WO1988001728A1

WO1988001728A1 - Temperature sensing element

Info

Publication number: WO1988001728A1
Application number: PCT/JP1987/000661
Authority: WO
Inventors: Masahiro Kobayashi; Noboru Kobayashi; Kazuhisa Shigemori
Original assignee: Daikin Industries, Ltd.
Priority date: 1986-09-05
Filing date: 1987-09-04
Publication date: 1988-03-10
Also published as: JPS6365318A; DE3785925D1; EP0279865A4; DE3785925T2; EP0279865B1; EP0279865A1; US5102230A; JPH0577931B2

Description

明細書

温熱検知素子

(技術分野）

本発明は、空気調和制御のため等に用いられる温熱検知素子に関し、特に、風速によって補正される体感温度を検知するようにしたものに関する。

(背景技術）

従来より、空気調和機においては、サーミスタ等によって測定された気温のみに基づいて空気吹出し温度等を制御するようになされている。し力、し、人体が受ける体感温度は風速によって変化することはよく知られており、第 1 2図に例示するように、風速が高まるほど体感温度減少分が増大する特性がある。したがって、気温のみならず風速をも考慮した空気調和機の制御が望まれてい 0

この目的のために、従来、温度測定子によって気温を測定するのみならず、熱式風速センサ等によつて風速を測定して、風速を考慮した空気調和制御を行うようにする技術がある。

しかし、その場合、風速センサと温度測定素子との双方を必要とし、しかも放熱ロスから風速に換算する回路、補正用の温度測定器、気温を風速により補正して体感温度を算出する演算回路等が必要になり、装置の構成が複雑になるのは否めない。そこで、本発明の目的は、熱式風速センサ等を用いた場合のように風速による放散熱量を一度風速に換算するのではなく、風速による体感温度'减少特性と同様の温度変化特性を持つた発熱体の温度を直接測定するようにすることにより、気温を風速で補正した体感温度を簡単な構成でもつて検知し得るようにすにめ o

(発明の開示）

この目的を達成するために、本発明での解決手段は、温度測定素子と該温度測定素子を加熱する加熱手段とを設ける。

さらに、上記加熱手段に対し、温度測定素子の風速による温度降下特性が風速に対する人体の体感温度減少特性と概略一致するように該温度測定素子の対流熱伝達特性によつて決定される一定電力を供給する電力供給手段を設ける。そして、上記温度測定素子の測定温度により気温 T a を風速 Vb で捕正した体感温度 T v を検知するように構成する。

すなわち、今、任意の周囲空気温度つまり気温 T a において基準となる風速 V b (例えば 0 . 1 mZ s ) での温度測定素子の到達温度 Tgbを予め測定することにより、次式 (1)により与えられる補正定数 Cを設定する。

C = T gb- T a …は）この捕正定数 Cは気温 T a によらず一定であるので、次式 (2)によって着目する環境の気温、風速を考慮した体感温度 T v が得られる。 T v = T g — C … ）

( T g ；温度測定素子の測定温度）

つまり、温度測定素子を一定電力で加熱し、その温度 T g から予め実験的に与えられた値である定数 Cをひくことにより、気温、風速を考慮した体感温度 T v を検知するようにしたものである。

この構成により、温度測定素子が電力供給手段からの一定電力により加熱されると、その温度測定素子における風速による温度降下特性は風速に対する人体の体感温度減少特性と概ね一致しているので、該温度測定素子の温度を測定すれば風速 V b で铺正した体感温度 T v を検知できることになる。よって気温 T a および風速 V b を考慮した体感温度 T v を 1つの温度測定素子と簡単な回路との簡単な構成でもって検知できるのである。

このように、本発明によれば、温度測定素子を加熱する加熱手段に、温度測定素子の風速による温度降下特性が風速に対する人体の体感温度減少特性と概ね一致するように温度測定素子の対流熱伝達特性によって決定される一定電力を電力供給手段から供給して、温度測定素子を加熱し、該温度測定素子の温度を測定して風速で補正した体感温度を検知するようにしたことにより、気温および風速を考慮した体感温度を簡単な構成でもつて検知でき、ひいては快適な空気調和制御の実現を図ることができる。

すなわち、具体的には、空気調和機における各種の作動制御，例えば空気の k 吹出温度やその吹出方向の制御、さらには容量可変型圧縮機を備えた空気調和機にあっては、その圧縮機の容量制御等をその基本的な制御に対し、人間の体感温度を考慮して細やかに微妙に補正すること等ができる。

(図面の簡単な説明）

第 1図は本発明の実施例における温熱検知素子に接続される回路構成を概略的に示すプロック回路図、第 2図は温熱検知素子の概略構造を示す説明図である。第 3図は風速の絶対値を検知するときの概念を示す説明図である。第 4図〜第 9図は他の実施例を示し、第 4図は第 1図相当図、第 5図は温熱検知素子を空気調和機のリモートコントローラに装備して各種の空気調和制御.を行う場合の概略斜視図、第 6図は自己発熱型の温熱検知素子に対するアナログ乗算器によるサーミス夕定電力制御方式の原理を示す説明図、第 7図は同様に定エネルギ一による定電力駆動方式の原理を示す説明図、第 8図はその具体的回路構成を示すプロック図、第 9図はその詳細回路図である。第 1 0図は具体的実施例において温度測定素子の発熱量を変化させたときの風速による温度降下特性の変化を示す特性図である。第 1 1図は同様に温度検知素子の最適発熱量を設定するときの特性図である。第 1 2図は風速に対する人体の体感温度減少特性を示す特性図である。

(発明を実施するための最良の形態）

本発明を実施するための最良の形態を実施例として図面により説明する。- 第 1図は本発明の実施例に係る空気調和機制御用の温熱検知素子（A) の概略構成を示し、（ 1 ) は素子本体であって、該素子本体（ 1 ) は、第 2図に示すように、球状の電気絶縁体（2 ) を備え、該電気絶縁体（ 2 ) の内部には温度測定素子（ 3) と、該温度測定素子（3) の回りに配置され、電力供給により発熱して温度測定素子（ 3 ) を加熱する加熱手段としてのヒータ（4) とが封入されている。

上記ヒータ（4) には電力供給手段としての定電力電源回路（5 ) が接練されており、この定電力電源回路（ 5) によりヒータ（ 4) に対し、上記温度測定素子（ 3) の風速による温度降下特性が風速に対する人体の体感温度減少特性と概略一致するように温度測定素子（ 3) の対流熱伝達特性によって決定される一定電力を供給することにより、温度測定素子（ 3) を加熱するようになされている。

また、上記温度測定素子（3) の出力信号は温度測定回路（ 6) に入力され、該温度測定回路（ 6) の出力信号は空気調和機（図示せず）を作動制御するための空調機制御回路（ 7) に入力されている。そして、ヒータ（4) によって一定電力で加熱される温度測定素子（ 3) の温度 Tg を温度測定回路（ 6) において測定することにより、気温 Ta を風速 Vb で補正した体感温度 Tv を検知するように構成されている。

したがって、上記実施例においては、定電力電源回路（ 5) からヒータ（ 4 ) に一定電力が供给され、このヒータ（4) の発熱により温度測定素子（3) が加熱される。そして、上記定電力電源回路（5) からヒータ（4) に供給される一定電力は、温度測定素子（3) における風速による温度降下特性が風速に対する人体の体感温度減少特性と概ね一致するように温度測定素子（3) の対流熱伝達特性に応じて決定される。このため、上記温度測定素子（3) の温度 Tg を温度測定回路（6) により測定すれば、風速 Vbで補正した体感温度 T が検知され、よって気温 Taおよび風速 Vb を考慮した体感温度を 1つの温度測定素子（3) と定電力電源回路（5) および温度測定回路（6) との簡単な構成でもつて検知するこ.とができる。

尚、上実施例の場合、風速 Vb の絶対値を検出することはできない。しかし、第 3図に示すようにヒータ（4) の発熱を断続させて、温度測定素子（3) に対する加熱を断铳的に行えば、体感温度 Tv のみならず風速 Vb の絶対値をも検知することができる。

すなわち、温度測定素子（3) の発熱量（供給熱量）を Mi , M₂ 、その対流熱伝達率を h c、素子温度を Tg 1 , Tg ₂ 、気温を Ta、風速の絶対値を Vとした場合、

Mi =h c (Tg i 一 Ta ) 〜(3)

M₂ = h c, (Tg 2 -Ta ) … ）

であり、この雨式 (3)，（4)から、 . h c = (Mi -Mz ) （Tg 1 -Tg 2 ) -(5)

V= f (h e) '·'

よって、上記 (6)式の関係を予め実験的に設定しておくと、（5), (6)式により、風速の絶対値 Vを決定することができる。

また、このような温熱検知素子（Α) を湿度センサや輻射センサ等と組み合わせて空気調和機を制御するようにしてもよい。

さらに、上記実施例では、ヒータ（ 4 ) によって温度測定素子（3) を加熱するようにしたが、第 4図に示すように、温度測定素子（3' ) に自己発熱するものを用いて加熱手段を兼備させるようにすると、上記実施例の如き専用のヒータ（ 4 ) (加熱手段）が不要となり、装置構成のより一層の簡略化を図ることができ、特に、空気調和機のリモートコントロール化に有利である。

例えば第 5図に示すように、空気調和機（ 1 0 ) を作動制御するリモートコントロ一ラ（ 1 1 ) のケース（ 1 2 ) 内に温熱検知素子（Α' ) を内蔵させるとともに、そのコントロ一ラ（ 1 1 ) のケース（ 1 2 ) に空気流通用のスリッ卜（ 1 3) , ( 1 3) , …を開口しておき、リモートコントローラ（ 1 1 ) をその内部の温熱検知素子（Α' ) に空気調和機（ 1 0 ) の空気吹出口（ 1 0 a) から出る空気流がケース（ 1 1 ) のスリット（ 1 3 ) , ( 1 3 ) , …を通して触れるように配置した状態で、該リモートコントローラ（ 1 1 ) における各種制御用の操作キー（ 1 4) ，（ 1 4 ) , …を操作すればよい。そして、上記の自己発熱する温度測定素子（3 ）としては、サ一ミスタ、ダイオード、白金等の金属抵抗体、あるいはトランジスタ、 F E T等が挙げられる。

ここで、上記自己発熱型の温度測定素子（3 ' ) を使用する場合について詳細に考察する。この自己発熱型の方式として、

( I ) 一定電力を例えばサ一ミスタ等に供給したときの素子温度（これは気温、輻射、風速等の各状態に応じて変化する）より等価体感温度を求める方式と、

( Π ) 素子をその温度が気温よりも高い一定値になるように駆動し、加えた電力量により体感温度を求める方式

との 2方式が考えられる。そして、このうち、後者の方式（Π ) では、サーミス夕の熱的な時定数が 1 0 ^ο〜 1 0 ² 秒程度と推定されるために、通常の比例制御のみではいわゆるオーバ一シュートやハンチング等が生じ易く、 Ρ I制御ないし P I D制御が必要とされ、このため、回路設計やその調整が複雑になる問題がある。その点、前者の方式（ I ) では、上記の如き問題はなく、本実施例では、この定電力駆動方式を採用する。

さらに、この定電力駆動方式としては、（1)定電圧 Ζ定電流による定電力の近似方式、（2)アナログ Ζデジタル演算によるサ一ミス夕定電力制御方式、（3)定ェネルギ一による定電力駆動方式の 3つの方式が挙げられる。以下、その各々について説明する。

(1) 定電圧 Z定電流による定電力の近似方式

サーミスタの特性は次式 (7)により近似的に示される。

R = T _{(τ = τ 0 }} · e χ ρ [Β ( 1 /Τ- 1 /Ύο ) 1 ·'·(7)

ここで、定数 Βは一般には 3 0 0 0〜 5 0 0 0 (。 Κ) であるため、例えば 2 0〜 4 5^β Cの温度変化により、抵抗変化は 2 2 0〜 3 8 0 %に達し、定電力のためには何等かの演算が必要になる。一方、温度による変化の小さな感温素子であれば、定電流（あるいは定電圧）であっても消費電力の変動は小さく抑えることが可能である。

定電流で駆動する素子としてはダイォ一ドが考えられる。ダイォードの順方向電圧降下は、順方向電流や製造のばらつき等により多少変動するが、略 0. 6〜 0. 7 Vであり、 2〜 3 mVノ。 C程度の温度係数を持っている。従って、 2 0〜 4 5 ° Cの温度範囲における定電流動作時の電力変動は土 8〜 1 2 %以内に収まる。

定電圧で動作する素子として、 Depletion mode (Normally ON)の F E T (電界効果トランジスタ）が挙げられる。例えば J一 F E Tによる定電流回路にピンチオフ電圧以上の定電圧を印加する。このときの定電流特性は温度依存性を持っために温度測定が可能となる。

これらの方法の特徵をまとめると、 ①回路が簡単かつ安価で、 ②感温素子が安価であるが、 ③正確な定電力駆動ではなく、 ④素子のばらつきや経時変化の保障がない等の得失があり、特に、素子のばらつきに関しては 1点較正でよいかあるいは 2点較正が必要かの検証が必要である。

(2) アナ口グ演算による定電力制御方式

電流と電圧との積が一定値となるように電圧（あるいは電流）を制御し、または電流の逆数に比例した電圧（あるいは電圧の逆数に比例した電流）を印加する方法である。

—般的に、アナログ乗算器（除算器）は、主に対数 Z逆対数増幅器を用いる方式や可変相互コンダクタンス方式のものが多く、価格、電源電圧、消費電力等の点で問題がある。また、ディスクリート部品で構成してもよいが、特性の揃ったペアトランジス夕が要求される等の問題がある。

高速応答性が要求されない場合、積分型の乗 Z除算器が可能である。また、この方式はディスクリート部品で組むことも容易である。その場合の原理を第 6図に示す。

すなわち、同図（a ) の回路構成において、スィッチ（S W) が O N状態から O F F状態になると、同図（b ) に示す如く、オペアンプ（A i ) は積分動作を開始する。簡単化のためにオペアンプ（A ) の誤差やスィッチの O N時間等は無視できるものとし、また、積分時間内で入力 v _inは一定であると見做せるとすると、コンパレータ（A ₂ ) の出力が H ί レベルとなる時間 Tは次式 (8)のように表わすことができる。

T= C * R (V_REF /V._N) -(8)

コンパレータ（A₂ ) の出力が H i レベルのときに一定値 VH に、 L oレべルのときにアースレベル（GNDレベル）となるようにそれぞれ波形成形し、口一パスフィルタにより平滑化すると、スィツチの繰返し周期が Toのときに口一パスフィルタの出力は次式 (9)のようになり、入力に反比例した出力を得ることができる。

= VH (T/TO )

=VH · c . R · v_ref / (V._N . To ) 〜(9)

サ一ミス夕電圧駆動回路おいて、上記回路の入力をサーミスタ電流とし、出力電圧に応じてサーミスタ印加電圧を変えれば、定電力駆動が実現される。また、この場合、コンパレータの出力レベルが H i レベルのときの電圧をサーミスタ印加電圧に比例するようにすると、サーミスタ抵抗に比例した出力を得ることができる。

さらに、電流駆動の場合においても、上記と同様にして定電力化、サーミス夕抵抗（コンダクタンス）の測定を同時に行うことができる。

(3) 定エネルギーによる定電力駆動方式

積分器を含む回路では反転増幅構成となるので、電池電源のように電源電圧が低くて、単電源であるような場合には本質的に不利となる。そこで、能動積分器を含まない回路方式について検討する。すなわち、第 7 図（a) に示す回路構成におけるコンデンサ（C) の充放電を考えるに、スィツチ（Si ) が ON状態でスィッチ（S₂ ) が OF F状態のときに、コンデンサ（C) は抵抗（r) を介して充電される。一方、スィッチ（Si ) が OFF 状態でスィッチ（S₂ ) が ON状態になると、コンデンサ（C) は抵抗（R) を介して放電する。

充電開始時のコンデンサ（C) の両端電圧 Eを E = E₂ とすると、同図（b) に示すように、

E = E 0 - ( E 0 - E 2 ) e—^t/Cr …(！ 0)

となる。また、電圧 Ei まで充電するのに要する時間 t 1 は、

t 1 =C · r n [ ( E o — E 2 ) Z ( E o— E i ) ] -(11)

である。コンデンサ電圧 Eが E- Ei になった時点でスィッチ（Si ) を OF F動作させ、かつスィッチ（S₂ ) を ON動作させて放電サイクルに入るとすると、

Ε = Ει · e" ^{t_t 1 )/CS} ".(12)

となる。一方、電圧 E₂ まで放電するのに要する時間 t ₂ は、

t₂ =C · R -i? n (Ei / 2 ) …(！ 3)

である。

そして、こうした充放電の 1サイクル間にコンデンサ（C) が抵抗（R) に与えるエネルギー εは、

ε = C ( Ε 2 ² - Ε ι ² ) / 2 …(！ 4)

したがって、電圧 Ε，， Ε₂ およびコンデンサ（C) の容量が一定のときに、充放電サイクル中に抵抗（R) の消費するエネルギーは一定である。一定周期 t o ( t 0 ^ t 1 + t 2 ) 毎に充放電サイクルを繰り返せば、抵抗の平均消費電力は、

P = e/t o …(！ 5)

で与えられ、定電力駆動が可能となる。そして、抵抗 Rをサ一ミス夕に置き換えると、サーミスタ定電力駆動が可能となる。また、上記式 (13)により、放電時間がサーミスタ抵抗に比例するため、放電時間を測定すれば、定電力駆動と同時にサーミスタ抵抗の測定が可能である。尚、この場合、上記一定周期 t oを t 0≥ t 1 + t 2 に限定するのは、その関係にあれば電源電圧 E 0 は本質的に動作に関与しないためである。また、充電電流制限用の抵抗（r) は、充電電流をコンデンサ（C) の許容リップル電流以下に制限するために、さらには電圧検出器、スィツチング素子等における遅延時間による充電電圧のオーバ一シユー卜を緩和するために設置することが望ましい。

因みに、このような定エネルギーによる定電力駆動方式の具体的な回路のブロック構成を第 8図に、詳細回路を第 9図にそれぞれ示す。その概要は、第 1 および第 2のラッチ（ 2 0 a ) , (20 b) (フリップフロップ）からなり、 ¼ 発振器（OS C) からのクロック信号を受けてコンデンサ（C) の充放電制御を開始する充放電制御部（20) と、該充放電制御部（20) の第 1のラッチ (2 0 a) からの出力信号を受けてコンデンサ（C) を充電させるトランジス夕（Tr 1 ) からなる充電スィツチ（2 1) と、逆に、充放電制御部（20) の第 2のラッチ（2 O b) からの出力信号を受けてコンデンサ（C) を放電させるトランジスタ（Tr 2 ) からなる放電スィッチ（22) と、第 1および第 2のコンパレ一タ（2 3 a) , (23 b) からなり、該両コンパレ一夕 ( 2 3 a) , (23 b) でコンデンサ（C) の電圧を基準電圧 Vref H， ref L と比較して上記充放電制御部（20) の両ラツチ（ 20 a ) , ( 20 b ) をセットまたはリセットするコンデンサ電圧比較部（23) とを備えている。（r) は上記の充電電流制限用の抵抗、（R) は負荷としてのサーミスタである。そして、発振器（ 0 S C ) からのクロック立上りエッジ毎に両ラッチ（20 a ) , (20 b) の出力がリセットされ、このリセット信号により、第 1のトランジス夕（Tr 1 ) が ON動作し、第 2のトランジスタ（Tr 2 ) は OF F 動作して、コンデンサ（C) に対する充電が開始される。この後、コンデンサ (C) の電圧が所定の基準電圧 Vref H以上になると、第 2のコンパレータ ( 2 3 b) の出力により両ラツチ（20 a) ，（2 0 b) の出力はセットされ、第 2のトランジスタ（Tr 2 ) が ON動作し、第 1のトランジスタ（Tr I ) は OFF動作して、コンデンサ（C) の放電が開始される。そして、コンデンサ（C) が所定の電圧 Vref L まで放電したとき、第 2のラッチ（2 0 b) の出力は第 1の比較器（23 a) の出力によりリセットされ、コンデンサ（C) の放電が中断される。以後、この状態が次の発振器（OS C) からのクロック立上りエツジまで保持されるようになされている。

このため、負荷抵抗値は、放電時間（第 2のトランジスタ（Tr 2 ) の ON 動作期間）を測定することによって求められる。また、負荷変動、電源電圧変動等により、疑似定電力動作が不能となったときには、発振器（OS C) からのクロック立上りエッジで、両トランジスタ（ T r 1 ) ， (Tr 2 ) の 0 N 0 F F状態（通常、両トランジスタ（Tr 1 ) , (Tr 2 ) は共に 0 F F状態となる）をモニタ一することで、その状態を検出することが可能である。

コンデンサ（C) の上 Z下限電圧をそれぞれ Vref H、 Vref L とするとき、放電期間 t は、 Rを負荷抵抗値として、

d_/,= C · R »i? n (Vref H /Vref L ) -06)

である。そして、発振器（OS C) の発振周期を t o とすると、平均負荷供給電力は、

P= (1/2) · C (Vref H ² - ref L ² ) Zt o

= (1/2) · { (Vref H ² - Vref L ² ) / (i? n Vref H

~Q n Vref L ) } ♦ ( 1 /R) · ( t _d(J/ t o ) …(！ 7)

となる。したがつて、既知抵抗値の負荷抵抗を接続したときのデューティ比から平均印加電力を求めることができる。また、逆に、既知抵抗を接続して、デューティ比が一定になるように周期 t 0を設定することにより、次式に基づいてコンデンサ容量のばらつきによらず印加電圧を設定することができる。

t _dcZ t = a - R♦ P …(！ 8)

a = 2 n V ref H一 ϋ ii V ref し） / ( V ref n ²

- ref L ² ) …(！ 9)

また、このような操作を定期的に行うことにより、大容量コンデンサにおいて不可避的に生じる経年変化を容易に捕正することができる。

次に、本発明の具体的な実施例における作用効果について説明する。温度測定素子を直径 1 . 5 mmのビード型サ一ミスタとして自己発熱させた場合において、その風速に対する素子出力温度の'减少の様子を第 1 0図に破線にて示す。尚、風速による体感温度減少曲線（第 1 2図に示したもの）を同図で実線により示している。この図によると、サ一ミス夕の自己発熱量が 5 mWから 1 5 m Wへ增大するほど温度変化が激しくなり、 1 0 mWの場合が体感温度減少曲線に最も近似している。 - そこで、最適な発熱量を差の 2乗平均値 Sを用いて評衞する。但し、 s = (体感温度一素子力値） ² -03

この 2乗平均値 Sと素子発熱量との関係を第 1 1図に示す。同図により、発熱量に顕著な最適値が存在し、それはこの例の場合ほぼ 1 O mWであることが判る。

(産業上の利用可能性）

本発明の温熱検知素子によれば、気温および風速を考慮した体感温度を 1つの温度測定素子と簡単な回路とを備えた構成でもって検知でき、特に、快適な空気調和制御の実現化に有効である。

Claims

請求の範囲

1. 温度測定素子（ 3 ) と、該温度測定素子（ 3 ) を加熱する加熱手段（ 4 ) と、該加熱手段（ 4 ) に、上記温度測定素子（ 3 ) の風速による温度降下特性が風速に対する人体の体感温度減少特性と概略一致するように温度測定素子（ 3 ) の対流熱伝達特性によつて決定される一定電力を供铪する電力供給手段（ 5 ) と、上記温度測定素子（ 3 ) の出力により気温（Ta ) を風速（Vb ) で捕正した体感温度（Tv ) を検知する温度測定回路（ 6 ) とを備えたことを特徵とする温熱検知素子。

2. 温度測定素子（ 3 ) は、電力供給手段（ 5 ) から供给される一定電力により自己発熱して加熱手段（ 4 ) を兼備するものである請求の範囲第 1項記載の温熱検知素子。

3. 温度測定素子（ 3 ) の加熱を断続的に行うことにより、体感温度（Tv ) と共に風速の絶対値（V) を検知するように構成されている請求の範囲第 1項または第 2項記載の温熱検知素子。

4. 温度測定回路（ 6 ) の出力信号に基づいて空気調和機を作動制御するように構成されている請求の範囲第 1項または第 2項記載の温熱検知素子。