JP4710512B2

JP4710512B2 - 面状採暖具

Info

Publication number: JP4710512B2
Application number: JP2005275718A
Authority: JP
Inventors: 尚保片山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2007085653A

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、ヒータ線への通電手段が故障したときには、安全に通電を遮断する手段を設けた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、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断して、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６〜図７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６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７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、何らかに原因によって、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となってしまう。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の一部が溶融してヒータ線２と温度検知線４がショート状態となる。ショート状態になると発熱抵抗１１に電流が流れ、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、安全手段が機能しない場合が考えられる。ヒータ線２がフル通電状態となって可溶体３が溶断する時の温度は、一般的に１７０℃前後であり、この時の温度検知線４の温度も同様となり、温度検知線４の抵抗値がかなりの大きな抵抗値となっている。この状態においてヒータ線２と温度検知線４のショートが発生するが、ショートしても温度検知線４の抵抗値が大きいために発熱抵抗１１を流れる電流が少なく、さらに、例えば発熱体１の中間点ａ点でヒータ線２と温度検知線４がショートした場合の電流経路をみると、交流電源９のＰ側が正サイクル時は、Ｐ点から温度ヒューズ１２、ヒータ線２、ショート個所ａ点、温度検知線４および温度検知線４からダイオード１３、発熱抵抗１１、ダイオード１４、交流電源９のＮ点へと流れる経路（経路（１））と、ショート個所ａ点から温度検知線４、抵抗１５、電源回路１６内部を通って交流電源９のＮ点へと流れる経路（経路（２））に分流され、発熱抵抗１１の電流が減少することに
なる。発熱抵抗１１に流れる電流が少なければ、発熱抵抗１１が温度ヒューズ１２を断線するのに必要な発熱量が得られない。発熱量が得られず温度ヒューズ１２が断線しなければヒータ線２は通電し続けるので非常に危険な状態となってしまう。発熱抵抗１１の電流を増やすためには、温度検知線４の抵抗値を小さくする必要があるが、温度検知線４の抵抗値を小さくすると通常制御時においては、抵抗１５の抵抗値も小さく設定しなければ、抵抗１０と温度検知線４の接続点電圧である温度信号電圧Ｖａの変化が得られなくなる。そして抵抗１５の抵抗値を小さく設定すれば安全手段の動作時、抵抗１５側への分流電流が増えてしまう。以上のように、通常制御時と安全手段動作時の両方を両立させるのは非常にむつかしく、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の単位長さ当りの抵抗値が非常に小さくなり発熱体１そのものの生産も容易ではない。その上、周囲温度が低下、また、交流電源９の電圧が低下した環境下において、両立させるのは不可能に近いものである。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、周囲温度や交流電源の低下した環境下においても安定確実に動作する安全手段を有す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、交流電源の半サイクル側で温度検出を行い、もう一方の半サイクル側においては温度信号線駆動部で温度検知線を切り離し、安全手段動作時に発熱抵抗にほぼ全ての電流を流すことで、発熱抵抗の発熱量を確保するものである。

本発明の面状採暖具は、周囲温度や交流電源の低下した環境下において、広面積の電気カーペットなどについても、ヒータ線と温度検知線がショートした時の安全手段動作を確実なものとすることができる。

第１の発明は、交流電源と、面状採暖具本体に配設した発熱体と、前記発熱体内部に一体に設けたヒータ線および可溶体および温度検知線と、前記温度検知線の抵抗値変化を検出して温度信号電圧に変換する温度検出部と、前記温度検出部の前記温度信号電圧を処理して前記ヒータ線の通電をオンオフする電力制御素子を駆動する制御部と、前記制御部などへ制御電源を供給する電源回路部と、前記ヒータ線の異常加熱時に前記可溶体の溶融により前記ヒータ線と前記温度検知線がショートすることで流れる電流で発熱する発熱抵抗と、前記発熱抵抗の加熱によって溶断して前記ヒータ線の通電を停止する温度ヒューズと、前記交流電源の一方の半サイクルの期間において前記温度信号電圧が得られるように前記温度検知線の一端を接続するために導通し、前記交流電源の他方の半サイクルの期間は前記温度検知線の一端をオープン状態とするために非導通となる温度信号線駆動部を備え、前記発熱体の異常加熱で前記可溶体が溶融し、前記ヒータ線と前記温度検知線の中間点でショートした場合、前記交流電源の全サイクルに亘り、前記中間点を流れるショート電流の全てが前記発熱抵抗に流れることにより、ヒータ線の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た時に流れる電流のほぼ全てを発熱抵抗に流すことができ、発熱抵抗が温度ヒューズを断線させるに必要な十分な発熱量を発生することができる。

第２の発明は、特に、第一の発明の温度信号線駆動部の駆動信号を、前記電力制御素子の駆動信号とは別経路である第２の制御部から出力することにより、制御部が故障した場合においても、温度信号線駆動部は、正常動作している第２の制御部からの信号で正常に動作させることができ、回路の信頼性を向上させることができる。

第３の発明は、特に、第一の発明の温度信号線駆動部の駆動信号を、前記交流電源に直結した信号とすることにより、制御部が故障した場合においても、温度信号線駆動部を正常動作させることができると共に、簡単な構成で交流電源に同期した信号を得ることができ、回路の信頼性を安価な構成で向上させることができる。

第４の発明は、特に、第一から第三の発明の温度信号線駆動部に流れる電流を抑える電流制限部を接続することにより、温度信号線駆動部の電流値を小さく抑えることができ、電流値定格が小さい安価でサイズも小さい部品を採用することができる。

第５の発明は、特に、第一から第四の発明の温度信号線駆動部の動作状態を確認する監視部を接続することにより、温度信号線駆動部のショート故障やオープン故障を検出することができ、回路の信頼性を向上させることができる。

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６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。温度検知線２４の抵抗値変化を温度検出部２５で電圧の変化に変換する。温度検出部２５は抵抗２６と温度検知線２４とで電源回路部２７の電源を基に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。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２８に入力する。制御部２８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２９のリレーコイル部３０を駆動してリレー接点部３１をオンしている。リレー接点部３１のオンによりヒータ線２２に交流電源３２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２９のリレーコイル部３０の駆動を止めリレー接点部３１をオフさせる。温度検知線２４の両端にはダイオード３３を並列接続し、ダイオード３３のカソードを接続した温度検知線２４の一端に発熱抵抗３４を接続する。そして温度検知線２４のもう一端には温度信号線駆動部３５を接続し、温度信号線駆動部３５は制御部２８からの信号電流を制限する抵抗３７と信号電流で動作するトランジスタ３６を備えている。それから、発熱抵抗３４のもう一端にはダイオード３８とダイオード３９のアノードを接続して、ダイオード３８のカソードは交流電源３２のＰ点側に、ダイオード３９のカソードは交流電源３２のＮ点側に接続する。さらに、交流電源のＮ点側が高い電圧となる負サイクル期間の回路電流を阻止するために、ダイオード４０とダイオード４１を電源回路部２７のＧＮＤ側、ＨＯＴ側にそれぞれ接続している。また、発熱抵抗３４が加熱されることによって溶断する温度ヒューズ４２をヒータ線２２の電流が流れる経路に接続している。

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。通常は、温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６が、交流電源３２のＮ点側が高い電圧となる負サイクル期間のある期間について制御部２８からのＨｉ信号によってオンする。トランジスタ３６がオンすると、温度検出部２５の抵抗２６と温度検知線２４の直列回路に電源回路部２７の発生電圧が印加され、温度信号電圧Ｖａを出力する。温度検知線２４の抵抗値は発熱体２１の温度に応じて変化するため、温度信号電圧Ｖａも発熱体２１の温度に応
じて変化する。この温度信号電圧Ｖａを制御部２８に入力して、制御部２８で温度信号電圧Ｖａを処理して電力制御素子２９のリレー接点部３１をオンオフし発熱体２１の温度をある所定の温度に制御している。次に、例えば電力制御素子２９のリレー接点部３１が溶着故障を起こしヒータ線２２が連続通電状態となった時について説明する。ヒータ線２２が連続通電状態になると、発熱体２１の温度が異常に高くなって行く。特に座布団などで保温された部分があるといち早く温度が上昇する。そうして発熱体２１の温度が約１７０℃前後に達すると可溶体２３は溶融して、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートする。例えば、発熱抵抗３４の発熱量が小さくなる発熱体２１の全長の真ん中辺りであるｓ１点でショートが発生すると、ｓ１点に流れるショート電流は、交流電源３２のＰ点側の電圧が高くなる正サイクル期間においては、温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６が制御部２８のＬｏ信号によってオフ状態となっているので、Ｐ点から温度ヒューズ４２、ヒータ線２２、ショート個所ｓ１点、温度検知線２４および温度検知線２４からダイオード３３、発熱抵抗３４、ダイオード３９、交流電源３２のＮ点へと流れる経路（経路ｓａ）だけで流れ、ｓ１点に流れるショート電流の全てが発熱抵抗３４を流れることになり、発熱抵抗３４の発熱量を十分に確保することができる。また、ｓ１点に流れるショート電流は、交流電源３２のＮ点側の電圧が高くなる負サイクル期間においても流れ、その経路は、Ｎ点からリレー接点部３１、ヒータ線２２、ショート個所ｓ１点、温度検知線２４および温度検知線２４からダイオード３３、発熱抵抗３４、ダイオード３８、温度ヒューズ４２、交流電源３２のＰ点へと流れる経路となる。この正サイクルまたは負サイクルでｓ１点に流れるショート電流によって発熱抵抗３４は発熱して温度ヒューズ４２を加熱し、温度ヒューズ４２が溶断してヒータ線２２への通電を停止する。

以上のように、本実施の形態においては、可溶体２３が溶融してヒータ線２２と温度検知線２４がショートすることで流れる全ての電流を発熱抵抗３４に流すことができ、低温時や低交流電圧下においても発熱抵抗３４の発熱量を十分確保できるので安定な動作の安全手段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、温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６は、第２の制御部４３の信号によって駆動する。

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。

電力制御素子２９のリレー接点部３１が連続オン状態となるのは、リレー接点部３１自身が溶着故障を起こすだけではなく、例えば、制御部２８が故障して電力制御素子２９のリレーコイル部３０に駆動電圧が連続通電されることもある。このとき温度信号線駆動部３５も制御部２８から駆動していると、温度信号線駆動部３５に対してもＨｉ信号が連続出力され、トランジスタ３６が連続オンすることが考えられる。トランジスタ３６が連続オンした状態で発熱体２１の温度が異常となりヒータ線２２と温度検知線２４がショートすると、そのショート電流がトランジスタ３６を流れて分流してしまい発熱抵抗３４の発熱量が不足してしまう。この分流を防止するために第２の制御部４３で温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６を駆動する。そうすると制御部２８が故障してリレー接点部３１が連続オン状態となっても、第２の制御部４３は正常であるので温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６が交流電源３２のＮ点側が高い電圧となる負サイクル期間のある期間だけ第２の制御部４３からのＨｉ信号によってオンするので、交流電源３２のＰ点側電圧が高くなる正サイクル側においてヒータ線２２と温度検知線２４がショートして流れるショート電流は経路ｓａだけで流れ分流することはない。

以上のように、本実施の形態においては、可溶体２３が溶融した時の安全手段動作について、その信頼性が向上した安全な手段を有する面状採暖具を提供することができる。

（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、温度信号線駆動部３５は、トランジスタ３６のベースを、抵抗４４を通して電源回路部２７に接続すると共に、トランジスタ４５のコレクタを接続する。そしてトランジスタ４５のエミッタはトランジスタ３６のエミッタに接続し、トランジスタ４５のベースは抵抗４６、ダイオード４７を通して交流電源３２のＰ点側に接続している。

温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６は、交流電源３２のＰ点側電圧が高くなる正サイクル期間においては、ダイオード４７、抵抗４６を通してトランジスタ４５にベース電流が流れるのでトランジスタ４５がオンし、トランジスタ３６はオフとなり、交流電源３２のＮ点側電圧が高くなる負サイクル期間においては、トランジスタ４５はベース電流が流れないのでトランジスタ４５はオフとなり、トランジスタ３６がオンする。従って、通常は、トランジスタ３６がオンしている交流電源３２のＮ点側電圧が高い負サイクル期間において、温度検知線２４の抵抗値変化を電圧変化に変換した温度信号電圧Ｖａを制御部２８に入力して発熱体２１の温度をある所定の温度に制御している。そして、可溶体２３が溶融してヒータ線２２と温度検知線２４がショートする安全手段動作時は、交流電源３２のＰ点側電圧が高い正サイクル期間においてトランジスタ３６がオフしているので、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートすることで流れるショート電流は分流することなく経路ｓａで全て流れ、発熱抵抗３４を発熱させる。

以上のように、本実施の形態においては、電力制御素子２９の駆動系とは別経路で、簡単な構成で温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６を動作させることができ、安価で信頼性の向上した安定な動作の安全手段を有する面状採暖具を提供することができる。

（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、温度信号線駆動部３５に電流制限部４８を接続している。電流制限部４８は、トランジスタ３６のエミッタに直列に抵抗４９を入れ、抵抗４９の両端にベースとエミッタを接続したトランジスタ５０のコレクタを、トランジスタ３６のベースに接続している。

トランジスタ３６を、交流電源３２のＰ点側電圧が高くなる正サイクルの全ての期間をオフさせることが出来なくて、例えば、何らかの事情によって位相４５°付近時点からオンさせたいことが場合によってはおこりえる。この場合、仮に発熱体２１の端部に近いｓ２点でヒータ線２２と温度検知線２４がショートをおこすと温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６には、交流電源３２の電圧を温度検知線２４の抵抗値で除した電流が流れる。すなわち、位相４５°付近時点の交流電源３２の電圧は１００Ｖ程度まで上がっており、そして温度検知線２４の抵抗は小さければ５０Ω程度となるため、２Ａもの電流がトランジスタ３６を流れることになり、この電流でトランジスタ３６が破壊しないようにする為にトランジスタ３６は電流定格の大きいサイズの大きなものが必要となってコストが高くなる。そこで、電流制限部４８を接続する。電流制限部４８の抵抗４９に電流が流れる
と、抵抗４９に電圧が発生して、トランジスタ５０のベースに電流が流れ出しトランジスタ５０がオンし始める。トランジスタ５０がオンし始めるとトランジスタ３６のベース電流がトランジスタ５０のコレクタ側に流れ出すのでトランジスタ３６はオフ方向となってコレクタ電流を減らすことが出来る。電流制限部４８を接続した時に流れるトランジスタ３６の最大電流は、抵抗４９を１０Ωとして、トランジスタ５０を完全にオンさせるにはエミッタとベース間電圧を一般的に言われる０．７Ｖにすればよく、従って抵抗４９に流れる電流は０．７Ｖを１０Ωで除した０．０７Ａとなる。ゆえに抵抗４９が１０Ωの場合には最大流れても７０ｍＡとなる。ここで交流電源３２のＰ点側電圧が高くなる正サイクル期間の位相４５°付近時点まではヒータ線２２と温度検知線２４がショートして流れるショート電流が温度信号線駆動部３５側に分流することになるが、電力的には僅かな値であるので発熱抵抗３４の発熱量にはさほど影響はしない。正サイクル期間全てが分流する場合と比べると発熱抵抗３４の発熱量は増大するものである。

以上のように、本実施の形態においては、温度信号線駆動部３５に電流制限部４８を接続することにより、トランジスタ３６の定格を下げることができ、サイズの小さい一般的な１００ｍＡ定格品で構成することが可能となり、部品点数が増加する以上のコスト削減ができる。また、プリントベースへの実装面積面でも有利となる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の第５の実施の形態の面状採暖具の構成図である。

図５において、温度信号線駆動部３５に監視部５１を接続している。監視部５１は抵抗５２と流れ込みを防止するダイオード５３を接続しており、温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６のコレクタ電圧を確認して、制御部２８に入力する。

トランジスタ３６のコレクタとエミッタ間などがショート故障を起こすと、ヒータ線２２と温度検知線２４がショートした時の安全手段動作時に流れるショート電流が分流してしまう。また、トランジスタ３６がオープン故障した時には温度信号電圧Ｖａが異常となる。そこで、トランジスタ３６のコレクタ電圧を監視部５１で確認している。トランジスタ３６のコレクタ電圧は、正常であれば制御部２８からベースに入力した信号に同期してＨｉまたはＬｏとなっているが、トランジスタ３６が故障した場合、ショート故障時はＬｏのまま、オープン故障時はＨｉのままとなる。この信号を監視部５１は制御部２８に伝え、制御部２８はＨｉのままやＬｏのままとなった異常信号時については電力制御素子２９のリレーコイル部３０の駆動を止めリレー接点部３１をオフさせる。

以上のように、本実施の形態においては、温度信号線駆動部３５に監視部５１を接続することにより、温度信号線駆動部３５のトランジスタ３６の故障を検出することができ、信頼性が向上した安全な手段を有する面状採暖具を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、可溶体が溶融する時における安全動作時の発熱抵抗に流れる電流を分流させることなく全ての電流を発熱抵抗に流すことができ、温度ヒューズを加熱する発熱抵抗の発熱量を確実に確保することが出来るので、広範囲を暖房する設置型の床下暖房装置等の用途にも十分適用できる。

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本発明の実施の形態５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

２１発熱体
２２ヒータ線
２３可溶体
２４温度検知線
２５温度検出部
２７電源回路部
２８制御部
２９電力制御素子
３２交流電源
３４発熱抵抗
３５温度信号線駆動部
４２温度ヒューズ
４３第２の制御部
４８電流制限部
５１監視部

Claims

交流電源と、面状採暖具本体に配設した発熱体と、前記発熱体内部に一体に設けたヒータ線および可溶体および温度検知線と、前記温度検知線の抵抗値変化を検出して温度信号電圧に変換する温度検出部と、前記温度検出部の前記温度信号電圧を処理して前記ヒータ線の通電をオンオフする電力制御素子を駆動する制御部と、前記制御部などへ制御電源を供給する電源回路部と、前記ヒータ線の異常加熱時に前記可溶体の溶融により前記ヒータ線と前記温度検知線がショートすることで流れる電流で発熱する発熱抵抗と、前記発熱抵抗の加熱によって溶断して前記ヒータ線の通電を停止する温度ヒューズと、前記交流電源の一方の半サイクルの期間において前記温度信号電圧が得られるように前記温度検知線の一端を接続するために導通し、前記交流電源の他方の半サイクルの期間は前記温度検知線の一端をオープン状態とするために非導通となる温度信号線駆動部を備え、前記発熱体の異常加熱で前記可溶体が溶融し、前記ヒータ線と前記温度検知線の中間点でショートした場合、前記交流電源の全サイクルに亘り、前記中間点を流れるショート電流の全てが前記発熱抵抗に流れることを特徴とする面状採暖具。
前記温度信号線駆動部の駆動信号を、前記電力制御素子の駆動信号とは別経路である第２の制御部で構成してなる請求項１に記載の面状採暖具。
前記温度信号線駆動部の駆動信号を、前記交流電源に直結した信号で構成してなる請求項１に記載の面状採暖具。
前記温度信号線駆動部に流れる電流を、抑える電流制限部を接続してなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の面状採暖具。
前記温度信号線駆動部の動作状態を、確認する監視部を接続してなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の面状採暖具。