JP5171987B2

JP5171987B2 - 着霜状態検出装置

Info

Publication number: JP5171987B2
Application number: JP2011101345A
Authority: JP
Inventors: 浩一中野
Original assignee: Hokuto Electronics Inc
Current assignee: Hokuto Electronics Inc
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: JP2012233619A

Description

本発明は、冷却器の着霜状態を検出する着霜状態検出装置に関する。本発明は、例えば、冷蔵庫または冷凍庫などにおける冷却器の着霜状態を監視して霜取りを的確に行うために利用される。

従来より、冷蔵庫または冷凍庫などの冷凍冷蔵装置において、水分が冷却され霜となって冷却器に付着するという問題があり、この問題を解消するための除霜方法が種々提案されている。

例えば、タイマーを用い、適当な時間間隔でヒータを駆動し、冷却器などを加熱して除霜を行う。しかし、この場合には、除霜を確実に行うためにはヒータを過剰に駆動することとなり、無駄な電力消費が行われてしまうという問題がある。

そのため、冷却器に霜が発生したか否かをセンサによって検知し、霜が発生したときにヒータを駆動して除霜することが提案されている。

例えば、金属棒からなる電界センサを冷却器に対向して設置し、電界センサに印加された交流信号により放射される電波によって形成される電波放射範囲に霜があった場合のキャパシタンスの変化を検出することが提案されている（特許文献１）。

特開２０１０−９１１７１号

しかし、特許文献１に開示された除霜方法による場合には、電界センサによる電波の放射が周辺をも含めた開放された領域に及び、電波放射範囲が広いため、種々の要因が検出精度に影響し、検出精度を高くするのが難しいという問題がある。

そのため、特許文献１の方法では、電界センサの電極と同じ環境となるようにダミー電極を設置し、ダミー電極の出力によって環境変化による電界センサの出力変動を補正することが行われる。そのため、ダミー電極およびその駆動のための回路などが複雑化するという問題がある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、ダミー電極を設けなくても十分な精度で着霜状態を検出することができ、構成が簡単な着霜状態検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る実施形態の装置は、冷却器の着霜状態を検出する着霜状態検出装置であって、互いに対向するように基板の表面にパターン形成された第１のパターン電極および第２のパターン電極を有し、前記冷却器の近辺に取り付けられ、前記冷却器による冷却効果によって大気中の水分が凍結して霜状に変化したか否かを検出する着霜センサと、前記着霜センサに交流信号を印加する駆動部と、前記交流信号に基づく前記着霜センサの出力電圧の大きさに応じて２値化を行い、前記冷却器の着霜によって前記着霜センサの前記第１のパターン電極と第２のパターン電極との間における抵抗値が増大しかつ静電容量が減少し、これによって前記出力電圧がしきい値よりも大きくなったときに、着霜状態であることを示す検出信号を出力する判定部と、を有する。

好ましくは、前記着霜センサは、前記冷却器の表面に接した状態で大気中に取り付けられる。

また、前記駆動部は、前記交流信号を発生する信号発生部と、前記信号発生部の出力側に接続された抵抗素子とを有するように構成してもよい。

また、前記判定部は、前記着霜センサの出力側に接続される、互いに直列に接続された第２の抵抗素子および容量素子からなる入力インタフェ−ス部と、前記入力インタフェ−ス部の出力側に接続された２値化部とを有するように構成してもよい。

また、前記第１のパターン電極および第２のパターン電極は、いずれもくし状であって、それぞれのくし歯が互いに対向するようにパターン形成してもよい。

本発明によると、ダミー電極を設けなくても十分な精度で着霜状態を検出することができ、構成が簡単な着霜状態検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る着霜状態検出装置の構成を示す図である。着霜センサの外形を示す正面図である。着霜状態検出装置の具体的な回路の一例を示す図である。着霜状態検出装置の具体的な回路の他の例を示す図である。

図１において、着霜状態検出装置１は、駆動部１１、判定部１２、および着霜センサ１３などからなる。図２には着霜センサ１３の外形が示されている。

これら図１および図２において、駆動部１１は、着霜センサ１３に交流信号を印加する回路である。交流信号として、正弦波、矩形波、三角波などが用いられる。交流信号の周波数として、長波帯または中波帯の周波数が好適に用いられる。例えば、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度、例えば４００ｋＨｚ程度の周波数が用いられる。

判定部１２は、着霜センサ１３の出力電圧Ｓ１の大きさに応じて２値化を行って着霜状態であるか否かを示す検出信号Ｓ２を出力する。

すなわち、判定部１２は、冷却器ＲＰの着霜によって後述する着霜センサ１３の第１のパターン電極２２と第２のパターン電極２３との間における抵抗値が増大しかつ静電容量が減少し、これによって交流信号に基づく出力電圧Ｓ１がしきい値よりも大きくなったときに、着霜状態であることを示す検出信号Ｓ２を出力する。

着霜センサ１３は、互いに対向するように基板２１の表面にパターン形成された第１のパターン電極２２および第２のパターン電極２３を有し、冷却器ＲＰの表面に取り付けられる。

基板２１は、ガラスエポキシ樹脂またはセラミックなどからなる板状のものである。基板２１の表面に、銅などの金属材料によって第１のパターン電極２２および第２のパターン電極２３が形成される。なお、基板２１として、フィルム状の絶縁体の表面に銅箔などによるパターンを形成したフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を用いることも可能である。

図２に示されるように、第１のパターン電極２２および第２のパターン電極２３は、いずれもくし状であって、それぞれのくし歯ＨＡが互いに対向するようにパターン形成されている。

図２に示す実施形態では、第１のパターン電極２２および第２のパターン電極２３は、いずれも、３つのくし歯ＨＡを有し、一方のくし歯ＨＡの間に他方のくし歯ＨＡが入り込んだ状態となっている。これにより、第１のパターン電極２２のくし歯ＨＡと第２のパターン電極２３のくし歯ＨＡとの間に間隙（ギャップ）ＧＰが形成される。

着霜センサ１３の寸法の一例をあげると、基板２１は、例えば一辺が数ミリメートルないし数センチメートルの矩形である。例えば、縦１センチメートル程度、横２センチメートル程度である。矩形でなく、円形、楕円形、多角形などでもよい。第１のパターン電極２２のくし歯ＨＡと第２のパターン電極２３のくし歯ＨＡとの間隙ＧＰ、例えば、数十マイクロメ−トルないし数百マイクロメ−トル程度である。

着霜センサ１３において、第１のパターン電極２２と第２のパターン電極２３との間の抵抗値Ｒｓは、初期値は数十ＭΩ以上であるが、水滴が付着すると数十ｋΩ程度に低下する。付着した水滴が凍結して氷または霜などになると、数百ｋΩ程度に上昇する。

また、第１のパターン電極２２と第２のパターン電極２３との間の静電容量Ｃｓは、初期値は十ｐＦないし数十ｐＦであり、水滴が付着するとその８０倍程度に増加する。付着した水滴が凍結して氷または霜などになると、水の場合の２０分の１程度に低下する。

このように、着霜センサ１３において、表面に水滴が付着している場合とそれが凍結した場合とで、抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓが大きく変化する。水滴が凍結した場合に、抵抗値Ｒｓが増大し静電容量Ｃｓが減少するので、交流信号に対するインピーダンスＺｓ（＝Ｒｓ＋１／ｊωＣｓ）は大きく増大する。

なお、くし歯ＨＡの個数、形状、長さ、くし歯ＨＡ間の間隙ＧＰの大きさなどは、種々のものを選択することができる。くし歯ＨＡの個数および長さを大きくすれば、抵抗値Ｒｓは低下し、静電容量Ｃｓは増大する。くし歯ＨＡ間の間隙ＧＰを小さくすれば、抵抗値Ｒｓは低下し、静電容量Ｃｓは増大する。

本実施形態においては、このような水滴の凍結による着霜センサ１３のインピーダンスＺｓの変化を利用して着霜状態の有無を検出する。

図１に示すように、着霜センサ１３は、冷却器ＲＰに接近しまたは接触した状態で取り付けられる。例えば、ネジなどを用い、冷却器ＲＰに直接にまたはスペーサを介してネジ止めする。または、接着剤などを用い、冷却器ＲＰの冷却パイプに直接に貼り付ける。または、両面粘着テープを用いて冷却器ＲＰの表面に貼り付ける。

これによって、冷却器ＲＰの着霜状態または凍結状態に応じて、着霜センサ１３における第１のパターン電極２２と第２のパターン電極２３との間の大気およびその水分の状態が変化し、インピーダンスＺｓが変化する。

なお、着霜センサ１３は、冷却器ＲＰに接近して取り付けるので、大気環境の中に取り付けられる。つまり、着霜センサ１３は、冷却器ＲＰによる冷却効果によって大気中の水分が凍結して霜状に変化したかどうかを検出するものであり、特定の容器などに収納された水が凍結したかどうかを検出するものではない。

したがって、着霜センサ１３は、冷却器ＲＰの表面の温度に近い温度となるように取り付ければよい。着霜センサ１３が冷却器ＲＰの表面の温度と同程度となることにより、冷却器ＲＰの近辺における大気中の水蒸気が水滴となって着霜センサ１３の間隙ＧＰに付着し、温度が氷点下以下に低下することによってその水滴が凍結して霜状となる。

次に、駆動部１１および判定部１２の具体的な回路の例について説明する。

図３において、駆動部１１は、ノット回路Ｑ１，Ｑ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、およびコンデンサＣ１などからなる。ノット回路Ｑ１，Ｑ２、抵抗Ｒ１、およびコンデンサＣ１によって、交流信号を発生する信号発生部ＧＳが構成される。信号発生部ＧＳの出力側に、抵抗Ｒ２が接続された状態である。

抵抗Ｒ２と着霜センサ１３のインピーダンスＺｓとによって、周波数選択性のある分圧回路が構成される。抵抗Ｒ２の値は、駆動部１１の出力する交流信号の周波数に対し、着霜による出力電圧Ｓ１の変化が大きくなるように設定される。したがって、抵抗Ｒ２の抵抗値は、着霜センサ１３のインピーダンスＺｓに応じて設定される。例えば、数十ｋΩないし数百ｋΩ程度、例えば１００ｋΩ程度に設定される。

判定部１２は、ノット回路Ｑ３〜Ｑ５、抵抗Ｒ３〜Ｒ８、コンデンサＣ２，Ｃ３、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤａ，ｂなどからなる。互いに直列に接続された抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ２によって、入力インタフェ−ス部ＩＦが構成される。ノット回路Ｑ３、抵抗Ｒ４〜Ｒ６、コンデンサＣ３、ダイオードＤ１などによって、２値化部ＫＤが構成される。２値化部ＫＤは、入力インタフェ−ス部ＩＦの出力側に接続されている。

２値化部ＫＤは、入力される出力電圧Ｓ１の大きさがしきい値を越えた場合に、その出力がローレベル（Ｌ）になる。入力される出力電圧Ｓ１がしきい値を越えない場合には、その出力はハイレベル（Ｈ）を維持する。なお、出力電圧Ｓ１の大きさと出力のＬ，Ｈとの関係はこの逆であってもよい。

また、ノット回路Ｑ４，Ｑ５、抵抗Ｒ７，Ｒ８、発光ダイオードＬＥＤａ，ｂなどによって、表示出力部ＨＳが構成される。着霜状態であることが検出されたときに、発光ダイオードＬＥＤａが点灯し、着霜状態でないときには発光ダイオードＬＥＤｂが点灯する。

判定部１２からは、着霜状態であることを示す検出信号Ｓ２ａおよび着霜状態でないことを示す検出信号Ｓ２ｂがそれぞれ出力される。

着霜状態検出装置１の判定部１２は、着霜センサ１３の出力電圧Ｓ１に対して、デジタル的な処理を行って２値化を行う。

なお、着霜状態検出装置１には電源回路なども設けられているが、図示は省略した。

駆動部１１の出力側に、着霜センサ１３の一方の端子Ｔａが絶縁電線ＤＳａによって接続される。着霜センサ１３の他方の端子Ｔｂは、着霜状態検出装置１におけるグランドラインに絶縁電線ＤＳｂによって接続される。

次に、着霜状態検出装置１の動作について説明する。

着霜センサ１３のインピーダンスＺｓは着霜状態によって変化する。着霜センサ１３には、駆動部１１による交流信号が印加され、着霜センサ１３のインピーダンスＺｓに応じて、着霜センサ１３の出力電圧Ｓ１が変化する。出力電圧Ｓ１の大きさがしきい値を越えると、着霜状態であることを示す検出信号Ｓ２ａが出力される。

検出信号Ｓ２ａに基づいて、図示しない除霜ヒータに電流を流し、除霜動作を行わせる。除霜ヒータの駆動によって冷却器ＲＰの霜が溶解して水滴になると、着霜センサ１３のインピーダンスＺｓが低下し、これによって出力電圧Ｓ１が低下する。出力電圧Ｓ１の大きさがしきい値以下になると、着霜状態でないことを示す検出信号Ｓ２ｂが出力される。

このように、検出信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに基づいて、図示しない除霜ヒータの駆動を制御することにより、冷却器ＲＰの除霜を的確に、効率よく行うことができる。

なお、着霜状態であることを検出するしきい値と着霜状態でないことを検出するしきい値とは、同じ値であってもよく、また互いに異なる値であってもよい。また、除霜のための除霜ヒータなどの制御方法については、上に述べた特許文献１などを参照することができる。

本実施形態において、着霜センサ１３は、基板２１上に第１のパターン電極２２および第２のパターン電極２３を対向させた構成であり、インピーダンスＺｓが実現される空間が閉空間であるので、周囲の物体の有無や移動、空気の流れ、周囲の温度など、環境による要因の影響を受け難く、検出精度を高くすることができる。そのため、ダミー電極などを用いて環境変化による出力変動を補正する必要がなく、構成が簡単であって動作が確実である。

このように、本実施形態の着霜状態検出装置１によると、ダミー電極を設けなくても十分な精度で着霜状態を検出することができ、構成が簡単である。

図４には、他の実施形態の着霜状態検出装置１Ｂの具体的な回路例が示されている。

図４において、着霜状態検出装置１Ｂは、駆動部１１Ｂ、判定部１２Ｂ、および着霜センサ１３などからなる。

駆動部１１Ｂおよび着霜センサ１３は、図３に示す駆動部１１および着霜センサ１３と同様である。同様な部分については、その説明を省略しまたは簡略化する。

判定部１２Ｂは、ノット回路Ｑ１１〜Ｑ１４、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４、コンデンサＣ２，Ｃ１１、ダイオードＤ２、および発光ダイオードＬＥＤａなどからなる。

ノット回路Ｑ１１，Ｑ１２、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３、コンデンサＣ１１、およびダイオードＤ２などによって、２値化部ＫＤＢが構成される。また、ノット回路Ｑ１３，Ｑ１４、抵抗Ｒ１４、発光ダイオードＬＥＤａなどによって、表示出力部ＨＳＢが構成される。着霜状態であることが検出されたときに、発光ダイオードＬＥＤａが点灯する。判定部１２Ｂからは、着霜状態であることを示す検出信号Ｓ２ａおよび着霜状態でないことを示す検出信号Ｓ２ｂがそれぞれ出力される。

着霜状態検出装置１Ｂの判定部１２Ｂは、着霜センサ１３の出力電圧Ｓ１に対して、アナログ的な処理を行って２値化を行う。

上に述べた実施形態において、着霜センサ１３は、冷却器ＲＰ、冷却パイプ、その他のパイプ、冷却用フィン、冷蔵庫などの壁面、その他の箇所に取り付けることが可能である。

その他、入力インタフェ−ス部ＩＦ，ＩＦＢ、２値化部ＫＤ，ＫＤＢ、表示出力部ＨＳ，ＨＳＢ、駆動部１１、判定部１２，１２Ｂ、着霜センサ１３、または着霜状態検出装置１，１Ｂの各部または全体の構成、構造、回路、形状、寸法、個数、材質、配置、周波数、波形などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。

１，１Ｂ着霜状態検出装置
１１駆動部
１２，１２Ｂ判定部
１３着霜センサ
２１基板
２２第１のパターン電極
２３第２のパターン電極
Ｒｓ抵抗値
Ｃｓ静電容量
Ｚｓインピーダンス
Ｓ１出力電圧
Ｓ２検出信号
Ｒ２抵抗（抵抗素子）
Ｒ３抵抗（第２の抵抗素子）
Ｃ２容量素子
ＧＳ信号発生部
ＩＦ，ＩＦＢ入力インタフェ−ス部
ＫＤ，ＫＤＢ２値化部
ＨＡくし歯
ＲＰ冷却器

Claims

冷却器の着霜状態を検出する着霜状態検出装置であって、
互いに対向するように基板の表面にパターン形成された第１のパターン電極および第２のパターン電極を有し、前記冷却器の近辺に取り付けられ、前記冷却器による冷却効果によって大気中の水分が凍結して霜状に変化したか否かを検出する着霜センサと、
前記着霜センサに交流信号を印加する駆動部と、
前記交流信号に基づく前記着霜センサの出力電圧の大きさに応じて２値化を行い、前記冷却器の着霜によって前記着霜センサの前記第１のパターン電極と第２のパターン電極との間における抵抗値が増大しかつ静電容量が減少し、これによって前記出力電圧がしきい値よりも大きくなったときに、着霜状態であることを示す検出信号を出力する判定部と、を有することを特徴とする着霜状態検出装置。
前記着霜センサは、前記冷却器の表面に接した状態で大気中に取り付けられている、
請求項１記載の着霜状態検出装置。
前記駆動部は、
前記交流信号を発生する信号発生部と、
前記信号発生部の出力側に接続された抵抗素子と、
を有する請求項１または２記載の着霜状態検出装置。
前記判定部は、
前記着霜センサの出力側に接続される、互いに直列に接続された第２の抵抗素子および容量素子からなる入力インタフェ−ス部と、
前記入力インタフェ−ス部の出力側に接続された２値化部と、
を有する請求項３記載の着霜状態検出装置。
前記第１のパターン電極および第２のパターン電極は、いずれもくし状であって、それぞれのくし歯が互いに対向するようにパターン形成されてなる、
請求項１ないし４のいずれかに記載の着霜状態検出装置。