JPH0989278A - 電気カーペット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサを用いることなく、人の存在する領域
のみを暖めることが可能な電気カーペットを提供する。 【解決手段】 カーペット表面布２の裏面に沿って導体
層３が配置され、導体層３と平行な１平面内にて導線41
を渦巻状に巻回してなる配線パターン４が配置されてい
る。導体層３と配線パターン４の間には、厚さ方向に伸
縮性を有する中間層５が介在している。人がカーペット
上に載ることによって、中間層５が収縮し、導体層３と
配線パターン４の間隔が狭められる。この結果、人の載
っている部分領域で渦電流が発生し、局所的な加熱が実
現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、渦電流を利用した
電磁式の電気カーペットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気カーペットとしては、一般的に、発
熱ヒータをカーペット全面に略均一に配置し、カーペッ
ト全面を一様に暖める電気カーペットが知られている。
該電気カーペットは、人が存在するしないに拘わらずカ
ーペット全面を暖めるため、消費電力が大きく、効率が
低い問題がある。

【０００３】これに対し、消費電力を節減するべく、複
数の発熱ヒータ片をカーペット全面に配置し、通電すべ
き発熱ヒータ片を選択するためのスイッチを手動操作す
ることによって、カーペットの必要な領域のみを暖める
ことが可能な電気カーペットが知られている。又、人の
存在有無を検出するためのセンサを複数箇所に配置する
ことによって、人の存在する領域のみを部分的に暖める
電気カーペット(例えば特開平３−２８２１２８号〔F24
D13/02〕)が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、複数の
発熱ヒータ片をカーペット全面に配置した電気カーペッ
トにおいては、手動操作によってスイッチを切り換える
必要があり、その操作が煩雑になる問題がある。一方、
センサを複数箇所に配置した電気カーペットにおいて
は、複数のセンサが必要であるので、電気カーペット本
体及び制御回路の構成が複雑となり、センサ自体の信頼
性も問題となる。

【０００５】本発明の目的は、センサを用いることな
く、人の存在する領域のみを暖めることが可能な電気カ
ーペットを提供することである。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る電気カーペッ
トは、カーペット表面布と、カーペット表面布の裏面に
沿って配置された導体層と、導体層と平行な１或いは複
数の平面内にて導線を渦巻状に巻回してなる配線パター
ンと、前記導体層と配線パターンの間に介在し、厚さ方
向に伸縮性を有する中間層とを積層してカーペット本体
を構成すると共に、前記配線パターンの導線には、前記
中間層が圧縮されたときに前記導体層に渦電流を生じさ
せることが可能な周波数を有する電流を通電するための
交流電流源が接続されている。

【０００７】具体的には、交流電流源は、周波数が数ｋ
Ｈｚ乃至数十ｋＨｚの高周波電流を発生する。

【０００８】上記本発明の電気カーペットは、渦電流に
より熱を発生させる新規な方式を採用している。先ず、
該方式における熱発生原理について説明する。交流電流
源により配線パターンの導線に交流電流を流すことによ
って、導線の周囲には、同心円状に磁束が発生する。該
磁束が導体層を貫通すると、該磁束が時間的に変化する
ために、導体層には電磁誘導による渦電流が発生する。
ここで、渦電流の方向は、前記磁束の変化を妨げる方向
である。この様にして発生した渦電流は、渦電流損を生
じ、ジュール熱を発生する。このジュール熱によって、
カーペット表面布が暖められることとなる。

【０００９】上記電気カーペットにおいて、人が載って
いない状態では、導体層と配線パターンの間に中間層が
介在して、両者の間にはある程度の距離が存在するた
め、殆どの磁束は導体層を貫通しない。そのため、上述
の渦電流は発生せず、ジュール熱は発生しない。従っ
て、カーペット表面布は暖められない。一方、電気カー
ペット上に人が載っている状態では、人の重量により、
人の載っている領域にて導体層が湾曲すると共に、中間
層が厚さ方向に収縮し、導体層と配線パターンの間隔が
狭められ、この領域において前記磁束は導体層を貫通す
ることとなる。そのため、上述の渦電流が発生し、ジュ
ール熱を発生する。人の載っていない領域については、
中間層は収縮せず、導体層と配線パターンの間隔は狭め
られないので、渦電流は発生せず、ジュール熱は発生し
ない。この結果、カーペット表面布は人の載っている領
域のみ、局所的に暖められることとなる。

【００１０】この様に、人の重量により、人の載ってい
る部分領域にて導体層と配線パターンの間隔を狭め、渦
電流を発生させることによって、ジュール熱を局所的に
発生させるので、センサを用いることなく、人の存在す
る領域のみを暖めることが可能である。又、人が載って
いない状態においては、カーペット全面に亘って殆ど渦
電流が発生しないので、消費電力は極めて少ない。人が
載っている状態においても、人の存在する領域のみに渦
電流が発生するので、電力はその領域だけで消費される
に過ぎず、カーペット全面を暖める場合に比べて消費電
力は少ない。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係る電気カーペットによれば、
センサを用いることなく、人の存在する領域のみを暖め
ることが出来、カーペット本体及び制御回路の構成を簡
易化することが可能である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例につき、
図面に沿って詳述する。図１は、本発明に係る電気カー
ペットの本体部分の積層構造を表わしている。カーペッ
ト表面布(２)の裏面に沿って、２枚のポリエチレンシー
トの間に多数の金属製薄板片(31)を僅かな間隔をおいて
配列してなる導体層(３)が設置されている。該薄板片(3
1)は、例えば０.１ｍｍの厚さに形成される。又、導体
層(３)の裏面側には、例えば線径が５ｍｍ程度の導線(4
1)を導体層(３)と平行な１平面内にて渦巻状に巻回して
なる配線パターン(４)が配置されている。導体層(３)と
配線パターン(４)の間には、厚さ方向に伸縮性を有する
中間層(５)が介在する。該中間層(５)は、ウレタン等の
絶縁性弾性材料によって厚さ１ｃｍ程度に形成され、人
の重量によって、その厚さが例えば１／２倍以下に収縮
することとなる適度な伸縮性を有している。又、配線パ
ターン(４)の裏面に沿って、カーペット裏面布(６)が配
置され、上記各層が互いに接着或いは縫合されて、一枚
のカーペット本体(１)が作製されている。

【００１３】図２は、配線パターン(４)の具体例を表わ
している。図示の如く、配線パターン(４)は、導線(41)
を１平面内にて渦巻状に巻回してなる複数の渦巻部を互
いに接続して構成され、導線(41)の端部には、通電量を
制御するためコントローラ(７)が接続されている。

【００１４】図３は、コントローラ(７)の構成を表わし
たものである。コントロールキー(71)は、例えば電源の
オン／オフや温度を調節するためのキーを有している。
電源オンのキーが操作されると、これに応じて制御回路
(72)はスイッチ(73)を閉じるための制御信号を作成す
る。スイッチ(73)が閉じると、交流電源(８)から６０Ｈ
ｚの交流電流が高周波電流ドライバ(74)に供給される。
又、温度調節キーが操作されると、その設定温度に応じ
た温度制御信号が高周波電流ドライバ(74)へ供給され
る。

【００１５】高周波電流ドライバ(74)は、６０Ｈｚの交
流電流を周波数が数ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高周波電流に
変換すると共に、その電流実効値を前記温度制御信号に
応じた一定値に制御するものである。カーペット上に人
が載ると、後述の如く導体層(３)に渦電流損が発生し
て、配線パターン(４)に電流を流す際の抵抗が増大する
が、高周波電流ドライバ(74)による上記の電流一定制御
によって、電圧が増大され、高周波電流の実効値は前記
一定値に維持される。又、高周波電流ドライバ(74)は、
前記温度制御信号に応じて電圧を調節し、温度上昇の操
作が行なわれたときには電圧を増大させ、温度低下の操
作が行なわれたときには電圧を減少させることにより、
上記電流一定制御における高周波電流の実効値を増減さ
せて、カーペットの温度を設定値に調節する。

【００１６】上記電気カーペットにおいては、渦電流に
よりジュール熱が発生し、カーペット表面布(２)が暖め
られる。図４は、導線(41)に図示する方向へ電流が流れ
ることによって磁束Ｍが発生している様子を表わし、図
５は、図４のＡ−Ａ線に沿う断面において渦電流Ｉが発
生している様子を表わしている。導線(41)に高周波電流
が流れることによって、導線(41)の周囲には、導線(41)
を中心として、図示の如く同心円状に磁束Ｍが発生す
る。該磁束Ｍが導体層(３)を貫通すると、該磁束Ｍが時
間的に変化するために、導体層(３)には、図５の如く電
磁誘導による渦電流Ｉが発生する。ここで、渦電流Ｉの
方向は、前記磁束Ｍの変化を妨げる方向である。この様
にして発生した渦電流Ｉは、渦電流損を生じ、ジュール
熱を発生する。このジュール熱によって、カーペット表
面布(２)が暖められることとなる。

【００１７】図６は、人が載っていない状態におけるカ
ーペット本体(１)の断面を表わしている。カーペット上
に人が載っていない状態では、導体層(３)と配線パター
ン(４)の間には中間層(５)の厚さに応じた距離が存在す
るため、図示の如く、前記殆どの磁束Ｍは導体層(３)を
貫通しない。そのため、上述の渦電流Ｉは発生せず、ジ
ュール熱は発生しない。従って、カーペット表面布(２)
は暖められない。

【００１８】一方、図７は、人が載っている状態におけ
るカーペット本体(１)の断面を表わしている。カーペッ
ト上に人が載ることにより、カーペット本体(１)には図
中の矢印Ａの如く荷重が加わり、人の載っている領域に
て導体層(３)が湾曲すると共に、中間層(５)が厚さ方向
に収縮し、導体層(３)と配線パターン(４)の間隔が狭め
られる。これによって、この領域にて前記磁束Ｍは導体
層(３)を貫通することとなる。そのため、導体層(３)に
は渦電流Ｉが発生し、そのジュール熱によってカーペッ
ト表面布(２)が暖められ、図中の矢印Ｂの如く人体へ向
けて熱が放射される。人の載っていない領域について
は、中間層(５)は収縮せず、導体層(３)と配線パターン
(４)の間隔は狭められないので、渦電流Ｉは発生せず、
ジュール熱は発生しない。この結果、カーペット表面布
(２)は人の載っている領域のみ、局所的に暖められるこ
ととなる。

【００１９】ここで、上記電気カーペットにおいて、充
分な発熱量が得られることを論証するべく、配線パター
ン(４)が無限平板であると仮定したモデルにおいて、そ
の発熱量を試算する。無限平板である配線パターン(４)
の厚さａ(ｍ)、配線パターン(４)を流れる電流の電流密
度をＪ(Ａ／ｍ²)とすると、配線パターン(４)の外側の
磁界Ｈは、下記数１によって表わされる。

【数１】Ｈ＝ａＪ／２ (Ａ／ｍ)

【００２０】また、導体層(３)内の磁束密度Ｂは、下記
数２によって表わされる。ここで、μ₀は真空中の透磁
率(Ｈ／ｍ)、ｘ_mは磁化率、μは導体層(３)の透磁率(Ｈ
／ｍ)である。

【数２】Ｂ＝μ₀(１＋ｘ_m)Ｈ＝μＨ (Ｔ)

【００２１】更に、導体層(３)における単位体積当たり
の渦電流損Ｐは、下記数３によって表わされる。ここ
で、σ_eは比例定数で、物質や磁束波形によって定まる
定数であり、σは導体層(３)の導電率(１／Ωｍ)、ｔは
導体層(３)の厚さ(ｍ)、ｆは渦電流の周波数(Ｈｚ)、Ｂ
_mは導体層(３)内の最大磁束密度(Ｔ)である。

【数３】Ｐ＝σ_eσ(ｔｆＢ_m)² (Ｗ／ｍ³)

【００２２】ここで、具体的に上記数１乃至数３を用い
ることによって、単位体積当たりの渦電流損Ｐを計算す
る。但し、導体層(３)を厚さ０.１ｍｍを有する鋼鉄製
の薄板とし、導線(41)に流れる電流を５Ａとする。この
とき、上記Ｊの値は２.０×１０⁵(Ａ／ｍ²)となり、σ
の値は鉄の体積抵抗率が１５×１０^-8(Ωｍ)であること
から、６.６７×１０⁶(１／Ωｍ)となる。又、他の値に
ついては下記数４の如く仮定する。

【数４】ａ＝５×１０^-3 (ｍ) μ₀＝４π×１０^-7 (Ｈ／ｍ) ｘ_m＝４０００ σ_e＝π²／６ ｆ＝２０ (ｋＨｚ)

【００２３】この結果、単位体積当たりの渦電流損Ｐは
２.７６×１０⁸(Ｗ／ｍ³)となり、単位面積当たりの渦
電流損Ｐｓ＝２.７６×１０⁴(Ｗ／ｍ²)となる。これは
カーペットを暖めるのに充分な発熱量であると言える。

【００２４】上述のモデルは、配線パターン(４)を無限
平板と仮定したので、配線パターン(４)と導体層(３)の
間隔に拘わらず、一定の発熱量が得られる結果となった
が、実際の配線パターン(４)は有限であって且つ導線(4
1)を渦巻状に巻回したものであるため、上記間隔が変化
することによって発熱量も変化することとなる。これを
論証するために、配線パターン(４)が１本の直線の導線
によって構成されていると仮定したモデルにおいて、上
記間隔と発熱量の関係について検討する。

【００２５】図８は、ビオ・サバールの法則を説明する
ための図である。導線(41)に電流Ｉo(Ａ)が流れている
とき、長さΔｌ(ｍ)の微小区間によって生ずる点Ｐにお
ける磁界ΔＨ(Ａ／ｍ)は、下記数５で表わされる。ここ
で、ｒは微小区間から点Ｐまでの距離、θは電流Ｉoの
方向と点Ｐの方向の為す角度である。

【数５】 ΔＨ＝Ｉo・Δｌ・ｓｉｎθ／４πｒ² (Ａ／ｍ)

【００２６】従って、カーペット上に人が載っておら
ず、導体層(３)が配線パターン(４)から最も離間したと
きの導体層(３)における磁界Ｈ_bと、カーペット上に人
が載ることによって、導体層(３)が配線パターン(４)に
接近したときの導体層(３)における磁界Ｈとの関係は、
下記数６によって表わされる。ここで、ｒ_bはカーペッ
ト上に人が載っていないときの導体層(３)と配線パター
ン(４)の間隔であり、ｒはカーペット上に人が載ったと
きの導体層(３)と配線パターン(４)の間隔である。

【数６】Ｈ／Ｈ_b＝１／(ｒ／ｒ_b)²

【００２７】数６から明らかなように、間隔ｒが小さく
なるにつれて磁界Ｈは大きくなる。例えば、カーペット
上に人が載ることによって、導体層(３)と配線パターン
(４)の間隔が狭まり、人が載っていないときの１／２倍
になったとすると、磁界の強さは４倍となる。但し、上
記モデルは配線パターン(４)が１本の直線の導線(41)か
ら構成されていると仮定しているのに対し、実際の配線
パターン(４)は渦巻状の導線(41)から構成されているの
で、数６がそのまま成立することにはならないが、間隔
ｒが小さくなるにつれて磁界Ｈが大きくなる傾向は同じ
であると考えられる。

【００２８】次に、数６の関係式を用いて、カーペット
全面を加熱する従来方式と上記本発明の方式による電気
カーペットにおける消費電力の比較を行なう。但し、本
発明の方式において導体層(３)と配線パターン(４)の間
隔が１／２倍に収縮した場合に、単位面積当たりの発熱
量が従来方式の単位面積当たりの発熱量と同一となる
様、中間層(５)の伸縮性、高周波電流の周波数や実効値
等が設定されているものと仮定する。

【００２９】ここで、カーペット全面の面積を１ｍ²、
人が載ることによって中間層(５)が収縮する領域の面積
を０.１ｍ²、人が載っていない状態におけるカーペット
の発熱量を０.５ｋＷとする。上述の如く、カーペット
上に人が載ることによって、導体層(３)と配線パターン
(４)の間隔が１／２倍になったとき、磁界の強さは４倍
となる。又、上記数２及び数３から磁界の強さが４倍と
なったとき、渦電流損Ｐは１６倍となる。従って、人が
１人載ることによる発熱量の増大量ΔＰ及びカーペット
全体の消費電力Ｐ′は、下記数７によって計算すること
が出来る。

【数７】 ΔＰ＝０.１(ｍ²)×０.５(ｋＷ)×１６−０.１(ｍ²)×０.５(ｋＷ) ＝０.７５(ｋＷ) Ｐ′＝０.５(ｋＷ)＋０.７５(ｋＷ)＝１.２５(ｋＷ)

【００３０】一方、従来方式の電気カーペットにおいて
は、上記仮定の下では、カーペット全体で７.５ｋＷの
消費電力が必要である。これは、本発明の電気カーペッ
トにおける消費電力よりも約６ｋＷ大きな値となってお
り、本発明によって消費電力を大幅に節減できることが
推測される。

【００３１】上述の如く、本発明の電気カーペットによ
れば、センサを用いることなく、人の存在する領域のみ
を暖めることが出来、これによって、従来の全面加熱方
式の電気カーペットに比べて、消費電力を大幅に節減す
ることが可能である。又、上記電気カーペットにおいて
は、電流一定制御が採用されているので、人が複数人載
った場合にも、中間層(５)が収縮した領域内では、同じ
大きさの渦電流が発生して、１人載った場合と同じ暖か
さが得られる。

【００３２】上記実施の形態の説明は、本発明を説明す
るためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を
限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。
又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許
請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能で
あることは勿論である。

【００３３】例えば上記実施例においては、導体層とし
て、２枚のポリエチレンシートの間に多数の金属製薄板
片を配列したものを採用しているが、１枚の樹脂シート
の全面に金属製薄膜を被着したものを採用することも可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気カーペットの要部を示す断面図で
ある。

【図２】配線パターンを表わす平面図である。

【図３】コントローラの構成を示すブロック図である。

【図４】導線の周囲に発生する磁束の様子を表わす図で
ある。

【図５】渦電流が発生している様子を表わす図４Ａ−Ａ
線に沿う拡大断面図である。

【図６】人が載っていない状態におけるカーペット本体
の断面図である。

【図７】人が載ることによってカーペット本体の中間層
が収縮した状態を示す断面図である。

【図８】ビオ・サバールの法則を説明する図である。

【符号の説明】

(１) カーペット本体 (２) カーペット表面布 (３) 導体層 (４) 配線パターン (５) 中間層 Ｍ 磁束 Ｉ 渦電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 龍司 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カーペット表面布と、カーペット表面布
   の裏面に沿って配置された導体層と、導体層と平行な１
   或いは複数の平面内にて導線を渦巻状に巻回してなる配
   線パターンと、前記導体層と配線パターンの間に介在
   し、厚さ方向に伸縮性を有する中間層とを積層してカー
   ペット本体を構成すると共に、前記配線パターンの導線
   には、前記中間層が圧縮されたときに前記導体層に渦電
   流を生じさせることが可能な周波数を有する電流を通電
   するための交流電流源が接続されていることを特徴とす
   る電気カーペット。
2. 【請求項２】 交流電流源は、周波数が数ｋＨｚ乃至数
   十ｋＨｚの高周波電流を発生する請求項１に記載の電気
   カーペット。