JP2018173224A - 暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱時における導体の熱交換効率を向上させることができる、蓄熱および放熱を利用した電気式の暖房装置を提供する。【解決手段】本電気式の暖房装置は、通電によって発熱する導体と、導体に蓄熱している間は、第１周波数の交流電流を導体に流し、送風による熱交換によって導体から放熱している間は、第１周波数よりも高くかつ表皮効果が得られる第２周波数の交流電流を導体に流すように制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱および放熱を利用した電気式の暖房装置に関する。

例えば、特許文献１に、加温ヒーター（導体）で蓄熱体を温めて蓄熱させ、蓄熱体の蓄熱を用いてファンから送風される空気を暖めて吐出する、電気式の蓄熱温風器（暖房装置）が開示されている。

特開平８−０２２８８５号公報

特許文献１に記載の蓄熱温風器では、蓄熱時と放熱時とで導体を加熱する方法を変えていない。このため、放熱時にも、直ちに熱交換されにくい導体中心部まで加熱させてしまい、放熱時における導体の熱交換効率が向上しない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、放熱時における導体の熱交換効率を向上させることができる暖房装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、蓄熱および放熱を利用した電気式の暖房装置であって、通電によって発熱する導体と、導体に蓄熱している間は、第１周波数の交流電流を導体に流し、送風による熱交換によって導体から放熱している間は、第１周波数よりも高くかつ表皮効果が得られる第２周波数の交流電流を導体に流すように制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

この一態様では、導体の蓄熱時には、導体に流す交流電流の周波数（第１周波数）を相対的に低くし、導体の放熱時には、導体に流す交流電流の周波数（第２周波数）を相対的に高く、かつ、表皮効果が得られるようにする（第１周波数＜第２周波数）。

この構成によって、蓄熱している間には、低周波数の交流電流により導体の中心部まで効果的に加熱できる。一方、放熱している間には、表皮効果によって高周波数の交流電流により導体の表面部のみを加熱して、ファンなどの送風部を用いた送風によって効果的に放熱できる。

上記のように、本発明の暖房装置によれば、放熱時における導体の熱交換効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る暖房装置の概略構成を示す図 車両と建屋出入口との位置関係の変化を説明する図 車両と建屋出入口との位置関係の変化を説明する図 車両と建屋出入口との位置関係の変化を説明する図 本発明の一実施形態に係る暖房装置が実行する暖房制御を説明する図

［概要］
本発明は、通電によって発熱する導体を用いた暖房装置である。この暖房装置では、低周波数の交流電流を導体に流して蓄熱し、高周波数の交流電流を導体に流して放熱させる。この高周波数を、低周波数よりも周波数が高く、かつ、表皮効果が得られる値に設定することで、放熱時における導体の熱交換効率を向上させる。

［暖房装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る暖房装置１の概略構成を示す図である。図１に例示する本実施形態の暖房装置１は、導体１０と、電源部２０と、送風部３０と、制御部４０と、を備えて構成される。

導体１０は、内部に熱を蓄えることができる蓄熱機能と、その蓄えた熱を空気と熱交換して放出することができる放熱機能（熱交換機能）とを、兼ね備えた蓄熱体である。この導体１０には、例えば、通電によって発熱する金属などで構成される本体部１１と、本体部１１の外周壁に所定の間隔で設けられた放熱用のフィン部１２とを含む、ヒーターコイルなどを用いることができる。

電源部２０は、任意の周波数の交流電流Ｉacを導体１０に流すことができる可変電流源である。この電源部２０は、ケーブル２１で導体１０と接続されており、制御部４０による制御に基づいて、所定の周波数ｆを有する交流電流Ｉacを導体１０に流す役割を有している。

送風部３０は、導体１０に空気を送出して当てることができる送風機構である。送風部３０には、例えばプロペラファン装置などを用いることができる。この送風部３０は、制御部４０による制御に基づいて、所定のタイミングで導体１０に空気を送風することで、導体１０と空気との熱交換を効率的に行う役割を有している。

制御部４０は、後述するクイックシャッター４の開閉タイミングに従って、電源部２０が導体１０に流す交流電流Ｉacの周波数ｆを制御する（低周波数または高周波数を選択的に切り替える）ことができる。

また、制御部４０は、後述するクイックシャッター４の開閉タイミングに従って、送風部３０による導体１０に向けた空気の送風状態を制御する（送風するまたは送風しないを選択的に切り替える）ことができる。

［暖房装置の動作］
次に、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、および図３をさらに参照して、本発明の一実施形態に係る暖房装置１による暖房制御を説明する。以下、車両２が通過する建屋３の出入口に設置された暖房装置１が実行する暖房制御を一例に挙げて説明する。

図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、車両２と建屋３の出入口にあるクイックシャッター４との位置関係の変化を説明する図である。図３は、本実施形態に係る暖房装置１が実行する暖房制御の内容と蓄熱量との関係を説明する図である。なお、図３におけるタイミングＡ、Ｂ、およびＣは、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃにおける位置ａ、ｂ、およびｃにそれぞれに対応している。

建屋３に向かって走行する車両２が位置ａに到達するまでは、導体１０への通電が行われない。よって、導体１０は、発熱せず内部には蓄熱されない（図３におけるタイミングＡまでの期間）。

車両２が位置ａに到達すると、導体１０への通電が開始され、予め定めた低周波数f_lowの交流電流Ｉacが導体１０に流される（図２Ａにおける位置ａ、図３におけるタイミングＡ）。これにより、導体１０への蓄熱が開始される。車両２が位置ａに到達したことは、例えばセンサなどを用いて容易に判断することができる。

ここで、表皮効果について周知である表皮深さδを求める下記の式［１］に基づいて、交流電流Ｉacの低周波数f_lowを導体１０の内部にも電流が流れる周波数値に予め設定しておけば、導体１０の内部も発熱させることができる。このように設定した場合、交流電流Ｉacの低周波数f_lowを導体１０に流している間、導体１０を内部に十分に蓄熱することができる（図３におけるタイミングＡ〜Ｂの期間）。

δ ＝ ５．０３＊√（ρ／μｆ） … ［１］
ρ：導体の電気抵抗率
μ：導体の絶対透磁率
ｆ：電流の周波数

車両２が建屋３の出入口の位置ｂに到達してクイックシャッター４が開くと、導体１０に流される交流電流Ｉacの周波数が低周波数f_lowから予め定めた高周波数f_high（f_high＞f_low）に変更される（図２Ｂにおける位置ｂ、図３におけるタイミングＢ）。さらに、導体１０への送風が開始される。これにより、蓄熱している導体１０と空気との熱交換、つまり導体１０からの放熱が開始される。この熱交換によって温められた空気は、例えばエアカーテンとして建屋３の内部の遮熱や車両２の搭乗者の暖房などに使用される。車両２が位置ｂに到達したことは、例えばセンサなどを用いて容易に判断することができる。

ここで、上記の式［１］に基づいて、交流電流Ｉacの高周波数f_highを導体１０の表面だけ電流が流れて内部には流れない表皮効果が得られる周波数値に予め設定しておけば、導体１０の表面だけを発熱させることができる。このように設定した場合、送風部３０による送風によって導体１０で蓄えた熱を放出している間も、導体１０の表面だけで発熱させることができるので、熱交換を効果的に実施することができる（図３におけるタイミングＢ〜Ｃの期間）。

そして、車両２が進行してクイックシャッター４が閉まる位置ｃにまで到達すると、導体１０への通電および送風が終了する（図２Ｃにおける位置ｃ、図３におけるタイミングＣ）。車両２が位置ｃに到達したことは、例えばセンサなどを用いて容易に判断することができる。

なお、導体１０への通電および送風を終了する契機は、車両２が所定の位置ｃに到達したことだけに限られない。例えば、クイックシャッター４が開いてから所定時間の経過を待って、自動的に導体１０への通電および送風を終了させてもよい。

［本実施形態における作用・効果］
上述した本発明の一実施形態に係る暖房装置１によれば、通電によって発熱する導体１０を用いて、導体１０を蓄熱している間は、低周波数f_lowの交流電流Ｉacを導体１０に流し、導体１０を放熱させている間は、高周波数f_highの交流電流Ｉacを導体１０に流す。この高周波数f_highは、低周波数f_lowより周波数が高く、かつ、表皮効果が得られる値に設定される。

この構成および制御によって、蓄熱している間には、低周波数f_lowの交流電流Ｉacにより導体１０の中心部まで効果的に加熱でき、十分に導体１０を蓄熱させることができる。一方、放熱している間には、表皮効果によって高周波数f_highの交流電流Ｉacにより導体１０の表面部のみを加熱して、送風部３０などを用いた送風によって効果的に導体１０の熱交換が実施でき、導体１０を放熱させることができる。

以上のように、本実施形態に係る暖房装置１は、交流電流Ｉacの周波数を状況に応じて可変させるので、放熱時における導体１０の熱交換効率を向上させることができる。さらには、蓄熱時における導体１０の蓄熱効率を向上させることもできる。

本発明の暖房装置は、建屋の出入口に設けられるエアカーテン装置などに利用可能であり、放熱時における導体の熱交換効率を向上させたい場合に有用である。

１ 暖房装置
２ 車両
３ 建屋
４ クイックシャッター
１０ 導体
１１ 本体部
１２ フィン部
２０ 電源部
２１ ケーブル
３０ 送風部
４０ 制御部

Claims (1)

1. 蓄熱および放熱を利用した電気式の暖房装置であって、
   通電によって発熱する導体と、
   前記導体に蓄熱している間は、第１周波数の交流電流を前記導体に流し、送風による熱交換によって前記導体から放熱している間は、前記第１周波数よりも高くかつ表皮効果が得られる第２周波数の交流電流を前記導体に流すように制御する制御部と、
   を備える、暖房装置。