(57)【要約】【課題】電気式融雪設備と床暖房の省エネルギー装置。【解決手段】融雪運転と予熱運転を完全に区分し、予熱出力を温度センサーからの信号により、融雪運転出力の０〜１００％の間で状況に合わせた必要最小限の発熱量を常に探索し、出力可変装置へ信号を送る制御器と、電源の正弦波形をコントロールできる出力可変装置と、出力可変装置からの信号を制御信号として、発熱体電源を可変し供給する半導体リレーとを具備し、予熱時出力を自然条件に合わせて自動で切り替わることができる構成としたものであり、これにより、予熱時の電力消費を必要最小限に抑える事を特徴とする融雪装置が提供される。さらに、２分割工法で施工した場合、両面を可変した波形で制御するか、両方の波形で同時通電する事が可能。これによりさらに省エネルギー化ができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予熱時出力を第１のセンサー、第２のセンサーからの信号により、融雪時運転出力の０〜１００％の間で状況に合わせた必要最小限の発熱量を常に探索し、出力可変装置へ信号を送る制御器と、電源の正弦波形をコントロールできる出力可変装置と、出力可変装置からの信号を制御信号として、発熱体電源を可変し供給するゼロクロス付き半導体リレーとを具備し、予熱時出力を自然条件に合わせ、自動で切り替わることができる構成の融雪装置。
【請求項２】
電源正弦波形をコントロールする出力可変装置内に分周ＩＣ回路を用い、電源の正弦波形を分周した分周波形を半導体リレーの制御信号とし、予熱時出力を自然条件に合わせ、自動で切り替わることができる構成の請求項１記載の融雪装置。
【請求項３】
電源正弦波形をコントロールする出力可変装置内に発振回路を用い、電源の正弦波形を可変し、可変波形を半導体リレーの制御信号とし、予熱時出力を自然条件に合わせ、自動で切り替わることができる構成の請求項１記載の融雪装置。
【請求項４】
電源正弦波形をコントロールする出力可変装置内にダイオードを用い、電源の正弦波形を＋半波形と−半波形とに半波整流し、この半波形をそれぞれの面の半導体リレーの制御信号とし、予熱時出力を半分にすることができる構成の請求項１記載の融雪装置。
【請求項５】
２分割工法の場合、電源正弦波形を２つに分け、それぞれの波形を１ａ面、１ｂ面に印加して、同時通電する請求項１記載の融雪装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、一般家庭や公共設備における融雪設備と床暖房設備の効率化と、省エネルギー化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  北海道や東北地方などで使用される熱エネルギー設備に、ロードヒーティング、ルーフヒーティング等の融雪設備や、床暖房等の暖房設備がある。代表的な融雪設備として、ロードヒーティングが上げられる。ロードヒーティングは主に、温水式と電熱式があり、路盤にあらかじめ発熱体を埋設し、発熱させることにより路面上を融雪する。構造は双方とも同様だが、熱源の違いから現状では電気式の方が温水式よりランニングコストが割高になっている。なおかつ、ロードヒーティングの運転は融雪時の融雪運転と、降雪待機時の路盤の温度低下を防ぐ予熱運転に二分される。一般のロードヒーティングでは、融雪運転、予熱運転の出力区分が無く、常に一定の出力で発熱しており、降雪が無い時でも、外気温や地温が設定温度以下になると融雪時と同様に予熱運転をする。したがって、路面に必要以上の熱量が供給され、余分なエネルギーを費やしている。【０００３】  これに対して、融雪装置で発熱体の出力を変化させる運転方法として、発熱体３組の組み合わせによって出力を制御する融雪システムが提案されている。この融雪システムは、出力が同じ３組の発熱体を、接続方法の組み合わせによって電流を制限し、出力を可変させ省エネルギー面でそれなりの効果が得られる。また、融雪対象面を２面に分割し、交互に通電する２分割工法がある。交互通電する事によって融雪用電力の基本料金が最大半分になり、ある程度ランニングコストを削減できる。
【特許文献】特開２００３−６４６１６号  公報
【非特許文献】「融雪システム」株式会社ユニテック事業部、ｐ．３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  ところで、上述の従来技術は、発熱量の変化は設定時間によって順番に変化するため、その時の気象条件に合った運転が行われているとは言えない。また、２分割工法においては、交互通電のため基本料金は削減されるが、融雪面の必要熱量は変わらないので、消費電力量は一般のロードヒーティングと同等である。よって電力量料金は削減されない。さらに、交互通電のため片面を通電中には、もう一方の面は外気温、風速などにより冷却されてしまうので、路盤を加熱するために余分にエネルギーを消費している。本発明は、このような従来技術の課題を解決し、融雪能力を維持しつつ、予熱時の状況に合わせ、自動で出力を必要最小限に抑えることによって、エネルギーコストの軽減を図ることができる融雪設備と床暖房設備を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明によれば、上記課題を解決するため、融雪運転と予熱運転を完全に区分し、予熱時出力を第１のセンサー２からの地温信号、第２のセンサー３からの外気温信号により、融雪時運転出力の０〜１００％の間で状況に合わせた必要最小限の発熱量を常に探索し、出力可変装置５へ信号を送る制御器４と、電源の正弦波形１２をコントロールできる出力可変装置５と、出力可変装置５からの信号を制御信号として、発熱体電源を可変し供給するゼロクロス付き半導体リレー６（以下半導体リレー）とを具備し、予熱時出力を自然条件に合わせて自動で切り替わることができる構成としたものであり、これにより、予熱時の電力消費を必要最小限に抑える事を特徴とする融雪装置が提供される。【０００６】  また、本発明によれば、上記構成において、電源正弦波形１２をコントロールする出力可変装置５内に分周ＩＣ回路を用い、電源正弦波形１２を１サイクル単位で分割した（以下分周）分周波形１３、１４を半導体リレー６の制御信号とし、予熱時の電力消費を最小限に抑える事を特徴とする融雪装置が提供される。【０００７】  また、本発明によれば、上記構成において、電源正弦波形１２をコントロールする出力可変装置５内に発振回路を用い、電源正弦波形１２をサイクル調整して可変波形１５を半導体リレー６の制御信号とし、予熱時の電力消費を最小限に抑える事を特徴とする融雪装置が提供される。【０００８】  また、本発明によれば、上記構成において、電源正弦波形をコントロールする出力可変装置５内にダイオードを用い、電源正弦波形１２を＋半波形１６と−半波形１７とに半波整流し、この半波形をそれぞれの面の半導体リレー６の制御信号とし、予熱時出力を半分にすることができる事を特徴とする融雪装置が提供される。【０００９】  また、本発明によれば、上記構成において、２分割工法の場合、電源正弦波形１２を２つに分け、それぞれの波形を１ａ面、１ｂ面に印加して、同時通電する事を特徴とする融雪装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】  本発明は、予熱時の外気・地温の変化に追従して出力を可変できる自動制御により、必要最低限のエネルギー消費に抑えられる。したがって、従来の融雪設備に比べ、発熱体への無駄な通電を無くす事ができ、ロードヒーティング等の融雪設備や床暖房の省エネルギー化に、多大な貢献ができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  以下本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて詳細に説明する。【００１２】  図１において、１は発熱体１１の埋設された融雪対象面であり、地中には第１のセンサー２を発熱体１１と同じ深さに埋設しておき、地中の温度を測定する。第２のセンサー３は、融雪対象面１の降雪検知と、周囲の外気温度測定に使用する。制御器４は、地温設定ボリュームと運転切り替えスイッチと運転制御コントローラーとで構成され、運転入り切りのための地温、外気温設定、運転区分のための予熱地温設定等が予め運転制御コントローラーに初期設定されている。この初期設定は標準であり、融雪対象面の気象条件により設定は変更できる。また、追加運転時間、予熱出力の演算もここで行う。出力可変装置５は、波形可変回路８と波形切替装置９で構成され、制御器４の出力条件信号１０に従い電源正弦波形１２を可変させる。半導体リレー６は、電源回路と制御信号回路があり、電源回路は発熱体電源を供給する主回路となり、制御信号回路は電源回路の通電を制御する回路である。ここでは、出力可変装置５からの信号を制御信号回路電源として使用し、電源回路にて発熱体への電源供給を可変する。【００１３】  以下、上記構成の動作を図６のフローチャートに沿って説明する。第２のセンサー３が融雪対象面１の降雪を検知すると、制御器４へ降雪開始の信号を送る。制御器４は、外気温、地温の設定温度以下の場合に融雪運転開始の信号を出力可変装置５へ送る。この時の出力は１００％である。外気温と地温のどちらかが設定温度より高温の場合は、降雪があっても自然に融けるという気象条件と判断し運転しない。第２のセンサー３にて降雪終了が確認されると、制御器４にて、降雪時間に合わせた追加運転時間を０〜１８０分の中で選択し、追加運転をする。この途中で再び降雪が確認されると、同様に演算し、追加運転時間に加算する。ただし、外気温、地温のどちらかが設定温度以上になると、演算結果に関係なく運転停止となる。以上の運転を融雪運転と区分し、降雪が無く、追加運転時間以外の運転を予熱運転と区分する。【００１４】  追加運転を終えると、予熱運転か停止かを第１のセンサー２の地温信号によって制御器４にて振り分ける。予熱運転スイッチがＯＦＦの時は、運転停止となる。予熱運転スイッチがＯＮの時は、予熱設定温度と、第１のセンサー２からの地温信号により必要熱量を制御器４にて演算し、第２のセンサー３からの外気温信号により、外気による熱損失を制御器４にて演算する。ここで、予熱設定温度は、地中の第１のセンサー２から融雪対象面１までの深さを１ｃｍ＝１℃と考え、表面上を所定の温度で維持するよう設定する。例えば、表面温度を−１℃で維持しようとする場合、第１のセンサー２が路盤から６ｃｍ下に埋設されているとすると、５℃と設定する。予熱出力は、例えば１／２の予熱出力を選択したとすると、予熱設定温度とその時点の第１のセンサー２からの地温信号を比較し、地温が低い場合には２／３等に出力を上げ、地温が高い場合には１／３等に出力を下げる出力条件信号１０を送る。ここで、１〜３０％の間の波形は、熱効率や波形の乱れ等の理由により使用を控え、この範囲が選択された場合には、運転停止とする。これをマイコ���機能で制御することにより、状況に合わせた適切な出力を学習して行き、自動で探索して可変できるようになる。この演算結果により、必要最小限の予熱出力を出力可変装置５へ出力条件信号１０として送る。この一連の動作によって、従来の温度ディファレンシャルが不要となり、地温・外気温のあらゆる変化に対して、自動的に追従し表面温度を一定に保てるようになる。よって路盤の無駄な加熱がなくなり、ランニングコストの軽減が可能となる。【００１５】  出力可変装置５の構成を、図２に沿って説明する。まず、電源電圧を１次側電圧とし、トランス７を使い１２Ｖと５Ｖの２次電圧を取り出す。１２Ｖは波形可変回路８用直流安定化電源とし、５Ｖは電源波形を可変するための正弦波形１２として使用する。波形可変回路８は、分周ＩＣ回路と発振回路とダイオードとを具備し、これらの組み合わせによって電源正弦波形１２を無段階に可変する。ここで可変された複数の正弦波を波形切替装置９に出力する。波形切替装置９は、制御器からの出力条件信号１０に従い、波形を選択する。この波形が半導体リレー６の制御信号となる事により、発熱体１１への通電が制限され、出力を自在に抑えることが可能となる。ここで使用する半導体リレー６は、電源正弦波の位相と同期をとり、過大突入電流を防止するため、端子間電圧がほぼ０Ｖにて制御を入り切りするゼロクロス付きの物を使用する。【００１６】  波形可変回路８内の分周ＩＣ回路では、基本となる正弦波形１２を入力すると、出力として１／２、１／３等の分周波形１２が形成される。また、１／３の波形の場合、同時に逆の２／３に分周された波形も形成され、こちらの波形を利用する事もできる（図３参照）。ここで、発熱体出力を２５０ｗ／ｍ２とすると、１／２の場合は１２５ｗ／ｍ２、１／３の場合は約８３ｗ／ｍ２となり、これを基準とし、さらに分周ＩＣ回路を複数個組み合わせることにより、電源の周波数以内において様々な波形を形成することができる。【００１７】  また、波形可変回路８内の発振回路では、基本となる正弦波形１２を６０Ｈｚとした場合、発振回路を通す事により、１〜６０Ｈｚの間で制御器からの出力条件信号１０に従い、ボリューム式に波形を可変させる。（図４参照）この時、基本となる正弦波形１２の３０％以下に相当する周波数は、熱効率や波形の乱れ等により使用を控える。これにより、細かい波形の可変ができる。【００１８】  さらに、本発明と２分割工法を組み合わせる事により、基本料金・電力量料金両方のランニングコスト削減を図れる。この場合の発熱体は、自己制御型発熱線の使用が望まれる。なぜなら、２分割工法では交互通電により、１ａ面の通電中、１ｂ面は運転停止状態になる。これにより、１ｂ面の路面温度が低下し、融雪再開時には大きな熱量が必要となる。自己制御型発熱線は、起動時や周囲温度が低い時は出力が増加すると言う特性があり、２５０ｗ／ｍ２で設計したとすると、起動時は一時的に約４００ｗ／ｍ２程度まで増加する。そして、周囲温度の上昇とともに出力が減少してゆき、２５０ｗ／ｍ２に安定する。ゆえに、自己制御型発熱線は交互通電を行っても、この特性により２分割工法に適している。通常の発熱線等の場合は、常に一定の出力で発熱��ているので、交互通電では融雪熱量が不足し、高出力の発熱体が必要となるが、本発明と組み合わせる事によって出力の調整ができるので、一括通電方式に比べて省エネルギー効果はあるが、自己制御型発熱線の方が効率的である。【００１９】  ２分割工法の融雪運転方法は、一括の場合と変わらないが、両面とも独立して融雪運転、予熱運転を行うため、日当り等の自然条件が違っていても、適切な運転ができる。第２のセンサー３が降雪を感知すると、制御器４にて第１のセンサー２ａ、２ｂからの地温信号を読み取り、温度の低い面から通電し、１〜３０分の間で予め設定していた切替時間で交互に切り替わる。このとき、自然条件の違いにより、通電されていた面が、通電時間を終えても通電されていない面より地温が低い場合もある。従って、通電切替時には第１のセンサー２ａ、２ｂの地温信号を比較し、温度の低い面を優先する。これにより、融雪面を均一に融雪できる。逆に、片面を優先的に融かし、後から残りの面を融かすという通電方法も可能であり、制御器４にて設定する事により、自由な設計ができる。【００２０】  また、本発明の予熱運転時には正弦波形を２つに分周するという通電方式から、２分割方法では２通りの通電方法が選択される。まずは、３０〜１００％に分周された波形１３、１６のみを、半導体リレー６へ制御信号として出力し、交互に通電する方法と、分周した波形１３、１６を１ａ面、残りの波形１４、１７を１ｂ面という両方の波形を使用する同時通電とが挙げられる。まず、分周した波形のみの交互通電を行い、１ａ面、１ｂ面それぞれ出力が不足している場合には、両方の波形での同時通電を行う。同時通電の場合、電源の周波数のサイクル単位という極めて短い時間で通電が切り替わるため、ほぼ同時に通電でき、通電待機時の路盤の温度低下を抑え、少ないエネルギーの供給ですむ。【００２１】  両方の波形を使用する同時通電の場合、波形可変回路８内のダイオードを使用すると、基本となる正弦波形１２を＋半波形と−半波形とに半波整流し、この半波形を１ａ面と１ｂ面の半導体リレー６の制御信号とする事ができる（図５参照）。ここで、ダイオードは１ａ面、１ｂ面の半導体リレー６に順方向と逆方法に取り付ける。このダイオードによる半波整流方式は、分周ＩＣ回路方式や発振回路方式に比べ波形が安定しているので、出力を１／２で両方の波形を使用する場合、このダイオードによる波形制御を優先する。この通電方法を自己制御型発熱線で行うと、自己制御型発熱線の出力特性により、６０〜７５％の出力が得られ、非常に効率的である。【００２２】  以上、ロードヒーティングを例にここまで説明してきたが、この装置をルーフヒーティング、笠木ヒーティング等にも使用できる。また、設定温度を上げる事によって、床暖房の制御装置としても使用できる。本発明の温度を一定に維持するという特徴により従来式のＯＮ、ＯＦＦ制御で感じる通電停止時の温度低下による不快感が無くなり、最適な定電力での通電方法により床面が住人に優しい一定温度になり、効率的かつ省エネルギーな制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の融雪システムの概念図
【図２】出力可変装置の構造図
【図３】分周ＩＣ回路の波形図
【図４】発振回路の波形図
【図５】ダイオードによる半波整流波形図
【図６】本発明の融雪システムフローチャート
【符号の説明】
【００２４】      １．融雪対象面
２．第１のセンサー  地温センサー
３．第２のセンサー  外気温付き降雪センサー
４．制御器
５．出力可変装置
６．半導体リレー（ゼロクロス付き）
７．トランス
８．波形可変回路
９．波形切替装置
１０．制御器からの出力条件信号
１１．発熱体
１２．電源正弦波形
１３．分周ＩＣ回路による分周波形
１４．分周した残りの波形
１５．発振回路による可変波形
１６．ダイオード半波整流による＋半波形
１７．ダイオード半波整流による−半波形
【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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【図６】
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