(57)【要約】【課題】床暖房装置において、床材が適正温度になり、且つ室内が快適温度になるまでの到達時間を短縮して、使用者の利便性及び消費エネルギーの削減を実現する。【解決手段】発熱体にペルチェ素子を用い、従来の床暖房装置よりも発熱体を高温に発熱させて瞬時に床材を加熱し、過熱状態に成る前に、当該ペルチェ素子にて発熱体を冷却させて過熱状態になるのを防ぐとともに、当該冷却に伴う排熱を室内に輸送して室内を暖房する床暖房装置。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物の室内の床材を加熱可能な発熱体が、該床材の直下に水平方向に配設されて、該発熱体が所定の温度に発熱することにより該床材が加熱されて室内を暖房する床暖房装置であって、該発熱体は、該発熱体から該床材への放熱手段、及び、所定の冷却手段、及び、該発熱体の加熱又は冷却熱量の制御手段を具備するとともに、該冷却に伴う排熱の該室内への熱輸送手段、及び、該発熱体と該熱輸送手段との間の熱交換手段を該床材の下方に具備し、該制御手段の制御により、本装置が起動してから該床材が適正温度に加熱されるまでは、該発熱体を該所定の温度よりも高温に発熱させることで該床材が瞬時に加熱され、該床材が適正温度に加熱されてからは、該制御手段の制御により、該発熱体を該所定の温度まで冷却するとともに、該冷却に伴い該発熱体から放出される排熱を、該熱交換手段を介して該熱輸送手段が該室内に輸送することで、該床材が過熱状態になることなく該室内を瞬時に暖房することを特徴とする床暖房装置。
【請求項２】
請求項１に記載の床暖房装置であって、該発熱体が、該放熱手段と該熱交換手段とで少なくともひとつのペルチェ素子を挟持する構造から成り、該放熱手段を上方に、該熱交換手段を下方にして配設され、該制御手段が送電方向及び電流量を制御可能な直流電源であって、該制御手段と該ペルチェ素子とが所定の送電線にて接続され、該制御手段が所定の送電方向及び所定の電流量に制御して送電することにより、該床材又は該発熱体から下方へ伝導する熱損失を含む該熱交換手段の周囲の熱を、該熱交換手段を介して該ペルチェ素子が輸送するペルチェ熱、及び、該ペルチェ素子の内部抵抗によるジュール熱が発生し、該ペルチェ熱及び該ジュール熱が該放熱手段を介して放熱されて該床材が加熱されるとともに、該制御手段が該所定の送電方向から送電方向を逆転して送電することにより、該ペルチェ素子が、該所定の冷却手段として、該放熱手段を冷却し、該冷却に伴う排熱が該熱交換手段を介して該熱輸送手段に伝熱され、該熱輸送手段が該排熱を該室内に輸送して該室内を暖房することを特徴とする床暖房装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の床暖房装置であって、該熱輸送手段が、送風方向を制御可能な所定の送風手段を備え、該熱交換手段と接して該発熱体の直下に水平方向に配設され、一端が該室内と、他端が屋外と連通し、気密性を有する中空体から成る熱輸送手段であって、該発熱体が冷却される場合においては、該送風手段にて屋外から外気を、該中空体を経て該室内に送風することにより、該冷却に伴う排熱を該発熱体から該熱交換手段を介して該外気が取得し該室内に輸送されて、該室内を換気すると同時に暖房するとともに、該送風手段にて該室内の空気を、該中空体を経て屋外に送風することにより、該室内を換気すると同時に、該発熱体が発熱するために低温熱源を必要とする場合においては、該室内から該中空体に取り込まれた空気の有する熱及び該床材又は該発熱体から下方へ伝導する損失熱を、該発熱体が該熱交換手段を介して取得することにより該発熱体が発熱して、該床材に放熱することにより該床材が加熱されることを特徴とする床暖房装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の床暖房装置であって、該放熱手段が水密性を有する中空状の熱伝導板から成り、該熱伝導板の内部に熱媒液が充填された放熱手段であって、該熱媒液の自然対流により、該発熱体の熱を均一に該床材に放熱することを特徴とする床暖房装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４に記載の床暖房装置であって、該放熱手段の上面に熱伝導性ゲルから成る面状体を具備し、該放熱手段が該面状体を介して該床材と密着することにより、該放熱手段から該床材への伝熱効率を増大させることを特徴とする床暖房装置。
【請求項６】
請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４又は請求項５に記載の床暖房装置であって、該床材の下方に炭素繊維から成る面状体を備え、該面状体は該炭素繊維の繊維方向が水平に、該発熱体の吸熱部位に接して備えられ、該面状体の繊維方向に対して垂直方向の熱伝導を減少させるとともに、該発熱体が低温熱源を必要とする場合においては、該床材又は該発熱体から下方へ伝導した熱を該面状体が取得して繊維方向に伝導し、該発熱体の冷却部位へ伝導して該熱を該発熱体の発熱、又は、該熱輸送手段により該室内の暖房に利用することを特徴とする床暖房装置。
【請求項７】
請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４又は請求項５又は請求項６に記載の床暖房装置であって、該熱交換手段が、該発熱体の吸熱部位又は冷却時の排熱の放出部位に固着された熱伝導性フィンから成り、該熱伝導性フィンが該熱輸送手段の筐体を貫通して該熱輸送手段内部に配設された熱交換手段であって、該熱伝導性フィンが、該熱輸送手段から熱を取得して該発熱体に伝熱させ、又は、該熱伝導性フィンが、該発熱体から熱を取得して該熱輸送手段に放熱することを特徴とする床暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物の居室の暖房の用に供される床暖房装置において、床下において発生する放熱ロス及び換気による熱損失を有効利用するとともに、当該居室内及び当該居室の床の加熱時間の短縮を実現する床暖房装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
床暖房装置は、室内の暖房において、頭寒足熱という、体感上、理想的な室内環境を創出でき、埃を舞い上げることもなく、室内の結露も発生させにくいもので、多くの住宅、その他の施設の暖房装置として、実用に供されている。特に、パネル式及び根太間設置型床暖房は、従来工法の床構造にそのまま敷設できる容易性のため、多くの実用に供されているが、床暖房装置及び床材自体を発熱させて発生する赤外線の輻射熱を用いる特性上、床下など、床暖房を使用する居室外への輻射熱伝導による熱損失が問題であった。
【０００３】
また、床暖房装置は、一般的に熱伝導率が低い床材を加熱して室内を暖房する特性上、起動してから快適温度に達するまでに所定の時間を要するため、使用者の利便性を損なうと同時に、当該所定の時間を考慮して、プログラム運転などにより使用者の在室時より事前に床暖房装置を起動させておくなど、起動時間が長くなり、その分の無駄なエネルギー消費も問題であった。
【０００４】
床暖房の熱損失を軽減するものとして、上面への伝熱効率が高い形状にすることにより、従来のものよりも低い温水温度にて放熱を行う温水式床暖房装置（例えば非特許文献１参照）があるが、この場合、温水温度が低い分、数値上の輻射熱量は確保できても、体感上の温度が低く感じられ、使用者が設定温度を高くする傾向にあり、結果として省エネには繋がらなかった。また、この装置は、加熱性能を発揮するためには床材の選択に制限があり、使用者の多用な要望に応え得るものではなかった。さらに、床下への放熱ロスも、ある程度発生するものである上、従来のものよりイニシャルコストが高いという問題があった。
【０００５】
床下に温風を通過させ床面を暖める方式（例えば特許文献１参照）は、床下全体を温風により暖め、床材を暖めることにより、床材から輻射熱を発生させるものであり、温水式、電熱式に比べ、イニシャルコストの問題、床材の制限は発生しないものであるが、壁面床下部から室外及び屋外への熱透過及び空気の漏洩による熱損失が発生し、放熱ロスの問題を完全に解決するものではなかった。
【０００６】
床暖房下面に真空断熱層を設ける方式（例えば特許文献２）では、真空断熱層により、床下への熱伝導に対しては、優れた断熱効果を有するが、床暖房による加熱は、床材を構成する分子内の電子の運動エネルギーが赤外線波長の電磁波に変換されたものの輻射によるものが主であり、且つ赤外線輻射は、真空中を透過するものであるため、輻射熱に対する断熱効果は低かった。従って、床暖房の床下への放熱ロスを完全に解決するものではなかった。また、真空断熱層は高価なものであり、イニシャルコストの増大も問題であった。
【０００７】
床暖房下面に気密性を有する断熱層を設ける方式（例えば特許文献３）では、気密性により、床下への対流伝熱の防止には、効果があるが、輻射、熱伝導に対する断熱効果は、従来技術と大差はなく、床下への放熱ロスを完全に解決するものではなかった。
【０００８】
以上、段落０００５−０００７に記載の従来技術では、床下への熱損失には一定の効果があるが、起動してから快適温度に達するまでに時間を要する問題は解決されていなかった。当該問題を回避するため、面状発熱体と床の貫通孔により、温風を室内に吹出す床暖房装置（例えば特許文献４参照）があった。しかし、当該技術の面状発熱体は、加熱時間が短縮されるが、頭寒足熱の温度分布、及び埃を舞い上げないという床暖房装置の長所が損なわれる問題があった。さらに、本方式は、原則的に電気エネルギーのみで加熱する方式であり、エネルギー効率が悪いという問題があった。
【０００９】
一方、室内換気による暖房負荷の増大も問題であった。床暖房使用室において室内換気を行うことにより、外気を室内に取入れることになり、外気負荷が増大し、床暖房装置の使用エネルギーの増大を発生させていた。さらに、この取入外気は、コールドドラフトの原因となり、床暖房使用者は、その不快感を除去するため、暖房の設定温度を上げる傾向があり、それに伴うエネルギー消費も問題であった。建築基準法で、常時換気の設置が義務付けられているため、この問題は、あらゆる建物の居室で発生するものであった。
【００１０】
室内換気による暖房負荷増大への対策として、熱交換型換気扇（例えば特許文献５参照）があるが、その熱交換効率は、６０−７５％程度であり、外気負荷を完全に除去できるものではなかった。さらに床暖房は、赤外線輻射にて人体を直接暖める方式であり、他の暖房方式よりも室内温度が低くなるため、取入外気と室内からの排気との間で熱交換を行う同換気扇では、床暖房使用室においては給排気間の温度差が他の暖房方式使用室の場合よりも小さくなり、高い熱交換効率を実現できるものではなかった。
【特許文献１】特開平７−２２９６２９号公報
【特許文献２】特開２００７−５６６１４号公報
【特許文献３】特開平６−２８１１７２号公報
【特許文献４】特開２００７−１３９３２５号公報
【特許文献５】特開２００６−２２０３３０号公報
【非特許文献１】ノーリツ温水暖房システムガス総合版２００４、２００５第８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
床暖房装置は、上記のとおり、使用者の快適性を実現する暖房方式であるが、従来技術では、床下への一定量の熱損失によるエネルギーロス、床面の加熱に一定の時間を要することによる使用者の利便性の喪失、さらに加熱に要する時間を考慮して事前に起動させることに起因する長時間起動によるエネルギーロスなどの諸問題を発生させていた。
【００１２】
上記、床下への熱損失は、床暖房装置の発熱体と床下との温度差による熱伝導という自然法則によるものであり、これを発生させないことは非常に困難である。従来技術では、当該床下への熱損失を軽減させんと試みていたが、本発明では、当該床下へ伝導する熱を有効利用することを考える。つまり、本発明は、当該床下へ伝導する熱を有効利用することにより、床下への熱損失が発生しないと想定した場合と、実質的に同様のエネルギー収支とすることを課題のひとつとするものである。
【００１３】
また、上記、床面の加熱に要する時間による使用者の利便性の喪失等の諸問題に関しては、床面の加熱に要する時間を短縮することにより、解決できるものである。床暖房装置において加熱時間を短縮することは、床暖房装置の発熱体の温度を高くすることにより、発熱体と床面との温度差が大きくなり、そのため発熱体から床面への放熱量が大きくなることで可能となる。しかし、発熱体の温度が高いまま床面を加熱し続けると床面の温度が過熱状態となり、使用者が当該床面に居続けることで、当該使用者と床面とが接する部分の閉塞温度が高くなり、当該使用者が低温火傷を被る危険性がある。
【００１４】
当該低温火傷の危険性を回避した上で、床面の加熱に要する時間を短縮するためには、起動直後は発熱体の温度を高温に保ち、床面が所定の温度に達すると、発熱体の温度を速やかに、低温火傷が発生し得ない温度まで下げる必要がある。本考案は、当該発熱体の温度を高温から低温へ自在に制御し得る加熱手段を提供することで、当該低温火傷の危険性を回避しつつ、床面の加熱に要する時間を短縮することも課題のひとつとするものである。
【００１５】
さらに、従来技術では、床暖房装置使用室における室内換気による暖房負荷増大のため、エネルギー消費の増大を発生させていた。段落００１０に記載のとおり、熱交換型換気扇では、室内換気による暖房負荷の増大を完全に防げない上、当該熱交換型換気扇を別途設置する必要があり、イニシャルコストの増大が発生する。
【００１６】
この対策として、熱交換型換気扇のように、室内換気の排気と給気で熱交換を行うのではなく、当該室内換気の排気の有する熱を床暖房装置の加熱に完全に有効利用すれば、実質的に、換気による暖房負荷がないと想定した場合と同様のエネルギー収支となる。本発明は、室内換気の排気の熱を、床暖房装置の加熱に有効利用できる発熱体を提供することも課題のひとつとするものである。
【００１７】
以上、本発明は、床暖房装置の床下へ伝導する熱を有効利用し、使用者に低温火傷の危険性を発生させずに加熱時間を短縮させ、室内換気による暖房負荷の増大を実質的に発生させないという課題を、単一の装置にて解決せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
床暖房装置の建物の室内への設置には、建物の床を構成する構造体に直接、若しくは床を構成する構造体の上面にフリーアクセスフロア、根太などにより床下地が組まれ、その床下地の上面若しくは根太間に床暖房装置の発熱体が設置される乾式工法、建築体の床を構成する構造体上部に発熱体を敷設し、且つコンクリートを打設し、発熱体がコンクリート内部に位置する湿式工法などが用いられる。何れの工法でも、当該発熱体の上面に床材が当該発熱体上部に固着された床構造が用いられる。
【００１９】
請求項１の記述は、前段落記載の床構造に設置可能であるとともに、当該床材を瞬時に加熱して、当該室内を瞬時に暖房可能な床暖房装置に関するものである。本発明装置では、当該発熱体は、建物の室内の床材を加熱加納であるとともに、冷却手段を兼備しており、当該床材の直下に水平方向に配設されている。さらに、当該床材に当該発熱体の熱を床材に放熱させるための放熱手段も具備している。
【００２０】
また、本発明装置は、当該発熱体を加熱又は冷却する熱量を制御する所定の制御手段、及び、冷却時の排熱を当該室内に輸送する所定の熱輸送手段、及び、当該熱輸送手段と当該発熱体との間の熱交換を行う熱交換手段を当該床材の下方に具備している。ある物体を冷却するには、熱力学第一法則より、必ず何らかの熱が伴うものであるため、前記冷却時の排熱は必ず発生するものである。
【００２１】
ここで、床暖房装置が起動していない状態での床材及び床下の温度は、室内と熱平衡の状態になっていると想定されるため、非暖房時の室内温度と同一と考えられる。床暖房装置が起動していない状態の床面を適正温度に加熱するためには、当該発熱体からの所定の熱量の放熱が必要になる。当該床暖房装置が起動して、当該床面を適正温度に加熱するための必要熱量と、当該発熱体からの加熱熱量との関係は、次式で表される。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
数１で、ｔは当該床暖房装置が起動してから床面が適正温度になるまでの時間を表す。Ａは床暖房装置が敷設された床面の面積、Ｋ１は発熱体から床面への熱通過率、Ｔｈは当該発熱体の発熱温度、Ｔiは任意のi時点における当該床材の温度、ｈは床面から室内空気への熱伝達率、Ｔｒは非暖房時の室内温度で、熱平衡の状態である床下の温度と同一である。Ｋ２は床面から床下への熱通過率、Ｌは当該床材の厚さ、即ち、当該床材の鉛直方向への長さを表す。また、Ｃｐは当該床材の定圧比熱、Ｐは当該床材の密度、Ｔｍは当該床面の暖房時の適正温度を表す。
【００２４】
数１で、左辺第１項は発熱体とi時点における当該床材との温度差に当該発熱体から床面への熱通過率と床暖房装置が敷設された床面の面積とを乗じ、ｔ時間で積分することで、当該発熱体から当該床材への総放熱量を表す。同左辺第２項はi時点における当該床材と非暖房時の室内との温度差に床面から室内空気への熱伝達率と床暖房装置が敷設された床面の面積を乗じ、ｔ時間で積分することで、当該床材から室内への総放熱量を表す。同左辺第３項は、当該床材と室内と熱平衡の状態である床下との温度差に、床面から床下への熱通過率と床暖房装置が敷設された床面の面積とを乗じ、ｔ時間で積分することで、床下への熱損失の総熱量を表す。
【００２５】
右辺は、床面の暖房時の適正温度と非暖房時の床面との温度差に、当該床材の定圧比熱と密度を乗じ、床暖房装置敷設面積と当該床材の厚さとの積、即ち床暖房敷設部位の床材の体積をも乗ずることで、当該床材を当該適正温度に加熱するために必要な熱量を表す。
【００２６】
発熱体が床材を加熱する場合、当該床材との温度勾配により、当該床材から室内及び床下への放熱が発生する。従って、数１の左辺で表される発熱体からの総放熱量の内、当該室内及び床下への放熱量を除いた熱量にて、当該床材が加熱されることになる。この数１左辺で表される熱量が当該床材を当該適正温度に加熱するために必要な熱量と等しければ、当該床材を適正温度に加熱することができる。
【００２７】
数１の左辺が示すとおり、当該発熱体の温度が高くなると、Ｔｈの値が大きくなり、当該発熱体からの総放熱量が大きくなる。ここで、仮に、Ｔｈの値が大きくなることによる放熱量の増大の相当分、加熱時間ｔの値を小さくすると、左辺第１項の値は当然変化しない。左辺第２項及び第３項に関しても、ｔが小さくなってもＴｈの値が大きくなった分、Ｔｉの値の増大速度が大きくなるため、当該左辺第２項及び第３項の値は変化しない。従って、数１より、発熱体の温度Ｔｈを大きくすることで、加熱時間ｔを短縮しても床材を適正温度に加熱することができる。
【００２８】
当該床材は適正温度に加熱されてからも当該床材から室内及び床下への放熱が発生するため、当該発熱体からの発熱が必要になる。このときの発熱体の発熱量は、既に当該床材が適正温度に加熱されているため、数１に当てはめると左辺は０となる。このとき、Ｔｈの値が、ｔ時間内と同一であると、余剰となった熱が当該床材をさらに加熱してしまい、当該床材が過熱状態になってしまう。
【００２９】
室内では、通常、使用者が床面に接して居留していて、使用者と床面との接触部は閉塞状態となり、室内空気への放熱が発生しないため、その閉塞温度はさらに高くなり、使用者が低温火傷を被る危険性がある。従って、発熱体からの床材への放熱量が、当該床材から室内への放熱量と床下への熱損失の相当熱量との和と等しくなるよう、発熱体の温度Ｔｈを所定の温度まで下げる必要がある。
【００３０】
このとき必要となるのが所定の冷却手段である。実際のサイクルとして、先ず、所定の制御手段の制御により、発熱体が所定の温度よりも高い温度に発熱し、当該発熱体が所定の放熱手段を介して床材を加熱する。当該床材が適正温度まで加熱されると、当該制御手段の制御により、当該冷却手段が、当該発熱体及び当該放熱手段を当該所定の温度まで冷却する。段落００２０に記載のとおり、冷却するときに、少なくとも当該冷却の相当熱量の排熱が発生する。この排熱が、例えば放熱フィンなどの熱交換手段を介して熱輸送手段に伝熱される。
【００３１】
当該熱輸送手段は、取得した当該排熱を室内に輸送して、当該室内が暖房される。このときの輸送熱量は、前記所定の温度よりも高いｔ時間内の発熱体の温度と前記冷却された所定の温度との差に、放熱手段を含む発熱体の体積及び定圧比熱及び密度を乗じ、当該発熱体の体積で積分した値となる。また、同時に、床暖房装置本来の機能である床面から室内への伝熱が発生し、このときの室内の取得熱量は次式で表される。
【００３２】
【数２】
2009145035.tif 000004
【００３３】
数２で、熱輸送手段が室内に熱を輸送する間の当該室内の総取得熱量を表す。Ｖは放熱手段を含む発熱体の体積、Ｃｐｎは当該放熱手段を含む発熱体内の任意のｎ点における当該放熱手段を含む発熱体の定圧比熱、Ｐ２は当該発熱体の平均密度、Ｔiは任意のi時点における当該発熱体の温度、Ｔoは前記所定の温度、ｔ２は当該熱輸送手段が室内に熱を輸送する時間、即ち所定の温度より高い温度に発熱した発熱体が所定の温度まで冷却されるのに要する時間を表す。Ａは床暖房装置が敷設された床面の面積、ｈは床面から室内空気への熱伝達率、Ｔｍは当該床面の暖房時の適正温度、Ｔｒは非暖房時の室内温度、Ｋ２は床面から床下への熱通過率、Ｔｒ２はｔ２時間内における床下の温度、Ｅは床面の輻射熱に対する放射率、Ｓはステファン・ボルツマン定数を表す。
【００３４】
数２の右辺第１項は、段落００３１に記載のとおり、熱輸送手段による輸送熱量を表す。同右辺第２項は、適正温度に加熱された床面と室内との温度差に、床面から室内空気への熱伝達率と床暖房装置が敷設された床面の面積を乗じ、ｔ２時間で積分することで、ｔ２時間内に室内が床面から自然対流熱伝達により取得する総熱量を表す。同右辺第３項は、適正温度に加熱された床面と床下との温度差に、床面から床下への熱通過率と床暖房装置が敷設された床面の面積を乗じ、ｔ２時間で積分することで、ｔ２時間内に床面から床下に伝熱する総損失熱量を表す。
【００３５】
また、同右辺第４項中で、適正温度に加熱された床面の絶対温度の４乗と室内の絶対温度の４乗との差に床面の輻射熱に対する放射率とステファン・ボルツマン定数を乗じることで、ステファン・ボルツマンの法則による床面からの単位面積あたりの輻射熱量を表し、当該輻射エネルギーに床暖房装置が敷設された床面の面積を乗じ、ｔ２時間で積分することで、同右辺第４項は、ｔ２時間内に床面から室内に放射される総輻射熱量を表す。
【００３６】
また、非暖房の状態の室内が快適温度に暖房されるとき、当該室内の空気を加熱すればするほど当該室内を構成する壁体から外方への放熱が発生する。従って、当該室内を快適温度に暖房するために必要な熱量は、次式で表される。
【００３７】
【数３】
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【００３８】
数３で、Ｑ２は室内を快適温度に暖房するために必要な総熱量を表す。Ａは床暖房装置が敷設された床面の面積、Ｌ２は室内の天井高さで、ＡとＬ２を乗じることで、当該室内の室容積を表す。Ｃｐ３は空気の定圧比熱、Ｐ３は空気の密度、Ｔｗは室内の快適温度、Ｔｒは非暖房時の室内温度、ｔ２は、数２の符号と同一で、当該熱輸送手段が室内に熱を輸送する時間、Ａｊはｎ個の面から成る室内の壁体の第ｊ面の壁体の面積、Ｋｊは同第ｊ面の壁体の熱通過率、Ｔiiは任意のii時点における室内温度、Ｔｃは室外温度、Ｗｋは照明器具、人体など、ｍ箇所から成る室内発熱要素のうちの、第ｋ箇所の当該発熱要素からの発熱量を表す。
【００３９】
数３の右辺第１項は、室内の快適温度と非暖房時の室内温度との差に、室容積と空気の定圧比熱、空気の密度を乗じることで、室内空気を快適温度に暖房するために必要な総熱量を表す。しかし、室内を暖房する場合、室内温度は徐々に上昇し、上昇するにつれて、室内外に温度勾配が発生し、室内から室外への伝熱が発生する。そのため、室内を快適温度に暖房するために、当該伝熱の相当熱量分がさらに必要になる。右辺第２項では、ｎ面の壁体から成る室内において、そのうちの第ｊ面の壁体の任意のii時点における室内温度と室外温度との差に、室内外の間の壁体の熱通過率を乗じ、当該壁体の面積で積分した値のｎ面分の総量が、当該室内から室外への通過熱量を表し、当該通過熱量をｔ２時間で積分することで、ｔ２時間内に室内から室外に通過した総熱量を表す。
【００４０】
また、室内には、照明、人体などの発熱要素があり、これらの総発熱量は、室内を快適温度に暖房するために必要な総熱量から除くことができる。同右辺第３項は、ｍ箇所から成る室内の発熱要素の総和をｔ２時間で積分することで、ｔ２時間内における当該発熱要素からの総発熱量を表す。
【００４１】
ここで、数２及び数３を用いて本発明装置が室内を暖房する過程を説明する。数２の右辺第１項は、発熱体の冷却に伴う排熱を熱輸送手段が室内に輸送する総熱量で、本発明装置固有の室内取得熱の要素である。同右辺第２−４項は、床面からの対流熱伝達及び輻射伝熱取得から床下への熱損失を除いたもので、従来技術の床暖房装置と同様の室内取得熱の要素である。床暖房装置は本来、床面からの伝熱により室内を暖房するものであるから、同右辺第２−４項にて表される、床面からの対流熱伝達及び輻射伝熱取得から床下への熱損失を除いた値は、少なくとも室内の暖房負荷、即ち、数３の右辺第２項と同第３項との差、以上である必要がある。本発明装置も、従来技術と同様に、床面からの対流熱伝達及び輻射伝熱取得から床下への熱損失を除いた値が少なくとも室内の暖房負荷以上となるよう平常運転時の発熱体の加熱能力を設定する。
【００４２】
熱輸送手段として、流体から成る熱媒体などを用いたとすれば、発熱体の冷却に伴う排熱を、速やかに室内に輸送することができる。この熱輸送手段による僅かな輸送時間内に室内を快適温度まで完全に暖房するためには、少なくともＱ＝Ｑ２でなければならない。また、床下への熱損失を除く、適正温度における床面からの取得熱量が、室内の暖房負荷以上になるよう設定されているため、当該取得熱量と室内の暖房負荷との差が、余剰熱量として室内の空気を加熱する。以上の関係は、次式で表される。
【００４３】
【数４】
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【００４４】
数４で、左辺及び右辺第１項はそれぞれ数３右辺第１項及び数２右辺第１項と同一であるため、説明を省略する。右辺第２項は、段落００４２に記載の余剰熱量であり、（数２右辺第２項）-（同右辺第３項）+（同右辺第３項）-{（数３右辺第２項）-（同右辺第３項）}により求められる値を表す。床面が適正温度に加熱された状態において、室内から、床下を含む室外への通過熱量、及び床面から室内への放熱量は、ほぼ一定であるため、数４の右辺第２項は定数と看做して問題ない。従って、右辺第１項の値の増減により、当該熱輸送手段による室内暖房能力が変化する。
【００４５】
右辺第３項の要素のうち、Ｖは、発熱体の体積であり、床面積と床構造による制限があり、大きく変化させることができない。よって、ほぼ一定として扱われるべきものである。体積が一定であると、ＣｐｎにＰ２を乗じた値である定積比熱が大きく、温度が高いほど大きな熱量を有することになる。しかし、定積比熱が大きい物体をある加熱するには、より大きな熱量が必要になる。
【００４６】
従って、放熱手段を含む発熱体に定積比熱の大きな素材を選定し、さらに当該素材を速やかに、前記所定の温度よりも高い温度に加熱し得る熱量を放熱可能な発熱手段及び放熱手段を当該発熱体に用いることが必要になる。同時に、所定の温度までの冷却に伴う排熱を速やかに輸送可能な熱輸送手段、及び、当該熱輸送手段に当該排熱を速やかに伝熱可能な熱交換手段が必要になる。以上の条件を満たすことにより、本発明装置にて床面を過熱状態に陥ることなく瞬時に加熱するとともに、室内も瞬時に暖房することが可能となる。
【００４７】
請求項２の記述は、前段落記載の条件を満たす発熱体に関するものである。本発明装置における発熱体は、放熱手段と熱交換手段とで、少なくともひとつのペルチェ素子を挟持する構造から成るものである。この構造から成る発熱体が、放熱手段が上方に、熱交換手段が下方になるように、床材の直下に水平方向に配設されるものである。
【００４８】
また、当該ペルチェ素子による加熱又は冷却熱量を制御する制御手段として、送電方向及び電流量を制御可能な直流電源を備え、当該直流電源と当該ペルチェ素子は、所定の送電線にて接続されている。ペルチェ素子は、ｐ型半導体とｎ型半導体とのπ型接続の集合体から成る熱電素子であって、通電することにより低温側から高温側に熱輸送する素子である。発熱体加熱時の低温熱源は、熱交換手段を介して接する当該熱交換手段の周囲の熱である。
【００４９】
当該熱交換手段は床材の下方に配設されているため、当該熱交換手段の周囲の熱には、数２右辺第３項に表される床下への熱損失も含まれる。当該制御手段が所定の送電方向及び電流量に制御して当該ペルチェ素子に送電することにより、当該ペルチェ素子が当該熱交換手段の周囲の熱を当該放熱手段に輸送することにより、当該床下への熱損失も床材の加熱に有効利用できる。
【００５０】
このとき輸送される熱がペルチェ効果によるペルチェ熱である。同時に、当該ペルチェ素子には電気的な内部抵抗が存在するため、通電によりジュール熱が発生する。当該ペルチェ熱と当該ジュール熱とで、当該放熱手段を介して当該床材が加熱されることになり、当該ペルチェ熱と当該ジュール熱が本発明装置の加熱能力となる。このときの発熱量及び消費電力は、次式で表される。
【００５１】
【数５】
2009145035.tif 000007
【００５２】
【数６】
2009145035.tif 000008
【００５３】
数５で、Ｑ３は、ｐ型半導体とｎ型半導体とのπ型接合部一箇所あたりのペルチェ素子高温側からの放熱量を表す。Ｓｐは当該ペルチェ素子を構成するｐ型半導体のゼーベック係数、Ｓｎは当該ペルチェ素子を構成するｎ型半導体のゼーベック係数、Ｔｃ２は当該ペルチェ素子の低温側の温度、Ｉは当該ペルチェ素子に通電される電流値、Ｒは当該ペルチェ素子の電気的内部抵抗、Ｋ３当該ペルチェ素子の熱伝導率、はＴｈ２は当該ペルチェ素子の高温側温度を表す。
【００５４】
数５において、右辺第１項は、当該ペルチェ素子が通電により低温側から高温側に輸送するペルチェ熱を表す。同右辺第２項は、当該通電時に当該ペルチェ素子の内部抵抗によるジュール熱を表す。当該ジュール熱は当該ペルチェ素子の低温側と高温側に均等に発生するため、消費電力に１/２を乗じた値が高温側に発生することになる。同右辺第３項は、当該ペルチェ素子の高温側と低温側との温度差により発生する熱伝導による熱量を表す。ペルチェ熱に当該高温側におけるジュール熱を加え、熱伝導を除いた値が当該高温側からの放熱量Ｑ３となり、Ｑ３のｐ型半導体とｎ型半導体とのπ型接合部の個数分の総和が本発明装置の総発熱量となる。
【００５５】
また、数６で、ＷＰは、当該ペルチェ素子のｐ型半導体とｎ型半導体とのπ型接合部一箇所あたりの消費電力を表す。その他の符号は数５と同一である。
【００５６】
数６において、右辺第１項は、オームの法則による当該ペルチェ素子の消費電力を表す。また、ペルチェ素子は熱電素子であり、ペルチェ効果により当該ペルチェ素子の高温側と低音側とで温度差が生じると、ゼーベック効果により通電方向とは逆の起電力が発生し、当該逆起電力の相当電力がさらに消費される。同右辺第２項は、当該逆起電力の相当電力を表す。同右辺第１項に、同第２項を加えた値が当該ペルチェ素子の消費電力WPとなり、WPのｐ型半導体とｎ型半導体とのπ型接合部の個数分の総和が本発明装置の総消費電力となる。
【００５７】
ペルチェ素子の発熱量は、数５より、低温側の温度が高いほど大きくなる。また、数６より、低温側の温度が高いほど消費電力は小さくなる。前記制御手段が所定の方向に所定の電流を送電することにより、熱交換手段の周囲の熱が前記ペルチェ効果により放熱手段に輸送されて床材が加熱される訳であるが、同時に、数３右辺第２項で表される床下への熱損失が発生して床下もある程度暖房されてしまう。その結果、当該熱交換手段の周囲も暖房され、当該熱交換手段の周囲は過冷却されることなく、当該ペルチェ素子の発熱量は確保されるとともに、消費電力も抑えられる。
【００５８】
実際には、暖房されるとはいえ、床下へ伝熱した損失熱は、熱交換手段を介して即座にペルチェ素子に吸収されるため、従来技術に比べて床下の温度は低くなり、当該熱交換手段のさらに下方の部位との温度差が小さくなり、又は当該さらに下方の部位よりも温度が低くなる。その結果、当該さらに下方の部位への伝熱量が小さくなり、又は、当該さらに下方の部位から伝熱してくることになり、床下からさらに下方への熱損失を抑えることが可能となる。
【００５９】
また、ペルチェ素子は通電すると、電子が熱を輸送するものであるため、その熱輸送速度は光速に等しい。ペルチェ素子の耐熱温度は現行のもので１５０℃から８００℃程度であり、その輸送熱量は数５右辺第１項のとおり、電流値に比例する。従って、所定の方向に、所定の電流値にて送電することにより、当該ペルチェ素子の高温側を瞬時に高温に発熱させることが可能である。
【００６０】
前段落に記載のとおりに、制御手段により所定の方向に、所定の電流値にてペルチェ素子に送電すると、放熱手段を介して床材が短時間にて加熱されて適正温度に達する。このとき、当該床材が過熱状態に陥らぬよう、放熱手段を含む発熱体を冷却する必要がある。
【００６１】
ペルチェ素子は、送電方向により熱輸送方向が決まるため、送電方向が逆転すると加熱冷却面も逆転する。即ち、制御手段が送電方向を前記所定の方向から逆転させて送電することにより、当該ペルチェ素子が放熱手段の熱を排熱として熱交換手段に輸送して、さらに当該排熱が熱輸送手段に伝熱され、放熱手段が冷却されることになる。当該ペルチェ素子が送電方向により、発熱体の冷却手段として機能し、床材の過熱を防ぐことになる。同時に、当該排熱は熱輸送手段により室内に輸送されて、当該室内は暖房される。
【００６２】
請求項３の記述は、熱輸送手段に関するものである。本発明では、室内換気による暖房負荷の増大を防ぐことも課題としているため、室内換気と熱輸送及び当該室内換気の熱利用を実現し得る手段として、送風方向を制御可能な所定の送風手段を備えた気密性を有する中空体を当該熱輸送手段として用いている。
【００６３】
当該中空体は、発熱体の直下に水平方向に配設されるとともに、一端が本発明装置を使用する室内と、他端が屋外と連通するものである。この連通により、屋外から当該中空体を経て、室内に通ずる通気経路が形成される。当該通気経路間に、送風方向を制御可能な所定の送風手段が配設されて、屋外から当該中空体を経て室内に、又は室内から当該中空体を経て屋外に送風可能な構造になっており、当該送風により、室内換気も同時に行えるようになっている。
【００６４】
また、当該中空体は、熱交換手段と接していて、発熱体の冷却に伴う排熱を、当該熱交換手段を介して当該中空体内部の空気が取得し、又は、発熱体が低温熱源を必要とする場合においては、当該中空体内部の空気の熱を、該熱交換手段を介して該発熱体が取得可能な構造になっている。
【００６５】
上記の構造により、当該発熱体の冷却に連動して、送風方向を屋外から当該中空体を経て室内への方向に制御されて送風手段が送風することにより、屋外から取り入れられた外気が当該中空体内部において熱交換手段から、前記冷却に伴う排熱を取得して当該排熱を室内に輸送することが可能となる。当該排熱を取得した外気により室内が暖房されるとともに、室内が換気される。
【００６６】
また、当該発熱体の床材の加熱に連動して、送風方向を室内から当該中空体を経て屋外への方向に制御されて送風手段が送風することにより、当該発熱体が低温熱源を必要とする場合においては、暖房された室内から取り入れられた空気の熱を当該中空体内部において熱交換手段を介して当該発熱体が取得して、当該室内から取り入れられた空気の熱を当該発熱体の発熱に利用することが可能となる。同時に室内空気が屋外に排出されて、室内は換気される。
【００６７】
このとき、床材及び発熱体から下方への熱損失が発生するため、当該熱損失も、当該低温熱源を必要とする発熱体が取得して、当該発熱体の発熱に有効利用することが可能となる。このようにして、換気による熱損失、床材及び発熱体から下方への熱損失を有効利用して当該発熱体が発熱し、床材に放熱し、当該床材が加熱される。
【００６８】
また、発熱体が低温熱源を必要としない場合においては、暖房された室内空気が発熱体の直下に配設された当該中空体に取り込まれることにより、床材及び発熱体と下方との温度差が小さくなり、床材及び発熱体から下方への熱損失を減少させることが可能となる。
【００６９】
請求項４の記述は、放熱手段に関するものである。床暖房装置において、発熱体からの熱は、均一且つ速やかに床材に放熱されるべきものである。そのため、本発明装置においては、水密性を有する中空状の熱伝導板をその筐体とする。当該中空上である熱伝導板の内部に熱媒液が充填されたものを放熱手段とする。
【００７０】
発熱体から当該放熱手段に伝熱すると、当該筐体が加熱される。当該筐体が加熱されると当該筐体は熱伝導性を有するため、内部に充填された熱媒液に伝熱する。加熱された熱媒液は、加熱されると膨張により密度が小さくなり、上方へ自然対流し、当該中空状の熱伝導板の上方の側壁に到達すると、それ以上、上方に対流できなくなり、水平方向に対流する。当該水平方向の対流の過程で、当該熱媒液が当該筐体を介して床材に放熱すると、密度が大きくなり下方へ自然対流する。この、上方、水平方向、下方の対流サイクルにより、均一且つ速やかに床材を加熱することが可能となる。
【００７１】
また、通常の熱媒液は、金属板、空気などと比して定積比熱が大きいため、数２より、発熱体冷却時の室内の暖房能力が増大し、室内の快適温度に到達するまでの時間を短縮することが可能となる。また、当該熱媒液は、ある温度に到達すると蒸発するため、熱媒液の蒸発潜熱取得により、発熱体が過熱して破損することを防ぐこともできる。
【００７２】
請求項５の記述は、放熱手段から床材への放熱効率を高めるための手段に関するものである。接触するある２物体間の伝熱量は、２物体間の温度差に熱通過率と伝熱面積を乗じた値である。また、接触面に隙間があると、当該隙間内空気への熱伝達率が大きくなり、当該熱通過率が大きくなる。従って、２物体間が密着することで、伝熱面積が大きくなり、且つ、隙間がなくなり当該熱伝達率が限りなく０に近づくため、２物体間の伝熱量は増大する。
【００７３】
本発明装置においては、放熱手段から床材への伝熱量を増大させるために、放熱手段の上面に熱伝導性ゲルから成る面状体を具備するものとする。ゲル体の持つ高い粘弾性により、凹凸を有する床材及び放熱手段に密着できるため、隙間なく、且つ、伝熱面積を大きくでき、また、当該ゲル体自体に熱伝導性があるため、当該放熱手段から当該床材への放熱を速やか且つ効率的に行うことが可能となる。
【００７４】
請求項６の記述は、床下への熱損失を軽減させ、且つ当該熱損失を有効利用するための床暖房装置の構造に関するものである。炭素繊維を織り上げたものから成る面状体が、繊維方向を水平にして床材の下方に、且つ、当該面状体の任意の部位が、低温熱源を必要とする場合の発熱体の吸熱部位に接する形で敷設された構造を用いる。
【００７５】
炭素繊維は、熱伝導率が比較的高い炭素を基材とする繊維である。熱伝導率の高い物体でも繊維の集合体を形成すると、その繊維間に空気層が形成されるため、繊維方向と垂直を成す方向の熱伝導率が低くなる。炭素繊維から成る面状体は、繊維方向に熱が通過する場合には、空気層に遮られることがないため熱伝導性が高く、繊維方向と垂直を成して熱が通過する場合には、空気層に遮られるため熱伝導性が低くなる。従って、当該面状体が所定の厚さを確保することで、下方への熱伝導性は低くなり、水平方向への熱伝導性は高くなる。
【００７６】
発熱体及び床材が加熱されると、数３右辺第２項で表されるとおり、下方、即ち当該面状体の繊維方向と垂直を成す方向への伝熱が発生する。当該伝熱は、当該面状体に到達すると、当該面状体は繊維方向と垂直を成す方向への熱伝導性が低いため、さらに下方への伝熱量を軽減させるとともに、熱伝導性の高い繊維方向に伝導し、当該面状体に接する発熱体の吸熱部位に集熱されることになる。即ち、炭素繊維から成る面状体を、繊維方向を水平にして床材の下方に、且つ、当該面状体の任意の部位が、低温熱源を必要とする場合の発熱体の吸熱部位に接する形で敷設することで、床下への熱損失を防ぐとともに、当該熱損失を発熱体の発熱に有効利用できる。
【００７７】
請求項７の記述は、熱交換手段に関するものである。本発明装置においては、熱交換手段として熱伝導性フィンを用いる。当該熱伝導性フィンは、該発熱体の吸熱部位又は冷却時の排熱の放出部位に固着されていて、該熱輸送手段の筐体を貫通して該熱輸送手段内部に配設されたている。
【００７８】
フィンは、その構造により、熱輸送手段内部空間との接触面積が大きくなり、効果的に当該熱輸送手段から熱を取得して発熱体に伝熱させ、又は、当該発熱体から熱を取得して当該熱輸送手段に放熱することができる。当該熱輸送手段が作動流体を使用する場合においては、対流熱伝達熱量も大きくなり、より効率的な熱交換が可能となる。
【発明の効果】
【００７９】
本発明の床暖房装置は、発熱体が従来の床暖房装置よりも高温に発熱することで、床面が適正温度までの到達時間を大幅に短縮する。床暖房装置は、発熱体の温度が高くなると、床材が過熱状態に成り、使用者が低温火傷を被る危険性があるものであるが、本発明装置は、発熱体に冷却手段を具備させることにより、当該低温火傷を被る危険性を発生させることなく、床材の加熱に要する時間を短縮できるものである。
【００８０】
また、当該冷却に伴う排熱を熱輸送手段にて室内に輸送することで、冷却に伴うエネルギーロスを室内暖房に有効利用するとともに、室内を快適温度まで暖房するために要する時間をも短縮するものである。快適温度までの到達時間を短縮することにより、使用者の利便性を高めるのみならず、使用者が事前に床暖房装置を起動させておく必要がなくなり、床暖房装置の起動時間が短縮し、結果的にエネルギー消費の削減に繋がるものである。以上、請求項１の記述の効果である。
【００８１】
また、発熱体に通電による応答性の速いペルチェ素子を用いることにより、床材を瞬時に加熱することが可能となる。また、ペルチェ素子は、送電方向を逆転させると加熱冷却面も逆転するため、冷却手段として兼用することができるとともに、薄型板状の素子であり、配設に際し大きなスペースを必要としないため、床材の直下という限られたスペースに配設するのに適した発熱、冷却手段である。
【００８２】
ペルチェ素子は、省スペース性、瞬間加熱性のみならず、エネルギー効率の上からも有効な発熱手段である。ペルチェ素子の放熱側における発熱量は、ジュール熱とペルチェ熱から成るものであり、投入電気エネルギー量を超えるものである。また、床材を加熱するべく当該ペルチェ素子の上面を放熱面とした場合、下面が吸熱面となり、床材から下方への熱損失を低温熱源として床材の加熱に利用できるため、投入エネルギー量に比して大きな加熱性能を発揮できる。
【００８３】
ペルチェ素子にて加熱された放熱手段を冷却する場合は、当該ペルチェ素子の下面から当該冷却に伴う排熱が放熱されることになるが、このときの放熱量も放熱手段から吸熱されるペルチェ熱に当該ペルチェ素子の内部抵抗によるジュール熱が加わる。上記数３にあてはめると、右辺第１項がペルチェ熱に相当する。ペルチェ素子を発熱体の冷却手段として用いた場合、同式にジュール熱の要素が加わるため、熱輸送手段による輸送熱量は大きくなり、さらに大きな室内暖房性能を発揮できる。以上、請求項２の記述の効果である。
【００８４】
また、当該冷却に伴う排熱を室内に輸送する熱輸送手段として、送風方向を制御可能な所定の送風手段を用いることにより、当該排熱を有効利用するとともに、換気による暖房負荷の増大を防ぐ機能も兼備できる。
【００８５】
屋外から室内方向へ送風する場合においては、従来の換気方法に比して、外気が熱を取得した上で室内に取り込まれるため、換気が原因となるコールドドラフトが発生しない。また、室内から屋外方向へ送風する場合は、特に発熱体がペルチェ素子のように低温熱源を必要とする場合においては、暖房された室内の空気の有する熱が低温熱源となるため、換気による暖房負荷の相当熱量が発熱体の発熱に有効利用することができ、その結果、換気による暖房負荷が発生しない場合と同様のエネルギー収支と成り、当該換気による暖房負荷の削減を実現したことになる。以上、請求項３の記述の効果である。
【００８６】
発熱体が放熱手段を瞬間的に高温に加熱しようとすると、当該放熱手段の熱抵抗により、温度ムラが発生する。当該温度ムラは、局所的な過熱状態を発生させる要因となり、当該過熱状態は、発熱体及び放熱手段、床材の反りなどの変形、及び焼損を発生させる要因となる。
【００８７】
当該放熱手段に熱媒液を充填した中空状の熱伝導板を用いることにより、当該熱媒液の自然対流により、均一に伝熱させることが可能となる。これにより、上記発熱体及び放熱手段、床材の反りなどの変形、及び焼損を防ぐとともに、局所的な過熱状態により使用者が低温火傷を被る危険性を回避することができる。
【００８８】
熱媒液を使用する効果は、均一な伝熱のみでなく、その比熱の大きさも長所となる。一般的に熱媒液として用いられるエチレングリコールなどは、金属などに比して比熱が大きいため、数２より、熱輸送手段による輸送熱量が大きくなる。そのため、室内を快適温度まで高めるための所要時間の短縮に繋がる。以上、請求項４に記述の効果である。
【００８９】
また、放熱手段から、床材への放熱効率は、床暖房装置の暖房性能の一要因となるが、従来工法では、床材と放熱手段との間に隙間が発生し、当該隙間が形成する空気層により、熱抵抗を発生させていた。当該放熱手段の上面に熱伝導ゲルから成る面状体を具備し、当該放熱手段と床材とが当該面状体を介して密着することにより、熱抵抗が減少し、床材を速やかに加熱することができる。
【００９０】
また、発熱体が高温に発熱したとき、床材への放熱が不十分であると放熱手段及び発熱体が蓄熱して過熱状態になり、発熱体及び放熱手段が焼損する可能性があるが、当該面状体が放熱手段と床材との間に介在することで円滑な放熱が行われ、当該焼損を回避することができる。以上、請求項５の記述の効果である。
【００９１】
床材が加熱されると床下への熱損失が発生することは、上記のとおりであるが、当該床材の下方に、発熱体の吸熱部位に接する形で炭素繊維から成る面状体を備えることにより、当該炭素繊維から成る面状体よりさらに下方への伝熱を防ぐとともに、当該炭素繊維から成る面状体に対して伝熱する熱を、ペルチェ素子などの発熱体の吸熱部位に速やかに伝熱するため、本発明装置の床下への熱損失の有効利用性能をさらに高めることが可能となる。以上、請求項５の記述の効果である。
【００９２】
上記の発熱体と熱輸送手段との間の熱交換手段に、熱伝導性フィンを用いることで、熱輸送手段との対流熱伝達率が大きくなり、発熱体と熱輸送手段との間の熱交換効率が高まり、上記の効果をさらに高めることができる。以上、請求項６の記述の効果である。
【００９３】
以上のとおり、請求項１から６に記載の発明を実施することで、床暖房装置にて室内を暖房する場合において、床面及び室内を瞬時に加熱して使用者の利便性を高めるとともに、無駄なエネルギー消費の削減も実現するという効果を、安全且つ円滑に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９４】
床暖房装置の発熱体が高温に発熱して床面を瞬時に加熱し、床面が適正温度に達すると発熱体を所定の温度に冷却し、当該冷却に伴う排熱を室内に輸送にて室内を瞬時に暖房するために、発熱体にペルチェ素子、熱輸送手段には送風装置を用いて、従来工法の床暖房装置の構造を利用して、最少の部品点数にて実現した。
【実施例１】
【００９５】
図１は、本発明の１実施例の全体投影図である。本実施例は、在来工法の建築体への配設を想定しており、１０で示される大引の上に、１１で示される根太が組まれ、当該根太の上面に２で示される床材が固着された構造の建築体における実施例である。ＲＣ構造などの建築体では、コンクリート床が当該大引に相当する。本実施例では、当該根太間に形成される空間に発熱体が配設されるものである。
【００９６】
当該発熱体の構造は、図２及び図３で示されるとおりである。当該発熱体は、その上部に放熱手段として、１５で示される中空状の熱伝導性函体を具備し、当該熱伝導性函体の内部には、１４で示される熱媒液が充填されている。当該熱伝導性函体は、銅、アルミニウムなどの熱伝導率の高い素材から成る。当該熱伝導性函体の上面には、熱伝導性ゲルから成る面状体が均一に展着されていて、当該熱伝導性ゲルを介して当該熱伝導性函体の上面に、２で示されるとおり、床材が固着されている。
【００９７】
また、当該発熱体は、その下部に熱輸送手段として、１７で示される熱輸送函体を具備している。当該熱輸送函体の内部には、２０で示されるとおり、複数から成る熱伝導性フィンが配設されていて、当該熱輸送函体本体と、熱輸送函体内部の空気との間の効率的な伝熱が可能な構造となっている。
【００９８】
１６で示されるのがペルチェ素子であり、上記熱伝導性函体と熱輸送函体とが複数から成るペルチェ素子を挟持している。当該熱伝導性函体と熱輸送函体との間のペルチェ素子がない隙間となる部分には、１８で示される断熱材が配設されていて、さらに当該断熱材と熱輸送函体との接触面には、１９で示される炭素繊維から成る面状体が配設されている。当該炭素繊維から成る面状体は、繊維方向が水平方向に配設されるものである。
【００９９】
ここで再び図１に戻り、本実施例の全体構成を説明する。当該発熱体の熱輸送函体の一端は、４で示される給気風道と連通していて、さらに当該給気風道は、５で示される送気ファンと連通している。また、当該送気ファンは、同じく４で示される給気風道、及び、６で示される屋外通気口を介して屋外と連通している。
【０１００】
同時に、当該発熱体の熱輸送函体のもう一方の端部は、３で示される給気スリットを介して本実施例使用室内と連通している。従って、当該室内と屋外とは、当該発熱体の熱輸送函体と送気ファン及び給気風道などのその他の付帯要素を介して連通して、通気経路を形成する。当該送気ファンは、送風方向が制御可能なものであるため、当該通気経路内において、室内から屋外方向、及び、屋外から室内方向への送風が可能となる。
【０１０１】
図４及び図５は、本実施例における、当該送風の流れを模式的に表したものである。図４は、当該送気ファンにより、当該室内から屋外へ送風する場合の当該送風の流れを表し、図５は、当該送気ファンにより、屋外から当該室内へ送風する場合の当該送風の流れを表す。両図において、当該送風の流れは、２１の矢印の方向で示される。
【０１０２】
図６は、本実施例の電気回路の構成を表す。７で示される制御回路ボックスは、９で示される送電線にて２４で示される商用交流電源と接続されていて、交流電流が供給されている。さらに、１６で示されるペルチェ素子と当該制御ボックス、５で示される送気ファンと当該制御ボックスとは、それぞれ９で示される送電線にて電気的に接続されている。
【０１０３】
さらに、２３で示されるサーミスタと当該制御ボックスとも、９で示される送電線にて電気的に接続されていて、発熱体の温度を当該制御ボックスが認識可能となっている。また、２２で示される制御スイッチと当該制御ボックスとは２５で示される信号線にて電気的に接続されていて、外部からの手動による制御が可能となっている。
【０１０４】
以上の回路構成により、使用者の手動操作による当該制御スイッチからの信号を、当該制御ボックスが受信して、当該制御ボックスがペルチェ素子および送気ファンに送電することにより、本実施例の床暖房装置が起動する。このとき、サーミスタを通じて、発熱体の温度を当該制御ボックスが認識し、当該発熱体の温度に応じて当該制御ボックスが当該ペルチェ素子及び当該送気ファンへの送電方向及び送電電流を制御しての送電が可能となっている。
【０１０５】
上記の電気回路構成にて、上記サーミスタが床材に接して配設されることにより、床材の温度に応じて、発熱体及び送気ファンの運転が可能となる。この、床材の温度に応じた発熱体及び送気ファンの運転による熱及び空気の流れは、図７及び図８で表される。
【０１０６】
図７は、当該制御スイッチが操作されたとき、当該サーミスタから当該制御ボックスが、床材の温度を加熱された状態ではないと認識した場合の熱及び空気の流れを表したものである。当該制御ボックスがペルチェ素子に所定の送電方向及び電流量にて送電することにより、当該ペルチェ素子が２６で示されるとおりに、下面から上面に向かってペルチェ効果による熱輸送が行われ、１５で示される熱伝導性函体に伝熱する。
【０１０７】
同時に、当該制御ボックスが送気ファンに所定の送電方向及び電流量にて送電することにより、本図（図７）の２１で示されるとおり室内から屋外への方向に送風される。このときの送風については、図４の２１においても同様に示される。このときの室内から送風される空気の温度は、当然、室内の温度と同一である。また、当該送風は、室内からの排気となり、当該排気及び排気による室内負圧解消のため図１の８で示される給排気口からの給気により、当該室内の換気も同時に行われる。
【０１０８】
当該送風された空気は、図７の１７で示される熱輸送函体に到達する。ペルチェ素子が既にペルチェ効果による熱輸送をしているため、当該熱輸送函体は既に温度が下がっている。従って、当該送風された空気と当該熱輸送函体との間に温度差が存在するため、同図の２８で示されるとおり、熱伝導が発生して、当該送風された空気の有する熱が当該ペルチェ素子に伝熱する。
【０１０９】
さらに、当該ペルチェ素子に伝導した熱は、段落０１０６に記載のペルチェ効果による熱輸送により、熱伝導性函体に輸送される。即ち、室内換気の排気の有する熱を、熱伝導性函体の加熱に有効利用することになる。この熱の流れは、ペルチェ素子及び送気ファンに所定の送電方向及び電流量で送電され続ける限り発生する。
【０１１０】
熱伝導性函体には、１４で示されるとおり熱媒液が充填されていて、ペルチェ効果により当該熱伝導性函体に伝導してきた熱が当該熱媒液に熱伝達する。熱伝達されて加熱された熱媒液は、膨張に伴う密度変化により自然対流する。当該自然対流により、２７で示される対流熱伝達が発生し、当該熱伝導性函体内の温度ムラが解消されて、さらに当該熱伝導性函体の上面を介して床材に熱伝導し、床材が均一に加熱される。
【０１１１】
このときの当該熱伝導性函体から当該床材への伝熱量は、当該熱伝導性函体から当該床材までの熱通過率に、当該熱伝導性函体と当該床材との温度差及び伝熱面積を乗じた値となる。即ち、当該伝熱量は、当該温度差に比例して大きくなる。従って、当該熱伝導性函体の温度を高くすることで、当該床材が加熱されて適正温度になるまでの時間を短縮することが可能となる。
【０１１２】
ペルチェ素子は、通電により、電流の流れる速度、即ち、光速での熱輸送が行われる。このときの輸送熱量は、数５のとおり、電流値により変化する。また、当該ペルチェ素子にて加熱される熱伝導性函体の温度は、当該ペルチェ素子からの取得熱量を当該熱伝導性函体の定積比熱（充填されている熱媒液を含む）及び当該熱伝導性函体の体積で除した値である。即ち、当該ペルチェ素子への通電電流量で、当該熱伝導性函体の温度を制御することが可能である。
【０１１３】
従来技術における床暖房装置の発熱体の温度は、床暖房装置使用者の低温火傷を回避するため、４０度―８０度程度である。当該熱伝導性函体を、それよりも高い温度に加熱すれば、段落０１１１の記述により、床材を適正温度に加熱するまでの時間を、従来技術よりも短縮することができる。
【０１１４】
また、前段落の記述により、当該熱伝導性函体の温度は、当該ペルチェ素子への通電電流量にて制御可能である。従って、当該ペルチェ素子に、上記の当該熱伝導性函体の取得熱量を満たすような所定の送電方向及び電流量にて当該ペルチェ素子に送電することにより、従来技術よりも、床材の適正温度への到達時間を短縮しての加熱が可能となる。
【０１１５】
上記の所定の送電方向及び電流量にて当該ペルチェ素子に送電し続けると、所定の時間経過後に、床材が適正温度まで加熱される。このとき熱伝導性函体は、従来技術のものより高温に加熱されているため、このままでは、床材がさらに加熱されて、当該床材が過熱状態になってしまう。
【０１１６】
このとき、サーミスタが床材の温度を検知して、当該床材が適正温度になる以前に、制御ボックスが送電方向を逆転して送電することにより、ペルチェ素子の熱輸送の方向が逆転して、熱伝導性函体が冷却される。この冷却は、当該熱伝導性函体が所定の温度になるまで行われる。同時に、送気ファンの送気方向も、当該制御ボックスの制御により逆転される。
【０１１７】
このときの熱及び空気の流れは図８で示される。２６で示されるのがペルチェ熱であり、ペルチェ効果により熱伝導性函体の有する熱が輸送されて、当該熱伝導性函体が冷却されるとともに、ペルチェ熱が熱輸送函体に伝熱する。このとき、ペルチェ素子の内部抵抗によるジュール熱も当該熱輸送函体に伝熱する。このときのペルチェ素子による輸送熱量は、数５のとおりである。
【０１１８】
このとき、同図の２１で示されるとおり、送気ファンの送気方向は、逆転されて屋外から室内への方向となっており、２８で示されるとおり、対流熱伝達により、当該熱輸送函体に伝熱したペルチェ熱及びジュール熱を当該送気ファンが送気する空気が取得した上で、室内に輸送される。この熱を取得して室内に輸送された空気にて、当該室内は暖房される。同時に、室内は陽圧となり、図１の８で示される給排気口から自然排気が行われ、室内は換気される。
【０１１９】
従来技術の床暖房装置は、床材から室内への放熱により室内を暖房するものであったが、本発明装置においては上記ペルチェ熱及びジュール熱を取得した空気により室内を暖房するため、従来技術に比べて当該室内と当該床材との温度差が小さくなり、当該床材からの放熱量が少なくなる。従って、当該温度差の減少によっても、当該床材が適正温度まで加熱されるまでの時間を短縮することができるとともに、室内が快適温度まで暖房される時間を短縮することもできる。
【０１２０】
以上のとおり、本実施例の床暖房装置は、ペルチェ素子の加熱及び冷却作用、送気ファンによる換気を用いて、瞬間的に床材を適正温度まで加熱するとともに、室内を瞬間的に快適温度まで暖房する。その後、暖房負荷として、発熱体から床下及び室内から室外への熱伝導が発生するため、当該暖房負荷に相当する熱量のみを放熱する必要がある。
【０１２１】
このときサーミスタを通じて制御ボックスが床材の温度及び発熱体の温度を検知して、当該制御ボックスが、当該ペルチェ素子及び送気ファンに再び所定の送電方向に送電して、ペルチェ素子が当該暖房負荷に相当する熱量の放熱を行う。このときの熱及び空気の流れは、放熱量が上記起動直後と異なるだけで、再び図７のとおりとなる。
【０１２２】
この時点で、床材は十分に加熱されており、床材とその下方との温度差により、２９で示されるとおり、床材から下方への熱伝導が発生する。当該熱伝導は、室内の暖房に利用されないため、熱損失となってしまう。
【０１２３】
本実施例の発熱体は、図２、図３及び図４の１９で示されるとおり、ペルチェ素子のない部分の下部に、炭素繊維から成る面状体を具備している。当該炭素繊維は、繊維方向の熱通過率が高く、繊維方向と垂直を成す方向の熱通過率が低い特性があり、当該繊維方向が床面と平行に成るように配設する。
【０１２４】
上記のとおりの炭素繊維の配設のより、当該床材から下方への熱伝導が発生しても、当該炭素繊維のところで、図７の２９で示されるとおり、多くはさらに下方へ伝熱せずにペルチェ素子に伝熱する。ペルチェ素子は、２６で示されるとおりに熱輸送を行っているため、当該床材から下方への熱伝導は、再び、床材の加熱に利用されることになり、床下への熱損失を防ぐことになる。
【０１２５】
また、このときの送気ファンによる送気方向は、図７の２１のとおりであり、室内から屋外方向への送気となるため、室内は負圧にあり、図１の８で示される給排気口から自然給気されて、室内は換気される。このとき室内は快適温度まで暖房されているため、当該送気は、熱を有するものである。
【０１２６】
この時点でもペルチェ素子は、下方から上方へ熱輸送をしているため、当該送気が有する熱も熱伝導性フィン及び熱輸送函体を介してペルチェ素子が熱伝導性函体に輸送して床材の加熱に利用される。即ち、換気による熱損失の相当熱量を、床材の加熱に利用することを可能とするものである。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明は、電気式、温水式等、方式を問わず、ほとんどすべての床暖房装置の補助加熱装置としての利用が可能であり、且つ、建築基準法によりすべての建物の居室に常時換気の設置が義務付けられているため、その常時換気を利用すれば、大きなイニシャルコストの増大を発生させることなく、床暖房装置を使用するあらゆる事案で、省エネ、ランニングコストの削減及び瞬間加熱による使用者の利便性向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本装置全体投影図。実施例１の全体構成を記す。
【図２】本装置床構造及び発熱体断面図。実施例１のＢ−Ｂ断面における床構造及び発熱体の断面構造を記す。
【図３】本装置床構造及び発熱体側方断面図。実施例１のＡ−Ａ断面における床構造及び発熱体の断面構造を記す。
【図４】本装置側方断面図１。実施例１のＡ−Ａ断面における床構造及びシステム構成の断面構造及び加熱時の空気の流れを記す。
【図５】本装置側方断面図２。実施例１のＡ−Ａ断面における床構造及びシステム構成の断面構造及び冷却時の空気の流れを記す。。
【図６】本装置電気回路図。実施例１の電気回路の概略を記す。
【図７】本装置システム図１。実施例１の起動直後及び平常運転時の熱及び空気の流れを模式的に記す。
【図８】本装置システム図２。実施例１の過熱冷却時の熱及び空気の流れを模式的に記す。
【符号の説明】
【０１２９】
１    発熱体
２    床材
３    給気スリット
４    通気ダクト
５    送気ファン
６    屋外通気口
７    制御回路ボックス
８    給排気口
９    送電線
１０  大引
１１  根太
１２  基礎構造体
１３  壁体
１４  熱媒液
１５  熱伝導性函体
１６  ペルチェ素子
１７  熱輸送函体
１８  断熱材
１９  炭素繊維から成る面状体
２０  熱伝導性フィン
２１  送気ファンによる空気の流れ
２２  制御スイッチ
２３  サーミスタ
２４  商用交流電源
２５  信号線
２６  ペルチェ熱
２７  対流熱伝達
２８  熱伝導
２９  熱損失
【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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【図７】
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【図８】
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