JP6228950B2 - 採暖用温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられる採暖用温度制御装置に関する。

一般に電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられるコード状発熱線は従来よりよく知られており、特に近年多用されているコード状発熱線は、発熱素線と検知素線を一体化した１線式コード状発熱線と呼ばれる構成であり、その構造を図２に示す。

図２に示す１線式コード状発熱線１Ｈは、ポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１と、巻芯１の外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した発熱素線２と、発熱素線２の外周に高分子樹脂を押出し成形してなる高分子層３と、高分子層３の外周にニッケルなどの導体を螺旋状に捻回した温度検知素線４と、最外周にポリ塩化ビニル樹脂等を押出し成形した絶縁被覆層５とからなっている。

なお、必要に応じて温度検知素線４と絶縁被覆層５の間にポリエステルテープを螺旋状に捻回し、絶縁被覆層５からの可塑剤移行に対するバリア層が設けられる場合がある。また、発熱素線２と温度検知素線４が逆配置のものが一部見受けられる。

このような構造のコード状発熱線１Ｈに於いて、加熱による温度変化が正の温度係数を有するニッケルからなる温度検知素線４の抵抗値を変化させ、その変化は電気信号に変換されて取り出され温度制御用として利用される。尚、ニッケル線による温度検知素線４は、イオン性導電剤等を用い温度特性を持たせた高分子感熱層と異なり、その抵抗値も温度係数も値は小さいが精度は高く安定しており、長期間にわたって安定した精度の高い温度制御が実現されている。

コード状発熱線１Ｈに於いて、高分子層３は固有の融点を持ち、過熱状態になると高分子層３は溶融し、発熱素線２と温度検知素線４が接触する所謂線間短絡保護機能材として働く。このことは、１線式コード状発熱線１Ｈに於いて、発熱素線２と温度検知素線４は短絡を検知する一対の電極を兼ねるよう制御回路が構成されている。
また、高分子層３には高分子感熱層として、温度上昇に伴いインピーダンスが減少する所謂負温度係数サーミスタ（以下、「サーミスタ」と略す）特性を持たせたものがあり、温度検知素線４とは別の温度信号を得て、局部過熱防止の機能を持たせた制御装置も実現されている。

１線式コード状発熱線１Ｈの温度制御と線間短絡保護の動作は、図６の従来例に示す温度制御回路で実現される。
温度制御動作は、温度検知素線４の抵抗変化が、抵抗器Ｒ１とＲ２で分圧され、Ｒ３とＣ２で構成される平滑回路を介し直流の入力電圧Ｖｉとして電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力され、予め設定された温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較され、その結果が電圧比較器Ｕ１の出力端子より出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。
ここで、整流ダイオードＤ４、減電圧用抵抗器Ｒ４、電解コンデンサＣ３、三端子レギュレーターＵ２は、低電圧の直流安定化電源Ｖｃｃ＝５Ｖを温度制御部に供給するためのものであり、ＧＮＤは前記直流安定化電源のグランドである。
又、ＡＣ電源のＨ点、Ｎ点は回路図上の位置を示す呼称であり、電気的意味は含まない。

線間短絡保護動作は、温度検知素線４の両端にダイオードＤ２とＤ３のアノードが各々接続され、ダイオードＤ２，Ｄ３のカソードはまとめて温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の一端に接続され、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の他端がＡＣ１００Ｖの一端に接続されて構成される。尚、図６の温度制御回路図に於けるＤ５の役目は、電源のＮ点側が正のサイクルの場合、温度制御回路の直流安定化電源のグランドＧＮＤを通して前記の線間短絡保護回路に逆方向電流が流れないようにするためのものである。

ここで、温度制御部が破損し制御不能に陥った場合は、電力制御スイッチＳＷがＯＮのままとなり、発熱素線２への通電が連続となり全体が過熱状態になるので、高分子層３が固有の融点で溶融し、発熱素線２と温度検知素線４が短絡し、「ＡＣ電源Ｎ点→発熱素線２→高分子層３→温度検知素線４→Ｄ２又はＤ３→ＲＦ１→Ｆ１→ＡＣ電源Ｈ点」の経路で電流が流れ、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１が加熱され所定時間内に温度ヒューズが溶断し電源が遮断され、火災の発生を防止する最終的保護回路が構成される。

高分子層３がサーミスタ特性を有し、その温度に対する交流インピーダンスを検出して、局部過熱防止機能を設ける場合は、次のような手段で実現されてきた。
・高分子層３に温度検知素線４とは別に過熱検知線を巻き、発熱素線２との間の交流インピーダンス変化を検出して電圧比較器Ｕ１とは別の電圧比較器に入力し、Ｖｒｅｆ１とは別に設けた基準値Ｖｒｅｆ２と比較し、その結果によって電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。
・温度検知素線２からの温度信号が、制御回路と云うハード手段によって温度検知用と過熱検知用に時分割で切替られ、各々の信号が温度制御用と過熱防止用の別々の電圧比較器に入力され、各々の基準値と比較され、その結果によって電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。

このように、従来の１線式コード状発熱線を使用した採暖用温度制御装置は、温度制御機能も安全保護機能も持ち合わせており、形の上では安全性の確保された温度制御装置とされてきた。
上記説明と外観や構成が類似するものとして特許文献１〜１２が挙げられる。

特開昭４８−６６４８０号公報 特開平２−９８０８８号公報 実開平３−１００３９３号公報 特開平５−３０７１号公報 特開平５−３４３１６９号公報 特開平５−３０６８１９号公報 特開平６−５１７５号公報 特開平６−１２４７７１号公報 実開平６−３８１９５号公報 特開平７−２１６１７４号公報 国際公開第９９／３０５３５号パンフレット 特開２０１５−２６４５８号公報

近年、電気カーペットに於いて大面積化が進む一方、単位面積当たりのコード状発熱線の布線密度は少なめにすると云う市場の強いコストダウン要求によって発熱線の高ワット密度での動作が常態化し局部過熱の確率が増加したにも拘わらず、負温度係数サーミスタを使った局部過熱防止回路は大幅なコストアップになったり、特許による制限のため実装が避けられ、局部過熱に対する検知能力が元々高くなかった安価な線間短絡保護機能のみを実装した製品が溢れ、温度制御装置の性能不足が露呈し、局部過熱によるカーペットの過熱変色やワンコイン状のコゲの発生が増加し、火災発生の危険性が指摘される大きな問題になってきた。

上記のサーミスタを使った過熱防止付温度制御装置が安価に提供できない理由として、局部過熱の発生過程が明確でなかった点が挙げられる。この点については、本発明者等による別の出願である特開２０１５−２６４５８号公報（特許文献１２）により詳細に解析されているが、ここでは図６の温度制御回路図に基づきその概略を説明する。
局部過熱のように１００℃を超える高温になると１線式コード状発熱線１Ｈの高分子層３は、特に材質がポリアミド樹脂の場合、イオン性導電剤等の特別な添加物を加えサーミスタの特性を持たせなくても、温度上昇に伴いサーミスタに近い交流インピーダンスの低下が発現し、発熱素線２と温度検知素線４の間に過熱によるリーク電流が流れ、電圧比較器Ｕ１のマイナス端子の電圧を変化させ、温度制御機能に悪影響を及ぼす場合がある。

具体的には、図６の回路図に於いて、Ｓ１−Ｈ１端子間、コード状発熱線１Ｈの中央部の発熱素線２と温度検知素線４の間、及びＳ２−Ｈ２端子間の３つのリーク位置をパラメーターとして、リーク抵抗Ｒｘと入力電圧Ｖｉの関係について、特開２０１５−２６４５８号公報（特許文献１２）を参照したものを図７に示す。

図７によれば、リークする位置が、
（１）中央部よりＳ１−Ｈ１端子側の場合は、過熱によるリーク抵抗Ｒｘが小さくなりリーク電流が増えるに従い、電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力される電圧Ｖｉは、リークのない場合より上昇していき、温度制御としては、設定温度より手前の低目の温度で電圧比較器Ｕ１の出力がＯＦＦになるように働くので安全性が高い。
（２）中央部よりＳ２−Ｈ２側に近い場合は、過熱によるリーク抵抗Ｒｘが小さくなりリーク電流が増えるに従い、電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力される電圧Ｖｉは、リークのない場合より低下していき、温度制御としては設定温度を過ぎた高目の温度で電圧比較器Ｕ１の出力がＯＦＦになるように働くので、リーク電流が増える傾向となり過熱に向かう危険な状態が発生し易い。

このように、図６の温度制御回路図に示す従来の温度制御回路では、電力制御スイッチＳＷがＯＮで１線式コード状発熱線１Ｈが加熱されている状態に於いて、Ｓ２−Ｈ２の近傍と云う位置的特徴を持った領域で局部過熱が発生し、コード状発熱線１Ｈの発熱素線２と温度検知素線４間の高分子層３にリーク電流が流れるようになった場合、リーク電流は電圧比較器Ｕ１のマイナス端子の入力電圧を低下させ、温度制御出力がＯＦＦしないように働き、局部加熱の温度を益々上昇させるよう正帰還が働き、安全上極めて危険な点が明確にされている。

このような問題に対し、〔特許文献８〕、〔特許文献９〕では、温度検知素線と過熱検知素線が独立して設けられ、各々温度信号とサーミスタによる過熱信号とに分けて検出され、別々の電圧比較器に入力されて温度制御や過熱防止に使われるが、コード状発熱線も温度制御回路も複雑になり、安価に経済的に提供できないと云う欠点があった。
また〔特許文献４〕では、コード状発熱線は、サーミスタ機能を有するが過熱検知素線を持たず、温度検知素線に含まれる温度信号とサーミスタによる過熱信号は、複数のトランジスタにより回路接続を交互に切替えられ、時間的に分離して検出され、別々の電圧比較器に入力されて温度制御と過熱防止に用いられる。しかし、サーミスタが低温で高インピーダンスの領域では、信号電流が小さく安定した切替動作と検知動作が確保できないと云う欠点の他に、温度制御回路が複雑になり、安価に経済的に提供できないと云う欠点があった。

更に、〔特許文献１１〕では、サーミスタ機能を有するが過熱検知素線を持たず、温度検知素線に含まれる温度信号とサーミスタによる過熱信号が、複数のダイオードにより交流電源の正のサイクルと負のサイクルで電流の経路が分けられ、時間的に分離して検出され、別々の電圧比較器に入力されて温度制御と過熱防止に用いられており、非常に簡単で経済的な手段で両機能を実現するように構成されているが、サーミスタのリークが小さい領域では、ダイオードの挿入損失により信号電圧が埋もれたり、ダイオードの温度依存性により信号電圧がドリフトしたりして、精度の高い安定した検出動作が確保できないと云う欠点があった。
また、前記４つの先行技術文献に於いては、前記〔００１４〕項から〔００１７〕項で説明したリークの発生位置によって、リーク抵抗が電圧比較器への入力電圧を増減させると云う記述がないので、リーク発生のすべてのモードに対し有効な過熱防止であるとは言い難い欠点があった。

本発明の目的は、１線式コード状発熱線１Ｈの高分子層３の如何なる位置にリークが発生しても、前記４つの先行技術文献のように精度が低く曖昧な過熱防止とならないよう温度検知素線４に含まれる温度信号と過熱信号を加工せずそのまま電圧比較器に入力し、電圧比較器内部で判別し、過熱発生時には電圧比較器の出力端子から加熱用信号を出力しないよう制御し、精度が高く経済的に優れた手段で過熱を防止し安全性を確保できる採暖用温度制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の採暖用温度制御装置は、
巻芯に所定のピッチで螺旋巻きされる第１の線条、前記第１の線条上に密着配置され所定の温度で溶融する高分子層、前記高分子層の外周に所定のピッチで螺旋巻きされた第２の線条、及び前記第２の線条を絶縁する被覆層を具備したコード状発熱構造を有する採暖用温度制御装置であって、
前記第１及び第２の線条は、一方が発熱素線、他の一方が温度検知素線によって構成され、
温度制御部を駆動する直流安定化電源の両極間に、コンデンサが並列接続された固定抵抗器と前記電源に対し順方向に配置された第１のダイオードと前記温度検知素線とが直列に接続され、
前記温度検知素線の両端に第２と第３のダイオードの各々のアノードが接続され、前記第２と第３のダイオードの両カソードが温度ヒューズ一体型抵抗器の一端に接続され、前記温度ヒューズ一体型抵抗器の他端が交流電源の一方に接続され、
前記第１のダイオードのカソードと前記温度検知素線との接続点の電圧が入力信号として電圧比較器に入力され、
前記入力信号の時間軸上の最大値と最小値の差分を検出することによって、前記高分子層のリークの大きさを判別し、前記差分が増加し所定の設定値に達した場合、
前記電圧比較器の出力端子から加熱用信号が出力しないよう制御し、過熱を防止し安全性を確保することを特徴とする。

本発明による請求項２記載の採暖用温度制御装置は、請求項１記載の採暖用温度制御装置に於いて、前記高分子層はポリアミド樹脂単独、またはポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物からなり、溶融温度が１３０℃以上１９０℃以下であることを特徴とする。

本発明による請求項３記載の採暖用温度制御装置は、請求項１または２記載の採暖用温度制御装置に於いて、前記温度検知素線は正の温度係数を有する金属線であることを特徴とする。

以下、本発明の構成につき詳細に説明する。
本説明に当たって、巻芯に所定のピッチで螺旋巻きされる第１の線条を発熱素線、高分子層の外周に所定のピッチで螺旋巻きされた第２の線条を温度検知素線とするが、これらは逆配置であっても構わない。

本発明の採暖用温度制御装置に用いられる芯線は、ポリエステル繊維束、アラミド繊維束、ガラス繊維束などであるが、耐熱性、柔軟性及びコストの面からポリエステル繊維束が好適であり、用途に応じて耐熱性、柔軟性に優れた繊維束であれば特に限定されないし、また多種繊維の混合束であってもよい。

本発明の採暖用温度制御装置に用いられる所定のピッチで螺旋巻きされた発熱素線は、材質として純銅線や銅と錫の合金線、または銅と銀の合金線などがあり、形状は丸線状や薄板状にすることも可能であり、それらは単線のままであったり、撚線にされたり、または多条に引き揃えられて螺旋巻きされるが、所定の寸法で所定の抵抗値を得るために、材質や形状の選択は何ら限定されるものではない。

本発明の採暖用温度制御装置に用いられる温度制御部は、直流安定化電源の両極間に固定抵抗器に並列にコンデンサが接続され、固定抵抗器と温度検知素線の間には、直流安定化電源に対し順方向にダイオードが配置されるので、電圧比較器への入力電圧は安定し、電圧比較器内部での温度信号と過熱信号の安定した判別を可能にしている。
また、前記温度検知素線の両端に接続された第２と第３のダイオードと温度ヒューズ一体型抵抗器から成る線間短絡保護回路は、高分子層の短絡以前にリークが発生した場合、電圧比較器への入力電圧の交流電源に対する安定な電位を与える役割も担っており、安定した判別を可能にする別の要素でもある。
尚、温度制御部を駆動する直流安定化電源の両極間に接続される部品のうち、コンデンサが並列接続された固定抵抗器と第１のダイオードは接続順序を入れ替えても、電圧比較器への入力信号を前記温度検知素線と前記固定抵抗器との接続点から取れば、入力電圧は変わらない。
また、発熱素線への通電を開閉する電力スイッチは、交流全波用としてリレーやトライアックを、交流半波用としてサイリスタを用いても、本発明の動作様態は変わらなし、交流電源に於ける部品の位置とその接続方向は、交流電源に対しその配置と接続方向を逆にすれば対称性が保たれるのは勿論である。
従来は線間リークが発生した場合、温度信号と過熱信号の交直信号の混在で生じるノイズや不安定さを防ぐため、前記両信号をまとめて大きな時定数を有する平滑回路を介して直流電圧として電圧比較器に入力していたので、〔特許文献４〕〔特許文献１１〕のように、電圧比較器への入力の前段で温度信号と過熱信号とを制御回路と云うハード手段によって切換えて分離し、別々の電圧比較器で判別せざるを得なかったものである。

本発明の採暖用温度制御装置に用いられる高分子層は、電気毛布や電気カーペットなどの製品の表面温度やコード状発熱線の耐熱温度及び発熱素線の発熱温度から見て、高分子層の溶融温度は１３０℃以上１９０℃以下のポリアミド樹脂、好ましくは１５０℃〜１７０℃で比較的急な溶融特性を示すポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物が好適である。

ここで、高分子層の溶融温度が１３０℃以下では、通常の温度制御に於いて発熱素線のピーク温度が瞬間的に１２０℃付近まで上昇する場合があり、これが繰り返し発生すると短期間で発熱素線と短絡検知素線が短絡してしまう可能性が高くなり、また１９０℃以上では、発熱素線の過熱が進み発煙やコゲの発生が増加するので適切ではない。

更に、本発明の採暖用温度制御装置に用いられるポリアミド樹脂単独、またはポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーの混和物からなる高分子層に、ポリアルキレン・オキサイドをはじめとする各種導電剤を添加し、溶融温度の調整や温度上昇に伴い電気的インピーダンスが減少する所謂負温度係数サーミスタ特性を持たせてもよい。

本発明の採暖用温度制御装置に用いられる温度検知素線は、正の温度係数を有する金属線であれば特に限定されないが、金属の中では温度係数が比較的高めで、伸線加工や巻線加工などの機械的ストレスを受けても抵抗値や温度係数が安定しているニッケルが利用され、正の温度係数を有し温度に対する抵抗特性が直線的で再現性に優れ経時変化の少ない温度検知素線とされる。

本発明の採暖用温度制御装置に用いられる被覆層は、温度検知素線の外周に密着し、電気絶縁性が高く、しなやかで且つ安価な塩化ビニル樹脂などの絶縁被覆層が押出し成形などにより形成される。

本発明による採暖用温度制御装置によれば、温度制御部を駆動する直流安定化電源の両極間に、コンデンサが並列接続された固定抵抗器と前記電源に対し順方向に配置された第１のダイオードと温度検知素線とが直列に接続され、前記温度検知素線の両端に第２と第３のダイオードの各々のアノードが接続され、前記第２と第３のダイオードの両カソードが温度ヒューズ一体型抵抗器の一端に接続され、前記温度ヒューズ一体型抵抗器の他端が交流電源の一方に接続され、前記第１のダイオードのカソードと前記温度検知素線との接続点の電圧が入力信号として電圧比較器に入力され、前記入力信号の時間軸上の最大値と最小値の差分を検出することによって、高分子層のリークの大きさを判別し、前記差分が増加し所定の設定値に達した場合、電圧比較器の出力端子から加熱用信号を出力しないよう制御するので、過熱を防止し安全性を確保することができる。

本発明による採暖用温度制御装置によれば、高分子層の溶融温度が１３０℃以上１９０℃以下のポリアミド樹脂、好ましくは１５０℃以上１７０℃以下で比較的急峻な溶融特性を示すポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物から成っているので、溶融温度、溶融時間に関し適切な品種と配合を選択することにより、全体的な線間短絡保護機能を柔軟に確保することができる。

本発明による採暖用温度制御装置によれば、温度検知素線は正の温度係数を有する金属線であるため温度係数は小さいが、温度対抵抗特性が直線的で高分子層に比べ経時変化が非常に小さいので、精密で安定性があり再現性に優れた温度制御が可能となる。

本発明による採暖用温度制御装置の温度制御回路の実施の形態を示す回路図であり、電圧比較器はマイコンＵ１のＡＤ変換器と演算処理部に担わせている。 本発明による採暖用温度制御装置の実施の形態を示すコード状発熱線の一部を省略して示した構造図である。 本発明による採暖用温度制御装置に於いて、電力制御スイッチＳＷがＯＮの場合であって、リーク位置をＳ１−Ｈ１端、リーク抵抗Ｒｘを１００ＫΩと固定した場合、マイコンＵ１のＡＤ変換ポートＡＤ１に入力される電圧Ｖｉの位相と、負荷電流Ｉｈの位相を例示する図である。 本発明による採暖用温度制御装置に於いて、電力制御スイッチＳＷがＯＮの場合であって、リーク位置をコード状発熱線１Ｈの中央部、リーク抵抗Ｒｘを１００ＫΩと固定した場合、マイコンＵ１のＡＤ変換ポートＡＤ１に入力される入力電圧Ｖｉの位相と、負荷電流Ｉｈの位相を例示する図である。 本発明による採暖用温度制御装置に於いて、電力制御スイッチＳＷがＯＮの場合であって、リーク位置をＳ２−Ｈ２端、リーク抵抗Ｒｘを１００ＫΩと固定した場合、マイコンＵ１のＡＤ変換ポートＡＤ１に入力される入力電圧Ｖｉの位相と、負荷電流Ｉｈの位相を例示する図である。 従来例による採暖用温度制御装置の温度制御回路の一例を示す回路図である。 従来例による採暖用温度制御装置に於いて、電力制御スイッチＳＷがＯＮの場合であって、リーク位置をパラメーターとして、リーク抵抗Ｒｘと電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力される入力電圧Ｖｉの関係を示す図である。

以下、図面などを参照して本発明による採暖用温度制御装置の実施の形態を更に詳しく説明する。なお、本発明はその要旨を逸脱しない限り、以下の内容に限定されるものではない。
図２は、本発明の実施形態にかかるコード状発熱線１Ｈの一方端を示すもので、絶縁被膜層および高分子層などを一部省略して示した図であり、上記の従来例にて説明した構成と同じものである。

このコード状発熱線１Ｈは、ガラス繊維またはポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１と、巻芯１の外周に銅または銅合金の平角導体を螺旋状に捻回した発熱素線２と、発熱素線２の外周に高分子樹脂を押出し成形してなる高分子層３と、高分子層３の外周には螺旋巻きされている温度検知素線４と、最外周にポリ塩化ビニル等を押出し成形した絶縁被覆層５とから構成されている。

ここで、高分子層３はポリアミド樹脂の中でも吸水率の小さいナイロン１２単独、またはナイロン１２とポリアミド・エラストマーの混和物が好ましく、絶縁被覆層５の成形温度が低目の場合は、前記混和物にポリエチレン・グリコールやポリエチレン・オキサイド等のポリアルキレン・オキサイドを添加し、高分子層３の軟化点を下げてもよい。これらの材料をニーダー、または多軸押出機にて混練し、混和物としての高分子層３が得られる。尚、これらの材料は一度に投入され混練される場合もあるが、順次投入され、複数回にわたり混練される場合もある。

絶縁被覆層５のポリ塩化ビニル樹脂混和物に含まれる可塑剤が高分子層３へ移行するのを防止するため、温度検知素線４と絶縁被覆層５の間にポリエステルテープを縦添え形成したバリア層を設けてもよい。

図２に示した実施形態についての具体的な諸データは次の通りである。
巻芯１の材質 ：ポリエステル繊維束 φ０．４４ｍｍ
発熱素線２の材質 ：０．７％錫銅合金
発熱素線２の寸法 ：断面０．０６０×０．４２０ｍｍ（平角導体）、ピッチ０．８６ｍｍ
高分子層３の材質 ：ポリアミド樹脂
高分子層３の寸法 ：厚さ０．３３ｍｍ
温度検知素線４の材質 ：ニッケル
温度検知素線４の寸法 ：断面径φ０．０８０ｍｍ（丸線状の導体）、ピッチ０．８６ｍｍ
絶縁被覆層５の材質 ：ポリ塩化ビニル樹脂混和物
絶縁被覆層５の寸法 ：厚さ０．４ｍｍ

尚、ポリアミド樹脂は、サーミスタ用の添加物を含まない市販のナイロン１２（３０２０Ｘ１５、ＵＢＥ製）、ポリ塩化ビニル樹脂混和物は、耐熱グレードのポリ塩化ビニル樹脂を用いた電源電線用の市販の混和物（ＶＭ−１６３、アプコ製）を使用した。

前記の各材料を各層の螺旋巻き工程と押出し成形工程とを経て、図２に示す構造のコード状発熱線１Ｈとし、これを３６ｍの長さに切断し測定用の試料とした。
同図に於いて、全長３６ｍのコード状発熱線１Ｈの構成要素である発熱素線２の抵抗値は２８．６Ω、温度検知素線４の抵抗値は２０℃で１０００Ω（温度係数は０．４４％／℃）である。

本発明の実施例に関する温度制御回路の構成を図１に示し、各部品の電気的な値と動作を簡単に説明する。
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は固定抵抗器であり、Ｒ１＝１．５ＫΩＦ、Ｒ２＝４７０ΩＦ、Ｒ３＝１０ＫΩ、Ｒ４＝５．６ＫΩ，３Ｗである。Ｃ１はフィルム・コンデンサであり、Ｃ１＝０．１μＦ，５０Ｖ、Ｃ３は電解コンデンサであり、Ｃ３＝１００μＦ，３５Ｖである。Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４およびＤ５は整流ダイオード１Ｎ４００４、ＺＤ１はツェナー・ダイオードであり、Ｖｚ＝４．７Ｖである。Ｕ１はＡＤ変換器内臓の汎用ワンチップ・フラッシュ型マイコンであり、Ｕ２は三端子レギュレーターで、出力電圧は５Ｖである。ＧＮＤは直流安定化電源のグランドである。ＳＷはマイコンＵ１の比較判定結果により発熱素線２への通電を制御する電力制御スイッチである。

図１の回路の動作はつぎの通りである。
温度制御動作は、温度検知素線４の抵抗変化がダイオードＤ１と温度検知素線４との接続点から温度信号電圧として、過電圧防止用の抵抗器Ｒ３とツェナー・ダイオードＺＤ１を介してマイコンＵ１のＡＤ変換ポートＡＤ１に入力され、マイコンＵ１内のＲＡＭに記憶される。
本実施例では、ＡＤ変換器への取り込み頻度は、１ｍＳごとに連続４５回入力され、それら４５個のデータの最大値と最小値及びその差分が計算されＲＡＭに記憶される。ここで、コード状発熱線１Ｈの温度上昇・下降のスピードはそれほど早くないので、４５ｍＳ掛かるＡＤ変換器への取り込み動作は１０秒に１回程度でも十分であり、前記１単位の取り込み時間４５ｍＳがマイコンＵ１の他の処理の障害になることは極めて少ない。

前記ＡＤ変換の最大値と最小値の差分ΔＶが設定値より小さい場合は、過熱によるリークは無いものとして、最大値が温度信号と見做され温度制御に供される。
温度制御は、ＡＤ１入力の最大値とＡＤ０ポートより予め設定された温度に相当する電圧として入力され記憶されたＶｒｅｆ１とがマイコンＵ１の演算処理部で比較され、その判定結果が出力ポートＰＢ１より出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。過熱保護動作は、ＡＤ１入力の最大値と最小値の差分ΔＶが設定値より大きい場合は、過熱によるリークが有るものとして判定され、その結果が出力ポートＰＢ１より電力制御スイッチＳＷがＯＦＦとなるよう駆動され、発熱素線２への通電が停止される。
線間短絡保護動作は、背景技術〔０００８〕と〔０００９〕の項で説明した内容と同じである。

〔リーク試験〕
３６ｍのコード状発熱線１Ｈをフェルトなどの表裏生地間に挟み接着固定し、電気カーペット発熱体とし、発熱素線２の端末を図１の温度制御回路図に示されたＨ１，Ｈ２端子に接続する。
・温度検知素線４の代わりに１２００Ωの固定抵抗器（６５．５℃相当の抵抗値）をＳ１，Ｓ２端子間に接続し、温度制御設定電圧Ｖｒｅｆ１をＶｃｃの５ＶとしマイコンＵ１のＡＤ０ポートに接続する。
・温度制御回路を交流電源に接続し、３分間の初期安定時間経過後、マイコンＵ１のＡＤ１ポートの入力電圧Ｖｉを測定し、Ｖｉ＝２．３５４Ｖを得て、これをリークのない場合の入力電圧Ｖｉｓとした。
・次に、１２００Ωの固定抵抗器を外し、温度検知素線４の両端をＳ１，Ｓ２端子に接続し、温度制御設定電圧Ｖｒｅｆ１を２．３５４Ｖに設定してＡＤ０ポートに入力し、電気カーペットを稼働できる状態にした。

・電気カーペットを交流電源に接続し、温度制御回路により電力制御スイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦ動作させ安定状態にした。
・マイコンＵ１のＡＤ１ポートの入力電圧Ｖｉを測定しながら、電力制御スイッチＳＷがＯＮの期間でＡＤ１ポートの入力電圧Ｖｉが、Ｖｉ＝２．３５４Ｖになった瞬間に、リーク位置Ｓ１−Ｈ１端子間にリーク抵抗１ＫΩを接続し、５秒後に入力電圧Ｖｉの波形をデジタル・オッシロスコープにより観測し、入力電圧Ｖｉの最大値と最小値を読み取った。

・同様な方法で、リーク抵抗が、１０ＫΩ、１００ＫΩ、１０００ＫΩの場合について、Ｖｉの最大値と最小値を読み取った。
・更に同様な方法で、リーク位置が、コード状発熱線１Ｈの中央部の場合と、Ｓ２−Ｈ２端子間の場合について、入力電圧Ｖｉの最大値と最小値を読み取った。
・得られたＶｉの最大値、最小値とそれらの差分ΔＶを表１に示す。
・前記各リーク位置に於いて、リーク抵抗が１００ＫΩの場合、入力電圧Ｖｉの波形と負荷電流の波形Ｉｈを観測した結果について図３、４、５に示す。
この表は、本発明による採暖用温度制御装置に於いて、電力制御スイッチＳＷがＯＮの場合であって、リーク位置をパラメーターとして、リーク抵抗ＲｘとマイコンＵ１のＡＤ１ポートに入力される入力電圧Ｖｉの最大値（Ｍａｘ）と最小値（Ｍｉｎ）、及びそれらの差分（ΔＶ）を示している。

〔局部過熱試験〕
前記〔リーク試験〕と同じく、温度制御設定電圧Ｖｒｅｆ１を２．３５４Ｖ（６５．５℃に相当）に設定してＡＤ０ポートに入力し、電気カーペットを稼働状態にし、温度制御されたコード状発熱線１Ｈの表面温度を測定した。測定位置は、温度制御回路のＳ２−Ｈ２端子から線条距離で１ｍ離れたコード状発熱線１Ｈの表面とし、その箇所に直接測定用温度センサを接触固定し温度を測定した結果、局部過熱のない場合は、６６℃±２℃であった。
次に、前記温度測定点を中心に１辺が３０ｃｍ四方の優れた断熱機能を有する断熱材を被せ温度測定した結果は、６７℃±２℃であった。

各測定値についての評価はつぎの通りである。
〔リーク試験の評価〕
Ｓ１−Ｈ１端子と中央部でのリーク発生に対しては、リーク抵抗Ｒｘの値に係わらず入力電圧Ｖｉの最大値を温度制御信号として用いれば、設定温度より手前の低い温度で電力スイッチＳＷをＯＦＦすることができ、安全は確保されることが判る。これは、先願の特開２０１５−２６４５８号（特許文献１２）で得られた結果と一致する。
Ｓ２−Ｈ２端子でのリークに対しては、リーク抵抗が１００ＫΩ以下になると、入力電圧Ｖｉは設定電圧Ｖｒｅｆ１に到達せず設定温度を過ぎた高い温度にならなければマイコンＵ１の出力ポートＰＢ１からの出力による電力制御スイッチＳＷはＯＦＦしない。
しかも、コード状発熱線１Ｈが高い温度になればリークも大きくなるので、電力制御スイッチＳＷは益々ＯＦＦしない側に変化すると云う正帰還が掛かり過熱の危険性が高まる。

ここで、表１の入力電圧Ｖｉの最大値と最小値の差分ΔＶのうちＳ２−Ｈ２端の欄を見ると、ΔＶ＞０．８Ｖの領域を過熱の判定基準にし、マイコンＵ１の出力ポートＰＢ１からの出力によって電力制御スイッチＳＷをＯＦＦにする仕様にすれば、リークが増えても過熱を防げることが判る。
従って、図１の温度制御回路図と表１の全データから余裕を考慮し、本実施例のコード状発熱線１Ｈについては、「入力電圧Ｖｉの最大値で温度制御する」条件と、「差分ΔＶ＞０．５Ｖを過熱範囲として電力制御スイッチＳＷをＯＦＦにする」との２つの条件で制御すれば、過熱を防止でき安全性の高い電気カーペットを提供できることが判った。

また、入力電圧Ｖｉと負荷電流Ｉｈを観測した図３、４、５によれば、リークがある場合の入力電圧Ｖｉには、リーク位置に応じ負荷電流にきれいに同期した交流成分が重畳している。これは、本発明で加えたコンデンサＣ１とダイオードＤ１と線間短絡保護回路の組合せによる効果であり、従来例のように電圧比較器の前段で温度信号と過熱信号をハード手段で分離しなくても、電圧比較器に取り込んでからソフト手段で精度よく安定して分離できることを実証している。

〔局部過熱試験の評価〕
前記〔リーク試験〕で説明した「温度制御」と「過熱保護」の条件を制御プログラムに組み込むことにより、局部過熱に弱いＳ２−Ｈ２端子の近傍に強力な局部断熱操作をしても、設定温度から大きく外れる温度制御結果にはならず、安全性の高い温度制御が可能であることを実証できた。

以上説明したように本発明によれば、従来の１線式コード状発熱線を使用しながら、温度制御部を駆動する直流安定化電源の両極間に、コンデンサが並列接続された固定抵抗器と前記電源に対し順方向に配置された第１のダイオードと温度検知素線とが直列に接続され、線間短絡保護回路を具備し、前記第１のダイオードのカソードと前記温度検知素線との接続点の電圧が入力信号として電圧比較器に入力され、前記入力信号の時間軸上の最大値と最小値の差分を検出することによって、高分子層のリークの大きさを判別し、前記差分が増加し所定の設定値に達した場合、温度制御部が加熱用信号を出力しないよう制御するので、高い精度と安定性で過熱を防止し安全性を確保するとともに、経済的にも優れた採暖用温度制御装置を提供することが出来る。

電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられる採暖用温度制御装置である。

１ 巻芯
１Ｈ コード状発熱線
２ 発熱素線
３ 高分子層
４ 温度検知素線
５ 絶縁被覆層

Claims (3)

1. 巻芯に所定のピッチで螺旋巻きされる第１の線条、前記第１の線条上に密着配置され所定の温度で溶融する高分子層、前記高分子層の外周に所定のピッチで螺旋巻きされた第２の線条、及び前記第２の線条を絶縁する被覆層を具備したコード状発熱構造を有する採暖用温度制御装置であって、
   前記第１及び第２の線条は、一方が発熱素線、他の一方が温度検知素線によって構成され、
   温度制御部を駆動する直流安定化電源の両極間に、コンデンサが並列接続された固定抵抗器と前記電源に対し順方向に配置された第１のダイオードと前記温度検知素線とが直列に接続され、
   前記温度検知素線の両端に第２と第３のダイオードの各々のアノードが接続され、前記第２と第３のダイオードの両カソードが温度ヒューズ一体型抵抗器の一端に接続され、前記温度ヒューズ一体型抵抗器の他端が交流電源の一方に接続され、
   前記第１のダイオードのカソードと前記温度検知素線との接続点の電圧が入力信号として電圧比較器に入力され、
   前記入力信号の時間軸上の最大値と最小値の差分を検出することによって、前記高分子層のリークの大きさを判別し、前記差分が増加し所定の設定値に達した場合、
   温度制御部が加熱用信号を出力しないよう制御し、過熱を防止し安全性を確保することを特徴とする採暖用温度制御装置。
2. 請求項１記載の採暖用温度制御装置に於いて、
   前記高分子層はポリアミド樹脂単独、またはポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物からなり、溶融温度が１３０℃以上１９０℃以下であることを特徴とする採暖用温度制御装置。
3. 請求項１または２記載の採暖用温度制御装置に於いて、
   前記温度検知素線は正の温度係数を有する金属線であることを特徴とする採暖用温度制御装置。