概要
冬場になると体温35℃ちょっとのジジイにとって腰の辺りが冷えて大変不快。そこで充電式電池を使ったカイロを製作することにした。電池でニクロム線を加熱しその熱で腰の部分を温めようというものである。最初単三のエネループを使おうと思ったが、十分なパワーを得ようとすると携帯する電池の数が多くなり重くなってしまうことが分かった。結局別の目的で購入してあった５Vリチウムイオン電池を使うことにした。まず実験ボードでその可能性を試し、実用機を製作し使ってみた。
−主要部品−
１） 電池： 充電式リチウムイオン電池 MPP-100 (4400 mAh)
２） 発熱体： ニクロム線 0.27 mm x 60 cm （抵抗値＝約８オーム）（ダイソー 発泡スチロールカッター用）
３） リレー： ラッチリレー （OMRON G6CK-2117P-US, 3VDC）
４） マイクロコントローラ： 12F629
回路
下に回路図を示す。電池と発熱体（ヒーターエレメント）を直接つないで加熱すれば目的を達するが、途中にラッチリレーを入れて電気の流れを入/断し、温度調整と電池の持ちを長くしようとした。ラッチリレーは２組の入力端子を持ち、一方の入力端子に短時間通電すると出力端子の位置が変わり、そして、もう一方の入力端子に通電すると出力端子が元の位置に戻る。しかも各出力端子の位置を保っておくのに電気を流しておく必要がないという性質を持つ。したがって、２組の入力端子に交互に短時間通電することによって、電池から発熱体へ通電をさせたり、止めたり出来るようになる。
−ラッチレレーの動作−
１） Pin１と８間に通電するとPin３と４間が導通し発熱体が加熱される。,
２） Pin２と７間に通電するとPin３と４間の導通が切れ発熱体の加熱は停止される。
上記リレーの制御は12F629 が担う。そのI/OポートGP4とGP5からリレーの端子を直接ドライブ出来ないのでトランジスタ２SC１８１５を使った。一方、加熱モードが選択できるようにI/OポートGP０とGP１にスイッチSW1とSW2を付けた。 下表は各モードとSW1及びSW2の位置の関係を示す。
|
加熱モード（加熱比率％） |
SW1 |
SW2 |
|
(1) Full加熱モード（１００） |
H |
H |
|
(2) Medium加熱モード（７０） |
H |
L |
|
(3) Low加熱モード （５０） |
L |
H |
|
(4) Lowest加熱モード （３０） |
L |
L |
H： ＋５Vに接続、L： GNDに接続
実験中： 右上の白い紙に包まれたのが発熱体、右下の黒いのがリチウムイオン電池、
中央部左側に小さいラッチリレー、さらにボードの上部に８ピンの１２F629が見える
発熱体： ５ｘ７ｃｍの基板に６０ｃｍのニクロム線（８W）を這わせてある
線の大部分は表面に出ている。ケーブルとの接続はハンダが
使えないのではネジ止めしてある
−理論的なことなど−
１） どれ位電池がもつか？
使用したリチウムイオン電池 （MPP-100）の電流容量は４４００ｍAh （４．４Ah）である。ニクロム線の抵抗が８オームなので流れる電流 Ｉ=V/Rから５/８=０．６２５Ａとなる。４４００ｍＡｈ/６２５ｍＡ=７．０４ｈ.
つまり７時間もつ計算になるが実際はそんなに持たないようである。
ワット数W＝５VX０．６２５A=３．１２５W
２） 発熱量の計算
このリチウムイオン電池のエネルギー容量（Wh）は(電圧)Ｘ（電流容量）なので５．０
Ｘ ４．４ ＝２２Ｗｈ となる。
１Ｗｈ＝３６００Ｊ（ジュール）なので、２２Ｗは２２Ｘ３６００＝７９２００Ｊとなる。
１ｃａｌ＝４．１８４Ｊなので、２２Ｗｈは ７９２００/４．１８４＝１８９２９ｃａｌとなる。これは１９０ｇの０℃の水を約１００℃まで上げる熱量に相当。
一方、小型使い捨てカイロ（サイズ１４Ｘ１１ｃｍ、鉄酸化式、３０ｇ）の場合の発熱量は、１ｇ当たりの発熱量が２９００Ｊなので、２９００Ｘ３０/４．２＝２０７１４カロリーとなる。この発熱量はわずかに今回のリチウムイオン電池より多少高い。大まかに言えばこのリチウムイオン電池の発熱量は小型使い捨てカイロのそれとほぼ等しい。
プログラム
このプログラムの概要は、SW1とSW2から加熱モードを読み込み、その加熱モードに応じたルーチンに飛んで加熱/非加熱のパターンを繰り返すという簡単なものである。ラッチリレーを加熱/非加熱を続行中に駆動しないように注意した（電気を消費するので）。
''****************** プログラミング備忘録 *******************
'Warmer629A.bas 2010.1.9
'This program drives the battery warmer in 4 different modes. (Fullheating, Mediumheating, Lowheating and Lowestheating).
'******** Pin connection ******************
'Pin 1: Vdd (3.0V) - battery operated
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 7: GPIO.0: input - connected to SW1 (H/L selection)
'Pin 6: GPIO.1: input - connected to SW2 (H/L selection)
'Pin 4: GPIO.3: input - connected to MCLR via 4.7kR to reset the system whenever the main SW is turned on
'Pin 2: GPIO.5: output - connected to Tr 1815(2) for driving the relay to disconnect between its pins 3 and 4
'Pin 3: GPIO.4: output - connected to Tr 1815(1) for driving the relay to connect between its pins 3 and 4
'********* ここからがプログラム本体 ***************
Insw1 VAR GPIO.0 'Input SW1 setting ‘以下６行はI/Oピンなどの設定
Insw2 VAR GPIO.1 'Input SW2 setting
Transist2 VAR GPIO.5 'Output Tr1815(2)
Transist1 VAR GPIO.4 'Output Tr1815(1)
CMCON=7 'Disable Comparators
TRISIO=%001011 'GPIO.0, GPIO.1 & GPIO.3 (reset)- inputs, GPIO.4 & GPIO.5 - outputs
Inswcheck:
Pause 200 'Wait 0.2 sec for stabilization
If Insw1=1 and Insw2=1 Then Fullheating ‘以下４行は加熱モードの選択
If Insw1=1 and Insw2=0 Then Mediumheating
If Insw1=0 and Insw2=1 Then Lowheating
If Insw1=0 and Insw2=0 Then Lowestheating
Fullheating: 'heating mode - always ON (100% heating) ‘Full加熱モード
Low Transist2 'Low Tr 1815 (2)
Pause 100
High Transist1 'High Tr 1815 (1) Heater->ON
Pause 200
Low Transist1 'Stop driving Tr 1815 (1)
Pause 60000 'Keep this state for 60 sec
Goto Inswcheck
Mediumheating: 'heating mode - 60sec ON <-> 26sec OFF (70% heating) ‘Medium加熱モード
Low Transist2 'Low Tr 1815 (2)
Pause 100
High Transist1 'High Tr 1815 (1) Heater->ON
Pause 200
Low Transist1 'Stop driving Tr 1815 (1)
Pause 60000 'Keep this state for 60 sec
High Transist2 'High Tr 1815 (2) Heater->OFF
Pause 200
Low Transist2 'Stop driving Tr 1815 (2)
Pause 26000 'Keep this state for 26 sec
Goto Inswcheck
Lowheating: 'heating mode - 60sec ON <-> 60sec OFF (50% heating) ‘Low加熱モード
Low Transist2 'Low Tr 1815 (2)
Pause 100
High Transist1 'High Tr 1815 (1) Heater->ON
Pause 200
Low Transist1 'Stop driving Tr 1815 (1)
Pause 60000 'Keep this state for 60 sec
High Transist2 'High Tr 1815 (2) Heater->OFF
Pause 200
Low Transist2 'Stop driving Tr 1815 (2)
Pause 60000 'Keep this state for 60 sec
Goto Inswcheck
Lowestheating: 'heating mode - 60sec ON <-> 140sec OFF (30% heating) ‘Lowest加熱モード
Low Transist2 'Low Tr 1815 (2)
Pause 100
High Transist1 'High Tr 1815 (1) Heater->ON
Pause 200
Low Transist1 'Stop driving Tr 1815 (1)
Pause 60000 'Keep this state for 60 sec
High Transist2 'High Tr 1815 (2) Heater->OFF
Pause 200
Low Transist2 'Stop driving Tr 1815 (2)
Pause 60000 'Keep this state for 140 sec
Pause 60000
Pause 20000
Goto Inswcheck
'********* プログラムの終わり ***************
'Note:
'AKI Programmer's configurations:
'FOSC - INTOSC(GP4:I/O); WDTE -
Disable; PWRTE – Enable*
'MCLR - Internal ; BODEN – Enable; CP - Disable; CPD - Disable..
結論・余談
１） 電流消費量は発熱体（ヒーターエレメント）ON時に４７０−４８０ｍA、OFF時（他の部分で消費される量）は１０ｍA以下であった。
２） 発熱体のニクロム線は指で触れるくらいの熱さにしかならないので、紙や薄い布を巻いてニクロム線の面を直接皮膚に触れさせて暖をとれる。
３） 実験ボード上では予想通りに動作することが確認された。実際にテストしてみて検討し、実機を製作したい。
４） 費用は、充電式リチウムイオン電池が３，３００円、ラッチリレー５００円、その他が５００円で合計４，３００円ほど。
５） 何と言っても電池式カイロ製作の要は電池のパワーで、今回のリチウムイオン電池と同じパワー（５V,４４００ｍAh）を出すにはニッケル水素電池の単三エネループが１０本（１．２V,２０００ｍAh,２６ｇ）位必要となる（例えば、１．２V X ５本＝６V ２０００ｍAhなので、これをもう一組並列に組み合わせると６Vで４０００ｍAhの電源が出来る。そのエネルギー容量（Wh）は(６V X ４A＝２４Whでわずかにリチウムイオン電池の２２Whを超す)。 Am I right? 携帯時に問題になる重さを比較するとリチウムイオン電池１３０ｇに対し、エネループ１０本の重さは２６ｇ x１０本＝２６０ｇと２倍になる。前者の性能の高さが分かる。さらに、どうやってエネループ１０本を均等に充電するかも問題。
実用機の製作 （2010.1.14）
下の左の図に示すように４５X70mmの基板上にすべての部品がうまく搭載できた。右の図では左が充電式リチウムイオン電池、真中がコントロール基板、そして、右が発熱体である。あとはこれらをいかに体裁よく携帯できるようにするかである。
ダイソーのフタ付きプラスチック容器（４５X95X140ｍｍ）に電池（底部）と
コントロール基板（上部）がコンパクトに収まった。電源部ケーブルを途中で
つなぐコネンクタも４アンペア型に変え接続不良をほぼ皆無にした。容器全体
をメッシュケースに入れてシャツ内部で首からつるす。
−分かったことなど−
１） Low加熱モード（加熱５０％、非加熱５０％の繰り返し）で電池は８時間位持つようである。したがってFull加熱モードでは４時間ほど持つ。
２） テッシュペーパーで包んだ（マックで貰ったものを2枚重ねにして）発熱体をシャツ１枚を通して肌に触れた状態ではLowest加熱時でも程よい温度で温まってくるのが確実に分かる。
３） 基板上に赤と緑のLEDで電源が来ているかどうか、加熱／非加熱の状態が分かる。電池の４つのLEDｓは消耗状態を教えてくれる。
４） 使い切ったリチウムイオン電池を付属のACアダプターでフル充電するには６時間位かかるようである。
５） ちょっと気になるのは電池の消耗状態を示すLEDｓが相変わらずコネクタを抜いても点灯し続けたりすることである。
６） ザウルスなどの電源をバックアップする目的で入手した電池だが、今回の様な目的に適するとは意外だった。軽くて高出力なリチウムイオン電池が注目される理由が理解できる。
７） 今回は加熱モードの選択に２個のスイッチを使ったが、PICをADC付きの１２F6７５に変え、VRを使って加熱モードを細かく設定するのも良いだろう。
８） 使い捨てカイロを冬期に毎日３−４カ月間使う場合の費用で十分今回の電池カイロが製作できる。充電式で捨てるものがないのが良い。
９） とにかく、ジジイの冷え性にどれだけ役立つか試してみたい。
１０） ほぼ半年ぶりの電子工作、テーマが浮かばなくて四苦八苦。まわりが凄く見えて怖気づいてしまった感じ。やめてるとハンダ付けが下手になるしプログラミングの仕方も忘れてしまう。
(２010.1.19)
１） 電池・コントロール基板ボックスの携帯方法がまだ定まらないが、Ｌｏｗｅｓｔ加熱モードで使っても使い捨てカイロ並みに結構温かく快適である。
２） 秋葉原のジャンクショップに中古のリチウムイオン電池が出回っていて電池式カイロに使えそうだが、残念ながら充電器がないのと怖くて素人はいじれない。
３） そんなわけでリチウムイオン電池が手軽に使えるようになったら本格的カイロ（¹Ｃａｉｒo）へ利用有望そうである。
上記実用機の温度設定をボリュームで出来るように改良 （2010.1.27）
１） １２Ｆ６２９の代わりにＡＤＣの付いた１２Ｆ675を導入。
２） ２個のスイッチの代わりにボリューム（VR）を導入し１２段階にほぼ連続的に加熱設定が出来るようにした。
３) 高価なラッチリレーの代わりに超小型リレー（A５W-OH-K、５V, 電流消費量２０−２５ｍＡ、￥１００）を導入。
-結果、感想など-
１） 部品が減り構造がより簡単になった。
２） リレーの駆動電流２０−２５ｍAは発熱体の消費電流４７０−４８０ｍAに比べ極わずかでカイロの持ちにあまり影響しない。
３） 新発売のサンヨーのKBC-L2ASというリチウムイオン電池（５V, ５０００ｍAh, １30g）がこの目的に適するみたい。
４） 先日ある展示会で、今回の自作発熱体の様な形をしたステンレス薄板を透明プラスチックで包んだものを見た。聞いたら発熱体だという。どっかで使われている。
５） 上記の実用機を使ってみた感想は、発熱量や電池の持ちは十分。ただ、電源と制御基板を入れた容器がいまいち持参する際収まりが悪い。
加熱モード表： ＶＲを回してHeatmode０からHeatmode１１の設定を選択する。
|
加熱モード |
加熱ON（時間、秒） |
加熱OFF（時間、秒） |
加熱比率（％） |
|
Heatmode0 |
０ |
常時OFF |
０ |
|
Heatmode１ |
１０ |
６０ |
１４ |
|
Heatmode２ |
２０ |
６０ |
２５ |
|
Heatmode３ |
３０ |
６０ |
３３ |
|
Heatmode４ |
４０ |
６０ |
４０ |
|
Heatmode５ |
５０ |
６０ |
４５ |
|
Heatmode６ |
６０ |
６０ |
５０ |
|
Heatmode７ |
７０ |
６０ |
５４ |
|
Heatmode８ |
９０ |
６０ |
６０ |
|
Heatmode９ |
１２０ |
６０ |
６７ |
|
Heatmode１０ |
１５０ |
６０ |
７１ |
|
Heatmode１１ |
常時ON |
０ |
１００ |
下の回路図に見られるように大分簡素化された。超小型リレーの駆動電流は２０−２５ｍA程度なのでPICのポートに直結した。途中にダイオードなど入れると
電圧が下がって駆動できなくなった。
真中に超小型リレーが見える。発熱体の代わりに電球を用いて実験した。
１２Ｆ６７５、超小型リレー、それに加熱モード設定に可変抵抗（ＶＲ）を使って大分
コンパクトになった。予想どおり動作することを確認した（２０１０．２．６製作）。
プログラム
このプログラムではGP0よりVRで設定された電圧をPIC内に読み取り、その値の大きさによって１２個の加熱モードのいずれかに飛び発熱体の加熱と非加熱を繰り返すものである（上記の加熱モード表参照）。PICのADCの設定に注意が必要なのと、理由が不明だがPauseコマンドで指定する時間、例えばPause 60000は６０秒間待つはずが５２秒間しか待たなかった。そこで適当に秒数を加えて調整した。このプログラムは１２F675のメモリの約３分の２を占有した。
'****************** プログラミング備忘録 *******************
'Warmer675VR.bas 2010.1.27
'This program drives the battery warmer using a 5k-VR input.
'Comment: Pause command was not accurate with unknown reasons.
'******** Pin connection ******************
'Pin 1: Vdd (5.0V) - Li-ion battery (5V MPP-100)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 7: GPIO.0: input - connected to Vdd(+5V) and GND via 5k-VR
'Pin 6: GPIO.1: not used
'Pin 5: GPIO.2: not used
'Pin 4: GPIO.3: input - connected to MCLR via 4.7kR to Vdd
'Pin 3: GPIO.4: output - connected to Pin 1 of the relay via Diode
'Pin 2: GPIO.5: not used
'********* ここからがプログラム本体 ***************
ANSEL=%01000001 ‘初期設定
'sets Fosc/4MHz (bit6-4=100) and GPIO.0 as ADC input (analog)
ADCON0=%10000011
'bit7=1(right justified),bit6=0 (Vdd used as volt reference for ADC),
'bit5-4=0 (unimplemented), bit3-2=00 (GP0-Anlog Input),
'bit1=1 (starts right away), bit0=1(on operation)
TRISIO=%001001
CMCON=7 'turns off comparator function
Define ADC_BITS 10 '10-bit ADC used
Define ADC_CLOCK 3 'Internal clock used
Define ADC_SAMPLEUS 50 'Polling is not needed due to use of ADCIN command
Vin var WORD 'Storage for ADC data （入力電圧 ０−５Vは１０ビット値の０−１０２３に対応）
RelaySW var GPIO.4 'Relay ON/OFF
ADCloop:
Vin=0
RelaySW=0
ADCIN 0, Vin 'Read Vin from GPIO.0 (AN0) (range 0 - 1023) 加熱モード設定値の読込み
Pause 20
'Divisions of input values (volt) from VR
If (41>Vin) then goto ADCloop ‘Heatmode0 この場合加熱なし
if (Vin>=41) and (Vin<135) then goto Heatmode1
if (Vin>=135) and (Vin<229) then goto Heatmode2
if (Vin>=229) and (Vin<323) then goto Heatmode3
if (Vin>=323) and (Vin<417) then goto Heatmode4
if (Vin>=417) and (Vin<512) then goto Heatmode5
if (Vin>=512) and (Vin<606) then goto Heatmode6
if (Vin>=606) and (Vin<700) then goto Heatmode7
if (Vin>=700) and (Vin<794) then goto Heatmode8
if (Vin>=794) and (Vin<888) then goto Heatmode9
if (Vin>=888) and (Vin<982) then goto Heatmode10
If (Vin>=982) then goto Heatmode11 ‘この場合連続加熱する
Heatmode1:
'10-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 11500 '10 sec
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode2:
'20-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 23000 '20 sec
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode3:
'30-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 34600 '30 sec
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode4:
'40-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 46200 '40 sec
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode5:
'50-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 58000 '50 sec
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode6:
'60-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode7:
'70-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 60000 '70 sec
Pause 21000
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode8:
'90-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 60000 '90 sec
Pause 44000
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode9:
'120-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 60000 '120 sec
Pause 60000
Pause 18000
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode10:
'150-sec ON <-> 60-sec OFF
High RelaySW
Pause 60000 '150 sec
Pause 60000
Pause 53000
Low RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Goto ADCloop
Heatmode11:
'All time ON
High RelaySW
Pause 60000 '60 sec
Pause 9200
Low RelaySW
Pause 100
Goto ADCloop
End
'********* プログラムの終わり ***************
'Note:
'AKI Programmer's configurations:
'FOSC - INTOSC(GP4:I/O); WDTE -
Enable; PWRTE – Enable*
'MCLR - Internal ; BODEN – Enable; CP - Disable; CPD - Disable