JP2007516689A - 非常灯装置及び非常灯システム - Google Patents

Abstract

非常灯装置は、領域を照らす照明ランプ及びランプに電力を供給するための電気エネルギーを提供するエネルギー蓄積装置を有する。本発明によると、エネルギー蓄積装置は、電気エネルギーを蓄積するウルトラキャパシターを有する。ウルトラキャパシターは経時劣化を殆ど示さないので、大規模な、例えば非常灯装置の寿命期間中の定期点検が省略できる。非常灯のウルトラキャパシターを充電する充電装置が説明される。

Description

本発明は、周囲を照らす照明ランプ、ランプに電力を供給するための電気エネルギーを提供するエネルギー蓄積装置、エネルギー蓄積装置を充電する充電装置、及びランプを起動し及び充電を制御する制御手段を有する非常灯装置に関する。更に、本発明は、複数の前記非常灯装置を有する非常灯システムに関する。

非常灯装置及びシステムは、長い間知られている。そのような装置及びシステムは、ビルディング、トンネル、又は他の場所で非常時の照明を提供するために利用されている。照明は、緊急時、例えば正規の照明に電力を通常供給する電源の故障、又は火災、煙警報、爆発物の存在の危険、又は他の緊急事態のような他の非常事態の場合に提供される。非常灯装置は、ガス放電ランプ、蛍光管、ハロゲンランプ、標準的な電球、他の種類のフィラメントランプ、発光半導体素子、又は他の如何なる種類の適切な発光装置のような、如何なる適切な種類のランプであって良い照明ランプを有する。ランプに電力を供給できるように、非常灯装置は、ＮｉＣｄ電池、又は鉛酸蓄電池のようなバッテリーを有する。法的要件又はトンネル、又はビルディングのような非常灯装置が設置される施設の運営者により課される安全要件のような要件を満たすため、最低限の作業時間が要求される。このような最低限の作業時間は、例えば１又は数時間であるが、如何なる時間も要求され得る。非常事態の発生は予測できないので、非常灯装置は、如何なる時も完全に動作すること、及び従って、蓄電池は充分に充電され、最低限の所定の期間にランプを点灯するのに充分なエネルギーを供給することが要求される。

以上に述べた非常灯に関連する問題は、蓄電池が経時劣化の特性を有し、従って検査され場合によっては定期的に交換されなければならないことである。非常灯が少なくとも最低限の要求される時間に要求される照明を提供できるか否かを検査するため、現在、非常照明を使用中の動作状態、つまりランプは電池により電力を供給される状態にさせ、そしてランプの動作を少なくとも最低限の要求される時間、監視しなければならない。ランプが少なくとも所定の時間の間、動作し続ける場合、電池の状態は許容範囲であると見なされる。一方、ランプが所定の時間の間、動作しない場合、電池の交換が必要とされる。この検査手順の不利点は、多くの場合、トンネル、ビルディング等の非常灯が設置されている施設を操業中止にする必要があること、及び作業者が施設にある各ランプの照明期間を監視することが困難なことである。

本発明は、少ない保守しか必要としない照明灯を提供する。

上述の目的を達成するため、本発明による非常灯装置は、エネルギー蓄積装置は基本的に電気エネルギーを蓄積するウルトラキャパシターを有することを特徴とする。ウルトラキャパシターは、スーパーキャパシター又はブーストキャパシターとも称され、知られている。ウルトラキャパシターは、例えば電解液を分極させることにより、静電気的にエネルギーを蓄積する。この機構は、非常に可逆的であり、ウルトラキャパシターを何十万回も充電及び放電可能にしている。ウルトラキャパシターは、例えば電解液内に置かれた２つの非リアクタンス性の多孔質の板を有し、これら板に電圧が印加される。正の極板に印加される電位は、電解液の負のイオンを引き付け、負の極板の電位は正のイオンを引き付ける。これにより、電荷は正の極板と負の極板に分かれ、容量性蓄電池の２重層が効率的に作られる。ウルトラキャパシターは、平行する極板又は２重層キャパシターを有して良い。当業者は、しかしながら、ウルトラキャパシターはコストが高く、特定のエネルギー蓄積容量を得るためのウルトラキャパシターの電流量がＮｉＣｄ又はＮｉＭｈ電池のような従来の電池より有意に大きいため、このようなウルトラキャパシターを非常灯へ適用しようと考えなかった。しかしながら、キャパシターの特性は少なくとも有意に経時劣化せず、ウルトラキャパシターの電気特性は長い間実質的に一定なので、つまり有意に劣化しないので、非常灯を作動させ、少なくとも最低限の所定の時間に装置がランプに電力を供給できるかを監視することによる非常灯の検査は、必要ない。更に、（使用可能な）ウルトラキャパシターの寿命は、比較的正確に予測できる。ウルトラキャパシターの電圧は線形又はほぼ線形にその充電条件に依存するので、電気変換器がウルトラキャパシターとランプの間に接続され、ウルトラキャパシターにより供給される電圧を、ランプを動作するために必要な電圧又は他の電気量に変換するかも知れない。

非常灯装置は、有利なことにウルトラキャパシターの充電又は放電状態におけるキャパシターのインピーダンスを測定する試験回路を有する。漏れインピーダンス及び／又は交流インピーダンスはウルトラキャパシターの状態の信頼性のある指標を提供するので、漏れインピーダンス又は交流（ＡＣ）インピーダンスのような、ウルトラキャパシターのインピーダンスを測定することにより、その状態を確実に検査できる。交流インピーダンスを測定するために、試験回路は、交流電圧をウルトラキャパシターに印加しそれに応じてウルトラキャパシターを流れる交流電流を測定できる。また逆も可能である。従って、これらの試験は、キャパシターを放電することなく及び／又は最低限の要求される非常灯装置の動作時間のような時間の間、ウルトラキャパシターに蓄積されたエネルギーでランプに電力を供給することなく、実行できる。ウルトラキャパシターは長い動作寿命を有するので、電池の定期交換は削減され、関連する環境負荷は回避される。また交換のための材料及び作業コストも削減される。更に、多くの用途において、非常灯装置の保守はそれが設置されている施設の操業中止を必要とするので、非常灯装置の停止時間の多くの場合高いコストも削減される。また、電池の交換は、例えばオフィスビルでは、照明設備、天井等を開ける必要がある。本発明による非常灯装置では、そのような作業は必要ないので、運用コストは更に削減される。

本発明によると、非常灯装置のエネルギー消費は削減されるので、バッテリーを全容量に維持するため連続的に又は周期的にバッテリーを再充電する必要がない。ウルトラキャパシターの漏れ電流は少なく、及び従って再充電に伴う電力消費は有意に削減される。また、バッテリーの連続的な又は周期的な充電（トリクル充電）は、電池に付加的な損失を生じさせ、電池の温度を上昇させ、従って電池の寿命に更に影響を及ぼし、そして非常灯装置の保守負荷を更に増大させる。ウルトラキャパシターの更なる利点は、非常に高速に充電できることである。従って、非常灯では、ウルトラキャパシターは非常に大電流、従って非常に短時間で充電できるので、非常時の後すぐに電力が利用可能になるので、装置は短時間で再度完全に動作可能である。結果として、非常灯装置は、非常事態が再発するであろう非常に短時間の内に完全に動作可能である。また、キャパシターに蓄積された電気エネルギーの量は、線形又は実質的に線形に電圧に依存するので、ウルトラキャパシターの瞬時充電状態は、確実に且つ例えば単純な電子試験回路のような簡易な手段でウルトラキャパシターの瞬時電位を検知することにより検査される。

非常灯装置では、充電装置は、基本的に固定電圧又は電流をウルトラキャパシターに印加するよう有利に構成できる。充電状態とキャパシターの電圧の間の線形関係と共に、ウルトラキャパシターの大電流に対する耐性により、このような単純且つ容易な充電装置が利用されて良い。電流制限器は、過剰な充電電流を制限するために含まれて良い。

他の有利な実施例では、充電装置は、スイッチング端子を電源端子と接地端子に交互に接続するスイッチング手段、充電端子に接続される第１の枝路を有し、前記第１の枝路は、少なくともキャパシター及び誘導性素子の直接接続を有し、前記１の枝路は、電気エネルギーをウルトラキャパシターと接続可能でウルトラキャパシターを充電する整流器に供給する。従って、大充電電流はこの充電装置で生成できるので、ウルトラキャパシターを非常に短時間で充電できる構成が提供される。ウルトラキャパシターの寄生直列インダクタンスはキャパシターを充電するパルス電流を平滑化するフィルターとして機能するので、他の装置と異なり、この装置は、ウルトラキャパシターの寄生直列インダクタンスを利用する。スイッチング手段は、電界効果トランジスターのような如何なる適切なスイッチング手段を有しても良い。誘導性素子は、インダクターを有して良い。しかしながら、ガルバニック絶縁を達成するため、及び／又は充電装置の入力電圧と出力電圧の間の有意な変化を実現するため、誘導性素子は、変圧器、変圧器の第１の端子を経由して接地端子と接続される充電装置の第１の枝路、整流器と接続される変圧器の第２の端子を有して良い。

充電装置の更なる利点は、ウルトラキャパシターの寄生直列インダクタンス、ワイヤインダクタンス及び誘導性素子のインダクタンスの機能により、ウルトラキャパシターが完全に放電された場合、つまりウルトラキャパシターにかかる初期電圧がゼロ又はほぼゼロの場合、電流を制限するので、充電装置は大出力電流から保護されている点である。

充電装置は、充電を制御する充電制御装置を更に有して良い。充電制御装置は、第１の枝路の電流に作用するスイッチング装置のスイッチング周波数に作用する。また、実効電流値、平均電流値又はこれらの如何なる組み合わせが制御されても良い。スイッチングのデューティーサイクルは、制御装置により基本的に固定値に有利に保たれる。従って、半共振コンバーターが作られ、スイッチング装置のスイッチングは、スイッチング周波数のデューティーサイクルを基本的に固定値に保つことにより、ゼロ電圧において行われる。ゼロ電圧スイッチングにより、充電装置内の電力損失は、大電流にもかかわらず、低く保つことができる。

有利なことに、充電制御装置は、キャパシターの充電が中止した時にウルトラキャパシターの電圧を検知するよう構成される。ウルトラキャパシターの充電が中止した瞬間に、寄生直列インダクタンスの電圧降下はゼロになり、そして従って電圧検知はスーパーキャパシターの実際の充電及び／又は実電圧に関する信頼できる指標を提供するだろう。充電は、例えば周期的なウルトラキャパシターの電圧検知のために、中止されて良い。また、電圧は充電中に検知されることも可能である。一方、電圧が特定の値に達した瞬間に、充電が中止され、高精度で電圧が検知される。

本発明は、以下の図面を参照して更に説明される。以下の図面は本発明の実施例を限定するものではない。

図１は、エネルギー蓄積装置を充電する充電器１、この場合はウルトラキャパシター２を有する非常灯装置を示す。充電器又は充電装置１は、スイッチ４ａを経由して接続されたとき、ウルトラキャパシター２を充電できる。充電装置１は、幹線のような電源１ａを用い電気エネルギーを供給される。エネルギー蓄積装置２は、第２のスイッチ４ｂを経由してランプ３に接続可能であり、ランプ３を動作させる。ランプ３は、高圧又は低圧の放電ランプ、ハロゲンランプ、電球、蛍光管、蛍光ランプ、半導体発光素子、又は他の如何なる種類の適切な発光装置のような、如何なる適切な種類のランプを有して良い。非常灯システムは、充電器１の充電を制御しスイッチ４ｂを制御することによりランプ３をスイッチングする制御装置４を更に有する。図１に示される構成に加え、電源１ａは、追加端子（図示されない）を経由して、例えば追加スイッチを経由して、ランプ３と直接に接続される。このように、電源線１ａにより供給される電力を利用して、非常でない状況下でランプ３を動作可能である。更に選択肢として、充電器１の構造により、スイッチ４ａは省くことが可能である。図１に示されるように非常灯装置は、１つの単一の筐体に構成されて良く、又は複数の筐体に分散されても良い。また、コンバーターは、ウルトラキャパシターの充電状態に依存するウルトラキャパシターにより供給される電圧を、ランプに電力を供給するための実質的に一定の交流又は直流電圧に変換するため、ウルトラキャパシターとランプの間に機能的に配置されて良い。

図２に示されるように、本発明による非常灯の充電装置及び装置は、スイッチＭ１及びＭ２を有するスイッチング手段を有する。スイッチング手段は、キャパシターＣ及び直列インダクターＬｓを有する第１の枝路を電圧源Ｖｓ及び接地電位に交互に接続する。電圧源Ｖｓは、例えば調整された電圧を有して良い。直列インダクターＬｓは、第１の端子、つまり変圧器Ｔの第１の巻線と接続される。第２の端子、つまり変圧器Ｔの第２の巻線は、整流器Ｒにより提供されるパルスの整流のため、整流器と接続される。整流器Ｒは、電気エネルギーを蓄積するウルトラキャパシターＵｃと接続される。ウルトラキャパシターの寄生直列インダクタンスは、場合によっては、ワイヤインダクタンスと組み合わせ、Ｌｕｃとして図示されるように、整流器ＲによりウルトラキャパシターＵｃに提供される電流パルスのフィルタリングを提供する。キャパシターＣの値は、ゼロ電位スイッチングが保証されるよう充分大きく選択される。これは、有効負荷、つまり寄生インダクタンスＬｕｃ、ワイヤインダクタンス及び変圧器のインダクタンス及び／又は直列インダクターＬｓを含むウルトラキャパシターは、動作周波数範囲全域に亘り誘導性であり、スイッチＭ１及びＭ２を有するスイッチング手段はデューティーサイクル５０％で駆動されるためである。直列インダクターＬｓは、単独のインダクタンスで良いが、変圧器Ｔの漏れインダクタンスにより（部分的に又は全て）構成されても良い。整流器は、例えばダイオード整流器又は同期整流器であって良い。ウルトラキャパシターＵｃは、大きい寸法を有し、その結果としてウルトラキャパシターの寄生インダクタンスＬｕｃ及びその端子は大きい。図２の回路では、この寄生直列インダクタンスはフィルターとして利用され、整流器からの電流パルスを平滑化し、図２の回路の動作原理において重要な役割を担う。従って、変圧器の寄生直列インダクタンスは、ウルトラキャパシターの寄生直列インダクタンスと同様に、その要素は通常、回路で逆の役割を行い変圧器又はウルトラキャパシターの望ましくない振る舞いとして考えられるが、図２の回路の不可欠な部分として利用される。ウルトラキャパシターを大電流で短時間に充電可能にするため、変圧器及びウルトラキャパシターの寸法を大きく選択するので、これらの寄生インダクタンスの利点は特に大きいウルトラキャパシターの充電は、（オプトカプラーのような）光アイソレーターＯＩ、変圧器Ｔの１次巻線の電流を検知する電流検知装置Ｃｓ、ウルトラキャパシターの電圧を検知する電圧検知装置Ｖ及び制御部Ｃｏｎを有する充電制御装置（又は如何なる他の制御装置）により制御される。充電制御装置部は、ウルトラキャパシターの充電電流を、１次電流のピーク値、実効値又は平均値、従って変圧器Ｔの１次巻線に流れる電流を制御することにより調整する。この電流の値は、電流検知器Ｃｓ（例えば分流器を有する）で検知され、又は例えば金属酸化膜半導体電界効果トランジスターを有するスイッチＭ２で（と直列に）検知され、又は電圧源Ｖｓと直列に検出される。変圧器Ｔの１次巻線の１次電流のピーク値は、スイッチング周波数を制御することにより制御部Ｃｏｎにより制御される。５０％のデューティーサイクルは影響されないので、従って図２のコンバーターの動作範囲全体に亘りゼロ電圧スイッチングが達成される。ウルトラキャパシターにかかる直流電圧は、検出装置Ｖにより連続的に測定される。しかしながら、インダクタンスＬｕｃの影響により、電流がこのインダクタンスを流れる時に測定誤差が生じる。従って、本発明によると、ウルトラキャパシターにかかる電圧は、充電が中止した時に正確に測定可能である。従ってウルトラキャパシターにかかる直流電圧は、測定される電圧に如何なる影響も及ぼすことなく測定可能である。このような出力電圧の測定は、周期的に行われて良い。従ってこのため充電は、充電が行われると周期的に中断される。キャパシターが完全に充電された状態に達した時点で、充電制御装置は、充電を中止する正確な測定を行うが、また、より精度の低い測定を充電中に行うことが可能である。充電制御装置は、独立した装置であって良く、又は図１の制御装置４の一部を形成しても良い。

図１の非常灯装置内のウルトラキャパシターは、有利なことにウルトラキャパシターの充電状態において可能な、キャパシターのインピーダンス測定により試験可能である。ウルトラキャパシターの漏れインピーダンスの測定が可能である。漏れインピーダンスは、ウルトラキャパシターの状態に関する指標を提供する。例えば、交流電圧をウルトラキャパシターに印加し、この電圧に応じてウルトラキャパシターを流れる交流電流を測定することにより、交流インピーダンスを測定できる。また、選択肢として、ウルトラキャパシターに電流を印加し、それに応じてウルトラキャパシターに生成される電圧を測定することが可能である。試験回路は、図１及び図２には示されない。有利なことに、漏れインピーダンス又は電流及びエネルギー含量の両方が測定される。漏れは時間の経過と共に減少する電圧を測定することにより測定可能である。エネルギー含量は、（望ましくは充電が中止された時に）キャパシターにかかる電圧を測定することにより、及びそれに基づき、例えばエネルギー含量Ｅ、容量Ｃ、及びウルトラキャパシターにかかる電圧Ｖとし、式Ｅ＝１／２ＣＶ^２を用い、エネルギー含量を計算することにより決定される。

非常灯システムは、複数の以上に説明された非常灯装置を有して良い。システムの装置は、如何なる適切な手段を経由して相互接続されて良い。更に、システムは、システムの装置を検査し及び状態情報及び／又はそれからエラーメッセージを受信する制御システムを有する。

従って、本発明によると、基本的に保守が不要な非常灯装置が作られる。そして、エネルギー蓄積装置に蓄積されたエネルギーが、少なくとも最低限の所定の時間の間、ランプを動作させるために充分かどうかを検査するために、定期的に非常灯装置を動作させ及びエネルギー蓄積装置を放電させることを省略できる。従って、全体の運用コストは有意に削減され、非常灯装置を検査する負担は省略される。これは、非常灯装置が設置されている設備において行われる通常動作の中断を回避するので、利点と考えられる。

本発明による非常灯装置を示すブロック図である。 本発明による充電装置の実施例の回路図である。

Claims (11)

1. 非常灯装置であって、周囲を照らす照明ランプ、前記ランプに電力を供給するための電気エネルギーを提供するエネルギー蓄積装置、前記エネルギー蓄積装置を充電する充電装置、及び前記ランプを起動し及び充電を制御する制御手段を有し、前記エネルギー蓄積装置は基本的に前記電気エネルギーを蓄積するウルトラキャパシターを有する、非常灯装置。
2. 前記ウルトラキャパシターの充電又は、放電状態におけるキャパシターのインピーダンスを測定する試験回路を更に有する、請求項１記載の非常灯装置。
3. 前記インピーダンスは、漏れインピーダンスを有する、請求項２記載の非常灯装置。
4. 前記インピーダンスは、交流インピーダンスを有し、前記試験回路は、交流電圧を前記ウルトラキャパシターに印加しそれに応じて前記ウルトラキャパシターを流れる交流電流を測定する又は逆も同様である、請求項２又は３記載の非常灯装置。
5. 前記充電装置は、基本的に固定電圧又は電流を前記ウルトラキャパシターに印加するよう構成される、前記請求項の何れかに記載の非常灯装置。
6. 前記充電装置は、スイッチング端子を電源端子と接地端子に交互に接続するスイッチング手段、充電端子に接続される第１の枝路を有し、前記第１の枝路は、少なくともキャパシター及び誘導性素子の直接接続を有し、前記１の枝路は、電気エネルギーを前記ウルトラキャパシターと接続可能で前記ウルトラキャパシターを充電する整流器に供給する、前記請求項の何れかに記載の非常灯装置。
7. 前記誘導性素子は、変圧器、前記変圧器の第１の端子を経由して前記接地端子と接続され、前記変圧器の第２の端子は前記整流器と接続される、請求項６記載の非常灯装置。
8. 前記充電装置は、充電を制御する充電制御装置を更に有し、前記充電制御装置は、前記第１の枝路の電流に作用する前記スイッチング装置のスイッチング周波数に作用する、請求項６又は７記載の非常灯装置。
9. 前記充電制御装置は、前記スイッチング周波数のデューティーサイクルを基本的に固定値に保つよう構成される、請求項８記載の非常灯装置。
10. 前記制御装置は、前記ウルトラキャパシターの電圧を、前記キャパシターの充電が中止した時に検知するよう構成される、請求項６乃至９記載の非常灯装置。
11. 非常灯システムであって、複数の請求項１乃至１０の何れかに記載の非常灯装置を有する、非常灯システム。

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