DE3687295T2 - Waermenachweiselement. - Google Patents

Waermenachweiselement.

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DE3687295T2
DE3687295T2 DE19863687295 DE3687295T DE3687295T2 DE 3687295 T2 DE3687295 T2 DE 3687295T2 DE 19863687295 DE19863687295 DE 19863687295 DE 3687295 T DE3687295 T DE 3687295T DE 3687295 T2 DE3687295 T2 DE 3687295T2
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Description

    Technisches Gebiet
  • 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.
    • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • Die JP-A-59-104016 beschreibt einen Sensor in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 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.
  • 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:
  • die thermische Gleichgewichtsgleichung des Wärmeumgebungssensors kann nämlich wie folgt aufgestellt werden:
  • 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)
  • Die Gleichung, welche die Wärme Hsk berechnet, die von der menschlichen Haut unter wahlweise verschiedenen Temperaturumgebungen freigesetzt wird, lautet dagegen wie folgt:
  • 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:
  • R=hr·Fcl·(Tsk-Tr) (3)
  • C=hc·Fcl·(Tsk-Ta) (4)
  • E=w·k·h&sub3;·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;
  • 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)
  • 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):
  • 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*;
  • 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.
  • 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 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:
  • C+E=hc'·Fcl·(Tsk-Ta) (7)
  • (worin hc': der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des menschlichen Körpers unter Betrachtung der Verdampfung),
  • die Gleichung (2) wird dann durch die folgende Gleichung ersetzt:
  • 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:
  • hgr=hr (9)
  • hgc=hc' (10)
  • M=Hsk/Fcl (11)
  • die Oberflächentemperatur Tg des Heizelements ist dann gleich der mittleren Temperatur Tsk der menschlichen Haut, so daß sich daraus ergibt:
  • Tg=Tsk (12)
  • (nachfolgend wird die Oberflächentemperatur des Heizelements, dessen Eigenschaften die Gleichungen (9) bis (11) erfüllen, mit KET* angegeben)
  • 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:
  • Hsk=hs'·Fcls(Tsk-SET*) (13)
  • (wobei hs': der gesamte Wärmeübertragungskoeffizient des menschlichen Körpers durch Konvektion, Verdampfung und Strahlung in einer Standard-Luftströmung).
  • Und aus den Gleichungen (12) und (13) ergibt sich dann:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • Aus diesem Grund schlagen wir vor, die Wärmeumgebung nahe des menschlichen Körpers präzise durch das folgende Verfahren zu erfassen:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • M=H&sub1;/A&sub1;=H&sub2;/A&sub2; (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).
  • Und durch diese Gleichung (15) wird die Gleichung (16) wie folgt abgeleitet:
  • H&sub2;=(A&sub2;/A&sub1;)·H&sub1; (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.
  • 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.
  • 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:
  • (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.
  • Nu=2+0·645Re0.505 (18)
  • (worin Nu: Nußelt-Zahl, Re: Reynold-Zahl)
  • 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.
  • 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.
  • 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)
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In dem Fall der gelieferten Wärmemenge M&sub1; bei dem Wärmeumgebungssensor wird zunächst die Gleichung des Wärmegleichgewichts aus der Gleichung (1) wie folgt abgeleitet:
  • M&sub1;=hgr·(Tg&sub1;-Tr)+hgc·(Tg&sub1;-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)
  • 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:
  • M&sub2;=hgr·(Tg&sub2;-Tr)+hgc·(Tg&sub2;-Ta) (21)
  • Durch Subtraktion der Gleichung (21) von der Gleichung (20) wird der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient hgc des Heizelements aus der folgenden Gleichung berechnet:
  • hgc=(M&sub1;-M&sub2;)/(Tg&sub1;-Tg&sub2;)-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:
  • Nu=hgc·D/λ
  • Re=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),
  • und die Geschwindigkeit U der Luftströmung wird wie folgt vorgegeben:
  • 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:
  • Tr={hgc(Tg&sub1;-Ta)+hgr·Tg&sub1;-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.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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. 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.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Zur detaillierten Erläuterung dieser Erfindung wird diese in Übereinstimmung mit den beigefügten Zeichnungen nachfolgend beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt einen Wärmeumgebungssensor A&sub1; zur Verwendung für die Steuerung einer Klimaanlage und betrifft die
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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:
  • Nu=2+0.3 Re0,556 (25)
  • (worin Nu: Nusselt-Zahl, Re: Reynold-Zahl).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß obwohl bei dieser Ausführungsform die Ummantelung 20 kugelförmig ist, auch Säulenformen und Formen eines Rotationsellipsoids verwendet werden können.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • M=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).
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • (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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als nächstes werden konkrete Ausführungsbeispiele erläutert.
  • 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.
  • 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.
    • Mögliche industrielle Anwendung
  • 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.

Claims (38)

1. Wärmeumgebungssensor mit einem Heizelement (1), das eine hohle Ummantelung (3) und eine Heizeinrichtung (4) zur Lieferung einer Wärmemenge an die Ummantelung aufweist, und einem Temperaturfühler (7) zur Erfassung der Oberflächentemperatur des Heizelements, wobei die Außenfläche der Ummantelung ein Emissionsvermögen hat, welches mit demjenigen der Oberfläche der menschlichen Haut übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht von Strahlungsmaterialien (9) die Außenfläche der Ummantelung bedeckt und ein Spektral-Emissionsvermögen hat, welches eng mit demjenigen der Oberfläche der menschlichen Haut oder von Kleidern darauf übereinstimmt, wobei die Schicht der Strahlungsmaterialien ein Metalloxydpigment einschließt.
2. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 1, bei welchem die Schicht der Strahlungsmaterialien (9) aus einem Metalloxydpigment und einem Harzbindemittel besteht.
3. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 2, bei welchem das Bindemittel aus Kunstharzen besteht.
4. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 3, bei welchem das Bindemittel aus Fluorharzen (wie bspw. Tetrafluoräthylen) besteht.
5, Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 2, bei welchem das Metalloxyd ist.
6. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 2, bei welchem die Schicht der Strahlungsmaterialien (9) aus Titanoxyd und Tetrafluoräthylen bestehen.
7. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 6, bei welchem Titanoxyd im Verhältnis der Zusammensetzung zu 20 bis 50 Gew.-% vorhanden ist.
8. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 1, bei welchem die Heizeinrichtung (4) ein elektrisches Heizgerät ist, wobei die Temperatur (Tg) der Heizeinrichtung (4) durch den Temperaturfühler (7) erfaßt wird.
9. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 8, bei welchem die Größe der Ummantelung (3) des Heizelements (1) und die gelieferte Wärmemenge (M) derart eingestellt sind, daß sie gleich den Eigenschaften des Wärmegleichgewichts des menschlichen Körpers unter Einschluß der nassen Wärmefreisetzung sind.
10. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 9, ausgelegt unter den folgenden Bedingungen:
für den Fall, daß für die Bemessung der Größe der Ummantelung (3) des Heizelements (1) und die gelieferte Wärmemenge (M) die neue Standard-Effektivtemperatur SET* zugrunde gelegt wird und auch für den Fall, daß der Strahlungswärme-Übertragungskoeffizient des Heizelements (1) mit (hgr) ausgedrückt wird; der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des Heizelements (1) mit (hgc); die Wärmefreisetzung von der Oberfläche der menschlichen Haut unter der wahlweise veränderlichen Temperaturumgebung mit (Hsk); der Strahlungswärme-Übertragungskoeffizient des menschlichen Körpers mit (hr); der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des menschlichen Körpers unter Berücksichtigung der Verdampfung mit (hc'); der gesamte Wärmeübertragungskoeffizient des menschlichen Körpers in Abhängigkeit von der Konvektion, Verdampfung und Strahlung unter der Standardluftströmung mit (hs'); der Koeffizient des Wärmewiderstands der Bekleidung mit (Fcl); der Koeffizient des Wärmewiderstands der Bekleidung gleich dem Wert 0.6 mit (Fcls); und die Oberflächentemperatur des Wärmeumgebungssensors mit (Tg); die Große der Ummantelung (3) und die an das Heizelement (1) gelieferte Wärmemenge (M) auf der Grundlage der folgenden Gleichungen eingestellt werden:
hgr = hr
hgc = hc'
M = Hsk/Fcl
SET* = Tg-Hsk/(Fcls·hs
11. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 10, bei welcher die Ummantelung (3) des Heizelements (1) kugelförmig ist und der Durchmesser (D) der Ummantelung (3) mit D=100 mm bis 140 mm eingestellt wird sowie die an das Heizelement (1) gelieferte Wärmemenge (M) mit M=76 w/m² bis 93 W/m².
12. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 10, bei welchem die Ummantelung (3) kugelförmig ist und der Durchmesser (D) der Ummantelung (3) mit D=60 mm eingestellt wird sowie die an das Heizelement gelieferte Wärmemenge (M) mit M=86 W/m² oder 101 W/m².
13. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 10, bei welchem die Ummantelung (3) säulenförmig ist und der Durchmesser (D) der Ummantelung (3) 80 mm beträgt sowie die an das Heizelement (1) gelieferte Wärmemenge (M) auf 80 W/m² eingestellt wird.
14. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 8, bei welchem die Ummantelung (3) als ein Rotationsellipsoid ausgebildet ist.
15. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 1, bei welchem die Ummantelung (3) aus einem Wärmeisoliermaterial besteht und mit einem Wärmeisolator (16) gefüllt ist, wobei das elektrische Heizgerät (4) in die Ummantelung eingefügt ist und deren Oberflächentemperatur (Tg) durch den Temperaturfühler (7) erfaßt wird.
16. Wärmeumgebungstemperatur nach Anspruch 15, bei welcher ein Teil der Ummantelung (3) entfernt ist, um eine Öffnung (20a) auszubilden, in welcher das elektrische Heizgerät (4) angeordnet ist.
17. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 15, bei welchem das Heizelement (1) einen scheibenförmigen Wärmeisolator (20) einschließt, in dessen Mitte das elektrische Heizgerät angeordnet ist.
18. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 15, bei welchem für den Fall einer Gleichheit mit den Eigenschaften des Wärmegleichgewichts des menschlichen Körpers unter Berücksichtigung der nassen Wärmefreisetzung die Größe des Heizelements (1) und die an das Heizelement gelieferte Wärmemenge (M) nach den Bedingungen des Anspruchs 10 eingestellt wird.
19. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 16, bei welchem die Ummantelung (3) als eine Rotationsoberfläche ausgebildet ist und an jedem Bereich davon, der 180 Grad beabstandet ist zu der Mittelachse dieser Ummantelung, elektrische Heizgeräte (4) angeordnet sind.
20. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 16, bei welchem die Außenfläche des elektrischen Heizgerätes (4) mit einem Heizleiter (21) versehen ist.
21. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 16, bei welchem in der Öffnung (20a) der Ummantelung (3) ein elektrisches Heizgerät (4) angeordnet ist, das von einem Wärmeisolator (22) umgeben ist.
22. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 1, bei welchem das Heizelement (1) derart ausgeführt ist, daß die Oberfläche der Ummantelung (3) mit einem plattenförmigen elektrischen Heizgerät (4) einer Ausgestaltung versehen ist, die eine gleichmäßige Wärmestromdichte liefert.
23. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 1, mit einem Feuchtigkeitsfühler (30), der die Raumfeuchtigkeit (RH) erfaßt; einer Rechnereinrichtung (40), die durch Empfang des Ausgangs der beiden Fühler (7, 30) die effektive Temperatur (y) in einem Raum berechnet, welche der Lufttemperatur, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Feuchtigkeit entspricht, auf der Grundlage der Oberflächentemperatur (Tg) des Heizelements (1) und der Feuchtigkeit (RH) in dem Raum.
24. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 23, bei welchem die Rechnereinrichtung (40) die effektive Temperatur (y) nach der folgenden empirischen Formel berechnet:
y =Tg+2.31 RH-8.39
(für den Fall, daß die gelieferte Wärmemenge 86 W/m² beträgt) oder
y = Tg+2.31RH-9.54
(für den Fall, daß die gelieferte Wärmemenge 101 W/m² beträgt).
25. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 1, mit einer Einstellvorrichtung für die Bekleidungsmenge (31), welche den Wärmewiderstand (Clo) entsprechend der Bekleidungsmenge an dem menschlichen Körper einstellt; und einer Rechnereinrichtung (41), welche die effektive Temperatur (y) in dem Raum berechnet, entsprechend der Lufttemperatur, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung und der Bekleidungsmenge' auf der Grundlage der Oberflächentemperatur (Tg) des Heizelements (1) und der Wärmewiderstands (Clo) der Bekleidungsmenge durch einen Empfang des Ausgangs des Temperaturfühlers (7) und der Stelleinrichtung für die Bekleidungsmenge (31).
26. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 25, bei welcher die Rechnereinrichtung (41) die effektive Temperatur (y) nach der folgenden empirischen Formel berechnet:
y = Tg+6.03Clo-10.85
(für den Fall, daß die gelieferte Wärmemenge 86 W/m² beträgt) oder
y = Tg+6.03Clo-12.0
(für den Fall, daß die gelieferte Wärmemenge 101 W/m 2 beträgt).
27. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 23, mit einer Stelleinrichtung für ein Einstellen des Wärmewiderstands (Clo) entsprechend der Bekleidungsmenge an dem menschlichen Körper und einer Rechnereinrichtung (42), welche die effektive Temperatur (y) in einem Raum berechnet, welche der Lufttemperatur, der Geschwindigkeit der Luftströmung, der Strahlung, der Feuchtigkeit und der Bekleidungsmenge entspricht, auf der Grundlage der Oberflächentemperatur (Tg) des Heizelements (1), der Feuchtigkeit (RH) in dem Raum und dem Wärmewiderstand (Clo), der an der Stelleinrichtung eingestellt ist.
28. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 27, bei welchem die Rechnereinrichtung (42) die effektive Temperatur (y) nach der folgenden empirischen Formel berechnet:
y =Tg+2.2RH-5.7Clo-11.8
(für den Fall, daß die gelieferte Wärmemenge 86 W/m² beträgt) oder
y = Tg+2.2RH-5.7Clo-12.0
(für den Fall, daß die gelieferte Wärmemenge 101 W/m² beträgt).
29. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 1, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung für die Übertragung der Wärme von der Heizeinrichtung (4) an die Ummantelung (3), so daß die Wärmestromdichte der Ummantelung (3) gleichförmig ist.
30. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 29, bei welchem die Wärmeübertragungseinrichtung aus einer Farbschicht (10) mit hohem Emissionsvermögen besteht, welche die Innenseite der Ummantelung bedeckt.
31. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 29, bei welchem die Wärmeübertragungseinrichtung aus Materialien mit einer Wärmeleitung (12) besteht, welche das elektrische Heizgerät (4) mit der Ummantelung (3) verbinden.
32. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 31, bei welchem die Materialien mit Wärmeleitung (12) derart zusammengesetzt sind, daß die Wärmeleitung von dem elektrischen Heizgerät (4) in dem unteren Teil der Ummantelung (3) ansteigt.
33. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 29, bei welchem die Ummantelung (3) in zwei Hälften (13, 13) ausgebildet ist, die durch einen hälftigen Schnitt einer kugelförmigen oder als Rotationsellipsoid ausgebildeten hohlen Ummantelung erhalten sind, und die Innenseite der Fuge der einen Ummantelungshälfte (13) mit bandförmigen Metallführungsplatten (14) versehen ist, um die Einrichtung für die Wärmeübertragung zu erhalten.
34. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 33, bei welchem die Führungsplatten (14) Preßteile (15) haben, um dem Temperaturfühler (7) festzuhalten.
35. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 1, mit einer veränderlichen Energieversorgungsquelle (36), um die an das Heizelement (1) gelieferte Wärmemenge (M) zu verändern.
36. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 35, mit einer Rechnereinrichtung (43) für eine Berechnung der Geschwindigkeit der Luftströmung auf der Grundlage der Differenz (ΔTg) der Oberflächentemperatur des Heizelements (1) vor und nach der mit der veränderlichen Energieversorgungsquelle (36) bewirkten Veränderung der gelieferten Wärmemenge.
37. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 36, bei welcher die Rechnereinrichtung (43) eine Speichereinrichtung (45) umfaßt, welche die Oberflächentemperatur (Tg&sub1;) des Heizelements (1) vor der Veränderung der gelieferten Wärmemenge (M) durch die veränderliche Energieversorgungsquelle (36) speichert, und einen Zeitgeber (44), welcher die Zeit einstellt, die benötigt wird, um die Oberflächentemperatur des Heizelements (1) gleichmäßig zu erhalten, nachdem die veränderliche Energieversorgungsquelle (36) die gelieferte Wärmemenge (M) verändert hat.
38. Wärmeumgebungssensor nach Anspruch 36, bei welchem die Rechnereinrichtung (43), welche die Geschwindigkeit der Luftströmung berechnet, weiterhin die mittlere Strahlungstemperatur berechnet, auf der Grundlage der Differenz (ΔTg) zwischen den Oberflächentemperaturen des Heizelements (1) vor und nach der Änderung der gelieferten Wärmemenge (M) durch die veränderliche Energieversorgungsquelle (36), und auch auf der Grundlage der Raumtemperatur (Ta), die durch den Raumtemperaturfühler erfaßt wird.
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