(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的な加熱素子の温度を測定する温度センサからの信号を用いて容器中の液体を選択可能な温度に加熱する前記加熱素子の加熱を制御するに当たり、
最初の温度測定を行うステップと、
前記加熱素子を第１の予め設定された期間中加熱するステップと、
前記加熱素子を第２の予め設定された期間中加熱を休止するとともにセンサの温度測定を周期的に行うステップと、
前記液体が選択温度に到達するために前記加熱素子を加熱する別の期間中を前記温度測定から決定するステップと、
前記加熱素子を前記別の期間中加熱するステップとを具えることを特徴とする加熱素子の加熱制御方法。
【請求項２】
前記別の期間を決定するステップが、前記最初の温度測定から最初の液温を見積もるステップと、前記第１の予め設定された期間中の加熱によって到達した液温を周期的な温度測定から見積もるステップと、前記第１の予め設定された期間中の加熱によって前記液体の次の温度上昇を計算するステップと、前記温度上昇から前記液体の量を見積もるステップとを有することを特徴とする請求の範囲１記載の加熱素子の加熱制御方法。
【請求項３】
前記到達した液温を、最小２乗法によって前記周期的な温度測定から見積もることを特徴とする請求の範囲２記載の加熱素子の加熱制御方法。
【請求項４】
前記別の期間を決定するステップが、見積もられた水の量及び前記加熱素子を選択温度まで上昇させるのに要求されるエネルギーを計算するステップを有することを特徴とする請求の範囲２又は３記載の加熱素子の制御方法。
【請求項５】
前記容器中の液体が前記選択温度に到達するまでの残り時間を表示するステップを更に具えることを特徴とする請求の範囲１から４のうちのいずれか１項に記載の加熱素子の加熱制御方法。
【請求項６】
前記別の期間後前記加熱素子を周期的に加熱して、前記容器中の液体を前記選択温度に維持する追加のステップを更に具えることを特徴とする請求の範囲１から５のうちのいずれか１項に記載の加熱素子の加熱制御方法。
【請求項７】
液体を電気的に加熱する液体加熱容器であって、電気的な加熱素子と、前記容器中の液体を加熱すべき温度を選択する温度セレクタと、前記加熱素子の温度を検知する温度センサとを具え、前記容器を、請求の範囲１から６のうちのいずれか１項の方法によって制御するようにしたことを特徴とする液体加熱容器。
【請求項８】
液体を電気的に加熱する液体加熱容器であって、電気的な加熱素子と、前記加熱素子の加熱を制御する手段と、前記容器中の液体を加熱すべき温度を選択する温度セレクタと、前記加熱素子の温度を検知する温度センサと、演算手段とを具え、前記制御手段が、加熱サイクルを予め設定された期間中断して、前記加熱素子の冷却期間を提供する手段を具え、前記演算手段が、前記冷却期間中温度検知信号を受信するとともに、前記液体が前記選択温度に到達するまでの加熱時間を前記温度検知信号から見積もるようにしたことを特徴とする液体加熱容器。
【請求項９】
電気湯沸器を具えることを特徴とする請求の範囲７又は８記載の液体加熱容器。
【発明の詳細な説明】
本発明は、液体加熱容器に関するものであり、より詳細には、このような容器に設けた電気的な加熱素子の制御に関するものである。特に、本発明は、電気湯沸器に関するものであり、より詳細には、ユーザが所望の水温を選択することができる電気湯沸器に関するものである。
湯沸器又はコーヒーメーカ中の水を沸点より低い温度まで加熱できることが好ましいということは既知である。例えば、８０〜９０℃の水温がコーヒーを作るのに最適であると考えられる。国際特許出願公開明細書９５／３４１８８号に記載された電子湯沸器は、水温を沸点より下の温度に維持することができる制御系を有する。国際特許出願公開明細書９５／３４１８８号に記載された容器は、沸騰制御専用であるとともに周辺の特定温度に応答するバイメタルセンサを使用する。
本発明は、所望の温度をユーザによって選択することができるが容器の加熱に関して簡単な熱センサの配置しか必要としない容器を提供することである。
液体加熱容器中の液体の温度の制御を可能にする方法の一つは、容器の中身に対する温度センサを設けることである。しかしながら、外部制御回路から容器本体への電気的な接続が要求されるとともに強固な熱センサが要求されるので、容器の本体内部に温度センサを設けないことが好ましい。例えば、電子湯沸器の場合、プリントされた加熱トラックを有する平坦な加熱素子にシフトしつつある。この技術によって、プリントされた熱センサを加熱トラックに隣接して配置できることが期待される。しかしながら、これら熱センサが容器中の液体の温度に応答すべき場合、熱センサトラックを加熱トラックから離間し又は２セットのトラックを分離する追加の手段を設ける必要がある。したがって、容器中の液体の温度よりはむしろ加熱素子の温度を表す温度測定に基づいて液温の制御を行えるようにすることが望ましい。
例えば、国際特許出願公開明細書９６／２５８６９号は、肉厚の加熱素子を有する電気湯沸器を開示し、この場合、加熱素子トラックの温度を検出する温度センサが設けられ、加熱トラックの温度サンプルを用いて、湯沸器中の水の沸騰が生じるときを決定する。
本発明によれば、電気的な加熱素子の温度を測定する温度センサからの信号を用いて容器中の液体を選択可能な温度に加熱する前記加熱素子の加熱を制御するに当たり、最初の温度測定を行うステップと、前記加熱素子を第１の予め設定された期間中加熱するステップと、前記加熱素子を第２の予め設定された期間中加熱を休止するとともにセンサの温度測定を周期的に行うステップと、前記液体が選択温度に到達するために前記加熱素子を加熱する別の期間中を前記温度測定から決定するステップと、前記加熱素子を前記別の期間中加熱するステップとを具えることを特徴とする加熱素子の加熱制御方法を提供する。
本発明の方法において、加熱素子の加熱は、予め設定された期間中中断され、その期間中の加熱素子の温度応答を解析することによって、容器の中身を選択温度まで加熱するのに必要な次の時間を計算することができる。したがって、本発明は、選択可能な温度を達成することができる加熱素子に隣接する単一温度センサを必要とする方法を提供する。
好適には、前記別の期間を決定するステップが、前記最初の温度測定から最初の液温を見積もるステップと、前記第１の予め設定された期間中の加熱によって到達した液温を周期的な温度測定から見積もるステップと、前記第１の予め設定された期間中の加熱によって前記液体の次の温度上昇を計算するステップと、前記温度上昇から前記液体の量を見積もるステップとを有する。
これら計算は、加熱素子の最初の温度測定が容器中の液体の最初の温度に一致すると仮定し、その最初の温度測定を、加熱素子が所定の期間中加熱されない場合に仮定することができる。
前記到達した液温を、数学的に最適な技術によって前記周期的な温度測定から見積もる。液体の容量及び現在の液温を見積もると、液体及び加熱素子を選択温度まで上昇させるために加熱素子によって供給すべきエネルギーを考察することによって、要求される加熱期間を計算することができる。この方法は、前記容器中の液体が前記選択温度に到達するまでの残り時間を表示するステップを更に具える。
好適には、前記別の期間を決定するステップが、見積もられた水の量及び前記加熱素子を選択温度まで上昇させるのに要求されるエネルギーを計算するステップを有する。
本発明は、液体を電気的に加熱する液体加熱容器であって、電気的な加熱素子と、前記容器中の液体を加熱すべき温度を選択する温度セレクタと、前記加熱素子の温度を検知する温度センサとを具え、前記容器を、本発明の方法によって制御するようにしたことを特徴とする液体加熱容器も提供する。
さらに、本発明は、液体を電気的に加熱する液体加熱容器であって、電気的な加熱素子と、前記加熱素子の加熱を制御する手段と、前記容器中の液体を加熱すべき温度を選択する温度セレクタと、前記加熱素子の温度を検知する温度センサと、演算手段とを具え、前記制御手段が、加熱サイクルを予め設定された期間中断して、前記加熱素子の冷却期間を提供する手段を具え、前記演算手段が、前記冷却期間中温度検知信号を受信するとともに、前記液体が前記選択温度に到達するまでの加熱時間を前記温度検知信号から見積もるようにしたことを特徴とする液体加熱容器も提供する。
好適には、容器は電気湯沸器を具える。
本発明を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の容器で使用するのに適切な加熱素子を示す。
図２は、本発明の方法によって制御される加熱素子及び容器中の液体の加熱応答を示すグラフである。
図３は、本発明によって適合した電気湯沸器を示す。
図１は、本発明によって加熱される容器で用いることができる加熱素子を示す。加熱素子２は、絶縁層を設けた基板と、絶縁層上に設けられた電気抵抗性を有する加熱トラック４とを具える。図１に示した例において、２個の接触端子６間に延在する単一加熱トラックを設ける。抵抗トラック８の形態の熱センサも絶縁層上に設け、それは２個のセンサ端子１０間に延在する。熱センサとしてセンサトラック８を用いることによって、熱センサ及び加熱トラック４を同一工程段階中に製造することができ、したがって、加熱素子の全体に亘る製造が簡単になる。しかしながら、加熱トラックが設けられたのと同一の側の加熱素子基板上に（トラック形態又は個別の素子の形態で）熱センサを設けることの問題の一つは、熱センサが容器中の液体の温度に正確に応答しないということである。容器中の液体は、基板の反対の側を加熱トラック４に接触する。加熱トラックのない領域を熱センサの周辺に設けることによって熱センサを過熱トラックからある程度離すことができる。しかしながら、これによって、過熱トラックを設けることができる基板の全体的な領域が減少する。これによって、種々のタイプの液体容器に好ましい過熱素子のサイズを減少させることが困難となり、どのようにして熱センサが正確に液温に応答するかを予測するのが困難となる。
図１に示す過熱素子で用いられる熱センサを、液温よりはむしろ加熱素子の加熱位置の温度に応答するように設計する。その結果、熱センサトラック８を加熱トラック４に近接して設け、かつ、加熱トラックによって占有される加熱素子の割合を増大させることができ、その結果、加熱素子の電力が更に高くなる。
トラックの形態の熱センサを図１に示すが、任意のタイプの熱センサを本発明に用いることができる。選択した特定の熱センサに関係なく、熱センサが正確に液温に応答する必要がない。
図２は、本発明によって加熱される液体加熱容器の１サイクルに対する加熱素子及び容器中の液体の温度のプロットを示す。以下の説明では、加熱すべき液体が水であると仮定するが、本発明を、容易に他の液体を加熱する容器に適用できることを理解すべきである。
時間軸に沿って見ればわかるように、加熱素子の動作は複数の区分に分割される。時間ｔ＝０において加熱容器がターンオンされるとともにＴSELの温度を選択すると仮定する。加熱サイクルは、ｔONの第１期間中の加熱素子の加熱と、その後に行われるｔOFFの期間中の加熱素子の加熱の中断とを有する。最終的には、加熱素子が再び時間ｔEXTRAの間ターンオンされ、それは、容器中の液体が選択温度に到達するのに十分な期間である。温度センサによって行われる測定は、時間ｔ＝０における最初の測定と、加熱素子がターンオフである期間中に取り出される複数の温度サンプルとを有する。これらサンプルを図２においてｘで示す。
時間ｔ＝０における温度センサによる最初の測定を、容器中の加熱素子及び水の温度を測定するものと仮定し、容器中の水の温度で加熱素子が平衡状態に到達するのに十分な期間中加熱素子がターンオフされていると仮定する。したがって、
Ｔelement（ｔ＝０）＝Ｔwater（ｔ＝０）＝Ｔ0                 （１）
ここで、Ｔelement（ｔ＝０）を、時間ｔ＝０における素子の温度とし、Ｔwater（ｔ＝０）を、ｔ＝０における水温とする。加熱素子は、先ず時間ｔ1まで予め設定された期間ｔON中加熱される。この点において、素子は予め設定された期間ｔOFF中ターンオフされる。期間ｔOFF中、一部の熱が、高温の素子から水に伝達し、一部の熱が水から周辺に消失する。全体に亘る水温は（図示したように）僅かに上昇し、加熱素子の温度は降下する。所定の温度で平衡状態になる。次の計算のために、本発明の方法は、評価すべき中断の終了時に水の温度ＴWを必要とする。温度ＴWは平衡温度にほぼ一致する。加熱素子の温度減衰曲線のサンプルによって、評価を温度ＴWで行うことができる。その理由は、これを加熱素子が近づく温度に近似することができるからである。取り出したサンプルから温度Ｔwを計算する種々の方法があり、その一部を以下説明する。一度温度ＴWを得ると、以下の式を用いて容器中の水の量を決定することができる。
0003992754.tif 000002
上記式は、基本的には、加熱素子から供給されるエネルギーが加熱素子それ自体によって及び水の加熱によって消失することを表す。これは、容器本体の熱損失及び大気への放射としての熱損失を無視する。これら追加の熱損失を表す因子を誘導することができるが、本明細書中ではこれを更に考察しない。式（２）を数値で置き換えると、
Ｖ×ρ×s（water）×（TW-T0）＝Ｐ×ｔON−C（element）×（TE-T0）  （３）
ここで、
Ｖ＝水の量
ρ＝水の密度
s（water）＝水の比熱
Ｐ＝加熱素子の電力
C（element）＝加熱素子の熱容量
加熱素子の電力及び熱容量を、本発明の方法を実施するために既知とする必要がある。これら定数の両方を以前の実験によって決定することができる。水の比熱は一定であり、式（３）に出てくる３個の温度値は全て上記測定によって決定される。したがって、水の量Ｖは未知のままであり、この量を決定する必要がある。
容器中の水の量を知ることによって、水を選択温度にするために必要な追加の加熱時間を計算することができる。この期間ｔEXTRAを、加熱素子によって供給するのに要求される追加のエネルギー量を考察することによって得ることができる。
素子からの追加の＝水を選択温度＋加熱素子を選択温度
0003992754.tif 000003
式（４）に数値を代入すると、
Ｐ×ｔEXTRA＝（TSEL-TW）×Ｖ×s（water）×ρ                  （５）
＋（TSEL-TE）×C（element）
となる。
この式における未知のパラメータは、計算することができるｔEXTRAだけである。
図２に示すように、加熱素子は、期間ｔEXTRA中ターンオンされ、その期間は、水及び素子を温度ＴSELまで加熱するのに十分なエネルギーを付与する。実際には、期間ｔEXTRA後の時間Ｔ3において、加熱素子は温度ＴSELを超え、水温はまだこの温度に到達しない。一度加熱素子がターンオフされると、一部のエネルギーが加熱素子から消失して水に戻り、その結果、時間ｔ3後選択温度ＴSELで所定の時間平衡状態になる。この点において、加熱素子をサイクル的に加熱して、水を選択温度に維持することができる。
加熱素子のサイクル的な加熱を、加熱素子が選択温度より下に降下する度に予め設定した短いバースト中に加熱素子をオンに切り替えることによって行うことができる。バーストの持続時間を、選択温度レベル又は選択温度と既知の水の量との組合せに依存することができる。
既に説明したように、温度ＴWを決定するのに種々の技術を用いることができ、オフ期間ｔOFF中に素子の温度を降下させることによってその温度に接近する。期間ｔOFFが相当長い場合、期間の終了時の素子の最終温度ＴEが水温ＴWに等しいと仮定することができる。これは、平衡に到達したと仮定する。しかしながら、理想的には正確であるべきこの仮定に対して、加熱素子の加熱の長い中断が要求され、それは、液体が選択温度に到達するのに要求される全体的な時間が増大するので好ましくない。したがって、加熱サイクル中の中断を短くするとともにサンプリング点の数学的解析を実行するのが好ましい。基本的には、この数学的解析は、得られる温度サンプルに対する数学的近似の適合と、加熱素子に近づく温度を決定するための数学的近似の外挿を有する。例えば、加熱素子温度の減衰関数を、最小２乗法を用いて得られるサンプリング点に整合させることができる指数的な減衰関数によって近似することができる。当然、得られる温度サンプルの実際値に依存し又はサンプルされた温度曲線の差分値を用いながら、他の種々の数学的技術を用いることができる。
図３は、図１の加熱素子２を組み込むとともに本発明の方法によって加熱するのに適した電気湯沸器２０を示す。湯沸器２０は、加熱すべき水のチャンバ２４を規定する本体２２を具える。加熱素子２はチャンバ２３の基板を規定し、加熱トラック及び検知トラック４，８を、素子２のチャンバ２４に対する側の反対側に配置する。加熱素子の加熱中、加熱トラック４からの熱が加熱素子の基板に伝導して、チャンバ２４の基板によって水を加熱する。熱センサ８は、チャンバ２４中の水に比べて加熱トラック４の温度に対して密に応答する。
温度センサ端子を検知回路２８に接続し、この回路は、センサ信号を、検知温度を表す信号に変換し、この信号は、（コードレスコネクタを具えることができる）電子湯沸器に対する電源３２と加熱トラック４との間に設けられた演算回路３０に供給される。演算回路３０は、温度セレクタ及びオン／オフ制御ユニット３４からの信号を受信し、制御ユニットは、水が選択温度に到達するまでの残り時間を表すディスプレイを更に有することができる。演算回路３０は、上記方法によって加熱トラック４への電流の供給を制御し、かつ、制御ユニット３４からの表示情報を提供する。
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【図１】
0003992754.tif 000004
【図２】
0003992754.tif 000005
【図３】
0003992754.tif 000006