JP2005042979A - 電気式床暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な制御回路を付加するだけで、一定温度以下でのＰＴＣヒータの発熱を略一定とすることができ、使用するスイッチ、リレーや電線等の定格アンペアを大きくする必要のない電気式床暖房装置を提供する。
【解決手段】 交流電源に並列に接続される一対のＰＴＣヒータ５、６と、被加熱部の温度をセンシングする温度センサ４と、前記温度センサ４の電気信号によって前記ＰＴＣヒータ５、６のＯＮ／ＯＦＦを制御するリレー１１〜１３と、を有してなる電気式床暖房において、前記ＰＴＣヒータ５、６のそれぞれに半波整流した逆位相の電圧を印加する。そして、前記ＰＴＣヒータ５、６に印加する電圧を、前記温度４センサの電気信号によって半波電圧と全波電圧とに切り替えることができるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、床暖房等に用いられ、ＰＴＣヒータによって加熱され、温度センサとリレーによって発熱が制御される電気式床暖房装置に関するものである。

従来から、ＰＴＣヒータを用いた電気式床暖房装置は知られている。ＰＴＣヒータはその温度が高くなると抵抗値が大きくなる。したがって、図４に示すように、一定電圧を印加した時にＰＴＣヒータに流れる電流値は、温度が高くなるほど小さくなり、発熱量も小さくなる。このために、ＰＴＣヒータを用いた電気式床暖房装置は過熱防止の自己制御機能を有している。しかし、高温状態であっても、電源がＯＮされていると、ＰＴＣヒータの発熱により、過熱のおそれがあった。そこで、図８に示すように、ＰＴＣヒータ５と交流電源１との間にスイッチ９、リレー１１を直列に接続させるとともに、被加熱部である床部３に温度センサを配設させる。そして、床部３が一定以上の温度になれば、温度センサ４からの電気信号によって、リレー１１をＯＦＦし、ＰＴＣヒータ５の電源を切断することにより、過熱を防止することがなされている。

しかしながら、上記の電気式床暖房装置では、当然のことながら、ＰＴＣヒータ５の電流値は、温度が低くなるほど大きくなる。つまり、通常時よりも低温の状態では、必要以上に電流が流れてしまい、電線やリレー１１の定格アンペアをこれに合わせたものを使用する必要がある。例えば、この電気式床暖房装置に用いるＰＴＣヒータ５の通常時（１５℃）のときの実効電流値が１０Ａ、低温時（０℃）のときの実効電流値が２０Ａであれば、リレー１１や電線等の定格アンペアは、２０Ａのものを使用する必要があった。つまり、低温時には、ＰＴＣヒータ５に必要以上に電流が流れ、電線やリレー１１をこれに合わせた規格品で設計する必要があった。

又、同種の電気式床暖房装置として、実開昭６１−２０２２１４号公報に示されるようなものも知られている。このものは、トライアック等の半導体スイッチをＰＴＣヒータに直列に接続し、温度センサの出力によって、ＰＴＣヒータへの給電状態を選択するものである。この電気式床暖房装置だと、段階的にＰＴＣヒータの発熱を制御することができるので、低温時でもＰＴＣヒータの発熱量を通常時と略同じにすることができる。

しかしながら、この電気式床暖房装置でも、ＰＴＣヒータの発熱を制御するための回路を付加することが必要となり、コストアップの要因にもなった。

又、同種の電気式床暖房装置として、実開平６−１０４０７０号公報に示されるようなものも知られている。このものは、ＰＴＣヒータ用電極の電位を基準電位と比較して、ＰＴＣヒータの発熱を制御するものである。この電気式床暖房装置も、ＰＴＣヒータの発熱を一定に制御することにより、この電気式床暖房装置でも、低温時でもＰＴＣヒータの発熱量を通常時と略同じにすることができる。

しかしながら、上記の電気式床暖房装置では、基準電位を発生させる回路やＰＴＣヒータの発熱を制御するための回路を付加することが必要となる。このために、コストアアップの要因にもなった。
実開昭６１−２０２２１４号公報 実開平６−１０４０７０号公報

本願発明は、上記従背景技術に鑑みて発明されたものであり、その課題は、簡易な制御回路を付加するだけで、一定温度以下でのＰＴＣヒータの発熱を略一定とすることができ、使用するスイッチ、リレーや電線等の定格アンペアを大きくする必要のない電気式床暖房装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明の電気式床暖房装置は、交流電源に並列に接続される一対のＰＴＣヒータと、被加熱部の温度をセンシングする温度センサと、前記温度センサの電気信号によって前記ＰＴＣヒータのＯＮ／ＯＦＦを制御するリレーと、を有してなる電気式床暖房において、前記ＰＴＣヒータのそれぞれに半波整流した逆位相の電圧を印加する。そして、前記ＰＴＣヒータに印加する電圧を、前記温度センサの電気信号によって半波電圧と全波電圧とに切り替えることができるようになっている。

本願発明の電気式床暖房装置においては、被加熱部である床部の温度が所定値以下になると、温度センサからの電気信号でリレーを制御することにより、前記ＰＴＣヒータのそれぞれに半波整流した逆位相の電圧を印加するようにする。また、床部の温度が所定値以上になると、前記ＰＴＣヒータのそれぞれに全波電圧を印加するようにする。この状態では、ＰＴＣヒータの実効電流値は、半波電流が流れているときに比べて２倍になり、ＰＴＣヒータの発熱量も２倍になる。こうすることにより、ＰＴＣヒータの電気抵抗が大きくなっても、発熱量を略一定にすることができる。

このようにすることにより、簡易な整流回路と制御回路を付加するだけで、一定温度以下でのＰＴＣヒータの発熱を略一定とすることができ、使用する電線やリレーの定格アンペアを必要以上に大きくしなくてもよくなる。

（実施形態１）
図１〜４は、本願の請求項１に対応した実施形態である電気式床暖房装置を示している。本実施形態の電気式床暖房装置の回路は、図１に示すように、交流電源１に接続された床暖房回路２と、床部３を加熱するＰＴＣヒータ５、６と、を備えている。交流電源１は、通常の商用周波の交流１００Ｖのものが使用される。交流電源１と床暖房回路２との間には、ブレーカ（図は省略）やスイッチ９が設けられている。床暖房回路２は、図１に示すように、交流電源１に直列に接続されているリレー１１と、この先の分岐点１０ａ、１０ｂで分岐して並列に接続されているダイオード７、８と、これらと並列に接続されているリレー１２、１３とを備えている。ここで、ダイオード７、８は、極性が互いに逆になるように接続されている。

また、被加熱部である床部３の例としては、通常の家庭用の床があげられる。この床部３には、加熱体であるＰＴＣヒータ５、６が埋め込まれている。また、床部３の温度をセンシングして、リレー１１〜１３のＯＮ／ＯＦＦを制御するための電気信号を発する温度センサ４も床部３に埋め込まれている。ここで、ＰＴＣヒータ５、６に、交流電源１から交流１００Ｖが印加されたときの、温度と電流値との関係は、図４のようになっている。具体的には、ＰＴＣヒータ５、６の実効電流値（以下、電流値と記載する）は、０℃で２０Ａ、１５℃で１０Ａ、３０℃で５Аとなっている。

以下に、この電気式床暖房装置の動作を説明する。ここでは、０℃以上１５℃未満を低温状態、１５℃以上３０℃未満を通常状態、３０℃以上を高温状態と呼ぶことにする。そして、本電気式床暖房装置の使用温度範囲は０℃以上３０℃以下とし、床部３の温度が３０℃以上になれば、ＰＴＣヒータ５、６への通電を停止するように設定する。以下に、低温状態である０℃で本実施形態の電気式床暖房装置のスイッチ９をＯＮして、高温状態へと移行するまでの動作を説明する。

まず、スイッチ９をＯＮすると、温度センサ４が、床部３の温度をセンシングして、その出力の電気信号によりリレー１１〜１３のＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、低温状態であるので、リレー１１をＯＮ、リレー１２、１３をＯＦＦにする。この状態では、ＰＴＣヒータ５、６にダイオード７、８を通して交流電源１の電圧が印加される。ここで、ダイオード７、８の極性は前述したように、逆向きとなっているので、ＰＴＣヒータ５、６には、逆位相の半波電圧が印加されて、図２（ｂ）、（ｃ）に示すような半波電流がそれぞれ流れる。したがって、ＰＴＣヒータ５、６の電流値は１０Аとなる。また、交流電源１の出力電流は、ＰＴＣヒータ５、６の電流を加えたものであるから、この電流波形は図２（ａ）に示すような全波電流となる。このときの交流電源１の出力の電流値は２０Аとなる。

次に、ＰＴＣヒータ５、６の発熱により、床部３の温度が上昇して、１５℃になったとき、温度センサ４の電気信号により、リレー１２、１３をＯＮに切り替える。こうすることにより、ＰＴＣヒータ５、６には、交流電源１の電圧が直接に印加され、図３（ｂ）、（ｃ）に示すような全波電流がそれぞれ流れる。このとき、ＰＴＣヒータ５、６を流れる電流値はそれぞれ、１０Ａとなり、交流電源１からの出力電流波形は、図３（ａ）に示すような全波電流となり、その電流値は２０Аとなる。つまり、低温状態の０℃と、通常状態の１５℃とで、ＰＴＣヒータの抵抗値が変化しても、交流電源１からの出力電流値は同じ値となる。したがって、本実施形態の電気式床暖房装置においては、交流電源１と分岐点１０ａ、１０ｂまでのブレーカ、スイッチ９、電線及びリレー１１は定格２０Аのものを、分岐点１０ａ、１０ｂからＰＴＣヒータ５、６までの電線及びリレー１２、１３は定格１０Аのものを使用すればよいことになる。なお、さらに、ＰＴＣヒータ５、６が発熱して、床部３の温度が３０℃になれば、温度センサ４の電気信号により、リレー１１をＯＦＦに切り替えて、ＰＴＣヒータ５、６に電圧が印加しないようにする。こうすることにより、過熱を防止して、床部３の温度を一定に保持できるようになっている。

本実施形態の電気式床暖房装置では、加熱部にＰＴＣヒータを用いていても、低温の時（例えば０℃）と通常の温度の時（例えば１５℃）とで、出力電流値を略同じとすることができる。したがって、この電気式床暖房装置で用いるブレーカ、スイッチ、リレーや電線は、必要以上に大きな定格アンペアのものを使用する必要がなくなる。

以上説明したように、本実施形態の電気式床暖房装置においては、所定温度以下ではＰＴＣヒータのそれぞれには半波整流した逆位相の電圧が印加され、また、所定温度以上ではそれぞれのＰＴＣヒータには全波電圧が印加される。このために、簡易な制御回路を付加するだけで、一定温度以下でのＰＴＣヒータの発熱を略一定とすることができ、使用する電線やリレーの定格アンペアを必要以上に大きくすることがなくなっている。

なお、本実施形態では、リレー１１〜１３として、電磁式のものを使用しているが、半導体式の無接点リレーを用いてもよい。特に、この種のリレーを用いることにより、スイッチング速度を速くして、長寿命化をはかることができる。

（実施形態２）
図４〜７は、本願の請求項２に対応した実施形態である電気式床暖房装置を示している。この実施形態の電気式床暖房装置の回路は、図５に示すように、交流電源１に接続された床暖房回路２と、床部３を加熱するＰＴＣヒータ５、６と、を備えている。本実施形態では、実施形態１と同様の部分については、説明を省略して両者の相違点について説明する。床暖房回路２は、図５に示すように、交流電源１から分岐点１０ａ、１０ｂで分岐して並列に接続されているダイオード７、８と、各々のダイオードと直列に接続されているリレー１５、１７と、これらと並列に接続されているリレー１４、１６と、を備えている。ここで、ダイオード７、８は、ＰＴＣヒータ５、６に対して極性が逆になるように接続されている。

また、入力端子２２、２３と出力端子２４、２５との間に波形検知回路２０が接続され、入力端子２６、２７と出力端子２８、２９との間に波形検知回路２１が接続されている。この波形検知回路２０、２１は、回路構成を図６に示すように、ＬＥＤ３１、フォトトランジスタ３２、低電圧部３３と、抵抗３４、３５とを備え、入力端子間の電圧に応じて低電圧部３３の電圧が信号電圧として出力されるようになっている。このものの信号電圧と入力端子２２、２３（２６、２７）の間の電圧との関係は、図７に示すように、入力端子間に電圧が印加されていない状態では、低電圧部３３の所定の電圧値を信号電圧として出力する。また、入力端子間に電圧が印加されている状態では、電圧が出力されない（つまり、０Ｖの信号電圧が出力される）機能を有している。この波形検知回路２０、２１は、光信号を介しているので、入出力端子と信号電圧発生部分とが絶縁されている。ここで、交流電源１、スイッチ９、床部３、温度センサ４、ＰＴＣヒータ５、６は、実施形態１と同じものを用いている。また、ＰＴＣヒータの温度と電流値との関係も、実施形態１と同じである。

以下に、この電気式床暖房装置の動作を説明する。実施形態１と同様に、０℃以上１５℃未満を低温状態、１５℃以上３０℃未満を通常状態、３０℃以上を高温状態と呼ぶことにする。また、本電気式床暖房装置の使用温度範囲は０℃以上３０℃以下とし、床部３の温度が３０℃以上になれば、ＰＴＣヒータ５、６への通電を停止するように設定する。以下に、低温状態である０℃で本実施形態の電気式床暖房装置のスイッチ９をＯＮして、高温状態へと移行するまでの動作を説明する。まず、スイッチ９がＯＮされると、温度センサ４が、床部３の温度をセンシングして、その電気信号によりリレー１４〜１７のＯＮ／ＯＦＦを制御する。まず、低温状態であるので、リレー１４、１６をＯＦＦにする。この状態では、信号検出回路２０の入力端子２２、２３間の電圧は図７（ａ）のようになり、この結果として、信号検出回路２０の出力信号は、図７（ｂ）のようになる。ここで、リレー１５は、信号検出回路２０の出力信号が０Ｖになるときのみに、ＯＮするように設定する。したがって、入力端子２２、２３間に電圧が印加されているときには、リレー１５がＯＮして、ＰＴＣヒータ５に交流電源１からの電圧が印加されて発熱する。また、入力端子２２、２３間に電圧が印加されていてない状態では、低電圧部３３の電圧が出力されて、リレー１５はＯＦＦとなる。このときは、ＰＴＣヒータ５に交流電源１からの電圧は印加されない。したがって、ＰＴＣヒータ５には、半波電圧が印加され、この電流波形は、実施形態１と同様に図２（ｂ）に示す半波電流になる。

また、信号検出回路２１とリレー１７との関係は、前記の信号検出回路２０とリレー１５との関係と同様であり、入力端子２６、２７間の電圧、信号検出回路２１の信号電圧、ＰＴＣヒータ６の電流波形は、それぞれ、図７（ｃ）、図７（ｄ）、図２（ｃ）のようになる。この結果として、このときの交流電源１の出力電流波形は、図２（ａ）のような電流値２０Аの全波電流となる。なお、リレー１５、１７は、各々のリレー端子間が０Ｖのときに開閉をしているので、接点がほとんど消耗することなく、動作することができる。

次に、ＰＴＣヒータ５、６の発熱により、床部３の温度が上昇して、１５℃になったとき、温度センサ４の電気信号により、リレー１４、１６をＯＮに切り替えて、逆にリレー１５、１７をＯＦＦに切り替える。こうすることにより、ＰＴＣヒータ５、６には、交流電源１の出力電圧が直接に印加されることになり、実施形態１と同様に、ＰＴＣヒータ５、６には、それぞれ図３（ｂ）、（ｃ）に示すような全波電流が流れる。このとき、同様に、ＰＴＣヒータ５、６を流れる電流値は１０Ａとなり、交流電源１からの出力電流値は２０Аとなる。

以上説明したように、本実施形態の電気式床暖房装置においても、実施形態１と同様に、低温状態の０℃と、通常状態の１５℃とで、ＰＴＣヒータの抵抗値は変化しても、交流電源１からの出力電流値は同じ値となる。したがって、本実施形態の電気式床暖房装置においては、交流電源と分岐点１０ａ、１０ｂまでのブレーカ、スイッチ９や電線等は定格２０Аのものを、分岐点１０ａ、１０ｂからＰＴＣヒータ５、６までの電線及びリレー１４〜１７は定格１０Аのものを使用すればよいことになる。

さらに、本実施形態では、ＰＴＣヒータ５、６が発熱して、床部３の温度が３０℃になれば、温度センサ４の電気信号により、リレー１４〜１７をすべてＯＦＦに切り替えて、ＰＴＣヒータ５、６に電圧が印加しないようにする。こうすることにより、ＰＴＣヒータ５、６の過熱を防止して、床部３の温度が一定に保持できるようになっている。このように、本実施形態で使用されているリレー１４〜１７には、最大時でも１０Ａの電流値しか流れない。したがって、使用する全部のリレーの定格アンペアを小型とすることができる。

加えて、本実施形態では、リレー１５、１７は、０ＶでＯＮ／ＯＦＦを切り替えているので、接点の磨耗が少なくなり、これらのリレーについては、長寿命とすることができる。

（比較例）
図９は、比較例である電気式床暖房装置を示している。このものの回路は、実施形態１と略同様であるが、本願発明の特徴であるダイオード及びリレーが接続されていない。具体的には、図９に示すように、分岐点１０ａ、１０ｂから直接にＰＴＣヒータ５、６が接続されている。ここで、交流電源１、スイッチ９、床部３、温度センサ４、ＰＴＣヒータ５、６は、実施形態１と同じものを用いている。また、ＰＴＣヒータの温度と電流値との関係も、実施形態１と同じである。

以下に、この電気式床暖房装置の動作を説明する。この比較例の電気式床暖房装置では、スイッチ９をＯＮすれば、温度センサ４が床部３の温度をセンシングして、３０℃未満ならリレー１１をＯＮし、３０℃以上ならリレー１１をＯＦＦする。したがって、床部３が３０℃未満では、ＰＴＣヒータ５、６に交流電源１の全波電圧が直接に印加されることになる。この状態では、ＰＴＣヒータ５、６及び交流電源１の電流波形は、全波電流となり、交流電源１の電流値は、ＰＴＣヒータ５、６各々の２倍となる。したがって、０℃でのＰＴＣヒータ５、６の電流値は２０Аとなり、交流電源１の出力電流値は４０Аとなる。また、１５℃でのＰＴＣヒータ５、６の電流値は１０Аとなり、交流電源１の出力電流は２０Аとなる。以上により、交流電源と分岐点１０ａ、１０ｂまでの電線及びリレー１１は定格４０Аのものを、分岐点１０ａ、１０ｂからＰＴＣヒータ５、６までの電線は定格２０Аのものを使用しなければならないことになる。

以上より、実施形態１、２の電気式床暖房装置と通常状態での発熱を同じに設計すると、使用するブレーカ、スイッチ、リレー及び電線の定格アンペアが２倍のものを使用する必要がある。この結果として、本願発明の実施形態１、２の電気式床暖房装置では、この比較例で使用するリレー、電線等の電気部品よりも定格アンペアの小さいものを使用することができる。

本願発明の実施形態１の電気式床暖房装置の回路構成図である。 本願発明の実施形態１の電気式床暖房装置の低温時の電流波形である。 本願発明の実施形態１の電気式床暖房装置の通常時の電流波形である。 一定電圧を印加したときのＰＴＣヒータの温度と電流値を示すグラフである。 本願発明の実施形態２の電気式床暖房装置の回路構成図である。 本願発明の実施形態２の波形検知回路の回路図である。 本願発明の実施形態２の波形回路の信号電圧波形である。 従来例の電気式床暖房装置の回路構成図である。 別の従来例の電気式床暖房装置の回路構成図である。

符号の説明

１ 交流電源
２ 床暖房回路
３ 床部（被加熱部）
４ 温度センサ
５、６ ＰＴＣヒータ
７、８ダイオード
９ スイッチ
１１〜１７ リレー
２０、２１ 波形検知回路
３１ ＬＥＤ
３２ フォトトランジスタ
３３ 低電圧部
３４、３５ 抵抗

Claims (3)

1. 交流電源に並列に接続される一対のＰＴＣヒータと、被加熱部の温度をセンシングする温度センサと、前記温度センサの電気信号によって前記ＰＴＣヒータのＯＮ／ＯＦＦを制御するリレーと、を有してなる電気式床暖房において、前記ＰＴＣヒータのそれぞれに半波整流した逆位相の電圧を印加することを特徴とする電気式床暖房装置。
2. 前記ＰＴＣヒータに印加する電圧を、前記温度センサの電気信号によって半波電圧と全波電圧とに切り替えることができることを特徴とする請求項１記載の電気式床暖房装置。
3. 前記交流電源と各々の前記ＰＴＣヒータとの間に直列にダイオードとリレーをそれぞれ設け、前記リレーの端子電圧が０ＶのときにＯＮ／ＯＦＦの切替えをすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電気式床暖房装置。
   
   

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