JP5735740B2 - 温熱治療器 - Google Patents

Description

本発明は、人体を効率よく温熱することができる温熱治療器に関するものである。

従来から、暖房用の電気ストーブとしては、赤色光を用いたものが普及している。

特開平０６−２８８５５７号公報 特開平１１−３２２３７０号公報

しかしながら、加熱源として赤色光を用いると、赤色光によって人体だけでなく周囲の空気も温まってしまうため、そのために電気エネルギーが必要となって暖房効率が悪いという問題があった。また、温まった空気は室内で上昇して天井付近に溜まるため、実際の生活空間を暖めるために過剰に電気エネルギーを消費することになる。しかも、天井付近と生活空間との間に温度差が存在することによる不快感が避けられず、サーキュレータ等で室内の空気を循環させる必要も生じている。さらに、効果的に人体を暖めようとして熱源と人体との距離を短くすると、人体表面が過剰に加熱されてしまい、長時間照射はできないし、場合によっては火傷や低温火傷のおそれもある。

また、赤色光を用いたストーブでは、赤色光を前面に照射するために背後に反射ミラーを配置することが行われる。金属製のミラーが用いられるが、反射効率がそれほどに良くないため、ミラー自体が加熱されることが避けられず、エネルギー効率のさらなる向上が望まれている。しかも、上記金属ミラーによる赤色光の反射では、上述した問題は全く解決されない。

本発明は、上記のような事情に鑑みなされたもので、加熱効率やエネルギー効率よく安全に暖房効果が得られる温熱治療器を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の温熱治療器は、加熱源としてキュリー温度で抵抗値が急増するよう設定することにより印加する電圧値に応じた自己温度制御を行う熱放射率が９３％以上の半導体セラミックスのＰＴＣヒータを用い、上記ヒータの表面温度を５００℃以下とし、可視光を出さないで遠赤外線を照射し、赤熱しない遠赤外線の放射温熱により、ヒータと人体の間に存在する空気を暖めずに直接人体を温熱し、
温熱対象とする人体の部位を選んで温熱モードを切り換えるモード切替スイッチと、上記モード切替スイッチで選択された温熱モードに応じてヒータに入力する電力を変換する電力変換器を備えた制御装置により、温熱対象とする人体の部位に応じ、上記ヒータが照射する遠赤外線のピーク波長を変えた遠赤外線を照射するよう制御することを要旨とする。

すなわち、本発明の温熱治療器は、加熱源として半導体セラミックスのヒータを用い、上記ヒータの表面温度を５００℃以下とし、可視光を出さないで遠赤外線を照射するよう制御する。このように、赤熱しない遠赤外線の放射熱を利用した放射温熱により、ヒータと人体の間に存在する空気を暖めてしまうことなく、直接人体を温熱することができる。すなわち、Ｎ_２やＯ_２のような１原子分子は、遠赤外線を吸収しないため、空気はほとんど加熱されないのである。したがって、従来のように、周囲の空気を温めるために過剰な電気エネルギーを消費しなくなることから、暖房効率が格段に向上する。また、直接人体を温熱するため、温まった空気が天井付近に溜まりにくく、従来のように生活空間を暖めようとすることによる過剰な電気エネルギー消費を避けられる。しかも、天井付近と生活空間との間に温度差が存在することによる不快感もほとんどなく、サーキュレータ等で室内の空気を循環させる必要もなくなる。このように、効果的に人体を温熱できることから、熱源と人体との距離を短くする必要もなく、人体表面の過剰な加熱を避けられ、火傷や低温火傷の危険性も格段に少なくなって、無理のない長時間照射も可能となる。このように、加熱効率やエネルギー効率よく安全に暖房効果が得られる。また、周囲の空気を加熱しないで人体だけを温熱することができるため、体の一部分を温熱することによる温熱治療に最適であり、例えば夏場には冷房と併用しても周囲を暑くすることなく、人体の温熱効果だけを得ることができ、極めてエネルギー効率がよくなる。
また、上記ヒータは、キュリー温度で抵抗値が急増するよう設定することにより印加する電圧値に応じた自己温度制御を行うＰＴＣヒータを用いている。このため、バイメタルサーモスタットのような断続制御による温度制御を必要とせず、火花やノイズが発生しない安全な温度制御が可能となる。さらに、上記ヒータは、熱放射率が９３％以上のセラミックスであるため、高い放射特性で遠赤外線を放射でき、効率的な温熱を実現できるからである。
また、温熱対象とする人体の部位を選んで温熱モードを切り換えるモード切替スイッチと、上記モード切替スイッチで選択された温熱モードに応じてヒータに入力する電力を変換する電力変換器を備えた制御装置により、温熱対象とする人体の部位に応じ、上記ヒータが照射する遠赤外線のピーク波長を変えた遠赤外線を照射するよう制御するため、例えば、顔を重点的に温熱して化粧の乗りをよくしたり、腰を重点的に温熱して血行や発汗を促し、低温サウナ効果で腰痛を改善したりすることができる。
温熱モードとして例えば「顔」と「顔以外」等が準備され、各温熱モードに対応した人体の部位において最も吸収されやすいピーク波長の遠赤外線がヒータから照射する。人体の中で「顔」は「顔以外」の部位に比べてピーク波長の長い遠赤外線を吸収しやすいため、温熱モードが「顔」では比較的ピーク波長が長い遠赤外線を照射するよう制御し、温熱モードが「顔以外」では比較的ピーク波長が短い遠赤外線を照射するよう制御することが可能となる。
このとき、上述したように、周囲の空気を加熱しないで人体だけを温熱することができるため、例えば夏場には冷房と併用しても周囲を暑くすることなく、人体の温熱効果だけを得ることができ、極めてエネルギー効率がよくなる。

本発明において、上記加熱源の熱反射板として少なくとも表面に遠赤外線放射体を存在させたものを配置することにより、上記ヒータから照射された遠赤外線を再放射させることにより熱反射する場合には、熱反射板から再放射される遠赤外線による放射温熱が、上述した半導体セラミックヒータから照射される遠赤外線による放射温熱と同様の温熱効果をもたらす。また、高い放射率で再放射し、さらに加熱効率やエネルギー効率よく安全に暖房効果が得られる。

本発明において、上記熱反射板は、アルミニウムの母材に遠赤外線放射体としてシュウ酸アルマイト層を形成させた場合には、入手容易な母材に対し、安価で工業的に安定したシュウ酸アルマイト処理を施すことにより、上述した加熱効率やエネルギー効率よく安全に暖房効果が得られる熱反射板を、安価に安定した状態で得ることができ、信頼性が高く性能バラツキの少ないストーブが得られる。

本発明において、上記熱反射板として、ヒータ側の前面がパラボラ曲線の湾曲状に形成され、上記ヒータと熱反射板の前後方向の相対位置が、ヒータがパラボラ曲線の焦点を挟んで前後に移動するように変動可能になっている場合には、ヒータをパラボラ曲線の焦点に配置すると、熱反射板の湾曲した反射面で熱反射した遠赤外線は前面に向かう平行線として照射されるようになり、前面の人体を効果的に温熱することができる。また、ヒータをパラボラ曲線の焦点より前側に位置させると、熱反射板で熱反射した遠赤外線は、前面に向かって広がるように広角照射される。反対に、ヒータをパラボラ曲線の焦点より後ろ側に位置させると、熱反射板で熱反射した遠赤外線は、前面に向かって収束するように収束照射される。したがって、ヒータと熱反射板の前後の相対位置を変動させることにより、遠赤外線の照射範囲を容易に変更でき、例えば、部屋の広さや照射対象とする人数等によって照射範囲を変更し、前面にいる人体に対して効果的に温熱することができるようになる。

本発明の一実施形態の温熱治療器の外観の一例を示す図である。 ヒータと熱反射板との位置関係を説明する図である。 上記温熱治療器の制御手段の一例を示す図である。 温度と放射量の関係を示す線図（プランクの法則） ヒータと熱反射板との相対位置の変動による効果を説明する図である。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明が適用された温熱治療器の一実施形態を示す図である。

この温熱治療器は、外側ケース１の前面にヒータ露出用の開口２が設けられ、上記開口２内部に半導体セラミックスを使用した棒状のヒータ３が複数（この例では４本）並んで配置されている。上記各ヒータ３の背後には熱反射板４が配置されている。また、上記開口２は、網状のガード部材５によりガードされ、ヒータ等に手指等が直接接触しにくいようになっている。さらに、上記外側ケース１における開口２横の前面には、ヒータ３の加熱制御を行うための制御盤６が設けられている。

本実施形態の温熱治療器は、加熱源として半導体セラミックスのヒータ３を用いている。そして、上記ヒータ３の表面温度を５００℃以下とし、可視光を出さないで遠赤外線を照射するよう制御する。

このように、赤熱しないブラックヒーティングによる遠赤外線の放射熱を利用した放射温熱により、ヒータと人体の間に存在する空気を暖めてしまうことなく、直接人体を温熱することができる。すなわち、Ｎ_２やＯ_２のような１原子分子は、遠赤外線を吸収しないため、空気はほとんど加熱されないのである。したがって、従来のように、周囲の空気を温めるために過剰な電気エネルギーを消費しなくなることから、暖房効率が格段に向上する。また、直接人体を温熱するため、温まった空気が天井付近に溜まりにくく、従来のように生活空間を暖めようとすることによる過剰な電気エネルギー消費を避けられる。しかも、天井付近と生活空間との間に温度差が存在することによる不快感もほとんどなく、サーキュレータ等で室内の空気を循環させる必要もなくなる。このように、効果的に人体を温熱できることから、熱源と人体との距離を短くする必要もなく、人体表面の過剰な加熱を避けられ、火傷や低温火傷の危険性も格段に少なくなって、無理のない長時間照射も可能となる。このように、加熱効率やエネルギー効率よく安全に暖房効果が得られる。また、周囲の空気を加熱しないで人体だけを温熱することができるため、体の一部分を温熱することによる温熱治療にも最適であり、例えば夏場には冷房と併用しても周囲を暑くすることなく、人体の温熱効果だけを得ることができ、極めてエネルギー効率がよくなる。

上記ヒータ３としては、各種のヒータを用いることができるが、遠赤外線を照射するのに好適なセラミックヒータを用いることが好ましい。上記セラミックヒータのセラミックとしては、各種のものを用いることが出来るが、熱放射率が９３％以上のセラミックスを用いるのが好ましい。このようにすることにより、高い放射特性で遠赤外線を放射でき、効率的な温熱を実現できるからである。

上記セラミックヒータとしては、各種のヒータを用いることができるが、チタン酸バリウムを主成分とする半導体セラミックスヒータであるＰＴＣヒータを好適に用いることができる。

ＰＴＣヒータは、正の温度係数を持った抵抗変化特性を持ち、主成分に添加成分を組み合わせることで、ある温度（キュリー温度）で急激に抵抗値が増加するよう設定することが可能である。これにより、印加する電圧値に応じた自己温度制御を行うことができ、バイメタルサーモスタットのような断続制御による温度制御を必要とせず、火花やノイズが発生しない安全な温度制御が可能となる。

図２は、上記ヒータ３と熱反射板４との位置関係を説明する図である。

上記熱反射板４は、棒状のヒータ３の背後に配置され、上記熱反射板として、ヒータ側の前面がパラボラ曲線の湾曲状に形成されている。すなわち、上記熱反射板４は、ヒータ３の長手方向を横切る断面において、パラボラ曲線を描いた湾曲状に形成され、上記パラボラ曲線による湾曲面の焦点にヒータ３が配置されている。これにより、図５（Ａ）に示すように、ヒータ３から照射された遠赤外線は、熱反射板４のパラボラ曲線状に湾曲した反射面で熱反射し、前面に向かう平行線として照射されるようになる。これにより、前面の人体を効果的に温熱することができる。

さらに、上記ヒータ３と熱反射板４の前後方向の相対位置が、ヒータ３がパラボラ曲線の焦点を挟んで前後に移動するように変動可能になっている。すなわち、棒状のヒータ３がパラボラ曲線の焦点より前側に位置するように両者の相対位置を変動させたり、棒状のヒータ３がパラボラ曲線の焦点より後側に位置するように両者の相対位置を変動させたりすることができる。

ヒータ３をパラボラ曲線の焦点より前側に位置させると、図５（Ｂ）に示すように、熱反射板４で熱反射した遠赤外線は、前面に向かって広がるように広角照射される。反対に、ヒータ３をパラボラ曲線の焦点より後ろ側に位置させると、図５（Ｃ）に示すように、熱反射板４で熱反射した遠赤外線は、前面に向かって収束するように収束照射される。したがって、ヒータ３と熱反射板４の前後の相対位置を変動させることにより、遠赤外線の照射範囲を容易に変更でき、例えば、部屋の広さや照射対象とする人数等によって照射範囲を変更し、前面にいる人体に対して効果的に温熱することができるようになる。

上記加熱源の熱反射板４としては、少なくとも表面に遠赤外線放射体を存在させたものを配置することにより、上記ヒータ３から照射された遠赤外線を再放射させることにより反射することが好ましい。

このようにすることにより、熱反射板４から再放射される遠赤外線による放射温熱が、上述した半導体セラミックヒータ３から照射される遠赤外線による放射温熱と同様の温熱効果をもたらす。また、高い放射率で再放射し、さらに加熱効率やエネルギー効率よく安全に暖房効果が得られる。

上記熱反射板４は、具体的には、アルミニウム母材７の少なくとも反射面に、遠赤外線放射体からなる遠赤外線放射層８としてシュウ酸アルマイト層を形成させたものを好適に用いることができる。

このようにすることにより、入手容易な母材に対し、安価で工業的に安定したシュウ酸アルマイト処理を施すことにより、上述した加熱効率やエネルギー効率よく安全に暖房効果が得られる熱反射板を、安価に安定した状態で得ることができ、信頼性が高く性能バラツキの少ないストーブが得られる。

図３は、本実施形態の温熱治療器の制御装置９を示す機能ブロック図である。

この制御装置９は、所定の電源１１から供給された電力をヒータ３に入力し、ヒータ３を加熱制御するものである。この制御装置９は、温熱対象とする人体の部位を選んで温熱モードを切り換えるモード切替スイッチ１０と、上記モード切替スイッチ１０で選択された温熱モードに応じてヒータ３に入力する電力を変換する電力変換器１２と、ヒータ３の表面温度を測定する温度計１３とを備えている。

これにより、上記制御装置９は、温熱対象とする人体の部位に応じ、上記ヒータ３が照射する遠赤外線のピーク波長を変えた遠赤外線を照射するよう制御するように構成されている。すなわち、温熱モードとして例えば「顔」と「顔以外」等が準備され、各温熱モードに対応した人体の部位において最も吸収されやすいピーク波長の遠赤外線がヒータ３から照射されるよう、電力変換器１２は、電源１１から供給された電力を変換してヒータ３に入力する。例えば、人体の中で「顔」は「顔以外」の部位に比べてピーク波長の長い遠赤外線を吸収しやすいため、温熱モードが「顔」では比較的ピーク波長が長い遠赤外線を照射するよう制御し、温熱モードが「顔以外」では比較的ピーク波長が短い遠赤外線を照射するよう制御することが行われる。

具体的には、ヒータ３から照射される遠赤外線のピーク波長は、ヒータ３を構成するセラミックスの表面温度に反比例するため（ウィーンの変位則）、ヒータ３のセラミックスの表面温度が、各温熱モードにおいて最適なピーク波長が得られる表面温度となるようヒータ３に入力する電気エネルギー（Ｊ）を変化させるのである。このとき、上述したように、ヒータ３から可視光が出ないようにピーク波長を変動制御することが行われる。

図４は、温度と黒体の放射量の関係を示す線図（プランクの法則）である。

この線図によれば、熱放射体（この例ではヒータ３を構成するセラミックスである）の表面温度が変化するとピーク波長が変化する。表面温度が高くなるとピーク波長は短くなっていることがわかり、表面温度とピーク波長は反比例する関係であることがわかる。

各表面温度において照射される電磁波は、ピーク波長を頂点とした山形の波長分布をしており、表面温度が高すぎると可視光が発生することがわかる。したがって、本実施形態では、可視光が発生しない表面温度である５００℃以下で制御することが行われるのである。

また、本実施形態では、温熱対象が人体であるので、人体への吸収が良好な波長３〜２０μｍのピーク波長を示す遠赤外線がヒータ３から照射されるように入力する電気エネルギーを制御する。具体的にどの程度の電気エネルギーを入力するかは、ヒータ３を構成するセラミックスの物性によって適宜設定することが行われる。

また、ヒータ３として、上述したＰＴＣヒータを用いた場合は、上述したように、キュリー温度で急激に抵抗値が増加して、それ以上の温度上昇を防止するよう自己制御することが可能となる。この場合、上述したキュリー温度以下の領域において、入力する電気エネルギーを増減する制御を行って、ピーク波長の異なる遠赤外線を照射するよう制御することができる。また、ＰＴＣヒータを用いた場合は、赤熱しないブラックヒーティングの領域内における自己温度制御が可能となり、可視光の発生を防止して本願の効果を確実に得ることができる。

上記電力変換器１２による電力の変換は、具体的にはつぎのようにして行うことが出来る。すなわち、例えば、印加する電圧を変動させることによって電力を変えることもできるし、流す電流を変動させることによって電力を変えることもできる。また、電圧と電流の双方を変動させることにより電力を変えても良い。なお、電力は電圧値と電流値の積であるので、少なくともいずれかが高くなれば電力は高くなり、反対に少なくともいずれかが低くなれば電力は低くなる。また、負荷に加える交流電圧の位相角をスイッチング素子によって変化させる位相制御によって電力を変えるよう制御することもできる。

このようにすることにより、例えば、顔を重点的に温熱して化粧の乗りをよくしたり、腰を重点的に温熱して血行や発汗を促し、低温サウナ効果で腰痛を改善したりすることができる。このとき、上述したように、周囲の空気を加熱しないで人体だけを温熱することができるため、例えば夏場には冷房と併用しても周囲を暑くすることなく、人体の温熱効果だけを得ることができ、極めてエネルギー効率がよくなる。

１ 外側ケース
２ 開口
３ ヒータ
４ 熱反射板
５ ガード部材
６ 制御盤
７ アルミニウム母材
８ 遠赤外線放射層
９ 制御装置
１０ モード切替スイッチ
１１ 電源
１２ 電力変換器
１３ 温度計

Claims (4)

1. 加熱源としてキュリー温度で抵抗値が急増するよう設定することにより印加する電圧値に応じた自己温度制御を行う熱放射率が９３％以上の半導体セラミックスのＰＴＣヒータを用い、上記ヒータの表面温度を５００℃以下とし、可視光を出さないで遠赤外線を照射し、赤熱しない遠赤外線の放射温熱により、ヒータと人体の間に存在する空気を暖めずに直接人体を温熱し、
   温熱対象とする人体の部位を選んで温熱モードを切り換えるモード切替スイッチと、上記モード切替スイッチで選択された温熱モードに応じてヒータに入力する電力を変換する電力変換器を備えた制御装置により、温熱対象とする人体の部位に応じ、上記ヒータが照射する遠赤外線のピーク波長を変えた遠赤外線を照射するよう制御することを特徴とする温熱治療器。
2. 上記加熱源の熱反射板として少なくとも表面に遠赤外線放射体を存在させたものを配置することにより、上記ヒータから照射された遠赤外線を再放射させることにより反射する請求項１記載の温熱治療器。
3. 上記熱反射板は、アルミニウムの母材に遠赤外線放射体としてシュウ酸アルマイト層を形成させた請求項２記載の温熱治療器。
4. 上記熱反射板として、ヒータ側の前面がパラボラ曲線の湾曲状に形成され、
   上記ヒータと熱反射板の前後方向の相対位置が、ヒータがパラボラ曲線の焦点を挟んで前後に移動するように変動可能になっている請求項２または３記載の温熱治療器。