JP2007149632A - 電力制御システム、電力制御方法および加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のヒータを備えた単一の加熱装置の消費電力を削減することを課題とする。
【解決手段】交流電源３に接続された単一の加熱装置１における複数のヒータ４を個別に制御する電力制御システム２であって、交流電源３の電源電圧のゼロクロス周期を検知する周期検知部２３と、複数のヒータ４に対する通電のＯＮ／ＯＦＦを、ゼロクロス周期単位で、それぞれ切り換える複数のスイッチング素子１１と、各ヒータ４に対するＯＮ周期が、ゼロクロス周期単位で相互にずれるように、複数のスイッチング素子１１をそれぞれ制御するスイッチング制御部２４と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源に接続された単一の加熱装置における複数のヒータを個別に制御する電力制御システム、電力制御方法および加熱装置に関するものである。

従来、設置台数当たりの最大消費電力を半減させるべく、２台の電気式加熱調理装置（加熱装置）の各電気ヒーター（ヒータ）を共通の電源に並列に接続し、各電気ヒーターへの電力供給を各電気ヒーターが同時に作動状態とならないように各調理板の温度と設定温度とに基づいて交互にＯＮ／ＯＦＦ制御させて、２台の電気式加熱調理装置が適切に作動するように電力を供給する電気式加熱調理装置の電力供給機構（電力制御システム）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１９０８７６号公報

しかしながら、従来の電力供給機構では、電気加熱調理装置が複数台ある場合に消費電力を削減可能とするものであって、電気加熱調理装置が１台のみある場合に、消費電力を削減することを考慮したものではなかった。

本発明は、複数のヒータを備えた単一の加熱装置の消費電力を削減することができる電力制御システム、電力制御方法および加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の電力制御システムは、交流電源に接続された単一の加熱装置における複数のヒータを個別に制御する電力制御システムであって、交流電源の電源電圧のゼロクロス周期を検知する周期検知部と、複数のヒータに対する通電のＯＮ／ＯＦＦを、ゼロクロス周期単位で、それぞれ切り換える複数のスイッチング素子と、各ヒータに対するＯＮ周期が、ゼロクロス周期単位で相互にずれるように、複数のスイッチング素子をそれぞれ制御するスイッチング制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の電力制御方法は、交流電源に接続された単一の加熱装置に設けた複数のヒータを個別に制御する電力制御方法であって、電源電圧のゼロクロス周期を検知し、各ヒータに対するＯＮ周期が、ゼロクロス周期単位で相互にずれるように、複数のヒータに対する通電のＯＮ／ＯＦＦをそれぞれ切り換えることを特徴とする。

この構成によれば、単一の加熱装置に設けられた複数のヒータに対して、各ヒータに対するＯＮ周期がゼロクロス周期単位で相互にずれにように、スイッチング制御することができる。このため、例えば、２個のヒータに対し、ＯＮ周期が４ゼロクロス周期（ＯＮ期間が２ゼロクロス周期、ＯＦＦ期間が２ゼロクロス周期）であって、ＯＮ周期を１ゼロクロス周期相互にずらすようにすれば、２個のヒータが同時にＯＮとなる期間を短く（１ゼロクロス周期だけに）することができる。このため、消費電力を削減することができる。すなわち、この場合、同時にＯＮとならない期間では、同時にＯＮとなる期間に比べて、交流電源からの電流が１／２となり、消費電力が削減される。しかも、電源電圧のゼロクロス周期を検知し、ゼロクロス周期単位でスイッチングするため、タイマー制御する場合のように、タイマーを別途設ける必要がない。なお、細かな制御を可能とすべく、各ヒータに対するＯＮ期間を１０ゼロクロス周期以下とすることが好ましく、１ゼロクロス周期とすることがさらに好ましい。

また、全ヒータが同時にＯＮとなることがないように、ＯＮ周期を相互にずらすことが好ましく、上記の例でいえば、ＯＮ周期を２ゼロクロス周期相互にずらすようにする。これによれば、ピーク電流を削減することができる。したがって、電源容量を小さくすることができ、装置の小型化を図ることができる。

なお、ゼロクロス周期とは、電源電圧の立ち上がりおよび立ち下がり双方のゼロクロス周期（交流周期の１／２）であってもよく、立ち上がりおよび立ち下がりいずれかのゼロクロス周期（交流周期）であってもよい。

上記の電力制御システムにおいて、加熱対象物の近傍の温度を測定する温度測定手段と、測定温度と目標温度との偏差に基づいて、複数のヒータに対するＯＮ／ＯＦＦを制御する駆動信号を出力する駆動制御部と、をさらに備え、スイッチング制御部は、複数のスイッチング素子を、駆動信号がＯＦＦである期間は、いずれもＯＦＦとなるようにそれぞれ制御することが好ましい。

この構成によれば、測定温度に基づいて複数のスイッチング素子を制御することで、目標温度に近づくようにフィードバック制御することができる。しかも、上述したように、ゼロクロス周期単位でスイッチングすることで、簡易な構成により適切に目標温度を維持することができる。

この場合、スイッチング制御部は、複数のスイッチング素子を、偏差が小さくなるに従って、ＯＮ周期のずれ量が大きくなるように、それぞれ制御することが好ましい。

この構成によれば、加熱段階に応じて、複数のヒータを作動制御することができる。すなわち、測定温度と目標温度との偏差が大となる加熱開始段階（立ち上げ時）では、ＯＮ周期のずれ量を比較的小さくすることで、同時にＯＮとなる期間が比較的長くなるため、高電力で加熱でき、目標温度への到達時間を短縮することができる。また、偏差が小となる目標温度維持段階（安定時）では、ＯＮ周期のずれ量を比較的大きくすることで、同時にＯＮとなる期間が比較的短くなるため、消費電力を削減することができ、省エネを図ることができる。したがって、加熱装置を効率良く作動させることができる。

本発明の加熱装置は、上記した電力制御システムと、交流電源と、複数のヒータと、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、単一の加熱装置の消費電力を削減することができる電力制御システムを備えたことで、省エネ運転を行うことができ、環境に対する負荷を軽減することができる。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る電力制御システム、およびこれを備えたプレート接合装置（加熱装置）の実施形態について説明する。本実施形態のプレート接合装置は、インクジェットヘッドの複数のノズルを穿設したノズルプレートと、圧電素子による圧力発生室を設けた流路形成基板とを加熱圧着させるために用いられるものである。

図１は、本実施形態のプレート接合装置１に備えられた電力制御システム２の基本的な構成を示すブロック図であり、図２および図３は、電力制御システム２の各部を示す回路図である。同図に示すように、プレート接合装置１は、単一の加熱装置であって、共通の交流電源３に複数（例えばチャンネル１〜４）のヒータ４を並列に接続したものである。

４個のヒータ４は、目標温度（設定温度）を維持するように、後述する電力制御システム２によって作動制御されており、ノズルプレートおよび流路形成基板を目標温度下で加熱するようになっている。

電力制御システム２は、４個のヒータ４を個別に制御するものであって、４個のヒータ４に対する通電のＯＮ／ＯＦＦをそれぞれ切り換える４個のソリッドステートリレー（ＳＳＲ）１１と、加熱対象物（ノズルプレート）の近傍の温度を測定する温度センサ１２と、測定温度に基づいて４個のヒータ４をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）すると共に、４個のＳＳＲ１１をそれぞれスイッチング制御する制御回路１３とを備えている。

制御回路１３は、温度センサ１２からの入力信号に対し、所定の信号処理を行う温度センサ入力回路２１と、４個のヒータ４をＰＩＤ制御するためのＰＩＤ制御回路２２と、交流電源３の電源電圧のゼロクロス周期を検知するＡＣ周期検知回路２３と、４個のＳＳＲ１１をそれぞれスイッチング制御するスイッチング制御回路２４と、各種のパラメータをスイッチング制御回路２４に入力するための入力部２５と、を有している。

ＰＩＤ制御回路２２は、温度センサ入力回路２１からの入力信号（測定温度）と、設定された目標温度との偏差に基づいて、４個のヒータ４に対する操作量を演算するＰＩＤ演算回路３１と、演算された操作量に基づくＰＩＤヒータ駆動信号を、スイッチング制御回路２４に出力するＰＩＤヒータ駆動回路３２とから構成されている。

本実施形態では、４個のヒータ４に対するフィードバック制御として、ＰＩＤ制御を採用しているが、当然のことながら、ＰＩ制御その他の制御形式であってもよい。なお、スイッチング制御回路２４により、後述するＯＮ周期ずらし制御を行わない場合には、ＰＩＤヒータ駆動信号を４個のＳＳＲ１１に直接出力し、これらを駆動制御する。

ＡＣ周期検知回路２３は、ブリッジ回路等で構成され、交流電源３からの交流波形を整流するＡＣ入力回路３４（全波整流回路）と、ＡＣ入力回路３４からの出力波形に基づいて、電源電圧のゼロクロス周期を検知するゼロクロス周期検知回路３５とから構成されている。

ゼロクロス周期検知回路３５は、オペアンプ等で構成され、ＡＣ入力回路３４からの出力波形から矩形波（Ｅｎａｂｌｅ信号）を得るためのコンパレータ回路３６（電圧比較演算回路）と、コンパレータ回路３６から出力された矩形波よりｓｅｔ信号を得るための微分・フィルタ回路３７とを有している。これにより、電源電圧の立ち上がりおよび立ち下がり双方のゼロクロス周期を検知することができる。なお、ｓｅｔ信号は、スイッチング制御回路２４のずらし量演算エンジン４１に出力され、他方、Ｅｎａｂｌｅ信号は、ＳＳＲ駆動回路４２に出力される。

入力部２５は、各種パラメータをＢＣＤデータ等としてスイッチング制御回路２４に入力する。各種パラメータには、例えば、プレート接合装置１に設けたヒータ４の個数（ここでは４個）や、後述するＯＮ周期ずらし量（例えば１ゼロクロス周期、２ゼロクロス周期、３ゼロクロス周期の３段階）等が含まれている。

スイッチング制御回路２４は、マルチプレクサー（分配回路）等で構成され、各ヒータ４に対するＯＮ周期（ＯＮ期間およびＯＦＦ期間）を設定すると共に、複数のヒータ４間のＯＮ周期ずらし量を演算するずらし量演算エンジン４１と、ＯＮ周期ずらし量に基づく制御信号を、４個のＳＳＲ１１にそれぞれ出力するＳＳＲ駆動回路４２とから構成されている。

ずらし量演算エンジン４１は、ＯＮ周期ずらし量を、入力部２５より入力された複数段階のＯＮ周期ずらし量のなかから、ＰＩＤヒータ駆動信号（操作量）に基づいて、設定する。すなわち、操作量が大（偏差大）となる加熱開始段階（立ち上げ時）では、ＯＮ周期ずらし量を最小値（例えば１ゼロクロス周期）に設定し、操作量が小（偏差小）となる目標温度維持段階（安定時）では、ＯＮ周期ずらし量を最大値（例えば４ゼロクロス周期）に設定する。なお、ＯＮ周期ずらし量を、測定温度に基づいて設定してもよい。この場合には、温度センサ入力回路２１からの入力信号がスイッチング制御回路２４に入力するようにする。

そして、ずらし量演算エンジン４１は、入力したｓｅｔ信号に基づいて、各ヒータ４に対するＯＮ周期ずらし量を演算する。このため、ＯＮ周期ずらし量は、ゼロクロス周期単位となる。

図４に示すように、具体的には、ずらし量演算エンジン４１は、例えば、入力されたヒータ４の個数が４個であり、各ヒータ４に対するＯＮ周期を１２ゼロクロス周期（ＯＮ期間：３ゼロクロス周期、ＯＦＦ期間：９ゼロクロス周期）に設定すると共に、ＯＮ周期ずらし量を３ゼロクロス周期（目標温度維持段階）に設定した場合、チャンネル１のヒータ４に対するＯＮ周期ずらし量を、チャンネル２のヒータ４が３ゼロクロス周期、チャンネル３のヒータ４が６ゼロクロス周期、チャンネル３のヒータ４が９ゼロクロス周期となるように演算し、そのＯＮ周期ずらし量信号を出力する。

ＳＳＲ駆動回路４２は、ＰＩＤヒータ駆動信号、Ｅｎａｂｌｅ信号および各ヒータ４に対応するＯＮ周期ずらし量信号を入力とする４個のＡＮＤ回路等で構成されており、４個のＳＳＲ１１にそれぞれ制御信号を出力する。

このようにして、各ヒータ４に対するＯＮ周期が、ゼロクロス周期単位で相互にずれにように、４個のＳＳＲ１１をそれぞれ制御することができる。これによれば、複数のヒータ４が同時にＯＮとなる期間（上記の例ではゼロ）を短くすることができ、消費電力を削減することができる。

図５は、ヒータの個数を２個とした点を除き、上記と同様に構成されたプレート接合装置を用いて、上述したＯＮ周期ずらし制御を行った場合と、ＯＮ周期ずらし制御を行わなかった（２個のヒータを同時にＯＮ／ＯＦＦ）場合との消費電力を示す図である。

同図に示すように、ＯＮ周期ずらし制御を行った場合には、ＯＮ周期ずらし制御を行わなかった場合に比べて、消費電力が削減された。これにより、本電力制御システムによれば、省エネ稼動できることが明らかにされた。

ところで、上記の具体例は、目標温度維持段階であって、ＯＮ周期ずらし量が最大値（３ゼロクロス周期）に設定されており、同時にＯＮとなる期間が比較的短く（ゼロ）なる。このため、高電力で加熱でき、目標温度への到達時間を短縮することができる。一方、加熱開始段階では、上記のように、ＯＮ周期ずらし量が最小値（１ゼロクロス周期）に設定されるため、同時にＯＮとなる期間が比較的長く（チャンネル１と２との間では、２ゼロクロス周期）なる。このため、高電力で加熱でき、目標温度への到達時間を短縮することができる。したがって、加熱装置を効率良く稼動させることができる。

また、ＯＮ周期ずらし量が最小値（１ゼロクロス周期）に設定される際にも、全ヒータ４が同時にＯＮとなることがない。これによれば、ピーク電流を削減することができる。したがって、電源容量を小さくすることができ、装置の小型化を図ることができる。

さらに、電源電圧のゼロクロス周期を検知し、ゼロクロス周期単位でスイッチングするため、タイマー制御する場合にように、タイマーを別途設ける必要がなく、簡易な装置構成が可能となる。また、各ヒータ４に対するＯＮ期間が短い（上記の例では３ゼロクロス周期）ため、細かな制御が可能となる。

また、ＰＩＤヒータ駆動信号がＯＦＦである期間は、４個のＳＳＲ１１がいずれもＯＦＦとなる。これによれば、ＰＩＤヒータ駆動信号（測定温度）に基づいて４個のＳＳＲ１１を制御することで、目標温度に近づくようにＰＩＤ制御することができる。しかも、ゼロクロス周期単位でスイッチングすることで、簡易な構成により適切に目標温度を維持することができる。

なお、ここまで、プレート接合装置１を例に挙げて本発明について説明してきたが、交流電源に接続された複数のヒータを個別に制御可能な単一の加熱装置であればよく、調理用加熱装置、暖房器具、複写機等の画像形成装置におけるトナー像定着装置、その他の加熱装置に本発明を適用可能である。

本発明の一実施形態に係るプレート接合装置に備えられた電力制御システムの基本構成を示すブロック図である。 電力制御システムの制御回路のうち、ＡＣ周期検知回路の概略を示す回路図である。 電力制御システムの制御回路のうち、スイッチング制御回路の概略を示す回路図である。 複数のヒータに対するスイッチング制御を説明するタイミングチャートである。 プレート接合装置を用いて、ＯＮ周期ずらし制御を行った場合と、同制御を行わなかった場合との消費電力を示すグラフである。

符号の説明

１…プレート接合装置 ２…電力制御システム ３…交流電源 ４…ヒータ １１…ＳＳＲ １２…温度センサ ２２…ＰＩＤ制御回路 ２３…ＡＣ周期検知回路 ２４…スイッチング制御回路

Claims (5)

1. 交流電源に接続された単一の加熱装置における複数のヒータを個別に制御する電力制御システムであって、
   前記交流電源の電源電圧のゼロクロス周期を検知する周期検知部と、
   前記複数のヒータに対する通電のＯＮ／ＯＦＦを、前記ゼロクロス周期単位で、それぞれ切り換える複数のスイッチング素子と、
   前記各ヒータに対するＯＮ周期が、前記ゼロクロス周期単位で相互にずれるように、前記複数のスイッチング素子をそれぞれ制御するスイッチング制御部と、
   を備えたことを特徴とする電力制御システム。
2. 加熱対象物の近傍の温度を測定する温度測定手段と、
   測定温度と目標温度との偏差に基づいて、前記複数のヒータに対するＯＮ／ＯＦＦを制御する駆動信号を出力する駆動制御部と、をさらに備え、
   前記スイッチング制御部は、前記複数のスイッチング素子を、前記駆動信号がＯＦＦである期間は、いずれもＯＦＦとなるようにそれぞれ制御することを特徴とする請求項１に記載の電力制御システム。
3. 前記スイッチング制御部は、前記複数のスイッチング素子を、前記偏差が小さくなるに従って、前記ＯＮ周期のずれ量が大きくなるように、それぞれ制御することを特徴とする請求項２に記載の電力制御システム。
4. 交流電源に接続された単一の加熱装置に設けた複数のヒータを個別に制御する電力制御方法であって、
   電源電圧のゼロクロス周期を検知し、前記各ヒータに対するＯＮ周期が、前記ゼロクロス周期単位で相互にずれるように、前記複数のヒータに対する通電のＯＮ／ＯＦＦをそれぞれ切り換えることを特徴とする電力制御方法。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電力制御システムと、
   前記交流電源と、
   前記複数のヒータと、
   を備えたことを特徴とする加熱装置。

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