JP2004087375A - 電熱線制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により、発熱温度の検出が正確で温度のバラツキを抑えることができ、かつ、安全な電熱線制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】通電により発熱する内部導体１と、内部導体１を被覆すると共に温度降下に伴ってサーミスター電流が減少する高分子半導体２と、高分子半導体２に巻回されサーミスター電流を検知する外部導体３と、を備えた電熱線４の発熱温度を制御する装置である。外部導体３に接続されサーミスター電流を検出して電熱線４の発熱を制御する温度制御回路５と、高分子半導体２の溶融により内部導体１と外部導体３とが短絡した際にのみ外部導体３と導通し電熱線４への通電を強制停止させる安全回路６と、を有する。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気毛布や電気カーペット等に用いられる電熱線制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、主として電気毛布、電気カーペットや電気布団などに用いられる絶縁電熱線は、図７と図８に示すように、ヒータとしての発熱線４０と温度センサーとしての検知線４１の２本で構成されるいわゆる「ＩＩ線式」のものが一般的であり、この２本の発熱線４０と検知線４１の一部を密着させて、通電により発熱する発熱体４５の温度を検知線４１に熱伝導させている。
【０００３】
この検知線４１では、電極４２，４３の間に、温度上昇により電気抵抗が低下しサーミスター電流が増加する高分子半導体４４を、介在させてあり、このサーミスター電流の変化を利用し、従来、次のようにして、絶縁電熱線が設定温度となるように、その発熱温度の制御を行なっていた。
【０００４】
即ち、図９に示すように、発熱体４５の発熱によるサーミスター電流の変化を電極４２，４３を通じてサーミスター電流検出抵抗５２により電圧に変換し制御回路５１にて検出し、そのサーミスター電流値がＯＦＦ設定温度に対応する設定サーミスター電流値に至れば、トランジスタ５３及びリレースイッチ５４をＯＦＦして通電を停止し、逆にサーミスター電流値がＯＮ設定温度に対応する設定サーミスター電流値以下になれば、トランジスタ５３及びリレースイッチ５４をＯＮして通電を開始し、設定温度に保持するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のように、発熱線４０と検知線４１の２本で構成される絶縁電熱線で構成されるカーペット等は、図７と図８に示す高温溶融絶縁体４６、信号体４７及び外装絶縁体４８と、高分子電極４３、セパレータ４９及び外装絶縁体５０と、を介して、発熱体４５の温度を高分子半導体４４に熱伝導させるため、両者４５，４４の間に大きな熱抵抗が生じる。しかも、図１０に示すように、電気カーペット等では、２本の発熱線４０，４０に対して１本の検知線４１を配置する隔列配線となっている。
【０００６】
そのため、高分子半導体４４で、発熱体４５の正確な温度を検出することができず、発熱体４５の温度が上昇し過ぎた状態をつくりだす。また、熱抵抗により、図１１に示すように、例えば、５５℃の設定温度に制御しようとしても、発熱体４５の実際のピーク温度は８０℃を越えてしまう。
しかも、発熱線４０を設定温度に制御するために必要な温度の変動幅が、熱抵抗のために大きなものとなる。その結果、電気カーペット等の表面では、発熱線４０の近接部の高温部と、低い温度の低温部との温度差が大きくなってしまう。
【０００７】
また、発熱線４０では、使用者が断熱性の良い座布団等を上布として使用すれば（局部保温）、センサーの熱劣化を促進し、短期間で制御不能となり、発熱線４０の温度が上昇しすぎると高温溶融絶縁体４６が溶融し、図９に示すように、発熱体４５と信号体４７が短絡して温度ヒューズ溶断抵抗５５が発熱し、近接させた温度ヒューズ５６が溶断して電源が切れるようになっているが、この場合には、電気カーペットは再使用できない。
【０００８】
また、制御装置（コントローラー）と絶縁電熱線の接続箇所も多くなり───例えば、２畳用の電気カーペット等の場合、発熱線で４箇所、検知線で２箇所の合計６箇所───、図８の如く発熱線４０と検知線４１を均一に密着させて正確に配線しなければならず、また、発熱線４０と検知線４１との２本線構成であるため、材料及び製造工程が多く発生するという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明では、簡単な構成により、発熱温度の検出が正確で温度のバラツキを抑えることができ、かつ、安全な電熱線制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る電熱線制御装置は、通電により発熱する内部導体と、該内部導体を被覆すると共に温度降下に伴ってサーミスター電流が減少しかつ過熱により溶融する高分子半導体と、該高分子半導体に巻回され該サーミスター電流を検知する外部導体と、を備えた電熱線の発熱温度を制御する装置であって、該外部導体に接続され該サーミスター電流を検出して該電熱線の発熱を制御する温度制御回路と、上記内部導体の過熱による上記高分子半導体の溶融により該内部導体と上記外部導体とが短絡する非常状態にのみ上記外部導体と導通し該電熱線への通電を強制停止させる安全回路と、を有するものである。
また、上記温度制御回路は、上記内部導体への通電をタイマー手段にて所定時間で停止させ、上記高分子半導体の温度低下に従ってサーミスター電流が減少して所定電流値に達すると上記内部導体への通電を開始させるようにしたものである。
また、上記内部導体は、加熱により溶断し通電が停止する温度ヒューズに接続され、上記安全回路は、該温度ヒューズに近接させて配置した温度ヒューズ溶断用抵抗を有し、上記非常状態において、該温度ヒューズ溶断用抵抗が通電して発熱し、該温度ヒューズを溶断させるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図示の実施の形態に基づき、本発明を詳説する。
【００１２】
図１は、本発明の電熱線制御装置が有する電熱線４の実施の一形態を示す側面図であり、説明を容易にするため、各構成部材の一部を切断し内層側の部材を露出状としている。また、図２は、電熱線４の横断面図である。本発明の電熱線制御装置は、例えば、電気毛布や電気カーペット等に発熱体（ヒータ）として配線される電熱線４の温度制御（発熱温度制御）に用いられる装置であり、図３に示すように、電熱線４は、製品組み立て工程において、毛布やカーペットの内部に面上に蛇行状に配置されるものである。
【００１３】
図１と図２に示すように、電熱線４は、強靱で耐熱性に優れた合成樹脂繊維等からなる芯体１０と、芯体１０の周囲へスパイラル状に巻回されると共に通電により発熱する内部導体１と、内部導体１を被覆して導通すると共に温度変化に応じてサーミスター電流を発生させる高分子半導体（高分子サーミスター）２と、高分子半導体２の周囲へスパイラル状に巻回されて導通する外部導体３と、外部導体３を被覆するセパレータ１１と、セパレータ１１の周囲を被覆する外装絶縁体１２と、からなる。
【００１４】
内部導体１は、耐酸化性を有する電気硬銅線の丸線又は箔線に錫めっきしたもの等からなり、高分子半導体２のサーミスタ電極として機能すると共に、電源との通電により発熱体（ヒータ）として機能する。
【００１５】
高分子半導体２は、温度上昇に伴って電気抵抗（インピーダンス）が小さくなって、サーミスター電流が増加し、温度降下に伴ってサーミスター電流が減少する特性を有しており、内部導体１の発熱温度を検知する温度センサーとして機能する。また、高分子半導体２は、内部導体１が異常過熱状態となって所定温度以上となると溶融するものである。
【００１６】
また、この高分子半導体２には、ポリアミドをベースとした化合物等の経年耐久性に優れた素材を用いる。このような素材を用いれば、従来よりも高分子半導体２の寿命が延び、例えば、１００　℃・１００　Ｖの雰囲気で１２０００　時間───１２年の使用期間に相当する───劣化しない。高分子半導体２には、高分子中にイオン伝導付与剤が混練されており、電極となる内部導体１及び外部導体３に加えられる電圧を、本発明に係る電熱線制御装置では、対象交流電圧とすることで、イオン伝導付与剤の偏りの発生を防止し、サーミスター電流が経時減少するのを防いでいる。
【００１７】
外部導体３は、内部導体１と同様の素材からなり、また、高分子半導体２のサーミスタ電極であり、高分子半導体２のサーミスター電流を後述する温度制御回路５に送る信号体として機能している。さらに、外部導体３は、内部導体１が異常過熱状態となって所定温度以上となると高分子半導体２が溶融し、内部導体１と接触（短絡）するようにしている。即ち、外部導体３は、高分子半導体２に巻回し、正常時、温度変化によるサーミスター電流を検知し、かつ、異常時、内部導体１からの短絡による電流を検知する検知導体である。
【００１８】
セパレータ１１は、ポリエチレンテレフタレート等の合成樹脂等からなり、外装絶縁体１２が及ぼす化学的・物理的影響から高分子半導体２を守るための分離層として機能する。
外装絶縁体１２は、ポリビニルクロライドをベースとした耐熱性配合の高分子化合物等からなり、外部導体３を絶縁すると共に、電熱線４の全体を保護（絶縁）する機能をもつ。
【００１９】
図４は、本発明のＩ線式の電熱線４の発熱温度を制御する電熱線制御装置の実施の一形態を示す回路図であり、この制御装置は、一つの交流電源１３に内部導体１が接続された回路を備え、その回路は、電源１３からの電力により発熱を目的とする主回路と、上記電熱線４の外部導体３に接続されサーミスター電流を検出して電熱線４（内部導体１）の発熱を制御する温度制御回路５と、内部導体１の過熱による高分子半導体２の溶融により内部導体１と外部導体３とが短絡する非常状態にのみ、外部導体３と導通し電熱線４への通電を強制停止させる安全回路６と、を有している。
【００２０】
また、温度制御回路５はタイマー手段９を備えており、内部導体１への通電をタイマー手段９にて所定時間（一定時間）で停止させるようにしている。即ち、内部導体１による加熱時間は常に、一定としている。さらに、温度制御回路５は、高分子半導体２の温度低下によりサーミスター電流が減少して所定電流値に達すると内部導体１への通電を開始させ、加熱を始めるようにしている。
【００２１】
さらに、内部導体１は、温度ヒューズ７に直列接続されており、温度ヒューズ７自体が加熱されると、温度ヒューズ７（内部素子）が溶断し、内部導体１への電源１３からの電力の供給を停止させるように構成している。そして、安全回路６は、温度ヒューズ７に（物理的に）近接させて配置した温度ヒューズ溶断用抵抗８を有し、内部導体１と外部導体３とが短絡する非常状態において、温度ヒューズ溶断用抵抗８が通電して電源１３からの電力により発熱し、温度ヒューズ７を溶断させるように構成している。
【００２２】
次に、この図４に示した回路について具体的に説明すると、主回路は、交流電源１３の一端側端子ａには、スイッチ１４、温度ヒューズ７、電熱線４の内部導体１及びリレー接点１５、が直列接続され、交流電源１３の他端側端子ｂに戻る。また、サーミスター電流は、交流電源１３の端子ａ側から、スイッチ１４、温度ヒューズ７、内部導体１、高分子半導体２、検知導体としての外部導体３、サーミスター電流検出抵抗１６が、直列接続され、交流電源１３の端子ｂに戻る第一回路により検出される。なお、外部導体３とサーミスター電流検出抵抗１６との間に第一接点Ａを設けている。
【００２３】
また、ダイオード１７のアノードを電源１３の一端側端子ａに接続し、別のダイオード１８のアノードを他端側端子ｂに接続し、これらのカソード同士を接続し、その間に第二接点Ｂを設けている。
【００２４】
そして、温度制御回路５は、この第一回路のうちサーミスター電流検出抵抗１６を有し、さらに、サーミスター電流検出抵抗１６によりサーミスター電流を電圧に変換し検知する制御手段１９と、トランジスタ２０と、リレー接点１５、を有している。これらの動作について説明すると、制御手段１９は、外部導体３を介して流れてくるサーミスター電流を制御手段１９に予め設定されている設定ＯＮ値と比較し、サミスター電流が設定ＯＮ値まで減少すると、制御手段１９が、トランジスタ２０とリレー接点１５をＯＮの状態にし、電熱線４の内部導体１が通電状態となって、加熱が開始される。
さらに、制御手段１９は、内部導体１の通電状態を所定時間経過後に自動解除させるタイマー手段９を有しており、タイマー手段９は、上記トランジスタ２０とリレー接点１５がＯＮの状態となると同時にカウントを開始するようにしている。
【００２５】
安全回路６は、上記第一接点Ａと第二接点Ｂとの間の電圧値に依存して導通するサイリスタ（ＳＷ素子）２１と、サイリスタ２１に直列接続される温度ヒューズ溶断用抵抗８と、を有している。即ち、電熱線４に発熱導体と検知導体と両方の機能を供えさせるためには、外部導体３から、サーミスター電流検出抵抗１６と温度ヒューズ溶断用抵抗８とを並列に接続する必要がある。しかし、検出抵抗１６の抵抗値は、溶断用抵抗８の抵抗値より大きいので、単純に並列接続すると、サーミスター電流は、抵抗値の小さい溶断用抵抗８に多く流れ、検出抵抗１６に流れる電流が少なく制御手段１９による検出が不安定となり加熱温度を上手く制御することができない。しかし、本発明の制御装置によれば、温度検出する際には、検出抵抗１６のみにサーミスター電流が流れ、溶断用抵抗８にはサーミスター電流が流れず、温度異常時（非常状態）にのみ溶断用抵抗８に電流が流れるようにさせる。
【００２６】
また、安全回路６には、図４に示すように、第一接点Ａと第二接点Ｂとの間に、上記サイリスタ２１と溶断用抵抗８に対して並列接続される、ツエナーダイオード２２と抵抗２３とサイリスタゲート２４と抵抗２５とが、第二接点Ｂから第一接点Ａへと順に接続されている。
【００２７】
従って、第一接点Ａでは、交流電圧が高分子半導体２とサーミスター電流検出抵抗１６とで分圧しており、通常動作状態においては、ツエナーダイオード２２はこの分圧された電圧では電流を流さない。しかし、内部導体１が異常高温となり高分子半導体２が溶融し、内部導体１と外部導体３とが短絡接続されると、内部導体１と外部導体３の抵抗値は小さいため、第二接点Ｂと第一接点Ａとの間には、交流電源電圧と略等しい電圧が作用し、ツエナーダイオード２２が導通し、サイリスタゲート２４に電流が流れ、サイリスタ２１をＯＮ（作動）させる。これにより、、溶断用抵抗８に電流が流れ、発熱し、近傍に設置した温度ヒューズ７を溶断し、主回路を開とし（開回路とし）、電源１３から内部導体１への通電を停止させることができる。
【００２８】
次に、本発明の制御装置により温度制御を行う動作を順に説明する。図５は、サーミスター電流の値と内部導体１の温度の関係を表す説明図であり、図６は、内部導体１のＯＮ・ＯＦＦの状態を時間の経過と共に表した説明図である。
まず、図４のリレー接点１５及びスイッチ１４をＯＮにする（図６の点ｈ）と、内部導体１が通電状態（ＯＮ）となり、それと同時に、制御手段１９のタイマー手段９が作動開始する。そして、一定時間（Δｔ）が経過すると、タイマー手段９が作動して信号を発信し、トランジスタ２０とリレー接点１５をＯＦＦにし、内部導体１への通電を停止（ＯＦＦ）させる（図６の点ｉ）。
【００２９】
この時、高分子半導体２は内部導体１の発熱を受け温度上昇しており、内部導体１と高分子半導体２と外部導体３を通じてサーミスター電流が、検出抵抗１６へ流れる。そして、サーミスター電流を検出抵抗１６により電圧変換し、制御手段１９により検出し、予め設定しておいた設定ＯＮ温度に対応する設定ＯＮサーミスター電流値ｆと比較する。
【００３０】
内部導体１の熱は外部へと熱伝導し、通電が停止されているときは、内部導体１の各部の温度が徐々に低くなっていく。従って、検出・比較しているサーミスター電流は徐々に減少し（図５の矢印ｅ）、設定ＯＮサーミスター電流値ｆまで減少すれば、トランジスタ２０とリレー接点１５とタイマー手段９をＯＮ状態にし、通電を再開させ内部導体１により加熱を始める（図６の点ｊ）。そして、タイマー手段９が一定時間（Δｔ）経過すれば、トランジスタ２０とリレー接点１５をＯＦＦとし（図６の点ｋ）、温度制御回路５は、上記動作を繰り返す。これにより、カーペット等の表面温度を一定に保つことができる。
（なお、上記において、検出・比較の対象を、説明を容易にするため電流として説明している。）
【００３１】
即ち、図６において、内部導体１がＯＦＦの状態にある時に、温度制御回路５は、サーミスター電流を検出・比較・判定しており、サーミスター電流が設定ＯＮサーミスター電流値ｆまで減少すると、内部導体１の加熱を開始させる。従って、内部導体１がＯＮの状態にある時間（加熱時間）は一定とされる（Δｔ＝一定）が、電熱線４の放熱の条件によりＯＦＦの状態にある時間は、夫々のサイクルで異なることとなり、省エネルギーに貢献している。
【００３２】
また、制御手段１９には、設定ＯＦＦサーミスター電流値ｇをさらに設定し、タイマー手段９により一定時間（Δｔ）が経過する前に、サーミスター電流が設定ＯＦＦサーミスター電流値ｇ以上となると、トランジスタ２０等をＯＦＦとするようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上述の構成により次のような効果を奏する。
【００３４】
（請求項１によれば）内部導体１の発熱温度を正確に検出でき、かつ、電熱線４の全長にわたって温度センサーである高分子半導体２が存在するので、内部導体１のピーク温度を低く抑えることができ、安全性が高いものとすることができる。
さらに、内部導体１が過熱状態となっても、確実に内部導体１への導通を停止させるため、カーペットや毛布等に於て、安全に使用が可能となる。
【００３５】
（請求項２によれば）温度制御を行う構成が非常に簡単であり、誤動作のおそれがなく、また、故障も少ない。従って安価に装置を構成でき、コストダウンが図れる。
【００３６】
（請求項３によれば）簡単な構成により、内部導体１への通電を確実に停止させることができ、安全に対する信頼性が高い装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電熱線制御装置が有する電熱線の実施の一形態を示す側面図である。
【図２】電熱線の横断面図である。
【図３】電熱線の配線状態を示す平面図である。
【図４】本発明の電熱線制御装置の実施の一形態を示す回路図である。
【図５】サーミスター電流の値と内部導体の温度の関係を表す説明図である。
【図６】内部導体のＯＮ・ＯＦＦの状態を説明する説明図である。
【図７】従来の電熱線及び検知線の側面図である。
【図８】従来の電熱線及び検知線の横断面図である。
【図９】従来の電熱線制御装置の回路図である。
【図１０】従来の電熱線及び検知線の配線状態を示す平面図である。
【図１１】従来の電熱線制御装置の動作を説明する説明図である。
【符号の説明】
１　内部導体
２　高分子半導体
３　外部導体
４　電熱線
５　温度制御回路
６　安全回路
７　温度ヒューズ
８　溶断用抵抗
９　タイマー手段

Claims (3)

1. 通電により発熱する内部導体（１）と、該内部導体（１）を被覆すると共に温度降下に伴ってサーミスター電流が減少しかつ過熱により溶融する高分子半導体（２）と、該高分子半導体（２）に巻回され該サーミスター電流を検知する外部導体（３）と、を備えた電熱線（４）の発熱温度を制御する装置であって、該外部導体（３）に接続され該サーミスター電流を検出して該電熱線（４）の発熱を制御する温度制御回路（５）と、上記内部導体（１）の過熱による上記高分子半導体（２）の溶融により該内部導体（１）と上記外部導体（３）とが短絡する非常状態にのみ上記外部導体（３）と導通し該電熱線（４）への通電を強制停止させる安全回路（６）と、を有することを特徴とする電熱線制御装置。
2. 上記温度制御回路（５）は、上記内部導体（１）への通電をタイマー手段（９）にて所定時間で停止させ、上記高分子半導体（２）の温度低下に従ってサーミスター電流が減少して所定電流値に達すると上記内部導体（１）への通電を開始させるようにした請求項１記載の電熱線制御装置。
3. 上記内部導体（１）は、加熱により溶断し通電が停止する温度ヒューズ（７）に接続され、上記安全回路（６）は、該温度ヒューズ（７）に近接させて配置した温度ヒューズ溶断用抵抗（８）を有し、上記非常状態において、該温度ヒューズ溶断用抵抗（８）が通電して発熱し、該温度ヒューズ（７）を溶断させる請求項１又は２記載の電熱線制御装置。

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