JP2014220047A - 電熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる電圧を有するさまざまな電池からの電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。【解決手段】電熱装置１００は、パワーモジュール１、電熱ユニット３、および切替ユニット２を含む。パワーモジュール１は、電気エネルギーを出力するために電池に電気的に接続するように構成される。電熱ユニット３は、電気エネルギーを受けて、熱エネルギーに変換するために、パワーモジュール１と電気的に接続される複数の電熱構成要素３１〜３ｎを含む。切替ユニット２は、パワーモジュール１と電熱ユニット３との間に電気的に接続され、パワーモジュール１と電熱構成要素３１〜３ｎの各々との間に電気的接続を制御するように操作可能である。したがって、電熱ユニット３は、一定の出力パワーの熱エネルギーを生成する。【選択図】図３

Description

本発明は、電熱装置に、特に、異なる電圧を有するさまざまな電池からの電気エネルギーを熱エネルギーに変換することができる電熱装置に関する。

図１および図２は、コントロールボックス９４０およびそのコントロールボックス９４０と電気的に接続される電熱線９１３を含む従来の電熱装置を示す。

電熱線９１３は、一様に領域を暖めるためのいくつかのセグメントを形成するために曲げられる。電熱線９１３は、管またはブロックの形でいろいろな種類の電熱構成要素と交換されることができる。

コントロールボックス９４０は、電池セット９３０を収容するように構成され、スイッチ９２１および温度調節装置９２２を含む。スイッチ９２１は、従来の電熱装置を起動するために、ユーザ操作可能である。温度調節装置９２２は、電熱線９１３の温度を検出することができ、電池セット９３０からの電流を検出温度に従って電熱線９１３に供給する。スイッチ９２１がスイッチを入れられるときに、電流は、電池セット９３０から供給され、電熱線９１３を通って流れ、その結果、電熱線９１３が電気エネルギーを熱エネルギーに変換することができる。

しかし、従来の電熱装置は、さまざまなサイズの、そして、異なる電圧を有する電池を受け入れることができない。換言すれば、従来の電熱装置は、特定の電圧を有する特定のサイズの電池を使用することができるだけである。

米国特許番号５５７６５１２号公報に開示された熱電装置は、それぞれ異なる電圧を供給している複数の電力源と互換性を持つ。熱電装置は、感知回路、並列接続回路、直列接続回路および熱電素子を含む。感知回路は、電力源が低い方の動作電圧を供給するか、高い方の動作電圧を供給するかについて検出することができる。低い方の動作電圧について、熱電素子は、並列接続回路によって並列に互いに電気的に接続される。高い方の動作電圧について、熱電素子は、直列接続回路によって直列に構成される。その結果、熱電装置は、熱電素子が並列接続にある全加熱モードと、熱電素子が直列接続にある半加熱モードとの間で切り替え可能である。

しかし、上記のような熱電装置の回路は複雑である。さらにまた、熱電装置は、電力源が異なる動作電圧を有するとき、一定の出力パワーを生成することができない。

米国特許番号５５７６５１２号公報

従って、本発明の目的は、一定の出力パワーの熱エネルギーに、異なる電圧を有するさまざまな電池からの電気エネルギーを変換することができる電熱装置を提供することである。

電熱装置は、パワーモジュール、電熱ユニットおよび切替ユニットを含む。パワーモジュールは、電気エネルギーを出力するための電池に電気的に接続されるように構成される。電熱ユニットは、電気エネルギーを受けて、熱エネルギーに変換するために、パワーモジュールと電気的に接続される複数の電熱構成要素を含む。切替ユニットは、パワーモジュールと電熱ユニットとの間に電気的に接続される。パワーモジュールと電気的に接続される電池の電圧によって、切替ユニットは、電熱ユニットが一定の出力パワーの熱エネルギーを生成することができるように、パワーモジュールと電熱構成要素の各々と間の電気的接続を制御するように操作可能である。

本発明の他の特徴および効果は、添付図面を参照して、この発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明において明らかとなる。

図１は、従来の電熱装置の斜視図である。 図２は、従来の電熱装置の回路図である。 図３は、この発明の電熱装置の好ましい実施形態のブロック図である。 図４は、切替ユニットが短絡を形成するために閉じている、電熱装置の第１の例の概略的な回路ブロック図である。 図５は、切替ユニットが開路を形成するために開いている、電熱装置の第１の例の概略的な回路ブロック図である。 図６は、電熱装置の電熱構成要素の典型的な装置の概略図である。 図７は、電熱装置の電熱構成要素の別の典型的な装置の概略図である。 図８は、電熱構成要素のうちの１つが加熱のために使用される、２つの切替ユニットおよび３つの電熱構成要素を含む電熱装置の第２の例の概略的な回路ブロック図である。 図９は、３つの電熱構成要素のうちの２つが加熱のために使用される電熱装置の第２の例の別の概略的な回路ブロック図である。 図１０は、電熱構成要素の全てが加熱のために使用される、電熱装置の第２の例のさらに別の概略的な回路ブロック図である。

本発明が好ましい実施形態に関してより詳細に説明される前に、同一の参照番号が以下の記載の全体にわたって同じ要素を示すために使用される点に留意する必要がある。

図３は、一定の出力パワーの熱エネルギーに、異なる電圧を有するさまざまな電池からの電気エネルギーを変換するように構成された電熱装置１００の好ましい実施形態を示す。電熱装置１００は、電気毛布、電熱衣類、一対の電熱パンツ、一対の電熱靴などに適用されうる。一定の出力パワーは、約１ワットの正負の偏差を有する出力パワーとして定義され、そして、一定の出力パワーの変動は、ユーザによって明白には感じ取られないであろうことに留意する必要がある。電熱装置１００は、パワーモジュール１、切替ユニット２および電熱ユニット３を含む。

パワーモジュール１は、直流（ＤＣ）電圧の形で電池の電気エネルギーを出力するために電池に電気的に接続されるように構成される。通常、３つの一次標準の電池は、電熱デバイスおよび電動工具において広く使用されている、すなわち７．４ボルトの電圧を有する電池、１１．１ボルトの電圧を有する電池、および１８ボルトの電圧を有する電池である。典型的な目的のために、この実施形態の電熱装置１００は、これらの３つの標準の電池を使用するように構成される。しかし、本発明は、電池の標準サイズ／標準タイプに限定されず、異なる電圧を有する他の電力源は、本発明の範囲内において使用されることができる。

電熱ユニット３は、電気エネルギーを受けて、熱エネルギーに変換するためにパワーモジュール１と電気的に接続される複数の電熱構成要素３１〜３ｎを含む。切替ユニット２は、パワーモジュール１と電熱ユニット３との間に電気的に接続される。パワーモジュール１と電気的に接続される電池の電圧によって、切替ユニット２は、電熱ユニット３が一定の出力パワーの熱エネルギーを生成するのを可能にするように、パワーモジュール１と電熱構成要素３１〜３ｎの各々との間の電気的接続を制御するように操作可能である。実際には、電熱構成要素３１〜３ｎの各々は、電熱線または管若しくはブロックの形の他のタイプの電熱構成要素であり得る。

図４および図５を参照すると、電熱装置１００の第１の例が示される。パワーモジュール１は、電池からの電気エネルギーを出力するための出力端（＋）と接地される接地端（−）とを含む。第１の例において、電熱装置１００は、（図４に示すような）第１の値（Ｖ１）の電圧を有する電池、または（図５に示すような）第１の値（Ｖ１）より大きい第２の値（Ｖ２）の電圧を有する別の電池を使用するように構成される。電熱ユニット３は、第１の電熱構成要素３１と第２の電熱構成要素３２とを含む。第１の電熱構成要素３１は、パワーモジュール１の出力端（＋）に電気的に接続される。第２の電熱構成要素３２は、第１の電熱構成要素３１とパワーモジュール１の接地端（−）との間に直列に電気的に接続される。

第１の例において、切替ユニット２は、第１および第２の電熱構成要素３１、３２の間で電気的に接続される第１端部２１１を有する第１の切替構成要素２１および接地される第２端部２１２を含む。図４に示すように、第１の切替構成要素２１は、パワーモジュール１の出力端（＋）が第１の値（Ｖ１）の電圧を出力するときに、第２の電熱構成要素３２をバイパスするために、第１の電熱構成要素３１を直接接地するように操作可能である。あるいは、図５に示すように、パワーモジュール１の出力端（＋）が第１の値（Ｖ１）より大きい第２の値（Ｖ２）の電圧を出力するときに、第１および第２の電熱構成要素３１、３２がパワーモジュール１と直列接続にあるように、第１の切替構成要素２１は、接地から第１の電熱構成要素３１を切断するように更に操作可能である。

例えば、電圧の第１の値（Ｖ１）は、７．４ボルトに等しく、電圧の第２の値（Ｖ２）は、１１．１ボルトに等しい。第１の電熱構成要素３１の抵抗は、７．４オームであり、第２の電熱構成要素３２の抵抗は、９．２オームである。図４に示すように、パワーモジュール１の出力端（＋）が、７．４ボルトの第１の値（Ｖ１）に等しい電池の電圧を出力するときに、第１の切替構成要素２１は、第１の電熱構成要素３１を直接接地して、第２の電熱構成要素３２をバイパスするように、閉じる。その結果、７．４オームの抵抗を有する第１の電熱構成要素３１は、７．４ワットの第１の出力パワーを有する熱エネルギーを生成する。

図５に示すように、パワーモジュール１の出力端（＋）が１１．１ボルトの第２の値（Ｖ２）に等しい電池の電圧を出力するときに、第１の切替構成要素２１は、接地から第１の電熱構成要素３１を切断するように、そして、第１および第２の電熱構成要素３１、３２がパワーモジュール１と直列接続にあるように、開く。その結果、第１および第２の電熱構成要素３１、３２の全抵抗は、１６．６オームであり、第１および第２の電熱構成要素３１、３２は、協働して７．４ワットの第１の出力パワーにほぼ等しい７．４２ワットの第２の出力パワーを有する熱エネルギーを生成する。

図６に示すように、第１および第２の電熱構成要素３１、３２は、すぐ近くに配置されて、互いに平行である。第１および第２の電熱構成要素３１、３２は、一様に領域を暖めるために、いくつかのセグメントを形成するようにそれぞれ曲げられる。第１および第２の電熱構成要素３１、３２の間の距離（ｄ）は、第１および第２の電熱構成要素３１、３２の各々のセグメントの２つの平行したものの間の距離より非常に小さい。あるいは、第１および第２の電熱構成要素３１、３２は接しうる、すなわち、距離（ｄ）は、ゼロに等しい。従って、第１および第２の電熱構成要素３１、３２のうちのどちらが加熱されても、ユーザは、電熱ユニット３の異なる部分で温度の明らかな差を感じとらないだろう。

図７に示すように、第１および第２の電熱構成要素３１、３２は、すぐ近くに配置されて、部分的に各々を交差させる。第１および第２の電熱構成要素３１、３２は、一様に領域を暖めるために、距離（Ｄ）だけ各々から離して間隔を置いて配置されるいくつかのセグメントを形成するようにそれぞれ曲げられる。第１および第２の電熱構成要素３１、３２の間の距離（ｄ）は、距離（Ｄ）より非常に小さいか、または、ゼロに等しくさえあってもよい。従って、第１および第２の電熱構成要素３１、３２のうちのどちらが加熱されても、ユーザは、電熱ユニット３の異なる部分で温度の明らかな差を感じとらないだろう。

第１および第２の電熱構成要素３１、３２の配置が、前述の典型的な配置に限られておらず、当業者は、この発明の範囲内において、一様なヒーティング効果を達成するために、第１および第２の電熱構成要素３１、３２の異なる配置を直ちに理解することができる点に留意する必要がある。

図８〜図１０は、第２の値（Ｖ２）より大きい第３の値（Ｖ３）の電圧を有する電池を更に使用するように構成された電熱装置１００の第２の例を示す。第２の例において、電熱ユニット３は、第２の電熱構成要素３２とパワーモジュール１の接地端との間に直列に電気的に接続される第３の電熱構成要素３３を更に含む。切替ユニット２は、第２および第３の電熱構成要素３２、３３との間に電気的に接続される第１端部２２１および接地される第２端部２２２を有する第２の切替構成要素２２を更に含む。第１の電熱構成要素、第２の電熱構成要素、および第３の電熱構成要素３１〜３３の配置は、図６および図７において示された典型的な配置と同様である。

第２の例において、第１の電熱構成要素３１は、７．４オームの抵抗を有する。第２の電熱構成要素３２は、９．２５オームの抵抗を有する。第３の電熱構成要素３３は、２７オームの抵抗を有する。例えば、電圧の第１の値（Ｖ１）は、７．４ボルトに等しく、電圧の第２の値（Ｖ２）は、１１．１ボルトに等しく、電圧の第３の値（Ｖ３）は、１８ボルトに等しい。パワーモジュール１の出力端（＋）は、第１、第２および第３の値（Ｖ１〜Ｖ３）を出力するように構成され、電熱ユニット３は、約７．４ワットの出力パワーを有する熱エネルギーを生成することができる。

図８に示すように、パワーモジュール１の出力端（＋）が、７．４ボルトの第１の値（Ｖ１）に等しい電池の電圧を出力するときに、第１の電熱構成要素３１を接地して、第２および第３の電熱構成要素３２、３３をバイパスするために、第１の切替構成要素２１は閉じ、第２の切替構成要素２２は開く。その結果、７．４オームの抵抗を有する第１の電熱構成要素３１は、７．４ワットの第１の出力パワーを有する熱エネルギーを生成する。

図９に示すように、パワーモジュール１の出力端（＋）が１１．１ボルトの第２の値（Ｖ２）と等しい電池の電圧を出力するときに、第３の電熱構成要素３３をバイパスし、第１および第２の電熱構成要素３１、３２がパワーモジュール１と直列接続にあるように、第１の切替構成要素２１は開き、第２の切替構成要素２２は閉じる。その結果、第１の電熱構成要素３１および第２の電熱構成要素３２の全抵抗は、１６．６５オーム（７．４＋９．２５＝１６．６５）であり、第１および第２の電熱構成要素３１、３２は、７．４ワットの第２の出力パワーを有する熱エネルギーを生成するために協動する。

図１０に示すように、パワーモジュール１の出力端（＋）が１８ボルトの第３の値（Ｖ３）と等しい電池の電圧を出力するときに、第１、第２および第３の電熱構成要素３１〜３３がパワーモジュール１と直列接続にあるように、第１および第２の切替構成要素２１、２２は開く。その結果、第１、第２および第３の電熱構成要素３１〜３３の全抵抗は、４３．６５オーム（７．４＋９．２５＋２７＝４３．６５）であり、第１、第２および第３の電熱構成要素３１〜３３は、７．４２ワットの第３の出力パワーを有する熱エネルギーを生成するために協動する。

まとめると、この発明の効果は、以下の通りに説明される。

１．パワーモジュール１と電気的に接続される電池の電圧によって、電熱装置１００は、パワーモジュール１と電熱構成要素３１〜３ｎの各々との間の電気的接続を制御している切替ユニット２によって、一定の出力パワーの熱エネルギーを生成することができる。

２．この発明の電熱装置１００は、さまざまなサイズ、および異なる電圧を有する電池を使用するように構成される。従って、電熱装置１００のユーザは、特定のサイズを有する電池を準備する必要がなく、電熱装置１００に、現在利用可能な電池を使用することができる。

３．電熱ユニット３の全抵抗を制御することによって、電熱ユニット３は、一定の出力パワーの熱エネルギーを生成することができる。一定の出力パワーのため、オーバーヒートしたり、電池を破損したりする問題は、軽減されることができる。

４．電熱装置１００は、能動素子のない比較的単純な電気回路を使用して実施される。従って、電気エネルギーは、能動素子で浪費されず、電熱装置１００は、比較的高い加熱効率を有することができる。

５．電熱構成要素３１〜３ｎのコンパクトな装置は、１つの領域にわたった電熱ユニット３による均熱化を容易にする。従って、ユーザは、電熱装置１００が異なるサイズの電池を使用するとき、電熱ユニット３の異なる部分で、温度の明らかな差を感じとらないだろう。

本発明は、最も実際的で好ましい実施形態と考えられるものと関連して説明されたが、この発明は、開示された実施形態に限定されず、最も広い解釈の範囲内に含まれるさまざまな装置および均等な装置をカバーすることを目的とするものと理解される。

１００ 電熱装置
１ パワーモジュール
２ 切替ユニット
３ 電熱ユニット
３１、３２、３３、３ｎ 電熱構成要素

Claims (5)

1. 実質的に一定の出力パワーの熱エネルギーに、異なる電圧を有する電池からの電気エネルギーを変換するように構成された電熱装置（１００）であって、前記電熱装置（１００）は、
   電気エネルギーを出力するために電池に電気的に接続されるように構成されたパワーモジュール（１）と、
   前記電気エネルギーを受けて、熱エネルギーに変換するために前記パワーモジュール（１）に電気的に接続される複数の電熱構成要素（３１〜３ｎ）を含んでいる電熱ユニット（３）と、
   前記パワーモジュール（１）と前記電熱ユニット（３）との間に電気的に接続され、前記パワーモジュール（１）と電気的に接続された前記電池の電圧によって、前記電熱ユニット（３）が一定の出力パワーの前記熱エネルギーを生成することができるように、前記パワーモジュール（１）と前記電熱構成要素（３１〜３ｎ）の各々との間の電気的接続を制御するように操作可能である、切替ユニット（２）と
   を特徴とする、電熱装置（１００）。
2. 前記パワーモジュール（１）は、前記電気エネルギーを出力するための出力端（＋）と接地される接地端（−）とを含むこと、
   前記電熱ユニット（３）は、前記パワーモジュール（１）の前記出力端（＋）と電気的に接続される第１の電熱構成要素（３１）、および、前記第１の電熱構成要素（３１）と前記パワーモジュール（１）の前記接地端（−）との間に直列に電気的に接続される第２の電熱構成要素（３２）を含むこと、および、
   前記切替ユニット（２）は、前記第１電熱構成要素および前記第２の電熱構成要素（３１、３２）の間に電気的に接続される第１端部（２１１）並びに接地される第２端部（２１２）を有する第１の切替構成要素（２１）を含み、前記電池の前記電圧が第１の値（Ｖ１）に等しいとき、前記第２の電熱構成要素（３２）をバイパスするために、前記第１の電熱構成要素（３１）を直接接地するように操作可能であり、前記電池の前記電圧が前記第１の値（Ｖ１）より大きい第２の値（Ｖ２）に等しいとき、前記第１の電熱構成要素および前記第２の電熱構成要素（３１、３２）が、前記パワーモジュール（１）と直列接続にあるように、接地から前記第１の電熱構成要素（３１）を切断するように操作可能であること
   を特徴とする、請求項１に記載の電熱装置（１００）。
3. 前記電熱ユニット（３）は、前記第２の電熱構成要素（３２）と前記パワーモジュール（１）の前記接地端（−）との間に直列に電気的に接続される第３の電熱構成要素（３３）を更に含むこと、
   前記切替ユニット（２）は、前記第２の電熱構成要素および前記第３の電熱構成要素（３２、３３）の間に電気的に接続される第１端部（２２１）並びに接地される第２端部（２２２）を有する第２の切替構成要素（２２）を更に含むこと、
   前記電池の前記電圧が前記第１の値（Ｖ１）に等しいとき、前記第１の電熱構成要素（３１）を接地するように、そして、前記第２の電熱構成要素および前記第３の電熱構成要素（３２、３３）をバイパスするように、前記第１の切替構成要素（２１）は閉じ、前記第２の切替構成要素（２２）は開くこと、
   前記電池の前記電圧が前記第２の値（Ｖ２）に等しいとき、前記第３の電熱構成要素（３３）をバイパスするように、そして、前記第１の電熱構成要素および前記第２の電熱構成要素（３１、３２）が前記パワーモジュール（１）と直列接続にあるように、前記第１の切替構成要素（２１）は開かれ、前記第２の切替構成要素（２２）は閉じること、および、
   前記電池の前記電圧が第２の値（Ｖ２）より大きい第３の値（Ｖ３）に等しいとき、前記第１の電熱構成要素、前記第２の電熱構成要素、および前記第３の電熱構成要素（３１〜３３）が、前記パワーモジュール（１）と直列接続にあるように、前記第１の切替構成要素および前記第２の切替構成要素（２１、２２）は開くこと
   を特徴とする、請求項２に記載の電熱装置（１００）。
4. 前記電熱構成要素（３１〜３ｎ）がすぐ近くに配置されて、互いに平行であることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電熱装置（１００）。
5. 前記電熱構成要素（３１〜３ｎ）がすぐ近くに配置されて、部分的に互いに交差させることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電熱装置（１００）。

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