JP2014102922A - 採暖用温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正の温度係数を有する金属製の温度検知素線と負の温度係数を有し所定の温度で溶融する高分子感熱層と高分子感熱層に接触する電極素線とが適切に配置され一体化されてなるコード状発熱線を具備する温度制御装置であって、温度検知素線と高分子感熱層との２つの温度情報を持つ信号を用いることにより、温度制御と広範な局部過熱検知を可能とし、経済的にも優れた採暖用温度制御装置を提供する。
【解決手段】温度検知素線４からの温度情報を持つ電気信号によりコード状発熱線１Ｈの温度を制御するとともに、温度検知素線４からの温度情報を持つ電気信号より変換された温度と高分子感熱層３からの温度情報を持つ電気信号より変換された温度との差分を検知し、その差分が一定の値を超えた場合、発熱素線２への通電を停止し、コード状発熱線１Ｈに発生した局部過熱を早期に検知して安全性を確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられる採暖用温度制御装置に関する。

一般に電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられるコード状発熱線と温度制御装置はよく知られており、特に近年大部分の電気カーペットに普及している１線式コード状発熱線温度制御装置に関し、その構成体である１線式コード状発熱線の構造と温度制御装置の動作には次のようなものがある。

従来既知となっている１線式コード状発熱線の代表的な構造を図３及び図４と表４に示す。
まず、１線式コード状発熱線１１Ｈ（従来例１）は図３及び表４に示すように、ポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１と、巻芯１の外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した発熱素線２と、発熱素線２の外周に固有の融点で溶融する高分子層３ａと、高分子層３ａの外周にニッケルなどの導体を螺旋状に捻回した温度検知素線４ａと、最外周にポリ塩化ビニル樹脂等を押出し成形した絶縁被覆層５とからなっている。

なお、必要に応じて温度検知素線４ａと絶縁被覆層５の間にポリエステルテープを螺旋状に捻回し、絶縁被覆層５からの可塑剤移行に対するバリア層が設けられる場合がある。また、発熱素線２と温度検知素線４ａが逆配置のものが一部見受けられる。

このような構造のコード状発熱線１１Ｈに於いて、加熱による温度変化が正の温度係数を有するニッケルからなる温度検知素線４ａの抵抗値を変化させ、その変化は電気信号に変換されて取り出され温度制御用として使用される。尚、ニッケル線による温度検知素線４ａは、抵抗値も温度係数も値は小さいながら精度は高く安定しており、長期間にわたって安定した精度の高い温度制御が実現されている。

高分子層３ａは固有の融点を持ち、コード状発熱線１１Ｈが過熱状態になると高分子層３ａは溶融し、発熱素線２と温度検知素線４ａが接触する所謂線間短絡保護機能として働く。即ち、１線式コード状発熱線１１Ｈに於いては、発熱素線２と温度検知素線４ａは短絡検知用電極を兼ねている。

１線式コード状発熱線１１Ｈの温度制御と線間短絡保護の動作は、図５に示すような回路接続で実現される。
温度制御動作は、温度検知素線４ａの抵抗変化が抵抗器Ｒ１とＲ２で分圧され、更に抵抗器Ｒ５と電解コンデンサＣ１により平滑され、電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力され、予め設定された温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較され、電圧比較器Ｕ１より比較結果が出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。
ここで符号ＳＴＢは、低電圧化された安定化電源であり温度制御部に供給される（以下、同様とする）。

線間短絡保護機能の動作は、温度検知素線４ａの両端にダイオードＤ１とＤ２のアノードが各々接続され、ダイオードＤ１、Ｄ２のカソードはまとめて温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の一端に接続され、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の他端が温度ヒューズＦ１を介してＡＣ１００Ｖの一端に接続されて構成される。

ここで、温度制御部が破損し制御不能に陥った場合、電力制御スイッチＳＷがＯＮのままとなる場合があり、発熱素線２への通電が連続となりコード状発熱線１１Ｈの全体が過熱状態になるので、かなり広範囲の部分に於いて高分子層３ａが固有の融点で溶融し、発熱素線２と温度検知素線４ａが何れかの箇所で接触し、「ＡＣ電源Ｎ点→発熱素線２→温度検知素線４ａ→Ｄ１又はＤ２→ＲＦ１→Ｆ１→ＡＣ電源Ｈ点」の経路で１００ｍＡ〜３００ｍＡの大きな電流が流れ、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１が加熱され所定時間内に温度ヒューズＦ１が溶断し電源が遮断され、火災の発生を防止する最終的保護回路が構成される。

次に、１線式コード状発熱線１２Ｈ（従来例２）は図３及び表４に示すように、ポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１と、巻芯１の外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した発熱素線２と、発熱素線２の外周に固有の融点で溶融する高分子感熱層３ｂと、高分子感熱層３ｂの外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した電極素線４ｂと、最外周にポリ塩化ビニル樹脂等を押出し成形した絶縁被覆層５とからなっている。

なお、必要に応じて電極素線４ｂと絶縁被覆層５の間にポリエステルテープを螺旋状に捻回し、絶縁被覆層５からの可塑剤移行に対するバリア層が設けられる場合がある。また、発熱素線２と電極素線４ｂが逆配置のものが一部見受けられる。

ここで、高分子感熱層３ｂの温度に対する電気的特性は、温度上昇に伴い交流インピーダンスが減少する所謂負温度係数サーミスタ特性の形を示し、感度性能を表すＢ定数は概ね１０００Ｋから１１０００Ｋ程度を示す。尚、高分子感熱層３ｂの高温側の温度係数は、一般にニッケル線の温度係数の１０倍以上である。
このような構造のコード状発熱線１２Ｈに於いて、加熱による温度変化が高分子感熱層３ｂの交流インピーダンスを変化させ、その変化は電気信号に変換されて取り出され温度制御用として利用される。

高分子感熱層３ｂは固有の融点を持ち、コード状発熱線１２Ｈが過熱状態になると高分子層３ｂは溶融し、発熱素線２と電極素線４ｂが接触する所謂線間短絡保護機能として働く。即ち、１線式コード状発熱線１２Ｈに於いては、発熱素線２と電極素線４ｂは短絡検知用電極を兼ねている。

１線式コード状発熱線１２Ｈの温度制御と線間短絡保護の動作は、図６に示すような回路接続で実現される。
温度制御動作は、高分子感熱層３ｂのインピ−ダンス変化が、抵抗器Ｒ３、Ｒ４で低電圧に分圧され、更にダイオードＤ３と電解コンデンサＣ２により平滑され、小さな直流成分として電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力され、予め設定された温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較され、電圧比較器Ｕ１より比較結果が出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。

線間短絡保護機能の動作は、電極素線４ｂの両端にダイオードＤ１とＤ２のアノードが各々接続され、ダイオードＤ１、Ｄ２のカソードはまとめて温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の一端に接続され、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の他端が温度ヒューズＦ１を介してＡＣ１００Ｖの一端に接続されて構成される。

ここで、温度制御部が破損し制御不能に陥った場合、電力制御スイッチＳＷがＯＮのままとなる場合があり、発熱素線２への通電が連続となりコード状発熱線１２Ｈの全体が過熱状態になるので、かなり広範囲の部分に於いて高分子感熱層３ｂが固有の融点で溶融し、発熱素線２と電極素線４ｂが何れかの箇所で接触し、「ＡＣ電源Ｎ点→発熱素線２→電極素線４ｂ→Ｄ１又はＤ２→ＲＦ１→Ｆ１→ＡＣ電源Ｈ点」の経路で１００ｍＡ〜３００ｍＡの大きな電流が流れ、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１が加熱され所定時間内に温度ヒューズＦ１が溶断し電源が遮断され、火災の発生を防止する最終的保護回路が構成される。

更に、１線式コード状発熱線制御装置の別の形態として、図４及び表４に示す構造のコード状発熱線１３Ｈ（従来例３）が開示されている（特許文献８に対応）。
同図に於いて、ポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１と、巻芯１の外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した発熱素線２と、発熱素線２の外周に高分子感熱樹脂を押出し成形してなる高分子感熱層３ｂと、高分子感熱層３ｂの外周に、絶縁被覆された温度検知素線４ｃと裸の金属線からなる電極素線４ｂとの２線条が相互の間隔を設けて一定のピッチで螺旋巻きされ、その外周が絶縁被覆層５で絶縁されてコード状発熱線１３Ｈとされる。なお、電極素線４ｂは、特許文献８に於いて信号線と呼ばれているものである。

必要に応じて温度検知素線４ｃ及び電極素線４ｂと絶縁被覆層５の間にポリエステルテープを螺旋状に捻回し、絶縁被覆層５からの可塑剤移行に対するバリア層が設けられる場合がある。また、発熱素線２と温度検知素線４ｃ及び電極素線４ｂの２線条とが逆に配置されているものがある。
ここで、高分子感熱層３ｂの温度に対する電気的特性は、温度の上昇に伴い交流インピーダンスが減少する所謂負温度係数サーミスタ特性の形を示し、感度性能を表すＢ定数は概ね１０００Ｋから１００００Ｋ程度で、その高温側の温度係数は一般にニッケル線の温度係数の１０倍以上大きい。

このような構造のコード状発熱線１３Ｈに於いて、加熱による温度変化が温度検知素線４ｃの抵抗値と高分子感熱層３ｂの交流インピーダンスを変化させ、それらの変化が、前者は温度検知素線４ｃの両端から、後者は発熱素線２と電極素線４ｂの間から各々電気信号に変換されて取り出され温度制御用と過熱防止用として使用される。

高分子感熱層３ｂは固有の融点を持ち、コード状発熱線１３Ｈが過熱状態になると高分子感熱層３ｂは溶融し、発熱素線２と電極素線４ｂが接触する所謂線間短絡保護機能として働く。即ち、１線式コード状発熱線１３Ｈに於いては、発熱素線２と電極素線４ｂは短絡検知用電極を兼ねている。

ここで、特許文献８の段落〔００４０〕に、前述の１線式コード状発熱線の温度制御について次のような記述がある。
「従って、本発明のヒータ線は絶縁ニッケル線の抵抗温度係数を利用した温度検知機能と熔断，感温層のサーミスタＢ定数を利用した温度検知機能と熔断機能（回路ヒューズ機能）の三つの機能を有するので、例えば０〜４０℃位の温度領域の温度検知は広い温度範囲に渡り抵抗変化率が一定の絶縁ニッケル線に、また４０℃近辺より上の温度領域はこの温度範囲でインピーダンス変化率が大きい熔断，感温層に分担させ、両者を併用することにより精度の高い温度制御が可能となる。また局部昇温等による異常時の温度上昇を敏感に捉えることが出来るようになり、更に異常時には熔断，感温層を熔断させることができる。」

上述の内容を一般的な制御回路図に展開すると図７に示すようになり、これに基づき具体的に更に詳しく説明する。
同図に於いて、低温領域では絶縁被覆された温度検知素線４ｃからの信号は、抵抗器Ｒ１及びＲ２で分圧され、更に抵抗器Ｒ５と電解コンデンサＣ１により平滑され、電圧比較器Ｕ１−Ａのマイナス端子に入力され、予め設定された低温側の温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較され、電圧比較器Ｕ１−Ａより比較結果が出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。

次に、高温領域では高分子感熱層３ｂからの信号は抵抗器Ｒ３及びＲ４で分圧され、更にダイオードＤ３と電解コンデンサＣ２により平滑され、小さな直流成分として電圧比較器Ｕ１−Ｂのマイナス端子に入力され、線間短絡の発生よりずっと手前の予め設定された過熱防止用の温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較され、電圧比較器Ｕ１−Ｂより比較結果が出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。

このように、図７に示した温度制御装置によれば、絶縁被覆された温度検知素線４ｃは他の部分と電気的に独立しており、その両端からは純粋な低温側の温度信号のみを検出し正確な温度制御を実現できるとともに、高分子感熱層３ｂからの温度信号は、発熱素線２と電極素線４ｂの間から温度検知素線４ｃの温度信号の混入なく純粋に高温側の高感度温度信号を検出できるので、過熱が進み高分子感熱層３ｂが溶融し発熱素線２と電極素線４ｂとが接触する所謂線間短絡の発生よりずっと手前の過熱防止用の設定温度で発熱素線２への通電を遮断し、線間短絡保護回路の安易な作動を予防できるとするのが特許文献８の主目的である。これ以降、前述の加熱防止の動作を単純過熱防止機能と呼ぶ。
尚、電圧比較器Ｕ１−ＡとＵ１−Ｂの出力は、一般的にはＡＮＤ回路を通して電力制御スイッチＳＷが駆動される。

しかし、単純過熱防止機能を備えても温度制御部自身が故障する場合もあり、その時は高分子感熱層３ｂが溶融し発熱素線２と電極素線４ｂの間の線間短絡が発生するので、従来と同様な線間短絡保護回路を設け、火災の発生を防止する最終的保護回路を構成することができる。

線間短絡保護機能は、電極素線４ｂの両端にダイオードＤ１とＤ２のアノードが各々接続され、ダイオードＤ１、Ｄ２のカソードはまとめて温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の一端に接続され、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の他端が温度ヒューズＦ１を介してＡＣ１００Ｖの一端に接続されて構成される。

ここで、温度制御部が破損し制御不能に陥った場合、電力制御スイッチＳＷがＯＮのままとなる場合があり、発熱素線２への通電が連続となりコード状発熱線１３Ｈの全体が過熱状態になるので、広範囲の部分に於いて高分子感熱層３ｂが固有の融点で溶融し、発熱素線２と電極素線４ｂが何れかの箇所で接触し、「ＡＣ電源Ｎ点→発熱素線２→電極素線４ｂ→Ｄ１又はＤ２→ＲＦ１→Ｆ１→ＡＣ電源Ｈ点」の経路で１００ｍＡ〜３００ｍＡの大きな電流が流れ、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１が加熱され所定時間内に温度ヒューズＦ１が溶断し電源が遮断され、火災の発生を防止する最終的保護回路が構成される。

このような従来形の電気カーペットの１線式コード状発熱線温度制御装置の温度制御機能と線間短絡保護機能では、高温側でかなり高感度の温度検知と制御を実施しても、コード状発熱線から表皮カバーにかけての局部過熱によるコイン状コゲの発生を防止できていないのが現状である。
上記説明と機能、材料や回路構成が類似するものとして特許文献１〜９が挙げられる。

特開昭４８−６６４８０号公報 特開昭５２−２７５９４号公報 特開平６−５１７５号公報 特開平７−２１６１７４号公報 特開２００４−２２１４４３号公報 特開平５−３０７１号公報 特開平５−３０６８１９号公報 特開平６−１２４７７１号公報 米国特許第６３１０３３２号明細書

近年、電気毛布や電気カーペットに於いて、大面積化とともに視覚や感触の面から生地やカバーが厚手になる一方、単位面積当たりのコード状発熱線の布線密度は少なめにすると云う市場の強いコストダウン要求と長期にわたる経時変化の少ない安定した温度制御の実現と云う２つの要求により、前述のように１線式コード状発熱線制御装置の形態から抜け出せず、局部過熱によるコイン状コゲが孕む発煙、火災発生の危険性に対して有効な保護機能が装備されていないことが大きな問題になっている。

なお、現在市場に於いて１線式コード状発熱線にコイン状の局部過熱が発生すると言われている原因は、次の２つである。それは、
（１）座布団などの断熱材により局部保温・加熱され、ポリエステル巻芯が熱収縮する部分と、局部保温外の熱収縮しない部分との境界で発熱素線に大きな張力が掛かった場合
（２）発熱素線に外部から大きな衝撃や剪断力が掛かった場合
であり、発熱素線の微小部分の金属疲労と脆化から抵抗値の増加が起り、通電による自己加熱が大幅に増加してコイン状のコゲが発生すると推測されている。

以下、前述の背景技術の項で説明した各１線式コード状発熱線と温度制御装置の抱える局部過熱に関する課題を詳しく説明する。

〔１線式コード状発熱線１１Ｈの温度制御装置の場合について〕
図５の温度制御装置に於いて、１線式コード状発熱線１１Ｈの全長をＬ、局部過熱されている部分の長さと全長Ｌ当たりの抵抗値を各々Ｌｈ、Ｒｈ、局部過熱されていない部分の長さと全長Ｌ当たりの抵抗値を各々Ｌｎ、Ｒｎとし、温度検知素線４ａの両端から見た全長Ｌの抵抗値がＲｓで温度制御されている場合、前記両部分の抵抗値は直列接続となるので、次の関係式が成り立つ。
尚、前記抵抗値ＲｈとＲｎは、発熱素線２の発熱状態を反映したものに他ならない。

Ｒｓ＝Ｒｎ×（Ｌｎ／Ｌ）＋Ｒｈ×（Ｌｈ／Ｌ） ・・・（１）
Ｌ＝Ｌｎ＋Ｌｈ ・・・（２）
数式（２）を数式（１）に代入し、整理すると
Ｒｓ×Ｌ＝Ｒｎ×Ｌｎ＋Ｒｈ×Ｌｈ＝Ｒｎ×（Ｌ−Ｌｈ）＋Ｒｈ×Ｌｈ・・・（３）
となる。

ここで、Ｒｓ、Ｌはあらゆる条件下で既知の量として捉えることはできるが、Ｒｎ、Ｒｈ、Ｌｈについては、電気カーペットの温度制御装置がこれらの検知手段を持たないので捉えることはできない。
従って、
（１）数式（３）の関係式は、Ｒｎ、Ｒｈ、Ｌｈから成る不定方程式であり、局部過熱抵抗Ｒｈ（＝温度）を一意に検知することはできない。
（２）また、温度制御対象の抵抗Ｒｓは一定値であっても、Ｒｎ、Ｒｈ、Ｌｈが常に変動と小康状態を繰返す不安定なもので、偶発的には短いＬｈと大きいＲｈ（＝高温）が発生し得ることは数式（３）より明らかであり、コイン状コゲの発生に到る可能性が有り得る。
このように、１線式コード状発熱線１１Ｈを使った温度制御装置では、局部過熱の防止は計算上からも極めて困難であることが明らかである。

〔１線式コード状発熱線１２Ｈの温度制御装置の場合について〕
図６の温度制御装置に於いて、１線式コード状発熱線１２Ｈの全長をＬ、局部過熱されている部分の長さと全長Ｌ当たりのインピーダンスを各々Ｌｈ、Ｚｈ、局部過熱されていない部分の長さと全長Ｌ当たりのインピーダンスを各々Ｌｎ、Ｚｎとし、発熱素線２と電極素線４ｂの両端から見た全長ＬのインピーダンスがＺｓで温度制御されている場合、前記２つの部分のインピーダンスは並列接続となるので、次の関係式が成り立つ。

１／Ｚｓ＝１／（（Ｌ／Ｌｎ）×Ｚｎ）＋１／（（Ｌ／Ｌｈ）×Ｚｈ）・・・（４）
数式（２）を数式（４）に代入し整理すると、
Ｌ／Ｚｓ＝Ｌｎ／Ｚｎ＋Ｌｈ／Ｚｈ＝（Ｌ−Ｌｈ）／Ｚｎ＋Ｌｈ／Ｚｈ・・・（５）
となる。

（１）上記の数式（５）は、数式（３）の形とは異なるが、Ｚｎ、Ｚｈ、Ｌｈから成る不定方程式であり、局部過熱インピーダンスＺｈ（＝温度）を一意に検出することはできない。
（２）また、温度制御対象のインピーダンスＺｓは一定値であっても、Ｚｎ、Ｚｈ、Ｌｈが常に変動と小康状態を繰返す不安定なもので、偶発的には短いＬｈと小さいＺｈ（＝高温）が発生し得ることは数式（５）より明らかであり、コイン状コゲの発生に到る可能性が有り得る。
（３）但し、Ｚｓの温度係数は、Ｒｓの温度係数よりずっと大きい上に、ＺｎとＺｈが並列接続された構成になっているので、特に高温領域に於いては、ＲｓよりＺｓで温度検知した方が高感度で検知できる筈であるが、数式（５）に見られるように、並列接続ではインピーダンスが長さに反比例して大きくなるため直感的に思うほどの高感度は得られず万全ではない。これは、個別素子による並列接続と分布定数回路を分割した素子群の並列接続との計算上の性質の違いによるものである。
このように、１線式コード状発熱線１２Ｈを使った温度制御装置での局部過熱の防止は計算上からも不確かであることが明らかである。

〔１線式コード状発熱線１３Ｈの温度制御装置の場合について〕
図７の温度制御装置の構成は、１線式コード状発熱線１１Ｈの温度制御装置（図５）と１線式コード状発熱線１２Ｈの温度制御装置（図６）を重ね合わせたものであり、個々の動作は前述と同様である。
又、高温領域であっても高分子感熱層３ｂからの信号が大きな温度係数を有する特性を生かして、高分子感熱層３ｂが溶融し発熱素線２と電極素線４ｂ間が短絡するよりずっと手前の過熱状態の温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ２を設定し、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電を制御する所謂単純過熱防止機能を働かせるように設計することはできる。

しかし、１線式コード状発熱線１１Ｈ及び１２Ｈの温度制御装置の項で説明したように、局部過熱部とそれ以外の部分のコード状発熱線の長さと温度は、常に変動と小康状態を繰返す不安定なもので、基準電圧Ｖｒｅｆ２が単純な過熱防止に相当する温度を与えるものとしても、広範な条件に合わせ局部過熱防止のための確実な温度を与えることは極めて困難であり、特許文献８に簡略記述された１線式コード状発熱線１３Ｈの温度制御装置では、複雑化しコスト上昇を招くだけで、広範な局部過熱の防止は非常に困難であることが明らかである。

以上説明したように、従来の１線式コード状発熱線に於いては、数式（３）と数式（５）の拘束により、制御温度が一定の場合、局部過熱部と局部過熱部以外の抵抗値やインピーダンスが常にバランスを保つように動いている。これは、発熱素線２に印加された一定のエネルギーが、局部過熱部と局部過熱部以外で変動と小康状態を繰り返しながらエネルギー・バランスと保とうとしている現象であり、避けることはできない。このような現象の下に於いて、温度検知素線４ａ，４ｃや高分子感熱層３ｂの両端から局部過熱と云う部分現象の信号を安定して確実に検出することは従来技術では不可能に近い。

又、市場に於けるコイン状コゲの発生時に、局部過熱により高分子層３ａ、高分子感熱層３ｂが溶融し、温度ヒューズＦ１を溶断する所謂線間短絡保護機能が働かない事例が見られ、重要な問題となっているが、その理由は次のように推測されている。
コイン状コゲの局部過熱部は小さくかなりの高温になるが、総発熱量としては少ない上に発熱素線２からの放熱も大きく、一定量の高分子層３ａ、高分子感熱層３ｂの温度を溶融するまでは上昇させられないが、軟化させる程度は可能である。この軟化により、発熱素線２と温度検知素線４ａ、４ｃや電極素線４ｂとの間隔が狭くなり、高分子層３ａ、高分子感熱層３ｂのリーク電流が増加し自己加熱が増加する。

このように、保温による局部過熱に加え、高分子層３ａ、高分子感熱層３ｂの電流による自己加熱も長時間続くようになると、高分子層３ａ、高分子感熱層３ｂの酸化分解、即ち炭化を招く。この炭化は抵抗体の生成であり、温度ヒューズＦ１を溶断できる大きな電流を阻害し、温度ヒューズＦ１が溶断しないまま局部過熱による炭化ばかりが増進し、コイン状のコゲの発生に到ってしまうと推測されている。
このように、小さなコイン状コゲについては、線間短絡保護機能が働かない場合があると云う極めて重大な欠点が明らかになってきた。

本発明の目的は、少なくとも金属製温度検知素線と高分子感熱層を具備する１線式コード状発熱線の温度制御装置であって、温度検知素線で温度制御しながら、温度検知素線と高分子感熱層との２つの温度信号で局部過熱を検知する巧妙な温度制御と温度検知装置を構成することにより、精度が高く安定した温度制御機能と局部過熱検知機能を得ることができ、経済的にも優れた採暖用温度制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の採暖用温度制御装置は、所定のピッチで螺旋状に捻回された金属製の発熱素線、正の温度係数を有する金属製の温度検知素線、負の温度係数を有し所定の温度で溶融する高分子感熱層および前記高分子感熱層に接触する電極素線が配置され一体化されてなるコード状発熱線を具備する温度制御装置であって、前記温度検知素線からの温度情報を持つ電気信号によりコード状発熱線の温度を制御するとともに、前記温度検知素線からの電気信号と前記高分子感熱層からの温度情報を持つ電気信号の差分を検知し、前記差分が一定の値を超えた場合、前記発熱素線への通電を停止し、前記コード状発熱線に発生した局部過熱を検知して安全性を確保することを特徴とする。

本発明による請求項２記載の採暖用温度制御装置は、請求項１記載の発明において前記温度検知素線の温度を制御する電気信号である温度制御信号から得られる制御温度をｔｓ、前記高分子感熱層の温度を監視する電気信号である温度監視用信号から得られる監視温度をｔｄとし、制御温度ｔｓと監視温度ｔｄの差分が、回路部品，回路調整の誤差分，温度制御のオーバーシュートまたは長時間ドリフト等の誤差分を含む任意の判定温度Δｔと比較され、下記の数式が成立したとき、ｔｄ領域を局部過熱と判定することを特徴とする。
ｔｄ − ｔｓ ≧ Δｔ
本発明による請求項３記載の採暖用温度制御装置は、請求項２記載の発明において前記温度検知素線からの電気信号を制御温度に変換するテーブルと、前記高分子感熱層からの電気信号を監視温度に変換するテーブルとを備え、前記２つのテーブルを参照して制御温度ｔｓと監視温度ｔｄの差分を求めることを特徴とする。

以下、本発明の構成につき詳細に説明する。
本発明の採暖用温度制御装置の説明に用いられる１線式コード状発熱線１Ｈは、本願発明者等により既に特許出願されている特願２０１１−２８３３４９の図１にも示すように、
「巻芯の外周に所定のピッチで螺旋巻きされ両端に交流が印加される発熱素線、前記発熱素線上に密着配置され所定の温度で溶融する高分子層、前記高分子層の外周に少なくとも１条の絶縁糸と導体である温度検知素線と短絡検知素線とが交互に配置され、それらが引き揃えて螺旋巻きされた線条群、及び前記線条群を絶縁する被覆層を具備した１線式コード状発熱線」
の構造が好適であるが、必要に応じ従来からのコード状発熱線の材料について、
・図５に示すコード状発熱線１１Ｈに於いて、高分子層を高分子感熱層に替えた構造
・図６に示すコード状発熱線１２Ｈに於いて、電極素線を温度検知素線に替えた構造
・図７に示すコード状発熱線１３Ｈの構造
などであっても、「発熱素線と温度検知素線と高分子感熱層と前記高分子感熱層に接触する電極素線とが適切に配置され一体化されてなるコード状発熱線」となるので、必要に応じどれを用いても構わないし、それらの構造に限定されるものでもない。

ここで、本発明の図２に示すコード状発熱線１Ｈの温度検知に関する機能は、図４に示すコード状発熱線１３Ｈの温度検知に関する機能と類似性は高いが、経済的に優れた図２に示すコード状発熱線１Ｈの構造を用いて説明する。
尚、前述の特願２０１１−２８３３４９中にある「短絡検知素線」、「高分子層」と云う呼称を、本発明に於いてはそれぞれ「過熱検知素線」、「高分子感熱層」と云う呼称に変更している。

本発明の採暖用温度制御装置に用いられるコード状発熱線の芯線は、ポリエステル繊維束、ポリイミド繊維束、ガラス繊維束などであるが、耐熱性、柔軟性及びコストの面からポリエステル繊維束が好適であり、用途に応じて耐熱性、柔軟性に優れた繊維束であれば特に限定されないし、また多種繊維の混合束であってもよい。

本発明の採暖用温度制御装置のコード状発熱線に用いられる所定のピッチで螺旋巻きされた発熱素線は、材質として純銅線や銅と錫の合金線、または銅と銀の合金線などがあり、形状は丸線状や薄板状にすることも可能であり、それらは単線のままであったり、撚線にされたり、または多条に引き揃えられて螺旋巻きされるが、所定の寸法で所定の抵抗値を得るために、材質や形状の選択は何ら限定されるものではない。
ここで、発熱素線は、高分子感熱層に密着する構造を取りながら発熱のために電流を流す導体であるが、高分子感熱層が溶融する線間短絡時に過熱検知素線と短絡する一方の電極として働くことも担う。

本発明の採暖用温度制御装置のコード状発熱線に用いられる表面が絶縁されていない温度検知素線と過熱検知素線は、少なくとも１条の絶縁糸とともに高分子感熱層の外周に交互に配置され引き揃えて螺旋巻きされ、上部の絶縁被覆層で強固に固定される上に、前記絶縁糸の太さが前記温度検知素線及び過熱検知素線の直径に対し適切に制限されるので、コード状発熱線が屈曲ストレスを受けても絶縁被覆されていない温度検知素線と過熱検知素線同士が接触しないようになっている。

本発明の採暖用温度制御装置のコード状発熱線に用いられる高分子感熱層は、電気毛布や電気カーペットなどの製品の表面温度やコード状発熱線の耐熱温度から見て、高分子感熱層の溶融温度は１３０℃以上１９０℃以下のポリアミド樹脂、好ましくは１５０℃〜１７０℃で比較的急峻な溶融特性を示すポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物に導電性物質を増強配合し、温度上昇に伴い電気的インピーダンスが減少する所謂負温度係数サーミスタ特性を持たせたものが好適である。

本発明の採暖用温度制御装置のコード状発熱線に用いられる温度検知素線は、正の温度係数を有する金属線であれば特に限定されないが、金属の中では温度係数が比較的高めで、温度に対する抵抗特性が直線的であり、伸線加工や巻線加工などの機械的ストレスを受けても抵抗値や温度係数が安定であり、再現性に優れ経時変化の少ないニッケル線が好適である。

本発明の採暖用温度制御装置のコード状発熱線に用いられる過熱検知素線は、発熱素線と対を成し高分子感熱層の電極素線として働くものであるが、材質として純銅線や銅と錫の合金線、または銅と銀の合金線などがあり、他の線と多条に引き揃えられて螺旋巻きされる場合があるので、形状は丸線状が好ましい。

少なくとも１条の絶縁糸と温度検知素線と過熱検知素線からなる線条群の外周に密着して電気絶縁性が高く、しなやかで且つ安価な塩化ビニル樹脂などの絶縁被覆層が押出し成形などにより形成され、コード状発熱線となる。

本発明の採暖用温度制御装置は、温度制御を司る数式（３）と制御温度を監視する数式（５）の関数の形が異なるので、両者の検知量に差分が発生するのは当然であり、この差分の大きさによって局部過熱を検出するものである。従って、従来の温度制御のように単純な比較制御であれば、図７に示すアナログ・コンパレータを用いた温度制御回路でも可能であるが、本発明では２つの温度（温度検知素線と高分子感熱層からの温度）に関する電気信号から温度への変換計算と前記２つの温度との差分の計算が必要であり、アナログ・デバイスのみでは複雑になるので、本発明に用いる演算処理等の電子デバイスは、ワンチップ・マイコンが好適である。

〔制御手順１〕
コード状発熱線１Ｈの発熱素線２と温度検知素線４が図１に示す回路に接続され、次のように温度制御が行われる。
（１）発熱素線２の加熱による温度上昇は、プラス０．４４％／ｄｅｇ程度の温度係数を有するニッケルからなる温度検知素線４の抵抗値の増加となり、その変化は抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ５、電解コンデンサＣ１により平滑された温度制御用電圧（以下、制御電圧ともいう）Ｖｓに変換され、ワンチップ・マイコンＵ１のＡ／Ｄ変換入力端子であるＡ／Ｄ１端子へ複数回入力される。この複数の入力値は、マイコンＵ１内部の演算等処理装置（以下、ＭＰＵと略す）で平均値が計算され、ノイズ除去されてからＶｓとしてレジスタ或いはＲＡＭに記憶されるとともに、制御電圧Ｖｓに相当する制御温度ｔｓに変換されレジスタ或いはＲＡＭに記憶される。

（２）制御電圧Ｖｓから制御温度ｔｓへの変換は、予め必要な精度のＶｓ−ｔｓ変換テーブルを作成しメイン・メモリに記憶させておき、Ｖｓの平均値が計算されるたびに前記Ｖｓ−ｔｓ変換テーブルを参照して制御温度ｔｓを求め、乗算を省略して高速化をはかるのが一般的であり経済的である。尚、テーブル化に必要な精度は、直線補間が有効な間隔を選ぶことが好ましい。

（３）一方、予め温度制御のために設定された基準電圧Ｖｒｅｆ１はマイコンＵ１の別のＡ／Ｄ変換入力端子であるＡ／Ｄ２端子へ複数回入力され、ＭＰＵにて平均値が計算され、ノイズ除去されてからＶｒｅｆ１としてレジスタやＲＡＭに記憶される。
（４）制御電圧Ｖｓと基準電圧Ｖｒｅｆ１がＭＰＵにて比較され、その比較結果のフラッグＸｓがレジスタやＲＡＭに記憶される。
ここでは説明上分かり易く、制御温度ｔｓが低く発熱素線２に通電するＶｓ＜Ｖｒｅｆ１の場合、フラッグＸｓを１とする。

〔制御手順２〕
コード状発熱線１Ｈの過熱検知素線６が図１に示す回路に接続され、高分子感熱層３によって、次のように温度監視が行われる。
（１）発熱素線２の加熱による温度上昇は、マイナス１〜１０％／ｄｅｇ程度の負の温度係数を有し高分子サーミスタとして働く高分子感熱層３のインピ−ダンスの減少となり、その変化は発熱素線２と過熱検知素線６の一対の電極の間から取り出され、抵抗器Ｒ３、Ｒ４、ダイオードＤ３、電解コンデンサＣ２により直流の監視用電圧（以下、監視電圧ともいう）Ｖｄに変換され、マイコンＵ１のＡ／Ｄ変換入力端子であるＡ／Ｄ３端子へ複数回入力され、ＭＰＵにて平均値が計算され、ノイズ除去されてから発熱素線２の温度を監視した値Ｖｄとしてレジスタ或いはＲＡＭに記憶されるとともに、監視電圧Ｖｄに相当する監視温度ｔｄに変換されレジスタ或いはＲＡＭに記憶される。

（２）監視電圧Ｖｄから監視温度ｔｄへの変換は、予め必要な精度のＶｄ−ｔｄ変換テーブルを作成しメイン・メモリに記憶させておき、Ｖｄの平均値が計算されるたびにＶｄ−ｔｄ変換テーブルを参照し、監視温度ｔｄを求め、乗算を省略して高速化をはかるのが一般的であり経済的である。尚、テーブル化に必要な精度は、直線補間が有効な間隔を選ぶことが好ましい。

〔制御手順３〕
〔制御手順１〕と〔制御手順２〕で得られた結果から、次のように局部過熱の判定が行われる。
（１）〔制御手順１〕で得られた制御温度ｔｓと〔制御手順２〕で得られた監視温度ｔｄとの差がＭＰＵにて計算され、その差分と判定値Δｔが比較され、ｔｄ−ｔｓ≧Δｔの場合を局部過熱として、その比較結果のフラッグＸｄがレジスタやＲＡＭに記憶される。
ここでは分かり易く、局部過熱でないｔｄ−ｔｓ＜Δｔの場合、フラッグＸｄを１とする。

（２）尚、前述の比較動作は、制御電圧Ｖｓと基準電圧Ｖｒｅｆ１の平衡状態が連続し、安定的に温度制御が行われている状態に於ける制御温度ｔｓと監視温度ｔｄの差分に対する判定値Δｔとの比較であるとともに、判定値Δｔは、回路部品や回路調整のばらつき、及び温度制御のオーバーシュートや長時間ドリフト等の誤差分をも含む値である。

〔制御手順４〕
〔制御手順１〕と〔制御手順３〕で得られた結果から、ＭＰＵにて次のような論理処理と出力制御が行われる。
（１）〔制御手順１〕で得られたフラッグＸｓと、〔制御手順３〕で得られたフラッグＸｄの論理積が取られ、その結果がマイコンＵ１のＰＯＲＴ１より出力される。
（２）尚、フラッグ条件に於いては、
（フラッグＸｓ）∧（フラッグＸｄ）＝１
の場合のみ、ＰＯＲＴ１より駆動信号１が出力される。
（３）ＰＯＲＴ１からの駆動信号（０／１）は、トランジスタやホトカプラなどからなる駆動回路部へ送られ、リレーやトライアックなどの電力制御スイッチＳＷをオン・オフする。前記条件に於いては、ＰＯＲＴ１からの駆動信号が１の場合、電力制御スイッチがオンとなる。

尚、コード状発熱線１Ｈに於ける線間短絡保護機能は、コード状発熱線１３Ｈの場合と同様であり、万一温度制御部が破損し制御不能に陥った場合は、発熱素線２への通電を制御する電力制御スイッチＳＷがオンのままとなる場合があり、このような場合は発熱素線２への通電が連続となり全体が過熱状態になるので、かなりの広範囲の部分に於いて高分子感熱層３が固有の融点で溶融し、発熱素線２と過熱検知素線６が何れかの箇所で接触し、ダイオードＤ１とＤ２、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１、温度ヒューズＦ１から構成される所謂線間短絡保護機能が働き、大もとの電源を非復帰の形で遮断し、異常過熱による火災などを防止する。

次に、前述の〔制御手順１〕から〔制御手順４〕によって、局部過熱が制御温度ｔｓと監視温度ｔｄとの差分により検出できること、及び局部過熱の条件や範囲を知り得ることを計算によって示す。
温度検知素線４による温度制御と高分子感熱層３による温度監視の計算に於いては、実際の動作とは異なり、始めに制御温度ｔｓと局部過熱温度ｔｈを既知のパラメータとして決め、局部過熱部の長さＬｈに対する監視温度ｔｄを計算する。ここで、コード状発熱線１Ｈの全長Ｌを３４ｍ、制御温度ｔｓを各々３０℃、４０℃、６０℃、局部過熱温度ｔｈを各々７０℃、８０℃、１００℃として計算する。

尚、本発明によるコード状発熱線１Ｈの温度検知素線４の温度と抵抗値の特性を表５に、高分子感熱層３の温度と交流インピーダンスの特性を表６に示す。又、これらの数値は、全長Ｌ＝３４ｍ当たりの値である。

〔計算手順１〕
（１）任意の抵抗値Ｒｘと温度ｔｘとの関係は、金属製の温度検知素線４の温度と抵抗に関する一般式、
Ｒｘ＝Ｒｏ×｛１＋α×（ｔｘ−２０）｝ ・・・（６）
により計算する。ここで、ｔｘ、Ｒｘは任意の温度とその時の抵抗値、Ｒｏは２０℃の抵抗値で１０６８オームとし、αはニッケル線の温度係数で０．４４％／ｄｅｇとする。
（２）制御温度ｔｓから全長Ｌの抵抗値Ｒｓを、局部過熱温度ｔｈからその時の全長Ｌ当たりの抵抗値Ｒｈを数式（６）により計算する。
（３）局部過熱部の長さＬｈを変数とし、局部過熱部以外の全長Ｌ当たりの抵抗値Ｒｎを数式（３）によって計算し、それを数式（６）により温度ｔｎに変換して表７に示す。

〔計算手順２〕
局部過熱部以外の温度ｔｎが判明したので、これを高分子感熱層３で測定した場合、当該部分のインピーダンスも容易に計算でき、高分子感熱層３の全体のインピーダンスとその温度を計算することができる。
（１）高分子感熱層３の温度とインピーダンスとの関係は、負特性サーミスタの一般式、 Ｚｘ＝Ｚｏ×ＥＸＰ｛Ｂ×（１／（ｔｘ＋２７３．１５）−１／（ｔｏ＋２７３．１５）｝・・・（７）
により計算する。ここで、ｔｘ、Ｚｘは任意の温度とその時のインピーダンス、ｔｏ，Ｚｏは基点温度とその時のインピーダンス、Ｂは定数であり、表６の各温度間の値は数式（７）にて補間する。

（２）高分子感熱層３の局部過熱部の長さＬｈと温度ｔｈは既知なので、局部過熱部の全長Ｌ当たりのインピーダンスＺｈを数式（７）により計算する。
（３）前記〔計算手順１〕で局部過熱部以外の温度ｔｎが判明したので、この部分の高分子感熱層３の全長Ｌ当たりのインピーダンスＺｎを数式（７）により計算する。
（４）ＺｎとＺｈ及びＬｎとＬｈを用いて、数式（５）により全長Ｌにわたる合成インピーダンスＺｓを計算し、次にＺｓをインピーダンスＺｄと呼称を変更する。
（５）ここでＺｄは、温度監視値として高分子感熱層３の全長Ｌで検知されたインピーダンスであり、これを数式（７）により監視温度ｔｄに変換し、表７に示す。

〔計算結果〕
表７によれば、次のようなことが判る。
（１）温度検知素線４により、全体的に見て或る温度ｔｓに制御されていても、局部過熱があれば高分子感熱層３による監視温度ｔｄは、制御温度ｔｓより高目の温度を示すことが明らかである。表７の監視結果の欄に、ｔｄ−ｔｓ≧４℃となる監視温度ｔｄを斜体数字で示した。
（２）局部過熱の検知可能条件は、制御温度ｔｓ、局部過熱部の温度ｔｈ、長さＬｈによって変わり一定ではない。
（３）表７に於いて、Δｔ＝４℃、局部過熱温度ｔｈをパラメータとし、制御温度ｔｓに対して検知可能な長さＬｈを計算すると、表８のようになる。このようにすれば、局部過熱部の長さがどの程度で、その温度がどの程度であれば検知可能であるか、計算上明らかにすることができる。

（４）例えば、表８に於いて、制御温度ｔｓが３０℃で局部過熱温度ｔｈが１００℃の欄に注目する。ここで室温を２０℃とし、発熱素線２に点状の欠陥があり局部過熱が発生し得る状態で電源を投入した場合、長さＬｎ＝３３．９６３８ｍの局部過熱部以外の温度ｔｎが室温２０℃から制御温度３０℃になるより早く、Ｌｈ＝３．６２ｃｍと云う非常に小さな局部過熱部の温度ｔｈが２０℃から１００℃に上昇できる可能性は極めて高い。このような場合、温度制御装置は局部過熱と判断し、発熱素線２への通電をオフ出来ることが可能な計算結果である。

（５）上記動作を広く捉えれば、本発明による温度制御装置は、任意の制御温度ｔｓに於ける温度上昇の過渡状態であっても、表７の斜体数字で示した範囲に抵触すれば、極めて小さく短い局部過熱部をも検知できる大きな可能性を示しており、従来にない極めて優れた機能を有するものである。
（６）又、発熱素線２の局部過熱部とそれ以外の部分の温度と長さは、常に変動と小康状態を繰返す不安定な量であるとともに、それらの値は制御温度パラメータによっても変わるが、それらの変動要因をすべてまとめ、Δｔと云う温度に一元化したことにより、広範囲にわたり極めて簡単に局部過熱を検知できるようになったことが計算により示された。

本発明による採暖用温度制御装置によれば、
所定のピッチで螺旋状に捻回された金属製の発熱素線、正の温度係数を有する金属製の温度検知素線、負の温度係数を有し所定の温度で溶融する高分子感熱層および高分子感熱層に接触する電極素線が適切に配置され一体化されてなるコード状発熱線を具備する温度制御装置であって、
温度検知素線からの温度信号によりコード状発熱線の温度を制御するとともに、温度検知素線からの温度信号と高分子感熱層からの温度信号の差分を検知し、この差分が一定の値を超えた場合、発熱素線への通電を停止し、コード状発熱線に発生した局部過熱を早期に検知して安全性を確保する採暖用温度制御装置を提供することができる。

また、本発明による採暖用温度制御装置によれば、
温度検知素線の温度制御用信号から得られる制御温度をｔｓ、高分子感熱層の温度監視用信号から得られる監視温度をｔｄとし、制御温度ｔｓと監視温度ｔｄの差分が、回路部品や回路調整の誤差分と温度制御のオーバーシュートや長時間ドリフト等の誤差分を含む任意の判定温度Δｔと比較され、ｔｄ − ｔｓ ≧ Δｔの関係にあるｔｄ領域を局部過熱と判定することにより、高い精度で局部過熱を検知することができる。

本発明による採暖用温度制御装置の回路部分の実施の形態を示す回路図である。 本発明による採暖用温度制御装置に用いるコード状発熱線の実施の形態を示す図で、発熱線の一部を省略して示した構造図である。 １線式の従来例１と１線式の従来例２のコード状発熱線の一例を示す図で、発熱線の一部を省略して示した構造図である。 １線式の従来例３のコード状発熱線の一例を示す図で、発熱線の一部を省略して示した構造図である。 １線式の従来例１のコード状発熱線の回路部分の一例を示す回路図である。 １線式の従来例２のコード状発熱線の回路部分の一例を示す回路図である。 １線式の従来例３のコード状発熱線の回路部分の一例を示す回路図である。

以下、図面などを参照して本発明による採暖用温度制御装置の実施の形態を更に詳しく説明する。なお、本発明はその要旨を逸脱しない限り、以下の内容に限定されるものではない。

図２は、本発明の実施形態にかかるコード状発熱線１Ｈの一方端を示すもので、絶縁被覆層及び高分子感熱層などを一部省略して示した図である。
このコード状発熱線１Ｈは、ガラス繊維またはポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１と、巻芯１の外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した発熱素線２と、発熱素線２の外周に高分子樹脂を押出し成形してなる高分子感熱層３と、高分子感熱層３の外周に引き揃えて螺旋巻きされている温度検知素線４と過熱検知素線６及び両素線間に配置された少なくとも１条の絶縁糸７と、最外周にポリ塩化ビニル等を押出し成形した絶縁被覆層５とから構成されている。

ここで、高分子感熱層３はポリアミド樹脂の中でも吸水率の小さいナイロン１２単独、またはナイロン１２とポリアミド・エラストマーの混和物が好ましく、この混和物にポリエチレン・グリコールやポリエチレン・オキサイド等を添加したり、別途導電剤を添加したりして、高分子感熱層３の軟化点や融点を下げてもよいし、単位長当たりのインピーダンスの大きさや温度に対するインピーダンスの傾き（Ｂ定数）などを自由に変えても構わない。これらの材料をニーダー、または多軸押出機にて混練し、混和物としてのペレットが得られる。尚、これらの材料は一度に投入され混練される場合もあるが、順次投入され、複数回にわたり混練される場合もある。
この混和物ペレットは押出機により押出され、高分子感熱層３が形成される。

高分子感熱層３の外周には、表面が絶縁されていない温度検知素線４と過熱検知素線６が、両素線間に配置され少なくとも１条の絶縁糸７とともに引き揃えて螺旋巻きされているが、絶縁糸７は螺旋巻き時に互いに乗り越える可能性がないような太さのものが選択される。
過熱検知素線６は、発熱素線２と対を成し、高分子感熱層３の電極素線として働くものである。
絶縁被覆層５のポリ塩化ビニル樹脂混和物に含まれる可塑剤が高分子感熱層３へ移行するのを防止するため、絶縁糸７、温度検知素線４、過熱検知素線６からなる線条群と絶縁被覆層５の間にポリエステルテープを螺旋状に捻回したバリア層を設けてもよい。

図２に示したコード状発熱線１Ｈの実施形態に関する各部の材料や条件の詳細を表１に示すとともに、コード状発熱線１１Ｈ、１２Ｈ、１３Ｈの諸データについても併記する。温度検知素線４と高分子感熱層３の温度に対する抵抗やインピーダンスの特性は、表５、及び表６に示された値を基準として使用する。

図１は、本発明の実施形態にかかる温度制御装置の回路図であり、コード状発熱線１Ｈは、３４ｍの長さに切断され１畳用の電気カーペットに組込まれ、その端末は温度制御回路の所定の端子に接続される。
同図のワンチップ・マイコンＵ１は一般的な市販品の７８Ｋ０Ｓシリーズ（ルネサス・エレクトロニクス製）、ＴＬＣＳ−８７０シリーズ（東芝製）、ＰＩＣ１６Ｆシリーズ（マイクロ・チップス製）などが使われる。

図１の温度制御動作に好適な回路定数は各々、抵抗Ｒ１＝１．５ＫΩＦ、Ｒ２＝４７０ΩＦ、Ｒ３＝１８０ＫΩＦ、Ｒ４＝６．２ＫΩＦ、電解コンデンサＣ１＝Ｃ２＝１０μＦ（１６Ｖ）、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は整流ダイオード１Ｎ４００４、ＲＦ１＝１８０Ω（３Ｗ）、Ｆ１＝１０Ａ（２５０Ｖ）である。電力スイッチＳＷは電流容量１５Ａのリレーであり、温度制御部の電源電圧はＶｃｃ＝５Ｖである。

ワンチップ・マイコンＵ１には、〔制御手順１〕から〔制御手順４〕の項で説明した仕様のプログラムが組込まれている。温度検知素線４と高分子感熱層３から得られる電気信号Ｖｓ、Ｖｄ、及びそれらの変換温度ｔｓ、ｔｄは、予め計算によりＶｓ−ｔｓ及びＶｄ−ｔｄ変換テーブルが用意され、メイン・メモリに書き込まれる。各変換テーブルに載せる温度範囲は概ね０℃〜１２０℃が必要であり、その温度間隔は３０℃〜１００℃の間は０．２℃刻み、それ以外の範囲はＶｓもＶｄも飽和傾向になるので、０．５℃〜３℃刻み程度とした。

尚、Ｖｓ−ｔｓ及びＶｄ−ｔｄ変換テーブルは計算値を書き込むので高分解能化できるが、ワンチップ・マイコンＵ１に内臓のＡ／Ｄ変換器は１０ビット分解能程度が一般的であり、実際の入力電圧Ｖｓと監視電圧ＶｄのＡ／Ｄ変換値を計算値による変換テーブルの間隔に合うほど高分解能化できない。この点はよく知られているように、Ａ／Ｄ変換の繰返し入力処理とディザリング処理によって分解能を高めるのが一般的である。
又、本実施例に於けるΔｔは、〔計算手順１〕と〔計算手順２〕の説明と同じく４℃とした。

図５、図６及び図７に示す従来例１、２、及び３の温度制御回路図に於いて、温度制御動作に好適な回路定数を選んだ。各従来例に共通する回路定数は、Ｒ１＝１．５ＫΩＦ、Ｒ２＝４７０ΩＦ、Ｒ３＝１８０ＫΩＦ、Ｒ４＝６．２ＫΩＦ、Ｃ１＝Ｃ２＝１０μＦ（１６Ｖ）、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は整流ダイオード１Ｎ４００４、ＲＦ１＝１８０Ω（３Ｗ）、Ｆ１＝１０Ａ（２５０Ｖ）である。電力スイッチＳＷは電流容量１５Ａのリレーであり、温度制御部の電源電圧はＶｃｃ＝５Ｖである。

〔局部過熱試験〕
本局部過熱試験に供されるコード発熱線１Ｈ、１１Ｈ、１２Ｈ、１３Ｈと接続される温度制御回路、図１、図５、図６、図７の組合せを表１に併記する。
本試験に於けるワンチップ・マイコンＵ１はインサーキット・エミュレータによる動作とし、そのプログラム中にテスト・モードを設け、キー入力によって通常運転モードと切り換える。
テスト・モードの場合、その内容は前述の〔制御手順２〕の温度監視動作と〔制御手順３〕の局部過熱の判定は行わず、〔制御手順１〕の温度制御のみ行うものとする。
このようにして準備された電気カーペットは、室温２０℃の部屋の畳の上に風が当らないように設置され、局部過熱の試験に供される。

局部過熱試験の詳細は次の通りである。
（１）電気カーペットの中央部と中央部から外れた箇所のコード状発熱線１Ｈの表面に各々熱電対を貼り付け、モニター用温度測定器に接続される。
（２）電気カーペットの中央部に座布団のような種々の断熱材を置き保温状態を作る。断熱剤は、３０ｃｍ□、５０ｃｍ□、１００ｃｍ□の大きさのものを乗せ替えて試験する。尚、断熱材の大きさはコード状発熱線の長さでは、各々２ｍ、６ｍ、２４ｍに相当する。
（３）各断熱材の上には各々当寸大の種々の重りを乗せて試験する場合がある。

（４）試験は、表２に示すように制御温度ｔｓが３０℃、４０℃、６０℃となるべきＶｒｅｆ１電圧を与え、テスト・モードで温度制御を開始し、電力スイッチＳＷが安定的にオン・オフする状態までテスト・モード運転を継続し、各制御温度ｔｓの安定化を図る。
（５）テスト・モード運転中に、断熱材の下部に設置した熱電対の局部過熱温度ｔｈが、表２に示す７０℃、８０℃、１００℃で安定するように断熱材の材質や厚さ、重りを変える。
（６）目的とする制御温度ｔｓと局部過熱温度ｔｈで小康状態が得られた頃合を見計らい、キー入力によってプログラムを通常運転モードに切り換える。
（７）通常運転モードに於いて、温度制御装置の電力スイッチがオフになるかを確認し、その結果を表２に示す。

従来例１、２、３の局部過熱試験の場合は、本実施例とは異なり局部過熱対象部分を良好な断熱材で覆い、局部過熱が十分増進する状態にして動作させ、電力スイッチＳＷが安定的にオン・オフになるとともに、局部過熱温度ｔｈの小康状態が得られた頃合を見計らい、局部過熱温度ｔｈを測定した。その結果を表３に示す。
尚、従来例３に於ける単純過熱防止の設定温度は、高分子感熱層３ｂの全長にわたる両端のインピーダンスから見て１００℃相当に設定した。

各測定結果についての評価はつぎの通りである。
〔従来例による局部過熱試験の評価〕
表３のデータにより、次のようなことが明らかになった。
（１）従来例１では、
（ａ）局部過熱の長さが短くなるほど、及び制御温度が高いほど局部過熱温度も高くなり、市場に於いて発生しているコイン状コゲの現象と合致し、又物理的観点からも矛盾しない結果が得られ、試験の適正さが確認できた。

（ｂ）局部過熱の長さが点状欠陥のようにごく短い場合、例えば１〜３ｃｍの場合、数式（３）による計算から局部過熱温度は非常に高くなるが、表３の測定データからもその傾向は容易に推測でき、コイン状コゲの発生を抑止できない市場の状態をよく説明できる。
（ｃ）局部過熱部の長さが２４ｍと長く、制御温度が４０℃以下の場合は、局部過熱と看做されそうな温度上昇は発生しないが、これは全長３４ｍの１畳用電気カーペットからすれば、線長２４ｍは約１ｍ□のかなり大きな面積なので、十分な保温をしても数式（３）の抵抗に係わるバランスにより、局部過熱と看做されそうな温度上昇が発生し難いか、発生してもコゲが発生するほど高温にならないためである。

（２）従来例２では、
（ａ）高分子感熱層を使った温度制御にもかかわらず、特に重要な局部過熱部の長さが２ｍと短い場合に、局部過熱温度の抑制効果が小さいと云う結果であった。従来例２の高分子感熱層は、大きな負の温度係数を有する微小な感温素子の並列接続で構成されているにも拘らず意外な現象であるが、この理由は、局部過熱部のインピーダンスが長さに反比例して大きくなるためであり、従来例２の高分子感熱層の温度係数では短い局部過熱部の高感度検知は困難であるし、現在この温度係数を大幅に上回る高分子感熱層の材料が見当たらないのも事実である。従って、高分子感熱層が大きな温度係数の威力を発揮できるのは、局部過熱が目立たない大きくて均一な温度分布の場合であることが明確になった。
（ｂ）制御温度が低く、局部過熱の長さがコイン状のように短く、局部過熱の温度が１００℃を遥かに超える高温の状態が発生した場合、従来例２の温度制御装置の方が、従来例１の温度制御装置より局部過熱温度の抑制作用が大きいことが、数式（３）及び数式（５）から計算されたが、表３の測定データからもその傾向は見られ、市場に於けるコイン状コゲの発生率を説明できる。

（３）従来例３では、
（ａ）高分子感熱層による単純過熱防止の温度を１００℃に設定したが、何れの制御温度に於いても、局部過熱の長さが２ｍの場合、局部過熱の抑制効果が十分に大きいとはいえない結果となっており、従来例２と同様なインピーダンス構成のため、局部過熱の高感度検知は困難であることが明らかになった。
（ｂ）制御温度が低く、局部過熱の長さがコイン状のように短く、局部過熱の温度が１００℃を遥かに超える高温の状態が発生した場合、従来例３の単純過熱防止の回路部は、従来例２の温度制御装置と同じ働きとなるので、局部過熱温度の抑止効果は上記の説明と同様である。

このように従来例１、２、及び３では、数式（３）や数式（５）による計算値及び表３の測定データから、局部過熱部の長さが長い場合は、局部過熱と看做されそうな温度上昇が発生し難いか、発生してもコゲが発生するほど高温にならないが、局部過熱部が短い場合は、コゲの発生する条件の存在が明らかになり、計算結果をよく説明している。

〔本実施例による局部過熱試験の評価〕
表２のデータより、Δｔ＝４℃の場合、次のようなことが明らかになった。同表に於いて、○印は局部過熱が検知可能であった条件、×印は検知不可能であった条件である。
（ａ）局部過熱の長さが比較的短く、局部過熱の温度が１００℃程度と低くても局部過熱を検知できた。これは従来例１、２、及び３の結果と反対の結果であり、従来例１、２、及び３の非常に重要な欠点を解決できた。この理由は、局部過熱の検知と判定にΔｔと云う指標を用いたためである。
（ｂ）本発明の温度制御は従来例１と同じであり、表７や表８による計算値及び表３の従来例の測定データから、局部過熱部の長さが２４ｍなどと長い場合、局部過熱と看做されそうな温度上昇が発生しないか、或いは発生してもコゲが発生するほど高温にならないのは前述の通りである。

（ｃ）制御温度が６０℃と高く、局部過熱温度が７０℃と低い場合は、局部過熱と言い難いので検知できないが、コゲや発煙発生などの可能性は殆どないのは当然である。
（ｄ）上述の説明はΔｔ＝４℃の場合であるが、Δｔを異なる値に設定したり、環境条件により可変にしたりすれば、様々な条件に適合した局部過熱検知と温度制御が可能になるのは明らかである。
（ｅ）このように本発明の温度制御は従来例１と同じであり、局部過熱部の長さが長く、局部過熱温度が低い場合はコゲの発生は心配ないが、局部過熱部が短い場合は、Δｔと云う指標の導入により局部過熱の検知と判定の確実性を向上させ、従来例１、２及び３に見られる局部過熱を検知できないと云う欠点を解消し、コイン状コゲの発生する条件を著しく抑制できることが明らかになった。

以上説明したように本発明によれば、少なくとも金属製の温度検知素線と高分子感熱層を具備する１線式コード状発熱線の温度制御装置に於いて、温度検知素線からの温度情報を持つ電気信号によりコード状発熱線の温度を制御するとともに、温度検知素線からの電気信号より変換された温度と高分子感熱層からの温度情報を持つ電気信号より変換された温度の差分を検知し、この差分が一定の値を超えた場合、コード状発熱線に発生した局部過熱を早期に判定して発熱素線への通電を停止し、コイン状コゲなどの発生を広範な環境条件下で抑制し、高い安全性を確保することができるとともに、ハードウェアは従来形を踏襲しながら、ソフトウェアの拡充を主体にして実現できる経済的にも優れた採暖用温度制御装置を提供することができる。

電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられる採暖用温度制御装置である。

１ 巻芯
１Ｈ コード状発熱線
２ 発熱素線
３ 高分子感熱層
４ 温度検知素線
５ 絶縁被覆層
６ 過熱検知素線
７ 絶縁糸

Claims (3)

1. 所定のピッチで螺旋状に捻回された金属製の発熱素線、正の温度係数を有する金属製の温度検知素線、負の温度係数を有し所定の温度で溶融する高分子感熱層および前記高分子感熱層に接触する電極素線が配置され一体化されてなるコード状発熱線を具備する温度制御装置であって、
   前記温度検知素線からの温度情報を持つ電気信号によりコード状発熱線の温度を制御するとともに、前記温度検知素線からの電気信号と前記高分子感熱層からの温度情報を持つ電気信号の差分を検知し、前記差分が一定の値を超えた場合、前記発熱素線への通電を停止し、前記コード状発熱線に発生した局部過熱を検知して安全性を確保することを特徴とする採暖用温度制御装置。
2. 請求項１記載の温度制御装置において、
   前記温度検知素線の温度を制御する電気信号である温度制御信号から得られる制御温度をｔｓ、前記高分子感熱層の温度を監視する電気信号である温度監視用信号から得られる監視温度をｔｄとし、
   制御温度ｔｓと監視温度ｔｄの差分が、回路部品，回路調整の誤差分，温度制御のオーバーシュートまたは長時間ドリフト等の誤差分を含む任意の判定温度Δｔと比較され、
   下記の数式が成立したとき、ｔｄ領域を局部過熱と判定することを特徴とする採暖用温度制御装置。
   ｔｄ − ｔｓ ≧ Δｔ
3. 請求項２記載の温度制御装置において、
   前記温度検知素線からの電気信号を制御温度に変換するテーブルと、
   前記高分子感熱層からの電気信号を監視温度に変換するテーブルと、
   を備え、
   前記２つのテーブルを参照して制御温度ｔｓと監視温度ｔｄの差分を求めることを特徴とする採暖用温度制御装置。

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