JP2013097875A - ヒータ制御装置及びそれを用いた電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 実効電圧が異なる交流電源と直流電源を利用した場合に、同一のヒータ１５を用いた場合に実効電圧の高い電圧を有する電源接続時にヒータが過電流により問題が生じる。
【解決手段】 ヒータ制御装置２０は、交流電源と直流電源のいずれからも給電可能であり、ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９から発生されるヒータ指令信号５０と、交流電源、直流電源のいずれが接続されているか判別する比較器４４と、ヒータのオン・オフ状態を制御するスイッチ２８とを有する。前記スイッチ２８の出力状態から制御の異常を検知し、ヒータ１５への電源を遮断する保護回路６０を備える。実効電圧が高い直流電源接続時に異常が生じた場合、保護回路６０とリレー２６ａによりヒータ１５への給電を止める。
【選択図】図４

Description

本発明は、交流と直流電力の双方を利用したヒータの制御装置及びそれを用いた電気機器、特に好ましくは冷蔵庫に用いるヒータの制御装置に関する。

近年、地球温暖化や石油枯渇の問題から、省エネ化が求められている。省エネを図る方法の一つとして、屋内の直流給電が提案されている。直流給電は、機器の直流電圧部に直接電力を給電出来るため、交流電圧から直流電圧へ変換する部分での電力損失を削減できる。また、発電時に温暖化の原因となる二酸化炭素を発生しない太陽電池が注目されているが、その出力電圧が直流のため、太陽電池から家電機器へ電力を供給する際の損失が少ない。

しかし、交流給電から直流給電への転換は設備の変更など難しくすぐに普及するわけではないため、交流・直流いずれの給電でも動作する電気機器を用いることが考えられる。このとき、交流電圧と直流電圧の実効値は異なることが考えられる。

このように交流電圧と直流電圧の実効値が異なる状態で使用される冷凍装置として特許文献１に示されたものがある。特許文献１に示された冷凍装置は、冷凍車に用いられるもので、圧縮機及び除霜のためのヒータとして、直流用、交流用の専用の２つの圧縮機とヒータを用いている。

特開平５−１４９６６９号公報

特許文献１のように直流用、交流用の圧縮機とヒータを用いると冷蔵庫などの電気機器が大きくなるだけでなく、コストアップになることから冷凍車のような特殊用途には使えても家庭用や一般的な業務用の冷蔵庫などの電気機器としては望ましくない。

本発明は、上記課題を解決するため、直流と交流双方の給電で使用できるヒータの制御回路及びそれを用いた電気機器を提供することを目的とする。

本発明に係るヒータ制御装置は、交流電源と直流電源のいずれからも給電可能な電源部と、ヒータを動作可能状態とするためのヒータ制御指令部と、前記ヒータ制御指令部からのヒータ指令信号に基づいてヒータのオン・オフ状態を制御するスイッチ部と、前記スイッチ部の出力状態から制御の異常を検知しヒータへの電源を遮断するヒータ保護部とを備えたことを特徴とする。

また、交流電源、直流電源のいずれで動作しているのか判別する電源判別部をさらに備え、前記スイッチ部の制御を前記電源判別部の判別結果と前記ヒータ制御指令部からの出力に基づいて行ってもよい。

また、直流電源の実効電圧が交流電源よりの実効電圧よりも高くてもよい。

また、直流電源が給電されているときに前記スイッチ部をパルス幅変調駆動してもよい。

また、前記ヒータ保護部は、前記スイッチ部の出力状態と、前記電源判別部の判別結果とによりヒータへの電源を遮断してもよい。

また、前記ヒータ保護部は、前記スイッチ部の出力状態と、前記電源判別部の判別結果と、前記ヒータ制御指令部からの出力によりヒータへの電源を遮断してもよい。

本発明に係る別のヒータ制御装置は、交流電源と直流電源のいずれからも給電可能な電源部と、交流電源、直流電源のいずれが接続されているか判別する電源判別部と、前記電源判別部の判別結果に基づいてヒータのオン・オフ状態を制御するスイッチ部と、前記スイッチ部の出力状態から制御の異常を検知し、少なくとも直流電源が給電されている場合にヒータへの電源を遮断するヒータ保護部とを備えたことを特徴とする。

また、これらのヒータ制御装置を冷蔵庫などの電気機器に用いることができる。

本発明のヒータ制御装置によれば、直流電源と交流電源のいずれでも利用可能なヒータを用いた電気機器において、ヒータを制御するスイッチング素子の動作不良による問題から適切に保護することができる。そのため、ヒータなどを直流電源用、交流電源用に専用部品を用いる必要がなくなる。

特に、実効電圧が異なる交流電源と直流電源を利用した場合に、実効電圧の高い電圧を有する電源においてヒータが過電流により問題が生じる可能性が高いため、そのような場合に電源を遮断してヒータ及びヒータを用いた電気機器を保護し安全に使用することができるようになる。また、直流、交流の切り替えを自動で行うことにより人為的なミスを防ぐことができる。

また、直流電源の電圧が交流電源の電圧よりも高い場合、直流電源のときにパルス幅変調駆動することにより直流、交流いずれの場合でもヒータの消費電力をほぼ同一にすることができる。

本発明のヒータ制御装置に用いられる冷蔵庫の正面図である。 本発明のヒータ制御装置に用いられる冷蔵庫の断面図である。 本発明のヒータ制御装置に用いられる冷蔵庫内の温度切替室の拡大断面図である。 本発明の実施例１に係るヒータ制御装置の回路図である。 本発明の実施例１に係るヒータ制御装置の波形図（直流）である。 本発明の実施例１に係るヒータ制御装置の波形図（交流）である。 本発明の実施例２に係るヒータ制御装置の回路図である。 本発明の実施例２に係るスイッチ状態判別ブロックの真理値表である。 本発明の実施例３に係るヒータ制御装置の回路図である。 本発明の実施例４に係るヒータ制御装置の回路図である。 本発明の実施例４に係るヒータ制御装置の波形図である。

本発明のヒータ制御装置を電機機器である冷蔵庫で用いた場合について説明を行う。

（冷蔵庫全体の説明）
図１は、本発明のヒータ制御装置に用いられる冷蔵庫の正面図である。冷蔵庫１は、冷蔵室２、温度切替室３、製氷室４、野菜室５、及び冷凍室６を有している。

各貯蔵室は用途に応じた温度に設定されており、冷蔵室２は４度に設定され食品、飲料の貯蔵に用いられ、野菜室５は８度に設定され野菜の貯蔵に用いられ、製氷室４及び冷蔵室６は−２０度に設定され氷、冷凍食品の貯蔵に用いられる。温度切替室３は、温度を切り替えて用いることができ、冷凍から８０度程度の高温で用いることができる。

図２は、図１に示した冷蔵庫の断面図である。冷蔵室２は、下部に肉や魚の保存に便利な設定温度０度のチルド室を有し、上部に貯蔵物をのせる複数の収納棚８を有し、貯蔵物の収納の利便性を高めている。冷凍室６は、複数の収納ケース９を有し貯蔵物の収納の利便性を高めている。

冷蔵庫１の背面には圧縮機１０が設けられ、冷却器１１、図示しない凝縮器、膨張器が接続され、これらの中をイソブタン等の冷媒が循環して冷凍サイクルを形成している。各貯蔵室の背後には冷気通路１２が設けられ、冷凍サイクルの低温側である冷却器１１と熱交換した空気が冷気通路１２を介して各貯蔵室に送られる。冷気通路内には、送風機１３が配置され、各貯蔵室へ冷気を送風している。冷却器１１、野菜室５などには図示しない霜取り用のヒータが設けられている。

図３は、冷蔵庫内の温度切替室の拡大断面図である。温度切替室３は、貯蔵室内に収納ケース９を有し、前面に扉１４を有している。温度切替室３は、使用者の操作により貯蔵室内温度を切り替えることができる。温度切替室３の動作モードは、例えばワイン（８度）、冷蔵（３度）、チルド（０度）、ソフト冷凍（−８度）、冷凍（−１５度）の各冷却モードが設けられる。この冷却モードは、ダンパ１７の開閉により冷気通路１２及び送風機１３からの冷気を調整し、流出口１６ｂを介して冷気を採り入れることにより実現する。

また、ヒータ１５に通電することにより温度切替室３の温度を調理済み加熱食品の一時的な保温や温調理等を行う高温側に切り替えることができる。高温側の室内温度は、主な食中毒菌の発育温度が３０度から４５度であるため、ヒータ容量の公差や温度切替室３内の温度分布等を考慮して５０度以上にするとよい。これにより、食中毒菌の繁殖を防止できる。冷蔵庫に用いられる一般的な樹脂製部品の耐熱温度が８０度であるため、高温側の室内温度を８０度以下にすると安価に実現することができる。加えて、食中毒菌を滅菌するためには、例えば腸管出血性大腸菌（病原性大腸菌Ｏ１５７）の場合では７５度で１分間の加熱が必要である。従って、高温側の室内温度を７５度から８０度にするとより望ましい。

ヒータ１５は温度切替室３の背面に設けられている。ヒータ１５は熱輻射式のガラス管ヒータから成り、放出される輻射熱により温度切替室３を昇温する。ヒータ１５の熱は流出口１６ａを介して温度切替室３内に伝わる。温度切替室３が高温から低温に切り替わる際には、ヒータ１５の通電を止めるとともに、ダンパ１７を開き冷気を採り入れ、送風機１３により送風しヒータ１５及び温度切替室３を冷やす。
（ヒータ制御装置全体の説明）
図４は本発明の実施例１に係るヒータ制御装置の回路図であり、図５及び図６は実施例１に係るヒータ制御装置に用いられる波形図である。

本発明のヒータ制御装置２０は、冷蔵庫１の温度切替室３のヒータ１５や霜取り用ヒータ１５の制御に用いられる。本発明のヒータ制御装置２０は、直流電源及び商用交流電源を使用することが可能である。ヒータ制御装置２０は、直流電源用プラグ２１および交流電源用プラグ２２から直流と交流の電源の給電を受ける電源部を有する。

交流電源は、日本を例に挙げると１００Ｖもしくは２００Ｖの商用交流電圧を用いるのが一般的であるので、本実施例では実効電圧１００Ｖの電源を用いる。直流電源として様々な電圧を用いることが可能であるが、電流値を小さくした方が配線などによる抵抗に起因する電力損失が小さいため３６０Ｖや３８０Ｖなどの高電圧給電が有望視されており、本実施例では３８０Ｖを用いる。

従来技術と異なり本発明では圧縮機１０及びヒータ１５は直流電源、交流電源で共通のものを利用する。本発明のように直流電源と交流電源で実効電圧が異なる場合、圧縮機１０やヒータ１５の消費電力が変ってしまうという問題がある。圧縮機１０はインバータを用いた駆動が一般的になってきており、インバータを用いれば圧縮機１０の電流を調整することができるため直流電源、交流電源を用いてもそれほど大きな問題は生じない。

しかし、ヒータ１５は消費電力がＰ＝Ｖ^２／Ｒ（Ｗ）であらわせるように、実効電圧が異なると消費電力、つまり発熱量も変動するという問題がある。本実施例では、ヒータ１５として１００Ｖで定格の消費電力となるものを用いた。また、本実施例ではヒータ１５の実効電圧が高い直流電源を用いる場合にパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、以下「ＰＷＭ」）駆動を用いることにより、交流及び直流電源でヒータ１５の消費電力がほぼ同じとなるようにした。

なお、分圧回路を用いて直流電源の場合でも１００Ｖに揃えることも考えられるが、ヒータ１５（抵抗）を分圧回路の分圧先に接続すると、分圧回路での消費電力が多くなり熱変換により損失が大きいという問題がある。また、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて１００Ｖにすることも考えられるが変換損失がある。そのため、ここではＰＷＭ駆動を用いて、このような問題を解決している。

このように、一方の電源で実効電圧が高い電源を用いるとヒータをＰＷＭ駆動するスイッチング素子が短絡故障を起こすと、定格以上の電圧がヒータに印加されることになり、過熱の恐れがある。そこで、本発明のヒータ制御装置２０では保護回路に工夫を凝らしている。

ヒータ制御装置２０は、直流電源用プラグ２１から図５（ａ）に示すような３８０Ｖの直流電源が給電され、また、交流電源用プラグ２２から図６（ａ）に示すような実効電圧１００Ｖの交流電源が給電される。交流用電源プラグ２２から入力された交流電源はまず整流回路２４に入り整流される。一般的に交流電源は正負の電圧を持つが、ここでは整流回路２４として全波整流回路を用いて全波整流を行い、図６（ｂ）に示すような実効電圧１００Ｖの正電圧の波形を作成した。なお、ここにコンデンサをつけて直流に近づくように整流してもよい。

ヒータ１５はヒータ制御装置２０を介して直流・交流電源に接続されている。ヒータ１５は、交流電源が給電されている場合は図６（ｂ）に示す整流回路で作った電圧をそのまま用いて１００％デューティで動作させている。また、ヒータ１５は、直流電源が給電されている場合は図５（ｂ）に示すようなＰＷＭ駆動のパルス波で駆動される。このような電圧波形は、後述する比較回路４０で作成している。

前述したように、ヒータ１５は１００Ｖで定格の消費電力となるものを用いている。ヒータ１５として冷蔵庫１の除霜用に用いる抵抗値５０Ωのものを用いて説明を行う。交流電源が接続されている場合に消費電力（Ｗ）は、
Ｐ＝Ｖ^２／Ｒ（Ｗ）＝１００^２／５０＝２００（Ｗ）
となる。

直流電源で交流電源と同程度の消費電力とするには、
Ｐ＝ＸＶ^２／Ｒ（Ｗ）
Ｘ＝ＰＲ／Ｖ^２＝２００×５０／３８０^２＝０．０６９２
（ここでＸはデューティ駆動するための係数）
となり、７％デューティのパルス幅の駆動をすればよいことがわかる。

そのため、直流電源のときはデューティＤ＝τ（オン期間）／Ｔ（オン期間＋オフ期間）＝７％となるデューティのパルス波でヒータ１５を駆動した。交流電源の周波数が６０Ｈｚの場合、期間Ｔ＝１２０Ｈｚ＝８．３３ｍｓで、オン期間τは７％デューティなので０．５８ｍｓとなる。

ヒータ１５を冷却器など温度が低い場所に取り付ける場合、ヒータ１５としてガラス管ヒータを用いた場合など輻射熱を用いると、パルス波のオフ間隔が長いと所定の温度に達しないことも考えられる。そのような場合、図５（ｃ）に示すように１周期内のパルス波の合計が所定のデューティ比となるようにパルス波を分割して駆動するようにしてもよい。図５（ｃ）に示したものは、１周期内でパルス波を均等に３分割した場合であるが、同じ幅で駆動する必要はなく、例えば７％デューティを２％、２％、１％といった異なる幅のパルス波としてもよい。また、輻射熱を用いる場合は低デューティ駆動の場合にオフ期間が長く交流と同じ条件とならないことも考えられ、その場合は理論値オン期間τよりも少しマージンを設けてもよい。

スイッチ部であるスイッチング素子２８はヒータ１５の一方側と接続されている。スイッチング素子２８は、比較回路４０、スイッチング素子駆動回路２９から出力されたスイッチング素子駆動信号３０により、ヒータ１５のオン、オフを制御する。

リレー２６ａ、２６ｂはヒータ１５を電源から遮断するためのものである。リレー２６ａ、２６ｂは、１２Ｖ電源２３とＧＮＤを用いている。温度ヒューズ２７は、ヒータ１５が過熱した際に溶断してリレー２６ｂを介し電源を遮断する。一般に温度ヒューズは直流高耐圧のものは原理上実現が難しいため、低圧用の温度ヒューズを用いてリレー２６ｂを介して２次的に切断した。

また、リレー２６ａは保護回路６０と接続されておりヒータ駆動回路２０内で故障が生じた際に電源を遮断する。この動作については後に詳細に説明する。
（比較回路４０）
直流電源、交流電源は、まず抵抗器２５（ａ）、２５（ｂ）に入り分圧される。このような分圧回路を使う目的は、比較器４４で用いることができる程度に電圧を落とすためである。高耐圧の比較器４４は一般的に高価であるため、ここでは分圧回路を用いた。分圧された信号電圧は、比較回路４０へ送られる。比較回路４０は冷蔵庫１に接続されているのが直流電源なのか、交流電源なのかを検知し、直流電源の場合にＰＷＭ駆動する波形を作り出す回路である。

抵抗器２５（ａ）、２５（ｂ）により分圧された信号電圧は、コンデンサ４２及び抵抗器４３からなるローパスフィルタ４１により高周波ノイズの除去や、交流電源接続時の電圧波形の平滑化がなされたあとに比較器４４へ送られる。比較器４４は冷蔵庫１に接続されているのが直流電源なのか、交流電源なのかを検知する回路（電源判別部）である。

信号電圧は、オペアンプからなる比較器４４のマイナス側に入力される。比較器４４のプラス側には比較対象となる基準電圧が接続されている。比較回路４４は冷蔵庫１が直流と交流のいずれの電源と接続されているのか判断するための回路であるので、比較回路４４の基準電圧は交流の最高電位（ローパスフィルタ４１で平滑後した場合はその電圧）と直流の電位との間の電位に設定すればよい。例えば、交流の最高電位である１４１Ｖの１／１００である１．４１Ｖと、直流の３８０Ｖの１／１００である３．８Ｖとの間のである２．６Ｖを基準電位として用いることができる。比較器４４は、電源判別信号５１を出力する。電源判別信号５１は、基準電圧よりも低い電圧、つまり交流電源が接続されているときにハイ信号となり、基準電圧よりも高い電圧、つまり直流電源が接続されているときにロー信号となる。

電源判別信号５１は、発振回路４６、ＯＲゲート４７、ＡＮＤゲート４８、ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９からなるパルス波発生回路に送られる。パルス波発生回路は、直流電源が接続されているときに直流電圧をＰＷＭ駆動するための回路である。

発振回路４６は、直流電圧をＰＷＭ駆動する際のパルス幅に合わせたディーティ比の波形を発生させている。発振回路４６としてはマルチバイブレータ回路を用いるとよい。例えばオン時間が短いヒータ駆動電圧を作りたい場合は単安定マルチバイブレータを用い、オン時間が長い場合は双安定マルチバイブレータを使うとよい。本実施例では単安定マルチバイブレータ回路を用いた。

ここで、冷蔵庫１が直流電源を用いて動作している場合でも交流電源が給電されている場合は６０Ｈｚの信号が存在することになるため、その交流電源を利用してトリガ信号を作成しマルチバイブレータに与えることもできる。また、クロック信号が冷蔵庫１などの電気機器にはあるのが一般的であるためそのクロックを使ってトリガ信号を作成してもよい。トリガ信号により動作する時間はＲＣ回路で調整する。ここでは、前述のようにオン期間τが７％デューティである０．５８ｍｓとなるように抵抗と容量を適宜選ぶ。なお、抵抗は可変抵抗を用いると使用環境に合わせて容易に調整をすることが可能となる。

発振回路４６から出力された信号と比較器４４から出力された電源判別信号５１とを
ＯＲゲート４７に入力する。ＯＲゲート４７は入力された２信号を比較し、いずれかがハイレベル信号であればハイレベル信号を出力する回路であるため、電源判別信号５５の信号が交流電源に接続されていることを示すハイレベル信号であれば、ＯＲゲート４７の出力は常にハイレベル信号となる。つまり、交流電源が接続されている場合はヒータの駆動信号は常にオン状態となる。また、逆に直流電源に接続されているは電源判別信号５１がローレベルであるため、発振回路４６から出力された信号がＯＲゲート４７の出力信号となる。つまり、直流電源接続時はヒータのオン時間を示すハイレベル信号が発振回路４６から出力されている期間のみがＯＲゲート４７のハイレベル信号出力となり、それ以外の期間はローレベル信号がＯＲゲート４７の出力信号となるため、ＯＲゲート４７の出力がハイレベル信号のときにヒータの駆動信号はオン状態となる。

ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９は、ヒータ１５の動作を指令する信号であるヒータ指令信号５０を発生する回路である。本実施例のように除霜用のヒータ１５であれば常時動作しているわけではなく、センサーなどにより除霜が必要と判断した場合に、センサーなどの信号に応じてハイレベル信号を出力する。また、温度切替室３に用いるヒータ１５であれば、温度切替室３を高温度で使うモードが選択された場合、そのモード切替信号に応じて、ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９はハイレベル信号を出力するようにすることもできる。なお、上記のセンサー信号、モード切替信号を直接ＡＮＤゲート４８に入力することも可能である。その場合、センサーやモード切替スイッチなどがヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９となる。

ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９から出力されたヒータ指令信号５０と、ＯＲゲート４７の出力信号とをＡＮＤゲート４８に入力する。ＡＮＤゲート４８は入力された２信号を比較し、いずれの信号もハイレベル信号であればハイレベル信号を出力する回路であるため、ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９から出力された信号がハイレベル信号でなければハイレベル信号を出力することはない。よって、ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９とＡＮＤゲート５０により、冷蔵庫１内のヒータ１５はオン、オフ制御されることになる。

ヒータ指令信号５０がヒータ動作指令を示すハイレベルのときに、交流電源が接続されていればＯＲゲート４７からの出力は常にハイレベル信号であるため、ＡＮＤゲート４８の出力はハイレベル信号となる。また、ヒータ指令信号５０がハイレベルのときに、直流電源が接続されていればＯＲゲートからの出力はハイレベルとローレベルのパルス信号であるため、ハイレベルの信号がＡＮＤゲート４８に入力されている期間のみＡＮＤゲート４８の出力はハイレベル信号となる。つまり、直流電源接続時にヒータ１５はＰＷＭ駆動されることになる。ヒータ指令信号５０が動作をさせない状態を示すローレベルのときはＡＮＤゲート４８の出力は常にローレベルになるためヒータ１５は動作しないことになる。

このように、比較回路４０は交流電源又は直流電源が接続されているかを検出し、ヒータ１５の動作が必要なときに、交流電源が接続されていればヒータ１５をオン状態とするハイレベルの信号を出力し、直流電源が接続されていればヒータ１５をＰＷＭ駆動する信号を出力することになる。

スイッチング素子駆動回路２９は、比較回路４０からの出力信号が入力される。スイッチング素子駆動回路２９は、スイッチング素子２８の動作信号と比較回路４０からの出力信号を調整するための回路である。例えば、比較回路４０からの出力信号でスイッチング素子２８を駆動できる場合はバッファ回路、比較回路４０からの出力信号を増幅させる必要があればオペアンプやトランジスタなどの増幅回路を用いればよく、特に必要なれば用いる必要はない。

ヒータ１５を制御するスイッチング素子２８は、スイッチング素子駆動回路２９の出力信号であるスイッチング素子駆動信号３０により電源をオン・オフ制御する。ヒータ１５は、前述したように交流電源の際は１００％デューティで、直流電源の際はＰＷＭ駆動により７％デューティで駆動されることになる。
（保護回路）
スイッチング素子２８のヒータ側にはヒータの過電流から保護するヒータ保護部である保護回路６０が接続されている。このような保護回路６０が必要な理由を説明する。

ヒータ１５は、前述のように交流電源に定格があわされており、かつ交流電源駆動時には１００％デューティで駆動しているため、過電流によりヒータ１５が過熱するおそれは少ない。仮に何らかの原因でヒータ１５に過電流が流れ、ヒータ１５が過熱したとしても温度ヒューズ２７が作動しリレー２６ｂによりヒータ１５へ電流は流れなくなる。

しかし、前述のように直流用高電圧の温度ヒューズは原理上難しい。また、直流電源が接続されている場合は電源電圧が高いため、例えばスイッチング素子２８が何らかの原因でショートしヒータ１５に電源が接続されたような場合、ヒータ１５の定格を超えた消費電力となり過熱の恐れがある。例えば、本実施例では電圧が３８０Ｖであり、消費電力は
Ｐ＝Ｖ^２／Ｒ（Ｗ）＝３８０^２／５０＝２８８０（Ｗ）
となり、交流電源時の消費電力、あるいは直流電源での正常動作時の消費電力２００Ｗと比較して相当高い。

そのため、一瞬で過熱状態に達してしまうおそれがありヒータ１５の切断やヒータ１５の周囲の損傷が考えられ、最悪の場合発火の恐れがある。そこで、保護回路６０とリレー２６ａによりヒータ１５やその周囲が損傷されないように保護している。

保護回路６０は、スイッチング素子２８の出力側（ドレイン側）に接続されている。これは、ヒータ１５の過電流の原因としてスイッチング素子２８の故障が原因となる可能性が高いからである。保護回路６０はダイオード６１がスイッチング素子２８に対し逆方向に配置されている。つまり、保護回路６０内の回路で作られた信号が順方向となるようになっている。ここでは、順方向電圧が１Ｖの特性を持ったダイオードを使用した。

ダイオード６１の後段には分圧回路６２がある。分圧回路６２は、１２Ｖ電源２３に接続された抵抗器６３ａとグランド（０Ｖ）に接続された抵抗器６３ｂとで分圧しており、分圧点６４を有する。ここでは、抵抗器６３ａは８２ｋΩ、抵抗器６３ｂは３９ｋΩとし、分圧点６４での電圧は、
Ｖ＝１２Ｖ／（８２ｋΩ＋３９ｋΩ）×３９ｋΩ＝３．８６７Ｖ
であり、約３．８７Ｖである。

分圧回路６２は、デューティ駆動時に発生する信号を平滑化する目的で抵抗器６６とコンデンサ６７からなるローパスフィルタ６５に接続されている。ここでは、抵抗器６６は２ｋΩ、コンデンサ６７は０．１μＦのものを用いた。

ローパスフィルタ６６を出たＦＥＴ状態判別信号６９は、比較器６８に入る。比較器６８としてここではオペアンプを用い、ＦＥＴ状態判別信号６９をプラス側に接続した。比較器６８であるオペアンプのマイナス側には、比較用の基準電圧７０を接続した。ここでは、比較用の基準電圧７０を１．５Ｖとした。

ＦＥＴ状態判別信号６９は、次の３種類となる。

（Ａ）スイッチング素子（ＦＥＴ）がショートまたは常時オン状態
スイッチング素子２８のソース側（電源と接続されている側）はグランド（０Ｖ）に接続されている。スイッチング素子２８のドレイン側（ヒータ１５と接続されている側）とソース側とが導通した状態となり、ソース側に接続されたグランドに接続された状態となる。ダイオード６１は、１２Ｖ電源２３と、スイッチング素子２８を介したグランドとの間で順方向電流が流れる。ダイオード６１の順方向電圧は１Ｖであるので、ＦＥＴ判別信号６９は１Ｖとなる。

（Ｂ）スイッチング素子（ＦＥＴ）がオフ状態
スイッチング素子２８のドレイン側は、ソース側からオープンな状態（絶縁状態）となるため、ダイオード６１はスイッチング素子２８方向へ電流が流れなくなる。そのため、ＦＥＴ判別信号６９は分圧回路６２の分圧点６４の電圧である３．８７Ｖとなる。

（Ｃ）スイッチング素子（ＦＥＴ）がデューティ駆動されている状態
スイッチング素子２８がオン状態とオフ状態をデューティ比に応じて繰り返す状態になる。そのため、ＦＥＴ判別信号６９はオン状態（Ａ状態）とオフ状態（Ｂ状態）が混合してできた電圧となる。本実施例の７％デューティであれば、ＦＥＴ判別信号６９は３．６７Ｖとなる。なお、比較対象となる基準電圧７０を１．５Ｖとしたのは、ヒータ１５の使用場所によりマージンをとりデューティ比が７％よりも大きい場合がありうるが、その場合でもオフ状態と判別しないようにするため、少し余裕を持たせているからである。

これら３種類のＦＥＴ状態判別信号６９と、基準電圧７０とを比較器６８で比較する。比較器６８の出力信号は、（Ａ）のスイッチング素子２８がショートまたは常時オン状態であれば基準電圧７０の方が高いためローレベル、（Ｂ）と（Ｃ）の状態であれば基準電圧の方が低いためハイレベルが出力されることになる。よって、比較器６８ではスイッチング素子２８が常時オンになっているか、それ以外の状態になっているかを区別することができる。そのため、比較器６８では、スイッチング素子２８がショートにより常時オンし故障している可能性があることを１次選別することができる。

前述したようにスイッチング素子２８の故障により過電流の問題が生じるのは直流電源接続時である。そこで、保護回路６０は直流電源の場合に動作するようにし、交流電源接続時には温度ヒューズ２７を用いて保護するようになっている。

ここでは、電源判別信号５１を利用して保護回路６０を直流電源が接続されている場合だけ動作するようにした。具体的に説明すると、比較器６８の出力信号と、比較回路４０内の比較器４４の出力信号である電源判別信号５１とをＯＲゲート７３に入力する。電源判別信号５１は交流電源時にハイレベル信号であるため、交流電源時にはＯＲゲート７３の出力は、常にハイレベルとなる。また、直流電源時は電源判別信号５１がローレベルであるため、比較器６８の出力信号がハイレベルの場合のみＯＲゲートの出力信号はハイレベルとなる。つまり、直流電源を使用している場合でスイッチング素子２８がショートまたは常時オン状態である１００％デューティ駆動のときにＯＲゲート７３はローレベルを出力することになる。直流電源時は１００％デューティ駆動を行わないためスイッチング素子２８がショート不良を起こしていると判断しＯＲゲート７３はローレベルを出力することになる。

ＯＲゲート７３の出力信号であるリレー駆動信号７４は抵抗器７２を介してトランジスタ７１の動作信号となる。トランジスタ７１のドレイン側はグランドと接続され、ソース側はリレー２６ａを介して１２Ｖ電源２３と接続されている。リレー駆動信号７４がハイレベルであればトランジスタ７１は導通状態となり、リレー２６ａはプラグからの電源を導通させた状態を維持する。リレー駆動信号７４がローレベルになるとトランジスタ７１はオフし、リレー２６ａが作動しプラグからの電源を遮断する。そのため、ヒータ１５に電流が流れなくなる。

以上のように、保護回路６０は直流電源接続時にヒータ１５を保護することができる。本実施例によれば過電流の可能性がある直流電源接続時に温度ヒューズ２７と保護回路６０と二重に保護するようにしたため、冷蔵庫１のヒータ１５の保護を十分に図ることができる。

図７は本発明のヒータ制御装置の回路図である。

実施例１と同様の部分には同じ番号を付し説明を省略する。本実施例で実施例１と異なるのは保護回路６０である。実施例１では、交流電源接続時には温度ヒューズ２７のみで保護を図ったが、本実施例では交流電源接続時にも保護回路６０を用いて交流電源接続時のヒータ１５の保護を強化している。

保護回路６０は、スイッチング素子２８の出力側（ドレイン側）に接続されている。保護回路６０のダイオード６１、分圧回路６２、ローパスフィルタ６５は実施例１と同じである。異なる点は、実施例１の比較器６８の代わりにスイッチ状態判別ブロック７５を用いた点である。

図８はスイッチ状態判別ブロック７５に用いられる真理値表である。

スイッチ状態判別ブロック７５には３種類の信号が入力される。まず、ＦＥＴ状態判別信号６９（図８のＦＥＴ６９）は実施例１と同様に、（Ａ）スイッチング素子２８がショートまたは常時オン状態で１Ｖ、（Ｂ）スイッチング素子２８がオフ状態で３．８７Ｖ、（Ｃ）スイッチング素子２８がデューティ駆動されている状態で３．６７Ｖである。電源判別信号５１（図８のＰＣ５１）も実施例１と同様に、交流電源時にハイレベル信号、直流電源時にローレベル信号である。さらに本実施例ではヒータ指令信号５０（図８のＨＩ５０）をスイッチ状態判別ブロック７５に入力しており、ヒータ１５の動作指令時にハイレベル、非動作指令時にローレベルとなる。

これらの入力信号からスイッチ状態判別ブロック７５は図８に示す真理値を出力するようにマイコンなどで回路が組んである。実施例１と同様に、リレー駆動信号７４（図８のＲＤ７４）がハイレベルの際にリレー２６ａは電源プラグからの電源を導通状態とし、リレー駆動信号７４がローレベルの際にリレー２６ａを介して電源プラグからの電源を遮断する。

スイッチ状態判別ブロック７５の動作は、論理回路１（図８のＬｏｇｉｃ−Ｘ）として、ヒータ指令信号５０とＦＥＴ状態判別信号６９とに矛盾がある場合にリレー駆動信号７４をローレベル、つまりリレー２６ａを遮断するようにしている。すなわち、ヒータ指令信号５０がローレベル（オフ信号）でＦＥＴ状態判別信号６９が（Ａ）ショート又はオン状態、（Ｃ）デューティ駆動状態であるの場合にリレー駆動信号７４をローレベルとしている（図８のＮｏ．１、５、７、１１）。同様に、ヒータ指令信号５０がハイレベル（オン信号）でＦＥＴ状態判別信号６９が（Ｂ）オフ状態の場合もリレー駆動信号７４をローレベルとしている（図８のＮｏ．４、１０）。

次に、スイッチ状態判別ブロック７５は論理回路２（図８のＬｏｇｉｃ−Ｙ）として、接続電源が直流を示す電源判別信号５１がローレベルでありＦＥＴ判別信号６９が（Ａ）ショート又はオン状態の場合にリレー駆動信号７４をローレベルとしている（図８のＮｏ．９）。これは、実施例１と同じ状態でリレー２６ａを遮断していることになる。

最後に、スイッチ状態判別ブロック７５は論理回路３（図８のＬｏｇｉｃ−Ｚ）として、実駆動で存在しないはずのモードで動作している場合にリレー駆動信号７４をローレベルとしている。ここでは、交流電源接続時を示す電源判別信号５１がハイレベルであり、ＦＥＴ判別信号６９が（Ｃ）デューティ駆動されている状態は存在しないモードであるため、リレー駆動信号７４をローレベルとしている（図８のＮｏ．６）。

このような論理回路を経て正しく動作していると判断した場合に、スイッチ状態判別ブロック７５はリレー駆動信号７４としてハイレベルを出力しリレー２６ａを遮断しない（図８のＮｏ．２、３、８、１２）。

以上のように、本実施例の保護回路６０によれば直流電源接続時だけでなく交流電源接続時にもヒータ１５を保護することができる。そのため、温度ヒューズ２７と保護回路６０で二重に保護するようにしたため、冷蔵庫１のヒータ１５の保護を十分に図ることができる。

なお、スイッチ状態判別ブロック７５の論理回路は上述したものに限られない。例えば、まず実駆動で存在しないモードでリレー駆動信号７４をローレベルとし（図８のＮｏ．５、６）、次にヒータ指令信号５０とＦＥＴ状態判別信号６９とに矛盾がある場合にリレー駆動信号７４をローレベルとし（図８のＮｏ．１、４、７、１０、１１）、最後に接続電源が直流を示す電源判別信号５１がローレベルでありＦＥＴ判別信号６９が（Ａ）ショート又はオン状態の場合にリレー駆動信号７４をローレベルとしてもよい（図８のＮｏ．９）。このように適宜スイッチ状態判別ブロック７５の論理回路は様々なものを用いることができる。

図９は本発明の実施例３に係るヒータ制御装置の回路図である。

本実施例は、実施例１や２と異なり直流電源側に電圧変換回路８０を用いている。比較回路４０以外の基本的な回路は実施例１や実施例２と同じであるため異なる部分を中心に簡単に説明を行う。

電源部は、直流電源側に電圧変換回路８０を用いている。電圧変換回路としてはＤＣ−ＤＣコンバータや分圧回路を用いることができる。電圧変換回路８０を用いて入力電圧３８０Ｖを１００Ｖに変換する。交流電源は商用交流電源１００Ｖである。このように電圧変換回路を用いると変換損失が生じるが、実効電圧を直流電源と交流電源で統一するとヒータ１５の消費電力は同じになるためパルス幅変調駆動を用いる必要はなく、比較回路４０が不要になるためコストダウンが図れるというメリットがある。

ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路４９により、ヒータ指令信号５０がスイッチング素子２８へ送られる。ヒータ指令信号５０がハイレベルであればスイッチング素子２８は動作し、直流電源、交流電源とヒータ１５が接続されヒータ１５が動作する。スイッチング素子駆動回路２９は必要に応じて用いる。

保護回路６０のＦＥＴ判別信号６９は実施例１や実施例２と異なりＰＷＭ駆動を行わないため、（Ａ）スイッチング素子２８がショートまたは常時オン状態か、（Ｂ）スイッチング素子２８がオフ状態を示す２種類となる。ＸＮＯＲゲート７６には、ＦＥＴ状態判別信号６９、ヒータ指令信号５０が入力される。リレー駆動信号７４がハイレベルの際にリレー２６ａは電源プラグからの電源を導通状態とし、リレー駆動信号７４がローレベルの際にリレー２６ａを介してヒータ１５への電源を遮断する。

ＸＮＯＲゲート７６は入力信号が同じであればハイレベルを出力し、入力信号が異なる場合にローレベルを出力する論理回路である。つまり、ヒータ制御信号５０がスイッチング素子２８を動作させるハイレベルでＦＥＴ判別信号が（Ａ）スイッチング素子２８がショートまたは常時オン状態の際、またはヒータ制御信号５０がスイッチング素子２８を動作させないローレベルでＦＥＴ判別信号が（Ｂ）スイッチング素子２８がオフ状態を示す状態の際にはリレー２６ａは動作せずヒータ１５への電源を遮断しない。逆に、ヒータ制御信号５０がスイッチング素子２８を動作させるハイレベルでＦＥＴ判別信号が（Ｂ）スイッチング素子２８がオフ状態を示す状態の際、またはヒータ制御信号５０がスイッチング素子２８を動作させないローレベルで（Ａ）スイッチング素子２８がショートまたは常時オン状態の際は、スイッチング素子２８が動作不良なのでリレー２６ａを介してヒータ１５への電源を遮断する。なお、スイッチング素子２８が動作していない場合はヒータ１５の過電流の問題がないため遮断する必要性がないとも思えるが放置すると霜がとれない等問題が起こるため保護回路６０を用いて遮断し、ユーザーへの警告表示を行うようにするとよい。

本実施例ではスイッチング素子２８のショート不良以外の動作不良は保護回路６０による保護、スイッチング素子２８のショート不良や、温度検知不良等の原因で周囲が高温にも関わらずヒータに通電され続けたときは、保護回路６０および温度ヒューズ２７による保護という二重の保護を行っている。このようにすれば、ヒータ制御装置２０の様々な動作不良に対し対処することができるため有効である。

以上、実施例３に係るヒータ制御装置２０について簡単に説明したが、電圧変換回路８０は直流電源と交流電源で実効電圧がほぼ同じ場合は必要がない。

図１０は本発明の実施例４に係るヒータ制御装置の回路図であり、図１１は実施例４に係るヒータ制御装置に用いられる波形図である。

本実施例は、実施例１に係るヒータ制御装置２０とほぼ同じであるため異なる点について説明する。異なるのは、直流電源に電圧変換回路８０を有することである。電圧変換回路８０で直流電源の電圧を変換し、更にＰＷＭ駆動を行うのが本実施例の特徴である。

ヒータ制御装置２０は、電圧変換回路８０で直流電源電圧を図１１（ａ）に示す３８０Ｖから図１１（ｂ）に示す２５０Ｖへ変換する。電圧変換回路８０として用いられるＤＣ−ＤＣコンバータや分圧回路では変換量が大きいほど損失も大きくなる。そこで、３８０Ｖから１００Ｖへ変換するのではなく間の２５０Ｖとしている。このような回路は、ＤＣ３８０ＶからＤＣ２５０Ｖへ変換する際の損失と、ＰＷＭ駆動を行ったときに生じる損失との合計が、ＤＣ３８０ＶからＤＣ１００Ｖへ直接変換する際のＤＣ−ＤＣコンバータなどの損失よりも小さい場合に有用である。

ヒータ１５は１００Ｖで定格の消費電力となるものを用いる。ヒータ１５と抵抗値５０Ωのものを用いて説明を行う。交流電源が接続されている場合に消費電力（Ｗ）は、
Ｐ＝Ｖ^２／Ｒ（Ｗ）＝１００^２／５０＝２００（Ｗ）
となる。

直流電源で交流電源と同程度の消費電力とするには、
Ｐ＝ＸＶ^２／Ｒ（Ｗ）
Ｘ＝ＰＲ／Ｖ^２＝２００×５０／２５０^２＝０．１６
（ここでＸはデューティ駆動するための係数）
となり、１６％デューティのパルス幅の駆動をすればよいことがわかる。実際のパルス波の例を図１１（ｃ）に示す。

ヒータ１５としてガラス管ヒータなど輻射熱を用いると、直流電源での駆動時にパルス波のオフ間隔が長いと所定の温度に達しないことも考えられる。そのようなことを防止するためデューティ比を高めた方がよい。そのため、本実施例では電圧を電圧変換回路８０を用いて少し下げた状態でＰＷＭ駆動を行い、電圧の変換効率及びヒータ１５の輻射熱効果を高めた。変換する電圧値、デューティ比は適用するヒータ１５や電気機器により異なるので適宜最適化するとよい。

以上、本発明の実施例として、直流電源の方が交流電源の場合よりも電圧が高い場合を想定して説明を行ったが、使用地域や使用条件により交流電源接続時に電圧が高い場合も考えられが、その場合でも本発明は実施できる。また、電源の数が直流と交流の２種類の場合を説明したが、適宜回路を修正すれば直流や交流がそれぞれ複数あるような３種類以上の電源や、ヒータ１５の数を複数に増やした場合に対応することができることは明らかである。

また、ヒータ制御装置２０を利用した電気機器として冷蔵庫に用いた場合を説明したが、ヒータを用いた電気機器に応用できることは明らかであり、例えば電気ストーブ、オーブンなど幅広い電気機器に用いることができる。

本発明は、ヒータの制御装置及びそれを用いた電気機器、特に好ましくは冷蔵庫に用いるヒータの制御装置に関する。

１ 冷蔵庫（電気機器）
１５ ヒータ
２０ ヒータ制御装置
２１ 直流電源用プラグ
２２ 交流電源用プラグ
２６ リレー
２８ スイッチング素子（スイッチ部）
４０ 比較回路
４４ 比較器（電源判別部）
４６ 発振回路
４９ ヒータＯＮ・ＯＦＦ信号発生回路
５０ ヒータ指令信号
５１ 電源判別信号
６０ 保護回路（ヒータ保護部）
６８ 比較器
６９ ＦＥＴ状態判別信号
７４ リレー駆動信号
７５ スイッチ状態判断ブロック
７６ ＸＮＯＲゲート
８０ 電圧変換回路

Claims (8)

1. 交流電源と直流電源のいずれからも給電可能な電源部と、
   ヒータを動作可能状態とするためのヒータ制御指令部と、
   前記ヒータ制御指令部からのヒータ指令信号に基づいてヒータのオン・オフ状態を制御するスイッチ部と、
   前記スイッチ部の出力状態から制御の異常を検知しヒータへの電源を遮断するヒータ保護部と、
   を備えたヒータ制御装置。
2. 交流電源、直流電源のいずれで動作しているのか判別する電源判別部をさらに備え、前記スイッチ部の制御を前記電源判別部の判別結果と前記ヒータ制御指令部からの出力に基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載のヒータ制御装置。
3. 直流電源の実効電圧が交流電源よりの実効電圧よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載のヒータ制御装置。
4. 直流電源が給電されているときに前記スイッチ部をパルス幅変調駆動することを特徴とする請求項３に記載のヒータ制御装置。
5. 前記ヒータ保護部は、前記スイッチ部の出力状態と、前記電源判別部の判別結果とによりヒータへの電源を遮断することを特徴とする請求項１から４に記載のヒータ制御装置。
6. 前記ヒータ保護部は、前記スイッチ部の出力状態と、前記電源判別部の判別結果と、前記ヒータ制御指令部からの出力によりヒータへの電源を遮断することを特徴とする請求項５に記載のヒータ制御装置。
7. 交流電源と直流電源のいずれからも給電可能な電源部と、
   交流電源、直流電源のいずれが接続されているか判別する電源判別部と、
   前記電源判別部の判別結果に基づいてヒータのオン・オフ状態を制御するスイッチ部と、
   前記スイッチ部の出力状態から制御の異常を検知し、少なくとも直流電源が給電されている場合にヒータへの電源を遮断するヒータ保護部と、
   を備えたヒータ制御装置。
8. 請求項１から７に記載のヒータ制御装置を用いたことを特徴とする電気機器。