JP7373782B2 - 面状ヒータへ電力供給可能な電源コントローラ、ヒータシステム、電力供給システムおよび電力供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、持ち運び、設置などが自在なポータブル型（あるいはウェアブル型）面状ヒータ（面状発熱体、シート状ヒータともいう）に関し、特に面状ヒータへの電力供給に関する。

従来、カーボンファイバなどの導電性素材を利用し、電源を供給することで加熱する面状ヒータが知られている。例えば、カーボンファイバを混紗技術によってシート化することによって、床暖房などに利用することができる（特許文献１参照）。また、シート状ヒータを衣服裏面に装着させ、電圧を印加することによって保温性を高めることも可能である（特許文献２参照）。

特開２０１０－１８２６５０号公報 特開２０１４－２３５７８３号公報

屋外などでは、電源設備が制限されるため、モバイルバッテリで電力供給を行うことが求められる。しかしながら、カーボン和紙シートなどを素材とする面状ヒータの場合、比較的低電圧の電力供給によっても短時間で加熱して高温となり、十分な暖房機能を発揮する。一方、その抵抗値が面積に比例するため、発熱量もサイズなどによって相違する。発熱量が異なる面状ヒータに対し、バッテリ容量や規格電圧などに基づいて電力供給を行うと、過度の発熱になり、あるいは暖房、保温に不十分な発熱になる恐れがある。

したがって、面状ヒータの性能、あるいはユーザによる温度調整操作などに対して、過度の発熱、発熱不足などが生じないように、適切な電力供給を行うことが求められる。

本発明の電源コントローラは、持ち運び、携帯自在であるポータブル型面状ヒータに電力供給可能であって、ポータブル型面状ヒータは、様々な使用環境に適合可能なヒータとして構成可能である。例えば、融雪シート、ヒータ機能付きクッション、ヒートマット、ヒータ付きウェアなど、持ち運びや携帯可能な面状ヒータとして構成される。また、折り畳んだ状態で収納袋に収納し、災害避難所、キャンプなど屋外で使用する暖房器具として構成されるポータブル型面状ヒータとして構成することも可能である。

また、本発明の電源コントローラと、面状ヒータとを備えたヒータシステムを提供することが可能である。あるいは、ＡＣ電源アダプタ、モバイルバッテリなどの電源部と、電源部から出力される電圧を入出力して面状ヒータへ電力供給する電源コントローラとを備えた電力供給システムを提供することが可能である。

例えば、電源コントローラは、面状ヒータ内部に組み込まれ、スマートフォン、タブレットなどの端末と相互データ通信可能であって、端末から送られてくるヒータ温度調整に関する入力操作および面状ヒータの情報の少なくとも一方に関するデータを受信可能である。あるいは、電源コントローラは、面状ヒータと、電源部とを繋ぐケーブルの途中に配置され、ヒータ温度調整用の操作部材を備えるように構成することができる。

さらに、ヒータシステムでは、面状ヒータ内に組み込まれた内部電源コントローラと、ケーブル途中に設けられる外部電源コントローラとによって、電源コントローラを構成することも可能である。各電源コントローラが単独で機能すればよく、また、両方の電源コントローラを電源部と面状ヒータとの間に接続する場合、いずれか一方の電源コントローラが機能すればよい。

本発明の一態様である電源コントローラは、ポータブル型面状ヒータへ電力供給可能であって、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）－ＰＤ（Power Delivery）規格に従って、電源部コネクタと接続可能なＵＳＢコネクタと、ヒータ温度調整に関する入力操作および面状ヒータの情報の少なくとも一方に基づいて、ＵＳＢコネクタで受電した電力の電圧レベルおよび電流値の少なくとも一方を変換可能な回路（以下では、電力変換部という）とを備える。

ここで、「ヒータ温度調整に関する入力操作」には、押下型ボタンやボリュームダイヤルなどの操作部材に対する入力操作、携帯端末の温度調整用画面での設定操作などによって実行されることが含まれる。また、「面状ヒータの情報」には、面状ヒータの温度、抵抗値、ヒータサイズなどの諸元値が含まれる。これらの情報は、面状ヒータとの接続を通じて検知し、あるいは、ユーザによる入力設定操作によって検知することが可能である。また、これらの情報は、メモリに記憶することができる。

電力変換部は、ＵＳＢ－ＰＤ規格により電源部の出力電圧レベルとして設定された電圧レベル（以下、ＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベルという）に対し、電流値を変換することが可能である。例えば、電力変換部が、ヒータ温度調整に関する入力操作によって設定可能な複数の温度レベルにそれぞれ対応した複数の電流値に基づいて、電流値を変換することができる。出力電圧レベルの設定は、電源部の特性等に基づき、電源コントローラの制御部などにおいて定めることができる。

また、電力変換部は、設定されたＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベルを、それ以外のＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベル、またはＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベル以外の電圧レベル（以下、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルという）に昇圧または降圧することも可能である。

一方で、電力変換部は、出力電圧レベルだけを変更することも可能である。ＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベルと、ＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベル以外の電圧レベル（以下、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルという）とを、面状ヒータへ供給する電力の電圧レベル（以下、供給電圧レベルという）として設定可能である場合、電力変換部は、供給電圧レベルとしてＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルが設定されると、ＵＳＢコネクタがＵＳＢ－ＰＤ規格対応電圧レベルで受電した電力の電圧を昇圧または降圧し、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルに変換することができる。

電源コントローラは、ヒータの温度を検出する温度センサを備えることができる。電源コントローラは、検出された温度があらかじめ定められた閾値を超えると、定められたＵＳＢ－ＰＤ規格対応電圧レベルより低い電圧レベルを設定する、あるいは通電状態で電力供給を停止することができる。

本発明の他の態様である電力供給方法は、ヒータ温度調整に関する入力操作および面状ヒータの情報の少なくとも一方に基づいて、ＵＳＢコネクタで受電した電力の電圧レベルおよび電流値の少なくとも一方を変換する。

本発明によれば、面状ヒータの性能、あるいはユーザによる温度調整操作などに対して、過度の発熱、発熱不足などが生じないように、適切な電力供給を行うことができる。

第１の実施形態であるポータブル型面状ヒータに対する電力供給システムの概略的構成図である。 電力供給システムのブロック図である。 供給電力制御のフローを示した図である。 第２の実施形態である電力供給システムのブロック図である。 第３の実施形態である電力供給システムのブロック図である。 第４の実施形態である電力供給システムのブロック図である。 第５の実施形態であるポータブル型面状ヒータの概略的断面図である。 第５の実施形態におけるポータブル面状ヒータの回路構成を概略的に示した図である。 第５の実施形態であるポータブル型面状ヒータの変形例を示した概略的断面図である。 第６の実施形態であるポータブル型面状ヒータに対する電力供給システムの概略的構成図である。 第６の実施形態における電力供給システムのブロック図である。 第６の実施形態における供給電力制御のフローを示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態であるポータブル型面状ヒータに対する電力供給システムの概略的構成図である。

電力供給システム１００は、面状ヒータ１０に対して電力供給可能であり、電源コントローラ２００、電源部（ソース）３００とを備える。電源コントローラ２００は、ケーブルＣ１、Ｃ２を介して面状ヒータ１０、電源部３００と電気的にそれぞれ接続し、ここでは電力調整機能を備えた温度調節器として構成されている。電源部３００は、例えばＵＳＢ－ＰＤ（Universal Serial Bus ‐ Power Delivery）規格対応のＡＣアダプタ、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応の発電機、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応のモバイルバッテリなどによって構成可能であり、ここででは、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応ＡＣアダプタによって構成されている。

面状ヒータ１０は、持ち運び自由で任意の場所に設置し、また取り外し可能なポータブル型面状ヒータであって、ここでは床や椅子などに設置可能な卓上ヒータとして構成されている。面状ヒータ１０は、カーボンシート２０Ａ、２０Ｂを備え、カーボンシート２０Ａ、２０Ｂを面状のカバー部材３０で被覆している。

カーボンシート２０Ａ、２０Ｂは、ここでは矩形状（例えば８００ｍｍ×４００ｍｍ）に構成され、短手方向に沿って一列に並んでいる。カーボンシート２０Ａ、２０Ｂのサイズ、縦横比は同じである。パネル外装となるカバー部材３０は、２枚のカーボンシート２０Ａ、２０Ｂを覆うサイズを有する。カーボンシート２０Ａ、２０Ｂおよびカバー部材３０は、可撓性、柔軟性があり、面状ヒータ１０は、ターポリン、塩化ビニル、布などのように軟質で柔らかく、折り曲げ、折り畳むことが可能である。なお、カーボンシートを１枚だけで構成する、あるいは３枚以上並べてもよく、また、カバー部材３０を正方形状に構成することも可能である。

カーボンシート２０Ａ、２０Ｂは、ここではカーボン和紙シート（ＣＪＰ）によって構成されている。カーボン和紙シートは、和紙の混紗技術を用いて、和紙の中にカーボンチョップドファイバ、すなわちカーボンファイバを細かく分断したものを長手方向に目をそろえて均質に分散させたものであり、面積抵抗（単位面積当たりの抵抗）を所定の範囲で調整可能な高電導性（低抵抗）の性能をもつ。例えば、互いに垂直な２方向の一方向に沿ったシート端部に電極配置した場合と、他方向に沿ったシート端部に電極配置した場合、面積抵抗の違いを持たせることができる。

カーボンシート２０Ａ、２０Ｂに電流が流れるとジュール熱が発生し、カーボンシート２０Ａ、２０Ｂの温度が上昇する。そして、温度上昇に合わせて輻射熱（遠赤外線）が発生する。カーボン和紙シート（ＣＪＰ）は遠赤外線効率、すなわち輻射熱への変換効率が非常に高く、空間を隔てた対象物に対しても、熱伝達効率が高いため、短時間で熱効果を発揮することができる。

また、カーボンシートは、抵抗値がその縦横比に従うため、カーボンシートの縦横比を変えることで発熱量を調整することができる。また、カーボンシートの並べる枚数によっても発熱量が変わる。したがって、融雪などに必要な発熱量、および使用する電源などを考慮してカーボンシートの形状（縦横比）、枚数を定め、これらをまとめてカバー部材３０で覆った１つの面状ヒータを提供することができる。

さらに、長手方向の面積抵抗を変えてカーボンシート２０Ａ、２０Ｂを作成することで、より細かく熱量を設定することも可能である。なお、カーボン和紙シート以外の柔軟性があるカーボンシートを使用することも可能であり、カーボンナノチューブコーティングされた布や、微細化した炭素粉末を含む樹脂シートで構成することも可能である。

電源コントローラ２００は、タイマーボタン２４０と、面状ヒータ１０の温度（暖かさ）調整用に操作されるボタン（ここでは、温度設定ボタンという）２５０とを備える。温度設定ボタン２５０は、ここでは３つの温度レベル（暖かさ）を段階的、離散的に設定するために３つの押下型スイッチボタン２５０Ａ、２５０Ｂ、２５０Ｃ（以下、低温ボタン、中温ボタン、高温ボタンという）が設けられている。

電源コントローラ２００および電源部３００は、ＵＳＢ－ＰＤ規格に従って互いに通信可能である。また、電源コントローラ２００および電源部３００は、ＵＳＢ－ＰＤ規格に対応した電力供給が可能であり、電源部３００から電源コントローラ２００へ異なる電圧レベルで電力供給することが可能である。

図２は、電力供給システム１００のブロック図である。

電源コントローラ２００および電源部３００は、ＵＳＢ－ＰＤ規格にそれぞれ対応したＵＳＢコネクタ２１０、３１０を備える。ここでは、規格として出力可能な５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖの電圧レベル（以下、ＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベル）のいずれかの電圧レベルによって、電源部３００から電源コントローラ２００に対して電力が供給可能である。

電源コントローラ２００は、ＵＳＢコントローラ２２０と、ＳＳＲ（無接点リレー）２３０と、スイッチングレギュレータなどで構成可能なバックコンバータ（降圧回路）２７０とを備える。ＵＳＢコントローラ２２０は、電源部３００のＵＳＢコネクタ３１０に対し、受電する電力の電圧レベルの情報（信号）を送信する。電源部３００に設けられたＵＳＢコントローラ（図示せず）は、受信した電圧レベルで電力供給する。

電源コントローラ２００に設けられた本体制御部２６０は、電源部３００との接続によって起動し、ＵＳＢコントローラ２２０との間で相互通信する。本体制御部２６０は、タイマー２４０で設定された時間に応じて、電源コントローラ２００をＯＮ／ＯＦＦ切替可能であり、また、ＵＳＢコントローラ２２０との間で、熱電対などによって構成される温度センサ２８０によって検出されるヒータ１０の温度情報伝達などの通信を行う。

図３は、電源コントローラ２００における供給電力制御のフローを示した図である。

ユーザは、ヒータ１０を使用するとき、外気の気温など使用環境に応じて温度設定ボタン２５０の中で所望する温度に対応したボタンを選択することが可能である。例えば、ヒータ使用開始時には、すぐに暖かくなるように高温ボタン２５０Ｃを選択操作し、ある程度暖かくなると低温ボタン２５０Ａを選択操作する。一方、温度設定ボタン２５０を操作しない場合、設定されたＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベルによって電力供給を行う。

カーボン和紙シート（ＣＪＰ）を利用した面状ヒータ１０の発熱量は、シートサイズ、すなわち抵抗値（面積抵抗）と相関し、電圧レベルが高いほど発熱量が大きくなる（ヒータ１０の温度が高温になる）。ここでは、温度設定ボタン２５０の低温ボタン２５０Ａ、中温ボタン２５０Ｂ、高温ボタン２５０Ｃが、互いに電圧差の等しい５Ｖ、１０Ｖ、１５Ｖの電力供給を行うボタンとして設定されている。

低温ボタン２５０Ａの５Ｖ、高温ボタン２５０Ｃの１５Ｖは、ＵＳＢ－ＰＤ規格に従って出力可能な電力に相当する。そのため、ユーザが低温ボタン２５０Ａあるいは高温ボタン２５０Ｃを操作すると、ＵＳＢコントローラ２２０は、操作されたボタンに応じた電圧レベルを受電できるように、ＵＳＢコネクタ２１０と電源部３００のＵＳＢコネクタ３１０との間で通信させる。ＳＳＲ２３０は、受電した電力（電圧）がそのまま外部へ出力する経路と接続し、受電した電力がそのまま面状ヒータ１０へ供給される（Ｓ１０１～Ｓ１０３）。

一方、ユーザが中温ボタン２５０Ｂを操作（押下）した場合、中温ボタン２５０Ｂの１０ＶがＵＳＢ－ＰＤ規格に対応していないため、ＵＳＢコントローラ２２０は、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルで電力を受電するように、電源部３００との間で通信する。ここでは、最も電圧レベルの高い２０Ｖの電力を受電する。そして、ＵＳＢコントローラ２２０は、ＳＳＲ２３０を切り替え制御し、ＳＳＲ２３０をバックコンバータ２７０と接続させる（Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０４）。このとき、電源コントローラ２００への電源供給電圧レベルも変更される。

このように、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルが設定された場合、供給電圧レベルとしてそのまま電源コントローラ２００から面状ヒータ１０へ電力供給する一方、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応の電圧レベルが設定された場合、バックコンバータ２７０によって２０Ｖから１０Ｖへ降圧させることで、ユーザの選択したボタン（温度、暖かさ）に合わせた温度調整が可能となる。

昇圧ではなく降圧によって電圧レベルを変更するため、電源コントローラ２００の動作負荷軽減、電力消費低減、動作安定化をもたらす。また、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応の中で最大電圧レベル２０Ｖの電力を受電するため、中温ボタン２５０Ｂを、１０Ｖ以外でＵＳＢ－ＰＤ規格に対応していない電圧レベル（１１Ｖなど）に設定するなど、様々な電圧レベルにボタンを対応させることができる。なお、電源部３００が最大電圧レベル１５Ｖのモバイルバッテリなどで構成される場合、１５Ｖで電力を受電すればよく、電源部３００の電力供給特性に応じて設定可能である。

低温ボタン２５０Ａ、高温ボタン２５０Ｃの電圧レベルをＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルに設定しているため、バックコンバータ２７０を用いずに面状ヒータ１０へ電力供給し、電源コントローラ２００の動作負荷軽減をもたらすことができる。このように、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルと、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応の電圧レベル両方を含めた電圧レベルをユーザが指定可能にすることで、面状ヒータ１０のサイズ、性能に応じて温度設定ボタンの電圧レベルを柔軟に定めることができる。

面状ヒータ１０の使用中、温度センサ２８０によって検出される温度Ｔが閾値Ｔ０（例えば６０°）を超えた場合、面状ヒータ１０の過熱を抑えるため、より低い電圧レベルの電力を供給するように構成されている。ここでは、一段低い電圧レベルの電力供給を行う。ＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルが設定されていた場合、それよりも一段低いＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルに設定変更する（Ｓ１０５、Ｓ１０６、Ｓ１０８）。

一方、ＵＳＢ－ＰＤ規格に非対応の電圧レベルが設定されていた場合、それよりも低いＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルに設定変更する（Ｓ１０５、Ｓ１０６、Ｓ１０７）。なお、電圧レベルの設定変更から所定時間経過した後、温度Ｔが閾値Ｔ０を超えていないことを確認した後、元の設定された電圧レベルで電力供給を再開させるようにすればよい。

温度センサ２８０によって検出される面状ヒータ１０の情報に基づいて電力供給制御を行うとき、ＵＳＢ－ＰＤ規格に非対応の電圧レベルからＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルに設定変更することにより、あらかじめ設計段階で電圧レベルの変動量に応じた温度降下の度合い（時間）などを推定することが容易となり、適切にヒータ温度を降下させることができる。

温度設定ボタン２５０は、２つのボタンあるいは４つ以上のボタンで構成してもよい。また、低温ボタン２５０Ａ、高温ボタン２５０Ｃのいずれかあるいは両方を、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応の電圧レベルのボタンとし、中温ボタン２５０Ｂを、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベルのボタンとしてもよい。

次に、図４を用いて第２の実施形態である電力供給システムについて説明する。第２の実施形態では、ボリュームダイヤルによって温度調整される構成になっている。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図４は、第２の実施形態である電力供給システム１００のブロック図である。電源コントローラ２００には、可変抵抗器などによって構成される、ヒータ温度、暖かさを連続的に調整可能な操作部材（ここでは、温度設定用ボリュームダイヤルという）２５０’が設けられている。ここでは、５Ｖ～２０Ｖの範囲で連続的に電圧レベルを設定することができる。

温度設定用ボリュームダイヤル２５０’は、バックコンバータ２７０と接続し、ユーザによって選択されたダイヤル位置に応じた電圧レベルが定められている。ＵＳＢコントローラ２２０は、指定された電圧レベルに応じて、受電する電力の電圧レベルの情報をＵＳＢコネクタ２１０を通じて電源部３００へ送信する。

第２の実施形態では、ＵＳＢ－ＰＤ規格に対応した電圧レベル５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖで電源供給することが可能である。温度設定用ボリュームダイヤル２５０’は、連続的な電圧レベルの範囲５Ｖ～２０Ｖにおいて、ユーザが所定の電圧レベルを連続的に選択（指定）可能なように構成されている。ＵＳＢ－ＰＤ規格対応の電圧レベル５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖが選択（指定）された場合、そのまま面状ヒータ１０へ供給される。

一方、ＵＳＢ－ＰＤ規格に非対応の電圧レベルが選択された場合、第１の実施形態と同様、電源コントローラ２００は、電源部３００から１５Ｖの電力を受電し、バックコンバータ２７０において降圧する。ＵＳＢ－ＰＤ規格対応で最大電圧レベル１５Ｖの電力を受電することによって、ＵＳＢ－ＰＤ規格に非対応の様々な電圧レベルに対応することができる。

次に、図５を用いて第３の実施形態である電力供給システムについて説明する。第３の実施形態では、ユーザが携帯端末などを利用してヒータ温度設定するように構成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図５は、第３の実施形態である電力供給システム１００のブロック図である。スマートフォン２５０”では、ヒータ温度調整用のアプリケーションソフトをダウンロードすることによって、電源コントローラ２００と通信接続し、ヒータ温度調整することが可能である。ユーザは、スマートフォン２５０”の温度設定画面において、第１の実施形態と同様、低温、中温、高温を設定することができる。なお、第２の実施形態のように、ボリュームダイヤルに対応した温度設定を、スマートフォン２５０”の画面上で行うようにしてもよい。

受信機能を備えた本体制御部２６０”は、ＵＳＢコントローラ２２０と接続し、スマートフォン２５０”から送られてくる温度設定情報に基づいて、対応する電圧レベルの信号をＵＳＢコントローラ２２０へ送信する。ＵＳＢコントローラ２２０は、受信した信号に応じて、ＳＳＲ２３０を切り替え制御する。

このようにスマートフォン２５０”からの情報に基づいて面状ヒータ１０の温度調整を行うことにより、ユーザは、ヒータ温度を遠隔制御することが可能となる。また、電源コントローラ２００の構成に操作部材を設ける必要がなく、温度調節器を簡易に構成することができ、電源コントローラ２００を面状ヒータ１０に組み込んだヒータシステムの構成が容易となる。例えば、ウェアラブルデバイスとしてヒータシステムを構成した場合、衣服に対して容易に装着可能とすることができる。なお、スマートフォン２５０”以外の端末を電源コントローラ２００と通信接続させてもよい。

次に、図６を用いて第４の実施形態である電力供給システムについて説明する。第４の実施形態では、電源部から供給される電力を、降圧と昇圧両方とも可能な構成になっている。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図６は、第４の実施形態である電力供給システム１００のブロック図である。電源コントローラ２００は、面状ヒータ１０に対して最大２０Ｖまでの電力供給が可能であり、昇圧および降圧回路を備えたバック／ブーストコンバータ２７０’を備えている。低温ボタン２５０Ａ、中温ボタン２５０Ｂ、高温ボタン２５０Ｃは、本体制御部２６０と接続する。

本実施形態では、比較的サイズの大きい面状ヒータ１０で構成され、低温ボタン２５０Ａ、中温ボタン２５０Ｂ、高温ボタン２５０Ｃは、それぞれ電圧１０Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖに対応している。一方、電源部３００はモバイルバッテリによって構成され、ＵＳＢコネクタ２１０は、ここでは最大電圧レベル１５Ｖの電力を受電する。

本体制御部２６０は、温度設定ボタン２５０から送られてくる信号に基づいて、バック／ブーストコンバータ２７０’を制御する。バック／ブーストコンバータ２７０’は、高温ボタン２５０Ｃが操作されたときに１５Ｖから２０Ｖへ昇圧し、低温ボタン２５０Ａが操作されたときには１５Ｖから１０Ｖへ下げる。中温ボタン２５０Ｂが操作された場合、受電した電力を昇圧、降圧せずにそのまま出力側へ送る。

バック／ブーストコンバータ２７０’を設けることにより、許容最大電流の高い面状ヒータ１０を使用する場合にも、それに応じて高圧の電力供給が可能になる。また、受電する電力の電圧レベルを、温度設定ボタン２５０で設定可能な電圧レベルの範囲の中で中間あるいは中間付近のレベルに定めることにより、昇圧、降圧両方の電力制御を行うことができる。

第１～第４の実施形態では、温度設定ボタン２５０によって設定される電圧レベルがあらかじめ定められているが、電源コントローラ２００と接続させた面状ヒータ１０のサイズあるいはカーボン和紙シート（ＣＪＰ）の抵抗値に基づいて設定する構成にしてもよい。

例えば、本体制御部がケーブルＣ２を介してカーボン和紙シート（ＣＪＰ）の抵抗値を検出し、低温ボタン２５０Ａ、中温ボタン２５０Ｂ、高温ボタン２５０Ｃに対応する電圧レベルを設定してもよい（例えば、１２Ｖ、９Ｖ、６Ｖ）。また、スマートフォンなどの端末から面状ヒータ１０のサイズあるいはサイズに準じた情報を電源コントローラ２００へ送信するように構成してもよい。

次に、図７、８を用いて第５の実施形態について説明する。第５の実施形態では、自然災害において使用される暖房器具としてのポータブル型面状ヒータが構成されている。なお、第５の実施形態である災害用暖房器具を、キャンプなどの屋外で使用することも可能であり、融雪シート、さらにはオフィスの床などに設置してもよい。

図７は、第５の実施形態であるポータブル型面状ヒータの概略的断面図である。図８は、第５の実施形態におけるポータブル面状ヒータの回路構成を概略的に示した図である。

ポータブル面状ヒータ１００’は、ここでは縦横比が同じ３枚のカーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃを備える。カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃは、その短手方向をカバーシート１３０’の長手方向に沿うように並び、互いに所定間隔空けて離れている。カバーシート１３０’は、２枚のシートを縁全体に沿って重ねた状態でカーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃを内部に収容する。

カバーシート１３０’の長手方向縁部には、面ファスナー１３５’が設けられている。これによって、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃが出し入れ可能なように、カバーシート１３０’を開閉することができる。カバーシート１３０’は、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃ全体を被覆できるサイズを有し、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃの両面を覆う。

カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃの片面には、ここでは硬質の断熱材１４０’Ａ、１４０’Ｂ、１４０’Ｃが、熱効率を高めるためにそれぞれ接着などによって取り付けられている。例えば、帯状両面テープ（図示せず）が、断熱材１４０’Ａ、１４０’Ｂ、１４０’Ｃに対して間隔を空けて張り付けられる。断然材１４０’Ａ、１４０’Ｂ、１４０’Ｃの片側全面に両面テープを張り付けることも可能であり、テープの代わりに接着剤を用いてもよい。断熱材１４０’Ａ、１４０’Ｂ、１４０’Ｃは、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃと比べて短手方向長さが略同じである一方で全体サイズが大きく、また、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃと比べて厚みがある。

図８に示すように、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃは、電源ラインＣ１’、Ｃ２’を介して、電源出力が１つである電源供給器２００’から電源供給される。ここでは、電源供給器２００’はバッテリやＡＣ電源アダプタとして構成され、電源ラインＣ１’、Ｃ２’は、ＤＣ電源ラインとして構成される。そして、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃは、電気的に並列接続している。

カーボンシート１２０’Ａの電極１５０’Ａ、１５０’Ｅは、フレキシブルな導線１４２、１４３を介して、カーボンシート１２０’Ｂの向かい合う電極１５０’Ｂ、１５０’Ｆとそれぞれ接続し、カーボンシート１２０’Ｂの電極１５０’Ｂ、１５０’Ｆは、フレキシブルな導線１４４、１４５を介して、カーボンシート１２０’Ｃの向かい合う電極１５０’Ｃ、１５０’Ｇとそれぞれ接続している。電極１５０’Ａ～１５０’Ｇは、ここでは箔電極で構成されている。

ポータブル面状ヒータ１００’は、折り曲げることが可能な導線１４２、１４３および導線１４４、１４５の部分で、断熱材１４０’Ａ、１４０’Ｂ、１４０’Ｃとは反対側に向けて、折り畳むことができる（図７の矢印参照）。ポータブル面状ヒータ１００’は、一塊となるように折り畳んだ状態で収納袋４００に収納される。そのため、数多くのポータブル面状ヒータ１００’を限られた収容スペースに備蓄することができる。

自治体などは、収納袋４００に収納されているポータブル面状ヒータ１００’を、防災用暖房器具として備蓄することができる。台風、地震、豪雨などの自然災害が生じると、避難所へ避難してきた人々に対し、マットヒータとして供給することができる。避難者は、ポータブル面状ヒータ１００’を収納袋４００から取り出して広げ、ポータブル面状ヒータ１００’の上で直接あるいは間接的に横になることで、体を温めることができる。

ポータブル面状ヒータ１００’は、商用電源から直接電源供給を受けるのではなく、電源供給器２００’から電源供給を受ける。そのため、避難者が所有するＵＳＢケーブルなどを使ってポータブル面状ヒータ１００’へ電源供給することが可能となる。また、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃは短時間で暖房効果を発揮するため、複数のポータブル面状ヒータ１００’へ順次電源供給することで、多くの避難者が暖房用器具で暖をとることができる。

さらに、カバーシート１３０’に開閉部となる面ファスナー１３５’を設けることによって、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃのすべての交換あるいは一部交換を行うことが容易となる。また、カバーシート１３０’のサイズを調整することによって、カーボンシートの数を追加、減少させることができる。なお、カバーシート１３０’の開閉部分を一辺だけに限定しなくてもよい。例えば、カバーシートの縁全体に沿って開閉可能にしてもよい。一方で、カバーシート１３０’にファスナー１３５’などを設けず、開閉しない構成にすることも可能である。

導線１４２、１４３、１４４、１４５を取り外し可能に、電源ラインＣ１’およびモバイル電源供給器２００’を第１の実施形態のような電源に置換してもよい。こうすることで、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃを第１の実施形態のような直列接続にすることも可能である。カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃを短手方向に並べることで、電気的な接続の仕方を直列接続、並列接続いずれか選択的に設定するように構成することができる。

図９は、第５の実施形態である面状ヒータの変形例を示した概略的断面図である。ここでは、ウレタンなどの弾性材１２１’Ａ、１２１’Ｂ、１２１’Ｃが、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃと同等のサイズで、カバーシート１３０’との間に配置されている。弾性材１２１’Ａ、１２１’Ｂ、１２１’Ｃは、使用時にクッションとして機能する。また、カーボンシート１２０’Ａ、１２０’Ｂ、１２０’Ｃは、フレキシブルで折曲げることが可能な導電体（銅箔テープなど）１４２’、１４３’、１４４’、１４５’を介して、電気的に接続される。

次に、図１０～１２を用いて、第６の実施形態である電力供給システムについて説明する。第６の実施形態では、電圧制御と電流値あるいはいずれか一方を制御し、面状ヒータへ電源供給を行う。

図１０は、第６の実施形態における電力供給システムの概略的構成図である。図１１は、第６の実施形態における電力供給システムのブロック図である。

電力供給システム１０００は、面状ヒータ１０に対して電源供給可能な外部電源コントローラ１２００とともに、面状ヒータ１０内部に組み込まれた内部電源コントローラ１５００とを備えている。電源部３００は、ここではＵＳＢ－ＰＤ規格対応のモバイルバッテリによって構成されている。外部電源コントローラ１２００、内部電源コントローラ１５００は、ここでは併用する使用形態を示しているが、それぞれ単体で使用可能である。

外部電源コントローラ１２００は、タイマーボタン１２４０、温度設定ボタン１２５０とを備え、第１の実施形態と同様、電源部３００側にＵＳＢ－ＰＤ規格に対応したＵＳＢコネクタ２１０を備えている。さらに外部電源コントローラ１２００は、内部電源コントローラ１５００のＵＳＢコネクタ２１５と接続するＵＳＢコネクタ３１５とを備えている。ＵＳＢコネクタ２１５、３１５は、いずれもＵＳＢ－ＰＤ規格に対応している。

内部電源コントローラ１５００は、外部電源コントローラ１２００に設けられるような物理的スイッチ類は設けられておらず、スマートフォン２５０”などの端末から送られてくる信号を受信し、それに基づいて電力供給を行う。図１０、１１に示す使用形態において、外部電源コントローラ１２００がユーザによって操作されると、内部電源コントローラ１５００は、外部電源コントローラ１２００から送られてくる電圧、電流値に基づいてヒータ１０へ電力供給を行う。

内部電源コントローラ１５００は、本体制御部１５２０と、電圧・電流制御部（電力変換部）１５４０とを備える。本体制御部１５２０は、タイマー２４０、温度センサ２８０からの信号を受信し、スマートフォン２５０”から送られてくる情報に基づき、電力供給を行う。具体的には、本体制御部１５２０は、温度設定情報を受信すると、電圧・電流制御部１５４０において電流値を変更するため、電圧・電流制御部１５４０へ電力を送る。電圧・電流制御部１５４０は、定められたＵＳＢ－ＰＤ規格に対応した電圧レベルに対して電流値を変更する。

一方、温度設定情報が送られてこない場合、すなわちユーザによる温度調整に関する入力操作が行われない場合、定められたＵＳＢ－ＰＤ規格に対応した電圧レベルで電力供給を行う。この場合、電流値は、モバイルバッテリとして構成される電源部３００に従った電流値となる。

ＵＳＢ－ＰＤ規格に対応した電圧レベルの設定に関しては、使用される電源部３００の特性、電源環境に基づいて設定される。また、ヒータ１０のサイズ（面積）およびヒータ１０のターゲットとなる温度、すなわちヒータ１０に必要なワット数などに基づいて定められる。

ヒータ１０のサイズ（面積）が比較的大きい場合、小さい場合いずれにも同じヒータ温度を実現するためには、必要なワット数（出力）を確保する電流値を設定できる電圧レベルを設定する必要がある。そのため、５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖの中で、電流値の制限が生じないようにＵＳＢ－ＰＤ規格の電圧レベルを設定すればよい。ここでは、ＵＳＢ－ＰＤ規格に対応する電圧レベルの中で、９Ｖ（電流値２Ａ）が設定されている。

ＵＳＢ－ＰＤ規格に対応した電圧レベルが９Ｖ（電流値２Ａ）として設定される場合、ユーザが、第１の実施形態、第３の実施形態のように低温、中温、高温という段階的な温度レベルのいずれかを選択すると、電圧レベルを９Ｖに設定したまま、電流値を変更する。ここでは、高温、中温、低温という３つの温度範囲に応じた温度レベルそれぞれに対し、１Ａ、０．８Ａ、０．６Ａが設定される。電流値に関しては、他の電流値（ゼロ以外）に設定することも可能である。なお、第２の実施形態のように連続的な電圧レベルが設定される場合においても、各電圧レベルに応じて複数の電流値を定めればよい。

電圧・電流制御部１５４０は、例えばスイッチングレギュレータで構成することが可能であり、フィードバック制御による電流モードに切り替えるように構成することができる。あるいは、ＤＣ－ＤＣコンバータによって構成し、ＰＷＭ駆動によりＯＮ／ＯＦＦ時間を調整することで電流値を変更することが可能である。

図１２は、第６の実施形態における供給電力制御のフローを示した図である。上述したように、ユーザによって温度設定されている場合、その設定された温度レベルに応じた電流値に変更する一方、ユーザによって温度設定されていない場合、上述したようにＵＳＢ－ＰＤ規格に対応した電圧レベルおよびその電流値によって電力供給を行う（Ｓ２０１～Ｓ２０３）。

ヒータ１０の温度Ｔが閾値Ｔ０を超えると、電力供給を停止する（Ｓ２０５）。この間、通電状態は維持される。ヒータ１０の温度Ｔが閾値Ｔ０を下回ると、再び電力供給を行い、ヒータ１０の温度Ｔが維持されるように、供給電力がフィードバック制御される。また、タイマーによって時間設定されている場合、タイマーにより設定された時間に到達すると、通電状態を維持した状態で電力供給を停止する（Ｓ２０８）。何らかの異常が発生した場合、スマートフォン２５０”へ異常を報知するか、あるいは、外部電源コントローラ１２００に設けられた警告ランプ（図示せず）が点灯する（Ｓ２０７、Ｓ２０８）。なお、第１～第４の実施形態のように、ヒータ１０の温度が閾値Ｔ０を超えた場合、より低いＵＳＢ－ＰＤ規格に対応した電圧レベルに設定変更してもよい。

以上、内部電源コントローラ１５００について説明したが、外部電源コントローラ１２００についても、物理的に入力操作するボタンが設けられている以外、同様に構成されている。例えば、内部電源コントローラ１５００が外部電源コントローラ１２００と接続していると認識した場合、外部電源コントローラ１２００だけの入力操作に応じて電力供給制御を行うようにすればよい。あるいは、内部電源コントローラ１５００が外部電源コントローラ１２００の機能をＯＦＦに設定し、スマートフォンなどの端末２５０”とのデータ通信に基づいて電力供給制御を行ってもよい。

このように本実施形態によれば、外部電源コントローラ１２００、あるいは内部電源コントローラ１５００が、ユーザにより設定された温度レベル（低温、中温、高温）に基づき、定められたＵＳＢ－ＰＤ規格対応電圧レベルに対し、電流値を変更してヒータ１０へ電力供給を行う。

電源部３００がモバイルバッテリの場合、バッテリ性能などに起因して最高出力電圧は様々であり、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応電圧レベルの電圧変更に制限が生じ、また、必要以上の電流値による電力供給が行われる状況が生じやすい。電源部３００の性能および定められたＵＳＢ－ＰＤ規格対応電圧レベルに応じて、ユーザの設定した温度レベルに適した電流値に設定することにより、ヒータ１０に対して適切な電力供給を行うことができる。また、電流値制御によって、モバイルバッテリで構成される電源部３００のバッテリ駆動時間を長くすることができる。

電源部３００がモバイルバッテリの場合、電源ＯＮ／ＯＦＦの繰り返し操作によって、電源部３００内の電気回路に対してダメージを与える場合がある。しかしながら、ヒータ１０の温度Ｔを維持するように、通電状態で電力供給、電力供給の停止を行うことにより、電源部３００における回路動作が安定し、ヒータ１０の温度に関してより精細な制御を可能にする。

電圧・電流制御部１５４０では、電圧レベルを電流値とともに変更するように構成してもよい。この場合、第１～第５の実施形態のように、ＵＳＢ－ＰＤ規格対応電圧レベル、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルとの間で出力電圧レベルを調整するようにしてもよい。そして、設定された電圧レベル毎に、低温、中温、高温に応じた電流値をあらかじめ定めるようにすればよい。例えば、本体制御部１５２０は、図示しないメモリに記憶された電流値に関するデータに基づいて電圧・電流制御部１５４０を制御し、電流モードにおける定電流の値を定めることが可能である。

カーボン和紙シート以外でも、同様の発熱特性や柔軟性のある発熱シートを使用することも可能であり、カーボンナノチューブコーティングされた布や、微細化した炭素粉末を含む樹脂シートで構成することも可能である。

１０ ヒータ
１００ 電力供給システム
２００ 電源コントローラ
２１０ ＵＳＢコネクタ
２２０ ＵＳＢコントローラ
２８０ 温度センサ
３００ 電源部
１２００ 外部電源コントローラ
１５００ 内部電源コントローラ
１５４０ 電圧・電流制御部

Claims (10)

1. ポータブル型面状ヒータへ電力供給可能であって、
   ＵＳＢ（Universal Serial Bus）－ＰＤ（Power Delivery）規格に従って、電源部コネクタと接続可能なＵＳＢコネクタと、
   ヒータ温度調整に関する入力操作および前記面状ヒータの情報の少なくとも一方に基づいて、前記ＵＳＢコネクタで受電した電力の電圧レベルおよび電流値の少なくとも一方を変換可能な電力変換部と
   を備えることを特徴とする電源コントローラ。
2. 前記電力変換部が、ＵＳＢ－ＰＤ規格により前記電源部の出力電圧レベルとして設定された電圧レベル（以下、ＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベルという）に対し、電流値を変換することを特徴とする請求項１に記載の電源コントローラ。
3. 前記電力変換部が、ヒータ温度調整に関する入力操作によって設定可能な複数の温度レベルにそれぞれ対応した複数の電流値に基づいて、電流値を変換することを特徴とする請求項２に記載の電源コントローラ。
4. 前記電力変換部が、設定されたＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベルを、それ以外のＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベル、またはＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベル以外の電圧レベル（以下、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルという）に昇圧または降圧することを特徴とする請求項２に記載の電源コントローラ。
5. ＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベルと、ＵＳＢ－ＰＤ出力可能電圧レベル以外の電圧レベル（以下、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルという）とを、前記面状ヒータへ供給する電力の電圧レベル（以下、供給電圧レベルという）として設定可能であり、
   前記電力変換部が、供給電圧レベルとしてＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルが設定されると、前記ＵＳＢコネクタがＵＳＢ－ＰＤ規格対応電圧レベルで受電した電力の電圧を昇圧または降圧し、ＵＳＢ－ＰＤ規格非対応電圧レベルに変換することを特徴とする請求項２に記載の電源コントローラ。
6. 前記ヒータの温度を検出する温度センサをさらに備え、
   検出された温度があらかじめ定められた閾値を超えると、定められたＵＳＢ－ＰＤ規格対応電圧レベルより低い電圧レベルを設定する、あるいは通電状態で電力供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の電源コントローラ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の電源コントローラと、
   ポータブル型面状ヒータと
   を備えたことを特徴とするヒータシステム。
8. 前記電源コントローラが、前記面状ヒータ内に組み込まれる内部電源コントローラと、前記電源部と前記面状ヒータとを接続するケーブル途中に設けられる外部電源コントローラとによって構成されることを特徴とする請求項７に記載のヒータシステム。
9. 請求項１乃至６のいずれかに記載の電源コントローラと、
   ＵＳＢ（Universal Serial Bus）－ＰＤ（Power Delivery）規格対応の電源部と
   を備えたことを特徴とする電力供給システム。
10. ＵＳＢ（Universal Serial Bus）－ＰＤ（Power Delivery）規格に従って、電源部のコネクタから電源コントローラのＵＳＢコネクタへ電力供給し、
    受電した電力に基づいて前記電源コントローラからポータブル型面状ヒータへ電力供給する方法であって、
    ヒータ温度調整に関する入力操作および前記面状ヒータの情報の少なくとも一方に基づいて、前記ＵＳＢコネクタで受電した電力の電圧レベルおよび電流値の少なくとも一方を変換することを特徴とするポータブル型面状ヒータへの電力供給方法。

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