JP5954235B2 - ヒータ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、対象を暖めるヒータ装置に関する。
特許文献1は、輻射ヒータ装置のひとつを開示している。この装置は、車両の室内において、乗員に対向するように設けられている。
特開2012−56531号公報
この装置は、車両用暖房装置を補助するために、乗員に温熱感を与える装置として有効である。しかし、輻射ヒータ装置には、さらなる改良が求められている。
本発明の目的は、物体と接近または接触している間の温度を抑制することができるヒータ装置を提供することである。
本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
本発明は、本体部の周囲の物体(40)が発熱部に接近することによる静電容量の変化を検出して、物体が発熱部の所定範囲内にあることを検出する検出手段(23)と、通電部への通電を制御する制御手段(26)とを含む。検出手段は、本体部に内蔵され、静電容量の変化を検出するための電極として複数の導電部(31)を有する。複数の発熱部は、絶縁基板の厚み方向の一方側に位置する面において、分散して配置され、複数の導電部は、絶縁基板の厚み方向の他方側に位置する面において、分散して配置されている。発熱部と導電部とは、絶縁基板によって絶縁されており、導電部の断面積は、通電部の断面積よりも小さい。そして制御手段は、検出手段によって物体(40)が本体部の所定範囲内にあることが検出された場合、通電部への通電量を通常状態よりも少なくなるように通電部への通電を制御する。
このような本発明に従えば、物体が本体部の所定範囲内にある場合には、発熱部の発熱量を通常状態よりも低くすることができる。これによって近接した物体が発熱部によって発熱することを抑制することができる。したがって物体が近接または接触している間、物体が発熱部によって温度が上昇することを抑制することができる。
なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
ヒータ装置10を示す側面図である。 ヒータ装置10の底面図である。 図2のIII−III断面を示す断面図である。 ヒータ装置10の電気的構成を簡略化して示すブロック図である。 制御部26の処理を示すフローチャートである。 本体部21の表面温度と時間経過との関係を示すグラフである。 指40が接触前のヒータ装置10を簡略化して示す断面図である。 指40が接触中のヒータ装置10を簡略化して示す断面図である。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に関して、図1〜図8を用いて説明する。図1において、第1実施形態に係るヒータ装置10は、道路走行車両、船舶、航空機などの移動体の室内に設置されている。ヒータ装置10は、室内のための暖房装置の一部を構成している。ヒータ装置10は、移動体に搭載された電池、発電機などの電源から給電されて発熱する電気的なヒータである。ヒータ装置10は、薄い板状に形成されている。ヒータ装置10は、電力が供給されると発熱する。ヒータ装置10は、その表面と垂直な方向に位置付けられた対象物を暖めるために、主としてその表面と垂直な方向へ向けて輻射熱Hを放射する。
室内には、乗員12が着座するための座席11が設置されている。ヒータ装置10は、乗員12の足元に輻射熱Hを放射するように室内に設置されている。ヒータ装置10は、たとえば他の暖房装置の起動直後において、乗員12に対して即効的に暖かさを提供するための装置として利用することができる。ヒータ装置10は、室内の壁面に設置される。ヒータ装置10は、想定される通常の姿勢の乗員12に対向するように設置される。例えば、道路走行車両は、ハンドル13を支持するためのステアリングコラム14を有している。ヒータ装置10は、ステアリングコラム14の下面に、乗員12に対向するように設置することができる。
次に、図2および図3を用いて、ヒータ装置10の構成に関して説明する。図2および図3中において、ヒータ装置10は、軸Xと軸Yによって規定されるX−Y平面に沿って広がっている。ヒータ装置10は、軸Zの方向に厚さをもつ。ヒータ装置10は、ほぼ四角形の薄い板状に形成されている。ヒータ装置10は、本体部21、絶縁基板22、検出部23、通電部24、発熱部25および制御部26を有する。ヒータ装置10は、主として表面と垂直な方向に向けて輻射熱Hを放射する面状ヒータとも呼ぶことができる。
本体部21は、優れた電気絶縁性を有する。本体部21は、複数の発熱部25のそれぞれを囲むように設けられ、発熱部25の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。本体部21は、平板状であって、本体部21の内部に絶縁基板22、検出部23、通電部24および発熱部25が内蔵されている。
絶縁基板22は、優れた電気絶縁性を提供し、かつ高温に耐える樹脂材料によって作られている。絶縁基板22の表面22aは、輻射熱Hの放射方向に面している。言い換えると、絶縁基板22の厚み方向の一方側に位置する表面22aは、ヒータ装置10の設置状態において、加熱対象物である乗員12の一部に対向して配置される面である。絶縁基板22の厚み方向の他方側に位置する裏面22bは、ヒータ装置10の背面を提供する。絶縁基板22は、検出部23と発熱部25とを支持する。
複数の発熱部25は、通電部24に接続されて、通電部24から供給される電力によって発熱する。複数の発熱部25は、絶縁基板22の裏面22bにおいて分散して配置される。複数の発熱部25のそれぞれは、高い熱伝導率を有する材料によって作られている。さらに、発熱部25は、優れた電気導体、すなわち低い電気抵抗をもつ材料によって作られている。発熱部25は、金属材料によって作ることができる。発熱部25は、熱伝導率が銅よりも低い材料から選択される。たとえば発熱部25は、銅とスズとの合金(Cu−Sn)、銀、スズ、ステンレス鋼、ニッケル、ニクロムなどの金属およびこれらを含む合金である。
複数の発熱部25のそれぞれは、絶縁基板22の面と平行な薄い板状に形成されている。発熱部25は、通電によって供給される熱によって輻射熱Hを放射可能である。発熱部25は、所定放射温度に加熱されることによって、乗員12、すなわち人に暖かさを感じさせる輻射熱Hを放射することができる。1つの発熱部25は、X−Y平面において、軸Xに延びる長方形に形成されている。発熱部25は、軸Xの方向の熱抵抗が所定値以下となるよう、材料および断面寸法が定義される。
複数の発熱部25は、互いに重複することがないように絶縁基板22の裏面22bに配置されている。複数の発熱部25は、軸Yの方向に関して互いに離れて配置されている。複数の発熱部25は、図中のX−Y平面上の所定面積を占めるように規則的に配列されている。
一対の通電部24は、図2に示すように、軸Yの方向に延びる長方形であって、複数の発熱部25の軸Xの両端部にそれぞれ通電可能に接触するように配置される。したがって複数の発熱部25は、通電部24に並列に接続されている。通電部24の軸Yの両端部には、予め定める電圧が印可されている。通電部24は、外部電源から電力が供給されて、供給された電力を発熱部25に供給する。通電部24の電気抵抗率は、発熱部25の電気抵抗率よりも小さくなるように設定される。通電部24は、たとえば銅からなる。発熱部25の断面積は、通電部24の断面積よりも小さくなるように設定される。これによって通電部24は、大電流が流れても発熱が抑制される。
検出部23は、検出手段であって、本体部21の周囲の物体を検出する。検出部23は、本実施形態では、物体が発熱部25への接近することによる静電容量の変化を検出して、物体が発熱部25の所定範囲内にあることを検出する。検出部23は、制御部26と通信可能に構成される。検出部23は、物体が発熱部25の所定範囲内にあることを検出すると、検出したこと制御部26に送信する。
検出部23は、本体部21の表面に物体が接触したこと、および本体部21の表面に物体が接近したことを検出する。検出部23は、静電容量の変化を検出するための電極として複数の導電部31を有する。導電部31は、導電性を有し、たとえば銅からなる。複数の導電部31は、絶縁基板22の表面22aにおいて分散されて配置されている。検出部23は、発熱部25とともに本体部21に内蔵されている。また発熱部25と導電部31とは、絶縁基板22によって絶縁されている。
複数の導電部31は、互いに重複することがないように絶縁基板22の表面22aに配置されている。複数の導電部31は、互いに離れて配置されている。複数の導電部31のうち、一対の導電部31は、軸Yの方向に間隔をあけて軸Xの方向に延びる。そして、他の複数の導電部31は、軸Xの方向に間隔をあけて軸Yの方向に延びて、一対の導電部31に両端部が接続される。これによって軸Yの方向の端部が接続された縦縞模様のように導電部31が配置される。また導電部31の断面積は、通電部24の断面積よりも小さくなるように設定される。
導電部31のX−Y平面の四隅には、電極32が設けられる。電極32には、電力を印可され、導電部31に電流が流れる。これによって導電部31に電流が流れると、本体部21の周囲に均一な低圧の電界を発生させることができる。これによって本体部21に物体が接近することによって、電極32の静電容量が変化する。制御部26は、この変化を電気信号に変換して、物体の接近を検出することができる。したがって検出部23は、電界というエネルギーの場を介して静電容量の変化をとらえ、物体の存在を非接触で検出している。
図4に示すように、制御部26は、通電部24、操作部27および検出部23に電気的に接続されている。操作部27は、ヒータ装置10を操作するためのスイッチなどを備える。操作部27は、車両用空調装置の操作スイッチと共通であってもよい。ユーザが操作部27を操作することによって、ヒータ装置10の電源のオンオフや、設定温度の設定を行うことができる。操作部27が操作されると、その操作情報を制御部26に与えられる。
検出部23は、導電部31とタッチセンサ回路33とリレー34とを含む。導電部31は、前述のように電界を発生させる。タッチセンサ回路33は、導電部31と接続され、導電部31の静電容量の変化を検出する回路である。タッチセンサ回路33は、リレー34にも接続される。タッチセンサ回路33は、静電容量の変化を検出すると、この変化を電気信号に変換して、リレー34をオフからオンにするように制御する。これによって制御部26には、リレー34を介して静電容量が変化の信号が与えられる。
制御部26は、制御手段であって、通電部24に印可される電力を制御する。制御部26は、操作部27によって操作されると、その操作情報に基づいて通電部24への電力を制御する。たとえば制御部26は、電源オンの操作がされると、通電部24が電力を供給するように制御する。また制御部26な、前述のように検出部23から信号が与えられると、物体が接近または接触したと判断する。
次に図5を用いて、制御部26の処理に関して説明する。図5に示す処理は、ヒータ装置10の電源投入状態において繰り返し実行される。ステップS1では、検出部23によって物体が検出されたか否かを判断し、物体が検出された場合には、ステップS2に移り、検出されていない場合には本フローを終了する。検出部23による物体の検出は、物体が本体部21の所定範囲内、たとえば近接または接触した場合に物体を検出したと判断する。近接は、たとえば本体部21の表面から数センチの範囲内の離れた位置にある状態を示す。
ステップS2では、物体が検出されたので、通電部24への供給電力を停止するように制御し、本フローを終了する。これによって通電部24への供給電力が停止されると、発熱部25による発熱が停止される。
このように制御部26は、検出部23によって物体が本体部21の所定範囲内にあることが検出された場合、通電部24への通電量を通常状態よりも少なくなるよう制御する。本実施形態では、制御部26は、通電を停止するように通電部24への通電を制御する。換言すると、制御部26は、静電容量の変化が所定値以上となった場合、通電部24への電力供給を停止するように電力を制御する。通常状態は、たとえばユーザによって設定された設定温度となるような通電量である。
次に図6を用いて、本体部21に物体が接触した場合の本体部21の接触部分の温度変化について説明する。図6に示すグラフでは、全ての時間帯にわたって、通電部24には通常状態の電力が供給されている。したがって物体が本体部21に接触しても、発熱部25は通常状態にて通電されて発熱している状態にある。また図6では、本体部21の接触した物体を、人間の1本の指の先端としている。
ヒータ装置10が動作している状態において、図6に示す時刻T1(約30秒)のときに、指の先端が本体部21の表面に接触する。すると温度が約90度から約40度まで、直ちに低下していることがわかる。これは本体部21に指が接触した瞬間、接触部の熱量が指に移動するからである。本体部21における接触部では、指に熱が移動するので、本体部21の周囲からの接触部への熱移動がおきる。しかし発熱部25は細い形状であり、しかも周囲は本体部21で覆われているので、発熱部25から接触部へ熱が伝わり難い。したがって時刻T1から指が時刻T2(約4分20秒)まで接触しているが、温度上昇は低い。そして時刻T2で指を本体部21から離すと、温度が短時間で上昇することがわかる。
前述のように制御部26は、検出部23によって物体が本体部21の所定範囲内にあることが検出された場合、通電部24への通電量を停止するように通電部24への通電を制御する。したがって少なくとも物体が本体部21に接触すると電力供給を停止するが、図6に示すように、電力供給の有無にかかわらず、物体が本体部21に接触すると表面温度を瞬時に低下する。したがって本体部21が高温であっても、接触した時点で物体が高温になることはない。しかもその後、電力供給を停止するので、接触し続けても物体が高温になることを確実に防止することができる。換言すると、通電オフによって本体部21の接触部温度が低下するので、物体への熱移動を防止することができる。
次に、指40の接触前後の熱の移動について、図7および図8と数式を用いて説明する。図7および図8では、熱の移動方向を説明するため、導電部31および絶縁基板22を省略し、発熱部25および本体部21のみを示している。また図7および図8では、熱の移動方向を矢印で示している。また本体部21の裏面は完全に断熱されていると仮定している。
発熱部25から本体部21の表面への伝熱量Q1は、次式(1)によって表すことができる。また本体部21の表面から外部への放熱量は、対流による熱量と輻射による熱量とがある。対流による熱量Q2は、次式(2)によって表すことができる。また輻射による熱量Q3は、次式(3)によって表すことができる。
Figure 0005954235
ここで、周囲の温度をT0、発熱部25の温度をT1、および本体部21の表面温度をT2とする。また発熱部25が発熱する熱量(ジュール熱)をQ0(W/m)とする。また発熱部25の軸Yの方向に切断した場合の断面積をAとする。発熱部25の上部の面積をSとする。発熱部25の熱伝導率λ1とし、本体部21の熱伝導率λ2とする。また本体部21の表面と発熱部25との間の厚さをtとする。また係数として、自然対流の熱伝達率をh、放射率をε、ステファン・ボルツマン定数をσとする。また発熱部25の横方向の熱抵抗R、指40(人体の熱通過率)をK、発熱部25の長さ(単位長さ)をlとする。
ここで発熱部25の発熱量Q0が、そのまま本体部21の表面に伝わり、対流と輻射によって外方に放出されると本体部21の表面温度はT2が安定する。換言すると、Q0=Q1=Q2+Q3となる時、T2が所定の放射温度以上で安定している。放射温度は、例えば60℃以上の所定温度である。
次に、本体部21の表面に指40が接触した場合について説明する。本体部21の表面に指40が接触すると、対流と輻射とが少なくとも部分的に妨げられる。また、本体部21の表面からの放熱の少なくとも一部分は、接触した指40への伝熱によって提供される。したがって指40が接触すると本体部21の内部における熱的なバランスが変化する。指40が接触した場合の発熱部25から本体部21の表面への伝熱量Q1tは、次式(4)によって表すことができる。また接触した指40の吸熱量をQ4は、次式(5)によって表すことができる。また接触部の温度低下に伴う発熱部25の横(両側)から伝熱量Q5は、次式(6)によって表すことができる。
Figure 0005954235
ここで、指40の内部温度をT4、接触時の発熱部25の温度T1t、接触時の本体部21の表面温度をT2t、接触時の発熱部25の表面温度をT3tとする。ヒータ装置10に定格電力が供給されているときに何らかの物体(たとえば指40)が本体部21の表面の一部に接触する場合がある。この場合、接触した指40が運び去る熱量のために、表面温度は低下する。やがてその接触部分において熱的に平衡が得られると、Q5+Q0=Q1t=Q4となる。この時、T2tが所定の抑制温度以下となるように、熱抵抗Rを定義する。熱抵抗Rは、次式(7)によって表すことができる。抑制温度は、例えば50℃以下の所定温度である。
Figure 0005954235
式(7)に示される熱抵抗Rが所定値以上なるように発熱部25の断面形状や材料が選択される。熱抵抗Rが大きくなると、式(6)に示すように、発熱部25の横(両側)から伝熱量Q5が小さくなるからである。熱抵抗Rは、たとえば1000K/W以上に設定され、好ましくは7000K/Wとなるように設定される。また、たとえば発熱部25は、幅(直径)1mm未満、好ましくは500μm以下であり、高さ1mm未満、好ましくは100μm以下に設定される。このように発熱部25の断面を細くすることによって、熱容量が小さいヒータを実現することができる。これによって早期の立上げも可能となる。
以上説明したように本実施形態のヒータ装置10は、本体部21の周囲の物体を検出する検出部23を有する。制御部26は、検出部23の検出結果によって、通電部24への電力供給量を制御する。具体的には、制御部26は、検出部23によって物体が本体部21の所定範囲内にあることが検出された場合、通電部24への通電量を通常状態よりも少なくなるように通電部24への通電を制御する。換言すると、検出部23は、本体部21に物体が接触もしくは接近したことを検出し、接触もしくは接近を検出した場合には、制御部26はヒータ装置10の出力を低減もしくは停止する。これによって物体が本体部21の所定範囲内にある場合には、発熱部25の発熱量を通常状態よりも低くすることができる。これによって近接した物体が発熱部25によって発熱することを抑制することができる。したがって物体が近接または接触している間、物体が発熱部25によって温度が上昇することを抑制することができる。
また本実施形態では、発熱部25は、複数の部分が面において分散して配置される。そして本体部21は、複数の発熱部25のそれぞれを囲むように設けられ、絶縁性を有し、発熱部25の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。発熱部25は分散して配置されるので、熱的な容量が小さい。また各発熱部25は周囲からの熱伝達が低い熱伝導率を有する本体部21によって抑制される。したがって各発熱部25には、周囲の本体部21から追加的な熱の供給が抑制される。このため、各発熱部25に対応するヒータ装置10の表面に物体が接触した場合、物体が接触している部分の温度が長時間にわたって高温に維持されることが回避される。したがってヒータ装置10の表面に物体が接触すると、ヒータ装置10の表面温度は、その接触部分においてのみ、急激に、かつ接触している物体の温度の近傍にまで低下する。例えば、ヒータ装置10の表面に物体が接触すると、接触部分の温度は物体の温度よりやや高い温度、例えば約45°Cに急激に低下する。このため、物体が接触している部分の温度が高温に維持されることが抑制される。
また本実施形態では、検出部23は、発熱部25とともに本体部21に内蔵されている。これによって発熱部25と検出部23との電極32を共有することができる。また検出部23と発熱部25とを同一の絶縁基板22によって支持しているので、支持部材を共有することができる。これによって部品点数を削減することができる。またヒータ装置10を小形化することができる。
さらに本実施形態では、検出部23は、物体が発熱部25への接近することによる静電容量の変化を検出して、物体が発熱部25の所定範囲内にあることを検出する。これによって非接触で物体の接近を検出することができる。
また本実施形態では、検出部23は、静電容量の変化を検出するための電極として複数の導電部31を有する。そして導電部31の断面積は、通電部24の断面積よりも小さい。したがって導電部31の熱容量は、通電部24よりも小さくすることができる。これによって発熱部25の熱量が、導電部31に伝わることによって無駄に消費されて、本体部21へ伝わる熱量が大きく減少することを抑制することができる。
さらに本実施形態では、発熱部25の断面積は、通電部24の断面積よりも小さい。これによって通電部24は発熱部25よりも発熱しにくいので、通電部24から伝わる電流が通電部24の発熱によって損なわれることを防ぐことができる。したがって発熱部25に効率よく電流を供給することができる。また発熱部25の熱容量を小さくすることによって、物体の接触による発熱部25の温度低下を促進することができる。したがって接触した物体に熱量が大きく移動することを抑制することができる。
また本実施形態では、通電部24の電気抵抗率は、発熱部25の電気抵抗率よりも小さい。これによって通電部24は発熱部25よりも発熱しにくいので、通電部24から伝わる電流が通電部24の発熱によって損なわれることを防ぐことができる。したがって発熱部25に効率よく電流を供給することができる。
さらに本実施形態では、複数の発熱部25は、通電部24に並列に接続されている。これによって所定の電源、たとえば車両の12V電源から所定の出力を得ることができる。
また本実施形態では、発熱部25と導電部31とは、絶縁されている。これによって発熱部25に流れる電流が導電部31に流れること、およびその逆を防止することができる。したがって導電部31を発熱部25と通電することによる影響を排除して、導電部31によって所定の電界を発生させることができる。
さらに本実施形態では、絶縁基板22は本体部21に内蔵される。そして絶縁基板22の表面22aには、発熱部25が設けられ、絶縁基板22の裏面22bには、導電部31が設けられる。したがって発熱部25と導電部31とを絶縁基板22によって確実に絶縁することができる。また導電部31は、発熱部25とともに本体部21に内蔵されている。したがって発熱部25と導電部31とを絶縁基板22によって支持することができる。また発熱部25と導電部31とが本体部21に内蔵されているので、導電部31や発熱部25にゴミやチリなどの異物が付着することを防ぐことができる。これによって導電部31および発熱部25の動作を安定化させることができる。
(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
前述の第1実施形態では、検出部23は、静電容量の変化を検出して物体を検出しているが、静電容量式に限るものではない。検出手段は、たとえば抵抗膜式、超音波表面弾性波を用いる方式、赤外線を用いた光学イメージング式および電磁誘導式であってもよい。
また前述の第1実施形態では、検出手段は本体部21に内蔵されているが、検出手段が本体部21と別体であってもよい。また検出手段はヒータ装置10に専用の検出手段に限るものではない。たとえば車両に搭載される各種のセンサ、たとえば盗難防止用のセンサなどを共用してもよい。
また前述の第1実施形態では、導電部31は縞状であったが、格子状であってもよく、面に分散される構成であればよい。
10…ヒータ装置 11…座席 12…乗員
13…ハンドル 14…ステアリングコラム 21…本体部
22…絶縁基板 23…検出部(検出手段) 24…通電部
25…発熱部 26…制御部(制御手段) 27…操作部
31…導電部 32…電極 40…指(物体)

Claims (5)

  1. 電力が供給される通電部(24)と、
    前記通電部に接続されて、前記通電部から供給される電力によって発熱する複数の発熱部(25)を内蔵する本体部(21)と、
    前記本体部の周囲の物体(40)が前記発熱部に接近することによる静電容量の変化を検出して、前記物体が前記発熱部の所定範囲内にあることを検出する検出手段(23)と、
    前記本体部に内蔵される絶縁基板(22)と、
    前記通電部への通電を制御する制御手段(26)と、を含み、
    前記検出手段は、前記本体部に内蔵され、静電容量の変化を検出するための電極として複数の導電部(31)を有し、
    複数の前記発熱部は、前記絶縁基板の厚み方向の一方側に位置する面において、分散して配置され、
    複数の前記導電部は、前記絶縁基板の厚み方向の他方側に位置する面において、分散して配置され、
    前記発熱部と前記導電部とは、前記絶縁基板によって絶縁されており、
    前記導電部の断面積は、前記通電部の断面積よりも小さく、
    前記制御手段は、前記検出手段によって前記物体が前記本体部の所定範囲内にあることが検出された場合、前記通電部への通電量を通常状態よりも少なくなるように前記通電部への通電を制御することを特徴とするヒータ装置。
  2. 前記本体部は、複数の前記発熱部のそれぞれを囲むように設けられ、絶縁性を有し、前記発熱部の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有することを特徴とする請求項1に記載のヒータ装置。
  3. 前記発熱部の断面積は、前記通電部の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項1または2に記載のヒータ装置。
  4. 前記通電部の電気抵抗率は、前記発熱部の電気抵抗率よりも小さいことを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のヒータ装置。
  5. 複数の前記発熱部は、前記通電部に並列に接続されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のヒータ装置。
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