JP4059280B2 - 電気湯沸かし器 - Google Patents

Description

本発明は、湯を沸かして保温する電気湯沸かし器に関するものである。

近年、電気沸かし器の制御回路は交流電源から直流低電圧電源への変換に、整流後にトランスを使用せず、抵抗による電圧ドロップ方式やコンデンサによる電圧ドロップ方式などを用いることで、制御基板の低コスト化を図っている。特に、容器内のお湯を保温する保温ヒータを利用しての電圧ドロップ方式なども採用されている。

以下、保温ヒータを利用した従来の電気湯沸かし器の制御回路について説明する。図６に従来例の構成ブロック図を示す。図６において、１は液体を収容する容器、２は容器１の温度を測定する温度検知手段、３は容器１に収容された液体を加熱する加熱手段であり、加熱ヒータ３ａとリレー３ｂとトランジスタＴｒ５などで構成されている。容器１に収容された液体を任意の温度に保温する保温手段は、保温ヒータ４ａで構成されている。５はダイオードブリッジからなる整流手段、６はＳＣＲによるスイッチ素子、８は直流電源であり、オペアンプＩＣ、および平滑コンデンサＣなどにより構成されている。モータ駆動回路９は、ポンプ９ａのポンプモータ９ｂ、出湯スイッチ９ｃ、およびトランジスタＴｒ６などで構成されている。１０は制御回路であり、温度検知手段２の入力によりトランジスタＴｒ５のオンオフ信号を出力し加熱ヒータ３ａを制御している。また、トランジスタＴｒ６をオンすることにより、使用者が出湯スイッチ９ｃを閉じるとポンプモータ９ｂに直流電源８の電圧Ｖｕが供給され、ポンプ９ａにより容器１の液体が排出される。

上記構成において、その動作を説明する。まず、直流電源８の動作について説明する。図７は従来例における直流電源８の動作を示すタイミングチャートである。図７において、平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕは、まず、Ａ１時点で所定電圧ＶＬを下回ると、オペアンプＩＣの出力はＬＯＷとなりトランジスタＴｒ２はオフとなる。トランジスタＴｒ２がオンのときには、スイッチ素子６のゲートをグランドに接続してゲート抵抗３からスイッチ素子６へのゲート電流を遮断していたので、トランジスタＴｒ２がオフとなることにより、スイッチ素子６にゲート電流が供給され、スイッチ素子６は図７におけるＡ１時点でオンとなり、ダイオードＤ５を介して平滑コンデンサＣに充電が開始される。

次に、Ａ２時点で電圧Ｖｕが所定電圧ＶＨを上回ると、オペアンプＩＣ出力はＨＩＧＨとなる。このとき、オペアンプＩＣの出力はヒステリシスを持った動作をするため、所定電圧ＶＬと所定電圧ＶＨに電位差が生じており、このため平滑コンデンサＣの電圧、すなわち直流電源８の出力電圧Ｖｕは、電圧ＶＬから電圧ＶＨのリップルを持った直流電圧が得られる。また、スイッチ素子６は、一旦オンとなると、保持電流が流れ続けている間はオフとならないので、次に整流手段５による全波整流出力の電圧がゼロボルトとなるＡ３時点で、保持電流がなくなるまでは、保温ヒータ４ａを介した電流が流れ続ける。

このとき、そのままでは平滑コンデンサＣへの充電が継続してしまうので、図６に示したように、オペアンプＩＣの出力により、トランジスタＴｒ３をオンとしてＡ２時点からＡ３時点までは、平滑コンデンサＣへの充電を停止している。またこのとき、ダイオードＤ５があるため、トランジスタＴｒ３がオンとなっても、平滑コンデンサＣに充電された電荷は、トランジスタＴｒ３方向へと流れ出さず、電圧Ｖｕは、直流電源８の出力で消費される電流分のみ低下していく。

次に、保温時における直流電流８の動作において、図面を参照しながら説明する。図８は保温時の動作を示すタイミングチャートである。図８において、Ｂ１時点で温度検知手段２の入力により測定した結果から、容器１内の液体の温度がそのとき設定されている保温温度以下になったと判断した場合、制御回路１０は保温ヒータオン信号をＬＯＷとするように制御している。この動作により、図６に示したトランジスタＴｒ２はオフとなるので、抵抗Ｒ３によりスイッチ素子６はオン状態を続ける。

ところが、平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕは電圧ＶＬ以上であるので、オペアンプＩＣの出力はＨＩＧＨのままでトランジスタＴｒ３はオン状態のままであり、平滑コンデンサＣへの充電は開始されない。このため、保温ヒータ４ａを介して直流電源８に供給されている電流は、平滑コンデンサＣへは流れずに、そのまま整流素子５の全波整流回路とスイッチ素子６とトランジスタＴｒ３を通じて商用電源に帰ることになり、保温ヒータ４ａは容器１を加熱して容器１内の液体は所定の保温温度になるまで温度上昇する。

この間に、Ｂ２時点において平滑コンデンサＣの電圧が電圧ＶＬを下回ると、オペアンプＩＣの出力がＬＯＷとなるのでトランジスタＴｒ３はオフとなり、スイッチ素子６からトランジスタＴｒ３を通って商用電源に帰っていた電流は、平滑コンデンサＣの充電に当てられる。そして電圧ＶＨまで充電が完了すると再びオペアンプＩＣの出力がＨＩＧＨとなるので、トランジスタＴｒ３がオンとなり、平滑コンデンサＣへの充電動作から、トランジスタＴｒ３を通って商用電源に帰る動作に電流路が切り替えられる。そして、図８におけるＢ４時点で、温度検知手段２の入力により測定した結果から、容器１内の液体の温度がそのとき設定されている保温温度以上になったと判断したとき、制御回路１０は保温ヒータオン信号をＨＩＧＨとする。

この動作により、図６に示したトランジスタＴｒ２はオンとなるので、つぎのゼロボルト点であるＢ５時点において保持電流がなくなったスイッチ素子６はオフとなり、保温ヒータ４ａへの通電が停止して容器１内の液体の加熱が終了する。

次に、ゲートオフ手段７の動作について説明する。ゲートオフ手段７は整流手段５の出力の瞬時電圧が所定の電圧以上ではスイッチ素子６をオンさせない手段で、ＡＣピーク付近でのスイッチ素子６のオンによるノイズ抑制のために設けている。

図６において、スイッチ素子６がオフ状態の場合に整流手段５の全波整流回路の出力電圧が、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を超えると抵抗Ｒ１を介してツェナー電流が流れ始め、さらに電圧が上昇して所定電圧ＶＯＮに達するとツェナー電流が増加し、その電流によりトランジスタＴｒ１がオンとなる。すると、スイッチ素子６のゲートがグランドに接続されるため、スイッチ素子６にゲート電流が流れなくなり、スイッチ素子６はオンとなれなくなるものである。すなわち、スイッチ素子６をオフ状態からオン状態にできるのは、整流手段５による全波整流回路の電圧が電圧ＶＯＮ以下の範囲だけとなる。

図９において、通常は、Ｃ１時点のように、平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕが所定電圧ＶＬまで低下した時点で、スイッチ素子６をオン、トランジスタＴｒ３をオフとして平滑コンデンサＣに充電を開始し、Ｃ２時点で充電が完了すると、トランジスタＴｒ３を再びオンとして充電を停止し、スイッチ素子６もトランジスタＴｒ２をオンとすることにより、Ｃ２時点でゲート電流を流さなくしているので保持電流がなくなるＣ３時点でオフにしている。

次に、Ｃ４時点で、平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕが電圧ＶＬまで低下した場合には、全波整流回路の出力がＶＯＮ以上であり、トランジスタＴｒ１がオン状態であるためゲート電流が流れず、スイッチ素子６はオフになれない。次に、Ｃ５時点で全波整流回路の出力がＶＯＮ以下となってトランジスタＴｒ１がオフになると初めてスイッチ素子６がオンとなる。すなわち、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２が同時にオフする期間でのみ、スイッチ素子６のオンの開始が可能であり、図９においては、Ｃ１時点からＣ６時点までと、Ｃ５時点からＣ７時点でのみスイッチ素子６のオンの開始が可能になるようにしている。

しかし、このような従来の制御回路構成では、図９において、全波整流回路出力のＣ８時点からＣ５時点までの間に負荷電流の大きいポンプモータ９ｂを駆動した場合、モータ電流により平滑コンデンサＣの電圧が急速に低下する。この間はゲートオフ手段７によってスイッチ素子６はオフとなっているので、電圧ＶＬを大きく下回ってもＣ５時点が来るまでは、平滑コンデンサＣに充電されない構成となっている。平滑コンデンサＣの電圧が大きく低下すると制御回路１０の電源電圧に影響し、リセットの可能性など不具合が生じる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直流電源の平滑コンデンサの電圧が大きく低下することを防止することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、出湯スイッチより前に操作するロック解除キーの入力を受付ることでスイッチ素子をオンさせるように制御する制御回路を備えた電気湯沸かし器とするものである。これにより、負荷電流の大きいポンプモータを駆動する前に予めスイッチ素子をオンしておくので、平滑コンデンサの電圧Ｖｕが電圧ＶＬを下回った時点で、すぐに充電動作に入れ、電圧Ｖｕが大きく低下することによる不都合を解消することができる。

本発明の電機湯沸かし器によれば、負荷電流の大きいポンプモータを駆動する前に予めスイッチ素子をオンしておくので、直流電源のコンデンサ電圧が大きく低下することを防止することができる。

本発明の請求項１記載の発明は、液体を収容する容器と、前記容器の液体を排出するポンプと、商用電源を整流する整流手段と、前記整流手段により整流された電流を二次側の回路にオンオフ通電するスイッチ素子と、前記スイッチ素子から供給される電圧をコンデンサにより平滑した直流電源と、前記整流手段の出力の瞬時電圧が所定の電圧以上では前記スイッチ素子をオンさせない手段と、出湯スイッチにより前記直流電源の電圧が供給されるポンプモータと、前記容器の液体を排出するため前記出湯スイッチより前に操作するロック解除キーと、前記ロック解除キーの入力を受付けることで前記スイッチ素子をオンさせるように制御する制御回路を備えた電気湯沸かし器とするものである。

また、本発明の請求項２記載の発明は、液体を収容する容器と、前記容器の液体を排出するポンプと、前記容器の液体を保温する保温ヒータと、商用電源を整流する整流手段と、前記整流手段により整流された電流を二次側の回路にオンオフ通電するスイッチ素子と、前記整流手段の出力の瞬時電圧が所定の電圧以上では前記スイッチ素子をオンさせない手段と、出湯スイッチにより前記直流電源の電圧が供給されるポンプモータと、前記容器の液体を排出するため前記出湯スイッチより前に操作するロック解除キーと、前記ロック解除キーの入力を受付けることで前記スイッチ素子をオンさせるように制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記ロック解除キーの受付から前記ポンプモータの起動までの期間、前記保温ヒータへのオン通電を行わない電気湯沸かし器とするものである。

さらに、本発明の請求項３記載の発明は、液体を収容する容器と、前記容器の液体を排出するポンプと、前記容器の液体を保温する保温ヒータと、商用電源を整流する整流手段と、前記整流手段により整流された電流を二次側の回路にオンオフ通電するスイッチ素子と、前記整流手段の出力の瞬時電圧が所定の電圧以上では前記スイッチ素子をオンさせない手段と、出湯スイッチにより前記直流電源の電圧が供給されるポンプモータと、前記容器の液体を排出するため前記出湯スイッチより前に操作するロック解除キーと、前記ロック解除キーの入力を受付けることで前記スイッチ素子をオンさせるように制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記ロック解除キーの受付からポンプモータの起動までの期間と、その期間終了から時間Ｔ後までの間、前記保温ヒータへのオン通電を行わない電気湯沸かし器とするものである。

このように、制御回路によって、ロック解除キーの入力を受付けにより、スイッチ素子をオンさせるように制御するので、負荷電流の大きいポンプモータを駆動する前に予めスイッチ素子をオンすることができ、平滑コンデンサの電圧Ｖｕが電圧ＶＬを下回った時点で、すぐに充電動作に入れ、電圧Ｖｕが大きく低下することによる不都合を解消することができる。

また、制御回路によって、ロック解除キーの受付からポンプモータの起動までの期間、保温ヒータへのオン通電を行わないので、保温ヒータへの通電を必要最小限にすることができる。さらに、制御回路によって、ロック解除キーの受付からポンプモータの起動までの期間と、その期間終了から時間Ｔ後までの間、保温ヒータへのオン通電を行わないので、保温ヒータへの通電をさらに低減にすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、前述の従来例について説明した構成部分と同じ部分については同一符号を付しその説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態の構成を示す回路ブロック図であり、同図において、１１は容器１の液体を排出するため出湯スイッチ９ｃより前に操作するロック解除キーである。図２は保温時における本実施の形態の動作を示すタイミングチャートである。

図２において、平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕは、まず、Ｄ１時点で所定電圧ＶＬを下回ると、電圧Ｖｕを抵抗Ｒ７と抵抗Ｒ８で分割したオペアンプＩＣへの正の入力（＋）は、一定電圧が入力されている負の基準電圧入力（−）を下回り、オペアンプＩＣの出力はＬＯＷとなる。オペアンプＩＣの出力がＬＯＷとなるとトランジスタＴｒ２とトランジスタＴｒ３へのベース電流の供給が停止し、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ３はオフとなる。トランジスタＴｒ２がオフとなることにより、スイッチ素子６にゲート電流が供給され、スイッチ素子６はＤ１時点でオンとなり、ダイオードＤ５を介して平滑コンデンサＣに充電が開始される。

次に、Ｄ２時点で電圧Ｖｕが所定電圧ＶＨを上回ると、電圧Ｖｕを抵抗Ｒ７と抵抗Ｒ８で分割して得たオペアンプＩＣへの正の入力（＋）は、一定電圧が入力されている負の基準電圧入力（−）を上回り、オペアンプＩＣ出力はＨＩＧＨとなる。このとき、オペアンプＩＣの出力に接続された抵抗Ｒ６の働きで、電圧Ｖｕを分割しているオペアンプＩＣへの正の入力（＋）は、ヒステリシスを持った動作になっている。オペアンプＩＣの出力がＨＩＧＨとなるとトランジスタＴｒ２とＴｒ３はオンとなる。トランジスタＴｒ３のオンにより、平滑コンデンサＣへの充電は停止される。トランジスタＴｒ２のオンによりスイッチ素子６のゲート電流は供給されていないため、この状態が継続すれば全波整流回路出力の電圧がゼロボルトとなるＤ３時点でスイッチ素子６はオフとなる。

ここで、使用者が容器１の液体を排出するためにＤ４時点でロック解除キー１１を押すと、制御回路１０は保温ヒータオン信号をＬＯＷ出力し、負荷を検知する。そうすると、トランジスタＴｒ２のベース−エミッタ間の電位差が０となり、トランジスタＴｒ２はオフする。トランジスタＴｒ２のオフによりＤ３時点でもスイッチ素子６のゲート電流が供給されるため、スイッチ素子６は引き続きオンする。この場合Ｄ２時点からＤ５時点のようにトランジスタＴｒ３がオンしている期間は、平滑コンデンサＣへの充電路はバイパスされ、商用電源は保温ヒータ４ａのみの電力消費に使われる。

次に、Ｄ６時点で使用者がスイッチ９ｃを閉じて、ポンプモータ９ｂが駆動されると、Ｄ７時点より放電状態である平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕは、モータの負荷電流が付加されることにより、Ｄ６時点より急速な放電が行われ、Ｄ８時点の電圧ＶＬまで低下する。ここでスイッチ素子６は保温ヒータオン信号出力により継続オン状態であるので、トランジスタＴｒ３をオフすることですぐに平滑コンデンサＣの充電が行えるものである。以後は、ポンプモータ９ｂが駆動されている間はＤ８時点からＤ９時点およびＤ９時点からＤ１０時点と同じ時定数による充放電が繰り返される。その後、使用者がスイッチ９ｂを開き、ロック解除キー１１を再び押すと、制御回路１０は保温ヒータオン信号の出力を停止する。以後、トランジスタＴｒ２はオペアンプＩＣの出力により制御される。

ここで、ロック解除キー１１の入力により制御回路１０が保温ヒータオン信号を出力しない場合を考えると、図３において、Ｅ１時点でポンプモータ９ｂが駆動されると、その負荷電流により平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕは急速に放電されＥ２時点で電圧ＶＬを下回る。しかし、Ｅ３時点でスイッチ素子６はオフしており、Ｅ２時点でゲートオフ手段７のトランジスタＴｒ１はオン状態であるため、スイッチ素子６はＥ２時点ではオンできない。その結果スイッチ素子６がオンできるＥ４時点まで平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕは電圧Ｖｍｉｎまで低下してしまうことになる。電圧Ｖｍｉｎが制御回路１０のリセット電圧を下回ることになれば、制御回路１０は制御動作の停止という不具合を起こす。

（実施の形態２）
図４において、モータオンモニター手段１２の出力電圧は、出湯スイッチ９ｃを開いているときは、抵抗Ｒ１５がグランドに接続されているため０Ｖであり、出湯スイッチ９ｃが閉じられているときは、電圧Ｖｕを抵抗Ｒ１４と抵抗Ｒ１５により分圧した電圧、約５Ｖになる。本実施の形態の特徴とするところは、モータオンモニター手段１２の信号を制御回路１０が受付けると、保温ヒータオン信号を出力する構成としたものである。

このように、モータオンモニター手段１２の信号により保温ヒータオン信号を出力する構成にすると、ポンプモータ９ｂの起動と同時にスイッチ素子６のオンを指示するため、実施の形態１におけるロック解除キー１１の受付けからポンプモータ９ｂの起動までの期間、スイッチ素子６とトランジスタＴｒ３のオンによる保温ヒータ４ａの通電を行わないため、不要な電力を低減できるものである。

このように実施の形態２では、モータオンモニター手段１２の出力信号を受付けると保温ヒータオン信号の出力を行うよう制御することで、ポンプモータ９ｂの起動と同時にスイッチ素子６のオンを指示するため、平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕが電圧ＶＬを下回った時点で充電動作に入るまでの時間が短縮され、電圧Ｖｕが大きく低下することを防止できることに加え、保温ヒータ４ｂへの通電時間を大きく短縮し、不要な電力を低減できるものである。

（実施の形態３）
本実施の形態の特徴とするところは図５に示すように、制御回路１０により、ロック解除キー１１の受付けにより保温ヒータオン信号の出力を行い、ポンプモータ９ｂ起動時に出力されるモータオンモニター手段１２の信号を受付てから時間Ｔ後に保温ヒータオン信号の出力停止を行う構成にしたものである。

このようにモータオンモニター手段１２の信号を受付けてから時間Ｔ後に保温ヒータオン信号の出力停止を行うことにより、起動電流が大きく安定時との電流差が大きいようなポンプモータを使用する場合に、起動電流による平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕの低下を予めスイッチ素子６のオンにより防止し、安定時の負荷電流が流れる期間は、スイッチ素子６の制御をオペアンプＩＣの出力にまかせることができる。本実施の形態ではＴ＝１００ｍｓとしている。これにより、平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕが電圧ＶＬ以上の期間にスイッチ素子６とトランジスタＴｒ３のオンによる保温ヒータ４ａの通電を行わないため、不要な電力を低減できるものである。

このように、実施の形態３では、ロック解除キー１１の入力を受け付けると保温ヒータオン信号の出力を行い、その後、モータオンモニター手段１２の出力信号を受け付けてから所定時間後に、保温ヒータオン信号を出力停止するため、最大負荷電流であるポンプモータ９ｂの起動電流による平滑コンデンサＣの電圧Ｖｕの低下を防止できることに加え、保温ヒータ４ｂへの通電時間を減らし、不要な電力を低減できるものである。

以上のように、本発明に係る電機湯沸かし器は、負荷電流の大きいポンプモータを駆動する前に予めスイッチ素子をオンしておくので、直流電源のコンデンサ電圧が大きく低下することを防止することができ、負荷電流の大きい負荷を直流電源から供給する回路構成を有するものに適用することができる。

本発明の実施の形態１の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１における電源回路の動作を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態１における電源回路の電圧低下の動作を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態２の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３における電源回路の動作を示すタイミングチャート 従来例の構成を示すブロック図 従来例における電源回路の動作を示すタイミングチャート 従来例における保温動作を示すタイミングチャート 従来例におけるノイズ抑制動作を示すタイミングチャート

符号の説明

１ 容器
４ｂ 保温ヒータ
５ 整流手段
６ スイッチ素子
７ ゲートオフ手段
８ 直流電源
９ｂ ポンプモータ
９ｃ 出湯スイッチ
１０ 制御回路
１１ ロック解除キー

Claims (3)

1. 液体を収容する容器と、前記容器の液体を排出するポンプと、商用電源を整流する整流手段と、前記整流手段により整流された電流を二次側の回路にオンオフ通電するスイッチ素子と、前記スイッチ素子から供給される電圧をコンデンサにより平滑した直流電源と、前記整流手段の出力の瞬時電圧が所定の電圧以上では前記スイッチ素子をオンさせない手段と、出湯スイッチにより前記直流電源の電圧が供給されるポンプモータと、前記容器の液体を排出するため前記出湯スイッチより前に操作するロック解除キーと、前記ロック解除キーの入力を受付ることで前記スイッチ素子をオンさせるように制御する制御回路を備えた電気湯沸かし器。
2. 液体を収容する容器と、前記容器の液体を排出するポンプと、前記容器の液体を保温する保温ヒータと、商用電源を整流する整流手段と、前記整流手段により整流された電流を二次側の回路にオンオフ通電するスイッチ素子と、前記整流手段の出力の瞬時電圧が所定の電圧以上では前記スイッチ素子をオンさせない手段と、出湯スイッチにより前記直流電源の電圧が供給されるポンプモータと、前記容器の液体を排出するため前記出湯スイッチより前に操作するロック解除キーと、前記ロック解除キーの入力を受付ることで前記スイッチ素子をオンさせるように制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記ロック解除キーの受付から前記ポンプモータの起動までの期間、前記保温ヒータへのオン通電を行わない電気湯沸かし器。
3. 液体を収容する容器と、前記容器の液体を排出するポンプと、前記容器の液体を保温する保温ヒータと、商用電源を整流する整流手段と、前記整流手段により整流された電流を二次側の回路にオンオフ通電するスイッチ素子と、前記整流手段の出力の瞬時電圧が所定の電圧以上では前記スイッチ素子をオンさせない手段と、出湯スイッチにより前記直流電源の電圧が供給されるポンプモータと、前記容器の液体を排出するため前記出湯スイッチより前に操作するロック解除キーと、前記ロック解除キーの入力を受付ることで前記スイッチ素子をオンさせるように制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記ロック解除キーの受付からポンプモータの起動までの期間と、その期間終了から時間Ｔ後までの間、前記保温ヒータへのオン通電を行わない電気湯沸かし器。

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