JP4631556B2 - 温度制御装置およびそれを備えた電気採暖器具 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電気採暖器具に用いる可撓性線状発熱体の温度制御装置に関するものである。

従来、電気採暖器具などに用いられる発熱手段としては、一般的に可撓性線状発熱体が採用されている。

その可撓性線状発熱体の構成は、芯糸に第一の導体線をスパイラル状に巻き、その上に感温層を設け、さらにその上から第二の導体線を第一の導体線の逆にスパイラルに巻き、外被絶縁層で被覆したものであった（例えば、特許文献１参照）。

この可撓性線状発熱体の温度信号は、感温層の感温特性に主体的に依存するが、この感温層と第一の導体線、および第二の導体線との接触状態にも大きく関係する。特に、第二の導体線を発熱体の発熱抵抗線として使用する構成では、この第二の導体線は低い抵抗値を得るために太くする必要がある。

したがって、感温層にスパイラル状に巻いた後に、スプリングバック現象でこの第二の導体線と感温層との密着性が悪くなる現象を生起していた。この密着性の悪化は、発熱体が低温域では感温層インピーダンスの温度依存性（以降Ｂ定数と言う）が小さいため、低温域での制御温度バラツキが大きくなってしまうという課題があった。

かかる課題に対して、バラツキの影響が少ない高温度域では感温層信号により発熱体への通電制御を行い、逆に、バラツキの影響が大きくなる低温度域では感温層信号とは関係のないタイマー制御を行うようにしていた（例えば、特許文献２参照）。
特開平２−５４８８５号公報 特開平６−１３１５９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、発熱体への通電が長期間なかった場合、感温層に用いられる材料（特にナイロン樹脂）が吸湿して、感温特性が温度を高く検出する側（感温層インピーダンスが低くなる側）にずれてしまう。この現象は数日間使用している間に感温層の湿気がなくなった時点で正常なインピーダンス−温度特性になるが、暖房シーズンなどの使い始めは発熱体が吸湿している場合があり、電気カーペットのような暖房機器がまだ暖まっていないにもかかわらず発熱体をオフさせてしまうという課題があった。

また、低温域では単なるタイマー制御なので、設定に対してカーペット表面温度が何度になるのかわからないという課題も有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高温から低温まで精度よく安全に発熱体の制御が可能な温度制御装置を提供することを目的とする。

本発明は前記従来の課題を解決するために、感温層信号より算出された発熱体の温度ＳＴと、抵抗線信号より算出された発熱体の温度ＨＴとを比較し、感温層信号より算出された発熱体の温度ＳＴが、抵抗線信号より算出された発熱体の温度ＨＴが予め定めた温度差値Ｔ０より大きければ、前記感温層の温度ＳＴが高く出すぎていると判断し、感温層信号より算出された発熱体の温度検出が低くなる側に補正を掛けるので、感温層が吸湿などによって、高く温度検知をすることがあっても発熱体の温度を低めに制御することをなくすことができる。

また、感熱層のＢ定数が大きく温度変化信号が大きい領域では少なくとも感温層信号より算出された発熱体の温度に基づいて発熱体への通電を停止するとともに、感温層のＢ定数が小さく温度変化信号が小さい領域では発熱抵抗線の信号より算出された温度に基づいて発熱体をオンするようになり、低温側についても制御目標温度の設定が可能となる。

本発明の温度制御装置は、感温層の内部、外部からの特性バラツキ要因があっても高温から低温まで安全かつ効率的で、精度の良い温度制御をすることができる。

第１の発明は、芯糸の外周にスパイラル状に巻かれた温度信号線と、さらに前記温度信号線の外周に被覆された感温層と、さらに前記感温層の外周にスパイラル状に巻かれた発熱抵抗線と、さらに前記発熱抵抗線の外周に被覆された外被絶縁層と、で構成された可撓性の発熱体と、前記感温層信号から前記発熱体の温度ＳＴを検出する第一温度検出手段と、前記発熱抵抗線の抵抗線信号から前記発熱体の温度ＨＴを検出する第二温度検出手段と、前記第一温度検出手段及び第二温度検出手段の温度に応じて前記発熱体への通電を制御する通電制御部と、を備え、前記通電制御部は、前記発熱体に通電し、前記第一温度検出手段が検出する前記温度ＳＴが、異常温度ＳＴ１未満であれば通電を継続する通電ステップＳ２と、前記温度ＳＴから温度補正値ａを減じた温度と、予め設定してある通常温度域での発熱体オフ温度とを比較し、前記温度ＳＴから温度補正値ａを減じた温度が、前記発熱体オフ温度より高くなったとき前記発熱体への通電を停止し、次に前記温度ＳＴと、前記第二温度検出手段が検出する前記温度ＨＴとの温度差△Ｔを演算し、前記温度差△Ｔが予め定めた温度差値Ｔ０より大きければ、前記感温層の温度ＳＴが高く出すぎていると判断し、前記温度補正値ａに前記温度差△Ｔを入れ、前記温度差△Ｔが予め定めた前記温度差値Ｔ０よりも小さければ、前記補正値ａにゼロを入れ、前記温度ＨＴと予め定めた発熱体オン温度と比較し、前記温度ＨＴが前記発熱体オン温度より低くなるまで待ち、低くなった時点で前記通電ステップＳ２に戻る制御を行う構成とすることにより、感温層が吸湿
などによって、発熱体の温度を高く温度検知することがあっても発熱体の温度を低めに制御することがなくなる。

この場合、第一温度検出手段が検出する発熱体の温度ＳＴと第二温度検出手段が検出する発熱体の温度ＨＴとの温度差△Ｔを演算し、温度差△Ｔが予め定めた温度差値Ｔ０より大きければ、感温層の温度ＳＴが高く出すぎていると判断し、温度補正値ａに温度差△Ｔを入れ、温度差△Ｔが予め定めた温度差値Ｔ０よりも小さければ、補正値ａにゼロを入れ、温度ＨＴと予め定めた発熱体オン温度と比較し、前記温度ＨＴが前記発熱体オン温度より低くなるまで待ち、低くなった時点で前記通電ステップＳ２に戻る制御を行う構成とすることにより、感温層信号より算出された温度ＳＴと、発熱体の抵抗線信号より算出された温度ＨＴとの差が予め定めた前記温度差値Ｔ０以上のとき、温度ＳＴの温度検出が低くなる側に補正が作動するので、感温層が吸湿などによって、実際よりも高めの温度検知をするときのみ、低い側に温度を補正することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の第一温度検出手段の温度に上限温度を設定し、前記第一温度検出手段の温度が上限温度を超えた場合は発熱体への通電を強制的に停止するので、発熱体が部分的に加熱されたり、保温されたりしても異常温度になるのを防ぐことができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の発熱体への通電をオフする場合は、少なくとも第一温度検出手段の温度を用いるとともに、発熱体をオンさせる場合は第二温度検出手段の温度を用いるようにしている。これにより、温度が比的高い側の発熱体をオフする側と、温度が比較的低い側の発熱体をオンさせる側とで温度検出手段を切り替えるので、高温から低温までバラツキの少ない温度制御が可能となるとともに、低温側についても制御目標温度の設定が可能となる。

第４の発明は、特に、第１または第３の発明の発熱体への通電がオフする場合は少なくとも第一温度検出手段の温度を用いるとともに、発熱体をオンさせる場合は、発熱対がオフすると同時に起動されたタイマー手段がタイムアップした時点で第二温度検出手段の温度が発熱体をオンさせる温度より低い場合にのみ発熱体をオンするようにしたものである。これにより、発熱体への通電をオフする期間を一定時間以上に設定することができるともに、不必要に発熱体への通電をすることがなくなる。

第５の発明は、特に、第１〜４の温度制御装置を電気採暖器具に搭載したもので、的確な採暖を可能としたものである。

以下に本発明の実施の形態を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において、芯糸１に温度信号線２をスパイラル状に巻装し、その上に感温層３を被覆し、また、この感温層３には発熱抵抗線４をスパイラル状に巻装して、さらに外被絶縁層５を被せて可撓性線状発熱体６が構成してある。

上記芯糸１はポリエステル系や、ポリアミド系の繊維からなり、温度信号線２は銅または銅合金線で、感温層３はナイロンで、発熱抵抗線４は銅または銅合金線で、さらに外被絶縁層５は塩化ビニール樹脂（ＰＶＣ）でそれぞれ形成してある。

そして、芯糸１のスパイラル方向と、発熱抵抗線４のスパイラル方向とは逆の関係に設定してある。

ここで、温度信号線２は、感温層３のインピーダンス変化から温度信号を導出するための導線で、比較的細い線材が用いられ、発熱抵抗線４は発熱体として機能するため比較的太い線材が用いられる。また、感温層３はナイロン系の樹脂材料に添加材を加えたもので、図２に示すインピーダンス−温度特性を有するものである。なお、図２は対数目盛で表している。

図２で明らかなように８０℃以下の温度域でのＢ定数は比較的小さいのに比べ、８０℃以上の温度域でのＢ定数は大きい値を示している。これは、感温層３の材料がナイロンをベースとしているため低温度域では静電容量の温度変化特性が主として現れるのに対し、高温度域では抵抗成分の温度変化特性が強く現れるためである。

さらに、図３に発熱抵抗線４の抵抗温度特性を示す。発熱抵抗線４は温度に対して比例して抵抗値が大きくなり、この抵抗値の値を検出することで、発熱抵抗線４の温度を検出することができる。

次に、温度制御装置に用いる制御回路を図４に示す。発熱抵抗線４はリレー７の接点７ａを介して電源に直列接続されている。また、感温層３の温度信号線２は半導体素子８を介して通電制御部９内に設けられた第一温度検出手段９ａに接続され、その信号が温度に変換されるようにしてある。

さらに、発熱抵抗線４からの温度信号はリレー接点７ａの接続部分よりダイオード１０を通じて抵抗１１でプルアップされ、先の通電制御部９内に設けられた第二温度検出手段９ｂにて温度に変換される。

そして、リレー７の駆動回路はリレーコイルを具備し、通電制御部９の出力信号によってオン−オフする制御素子１２で制御されるように構成されている。

なお、通電制御部９はメモリ、信号比較、演算機能等を有するワンチップマイクロコンピュータなどで構成されている。

上記構成に於いて、今、発熱体６が吸湿した場合、例えば８０℃以下の温度域ではインピーダンスが高くて吸湿の影響を受けやすく、発熱体のもつ温度特性（インピーダンスの温度変化特性）は図５の破線ようになる。上記特性変化が生じると、単純に感温層３からの信号を温度に変換し８０℃相当のインピーダンスになったとしても、実際の温度は７０℃程度となり、発熱体を低めに制御してしまう。

また、温度が低い状態での発熱体制御となるので、吸湿された湿気も蒸発しにくくなり長時間低めの制御を継続してしまう。これに対して、発熱抵抗線４の抵抗値は湿度には全く影響されず、その抵抗温度特性は図３のままとなるため、この発熱抵抗線４からの信号により算出した温度で、感温層３の信号より算出された温度を補正することで、吸湿して温度を高い側に検出しても正常温度で発熱体を制御することができるようになる。この時の動作を図６のフローチャートで説明する。

まず、ステップＳ１で温度補正ａを初期化しておく、ステップＳ２で発熱体をオンし、ステップＳ３で感温層信号からの温度ＳＴを第一温度検出手段９ａにより検出する。

次にステップＳ４で予め設けてある異常温度ＳＴ１（例えば１２０℃）と比較し、ＳＴ１以上の温度であれば、ステップＳ５で高温異常としてステップＳ６で発熱体への通電を停止する。ＳＴ１未満であればステップＳ７で感温層信号からの温度ＳＴから温度補正ａ
を減じた温度と予め設定してある通常温度域での発熱体オフ温度（例えば８５℃）とを比較し、発熱体オフ温度より低ければステップＳ２に戻る。

発熱体オフ温度より高ければステップＳ８で発熱体をオフする。次にステップＳ９で発熱体の抵抗線信号からの温度ＨＴを第二温度検出手段９ｂにより検出する。ステップＳ１０ではステップＳ３で第一温度検出手段９ａの温度ＳＴとステップＳ９で検出した第二温度検出手段９ｂからの温度ＨＴの差△Ｔ（ＳＴ―ＨＴ）を計算する。

ステップＳ１１では前記計算した△Ｔが予め定めた温度Ｔ０（例えば５℃）より大きければ感温層の温度が高く出すぎていると判断し、ステップＳ１２で補正値ａに△Ｔを入れる。Ｔ０よりも小さければステップＳ１３で補正値ａにゼロを入れる。ステップＳ１４ではステップＳ９の第二温度検出手段９ｂで検出した温度ＨＴが、予め定めた発熱体オン温度（例えば７５℃）と比較し、ステップＳ９の第二温度検出手段９ｂで検出した温度ＨＴが予め定めた発熱体オン温度より低くなるまで待ち、低くなった時点でステップＳ２に戻る。

以上のように、本実施の形態においては感温層信号より算出された発熱体の温度ＳＴと、抵抗線信号より算出された発熱体の温度ＨＴとを比較し、ＳＴの温度がＨＴの温度よりも高い場合、ＳＴの温度検出が低くなる側に補正を掛けたＳＨＴ温度により発熱体への通電制御を行うので、感温層が吸湿などによって、実際よりも高めの温度検知をするときのみ、低い側に温度を補正することができる。

なお、本実施の形態では、補正温度を感温層信号より算出された温度と、発熱体の抵抗線信号より算出された温度との差△Ｔを補正温度ａとしたが、インピーダンス−温度特性が吸湿によりずれる量に見合った量となるように影響度合いに応じてウェート付けをすることも考えられる。例えば８０℃付近は△Ｔそのまま補正するが、９０℃付近は△Ｔ×０．９、逆に７０℃付近は△Ｔ×１．１とすれば、より正確な補正をすることができる。

また、感温層信号より算出された温度と、発熱体の抵抗線信号より算出された温度との差を５℃以上のとき補正が作動するという不感帯領域を持つ例としたが、５℃に限定されるものではない。

さらに、本実施の形態の発熱体オン温度及びオフ温度は一つの値に固定されなくても良く、温度調節機能がついたものであれば複数設定しても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図７，８は、本発明の実施の形態２を示すもので、実施の形態１と同一作用を発揮する構成については同一符号を付し、詳細な説明は実施の形態１のものを援用する。

図７において、通電制御部９内には発熱体６がオフした時に起動され、発熱体６がオンした時点で停止するタイマー９ｃが付加されている。

上記構成に於いて、その動作を図８のフローチャートで説明する。

ステップＳ８で発熱体をオフすると、ステップＳ２０でタイマー９ｃを起動する。ステップＳ１１、１２、１３で補正値ａの値を決定した後、ステップＳ２１でタイマー６ｃのオーバーフローを確認し、オーバーフローしていなければ、そのままオーバーフローするのを待つ、オーバーフローしていればステップＳ１４に進み、ステップＳ９での抵抗線信号で検出した温度ＨＴに応じて発熱体をオンまたはオフ継続するようにする。

以上のように、本実施の形態においては発熱体が一度オフした後は最低タイマー９ｃの時間を確保した後、抵抗線信号より算出された発熱体の温度ＨＴに応じて発熱体を制御するので発熱体に無駄な通電することがなくなるとともにリレー開閉頻度を抑えることができる。

以上のように、本発明にかかる温度制御装置は、感温層が吸湿などによって、高く温度検知をしたと判断したときのみ、低い側に温度補正をすることができ、感温層の内部、外部からの特性バラツキ要因があっても高温から低温まで安全かつ効率的で、精度の良い温度制御をすることが可能となるので、電気カーペットや電気毛布等の採暖用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における発熱体の一部切欠側面図 同発熱体のインピーダンスの温度特性図 同発熱体の抵抗―温度特性図 同制御回路図 同インピーダンスの温度特性を示す図 同制御装置の動作フローチャート 本発明の実施の形態２を示す回路図 同動作フローチャート

１ 芯糸
２ 温度信号線
３ 感温層
４ 発熱抵抗線
５ 外皮絶縁層
６ 発熱体
９ 通電制御部
９ａ 第一温度検出手段
９ｂ 第二温度検出手段
６ｃ タイマー手段

Claims (5)

1. 芯糸の外周にスパイラル状に巻かれた温度信号線と、
   さらに前記温度信号線の外周に被覆された感温層と、
   さらに前記感温層の外周にスパイラル状に巻かれた発熱抵抗線と、
   さらに前記発熱抵抗線の外周に被覆された外被絶縁層と、
   で構成された可撓性の発熱体と、
   前記感温層の信号から前記発熱体の温度ＳＴを検出する第一温度検出手段と、
   前記発熱抵抗線の抵抗線信号から前記発熱体の温度ＨＴを検出する第二温度検出手段と、前記第一温度検出手段及び第二温度検出手段の温度に応じて前記発熱体への通電を制御する通電制御部と、
   を備え、
   前記通電制御部は、
   前記発熱体に通電し、前記第一温度検出手段が検出する前記温度ＳＴが、異常温度ＳＴ１未満であれば通電を継続する通電ステップＳ２と、
   前記温度ＳＴから温度補正値ａを減じた温度と、予め設定してある通常温度域での発熱体オフ温度とを比較し、
   前記温度ＳＴから温度補正値ａを減じた温度が、前記発熱体オフ温度より高くなったとき前記発熱体への通電を停止し、
   次に前記温度ＳＴと、前記第二温度検出手段が検出する前記温度ＨＴとの温度差△Ｔを演算し、
   前記温度差△Ｔが予め定めた温度差値Ｔ０より大きければ、前記感温層の温度ＳＴが高く出すぎていると判断し、前記温度補正値ａに前記温度差△Ｔを入れ、
   前記温度差△Ｔが予め定めた前記温度差値Ｔ０よりも小さければ、前記補正値ａにゼロを入れ、
   前記温度ＨＴと予め定めた発熱体オン温度と比較し、前記温度ＨＴが前記発熱体オン温度より低くなるまで待ち、低くなった時点で前記通電ステップＳ２に戻る制御を行う温度制御装置。
2. 前記通電制御部は、前記感温層信号の上限温度を有し、前記第一温度検出手段の温度が上限温度を超えた場合は前記発熱体への通電を強制的に停止する請求項１に記載の温度制御
   装置。
3. 前記通電制御部は、前記発熱体への通電をオフする場合は少なくとも前記第一温度検出手段の温度を用いるとともに、前記発熱体をオンさせる場合は前記第二温度検出手段の温度を用いるようにした請求項１または２に記載の温度制御装置。
4. 前記通電制御部は、前記発熱体がオフになったときに起動されるタイマー手段を有し、前記発熱体への通電をオフする場合は少なくとも前記第一温度検出手段の温度を用いるとともに、前記発熱体をオンさせる場合は、前記タイマー手段がタイムアップした時点で前記第二温度検出手段の温度が前記発熱体オン温度より低い場合にのみ前記発熱体をオンするようにした請求項１または２に記載の温度制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の温度制御装置を搭載した電気採暖器具。