DE3687295T2 - HEAT DETECTING ELEMENT. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeumgebungssensor, um Wärmebedingungen in einer Innenumgebung zu erfassen, welche die Daten für die Steuerung einer Klimaanlage liefern, wenn sie bspw. den menschlichen Körper in einem Raum mit einer angenehmen Wärmeumgebung versorgt; insbesondere bezieht sie sich auf einen Wärmeumgebungssensor, dessen Emissionsvermögen mit demjenigen des menschlichen Körpers übereinstimmt.The present invention relates to a thermal environment sensor for detecting thermal conditions in an indoor environment, which provides the data for controlling an air conditioner when, for example, it provides a comfortable thermal environment to the human body in a room; in particular, it relates to a thermal environment sensor whose emissivity matches that of the human body.
Im allgemeinen besteht eine Grenze, um einen Raum durch eine Klimaanlage, welche nur die Raumtemperatur regelt, unter angenehmen Wärmebedingungen für einen menschlichen Körper zu halten, so daß es nötig ist, die tatsächliche Wärmeumgebung des Wohnraums durch andere Faktoren der Wärmeumgebung zu schätzen, also die gesamten physikalischen Mengen der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Feuchtigkeit und der Strahlung. Und um diese Wärmezustände zu erfassen, ist es nötig, daß ein Wärmeumgebungssensor derart aufgebaut sein sollte, daß er eine wechselseitige Wärmebeziehung zwischen dem Sensor und dem menschlichen Körper auf der Grundlage des Wärmegleichgewichts des menschlichen Körpers ergibt.In general, there is a limit to keep a room under comfortable thermal conditions for a human body by an air conditioner which only controls the room temperature, so it is necessary to estimate the actual thermal environment of the living space by other thermal environment factors, namely, the total physical quantities of air flow velocity, humidity and radiation. And in order to detect these thermal conditions, it is necessary that a thermal environment sensor should be constructed in such a way that it gives a mutual thermal relationship between the sensor and the human body based on the thermal balance of the human body.
Es sollte angemerkt werden, daß gemäß dem Hinweis in dem japanischen Patentblatt TOKKAISHO No. 58-218624 eine ähnliche Art eines Sensors existiert, der ein elektrisches Heizelement umfaßt, das eine elektrische Heizeinrichtung in einer leeren Ummantelung und einen Thermometer zum Messen der Oberflächentemperatur des Heizelements aufweist und das die thermischen Zustände in einer Innenumgebung erfaßt, wobei die Strahlung durch eine Messung der Oberflächentemperatur des Heizelements nach seiner Versorgung mit einer vorbestimmten Wärmemenge durch die Zufuhr eines elektrischen Stromes an die elektrische Heizeinrichtung berücksichtigt wird.It should be noted that, as disclosed in Japanese Patent Gazette TOKKAISHO No. 58-218624, there exists a similar type of sensor comprising an electric heating element having an electric heater in an empty casing and a thermometer for measuring the surface temperature of the heating element, and which detects the thermal conditions in an indoor environment, taking into account the radiation by measuring the surface temperature of the heating element after it has been supplied with a predetermined amount of heat by supplying an electric current to the electric heater.
Die JP-A-59-104016 beschreibt einen Sensor in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.JP-A-59-104016 describes a sensor in accordance with the preamble of claim 1.
Obwohl bei dem vorerwähnten Sensor des herkömmlichen Typs das Emissionsvermögen der Außenfläche des Heizelements eng übereinstimmt mit dem Emissionsvermögen der Oberfläche der menschlichen Haut oder der Kleider darauf, so daß eine Wechselbeziehung hergestellt werden kann, bei welcher das Wärmegleichgewicht zwischen dem Sensor und dem menschlichen Körper unter Berücksichtigung der Strahlung beachtet wird, kann dieser Sensor nur die Strahlungsrate und die Emission eines Wärmestrahlers (des Heizelements und des menschlichen Körpers) mit dem Emissinsvermögen erfassen, während die Absorptionsrate von einfallender Strahlung von außen (Strahlung von der Wand und Sonnenstrahlung) nicht präzise erfaßt werden kann. Was nämlich die Strahlung von einem Objekt anbetrifft, das eine ähnliche Temperatur wie der Wärmestrahler (das Heizelement und der menschliche Körper) hat, wie bspw. die Strahlung von der Wand, so ist das Emissionsvermögen nahezu gleich dem Absorptionsvermögen, weil die Spektralverteilung der Strahlung ähnlich derjenigen des Einfalls ist, was aber andererseits die außergewöhnliche einfallende Strahlung anbetrifft, bei welcher ein Unterschied zwischen der Spektralverteilung der Strahlung und derjenigen des Einfalls vorliegt, wie bspw. von Sonnenstrahlung oder Strahlung von einem Heizgerät, so stimmen dabei das Emissionsvermögen und das Absorptionsvermögen bei dem Strahler (das Heizelement und der menschliche Körper) nicht immer überein. Wenn daher das Spektralemissionsvermögen (gleich mit dem Spektralabsorptionsvermögen) des Heizelements nicht mit dem Spektralemissionsvermögen (gleich dem Spektralabsorptionsvermögen) des menschlichen Körpers übereinstimmt, dann besteht in diesem Fall ein Unterschied zwischen der Spektralverteilung der Strahlung und derjenigen des Einfalls, so daß es schwierig wird, die Wärmeumgebung genau zu erfassen als Folge der geringen Genauigkeit einer wesentlichen Übereinstimmung bei der Wechselbeziehung in Bezug auf die Wärme zwischen der Oberfläche des Sensors und derjenigen des menschlichen Körpers.Although in the above-mentioned conventional type sensor, the emissivity of the outer surface of the heating element closely matches the emissivity of the surface of the human skin or clothes thereon so that a correlation can be established in which the thermal balance between the sensor and the human body is taken into account in terms of radiation, this sensor can only detect the radiation rate and the emission of a heat radiator (the heating element and the human body) with the emissivity, while the absorption rate of incident radiation from the outside (radiation from the wall and solar radiation) cannot be detected precisely. Namely, as for the radiation from an object having a similar temperature to that of the heat radiator (the heating element and the human body), such as radiation from a wall, the emissivity is almost equal to the absorptivity because the spectral distribution of the radiation is similar to that of the incidence. However, as for exceptional incident radiation where there is a difference between the spectral distribution of the radiation and that of the incidence, such as solar radiation or radiation from a heater, the emissivity and the absorptivity of the radiator (the heating element and the human body) do not always match. Therefore, if the spectral emissivity (equal to the spectral absorptivity) of the heating element does not agree with the spectral emissivity (equal to the spectral absorptivity) of the human body, then in this case there is a difference between the spectral distribution of the radiation and that of the incidence, so that it becomes difficult to detect the thermal environment accurately due to the low accuracy of a substantial agreement in the thermal correlation between the surface of the sensor and that of the human body.
Was diesen Punkt anbetrifft, so kann die Wechselbeziehung in Bezug auf die Wärme zwischen dem wie vorstehend zusammengesetzten Wärmeumgebungssensor und dem menschlichen Körper im Detail wie folgt beschrieben werden:Regarding this point, the interaction in terms of heat between the thermal environment sensor composed as above and the human body can be described in detail as follows:
die thermische Gleichgewichtsgleichung des Wärmeumgebungssensors kann nämlich wie folgt aufgestellt werden:the thermal equilibrium equation of the thermal environment sensor can be formulated as follows:
M=hgr (Tg-Tr)+hgc(Tg-Ta) (1)M=hgr(Tg-Tr)+hgc(Tg-Ta) (1)
(worin M die gelieferte Wärmemenge ist; Tg: die Oberflächentemperatur des Heizelements; Tr: die mittlere Strahlungstemperatur in einer Raumumgebung; Ta: die Temperatur der Luft; hgr: der Strahlungswärme-Übertragungskoeffizient des Heizelements; hgc: der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des Heizelements)(where M is the amount of heat supplied; Tg: the surface temperature of the heating element; Tr: the mean radiant temperature in a room environment; Ta: the temperature of the air; hgr: the radiant heat transfer coefficient of the heating element; hgc: the convective heat transfer coefficient of the heating element)
Die Gleichung, welche die Wärme Hsk berechnet, die von der menschlichen Haut unter wahlweise verschiedenen Temperaturumgebungen freigesetzt wird, lautet dagegen wie folgt:The equation that calculates the heat Hsk released by the human skin under various temperature environments is as follows:
Hsk=R+C+E (2)Hsk=R+C+E (2)
wobei in diesem Fall R, C und E den thermischen Verlust durch Strahlung, Konvektion und Verdampfung von dem menschlichen Körper ausdrücken und die Gleichung für jeden thermischen Verlust der vorerwähnten Größen R, C und E wie folgt lautet:where in this case R, C and E express the thermal loss by radiation, convection and evaporation from the human body and the equation for each thermal loss of the aforementioned quantities R, C and E is as follows:
R=hr·Fcl·(Tsk-Tr) (3)R=hr·Fcl·(Tsk-Tr) (3)
C=hc·Fcl·(Tsk-Ta) (4)C=hc·Fcl·(Tsk-Ta) (4)
E=w·k·h&sub3;·Fpcl·(Psk- a·Pa) (5)E=w·k·h₃·Fpcl·(Psk- a·Pa) (5)
(worin hr der Strahlungswärme-Übertragungskoeffizient des menschlichen Körpers ist; hc: der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des menschlichen Körpers; a: die relative Feuchtigkeit; Psk: der Sättigungsdampfdruck unter der mittleren Temperatur Tsk der menschlichen Haut; Pa: der Sättigungsdampfdruck unter der Temperatur Ta der Luft; w: der Anteil der nassen Hautfläche; Fcl: ein Koeffizient des Wärmewiderstands der Bekleidung;(where hr is the radiant heat transfer coefficient of the human body; hc: the convective heat transfer coefficient of the human body; a: the relative humidity; Psk: the saturation vapor pressure under the mean temperature Tsk of the human skin; Pa: the saturation vapor pressure under the temperature Ta of the air; w: the proportion of the wet skin area; Fcl: a coefficient of thermal resistance of the clothing;
Fpcl: der Übertragungskoeffizient der Bekleidung gegenüber dem Dampf, der von der Oberfläche der menschlichen Haut an die Umgebung davon verdampft wird; k: 2.2 bei Meereshöhe, die Lewis-Wechselbeziehung)Fpcl: the coefficient of transfer of clothing to the vapor evaporated from the surface of human skin to the environment; k: 2.2 at sea level, the Lewis relationship)
Im Falle des Abschätzens der Wärmeannehmlichkeit in einem Raum durch Übernahme der neuen effektiven Standardtemperatur SET* - die eine enge Beziehung zu dem Gefühl der Kälte oder der Wärme und zu der Annehmlichkeit des menschlichen Körpers hat und von ASHRAE, der American Society of Heating-Refrigerating and Air-conditioning Engineers in den USA, niedergeschrieben wurde - wird die Freisetzung der auf dieser Theorie begründeten berechneten Wärmemenge wie folgt bestimmt, damit sie gleich wird zu Hsk bei der vorstehenden Gleichung (2):In the case of estimating the thermal comfort in a room by adopting the new effective standard temperature SET* - which has a close relationship with the feeling of cold or warm and with the comfort of the human body and was written down by ASHRAE, the American Society of Heating-Refrigerating and Air-conditioning Engineers in the USA - the release of the calculated amount of heat based on this theory is determined as follows so that it becomes equal to Hsk in the above equation (2):
Hsk=hs·Fcls·(Tsk-SET*)+w·k·hcs·Fpcls·(Psk-0.5Pset*) (6)Hsk=hs·Fcls·(Tsk-SET*)+w·k·hcs·Fpcls·(Psk-0.5Pset*) (6)
(worin hcs der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des menschlichen Körpers in der Standard-Luftströmung ist; hs: der Wärmeübertragungskoeffizient als die Summe des Strahlungswärme-Übertragungskoeffizienten hr und des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten hcs des menschlichen Körpers in einem normalen Zustand; Pset*: der Sättigungsdampfdruck unter SET*;(where hcs is the convective heat transfer coefficient of the human body in the standard air flow; hs: the heat transfer coefficient as the sum of the radiant heat transfer coefficient hr and the convective heat transfer coefficient hcs of the human body in a normal state; Pset*: the saturation vapor pressure under SET*;
Fcls: der Koeffizient des Wärmewiderstands in dem Fall, daß die Menge der Bekleidung gleich dem Wert 0.6 ist; Fpcls: der übertragungskoeffizient der Bekleidung gegenüber verdampftem Wasserdampf in dem Fall.Fcls: the coefficient of thermal resistance in the case that the amount of clothing is equal to the value 0.6; Fpcls: the coefficient of transmission of the clothing to evaporated water vapor in the case.
Mit anderen Worten ist SET* die Temperatur, die als die gleiche Temperaturumgebung definiert wird, unter welcher der Wärmewert gleich dem durch die Gleichung (2) vorgegebenen Hsk in einem normalen Zustand freigesetzt werden kann (der thermische Widerstandskoeffizient (Clo) entsprechend der Menge der getragenen Bekleidung gleich ist mit dem Wert 0.6; die Geschwindigkeit der Luftströmung gleich ist mit dem Wert 0.1 m/s bis 0.15 m/s; die Feuchtigkeit gleich ist mit dem Wert 50%, Tr=Ta) und in dem gleichen physiologischen Zustand (gleiche Bedingungen in Bezug auf Tsk, w), wobei darüberhinaus SET* von der Temperatur Ta der Luft abhängt; der mittleren Strahlungstemperatur Tr; der Temperatur der Luftströmung: bspw. wenn die Geschwindigkeit der Luftströmung den Wert 0.1 m/s bis 0.15 m/s in einem normalen Zustand hat, wo der Koeffizient Clo den Wert 0.6 hat; die Feuchtigkeit 50% ist; die erzeugte Wärmemenge 1 MET (=58.2 W/m²) ist, wenn SET* 22.2ºC bis 25.6ºC beträgt, dann hat ASHRAE darin zugestimmt, daß sich mehr als 80% der Menschen in der Wärmeumgebung komfortabel fühlen.In other words, SET* is the temperature defined as the same temperature environment under which the heat value equal to Hsk given by equation (2) can be released in a normal state (the thermal resistance coefficient (Clo) corresponding to the amount of clothing worn is equal to the value 0.6; the air flow speed is equal to the value 0.1 m/s to 0.15 m/s; the humidity is equal to the value 50%, Tr=Ta) and in the same physiological state (same conditions with respect to Tsk, w), where SET* also depends on the air temperature Ta; the mean radiation temperature Tr; the temperature of the air flow: e.g. when the air flow speed is equal to the value 0.1 m/s to 0.15 m/s in a normal state, where the coefficient Clo is equal to the value 0.6; the humidity is 50%; the amount of heat generated is 1 MET (=58.2 W/m²), if SET* is 22.2ºC to 25.6ºC, then ASHRAE agreed that more than 80% of people feel comfortable in the thermal environment.
In der obigen Wärmegleichgewichtsgleichung (2) für den menschlichen Körper kann die rechte Seite C+E etwa wie folgt angesetzt werden, wenn die Situation ohne eine Wirkung für ein Schwitzen des menschlichen Körpers (w=0.06) festgelegt wird, um eine nasse Wärmefreisetzung und einen Bereich von angenehmen Temperaturen (die Temperatur der Luft beträgt 22ºC bis 26ºC) zu betrachten, und auch durch Festlegung der Bedingung, daß die relative Feuchtigkeit a auf 0.5 eingestellt wird:In the above heat equilibrium equation (2) for the human body, the right-hand side C+E can be set approximately as follows if the situation is set without an effect for sweating of the human body (w=0.06) to consider wet heat release and a range of comfortable temperatures (the temperature of the air is 22ºC to 26ºC), and also by setting the condition that the relative humidity a is set to 0.5:
C+E=hc'·Fcl·(Tsk-Ta) (7)C+E=hc'·Fcl·(Tsk-Ta) (7)
(worin hc': der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des menschlichen Körpers unter Betrachtung der Verdampfung),(where hc': the convective heat transfer coefficient of the human body considering evaporation),
die Gleichung (2) wird dann durch die folgende Gleichung ersetzt:equation (2) is then replaced by the following equation:
Hsk/Fcl=hr(Tsk-Tr)+hc'(Tsk-Ta) (8).Hsk/Fcl=hr(Tsk-Tr)+hc'(Tsk-Ta) (8).
Und wird die Gleichung (1) mit der Gleichung (8) verglichen, dann werden die folgenden Wechselbeziehungen festgelegt:And if equation (1) is compared with equation (8), then the following interrelations are established:
hgr=hr (9)hgr=hr (9)
hgc=hc' (10)hgc=hc' (10)
M=Hsk/Fcl (11)M=Hsk/Fcl (11)
die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements ist dann gleich der mittleren Temperatur Tsk der menschlichen Haut, so daß sich daraus ergibt:the surface temperature Tg of the heating element is then equal to the average temperature Tsk of the human skin, so that this results in:
Tg=Tsk (12)Tg=Tsk (12)
(nachfolgend wird die Oberflächentemperatur des Heizelements, dessen Eigenschaften die Gleichungen (9) bis (11) erfüllen, mit KET* angegeben)(hereinafter, the surface temperature of the heating element whose properties satisfy equations (9) to (11) is given as KET*)
Was weiterhin den Wert SET* anbetrifft, so ist eine nasse Wärmefreisetzung in dem Wärmeverlust durch Konvektion enthalten, so daß sich dann für die Gleichung (6) folgendes ergibt:As far as the value SET* is concerned, wet heat release is included in the heat loss through convection, so that equation (6) then becomes:
Hsk=hs'·Fcls(Tsk-SET*) (13)Hsk=hs'·Fcls(Tsk-SET*) (13)
(wobei hs': der gesamte Wärmeübertragungskoeffizient des menschlichen Körpers durch Konvektion, Verdampfung und Strahlung in einer Standard-Luftströmung).(where hs': the total heat transfer coefficient of the human body by convection, evaporation and radiation in a standard air flow).
Und aus den Gleichungen (12) und (13) ergibt sich dann:And from equations (12) and (13) we get:
SET*=KET*-Hsk/(fcls·hs') (14)SET*=KET*-Hsk/(fcls·hs') (14)
und durch ein Berechnen des Bereichs der angenehmen Temperaturen ergibt sich, daß der zweite Term auf der rechnen Seite der Gleichung (14) sich einer Konstanten nähert.and by calculating the range of comfortable temperatures, the second term on the computational side of equation (14) approaches a constant.
Wenn somit die Oberflächentemperatur KET* des Heizelements mit den Eigenschaften der Wärmeübertragung gemessen wird, welche die Bedingungen der Gleichungen (9) bis (11) erfüllen, dann kann SET* angenähert berechnet werden und die thermische Schätzung kann strikt unter der tatsächlichen Wohnungsumgebung durch den Wärmeumgebungssensor durchgeführt werden.Thus, if the surface temperature KET* of the heating element is measured with the heat transfer characteristics satisfying the conditions of equations (9) to (11), then SET* can be approximately calculated and the thermal estimation can be performed strictly under the actual housing environment by the thermal environment sensor.
Es ist deshalb in erster Linie wichtig, die tatsächliche Wärmeumgebung in einem Raum mit hoher Genauigkeit zu erfassen, die Erfassungseigenschaften eines Wärmeumgebungssensors eng den tatsächlichen körperlichen Empfindungsvermögen anzunähern, indem die Eigenschaften der Strahlung und der Absorption der Oberfläche eines Heizelements mit einem Spektralemissionsvermögen - welches die Funktion der Wellenlänge ist - spezifiziert werden, so daß eine Übereinstimmung mit dem fremden Einfallspektrum vorliegt, damit die Gleichung (9) erfüllt werden kann. Mit anderen Worten soll also der Strahlungswärme-Übertragungskoeffizient hgr der Oberfläche des Wärmeumgebungssensors übereinstimmen mit demjenigen hr des menschlichen Körpers.It is therefore primarily important to detect the actual thermal environment in a room with high accuracy, to make the detection characteristics of a thermal environment sensor closely approximate the actual physical sensation by specifying the radiation and absorption characteristics of the surface of a heating element with a spectral emissivity - which is the function of the wavelength - so that there is agreement with the foreign incident spectrum so that the equation (9) can be satisfied. In other words, the radiant heat transfer coefficient hgr of the surface of the thermal environment sensor should be consistent with that hr of the human body.
Bei dem herkömmlichen Sensor, der mit einem Heizelement ausgerüstet ist, das eine elektrische Heizeinrichtung in einer leeren Ummantelung aufweist, ergibt eine Erniedrigung der gelieferten Elektrizitätsmenge durch eine Verkleinerung des Durchmessers der Ummantelung (des Heizelements) eine Vergrößerung des Fehlers zwischen der tatsächlich wirksamen Temperatur und dem Ausgangswert des Wärmeumgebungssensors, wodurch die wesentliche Funktion des Wärmeumgebungssensors vereitelt wird, nämlich eine thermische Wechselbeziehung mit dem menschlichen Körper herzustellen. Die konkrete Erklärung dafür ist folgende:In the conventional sensor equipped with a heating element that has an electric heater in an empty casing, a decrease in the amount of electricity supplied by a decrease in the diameter of the casing (heating element) results in an increase in the error between the actual effective temperature and the output value of the thermal environment sensor, thus defeating the essential function of the thermal environment sensor, namely, to establish a thermal interaction with the human body. The concrete explanation for this is as follows:
der Fehler zwischen SET* (die Meßgröße, welche durch die American Society of Heating-Refrigerating and Airconditioning Engineers, ASHRAE in den USA eingeführt wurde; die neue wirksame Standardtemperatur, die eine enge Beziehung zu dem Gefühl der Wärme oder Kälte und zu der Annehmlichkeit des menschlichen Körpers hat) und KET* (der Ausgangstemperatur des Wärmeumgebungssensors) wird vergrößert durch ein Verkleinern des Durchmessers des Heizelements, wie dargestellt in den Fig. 2 und J. Die Fig. 2 zeigt nämlich den mittleren Quadratwert des Unterschiedes zwischen SET* und KET* als S in Bezug auf den Durchmesser D der kugelförmigen Ummantelung in dem Fall, daß sich die Geschwindigkeit der Luftströmung zwischen 0.1 m/s und 1.0 m/s verändert. Die Fig. 3 zeigt den mittleren Quadratwert des Unterschiedes zwischen SET* und KET* als S in Bezug auf den Durchmesser D der kugelförmigen Ummantelung in dem Fall, daß der Unterschied zwischen der mittleren Strahlungstemperatur und der Temperatur der Luft sich zwischen 0ºC und 10ºC verändert. Durch die Fig. 2 und 3 wird daher klar, daß der Fehler S ansteigt, wenn der Durchmesser D kleiner als 100 mm wird, und daß die unterste Grenze etwa 60 mm ist als der Bereich des zulässigen Fehlers.the error between SET* (the quantity introduced by the American Society of Heating-Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE in the USA; the new effective standard temperature which has a close relationship with the feeling of heat or cold and with the comfort of the human body) and KET* (the output temperature of the thermal environment sensor) is increased by decreasing the diameter of the heating element, as shown in Figs. 2 and J. Namely, Fig. 2 shows the mean square value of the difference between SET* and KET* as S with respect to the diameter D of the spherical shell in the case that the air flow velocity varies between 0.1 m/s and 1.0 m/s. Fig. 3 shows the mean square value of the difference between SET* and KET* as S in relation to the diameter D of the spherical shell in the case where the difference between the mean radiation temperature and the temperature of the air is between 0ºC and 10ºC. changed. It is therefore clear from Figs. 2 and 3 that the error S increases when the diameter D becomes smaller than 100 mm, and that the lower limit is about 60 mm as the range of permissible error.
Unter diesem Gesichtspunkt ist es wünschenswert, die thermischen Zustände an dem Ort zu erfassen, wo die Person ist, indem der Wärmeumgebungssensor nahe dem menschlichen Körper angeordnet wird, um einen Raum in einem komfortablen Wärmezustand für den menschlichen Körper zu halten. In dem vorerwähnten Fall kann dieses Erfordernis jedoch nicht befriedigt werden, weil der Durchmesser der Ummantelung nicht unter den vorbestimmten Wert verkleinert werden kann, und weiterhin erfordert die große Menge der gelieferten elektrischen Energie ein geliefertes Elektrokabel von einer kommerziellen Stromquelle, wodurch es nicht möglich ist, daß der Wärmeumgebungssensor frei getragen werden kann, so daß das Umfeld der Bewegung begrenzt ist. Zusätzlich existiert praktisch die Unbequemlichkeit, daß über das gelieferte Elektrokabel gestolpert wird.From this point of view, it is desirable to detect the thermal conditions at the place where the person is by arranging the thermal environment sensor near the human body in order to keep a room in a comfortable thermal condition for the human body. In the aforementioned case, however, this requirement cannot be satisfied because the diameter of the sheath cannot be reduced below the predetermined value, and further, the large amount of supplied electric power requires a supplied electric cable from a commercial power source, whereby it is not possible for the thermal environment sensor to be carried freely, so that the range of movement is limited. In addition, there is practically an inconvenience of tripping over the supplied electric cable.
Aus diesem Grund schlagen wir vor, die Wärmeumgebung nahe des menschlichen Körpers präzise durch das folgende Verfahren zu erfassen:For this reason, we propose to precisely measure the thermal environment near the human body by the following method:
die Zusammensetzung des Wärmeumgebungssensors ist wie folgt umgebildet: die elektrische Heizeinrichtung ist nämlich in einem Teil des Wärmeisolators installiert; und auf diese Art und Weise wird der neu konzipierte Sensor ein teilweiser Erwärmungssensor, während der herkömmliche Sensor ein ganzer Erwärmungssensor ist; mittels dieses teilweisen Erwärmungssensors kann die effektive Temperatur, welche die Temperatur der Luft, die Geschwindigkeit der Luftströmung und die Strahlung berücksichtigt, erfaßt werden: dies macht es daher möglich, die Strommenge zu verringern und die Heizeinrichtung mit elektrischer Energie aus einer elektrischen Batterie zu versorgen, ohne daß ein Elektrokabel von einer kommerziellen Stromquelle benötigt wird.the composition of the thermal environment sensor is redesigned as follows: namely, the electric heater is installed in a part of the thermal insulator; and in this way, the newly designed sensor becomes a partial heating sensor, while the conventional sensor is a whole heating sensor; by means of this partial heating sensor, the effective temperature can be detected, which takes into account the temperature of the air, the speed of the air flow and the radiation: this therefore makes it possible to reduce the amount of electricity and to supply the heating device with electrical energy from an electric battery, without the need for an electric cable from a commercial power source.
Zusätzlich berücksichtigt der herkömmliche Typ nur die trockene Wärmefreigabe von dem menschlichen Körper durch Strahlung und Konvektion und schließt nicht auch die nasse Wärmefreigabe ein, die durch ein Schwitzen usw. verursacht wird. Es ist daher schwierig, die thermischen Zustände in einer tatsächlichen Wohnumgebung so präzise zu erfassen wie körperliche Empfindungen.In addition, the conventional type only takes into account the dry heat release from the human body through radiation and convection and does not include the wet heat release caused by sweating, etc. It is therefore difficult to capture the thermal conditions in an actual living environment as precisely as physical sensations.
Aus diesem Grund erfassen bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung präziser tatsächliche thermische Zustände in einem Raum durch eine Berücksichtigung der Wärmefreigabe als Folge eines Schwitzens des menschlichen Körpers sowie dadurch, daß die Größe des Heizelements und der gelieferten Wärmemenge in dem am meisten nützlichen Bereich gehalten wird, um den Zustand der nassen Wärmefreigabe zu befriedigen, so daß der Wärmeumgebungssensor an das tatsächliche Empfinden des menschlichen Körpers präziser angenähert wird.For this reason, preferred embodiments of this invention more accurately detect actual thermal conditions in a room by taking into account the heat release as a result of sweating of the human body and by keeping the size of the heating element and the amount of heat supplied in the most useful range to satisfy the wet heat release condition, so that the thermal environment sensor more accurately approximates the actual feeling of the human body.
Und die Gleichung des thermischen Gleichgewichts in Bezug auf den Wärmeumgebungssensor ist die vorerwähnte Gleichung (1), und durch diese Gleichung werden die Wärmezustände in einer Innenumgebung bestimmt; bei dieser Theorie wird der Zustand der Gleichmäßigkeit des Wärmestromes die Prämisse davon. Während in dem Fall des herkömmlichen Typs darin ein Problem besteht, daß dessen Genauigkeit gering ist, weil der Zustand der Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung nicht genügend befriedigt wird, da die elektrische Heizeinrichtung lediglich nahe der Mitte des Innenraums der leeren Ummantelung angeordnet ist und nur der obere Teil der Ummantelung hauptsächlich durch die konvektive Wärmeübertragung wie vorerwähnt erwärmt wird.And the equation of thermal equilibrium related to the thermal environment sensor is the aforementioned equation (1), and by this equation, the thermal conditions in an indoor environment are determined; in this theory, the Condition of uniformity of heat flow is the premise thereof. While in the case of the conventional type, there is a problem that its accuracy is low because the condition of uniformity of heat flow is not sufficiently satisfied since the electric heater is only arranged near the center of the interior of the empty shell and only the upper part of the shell is heated mainly by the convective heat transfer as mentioned above.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung suchen eine Verbesserung bei der Genauigkeit der thermischen Erfassung durch ein Eingehen auf die Bedingungen der Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung, welche die Prämisse der Theorie des Wärmeumgebungssensors ist, und zwar so weitgehend wie möglich durch ein gleichmäßiges Erwärmen der gesamten Ummantelung während der Wärmeübertragung von der elektrischen Heizeinrichtung an die Ummantelung.Preferred embodiments of this invention seek to improve the accuracy of thermal sensing by addressing the uniformity of heat flow conditions, which is the premise of thermal environment sensor theory, as much as possible by uniformly heating the entire enclosure during heat transfer from the electrical heater to the enclosure.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung ergeben eine präzise Mengenerfassung der Wärmeumgebung durch ein Rechnen mit allen Faktoren der Wärmeumgebung durch Erfassung der effektiven Temperatur unter Berücksichtigung der Feuchtigkeit wie auch der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung, da die tatsächliche Wärmeumgebung anders nicht präzise erfaßt werden kann, und die effektive Temperatur hängt ab von der Veränderung der Feuchtigkeit, obwohl die Temperatur, die Geschwindigkeit der Luftströmung und die Strahlung in einem Raum unter denselben Zuständen sind.Further preferred embodiments of this invention provide precise quantity detection of the thermal environment by calculating all the factors of the thermal environment by detecting the effective temperature taking into account the humidity as well as the temperature of the air, the speed of the air flow and the radiation, since the actual thermal environment cannot otherwise be precisely detected and the effective temperature depends on the change in humidity even though the temperature, the speed of the air flow and the radiation in a room are under the same conditions.
Die effektive Temperatur hängt darüberhinaus von der Veränderung der Menge der Bekleidung der Benutzer ab, wie bspw. der Veränderung der Bekleidung während der Jahreszeiten (bspw. Sommerbekleidung oder Winterbekleidung) und als Folge davon, ob Bettüberzüge an dem Bett benutzt werden oder nicht, obwohl die Wärmeumgebung dieselbe ist in Bezug auf die Temperatur der Luft, die Geschwindigkeit der Luftströmung und die Strahlung, usw.The effective temperature also depends on the change in the amount of clothing of the users, such as the change of clothing during the seasons (e.g. summer clothing or winter clothing) and as a result whether bed covers are used on the bed or not, although the thermal environment is the same in terms of the temperature of the air, the speed of the air flow and radiation, etc.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung erfassen präzise die tatsächliche effektive Temperatur, die auf die Menge der Bekleidung der Benutzer eingestellt ist, durch Erfassung der effektiven Temperatur unter Berücksichtigung der Menge der Bekleidung der Benutzer zusätzlich zu der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung, einschließlich der Feuchtigkeit in der Umgebung eines Raumes.Preferred embodiments of this invention precisely detect the actual effective temperature adjusted to the amount of clothing of the users by detecting the effective temperature taking into account the amount of clothing of the users in addition to the temperature of the air, the speed of the air flow and the radiation including the humidity in the environment of a room.
Zusätzlich ist es bekannt, daß beim Erwärmen eines Raumes eine Zugluft erzeugt wird, wenn die Geschwindigkeit der Luftströmung in dem Raum oberhalb eines bestimmten Wertes ist; es ist daher nötig, daß die Eigenschaften der Luftströmung, die von der Klimaanlage abgeblasen wird, erfaßt werden. Es sollte angemerkt werden, daß der herkömmliche Typ keine Fähigkeit hat, jede physikalische Menge individuell zu erfassen, wie bspw. die Geschwindigkeit der Luftströmung und die mittlere Strahlungstemperatur usw., weil der herkömmliche Typ die effektive Temperatur einfach erfaßt durch ein Erkennen des Wärmeverlustes durch Strahlung, Konvektion und Verdampfung von Wasser von dem menschlichen Körper: es ist daher schwierig, die Klimaanlage in optimaler Weise durch ein direktes Erfassen der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Zugluft nahe des menschlichen Körpers zu regeln.In addition, it is known that when heating a room, a draft is generated when the speed of air flow in the room is above a certain value; it is therefore necessary that the characteristics of the air flow discharged from the air conditioner be detected. It should be noted that the conventional type has no ability to individually detect each physical quantity such as the speed of air flow and the average radiation temperature, etc., because the conventional type detects the effective temperature simply by detecting the heat loss by radiation, convection and evaporation of water from the human body. Body: it is therefore difficult to regulate the air conditioning system optimally by directly detecting the speed of the air flow and the draft close to the human body.
Aus diesem Grund erfassen bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung die Geschwindigkeit der Luftströmung und die mittlere Strahlungstemperatur, was wichtig ist, um die Wärmeumgebung in einem Raum zu erfassen, während die effektive Temperatur erfaßt wird durch ein Erkennen des Wärmeverlustes durch Strahlung, Konvektion und nasse Wärmefreigabe von dem menschlichen Körper.For this reason, preferred embodiments of this invention detect the air flow velocity and the average radiant temperature, which are important for detecting the heat environment in a room, while the effective temperature is detected by detecting the heat loss by radiation, convection and wet heat release from the human body.
Für den Zweck einer genauen Erfassung der tatsächlichen Wärmeumgebung wie vorstehend erläutert ist ein Wärmeumgebungssensor ausgerüstet mit einem Heizelement, welches durch eine Lieferung einer Wärmemenge erwärmt wird, die in einem Raum vorhanden ist; und mit einem Temperaturdetektor, der die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements erfaßt. Auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements, welche durch den Temperaturdetektor erfaßt wurde, werden dann die Wärmezustände in einer Innenumgebung erfaßt. Zusätzlich wird die äußere Fläche des Heizelements mit einer Schicht von Strahlungsmaterialien mit einem solchen Spektral-Emissionsvermögen bedeckt, welches eng übereinstimmt mit demjenigen der menschlichen Haut oder der Bekleidung darauf. Auf diese Art und Weise entsprechen die Wärmeeigenschaften des Sensors im Falle der Sonnenstrahlung denjenigen des menschlichen Körpers, und ihre beiden Strahlungswärme- Übertragungskoeffizienten haben eine enge Wechselbeziehung, bei welcher sie einander angenähert sind, und zwar wegen der Übereinstimmung zwischen dem Spektral- Emissionsvermögen der äußeren Fläche des Heizelements und demjenigen des menschlichen Körpers: es können somit die thermischen Zustände, bei welchen sich der menschliche Körper komfortabel fühlt, durch den Sensor mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.For the purpose of accurately detecting the actual thermal environment as explained above, a thermal environment sensor is equipped with a heating element which is heated by supplying an amount of heat present in a room; and with a temperature detector which detects the surface temperature Tg of the heating element. Then, based on the surface temperature Tg of the heating element detected by the temperature detector, the thermal conditions in an indoor environment are detected. In addition, the outer surface of the heating element is covered with a layer of radiant materials having such a spectral emissivity which closely matches that of the human skin or the clothing thereon. In this way, the thermal properties of the sensor in the case of solar radiation correspond to those of the human body, and their two radiant heat transfer coefficients have a close correlation in which they are approximated to each other, and This is because of the correspondence between the spectral emissivity of the outer surface of the heating element and that of the human body: the thermal conditions in which the human body feels comfortable can thus be detected by the sensor with high accuracy.
Für die Erfassung der Wärmeumgebung nahe des menschlichen Körpers wie vorerwähnt, ist das Heizelement des Wärmeumgebungssensors mit der elektrischen Heizeinrichtung in einem Teil einer Isolierung ausgerüstet, und die Oberflächentemperatur Tg dieser elektrischen Heizeinrichtung wird durch den Temperaturdetektor erfaßt. Das Heizelement hat daher ein ähnliches Heizvermögen wie der menschliche Körper; der Heizwert des Heizelements pro einer Flächeneinheit der Oberfläche ist gleich derjenigen des menschlichen Körpers. Im Vergleich mit dem Sensor des herkömmlichen Typs, welcher die gesamte Ummantelung erwärmt, ist daher die Gleichung die folgende, wobei der Wärmewert pro Flächeneinheit der Oberfläche als M ausgedrückt wird:For detecting the thermal environment near the human body as mentioned above, the heating element of the thermal environment sensor is equipped with the electric heater in a part of an insulation, and the surface temperature Tg of this electric heater is detected by the temperature detector. The heating element therefore has a similar heating capacity to that of the human body; the calorific value of the heating element per unit area of the surface is equal to that of the human body. Therefore, in comparison with the conventional type sensor which heats the entire casing, the equation is as follows, where the calorific value per unit area of the surface is expressed as M:
M=H&sub1;/A&sub1;=H&sub2;/A&sub2; (15)M=H₁/A₁=H₂/A₂ (15)
(worin M der erzeugte Wärmewert je Flächeneinheit der Oberfläche des menschlichen Körpers ist; H&sub1;: der Wärmewert einer elektrischen Heizeinrichtung des herkömmlichen Typs des Wärmeumgebungssensors, bei welchem die gesamte Ummantelung erwärmt wird; A&sub1;: die effektive Fläche der Oberfläche des Wärmeumgebungssensors des herkömmlichen Typs, bei welchem die gesamte Ummantelung erwärmt wird; H&sub2;: der Wärmewert der elektrischen Heizeinrichtung des Wärmeumgebungssensors dieser Erfindung; A&sub2;: die effektive Fläche der Oberfläche des Wärmeumgebungssensors dieser Erfindung, also die Fläche der Oberfläche der elektrischen Heizeinrichtung).(where M is the heat value generated per unit area of the human body surface; H₁: the heat value of an electric heater of the conventional type of thermal environment sensor in which the entire casing is heated; A₁: the effective area of the surface of the thermal environment sensor of the conventional type in which the entire casing is heated; H₂: the heat value of the electric heater of the thermal environment sensor of this invention; A₂: the effective area of the surface of the thermal environment sensor of this invention, that is, the area of the surface of the electric heater).
Und durch diese Gleichung (15) wird die Gleichung (16) wie folgt abgeleitet:And through this equation (15), equation (16) is derived as follows:
H&sub2;=(A&sub2;/A&sub1;)·H&sub1; (16)H₂=(A₂/A₁)·H₁ (16)
Wie durch die Gleichung (16) bestätigt wird, nimmt bei dem Wärmeumgebungssensor dieser Erfindung der Heizwert H&sub2; der elektrischen Heizeinrichtung in dem Verhältnis A&sub2;/A&sub1; ab, also mit der Rate der effektiven Fläche der Oberfläche; und es kann auch die elektrische Eingangsenergie verringert werden. Durch die adiabatische Wirkung der Wärmeisolierung kann weiterhin die verlorene Wärmemenge während der Wärmeübertragung an die Wärmeisolierung der elektrischen Heizeinrichtung noch verstärkt verringert werden: es ist daher möglich, die Menge der elektrischen Eingangsenergie noch mehr zu verringern. Durch diese Verringerung der elektrischen Eingangsenergie kann als ein Ergebnis eine elektrische Zelle, wie bspw. eine Trockenzelle, als eine Stromquelle verwendet werden, wodurch der Wärmeumgebungssensor handlich wird und einfach und frei getragen werden kann, so daß die Wärmeumgebung, welche den menschlichen Körper umgibt, immer präzise erfaßt werden kann.As confirmed by the equation (16), in the thermal environment sensor of this invention, the calorific value H2 of the electric heater decreases at the ratio A2/A1, i.e., at the rate of the effective area of the surface; and also the input electric energy can be reduced. Furthermore, by the adiabatic effect of the thermal insulation, the amount of heat lost during heat transfer to the thermal insulation of the electric heater can be further reduced: it is therefore possible to further reduce the amount of input electric energy. As a result, by this reduction of input electric energy, an electric cell such as a dry cell can be used as a power source, whereby the thermal environment sensor becomes handy and can be easily and freely carried, so that the thermal environment surrounding the human body can always be precisely detected.
Und für den Zweck der Erfassung der Wärmefreigabe als Folge des Schwitzens wie vorerwähnt und für den Zweck einer Berücksichtigung der Bedingungen der Gleichungen (10), (11) in dieser Erfindung, werden die gelieferte Wärmemenge M an das Heizelement und deren Größe für eine Übereinstimmung mit den Eigenschaften in Bezug auf die Geschwindigkeit des Luftströmung und der mittleren Strahlungstemperatur SET* bestimmt mit einer Erkennung der nassen Wärmefreigabe unter normalen Bedingungen und innerhalb eines Bereichs der Annehmlichkeit; und mit den Eigenschaften von KET* der Oberflächentemperatur des Heizelements; also mit den Eigenschaften des thermischen Gleichgewichts des menschlichen Körpers, wo mit der nassen Wärmefreigabe gerechnet wird.And for the purpose of detecting the heat release as a result of sweating as mentioned above and for the purpose of taking into account the conditions of equations (10), (11) In this invention, the amount of heat M delivered to the heating element and its magnitude are determined to correspond to the characteristics related to the speed of the air flow and the mean radiation temperature SET* with a detection of the wet heat release under normal conditions and within a range of comfort; and with the characteristics of KET* of the surface temperature of the heating element; thus with the characteristics of the thermal equilibrium of the human body where the wet heat release is taken into account.
Unter der Voraussetzung, daß der Zustand der Geschwindigkeit der Luftströmung gleich 0.1 m/s ist, definiert als ein Standardzustand, und daß sich die Geschwindigkeit der Luftströmung zwischen dem Standardzustand und 1.0 m/s verändert, wird somit in anderen Worten der mittlere Quadratwert S des Unterschiedes zwischen ²SET* und ²KET*, welches der Wert jeder Veränderung von SET* und KET* in Übereinstimmung mit der Veränderung der Geschwindigkeit der Luftströmung ist, durch die folgende Gleichung wiedergegeben: In other words, assuming that the state of air flow velocity is 0.1 m/s, defined as a standard state, and that the air flow velocity varies between the standard state and 1.0 m/s, the mean square value S of the difference between ²SET* and ²KET*, which is the value of each change of SET* and KET* in accordance with the change of air flow velocity, is given by the following equation:
(17)(17)
Die Größe der Ummantelung des Heizelements wird dann auf einen veränderlichen Wert eingestellt, und die gelieferte Wärmemenge M, durch welche der mittlere Quadratwert S ein Minimum in Bezug auf jede Größe wird, wird vorgegeben, und dieses Minimum des mittleren Quadratwertes S wird in Übereinstimmung mit jeder Größe geplottet; in dem Fall einer kugelförmigen Ummantelung wird dann bspw. der Durchmesser D auf einer horizontalen Achse abgetragen, so daß die in der Fig. 4 dargestellten erhalten werden. In diesem Zusammenhang wird die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements auf der Grundlage der Gleichung (1) berechnet; der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient hgc des Heizelements wird durch eine solche empirische Formel berechnet, bei welcher der forcierte konvektive Wärmeübertragungskoeffizient mit der nachfolgenden Gleichung (18) berücksichtigt wird.The size of the heating element casing is then set at a variable value and the quantity of heat supplied M by which the mean square value S becomes a minimum in relation to each size is given and this minimum of the mean square value S is plotted in correspondence with each size; in the case of a spherical casing, for example, the diameter D is then plotted on a horizontal axis so that the Fig. 4. In this connection, the surface temperature Tg of the heating element is calculated based on the equation (1); the convective heat transfer coefficient hgc of the heating element is calculated by such an empirical formula in which the forced convective heat transfer coefficient is taken into account with the following equation (18).
Nu=2+0·645Re0.505 (18)Nu=2+0·645Re0.505 (18)
(worin Nu: Nußelt-Zahl, Re: Reynold-Zahl)(where Nu: Nusselt number, Re: Reynolds number)
Die Fig. 5 zeigt die Veränderung des mittleren Quadratwertes S in dem Fall, daß die gelieferte Wärmemenge M(Met=58.2 W/m²) sich verändert und der Durchmesser D der kugelförmigen Ummantelung 100 mm ist; wenn der Durchmesser D bestimmt ist, wird die optimale gelieferte Wärmemenge M, welche das Minimum des mittleren Quadratwertes S ist, bestimmt. Und die Fig. 6 zeigt die Veränderung der optimalen gelieferten Wärmemenge M in dem Fall, daß sich der Durchmesser der kugelförmigen Ummantelung verändert. Es ist daher durch diese Figuren von Fig. 4 bis Fig. 6, bekannt, daß es nötig ist, die gelieferte Wärmemenge M und den Durchmesser D speziell zu bestimmen, damit der Wärmeumgebungssensor durch eine Verkleinerung des mittleren Quadratwertes präziser wird.Fig. 5 shows the change of the mean square value S in the case that the supplied heat quantity M(Met=58.2 W/m²) changes and the diameter D of the spherical shell is 100 mm; when the diameter D is determined, the optimum supplied heat quantity M, which is the minimum of the mean square value S, is determined. And Fig. 6 shows the change of the optimum supplied heat quantity M in the case that the diameter of the spherical shell changes. It is therefore known from these figures from Fig. 4 to Fig. 6 that it is necessary to specifically determine the supplied heat quantity M and the diameter D in order to make the thermal environment sensor more precise by reducing the mean square value.
Das Vorerwähnte ist der Fall der Bestimmung der gelieferten Wärmemenge M, um den mittleren Quadratwert S innerhalb des Bereichs der Geschwindigkeit der Luftströmung von 0.1 m/s bis 1.0 m/s auf ein Minimum zu bringen; wenn der Durchmesser der kugelförmigen Ummantelung 60 mm ist, ist die gelieferte Wärmemenge M 101 W/m². Bei der Bedingung, daß in dem Fall der Geschwindigkeit der Luftströmung gleich 0.1 m/s KET* gleich SET* ist, so als ob die gelieferte Wärmemenge M bestimmt wird, S klein zu halten, und der Durchmesser D der kugelförmigen Ummantelung 60 mm ist, dann wird dagegen die gelieferte Wärmemenge 86 W/m². Der erstere Weg ist auf die Optimierung durch ein gleichmäßiges Schätzen des gesamten Bereichs der Geschwindigkeit der Luftströmung von 0.1 m/s bis 1.0 m/s ausgerichtet; der letztere Weg ist dagegen auf eine solche Optimierung ausgerichtet, daß KET* gleich mit SET* vorzugsweise dann gemacht wird, wenn die Geschwindigkeit der Luftströmung 0.1 m/s ist. Es ist angemessen, den letzteren gelieferten Wärmemengenwert zu nehmen, wenn der Wärmeumgebungssensor in einer Umgebung benutzt wird, wo die Geschwindigkeit der Luftströmung etwa 0.1 m/s ist; es ist ebenfalls angemessen, den ersteren gelieferten Wärmemengenwert zu nehmen, wenn die Geschwindigkeit der Luftströmung sich innerhalb des weiten Bereichs von 0.1 m/s bis 1.0 m/s verändert. Die Beschreibung ist auf den ersteren Weg abgestellt.The above is the case of determining the amount of heat supplied M in order to minimize the mean square value S within the range of air flow velocity from 0.1 m/s to 1.0 m/s; if the diameter of the spherical casing is 60 mm, the delivered heat quantity M is 101 W/m². Under the condition that in the case of the speed of the air flow equal to 0.1 m/s KET* is equal to SET*, so if the delivered heat quantity M is determined to keep S small and the diameter D of the spherical casing is 60 mm, then on the other hand the delivered heat quantity becomes 86 W/m². The former way is aimed at optimization by uniformly estimating the entire range of the speed of the air flow from 0.1 m/s to 1.0 m/s; the latter way, on the other hand, is aimed at such optimization that KET* is made equal to SET* preferably when the speed of the air flow is 0.1 m/s. It is appropriate to take the latter delivered heat quantity value when the thermal environment sensor is used in an environment where the speed of the air flow is about 0.1 m/s; it is also appropriate to take the former value of heat quantity supplied when the velocity of the air flow varies within the wide range of 0.1 m/s to 1.0 m/s. The description is based on the former way.
In derselben Art und Weise wie vorerwähnt wird die Bedingung als ein Standardzustand definiert, wenn der Zustand vorliegt, daß die mittlere Strahlungstemperatur Tr gleich der Temperatur Ta der Luft ist, (Tr=Ta), und wenn der Wert des Unterschiedes zwischen Tr und Ta sich zwischen -5ºC und +5ºC verändert, wird der mittlere Quadratwert S, welcher sich auf ΔSET* und ΔKET* bezieht, jeder veränderte Wert von SET* und KET*, verändert durch den vergrößerten und verkleinerten Wert der Subtraktion von Ta von Tr, (Tr-Ta), geplottet unter Bezugnahme auf jeden Durchmesser D der Ummantelung, so daß die in der Fig. 7 gezeigte Kennlinie erhalten wird. In diesem Zusammenhang wird für die an das Heizelement gelieferte Wärmemenge M der Wert verwendet, der beim Aufsuchen der Kennlinien um die Veränderung der Geschwindigkeit der Luftströmung herum bestimmt wird (die optimale gelieferte Wärmemenge M in Bezug auf jeden Durchmesser D der Ummantelung ist in Fig. 6 gezeigt)In the same manner as mentioned above, the condition is defined as a standard condition when the condition exists that the mean radiation temperature Tr is equal to the temperature Ta of the air, (Tr=Ta), and when the value of the difference between Tr and Ta varies between -5ºC and +5ºC, the mean square value S relating to ΔSET* and ΔKET*, each varied value of SET* and KET*, varied by the increased and decreased value of the subtraction of Ta from Tr, (Tr-Ta) plotted with reference to each diameter D of the casing, so that the characteristic curve shown in Fig. 7 is obtained. In this connection, the value determined by searching the characteristics around the change in the speed of the air flow is used for the amount of heat M supplied to the heating element (the optimum amount of heat M supplied with reference to each diameter D of the casing is shown in Fig. 6)
Bei dieser Erfindung wird daher in dem Fall einer kugelförmigen Ummantelung, die auf den in den Fig. 4 und 7 gezeigten Kennlinien begründet ist, der Durchmesser D des Heizelements bspw. auf einen Bereich zwischen 60 mm und 150 mm beschränkt; bei Beachtung dieses Bereichs des Durchmessers D der Ummantelung wird die Wärmemenge M des Heizelements auf einen Bereich zwischen 76 W/m² und 150 W/m² beschränkt, so daß eine sehr enge Wechselbeziehung zwischen ΔSET* und ΔKET* in Bezug auf jede Veränderung der Geschwindigkeit der Luftströmung und des Unterschieds zwischen der mittleren Strahlungstemperatur Tr und der Temperatur Ta der Luft hergestellt wird.In this invention, therefore, in the case of a spherical shell based on the characteristics shown in Figs. 4 and 7, the diameter D of the heating element is limited, for example, to a range between 60 mm and 150 mm; by respecting this range of the diameter D of the shell, the heat quantity M of the heating element is limited to a range between 76 W/m² and 150 W/m², so that a very close correlation is established between ΔSET* and ΔKET* with respect to any variation in the speed of the air flow and the difference between the mean radiation temperature Tr and the temperature Ta of the air.
Um den Grund für diese Beschränkung zu erklären, ist es aus Fig. 7 bekannt, daß der mittlere Quadratwert S beträchtlich ansteigt, wenn sich der Durchmesser der kugelförmigen Ummantelung verkleinert, so daß sein Wirkungsgrad als ein Wärmesensor abfällt. Wenn sich die mittlere Strahlungstemperatur Tr verändert, wird ΔKET* direkt proportional zu Tr, und auch ΔSET* wird nahezu direkt proportional zu Tr: entsprechend diesem Anstieg von Tr erfährt somit auch (ΔSET* - ΔKET*) einen Anstieg. Wenn somit eine Veränderung von 1ºC bei dieser mittleren Strahlungstemperatur Tr betrachtet wird, dann wird für (ΔSET* - ΔKET*) ein Wert von 0.1ºC erlaubt, und es verändert sich auch, wie in Fig. 7 gezeigt, Tr von -5ºC auf +5ºC, so daß sich für den mittleren Quadratwert S der Wert S=0.1 aus der Gleichung (17) ergibt. Wenn sich S innerhalb des Bereichs von S≤0.1 befindet, dann ergibt sich aus Fig. 7, daß der Durchmesser der kugelförmigen Ummantelung den Wert D≥60 mm annimmt. Auf der anderen Seite ist die minimale obere Grenze des Durchmessers D 150 mm, weil sie damit leicht zu benutzen ist und damit der Wärmesensor klein in der Größe und in dem Volumen wird. Aus Fig. 6 ist daher erkennbar, daß die optimale gelieferte Wärmemenge M mit einem Durchmesser D innerhalb des Bereichs von 60 mm bis 150 mm übereinstimmt und den Bereich M=76 bis 150( W/m²)=1.3 bis 1.8(Met) ergibt.To explain the reason for this limitation, it is known from Fig. 7 that the mean square value S increases considerably as the diameter of the spherical shell decreases, so that its efficiency as a heat sensor drops. When the mean radiation temperature Tr changes, ΔKET* becomes directly proportional to Tr, and also ΔSET* becomes almost directly proportional to Tr: according to this increase of Tr thus (ΔSET* - ΔKET*) also undergoes an increase. Thus, if a change of 1ºC is considered in this mean radiation temperature Tr, then a value of 0.1ºC is allowed for (ΔSET* - ΔKET*) and also, as shown in Fig. 7, Tr changes from -5ºC to +5ºC, so that the mean square value S is S=0.1 from equation (17). If S is within the range of S≤0.1, then from Fig. 7, the diameter of the spherical shell takes the value D≥60 mm. On the other hand, the minimum upper limit of the diameter D is 150 mm because it is easy to use and thus the thermal sensor becomes small in size and volume. From Fig. 6 it can therefore be seen that the optimum delivered heat quantity M corresponds to a diameter D within the range of 60 mm to 150 mm and results in the range M=76 to 150(W/m²)=1.3 to 1.8(Met).
Für die Form der Ummantelung ist zusätzlich nicht nur eine Kugel sondern auch eine Säule, ein Umdrehungsellipsoid usw. und verschiedene andere Formen verwendbar. Auch in dem Fall dieser anderen Formen kann die Größe des Heizelements und der gelieferten Wärmemenge M in der gleichen Art und Weise wie vorerwähnt spezifisch beschränkt werden, so daß eine Übereinstimmung mit den Eigenschaften des thermischen Gleichgewichts des menschlichen Körpers selbst bei einer nassen Wärmefreigabe erhalten wird: bspw. in dem Fall einer säulenförmigen Ummantelung kann die Gleichung der Herren Igarashi und Hirata wie nachfolgend erwähnt übernommen werden, die mit der forcierten Konvektionswärmeübertragung der säulenförmigen Ummantelung befaßt ist. Die Gleichung lautet:In addition, for the shape of the casing, not only a sphere but also a column, an ellipsoid of revolution, etc. and various other shapes are applicable. Also in the case of these other shapes, the size of the heating element and the amount of heat supplied M can be specifically limited in the same manner as mentioned above, so that a match with the characteristics of the thermal equilibrium of the human body is obtained even in the case of a wet heat release: for example, in the case of a column-shaped casing, the equation of Messrs. Igarashi and Hirata can be adopted as mentioned below, which is given by the forced convection heat transfer of the columnar casing. The equation is:
Nu=0.373Re1/2+0.057Re2/3 (19)Nu=0.373Re1/2+0.057Re2/3 (19)
in der gleichen Art und Weise wie bei der kugelförmigen Ummantelung wird in Bezug auf den Durchmesser der Säule D der mittlere Quadratwert S, der durch die Gleichung (17) berechnet wird, geplottet: auf diese Weise werden die Veränderung und die Eigenschaften in Bezug auf jede Geschwindigkeit der Luftströmung und jede mittlere Strahlungstemperatur in den Fig. 8 und 9 ausgedrückt; und in diesem Fall ist es bekannt, daß der Durchmesser D vorzugsweise größer als 80 mm ist. Zusätzlich ist es bekannt, daß die optimale gelieferte Wärmemenge M in diesem Fall größer ist als 76 W/m².in the same way as for the spherical enclosure, with respect to the diameter of the column D, the mean square value S calculated by equation (17) is plotted: in this way the variation and the properties with respect to each speed of air flow and each mean radiant temperature are expressed in Figs. 8 and 9; and in this case it is known that the diameter D is preferably greater than 80 mm. In addition, it is known that the optimum amount of heat supplied M in this case is greater than 76 W/m².
Das thermische Gleichgewicht des Wärmesensors kann daher eine eng angenäherte Wechselbeziehung mit demjenigen des menschlichen Körpers herstellen, so daß die thermische Bedingung, bei welcher sich der menschliche Körper komfortabel fühlt, durch nur einen Sensor mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann. Es ist außerdem möglich, die Größe des Heizelements zu verkleinern, weil selbst eine nasse Wärmefreigabe bei der Einstellung der Größe des Heizelements und der gelieferten Wärmemenge M berücksichtigt wird, um mit den Eigenschaften des Wärmegleichgewichts des menschlichen Körpers zu übereinstimmen. Die Fig. 10 zeigt den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten hgc in Bezug auf den Durchmesser D der Ummantelung bei dem Wärmeumgebungssensor, der ein kugelförmiges Heizelement oder ein säulenförmiges Heizelement usw. hat und zeigt auch die Höhe des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten hc bei dem menschlichen Körper und des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten hc', der selbst die in der Gleichung (7) definierte nasse Wärmefreigabe berücksichtigt. Wie es in dieser Figur gezeigt ist, wird als Folge der Eigenschaften, daß der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient hgc abnimmt, wenn der Durchmesser D zunimmt, der Durchmesser DB welcher für eine Übereinstimmung von hc' mit hgc bestimmt wird, kleiner als der Durchmesser DA, der für eine Übereinstimmung von hc mit hgc bestimmt wird; dadurch wird eine Verkleinerung der Größe möglich.The thermal balance of the thermal sensor can therefore establish a close approximation to that of the human body, so that the thermal condition in which the human body feels comfortable can be detected with high accuracy by only one sensor. It is also possible to reduce the size of the heating element because even wet heat release is taken into account in setting the size of the heating element and the amount of heat supplied M to match the thermal balance characteristics of the human body. Fig. 10 shows the convective heat transfer coefficient hgc with respect to the diameter D of the sheath in the thermal environment sensor using a spherical heating element. or a columnar heating element, etc., and also shows the magnitude of the convective heat transfer coefficient hc in the human body and the convective heat transfer coefficient hc' which itself takes into account the wet heat release defined in the equation (7). As shown in this figure, as a result of the characteristics that the convective heat transfer coefficient hgc decreases as the diameter D increases, the diameter DB determined for matching hc' with hgc becomes smaller than the diameter DA determined for matching hc with hgc; thereby, a reduction in size becomes possible.
Für den Zweck des Erreichens einer größeren Präzision bei der Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung wie vorerwähnt kann darüber hinaus das Heizelement bei dem Wärmeumgebungssensor mit einer plattenförmigen elektrischen Heizeinrichtung an der Oberfläche der Ummantelung bei dem Muster versehen sein, wo die Ummantelung sich in dem Zustand der Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung befindet; oder es ist mit der Einrichtung für die Wärmeübertragung versehen, durch welche Wärme von der elektrischen Heizeinrichtung zu der Ummantelung gleichmäßig übertragen wird, so daß die Wärmeströmung der Ummantelung gleichmäßig wird. Der Zustand der Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung wird erhalten, was daher die Prämisse der Theorie des Wärmeumgebungssensors ist.Furthermore, for the purpose of achieving greater precision in the uniformity of heat flow as mentioned above, the heating element in the thermal environment sensor may be provided with a plate-shaped electric heater on the surface of the casing in the pattern where the casing is in the state of uniformity of heat flow; or it is provided with the means for heat transfer by which heat is uniformly transferred from the electric heater to the casing so that the heat flow of the casing becomes uniform. The state of uniformity of heat flow is maintained, which is therefore the premise of the theory of the thermal environment sensor.
Für den Zweck der Mengenerfassung der Wärmeumgebung wie vorerwähnt umfaßt diese Erfindung zusätzlich eine Anordnung des Heizelements in einem Raum; auch einen Temperatur- Fühler, der die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements erfaßt; einen Feuchtigkeitsfühler, der die Feuchtigkeit RH in dem Raum erfaßt; eine Betätigungseinrichtung, welche bei der Eingabe des Ausgangs der beiden vorerwähnten Fühler die effektive Temperatur y in einer Innenumgebung berechnet, welche der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Feuchtigkeit entspricht, auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements und der Feuchtigkeit RH in dem Raum. Die effektive Temperatur entsprechend der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Feuchtigkeit in einer Innenumgebung wird daher erfaßt auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements und der Feuchtigkeit RH. In dem Fall, daß die an das Heizelement gelieferte Wärmemenge die Größe M ist, ist darüberhinaus die Gleichung des thermischen Gleichgewichts die Gleichung (1); die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements ist daher eine Funktion der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung; weil bei dieser Gleichung (1) hgc eine Funktion der Geschwindigkeit der Luftströmung ist. Wird darüberhinaus auch die Feuchtigkeit RH und die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements betrachtet, dann wird die effektive Temperatur y durch die Gleichung y=f(Tg, RH) berechnet: dies ist daher die effektive Temperatur, welche die Temperatur der Luft, die Geschwindigkeit der Luftströmung, die Strahlung und auch die Feuchtigkeit berücksichtigt. Selbst in einer Wohnungsumgebung, wo die Temperatur der Luft, die Geschwindigkeit der Luftströmung, die Strahlung und die Feuchtigkeit sich ändern, kann daher die Veränderung der effektiven Temperatur als Folge der vorerwähnten Veränderungen präzise erfaßt werden.For the purpose of measuring the quantity of the thermal environment as mentioned above, this invention additionally comprises an arrangement of the heating element in a room; also a temperature sensor which detects the surface temperature Tg of the heating element; a humidity sensor which detects the humidity RH in the room; an actuator which, upon input of the output of the two aforementioned sensors, calculates the effective temperature y in an indoor environment corresponding to the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the humidity, on the basis of the surface temperature Tg of the heating element and the humidity RH in the room. The effective temperature corresponding to the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the humidity in an indoor environment is therefore detected on the basis of the surface temperature Tg of the heating element and the humidity RH. Moreover, in the case where the quantity of heat supplied to the heating element is the quantity M, the equation of thermal equilibrium is equation (1); the surface temperature Tg of the heating element is therefore a function of the temperature of the air, the speed of the air flow and the radiation; because in this equation (1), hgc is a function of the speed of the air flow. If we also consider the humidity RH and the surface temperature Tg of the heating element, the effective temperature y is calculated by the equation y=f(Tg, RH): this is therefore the effective temperature which takes into account the air temperature, the air flow velocity, the radiation and also the humidity. Even in a domestic environment where the air temperature, the air flow velocity, the radiation and the humidity vary, the variation in the effective temperature as a result of the aforementioned variations can therefore be accurately detected.
Für den Zweck der Erfassung der effektiven Temperatur unter Berücksichtigung der getragenen Bekleidung kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, welcher die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements erfaßt; eine Einstellvorrichtung für die Menge der Bekleidung, welche den thermischen Widerstand Clo entsprechend der Menge der Bekleidung an dem menschlichen Körper einstellt; eine Betätigungseinrichtung, welche die effektive Temperatur y in einer Innenumgebung entsprechend der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Menge der Bekleidung an dem menschlichen Körper berechnet, bezogen auf die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements und auf den thermischen Widerstand Clo der Menge der Bekleidung, der vorgegeben ist durch die Eingabe des Ausgangs des Temperatursensors und der Einstellvorrichtung für die Menge der Bekleidung.For the purpose of detecting the effective temperature taking into account the clothing worn, there may be provided a temperature sensor which detects the surface temperature Tg of the heating element; a clothing amount adjusting device which adjusts the thermal resistance Clo according to the amount of clothing on the human body; an actuator which calculates the effective temperature y in an indoor environment according to the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the amount of clothing on the human body, based on the surface temperature Tg of the heating element and the thermal resistance Clo of the amount of clothing which is given by the input of the output of the temperature sensor and the clothing amount adjusting device.
Die effektive Temperatur entsprechend der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Menge der Bekleidung an dem menschlichen Körper in einer Innenumgebung kann daher erfaßt werden auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg und des thermischen Widerstandes Clo, der eingestellt ist, um mit der Menge der Bekleidung an dem menschlichen Körper übereinzustimmen. Die effektive Temperatur, welche die Temperatur der Luft, die Geschwindigkeit der Luftströmung, die Strahlung und die Menge der Bekleidung berücksichtigt, kann daher erfaßt werden; weil wie vorerwähnt die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements eine Funktion der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung ist; auch weil die effektive Temperatur y durch die Gleichung y=f(Tg, Clo) berechnet wird, bei welcher der thermische Widerstand Clo der Menge der Bekleidung wie auch die Oberflächentemperatur des Heizelements berücksichtigt wird. In dem Fall, daß eine Klimaanlage durch Verwendung dieser effektiven Temperatur geregelt wird, kann daher eine bequeme Wärmeumgebung beibehalten werden, ohne daß es erforderlich ist, die eingestellte bequeme Temperatur zu verändern, indem lediglich der thermische Widerstand Clo entsprechend der Menge der Bekleidung mit der Einstellvorrichtung eingestellt wird.The effective temperature corresponding to the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the amount of clothing on the human body in an indoor environment can therefore be detected based on the surface temperature Tg and the thermal resistance Clo which is set to match the amount of clothing on the human body. The effective temperature taking into account the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the amount of clothing can therefore be detected; because, as mentioned above, the surface temperature Tg of the heating element is a function of the temperature of the air, the speed of the air flow and the radiation; also because the effective temperature y is calculated by the equation y=f(Tg, Clo) where the thermal Resistance Clo of the amount of clothing as well as the surface temperature of the heating element is taken into account. Therefore, in the case where an air conditioner is controlled by using this effective temperature, a comfortable thermal environment can be maintained without the need to change the set comfortable temperature by merely adjusting the thermal resistance Clo according to the amount of clothing with the adjusting device.
Für den Zweck einer Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Luftströmung und der mittleren Strahlungstemperatur kann der Wärmeumgebungssensor mit der Einrichtung für eine veränderliche Stromquelle versehen sein, um die an das Heizelement (oder die darin enthaltene elektrische Heizeinrichtung) gelieferte Wärmemenge M zu verändern. Und die Geschwindigkeit der Luftströmung wird berechnet auf der Grundlage des Unterschiedes ΔTg der Oberflächentemperatur des Heizelements vor und nach der Veränderung der gelieferten Wärmemenge M durch die Einrichtung für die veränderliche Stromquelle. Zusätzlich werden die Geschwindigkeit der Luftströmung und die mittlere Strahlungstemperatur berechnet auf der Grundlage des Unterschiedes ΔTg zwischen den Oberflächentemperaturen des Heizelements und der Temperatur Ta in dem Raum.For the purpose of taking into account the speed of air flow and the average radiation temperature, the thermal environment sensor may be provided with the variable power source device for changing the amount of heat M supplied to the heating element (or the electric heating device contained therein). And the speed of air flow is calculated based on the difference ΔTg of the surface temperature of the heating element before and after the change of the amount of heat M supplied by the variable power source device. In addition, the speed of air flow and the average radiation temperature are calculated based on the difference ΔTg between the surface temperatures of the heating element and the temperature Ta in the room.
Es wird nunmehr im Detail die Art und Weise der Messung der Geschwindigkeit der Luftströmung und der mittleren Strahlungstemperatur durch eine Veränderung der an das Heizelement gelieferten Wärmemenge M sowie der Erfassung des Unterschiedes ΔTg der Oberflächentemperatur des Heizelements beschrieben.The method of measuring the air flow velocity and the average radiation temperature by changing the amount of heat M supplied to the heating element and of detecting the difference ΔTg in the surface temperature of the heating element is now described in detail.
In dem Fall der gelieferten Wärmemenge M&sub1; bei dem Wärmeumgebungssensor wird zunächst die Gleichung des Wärmegleichgewichts aus der Gleichung (1) wie folgt abgeleitet:In the case of the supplied heat quantity M₁ in the thermal environment sensor, the equation of heat balance is first derived from equation (1) as follows:
M&sub1;=hgr·(Tg&sub1;-Tr)+hgc·(Tg&sub1;-Ta) (20)M₁=hgr·(Tg₁-Tr)+hgc·(Tg₁-Ta) (20)
(worin Tr: die mittlere Strahlungstemperatur in einer Innenumgebung; Ta: die Temperatur der Luft; hgr: der Strahlungswärmeübertragungskoeffizient des Heizelements; hgc: der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des Heizelements)(where Tr: the average radiation temperature in an indoor environment; Ta: the temperature of the air; hgr: the radiation heat transfer coefficient of the heating element; hgc: the convective heat transfer coefficient of the heating element)
Wenn die Wärmeumgebung die gleiche ist wie in dem Fall der gelieferten Wärmemenge M&sub1;&sub1; dann wird in der gleichen Art und Weise in dem Fall, daß die gelieferte Wärmemenge M&sub2; ist, die Gleichung betreffend das Wärmegleichgewicht wie folgt definiert:If the thermal environment is the same as in the case of the supplied heat quantity M₁₁, then in the same way, in the case that the supplied heat quantity is M₂, the equation concerning the thermal equilibrium is defined as follows:
M&sub2;=hgr·(Tg&sub2;-Tr)+hgc·(Tg&sub2;-Ta) (21)M₂=hgr·(Tg₂-Tr)+hgc·(Tg₂-Ta) (21)
Durch Subtraktion der Gleichung (21) von der Gleichung (20) wird der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient hgc des Heizelements aus der folgenden Gleichung berechnet:By subtracting equation (21) from equation (20), the convective heat transfer coefficient hgc of the heating element is calculated from the following equation:
hgc=(M&sub1;-M&sub2;)/(Tg&sub1;-Tg&sub2;)-hgr (22)hgc=(M₁-M₂)/(Tg₁-Tg₂)-hgr (22)
Da bei der Gleichung (22) vorausgesetzt wird, daß der Wert M&sub1;-M&sub2; die gelieferte Wärmemenge ist, die im vorhinein eingestellt wird, und daß hgr die Konstante 5.0(kcal/m2hrºC) in einer gewöhnlichen Innenumgebung ist, kann hgc nur durch eine Messung von Tg&sub1;-Tg&sub2;(=ΔTg) berechnet werden. Auf der anderen Seite wird die Gleichung, welche den Übertragungskoeffizienten für die forcierte Konvektionswärme des Wärmeumgebungssensors betrifft, durch die Gleichung (18) vorgegeben, wobei hier Nu und Re wie folgt bestimmt werden:Since the equation (22) assumes that the value M₁-M₂ is the amount of heat supplied, which is set in advance, and that hgr is the constant 5.0(kcal/m2hrºC) in a normal indoor environment, hgc can only be calculated by measuring Tg₁-Tg₂(=ΔTg). On the On the other hand, the equation concerning the transfer coefficient for the forced convection heat of the thermal environment sensor is given by equation (18), where Nu and Re are determined as follows:
Nu=hgc·D/λNu=hgc·D/λ
Re=U D/λRe=U D/λ
(worin D: der Durchmesser der kugelförmigen Ummantelung; λ: die thermische Leitfähigkeit der Luft; U: die Geschwindigkeit der Luftströmung; ): der dynamische Koeffizient der Viskosität der Luft),(where D: the diameter of the spherical shell; λ: the thermal conductivity of the air; U: the velocity of the air flow; ): the dynamic coefficient of the viscosity of the air),
und die Geschwindigkeit U der Luftströmung wird wie folgt vorgegeben:and the speed U of the air flow is specified as follows:
U= /D·[hgcD/λ-2)/O.645]1.98 (23)U= /D·[hgcD/λ-2)/O.645]1.98 (23)
Bei der Gleichung (23) ist D immer bekannt, und es sind auch ,λ bereits bekannt als die Werte der physikalischen Eigenschaften der Luft. Die Geschwindigkeit U der Luftströmung kann daher durch die Gleichungen (22) und (23) vorgegeben werden durch eine Messung von Tg&sub1;-Tg&sub2; (= ΔTg). Durch Erfassung der Temperatur Ta in einem Raum kann darüberhinaus auch die mittlere Strahlungstemperatur Ta wie folgt vorgegeben werden:In equation (23), D is always known, and λ are also already known as the values of the physical properties of the air. The speed U of the air flow can therefore be given by equations (22) and (23) by measuring Tg1-Tg2 (= ΔTg). Furthermore, by measuring the temperature Ta in a room, the average radiation temperature Ta can also be given as follows:
Tr={hgc(Tg&sub1;-Ta)+hgr·Tg&sub1;-M}/hgr (24)Tr={hgc(Tg₁-Ta)+hgr·Tg₁-M}/hgr (24)
Die Geschwindigkeit U der Luftströmung und die mittlere Strahlungstemperatur Tr können daher durch eine Veränderung der an das Heizelement gelieferten Wärmemenge M durch die Einrichtung für eine veränderliche Stromquelle erfaßt werden.The velocity U of the air flow and the mean radiation temperature Tr can therefore be changed by changing the quantity of heat M supplied to the heating element can be detected by the variable current source device.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Wärmeumgebungssensors, der 1. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 2 zeigt die Kennlinien zur Begrenzung insbesondere des optimalen Bereichs des Durchmessers eines Heizelements des Typs mit einer kugelförmigen Ummantelung in Bezug auf die Geschwindigkeit der Luftströmung. Fig. 3 zeigt die Kennlinien zur Begrenzung insbesondere des optimalen Bereichs des Durchmessers eines Heizelements des Typs mit einer kugelförmigen Ummantelung in Bezug auf den Unterschied zwischen der mittleren Strahlungstemperatur und der Temperatur der Luft. Fig. 4 zeigt die Kennlinien des mittleren Minimalwertes für den Durchmesser in dem Fall des Heizelements des Typs mit einer kugelförmigen Ummantelung. Auch die Fig. 5 zeigt die Kennlinien der Veränderung des mittleren Quadratwertes in Bezug auf die gelieferte Wärmemenge in dem Fall, daß der Durchmesser des Heizelements 100 mm ist. Fig. 6 zeigt die Kennlinien der Veränderung der optimalen gelieferten Wärmemenge in Bezug auf den Durchmesser des Heizelements. Fig. 7 zeigt die Kennlinien des mittleren Quadratwertes in Bezug auf die Erhöhung und die Erniedrigung des Unterschiedes zwischen der mittleren Strahlungstemperatur und der Temperatur der Luft. Fig. 8 und 9 zeigen die Kennlinien der Veränderung des mittleren Quadratwertes in Bezug auf die Geschwindigkeit der Luftströmung und die mittlere Strahlungstemperatur unter Berücksichtigung des Durchmessers in dem Fall einer säulenförmigen Ummantelung. Fig. 10 zeigt die Kennlinien des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten in Bezug auf den Durchmesser der Ummantelung. Fig. 11 zeigt die Kennlinien, welche die Beziehung zwischen der Reflexibilität und der Wellenlänge in der Schicht der Strahlungsmaterialien zeigt. Fig. 12 zeigt die Kennlinien, welche die Beziehung zwischen dem Emissionsvermögen und der Wellenlänge in dem Fall einer Veränderung der Rate der Zusammensetzung des Titanoxids zeigen, welches in der Schicht der Strahlungsmaterialien enthalten ist. Fig. 13 und 14 zeigen jeweils die Kennlinien, welche im Vergleich mit ΔSET* den Wert ΔKET* darstellen in Bezug auf die Geschwindigkeit der Luftströmung und den Unterschied zwischen der mittleren Strahlungstemperatur und der Temperatur der Luft in dem Fall einer speziellen Begrenzung jedes Durchmessers des Heizelements und jeder gelieferten Wärmemenge auf einen vorbestimmten Wert. Fig. 15 und 16 zeigen jeweils die Kennlinien, welche im Vergleich zu ΔSET* den Wert ΔKET* darstellen, in Bezug auf die Geschwindigkeit der Luftströmung und den Unterschied zwischen der mittleren Strahlungstemperatur und der Temperatur der Luft in dem Fall einer speziellen Begrenzung jedes Durchmessers der Heizelemente und jeder gelieferten Wärmemenge an die anderen vorbestimmten Werte innerhalb des Bereichs dieser Erfindung. Fig. 17 und 18 zeigen jeweils den Querschnitt des Wärmeumgebungssensors in der 2. und der 3. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 19 zeigt eine zerlegte Perspektivansicht zur Darstellung des Verfahrens der Herstellung einer leeren kugelförmigen Ummantelung. Fig. 20 zeigt die Perspektivansicht des wesentlichen Teils zur Darstellung des Verfahrens der Befestigung eines Thermoelements. Fig. 21 zeigt den Querschnitt des Wärmeumgebungssensors der 4. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 22 zeigt die Perspektivansicht zur Darstellung des Verfahrens der Herstellung einer plattenförmigen Heizeinrichtung. Fig. 23 zeigt den Querschnitt des Wärmeumgebungssensors der 5. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 24 zeigt eine vergrößerte Ansicht des wesentlichen Teils. Fig. 25 zeigt den Querschnitt des Wärmeumgebungssensors der 6. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 26 zeigt die Vorderansicht der Oberfläche der 6. Ausführungsform in einem Zustand ohne die Schicht der Strahlungsmaterialien. Fig. 27 zeigt die vergrößerte Ansicht der wesentlichen Teile der Fig. 25. Fig. 28 zeigt die Darstellung des Meßergebnisses mit einer Darstellung der Verteilung der Temperatur der elektrischen Heizeinrichtung bei dieser Ausführungsform im Vergleich mit bestimmten Beispielen. Fig. 29 ist ein Umriß in dem Zustand des Wärmeausgleichs der elektrischen Heizeinrichtung. Fig. 30 und 31 zeigen jeweils einen Umriß der Perspektivansicht der kugelförmigen Ummantelung und der säulenförmigen Ummantelung in dem Fall der Bereitstellung von zwei elektrischen Heizeinrichtungen. Fig. 32 zeigt eine Kennlinie zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Veränderungsbereich der Oberflächentemperatur der Ummantelung in Bezug auf einen Phasenwinkel zwischen zwei elektrischen Heizeinrichtungen. Fig. 33 zeigt den Querschnitt des Wärmeumgebungssensors der 7. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 34 zeigt die Vorderansicht der Oberfläche in einem Zustand ohne die Schicht der Strahlungsmaterialien darauf. Fig. 35 zeigt den Umriß des Wärmeumgebungssensors, die 8. Ausführungsform dieser Erfindung.Fig. 1 shows a cross section of a thermal environment sensor of the first embodiment of this invention. Fig. 2 shows the characteristics for limiting particularly the optimum range of the diameter of a heating element of the spherical shell type with respect to the speed of the air flow. Fig. 3 shows the characteristics for limiting particularly the optimum range of the diameter of a heating element of the spherical shell type with respect to the difference between the average radiation temperature and the temperature of the air. Fig. 4 shows the characteristics of the average minimum value for the diameter in the case of the heating element of the spherical shell type. Also, Fig. 5 shows the characteristics of the change of the mean square value with respect to the amount of heat supplied in the case that the diameter of the heating element is 100 mm. Fig. 6 shows the characteristics of the change of the optimum amount of heat supplied with respect to the diameter of the heating element. Fig. 7 shows the characteristics of the mean square value in relation to the increase and decrease of the difference between the mean radiation temperature and the temperature of the air. Fig. 8 and 9 show the characteristics of the change of the mean square value in relation to the speed of air flow and the average radiation temperature taking into account the diameter in the case of a columnar shell. Fig. 10 shows the characteristics of the convective heat transfer coefficient with respect to the diameter of the shell. Fig. 11 shows the characteristics showing the relationship between the reflectivity and the wavelength in the layer of radiation materials. Fig. 12 shows the characteristics showing the relationship between the emissivity and the wavelength in the case of a change in the rate of composition of the titanium oxide contained in the layer of radiation materials. Figs. 13 and 14 respectively show the characteristics representing the value of ΔKET* in comparison with ΔSET* with respect to the speed of air flow and the difference between the average radiation temperature and the temperature of the air in the case of a special limitation of each diameter of the heating element and each amount of heat supplied to a predetermined value. Fig. 15 and 16 respectively show the characteristics representing the value of ΔKET* in comparison with ΔSET* with respect to the speed of the air flow and the difference between the average radiation temperature and the temperature of the air in the case of specifically limiting each diameter of the heating elements and each supplied heat amount to the other predetermined values within the range of this invention. Fig. 17 and 18 respectively show the cross section of the thermal environment sensor in the 2nd and 3rd embodiments of this invention. Fig. 19 is a disassembled perspective view showing the process of manufacturing a blank spherical shell. Fig. 20 is the perspective view of the essential part showing the method of attaching a thermocouple. Fig. 21 is the cross section of the thermal environment sensor of the 4th embodiment of this invention. Fig. 22 is the perspective view showing the method of manufacturing a plate-shaped heater. Fig. 23 is the cross section of the thermal environment sensor of the 5th embodiment of this invention. Fig. 24 is an enlarged view of the essential part. Fig. 25 is the cross section of the thermal environment sensor of the 6th embodiment of this invention. Fig. 26 is the front view of the surface of the 6th embodiment in a state without the layer of the radiation materials. Fig. 27 is the enlarged view of the essential parts of Fig. 25. Fig. 28 is the measurement result chart showing the distribution of the temperature of the electric heater in this embodiment in comparison with certain examples. Fig. 29 is an outline in the state of heat balance of the electric heater. 30 and 31 each show an outline of the perspective view of the spherical shell and the columnar shell in the case of providing two electric heaters. Fig. 32 shows a characteristic curve showing the relationship between the range of change of the surface temperature of the shell with respect to a phase angle between two electric heaters. Fig. 33 shows the cross section of the thermal environment sensor of the 7th embodiment of this invention. Fig. 34 shows the front view of the surface in a state without the layer of the radiation materials thereon. Fig. 35 shows the outline of the thermal environment sensor, the 8th embodiment of this invention.
Fig. 36 zeigt den Vergleich zwischen dem Wert der effektiven Temperatur bei dieser Ausführungsform und dem Wert SET*. Fig. 37 zeigt den Umriß des Wärmeumgebungssensors, die 9. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 38 zeigt die Vorderansicht zur Darstellung einer konkreten Anordnung einer Bedienungstafel der Einstellvorrichtung für die Menge der Bekleidung. Fig. 39 zeigt den Vergleich zwischen dem Wert der effektiven Temperatur bei dieser Ausführungsform und dem Wert SET*. Fig. 40 zeigt den Umriß des Wärmeumgebungssensors, die 10. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 41 und 42 zeigen jeweils den Vergleich zwischen dem Wert der effektiven Temperatur jeder Ausführungsform und dem Wert SET*. Fig. 43 zeigt den Umriß des Wärmeumgebungssensors, die 11. Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 44 zeigt die Veränderung der Oberflächentemperatur des Heizelements in dem Fall einer Veränderung der gelieferten Wärmemenge. Fig. 45 zeigt die Beziehung zwischen dem Unterschied der Oberflächentemperatur des Heizelements in Bezug auf die Geschwindigkeit der Luftströmung.Fig. 36 shows the comparison between the value of the effective temperature in this embodiment and the value of SET*. Fig. 37 shows the outline of the thermal environment sensor, the 9th embodiment of this invention. Fig. 38 shows the front view showing a concrete arrangement of an operation panel of the clothing amount adjusting device. Fig. 39 shows the comparison between the value of the effective temperature in this embodiment and the value of SET*. Fig. 40 shows the outline of the thermal environment sensor, the 10th embodiment of this invention. Figs. 41 and 42 respectively show the comparison between the value of the effective temperature of each embodiment and the value of SET*. Fig. 43 shows the outline of the thermal environment sensor, the 11th embodiment of this invention. Fig. 44 shows the change in the surface temperature of the heating element in the case of a change in the amount of heat supplied. Fig. 45 shows the relationship between the difference of the surface temperature of the heating element with respect to the speed of the air flow.
Zur detaillierten Erläuterung dieser Erfindung wird diese in Übereinstimmung mit den beigefügten Zeichnungen nachfolgend beschrieben.In order to explain this invention in detail, it is described below in accordance with the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt einen Wärmeumgebungssensor A&sub1; zur Verwendung für die Steuerung einer Klimaanlage und betrifft dieFig. 1 shows a thermal environment sensor A₁ for use in controlling an air conditioning system and relates to the
1. Ausführungsform, welche die Grundlage dieser Erfindung darstellt; 1 ist ein Heizelement mit einer kugelförmigen Ummantelung, wobei eine elektrische Heizeinrichtung 4 in der Mitte einer leeren kugelförmigen Ummantelung 3 angeschlossen ist, die aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, wie bspw. Kupfer, Aluminium usw., in welche eine abstützende Rohrsäule 2 eingesteckt und daran befestigt ist. Die elektrische Heizeinrichtung ist mit einem elektrischen Stromversorgungskabel 6, 6 verbunden, weiches die elektrische Heizeinrichtung mit elektrischer Versorgungsenergie beliefert und einen elektrischen Isolator 5 durchdringt, der in die abstützende Rohrsäule 2 eingesetzt ist, und durch dieses elektrische Stromversorgungskabel 6, 6 wird die elektrische Heizeinrichtung 4 in der Ummantelung 3 befestigt und abgestützt.1. Embodiment which forms the basis of this invention; 1 is a heating element with a spherical Sheath, wherein an electric heater 4 is connected in the center of an empty spherical sheath 3 made of a metal with a high thermal conductivity such as copper, aluminum, etc., into which a supporting tubular column 2 is inserted and fixed. The electric heater is connected to an electric power cable 6, 6 which supplies the electric heater with electric power and penetrates an electric insulator 5 inserted in the supporting tubular column 2, and by this electric power cable 6, 6 the electric heater 4 is fixed and supported in the sheath 3.
An der Innenfläche der Ummantelung des Heizelements ist zusätzlich ein Thermoelement 7 als ein Temperaturfühler befestigt, welcher die Temperatur Tg der Oberfläche des Heizelements 1 (der Ummantelung 3) erfaßt; das Ausgangskabel 8 des Thermoelements 7 wird nach der Außenseite der Ummantelung 3 durch den Isolator 5 und die Stützsäule 2 hindurchgeführt, welche das Heizelement 1 mit einer Wärmemenge versorgt, um die elektrische Heizeinrichtung 4 durch die Überführung eines elektrischen Stromes zu heizen; in diesem Zustand wird die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 durch die Ausgangsspannung des Thermoelements 7 erfaßt, so daß auf der Grundlage von Tg die Wärmebedingungen in einer Innenumgebung als die effektive Temperatur erfaßt werden können unter Berücksichtigung des Wärmeverlustes durch Strahlung, Konvektion und nasser Wärmefreigabe von dem menschlichen Körper.On the inner surface of the casing of the heating element, there is additionally attached a thermocouple 7 as a temperature sensor which detects the temperature Tg of the surface of the heating element 1 (the casing 3); the output cable 8 of the thermocouple 7 is passed to the outside of the casing 3 through the insulator 5 and the support column 2, which supplies the heating element 1 with an amount of heat to heat the electric heater 4 by passing an electric current; in this state, the surface temperature Tg of the heating element 1 is detected by the output voltage of the thermocouple 7, so that on the basis of Tg, the thermal conditions in an indoor environment can be detected as the effective temperature, taking into account the heat loss by radiation, convection and wet heat release from the human body.
Die Außenfläche der Ummantelung 3 des Heizelements 1 ist darüberhinaus mit einer Dünnschicht von Strahlungsmaterialien 9 mit einem Spektralemissionsvermögen bedeckt, welches eng mit dem Spektralemissionsvermögen der Oberfläche der menschlichen Haut oder der Bekleidung darauf übereinstimmt.The outer surface of the casing 3 of the heating element 1 is further covered with a thin layer of radiant materials 9 with a spectral emissivity which closely matches the spectral emissivity of the surface of the human skin or the clothing thereon.
Die Schicht 9 der Strahlungsmaterialien besteht aus gebrannten Materialien eines Gemisches eines Metalloxids als ein Pigment und eines Bindemittels von Kunststoffen usw., wobei die Dicke der Schicht 20u bis 40u ist. Für das Metalloxid stehen Titanoxid TiO&sub2;, Mangandioxid MnO&sub2;, Aluminiumoxid Al&sub2;O&sub3;, Nickeloxid NiO, Kobaltoxid CoO, Chromoxid Cr&sub2;O&sub3; usw. zur Verfügung. Als ein Bindemittel stehen Acrylharz, Melaminharz, Polyesterharz, Epoxyharz, Fluorharz und Siliziumharz zur Verfügung; in Bezug auf die Wärmewiderstandseigenschaft sind ein Fluorharz, wie bspw. Tetrafluorethylenharz (PTFE) usw. und ein Siliziumharz bevorzugt. Strahlungsmaterialien aus Titanoxid und Tetrafluorethylenharz sind als Folge ihrer spektralen Emissionseigenschaften besonders geeignet, die günstig übereinstimmen mit den spektralen Absorptionseigenschaften des menschlichen Körpers; in diesem Fall wird für die Kombination des Titanoxids ein Anteil zwischen 20 Gew.-% und 50 Gew.-% unter dem Gesichtspunkt einer Strahlungskapazität innerhalb des Bereichs der fernen infraroten Strahlung, der Intensität des Films und der mittleren Dispersion der Körner des Titanoxids bevorzugt. Der Anteil der Kombination des Titanoxids wird daher innerhalb eines Bereich zwischen 20 Gew.-% und 50 Gew.-% eingestellt, weil in dem Fall von mehr als 60 Gew.-% das Emissionsvermögen des Bereichs der fernen infraroten Strahlung niedrig ist; und in dem Fall von weniger als 20 Gew.-% die Kapazität der Dispersion des Titanoxids niedrig ist.The radiation material layer 9 is made of fired materials of a mixture of a metal oxide as a pigment and a binder of plastics, etc., and the thickness of the layer is 20µ to 40µ. For the metal oxide, titanium oxide TiO₂, manganese dioxide MnO₂, aluminum oxide Al₂O₃, nickel oxide NiO, cobalt oxide CoO, chromium oxide Cr₂O₃, etc. are available. As a binder, acrylic resin, melamine resin, polyester resin, epoxy resin, fluororesin, and silicon resin are available; in terms of heat resistance property, a fluororesin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE), etc., and a silicon resin are preferred. Radiation materials made of titanium oxide and tetrafluoroethylene resin are particularly suitable due to their spectral emission characteristics, which favorably match the spectral absorption characteristics of the human body; in this case, a proportion of between 20 wt% and 50 wt% is preferred for the combination of titanium oxide from the viewpoint of a radiation capacity within the far infrared radiation region, the intensity of the film and the average dispersion of the grains of titanium oxide. The proportion of the combination of titanium oxide is therefore set within a range of between 20 wt% and 50 wt%, because in the case of more than 60 wt%, the emissivity of the far infrared radiation region is low; and in the case of less than 20 wt%, the dispersion capacity of titanium oxide is low.
Um die Bedingungen der Gleichungen (10), (11) zu erfüllen, die vorstehend als Ausgangspunkt der Erfindung beschrieben wurden, werden außerdem die an das Heizelement 1 gelieferte Wärmemenge M und der Durchmesser D davon so eingestellt, daß die Kennlinie in Bezug auf die Geschwindigkeit der Luftströmung und die mittlere Strahlungstemperatur SET* unter Berücksichtigung der nassen Wärmefreigabe in einem normalen Zustand innerhalb des Bereichs der Bequemlichkeit mit den Kennlinien KET*, der Oberflächentemperatur des Heizelements, übereinstimmen; also mit anderen Worten gleich den Eigenschaften des thermischen Gleichgewichts des menschlichen Körpers unter Berücksichtigung selbst der nassen Wärmefreigabe sind.In order to satisfy the conditions of equations (10), (11) described above as the starting point of the invention, furthermore, the amount of heat M supplied to the heating element 1 and the diameter D thereof are set so that the characteristics relating to the speed of the air flow and the average radiation temperature SET*, taking into account the wet heat release in a normal state within the range of comfort, coincide with the characteristics KET*, the surface temperature of the heating element; in other words, they are equal to the characteristics of the thermal equilibrium of the human body, taking into account even the wet heat release.
Der Zustand der Geschwindigkeit der Luftströmung wird als mit 0.1 m/s als der Standardzustand vorgeschrieben; durch eine Veränderung der Geschwindigkeit der Luftströmung auf 1.0 m/s von dem Standardzustand wird dann durch die Gleichung (17) der mittlere Quadratwert S des Unterschieds zwischen ΔSET* und ΔKET* - welches die veränderten Werte von SET* und KET* bei der Veränderung der Geschwindigkeit der Luftströmung sind - vorgegeben; nach der Einstellung des Durchmessers D der Ummantelung 3 des Heizelements 1 bei jedem Wert wird dann die gelieferte Wärmemenge M - welche den mittleren Quadratwert S in Bezug auf jeden Durchmesser D auf ein Minimum bringt - vorgegeben; der mittlere Quadratwert S wird dann in Bezug auf jeden Durchmesser D geplottet:The state of air flow velocity is prescribed as 0.1 m/s as the standard state; by changing the air flow velocity to 1.0 m/s from the standard state, the mean square value S of the difference between ΔSET* and ΔKET* - which are the changed values of SET* and KET* when the air flow velocity is changed - is then prescribed by equation (17); after adjusting the diameter D of the sheath 3 of the heating element 1 at each value, the amount of heat supplied M - which brings the mean square value S with respect to each diameter D to a minimum - is then prescribed; the mean square value S is then plotted with respect to each diameter D:
auf diese Weise wird die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie erhalten. Zu diesem Zeitpunkt wird die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 auf der Grundlage der Gleichung (1) erhalten; der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient hgc des Heizelements 1 wird unter Verwendung der folgenden Gleichung 25 von Yumikezuri erhalten unter Berücksichtigung des forcierten konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten der Kugel:in this way, the characteristic curve shown in Fig. 2 is obtained. At this time, the surface temperature Tg of the heating element 1 is obtained based on the equation (1); the convective heat transfer coefficient hgc of the heating element 1 is obtained using the following equation 25 of Yumikezuri taking into account the forced convective heat transfer coefficient of the ball:
Nu=2+0.3 Re0,556 (25)Nu=2+0.3 Re0,556 (25)
(worin Nu: Nusselt-Zahl, Re: Reynold-Zahl).(where Nu: Nusselt number, Re: Reynolds number).
In der gleichen Art und Weise wie vorstehend wird darüberhinaus der Zustand, bei welchem die mittlere Strahlungstemperatur Tr gleich der Temperatur Ta der Luft ist, als der Standardzustand vorgeschrieben; durch eine Veränderung von Tr-Ta von dem Standardzustand auf 10ºC wird der mittlere Wert S, welcher jeden veränderten Wert von SET* und KET* also die veränderten Werte ΔSET* und ΔKET* bei der vergrößernden Veränderung von (Tr-Ta), geplottet unter Berücksichtigung jedes Durchmessers D: es wird dann die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie erhalten.In the same way as above, moreover, the condition in which the mean radiation temperature Tr is equal to the temperature Ta of the air is prescribed as the standard condition; by changing Tr-Ta from the standard condition to 10ºC, the mean value S which corresponds to each changed value of SET* and KET*, that is, the changed values ΔSET* and ΔKET* with the increasing change of (Tr-Ta), is plotted taking into account each diameter D: the characteristic curve shown in Fig. 3 is then obtained.
Für die an das Heizelement 1 gelieferte Wärmemenge M wird der Wert verwendet, welcher bestimmt wird durch das Erreichen der Kennlinien betreffend die Veränderung der Geschwindigkeit der Luftströmung. Der Durchmesser D der Ummantelung 3 des Heizelements 1 wird dann auf einen Bereich zwischen 60 mm und 150 mm oder besser auf einen Bereich zwischen 100 mm und 140 mm eingestellt; in Bezug auf den Bereich des Durchmessers D wird auch die an das Heizelement 1 gelieferte Wärmemenge M (elektrischer Eingang an die Heizeinrichtung 4) eingestellt auf einen Bereich zwischen 76 W/m² bis 105 W/m² oder besser auf einen Bereich zwischen 76 W/² bis 93 w/m², so daß eine sehr enge Wechselbeziehung zwischen ΔSET* und ΔKET* hergestellt wird, welche jede Veränderung der Geschwindigkeit der Luftströmung und des Unterschiedes zwischen der mittleren Strahlungstemperatur Tr und der Temperatur Ta der Luft betreffen auf der Grundlage der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Kennlinien.For the quantity of heat M delivered to the heating element 1, the value determined by reaching the characteristic curves relating to the variation of the speed of the air flow is used. The diameter D of the casing 3 of the heating element 1 is then set in a range between 60 mm and 150 mm or, better, in a range between 100 mm and 140 mm; in relation to the range of the diameter D, the quantity of heat M delivered to the heating element 1 (electrical input to the heating device 4) is also set in a range between 76 W/m² to 105 W/m² or better to a range between 76 W/² to 93 w/m², so as to establish a very close correlation between ΔSET* and ΔKET* which relate to any variation in the velocity of the air flow and the difference between the mean radiant temperature Tr and the temperature Ta of the air on the basis of the characteristics shown in Figs. 2 and 3.
Weil daher bei der ersten Ausführungsform das spektrale Emissionsvermögen der Außenfläche der Ummantelung 3 eng übereinstimmt mit dem spektralen Emissionsvermögen der menschlichen Haut oder der Bekleidung darauf als Folge der Schicht der Strahlungsmaterialien 8, die auf der Außenfläche der Ummantelung 3 des Heizelements 1 ausgebildet ist, kann der Strahlungswärme-Übertragungskoeffizient hgr der Oberfläche des Heizelements 1 mit dem Strahlungswärme-Übertragungskoeffizienten hr des menschlichen Körpers präzise übereinstimmen; durch den Wärmeumgebungssensor A&sub1; können daher auch die Wärmebedingungen in einer aktuellen Wohnumgebung präzise erfaßt werden.Therefore, in the first embodiment, since the spectral emissivity of the outer surface of the casing 3 closely matches the spectral emissivity of the human skin or the clothing thereon as a result of the layer of radiant materials 8 formed on the outer surface of the casing 3 of the heating element 1, the radiant heat transfer coefficient hgr of the surface of the heating element 1 can precisely match the radiant heat transfer coefficient hr of the human body; therefore, the thermal environment sensor A1 can also precisely detect the thermal conditions in an actual living environment.
Der Durchmesser D der Ummantelung 3 des Heizelements 1 und die an das Heizelement 1 gelieferte Wärmemenge M sind weiterhin so eingestellt, daß sie gleich sind mit den Eigenschaften des thermischen Gleichgewichts des menschlichen Körpers unter Berücksichtigung selbst der nassen Wärmefreigabe; der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient hgc des Heizelements 1 stimmt auch überein mit den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten hc', welcher die Verdampfung von dem menschlichen Körper berücksichtigt; die an das Heizelement 1 gelieferte Wärmemenge M stimmt außerdem überein mit dem Wert, bei welchem die Wärmefreigabe Hsk von der Oberfläche der menschlichen Haut geteilt durch den wärmewiderstandskoeffizienten Fcl erhalten wird: das thermische Gleichgewicht des Wärmeumgebungssensors A&sub1; kann daher dasjenige des menschlichen Körpers sehr beachtlich annähern; es kann auch SET* welches die aktuelle Wärmeumgebung ist, präziser erfaßt werden durch ein Erfassen von KET* mit dem Wärmeumgebungssensor A&sub1;, wie es vorstehend begründet wurde.The diameter D of the casing 3 of the heating element 1 and the amount of heat M delivered to the heating element 1 are further set to be equal to the properties of the thermal equilibrium of the human body taking into account even the wet heat release; the convective heat transfer coefficient hgc of the heating element 1 also corresponds to the convective heat transfer coefficient hc' which takes into account the evaporation from the human body; the amount of heat M delivered to the heating element 1 also corresponds to the value at which the heat release Hsk from the surface of the human skin divided by the thermal resistance coefficient Fcl: the thermal equilibrium of the thermal environment sensor A₁ can therefore approach that of the human body very considerably; also, SET* which is the current thermal environment can be detected more precisely by detecting KET* with the thermal environment sensor A₁ as justified above.
Was das thermische Gleichgewicht des menschlichen Körpers anbetrifft, wird der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient hc', welcher die Verdampfung berücksichtigt, eingestellt, und dieser konvektive Wärmeübertragungskoeffizient hc' stimmt mit dem konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten hgc des Heizelements 1 überein: der Durchmesser D des Heizelements 1 kann so reduziert werden, ohne daß eine Abdeckung für das Heizelement verwendet wird, welche die Oberfläche des Heizelements 1 abdeckt und Strahlungswärme an das Heizelement 1 überträgt und auch die Konvektion behindert.As for the thermal equilibrium of the human body, the convective heat transfer coefficient hc' which takes evaporation into account is adjusted, and this convective heat transfer coefficient hc' agrees with the convective heat transfer coefficient hgc of the heating element 1: the diameter D of the heating element 1 can thus be reduced without using a cover for the heating element which covers the surface of the heating element 1 and transmits radiant heat to the heating element 1 and also hinders convection.
In diesem Zusammenhang ist bei dieser Ausführungsform die Ummantelung 3, welche das Heizelement 1 ausbildet, eine hohle kugelförmige Ummantelung, jedoch können auch andere hohle Formen der Ummantelung verwendet werden, wie bspw. eine Säulenform und die Form eines Rotationsellipsoids usw.In this connection, in this embodiment, the casing 3 forming the heating element 1 is a hollow spherical casing, but other hollow shapes of the casing may also be used, such as a columnar shape and the shape of a revolution ellipsoid, etc.
Als nächstes werden die konkreten Ausführungsbeispiele davon beschrieben. Bei dem Wärmeumgebungssensor mit der Ausbildung dieser Ausführungsform wird in dem Fall der Verwendung des Gemisches aus 70 Gew.-% Tetrafluorethylen (PTFE) und 30 Gew.-% Titanoxid (TiO&sub2;) für die Schicht der auf der Oberfläche des Heizelements ausgebildeten Strahlungsmaterialien für jede Wellenlänge der Materialienschicht die in Fig. 11 in voll ausgezogener Linie gezeigte Eigenschaft des Reflektionsvermögens erhalten (wobei in dem Fall einer fehlenden Übertragung das Emissionsvermögen mit (1-Reflektionsvermögen) vorgegeben ist). Andererseits veranschaulichen die unterbrochene Linie und die Kettenlinie in Fig. 11 die Eigenschaft des Reflektionsvermögens der Oberfläche der Haut am Arm eines menschlichen Körpers und derjenigen eines weißen Unterhemds. Aus Fig. 11 ist es bekannt, daß wenn die Schicht der Strahlungsmaterialien verwendet wird, welche die vorerwähnte Zusammensetzung hat, die Eigenschaften der spektralen Strahlung der Oberfläche des Heizelements des Wärmeumgebungssensors gemäß dieser Erfindung mit denjenigen der Oberfläche der menschlichen Haut oder des Hemdes quantitativ und qualitativ eng übereinstimmen können: der Wärmeumgebungssensor gemäß dieser Erfindung kann so im wesentlichen eingegliedert werden.Next, the concrete embodiments thereof will be described. In the thermal environment sensor having the configuration of this embodiment, in the case of using the mixture of 70 wt% of tetrafluoroethylene (PTFE) and 30 wt% of titanium oxide (TiO₂) for the layer of the radiation materials formed on the surface of the heating element, for each wavelength of the layer of materials, the reflectance property shown in solid line in Fig. 11 is obtained (in the case of no transmission, the emissivity is given as (1-reflectance)). On the other hand, the broken line and the chain line in Fig. 11 illustrate the reflectance property of the surface of the skin on the arm of a human body and that of a white undershirt. From Fig. 11, it is known that when the layer of radiation materials having the above-mentioned composition is used, the spectral radiation properties of the surface of the heating element of the thermal environment sensor according to this invention can closely coincide quantitatively and qualitatively with those of the surface of the human skin or shirt: the thermal environment sensor according to this invention can thus be substantially integrated.
Wenn außerdem der Anteil von Titanoxid bei dem Gemisch auf 30 Gew.-%, 40 Gew.-% und 50 Gew.-% verändert und die Dicke des Films mit 30 u bestimmt wird, dann werden als Meßergebnis die Kennlinien der spektralen Strahlung bei jeder Schicht der Strahlungsmaterialien gemäß der Darstellung in Fig. 12 erhalten. In Fig. 12 zeigt die volle Linie den Fall von 30 Gew.-%, eine unterbrochene Linie zeigt den Fall von 40 Gew.-%, eine Kettenlinie zeigt den Fall von 50 Gew.-%. Aus Fig. 12 ist es daher auch bekannt, daß wenn jede Wellenlänge 2.5 um ist, ein Grenzwert existiert; wenn jede Wellenlänge kleiner ist als 2.5 um, dann ist das Emissionsvermögen zwischen 0.3 und 0.6 niedrig; und wenn jede Wellenlänge mehr als 2.5 um ist und sich innerhalb des Bereichs der großen Wellenlänge der fernen infraroten Strahlen befindet, dann ist das Emissionsvermögen zwischen 0.8 und 0.9 groß. Wenn die Wellenlänge andererseits größer ist als 1.4 um, dann haben die Eigenschaften der spektralen Absorption des menschlichen Körpers ein hohes spektrales Absorptionsvermögen von mehr als 0.9. Es ist daher bekannt, daß die Schicht der Strahlungsmaterialien die Eigenschaften einer spektralen Strahlung haben, die eng übereinstimmen mit den Eigenschaften der spektralen Absorption des menschlichen Körpers.Furthermore, when the proportion of titanium oxide in the mixture is changed to 30 wt.%, 40 wt.% and 50 wt.% and the thickness of the film is determined to be 30 µm, the measurement results are the spectral radiation characteristics of each layer of the radiation materials as shown in Fig. 12. In Fig. 12, the solid line shows the case of 30 wt.%, a broken line shows the case of 40 wt.%, a chain line shows the case of 50 wt.%. Therefore, it is also known from Fig. 12 that when each wavelength is 2.5 µm, a limit exists; when each wavelength is less than 2.5 µm, the emissivity is low between 0.3 and 0.6; and when each wavelength is more than 2.5 µm and is within the range of large wavelength of far infrared rays, then the emissivity is between 0.8 and 0.9. On the other hand, if the wavelength is larger than 1.4 um, then the spectral absorption characteristics of the human body have a high spectral absorptivity of more than 0.9. Therefore, it is known that the layer of radiation materials have the properties of spectral radiation which closely match the spectral absorption characteristics of the human body.
Unter der Voraussetzung, daß der Durchmesser D des Heizelements auf 120 mm und die gelieferte Wärmemenge M auf 83.2 w/m² (1.43 Met) eingestellt werden; sowie unter der Voraussetzung, daß bei dem Wärmeumgebungssensor in dem Fall, daß die Geschwindigkeit der Luftströmung innerhalb eines Bereichs zwischen 0.1 m/s und 1.0 m/s verändert wird, der von dem Standardzustand (wenn die Geschwindigkeit der Luftströmung 0.1 m/s ist) veränderte Wert von KET*, also ΔKET*, berechnet wird; dann werden außerdem die Eigenschaften erhalten, die durch eine volle Linie in Fig. 13 vermittelt sind. Die unterbrochene Linie in dieser Figur ergibt die Eigenschaften des veränderten Wertes ΔSET* von SET* unter denselben Bedingungen wie vorstehend. Unter der Voraussetzung, daß bei demselben Wärmeumgebungssensor wie vorstehend der Unterschied (Tr-Ta) zwischen der mittleren Strahlungstemperatur Tr und der Temperatur Ta der Luft in einer Innenumgebung innerhalb eines Bereichs zwischen 0ºC und 10ºC verändert wird, wird auch die Kennlinie von ΔKET*, die sich von dem Standardzustand (wenn Tr gleich Ta ist) erhalten, die in Fig. 14 durch eine volle Linie dargestellt ist. Bei dieser Figur ergibt die unterbrochene Linie die Eigenschaften von ΔSET*. Aus den Fig. 13 und 14 ist daher bekannt, daß bei dem Wärmeumgebungssensor dieser Ausführungsform der Wert ΔKET* eine sehr enge Wechselbeziehung zu δSET* hat, bei Berücksichtigung jeder Veränderung der Geschwindigkeit der Luftströmung und des Unterschiedes (Tr-Ta) zwischen der mittleren Strahlungstemperatur Tr und der Temperatur Ta der Luft, und der Wirkungsgrad des Erfassens der aktuellen Wärmeumgebung ist groß.Furthermore, assuming that the diameter D of the heating element is set to 120 mm and the supplied heat quantity M is set to 83.2 w/m² (1.43 Met); and assuming that in the thermal environment sensor, in the case where the air flow velocity is changed within a range between 0.1 m/s and 1.0 m/s, the value of KET* changed from the standard state (when the air flow velocity is 0.1 m/s), i.e., ΔKET*, is calculated; then the characteristics given by a solid line in Fig. 13 are obtained. The broken line in this figure gives the characteristics of the changed value ΔSET* of SET* under the same conditions as above. Assuming that, in the same thermal environment sensor as above, the difference (Tr-Ta) between the average radiation temperature Tr and the temperature Ta of the air in an indoor environment is varied within a range between 0ºC and 10ºC, the characteristic curve of ΔKET* differing from the standard state (when Tr is equal to Ta) is also obtained, which is shown by a solid line in Fig. 14. In this figure, the broken line indicates the characteristics of ΔSET*. Therefore, it is known from Figs. 13 and 14 that in the thermal environment sensor of this embodiment, the value ΔKET* has a very close correlation with δSET*, taking into account any change in the speed of the air flow and the difference (Tr-Ta) between the average radiation temperature Tr and the temperature Ta of the air, and the efficiency of detecting the current thermal environment is high.
Unter der Voraussetzung, daß der Durchmesser D des Heizelements eingestellt wird auf D=100 mm und die gelieferte Wärmemenge M auf M=92.2 W/m² (1.585 Met), und wenn in Bezug auf den Wärmeumgebungssensor die Geschwindigkeit der Luftströmung innerhalb eines Bereichs zwischen 0.1 m/s und 1.0 m/s verändert wird, dann wird weiterhin der veränderte Wert ΔKET* von KET*, der sich von dem Standardzustand (wenn die Geschwindigkeit der Luftströmung 0.1 m/s ist) verändert, mit den Eigenschaften erhalten, die durch eine volle Linie in Fig. 15 dargestellt sind. Eine unterbrochene Linie in dieser Figur stellt die Eigenschaft des veränderten Werts ΔSET* von SET* unter derselben Voraussetzung dar. Unter der Voraussetzung, daß bei demselben Wärmeumgebungssensor wie vorstehend der Unterschied (Tr-Ta) zwischen der mittleren Strahlungstemperatur Tr und der Temperatur Ta der Luft in einer Innenumgebung innerhalb eines Bereichs zwischen -5ºC und +5ºC geändert wird, ist die Eigenschaft von ΔKET*, welche sich von dem Standardzustand (wenn Tr gleich Ta ist) verändert, durch eine volle Linie in Fig. 16 dargestellt. In dieser Figur stellt eine unterbrochene Linie die Eigenschaften von ΔSET* dar. Aus den Fig. 15 und 16 ist es bekannt, daß in derselben Art und Weise wie vorstehend in Bezug sowohl auf die Geschwindigkeit der Luftströmung wie auch auf den Unterschied (Tr-Ta) zwischen der mittleren Strahlungstemperatur Tr und der Temperatur Ta der Luft ΔKET* eine sehr enge Wechselbeziehung mit ΔSET* hat und der Wirkungsgrad der Erfassung der aktuellen Wärmeumgebung groß ist.Furthermore, assuming that the diameter D of the heating element is set to D=100 mm and the supplied heat quantity M to M=92.2 W/m² (1.585 Met), and when, with respect to the thermal environment sensor, the air flow velocity is varied within a range between 0.1 m/s and 1.0 m/s, the varied value ΔKET* of KET*, which changes from the standard state (when the air flow velocity is 0.1 m/s), is obtained with the characteristics shown by a solid line in Fig. 15. A broken line in this figure represents the characteristic of the changed value ΔSET* of SET* under the same condition. Under the condition that, in the same thermal environment sensor as above, the difference (Tr-Ta) between the average radiation temperature Tr and the temperature Ta of the air in an indoor environment is changed within a range between -5ºC and +5ºC, the characteristic of ΔKET* which changes from the standard state (when Tr is Ta) is shown by a solid line in Fig. 16. In this figure, a broken line represents the characteristics of ΔSET*. From Figs. 15 and 16, it is It is known that in the same manner as above, with respect to both the velocity of the air flow and the difference (Tr-Ta) between the average radiation temperature Tr and the temperature Ta of the air, ΔKET* has a very close correlation with ΔSET* and the efficiency of detecting the current thermal environment is high.
Die Fig. 17 und 18 zeigen jeweils die Wärmeumgebungssensoren A&sub2;, A&sub3;, welche die 2. und die 3. Ausführungsform dieser Erfindung betreffen und so aufgebaut sind, daß Wärme von der elektrischen Heizeinrichtung 4 bei der 1. Ausführungsform der Ummantelung 3 übertragen wird, damit die Wärmeströmung (Wärmestromdichte) der Ummantelung 3 unverändert bleibt. Bei dem Wärmeumgebungssensor A&sub2; der in Fig. 17 gezeigten 2. Ausführungsform ist im Vergleich zu dem Wärmeumgebungssensor A&sub1; mit dem Aufbau der 1. Ausführungsform die gesamte Innenfläche der Ummantelung 3 des Heizelements 1 mit Farben mit einem hohen Emissionsvermögen als einer Einrichtung für eine Wärmeübertragung bemalt: bspw. ist darauf eine Schicht von Farben 10 vorgesehen, wie bspw. mattiertes Schwarz (Emissionsvermögen ist etwa 0.95).17 and 18 respectively show the thermal environment sensors A2, A3 relating to the 2nd and 3rd embodiments of this invention, which are constructed so that heat is transferred from the electric heater 4 in the 1st embodiment of the casing 3 so that the heat flow (heat flux density) of the casing 3 remains unchanged. In the thermal environment sensor A2 of the 2nd embodiment shown in Fig. 17, as compared with the thermal environment sensor A1 having the construction of the 1st embodiment, the entire inner surface of the casing 3 of the heating element 1 is painted with paints having a high emissivity as a means for heat transfer: for example, a layer of paints 10 such as frosted black (emissivity is about 0.95) is provided thereon.
Wenn daher bei dem Wärmeumgebungssensor A&sub2; die Innenseite der Ummantelung 3 des Heizelements 1, welche die elektrische Heizeinrichtung 4 umgibt, betrachtet wird, dann erwärmt der Heizwert durch die elektrische Heizeinrichtung 4 nicht nur den oberen Teil der Ummantelung 3 durch eine Konvektionswärmeübertragung, sondern bestrahlt gleichmäßig auch die gesamte Ummantelung 3 als Folge der Schicht der Farben 10 mit hohem Emissionsvermögen, welche die Innenseite der Ummantelung 3 bedeckt; und durch diese Wärmeübertragung durch Strahlung kann die gesamte Ummantelung 3 nahezu gleichmäßig erwärmt werden. Da die Ummantelung 3 aus Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, kann die Ummantelung 3 außerdem viel gleichmäßiger durch diese Wärmeleitung erwärmt werden. Weil daher der Zustand der Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung (Wärmestromdichte) als die Prämisse der thermischen Gleichgewichtsgleichung des Wärmeumgebungssensors A&sub2; eng getroffen wird, kann daher der Wärmezustand präzise erfaßt werden, und durch die Steuerung der Klimaanlage auf dieser Grundlage, kann die Annehmlichkeit der Innenumgebung verbessert werden.Therefore, in the thermal environment sensor A2, when the inside of the casing 3 of the heating element 1 surrounding the electric heater 4 is observed, the heating value by the electric heater 4 not only heats the upper part of the casing 3 by convection heat transfer, but also uniformly irradiates the entire casing 3 as a result of the layer of high emissivity paints 10 covering the inside of the casing 3; and by this heat transfer by radiation, the entire casing 3 can be heated almost uniformly. In addition, since the casing 3 is made of metal having a high thermal conductivity, the casing 3 can be heated much more uniformly by this heat conduction. Therefore, because the condition of uniformity of heat flow (heat flux density) as the premise of the thermal equilibrium equation of the thermal environment sensor A₂ is closely met, the heat condition can be precisely detected, and by controlling the air conditioner on this basis, the comfort of the indoor environment can be improved.
Bei dem Wärmeumgebungssensor A&sub3;, der in Fig. 18 dargestellten 3. Ausführungsform dieser Erfindung, ist außerdem im Vergleich zu dem Wärmeumgebungssensor A&sub1;, der 1. Ausführungsform, der untere Teil der Ummantelung 3 mit der elektrischen Heizeinrichtung 4 durch Materialien mit einer Wärmeleitung verbunden, bestehend aus einer Metallplatte als einer Einrichtung für eine Wärmeübertragung, welche einen Querschnitt in der Form des Großbuchstabens L hat; der Wärmewert der elektrischen Heizeinrichtung 4 wird daher hauptsächlich zu dem unteren Teil der Ummantelung 3 geleitet. Bei diesem Wärmeumgebungssensor A&sub3; ist daher an der Innenseite der Ummantelung 3 des Heizelements 1, welche die elektrische Heizeinrichtung 4 umgibt, der Heizwert durch die elektrische Heizeinrichtung 4 übertragen an die Oberseite der Ummantelung 3 als Folge der Konvektion; es wird dadurch der obere Teil der Ummantelung 3 erwärmt; auch wird er an den unteren Teil der Ummantelung 3 als Folge der Leitung durch die Materialien hindurch übertragen, welche den unteren Teil der Ummantelung 3 mit der elektrischen Heizeinrichtung 4 verbinden; es wird daher auch der untere Teil der Ummantelung 3 erwärmt: von den beiden Teilen wird daher die Gesamtheit der Ummantelung 3 nahezu gleichmäßig erwärmt. In derselben Art und Weise wie vorstehend wird daher der Zustand der Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung eng angetroffen, was die Prämisse der thermischen Gleichgewichtsgleichung ist. Die Materialien 12 mit einer Wärmeleitung, welche die elektrische Heizeinrichtung 4 mit der Ummantelung 3 verbinden, ergeben nicht nur eine Berührung hauptsächlich mit dem unteren Teil der Ummantelung 3 für eine Wärmeübertragung, sie berühren und übertragen Wärme vielmehr auch mehr bevorzugt auf den unteren Teil der Ummantelung 3 und weniger auf deren oberen Teil, wie es in der Figur dargestellt ist. Es ist wichtig, daß die Wärmeleitung von der elektrischen Heizeinrichtung 4 vergrößert wird, wodurch dann die Wärme in dem unteren Teil der Ummantelung 3 vergrößert wird, um dadurch die Konvektionswärmeübertragung zu kompensieren.Furthermore, in the thermal environment sensor A₃ of the 3rd embodiment of this invention shown in Fig. 18, as compared with the thermal environment sensor A₁ of the 1st embodiment, the lower part of the casing 3 is connected to the electric heater 4 through heat conduction materials consisting of a metal plate as a means for heat transfer which has a cross section in the shape of a capital letter L; the heat value of the electric heater 4 is therefore mainly conducted to the lower part of the casing 3. In this thermal environment sensor A₃, therefore, on the inside of the casing 3 of the heating element 1 surrounding the electric heater 4, the heat value is transferred by the electric heater 4 to the upper side of the casing 3 as a result of convection; thereby, the upper part of the casing 3 is heated; also, it is transferred to the lower part of the casing 3 as a result of conduction through the materials which form the lower part of the casing 3 to the electric heater 4; therefore, the lower part of the casing 3 is also heated: the two parts therefore heat the entirety of the casing 3 almost evenly. In the same way as above, therefore, the condition of uniformity of heat flow is closely encountered, which is the premise of the thermal equilibrium equation. The materials 12 having a thermal conduction which connect the electric heater 4 to the casing 3 not only make contact mainly with the lower part of the casing 3 for heat transfer, but also contact and transfer heat more preferentially to the lower part of the casing 3 and less to the upper part thereof, as shown in the figure. It is important that the thermal conduction from the electric heater 4 is increased, which then increases the heat in the lower part of the casing 3, thereby compensating for the convective heat transfer.
In diesem Zusammenhang wird eines der Herstellungsverfahren der leeren Ummantelung 3 unter Hinweis auf die Fig. 19 beschrieben: die Ummantelung 3 besteht aus einem Paar halbkugelförmiger Gehäuse 13, 13, einer Hälfte einer leeren Ummantelung; an der Innenseite der Stroßkante der einen Halbkugel 13 sind mehrere metallische Führungsplatten 14 in Bandform (in diesem Fall 3 Stücke) durch ein Punktschweißen oder ein Löten usw. von der Innenseite her befestigt; durch diese Führungsplatten 14 sind die beiden halbkugelförmigen Gehäuse 13, 13 miteinander verbunden; die Führungsplatten 14 sind an der Innenseite der anderen Halbkugel 13 durch ein Löten usw. befestigt.In this connection, one of the manufacturing methods of the empty casing 3 is described with reference to Fig. 19: the casing 3 consists of a pair of hemispherical casings 13, 13, one half of an empty casing; on the inner side of the butt edge of one hemisphere 13, several metal guide plates 14 in strip form (in this case 3 pieces) are fixed from the inside by spot welding or soldering, etc.; by these guide plates 14, the two hemispherical casings 13, 13 are connected to each other; the guide plates 14 are fixed to the inner side of the other hemisphere 13 by soldering, etc.
Die in dieser Art und Weise hergestellte Ummantelung 3 ist hochgradig kugelförmig, ohne daß an ihrer Oberfläche ein Vorsprung und ein Höhenunterschied vorhanden ist, und sie hat einen niedrigen Wärmewiderstand durch Berührung an dem Stoß und kann mit niedrigen Kosten solid hergestellt werden.The casing 3 manufactured in this manner is highly spherical without any projection and height difference on its surface, and it has low thermal resistance by contact at the joint and can be manufactured solidly at low cost.
Durch Verwendung der Führungsplatten kann darüberhinaus ein Thermoelement 7 befestigt werden ohne ein Problem des Wärmewiderstands als Folge von Klebstoffen. Wie dargestellt in Fig. 20 ist ein Teil der Führungsplatte 14 nämlich nach innen gebogen, so daß ein Preßteil 15 ausgebildet wird; wenn die Führungsplatte 14 an der Halbkugel 13 befestigt wird, dann wird das Thermoelement 7 durch ein Pressen und Befestigen dieses Preßteils 15 befestigt. Bei diesem Befestigen können Klebstoffe gemeinsam verwendet werden. Weil das Thermoelement 7 durch ein Pressen des Preßteils 15 befestigt wird, sind Klebstoffe nicht nötig; und wenn sie verwendet werden, ist nur eine kleine Menge nötig; die Erhöhung des Wärmewiderstands als Folge der Klebstoffe kann daher eingeengt werden, so daß auch die Temperatur am Ausgang sich nicht sehr breit verändert: das Thermoelement 7 kann daher mit einem einfachen Aufbau bei niedrigen Kosten solid befestigt werden.Furthermore, by using the guide plates, a thermocouple 7 can be fixed without a problem of thermal resistance due to adhesives. Namely, as shown in Fig. 20, a part of the guide plate 14 is bent inward to form a pressing part 15; when the guide plate 14 is fixed to the hemisphere 13, the thermocouple 7 is fixed by pressing and fixing this pressing part 15. In this fixing, adhesives can be used together. Because the thermocouple 7 is fixed by pressing the pressing part 15, adhesives are not necessary; and if they are used, only a small amount is necessary; the increase in thermal resistance due to the adhesives can therefore be restricted, so that the temperature at the outlet does not change very widely: the thermocouple 7 can therefore be fixed solidly with a simple structure at a low cost.
Die Fig. 21 zeigt außerdem dem Wärmeumgebungssensor A&sub4;, die 4. Ausführungsform dieser Erfindung, mit der Darstellung, daß die Änderung des Aufbaus des Heizelements 1 selbst die Ummantelung 3 für eine Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung verantwortlich macht: das Heizelement 1 ist nämlich derart aufgebaut und angeordnet, daß es die Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung in der Ummantelung 3 aufweist, welche eine plattenförmige elektrische Heizeinrichtung 4 in einer Bandform hat, die um die Außenfläche der Ummantelung 3 gewickelt ist. In diesem Zusammenhang ist die elektrische Heizeinrichtung 4 über die Oberfläche davon durch eine Schicht 9 aus Strahlungsmaterialien bedeckt, die aus Fluorharzen, wie bspw. Tetrafluorethylen (PTEF), und einem Pigment, wie bspw. Titanoxid (TiO&sub2;) usw., bestehen und ein elektrisches Isoliervermögen und auch ein spektrales Emissionsvermögen haben, welches eng mit demjenigen der menschlichen Haut oder der Bekleidung darauf übereinstimmt- an der Innenfläche der Ummantelung 3 ist das Thermoelement 7, welches die Oberfläche Tg der Ummantelung 3 mißt (die Oberflächentemperatur des Heizelements 1), befestigt; und in dem leeren Teil der Ummantelung 3 ist ein Wärmeisolator 16 angeordnet, der aus Schaummaterialien, wie bspw. Polyurethanschaum usw., besteht. Ein Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens dieser plattenförmigen elektrischen Heizeinrichtung 4 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 22 erläutert: eine Schicht 17 eines Farbstoffs mit elektrischen Isoliereigenschaften wird auf der gesamten Außenfläche der Ummantelung 3 durch ein Auftragen der Farbe mit elektrischen Isoliereigenschaften ausgebildet; es wird dann in dem Zustand während der Maskierung durch ein Maskierungsmaterial, welches ein Whirlpool-Muster hat, eine Farbstoffschicht 18 mit elektrischer Leitfähigkeit durch ein Beschichten der Farbe mit einem elektrischen Leiter ausgebildet, wie bspw. einem Kohlenstoff enthaltenden Fluorharz usw. Während dieses Verfahrens wird die Farbstoffschicht 18 mit einer elektrischen Leitfähigkeit durch eine Farbstoffschicht 17 mit einem elektrischen Isoliervermögen nach Art eines Whirlpools isoliert, so daß sie in einer Whirlpool-Form ausgebildet wird. Danach wird das Maskierungsmaterial entfernt; es wird dann eine Schicht 9 der Strahlungsmaterialien mit einem elektrischen Isoliervermögen darauf abgetragen.Fig. 21 also shows the thermal environment sensor A₄, the 4th embodiment of this invention, showing that the change in the structure of the heating element 1 itself makes the casing 3 responsible for uniformity of heat flow: namely, the heating element 1 is constructed and arranged in such a way that it has the uniformity of heat flow in the casing 3, which has a plate-shaped electric heater 4 in a tape form wound around the outer surface of the casing 3. In this connection, the electric heater 4 is covered over the surface thereof by a layer 9 of radiant materials consisting of fluororesins such as tetrafluoroethylene (PTEF) and a pigment such as titanium oxide (TiO₂), etc., and having an electrical insulating property and also a spectral emissivity which closely match those of the human skin or the clothing thereon; on the inner surface of the casing 3, the thermocouple 7 which measures the surface Tg of the casing 3 (the surface temperature of the heating element 1) is attached; and in the empty part of the casing 3, a heat insulator 16 consisting of foam materials such as polyurethane foam, etc. is arranged. An embodiment of the manufacturing process of this plate-shaped electric heater 4 is explained with reference to Fig. 22: a layer 17 of a dye having electrical insulation properties is formed on the entire outer surface of the casing 3 by applying the paint having electrical insulation properties; then, in the state under masking by a masking material having a whirlpool pattern, a dye layer 18 having electrical conductivity is formed by coating the paint with an electrical conductor such as a carbon-containing fluororesin, etc. During this process, the dye layer 18 having electrical conductivity is insulated by a dye layer 17 having electrical insulation properties in a whirlpool manner so that it is in a whirlpool shape is formed. Thereafter, the masking material is removed; a layer 9 of the radiating materials having electrical insulating properties is then deposited thereon.
Bei dem Wärmeumgebungssensor A&sub4;, die 4. Ausführungsform dieser Erfindung, wird daher die Ummantelung 3 bei dem Heizelement 1 durch eine direkte Wärmeleitung erwärmt, so daß die Ummantelung 3 eine Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung als Folge der plattenförmigen elektrischen Heizeinrichtung hat, die auf der Außenseite davon ausgebildet ist; da die Ummantelung 3 aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, kann daher auch die Gesamtheit der Ummantelung 3 gleichmäßig erwärmt werden. Weil daher der Zustand der Gleichmäßigkeit der Wärmeströmung erhalten wird, welches die Prämisse der Gleichung für das thermische Gleichgewicht des Wärmesensors A&sub4; ist, kann der Wärmezustand präzise erfaßt werden, und es kann außerdem die Annehmlichkeit einer Innenumgebung durch die Steuerung der Klimaanlage stark verbessert werden, die auf diesem Sensor aufgebaut ist. Weil die Ummantelung 3 durch direkte Wärmeleitung von der plattenförmigen elektrischen Heizeinrichtung 4 erwärmt wird, kann außerdem die Temperatur Tg der Ummantelung 3 und der Ausgang des Thermoelements 7, welches die Temperatur Tg mißt, eine gute Erhöhung und sofortige Ansprechempfindlichkeit ergeben: es können daher das Erhöhungsverhalten und das Ansprechverhalten verbessert werden, und es wird auch die Präzision der thermischen Erfassung verbessert.Therefore, in the thermal environment sensor A4, the 4th embodiment of this invention, the casing 3 is heated by direct heat conduction at the heating element 1, so that the casing 3 has uniformity of heat flow due to the plate-shaped electric heater formed on the outside thereof; since the casing 3 is made of a metal having high thermal conductivity, therefore, the entirety of the casing 3 can also be heated uniformly. Therefore, since the state of uniformity of heat flow is maintained, which is the premise of the thermal equilibrium equation of the thermal sensor A4, the thermal state can be precisely detected, and further, the comfort of an indoor environment can be greatly improved by the control of the air conditioner constructed on this sensor. In addition, because the sheath 3 is heated by direct conduction from the plate-shaped electric heater 4, the temperature Tg of the sheath 3 and the output of the thermocouple 7 measuring the temperature Tg can give good rise and instantaneous responsiveness: therefore, the rise performance and the responsiveness can be improved, and the precision of the thermal detection is also improved.
Die Fig. 23 zeigt den Wärmeumgebungssensor A&sub5;, welche die 5. Ausführungsform dieser Erfindung betrifft, und bei dieser Ausführungsform wird nur ein Teil der Ummantelung 3 mit einer Wärmeleitung erwärmt, im Vergleich zu den vorerwähnten Sensoren, bei welchen die Gesamtheit der Ummantelung 3 erwärmt wird. Das Heizelement 1 ist nämlich mit einer leeren kugelförmigen Ummantelung 20 versehen, die aus Kunststoffen, wie bspw. Polystyrol usw. und anderen Wärmeisolierungen besteht; ein Teil dieser Ummantelung 20 ist weggeschnitten, und in diesem weggeschnittenen Teil 20a sind ein Wärmeleiter 21, der aus einem Metall, wie Kupfer usw., besteht, und eine elektrische Heizeinrichtung 4 angeordnet und durch Klebemittel usw. befestigt, wobei sich der Wärmeleiter 21 an der Außenseite befindet. Die Fig. 24 zeigt die Vergrößerung davon, um eine Darstellung im Detail zu ergeben. Zwischen dem Wärmeleiter 21 und der elektrischen Heizeinrichtung 4 ist außerdem das Thermoelement 7 angeordnet, welches als der Wärmesensor arbeitet, um die Oberflächentemperatur Tg des Wärmeleiters 21 zu erfassen. In dem leeren Teil der Ummantelung 20 ist außerdem ein Wärmeisolator 16 angeordnet, der aus Schaumstoffen besteht, wie bspw. Polyurethanschaum usw.Fig. 23 shows the thermal environment sensor A₅ which relates to the 5th embodiment of this invention, and in this embodiment, only a part of the casing 3 heated by heat conduction, as compared with the aforementioned sensors in which the entirety of the casing 3 is heated. Namely, the heating element 1 is provided with an empty spherical casing 20 made of plastics such as polystyrene, etc. and other heat insulators; a part of this casing 20 is cut away, and in this cut away part 20a, a heat conductor 21 made of a metal such as copper, etc., and an electric heater 4 are arranged and fixed by adhesives, etc., with the heat conductor 21 located on the outside. Fig. 24 shows the enlargement thereof to give an illustration in detail. Between the heat conductor 21 and the electric heater 4, there is also arranged the thermocouple 7 which functions as the heat sensor to detect the surface temperature Tg of the heat conductor 21. In the empty part of the casing 20 there is also arranged a heat insulator 16 which consists of foams, such as polyurethane foam, etc.
Ein elektrisches Stromversorgungskabel 6, welches die elektrische Heizeinrichtung 4 mit elektrischem Strom versorgt, und eine Ausgangsleitung 8 des Thermoelements 7 sind nach außen durch die aus dem Wärmeisolator bestehende Innenseite der Ummantelung 20 hindurch und durch den Wärmeisolator 16 selbst sowie auch durch eine Stützsäule 2 geführt. Die elektrische Heizeinrichtung 4 kann daher durch einen elektrischen Strom geheizt werden; in dem Zustand, daß die elektrische Heizeinrichtung 4 mit einer vorbestimmten Wärmemenge beliefert wird, so daß der Heizwert gleich dem Produkt des erzeugten Heizwertes M pro einer Flächeneinheit der Oberfläche des menschlichen Körpers und der Außenfläche des Wärmeleiters 21 ist, wird die Oberflächentemperatur Tg des Wärmeleiters 21 durch die Ausgangsspannung des Thermoelements 7 erfaßt; auf der Grundlage dieser Oberflächentemperatur Tg wird dann der thermische Zustand in einer Innenumgebung in der gleichen Art und Weise wie die effektive Temperatur erfaßt unter Berücksichtigung des Wärmeverlusts als Folge der Strahlung, der Konvektion und der nassen Wärmefreigabe von dem menschlichen Körper.An electric power supply cable 6 which supplies electric current to the electric heater 4 and an output line 8 of the thermocouple 7 are led outward through the inside of the casing 20 made of the heat insulator and through the heat insulator 16 itself as well as through a support column 2. The electric heater 4 can therefore be heated by an electric current; in the state that the electric heater 4 is supplied with a predetermined amount of heat so that the calorific value is equal to the product of the generated calorific value M per unit area of the surface of the human body and the outer surface of the heat conductor 21, the surface temperature Tg of the heat conductor 21 is detected by the output voltage of the thermocouple 7; on the basis of this surface temperature Tg, the thermal state in an indoor environment is then detected in the same manner as the effective temperature, taking into account the heat loss due to radiation, convection and wet heat release from the human body.
Die Außenfläche des Wärmeleiters 21 ist außerdem mit einer Schicht 9 von Strahlungsmaterialien versehen, die aus einem Fluorharz bestehen, wie bspw. Tetrafluorethylen (PTFE) usw. und einem Pigment, wie bspw. Titanoxid (TiO&sub2;) usw., dessen Emissionsvermögen eng übereinstimmt mit dem spektralen Emissionsvermögen der menschlichen Haut oder der Bekleidung darauf; die effektive Temperatur kann daher präzise erfaßt werden, wobei der Strahlungswärme-Übertragungskoeffizient des menschlichen Körpers usw. mit demjenigen des Wärmeleiters 21 übereinstimmt.The outer surface of the heat conductor 21 is further provided with a layer 9 of radiation materials consisting of a fluororesin such as tetrafluoroethylene (PTFE), etc., and a pigment such as titanium oxide (TiO2), etc., whose emissivity closely matches the spectral emissivity of the human skin or the clothing thereon; therefore, the effective temperature can be precisely detected with the radiant heat transfer coefficient of the human body, etc. matching that of the heat conductor 21.
Bei dem Wärmeumgebungssensor A&sub5; mit diesem Aufbau kann daher die an die elektrische Heizeinrichtung 4, die in dem aus einem Wärmeisolator bestehenden Teil der Ummantelung 20 angeordnet ist, welche als das Heizelement 1 funktioniert, gelieferte Menge das Produkt des erzeugten Heizwertes M je einer Flächeneinheit der Oberfläche des menschlichen Körpers und der Oberfläche A&sub2; des Heizleiters 21 sein und kann im Verhältnis zu der Rate A&sub2;/A&sub1; der effektiven Oberflächenfläche verringert werden im Vergleich mit einem herkömmlichen Heizelement, bei welchem die Gesamtheit der Ummantelung beheizt wird (diese wirksame Oberflächenfläche ist A&sub1;) so daß der elektrische Eingangsstrom an die elektrische Heizeinrichtung 4 verringert werden kann: es ist daher möglich, eine elektrische Zelle, wie bspw. eine Trockenzelle oder eine Solarzelle, als eine elektrische Stromquelle zu verwenden, so daß der Wärmeumgebungssensor drahtlos wird. Es ist daher auch möglich, daß der Wärmeumgebungssensor A&sub5; einfach und frei getragen werden kann, und es ist auch möglich, die Wärmeumgebung um den menschlichen Körper herum immer präzise zu erfassen, indem er nahe dem menschlichen Körper angeordnet wird: es ist daher auch möglich, die Annehmlichkeit der Umgebung zu verbessern, welche den menschlichen Körper umgibt, indem die Klimaanlage auf der Grundlage der Wärmeumgebung gesteuert wird, welche den menschlichen Körper umgibt.Therefore, in the thermal environment sensor A₅ having this structure, the amount supplied to the electric heater 4 disposed in the heat insulator part of the casing 20 functioning as the heating element 1 may be the product of the generated calorific value M per unit area of the human body surface and the surface A₂ of the heating conductor 21, and may be set in proportion to the rate A₂/A₁ of the effective surface area can be reduced in comparison with a conventional heating element in which the entirety of the casing is heated (this effective surface area is A₁), so that the input electric current to the electric heater 4 can be reduced: it is therefore possible to use an electric cell such as a dry cell or a solar cell as an electric power source, so that the thermal environment sensor becomes wireless. It is therefore also possible that the thermal environment sensor A₅ can be easily and freely carried, and it is also possible to always precisely detect the thermal environment around the human body by placing it close to the human body: it is therefore also possible to improve the comfort of the environment surrounding the human body by controlling the air conditioner on the basis of the thermal environment surrounding the human body.
In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß obwohl bei dieser Ausführungsform die Ummantelung 20 kugelförmig ist, auch Säulenformen und Formen eines Rotationsellipsoids verwendet werden können.In this connection, it is noted that although in this embodiment the casing 20 is spherical, columnar shapes and shapes of a revolution ellipsoid can also be used.
Die Fig. 25 und 26 zeigen den Wärmeumgebungssensor A&sub6;, welcher die 6. Ausführungsform dieser Erfindung betrifft und sich von der 5. Ausführungsform unterscheidet, weil dieses Heizelement 1 wie folgt aufgebaut ist: wie es in Fig. 27 durch eine Vergrößerung näher dargestellt ist, besteht der Querschnitt 20a der leeren kugelförmigen Ummantelung aus Materialien mit einer Härte und einer Wärmeisolierung, wie bspw. aus Polystyrolkunststoff usw., und ist mit einer scheibenförmigen elektrischen Heizeinrichtung 4 versehen, die von einer ringförmigen Wärmeisolierung 22 aus Schaumstoffen umgeben ist, die ein hohes Wärmeisoliervermögen haben, wie bspw. Polyurethanschaum.Figs. 25 and 26 show the thermal environment sensor A₆ which relates to the 6th embodiment of this invention and is different from the 5th embodiment because this heating element 1 is constructed as follows: as shown in Fig. 27 by enlargement, the cross section 20a of the empty spherical shell is made of materials having hardness and heat insulation, such as polystyrene plastic, etc., and is provided with a disc-shaped electric heating device 4 which is surrounded by an annular thermal insulation 22 made of foams which have a high thermal insulation capacity, such as polyurethane foam.
An dem zentralen Teil der Oberfläche der elektrischen Heizeinrichtung 4 wirkt außerdem das Thermoelement 7 als ein Temperaturfühler, welcher die Oberflächentemperatur Tg davon erfaßt. Die Außenfläche der Ummantelung 20 und die elektrische Heizeinrichtung 4 sind außerdem mit einer Schicht 9 aus Strahlungsmaterialien mit einem spektralen Emissionsvermögen versehen, welches eng mit demjenigen der menschlichen Haut oder der Bekleidung darauf übereinstimmt.At the central part of the surface of the electric heater 4, the thermocouple 7 also acts as a temperature sensor which detects the surface temperature Tg thereof. The outer surface of the casing 20 and the electric heater 4 are also provided with a layer 9 of radiant materials having a spectral emissivity which closely matches that of the human skin or the clothing thereon.
Auch bei diesem Wärmeumgebungssensor A&sub6; kann daher der elektrische Eingangsstrom an die elektrische Heizeinrichtung 4 verringert werden, weil die an die elektrische Heizeinrichtung 4 gelieferte Wärmemenge nur das Produkt des erzeugten Heizwertes M je Flächeneinheit der Oberfläche des menschlichen Körpers und der Außenfläche A&sub2; der Oberfläche der elektrischen Heizeinrichtung 4 ist.Therefore, even in this thermal environment sensor A6, the electric current input to the electric heater 4 can be reduced because the amount of heat supplied to the electric heater 4 is only the product of the generated calorific value M per unit area of the surface of the human body and the outer area A2 of the surface of the electric heater 4.
Wenn in diesem Fall die elektrische Heizeinrichtung 4 direkt an dem Abschnitt 20a der Ummantelung 20 installiert wird und die Oberflächentemperatur der elektrischen Heizeinrichtung 4 gemessen wird, dann existieren die folgenden Probleme: obwohl es nötig ist, daß der Wärmeumgebungssensor einen Aufbau mit den Eigenschaften der Wärmeübertragung gleich derjenigen des menschlichen Körpers hat, wird bei diesem Aufbau Wärme von der elektrischen Heizeinrichtung an die Umgebung der elektrischen Ummantelung übertragen, so daß durch Übertragung ein Wärmeverlust existiert: wie in Mol-%29 dargestellt ist, ist daher die Gleichung des Wärmegleichgewichts der elektrischen Heizeinrichtung 4 wie folgt ausgedrückt:In this case, if the electric heater 4 is installed directly on the portion 20a of the casing 20 and the surface temperature of the electric heater 4 is measured, the following problems exist: although it is necessary for the thermal environment sensor to have a structure having heat transfer characteristics equal to those of the human body, in this structure, heat is transferred from the electric heater to the environment of the electric casing, so that by transfer a heat loss exists: as shown in Mol-%29, therefore the equation of heat balance of the electric heater 4 is expressed as follows:
M=Qc+Qr+QlossM=Qc+Qr+Qloss
(worin M: der Heizwert der elektrischen Heizeinrichtung; Qc: die Wärmefreigabe durch Konvektion; Qr: die Wärmefreigabe durch Strahlung; Qloss: der Wärmeverlust durch Übertragung an die Ummantelung).(where M: the calorific value of the electric heater; Qc: the heat release by convection; Qr: the heat release by radiation; Qloss: the heat loss by transfer to the casing).
Der Wert Qc ist eine Funktion der Geschwindigkeit der Luftströmung; Qr ist eine Funktion der Strahlungswärmemenge: sie sind gleich zu dem menschlichen Körper bei der Wärmeübertragung (in diesem Fall muß der Wärmeverlust durch Übertragung von der Rückseite der elektrischen Heizeinrichtung 4 nicht berücksichtigt werden, weil die Wärmekapazität der Rückseite der Ummantelung ein Minimum ist). Unter der Voraussetzung, daß der Heizwert M der elektrischen Heizeinrichtung unveränderlich ist, und daß Qloss groß ist, verringert sich (Qc+Qr) relativ und unterscheidet sich von den Kennlinien der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung des menschlichen Körpers.The value Qc is a function of the speed of the air flow; Qr is a function of the amount of radiant heat: they are equal to the human body in the heat transfer (in this case the heat loss by transfer from the back of the electric heater 4 does not need to be taken into account, because the heat capacity of the back of the casing is a minimum). Provided that the calorific value M of the electric heater is constant and that Qloss is large, (Qc+Qr) decreases relatively and differs from the characteristics of the speed of the air flow and the radiation of the human body.
Aus diesem Grund ist es nötig, daß die Eingangsmenge an die elektrische Heizeinrichtung stark vergrößert wird, damit der Wärmeverlust Qloss durch Übertragung im Vergleich zu dem Wert (Qc+Qr) unberücksichtigt bleiben kann, und es verringert sich auch der Wirkungsgrad im Vergleich zu dem Fall eines kleinen Wärmeverlusts durch Übertragung. Um die Oberflächentemperatur des Heizelements 1 präzise zu messen, wird vorausgesetzt, daß das Heizelement 4 mit einem Wärmeleiter an der Oberfläche der elektrischen Heizeinrichtung 4 versehen wird, und durch diesen Heizleiter kann die Oberflächentemperatur des Heizelements unverändert bleiben und einen Mittelwert bei der Gesamtheit des Heizelements haben: diese Oberflächentemperatur kann daher durch den Temperaturfühler erfaßt werden. Obwohl in diesem Fall ein Wärmeverlust durch Übertragung von der Umgebung der elektrischen Heizeinrichtung an die Ummantelung stattfindet, erhöht sich der Temperaturunterschied zwischen der Umgebung dieser elektrischen Heizeinrichtung und der Ummantelung; im Gegensatz dazu erhöht sich der Wärmeverlust durch Übertragung, weil die Oberflächentemperatur der Umgebung dieser elektrischen Heizeinrichtung nahezu gleich derjenigen des Zentrums der elektrischen Heizeinrichtung ist. Im Vergleich dazu wird bei dieser Ausführungsform die elektrische Heizeinrichtung 4 an dem Abschnitt 20a der Ummantelung 20 installiert, ohne daß ein Wärmeleiter an der Oberfläche davon installiert wird, aber es wird ein Wärmeisolator 22 um die elektrische Heizeinrichtung herum angeordnet: die Oberfläche der Umgebung der elektrischen Heizeinrichtung 4 kann daher niedrig gehalten werden; es wird auch die Wärmeleitung von der Umgebung der elektrischen Heizeinrichtung 4 zu der Ummantelung 20 nahezu vollständig unterbrochen; die Menge des Wärmeverlusts durch Übertragung kann daher stark verringert werden, und durch eine Verringerung dieses Wärmeverlusts durch Übertragung kann der elektrische Eingangsstrom an die elektrische Heizeinrichtung 4 noch weiter verringert werden und es kann auch die Präzision der Erfassung verbessert werden. Als ein Ergebnis ist eine drahtlose Fähigkeit möglich durch Verwendung einer elektrischen Zelle zur Energieversorgung, und es ist daher auch möglich, die Wärmeumgebung um den menschlichen Körper herum immer präzise mit dem Sensor nahe dem menschlichen Körper zu erfassen.For this reason, it is necessary to increase the input quantity to the electric heater to a great extent so that the heat loss Qloss by transfer can be ignored compared to the value (Qc+Qr), and the efficiency also decreases compared to the case of a small heat loss by transfer. In order to accurately measure the surface temperature of the heating element 1, it is assumed that the heating element 4 is provided with a heat conductor on the surface of the electric heater 4, and by this heat conductor, the surface temperature of the heating element can remain unchanged and have an average value over the entirety of the heating element: this surface temperature can therefore be detected by the temperature sensor. In this case, although heat loss by transfer from the vicinity of the electric heater to the casing takes place, the temperature difference between the vicinity of this electric heater and the casing increases; on the contrary, the heat loss by transfer increases because the surface temperature of the vicinity of this electric heater is almost equal to that of the center of the electric heater. In comparison, in this embodiment, the electric heater 4 is installed on the portion 20a of the casing 20 without installing a heat conductor on the surface thereof, but a heat insulator 22 is arranged around the electric heater: the surface area of the vicinity of the electric heater 4 can therefore be kept low; also, the heat conduction from the surroundings of the electric heater 4 to the casing 20 is almost completely interrupted; the amount of heat loss by transfer can therefore be greatly reduced, and by reducing this heat loss by transfer, the electric input current to the electric heater 4 can be further reduced and the precision of detection can also be improved. As a result, a wireless capability possible by using an electric cell for power supply, and therefore it is also possible to always accurately detect the thermal environment around the human body with the sensor close to the human body.
Wenn nun der Wärmeumgebungssensor A6 mit dem Aufbau dieser 6. Ausführungsform betrachtet wird, dann wird die Verteilung der Oberflächentemperatur der elektrischen Heizeinrichtung 4 und der Umgebung davon in dem windlosen Zustand konkret gemessen. Fig. 28 zeigt das Ergebnis der Messung durch eine volle Linie. Die Fig. 28 zeigt auch die verglichenen Beispiele; jede Verteilung der Oberflächentemperatur des einen ohne einen Wärmeisolator um die elektrische Heizeinrichtung 4 herum (das 1. Vergleichsbeispiel) und des einen mit einem Wärmeleiter an der Oberfläche der elektrischen Heizeinrichtung 4 (das 2. Vergleichsbeispiel) ist dargestellt durch eine unterbrochene Linie und eine Kettenlinie. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß bei dem ersten und bei dem zweiten Vergleichsbeispiel die Oberflächentemperatur dieser Verbindung hoch ist, insbesondere bei dem zweiten Vergleichsbeispiel, weil jede Ummantelung direkt mit der Umgebung der elektrischen Heizeinrichtung in Berührung ist, so daß ein Anstieg der Oberflächentemperatur der Verbindung beträchtlich ist, weil die Oberflächentemperatur des Heizelements durch den Wärmeleiter zu einem Mittelwert wird. Im Vergleich zu diesen Beispielen ist die Ausführungsform dieser Erfindung unterschiedlich zu den beiden Vergleichsbeispielen in den folgenden Punkten:Now, considering the thermal environment sensor A6 having the structure of this 6th embodiment, the distribution of the surface temperature of the electric heater 4 and the surroundings thereof in the windless state is concretely measured. Fig. 28 shows the result of the measurement by a solid line. Fig. 28 also shows the compared examples; each distribution of the surface temperature of the one without a heat insulator around the electric heater 4 (the 1st comparative example) and the one with a heat conductor on the surface of the electric heater 4 (the 2nd comparative example) is shown by a broken line and a chain line. From this figure, it is clear that in the first and second comparative examples, the surface temperature of this joint is high, especially in the second comparative example, because each sheath is directly in contact with the surroundings of the electric heater, so that a rise in the surface temperature of the joint is considerable because the surface temperature of the heating element becomes an average value through the heat conductor. In comparison with these examples, the embodiment of this invention is different from the two comparative examples in the following points:
(1). die Oberfläche der elektrischen Heizeinrichtung 4 ist nicht mit einem Wärmeleiter versehen; und (2). der Wärmeisolator 22 mit einem hohen adiabatischen Verhalten ist zwischen der Umgebung der elektrischen Heizeinrichtung 4 und dem Abschnitt 20a der Ummantelung 20 angeordnet; es ist daher bekannt, daß die Oberflächentemperatur der Verbindung der elektrischen Heizeinrichtung 4 und der Ummantelung 20 niedrig ist, und daß die Menge des Wärmeverlusts durch Übertragung von der elektrischen Heizeinrichtung 4 zu der Ummantelung 20 verringert wird. Als ein Ergebnis ist eine drahtlose Fähigkeit möglich durch Verwendung einer elektrischen Zelle mit einer niedrigen Kapazität, und es ist auch möglich, den Wirkungsgrad der Erfassung als Folge der Verkleinerung der elektrischen Eingangsenergie an die elektrische Heizeinrichtung 4 zu verbessern.(1). the surface of the electric heater 4 is not provided with a heat conductor; and (2). the heat insulator 22 having a high adiabatic property is arranged between the surroundings of the electric heater 4 and the portion 20a of the casing 20; it is therefore known that the surface temperature of the junction of the electric heater 4 and the casing 20 is low, and that the amount of heat loss by transmission from the electric heater 4 to the casing 20 is reduced. As a result, a wireless capability is possible by using an electric cell having a low capacity, and it is also possible to improve the detection efficiency as a result of reducing the electric input power to the electric heater 4.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß obwohl bei der 5. und bei der 6. Ausführungsform ein Satz einer elektrischen Heizeinrichtung 4 und eines Thermoelements 7 an einem Punkt in einem Teil der Ummantelung 20 angeordnet ist, an einigen anderen Punkten davon weitere Sätze derselben installiert sein können. In diesem Fall ist der Mittelwert des Ausgangs jedes Satzes des Thermoelements (des Temperaturfühlers) die Ausgangstemperatur. Unter der Voraussetzung, daß ein Teil der Ummantelung 20 erwärmt wird, wird mit anderen Worten der Wärmeübertragungskoeffizient verändert, teilweise abhängig von dem Winkel der Ausrichtung eines Windes (die hauptsächliche Strömungsrichtung); mit diesem veränderten Wärmeübertragungskoeffizienten wird auch begleitend die Oberflächentemperatur der Ummantelung 20 verändert, in Abhängigkeit von der Richtung eines Windes. Wie es in Fig. 30 und 31 dargestellt ist, werden für den Fall, daß der Einfluß der Ausrichtung eines Windes unberücksichtigt bleiben soll, 2 Stücke der elektrischen Heizeinrichtungen 4 an der kugelförmigen oder säulenförmigen Ummantelung 20 installiert wobei es im Ergebnis bevorzugt wird, sie unter einem Phasenwinkel von 180º zu der Zentralachse der kugelförmigen oder säulenförmigen Ummantelung 20 zu installieren, um den Einfluß in Abhängigkeit von der Richtung eines Windes auf ein Minimum zu verringern. Dies wird klar aus der Fig. 32f welche die Beziehung des Veränderungsbereichs der Oberflächentemperatur der Ummantelung bei einer Veränderung der Richtung eines Windes von einem Winkel von 00 bis zu einem Winkel von 360º darstellt mit einem Phasenwinkel zwischen den zwei elektrischen Heizeinrichtung, in dem Fall des Zustandes einer Geschwindigkeit der Luftströmung zwischen 0.29 m/s und 0.8 m/s.In this connection, it is to be noted that although in the 5th and 6th embodiments one set of an electric heater 4 and a thermocouple 7 is arranged at one point in a part of the casing 20, further sets of the same may be installed at some other points thereof. In this case, the average value of the output of each set of the thermocouple (temperature sensor) is the output temperature. In other words, provided that a part of the casing 20 is heated, the heat transfer coefficient is changed, partly depending on the angle of direction of a wind (the main flow direction); with this changed heat transfer coefficient, the surface temperature of the casing 20 is also changed concomitantly. depending on the direction of a wind. As shown in Figs. 30 and 31, in case the influence of the direction of a wind is to be disregarded, two pieces of the electric heaters 4 are installed on the spherical or columnar casing 20, as a result, it is preferable to install them at a phase angle of 180° to the central axis of the spherical or columnar casing 20 in order to minimize the influence depending on the direction of a wind. This is clear from Fig. 32f which shows the relationship of the range of change of the surface temperature of the casing when the direction of a wind changes from an angle of 00 to an angle of 360° with a phase angle between the two electric heaters, in the case of the condition of a velocity of the air flow between 0.29 m/s and 0.8 m/s.
Die Fig. 33 und 34 zeigen den Wärmeumgebungssensor A&sub7; betreffend die 7. Ausführungsform dieser Erfindung, welche durch eine Vereinfachung des Aufbaus des einteiligen Erwärmungstyps erhalten wird. In dieser Figur ist die Mitte des Wärmeisolators 20 einer Scheibenform mit einem Aufnahmeteil 20b versehen, welcher nach innen und nach außen entlang der Zentralachse vorsteht; eine plattenförmige elektrische Heizeinrichtung 4 ist in dem Aufnahmeteil 20b installiert; an der Innenseite und der Außenseite der elektrischen Heizeinrichtung 4 sind auch jeweils Thermoelemente 7, 7, welche die Oberflächentemperatur Tg der elektrischen Heizeinrichtung 4 verfassen: auf diese Weise ist das Heizelement 1 aufgebaut. Außerdem sind Schichten von Strahlungsmaterialien 9, 9 an der Innenseite und an der Außenseite des Wärmeisolators 20 installiert.33 and 34 show the thermal environment sensor A₇ relating to the 7th embodiment of this invention, which is obtained by simplifying the structure of the one-piece heating type. In this figure, the center of the thermal insulator 20 of a disk shape is provided with a receiving part 20b which projects inward and outward along the central axis; a plate-shaped electric heater 4 is installed in the receiving part 20b; on the inside and the outside of the electric heater 4, thermocouples 7, 7, are also respectively provided. which determine the surface temperature Tg of the electric heater 4: in this way the heating element 1 is constructed. In addition, layers of radiant materials 9, 9 are installed on the inside and outside of the heat insulator 20.
Bei dem Fall dieser Ausführungsform ist der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient wegen des Vorsehens nur einer kleinen plattenförmigen elektrischen Heizeinrichtung 4 bei dem Heizelement 1 so groß, daß der Wärmeumgebungssensor A&sub7; derart aufgebaut ist, daß er Kennlinien der Wärmeübertragung gleich denjenigen des menschlichen Körpers hat durch eine Erniedrigung des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten, indem der Wärmeisolator 20, welcher das Teil ohne eine Wärmeübertragung ist, um die elektrische Heizeinrichtung 4 herum installiert wird und indem die Grenzschicht der Geschwindigkeit entwickelt wird; der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient verändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Länge des Teils ohne Wärmeübertragung, so daß der Wärmeisolator 20 als eine Scheibe ausgebildet ist, so daß dadurch die Richtungseigenschaften abgeschafft sind. Im Vergleich mit einem kugel- oder säulenförmigen Wärmeisolator kann der Isolator 20 eine niedrige Kapazität haben; es ist möglich, die Materialkosten zu verringern und den Aufbau zu vereinfachen, wodurch elektrische Energie als Folge der Erfassung sowohl der Innenseite wie auch der Außenseite davon mit nur einer elektrischen Heizeinrichtung 4 gespart wird.In the case of this embodiment, the convective heat transfer coefficient is so large because of the provision of only a small plate-shaped electric heater 4 in the heating element 1, that the thermal environment sensor A7 is constructed to have heat transfer characteristics equal to those of the human body by lowering the convective heat transfer coefficient by installing the heat insulator 20, which is the part without heat transfer, around the electric heater 4 and by developing the boundary layer of velocity; however, the convective heat transfer coefficient changes depending on the length of the part without heat transfer, so that the heat insulator 20 is formed as a disk, thereby eliminating the directional characteristics. Compared with a spherical or columnar heat insulator, the insulator 20 can have a low capacitance; it is possible to reduce the material cost and simplify the structure, thereby saving electric energy as a result of covering both the inside and the outside thereof with only one electric heating device 4.
Die Fig. 35 zeigt einen Wärmeumgebungssensor A&sub8;, die 8. Ausführungsform dieser Erfindung, welcher die Wärmezustände in einer Innenumgebung erfaßt unter Berücksichtigung der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Feuchtigkeit, also in derselben Art und Weise wie der menschliche Körper. Die elektrische Heizeinrichtung 4 des Heizelements 1 wird durch die Hindurchleitung eines elektrischen Stroms von einem Stromquelleschaltkreis 23 erwärmt; das Heizelement wird mit der Wärmemenge M beliefert; in diesem Zustand wird die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 durch die Ausgangsspannung erfaßt; auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 werden dann die Wärmezustände in einer Innenumgebung erfaßt unter Berücksichtigung der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung, also in derselben Art und Weise wie der menschliche Körper: der vorerwähnte Hinweis ergibt den Aufbau des Wärmeumgebungssensors A&sub8;. Auf der anderen Seite ist ein Feuchtigkeitsdetektor 30 in einem Raum installiert, welcher die Feuchtigkeit RH in dem Raum erfaßt; der Ausgang dieses Feuchtigkeitsdetektors 30 ist zusammen mit dem Ausgang des Thermoelements 7 an einen Betätigungsschaltkreis 40 geliefert, welcher eine Betätigungseinrichtung ist. Dieser Betätigungsschaltkreis 40 ist derart aufgebaut, daß er die effektive Temperatur y in einer Innenumgebung entsprechend der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung der Strahlung und der Feuchtigkeit durch die Gleichung y=f(Tg, RH) auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 gemäß der Vermittlung durch das Thermoelement 7 und der Feuchtigkeit RH in dem Raum durch Vermittlung des Feuchtigkeitsdetektors 30 steuert. Bei dem Betätigungsschaltkreis 40 werden als Gleichung für diese Steuerung die folgenden empirischen Formeln verwendet: in dem Fall daß die gelieferte Wärmemenge gleich 86 W/m² ist, wird bspw. die empirische Formel y=Tg+2.31RH-8.39 verwendet; in dem Fall, daß die gelieferte Wärmemenge gleich 101 W/m² ist, wird die empirische Formel y=Tg+2.31RH-9.54 verwendet. Die Außenfläche der Ummantelung 3 bei dem Heizelement 1 ist zusätzlich mit einer dünnen Schicht von Strahlungsmaterialien 9 mit einem Spektralemissionsvermögen versehen, welches eng mit dem Spektralemissionsvermögen der menschlichen Haut oder der Bekleidung darauf übereinstimmt: die effektive Temperatur kann daher präziser erfaßt werden durch eine Übereinstimmung des Strahlungswärme-Übertragungskoeffizienten des menschlichen Körpers usw. mit demjenigen des Heizelements 1.Fig. 35 shows a thermal environment sensor A8, the 8th embodiment of this invention, which detects the thermal conditions in an indoor environment by taking into account the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the humidity, i.e., in the same manner as the human body. The electric heater 4 of the heating element 1 is heated by passing an electric current from a power source circuit 23; the heating element is supplied with the amount of heat M; in this state, the surface temperature Tg of the heating element 1 is detected by the output voltage; then, on the basis of the surface temperature Tg of the heating element 1, the thermal conditions in an indoor environment are detected by taking into account the temperature of the air, the speed of the air flow and the radiation, i.e., in the same manner as the human body: the above-mentioned reference gives the structure of the thermal environment sensor A8. On the other hand, a humidity detector 30 is installed in a room, which detects the humidity RH in the room; the output of this humidity detector 30 is supplied together with the output of the thermocouple 7 to an actuating circuit 40 which is an actuating device. This actuating circuit 40 is constructed to control the effective temperature y in an indoor environment according to the temperature of the air, the speed of the air flow of the radiation and the humidity by the equation y=f(Tg, RH) on the basis of the surface temperature Tg of the heating element 1 mediated by the thermocouple 7 and the humidity RH in the room mediated by the humidity detector 30. In the actuating circuit 40, the following empirical formulas are used as the equation for this control: in the case where the amount of heat supplied is equal to 86 W/m², for example, the empirical formula y=Tg+2.31RH-8.39 is used; in the case where the amount of heat supplied is equal to 101 W/m², the empirical formula y=Tg+2.31RH-9.54 is used. The outer surface of the casing 3 near the heating element 1 is additionally provided with a thin layer of radiant materials 9 having a spectral emissivity which closely matches the spectral emissivity of the human skin or the clothing thereon: the effective temperature can therefore be detected more precisely by matching the radiant heat transfer coefficient of the human body, etc., with that of the heating element 1.
Bei dem Wärmeumgebungssensor A&sub8;, der wie vorstehend aufgebaut ist, erfaßt daher das Thermoelement 7 die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1, welches mit einer vorbestimmten Wärmemenge beliefert wird; die Oberflächentemperatur Tg ist eine Funktion der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung, wie es vorstehend bei den Gleichungen des Wärmegleichgewichts erläutert wurde. Die Feuchtigkeit RH in dem Raum wird außerdem durch den Feuchtigkeitsfühler 30 erfaßt. Durch den Betätigungsschaltkreis 40 wird dann die effektive Temperatur y gesteuert unter Zugrundelegung der Gleichung y=f(Tg, RH) auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 und der Feuchtigkeit RH in dem Raum: diese effektive Temperatur y kann daher mit der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Feuchtigkeit übereinstimmen. Weil diese effektive Temperatur y alle diese Wärmeumgebungsfaktoren berücksichtigt, wie bspw. die Temperatur der Luft, die Geschwindigkeit der Luftströmung, die Strahlung und die Feuchtigkeit, können die Wärmezustände in jeder beliebigen Innenumgebung so präzise erfaßt werden wie sich jeder dieser Wärmeumgebungsfaktoren verändert. In dem Fall, daß die Klimaanlage auf der Grundlage der Erfassung dieser effektiven Temperatur y gesteuert wird, kann daher als ein Ergebnis der Wärmezustand in einer Innenumgebung immer in einem angenehmen Zustand gehalten werden, wenn der Benutzer die vorbestimmte effektive Temperatur einmal eingestellt hat, bei welcher er sich komfortabel fühlt, ohne daß es erforderlich ist, diese Temperatur während der Saison zu verändern durch die automatische Erfassung der Veränderung der effektiven Temperatur y, abhängig von der Veränderung der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Feuchtigkeit: es ist daher möglich, eine vollautomatische Betätigung zu realisieren.Therefore, in the thermal environment sensor A8 constructed as above, the thermocouple 7 detects the surface temperature Tg of the heating element 1 which is supplied with a predetermined amount of heat; the surface temperature Tg is a function of the temperature of the air, the speed of the air flow and the radiation, as explained above in the equations of thermal equilibrium. The humidity RH in the room is also detected by the humidity sensor 30. The effective temperature y is then controlled by the actuating circuit 40 using the equation y=f(Tg, RH) on the basis of the surface temperature Tg of the heating element 1 and the humidity RH in the room: this effective temperature y can therefore be related to the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the humidity. Because this effective temperature y takes into account all of these thermal environment factors, such as the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the humidity, the thermal conditions in any indoor environment can be detected as precisely as each of these thermal environment factors changes. Therefore, in the case that the air conditioning system is controlled on the basis of the detection of this effective temperature y, as a result, once the user has set the predetermined effective temperature at which he feels comfortable, the thermal condition in an indoor environment can always be kept in a comfortable state without it being necessary to change this temperature during the season by automatically detecting the change in the effective temperature y depending on the change in the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the humidity: it is therefore possible to realize fully automatic operation.
Die Fig. 36 zeigt jetzt konkret die Ergebnisse des Vergleichs des Wertes der effektiven Temperatur und des Wertes SET*, der ein Logarithmus-Index ist, welcher von der American Society of Heating-Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE in den USA adoptiert wurde; der erstere ist durch die Gleichung y=Tg+2.31RH-8.39 als der Betätigungsgleichung des Betätigungsschaltkreises 40 vorgegeben, und der letztere ist der Wert der neuen Standard-Effektivtemperatur, welcher eine enge Beziehung zu dem Gefühl der Kühle oder Wärme und der Annehmlichkeit des menschlichen Körpers hat. In dieser Figur stellt die unterbrochene Linie den Wert dar, der durch den Betätigungsschaltkreis gesteuert wird; und die volle Linie stellt den Wert SET* dar. Aus dieser Figur ist es daher bekannt, daß diese beiden Werte nahezu gleich sind innerhalb des Bereichs der Annehmlichkeit, wo die Klimaanlage verwendet wird (SET* ist innerhalb eines Bereichs zwischen 23ºC und 25ºC; die relative Feuchtigkeit RH ist zwischen 30% und 70%); und daß der Wert der effektiven Temperatur bei dieser Erfindung sehr präzise mit den tatsächlichen körperlichen Gefühlen des menschlichen Körpers übereinstimmt.Fig. 36 now shows concretely the results of the comparison of the value of the effective temperature and the value SET* which is a logarithmic index adopted by the American Society of Heating-Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE in the USA; the former is given by the equation y=Tg+2.31RH-8.39 as the actuation equation of the actuation circuit 40, and the latter is the value of the new standard effective temperature which has a close relationship with the feeling of coolness or warmth and the comfort of the human body. In this figure, the broken line represents the value controlled by the operating circuit; and the solid line represents the value SET*. From this figure, therefore, it is known that these two values are almost equal within the range of comfort where the air conditioner is used (SET* is within a range between 23ºC and 25ºC; the relative humidity RH is between 30% and 70%); and that the value of the effective temperature in this invention very precisely agrees with the actual physical feelings of the human body.
Die Fig. 37 zeigt einen Wärmeumgebungssensor A&sub9;, welcher die 9. Ausführungsform dieser Erfindung betrifft und welcher Wärmezustände in einer Innenumgebung in derselben Art und Weise erfaßt als die effektive Temperatur, welche die Temperatur der Luft, die Geschwindigkeit der Luftströmung, die Strahlung und die Menge der Bekleidung an dem menschlichen Körper berücksichtigt. Um diese Angaben zu detaillieren, ist er wie folgt aufgebaut: die elektrische Heizeinrichtung 4 des Heizelements 1 wird erwärmt durch eine Hindurchführung eines elektrischen Stromes von dem Stromquellenschaltkreis 23; dieses Heizelement 1 wird mit der Wärmemenge M beliefert; in diesem Zustand wird die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 durch die Ausgangsspannung von dem Thermoelement 7 erfaßt; auf der Grundlage dieser Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 können die Wärmezustände in einer Innenumgebung in derselben Art und Weise als die effektive Temperatur erfaßt werden unter Berücksichtigung der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung.Fig. 37 shows a thermal environment sensor A9 which relates to the 9th embodiment of this invention and which detects thermal conditions in an indoor environment in the same manner as the effective temperature taking into account the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the amount of clothing on the human body. To detail these items, it is constructed as follows: the electric heater 4 of the heating element 1 is heated by passing an electric current from the power source circuit 23; this heating element 1 is supplied with the amount of heat M; in this state, the surface temperature Tg of the heating element 1 is detected by the output voltage from the thermocouple 7; Based on this surface temperature Tg of the heating element 1, the thermal conditions in an indoor environment can be detected in the same way as the effective temperature, taking into account the temperature of the air, the velocity of the air flow and the radiation.
Auf der anderen Seite ist dieser Wärmeumgebungssensor mit einer Einstellvorrichtung 31 für die Menge der Bekleidung ausgerüstet, die in dem Raum angeordnet wird, wobei damit der Wärmewiderstand Clo entsprechend der Menge der Bekleidung an dem menschlichen Körper eingestellt wird: diese Einstellvorrichtung 31 für die Menge der Bekleidung besteht aus einer Einstellvorrichtung 31a für die Bekleidung, welche den Wärmewiderstand Clo entsprechend der Art der Bekleidung einstellt; und einer Einstellvorrichtung 31b für Bettwäsche, welche den Wärmewiderstand Clo entsprechend der Art der Bettwäsche einstellt: der Ausgang der Einstellvorrichtung 31a für die Bekleidung und der Einstellvorrichtung 31b für die Bettwäsche werden an den Betätigungsschaltkreis 41 als einer Betätigungseinrichtung über einen Wechselschalter 31c geliefert zusammen mit dem Ausgang des Thermoelements 7. Der Betätigungsschaltkreis 41 ist derart aufgebaut, daß er die effektive Temperatur y in einer Innenumgebung steuert, welche mit der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Menge der Bekleidung übereinstimmt, wobei dafür die Gleichung y=f(Tg, Clo) benutzt wird; auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1, die durch das Thermoelement 7 vorgegeben wird, und des Wärmewiderstands Clo, welcher der Bekleidungsmenge entspricht und durch die Einstellvorrichtung 31 für die Bekleidungsmenge vorgegeben ist (der Einstellvorrichtung 31a für die Bekleidung oder der Einstellvorrichtung 31b für die Bettwäsche). In diesem Zusammenhang werden die folgenden empirischen Formeln für die Betätigungsgleichung bei dem Betätigungsschaltkreis 41 verwendet: in dem Fall, daß die gelieferte Wärmemenge bspw. gleich 86 W/m² ist, wird die Formel y=Tg+6.03Clo-10.85 verwendet; in dem Fall, daß die gelieferte Wärmemenge gleich 101 W/m² ist, wird die Formel y=Tg+6.03clo-12.0 verwendet. Die Außenfläche der Ummantelung 3 des Heizelements 1 ist außerdem mit einer Dünnschicht von Strahlungsmaterialien 9 mit einem Spektralemissionsvermögen versehen, das eng mit demjenigen der menschlichen Haut oder der Bekleidung darauf übereinstimmt.On the other hand, this thermal environment sensor is equipped with a clothing amount adjusting device 31 which is arranged in the room, thereby adjusting the thermal resistance Clo according to the amount of clothing on the human body: this clothing amount adjusting device 31 consists of a clothing adjusting device 31a which adjusts the thermal resistance Clo according to the kind of clothing; and a bedding adjusting device 31b which adjusts the thermal resistance Clo according to the kind of bedding: the output of the clothing adjusting device 31a and the bedding adjusting device 31b are supplied to the actuating circuit 41 as an actuating device via a change-over switch 31c together with the output of the thermocouple 7. The actuating circuit 41 is constructed to control the effective temperature y in an indoor environment which is consistent with the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the amount of clothing, using the equation y=f(Tg, Clo); based on the surface temperature Tg of the heating element 1 set by the thermocouple 7 and the thermal resistance Clo corresponding to the amount of clothing set by the amount of clothing setting device 31 (the amount of clothing setting device 31a or the amount of bedding setting device 31b). In this connection, the following empirical formulas are used for the operating equation in the operating circuit 41: in the case that the amount of heat supplied is, for example, 86 W/m², the formula y=Tg+6.03Clo-10.85 used; in the case where the quantity of heat supplied is equal to 101 W/m², the formula y=Tg+6.03clo-12.0 is used. The outer surface of the casing 3 of the heating element 1 is also provided with a thin layer of radiant materials 9 with a spectral emissivity which closely matches that of the human skin or the clothing thereon.
Die Fig. 38 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Zusammensetzung einer Betätigungstafel an der Einstellvorrichtung 31 für die Bekleidungsmenge. Bei dieser Betätigungstafel 32, die in Fig. 38 dargestellt ist, sind die folgenden Instruktionen angegeben in der Ordnung von oben nach unten:Fig. 38 shows an example of the composition of an operation panel on the clothing amount adjusting device 31. In this operation panel 32, shown in Fig. 38, the following instructions are given in the order from top to bottom:
auf der einen Seite ergibt sich für die Einstellung der Bekleidung die Angabe für die Winterbekleidung eines Mannes und einer Frau (in diesem Fall zeigt der Wärmewiderstand Clo bspw. den Wert Clo=1.0); die Bekleidung eines Mannes in der Zwischensaison (in diesem Fall ist Clo=0.8); die Bekleidung einer Frau in der Zwischensaison (in diesem Fall ist Clo=0.7); ein Mann mit Sommeranzug (in diesem Fall ist Clo=0.5); eine Frau mit voller Sommerbekleidung (in diesem Fall ist Clo=0.4); ein Mann in Sommerbekleidung (in diesem Fall ist Clo=0.3); eine Frau in einer leichten Sommerbekleidung (in diesem Fall ist Clo=0.2) usw.: und es ist außerdem ein 1. Schiebegriff 33 vorgesehen, der zwischen jeder dieser vorgesehenen Instruktionen nach oben und nach unten verschiebbar ist.on the one hand, the clothing adjustment provides the indication for the winter clothing of a man and a woman (in this case, the thermal resistance Clo shows, for example, the value Clo=1.0); the clothing of a man in mid-season (in this case, Clo=0.8); the clothing of a woman in mid-season (in this case, Clo=0.7); a man with a summer suit (in this case, Clo=0.5); a woman with full summer clothing (in this case, Clo=0.4); a man in summer clothing (in this case, Clo=0.3); a woman in light summer clothing (in this case, Clo=0.2), etc.: and a 1st sliding handle 33 is also provided which can be moved up and down between each of these instructions provided.
Auf der anderen Seite sind für die Einstellung der Bettwäsche die folgenden Instruktionen angegeben, und zwar als Werte des Wärmewiderstands Clo bspw. wie folgt von oben nach unten:On the other hand, the following instructions are given for setting the bed linen, namely as values of thermal resistance Clo, for example, as follows from top to bottom:
eine Wintersteppdecke und eine Bettdecke; eine Wintersteppdecke; eine Sommersteppdecke und eine Bettdecke; eine Sommersteppdecke; eine Bettdecke; eine Bettdecke aus Handtuchstoff; und nur Nachtwäsche usw.: und es ist ein 2. Schiebegriff 34 vorgesehen, der zwischen jeder dieser Instruktionen nach oben und nach unten verschiebbar ist.a winter quilt and a bed cover; a winter quilt; a summer quilt and a bed cover; a summer quilt; a bed cover; a bed cover made of towel fabric; and nightwear only, etc.: and there is a 2nd sliding handle 34 which can be moved up and down between each of these instructions.
Zur Anwendung für den Wechsel zwischen der Einstellung für Bekleidung und der Einstellung für Bettwäsche, wobei die Instruktionen für die Bekleidung und für die Bettwäsche auf der rechten und der linken Seite vorgesehen sind, ist zusätzlich ein 3. Schiebegriff 35 vorgesehen, der dazwischen verschiebbar ist. Wie vorerwähnt kann ein Benutzer den Wert des Wärmewiderstandes entsprechend der Bekleidungsmenge an dem menschlichen Körper wie folgt einstellen:In order to use for switching between the setting for clothing and the setting for bedding, with the instructions for clothing and bedding provided on the right and left sides, a third sliding handle 35 is additionally provided which can be moved between them. As mentioned above, a user can set the value of the thermal resistance according to the amount of clothing on the human body as follows:
Zur Tageszeit wird der 3. Schiebegriff 35 auf die Instruktionsseite für die Bekleidung eingestellt; der 1. Schiebegriff 33 wird auf die Instruktion entsprechend der Art der Bekleidung für diese Zeit eingestellt: auf der anderen Seite wird zum Zeitpunkt des Schlafengehens der 3. Schiebegriff 35 auf die Instruktionsseite für die Bettwäsche eingestellt und der 2. Schiebegriff 34 wird auf die Instruktion entsprechend der Art der Bettwäsche für diesen Zeitpunkt eingestellt.At daytime, the 3rd push handle 35 is set to the instruction side for clothing; the 1st push handle 33 is set to the instruction corresponding to the type of clothing for that time: on the other hand, at the time of going to bed, the 3rd push handle 35 is set to the instruction side for bedding and the 2nd push handle 34 is set to the instruction corresponding to the type of bedding for that time.
Bei dem Wärmeumgebungssensor A&sub9; des vorerwähnten Aufbaus wird daher die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1, welche mit der vorbestimmten Wärmemenge geliefert wird, durch das Thermoelement 7 erfaßt; diese Oberflächentemperatur Tg ist die Funktion der Luft der Temperatur, der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Strahlung, wie es in der Gleichung des Wärmegleichgewichts erwähnt wird. Der Wärmewiderstand Clo entsprechend der Bekleidungsmenge an dem menschlichen Körper wird darüberhinaus eingestellt durch eine Betätigung der Einstellvorrichtung 31 für die Menge der Bekleidung. Es wird dann in dem Betätigungsschaltkreis 41 die effektive Temperatur y durch die Gleichung y=f(Tg, Clo) gesteuert, auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 und des Wärmewiderstands Clo der Menge der Bekleidung: für diesen Zweck entspricht die effektive Temperatur y der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Menge der Bekleidung. In dem Fall einer Steuerung der Klimaanlage auf der Grundlage der effektiven Temperatur y muß daher die einmal eingestellte angenehme Temperatur selbst bei einer Veränderung der Bekleidungsmenge nicht verändert werden, und es wird nur die Einstellvorrichtung 31 für die Menge der Bekleidung betätigt und eingestellt bei dem Wärmewiderstand, welcher der Bekleidungsmenge für diesen Zeitpunkt entspricht: es kann so eine gleich angenehme Wärmeumgebung ständig beibehalten werden.In the thermal environment sensor A9 of the above-mentioned construction, therefore, the surface temperature Tg of the heating element 1, which is supplied with the predetermined amount of heat, is detected by the thermocouple 7; this surface temperature Tg is the function of the air temperature, the air flow velocity and the radiation as mentioned in the equation of thermal equilibrium. The thermal resistance Clo corresponding to the amount of clothing on the human body is further adjusted by an operation of the amount of clothing setting device 31. Then, in the operating circuit 41, the effective temperature y is controlled by the equation y=f(Tg, Clo) based on the surface temperature Tg of the heating element 1 and the thermal resistance Clo of the amount of clothing: for this purpose, the effective temperature y corresponds to the air temperature, the air flow velocity, the radiation and the amount of clothing. Therefore, in the case of controlling the air conditioner based on the effective temperature y, the comfortable temperature once set does not need to be changed even if the amount of clothing changes, and only the amount of clothing setting device 31 is operated and set at the thermal resistance corresponding to the amount of clothing at that time: thus, an equally comfortable thermal environment can be maintained at all times.
Die Fig. 39 zeigt jetzt konkret das Ergebnis des Vergleichs des Wertes der effektiven Temperatur und des Wertes SET* der ein Logarithmus-Index ist, adoptiert von der American Society of Heating-Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE in den U.S.A.: der erstere ist vorgegeben durch die Gleichung y=Tg+6.03Clo-10.85, benutzt als die Betätigungsgleichung des Betätigungsschaltkreises 41, und der letztere ist der Wert der neuen Standard-Effektivtemperatur, welcher eine enge Beziehung mit den menschlichen körperlichen Empfindungen der Wärme oder Kühle und der Annehmlichkeit hat. In dieser Figur stellt eine unterbrochene Linie den Wert dar, der durch den Betätigungsschaltkreis 41 gesteuert ist, und eine volle Linie ergibt den Wert SET*. Aus dieser Figur ist daher bekannt, daß beide Werte innerhalb des Bereichs der Annehmlichkeit (SET* 23ºC bis 25ºC) zueinander in engen Grenzen gleich sind, wo die Klimaanlage verwendet wird; und der Wert der effektiven Temperatur, der durch diese Erfindung vorgegeben wird, stimmt nahezu präzise überein mit den tatsächlichen körperlichen Empfindungen eines Menschen.Fig. 39 now shows concretely the result of the comparison of the value of the effective temperature and the value SET* which is a logarithmic index adopted by the American Society of Heating-Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE in the U.S.A.: the former is given by the equation y=Tg+6.03Clo-10.85 used as the operating equation of the operating circuit 41, and the latter is the value of the new standard effective temperature which has a close relationship with the human physical sensations of warmth or coolness and comfort. In this figure, a broken line represents the value controlled by the operating circuit 41, and a solid line gives the value SET*. From this figure, therefore, it is known that both values are equal to each other within a narrow range within the range of comfort (SET* 23ºC to 25ºC) where the air conditioner is used; and the value of the effective temperature given by this invention agrees almost precisely with the actual physical sensations of a human being.
Die Fig. 40 zeigt einen Wärmeumgebungssensor A&sub1;&sub0;, die 10. Ausführungsform dieser Erfindung, welcher die effektive Temperatur erfaßt unter Berücksichtigung auch der Menge der Bekleidung des Benutzers, wie in der 9. Ausführungsform erwähnt, sowie zusätzlich der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Feuchtigkeit, wie für die 8. Ausführungsform erwähnt. In Fig. 40 sind zusammen mit dem Ausgang des Thermoelements 7 der Ausgang des Feuchtigkeitsdetektors 30 und der Stellvorrichtung 31 für die Bekleidungsmenge in den Betätigungsschaltkreis 42 eingeliefert als Mittel für dessen Betätigung. Dieser Betätigungsschaltkreis 42 ist derart aufgebaut, daß er die effektive Temperatur y in einer Innenumgebung entsprechend der Temperatur der Luft, der Geschwindigkeit Die Fig. 41 und 42 zeigen konkret das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Wert der effektiven Temperatur und dem Wert SET*: der erstere ist vorgegeben durch die Gleichung y=Tg+2.2RH+5.7Clo-11.8, welche als Betätigungsgleichung des Betätigungsschaltkreises 42 verwendet wird. Die Fig. 41 stellt den Fall der Menge der Sommerbekleidung von Männern (Clo=0.3) dar. Die Fig. 42 stellt den Fall der Menge der Winterbekleidung (Clo=1.0) dar. Bei diesen Figuren ergibt eine unterbrochene Linie den durch den Betätigungsschaltkreis 42 gesteuerten Wert dar; und eine volle Linie ergibt den Wert SET*. Aus diesen Figuren ist daher bekannt, daß beide Werte einander in engen Grenzen gleich sind innerhalb des Bereichs der Annehmlichkeit (SET*=23ºC bis 25ºC, relative Feuchtigkeit RH=30% bis 70%), wenn die Klimaanlage verwendet wird, und daß der Wert der effektiven Temperatur, der durch diese Erfindung vorgegeben wird, nahezu exakt mit den tatsächlichen körperlichen Empfindungen des menschlichen Körpers übereinstimmt.Fig. 40 shows a thermal environment sensor A₁₀, the 10th embodiment of this invention, which detects the effective temperature taking into account also the amount of clothing of the user as mentioned in the 9th embodiment, and in addition the temperature of the air, the speed of the air flow, the radiation and the humidity as mentioned for the 8th embodiment. In Fig. 40, together with the output of the thermocouple 7, the output of the humidity detector 30 and the amount of clothing adjusting device 31 are supplied to the actuating circuit 42 as means for actuating the same. This actuating circuit 42 is constructed to detect the effective temperature y in an indoor environment according to the temperature of the air, the speed Figs. 41 and 42 concretely show the result of the comparison between the effective temperature value and the SET* value: the former is given by the equation y=Tg+2.2RH+5.7Clo-11.8, which is used as the actuation equation of the actuation circuit 42. Fig. 41 represents the case of the amount of summer clothing of men (Clo=0.3). Fig. 42 represents the case of the amount of winter clothing (Clo=1.0). In these figures, a broken line represents the value controlled by the actuation circuit 42; and a solid line represents the SET* value. From these figures, it is therefore known that both values are equal to each other within a narrow range within the range of comfort (SET*=23ºC to 25ºC, relative humidity RH=30% to 70%) when the air conditioner is used, and that the value of the effective temperature given by this invention almost exactly corresponds to the actual physical sensations of the human body.
Die Fig. 43 zeigt einen Wärmeumgebungssensor A&sub1;&sub1;, die 11. Ausführungsform dieser Erfindung, welcher die Geschwindigkeit der Luftströmung durch Verwendung der erfaßten Signale der Wärmebedingungen in einer Innenumgebung berechnet. Im Detail hierzu ist anzumerken, daß die elektrische Heizeinrichtung 4 des Heizelement 1 durch einen elektrischen Strom geheizt wird; das Heizelement 1 wird mit der Wärmemenge M beliefert; in diesem Zustand wird die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 durch die Ausgangsspannung des Thermoelements 7 erfaßt; auf der Grundlage dieser Oberflächentemperatur Tg können die Wärmezustände in einer Innenumgebung in derselben Art und Weise erfaßt werden wie die effektive Temperatur unter Berücksichtigung des Wärmeverlusts durch Strahlung, Konvektion und nasse Wärmefreigabe von dem menschlichen Körper. Die elektrische Heizeinrichtung 4 ist mit einem variablen Stromversorgungsschaltkreis 36 verbunden als einer Einrichtung für eine veränderliche Stromversorgung, welche die elektrische Heizeinrichtung 4 mit elektrischem Strom durch ein elektrisches Stromversorgungskabel 6 versorgt, welches an die elektrische Heizeinrichtung 4 elektrischen Strom an liefert und die an die elektrische Heizeinrichtung 1 gelieferte Wärmemenge M verändert. Auf der anderen Seite ist das Thermoelement 7 mit einem Thermoschaltkreis 37 verbunden, welcher die elektromotorische Kraft des Thermoelements 7 in Wärme umwandelt. Der veränderliche Stromversorgungsschaltkreis 36 ist mit dem Betätigungsschaltkreis 43 mit der Fähigkeit eines Eingangs/Ausgangs verbunden; der Betätigungsschaltkreis 43 ist auch mit dem Thermoschaltkreis 37 mit der Fähigkeit des Eingangs/Ausgangs verbunden. Der Betätigungsschaltkreis 43 ist außerdem mit einem Zeitgeberschaltkreis 44 mit der Eingangsfähigkeit verbunden, welcher die Zeit einstellt, während welcher die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 sich verändert als Folge der Veränderung der gelieferten Wärmemenge M durch den variablen Stromversorgungsschaltkreis 36 und dann stetig verbleibt. Der Betätigungsschaltkreis 43 ist zusätzlich auch verbunden mit einer Speichervorrichtung 45 mit Eingangsfähigkeit welche die Oberflächentemperatur Tg&sub1; usw. des Heizelements 1 in dem Fall speichert, daß die gelieferte Wärmemenge M&sub1; ist, welches der Wert ist, bevor die gelieferte Wärmemenge M durch den variablen Stromversorgungsschaltkreis 36 verändert wird. In diesem Fall ist der Betätigungsschaltkreis 43 derart aufgebaut, daß er die effektive Temperatur y steuert auf der Grundlage der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 durch die von dem variablen Stromversorgungsschaltkreis 36 gelieferte Wärmemenge M; er steuert auch die Geschwindigkeit U der Luftströmung, auf der Grundlage des Temperaturunterschiedes ΔTg zwischen den Oberflächentemperaturen Tg des Heizelements 1 vor und nach der Veränderung der gelieferten Wärmemenge M. In diesem Zusammenhang bezeichnet 38 eine äußere Stromversorgung, welche den variablen Stromversorgungsschaltkreis 36 mit elektrischem Strom versorgt.Fig. 43 shows a thermal environment sensor A₁₁, the 11th embodiment of this invention, which calculates the speed of air flow by using the detected signals of the thermal conditions in an indoor environment. In detail, the electric heater 4 of the heating element 1 is heated by an electric current; the heating element 1 is supplied with the amount of heat M; in this state, the surface temperature Tg of the heating element 1 is detected by the output voltage of the thermocouple 7; on the basis of this surface temperature Tg, the thermal conditions in an indoor environment can be detected in the same manner. as the effective temperature taking into account heat loss by radiation, convection and wet heat release from the human body. The electric heater 4 is connected to a variable power supply circuit 36 as a variable power supply device which supplies the electric heater 4 with electric power through an electric power supply cable 6 which supplies electric power to the electric heater 4 and varies the amount of heat M supplied to the electric heater 1. On the other hand, the thermocouple 7 is connected to a thermal circuit 37 which converts the electromotive force of the thermocouple 7 into heat. The variable power supply circuit 36 is connected to the actuating circuit 43 having the input/output capability; the actuating circuit 43 is also connected to the thermal circuit 37 having the input/output capability. The actuating circuit 43 is further connected to a timer circuit 44 having the input capability which sets the time during which the surface temperature Tg of the heating element 1 changes as a result of the change in the supplied heat quantity M by the variable power supply circuit 36 and then remains steady. The actuating circuit 43 is additionally also connected to a memory device 45 having the input capability which stores the surface temperature Tg₁, etc. of the heating element 1 in the case that the supplied heat quantity M is M₁, which is the value before the supplied heat quantity M is changed by the variable power supply circuit 36. In this case, the actuating circuit 43 is constructed such that it controls the effective temperature y based on the surface temperature Tg of the heating element 1 by the amount of heat M supplied from the variable power supply circuit 36; it also controls the speed U of the air flow based on the temperature difference ΔTg between the surface temperatures Tg of the heating element 1 before and after the change in the amount of heat M supplied. In this connection, 38 denotes an external power supply which supplies the variable power supply circuit 36 with electric power.
Die Fig. 44 verdeutlicht diese Arbeitsweise. Die Figur zeigt die Veränderung der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 in dem Fall, daß die an das Heizelement 1 gelieferte Wärmemenge M auf eine wahlweise gelieferte Wärmemenge M&sub2; von der optimal gelieferten Wärmemenge M&sub1; her verändert wird für den Zweck der Erfassung der effektiven Temperatur. Die erste, die effektive Temperatur y wird durch die Oberflächentemperatur Tg&sub1; des Heizelements 1 erfaßt, vorgegeben durch die optimal gelieferte Wärmemenge M&sub1; von dem variablen Stromversorgungsschaltkreis 36. Und die Oberflächentemperatur Tg&sub1; zu diesem Zeitpunkt wird durch die Speichervorrichtung 45 gespeichert. Als nächstes wird die optimale gelieferte Wärmemenge M&sub1; auf eine wahlweise gelieferte Wärmemenge M&sub2; durch den variablen Stromversorgungsschaltkreis 36 verändert; die Oberflächentemperatur Tg&sub2; des Heizelements 1 wird gemessen, nachdem die Oberflächentemperatur Tg stetig wird; der Zeitgeberschaltkreis 44 stellt die Zeitdauer ein, in welcher die Oberflächentemperatur Tg stetig wird. Auf der Grundlage dieser beiden Oberflächentemperaturen Tg&sub1; und Tg&sub2; bei dem Betätigungsschaltkreis 43 wird dann die Geschwindigkeit U der Luftströmung durch die Gleichung (22) und (23) vorgegeben. Die gelieferte Wärmemenge M des variablen Stromversorgungsschaltkreises 36 wird dann zuletzt wieder auf die ursprüngliche gelieferte Wärmemenge M&sub1; zurückgestellt.Fig. 44 illustrates this operation. The figure shows the change of the surface temperature Tg of the heating element 1 in the case where the heat quantity M supplied to the heating element 1 is changed to a selectively supplied heat quantity M₂ from the optimum supplied heat quantity M₁ for the purpose of detecting the effective temperature. First, the effective temperature y is detected by the surface temperature Tg₁ of the heating element 1 given by the optimum supplied heat quantity M₁ from the variable power supply circuit 36. And the surface temperature Tg₁ at that time is stored by the memory device 45. Next, the optimum supplied heat quantity M₁ is changed to a selectively supplied heat quantity M₂ by the variable power supply circuit 36; the surface temperature Tg₂ of the heating element 1 is measured after the surface temperature Tg becomes steady; the timer circuit 44 sets the time period in which the surface temperature Tg becomes steady. Based on these two surface temperatures Tg₁ and Tg₂ in the actuating circuit 43, the speed U of the air flow is then given by the equation (22) and (23). The supplied heat quantity M of the variable power supply circuit 36 is then finally reset to the original supplied heat quantity M₁.
Als nächstes werden konkrete Ausführungsbeispiele erläutert.Next, concrete implementation examples are explained.
Bei Betrachtung des Wärmeumgebungssensors mit dem Aufbau dieser Ausführungsform stellt die Fig. 45 die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit U der Luftströmung und dem Unterschied Tg der Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 dar, in dem Fall, daß der Durchmesser D des Heizelements gleich 60 mm ist; die optimale gelieferte Wärmemenge M&sub1; ist für den Zweck der Erfassung der effektiven Temperatur gleich 0.973 W; und die gelieferte Wärmemenge M&sub2; ist für den Zweck der Messung der Geschwindigkeit der Luftströmung gleich 0.0 W. Es ist dann bekannt, daß U dem Wert ΔTg entspricht und zu eins zu eins wird, und durch Erfassung von ΔTg kann die Geschwindigkeit U der Luftströmung gemessen werden. In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß obwohl diese Figur ein Ausführungsbeispiel zeigt, es auch möglich ist, daß auf der Grundlage der Einstellung der Bedingungen von M&sub1; und M&sub2; die Geschwindigkeit der Luftströmung innerhalb des Bereichs 0.1 m/s bis 1.0 m/s gemessen werden kann, welche in einer Innenumgebung erfaßt werden kann.Considering the thermal environment sensor having the structure of this embodiment, Fig. 45 shows the relationship between the air flow velocity U and the surface temperature difference Tg of the heating element 1 in the case where the diameter D of the heating element is 60 mm; the optimum supplied heat amount M₁ is 0.973 W for the purpose of detecting the effective temperature; and the supplied heat amount M₂ is 0.0 W for the purpose of measuring the air flow velocity. It is then known that U corresponds to the value ΔTg and becomes one to one, and by detecting ΔTg, the air flow velocity U can be measured. In this connection, it is noted that although this figure shows an embodiment, it is also possible that based on the setting of the conditions of M₁, the optimum supplied heat amount M₁ is 0.973 W for the purpose of detecting the effective temperature. and M₂ is the velocity of the air flow within the range 0.1 m/s to 1.0 m/s, which can be detected in an indoor environment.
In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß zusätzlich zu dem Aufbau der 11. Ausführungsform durch Anordnung eines Innentemperaturfühlers, welche die Temperatur Ta der Luft in einem Raum erfaßt, die mittlere Strahlungstemperatur Tr durch die Gleichung (24) vorgegeben werden kann, zusammen mit der Steuerung der Geschwindigkeit U der Luftströmung. In diesem Fall besteht der Vorteil darin, daß sowohl die Geschwindigkeit U der Luftströmung wie auch die mittlere Strahlungstemperatur Tr einfach eingestellt werden können, wobei es sich dabei um die Faktoren handelt, welche die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements 1 auf KET* einstellen. In dem Fall der Geschwindigkeit U der Luftströmung kann bspw. die Windrichtung verändert werden, und es kann auch in dem Fall der mittleren Strahlungstemperatur Tr die Wandtemperatur usw. eingestellt werden, und zwar entweder erhöht oder erniedrigt werden in Abhängigkeit von der Windrichtung.In this connection, it is noted that in addition to the structure of the 11th embodiment, by arranging an internal temperature sensor which detects the temperature Ta of the air in a room, the average radiation temperature Tr can be set by equation (24) together with the control of the air flow velocity U. In this case, the advantage is that both the air flow velocity U and the average radiation temperature Tr can be easily adjusted, which are the factors which adjust the surface temperature Tg of the heating element 1 to KET*. In the case of the air flow velocity U, for example, the wind direction can be changed, and also in the case of the average radiation temperature Tr, the wall temperature, etc. can be adjusted, either increased or decreased depending on the wind direction.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann der Wärmeumgebungssensor dieser Erfindung die Wärmezustände in einem aktuellen Wohnraum in derselben Art und Weise erfassen wie die effektive Temperatur, so daß für den Wärmeumgebungssensor bevorzugt wird, ihn als eine Einrichtung zur Steuerung der Betätigung einer Klimaanlage zu verwenden, die sich für den menschlichen Körper eignet.According to the above description, the thermal environment sensor of this invention can detect the thermal conditions in an actual living space in the same manner as the effective temperature, so that it is preferable for the thermal environment sensor to be used as a device for controlling the operation of an air conditioner suitable for the human body.
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