(57)【要約】【課題】加熱効率が高く、制御応答性に優れ、床温度維持性能が高く、安全で利便性の高い、小型でシンプルであり、従来システムの一部を取り込むことも可能な床暖房システムを提供する。【解決手段】加熱ユニット１と放熱器５とを備える床暖房システム１０において、加熱ユニットは高周波誘導加熱により熱媒体液を加熱し、放熱器には加熱された熱媒体液を循環する【選択図】      図１
2004271146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱ユニットと放熱器とを備える床暖房システムにおいて、前記加熱ユニットは高周波誘導加熱により熱媒体液を加熱し、前記放熱器には前記加熱された熱媒体液が循環されることを特徴とする床暖房システム。
【請求項２】
前記加熱ユニットは、絶縁体よりなる管体と、前記絶縁体の周囲に設けられた高周波誘導加熱コイルと、前記管体の内部に前記高周波誘導加熱コイルにより誘導加熱される金属管とを備えるとともに、前記管体内部に前記熱媒体液を循環させて加熱を行うことを特徴とする、請求項１に記載の床暖房システム。
【請求項３】
絶縁体よりなる管体と、前記絶縁体の周囲に設けられた高周波誘導加熱コイルと、前記管体の内部に前記高周波誘導加熱コイルにより誘導加熱される金属管とを備えるとともに、前記管体内部に熱媒体液を循環させて加熱を行う加熱ユニットと、
前記高周波誘導加熱コイルへ高周波電力を供給する高周波誘導加熱回路と、
床面下に設けられ、前記加熱ユニットにより加温された前記熱媒体液が循環されて前記床面を暖める放熱器と、
前記加熱ユニットと前記放熱機との間に前記熱媒体液を循環させるポンプ、及び流路と、
前記流路の開閉を行う熱動弁と、
室温を感知する室温感知手段、及び前記熱媒体の温度を感知する液温感知手段と、
前記室温感知手段及び液温感知手段からの情報を受けて、所定の処理を行って、前記高周波誘導加熱回路へ電力調整信号を送ると共に、前記熱動弁の開閉を制御する温度制御装置と、
を備えたことを特徴とする床暖房システム。
【請求項４】
前記温度制御装置に無線受信手段を備えるとともに、無線送信機を備えた遠隔操作手段を具備し、前記遠隔操作手段にて前記温度制御装置を操作することが可能に構成されたことを特徴とする請求項３に記載の床暖房システム。
【請求項５】
複数の前記放熱器を具備し、これらの放熱器それぞれに前記加熱ユニットを設けるとともに、各放熱器へ前記熱媒体液を供給する管状分岐装置を装着したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の床暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、床暖房システムに関し、高周波誘導加熱コイルにより誘導加熱される金属管の管体内部に、水若しくは不凍液等の流体を流して加熱を行う方式の床暖房システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
わが国の高齢化社会の進行にともない、寒さの厳しい冬季にあっても快適な住環境を提供する床暖房システムが注目されている。床暖房システムは、室内に温風を循環させて室内を暖める暖房システムと異なり、暖まった床面からの輻射と熱伝導により室内を暖房するため、室内の居住者に不快な風を感じさせないという利点がある。
【０００３】
これまで、温水式床暖房は熱源としてガス、灯油等の化石燃料を燃焼させる方法、ニクロム線をコア材にしたシーズヒーターを使用する方法が一般に用いられてきた。
【０００４】
一方、特許文献１には、少なくとも表面板と加熱板とを床材として備え、加熱板は電磁誘導加熱装置により加熱されることを特徴とする床暖房装置が開示されている。
【特許文献１】
特開平７−１４５９５２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来一般に使用されているガス、灯油等の燃焼系の場合は温度制御性が悪く、その対策として予熱運転や間欠運転を行わなければならなかった。また、熱源機自体が外置きとなるため、外気への放熱量が大きく、結果として加熱効率が低くならざるを得なかった。また、水等の流体を直接加熱することができないため温水タンクを設けなければならず、タンクの湯沸かし分のエネルギーが余分に必要とされた。また、床温度維持のための制御応答性が低いため、きめ細かな制御が行えず、その分余計なエネルギーを使用していた。さらに、温水タンク、および熱動弁等により温水回路を閉じた場合の燃焼系保護を目的とした循環バイパス回路といった多くの部品を備えているため、装置全体として大型化してしまい、その結果生産コストが高くなり、実装設計や、室内設置にふさわしいデザインをする上での自由度を制限していた。また、安全性の面では、シーズヒーターを用いた場合にはニクロム線の断線や鞘管腐食による漏電事故等が発生する虞があるという問題もあった。
【０００６】
また特許文献１に開示された床暖房装置は、熱媒体液を使用せず、直接床下面に設置した加熱板を誘導加熱により昇温させるものであり、例えばすでに作り付けの放熱器等室内側の装置が設置されている場合、これを有効に利用することができない。
【０００７】
そこで、本発明は、加熱効率が高く、制御応答性に優れ、床温度維持性能が高く、安全で利便性の高い、小型でシンプルであり、従来システムの一部を取り込むことも可能な床暖房システムを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【０００９】
請求項１の発明は、加熱ユニット（１）と放熱器（５）とを備える床暖房システムにおいて、加熱ユニットは高周波誘導加熱により熱媒体液を加熱し、放熱器には加熱された熱媒体液が循環されることを特徴とする床暖房システムにより前記課題を解決する。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の床暖房システムにおいて、加熱ユニットは、絶縁体よりなる管体（１ａ）と、絶縁体の周囲に設けられた高周波誘導加熱コイル（１ｂ）と、管体の内部に高周波誘導加熱コイルにより誘導加熱される金属管（１ｃ）とを備えるとともに、管体内部に熱媒体液を循環させて加熱を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、絶縁体よりなる管体（１ａ）と、絶縁体の周囲に設けられた高周波誘導加熱コイル（１ｂ）と、管体の内部に高周波誘導加熱コイルにより誘導加熱される金属管（１ｃ）とを備えるとともに管体内部に熱媒体液を循環させて加熱を行う加熱ユニット（１）と、高周波誘導加熱コイルへ高周波電力を供給する高周波誘導加熱回路（２）と、床面（９）下に設けられ加熱ユニットにより加温された熱媒体液が循環されて床面を暖める放熱器（４）と、加熱ユニットと放熱機との間に熱媒体液を循環させるポンプ（６）、及び流路と、流路の開閉を行う熱動弁（５）と、室温を感知する室温感知手段（３ａ）、及び熱媒体の温度を感知する液温感知手段（３ｂ）と、室温感知手段及び液温感知手段からの情報を受けて、所定の処理を行って、高周波誘導加熱回路へ電力調整信号を送ると共に、熱動弁の開閉を制御する温度制御装置（３）と、を備えたことを特徴とする床暖房システム（１０）により前記課題を解決するものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３に記載の床暖房システムにおいて、温度制御装置に無線受信手段を備えるとともに、無線送信機を備えた遠隔操作手段（８）を具備し、遠隔操作手段にて温度制御装置（３）を操作することが可能に構成されたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の床暖房システムにおいて、複数の放熱器（４）を具備し、これらの放熱器それぞれに加熱ユニット（１）を設けるとともに、各放熱器へ熱媒体液を供給する管状分岐装置（７）を装着したことを特徴とする。
【００１４】
かくして、本発明の床暖房システムによれば、熱媒体液を直接加熱することが可能となり、温水タンクが不要となる。よって、タンク容量分のボイラーが小型化するためエネルギーの削減となり暖房効率を向上することができる。また、放熱器毎の個別制御が可能となり、暖房効率を向上することができる。さらに、室温、及び／又は流体温度に応じた加熱ユニットへの加熱電力の制御が室内で可能となり、利便性を向上することができる。
【００１５】
本発明のこのような作用及び利得は、次に説明する実施の形態から明らかにされる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態にかかる床暖房システム１０の基本構成を示した制御システムの概略図である。床暖房システム１０は、高周波誘導加熱により熱媒体液を加熱する加熱ユニット１と、加熱ユニット１に高周波電力を供給する高周波誘導加熱回路２と、システムの温度制御を司る温度制御装置３と、加熱ユニット１により発生した熱を室内に供給する放熱器４と、加熱ユニット１と放熱器４とを連結する配管にあって流路の開閉を司る熱動弁５と、システム内に熱媒体液を循環させる循環ポンプ６とを備えている。
【００１７】
加熱ユニット１は、絶縁体よりなる管体１ａと、絶縁体１ａの周囲に設けられた高周波誘導加熱コイル１ｂと、管体１ａの内部に高周波誘導加熱コイル１ｂにより誘導加熱される金属管１ｃとを備えている。管体１ａは、熱媒体液を加熱するための本体である。管体１ａの内部には、金属管１ｃが封入されている。この金属管１ｃが高周波誘導電流により内部に渦電流損を発生し、その損失エネルギーにより発熱する。
【００１８】
管体１ａの外部には、銅の絶縁細線を撚り合わせて束状にした誘導加熱コイル１ｂが巻き付けられている。この誘導加熱コイル１ｂに高周波電流を流すと、前記金属管１ｃに高周波誘導電流を誘起され、渦電流損が発生する。
【００１９】
高周波誘導加熱コイル１ｂに該絶縁細線の撚り束を使用するのは、高周波電流の場合、導体の表面に電流が集中的に流れるので、流れる表面積を大きく取ることでコイル損失を低減するためである。このように、高周波誘導加熱コイル１ｂに高周波電流を流すと金属管１ｃが発熱する。
【００２０】
発熱した金属管１ｃに熱媒体液を通すと熱交換が行われ、熱媒体液の温度が上昇することになる。即ち、加熱流体となる。本発明に使用される熱媒体液としては特に限定されるものではないが、例えば水、エチレングリコールのような不凍液、鉱油、ポリエステル等の合成油などを使用することができる。
【００２１】
温水式床暖房システムの場合、熱媒体液は一般的に循環閉回路を流れ、その流れは循環ポンプ６で作り出される。循環ポンプ６は、循環閉回路の流路損失に対して適正な流量が確保できる性能のものを選択することが好ましい。
【００２２】
熱動弁５は、流路の開閉を行うバルブで放熱器４への通液制御を行うものである。放熱器４が１個の場合あまり意味を持たないが、複数個に並列接続されている場合は個別暖房制御の方法として有効に作用する。
【００２３】
循環ポンプ６によって、循環閉回路に送り込まれた加熱液は、放熱器４内を流れることで室内に放熱し、結果として液温が下がる。この冷やされた液体は、循環ポンプ６により再び金属管１ｃを流れることで再加熱される。このようにして、床暖房システム１０が室内を暖房する装置として機能している。
【００２４】
このとき、加熱ユニット１の戻り温水温度Ｔｉ（℃）、往き温水温度Ｔｏ（℃）、循環流量をＦ（Ｌ／分）とすれば、放熱器４の放熱量Ｑ（ｋＪ／ｈ）は、配管経路の熱損失を無視した場合、
Ｑ＝４．１８４×６０×Ｆ×（Ｔｏ−Ｔｉ）  （ｋＪ／ｈ）    −▲１▼
で求められる。
【００２５】
放熱器４は、一般的にフローリング等の床仕上げ材の下に設置され、該仕上げ材を通して室内に熱を供給することになる。従って、放熱器４の放熱量Ｑを効果的に室内に供給するためには、放熱器４の仕上げ材に接する面側は熱伝導性を高め、反対の面側は断熱性を高める工夫が肝要となる。また通常床暖房では、床仕上げ材の表面温度は３０（℃）付近で制御するのが適当とされており、この場合放熱器４の表面温度は、床仕上げ材の材質、厚み、室温および室内の空気対流量等によって変化する。
【００２６】
放熱器４の表面温度Ｔｓ、該放熱器の放熱面積をＡ、床仕上げ材の表面温度Ｔｆ、該仕上げ材の熱貫流率Ｋとすれば、室内に放出される熱量Ｑは、
Ｑ＝Ａ×Ｋ×（Ｔｓ−Ｔｆ）  −▲２▼
で表すこともできる。
【００２７】
式▲１▼、▲２▼より放熱器４の表面温度Ｔｓは、
Ｔｓ＝Ｔｆ＋４．１８４×６０Ｆ（Ｔｏ−Ｔｉ）／ＡＫ  −▲３▼
となる。
【００２８】
従って、循環する流体温度は、式▲３▼で表される放熱器４の表面温度Ｔｓを目標値として制御されなければならない。
【００２９】
式▲３▼において、配管経路の熱損失を無視すれば  Ｔｉ＝Ｔｓ  となり、これから
Ｔｉ＝（６０・Ｆ・Ｔｏ＋Ａ・Ｋ・Ｔｆ）／（Ａ・Ｋ＋６０・Ｆ）  −▲４▼
となる。即ち、戻り温水温度Ｔｉとなる往き温水温度Ｔｏを目標値として加熱制御を加えれば良いことになる。
【００３０】
本発明では、流体温度センサ３ｂにより戻り温水温度Ｔｉ、流体温度センサ３ｃにより往き温水温度Ｔｏを検知するようにしている。温度制御装置３では、前記Ｔｉ、Ｔｏの情報を基とし、更に室温センサ３ａの温度情報を加えて制御量を演算している。演算した結果は、電気的制御量として高周波誘導加熱回路２に送り、高周波誘導加熱回路２では当該制御量に見合った高周波誘導電流を高周波誘導加熱コイル１ｂに流すことになる。該高周波誘導電流は、リアルタイムに連続可変制御され、室内環境の快適性を維持すると共にランニングコストの低減が図られる。
【００３１】
演算の方法としては、電気回路的に行うか、マイコンによるソフトウェア制御とするか、或いはその両方を組み合わせて行うか、その何れでも良い。尚、前述した各センサは必要最小限の設置とし、省かれた物についてはソフトウェア的推論値で代用することもできる。この場合は、商品開発過程に於ける実験値等をその根拠とすることができる。例えば、流体温度センサ３ｃを省略し、Ｔｉを得ることにより、目標Ｔｏをソフトウェア的に求めることが可能である。
【００３２】
このように、高周波誘導加熱による床暖房システム１０では、加熱電力制御をリアルタイムにかつ極め細かく行うことができるため、総合エネルギー効率を高くすることができる。また、熱媒体液を直接加熱できるため、従来熱源機（加熱ユニット１）に設置を余儀なくされていたリザーブタンクを必要としない。その結果、構造がシンプルとなり加熱ユニット１の小型化を実現することができる。かくして、高周波誘導加熱による床暖房システム１０は、全体の構造がシンプルでありながら、高効率、高信頼性、低イニシャルおよび低ランニングコストのシステムを実現することができる。
【００３３】
＜第二実施形態＞
図２は、本発明の第二実施形態にかかる床暖房システム２０を示す図である。第二実施形態にかかる床暖房システム２０においては、複数の放熱器４Ａ、４Ｂを並列に設け、流路の往き側分岐ヘッダー７ａの温水回路毎に高周波による加熱ユニット１（１Ａ、及び１Ｂ）を設けている。これにより、放熱器４（４Ａ、及び４Ｂ）毎の個別制御が可能となり、総合効率の改善を図ることができる。
【００３４】
＜第三実施形態＞
図３は、本発明の第三実施形態にかかる床暖房システム３０を示す図である。この床暖房システム３０は、図１の床暖房システム１０において、温度制御装置３に無線受信手段（不図示）を備えるとともに、無線送信機を備えた遠隔操作手段８を具備し、遠隔操作手段にて温度制御装置３を操作することができるように構成された床暖房システム３０を示している。遠隔操作手段８は、手のひらにおさまる小型の筐体表面に複数の押しボタンを配列した、通常リモコンと呼ばれる装置として構成できる。このように構成することにより、システム全体を適用居室に直接設置でき、利便性が高く取り扱いの簡単な床暖房システムを構築することができる。
【００３５】
図４は、本発明にかかる床暖房システムの構造を示す概略図である。本発明の床暖房システムは熱源として、クリーンな電気エネルギーを使用するので、ガスや灯油を熱源として使用するような場合に発生する燃焼ガスが発生しない。また、熱媒体液を直接加熱できる高周波誘導加熱を使用しているため、温水タンクを設ける必要がなく、加熱ユニットをコンパクトにまとめることが可能である。したがって、加熱ユニットを、床暖房を使用する室内の壁に取り付けることが可能である。図４は、このように加熱ユニット１を室内に設けた場合の垂直断面を概念的に示す図である。室内フローリング（床面仕上げ材）９の下面には放熱器４が配置されている。図においては放熱器配管断面が表されており、該配管内を加熱ユニット１において加温された温水等の熱媒体液が循環される。放熱器４の熱が床面仕上げ材９に伝えられ、床面９が昇温されることにより室内の暖房が実現される。
【００３６】
上記した実施形態３にあるようにリモコンを各部屋毎に設けて、各部屋の居住者毎に好みの温度設定を行うことも容易である。また、加熱ユニットが暖房する部屋にあるので、室外の熱源機から配管する場合と比較して、配管途中での熱損失が発生することもなく、この点においても熱効率の高い暖房システムを構築することが容易となる。
【００３７】
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う床暖房システムもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【００３８】
【発明の効果】
（１）加熱効率が高い。
従来の温水式床暖房は、熱源としてガス、灯油等の化石燃料系を燃焼させる方法、ニクロム線をコア材にしたシーズヒーターを使用する方法が一般的である。灯油等の燃焼系の場合は温度制御性が悪く、その対策として予熱運転や間欠運転等を行っている。また、熱源機自体が外置きとなるため、外気への放熱量が大きく結果として加熱効率は低くならざるを得ない。これに対して本発明の高周波誘導加熱による床暖房システムでは、構造がシンプルになり熱媒体液を直接加熱できること、室内設置ができること等から極めて高い加熱効率が得られる。
【００３９】
（２）制御応答性に優れる。
従来の様な温水タンク（リザーブタンク）が不要となり、熱媒体液を直接加熱できるため、制御応答性が極めて良い。熱媒体液として水を使用する床暖房の場合、ボイラー内保有水量、配管・放熱器内保有水量、両者を合わせたシステム保有水量といった表現分けをしている。システム保有水量は、配管長、放熱器の種類と数量等によって変わるので一義的に決定することができない。仮に８畳程度であれば、従来の放熱器と配管材使用の場合４Ｌ程度となる。この考え方は、温水式ではどんな形態でも変わらない。
【００４０】
本発明では、ボイラー内保有水量が低減される。一般的なシーズヒーター（ステンレス製鞘管にニクロム線を封入し、絶縁材を充填した構造のヒーター）は、水槽内に設置され、お湯を沸かしながら放熱器へ循環する。リザーブタンクとはこの水槽を指し、約１〜２Ｌ程度の容量である。本発明では、循環流体を直接加熱するので、この水槽が不要になる。従って、タンク容量分ボイラーの小型化を図ることが可能になる。加えて、タンクの湯沸かしに必要なエネルギーを節約することができるので、結果的に暖房効率を上げることができる。また、シーズヒーターではヒーター表面積が小さいため、液温の平均安定化を図るにはリザーブタンクの構造に工夫を加えることが必要であるが、現実にはあまり良い方法がなく、シーズヒーター表面で沸騰現象が起きるケースが多い。本発明によればこのような懸念も一掃される。
【００４１】
（３）床温維持性能が高い。
制御応答性が高いため、状況に応じた極め細かい制御が連続的に行うことができ、特に定常運転に於ける床温維持運転を最低限のエネルギーで実行できる。
【００４２】
（４）熱源機の小型化を図ることができる。
リザーブタンク、および熱動弁等により温水回路を閉じた場合の燃焼系保護を目的とした循環バイパス回路が不要になること等から、熱源機（加熱ユニット）の構成部品が減って全体がシンプルになり、小型化が実現できる。その結果、実装設計の自由度が増し、室内設置にふさわしいデザイン性も実現しやすくなる。本体自体のコストも低減できる。
【００４３】
（５）信頼性および安全性が高い。
ガスや灯油を燃焼して熱源とする場合と比較して、排気ガスの発生がなく、快適な住環境を維持することができる。また火災やガス中毒等事故が発生する虞がない。加えて金属管１ｃが直接加熱されるため、シーズヒーターのように断線や鞘管腐食による漏電事故がなく、半永久的に使用できる。
【００４４】
（６）利便性が高い。
適用居室にシステム全体を直接設置でき、取り扱いが簡単である。さらにリモコン操作可能なように構成することにより、室内居住者の希望する温度環境を簡単に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる床暖房システム１０の基本構成を示した制御システムの概略図である。
【図２】複数の放熱器を並列に設けたもので、流路の往き側分岐ヘッダーの温水回路毎に高周波による流体加熱装置を設けた床暖房システムを示す図である。
【図３】温度制御装置に無線受信手段を備えるとともに、無線送信機を備えた遠隔操作手段を具備し、遠隔操作手段にて温度制御装置を操作することができるように構成された床暖房システムを示す図である。
【図４】本発明にかかる床暖房システムの構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１  加熱ユニット
１ａ  管体
１ｂ  高周波誘導加熱コイル
１ｃ  金属管
２  高周波誘導加熱回路
３  温度制御装置
３ａ  室温センサ（室温感知手段）
３ｂ  液体温度センサ（液温感知手段）
３ｃ  液体温度センサ
４  放熱器
５  熱動弁
６  循環ポンプ（ポンプ）
７  管状分岐装置
８  リモコン（遠隔操作手段）
９  床面仕上げ材
１０、２０、３０  床暖房システム
【図１】
2004271146.tif 000003
【図２】
2004271146.tif 000004
【図３】
2004271146.tif 000005
【図４】
2004271146.tif 000006