JP2004225930A

JP2004225930A - 熱負荷制御装置および熱負荷制御方法ならびに媒体

Info

Publication number: JP2004225930A
Application number: JP2003010723A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Inoue; 茂之井上; Shinji Tanaka; 真司田中; Yoshitaka Kawasaki; 良隆川崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】皮膚血流量を計測する上での装置、例えばレーザードップラー式の皮膚血流センサなどは発光源、光学系ユニット及びそれらの周辺回路など、構成要素が多く複雑であり、該当する装置の運用場面が制限され、かつ、光路の確保のために使用者の身体の動きに対する拘束が発生する。
【解決手段】輻射熱、気温など環境側の熱的因子の影響を遮断し、手の指の皮膚温のみを検知する皮膚温検知手段１と、手の指の皮膚温から人体の熱平衡を推測するストレス判定手段２と、皮膚温検知手段とストレス判定手段の間における情報通信を制御する通信制御手段４と、ストレス判定手段からの出力に応じた制御信号を住宅設備機器に対して出力する信号出力手段３からなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、暖房機器、例えば電気ストーブ、電気カーペット、石油ファンヒータ、扇風機、空気調和装置等、の有する熱源による人体に対する刺激としての熱負荷を制御する熱負荷制御装置、および前記制御装置が有する機能をコンピュータに実行させるプログラムを格納する媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、住宅内の暖房機器やエアコンなどの設備機器の制御を目的とした熱負荷制御装置としては特許文献１がある。この技術においては、機器の稼働開始直後から人体の皮膚血流量を検知することで、時々刻々変動する人体の体温調節反応の状態に適合した熱負荷の制御を行うことによって過剰な加熱を抑制し、人体の快適性を向上させるものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１４１９５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１の従来技術では、皮膚血流量を計測する上での装置、例えばレーザードップラー式の皮膚血流センサなどは発光源、光学系ユニット及びそれらの周辺回路など、構成要素が多く複雑であり、該当する装置の運用場面が制限され、かつ、光路の確保のために使用者の身体の動きに対する拘束が発生するという課題を有する。
【０００５】
本発明は、従来の熱負荷制御装置、方法の有する上述したような課題を考慮し、人体の体温調節反応の状態に適合した熱負荷の制御を簡便な装置で行うことによって、運用場面を拡張し、使用者の身体の動きを拘束しない、簡便な熱負荷制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の本発明は、手の指の皮膚温のみを検知する皮膚温検知手段と、手の指の皮膚温から人体の熱平衡を推測するストレス判定手段と、前記皮膚温検知手段と前記ストレス判定手段の間における情報通信を制御する通信制御手段と、前記ストレス判定手段からの出力に応じた制御信号を住宅設備機器に対して出力する信号出力手段と、からなる熱負荷制御装置である。
【０００７】
請求項２の本発明は、手の指の皮膚温における所定の値を目標値として保持し、手の指の皮膚温を所定の時間間隔でで入力し、最新の前記皮膚温と前記目標値からの差分、および、最新の前記皮膚温変化動態から、使用者の熱的ストレスの度合いを評価するストレス判定ステップと前記判定ステップからの出力に応じて制御信号を出力する制御信号出力ステップを備えることを特徴とする熱負荷制御方法である。
【０００８】
請求項３の本発明は、請求項１記載の通信制御手段において、無線通信の制御機構を有することを特徴とする熱負荷制御装置である。
【０００９】
請求項６の本発明は、請求項１、３、４のいずれかに記載の前記各手段の機能の全部または一部をコンピュータに実行させるプログラムを格納することを特徴とする媒体である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
一般に人体は深部の体温を一定に保つために、上肢や下肢の温度を制御して、周りの環境との熱平衡を実現する。この熱的中立が成立する場合、暑さや寒さを感じることはなく心理的にも中立状態が成立する。一方熱的中立が成立していない場合、「寒い」「暑い（熱い）」などの心理反応が生じる。「寒い」場合でも、「快適」な場合と「不快」な場合が存在する。すなわち、「寒い」場合、熱的中立へ向けて体内に熱量が増加している場合は「快適」、逆に体内の熱量が減少して熱的中立から遠のく場合は「不快」である。同様に、「暑い」場合でも「快適」な場合と「不快」な場合が存在する。すなわち、「暑い」場合、熱的中立へ向けて体内から熱量が減少している場合は「快適」、逆に体内の熱量が増加して熱的中立から遠のく場合は「不快」である。本発明の基本的コンセプトは、手の指の皮膚温の状態が、熱的中立と、熱的中立に対する体内の熱量の増減に関連するという生理的機序に基づき、微小な皮膚温変動を熱的感覚変化のトリガーとし、将来の熱的感覚を予測し、不快感を防止し、快適感を持続させるという点である。
【００１１】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明による熱負荷制御装置を電気コタツの発熱制御に用いる場合のブロック図である。１は皮膚温検知手段、２はストレス判定手段、３は信号出力手段、４は通信制御手段である。皮膚温検知手段１は使用者の中指の指先手掌側に温度検知のために装着された熱電対と、熱電対を被覆する発泡ウレタン、アルミ箔からなる断熱材と、ＡＤ変換回路を主な構成とし、断熱材に被覆された熱電対により中指の皮膚温を計測し、ＡＤ変換ののち、通信制御手段４へ出力する。
【００１２】
本実施の形態における通信制御手段４はＢｌｕｅｔｏｏｔｈモジュールを利用しており、皮膚温検知手段４とストレス判定手段２との間に介在し、皮膚温検知手段１とストレス判定手段との間の情報通信を制御している。ストレス判定手段２は、前記通信制御手段４を担持するとともに、前記通信制御手段を介して入力される前記熱電対の出力であるところの中指の皮膚温に対して演算処理する電算機を用いている。またこの電算機は、電気コタツに接続され、使用者の熱的ストレスの程度を電気コタツにおける電気ヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御の通電時間に対応付けを行う熱負荷制御方法を実行させるためのプログラムを担持している媒体を有する。本実施の形態における信号出力手段３は、コタツの電気ヒータのスイッチング回路に接続され、かつ、前記電算機に担持されるＤＡ変換手段からなり、前記ストレス判定手段２から出力される「通電率１００％」、「通電率５０％」、「通電率３０％」の命令に相当する信号を、気ヒータのスイッチング回路の制御信号として出力する。この時のスイッチング回路の制御は時間制御で、常時通電に対する通電時間の割合を通電率として定義している。すなわち、常時通電の場合を「通電率１００％」、通電時間が常時通電の５０％の場合を「通電率５０％」、通電時間が常時通電の３０％の場合を「通電率３０％」としている。
【００１３】
図２は実施の形態１を表現する図である。７は右手中指に装着された皮膚温検知手段を示し、８は上記の電算機に該当し、９は本発明にかかるところの熱負荷制御装置に接続されたコタツを示す。
【００１４】
請求項２記載の本発明にかかる熱負荷制御方法は、予め、指の皮膚温における熱的中立域を限定する上限温度（ＴＰＵ）と、下限温度（ＴＰＬ）を保持し、暖房時にはＴＰＬを、冷房時にはＴＰＵを、請求項２記載の所定の目標値として設定する。また、請求項２記載の本発明にかかる熱負荷制御方法は、人体加熱時用のフローと人体冷却時用のフローのうち少なくとも一方を保持し、両方を保持する場合はそれらフローの選択手段を有し、どちらを適用するか選択が可能である。
【００１５】
図３は本実施の形態にかかるコタツの熱負荷制御装置におけるストレス判定手段２で行うストレス判定のフロー図である。コタツの場合、その用途は人体加熱に限定されるため、人体加熱時用のフローのみを実行するように設定されている。
【００１６】
図３に示すフローは、コタツの通電開始に伴って、起動する（ｓｔｅｐ０）。開始と同時にカウンター（ｔ：ｔ＝１，２，３，・・・）をリセットする（ｓｔｅｐ１）。ｓｔｅｐ１のあと、皮膚温検知手段１から使用者の中指の皮膚温（Ｔｓ）を入力する（ｓｔｅｐ２）。次に入力したＴｓは、ｔをインジケータとする配列（Ｔ）に格納される（ｓｔｅｐ３）。ｔが２未満の場合（ｓｔｅｐ４）はｓｔｅｐ２にもどりＴｓの読込を行う。ｔが２以上ならば、ひとつ前のインジケータ（ｔ−１）をもつ皮膚温データとの差（Ｄｔ）を演算する（ｓｔｅｐ５）。
【００１７】
Ｄｔの算出の後、最新の皮膚温であるＴｔが熱的中立域であるか否かの条件判断を行う（Ｓｔｅｐ６）。Ｓｔｅｐ６においてＴｔが熱的中立域、ないしは、ＴＰＵを超えた場合、ユーザーの熱的感覚予測はそれぞれ「快適」、「暑くて不快」と判断し、電気コタツにおける電気ヒータの通電率３０％に対応付けを行う（Ｓｔｅｐ１１）。Ｓｔｅｐ６において、最新の皮膚温であるＴｔが熱的中立域に達していない場合、寒冷ストレスがユーザに作用していると判定する。そして、ユーザーに寒冷ストレスが作用していながらも、皮膚温変動が熱的中立へ向かう変動を示す場合（Ｓｔｅｐ９）は熱的感覚予測は「快適」と判断し、電気コタツにおける電気ヒータの通電率５０％に対応付ける（Ｓｔｅｐ１０）。一方、ユーザーに寒冷ストレスが作用していて、かつ、皮膚温変動が熱的中立から遠ざかる変動を示すとき（Ｓｔｅｐ７）は、熱的感覚予測を「寒くて不快」とし、電気コタツにおける電気ヒータの通電率１００％に対応付けを行う（Ｓｔｅｐ８）。
【００１８】
このようにユーザーの熱的感覚予測と電気ヒータの通電制御との関連付けが終了すると、本実施の形態における熱負荷制御方法はカウンターｔをインクリメントして（Ｓｔｅｐ１２）、Ｓｔｅｐ２へ回帰する。
【００１９】
図４は、以上のような制御方法によって制御されたコタツ内部の気温と、ヒータの発熱量を制御する通電パターンを従来のものと比較したものである。４が従来のＯＮ／ＯＦＦ制御に本発明による制御を加味して実施されたヒータへの通電パターンをしめす。５は、４に示した通電パターンの基本となるパターンであり、本発明に係るストレス評価装置を持たない従来のコタツにおいて、実施されている一般的な通電パターンで、かつ制御目標値をコタツ内部気温で３０℃に設定したものである。４と５において、横軸は経過時間に対応する値ｔを示し、縦軸は通電・非通電に対応する電圧を示す。６がコタツ内部の気温を示す。横軸は経過時間に対応する値ｔを示し、縦軸は制御の結果実現されたコタツ内部の気温を示す。４から６はそれぞれ太線が本発明によりもたらされた値の推移を示し、細線は従来のそれを示す。また、（表１）は、図４における従来のＯＮ／ＯＦＦ制御に本発明による制御を加味して実施されたヒータへの通電パターン４を生成する通電率との対応を示したものである。図４の５に示す従来の制御ではコタツ内温度が目標値である３０℃に到達したら通電率を５０％として温度制御を行う。このとき通電率５０％が持続した場合皮膚温は上昇を続け暑さからくる不快感を生じさせる場合が多い。本発明により生成される通電パターン４では皮膚温がＴＰＬを超えた場合さらに通電率を落とすことができるので、不快感の生起を遅らせることで快適感を持続させることができる。
【００２０】
【表１】

【００２１】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１におけるコタツの代わりにエアコンを装着し、冷房の制御に、本発明による熱負荷制御装置および熱負荷制御方法を適用するものである。
【００２２】
請求項１にかかる熱負荷制御装置における皮膚温検知手段１、ストレス判定手段２、信号出力手段３、通信制御手段４は、実施の形態１と同様であるので、ここでは冷房時の熱負荷制御方法について説明する。冷房時における皮膚温変動と冷房機器の通電率の関係は（表２）に示すとおりである。エアコンの場合インバータによる出力制御を行うので実施の形態１における通電率に対応する負荷は最大出力を１００％とした場合の出力比で定義する。
【００２３】
【表２】

【００２４】
請求項２記載の本発明にかかる熱負荷制御方法は、予め、指の皮膚温における熱的中立域を限定する上限温度（ＴＰＵ）と、下限温度（ＴＰＬ）を保持し、暖房時にはＴＰＬを、冷房時にはＴＰＵを、請求項２記載の所定の目標値として設定する。また、請求項２記載の本発明にかかる熱負荷制御方法は、人体加熱時用のフローと人体冷却時用のフローのうち少なくとも一方を保持し、両方を保持する場合はそれらフローの選択手段を有し、どちらを適用するか選択が可能である。
【００２５】
図５は本実施の形態にかかるエアコンに適用された熱負荷制御装置におけるストレス判定手段２で行うストレス判定のフロー図である。エアコンの場合、その用途は人体の冷却に限定されるため、人体冷却時用のフローを実行するように設定されている。
【００２６】
図５に示すフローは、エアコンの稼働開始に伴って、起動する（ｓｔｅｐ０）。開始と同時にカウンター（ｔ：ｔ＝１，２，３，・・・）をリセットする（ｓｔｅｐ１）。ｓｔｅｐ１のあと、皮膚温検知手段１から使用者の中指の皮膚温（Ｔｓ）を入力する（ｓｔｅｐ２）。次に入力したＴｓは、ｔをインジケータとする配列（Ｔ）に格納される（ｓｔｅｐ３）。ｔが２未満の場合（ｓｔｅｐ４）はｓｔｅｐ２にもどりＴｓの読込を行う。ｔが２以上ならば、ひとつ前のインジケータ（ｔ−１）をもつ皮膚温データとの差（Ｄｔ）を演算する（ｓｔｅｐ５）。
【００２７】
Ｄｔの算出の後、最新の皮膚温であるＴｔが熱的中立域であるか否かの条件判断を行う（Ｓｔｅｐ６）。Ｓｔｅｐ６においてＴｔが熱的中立域、ないしは、ＴＰＵを下回った場合、ユーザーの熱的感覚予測はそれぞれ「快適」、「寒くて不快」と判断し、エアコンにおける出力３０％に対応付けを行う（Ｓｔｅｐ１１）。Ｓｔｅｐ６において、最新の皮膚温であるＴｔが熱的中立域に達していない場合、暑熱ストレスがユーザに作用していると判定する。そして、ユーザーに暑熱ストレスが作用していながらも、皮膚温変動が熱的中立へ向かう変動を示す場合（Ｓｔｅｐ９）は熱的感覚予測は「快適」と判断し、エアコンにおける出力５０％に対応付ける（Ｓｔｅｐ１０）。一方、ユーザーに暑熱ストレスが作用していて、かつ、皮膚温変動が熱的中立から遠ざかる変動を示すとき（Ｓｔｅｐ７）は、熱的感覚予測を「暑くて不快」とし、エアコンにおける電気ヒータの通電率１００％に対応付けを行う（Ｓｔｅｐ８）。
【００２８】
このようにユーザーの熱的感覚予測とエアコンの通電制御との関連付けが終了すると、本実施の形態における熱負荷制御方法はカウンターｔをインクリメントして（Ｓｔｅｐ１２）、Ｓｔｅｐ２へ回帰する。
【００２９】
本実施の形態により生成される出力パターンでは、皮膚温がＴＰＵを下回った場合さらに通電率を落とすことができるので、実施の形態１同様、不快感の生起を遅らせることで快適感を持続させることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明のように本発明の熱負荷制御装置および熱負荷制御方法によれば、冷暖房機器による過剰な加熱・冷却を減らすことで、人体の不快感を減じ、快適感を増進し、省エネルギーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態例のブロック図
【図２】本発明による実施の形態１を表現するイメージ図
【図３】本発明による実施の形態１における熱負荷制御方法のフローチャート
【図４】本発明による実施の形態１における発熱制御の結果を示すグラフ
【図５】本発明による実施の形態２における熱負荷制御方法のフローチャート
【符号の説明】
１皮膚温検知手段
２ストレス判定手段
３信号出力手段
４本発明によるコタツのヒータへの通電パターン
５従来の制御法によるコタツのヒータへの通電パターン
６本発明によるコタツ内気温と従来の制御法によるコタツ内気温
７本発明による実施の形態１における皮膚温検知手段
８本発明による実施の形態１における電算機
９本発明による実施の形態１におけるユーザの使用するコタツ

Claims

輻射熱、気温など環境側の熱的因子の影響を遮断し、手の指の皮膚温のみを検知する皮膚温検知手段と、手の指の皮膚温から人体の熱平衡を推測するストレス判定手段と、前記皮膚温検知手段と前記ストレス判定手段の間における情報通信を制御する通信制御手段と、前記ストレス判定手段からの出力に応じた制御信号を住宅設備機器に対して出力する信号出力手段と、からなる熱負荷制御装置。
手の指の皮膚温における所定の値を目標値として保持し、手の指の皮膚温を所定の時間間隔で入力し、最新の前記皮膚温と前記目標値からの差分、および、最新の前記皮膚温変化動態から、使用者の熱的ストレスの度合いを評価するストレス判定ステップと前記判定ステップからの出力に応じて制御信号を出力する制御信号出力ステップを備えることを特徴とする熱負荷制御方法。
通信制御手段が無線通信の制御機構を有することを特徴とする請求項１記載の熱負荷制御装置。
請求項１記載の熱負荷制御装置を備えることを特徴とする冷暖房機器。
手の指の皮膚温における目標値である所定の値が３０℃を中心とする一定の範囲であることを特徴とする請求項２記載の熱負荷制御方法。
請求項１、３、４のいずれかに記載の各手段の機能の全部または一部をコンピュータに実行させるプログラムを格納することを特徴とする媒体。