JP7081392B2 - 温度警報システム、温度警報方法、及びプログラム - Google Patents

Description

この発明は、温度警報システム及び温度警報方法に関し、より詳しくは、電気抵抗ヒータを構成する電熱線または電熱帯の特定温度で警報を発する温度警報システム及び温度警報方法に関する。また、この発明は、そのような温度警報方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。

一般に、温度制御システムとしては、例えば特許文献１（特開２００３－０５３４３７号公報）に開示されているように、加熱対象物（プレス加工用の金型）に、電気抵抗ヒータである棒状ヒータ（電熱線を耐熱絶縁物で被覆すると共に、鋼管に収納している市販品）と、この加熱対象物の温度を測定する温度センサとを搭載し、上記加熱対象物が目標温度になるように、上記温度センサの出力に基づいて上記棒状ヒータへの通電電流を制御するものが知られている。

特開２００３－０５３４３７号公報 米国特許出願第２０１７／０３５９８５７号明細書

特許文献１におけるのと同様の電気抵抗ヒータを含む温度制御システムについて本発明者が解析したところ、上記電気抵抗ヒータへの通電開始から上記加熱対象物が目標温度（例えば、２００℃）になるまでの間に、上記電気抵抗ヒータ内部の電熱線の温度が８００℃～１０００℃に達することが判明した。このような高温に達する場合、システムのユーザに対して警報を発すべきであると考えられる。なお、市販品の電気抵抗ヒータ自体には、通常は温度センサが内蔵されていないが、本発明者は特別に温度センサを内蔵させて解析した。

なお、特許文献２（米国特許出願第２０１７／０３５９８５７号明細書）に記載のものは、ニッケルクロム線１種の温度対抵抗値特性が５００℃近傍で極大を示し、８００℃近傍で極小を示すことが開示されている。この特性に基づいて抵抗値から温度を推定できると考えられる。この事情は、電熱線に限られず、電熱帯についても同様である。「電熱線」と「電熱帯」は、合わせて「電熱体」と称される。

そこで、この発明の課題は、電気抵抗ヒータを構成する電熱体自体の温度が予め定められた特定温度に達したときに警報を発することができる温度警報システム及び温度警報方法を提供することにある。また、この発明の課題は、そのような温度警報方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、この開示の温度警報システムは、
加熱対象物を加熱する電気抵抗ヒータを構成する電熱体の温度に応じて警報を発する温度警報システムであって、
上記電熱体は温度対抵抗特性が極大および極小を有するニッケルクロム線または帯からなり、
上記電気抵抗ヒータの上記電熱体に通電して、上記加熱対象物を予め定められた目標温度へ向けて昇温させる温度制御部と、
上記温度制御部による上記加熱対象物の昇温中に、刻々、上記電熱体が示す抵抗値を昇温時抵抗値として測定する抵抗測定部と、
上記加熱対象物の昇温中に、上記昇温時抵抗値が極大または極小を示したか否かを判定する判定部と、
上記昇温時抵抗値が極大または極小を示した時、上記極大または極小に対応する警報を発する警報部と
備えたことを特徴とする。

本明細書で、「温度対抵抗特性が極大および極小を有するニッケルクロム線または帯」とは、例えば、日本工業規格（ＪＩＳＣ２５２０）に規定された、電熱用ニッケルクロム線１種（略号ＮＣＨＷ１）または電熱用ニッケルクロム帯１種（略号ＮＣＨＲＷ１）などを含む温度対抵抗特性が極大および極小を有するニッケルクロム線または帯を指す。

また、「極大」とは、加熱対象物の昇温中に時間の経過に伴って徐々に抵抗値が上昇し５００℃近傍で最大を示す現象を指す。

また、「極小」とは、加熱対象物の昇温中に極大を示した後に、時間の経過に伴って徐々に抵抗値が下降し８００℃近傍で最小を示す現象を指す。

また、電熱体についての抵抗値の「測定」および「通電」は、典型的には、上記電熱体をなす電熱線または電熱帯の長手方向に沿って行われる。

この開示の温度警報システムでは、上記電熱体は温度対抵抗特性が極大および極小を有するニッケルクロム線または帯からなるので、温度対抵抗値特性が５００℃近傍で極大を示し、８００℃近傍で極小を示す。上記温度制御部は、上記電気抵抗ヒータの上記電熱体に通電して、上記加熱対象物を予め定められた目標温度へ向けて昇温させる。上記抵抗測定部は、上記温度制御部による上記加熱対象物の昇温中に、刻々、上記電熱体が示す抵抗値を昇温時抵抗値として測定する。上記判定部は、上記加熱対象物の昇温中に、上記昇温時抵抗値が極大または極小を示したか否かを判定する。上記警報部は、上記昇温時抵抗値が極大または極小を示した時、上記極大または極小に対応する警報を発する。したがって、電気抵抗ヒータ自体の温度が予め定められた特定温度、すなわち、上記電熱体が極大を示す５００℃近傍、または極小を示す８００℃近傍に達したときに警報を発することができる。

一実施形態の温度警報システムでは、上記警報として、上記極大に対応する第１の警報と上記極小に対応する第２の警報とを含み、上記第１の警報と上記第２の警報とは互いに区別して認識可能であることを特徴とする。

本明細書で、「互いに区別して認識可能」とは、上記第１の警報と上記第２の警報が、音色、断続周期等によって区別され得る場合を広く含む。

この一実施形態の温度警報システムでは、極大に対応する第１の警報により５００℃近傍に達したこと、または極小に対応する第２の警報により８００℃近傍に達したことが、ユーザ（操作者）にとって区別して認識され得る。

一実施形態の温度警報システムでは、上記温度制御部は、上記昇温中であることを、上記電気抵抗ヒータの上記電熱体に通電した電流値が増加中または一定であることによって判断することを特徴とする。

本明細書で、「電流値が増加中または一定」とは、電流値が減少していないことを指す。

この一実施形態の温度警報システムでは、上記加熱対象物が昇温中であることを上記電熱体への通電電流値に基づいて判断する。したがって、必要な期間に警報を発することができる。

別の局面では、この開示の温度警報方法は、
加熱対象物を加熱する電気抵抗ヒータを構成する電熱体の温度に応じて警報を発する温度警報システムにおける温度警報方法であって、
上記電熱体は温度対抵抗特性が極大および極小を有するニッケルクロム線または帯からなり、
上記電気抵抗ヒータの上記電熱体に通電して、上記加熱対象物を予め定められた目標温度へ向けて昇温させ、
上記温度制御部による上記加熱対象物の昇温中に、刻々、上記電熱体が示す抵抗値を昇温時抵抗値として測定し、
上記加熱対象物の昇温中に、上記昇温時抵抗値が極大または極小を示したか否かを判定し、
上記昇温時抵抗値が極大または極小を示した時、上記極大または極小に対応する警報を発することを特徴とする。

この一実施形態の温度警報方法では、電気抵抗ヒータ自体の温度が予め定められた特定温度、すなわち、上記電熱体が極大を示す５００℃近傍、または極小を示す８００℃近傍に達したときに警報を発することができる。

さらに別の局面では、この開示のプログラムは、上記温度警報方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

この開示のプログラムをコンピュータに実行させることによって、上記温度警報方法を実施することができる。

以上より明らかなように、この開示の温度警報システム及び温度警報方法は、電気抵抗ヒータを構成する電熱体自体の温度が予め定められた特定温度に達したときに警報を発することができる。また、この開示のプログラムをコンピュータに実行させることによって、上記温度警報方法を実施することができる。

この発明の一実施形態の温度警報システムの構成を模式的に示す図である。 上記温度警報システムに含まれた温度コントローラのハードウェア構成を示す図である。 上記温度コントローラの演算部が実行する温度警報処理（温度警報方法）のフローを示す図である。 上記温度警報システムに含まれた電気抵抗ヒータを構成する電熱線（この例では、ニッケルクロム線１種（略号ＮＣＨＷ１））の温度対（ｖｓ）抵抗比特性を示す図である。 上記温度警報システムにおける温度制御開始からの上記電気抵抗ヒータを構成する電熱線（この例では、ニッケルクロム線１種（略号ＮＣＨＷ１））の抵抗の時系列変化を例示する図である。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施形態の温度警報システム２００の構成を模式的に示している。この温度警報システム２００は、加熱対象物９０の筐体（１点鎖線で示す。）に収容または搭載された電気抵抗ヒータ（以下、単に「ヒータ」という。）２０及び温度センサ３０と、この温度センサ３０の出力（対象物温度信号ＴＯ）に基づいてヒータ２０への通電電流をオンオフ制御するための温度コントローラ１００とを備えている。

ヒータ２０は、この例では、このヒータの外壁をなす細長い円筒状の鋼管からなるケース２０ａと、ケース２０ａ内部に配置された、通電されて発熱する電熱体の一例としての電熱線２０ｘとを有している。電熱線２０ｘの線種は、この例では、日本工業規格（ＪＩＳＣ２５２０）に規定された電熱用ニッケルクロム線１種（略号ＮＣＨＷ１）になっている。ヒータ２０は、一対の配線１２１，１２２によって、この例では単相２００ボルトの商用電源１２０に接続されている。一方の配線１２１には、スイッチング素子としてのソリッドステートリレー（ＳＳＲ）１１０が介挿されている。他方の配線１２２には、変流器（ＣＴ）からなる電流計７１が取り付けられている。また、ヒータ２０の両側の配線１２１，１２２にまたがって、計器用変圧器（ＶＴ）からなる電圧計７０が接続されている。

ソリッドステートリレー１１０は、温度コントローラ１００からのオンオフ制御信号Ｃｔｌによってオンオフ制御される。オンオフ制御信号Ｃｔｌは、この例では、１秒間ないし２秒間周期の矩形波になっている。オンオフ制御信号Ｃｔｌのデューティ（すなわち、１周期中のオン期間の割合）は、操作量（これをＭＶとする。）に従って設定される。これにより、ソリッドステートリレー１１０のオン期間の間、商用電源１２０によってヒータ２０が通電（電熱線２０ｘの通電と同義。本明細書を通して同様。）される。

電流計７１は、ヒータ２０への通電電流の電流値Ｉを検出する。電圧計７０は、ヒータ２０への印加電圧の電圧値Ｖを検出する。電流計７１が検出する電流値Ｉと、電圧計７０が検出する電圧値Ｖは、温度コントローラ１００に入力される。

温度コントローラ１００は、図２に示すように、ハードウェアとして、この例では、演算部１１と、表示器１２と、操作部１３と、記憶部１４と、データ入力部１５と、出力部１７と、通信部１６と、警報器１８とを備えている。

演算部１１は、ソフトウェア（コンピュータプログラム）によって動作するＣＰＵ（中央演算処理ユニット）を含み、後述の温度警報方法に従う処理や、その他の各種処理を実行する。

操作部１３は、この例では、キー入力スイッチ及び設定スイッチからなり、ユーザ（操作者）からの指示及びデータなどを入力または設定するために用いられる。この例では、操作部１３の設定スイッチには、加熱対象物９０を加熱すべき目標温度Ｔtarget＝１００℃が設定されているものとする。

表示器１２は、この例では、ＬＥＤ（発光ダイオード）アレイからなり、演算部１１からの制御信号に従って、数値等の表示を行う。この例では、表示器１２は、設定された目標温度Ｔtarget、加熱対象物９０の現在温度ＴＯを表示するために用いられる。

記憶部１４は、この例では、非一時的にデータを記憶し得るＥＥＰＲＯＭ（電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ）、及び、一時的にデータを記憶し得るＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）を含んでいる。この記憶部１４には、演算部１１を制御するためのソフトウェア（コンピュータプログラム）が格納されている。また、この例では、記憶部１４には、予め定められた基準温度での電熱線２０ｘが示す抵抗値が基準温度抵抗値Ｒ０として、また加熱対象物９０の昇温中に、電熱線２０ｘが示す抵抗値が昇温時抵抗値Ｒｉとして記憶される。これらの記憶内容については、後に詳述する。

データ入力部１５は、この例では、ＡＤ（アナログ・ツー・デジタル）変換器を含んでいる。データ入力部１５は、電流計７１からの電流値Ｉと、電圧計７０からの電圧値Ｖとを表す信号を受けて、ＡＤ変換を行って、演算部１１に入力する。

出力部１７は、演算部１１からの制御信号に従って、ソリッドステートリレー１１０をオンオフ制御する信号（オンオフ制御信号Ｃｔｌ）を出力する。ソリッドステートリレー１１０は、オンオフ制御信号Ｃｔｌに応じて、商用電源１２０につながる配線１２１を導通または遮断する。

通信部１６は、演算部１１によって制御されて所定の情報を外部の装置に送信したり、また、外部の装置からの情報を受信して演算部１１に受け渡したりする。この例では、通信部１６は、外部の装置へ状態情報（警報信号ＡＳ１，ＡＳ２）を送信する。また、外部の装置からの指示（コマンド信号ＣＭ）を受信する。

警報器１８は、演算部１１からの制御信号に従って、聴覚的または視覚的な警報を発する。この例では、ブザー又はＬＥＤ（発光ダイオード）アレイからなり、警報音または点滅等の表示を発する。

図４は、ニッケルクロム１種線の温度ｖｓ抵抗比特性を示している。図４のグラフＣ１によって分かるように、ニッケルクロム線１種の抵抗比は、予め定められた基準温度（常温）から温度上昇するにつれて増加し、点線の円内における５００℃近傍で極大Ｍａｘを示し、さらに温度上昇すると次第に減少して一点鎖線の円内における８００℃近傍で極小Ｍｉｎを示し、さらに温度上昇すると再び上昇している。

図１中に示すように、この例では、プログラムされた演算部１１によって、温度制御部４０としてのＰＩＤ制御部４１及び出力信号作成部４８と、抵抗算出部４４と、極小極大判定部４６と、警報信号作成部４７とが構成されている。電流計７１、電圧計７０、及び抵抗算出部４４は、抵抗測定部を構成している。極大極小判定部４６は判定部を構成している。警報信号作成部４７は警報部を構成している。これらの各部の動作については、次に述べる図３の温度制御処理のフローの中で説明する。

図３は、ヒータ２０を構成する電熱線２０ｘの温度警報を発するために、温度警報システム２００が実行する温度警報方法の処理フローを示している。なお、この処理フローの開始直前には、ヒータ２０は、基準温度、この例では常温２３℃にあるものとする。

まず、図３のステップＳ１に示すように、ユーザの操作部１３を通した指示または通信部１６を介したコマンド信号ＣＭに応じて、演算部１１は抵抗測定部として働いて、ヒータ２０が示す抵抗値を基準温度抵抗値（これをＲ０とする。）として測定する。具体的には、演算部１１は温度制御部４０として働いて温度コントローラ１００にヒータ２０へのミリ秒オーダの通電（温度上昇が無視できる程度の通電）を行わせる。さらに、演算部１１は、その通電に伴う電流計７１からの電流値（これをＩ０とする。）、電圧計７０からの電圧値（これをＶ０とする。）を、データ入力部１５を介して入力する。そして、基準温度抵抗値Ｒ０を
Ｒ０＝Ｖ０／Ｉ０ …（Ｅｑ．１）
によって求める。この例では、基準温度抵抗値Ｒ０＝２２１．８Ωである。

次に、図３のステップＳ２に示すように、演算部１１は温度コントローラ１００を温度制御部４０として動作させる。この例では、温度コントローラ１００は、加熱対象物９０の目標温度が２００℃という設定条件下で、加熱対象物９０の昇温制御を開始する。すると、ヒータ２０は、基準温度２３℃から、温度範囲８００℃～９００℃へ向かって昇温される。

次に、図３のステップＳ３～Ｓ６に示すように、演算部１１は抵抗算出部４４として働いて、ヒータ２０の昇温中に、刻々、ヒータ２０が示す抵抗値を昇温時抵抗値（これをＲｉとする。）として算出する。詳しくは、この例では、ステップＳ３で電流計７１からの電流値Ｉｉを入力し、ステップＳ４で、前回のターン時の電流値Ｉｐに対して今回のターンでの電流値Ｉｉが減少していないか否かを判断する。前回のターン時の電流値Ｉｐに対して今回のターンでの電流値Ｉｉが減少していなければ（ステップＳ４でＮＯ）、昇温中であると判断して、ステップＳ５に進んで電圧計７０からの電圧値Ｖｉを入力する。これにより、ステップＳ６で、今回のターンでの昇温時抵抗値Ｒｉ＝Ｖｉ／Ｉｉを求める。このようにして、演算部１１は、ヒータ２０の昇温中に、刻々、昇温時抵抗値Ｒｉを求める。刻々求められた抵抗値Ｒｉは、時系列で記憶部１４に記憶される。ステップＳ４で、電流値Ｉｉが減少するまで、演算部１１は、ステップＳ５～Ｓ１１の処理を繰り返す。

次に、図３のステップＳ７、Ｓ８、Ｓ１０に示すように、演算部１１は極大極小判定部４６として働いて、時系列で記憶された抵抗値Ｒｉに基づいて、電熱線２０ｘの抵抗値が極小または極大を示したか否かを判定する。詳しくは、この例では、極大極小判定部４６は、時系列で記憶された抵抗値Ｒｉが、増加する過程で減少に転じた場合（極大の抵抗値ピーク）を検知したとき（ステップＳ８でＹＥＳ）、電熱線２０ｘの温度が５００℃近傍に達したと判断する。演算部１１は警報信号作成部４７として働いて、第１の警報信号ＡＳ１を生成し、警報器１８を介して、第１の警報としての或る音色のブザー音Ａ１を発する（ステップＳ９）。この例では、これと並行して、演算部１１は通信部１６を介して、図示しない外部の装置へ警報信号ＡＳ１を出力する。図５に示すように、この例では、昇温を開始してから１２秒で点線の円内における極大が検知された。そのときの抵抗値ＲＭａｘ＝２２８．４Ωであった。

次に、極大極小判定部４６は、時系列で記憶された抵抗値Ｒｉが、減少する過程で増加に転じた場合（極小の抵抗値ピーク）を検知したとき（ステップＳ１０でＹＥＳ）、電熱線２０ｘの温度が８００℃近傍に達したと判断する。演算部１１は警報信号作成部４７として働いて、第２の警報信号ＡＳ２を生成し、警報器１８を介して、第１の警報Ａ１と互いに区別して認識可能な音色のブザー音である第２の警報Ａ２を発する（ステップＳ１１）。この例では、これと並行して、演算部１１は通信部１６を介して、図示しない外部の装置へ警報信号ＡＳ２を出力する。図５に示すように、この例では、昇温を開始してから１８秒で一点鎖線の円内における極小が検知された。そのときの抵抗値ＲＭｉｎ＝２２６．５Ωであった。また、電流値Ｉｉは、昇温を開始してから３０秒まで増加し続けた。

次に、図３のステップＳ４でＹＥＳ、すなわち、電流値Ｉｉが減少すると、演算部１１は、ヒータ２０の昇温が終わったと判断して、処理を終了する。

この例では、温度制御部４０は、昇温中であることを、電気抵抗ヒータの電熱線２０ｘに通電した電流値Ｉｉが増加中または一定であることによって判断する。これにより、必要な期間に警報を発することができる。温度制御部４０は、出力信号作成部４８からのオンオフ制御信号Ｃｔｌの操作量ＭＶが増加中または一定であることによって判断してもよい。この場合も同様に、これにより、必要な期間に警報を発することができる。

上述したように、この本開示の温度警報システム２００は、電熱線自体の温度が予め定められた特定温度、すなわち、上記電熱線が極大を示す５００℃近傍、または極小を示す８００℃近傍に達したときに警報を発することができる。

その結果、温度警報システム２００は、ヒータ２０を構成している電熱線２０ｘの温度を検知する追加の温度センサは不要である。

なお、この例では、図３のステップＳ１に示すように、演算部１１は抵抗測定部として働いて、基準温度（常温）抵抗値Ｒ０を測定したが、この工程は省略することができる。本発明では、警報を発するために、電熱線２０ｘの抵抗値が極大または極小を示したことを検知できれば足りるからである。

なお、第１及び第２の警報Ａ１，Ａ２の種類は、ブザー音に限られるものではなく、電子音、音声合成音または光など任意の種類の聴覚的または視覚的警報であってもよい。

また、上の例では、電気抵抗ヒータを構成する電熱体の一例としての電熱線２０ｘがニッケルクロム線１種（略号ＮＣＨＷ１）からなるとしたが、これに限られるものではない。電気抵抗ヒータを構成する電熱体は、温度対抵抗特性が極大および極小を有するニッケルクロム線または帯であれば良く、他の種類のニッケルクロム線または帯であっても良い。

また、上述の温度警報方法を、ソフトウェア（コンピュータプログラム）として、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタル万能ディスク）、フラッシュメモリなどの非一時的（non-transitory）にデータを記憶可能な記録媒体に記録してもよい。このような記録媒体に記録されたソフトウェアを、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタンツ）、スマートフォン、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）などの実質的なコンピュータ装置にインストールすることによって、それらのコンピュータ装置に、上述の温度警報方法を実行させることができる。

以上の実施形態は例示であり、この発明の範囲から離れることなく様々な変形が可能である。上述した複数の実施の形態は、それぞれ単独で成立し得るものであるが、実施の形態同士の組みあわせも可能である。また、異なる実施の形態の中の種々の特徴も、それぞれ単独で成立し得るものであるが、異なる実施の形態の中の特徴同士の組みあわせも可能である。

１１演算部
１４記憶部
１８警報器
２０ヒータ
７０電圧計
７１電流計
１００温度コントローラ
２００温度警報システム

Claims (5)

1. 加熱対象物を加熱する電気抵抗ヒータを構成する電熱体の温度に応じて警報を発する温度警報システムであって、
   上記電熱体は温度対抵抗特性が極大および極小を有するニッケルクロム線または帯からなり、
   上記電気抵抗ヒータの上記電熱体に通電して、上記加熱対象物を予め定められた目標温度へ向けて昇温させる温度制御部と、
   上記温度制御部による上記加熱対象物の昇温中に、刻々、上記電熱体が示す抵抗値を昇温時抵抗値として測定する抵抗測定部と、
   上記加熱対象物の昇温中に、上記昇温時抵抗値が極大または極小を示したか否かを判定する判定部と、
   上記昇温時抵抗値が極大または極小を示した時、上記極大または極小に対応する警報を発する警報部と
   を備えたことを特徴とする温度警報システム。
2. 請求項１の温度警報システムにおいて、
   上記警報として、上記極大に対応する第１の警報と上記極小に対応する第２の警報とを含み、上記第１の警報と上記第２の警報とは互いに区別して認識可能であることを特徴とする温度警報システム。
3. 請求項１または２の温度警報システムにおいて、
   上記温度制御部は、上記昇温中であることを、上記電気抵抗ヒータの上記電熱体に通電した電流値が増加中または一定であることによって判断することを特徴とする温度警報システム。
4. 加熱対象物を加熱する電気抵抗ヒータを構成する電熱体の温度に応じて警報を発する温度警報システムにおける温度警報方法であって、
   上記電熱体は温度対抵抗特性が極大および極小を有するニッケルクロム線または帯からなり、
   上記電気抵抗ヒータの上記電熱体に通電して、上記加熱対象物を予め定められた目標温度へ向けて昇温させ、
   上記加熱対象物の昇温中に、刻々、上記電熱体が示す抵抗値を昇温時抵抗値として測定し、
   上記加熱対象物の昇温中に、上記昇温時抵抗値が極大または極小を示したか否かを判定し、
   上記昇温時抵抗値が極大または極小を示した時、上記極大または極小に対応する警報を発することを特徴とする温度警報方法。
5. 請求項４に記載の温度警報方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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