JPH0221006B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は温度制御装置に関するものである。

一般に室内の快適な暖房感は、室温および周囲
面の温度、湿度、室内の風速等により影響を受け
る。この内室内の風速はほとんど零に近く、湿度
は特殊な場合を除いて30〜70％位で不快となるこ
とは少ないので、残りの室温と周囲面温度の二要
素により左右される。例えば室温が同一であつて
も周囲面の温度が極端に異なれば周囲面の熱放射
が変るために暖房感が変る。

第１図は床面、壁面、石油ストーブの各暖房に
よる室内温度の垂直分布を表わしたもので、床面
暖房Ａの場合は床面温度が高く後はほとんど均一
になつており、これに対し壁面暖房Ｂおよび石油
ストーブ暖房Ｃの場合は床面近くが冷たく天井面
付近が暖くなつている。この曲線は略同一暖房感
を持つ暖房状態にも拘らずこのような違いを示し
ている。

このように同一室内でも温度分布があるのでど
の点を代表させて温度制御を行うかが問題とな
る。ところが従来の室内暖房の制御は、室内用温
度制御装置（ルームサーモ）を暖房した部屋の壁
面につけて制御するか、暖房器具自体に温度制御
装置をつけて制御する方法が採用されている。

このように従来は床暖房器に対して室温または
床温のみを検知し、一定に保つ温度制御方式が行
なわれていたが、人間にとつて快適な暖房感を得
るには不充分であつた。このことを示すために、
第２図により屋外気温が変化した場合を例にとり
説明する。

第２図は縦軸に温度、横軸に１日の時刻をと
り、外気温が図の実線Ｘで示すように変化した場
合に、各制御方式による床温および室温の変化状
況を示している。

短破線Y₁は床温一定制御の場合の床温を、短
破線Z₁は同室温を示している。外気温が低く、室
温との温度差が大きい程室内から熱が奮われ、室
温が低下するためこの制御方式では短破線Z₁で示
すように外気温の変化に従つて室温が大きく変動
し、外気温が高い昼間は室温が高く、暖かすぎ不
快であるとともに、熱を無駄に消費する。また、
外気温が低下した夜間には、室温が低下し過ぎ寒
く感ずる。

また長破線Y₂は室温一定制御の場合の床温を、
長破線Z₂は同室温を示している。外気温が低下す
る夜間は室温を一定に保つには、多量の熱を必要
とし、床温が上昇し過ぎ、熱く感じることにな
り、エネルギを無駄に消費することになり、また
外気温が高くなる昼間は少量の熱しか必要としな
いため、床温が低下し、足元が寒く感じることに
なり、良好な制御とは言えない。

そこで、従来からの床暖房における上記床温一
定制御および室温一定制御の欠点を補うため、第
３図に示すような温度制御装置が提案されてい
る。

この温度制御装置は、商用の交流電源ACに電
源スイツチSWを介して電源トランスPTの１次
巻線n₁を接続し、この電源トランスPTの２次巻
線n₂の交流電圧を４個のダイオードD₁〜D₄より
なる全波整流ブリツジDBで全波整流し、この全
波整流ブリツジDBの出力にダイオードD₅と負荷
リレーのリレーコイルRYの並列回路とサイリス
タSCRとの直列回路を接続し、また、交流電源
ACから負荷リレーのリレー接点ryおよび電源ス
イツチSWを介してフロアヒータFHに接続し、
電源トランスPTのもうひとつの２次巻線n₃の交
流電圧をダイオードD₆を介して温度検出用ブリ
ツジ回路RBに加えている。

この温度検出用ブリツジ回路RBの一辺は室温
検知用NTCサーミスタR_TH1と抵抗R₁との並列回
路からなり、その対辺に床温検知用NTCサーミ
スタR_TH2と抵抗R₂との並列回路と抵抗R₃との直
列回路とで構成し、他の辺に抵抗R₄および抵抗
R₅をそれぞれ接続し、温度調節用可変抵抗器VR
を抵抗R₃と抵抗R₅の間に接続し、温度検出用ブ
リツジ回路RBの出力は、温度調節用可変抵抗器
VRの可動端子からサイリスタSCRのゲートに接
続し、温度検出用ブリツジ回路RBの他の出力端
子を抵抗R₆を通してサイリスタSCRのカソード
に接続する（抵抗R₁，R₂，R₃は希望の特性にす
るために必要）。

整流用の４つのダイオードD₁〜D₄のうち、サ
イリスタSCRのカソードに接続されたダイオー
ドD₃と並列に、抵抗R₇とコンデンサC₁の直列回
路を抵抗R₇をサイリスタSCRのカソード端子側
にして接続する。

抵抗R₇とコンデンサC₁の中間端子から抵抗R₈
を介してブリツジ出力端子の抵抗R₆側の一端に
接続する。

第４図は第３図の回路の各部電圧電流波形を示
すものであり、ＡはサイリスタSCRが導通して
負荷リレーが動作している場合のリレーコイル
RYの両端電圧波形、ＢはサイリスタSCRを流れ
る負荷電流波形、Ｃは温度検出用ブリツジ回路
RBの出力端子の両端電圧波形、Ｄはコンデンサ
C₁と抵抗R₇の直列回路の電圧波形であり、同図
Ｅは抵抗R₇の両端電圧波形であり、同図Ｄの交
流成分が現われている。

つぎに、動作について説明する。

第３図のように、温度検出用ブリツジ回路RB
にはダイオードD₆により半波整流波形が加わり、
ブリツジ出力端子には、第４図Ｃのような波形が
現われる。

今、外気温が高く、床温、室温がともに高い場
合には、床温検知用NTCサーミスタR_TH2および
室温検知用NTCサーミスタR_TH1はともに抵抗値
が低く、温度検出用ブリツジ回路RBは不平衡と
なり、その出力端子間には第４図Ｃの破線で示す
ように負または低い正電圧半波状波形を示してい
る。

外気温が低下し、床温検知用NTCサーミスタ
R_TH2および室温検知用NTCサーミスタR_TH1の抵
抗値が増加するに従つて、温度検出用ブリツジ回
路RBの出力端子電圧は負から０を通り正の電圧
が高くなり、あるところでサイリスタSCRのゲ
ート・カソード端子間にゲート電流が流れ、サイ
リスタSCRは第４図Ａに示すように時刻t₁で導通
し、負荷リレーのリレーコイルRYに電圧が加わ
り電流が流れる。ここでもし、コンデンサC₁と
抵抗R₇の直列回路がなければ、負荷に加わる電
圧は普通の全波整流波形であるので時刻t₂で電圧
が０になると、リレーコイルRYはインダクタン
スを有するため、リレーコイルRYに流れていた
電流が並列ダイオードD₅を通して流れ続け、サ
イリスタSCRは遮断状態になる。

しかし、コンデンサC₁と抵抗R₇を第３図のよ
うに入れることにより、第４図Ａに示すようにリ
レーコイルRYに加わる電圧波形が時刻t₂で０に
はならず実線で示すように両半波が継ながつた波
形になる。コンデンサC₁と抵抗R₇の両端波形は
第４図Ｄの実線で示すように充放電波形となる。
このため抵抗R₇の両端電圧波形はこの交流分が
現われ第４図Ｅの実線で示すような波形となる。

このため時刻t₂でサイリスタSCRは遮断せず導
通を続ける。時刻t₃に至ると、サイリスタSCRの
電圧は０となり、リレーコイルRYを流れていた
電流はそのインダクタンスのため並列ダイオード
D₅に移りサイリスタSCRは遮断する。この動作
をくり返してリレーコイルRYには電流が流れ続
け、リレーは動作を続け、リレー接点ryが閉じ、
交流電源ACからフロアヒータFHに電力が供給
され、フロアヒータFHは発熱し、床温が上昇す
る。

上記第３図の温度制御装置を第５図のように設
置し、床温を床温検知用NTCサーミスタR_TH2で、
室温を室温検知用NTCサーミスタR_TH1で検知す
る。なお、CAは温度制御装置を収容するケース
である。

床温の上昇とともに床温検知用NTCサーミス
タR_TH2の抵抗値が低下する。室温の温度上昇速度
は床温の場合よりも遅く、急には変化しないが
徐々にその抵抗値も低下する。このため第３図の
温度検出用ブリツジ回路RBが平衡状態に近づき
出力電圧が低下し、サイリスタSCRに流れるゲ
ート電流が少なくなり、あるところでサイリスタ
SCRは遮断し、リレーコイルRYは解放され、床
温は低下し始める。

このため、コンデンサC₁はダイオードD₁の両
端間の最大電圧で図示の磁性で充電したまま、サ
イリスタSCRおよびダイオードD₃が遮断し続け
て放電できなくなり、電圧波形は第４図Ｄに破線
で示したようになり、抵抗R₇の両端電圧波形も
第４図Ｅの破線で示すように０となる。

すなわち、抵抗R₇の両端電圧波形は第４図Ｅ
のようにサイリスタSCRが導通して負荷リレー
のリレーコイルRYに電流が流れると、実線のよ
うに時刻t₀からt₂の期間の前半部にサイリスタ
SCRのカソード電位を基準にして正の電圧が生
じ、サイリスタSCRが遮断している期間はこの
電圧が破線のように０になつている。

そこでこの電圧を第３図のように抵抗R₈と抵
抗R₆とで適度に分圧し、サイリスタSCRのカソ
ードと温度検出用ブリツジ回路RBの一端に正帰
還する。サイリスタSCRが遮断しているときは
帰還電圧が０である。温度検出用ブリツジ回路
RBの電圧が高くなりあるところでゲート電流が
流れ、サイリスタSCRや導通すると、抵抗R₇の
両端電圧が分圧されてサイスリタSCRのカソー
ドと温度検出用ブリツジ回路RBの一方の出力端
間に加わり、サイリスタSCRのカソードを基準
にして、抵抗R₆と温度検出用ブリツジ回路RBの
一出力端との接続点電位が高くなり、サイリスタ
SCRの導通が確実になる。この状態で温度検出
用ブリツジ回路RBの出力電圧が低下し、上記帰
還電圧との和が低下し、ゲート電流が小さくな
り、サイリスタSCRが遮断すると帰還電圧がな
くなり、サイリスタSCRのゲート・カソード間
電圧はさらに下がりサイリスタSCRの遮断が確
実になる。

このようにして負荷の開閉にヒステリシスを持
つようになり、開閉動作が確実なものになる。

床温が低下すると、床温検知用NTCサーミス
タR_TH2の抵抗値が増加し、温度検出用ブリツジ回
路RBの出力が増大し、あるところで再びサイリ
スタSCRが導通し、負荷リレーが動作し、フロ
アヒータFHの加熱が始まる。以上の動作をくり
返して、床温が制御される。

つぎに、室温が上昇した場合について述べる。
室温検知用NTCサーミスタR_TH1の抵抗値が減少
することにより、温度検出用ブリツジ回路RBが
平衡するのに必要な床温検知用NTCサーミスタ
R_TH2の抵抗値が増大することになり、床温制御温
度が低く制御される。

第６図に提案例の温度制御装置による床温一室
温特性図を示す。室温が低下するば床温を高く、
室温が上昇すれば床温を低く制御する。

このようにして提案例においては、外気温が変
化した場合、第３図の実線Y₃で示すように床温
が変化するとともに実線Z₃で示すように室温が変
化することになり、外気温が低い間は室温が寒す
ぎない程度に低く、また床温が熱すぎない程度に
高く制御され、また外気温が高くなり、室温が上
昇すると、暑過ぎないよう、しかも足元が冷え過
ぎないよう、適度に床温が下がり、常に快適さを
保つことができる。

一般に人によりまた着衣により、寒さを感ずる
程度が異なり、上記の特性を維持しながら、全体
の温度を寒暖調節するために第３図の温度調節用
可変抵抗器VRを有している。第６図の特性線W₁
〜〜W₅はこの関係を示したものであり、自由に
調節できる。温度調節用可変抵抗器VRを変化す
ることによる特性変化は、実験測定の結果第６図
に示したように、室温が高い時には床温間隔が密
となり室温が低くなると、床温間隔が粗となる。

このように、提案例の温度制御装置は、フロア
ヒータFHへの給電時において、交流電源ACの
電圧の前の半周期の最初の時刻t₀から所定時間遅
れた時刻t₁でサイリスタSCRを導通させ、前の半
周期の最後の時刻t₂付近においてコンデンサC₁お
よび抵抗R₇により電圧V₁の低下を補償してサイ
リスタSCRの導通を継続させ後の半周期の最後
の時刻t₃でサイリスタSCRを遮断させ、以下これ
を繰返し、サイリスタSCRを流れる電流により
負荷リレーを作動させるようになつている。とこ
ろが、コンデンサC₁および抵抗R₇により得られ
る電圧は全波整流電圧のピーク値に比べてかなり
低いものであり、それゆえ、機械的動作応答の遅
い（開放電圧が低い）大型リレーの場合は問題は
ないが、開放電圧の高い（機械的動作応答の速
い）小型リレーの場合に脈動時およびゲートオン
電圧位相タイミングの遅い時に負荷リレーがチヤ
タリングを起こすおそれがあり、したがつて小型
でかつ消費電流の少い高感度リレーを使用するこ
とができず、また電源トランスPTも容量の大き
いものを必要とした。また、サイリスタSCRを
スイツチング素子として使用しているため、ゲー
トオン電圧位相タイミングによりノイズが発生す
るおそれがあつた。

したがつて、この発明の目的は、負荷リレーの
チヤタリングを確実に防止でき、しかもノイズの
発生を防止できる温度制御装置を提供することで
ある。

この発明の一実施例を第７図に示す。すなわ
ち、この温度制御装置は、交流電源ACに電源ト
ランスPTの１次巻線n₁を電源スイツチSWを介
して接続し、この電源トランスPTの２次巻線n₂
の誘起電圧を全波整流ブリツジDBおよび平滑コ
ンデンサC₂よりなる整流平滑回路DCで直流電圧
に変換し、この整流平滑回路DCの正側出力端に
負荷リレーのリレーコイルRYおよびダイオード
D₅の並列回路の一端を接続し、このリレーコイ
ルRYおよびダイオードD₅の並列回路の他端と整
流平滑回路DCの負側出力端との間にトランジス
タTRを接続し、交流電源ACより電源スイツチ
SWおよび負荷リレーのリレー接点ryを介してフ
ロアヒータFHに給電するようにしている。ま
た、整流平滑回路DCの正側および負側出力端間
には、第３図と同様の構成をもつ温度検出用ブリ
ツジ回路RBが接続され、この温度検出用ブリツ
ジ回路RBの一方の出力端である温度調節用可変
抵抗器VRの可動端子がコンパレータCPの非反転
入力端子に抵抗R₉を介して接続され、温度検出
用ブリツジ回路RBの他方の入力端がコンパレー
タCPの反転入力端子に接続され、このコンパレ
ータCPの出力により抵抗R₁₀，R₁₁を介してトラ
ンジスタTRのオンオフを制御して負荷リレーの
リレー接点ryの開閉を制御するようになつてい
る。コンパレータCPには、非反転入力端子と出
力端子との間に抵抗R₉と合わせてヒステリシス
特性を得るための帰還抵抗R₁₂が接続され、また
非反転入力端子および反転入力端子と整流平滑回
路DCの負側出力端との間にコンデンサC₃，C₄を
それぞれ接続し、コンデンサC₃の容量をコンデ
ンサC₄の容量より大きくすることにより負荷リ
レーのオンオフ時の直流電圧V_DDの変動に対する
過渡応答を改善するようにしている。そして、こ
の温度制御装置を第５図と同様に設置している。

つぎに、この温度制御装置の動作について説明
する。

交流電源ACの投入時は、床温および室温がと
もに低温であり、室温検知用NTCサーミスタ
R_TH1および床温検知用サーミスタR_TH2がともに高
い抵抗値をもち、温度検出用ブリツジ回路RBの
両出力端の電圧V₁，V₂はV₁＞V₂であり、コンパ
レータCPの出力は高レベルとなり、トランジス
タTRが導通してリレーコイルRYに通電され、
リレー接点ryが閉成してフロアヒータFHに交流
電源ACから給電され、フロアヒータFHが発熱
する。それにより床温が上昇する。床温の上昇に
より床温検知用NTCサーミスタR_TH2の抵抗値が
減少して電圧V₁が低下し、V₁＜V₂となるとコン
パレータCPの出力が低レベルとなり、トランジ
スタTRが遮断してリレーコイルRYへの通電が
停止し、リレー接点ryが開成してフロアヒータ
FHへの給電が停止し、フロアヒータFHが冷却
され、床温が下降する。

以後、床温の上昇・下降に応答してフロアヒー
タFHへの給電が断続され、床温が設定温度に制
御される。

このような床温制御によりフロアヒータFHの
熱で室温が徐々に上昇すると、室温検知用NTC
サーミスタR_TH1の抵抗値が減少して電圧V₂が上
昇し、床温が比較的低くてもV₁＞V₂となつてフ
ロアヒータFHへの給電が停止されることにな
り、室温の上昇とともに床温制御の設定温度が下
降し、床温が低下する。このことは外気温の高低
による室温の変化に対しても有効に作用する。そ
して、平均的な設定温度は温度調節用可変抵抗器
VRにより調整できる。

第８図はこのことを説明するための床温一室温
特性図であり、実線U₁，U₂，U₃は温度調節用可
変抵抗器VRの設定値を３段階に変化させたとき
の各設定時における床温−室温特性曲線である。
この図を見ると明らかなように、同一設定におい
て、室温が低いときは床面温度は高い温度で制御
され、かつ室温が高いときは床面温度は低い温度
で制御されることになり、快適にかつエネルギロ
スなく温度制御を行うことができる。

また、抵抗R₁₂によりコンパレータCPに正帰還
をかけるとともにコンパレータCPの非反転入力
端および反転入力端にコンデンサC₃，C₄を挿入
していることにより、負荷リレーのオンオフ時に
リレーコイル電流の有無により直流電圧V_DDが多
少変動したときにその過渡応答に対して確実なオ
ンオフ動作を実現させることができる。例えば負
荷リレーがオンからオフになると（負荷が少なく
なるため）、直流電圧V_DDが瞬時に上昇し、それ
により温度検出用ブリツジ回路RBの電圧も変動
し、したがつてコンパレータCPの入力電圧も変
動するが、コンパレータCPの反転入力端子に接
続したコンデンサC₄の容量が非反転入力端子に
接続したコンデンサC₃の容量より小さいため、
反転入力端子の過渡応答が非反転入力端子の過渡
応答より早く、反転入力端子の方の電位が先に変
化して負荷リレーをオフにさせる方向に働き、動
作を確実なものとすることができる。

また、コンパレータCPの出力でトランジスタ
TRを駆動し、直流で負荷リレーを制御するよう
に構成したため、トランジスタTRが連続的に導
通することになり、負荷リレーのチヤタリングを
確実に防止でき、ノイズの発生を抑さえることが
でき、小型リレーを使用しても安定した動作を行
わせることができ、また、帰還抵抗R₁₂の抵抗値
を高くしてヒステリシス幅を狭くしてきめ細かい
温度制御を行うことができ、また、全体的な回路
消費電流も少くすることができ、その結果電源ト
ランスPTを小型化でき、コストダウンを図るこ
とができる。

なお、実施例では床面暖房について説明した
が、天井暖房，壁面暖房および温風パネル等の
種々の暖房設備に適用することができる。

以上のように、この発明の温度制御装置は、コ
ンパレータの非反転入力端子および反転入力端子
と直流電源のグラウンドとの間に第１および第２
のコンデンサをそれぞれ接続し、コンパレータの
非反転入力端子に接続した第１のコンデンサの容
量をコンパレータの反転入力端子に接続した第２
のコンデンサの容量より大きく設定することによ
り、ヒータ制御リレーのオンオフ時の直流電源の
電圧変動によるコンパレータの反転入力端子の電
位の過渡応答をコンパレータの非反転入力端子の
電位の過渡応答より早くすることができる。この
結果、コンパレータの反転入力端子の方の電位が
先に変化することになり、ヒータ制御リレーがオ
フになつたときの直流電源の上昇によるコンパレ
ータの両入力端子の電位の変化がヒータ制御リレ
ーをオフにさせる方向になり、ヒータ制御リレー
がオンになつたときの直流電源の下降によるコン
パレータの両入力端子の電位の変化がヒータ制御
リレーをオンさせる方向になる。

したがつて、抵抗をコンパレータの出力端子お
よび非反転入力端子間に接続することにより、コ
ンパレータに対してヒステリシス特性を付与した
こととあいまつて、ヒータ制御リレーのオンオフ
動作を確実なものとすることができる。

また、サイリスタを用いたスイツチングではな
いので、ノイズの発生も抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は床面暖房，壁面暖房および石油ストー
ブ暖房の室内の垂直温度分布特性図、第２図は床
面暖房における床面温度，室温および外気温の１
日の変化を示す特性図、第３図は提案例の温度制
御装置の回路図、第４図Ａ〜Ｅはその各部の波形
図、第５図は同じくその設置状態を示す斜視図、
第６図は同じくその床温−室温特性図、第７図は
この発明の一実施例の温度制御装置の回路図、第
８図はその床温−室温特性図である。 DC…整流平滑回路、RY…リレーコイル、ry
…リレー接点、TR…トランジスタ、R_TH1…室温
検知用NTCサーミスタ、R_TH2…床温検知用NTC
サーミスタ、R₄，R₅…抵抗、CP…コンパレー
タ、C₃，C₄…コンデンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電源と、この直流電源より給電されて作
   動するヒータ制御リレーと、前記直流電源と前記
   ヒータ制御リレーとの間に介挿したスイツチング
   トランジスタと、室温検知用サーミスタおよびヒ
   ータ近接位置温度検知用サーミスタをブリツジの
   ２辺にそれぞれ配置しブリツジの他の２辺に抵抗
   をそれぞれ配置して前記直流電源により電圧が加
   えられる温度検出用ブリツジ回路と、この温度検
   出用ブリツジ回路の一対の出力端子を非反転入力
   端子および反転入力端子にそれぞれ接続し出力端
   子を前記スイツチングトランジスタのベースに接
   続したコンパレータと、このコンパレータの出力
   端子および非反転入力端子間に接続したヒステリ
   シス特性付与用の抵抗と、前記コンパレータの非
   反転入力端子および反転入力端子と前記直流電源
   のグラウンドとの間にそれぞれ接続した第１およ
   び第２のコンデンサとを備え、前記コンパレータ
   の非反転入力端子に接続された第１のコンデンサ
   の容量を前記第２のコンデンサより大きく設定し
   た温度制御装置。