過昇温警告信号に基づいて半導体スイッチを流れる電流を遮断する過昇温保護手段を有している。このため、半導体スイッチ自身の発熱により警告温度に至った場合のほか、電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合にも、半導体スイッチの温度が警告温度となるため、過昇温保護手段によって半導体スイッチがOFFとなり、電熱式発熱体への通電を遮断できる。これにより、半導体スイッチの温度が警告温度を長期間にわたって超えるのを抑制でき、さらには、電熱式発熱体の温度が過昇温度を長期間にわたって超えるのを抑制できる。
【0028】
さらに、上記いずれかの車両用エアヒータシステムであって、前記エアヒータの前記枠体は金属部を有し、前記半導体スイッチは、上記枠体の上記金属部に直接または電気絶縁体を介して固着されてなる車両用エアヒータシステムとすると良い。
【0029】
本発明の車両用エアヒータシステムでは、半導体スイッチを、エアヒータの枠体の金属部に直接または電気絶縁体を介して固着している。このため、エアヒータの電熱式発熱体の温度が上昇すると、半導体スイッチの温度も速やかに上昇する。従って、エアヒータの電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合には、半導体スイッチの温度が速やかに遮断温度となるので、その過昇温保護機能によって半導体スイッチがOFFとなる。あるいは、半導体スイッチの温度が警告温度となり、過昇温信号出力用端子から過昇温警告信号を出力させることができる。従って、電熱式発熱体への通電を速やかに遮断して、電熱式発熱体の温度が過昇温度を超えるのを速やかに抑制できる。あるいは、速やかに、電熱式発熱体の過昇温への対応をとらせることができる。
なお、エアヒータの枠体は、その全体を金属で構成しても良いし、あるいは、一部を金属部として他の部分を樹脂などの他の材質で構成するようにしても良い。
【0030】
【発明の実施の形態】
(実施形態)
本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本実施形態の車両用エアヒータユニット100を示す図であり、(a)はその平面図、(b)はその側面図である。車両用エアヒータユニット100は、エアヒータ101と、半導体スイッチ110と、配線基板170とを有している。
【0031】
エアヒータ101は、電熱式発熱体120と、これを保持する枠体130と、枠体130に固着されて電熱式発熱体120に電気的に接続する第1,第2,第3接続端子140,150,160とを有している。
このうち、枠体130は、アルミニウム合金からなり、ダイキャストによって略矩形環状に成型された金属体である。この枠体130には、表面130dと裏面130eとの間を貫通する4つの取付孔131、及び内側面130bと外側面130cとの間を貫通する第1貫通孔132b、第2貫通孔132c、第3貫通孔132dが形成されている。さらに、枠体130の内側面130bには、2つの凹部133が対向する位置に形成されている。
【0032】
この2つの凹部133には、それぞれ、長手方向に直交する断面形状が略コの字状の金属ブラケット135が配置されている。さらに、この金属ブラケット135の内側(凹部内)には、それぞれ、インシュレータ136が板バネ137を間に介して設けられている。このため、板バネ137が電熱式発熱体120の屈曲部121に付勢されることによって、インシュレータ136及び金属ブラケット135が枠体130の凹部133に固定されている。
【0033】
第1接続端子140は、金属製のボルトからなり、絶縁ワッシャ186を介して枠体130の第1貫通孔132bに挿設されている。第2接続端子150も、金属製のボルトからなり、絶縁ワッシャ186を介して枠体130の第2貫通孔132cに挿設されている。第3接続端子160も、金属製のボルトからなり、絶縁ワッシャ186を介して枠体130の第3貫通孔132dに挿設されている。なお、第1,第2,第3貫通孔132b,132c,132d内には、第1,第2,第3接続端子140,150,160を挿通させる形態で、絶縁スリーブ185がそれぞれ嵌入されている。
このような形態で、第1,第2,第3接続端子140,150,160を枠体130に設けることにより、枠体130と第1,第2,第3接続端子140,150,160とを電気的に絶縁させている。
【0034】
電熱式発熱体120は、鉄−クロム合金からなる帯状の薄板を、蛇行形状に成形した発熱体である。この電熱式発熱体120は、円弧状に折り曲げられた複数の屈曲部121がインシュレータ136内に嵌め込まれることで、電気的な絶縁を図りつつ枠体130に保持されている。さらに、電熱式発熱体120の両端部には切り欠きが形成されており、この切り欠きには第2,第3接続端子150,160が挿通されている。このようにして、電熱式発熱体120が第2接続端子150と第3接続端子160とに電気的に接続されている。なお、本実施形態では、電熱式発熱体120の過昇温度を800℃に設定している。
【0035】
図2は、半導体スイッチ110を示す図であり、(a)はその平面図、(b)はその側面図である。本実施形態では、半導体スイッチ110として、infineon technorogies社製のPROFET(商標名)、NO.BTS550Pを用いた。この半導体スイッチ110は、MOSFETを基本構造とし、MOSFETのドレイン−ソース間を流れる電流I1に対し、所定比率(本実施形態では、1/21000)の電流I2が出力される構造となっている(図4参照)。
【0036】
このような半導体スイッチ110は、本体部117と、この本体部117に接続する第1コネクタピン111〜第5コネクタピン115及びタブ116とを有している。本体部117は、スイッチ回路、自身を流れる電流を検知できる電流検出回路、及び過昇温保護回路118(過昇温保護機能)を有している。過昇温保護回路118は、半導体スイッチ110のジャンクション温度が遮断温度となったときに、ドレイン−ソース間を流れる電流I1を遮断する。これによって、半導体スイッチ110の過昇温を抑制することができる。なお、半導体スイッチ110の遮断温度は、150℃に設定されている。第3コネクタピン113とタブ116とは電気的に接続しており、両者は共に電源入力用端子である。第1,5コネクタピン111,115は、電力出力用端子である。第2コネクタピン112は、通電制御信号(ON−OFF信号)入力用端子である。第4コネクタピン114は、電流検知用端子である。
【0037】
配線基板170は、図3に示すように、アルミナセラミックからなる基板本体部175と、その主面175b上に第1導体層171〜第4導体層174とを有する。基板本体部175には、第1,第2接続端子140,150を挿通可能な基板取付孔175c,175dが形成されている。そして、第1導体層171は、貫通孔175cの周縁部を含む位置に形成されており、図1に示すように、第1接続端子140を枠体130に取付けることによって第1接続端子140に接続する。一方、第2導体層172は、貫通孔175dの周縁部を含む位置に形成されており、第2接続端子150を枠体130に取付けることによって第2接続端子150に接続する。第3,第4導体層173,174には、それぞれ、金属ピンからなる第3,第4端子173b,174bが接続されている。この第3,第4端子173b,174bには、それぞれ、ECU(エンジンコンピュータユニット)210に接続するための導線182,184が、コネクタ端子183を介して接続されている(図1,図4参照)。
【0038】
半導体スイッチ110は、図1に示すように、このような配線基板170に搭載され、この配線基板170を介して枠体130に固着される。具体的には、図3に示すように、半導体スイッチ110は、ハンダ接合によって、タブ116が第1導体層171と電気的に接続される。同様に、第1,5コネクタピン111,115が第2導体層172と、第2コネクタピン112が第3導体層173と、第4コネクタピン114が第4導体層174と電気的に接続される。このようにして半導体スイッチ110が搭載された配線基板170を、基板取付孔175c,175dにそれぞれ第1,第2接続端子140,150を挿通させ、ナット187によって締結することで枠体130に固着する。なお、本実施形態では、第3コネクタピン113は、いずれも導体層にも接続されていない。また、第2接続端子150には、ECU210に接続するための導線181に固着されているワッシャ端子181bをも挿通させている(図1,図4参照)。
【0039】
また、本実施形態では、半導体スイッチ110及び配線基板170等の防水を図るために、シリコン樹脂195によって半導体スイッチ110及び配線基板170等をモールドしている。具体的には、樹脂(PPS)製の箱形状で、第1,第2接続端子140,150を挿通可能な取付孔190b,190cが形成されたケーシング190を用意し、取付孔190b,190cにそれぞれ第1,第2接続端子140,150を挿通させて、配線基板170より先に枠体130に配置する。そして、半導体スイッチ110等を搭載した配線基板170を上記のように取付けることで、これらがケーシング190内に配置される。その後、このケーシング190内を、シリコン樹脂195によって充填することで、半導体スイッチ110及び配線基板170等を樹脂モールドすることができる。
【0040】
また、上述のように、半導体スイッチ110を枠体130に固着することで、電熱式発熱体120が過昇温、具体的には、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)となった場合に、半導体スイッチ110のジャンクション温度が遮断温度(150℃)となるようにしている。すなわち、本実施形態では、半導体スイッチ110を、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)となった場合に、ジャンクション温度が遮断温度(150℃)となる位置に配置している。
【0041】
このような車両用エアヒータユニット100は、図示しないエアクリーナと内燃機関のインテークマニホールドとを連結する吸気経路に固設され、吸気の加熱を行う。具体的には、エアヒータ101の電熱式発熱体120が吸気経路内に位置するように、枠体130に設けられた4つの取付孔131を利用して、ボルトによって吸気経路に固定される。
【0042】
ここで、このような車両用エアヒータユニット100とECU210とを備えた、本実施形態の車両用エアヒータシステム200の回路図を図4に示す。
車両用エアヒータシステム200は、第1接続端子140が片側端子を接地した車載バッテリ220と電気的に接続されている。これによって、半導体スイッチ110のタブ116と車載バッテリ220とが電気的に接続される。さらに、半導体スイッチ110の第1,5コネクタピン111,115が第2接続端子150に接続され、電熱式発熱体120を介して第3接続端子160が接地されている。このようにすることで、車載バッテリ220から半導体スイッチ110を介して電熱式発熱体120に電力が供給されるので、吸気経路内を流れる気体(吸入空気)を加熱することができる。なお、図4に示すように、半導体スイッチ110は、車載バッテリ220に接続され、電熱式発熱体120に直列に接続されている。
【0043】
さらに、半導体スイッチ110の第2コネクタピン112は、導線182を介してECU210に接続されている。このようにすることで、ECU210によって半導体スイッチ110のON−OFF切り替えを制御することができる。
また、第4コネクタピン114は、導線184を介してECU210に接続されている。この半導体スイッチ110では、電熱式発熱体120に流れる電流I1に対し、所定比率(本実施形態では、1/21000)の電流I2が、第4コネクタピン114から出力されるように構成されている。一方、エアヒータ101の第2接続端子150が、導線181を介してECU210に接続されている。このため、ECU210において電熱式発熱体120にかかる電圧Vを検知することができ、この電圧Vと電流I2とを用いて電熱式発熱体120の抵抗値R1を算出できる。
【0044】
ここで、車両用エアヒータシステム200では、電熱式発熱体120の抵抗値R1が所定の抵抗値となるようにPWM制御を行うようにしている。電熱式発熱体120の抵抗値R1とその温度とは所定の対応関係を有しているので、電熱式発熱体120の抵抗値R1が所定の抵抗値となるようにPWM制御を行うことで、電熱式発熱体120の温度を所定の温度に制御することができる。具体的には、バッテリ220の電圧Vに応じて、半導体スイッチ110のON−OFFのDuty比を調整することで、電熱式発熱体120への供給電力を調整して、電熱式発熱体120の抵抗値R1が所定の抵抗値となるように制御することができる。従って、車両用エアヒータシステム200では、吸気量の多少に拘わらず、電熱式発熱体120の温度を所定の温度に制御することができる。
また、半導体スイッチ110のON−OFFのDuty比を調整して、電熱式発熱体120の温度を多段階に調整することで、吸気温度を内燃機関の運転状況に適した温度にすることができる。このため、様々な内燃機関の運転状況に応じたヒートモードを実現することもできる。
【0045】
このような構造及び回路を有する車両用エアヒータシステム200では、前述したように、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)となった場合に、半導体スイッチ110のジャンクション温度が遮断温度(150℃)となる位置に、半導体スイッチ110を配置している。このため、半導体スイッチ110が自身の発熱により遮断温度(150℃)に至った場合のほか、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)となった場合にも、半導体スイッチ110の温度が遮断温度(150℃)となるため、半導体スイッチ110がOFFとなる。これにより、電熱式発熱体120への通電を遮断できるので、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)を超えるのを抑制できる。このため、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)を超えて異常に高くなることで、電熱式発熱体120や枠体130などが劣化・溶断等してしまうのを防止することができる。
【0046】
ここで、車両用エアヒータシステム200による吸気加熱について、図5に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、エンジンのキースイッチがONとなり、ECU210に電圧が印加されてECU210が起動すると、ステップS1において、ECU210のプログラムを初期値に設定する。具体的には、プリヒート中フラグをセットし、プリヒートカウンタT1=0、アフターヒートカウンタT2=0に設定する。次いで、ステップS2に進み、プリヒート中フラグがセットされているかどうかを確認する。
【0047】
プリヒート中フラグがセットされている場合には、ステップS3に進み、プリヒート通電を開始する。なお、本実施形態では、Duty比100%でプリヒート通電が行われる。具体的には、導線182を介して半導体スイッチ110をONにし続ける。次いで、ステップS4に進み、プリヒート継続時間に対応するプリヒートカウンタT1を積算する。具体的には、後述するように、ステップS7において、所定のサイクルタイムが経過する毎にステップS2に戻るようにしているため、ステップS4を通過する毎にプリヒートカウンタT1を、1ずつインクリメントする。次いで、ステップS5に進み、プリヒートカウンタT1がプリヒート終了時間に対応するプリヒート設定回数Tpに達したかどうかを判定する。なお、本実施形態では、1回のサイクルタイムを0.05秒に設定し、プリヒート設定回数Tpを200回、従ってプリヒート終了時間を10秒に設定している。
【0048】
ここで、プリヒートカウンタT1がプリヒート設定回数Tpに達していない場合(NO)には、ステップS7に進み、サイクルタイムを経過したかどうかを判定し、サイクルタイムを経過するまでこの判定を繰り返す。サイクルタイムを経過すると、再びステップS2に戻り、上述した動作を繰り返してプリヒートを継続する。そして、ステップS5において、プリヒートカウンタT1がプリヒート設定回数Tpに達した場合(YES)には、ステップS6に進み、プリヒート中フラグを解除する。次いで、ステップS7に進み、サイクルタイムの経過を待ってステップS2に戻る。
【0049】
すると、ステップS2では、プリヒート中フラグがセットされていない(NO)と判断されるので、プリヒート期間を終了し、ステップS8に進む。ステップS8では、導線181を通じて、車載バッテリ220の電圧(電熱式発熱体120の印加電圧)Vを検知する。さらに、ステップS9では、導線184を通じて電流I2を検知する。これにより、電熱式発熱体120を流れる電流I1の大きさが判る。次いで、ステップSAにおいて、ステップS8,S9で得られた電圧Vと電流I1との値から、電熱式発熱体120の抵抗値R1を算出する。
【0050】
次いで、ステップSBに進み、電熱式発熱体120の抵抗値R1が、下限基準抵抗値TH1(本実施形態では、電熱式発熱体120の初期抵抗値Rc×80%の値)と上限基準抵抗値TH2(本実施形態では、電熱式発熱体120の初期抵抗値Rc×120%の値)との間の値であるか否かを判定する。抵抗値R1が、下限基準抵抗値TH1より小さい場合、あるいは上限基準抵抗値TH2より大きい場合には、ステップSCに進み、エラー出力をする。このとき、ECU210に接続された警告装置230(図4参照)によって、運転者にエアヒータシステム200の異常を警告する(例えば、運転席の警告ランプを点灯させる)ことができる。その後、ステップSHに進み、アフターヒートを終了する。
【0051】
抵抗値R1が、下限基準抵抗値TH1と上限基準抵抗値TH2との間にある場合には、ステップSDに進み、電熱式発熱体120の抵抗値R1が所定の抵抗値Rbとなるように、アフターヒートにおけるDuty比を算出する。具体的には、電熱式発熱体120の抵抗値R1が、アフターヒートにおける所定の電熱式発熱体120の温度に対応する抵抗値Rbとなるように、バッテリ220の電圧Vに応じた半導体スイッチ110のON−OFFのDuty比を算出する。このようにして算出されたDuty比を用いて電熱式発熱体120への供給電力の制御を行うことで、電熱式発熱体120の温度を所定の温度にすることができる。
【0052】
次いで、ステップSEに進み、算出されたDuty比を用いてアフターヒートの通電を行う。具体的には、Duty比で決まる時間割合で、半導体スイッチ110のON−OFFを繰り返す。次いで、ステップSFに進み、アフターヒートカウンタT2を積算する。具体的には、プリヒートカウンタT1と同様に、ステップSEを通過する毎に、アフターヒートカウンタT2をインクリメントする。次いで、ステップSGに進み、アフターヒートカウンタT2がアフターヒート終了時間に対応するアフターヒート設定回数Taに達したかどうかを判定する。なお、本実施形態では、アフターヒート設定回数Taを12000回に、従って、アフターヒート終了時間を600秒に設定している。
【0053】
ここで、アフターヒートカウンタT2がアフターヒート設定回数Taに達していない場合(NO)には、ステップS7に進み、サイクルタイムの経過を待って、再びステップS2に戻る。かくして、上述した動作を繰り返してアフターヒートを継続する。そして、ステップSGにおいて、アフターヒートカウンタT2がアフターヒート設定回数Taに達した場合(YES)には、ステップSHに進み、アフターヒートを終了する。本実施形態では、このようにして、プリヒート及びアフターヒート(PWM制御による電熱式発熱体120の抵抗値制御)が行われる。
【0054】
ところで、近年、環境保護のため、内燃機関から漏れた未燃ガスを吸気側に戻して燃焼させ、未燃ガスを車外に排出させないようにする技術が提案されている。また、内燃機関の熱効率を高めるため、高温となっている排気の一部を吸気側に戻す技術(EGR)も提案されている。ところが、このように、未燃ガスや排気を吸気側に戻すようにすると、未燃ガスや排気に含まれている汚損物質がエアヒータ101の電熱式発熱体120に付着して、電熱式発熱体120の抵抗値が低下し、さらには電熱式発熱体120が短絡してしまう虞がある。また、この場合には、半導体スイッチ110に対して過度の電力負荷がかかったり、電熱式発熱体120と半導体スイッチ110とを結ぶ回路配線が溶断等してしまう危険性もある。
【0055】
これに対し、車両用エアヒータシステム200では、ステップSBにおいて、電熱式発熱体120の抵抗値R1が、下限基準抵抗値TH1と上限基準抵抗値TH2との間の値であるか否かを判定し、抵抗値R1が、下限基準抵抗値TH1より小さい場合、あるいは上限基準抵抗値TH2より大きい場合には、ステップSCにおいて、エラー出力をするようにしている。このため、ECU210に接続された警告装置230(図4参照)によって、運転者にエアヒータシステム200の異常(電熱式発熱体120の短絡等)を警告する(例えば、運転席の警告ランプを点灯させる)ことができる。
【0056】
なお、車両用エアヒータシステム200では、半導体スイッチ110が自身の発熱により遮断温度(150℃)に至った場合のほか、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)となった場合にも、半導体スイッチ110の温度が遮断温度(150℃)となるため、半導体スイッチ110が自動的にOFFとなる。このため、プリヒート中あるいはアフターヒート中に、半導体スイッチ110のジャンクション温度が遮断温度(150℃)あるいは電熱式発熱体120が過昇温度(800℃)に達した場合には、プリヒートあるいはアフターヒートが中断(中止)される。
【0057】
(変形形態)
次に、実施形態にかかる車両用エアヒータユニット100及び車両用エアヒータシステム200の変形形態について、図面を参照しつつ説明する。本変形形態の車両用エアヒータユニット300は、実施形態の車両用エアヒータユニット100と比較して、半導体スイッチが異なり、その他についてはほぼ同様である。また、本変形形態の車両用エアヒータシステム400は、実施形態の車両用エアヒータシステム200に対し、半導体スイッチ及び電熱式発熱体の過昇温処理を追加すると共に、アフターヒートにおけるDuty比の算出手法を変更している。従って、実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様な部分については、説明を省略または簡略化する。
【0058】
図6は、車両用エアヒータユニット300及びECU210を有する本変形形態の車両用エアヒータシステム400の回路図である。図6に示すように、本変形形態では、実施形態と比較して、半導体スイッチ110に代えて半導体スイッチ310を用いている。本変形形態では、半導体スイッチ310として、株式会社東芝セミコンダクタ社製のIGBT,NO.MG200Q2YS60Aを用いた。この半導体スイッチ310は、IGBTを基本構造とし、第1スイッチ端子311〜第4スイッチ端子314を有している。第1スイッチ端子311は電力出力用端子、第2スイッチ端子312は通電制御信号(ON−OFF信号)入力用端子、第3スイッチ端子313は電源入力用端子、第4スイッチ端子314は過昇温信号出力用端子である。
【0059】
車両用エアヒータシステム400は、第1接続端子140が片側端子を接地した車載バッテリ220と電気的に接続されている。これによって、半導体スイッチ310の第3スイッチ端子313と車載バッテリ220とが電気的に接続される。さらに、半導体スイッチ310の第1スイッチ端子311が第2接続端子150に接続され、電熱式発熱体120を介して第3接続端子160が接地されている。このようにすることで、車載バッテリ220から半導体スイッチ310を介して電熱式発熱体120に電力が供給されるので、吸気経路内を流れる気体(吸入空気)を加熱することができる。なお、図6に示すように、半導体スイッチ310は、車載バッテリ220に接続され、電熱式発熱体120に直列に接続されている。
【0060】
さらに、半導体スイッチ310の第2スイッチ端子312は、導線182を介してECU210に接続されている。このようにすることで、ECU210によって半導体スイッチ310のON−OFF切り替えを制御することができる。また、エアヒータユニット300の第2接続端子150が、導線181を介してECU210に接続されている。このため、ECU210において電熱式発熱体120にかかる電圧Vを検知することができる。
【0061】
さらに、第4スイッチ端子314は、導線184を介してECU210に接続されている。このようにすることで、半導体スイッチ310のジャンクション温度が警告温度になった場合に、第4スイッチ端子314から出力された過昇温警告信号をECU210に送信することができる。なお、半導体スイッチ310の警告温度は、125℃に設定されている。
【0062】
このような構造及び回路を有する車両用エアヒータシステム400では、実施形態と同様に、電熱式発熱体120が過昇温、具体的には、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)となった場合に、半導体スイッチ310のジャンクション温度が警告温度(125℃)となるように、半導体スイッチ310を配置している。このため、半導体スイッチ310が自身の発熱により警告温度(125℃)に至った場合のほか、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)となった場合にも、半導体スイッチ310のジャンクション温度が警告温度(125℃)となるため、過昇温警告信号が出力される。
【0063】
ここで、車両用エアヒータシステム400による吸気加熱について、図7に示すフローチャートを参照して説明する。なお、実施形態の車両用エアヒータシステム200と同様な部分については、説明を省略または簡略化する。
まず、エンジンのキースイッチがONとなり、ECU210に電圧が印加されてECU210が起動すると、実施形態と同様に、ステップS1において、ECU210のプログラムを初期値に設定する。次いで、ステップU2に進み、半導体スイッチ310から過昇温警告信号が出力されているか否かを確認する。過昇温警告信号が出力されていない場合(NO)は、ステップS2に進み、プリヒート中フラグがセットされているかどうかを確認する。
【0064】
プリヒート中フラグがセットされている場合には、ステップS3に進み、プリヒート通電を開始する。なお、本変形形態においても、実施形態と同様に、Duty比100%でプリヒート通電が行われる。次いで、ステップS4,S5に進み、実施形態と同様にして、プリヒートカウンタT1を積算し、プリヒートカウンタT1がプリヒート設定回数Tpに達したかどうかを判定する。なお、本変形形態においても、実施形態と同様に、1回のサイクルタイムを0.05秒に設定し、プリヒート設定回数Tpを200回、従ってプリヒート終了時間を10秒に設定している。
【0065】
ここで、プリヒートカウンタT1がプリヒート設定回数Tpに達していない場合(NO)には、ステップS7に進み、サイクルタイム経過を待って再びステップU2に戻り、上述した動作を繰り返してプリヒートを継続する。ところが、ステップU2において、過昇温警告信号を検知した場合(YES)は、ステップUHに進み、プリヒートを終了する。これにより、半導体スイッチ310が警告温度(125℃)あるいは電熱式発熱体120が過昇温度(800℃)を長期間にわたって超えるのを抑制できる。従って、半導体スイッチ310が、警告温度(125℃)を長期間にわたって超えて過昇温となることによる誤作動・故障を防止することができる。あるいは、電熱式発熱体120の温度が過昇温度(800℃)を長期間にわたって超えて異常に高くなることで、電熱式発熱体120や枠体130などが劣化・溶断等してしまうのを防止することができる。
【0066】
一方、プリヒートが継続され、ステップS5において、プリヒートカウンタT1がプリヒート設定回数Tpに達した場合(YES)には、ステップS6に進み、プリヒート中フラグを解除し、ステップS7でサイクルタイムの経過を待ってステップU2に戻る。そして、ステップU2において、過昇温警告信号が検知されない場合(NO)は、ステップS2に進む。すると、ステップS2では、プリヒート中フラグがセットされていない(NO)と判断されるので、プリヒート期間を終了し、ステップS8に進み、実施形態と同様にして、車載バッテリ220の電圧(電熱式発熱体120の印加電圧)Vを検知する。
【0067】
次いで、ステップUDに進み、電熱式発熱体120の温度がアフターヒートにおける所定の温度となるように、アフターヒートにおけるDuty比(Dとする)を算出する。具体的には、バッテリ220の初期電圧をVb、この初期電圧Vbに基づいて予め設定されたDuty比をDbとしたとき、例えば、D=Db(V/Vb)2として算出できる。これにより、バッテリ220の電圧Vに応じた半導体スイッチ310のON−OFFのDuty比Dを算出することができる。そして、このDuty比Dを用いて電熱式発熱体120への供給電力の制御を行うことで、電熱式発熱体120の温度を所定の温度にすることができる。
【0068】
次いで、ステップSEに進み、算出されたDuty比Dを用いてアフターヒートの通電を行う。具体的には、Duty比Dで決まる時間割合で、半導体スイッチ310のON−OFFを繰り返す。次いで、ステップSFに進み、アフターヒートカウンタT2を積算する。具体的には、プリヒートカウンタT1と同様に、ステップSEを通過する毎に、アフターヒートカウンタT2をインクリメントする。次いで、ステップSGに進み、アフターヒートカウンタT2がアフターヒート終了時間に対応するアフターヒート設定回数Taに達したかどうかを判定する。なお、本変形形態でも、実施形態と同様に、アフターヒート設定回数Taを12000回に、従って、アフターヒート終了時間を600秒に設定している。
【0069】
ここで、アフターヒートカウンタT2がアフターヒート設定回数Taに達していない場合(NO)には、ステップS7に進み、サイクルタイムの経過を待って、再びステップU2に戻る。かくして、上述した動作を繰り返してアフターヒートを継続する。ところが、ステップU2において、過昇温警告信号を検知した場合(YES)は、プリヒートのときと同様に、ステップUHに進み、アフターヒートを終了する。これにより、半導体スイッチ310が警告温度(125℃)あるいは電熱式発熱体120が過昇温度(800℃)を超えるのを抑制できる。一方、アフターヒートが継続され、ステップSGにおいて、アフターヒートカウンタT2がアフターヒート設定回数Taに達した場合(YES)には、ステップUHに進み、アフターヒートを終了する。本変形形態では、このようにして、プリヒート及びアフターヒートが行われる。
【0070】
以上において、本発明を実施形態及び変形形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態等では、配線基板を介して半導体スイッチ110,310を枠体130に固着したが、半導体スイッチを枠体130に直接固着するようにしても良い。
【0071】
また、実施形態等では、アルミナセラミックからなる配線基板170を用いたが、配線基板の材質はアルミナセラミックに限定されるものではない。例えば、表面に絶縁層を有する金属製の配線基板を用いるようにしても良い。
また、実施形態等では、エアヒータ101の枠体130の全体を金属(アルミニウム合金)で構成した。しかし、エアヒータの枠体について、一部分を金属部とし、その他の部分を樹脂などの他の材質で構成するようにしても良い。
【0072】
また、変形形態では、ステップU2において過昇温警告信号を検知した場合(YES)は、プリヒートあるいはアフターヒートを終了するようにした。しかし、終了することなく、プリヒートあるいはアフターヒートを中断し、過昇温警告信号が出力されなくなるのを待って、プリヒートあるいはアフターヒートを再開するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態にかかる車両用エアヒータユニット100を示す図であり、(a)はその平面図、(b)はその側面図である。
【図2】 実施形態にかかる車両用エアヒータユニット100の半導体スイッチ110を示す図であり、(a)はその平面図、(b)はその側面図である。
【図3】 実施形態にかかる車両用エアヒータユニット100の半導体スイッチ110の電気的接続を説明する説明図である。
【図4】 実施形態にかかる車両用エアヒータシステム200の回路図である。
【図5】 実施形態にかかる吸気加熱の流れを示すフローチャートである。
【図6】 変形形態にかかる車両用エアヒータシステム400の回路図である。
【図7】 変形形態にかかる吸気加熱の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
100,300 車両用エアヒータユニット
101 エアヒータ
110,310 半導体スイッチ
114 第4コネクタピン(電流検知用端子)
120 電熱式発熱体
130 枠体(金属部)
200,400 車両用エアヒータシステム
Claims (6)
- 電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、
上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電制御が可能な半導体スイッチと、を備える
車両用エアヒータユニットであって、
上記半導体スイッチは、
自身の温度が遮断温度になると自身を流れる電流を遮断する過昇温保護機能を有し、
上記枠体のうち、上記電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が上記遮断温度となる位置に固着されてなる
車両用エアヒータユニット。 - 電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、
上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電制御が可能な半導体スイッチと、を備える
車両用エアヒータユニットであって、
上記半導体スイッチは、
自身の温度が警告温度になった場合に過昇温警告信号を出力する過昇温信号出力用端子を有し、
上記枠体のうち、上記電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が上記警告温度となる位置に固着されてなる
車両用エアヒータユニット。 - 請求項1または請求項2に記載の車両用エアヒータユニットであって、
前記エアヒータの前記枠体は金属部を有し、
前記半導体スイッチは、上記枠体の上記金属部に直接または電気絶縁体を介して固着されてなる
車両用エアヒータユニット。 - 電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、
上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電を制御する半導体スイッチと、を備える
車両用エアヒータシステムであって、
上記半導体スイッチは、
自身の温度が遮断温度になると自身を流れる電流を遮断する過昇温保護機能を有し、
上記枠体のうち、上記電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が上記遮断温度となる位置に固着されてなる
車両用エアヒータシステム。 - 電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、
上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電を制御する半導体スイッチと、を備える
車両用エアヒータシステムであって、
上記半導体スイッチは、
自身の温度が警告温度になった場合に過昇温警告信号を出力する過昇温信号出力用端子を有し、
上記枠体のうち、上記電熱式発熱体の温度が過昇温度となった場合に自身の温度が上記警告温度となる位置に固着され、
上記車両用エアヒータシステムは、上記半導体スイッチの上記過昇温信号出力用端子からの上記過昇温警告信号に基づいて、上記半導体スイッチを流れる電流を遮断する過昇温保護手段、を備える
車両用エアヒータシステム。 - 請求項4または請求項5に記載の車両用エアヒータシステムであって、
前記エアヒータの前記枠体は金属部を有し、
前記半導体スイッチは、上記枠体の上記金属部に直接または電気絶縁体を介して固着されてなる
車両用エアヒータシステム。
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