JPH11351598A - 床暖房装置と床暖房制御法並びに電熱シート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 家具配置による異常過熱の発生を回避し、室
温を所望の室温まで上昇させるまでの間の焦燥感と電熱
シートの使用中生じる異常な高温状態を排除する。 【解決手段】 安全性の絶対確保は、飽和温度まで温度
の上昇につれて抵抗値が増大する（正の抵抗・温度特性
の）面状発熱体１を床裏面に配置することによって実現
される。正の抵抗温度特性を持つ面状発熱体では、家具
の下になった部分が蓄熱効果によって温度が高まると電
気抵抗も急速に高まり、家具と床との接触箇所を回避す
るようにして電流は分布して発熱自体を抑制する。床暖
房始動時床表面温度を可及的速やかに上昇させるに十分
に大きな電力を面状発熱体へ加え、その後電力を低減し
て室内温度を所望の設定温度とするよう面状発熱体の発
熱を制御する。正の抵抗・温度特性の面状発熱体を電熱
シートに使用する。その区域を流れる分布電流を低減し
て発熱を抑制し、蓄熱作用による異常な高温状態を排除
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は家庭用もしくは営業用の
暖房に係るものであり、具体的に言えば床暖房を制御す
る方法と装置とに係るものであり、また面状発熱体を備
えた電熱シートに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】床暖房は、床を温めることにより、室内
の空気を下から温めるものであるので、合理的な暖房方
法とされている。現在のところ、電熱を用いる床暖房が
家庭用や営業用として使用される例も、多くはないとは
いえ散見される。これは、ニクロム線を用いるものであ
り、熱効率がよくなく、断線、出火のおそれがある。断
熱材で裏打ちされた面状発熱体を床材の裏側に張って、
これに電流を流し床全体を発熱させて室温を所望温度ま
で高める方式の実用化も検討されている。室温を感知す
るセンサーを室内に設けておき、このセンサーからの温
度信号に応答して面状発熱体に供給する電力を制御し室
温を所望温度に維持するものである。この面状発熱体は
カーボン粉末とバインダーとの混合をシートに塗布して
成り、その抵抗と流れる電流とに応じて発熱量が決ま
る。この方式の実用化を阻止している重大な原因は、床
上に家具などを配置することによりその家具の下の発熱
体からの熱は室内へ放散されることはなく蓄積されるこ
とになり、遂には発火温度にまで高められ出火の原因と
なるということにある。そのような事態を回避するには
家具を配置した場所毎に温度センサーを設置して異常温
度を検出して面状発熱体への給電を停止しなければなら
ない。しかし部屋に配置される家具毎にそのような温度
センサーを設置したり、異常温度の検出毎に暖房装置の
作動を停止するなどということは現実的な解決とはなら
ないことは明かである。このため、家具が配置されるこ
とのない部屋の中心部分など、極めて限られた床面区域
に面状発熱体を設置するということになり、暖房の効果
は殆ど得られない。面状発熱体を暖房装置に使用する現
実的な解決が要望されてきた所以である。

【０００３】また、床暖房は床面の熱が対流によって室
内を還流して暖房するのであるが、暖房開始時の室内が
冷えている状態で所望の室温まで上昇させるにはかなり
の時間がかかり、また窓や戸などを開いて室温を急に下
げたときなどもとの所望室温まで回復するのにも時間が
かかり、その間人は焦燥感を覚えるという不都合があっ
た。このため室内が所望温度になるまで補助的な暖房手
段を使用するなどの不都合も生じている。

【０００４】従来の電気カーペット、電気毛布などの電
熱シートではその上に横臥する人とシートとの接触部分
に熱が次第に蓄積され、そのため次第に不快になった
り、また熱くなり過ぎたと感じ、場所を移動したり、ス
イッチを切って給電を停止しなければならないという不
都合があった。特に電気毛布では気づかぬ中に過熱状態
となりいわゆる低温やけどをしたり、ひどく発汗したり
するなどの不都合があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は安全性
を絶対条件として確保することによって家具配置による
異常過熱の発生を回避して面状発熱体を床暖房に利用で
きるようにすることであり、また低下した室温を所望の
室温まで上昇させるまでの間、体感温度を高めるように
して所望の室温になるまでの焦燥感を排除するよう床暖
房を制御することにある。また本発明の別の目的は電気
カーペット、電気毛布などの電熱シートと人体との接触
部分における蓄熱作用による人体への不都合な熱的影響
を排除することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】安全性の絶対確保は、飽
和温度まで温度の上昇につれて抵抗値が増大する面状発
熱体を床裏面に配置することによって実現される。

【０００７】飽和温度までは温度の上昇につれて抵抗値
が増大する正の抵抗温度特性を有する面状発熱体とは、
正の抵抗温度係数を有する導電性ポリマーコーティング
の塗布物である。導電性を与える導電微粒子（例えば、
カーボンブラック、黒鉛、金属粉等）と、ＰＴＣすなわ
ち正の温度特性を与える物質（パラフイン等）と、機械
的強度を与えるサブストレート成形材（熱可塑性樹脂、
エラストマー等）とを芳香族溶媒に加えて、攪拌、混練
することによりペースト状にし、このペーストに電流を
流す導線を織り込んだ綿布などを浸漬し、前記芳香族溶
媒を揮発させて製する（米国特許５，５５６，５７６参
照）。あるいは、このペーストを電流を流す導線と共
に、フィルム上に印刷して製する。この面状発熱体の両
面は、通常は耐水性、絶縁製性のシートあるいはフィル
ムにより、ラミネートされている。このような面状発熱
体では正の温度特性を与えられた導電粒子を相互に結合
しているバインダーが温度上昇につれて膨張し導電粒子
の相互間の距離を広げて急速に電気抵抗を増大し、ある
一定温度に到達するとそれまで急速に上昇し続けた抵抗
値は飽和点に到達し、温度も一定となる（図２参照）。
温度が低下すると導電粒子の相互間の距離が狭くなり、
抵抗も急速に低下する。このように素材そのものが自動
的に温度を制御する能力を有する。本発明はこの素材の
自動温度制御能力を利用して家具等の下になった面状発
熱体の部分における蓄熱効果による過熱状態を回避して
安全性を絶対的に確保しようとするものである。正の抵
抗温度特性を持たない面状発熱体にあっては、家具の下
になった部分に蓄熱効果による過熱状態が発生し、特に
家具の縁部分と床との接触箇所には分布電流が集中する
傾向があり、このため一層蓄熱効果が高まり出火温度に
まで到達する。正の抵抗温度特性を持つ面状発熱体にあ
っては、家具の下になった部分が蓄熱効果によって温度
が高まると電気抵抗も急速に高まり（図２で温度Ｔ_ｃに
なると抵抗は急増し、電流は急減して事実上遮断状態に
近くなる：スイッチング特性）、家具と床との接触箇所
を回避するようにして電流は分布して発熱自体を抑制す
る。

【０００８】面状発熱体の温度制御用センサーを床裏面
に配置してもよい。床表面に配置すると、センサーを避
けてセンサーの感度に影響を与えない場所に家具を配置
しなければならないが、そのような不都合は回避され
る。この場合面状発熱体と温度制御用センサーに接続さ
れ、床裏面の温度から床表面の温度を推定して床暖房を
設置した閉じた空間の温度もしくは室内温度を所望の設
定温度とするよう面状発熱体への電力を制御する制御装
置を設置する。ここにおいて、面状発熱体を配置する床
裏面とは、フローリングが合板等の場合には、その合板
の裏面とする。前記合板のうえにカーペットをおく場
合、カーペットが厚い場合はカーペットの裏とし、カー
ペットが薄い場合は合板の裏としてもよい。畳の場合
は、畳表（ゴザ）の裏とすることができる。

【０００９】低下した室温を所望の室温まで上昇させる
までの間の焦燥感は、体感温度を高めるように床暖房を
制御することによって達成される。

【００１０】すなわち、床暖房始動時、または床暖房を
設置した閉じた空間の温度もしくは室内温度が所望の設
定温度よりも実質的に低い時床表面温度を可及的速やか
に上昇させるに十分に大きな電力を面状発熱体へ加え、
その後電力を低減して前記の閉じた空間の温度もしくは
室内温度を所望の設定温度とするよう前記の面状発熱体
の発熱を制御する。床表面温度を可及的速やかに上昇さ
せるに十分な電力の大きさとその給電時間とは、床暖房
始動時の温度、または床暖房を設置した閉じた空間の温
度もしくは室内温度が所望の設定温度よりも実質的に低
い時の温度と前記の所望の設定温度との差の関数であ
り、体感温度が前記の所望の設定温度に近くなるよう設
定されている。面状発熱体が飽和温度まで温度の上昇に
つれて抵抗値が増大する面状発熱体とする。局所的な過
熱状態を排除して安全を確保するためである。

【００１１】体感温度を高めるための床暖房制御装置
は、床裏面の温度もしくは面状発熱体の温度から床表面
温度を推定する手段と、この推定した床表面温度を所望
の床表面温度に可及的速やかに上げるに十分な大きさの
電力を前記の面状発熱体に給電するよう制御信号を前記
の面状発熱体の電力制御器へ送る手段と、前記の所望の
床表面温度に到達すると、電力を低減して室温に応答し
て室温を所望の設定温度とするよう給電制御する制御信
号を前記の電力制御器へ送る手段とを含んでいる。体感
温度を高める温度制御モードを床裏面の温度もしくは面
状発熱体の温度からの推定温度で行い、通常の室温制御
モードを室温に応じて行い、前者から後者の制御モード
へ切替えを行うようにしている。

【００１２】床暖房装置は、床表面材の裏面に配設さ
れ、飽和温度までは温度の上昇につれて抵抗値が増大す
る抵抗温度特性を有する面状発熱体と、床表面材の裏面
に配設され、床裏面の温度もしくは発熱体の温度を検出
する発熱体温度センサーと、暖房しようとする室温を測
定する室温センサーと、前記の発熱体温度センサーと室
温センサーとに接続されているセントラル・プロセッシ
ング・ユニットと、このセントラル・プロセッシング・
ユニットと前記の面状発熱体とに接続されている電力制
御器とを備え、前記のセントラル・プロセッシング・ユ
ニットは前記の床裏面の温度もしくは発熱体の温度から
床表面温度を推定する手段と、この推定した床表面温度
を所望の床表面温度に可及的速やかに上げるに十分な大
きさの電力を前記の面状発熱体に給電するよう制御信号
を前記の電力制御器へ送る手段と、前記の所望の床表面
温度に到達すると、電力を低減して前記の室温センサー
に応答して室温を所望の設定温度とするよう給電制御す
る制御信号を前記の電力制御器へ送る手段とを含んでい
る。前記の発熱体温度センサーと室温センサーとはアナ
ログ・ディジタル変換器を介して前記のセントラル・プ
ロセッシング・ユニットに接続されており、そして前記
の電力制御器は電力制御トライアックでよい。

【００１３】電気カーペットや電気毛布と接触した人体
部分における蓄熱作用による問題は、電熱シートが飽和
温度まで温度の上昇につれて抵抗値が増大する面状発熱
体を備えることによって解決される。その接触部分にお
ける蓄熱作用により温度が上がるとそれにより抵抗は急
激に増大してその接触部分における分布電流を小さくし
て発熱を抑制するからである。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１を参照する。本発明の床暖房
装置は、床表面材裏面に張られ飽和温度までは温度の上
昇につれて抵抗値が増加し、特に所定温度を越えると抵
抗値が急増する抵抗温度特性を有する面状発熱体１と、
この面状発熱体に、もしくはその直ぐ傍に配置されてい
る発熱体温度センサー２と、暖房しようとする室温を測
定する室温センサー３と、発熱体温度センサー２と室温
センサー３とに接続されているセントラル．プロセッシ
ング・ユニット（ＣＰＵ）４と、このセントラル・プロ
セッシング・ユニット４と面状発熱体１とに接続されて
いる電力制御器５とを備えている。セントラル・プロセ
ッシング・ユニット４はアナログ・ディジタル変換器６
_（１）、６_（２）を介して室温センサー３と、発熱体温
度センサー２とに接続されている。電力制御器５は電源
Ｐに接続された電力制御トライアックが好適であり、セ
ントラル・プロセッシング・ユニット４からの制御信号
により面状発熱体１への供給電力を制御する。面状発熱
体１は、床表面材の裏に配設され、面状発熱体の裏面に
は、断熱材が配設され、この断熱材の裏には、床を支え
る板等が通常設けられる。面状発熱体の飽和抵抗値は素
材の成分や単位面積当たりの使用量を調整することによ
り適宜選択できる。

【００１５】面状発熱体１は床表面材の裏面に張る。そ
の下に断熱材を張って床に施工するのが普通であるが、
面状発熱体１と床表面材の裏面との境付近に発熱体温度
センサー２を配置し、センサー２が感知した温度から床
表面温度を推定する。センサーが感知した温度の関数と
しての床表面温度は床表面材の材質、厚みなどの特性に
より異なるが、実験的に確認することができ、そのデー
タを必要な限度において、セントラル・プロセッシング
・ユニット４に記憶させることにより、発熱体温度から
床表面温度を推定することが可能となる。

【００１６】セントラル・プロセッシング・ユニット４
は発熱体温度センサー２から推定した床表面温度を急速
に上げるに十分な電力を面状発熱体に供給するよう電力
制御器５へ制御信号を送る手段と、室温センサー３が所
望の室温に到達したことを知らせると、その所望の室温
を維持するに足る電力に低減する制御信号を電力制御器
５へ送る手段とを含んでいる。

【００１７】図３に床表面温度と、発熱体温度と電流と
の相互関係を通常の室温制御（破線）と対比して示す。
電源を投入するまでは、発熱体温度は、部屋の床温度に
ほぼ等しい（例えば４゜Ｃ）。給電を開始し、許容最大
電力を発熱体に給電する。電流は急激に増大し（例え
ば、単位面状発熱体当たり３２０ミリアンペア）、発熱
体の温度も急激に上昇し（例えば６５゜Ｃ）、これを追
尾するようにして床表面温度も上昇する。床表面温度が
設定室温（例えば２５゜Ｃ）付近になると室温は設定室
温よりも低くてもそれ程寒く感じなくなる。体感温度が
そこまで上がると発熱体への給電電力を低減して通常の
室温制御モードの電力を給電する（例えば、単位面状発
熱体当たり２７０ミリアンペア）。暖房制御コンソール
にあらかじめ所望の室温と、床表面温度を設定してお
く。そのうえで、操作開始ボタンを押せばセントラル・
プロセッシン・ユニットが、床表面が設定された温度に
到達するまで、面状発熱体に比較的に大きな電力を供給
させ、床表面が設定された床表面温度に到達すると、電
力を低減し設定室温にまで室温を上げるに足る電力を発
熱体に給電して、通常の室温制御モードへ移行する。図
３において家具等の下で局所的に蓄熱作用が生じた場合
の発熱体温度、床表面温度そして電流の変化の様子を一
点鎖線で示す。局所蓄熱の結果温度が局所的に高温（約
８０゜Ｃ）になると発熱体の抵抗は急増し、電流は急減
してその局所の温度を引下げ、以後これを繰り返してそ
の局所が危険な過熱状態となるのを防止する。

【００１８】電気カーペットや電気毛布などの電熱シー
トに温度の上昇につれて急激に電気抵抗の増加する面状
発熱体を使用することによりシートと接触した人体部分
における蓄熱作用による過熱は、その接触区域の分布電
流を低下させて発熱自体を抑制することにより回避され
る。

【００１９】本発明の床暖房制御によって、過熱による
危険は、高度の安全性を以って排除されると共に、足元
に当たる床表面の温度上昇の故に室温の上昇がやや遅れ
ることがあっても、体感温度はそれなりに高められ、室
温が所望の温度に到達するまでの焦燥感は排除される。
また、本発明の電熱シートにより人体が感じる不快感、
発汗もしくは低温やけどなどを回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の床暖房装置の略図である。

【図２】飽和温度まで温度の上昇につれて抵抗値が増大
する面状発熱体の抵抗・温度特性を示すグラフである。

【図３】床表面温度、発熱体温度そして電流の相互関係
を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 面状発熱体 ２ 発熱体温度センサー ３ 室温センサー ４ セントラル・プロセッシング・ユニット ５ 電力制御器 ６_（１）アナログ・ディジタル変換器 ２_（２）アナログ・ディジタル変換器 Ｃ 制御装置 Ｐ 電源入力端子

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 飽和温度まで温度の上昇につれて抵抗値
   が増大する面状発熱体を床裏面に配置したことを特徴と
   する床暖房装置。
2. 【請求項２】 前記の面状発熱体の温度制御用センサー
   を床裏面に配置した請求項１に記載の床暖房装置。
3. 【請求項３】 前記の面状発熱体と前記の温度制御用セ
   ンサーに接続され、床裏面の温度から床表面の温度を推
   定して床暖房を設置した閉じた空間の温度もしくは室内
   温度を所望の設定温度とするよう前記の面状発熱体への
   電力を制御する制御装置を備える請求項２に記載の床暖
   房装置。
4. 【請求項４】 床暖房始動時、または床暖房を設置した
   閉じた空間の温度もしくは室内温度が所望の設定温度よ
   りも実質的に低い時床表面温度を可及的速やかに上昇さ
   せるに十分に大きな電力を面状発熱体へ加え、その後電
   力を低減して前記の閉じた空間の温度もしくは室内温度
   を所望の設定温度とするよう前記の面状発熱体の発熱を
   制御することを特徴とする床暖房制御法。
5. 【請求項５】 床表面温度を可及的速やかに上昇させる
   に十分な電力の大きさとその給電時間とは、床暖房始動
   時の温度、または床暖房を設置した閉じた空間の温度も
   しくは室内温度が所望の設定温度よりも実質的に低い時
   の温度と前記の所望の設定温度との差の関数であり、体
   感温度が前記の所望の設定温度に近くなるよう設定され
   ている請求項４に記載の床暖房制御法。
6. 【請求項６】 前記の面状発熱体が飽和温度まで温度の
   上昇につれて抵抗値が増大する面状発熱体である請求項
   ４もしくは５に記載の床暖房制御法。
7. 【請求項７】 床裏面の温度もしくは面状発熱体の温度
   から床表面温度を推定する手段と、この推定した床表面
   温度を所望の床表面温度に可及的速やかに上げるに十分
   な大きさの電力を前記の面状発熱体に給電するよう制御
   信号を前記の面状発熱体の電力制御器へ送る手段と、前
   記の所望の床表面温度に到達すると、電力を低減して室
   温に応答して室温を所望の設定温度とするよう給電制御
   する制御信号を前記の電力制御器へ送る手段とを含むこ
   とを特徴とする床暖房制御装置。
8. 【請求項８】 床表面材の裏面に配設され、飽和温度ま
   では温度の上昇につれて抵抗値が増大する抵抗温度特性
   を有する面状発熱体と、 床表面材の裏面に配設され、床裏面の温度もしくは発熱
   体の温度を検出する発熱体温度センサーと、 暖房しようとする室温を測定する室温センサーと、 前記の発熱体温度センサーと室温センサーとに接続され
   ているセントラル・プロセッシング・ユニットと、 このセントラル・プロセッシング・ユニットと前記の面
   状発熱体とに接続されている電力制御器とを備え、前記
   のセントラル・プロセッシング・ユニットは前記の床裏
   面の温度もしくは発熱体の温度から床表面温度を推定す
   る手段と、この推定した床表面温度を所望の床表面温度
   に可及的速やかに上げるに十分な大きさの電力を前記の
   面状発熱体に給電するよう制御信号を前記の電力制御器
   へ送る手段と、前記の所望の床表面温度に到達すると、
   電力を低減して前記の室温センサーに応答して室温を所
   望の設定温度とするよう給電制御する制御信号を前記の
   電力制御器へ送る手段とを含むことを特徴とする床暖房
   装置。
9. 【請求項９】 前記の発熱体温度センサーと室温センサ
   ーとがアナログ・ディジタル変換器を介して前記のセン
   トラル・プロセッシング・ユニットに接続されており、
   そして前記の電力制御器が電力制御トライアックである
   請求項８に記載の床暖房装置。
10. 【請求項１０】 飽和温度まで温度の上昇につれて抵抗
    値が増大する面状発熱体を備えることを特徴とする電熱
    シート。