JP4577181B2 - 面状採暖具 - Google Patents

Description

本発明は、電気カーペットや電気毛布などの広範囲を暖房し、ヒータ線と同軸上に配置した温度検知線によって、温度制御するとともに、ヒータ線が異常加熱した時は安全に通電を遮断する面状採暖具に関するものである。

従来、この種の面状採暖具としては、例えば、温度検知線の抵抗値変化を、電圧の変化に変換した温度信号電圧を取り出し、この温度信号電圧をもとに温度制御を行い、そして、もしヒータ線が制御回路の故障によってフル通電となった場合は、ヒータ線と温度検知線の間に設けた可溶体が溶融して、ヒータ線と温度検知線が接触することにより、温度ヒューズを断線させて、ヒータ線の通電を停止させている（例えば、特許文献１参照）。

図５〜図６は、特許文献１に記載された従来の面状採暖具を示すものである。図５に示すように、発熱体１は、ヒータ線２の上に、ある温度で溶融する可溶体３を被覆し、その上に温度検知線４を設け、さらにその上を電気絶縁物５で被っている。この紐状の発熱体１を、面状の敷物などに配線設置して暖房する。そして図６に示す制御回路によって、温度検知線４の温度信号を検出して、ヒータ線２を通電制御している。温度検知線４は、ヒータ線２の温度が上がるにつれて抵抗値が増加する特性を示し、ヒータ線２の温度が設定温度よりも低いと制御部６が判断している時は、リレーコイル７を駆動して、リレー接点部８をオンさせて、ヒータ線２へ交流電源９を通電する。

そして、ヒータ線２の温度が上昇するのに従って、温度検知線４の温度も上昇し、温度検知線４の抵抗値が大きくなって、抵抗１０と温度検知線４の接続点の電圧Ｖａが高くなって行く。この温度信号電圧Ｖａを制御部６は検出して、設定温度に達したと判断した時は、リレーコイル７の駆動を停止し、リレー接点部８をオフして、ヒータ線２の通電を止める。

このように通常は温度制御して発熱体１の温度をコントロールしているが、何らかの原因によって、例えばリレー接点部８が溶着故障を起こすと、ヒータ線２がフル通電となって温度が上昇し続け、火傷や火災など非常に危険な状態になってしまう。この危険な状態を回避するために次の安全手段を設けている。それは、ヒータ線２がフル通電となって温度が上昇し、ある温度（従来例では１６０℃）に達すると可溶体３が溶融して、ヒータ線２と温度検知線４がショート状態になる。ショート状態になると発熱抵抗１１に交流電源９からの電流が流れ、発熱抵抗１１は発熱し、発熱抵抗１１と熱的結合にある温度ヒューズ１２が溶断して、ヒータ線２への通電を停止するように構成されている。
特開２００３−２０３７４７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、温度信号電圧Ｖａの変化を検出するのが容易ではない。温度信号線４は一般的にはニッケルを主成分とした金属線を使用するが、温度変化に対する抵抗値変化が小さく１℃あたり０．４５％程度で、例えば２０℃の時に温度検知線４の抵抗値を１００Ωに設定すると、強温度の制御時は６５℃程度になるので、この時の抵抗値は１２０Ωとなる。このように温度検知線４の抵抗値変化は非常に小さいものである。

この温度検知線４の変化を電源回路１３からの直流電圧を電源として、抵抗１０、温度
検知線４、抵抗１４とで分割して得られる電圧が温度信号電圧Ｖａとなるが、温度信号電圧Ｖａは、さらに発熱抵抗１１の影響も受け、電源回路１３からの直流電圧による電流が抵抗１０、発熱抵抗１１、整流素子１５へとまわり込み温度信号電圧Ｖａの変化量がますます小さくなってしまう。発熱抵抗１１は温度ヒューズ１２を溶断させる熱量を発生する必要があり、その抵抗値は温度検知線４と同様な１５０Ω程度になる。従って、発熱抵抗１１側へのまわり込みは温度信号電圧Ｖａに非常に大きな影響を与え、温度検知線４の抵抗値変化を検出するのは容易なことではない。

特に、発熱体１が長くなる広面積を暖房する電気カーペットは、温度検知線４の抵抗値が大きくなり、発熱抵抗１１の抵抗値の方が小さくなってしまって影響度がさらに拡大する。温度信号電圧Ｖａの変化幅が小さいと外部からのノイズの影響を受けやすくなり正常な温度制御が出来なくなってしまう。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温度変化に対する温度検知線の抵抗値変化を最大限に取り出すことができる面状採暖具の提供を目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の面状採暖具は、ヒータ線が異常加熱して、可溶体が溶融し、ヒータ線と温度検知線がショートして流れる電流が、温度検知線と温度検出部の接続点から流れ出す方向に第一整流素子を接続して、第一整流素子の出力側にヒータ線と温度検知線がショートして流れる電流で発熱する発熱部を接続し、電力制御素子が正常にヒータ線の通電を行っている通常制御時は第一整流素子に電流を流さないように第一電源部の直流電圧を第一整流素子の出力側に供給する電流阻止部を設けたものである。この電流阻止部によって第一整流素子の出力側を入力側より高い電圧として、第一整流素子を逆バイアス状態とすることができるものである。

本発明の面状採暖具は、温度検出部から発熱抵抗に流れ出す電流をなくして、温度検知線の抵抗値変化を最大限に取り出す事で、温度信号電圧の変化が大きくなり、外来ノイズの影響を受けない安定な温度制御とすることができる。

第１の発明は、面状採暖具本体に配設した発熱体と、発熱体内部に設けたヒータ線および可溶体および温度検知線と、交流電源を整流して回路ＧＮＤとの間に直流電圧を供給する第一電源部と、第一電源部からの直流電圧を電源にして温度検知線の抵抗値変化を検出する温度検出部と、温度検出部の信号を処理してヒータ線の通電を行う電力制御素子を駆動する制御部と、交流電源のどちらか半サイクル側の電流が回路ＧＮＤに流れ込まない方向に接続した整流素子と、ヒータ線が異常加熱時に可溶体の溶融によりヒータ線と温度検知線がショートして流れる電流が温度検知線と温度検出部の接続点から流れ出す方向に接続した第一整流素子と、第一整流素子の出力側に接続してヒータ線と温度検知線がショートして流れる電流で発熱する発熱部と、発熱部の加熱によって溶断してヒータ線の通電を停止する温度ヒューズと、電力制御素子が正常にヒータ線の通電を行っている通常制御時は第一整流素子に電流が流れないように第一電源部の直流電圧を第一整流素子の出力側に供給する電流阻止部を備えたことにより、温度検出部から発熱部に流れる電流を阻止し、温度検知線の温度による抵抗値変化を最大限取り出すことができる。

第２の発明は、特に、第一の発明の電流阻止部を、第一電源部より小さい直流電圧を発生する第二電源部から電源供給することにより、温度検出部と温度検知線の回路は第一電源部の高い直流電圧を電源としているので、温度検出部の抵抗値変化を変換した温度信号電圧の変化幅は大きいままとでき、そして電流阻止部を第一電源部より小さい直流電圧を
発生する第二電源部からとることで発熱抵抗に流れる電流を小さくすることによって、電源トータルの電源部の容量を小さくすることができる。

第３の発明は、特に、第一または第二の発明の電流阻止部を、トランジスタのベースを第一整流素子の出力側に接続し、エミッタは第一電源部または第二電源部に接続し、そしてコレクタは電流制限素子を通して回路ＧＮＤ側に接続して、電流制限素子の電圧を制御部で監視することにより、温度検知線の抵抗値変化を最大限に取り出すことができるとともに、発熱部の回路の断線を検出することが可能となり、回路の安定性と安全性を向上させることができる。

第４の発明は、特に、第三の発明の電流阻止部のトランジスタのベースに流れる逆方向電流を阻止する第二整流素子を接続することにより、温度検知線の抵抗値変化を最大限に取り出すことができるとともに、発熱部の回路の断線を検出することが可能であり、さらに、トランジスタの耐圧保護が低コストで可能となって、回路の安定性と安全性の向上を低コストで行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における面状採暖具の構成図を示すものである。図１において、２１は発熱体で、発熱体２１はヒータ線２２、可溶体２３、温度検知線２４を内蔵しており、その構造は図５に示す発熱体と同様である。温度検知線２４はヒータ線２２の温度が上がるにつれて温度が上がり、温度検知線２４自身の抵抗値も上がる。逆にヒータ線２２の温度が下がると温度検知線２４自身の抵抗値も下がる。この温度検知線２４の抵抗値変化を検出することで発熱体２１の温度を所定の温度に制御する。この温度検知線２４の抵抗値変化を、交流電源２５を整流して回路ＧＮＤとの間に直流電圧を発生する第一電源部２６からの電圧をもとに、温度検出部２７で電圧の変化に変換する。温度検出部２７は抵抗２８、２９と、温度検知線２４とで分割して得られる電圧を温度信号電圧Ｖａとして出力する。

ここで温度検出部２７の抵抗２９をなくして温度検知線２４の一端を直接回路ＧＮＤに接続しても温度信号電圧Ｖａは何ら支障なく得ることができる。温度信号電圧Ｖａは温度検知線２４の抵抗値が大きくなるのに従って高くなる変化を示す。この温度信号電圧Ｖａを制御部３０に入力する。制御部３０は温度信号電圧Ｖａ値を認識して、発熱体２１の温度が設定した所定の温度に達していないと判断している時は、電力制御素子３１のリレーコイル部３２を駆動してリレー接点部３３をオンしている。リレー接点部３３のオンによりヒータ線２２に交流電源２５が供給され、発熱体２１の温度が設定した所定の温度、すなわち、温度信号電圧Ｖａが設定した所定の電圧に達したと判断した時は、電力制御素子３１のリレーコイル部３２の駆動を止め、リレー接点部３３をオフさせる。

交流電源２５の一端に接続した整流素子３４は、制御部３０などの回路に交流電源２５の半サイクル側の電流が回り込まない様に接続しているが、接続場所は交流電源２５の一端にこだわるものではなく、交流電源２５の半サイクル側のまわり込み電流を阻止できる所であれば良く、また、その接続場所は複数箇所となっても何ら支障はない。

それから、ヒータ線２２が異常加熱時に、可溶体２３の溶融により、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートして流れる電流が、温度検知線２４と温度検出部２７の接続点から流れ出す方向に第一整流素子３５を接続し、第一整流素子３５の出力側には、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートして流れる電流で発熱する発熱部３６を接続している。
発熱部３６は、発熱抵抗３７と、交流電源２５の両側に向けてそれぞれ接続した整流素子３８、３９によって、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートして流れる電流の経路を構成している。

そして発熱部３６の発熱抵抗３７の発熱によって、温度ヒューズ４０が溶断して、ヒータ線２２への通電が停止することになる。第一整流素子３５の出力側には、さらに、電力制御素子３１が正常に動作している通常制御時には、第一整流素子３５に電流を流さないように、第一電源部２６の直流電圧を供給する電流阻止部４１を接続する。電流阻止部４１は、ここでは整流素子４２で構成して、第一整流素子３５の出力側の電圧を、第一電源部２６の電圧から整流素子４２の順方向電圧分だけ低い電圧に吊り上げている。それから温度検知線２４には、並列に回路ＧＮＤ側をアノードとした整流素子４３を接続している。

以上のように構成された面状採暖具について、以下その動作、作用を説明する。温度検知線２４と温度検出部２７の接続点と、発熱部３６との間に接続した第一整流素子３５の出力側を、電流阻止部４１の整流素子４２で、第一電源部２６の電圧から整流素子４２の順方向電圧分だけ低い電圧に吊り上げているので、電力制御素子３１が正常に動作している通常制御時においては、第一整流素子３５は逆バイアス状態となり、第一整流素子３５の入力側であるａ点から出力側であるｂ点に向かっては電流が流れない状態となっている。また当然のことに出力側ｂ点からａ点に向けても第一整流素子３５自身の特性から電流を流さないものである。

従って、第一電源部２６の電圧によって温度検知線２４に流れる電流は、温度検出部２７の抵抗２８を通して全ての電流が温度検知線２４に流れ、そして抵抗２９を通して回路ＧＮＤへと流れる。ゆえに、温度信号電圧Ｖａに対して、発熱部３６の影響がなくなり温度検知線２４の抵抗値変化を最大限に取り出す事ができる。

次に、例えば電力制御素子３１のリレー接点部３３が溶着故障を起こしてヒータ線２２が連続通電となり、可溶体２３が溶融して、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートを起こした時、そのショート箇所が例えばＳ１部の時は、交流電源２５のＰ点から温度ヒューズ４０、溶着故障を起こしているリレー接点部３３、Ｓ１部、第一整流素子３５、発熱抵抗３７、整流素子３９、整流素子３４、交流電源２５のＮ点へとショート電流が流れる。

またヒータ線２２と温度検知線２４のショート箇所がＳ２部の時は、交流電源２５のＮ点からＳ２部、整流素子４３、第一整流素子３５、発熱抵抗３７、整流素子３８、温度ヒューズ４０、交流電源２５のＰ点へとショート電流が流れ、このショート電流によって発熱部３６の発熱抵抗３７が加熱され、熱的結合にある温度ヒューズ４０が溶断する。ここで、第一整流素子３５は、入力側であるａ点には交流電源２５の電圧が印加されるため、出力側であるｂ点の電圧より高くなって、第一整流素子３５は順バイアス方向となり順方向電流としてヒータ線２２と温度検知線２４がショートを起こしたショート電流が流れるものである。

以上のように、本実施の形態においては、電力制御素子３１が正常に動作している通常制御時においては、第一整流素子３５は、逆バイアス状態となり、温度検出部２７からの全ての電流を、温度検知線２４に流すことができ、温度検知線２４の抵抗値変化を、温度信号電圧Ｖａとして全て取り出せ、安定性の向上した回路動作とすることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態の面状採暖具の構成図である。

図２において、電流阻止部４１を、制御部３０とともに第一電源部２６より小さい直流電圧を発生する第二電源部４４に接続している。

以上のように構成された面状採暖具について、以下その動作、作用を説明する。
制御部３０は一般的にマイコンを採用する。マイコンは駆動電圧が６Ｖ以下の場合が普通で、５Ｖ直流電源を使用するのが一般的である。この５Ｖ直流電源によって温度検出部２７を駆動すると、温度信号電圧Ｖａの変化が大きく取れない。そこで温度検出部２７は、その出力電圧が高く例えば１２Ｖを出力する第一電源部２６に接続している。そして、マイコンを採用した制御部３０と、電流阻止部４１は、第一電源部２６より小さい直流電圧である例えば５Ｖを発生する第二電源部４４に接続する。

ここで、温度検知線２４の抵抗値によって可変する温度信号電圧Ｖａの最大値を、第一整流素子３５に電流が流れないようにａ点の電圧が第二電源部４４の電圧５Ｖから、電流阻止部４１の整流素子４２の順方向電圧だけ低い値に設定すれば、温度検出部２７の電流が発熱部３６に回り込むことはない。温度信号電圧Ｖａの最大値を第二電源部４４の電圧５Ｖから、電流阻止部４１の整流素子４２の順方向電圧だけ低い値に設定しても、温度信号電圧Ｖａの変化量は、温度検出部２７を第二電源部４４と同じ電圧５Ｖからとるよりは大きくなる。また、発熱抵抗３７には電流阻止部４１から整流素子３９を通して回路ＧＮＤに向けて電流が流れるが、第一電源部２６より小さい直流電圧５Ｖを発生する第二電源部４４に接続しているので、流れる電流値は、出力電圧が高い第一電源部２６に接続するより、はるかに小さくてすむ。そして、流れる電流値は、発熱部３７の加熱に対しては寄与しないレベルの電流値である。

以上のように、本実施の形態においては、機能性の高いマイコンを採用した制御部３０とすることが可能で、電力制御素子３１が正常に動作している通常制御時において、電流阻止部４１から発熱部３６に流れる電流を抑えられ、温度検出部２７の温度信号電圧Ｖａの変化量については大きくとることができ、回路動作の安定性が向上した上に、電源部の容量を小さくすることができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態の面状採暖具の構成図である。

図３において、電流阻止部４１を、トランジスタ４５のベースを第一整流素子３５の出力側ｂ点に接続し、エミッタは第二電源部４４に接続し、そしてコレクタは電流制限素子４６を通して回路ＧＮＤ側に接続して、電流制限素子４６の電圧を制御部３０に入力している。ここで図３は実施の形態２を示す図２をもとにしたが、実施の形態１を示す図１の場合もトランジスタ４５のエミッタを第一電源部２６に接続すれば同様の動作、効果となることはいうまでもない。

以上のように構成された面状採暖具について、以下その動作、作用を説明する。電流阻止部４１のトランジスタ４５は、第二電源部４４から発熱部３６の発熱抵抗３７、整流素子３９を通してベース電流が流れオン状態であるとともに、第一整流素子３５の出力側であるｂ点の電圧を第二電源部４４からトランジスタ４５のベースエミッタ間電圧だけ低い電圧に吊り上げている。従って、電力制御素子３１が正常に動作している通常制御時においては、第一整流素子３５は逆バイアス状態となり、第一整流素子３５の入力側であるａ点から出力側であるｂ点に向かっては電流が流れない状態となっている。

そして、トランジスタ４５はオンしているので、電流制限素子４６にはほぼ第二電源部４４の電圧が発生しており、制御部３０は電流制限素子４６に電圧が発生していることを
検出して、トランジスタ４５のベース側に接続をしている発熱部３６の発熱抵抗３７、整流素子３９が正常につながっていることを認識している。

また、発熱抵抗３７や整流素子３９に故障が発生してオープンしたときは、トランジスタ４５のベース電流が流れなくなり、トランジスタ４５はオフして、電流制限素子４６に電圧が発生しなくなる。電流制限素子４６に電圧が発生しなくなると制御部３０は発熱抵抗３７や整流素子３９にオープン故障が発生したことを認識して、電力制御素子３１の駆動を停止してヒータ２２への通電を停止する。

もし、発熱抵抗３７や整流素子３９のオープン故障が検出できなければ、例えば電力制御素子３１のリレー接点部３３が溶着故障を起こしてヒータ線２２が連続通電となって、可溶体２３が溶融し、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートを起こしたとしても、発熱抵抗３７は発熱せず、ヒータ線２２は通電し続け、火傷や火災につながる非常に危険な状態となってしまう。この危険な状態をトランジスタ４５によって回避することができる。

以上のように、本実施の形態においては、電力制御素子３１が正常に動作している通常制御時においては、第一整流素子３５は逆バイアス状態となり、温度検出部２７からの電流全てを温度検知線２４に流すことができ、温度検知線２４の抵抗値変化を温度信号電圧Ｖａとして全て取り出せるとともに、発熱部３６の発熱抵抗３７や整流素子３９の断線故障を見つけてヒータ線２２の通電を止めることができ、安定性および安全性の向上した回路動作とすることができる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の第４の実施の形態の面状採暖具の構成図である。

図４において、電流阻止部４１のトランジスタ４５のベースに流れる逆方向電流を阻止する第二整流素子４７を接続している。ここで図４は実施の形態２を示す図２をもとにしているが、実施の形態１を示す図１の場合もトランジスタ４５のエミッタを第一電源部２６に接続すれば同様の動作、効果となることはいうまでもない。

以上のように構成された面状採暖具について、以下その動作、作用を説明する。第二整流素子４７は、例えば電力制御素子３１のリレー接点部３３が溶着故障を起こしてヒータ線２２が連続通電となって、可溶体２３が溶融し、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートを起こした時のトランジスタ４５にかかる電圧を小さくする。ヒータ線２２と温度検知線２４がショートを起こすと交流電源２５の電圧がトランジスタ４５にかかるため、トランジスタ４５は耐圧が必要な非常に特殊なものが必要であるが、第二整流素子４７を接続することで、一般的なトランジスタが採用できる。

以上のように、本実施の形態においては、第二整流素子４７を接続することにより、トランジスタ４５の定格を下げることができ、一般的な５０Ｖ定格品で構成することが可能となり、低コストで実現できるとともに、電力制御素子３１が正常にオンオフしている通常制御時においては、第一整流素子３５は逆バイアス状態となり、温度検出部２７からの電流全てを温度検知線２４に流すことができ、温度検知線２４の抵抗値変化を温度信号電圧Ｖａとして全て取り出せるとともに、発熱部３６の発熱抵抗３７や整流素子３９の断線故障を見つけてヒータ線２２の通電を止めることができ、安定性および安全性の向上した回路動作を低コストで提供することができる。

以上のように、本発明にかかる面状採暖具は、温度検知線の抵抗値の大きさに関係なく
、温度検知線の温度による抵抗値変化を廻り込み回路なしで全て温度信号電圧として取り出せるので、座布団サイズの狭面積の採暖具から広範囲を暖房する設置型の床下暖房の用途まで十分に適用することができる。

本発明の実施の形態１における面状採暖具の構成図 本発明の実施の形態２の面状採暖具を示す構成図 本発明の実施の形態３の面状採暖具を示す構成図 本発明の実施の形態４の面状採暖具を示す構成図 発熱体の構造図 従来の面状採暖具の構成図

符号の説明

２１ 発熱体
２２ ヒータ線
２３ 可溶体
２４ 温度検知線
２６ 第一電源部
２７ 温度検出部
３０ 制御部
３１ 電力制御素子
３５ 第一整流素子
３６ 発熱部
３７ 発熱抵抗
４０ 温度ヒューズ
４１ 電流阻止部
４４ 第二電源部
４５ トランジスタ
４７ 第二整流素子

Claims (4)

1. 面状採暖具本体に配設した発熱体と、発熱体内部に設けたヒータ線および可溶体および温度検知線と、交流電源を整流して回路ＧＮＤとの間に直流電圧を供給する第一電源部と、第一電源部からの直流電圧を電源にして温度検知線の抵抗値変化を検出する温度検出部と、温度検出部の信号を処理してヒータ線の通電を行う電力制御素子を駆動する制御部と、交流電源のどちらか半サイクル側の電流が回路ＧＮＤに流れ込まない方向に接続した整流素子と、ヒータ線が異常加熱時に可溶体の溶融によりヒータ線と温度検知線がショートして流れる電流が温度検知線と温度検出部の接続点から流れ出す方向に接続した第一整流素子と、第一整流素子の出力側に接続してヒータ線と温度検知線がショートして流れる電流で発熱する発熱部と、発熱部の加熱によって溶断してヒータ線の通電を停止する温度ヒューズと、電力制御素子が正常にヒータ線の通電を行っている通常制御時は第一整流素子に電流が流れないように第一電源部の直流電圧を第一整流素子の出力側に供給する電流阻止部を備えた面状採暖具。
2. 電流阻止部を、第一電源部より小さい直流電圧を発生する第二電源部から電源供給してなる請求項１に記載の面状採暖具。
3. 電流阻止部を、トランジスタのベースを第一整流素子の出力側に接続し、エミッタは第一電源部または第二電源部に接続し、そしてコレクタは電流制限素子を通して回路ＧＮＤ側に接続して、電流制限素子の電圧を制御部で監視する構成とした請求項１または２に記載の面状採暖具。
4. 電流阻止部のトランジスタのベースに流れる逆方向電流を阻止する第二整流素子を接続した請求項３に記載の面状採暖具。

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