JP2012002486A - 電気式床暖房用の電気回路 - Google Patents

Abstract

【課題】突入時のみならず、突入から一定時間経過した後の安定時にも電流上限閾値を設けることにより、集合住宅においても運転を停止することなく運用することができる電気式床暖房用の電気回路を提供することを目的とするものである。
【解決手段】
１）この発明の電気式床暖房用の電気回路は、電気式床暖房のコントローラの制御回路に、突入から一定時間経過した後の安定時の電流上限閾値を設けたことを特徴とするものである。
２）この発明の電気式床暖房用の電気回路は、前記電気式床暖房用の電気回路において、電流上限閾値を越えた場合には発熱抵抗体への通電面積を自動的に減らす手段を内蔵させ、それによって幹線の電気容量を抑制する機能を持つようにしたことをも特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

発熱抵抗体の消費電力を監視し、電流設定上限閾値を超えた場合は、通電面積を減じる床暖房用電気回路を備えた床暖房用コントローラ（応用製品）を提供しようとするものであって、突入時、安定時（ある一定時間後の切り替えが可能）、及び、安定時間切り替え時間の３つのパラメータを持ち、これらのパラメータの組み合わせはソフトウェアにて任意設定可能であり、これらをＣＰＵが比較・演算することで電気設計が安全に過大投資することなく、省エネ・省コストにつながる電気式床暖房用の電気回路に関するものである。

従来、一般的には電気式床暖房用の電気回路においては突入時が最大電気容量となり、この最大電気容量を基準として床暖房専用分岐ブレーカ（ＮＦＢ）や家全体の電力会社とのアンペアブレーカ契約が決定されてきた。
これに従えば、発熱抵抗体の種類によっては設備的に過大な電気容量の契約が必要で、基本料金も高くなっていた場合があった。特に、発熱抵抗体がＰＴＣ特性を有するものである場合は、安定時の要求電流が突入時の約半分程度に低下する反面、突入時の過大な電流のため、一般的なコントローラでは過大な契約が事実上必要であった。

すでに、本発明者はこの欠点を解析し、突入時には交互通電で発熱抵抗体を暖め、抵抗値の増大と共に消費電力が低下することを応用し、順次通電面積を増大させることによって大きい面積の発熱抵抗体が敷設できるコントローラを開発し、特許を申請中である（特願２００８−２５５８０６号＼特開２０１０−８６８３４号公報：特許文献１参照）。
このコントローラでは戸建住宅等の場合、突入から一定時間経過した後の安定時の定格消費電力が低下することから上述のような問題を認めていない。

一方、集合住宅においては通電率のモードや発熱抵抗体のＰＴＣ曲線特性の公差等により、突入時が必ずしも安定時より負荷が大きいわけではない場合が存在する。従来、突入時は各顧客の電気式床暖房システムが一斉に投入される訳ではなく、いわば負荷の分散が行われた形式であったが、床暖房使用期間中（冬季）の場合は各顧客が恒常的に常時床暖房システムを稼動させるために常用負荷となり、負荷の分散が行えないのでこれに対応した電気容量を確保するため、幹線の容量を大きくしたり、場合によっては受電設備であるキュービクルを大きなサイズに変えたり、またそれに伴う設置場所の確保が必要であった。
また、個別の電気契約においても電力会社との間では電気容量の格上げが基本料金に跳ね返ってきてしまう結果となっていた。

特開２０１０−８６８３４号公報

以上の問題を解消する方策としては、突入時のみならず、突入から一定時間経過した後の安定時にも電流上限閾値を設けることが考えられ、本発明者が鋭意研究した結果、前記方策でこれらの問題を一掃することが可能であることが判明した。
これらは実際には床暖房用コントローラの中で電流を検知する変流器のハードウェアと、これらの電流上限閾値を設定し、さらにこれらをリアルタイムで常時比較・演算し、設定閾値を超える場合は、物理的な通電面積を減じるソフトウェアの組み合わせによって実現される。
前記電流上限閾値パラメータ組み合わせパターンは、ＣＰＵのメモリーの容量によって決定されるが、基本的には、突入時の電流上限閾値、安定時（ある一定時間後）の電流上限閾値、並びに一定時間の３パラメータの組み合わせとし、顧客が確保できる電源容量等の大きさにより任意に組み合わせることを可能とした。
このことで、確実に設計電源容量を超えることがなく、万一、越えた場合でも物理的に発熱抵抗体への通電面積を減じることで、大きい面積の発熱抵抗体の敷設を行うことが可能となる。

従来、この種の過剰負荷が発生した場合においてシビアな電源管理を必要としない電気製品の場合は、ホームオートメーション機能（日本電機工業会のＪＥＭ−Ａ規格：製品はパナソニック電工株式会社ほか）により運転を一時的に停止し、負荷が軽減された時点で再度運転を行う方式があるが、この場合は運転が一時的に停止してしまうので、顧客はその間、我慢を強いられることになるが、今回の場合は運転が一時的に停止することなく、モードを低減するだけで運転継続が可能であるという大きなメリットがある。

この発明は、突入時のみならず、突入から一定時間経過した後の安定時にも電流上限閾値を設けることにより、集合住宅においても運転を一時的に停止することなく運用することができる電気式床暖房用の電気回路を提供することを目的とするものである。

すなわち、この発明の電気式床暖房用の電気回路は、電気式床暖房のコントローラの制御回路に、突入から一定時間経過した後の安定時の電流上限閾値を設けたことを特徴とするものである。

この発明の電気式床暖房用の電気回路は、前記電気式床暖房用の電気回路において、電流上限閾値を越えた場合には発熱抵抗体への通電面積を自動的に減らす手段を内蔵させ、それによって幹線の電気容量を抑制する機能を持つようにしたことをも特徴とするものである。

この発明の電気式床暖房用の電気回路は、前記電気式床暖房用の電気回路において、電流を感知する変流器（ＣＴ）と突入時および突入から一定時間経過した後の安定時の電流上限閾値、突入から一定時間経過した後の安定時の作動時間のパラメータを決定する制御回路をコントローラに内蔵させ、前記パラメータを設定することで任意の範囲の電流上限閾値を組み合わせることができるようにしたことをも特徴とするものである。

したがって、一般的な突入時の発熱抵抗体の負荷電流を監視するほかに、突入から一定時間経過した後の安定時の、言わば定格消費電力（電流）に電流上限閾値を設けることにより、上限閾値を上回る発熱抵抗体からの電気的負荷が発生した場合でも、物理的に通電面積を減じる対策が施されているので、他の外部デバイスによる電気床暖房システムの一時的停止や自動復帰を行うことなく、床暖房システムの運転を継続できるコントローラシステムが提供できる。
また、外部デバイスを設置する費用の低減にも役立つ。

これらは、実際に電気回路において負荷電流を検知する変流器（ＣＴ）のハードウェアと、突入時、および突入から一定時間経過した後の安定時の負荷電流のパラメータ、並びに突入から一定時間経過した後の安定時の作動時間のパラメータを決定し、ＣＰＵにて変流器（ＣＴ）からの計測データと設定上限閾値をリアルタイムに比較・演算することで実現することができ、なおかつ、これらのパラメータは自由に組み合わせることができる。
したがって、最小限の電流で大きな敷設面積を確保できる電気式床暖房システムの構築が可能である。電流上限閾値を越えた場合には発熱抵抗体への通電面積を自動的に減らすことを可能とする基本技術は、発明者の上記特許申請中の時間差回路別通電機構に依存するが、さらに複数の電流上限閾値を設けることで、床暖房システムが安全・確実に設計することができ、しかもあまり大きくない電気容量内で稼動できるシステムを構築することが可能となる。

第１の発明においては、発熱体抵抗体からの負荷を常時監視、演算するよう電気回路を構成した。したがって、限られた電流で床暖房発熱抵抗体の特性を活かした最大敷設が可能となる。
第２の発明においては、突入から一定時間経過した後の安定時の電流が電流上限閾値を越えた場合には、発熱抵抗体への通電面積を自動的に減らす手段を内蔵させ、それによって幹線の電気容量を抑制する機能を持つようにした。
第３の発明においては、上述の電気回路を応用するため、電流上限閾値を２段階に設定できるようにしたものである。すなわち、突入時と突入から一定時間経過した後の安定時の電流上限閾値のパラメータ、および突入から一定時間経過した後の安定時の作動時間の３つのパラメータである。これらのパラメータは任意の組み合わせが可能で、設計電流の大きさによる顧客ニーズの多様化に十分答えるだけの機能を持っている。

したがって従来はほとんど突入時を問題にしていたが、コントローラと組み合わされる発熱抵抗体の種類によっては、突入時のみならず突入から一定時間経過した後の安定時の定格消費電力が問題であり、特に集合住宅では、突入は各住戸バラバラであっても、床暖房使用期間中においては突入から一定時間経過した後の安定時は平常の負荷となり、幹線容量の設計増大化やそれに対応した受電設備のキュービクル等の大きさや設置等が必要であったが、安定時の電流上限閾値を設けることで設備の低減化を図れるようになった。

従来は、一つのパラメータのみによる電流を監視していたが、特に集合住宅においては、安定時の幹線容量の確保が課題であり、本発明の電気式床暖房用の電気回路はこのような課題に対応することが可能である。すなわち、この回路により顧客の家全体で過電流が要求された場合でも床暖房システム全体を一時的に停止させることなく、弱モードで運転を安定的に継続できることが可能であり、省エネ、省コスト、契約電気容量の低減化に大いに貢献できる。
また、経年劣化で万一発熱抵抗体の特性に変化が見られた場合でも、これらの３つのパラメータ組み合わせることでシステムの安全性も担保できる。
特に、ＰＴＣ特性を有する発熱抵抗体においては、突入から一定時間経過した後の安定時の電流上限値を設定することにより、製品の劣化等の特性変化に対するプロテクタとして機能し、過電流が発生した場合でも危険を回避することが期待できる。

この発明の電気式床暖房用の電気回路の１実施形態を示すブロック図である。 その動作の状態を示す説明図である。 突入時（運転開始時）の運転モードを示すフローチャートである。 突入から一定時間経過した後の安定時の運転モードを示すフローチャートである。

この発明の実施形態を、下記に示す。
この発明で制御されるのは下記の、突入時、および突入から一定時間経過した後の安定時の２つの負荷電流の上限閾値パラメータ、並びに突入から一定時間経過した後の安定時の作動時間のパラメータである。
１）突入時の電流上限閾値パラメータ
２）安定時の電流上限閾値パラメータ
３）安定時の作動時間パラメータ
以上の３つのパラメータの任意の組み合わせ、および変流器（ＣＴ）による物理的な電流検知と、ＣＰＵによるリアルタイムでの比較・演算プログラムにより本発明の電気式床暖房用の電気回路が実現できる。

図１はこの発明の電気式床暖房用の電気回路の１実施形態を示すブロック図で、コントローラ１１はＣＰＵ１２と、該ＣＰＵ１２に接続したＥ２ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）１３を備え、前記ＣＰＵ１２はＣＴ（変流器）１４で交流電流計の測定範囲を拡大した上で、Ｅ２ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）１３から読み取ったパラメータと一次側電流とを比較するようになっている。
前記ＣＴ（変流器）１４には例えば１番〜４番のリレー１５を介してそれぞれ第１負荷〜第４負荷が接続され、この第１負荷〜第４負荷の突入時の電流もしくは安定時の電流が前記ＣＴ（変流器）１４において前記ＣＰＵ１２によって比較されるのである。図１においては前記第１負荷〜第４負荷の配線比率を２：１：１：２としてある。

前記Ｅ２ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）１３は、電気的にプログラム内容を消去および再書き込みすることができるＰＲＯＭであって、メモリ・セルを構成するＭＯＳトランジスタにフローティング・ゲート（ＦＧ）を作り，ＦＧにチャネルからホット・エレクトロンを注入してＭＯＳトランジスタのしきい値電圧ＶＴＨを変化（例えば２Ｖから４．５Ｖへ）させて書き込むものである。
消去法はメーカ各社で違いがあるが、フローティング・ゲートから多結晶Ｓｉの消去ゲートへ電子を抜く方法、トンネル酸化膜を通してソースへ、あるいはドレイン側へ電子を抜く方法などがある。

図２はその動作の状態を示す説明図である。この動作については、すでに出願人の出願に係る前記特願２００８−２５５８０６号（特開２０１０−８６８３４号公報参照）において提案したところである。
すなわち、前記第１負荷〜第４負荷に対応する回路を回路１〜回路４とし、その配線比率を２：１：１：２として、１００％通電の場合には回路１〜回路４の全ての回路をＯＮとする。
このとき、パラメータ１またはパラメータ２を超えていればモードを落とす。一定時間を経過した後、暖め直し、元のモードに復帰する。

次に、６７％通電の場合には下記の通りに制御する。
ａ）回路１〜回路３をＯＮとし、回路４をＯＦＦとする。
⇒２＋１＋１＝４（全体に対しては４／６＝６６．７％）
ｂ）回路２〜回路４をＯＮとし、回路１をＯＦＦとする。
⇒１＋１＋２＝４（全体に対しては４／６＝６６．７％）
ｃ）回路１、回路４をＯＮとし、回路２、回路３をＯＦＦとする。
⇒２＋２＝４（全体に対しては４／６＝６６．７％）
このとき、パラメータ１またはパラメータ２を超えていればモードを落とす。一定時間を経過した後、暖め直し、元のモードに復帰する。

次に、５０％通電の場合には下記の通りに制御する。
ａ）回路１、回路２をＯＮとし、回路３、回路４をＯＦＦとする。
⇒２＋１＝３（全体に対しては３／６＝５０．０％）
ｂ）回路１、回路２をＯＦＦとし、回路３、回路４をＯＮとする。
⇒１＋２＝３（全体に対しては３／６＝５０．０％）
このとき、パラメータ１またはパラメータ２を超えていればモードを落とす。一定時間を経過した後、暖め直し、元のモードに復帰する。

次に、３３％通電の場合には下記の通りに制御する。
ａ）回路１をＯＮとし、回路２〜回路４をＯＦＦとする。
⇒２（全体に対しては２／６＝３３．３％）
ｂ）回路１、回路４をＯＦＦとし、回路２、回路３をＯＮとする。
⇒１＋１＝２（全体に対しては２／６＝３３．３％）
ｃ）回路４をＯＮとし、回路１〜回路３をＯＦＦとする。
⇒２（全体に対しては２／６＝３３．３％）
このとき、パラメータ１またはパラメータ２を超えていればモードを落とす。一定時間を経過した後、暖め直し、元のモードに復帰する。

図３は突入時（運転開始時）の運転動作を示すフローチャートであり、基本運転は回路１および回路２ないし回路３および回路４の５０％交互運転である。
すなわち、ＣＰＵがＣＴで電流を検知し、ＣＰＵによる比較を開始する。
次に、ＣＴによって検知された電流がパラメータ１（突入時上限閾値）と等しいかそれよりも大きいときは、運転モードを３３％通電に落として運転する。要は通電面積を物理的に減じ、発熱体を暖め直す。図２の５０％⇒３３％通電のパターンが適用される。
なお、ＣＴによって検知された電流がパラメータ１（突入時上限閾値）よりも小さいときは、通常運転を継続する。
一定時間（標準では例えば９分）暖め直した後、元の５０％の運転モードに復帰して運転する。

図４は突入から一定時間経過した後の運転動作を示すフローチャートであり、基本運転は利用者が任意に設定した運転モードである。
先ず、ＣＰＵがＣＴで電流を検知し、ＣＰＵによる比較を開始する。
次に、ＣＴによって検知された電流がパラメータ２（ある一定時間を経過した後の安定時の電流上限閾値）と等しいかそれよりも大きいときは、運転モードを一つ下に落として運転する。要は通電面積を物理的に減じ、発熱体を暖め直す。図２の１００％から下のモードに移るパターンが適用される。
なお、ＣＴによって検知された電流がパラメータ２（ある一定時間を経過した後の安定時の電流上限閾値）よりも小さいときは、通常運転を継続する。
一定時間（標準では例えば９分）暖め直した後、元の運転モードに復帰して運転する。

以上述べたように、下記の３つのパラメータの任意の組み合わせ、および変流器（ＣＴ）による物理的な電流検知と、ＣＰＵによるリアルタイムでの比較・演算プログラムにより本発明の電気式床暖房用の電気回路が実現できる。
１）突入時の電流上限閾値パラメータ
２）安定時の電流上限閾値パラメータ
３）安定時の作動時間パラメータ

この実施形態によれば、最小の設計電流で、最大の敷設面積が可能であり、かつ幹線設計電流の安全率・利用率による過剰設計や受電施設の裕度設計、並びに顧客の電力会社との契約電気容量の低減が期待でき、より一層の省エネ、省コスト化が可能である。さらに、万一の発熱抵抗体の経年劣化にも有効な場合がある。

特に、安定時間のパラメータを任意に設定できることから、これ以上のパラメータの組み合わせは必要とすることなく、一定の設計電気容量内で床暖房システムを効率よく、最大限の能力を発揮させる事ができるため、非常に有効な発明である。

１１ コントローラ
１２ ＣＰＵ
１３ Ｅ２ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）
１４ ＣＴ（変流器）
１５ リレー

Claims (3)

1. 電気式床暖房のコントローラの制御回路に、突入から一定時間経過した後の安定時の電流上限閾値を設けたことを特徴とする電気式床暖房用の電気回路。
2. 請求項１記載の電気式床暖房用の電気回路において、電流上限閾値を越えた場合には発熱抵抗体への通電面積を自動的に減らす手段を内蔵させ、それによって幹線の電気容量を抑制する機能を持つようにしたことを特徴とする電気式床暖房用の電気回路。
3. 請求項１記載の電気式床暖房用の電気回路において、電流を感知する変流器（ＣＴ）と突入時および突入から一定時間経過した後の安定時の電流上限閾値、突入から一定時間経過した後の安定時の作動時間のパラメータを決定する制御回路をコントローラに内蔵させ、前記パラメータを設定することで任意の範囲の電流上限閾値を組み合わせることができるようにしたことを特徴とする電気式床暖房用の電気回路。

Images