JP4034329B2 - 電気二重層キャパシタを利用した電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気二重層キャパシタを利用した電力供給装置に関し、さらに詳しく言えば、温度対抵抗値が正特性を示す負荷を急速に起動状態とするのに好適な電力供給装置に関するものである。

電気二重層キャパシタは、二次電池に比べて急速な充放電が可能であるとともに、サイクル寿命がはるかに長いため、近年その用途が拡大しており、その一つとして特許文献１には、画像形成装置（電子写真方式による複写機）が備える定着装置の定着ヒータ用電源への適用が開示されている。

すなわち、特許文献１に記載の発明では、記録媒体に転写したトナー像を加熱，加圧して記録媒体に固着させるにあたって、その定着装置に電力を供給して加熱する主電源装置と補助電源装置とを備え、主電源装置は商用電源に接続されるが、補助電源装置には電気二重層キャパシタが用いられる。

定着装置の加熱動作時には、主電源装置から定着装置に供給される電力に加えて、電気二重層キャパシタからも定着装置に電力を供給することにより、定着装置の定着ヒータを急速に加熱する一方で、待機状態時には主電源装置より電気二重層キャパシタを充電するようにしている。

特許第３５８８００６号公報

ところで、多くの場合、定着装置の定着ヒータにはハロゲンヒータやニクロム線ヒータなどが用いられるが、この種のヒータは常温では抵抗値がほぼゼロに近く、発熱するに伴って抵抗値が高くなる温度対抵抗値が正特性を示す特性を有している。

そのため、電源投入時には突入電流が発生し、回路にダメージを与えたり、ヒータ自身の寿命にも悪影響を与えかねない。この問題は、主電源装置と電気二重層キャパシタ（補助電源装置）とから同時に定着ヒータに電力を供給した場合に顕著となる。

そこで、上記特許文献１に記載の発明では、主電源装置と電気二重層キャパシタの電源投入タイミングをずらし、そのいずれか一方の電源を投入してから、所定のタイミングをおいていずれか他方の電源を投入するようにしているが、この従来技術には、次のような問題がある。

まず、ハード的な面でいえば、切替装置として、主電源装置の電力を定着ヒータに投入する第１切替手段と、電気二重層キャパシタの電力を定着ヒータに投入する第２切替手段と、充電時に主電源装置を電気二重層キャパシタに接続する第３切替手段の３つの切替手段を必要とし、しかもこれら切替手段には電流容量の大きな例えばリレー式のアナログスイッチが用いられることから、コスト的に好ましくない。

次に、ソフト的な面でいえば、突入電流による問題を回避するため、主電源装置と電気二重層キャパシタの電源投入タイミングをずらすようにしているが、その実行プログラムを作成するにあたって、電源投入のタイミングの決め方に難がある。すなわち、タイミングが早すぎると突入電流による問題が解決されないし、タイミングを遅くすると当初の目的である急速加熱が達成されない。

したがって、本発明の課題は、主電源のほかに補助電源として電気二重層キャパシタを備える電力供給装置において、ハード的にもソフト的にも構成が簡単であって、突入電流の問題を生じさせることなく、温度対抵抗値が正特性を示す負荷を急速に起動状態とすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されているように、転流ダイオードと、上記転流ダイオードのカソード側に接続されたチョークコイルとを含む直流出力型電力変換手段の出力回路の出力端に、電気二重層キャパシタを直列に接続してなり、温度対抵抗値が正特性を示す負荷に対して、負荷起動時には上記直流出力型電力変換回路をオフとした状態で上記電気二重層キャパシタより電力を供給し、所定時間後に上記直流出力型電力変換手段により所定の定格電力を供給する電気二重層キャパシタを利用した電力供給装置であって、上記出力回路の出力端には、上記負荷起動時に発生する突入電流をバイパスさせる突入電流バイパス用ダイオードが、同突入電流バイパス用ダイオードのカソードが上記チョークコイルを介して上記転流ダイオードのカソード側に接続されるように、上記転流ダイオードに対して並列に接続されていることを特徴としている。

上記突入電流を確実にバイパスさせるため、請求項２に記載されているように、上記出力回路側のインピーダンスが上記突入電流バイパス用ダイオード側のインピーダンスよりも高くなるように、上記出力回路側には上記転流ダイオードと上記チョークコイルを含む回路が多段に直列接続されていることが好ましい。

また、請求項３に記載されているように、上記出力回路に含まれている上記転流ダイオードのアノードと、上記突入電流バイパス用ダイオードのアノードとの間に、上記出力回路側のインピーダンスを上記突入電流バイパス用ダイオード側のインピーダンスよりも高くする抵抗素子が接続されてもよい。

本発明は、請求項４に記載されているように、上記負荷が電子写真方式による複写機が備える定着装置の定着ヒータの急速加熱に特に好適である。

本発明によれば、直流出力型電力変換手段の転流ダイオードとチョークコイルを含む出力回路に電気二重層キャパシタを直列に接続してなる構成であって、直流出力型電力変換手段の出力回路の出力端に、負荷起動時に発生する突入電流をバイパスさせる突入電流バイパス用ダイオードを、そのカソードがチョークコイルを介して転流ダイオードのカソード側に接続されるように転流ダイオードに対して並列に接続したことにより、負荷起動時の突入電流が直流出力型電力変換手段の出力回路に流れ込まないため、出力回路に含まれる転流ダイオードやチョークコイルに通常より耐電流容量の大きな部品を用いる必要がない。したがって、出力回路の低コスト化，小型化をはかることができる。

また、直流出力型電力変換手段の出力回路に電気二重層キャパシタを直列に接続してなる構成であるため、スイッチ類としては一つの電源投入スイッチで済ませられ、その分低コストにすることができる。さらには、直流出力型電力変換手段の電力を投入するタイミングも任意に設定することができる。

次に、図１ないし図３により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明の実施形態を示す模式図，図２，図３はそれぞれ別の実施形態を示す模式図である。

本発明の電力供給装置は、直流出力型電力変換手段（以下の説明では、ＤＣ／ＤＣコンバータということがある。）を主電源として備えるが、図１にはＤＣ／ＤＣコンバータのうちの二次側であり、少なくとも転流ダイオード１１とチョークコイル１２とを含む出力回路１０のみを示す。

本発明では、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力回路１０に補助電源としての電気二重層キャパシタ２０を直列に接続し、これらの各電源より電源スイッチ３０を介して負荷Ｌに所定の電力を供給する。電気二重層キャパシタ２０は、充電電源（好ましくは定電流電源）２１により適宜充電される。

負荷Ｌは温度対抵抗値が正特性を示す負荷で、この例では電子写真方式による複写機が備える定着装置の例えばハロゲンヒータやニクロム線ヒータなどからなる定着ヒータを想定している。以下、負荷Ｌを定着ヒータとして説明する。

電気二重層キャパシタ２０は瞬時に大電力を放電可能であるため、本発明では、定着ヒータＬを急速加熱するにあたって、まず、ＤＣ／ＤＣコンバータを停止（オフ）した状態で、電源スイッチ３０をオンにして電気二重層キャパシタ２０より定着ヒータＬに所定の電圧を印加し、その後、定着ヒータＬの温度がある程度まで上昇した時点で、ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて、その定格電圧を定着ヒータＬに印加する。

定着ヒータＬは常温では抵抗値がほぼゼロに近い。したがって、電源スイッチ３０の投入時（負荷起動時）に例えば１００Ａにも達する突入電流が発生してＤＣ／ＤＣコンバータの出力回路１０を流れるため、この突入電流から出力回路１０を保護する必要がある。

その方法の一つとして、転流ダイオード１１とチョークコイル１２に、上記突入電流に耐え得る通常より耐電流容量の大きな部品を用いる方法があるが、これによると、特注仕様となりコスト高や装置の大型化を招くことになる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力回路１０の立ち上がりが遅くなるため、応答性の面でも好ましくない。

そこで、本発明では、図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力回路１０の出力端に、大容量ダイオード４０を、そのカソードがチョークコイル１２を介して転流ダイオード１１のカソード側に接続されるように転流ダイオード１１に対して並列に接続して、この大容量ダイオード４０により上記突入電流をバイパスさせるようにしている。

これによれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力回路１０に用いる部品（転流ダイオード１１やチョークコイル１２など）に、ＤＣ／ＤＣコンバータ本来の性能に適したものを選定することができ、低コスト化，小型化および高性能化をはかることができる。

なお、上記突入電流を確実にバイパスさせるには、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力回路１０側のインピーダンスをバイパス用の大容量ダイオード４０側のインピーダンスよりも高くする必要がある。

そのため、図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力回路１０の転流ダイオード１１とチョークコイル１２とを含む回路を多段に直列接続することが好ましいが、別の方法として、図３に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力回路１０とバイパス用の大容量ダイオード４０との間に低抵抗４１を接続するようにしてもよい。

以上、負荷Ｌが電子写真方式による複写機が備える定着装置の例えばハロゲンヒータやニクロム線ヒータなどからなる定着ヒータである場合を例にして本発明を説明したが、本発明の電力供給装置は、これ以外にも温度対抵抗値が正特性を示す負荷，例えば電動機の電機子コイルの起動などにも広く適用することができる。

本発明の実施形態を示す模式図。 本発明の別の実施形態を示す模式図。 本発明のさらに別の実施形態を示す模式図。

符号の説明

１０ 直流出力型電力変換手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の出力回路
１１ 転流ダイオード
１２ チョークコイル
２０ 電気二重層キャパシタ
２１ 充電電源
３０ 電源スイッチ
４０ バイパス用の大容量ダイオード
４１ 低抵抗
Ｌ 負荷

Claims (4)

1. 転流ダイオードと、上記転流ダイオードのカソード側に接続されたチョークコイルとを含む直流出力型電力変換手段の出力回路の出力端に、電気二重層キャパシタを直列に接続してなり、温度対抵抗値が正特性を示す負荷に対して、負荷起動時には上記直流出力型電力変換回路をオフとした状態で上記電気二重層キャパシタより電力を供給し、所定時間後に上記直流出力型電力変換手段により所定の定格電力を供給する電気二重層キャパシタを利用した電力供給装置であって、
   上記出力回路の出力端には、上記負荷起動時に発生する突入電流をバイパスさせる突入電流バイパス用ダイオードが、同突入電流バイパス用ダイオードのカソードが上記チョークコイルを介して上記転流ダイオードのカソード側に接続されるように、上記転流ダイオードに対して並列に接続されていることを特徴とする電気二重層キャパシタを利用した電力供給装置。
2. 上記出力回路側のインピーダンスを上記突入電流バイパス用ダイオード側のインピーダンスよりも高くするため、上記出力回路側には上記転流ダイオードと上記チョークコイルを含む回路が多段に直列接続されている請求項１に記載の電気二重層キャパシタを利用した電力供給装置。
3. 上記出力回路に含まれている上記転流ダイオードのアノードと、上記突入電流バイパス用ダイオードのアノードとの間に、上記出力回路側のインピーダンスを上記突入電流バイパス用ダイオード側のインピーダンスよりも高くする抵抗素子が接続されている請求項１に記載の電気二重層キャパシタを利用した電力供給装置。
4. 上記負荷が電子写真方式による複写機が備える定着装置の定着ヒータである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタを利用した電力供給装置。
   

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