JP4685710B2 - 電気湯沸かし器 - Google Patents

Description

本発明は、電気湯沸かし器、特に、電源として電池を利用でき、収容した液体を吐出させる際、複数のモードから選択可能である電気湯沸かし器に関するものである。

従来、電気湯沸かし器には、内部に収容した液体を吐出させる場合、電動ポンプを駆動するようにしたものがある。そして、電動ポンプの駆動には、家庭用交流電源ではなく、内蔵する電池（例えば、乾電池）を利用するようにしたものもある。

このように、電池を利用して電動ポンプを駆動させる場合、例えば、次のような構成により電動ポンプへの印加電圧を調整するようにしている。すなわち、特許文献１では、交流電源が供給されていないコードレスで、一次電池からの供給電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより５Ｖまで昇圧し、マイクロコンピュータとポンプとを駆動するようにした構成が開示されている。また、特許文献２では、マイクロコンピュータにより電池からの供給電圧を昇圧回路で１２Vまで昇圧し、電動ポンプを駆動するようにした構成が開示されている。

特開平９−１８７３７９号公報 特開２０００−１７５８２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、一定の出力電圧しか得ることができない。このため、不要な昇圧が行われ、無駄に電力消費されることになる。また、特許文献２に記載の構成では、マイクロコンピュータが動作していない場合の消費電力抑制のために、別途、保護回路を設ける必要があり、回路構成が複雑化し、コストアップを招来するという問題がある。また、マイクロコンピュータとコイル制御用トランジスタ制御回路とが分かれており、昇圧電源の出力電圧への反応が送れるという問題もある。

そこで、本発明は、電池からの供給電圧を、昇圧手段により、動作モードに応じた適切な電圧値まで昇圧し、電池の消費電力を抑制することができ、昇圧電源の出力電圧変動に素早く反応することのできる電気湯沸かし器を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、
電気湯沸かし器を、
液体が収容される内容器と、
前記内容器に収容された液体を外部に吐出させるための電動ポンプと、
入力されるパルス信号のデューティー比に基づいて、電池から印加される電圧の昇圧値を変化させるためのスイッチング素子を備え、該スイッチング素子により昇圧した電圧を前記電動ポンプに印加するための昇圧手段と、
前記昇圧手段で昇圧され、前記電動ポンプに印加される電圧値を検出するための電圧検出手段と、
動作モードに応じた、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比の初期値、及び、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比のオン幅の最大変化量を記憶する記憶手段と、
前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて前記昇圧手段を駆動制御することにより、前記電動ポンプへの印加電圧を調整する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記電圧検出手段で検出される電圧値と、昇圧電圧の期待値との差に基づいて、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比を補正し、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて決定されるオン幅と、動作モードに応じた前記初期値のオン幅との差が、前記記憶手段に記憶した最大変化量を超える場合、変更させるオン幅の補正値を、前記最大変化量とする構成としたものである。

この構成により、電動ポンプへの印加電圧が、そこに印加される電圧値を、直接、電圧検出手段で検出し、その検出結果に基づいて昇圧手段を駆動制御することにより調整されるので、正確に所望の値とすることができる。これにより、電動ポンプを良好で無駄のない状態で駆動することができ、内容器内の液体をスムーズに吐出させることが可能となる。また、電圧検出手段で電動ポンプに印加される電圧値を検出する前に、予め動作モードに応じて設定した適切な電圧値に基づいて電動ポンプを駆動制御することができるので、当初から無駄な制御が不要となり、電池の消費電力が抑制され、その寿命を長くすることが可能となる。さらに、種々の要因により、記憶手段に記憶した初期値では得られなかった、実際に、電圧検出手段で検出される電圧値を、昇圧電圧の期待値に調整することができ、電動ポンプを適切に駆動させることが可能となる。さらにまた、電動ポンプに印加される電圧値が急激に変更されることを防止し、安定した動作状態を確保することが可能となる。

前記記憶手段は、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比のオン幅の最大値を記憶し、前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて決定されるオン幅が、前記記憶部に記憶させた最大値を超える場合、パルス信号の周波数が大きくなるように補正するのが好ましい。

また、前記記憶手段は、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比のオン幅の最小値を記憶し、前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて決定されるオン幅が、前記記憶部に記憶させた最小値未満である場合、パルス信号の周波数が小さくなるように補正するのが好ましい。

これらの構成により、スイッチング素子に入力されるパルス信号が、オン状態のまま、あるいは、オフ状態のままとなることがなく、オン・オフが周期的に繰り返される安定した入力とすることができ、スイッチング素子の動作状態を良好なものとすることが可能となる。

前記記憶手段は初期動作時間をさらに記憶し、前記制御手段は、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のオン幅を変更する場合、前記記憶手段に記憶した初期動作時間の経過後に行わせるのが好ましい。

この構成により、スイッチング素子の動作状態が急激に変化することを防止することができ、昇圧手段による電池からの電圧の昇圧を安定させることが可能となる。

前記制御手段は、前記記憶手段を内蔵するマイクロコンピュータを使用することができる。また、記憶手段は、外部記憶装置とすることも可能である。例えば、電気湯沸かし器をネットワーク接続し、外部のサーバ（ホームサーバ）のハードディスクを、前記記憶手段として機能させるようにしてもよい。

前記電池からの印加電圧を降圧するための降圧手段と、前記電池から前記制御手段に電圧を、直接印加するか、あるいは、前記降圧手段を介して降圧させた後、間接的に印加するかを切り替えるための切替手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記動作モードが電動ポンプの停止モードである場合、前記切替手段により、前記電池からの印加電圧が直接入力されるようにし、他の動作モードである場合、前記降圧手段を介して印加電圧を変換した後、間接的に入力されるようにするのが好ましい。

この構成により、電池からの電圧を、電動ポンプを駆動する場合と駆動しない場合とで、電動ポンプに必要な電圧値、あるいは、制御手段等の他の機器で必要な電圧値とすることできる。したがって、電動ポンプを駆動しない場合の消費電力を抑えて電池寿命を長くすることが可能となる。

本発明によれば、電圧検出手段によって電動ポンプへの印加電圧を、直接、検出した結果に基づいて昇圧手段を駆動制御し、電動ポンプへの印加電圧を調整するようにしたので、従来に比べて内容器内の液体をスムーズに吐出させることができる。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。

図１は、本実施形態に係る電気湯沸かし器の概略を示す。この電気湯沸かし器は、容器本体１と、その上部に回動可能に取り付けた蓋体２とからなる周知のものである。

容器本体１は、外装体３の内部に内容器４を一体化した構造をしている。内容器４の底面にはヒータ５が設けられている。外装体３と内容器４との間には真空ジャケットが配置されている。真空ジャケットは、交流電源から遮断してヒータ５による加熱を停止したとしても、内容器４内のお湯の温度低下を防止し、所定時間の間は有効な温度（例えば、９０℃）に維持する。また真空ジャケットと外装体３との間には、後述する電源回路が形成された制御基板６と、給湯用の電動ポンプ７とが設けられている。電動ポンプ７には、昇圧電圧検出回路８が設けられ、電動ポンプ７に印加される電圧値が検出されるようになっている。外装体３には、制御基板６に接続された電池ケース９が着脱可能に設けられている。電池ケース９には、電池１０（ここでは、乾電池）が収容されている。乾電池に代えて、充電式のバッテリー等、他の電池を使用することも可能である。

蓋体２には、上部外面に表示パネル１１が設けられている。表示パネル１１の背後には、制御基板６に接続された表示基板１２が設けられている。表示基板１２には、給湯スイッチ、ロック解除スイッチ、再沸騰スイッチ、保温温度設定スイッチ、モード選択スイッチ等の各種スイッチ１３、温度表示用の液晶パネル１４、動作表示用のＬＥＤ１５等が設けられている。

前記制御基板６に形成される電源回路では、図２に示すように、電池１０からの電圧（ここでは、３V）を、コイルL、コイル駆動用素子E、ダイオードD及びコンデンサCからなるステップアップ・コンバータ１６で昇圧（ここでは、１２V）し、電動ポンプ７に印加するようになっている。但し、交流電源については省略してある。後述する吐出制御では、電池１０からの供給電力により電動ポンプ７を駆動する点のみを記載する。なお、図２では、ステップアップ・コンバータ１６を使用する例を示したが、これに代えてチャージポンプを使用することも可能である。

コイル駆動用素子はMOS FET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）からなり、ここでは、NチャンネルＦＥＴが使用されている。コイル駆動用素子のゲートにはマイクロコンピュータ１７のPWM（Pulse Width Modulation）出力ポートが接続されている。なお、チャージポンプの場合、トランジスタ等、電池１０及びコンデンサによる電力供給の方法を切り替える素子が該当する。

マイクロコンピュータ１７には、電池１０からの電圧が、ステップアップ・コンバータ１６からスイッチSWを介して直接印加されるか、あるいは、５Ｖ電源回路１８を介して間接的に印加される。５Ｖ電源回路１８は、ステップアップ・コンバータ１６で昇圧した、通常吐出するための電動ポンプ７の駆動に適した電圧値（ここでは、１２V）を、マイクロコンピュータ１７の使用に適した電圧値（ここでは、５V）に変換する。またマイクロコンピュータ１７には、電動ポンプ７に印加される電圧値が、昇圧電圧検出回路８から入力されるＡＤ（Analog Digital）入力ポートや、各種スイッチ１３からの信号が入力される入力ポート、電動モータの駆動状態が入力される入力ポートがそれぞれ設けられている。マイクロコンピュータ１７は、ＡＤ入力ポートから入力される電圧値や、他の入力ポートから入力される、選択された動作モード等の情報に基づいてコイル駆動用素子Eに制御信号を出力する。

次に、前記構成からなる電気湯沸かし器の動作について説明する。ここでは、湯沸かし制御については、本発明の特徴部分とは直接関係しないため、その説明を省略し、以下、交流電源からの電力の供給を遮断し、内蔵する電池１０によってのみ給湯する場合、及び、液晶パネル１４に温度を表示したり、ＬＥＤ１５を点灯させたりする場合の制御について説明する。

すなわち、図３のフローチャートに示すように、動作モードの判断を行う（ステップＳ１）。そして、判断された動作モードに応じて、マイクロコンピュータ１７の記憶部に記憶させた表１に示すデータテーブルから該当するデータを読み込む（ステップＳ２）。例えば、ロック解除スイッチが操作され、給湯の準備ができたことを示すためにＬＥＤが点灯されれば、表１から状態２のデータを読み込む。また、ロック解除スイッチが操作されてから所定時間内に給湯スイッチが操作されれば、状態３のデータを読み込む。さらに、前記いずれの操作もされておらず、液晶パネル１４に内容器４内の液体の温度が表示されれば、状態１のデータを読み込む。

続いて、ＰＷＭポートからコイル駆動用素子に、動作モードの違いに応じて読み込まれたパルス信号を出力する（ステップＳ３）。具体的には、変化初期固定幅（１周期当たりのオン信号の出力時間：特許請求の範囲では初期値と記載）、周波数（ここでは全て１００ｋＨｚ：１周期の幅１０μs）のパルス信号を出力する（デューティー比は、状態１では０.４５、状態２では０.６、状態３では０.７５となる。）。これにより、このパルス信号の出力に基づいてコイル駆動用素子が駆動し、ステップアップ・コンバータ１６で電池１０からの供給電圧が昇圧される。前記パルス信号によれば、昇圧電圧値（期待値）まで昇圧される設定となっている。

前記パルス信号のコイル駆動用素子への出力は、表１の変化初期動作時間の間、続行する（ステップS４）。状態３の給湯の場合、変化初期動作時間を長く設定している（５０ms）。電動ポンプ７は起動に大電流を要し、安定するまでに時間がかかるためである。なお、状態１及び２では、状態３の場合のような大電流は不要であるので、変化初期動作時間は２０msと短く設定している。

このように、前記実施形態では、パルス幅負荷変動に対する応答性が極めて向上する。これは、マイクロコンピュータでコイル駆動用素子を直接制御し、動作モードが変更された場合であっても、その動作モードに必要とされる出力電圧を予め予測し、昇圧動作を行わせることができるからである。従来のように、マイクロコンピュータで昇圧電圧を直接調整できない構成であれば、一旦、動作モードを変更し、実際に動作させ、昇圧電圧の変動に対して反応するため、昇圧電圧が一定になるのに時間がかかる。

前記変化初期動作時間が経過すれば、昇圧電圧検出回路８で検出される電動ポンプ７への印加電圧に基づいてパルス信号の補正を行う（ステップS５）。

パルス信号の補正では、検出電圧が期待値に合致しているか否かを判断する（ステップS６）。合致していれば、給湯スイッチ１３が操作されている限り、動作モードに応じて設定したパルス信号をコイル駆動用素子に入力して電動ポンプ７を駆動する（ステップＳ７）。

検出電圧が期待値に合致しない場合（大きい場合、あるいは、小さい場合）、その差を算出し（ステップS８）、算出された値がどの範囲に属するのかを判断する（ステップS９）。そして、属する範囲に応じて補正値を決定する（ステップS１０）。なお、この範囲は、実験等から得られる経験値で決定すればよい。

ところで、前記パルス信号の補正では、補正値が表１の最大変化幅を超えていれば（ステップＳ１１）、一度に補正するのではなく、最大変化幅だけ補正し（ステップＳ１２）、再度、変化初期動作時間が経過するまで待機し、前記同様の処理を繰り返す。これにより、コイル駆動用素子の駆動が大きく変動し、一度に昇圧電圧値が大きく変化する恐れがなくなり、安定した制御を行うことが可能となる。

また、前述のようにしてパルス信号の補正を行うと、オン幅が大きくなり、表１の最大幅である８.０μsを超えたり、最小幅である６.０μs未満となったりすることも想定される。この場合、コイル駆動用素子への入力のオン時間が長くなり過ぎたり、逆に短くできなかったりすることになり好ましくない。

そこで、オン幅が最大値を超える場合、あるいは、最小値未満となる場合に該当するか否かを判断し（ステップＳ１３）、該当する場合には周波数を変化させる（ステップＳ１４）。オン幅が最大値を超える場合、周波数を大きくしてオン状態の継続時間を短くする。またオン幅が最小値未満である場合、周波数を小さくしてオン状態が継続される時間を確保する。

また、動作モードが状態３の場合、ステップアップ・コンバータ１６で１２Vまで昇圧しているので、そのままではマイクロコンピュータ１７の駆動には使用できない。そこで、５Ｖ電源回路１８にて５Vまで降圧する。また、動作モードが状態１及び２の場合、電動ポンプ７を駆動するための１２Vは必要がなく、前述の通りステップアップ・コンバータ１６で５Vに昇圧されるだけである。この場合、スイッチSWをオン状態とし、５Ｖ電源回路１８で降圧させることなく、そのままマイクロコンピュータ１７のＡＤ入力ポートに入力する。これにより、１２Ｖまで昇圧する場合に比べて電力消費を抑えることができ、電池１０の長寿命化が可能となる。また、単一の電池１０で、ポンプとマイクロコンピュータ１７の両方の駆動が可能となる。

なお、前記実施形態では、昇圧電圧値を５Vとする場合について、液晶パネル１４に温度を表示させる場合と、ＬＥＤを点灯させる場合とについて説明したが、例えば、図示しない吐出モード選択スイッチ１３により間欠的に給湯するドリップモードを選択した場合であっても、前記同様に、コイル駆動用素子に入力するパルス信号を制御して昇圧電圧値を抑制するようにすればよい。

本実施形態に係る電気湯沸かし器の概略を示す図である。 図１の制御基板に形成される電気回路を示す図である。 図１の制御基板に実装されるマイクロコンピュータによる制御内容を示すフローチャート図である。 図３のパルス信号補正処理の内容を示すフローチャート図である。

符号の説明

１…容器本体
２…蓋体
３…外装体
４…内容器
５…ヒータ
６…制御基板
７…電動ポンプ
８…昇圧電圧検出回路（電圧検出手段）
９…電池ケース
１０…電池
１１…表示パネル
１２…表示基板
１３…スイッチ
１４…液晶パネル
１５…ＬＥＤ
１６…ステップアップ・コンバータ（昇圧手段）
１７…マイクロコンピュータ（制御手段）
１８…５Ｖ電源回路

Claims (6)

1. 液体が収容される内容器と、
   前記内容器に収容された液体を外部に吐出させるための電動ポンプと、
   入力されるパルス信号のデューティー比に基づいて、電池から印加される電圧の昇圧値を変化させるためのスイッチング素子を備え、該スイッチング素子により昇圧した電圧を前記電動ポンプに印加するための昇圧手段と、
   前記昇圧手段で昇圧され、前記電動ポンプに印加される電圧値を検出するための電圧検出手段と、
   動作モードに応じた、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比の初期値、及び、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比のオン幅の最大変化量を記憶する記憶手段と、
   前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて前記昇圧手段を駆動制御することにより、前記電動ポンプへの印加電圧を調整する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段で検出される電圧値と、昇圧電圧の期待値との差に基づいて、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比を補正し、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて決定されるオン幅と、動作モードに応じた前記初期値のオン幅との差が、前記記憶手段に記憶した最大変化量を超える場合、変更させるオン幅の補正値を、前記最大変化量とすることを特徴とする電気湯沸かし器。
2. 前記記憶手段は、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比のオン幅の最大値を記憶し、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて決定されるオン幅が、前記記憶部に記憶させた最大値を超える場合、パルス信号の周波数が大きくなるように補正することを特徴とする請求項１に記載の電気湯沸かし器。
3. 前記記憶手段は、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のデューティー比のオン幅の最小値を記憶し、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて決定されるオン幅が、前記記憶部に記憶させた最小値未満である場合、パルス信号の周波数が小さくなるように補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気湯沸かし器。
4. 前記記憶手段は初期動作時間をさらに記憶し、
   前記制御手段は、前記スイッチング素子に入力するパルス信号のオン幅を変更する場合、前記記憶手段に記憶した初期動作時間の経過後に行わせることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気湯沸かし器。
5. 前記制御手段は、前記記憶手段を内蔵するマイクロコンピュータであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電気湯沸かし器。
6. 前記電池からの印加電圧を降圧するための降圧手段と、
   前記電池から前記制御手段に電圧を、直接印加するか、あるいは、前記降圧手段を介して降圧させた後、間接的に印加するかを切り替えるための切替手段と、
   をさらに備え、
   前記制御手段は、前記動作モードが電動ポンプの停止モードである場合、前記切替手段により、前記電池からの印加電圧が直接入力されるようにし、他の動作モードである場合、前記降圧手段を介して印加電圧を変換した後、間接的に入力されるようにしたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電気湯沸かし器。

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