JP2011153746A - 輻射暖房パネルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】パネルに温度センサを要せずともパネル表面温度を室温に応じた所定の温度や予め設定された温度になるよう自動的に略一定に保持して運転することができる輻射暖房パネルシステムを提供する。
【解決手段】壁４５または天井４６に取り付けて使用され、正温度係数をもつ発熱量特性を有する面状発熱体５が内部に設けられた輻射暖房パネル２と、面状発熱体５に通電される電流値を検知する電流検知手段と、面状発熱体５に連続的に通電する立上げ運転モードを開始し、輻射暖房パネル２のパネル表面温度が予め設定された温度まで上昇したことを、電流検知手段により検知した電流値により面状発熱体５の発熱量特性に基づいて判別した後、立上げ運転モードから、面状発熱体５に通電と通電停止とを繰り返す間欠運転モードに切り換えるパネル温度制御手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、輻射暖房パネルシステムに関するものである。

従来、住宅の壁パネルに暖房用ヒータを内蔵した暖房壁構造が知られている（特許文献１、２参照）。また特許文献２には、暖房用ヒータとしてＰＴＣヒータを用いることが記載されている。

特開２００３−４２４６４号公報 実用新案登録第３１４２４５３号公報

しかしながら、特許文献２の暖房壁構造で用いられるＰＴＣヒータは正温度係数をもつ発熱量特性を有し、温度に応じて抵抗値が変わる特性があるため、暖房を始める際に生じるヒータの突入電流が大きくなる。

また、立上げ運転の終了後には、パネル表面の温度を略一定とする定常運転に移行する必要がある。

そして定常運転時にヒータの温度を略一定に保持する点等も考慮すると、パネル表面温度を検知するための温度センサをパネルに設置する必要があるが、部品点数が増えるという問題点があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、パネルに温度センサを要せずともパネル表面温度を室温に応じた所定の温度や予め設定された温度になるよう自動的に略一定に保持して運転することができる輻射暖房パネルシステムを提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の輻射暖房パネルシステムは、壁または天井に取り付けて使用され、正温度係数をもつ発熱量特性を有する面状発熱体が内部に設けられた輻射暖房パネルと、面状発熱体に通電される電流値を検知する電流検知手段と、面状発熱体に連続的に通電する立上げ運転モードを開始し、輻射暖房パネルのパネル表面温度が予め設定された温度まで上昇したことを、電流検知手段により検知した電流値により面状発熱体の発熱量特性に基づいて判別した後、立上げ運転モードから、面状発熱体に通電と通電停止とを繰り返す間欠運転モードに切り換えるパネル温度制御手段とを備えることを特徴とする。

第２に、上記第１の輻射暖房パネルシステムにおいて、室温を検知する室温検知手段を備え、パネル温度制御手段は、室温に対応して予め設定された間欠運転モードにおける通電時間および通電停止時間に基づいて、立上げ運転モードの開始前に室温検知手段により検知した室温に対応する通電時間および通電停止時間により間欠運転モードにおける通電を制御し、パネル表面温度を室温に応じた所定の温度になるよう略一定に保持することを特徴とする。

第３に、上記第１の輻射暖房パネルシステムにおいて、パネル温度制御手段は、間欠運転モードにおいて一定の通電停止時間を設定し、通電停止後に再度通電を開始した際に、電流検知手段により面状発熱体の電流値を検知し、電流値が予め設定されたパネル表面温度に対応する規定値以上である場合には通電を継続し、電流値が当該規定値を下回る場合には、一定の通電停止時間の間再度通電を停止し、以上の制御を繰り返し行うことで、パネル表面温度を予め設定されたパネル表面温度になるよう略一定に保持することを特徴とする。

第４に、上記第３の輻射暖房パネルシステムにおいて、さらに室温を検知する室温検知手段を備え、パネル温度制御手段は、室温に対応して予め設定された間欠運転モードにおける一定の通電停止時間に基づいて、立上げ運転モードの開始前に室温検知手段により検知した室温に対応する一定の通電停止時間を設けて間欠運転モードにおける通電を制御することを特徴とする。

上記第１の発明によれば、パネル表面温度が予め設定された温度まで上昇したことを、面状発熱体の発熱量特性に基づいて判別することにより、立上げ運転モードから定常的な間欠運転モードに切り換えるようにしている。従って、パネル表面温度を検知するための温度センサを要せずとも、室温に応じて立上げ運転の時間、すなわち面状発熱体に連続的に通電する時間を自動的に最短にすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、温度センサがパネルに不要になるため、部品点数が少なくて済み低コスト化も図ることができる。

上記第２の発明によれば、間欠運転モードにおける通電時間および通電停止時間を室温に対応して予め設定しておき、これに基づいて、立上げ運転モードの開始前に検知した室温に対応する通電時間および通電停止時間により間欠運転モードにおける通電を制御している。従って、上記第１の発明の効果に加え、面状発熱体の温度を略一定に保つことができるので、面状発熱体の近傍にあるパネル表面の温度を室温に応じた所定の温度になるように、自動的に略一定に保持することができる。

上記第３の発明によれば、間欠運転モードにおいて一定の通電停止時間を設定しておき、通電停止後に再度通電を開始した際に、面状発熱体の電流値が予め設定されたパネル表面温度に対応する規定値以上である場合には通電を継続し、電流値が当該下限値を下回る場合には、一定の通電停止時間の間再度通電を停止するようにしている。従って、上記第１の発明の効果に加え、面状発熱体の温度を略一定に保つことができるので、面状発熱体の近傍にあるパネル表面の温度を予め設定された所定の温度になるように、自動的に略一定に保持することができる。

上記第４の発明によれば、室温に対応して予め設定された間欠運転モードにおける一定の通電停止時間に基づいて、立上げ運転モードの開始前に室温検知手段により検知した実際の室温に対応する一定の通電停止時間を設けて間欠運転モードにおける通電を制御するようにしている。従って、室温に応じてパネル表面温度を自動的に略一定にすることができる。

本発明の第１の実施形態における輻射暖房パネルシステムの全体を示した概略図である。 輻射暖房パネルシステムの輻射暖房パネルを示す分解斜視図である。 輻射暖房パネルにおける電気接続部が設けられた側端部周辺の拡大図である。 輻射暖房パネルシステムを住宅の室内に施工した状態の例を示した図である。 ＰＴＣヒータの温度−発熱量特性を示した図である。 本発明の第１の実施形態における輻射暖房パネルシステムのコントローラによるパネル表面温度の制御方法を示すフローチャートである。 立上げ運転モードから間欠運転モードに至るパネル表面温度の推移を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態における輻射暖房パネルシステムのコントローラによるパネル表面温度の制御方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
以下、図１から図４を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態の輻射暖房パネルシステム１は、輻射暖房パネル２と、輻射暖房パネル２のパネル表面温度を制御するコントローラ３とを備えている。

輻射暖房パネル２は、例えば、図１および図４に例示するように住宅の室内の壁４５、または図４に示すように天井４６に、１枚で、または複数枚を並列して取り付けられる。

輻射暖房パネル２は、図２に示すように、矩形状のパネル本体４と、パネル本体４の内部に組み込まれた面状発熱体５とを備えている。

パネル本体４は、基材１０と、断熱材１６ａ、１６ｂと、表面板１８とを備えている。

基材１０は、保形性を有する硬質発泡樹脂等の樹脂や、木材等を材料とする枠体１２と、その背後に裏打ちされる背面板１１とが一体に、あるいは別体で構成されている。

断熱材１６ａ、１６ｂは、基材１０の背面板１１と枠体１２とから構成される空間の凹み部１３内に嵌め込まれる。断熱材１６ａ、１６ｂのうち、背面側に位置する断熱材１６ａはウレタン樹脂等による補強用断熱層として機能し、表面側に位置する断熱材１６ｂは、真空断熱材からなる軽量断熱層として機能する。

なお、基材１０と補強用断熱層としての断熱材１６ａとを別体で構成する以外に、一体に構成することも可能である。

面状発熱体５は、パネル本体４の断熱材１６ｂと表面板１８との間に介挿される。面状発熱体５として、本実施形態では、正温度係数をもつ発熱量特性を有するＰＴＣヒータを用いている。

なお、面状発熱体５の数は図２のような２つに限らず、１つの大面積のもの、あるいは３つ以上の小面積のものであってもよいし、図示はしていないが、不要な場合には一方のみに面状発熱体５を入れ、他方は面状発熱体５と同様の厚みを持つ板体を介挿してもよい。

パネル本体４の短辺側の一方の側端部４ａには、図３に示すように、表面板１８の側端部１８ａが基材１０を構成する枠体１２の側端部１２ａよりも外方に突出しているとともに、背面板１１の側端部１１ａは表面板１８の側端部１８ａとほぼ重なるように配置されている。

さらにパネル本体４の側端部４ａには、配線用空間部２０が形成されている。この配線用空間部２０は、側端部４ａと略直交する方向および側端部４ａと隣接する両側の長辺側の側端部４ｂ、４ｂにそれぞれ開放されている。なお、図２および図３の矢印Ａ、Ｂ、Ｂは側端部４ａの開放方向を示している。これにより、例えば複数枚のパネル本体４の側端部４ｂ、４ｂ同士を互いに隣接して並列配置した場合には、各パネル本体４の配線用空間部２０が一直線上に連続するようになっている。

配線用空間部２０には、ＶＶＦ電線等の外部電源供給用の渡り配線２５が納められる。配線用空間部２０の中央部には、パネル本体４の内側に向けて凹むように収納凹所２１が形成されている。この収納凹所２１は、パネル本体４の電気接続部を構成する中継器３０を出し入れ可能に収納するものであり、中継器３０を収納凹所２１と配線用空間部２０との間で引き出し自在となっている。

配線用空間部２０における収納凹所２１を挟んだ両側の位置には、パネル本体４の内側に向けて凹むように余剰配線収納部２３が設けられており、配線用空間部２０に沿って配線される渡り配線２５の余剰部分２５ａが収納可能とされている。

パネル本体４内の面状発熱体５は、中継器３０に電気的に接続されている。また、基材１０を構成する枠体１２の側端部１２ａに設けた配線溝１４を介して、基材１０の面状発熱体５等を収納する図１の凹み部１３と収納凹所２１とが互いに連通しており、この配線溝１４に沿って面状発熱体５からの給電線６が通線され、給電線６の先端に設けたコネクタ７が収納凹所２１内に収納された中継器３０の後端の接続部に接続されている。

この給電線６は中継器３０の引き出し時に追随して引き出され、中継器３０の押し込み時には無理なく押し込まれるように構成されている。

中継器３０を収納する収納凹所２１の近傍には、図３に示すように、中継器３０に接続される渡り配線２５のコネクタ２６、２７のそれぞれの形状に合わせたコネクタ嵌合凹部２２が設けられている。このコネクタ嵌合凹部２２は、中継器３０に対してコネクタ２６、２７を確実に接続した場合にのみコネクタ２６、２７がコネクタ嵌合凹部２２に嵌合可能とされ、これにより不完全な接続を防止するようにしている。

以上のような構成を備えた輻射暖房パネル２を図１および図４に示すように壁４５または天井４６の一部に取り付ける際には、例えば、図４に示すように複数の輻射暖房パネル２を並列して天井４６に配置する場合を例にして説明すると、次のようにして行うことができる。

まず、各パネル本体４を取付面上に固定ビスで固定し、その後、各パネル本体４の中継器３０に対して室内側から配線作業を行う。すなわち、配線用空間部２０を介して中継器３０を収納凹所２１から引き出した状態で、中継器３０の片面の接続部に渡り配線２５のコネクタ２６、２７を接続する。この要領で、各パネル本体４のそれぞれの中継器３０に対して渡り配線２５を順次接続していく。

最後に、パネル本体４の配線用空間部２０に、図１に示すように廻り縁となる端部カバー３５を被せて作業を完了する。

また、図１に示すコントローラ３とその操作パネル３ａや、室温を検知する室温検知手段としてのサーミスタ（図示せず）、電源配線４０等も設置し、図１に示すような輻射暖房パネルシステム１とされる。

なお、コントローラ３は、使用者のための操作パネル３ａと、その他、図示はしないが、図６に示すようなアルゴリズムや設定等の所定のデータを格納するメモリ等を含む、パネル温度制御手段としてのマイクロコンピュータ等を備えている。また、面状発熱体５に通電される電流値を検知する電流検知手段を備えている。電流検知手段は、電流を測定するための公知の電流センサを操作パネル３ａ内の回路の途中に設けることで行うことができる。

コントローラ３の操作パネル３ａは、通電（ＯＮ）と通電停止（ＯＦＦ）とを操作するＯＮ／ＯＦＦスイッチ、パネル表面温度設定切換スイッチ、室温センサ等を備えている。また、パネル本体４の枚数を設定し消費電流測定値を１枚当たりに換算する負荷容量設定スイッチ等を備えている。

以上に説明したような輻射暖房パネルシステム１は、図１のコントローラ３により次のようにして運転制御される。

まず、面状発熱体５の発熱量特性について説明する。面状発熱体５には、ＰＴＣヒータを用いている。ＰＴＣヒータは、チタン酸バリウム（BaTiO₃）等の半導体セラミックやカーボンブラック等を材料とし、例えば、リレーによる周期的通電制御、トライアック等による電源位相制御等の出力制御が適用できる。

本実施形態で用いる面状発熱体５の温度−発熱量特性を表１および図５に示す。

なお、表１の発熱量係数および抵抗値係数は、２０℃を１．００とした温度別係数を示す。このように面状発熱体５のＰＴＣヒータは正温度係数（Positive Temperature Coefficient）をもつ発熱量特性を有している。発熱量特性は面状発熱体５の材料によりほぼ一定であり、発熱量は面状発熱体５の大きさや発熱密度により設定できる。

この面状発熱体５は、室温＝発熱体温度が０℃のとき、発熱量（消費電力）は７５０Ｗであり、温度上昇するとともに発熱量が低下し、２０℃のときは６００Ｗ、４０℃のときは３８０Ｗとなる。

本実施形態では、この面状発熱体５の発熱量特性に基づいて、コントローラ３の検知手段により検知した面状発熱体５の電流値によりパネル表面温度を特定し、次のようにして輻射暖房パネルシステム１の運転制御を行うようにしている。

図６は、本実施形態の輻射暖房パネルシステム１のコントローラ３によるパネル表面温度の制御を工程順に示すフローチャート、図７は、立上げ運転モードから間欠運転モードに至るパネル表面温度の推移を示すグラフである。

図６に示すように、電源を投入して運転を開始した後（Ｓ１）、まずコントローラ３の室温検知手段により室温を検知する（Ｓ２）。

そして、検知した室温に応じて立上げ運転モードを開始するか否かを判別する（Ｓ３）。本実施形態では、室温が３０℃未満の場合は、立上げ運転モードを開始する（Ｓ４）。また、室温が３０℃以上の場合には、夏季と判断して暖房を行わずに運転を停止する（Ｓ８）。

室温が３０℃未満の場合には、立上げ運転モードを開始するとともに、コントローラ３は、間欠運転モードの設定を行う。すなわち、コントローラ３には室温に対応して予め間欠運転モードにおける通電時間および通電停止時間が設定されている。そして、この設定に基づいて、コントローラ３の室温センサにより検知した実際の室温に対応する通電時間および通電停止時間を設定する。

本実施形態では、室温に対応して間欠運転モードにおける通電時間および通電停止時間が予め次のように設定されている。

このように、室温が低いほど通電時間を長くし通電停止時間を短くするようにしている。コントローラ３の室温センサにより検知した実際の室温を考慮して、間欠運転モードにおける通電時間および通電停止時間の設定は、例えば３３〜４１℃となるように温度別に設定される。

一方、消し忘れ防止時間（Ｓ６）の基準時として総運転時間のカウントを開始する（Ｓ４）。

次に、輻射暖房パネル２のパネル表面温度が予め設定された温度まで上昇したか否かを、検知手段により検知した電流値により面状発熱体５の発熱量特性に基づいて判別する（Ｓ５）。

本実施形態では、コントローラ３にて電流値を測定し、電源投入時からの輻射暖房パネル２の立上げ温度（パネル表面温度）を４０℃に設定している。この場合、図５に示す発熱量特性も考慮すると、「３８０Ω／印加電圧」に相当する電流値に低下した時点で立上げ運転を終了し、間欠運転モードに切り換える（Ｓ６）。

間欠運転モードでは、上記のように設定した、運転開始前の室温に対応する通電時間および通電停止時間により、面状発熱体５に通電と通電停止とを繰り返す。

図７は、電源投入時からのパネル表面温度の時間推移を示す。なお、図中の点線は１００％連続運転をした場合を参考として示したものであり、また下線を引いた時間はパネル表面温度が４０℃に到達するまでの時間を示す。また、輻射暖房パネル２のパネル表面温度≒面状発熱体５の表面温度と仮定している。

このようにして、間欠運転モードによりパネル表面温度を略一定に保持しながら定常運転を行う。そして、予め設定された、安全や浪費防止等のための消し忘れ防止時間に到達した場合には（Ｓ７）、運転を停止する（Ｓ８）。

なお、Ｓ３において室温が３０℃以上の場合であっても、３０℃以下になった場合は運転再開と判断し、パネル表面温度が４０℃に到達した時点で間欠運転モードに移行する。
（第２の実施形態）
本実施形態では、輻射暖房パネルシステム１における輻射暖房パネル２の構成やコントローラ３の装置構成は上記の第１の実施形態と同様である。一方、本実施形態では、コントローラ３によるパネル表面温度の制御を図８のフローチャートに示すように行っている。

すなわち図８に示すように、電源を投入して運転を開始した後（Ｓ１）、まずコントローラ３の室温検知手段により室温を検知する（Ｓ２）。

そして、検知した室温に応じて立上げ運転モードを開始するか否かを判別する（Ｓ３）。本実施形態では一例として、室温が３０℃未満の場合は、立上げ運転モードを開始する（Ｓ４）。また、室温が３０℃以上の場合には、夏季と判断して暖房を行わずに運転を停止する（Ｓ８）。

室温が３０℃未満の場合には、立上げ運転モードを開始するとともに、コントローラ３は、間欠運転モードの設定を行う。すなわち、コントローラ３には室温に対応して予め間欠運転モードにおける通電停止時間が設定されている。そして、この設定に基づいて、コントローラ３の室温センサにより検知した実際の室温に対応する通電停止時間を設定する。

通電停止時間の設定は、検知した室温に基づいて例えば次のようにして行うことができる。

通電停止時間をコントローラ３により自動制御で設定する場合、例えば次のように設定することができる。

また、通電停止時間を使用者の選定により設定する場合、レベル別に例えば次のように設定することができる。

コントローラ３の室温センサにより検知した実際の室温を考慮して、間欠運転モードにおける通電停止時間の設定は、例えば３３〜４１℃となるように温度別に設定される。

一方、消し忘れ防止時間（Ｓ１１）の基準時として総運転時間のカウントを開始する（Ｓ４）。

次に、輻射暖房パネル２のパネル表面温度が予め設定された温度まで上昇したか否かを、電流検知手段により検知した電流値により面状発熱体５の発熱量特性に基づいて判別する（Ｓ５）。

本実施形態では、電源投入時からの輻射暖房パネル２の立上げ温度（パネル表面温度）を４０℃に設定している。この場合、第１の実施形態と同様に、図５に示す発熱量特性も考慮すると、「３８０Ω／印加電圧」に相当する電流値に低下した時点で立上げ運転を終了する。

立上げ運転を終了後、間欠運転モードに移行するが、まず、上記において設定した通電停止時間の間、面状発熱体５への通電を停止する（Ｓ６）。

通電停止時間が終了した後（Ｓ７）、面状発熱体５への通電を開始する（Ｓ８）。そして、検知手段により面状発熱体５の電流値を検知しながら、電流値が予め設定されたパネル表面温度に対応する規定値以上である場合には通電を継続する（Ｓ９、Ｓ１０）。一方、電流値が当該規定値を下回る場合には、図８のＳ６に戻り、一定の通電停止時間の間再度通電を停止し、以上に説明した工程を繰り返し行う。このようにして、パネル表面温度を略一定に保持するようにしている。

本実施形態では、パネル表面温度についてコントローラ３において上限値および下限値を設定しておき、電流値が予め設定されたパネル表面温度の下限値に対応する値以上である場合には、冷めていると判断して通電を継続する（Ｓ９）。一方、当該値未満の場合には、Ｓ１０に進み、電流値が予め設定されたパネル表面温度の上限値に対応する値以上である場合には、まだ暖まっていないと判断して通電を継続する。一方、当該値未満の場合には、十分に暖まっていると判断してＳ６に戻り、通電を一定時間停止する。

以上の制御を繰り返し行うことで、間欠運転モードによりパネル表面温度を略一定に保持しながら定常運転を行うようにしている。そして、Ｓ１０において通電を継続する際に、予め設定された、安全や浪費防止等のための消し忘れ防止時間に到達している場合には（Ｓ１１）、運転を停止する（Ｓ１２）。

以上のように、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において各種の変更が可能である。

１ 輻射暖房パネルシステム
２ 輻射暖房パネル
５ 面状発熱体
４５ 壁
４６ 天井

Claims (4)

1. 壁または天井に取り付けて使用され、正温度係数をもつ発熱量特性を有する面状発熱体が内部に設けられた輻射暖房パネルと、面状発熱体に通電される電流値を検知する電流検知手段と、面状発熱体に連続的に通電する立上げ運転モードを開始し、輻射暖房パネルのパネル表面温度が予め設定された温度まで上昇したことを、電流検知手段により検知した電流値により面状発熱体の発熱量特性に基づいて判別した後、立上げ運転モードから、面状発熱体に通電と通電停止とを繰り返す間欠運転モードに切り換えるパネル温度制御手段とを備えることを特徴とする輻射暖房パネルシステム。
2. 室温を検知する室温検知手段を備え、パネル温度制御手段は、室温に対応して予め設定された間欠運転モードにおける通電時間および通電停止時間に基づいて、立上げ運転モードの開始前に室温検知手段により検知した室温に対応する通電時間および通電停止時間により間欠運転モードにおける通電を制御し、パネル表面温度を室温に応じた所定の温度になるよう略一定に保持することを特徴とする請求項１に記載の輻射暖房パネルシステム。
3. パネル温度制御手段は、間欠運転モードにおいて一定の通電停止時間を設定し、通電停止後に再度通電を開始した際に、電流検知手段により面状発熱体の電流値を検知し、電流値が予め設定されたパネル表面温度に対応する規定値以上である場合には通電を継続し、電流値が当該規定値を下回る場合には、一定の通電停止時間の間再度通電を停止し、以上の制御を繰り返し行うことで、パネル表面温度を予め設定されたパネル表面温度になるよう略一定に保持することを特徴とする請求項１に記載の輻射暖房パネルシステム。
4. 室温を検知する室温検知手段を備え、パネル温度制御手段は、室温に対応して予め設定された間欠運転モードにおける一定の通電停止時間に基づいて、立上げ運転モードの開始前に室温検知手段により検知した室温に対応する一定の通電停止時間を設けて間欠運転モードにおける通電を制御することを特徴とする請求項３に記載の輻射暖房パネルシステム。