JPH09264655A - 結霜結氷センサおよび結霜結氷の検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】取り付け作業が容易で取り付けに場所をとら
ず、しかも、霜または氷の付着を区別して検出できるよ
うにする。 【解決手段】発熱抵抗体２とサーミスタ３を有する基板
４を熱交換器近傍に設置し、このサーミスタ３によって
検出される温度が氷結温度よりも小さい場合に、サーミ
スタ３によって測定される温度が所定の値だけ上昇する
まで一定時間割合で発熱抵抗体２を発熱させ、その温度
上昇に要する上昇時間が所定の氷境界値より大きいとき
に結氷状態であると判定し、上昇時間が前記氷境界値よ
り小さく且つ所定の霜境界値より大きいときに結霜状態
であると判定し、上昇時間が前記霜境界値より小さいと
きに霜も氷も付着していないと判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空調機や冷蔵庫に使
用される熱交換器に霜または氷が付着しているかどうか
を検出する結霜結氷センサ、および、結霜または結氷状
態を検出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から熱交換器に付着する霜を検出す
る霜センサとして特開平１−３１２３７８号公報に示さ
れるようなものが用いられていた。図７に示すように、
この霜センサ５０は感熱素子であるサーミスタ５１と加
熱手段である加熱ヒータ５２とを備えており、これらは
蒸発器５３の蒸発パイプ５４に設けられたステイ５５に
取り付けられている。この霜センサ５０は、加熱ヒータ
５２を一定時間通電することによって発生した熱がサー
ミスタ５１に伝わってその抵抗値が下がることを検出す
るものであり、周囲の霜の有無によって変わるサーミス
タ抵抗値の変化率の違いを測定することで霜の有無を検
出している。サーミスタ５１付近に霜が形成されると、
加熱ヒータ５２からサーミスタ５１への熱伝導度が悪く
なるのでサーミスタ抵抗値の変化率が小さくなり、霜セ
ンサ付近に霜が形成されたかどうかを検出できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の霜センサは上記
のように構成されているが、このようにサーミスタとヒ
ータを別々に設置する方式では全体の構成が大きくなり
狭い場所等への設置が困難になる。すなわち、図７のよ
うに構成された従来の霜センサでは、蒸発パイプ５４に
ステイ５５を取り付けた上で、さらにサーミスタ５１と
加熱ヒータ５２とをステイ５５に取り付ける必要があ
り、取り付け作業が繁雑になるうえ、霜センサ５０の取
り付けに要する容積が大きくならざるを得ず、そのため
に、全体として小型化が図れないという問題があった。
また、サーミスタとヒータを別々に設置すると、ヒータ
で発生した熱は輻射と空気の対流によってサーミスタに
伝わるが、空気の対流状態は周囲の風の状態などにより
変動し、熱の伝わり方が安定しないので霜の検出も安定
しないという問題もあった。

【０００４】また、上記従来技術のようにヒータに一定
時間の通電を行うと周囲の霜が融解してしまう場合があ
り、このようなときには霜の検出は正常には行われない
恐れがある。

【０００５】さらに、熱交換器に付着するものは霜に限
らず氷が付着する場合があるが、図７に示した従来の技
術では霜と氷を区別して検出することは考えられておら
ず、その区別は困難であった。

【０００６】本発明は、上述したような事情に鑑みて成
されたものであって、取り付け作業が容易で取り付けに
場所をとらず、しかも、霜または氷の付着を区別して検
出でき、検出精度の安定した結霜結氷センサ、および、
結霜または結氷状態を区別して検出する方法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明は、上記課題を
解決するために、熱交換器の結霜または結氷状態を検出
する結霜結氷センサにおいて、基板上に近接して配置さ
れた発熱素子および測温素子と、前記発熱素子を一定時
間割合で発熱させる発熱手段と、前記測温素子の温度を
検出する温度検出手段と、検出された温度が所定幅だけ
上昇するのに要する上昇時間を検出する時間検出手段
と、前記上昇時間を複数の所定時間と比較する比較手段
とを備え、前記測温素子により検出される温度が所定値
だけ上昇するまで前記発熱素子を発熱させ、その温度上
昇に要する上昇時間と前記複数の所定時間との大小関係
に基づいて結霜または結氷状態を区別して検出すること
を特徴としている。

【０００８】さらに、熱交換器の結霜または結氷状態を
検出する方法において、発熱素子と測温素子を有する基
板を前記熱交換器近傍に設け、この測温素子によって検
出される温度が氷結温度よりも小さい場合に、前記測温
素子によって測定される温度が所定の値だけ上昇するま
で一定時間割合で前記発熱素子を発熱させ、その温度上
昇に要する上昇時間が所定の氷境界値より大きいときに
結氷状態であると判定し、前記上昇時間が前記氷境界値
より小さく且つ所定の霜境界値より大きいときに結霜状
態であると判定し、前記上昇時間が前記霜境界値より小
さいときに霜も氷も付着していないと判定することを特
徴としている。

【０００９】抵抗体である発熱素子に定電圧を印加する
か定電流を流すことによって、発熱素子は一定時間割合
（すなわち、一定の仕事率）で発熱する。その熱は発熱
素子が載置されているのと同じ基板上に設けられている
測温素子の温度を上昇させるが、その温度上昇速度は測
温素子付近の熱伝導度や熱容量さらに放熱速度によって
決まる。このとき、熱の伝導は基板そのものを通じても
行われるので熱の伝わり方は安定している。基板上に発
熱素子と測温素子が形成されたこのセンサに霜または氷
が付着すると発熱素子で発生した熱は測温素子以外に霜
または氷にも伝達され、その結果、温度上昇速度が霜ま
たは氷が付着していない状態と比較して遅くなる。した
がって、発熱素子を発熱させてから測温素子が一定温度
上昇するまでの時間を測定することによって霜または氷
の有無を検知することができる。このとき、センサに付
着しているものが霜の場合と氷の場合で実効的な熱容量
が異なるので霜と氷の違いを区別して検出することがで
きる。

【００１０】ここで、発熱素子を発熱させてから測温素
子が一定温度上昇するまでの時間を測定するという動作
は、測温素子によって測定される周囲温度が水の氷結温
度すなわち０℃よりも小さい場合に限り、さらに、０℃
を越えない範囲で行うので、発熱素子による加熱で周囲
の霜や氷が融解することがなく安定した検出動作可能で
ある。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１から図４を参照しつつ、本発
明の結霜結氷センサの構成、および、結霜結氷の検出方
法の実施の形態の一例を説明する。

【００１２】図１(a) にセンサ本体部分を示すように、
本発明の結霜結氷センサ１は、セラミック基板４の上に
厚膜印刷技術を用いて発熱抵抗体２とＮＴＣサーミスタ
３が形成されたものである。この発熱抵抗体２の抵抗値
は約１０Ωであるが、これに電極５を介して電流を流す
ことによって発熱素子として使用する。また、サーミス
タ３は周囲温度によって抵抗値が変わるものであり、こ
の抵抗値を電極６を介して測定することで温度を測定す
る測温素子として使用している。このサーミスタ３のシ
ート抵抗値は約１００ｋΩ、Ｂ定数は約３０００であ
る。これらの素子の表面は耐湿性を向上させるため薄い
保護膜８で覆われている。

【００１３】図１(b) は、図１(a) に示した結霜結氷セ
ンサ１を熱交換器の吸熱板１０に取り付けた様子を側面
から見た図である。結霜結氷センサ１は基板４の上に発
熱抵抗体２などを含む素子層７が形成され、さらにその
上面は耐湿性を向上させるため薄い保護膜８で覆われて
いる。この結霜結氷センサ１は熱交換器の霜などが付着
する吸熱板１０の近傍に設置する。設置方法としては吸
熱板１０に直接貼り付けるが、吸熱板１０への熱伝導が
大き過ぎる場合には図１に示すように結霜結氷センサと
の熱伝導を抑えるために熱伝導率の悪い薄板スペーサ９
を介して結霜結氷センサ１を取り付ける。

【００１４】図２は本発明の結霜結氷センサを動作制御
部を含めて説明する図である。発熱回路１１は一定の電
力を発熱抵抗体２に供給する発熱手段であって、定電圧
または定電流回路で構成される。温度検出回路１２はサ
ーミスタ３によってサーミスタ自身およびその周囲の温
度を検出する温度検出手段であって、サーミスタの抵抗
を温度に換算する回路を含む。制御部１５は発熱回路１
１のＯＮ／ＯＦＦの制御を行い、また、温度検出回路１
２の出力を取り込み所定の温度だけ上昇するのに要する
時間を時間検出回路１３によって検出し、その値を所定
のしきい値（氷境界値および霜境界値）と比較回路１４
で比較して結霜または結氷状態を判定する。制御部１５
によって判定された結霜または結氷状態はランプや液晶
パネルなどからなる表示部１６に表示される。

【００１５】次に、結霜または結氷状態を検出する方法
を図３を用いて説明する。まず、サーミスタで周囲温度
を測定し、氷結温度すなわち０℃以下であることを確認
し、氷結温度以下の場合にのみ以下の動作を行う。発熱
抵抗体２に一定電圧を印加するか一定電流を流すかする
と、発熱素子は単位時間当たり一定のエネルギーを放出
するように、すなわち、一定の仕事率で発熱する。この
とき、発熱量が大きすぎて温度が上昇しすぎると付着し
た霜を融解する可能性があることから、氷結温度を越え
ない範囲内で、制御回路にてサーミスタ３の周辺の温度
が１℃〜２℃程度の所定温度Ｈだけ上昇すると発熱抵抗
体２に流す電流スイッチがＯＦＦになるようにする。図
３はこのようにしたときのサーミスタ３で測定される温
度変化グラフである。このグラフで、霜も氷も付着して
いない状態が曲線２１、霜が付着している状態が曲線２
２、氷が付着している状態が曲線２３で示されている。
このようにサーミスタ３付近の温度上昇速度は結霜結氷
センサに霜もしくは氷が付着することによる熱容量の増
加によって遅くなる。霜と氷ではその密度、熱伝導度が
異なることから温度上昇速度も大きく異なっており、こ
のことから、しきい値を２つ設けることによって霜と氷
を区別することが可能である。したがって図３に示すよ
うに発熱抵抗体２に電流を流し始めてからサーミスタ３
で検出される温度が所定の一定温度変化Ｈだけ上昇する
までの上昇時間Ｔを測定し、その時間をしきい値となる
時間と比較する。図３において、霜も氷も付着していな
い状態のときの上昇時間はＴ0 であり、結霜状態のとき
の上昇時間はＴ1 であり、結氷状態のときの上昇時間は
Ｔ2 である。上昇時間を過ぎて発熱抵抗体２に流す電流
スイッチをＯＦＦにした後もわずかに温度が上昇してい
るのは発熱抵抗体２付近の余熱がサーミスタ３に伝わる
ためである。しきい値となる時間は、結氷状態と結霜状
態を区別する氷境界値Ｔｋと、霜が付着している状態と
霜がない状態を区別する霜境界値Ｔｓの２種類を設定す
る。温度がＨだけ上昇するのに要する上昇時間Ｔと上記
した所定の氷境界値Ｔｋおよび霜境界値Ｔｓとの関係
で、次のように結霜または結氷状態を判定する。

【００１６】Ｔｋ≦Ｔ のとき 結氷状態 Ｔｓ≦Ｔ＜Ｔｋ のとき 結霜状態 Ｔ ＜Ｔｓ のとき 霜も氷もない状態 氷境界値Ｔｋおよび霜境界値Ｔｓについては、あらかじ
め実験により最適値を求めておく。なお、上記の所定の
温度変化Ｈを設定するに当たっては、制御部の内部では
温度変化そのものではなく、サーミスタの抵抗値の変化
分などの温度変化に相当する値を所定値として設定して
おいても良いことはもちろんである。

【００１７】上述した結霜または結氷状態を判定する動
作は、結霜結氷センサ１内のサーミスタ３によって測定
される周囲の温度が水の氷結温度すなわち０℃よりも下
回った場合のみに行い、図４に示すように所定の一定時
間間隔Ｔａ毎に間欠的に行われる。Ｔａは発熱抵抗体２
に流す電流をＯＦＦにしてから周囲温度がもとの温度に
戻るのに十分な時間である。

【００１８】本発明の結霜または結氷状態を検出する方
法は熱交換器周囲の絶対温度にはよらない。すなわち、
例えば、周囲温度が−５℃のときも−１０℃のときも同
じしきい値（氷境界値および霜境界値）を使用して結霜
または結氷状態を区別して検出することができる。

【００１９】図５と図６に本発明の結霜結氷センサを用
いて、実際に結霜結氷状態を検出する実験を行ったとき
のデータを示す。図５はサーミスタにより測定された典
型的な温度変化を表すデータであって、霜と氷なし、霜
付着、氷付着の各状態の測定を２回づつ行って、縦軸に
温度変化をとり、横軸を時間としてプロットしたもので
ある。各状態の温度変化が再現性よく測定されているの
が分かる。この測定例の場合、設定した温度変化Ｈは約
１℃であり、氷境界値Ｔｋを４秒、霜境界値Ｔｓを０．
８秒とすれば結氷状態、結霜状態、および、霜も氷もな
い状態を区別して検出することができる。

【００２０】図６は、本発明の結霜結氷センサを取り付
けた熱交換器の周囲温度が約０℃と−５℃および−１０
℃のときに、霜と氷なし、霜付着、氷付着の各状態の温
度変化をプロットしたものである。この実験データから
分かるように、周囲温度の絶対値の変動に関わらず温度
上昇速度は各状態においてほぼ同じであり、本発明の有
効性が示されている。

【００２１】

【発明の効果】本発明の結霜結氷センサの構成要素とな
る発熱抵抗体及びサーミスタは厚膜印刷技術により製作
可能であることから、安価に製作が可能であり、また、
形状が小型なので様々な形状の熱交換器に容易に設置す
ることが可能である。また、２種類のしきい値を設定す
ることで、霜または氷の付着を区別して検出精度よく検
出できる。さらに、本発明の方法において、サーミスタ
温度上昇の速度は周囲の絶対的な温度の影響を受けにく
いため、周囲温度に影響されずに結霜状態または結氷状
態の検出をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結霜結氷センサ本体部の一実施の形態
を示す。

【図２】本発明の結霜結氷センサの一実施の形態を示
す。

【図３】結霜または結氷状態を検出する方法を説明する
図である。

【図４】本発明の結霜結氷センサを駆動する方法を説明
する図である。

【図５】本発明の結霜結氷センサおよび方法を用いて実
験した一つのデータである。

【図６】本発明の結霜結氷センサおよび方法を用いて実
験した他のデータである。

【図７】従来の霜センサの一例を示す図である。

【符号の説明】

１…結霜結氷センサ ２…発熱抵抗体 ３…サーミスタ ４…基板 ５…電極 ６…電極 ７…素子層 ８…保護膜層 ９…スペーサ １０…吸熱板 １１…発熱回路 １２…温度検出回路 １３…時間検出回路 １４…比較回路 １５…制御部 １６…表示部 ２１…霜氷なし状態の曲線 ２２…結霜状態の曲線 ２３…結氷状態の曲線 Ｔｋ…氷境界値 Ｔｓ…霜境界値

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器の結霜または結氷状態を検出す
   る結霜結氷センサにおいて、基板上に近接して配置され
   た発熱素子および測温素子と、前記発熱素子を一定時間
   割合で発熱させる発熱手段と、前記測温素子の温度を検
   出する温度検出手段と、検出された温度が所定幅だけ上
   昇するのに要する上昇時間を検出する時間検出手段と、
   前記上昇時間を複数の所定時間と比較する比較手段とを
   備え、前記測温素子により検出される温度が所定値だけ
   上昇するまで前記発熱素子を発熱させ、その温度上昇に
   要する上昇時間と前記複数の所定時間との大小関係に基
   づいて結霜または結氷状態を区別して検出することを特
   徴とする結霜結氷センサ。
2. 【請求項２】 熱交換器の結霜または結氷状態を検出す
   る方法において、発熱素子と測温素子を有する基板を前
   記熱交換器近傍に設け、この測温素子によって検出され
   る温度が氷結温度よりも小さい場合に、前記測温素子に
   よって測定される温度が所定の値だけ上昇するまで一定
   時間割合で前記発熱素子を発熱させ、その温度上昇に要
   する上昇時間が所定の氷境界値より大きいときに結氷状
   態であると判定し、前記上昇時間が前記氷境界値より小
   さく且つ所定の霜境界値より大きいときに結霜状態であ
   ると判定し、前記上昇時間が前記霜境界値より小さいと
   きに霜も氷も付着していないと判定することを特徴とす
   る結霜結氷の検出方法。