(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境温度や体温に近い領域の目的温度で自己温度制御が可能な電気抵抗線からなる電気ヒーターの温度制御システムであって、
該電気ヒーター、温度センサー及び該電気ヒーターに電力を与える電力装置から構成され、
電力装置はプログラムにより電気ヒーターに接触している温度センサーからの出力に応じた電力が供給されるように、
前記発熱温度が目的温度に近づくに連れて印加される電圧を徐々に低くくし、
前記発熱温度が目的温度間近になると電圧の低下の程度を大きくし、
前記発熱温度が目的温度を越えると供給する電力を減少させて、自己温度調節発熱体とほぼ同じ定常的な発熱温度を該電気ヒーターに与えるように制御される電源を使用して、
前記所定の温度範囲で電力を抑制して発熱温度を一定に制御することにより、
いかなる冷却システムも使用しないことを特徴とする電気抵抗線からなる電気ヒーターの温度制御システム。
【請求項２】
電力装置は、電気抵抗線からなる電気ヒーターに接触している温度センサーの出力を計測し、出力のアナログ信号をセンスアンプによりリニアライズ、増幅した後、入力用A/D変換器によりデジタル信号としてマイクロコンピューターに入力して前記電気ヒーターの発熱温度を認識させ、前記マイクロコンピューターにより、前記発熱温度に応じたヒーター出力を計算したデジタル信号を出力用D/A変換器によりアナログ信号に変換してDC電源に入力し、前記電気ヒーター出力に一致する直流電圧をヒーターに与える請求項１記載の電気抵抗線からなる電気ヒーターの温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電気抵抗線からなる電気ヒーターの発熱温度を一定に維持するための電気抵抗線からなる電気ヒーターの温度制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
我々は人体に近い発熱温度や、環境温度からそれ程離れていない常温に近い低い発熱温度を一定に保つ電気抵抗線からなる電気ヒーター（以下、単に「電気ヒーター」という）を必要とすることがある。正確な発熱温度を必要としなければ、種々のワット数の電気ヒーターを切り替えて使用したり、発熱温度の精度が粗くてもよい場合は、バイメタルスイッチや液体の膨張利用したロバートショウサーモスタット（ロバートショウコントロール社の商品名）を使用したりしている。
【０００３】
また、正確に一定の発熱温度を持続する場合は、制御装置を利用して電気ヒーターの発熱温度を一定に制御する技術も広く用いられている。
【０００４】
ところが、目的温度が環境温度に近い場合、従来の技術ではおよそ０℃〜 40℃の温度範囲で制御するためには、電気ヒーターによる加熱とヒートポンプ等による冷却を行って、双方を同時に制御する方法を採っている。これは、このような温度範囲では、電力を与えられた電気ヒーターは目的温度に向かって温度上昇が起こるが、前記目的温度に近づいて電力をカットしても、発熱温度が目的温度を通り過ぎて上昇してしまう、いわゆる過熱オーバーランが発生する。この過熱オーバーランに対処するためにヒートポンプで冷却するのである。しかし、この冷却も目的温度近くでは、ヒーターによる加熱とヒートポンプによる冷却とを、細かくバランスを取って制御しているのが現行技術である。従って前述のおよそ０℃〜 40℃の温度範囲での温度制御は冷却装置を必然とするので、事実上従来技術では使用不可能の場合も多々ある。例えば臨床に用いるには冷凍機のスベースや騒音が妨げとなる。また、入り組んだ研究装置の間に冷凍機を置くことも困難な場合もある。
【０００５】
一方、制御装置を用いることなく、電気抵抗線を用いないヒーター自身の化学的物性を利用した自己温度調節ヒーター（いわゆるPTCヒーター）も用いられている。ひとつはチタン酸バリウムセラミックヒーターであり（例えば特許文献１）、もう一つはカーボン-結晶性高分子系のヒーターである（例えば特許文献２）。何れも系の発熱温度が閾値を越えると抵抗値が急増する性質を利用している。チタン酸バリウムセラミックヒーターは100℃以上の発熱温度で抵抗値が増加する。カーボン-結晶性高分子系ヒーターの場合は発熱温度が50℃〜100℃の場合がほとんどであり、前述の0℃〜 40℃の温度範囲内に発熱温度をもたせることは困難である。
【０００６】
上述の有機高分子物質の代わりに希望の発熱温度近くで融点をもつ、パラフィン、低分子量ポリエチレングリコール等を用いカーボンを分散させれば得られる温度範囲内に定常的な発熱温度をもつ自己温度調節ヒーターを作ることができることは、本発明者が古くから検討を加えて種々提案をしてきた（例えば特許文献３、非特許文献１など）。然し作製後ヒーターを定常的な発熱温度より高い環境温度に曝すと系が溶解してしまうので、事実上このような系では無理である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平09-045504号公報
【特許文献２】特開2005-093735号公報
【特許文献３】特開2004-172611号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】J. Appl, Phys., 59, 960 （1986）,
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
環境温度や体温に近い発熱温度近辺のおよそ０℃〜 40℃の低温領域で、希望する発熱温度を正確に持続するには、現在の技術では冷却装置を併用して、双方のオーバーランを相互に制御する技術より他はない。冷却装置が持ち込めないような場合は、全く手段がないのが現状である。
【００１０】
前述の低融点のパラフィンやポリエチレングリコールを用いた系による自己温度調節発熱体ヒーター（以下、本発明で使用する電気抵抗ヒーターと区別して、PTCヒーターという）は、前述の温度制御に対する可能性としては否定することはできない。然し融点以上の発熱温度になると系が熔融し、再度固化しても抵抗値は大幅に変化し、そのままの状態でヒーターとして使用するには問題を生ずる。また、このような系によるPTCヒーターは、脆弱であるので実用面からの問題もある。
【００１１】
そこで、およそ０℃〜40℃の常温領域を含む環境温度や体温に近い領域の目的温度で温度制御が可能な電気抵抗線からなる電気ヒーターの温度制御が、冷却装置を一切伴わず、短時間に目的温度に到達し、前記発熱温度を永続的に維持することができる電気ヒーターの温度制御システムの開発により、使用する電気ヒーターは希望する性質（堅牢性、屈曲性、柔軟性、ソフトな肌合い）を持つものは何でも選択して使用できる制御装置を得ることを本発明の解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明はこれらの課題を解決するための、環境温度や体温に近い領域の目的温度で自己温度制御が可能な電気抵抗線からなる電気ヒーターの温度制御システムであって、この電気ヒーター、温度センサー、及びこの電気ヒーターに電力を与える電力装置から構成され、そのための電力装置はプログラムにより電気ヒーターに接触している温度センサーからの出力に応じた電力が供給されるように、電気ヒーターの発熱温度が目的温度に近づくに連れて印加される電圧を徐々に低くくし、電気ヒーターの発熱温度が目的温度間近になると電圧の低下の程度を大きくし、その発熱温度が目的温度を越えると更に大きく電圧を低下させ、発熱温度が目的温度より低温時には発熱温度が目的温度に至るまでは発熱温度が目的温度を越えると供給する電力を減少させて、自己温度調節発熱体とほぼ同じ定常的な発熱温度を該電気ヒーターに与えるように制御される電源を使用して、この電気ヒーターの発熱温度に対して所定の温度範囲で電力を抑制し発熱温度を一定に制御するために適正な電力を与えることにより、いかなる冷却システムも使用しないことを特徴とする電気ヒーターの温度制御システムである。
【００１３】
高分子、ポリエチレングリコール、パラフィン等にカーボンを分散させて系を導電性にしたPTCヒーターは、通電するとジュール熱により系の発熱温度が上昇する。カーボンを除く成分が結晶性であればそれらの融点近傍で密度の急変があり、これにより電気抵抗が急増する。これが従来の自己温度調節発熱体である。系の融点は物質固有の性質であり、希望の融点を持つ物質の選択は容易ではない。然し一般の電気ヒーターに対してある種の電気制御を用いて所定の温度範囲で適正な電力制御が行えるプログラムを使用すれば、あたかもPTCヒーターを用いたと同じような発熱温度の制御が可能となる。そのための電力装置はプログラムにより温度センサーからの出力に応じた電力が供給されるように制御される電源を使用すればよいことになる。
【００１４】
現行の技術では、環境温度に近い発熱温度を維持するには電気ヒーターによる加熱とヒートポンプ（冷凍機等）による冷却を同時に作動させ両者の均衡を制御している。本発明は、目的温度が環境温度に近い場合であってもいかなる冷却システムも使用しない。この電力装置は、冷却装置を一切含まないので、環境温度以下の発熱温度を目的温度とすることはできない。このような場合は、電気ヒーターに電力を与えることはない。目的温度が環境温度より高い場合は、適正な電力を電気ヒーターに供給し、目的温度に到達して後これを持続せしめる。
そのための具体的な電力装置の制御は、電気抵抗線からなる電気ヒーターに接触している温度センサーの出力を計測し、出力のアナログ信号をセンスアンプによりリニアライズ、増幅した後、入力用A/D変換器によりデジタル信号としてマイクロコンピューターに入力して電気ヒーターの発熱温度を認識させ、前記マイクロコンピューターにより、前記発熱温度に応じたヒーター出力を計算したデジタル信号を出力用D/A変換器によりアナログ信号に変換してDC電源に入力し、前記電気ヒーター出力に一致する直流電圧をヒーターに与える電気ヒーターの温度制御システムで達成される。
【００１５】
このような本発明の電力装置は、電気ヒーターの発熱温度が目的温度より低いと電圧を印加し、図３に示されるように、前記発熱温度が目的温度に近づくに連れて印加される電圧を徐々に低くくし、前記発熱温度が目的温度間近になると電圧の低下の程度を大きくし、更に前記発熱温度が目的温度を越えると更に大きく電圧を低下させる。発熱温度が目的温度を超えた場合、電気ヒーターに印加される電圧をゼロにする必要はない。電気ヒーターに与えられる電力（エネルギー）は、電圧の二乗に比例するため、電圧が初期値の1/10に低下しても電力は初期値の1/100まで低下するので、初期電圧の数％の電圧が印加されても、電気ヒーターの発熱温度は事実上上昇しないからである。
【００１６】
本発明により一定の発熱温度を維持するには、電気ヒーターとしては基本的にはどのようなものであっても構わない。どのような電気ヒーターであってもこの電気ヒーターの許容電流に見合う出力の制御装置を使用すればよい。小型の電気ヒーターならば、制御装置はテレビのリモコン以下のサイズにすることも可能である。また、大規模な融雪や農業用の場合はもっとサイズの大きなもの電気が必要となる。電気ヒーターが小型であっても発熱温度を、微小の温度範囲内に縛る場合は制御装置も幾分かは大きくなる。
【００１７】
電気ヒーターは、用途に応じて面状、線状、棒状、ブロック状等種々の形態のものが利用できるが、汎用の形は面状発熱体である。電気ヒーターは、細い電気抵抗線を植物または合成樹脂製の繊維とともに編んで形成した布状電気ヒーターで、場合により、絶縁シートや絶縁フィルムで覆われたシートに仕上げて電気ヒーターとするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記のような、本発明による電気ヒーターの温度制御システムを使用することにより、従来冷却装置を伴わなければ不可能であった40℃以下の一定の発熱温度を維持することが可能なことが明らかになった。したがって、温度制御可能な電気ヒーターの目的温度が環境温度に近い場合であっても、いかなる冷却システムも使用しなくてもよい温度制御システムとなっている。また、電力装置のプログラムのパラメーターを調整すれば、希望する定常的な発熱温度を維持することができる。
【００１９】
従来技術では、低融点物質を用いれば低い発熱温度での自己温度調節ヒーターの可能性はあった。しかし前述のごとく、このような低融点物質でヒーターを構成すれば、ヒーターそのものの脆弱性は避けることができない。しかし本発明においては、実用上申し分のない、十分な強度、フレキシブル性等の特性を持つ電気ヒーターが使用できるので、耐久性はもとより、安全性、信頼性の高い自己温度調節ができる温度制御装置となっている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る目的温度で自己温度制御が可能な電気ヒーターの温度制御システムに用いる電力装置の内部構成を示すブロック図である。
【図２】ポリエチレングリコール（#1540）を使用した、従来型の自己温度調節PTCヒーターの温度抵抗特性である。
【図３】本発明による電気ヒーターの温度制御システムにより電力制御を行った場合の温度-出力電力の関係の一例を示したものである。
【図４】通常の細い抵抗線を編み込んだ面状ヒーターに対して本発明の電気ヒーターの温度制御システムを使用して低い発熱温度での温度維持の状態を通電時間と発熱温度の関係を示したグラフである。
【図５】本発明による電気ヒーターの発熱温度を計測する様子を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
従来の低融点のパラフィンやポリエチレングリコールを系に取り入れた自己温度調節発熱体は前述のごとく、実用的には大きな問題がある。しかし、これらの系の電気的性質、すなわち温度抵抗特性は興味深い。ポリエチレングリコール（#1540）を使用した系の温度抵抗特性を図２に示した。図２には、ポリエチレングリコール（#1540）を使用した、従来型の自己温度調節ヒーターの温度抵抗特性を示す。このヒーターはポリエチレングリコールの融点以上の発熱温度になると融解により特性が大きく変化してしまう。この系を用いた自己温度調節発熱体の下部を熱い断熱材、上部を薄い断熱材で覆い、発熱温度を計測し、定常的な発熱温度が約36℃を維持し続けることは分っている。
【００２２】
前述のポリエチレングリコールを使用した自己温度調節ヒーターの脆弱性は別としても、定常的な発熱温度が更に数℃上のものや、あるいは下のものを自由に製作することはできない。そのような物性をもつ物質を簡単に入手することは困難だからである。
【００２３】
そこで本発明では、図２に類似した物性をもつ物質系を探すのではなく、任意の電気ヒーターを使用して、電気ヒーターの発熱温度に対して図2と同等の効果を与える電気ヒーターの温度制御システムを開発することにした。すなわち従来の自己温度制御PTCヒーターでは発熱温度が高くなると抵抗値が増加することによりワット数が低下して一定温度に至るわけであるが、本発明においては目的温度に近づくと電気ヒーターに印加される電圧は目的温度近くで制御され、一定の発熱温度を維持する。双方とも、発熱温度とワットの関係はほぼ同一の関係を持っている。
【００２４】
本発明に係る目的温度で温度制御が可能な温度制御システムに用いる電力装置の内部構成は、図１に見られるブロック図に示すことができる。図１において、電気ヒーター１に接触している温度センサー２の出力を計測し、前記出力のアナログ信号をセンスアンプ３によりリニアライズ、増幅した後、入力用A/D変換器４によりデジタル信号としてマイクロコンピューター５に入力し、電気ヒーターの発熱温度を認識させる。マイクロコンピューター５により、前記発熱温度に応じたヒーター出力を計算する。そして、計算結果であるデジタル信号を出力用D/A変換器６によりアナログ信号に変換してDC電源７に入力し、前記DC電源７から前記ヒーター出力に一致する直流電圧を電気ヒーター１に与える。温度センサー２により計測されたヒーターの発熱温度は、例えばSDカード８に外部出力され、保存される。また、DC電源７が出力する電流は、監視用A/D変換器９を経てデジタル信号としてマイクロコンピューター５に出力され、監視される。
【００２５】
図２に示された従来の自己温度調節発熱体とほぼ同じ定常的な発熱温度を与えるように、図１に示された温度制御システムを構成している。温度センサー２（図５参照）に計測された発熱温度と電力装置の出力電圧との関係を図３に示した。抵抗線13（図５参照）を編み込んだ電気ヒーター１を温度制御システムに接続し、通電した。図4は、前記電気ヒーター１に本発明の温度制御システムを使用し、低温度での温度維持の状態を、通電時間と発熱温度の関係で示したグラフである。電気ヒーター１の発熱温度は通電後30分で目的温度に接近し、1時間以降一定の発熱温度を維持しているのが解る。これは後述の実施例１で示されている。
【００２６】
ここで、あらためて本発明と従来の技術の比較を行なう。先ず従来の電気抵抗線からなる電気ヒーターの制御技術（従来のPTCヒーターは含まない）と本発明について説明する。従来の制御技術では環境温度近くでは電気ヒーターによる加熱と冷凍機等による冷却による双方の制御が必要であった。本発明によるこの冷凍機の不要の技術が、医学、バイオ等の分野において新たな進歩を約束する。すなわち臨床研究や、精密なバイオ研究の場に冷凍機が設置できないことがある。本発明による温度制御が今まで不可能であった研究、技術、産業等を可能にすることができる。したがって、本発明においては、環境温度近くのおよそ０℃〜 40℃の温度範囲で制御する発熱温度での温度制御が特に好ましい。しかし、目的温度が環境温度を超えてさえおれば電気ヒーターのみで目的温度が持続できる。
【００２７】
次に、本発明と従来のPTCヒーターとの比較である。従来のPTCヒーターは定常的な発熱温度が自由に選択できるわけではない。ところが本発明では電源が出力する電力を制御するプログラムの設定又はパラメータ（変数）を変更するだけで、定常的な発熱温度を自由に選択することができる。またヒーターそのものの安定性、堅牢性も本発明の場合の方が優れている。従来のPTCヒーターは抵抗値の急増する発熱温度がマトリックスの層転移温度の近くにあるため、前記層転移温度近辺でヒーターが脆弱となる。これに対して本発明においては、電気ヒーターはどのようなものであっても構わないので、堅牢なものを選択する事ができる。
【実施例１】
【００２８】
計測する電気ヒーター１は、図５の斜視図に示されるように、抵抗線13を編み込んだ布状で、リード線10を接続した大きさ160mm×160mmの平面視正方形である。電気ヒーター１の底面には50mm厚の発泡スチロール製の断熱板11を設け、電気ヒーター1の上に温度センサー２をセットした後、５mm厚の発泡ポリエチレンシート（図示略）で上面を覆って本発明の電気ヒーターとした。これに本発明の電気ヒーターの温度制御システムの電力装置に低温度制御のパラメータ（変数）を設定した場合の自己温度制御の実例を図３に示した。
【００２９】
図３は、本発明による電気ヒーターの温度制御システムで電力制御を行った場合の温度-印加電圧の関係の一例を示したものである。また、これにより、図４に示すような通電時間と発熱温度の関係が得られ、通常の細い抵抗線13を編み込んだ電気ヒーター１であっても、本発明を利用して低温度のほぼ35℃で発熱温度の維持が可能であることの結果が得られ、発熱温度は通電後30分で目的温度に接近し、1時間以降５時間経過しても一定の発熱温度を維持しているのが解る。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の最も期待される分野は、医学である。一般に免疫力は体温の増加とともに高まることが知られている。しかし体温から例えば2℃上の発熱温度を維持する電気ヒーターはこれまでは事実上存在しない。また癌の温熱療法も、有効な手段であることは誰でも認めることであるが、これまでは有効な技術が無かった。医学の分野においてはその他の応用が多数存在する。
【００３１】
バイオの分野でも多くの期待が持たれている。組織の培養、細胞増殖過程の映像化においては不可欠の手段といえる。バイオ、医学が重なり合う領域ではあるが、従来複雑であった温度制御が、実質上一枚の電気ヒーターのみで可能であるから新たな研究成果が期待される。
【００３２】
農業においても多くの応用分野がある。キノコの栽培で冬季に生産しようとする場合、20℃を超えてはいけない制限があった。本発明を利用すればこれが可能となる。また、一般に言われることであるが、植物は凍結させない限り、「根」だけを暖めればよいといわれている。現在も一部で「根」の為の電気ヒーターの開発が試みられているが残念ながら成功していない。本発明の電気ヒーターの温度制御システムをこの分野に応用すれば、ハウス農家の重油消費量を軽減すると考えている。
【００３３】
本発明の戸外での応用も多数ある。例えば融雪や凍結防止である。この場合電気ヒーターの発熱温度は5℃あれば十分である。一部には床暖房用のカーボン−高分子系PTCヒーター（有機ヒーター）を融雪に用いたりしているが、これら有機ヒーターは、真夏の高温に曝されると抵抗値が変動してしまうので、次の年に使えなくなる可能性が高い。本発明は、堅牢な無機の電気ヒーターを使用でき、冬季において５℃の定常発熱に全く問題が無い。これにより、冬季の橋梁、道路、飛行場の駐機場、滑走路の凍結防止から、新幹線の車体に付着する雪の溶融など多くの可能性がある。また、新幹線の付着雪を融かす電気ヒーターに本発明の電気ヒーターの温度制御システムを適用した場合、走行速度を落とす必要は無いのでダイヤの乱れを防ぐことができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  電気ヒーター
２  温度センサー
３  センスアンプ
４  入力用A/D変換器
５  マイクロコンピューター
６  出力用D/A変換器
７  DC電源
８  SDカード
９  監視用A/D変換器
10  電気ヒーター用リード線
11  断熱板
12  センサー用リード線
13  抵抗線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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