JP2007285855A - 液面検出装置および冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク内の液体の補給タイミングを正確に検出でき、信頼性の向上が図れる液面検出装置を提供する。
【解決手段】給水タンク１の凹部６に向けて所定の指向特性を有する光を照射する投光部７ａと、投光部７ａに凹部６のコーナー部を介して対向配置され、凹部６を透過する前記光を受光するための受光部７ｂとを備え、投光部７ａは、前記光の光軸が凹部６の第１側面に対して所定の傾斜角になるように、かつ所定の仰角になるように凹部６の第１側面近傍に配置され、受光部７ｂは、凹部６内の液体が前記光の光軸よりも低下したときに、その光軸を中心として投光部７ａに対向するように凹部６の第２側面近傍に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、自動製氷機能を有する冷蔵庫の製氷用給水タンクの液面検出装置および冷蔵庫に関するものである。

従来の液面検出装置は、光を照射する投光部と、その光を受光する受光部とが対向配置され、液面が光の光軸より低いときに投光部からの光が受光部に到達し、液面が光軸より高いときは、投光部からの光が液体の屈折率に従って、受光部には到達しないようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６１−２７０８８１号公報（第２−３頁、第１図）

前述した従来の液面検出装置では、投光部から照射される光が平行光でなく指向特性を有する場合、液体の液面が光軸よりも低い状態から上昇し光軸の高さに近づいて投光部の指向特性の範囲に入ってきた場合には、液面からの反射光が受光部に到達して入射するため、本来であれば投光部から照射され受光部に入射する光量は減少傾向になるはずであるが、逆に受光部に入射する光量は増加してしまい、その結果、受光部の出力信号は液体の液面が下がっている信号状態となり、正確な液面検知ができないことがあった。また、液面での反射光が受光部に入射するような状態において、液面が外部からの振動等によって揺らいだ場合には、反射光の光量も同様に揺らぎ、これによって受光部に入射する光量も揺らぐため、その結果、受光部の出力信号も変化し、安定した液面の検知ができないという課題を有していた。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、タンク内の液体の補給タイミングを正確に検出でき、信頼性の向上が図れる液面検出装置および冷蔵庫を提供することを目的とする。

本発明に係る液面検出装置は、タンクに向けて所定の指向特性を有する光を照射する投光部と、投光部にタンクを介して対向配置され、タンクを透過する前記光を受光するための受光部とを備え、投光部および受光部は、タンク内の液体が前記光の光軸より低下したとき、前記光が液面を反射しないように所定の角度を有して配置されている。

本発明においては、投光部および受光部が、所定の指向特性を有する光の光軸がタンク内の液体より高くなったときに、前記光が液面を反射しないように所定の角度を有して配置されているので、液面の揺れ等による液体の変化に対しても安定して液面を検出でき、信頼性の高い液面検出装置が得られるという効果がある。

実施の形態
以下、本発明に係る液面検出装置を冷蔵庫の製氷用の給水タンクに用いた実施の形態について説明する。なお、本実施の形態においては、液面検出装置を水位検出装置に読み替えて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る冷蔵庫の自動製氷機の部分構成を示す斜視図である。
冷蔵庫の冷蔵室（図示せず）内に設けられた給水タンク１の中に製氷用の水が蓄えられ、製氷の際には、給水ポンプ２によって給水タンク１内の水を吸い上げ、給水パイプ３を通じて冷凍室（図示せず）に設置された製氷皿４に給水される。なお、ここでは、給水方式を給水ポンプ２によるくみ上げ方式としたが、これに限定されるものではなく、例えば静音化のために給水パイプ３の間または先端などに設けられた電磁弁などの開閉機構を利用した落とし込み方式で給水するようにしてもよい。製氷皿４に給水された水は、冷凍室内で冷却され氷となる。この氷は、離氷装置（図示せず）によって製氷皿４から離氷され、製氷皿４の下部に設置された貯氷箱５に収納される。給水タンク１の底部に製氷約１回分の必要な水が残るように形成された凹部６が設けられ、この凹部６に近接して水位検出装置７が配設されている。その凹部６は、光透過性を有する材質によって形成されており、水位検出装置７は、後述するが、例えば赤外線発光素子からなる投光部とフォトトランジスタからなる受光部とで構成されている。なお、前述した凹部６および水位検出装置７の部分が水位検出部８となっている。

次に、前述した水位検出部８について図２を用いて説明する。
図２は実施の形態における水位検出部の詳細を示す図である。なお、図中の（ａ）は水位検出部８の斜視図、（ｂ）は水位検出部８の正面図、（ｃ）は水位検出部８の平面図である。
本実施の形態においては、凹部６のコーナー部側の第１側面に近接して水位検出装置７の投光部７ａが配置され、コーナー部側の第２側面に近接して水位検出装置７の受光部７ｂが配置されている。投光部７ａは、例えば（ｂ）に示すように仰角αの方向に、かつ（ｃ）に示すように第１側面に対して傾斜角βとなる方向に向けられている。受光部７ｂは、その方向に向けられた投光部７ａに凹部６の第１側面と第２側面を介して対向配置されている。受光部７ｂが投光部７ａからの光を受光するときは、凹部６内の水位が投光部７ａの光軸よりも低いときである。

次に、投光部７ａから照射される光の指向特性について図３を用いて説明する。図３の（ａ）は投光部から照射される光ｒの指向特性図の例であり、（ｂ）はその模式図であって、ｒ１は指向角０度の光、ｒ２は指向角左２０度の光、ｒ３は指向角右２０度の光を表している。
投光部７ａから照射される光ｒの範囲である指向角左２０度の光ｒ２から指向角右２０度の光ｒ２までの全指向角２θは、光ｒの進行方向として水から空気への場合の光ｒが全反射となる入射角の臨界角をΨとすれば、
２θ＜（９０−Ψ）
（式中角度の単位は度であり、臨界角Ψは約４９度である。以下同様である。）
を検知しようとする水が存在しない場合に満足する指向特性を有する投光部７ａであるものとし、図３（ａ）の指向特性図の例におけるθは２０度であり、全範囲では４０度となっている。このような指向特性を有する図２（ｂ）に示した投光部７ａの指向特性の中心である指向角０度の光ｒ１である光軸の仰角αは、
θ＜α＜９０度−Ψ−θ
を検知しようとする水が存在しない場合に満足する範囲内の角度である。

図２（ｂ）における仰角αは約２０度に設定されている。なお、投光部７ａの指向特性は、使用する例えば赤外発光ＬＥＤなどの素子の特性そのものの特性でも良く、或いは投光部７ａにレンズを設けてその指向特性を有するようにしたものでも構わない。また、同図（ｃ）における投光部７ａの傾斜角βは約４５度に設定されている。さらに、投光部７ａの取付高さは、検出する液面の高さに応じて実験的に設定されるものであるが、少なくとも図３に示した投光部７ａの指向特性による光は、給水タンク１の底部に製氷約１回分の必要な水が溜まるような凹部６のエッジ部の内部を透過しないように構成しており、また、凹部６のコーナー部からの距離においてもコーナー部のエッジ部には透過しないように構成されており、仮に透過したとしてもその光からの信号は利用していない。

以上述べたように、検知しようとする水が存在しない場合の投光部７ａの仰角αを２０度、傾斜角βを４５度に設定したときの動作について図４〜図６を用いて説明をする。
図４は給水タンクおよび凹部内に水が存在するときの光の進路を示す図、図５は凹部内のみに水が存在するときの光の進路を示す図、図６は凹部内の水が検出水位まで低下したときの光の進路を示す図である。なお、光の進路については、便宜上、図３（ｂ）に示すように、上部の光を指向角左２０度の光ｒ２、中央の光を指向角０度の光ｒ１、下部の光を指向角右２０度の光ｒ３として説明をする。また、光の進路は、水の屈折率により屈折した光の進行方向を示すものであり、給水タンク１と空気の界面の光の屈折については図示していない。さらに、図６（ｃ）では、平面図上では水は存在しているが水面の検知に関る光が存在しないため、水がない状態として図示してある。

図４のように給水タンク１内に水が存在する場合においては、投光部７ａから照射されている全ての光ｒ１，ｒ２，ｒ３は、（ａ）に示すように水の屈折によって下方向に曲がり、かつ、（ｂ）に示すように左方向に曲がり、受光部７ｂには到達しない。この場合、水位検出装置７として『水がある』と判断する。

給水ポンプ２の駆動により給水タンク１内の水位が低下し、そして、図５（ａ）に示すような位置までさらに低下したときは、投光部７ａから照射されている全ての光ｒ１，ｒ２，ｒ３が水面で全反射を起こす。これは、指向角左２０度の光ｒ２が水面で全反射が起こるように設定された仰角αによるものである。平面においては、（ｂ）に示すように全ての光ｒ１，ｒ２，ｒ３は左方向に曲がり、受光部７ｂには到達しない。この場合も、前記と同様に『水がある』と判断する。

さらに、図６（ａ）に示すように、その水位が投光部７ａの光軸（光ｒ１に相当する）よりも低下したとき、つまり、水が製氷１回分に相当する量の水位まで低下したときは、投光部７ａから照射されている全ての光ｒ１，ｒ２，ｒ３が、水面に接して屈折することなく、瞬間的に受光部７ｂに到達する。この時、指向角右２０度の光ｒ３が、仰角αによってほぼ水面と平行に進む。この場合は、水位検出装置７として『水がない』と判断する。

水位検出装置７が『水がない』と判断した場合、ＬＥＤやブザーなどを通して報知する。また、冷蔵庫の扉など冷蔵庫本体の外周に液晶パネルを設けて水量を確認できるようにしてあってもよい。誰でも確認できる方法として、液晶パネルに給水タンク１と水量を図示し、検知によって表示される水量が切り替わるようになっていてもよい。また、図示ほど液晶パネル表示面積をとらず、従って表示部追加のコストが安くすむ方式として『多』『少』などの文字表記、さらに安価な方法として、既にある表示機能の流用、例えば数値を表示する方法がある。これは、例えば水がまだある状態では『１』、水がない状態では『０』と表示するなどとすればよい。前述した『水がない』旨の報知は、製氷１回分に相当する水量を残しての『水がない』の報知であるため、検知した後に１回分の製氷に必要な水の給水が可能であり、従って、ＬＥＤやブザーなどの報知があっても、使用者はすぐに水を補給する必要がなく、時間が取れたときに作業をすれば良く、使用者に便利な機能となる。特に就寝中や外出中など使用者が冷蔵庫の近くに不在でも実際に補給が必要になるまでの時間の余裕があるため、使用者に便利な機能となる。

以上のように本実施の形態によれば、投光部７ａを仰角α（約２０度）の方向に、かつ第１側面に対して傾斜角β（約４５度）となる方向に向け、受光部７ｂをその方向に向けられた投光部７ａに凹部６の第１側面と第２側面を介して対向配置したので、水位が投光部の光軸よりも低下したとき、投光部７ａから照射されている全ての光ｒ１，ｒ２，ｒ３が水面に接して屈折することなく瞬間的に受光部７ｂに到達し、このため、水面の揺れ等による水位の変化に対しても安定して水位を検出でき、冷蔵庫の自動製氷機能としての信頼性が向上する。

また、凹部６のコーナー部付近に投光部７ａと受光部７ｂを配置しているので、投光部７ａと受光部７ｂの距離を短くすることができ、その結果、小型化を図れる。

なお、前記の実施の形態では、凹部６のコーナー部付近に投光部７ａと受光部７ｂを配置したことを述べたが、対向する２面に投光部７ａと受光部７ｂを配設しても同等の水位検出が可能である。この場合、従来では投光部７ａと受光部７ｂの間に検出する水が存在した場合に、投光部７ａからの光がその水を透過して受光部７ｂに入射し、これをもって水位検出するものがあるが、上記の場合には透過させずに、全反射するように構成し、受光部７ｂには入射させず、水位が投光部７ａよりも低くなり、投光部７ａの光が水の屈折を介せずに受光部７ｂに入射させるように構成し、これをもって水の有無を検出するようにしたものである。

また、前記の実施の形態では、『水がない』と判断したとき、製氷１回分の必要な水量が残っているときであったが、製氷２回分以上の水量が残ったときに『水がない』と判断するようにしても良い。また、氷への臭い移りを防ぐために、冷凍室でなく製氷室が独自に設けられていても良い。

本発明の活用例として、加湿器の加湿に必要な水の給水タンクや、除湿機の除湿した水の貯水タンクなどの水の水位検出装置や、検出する液体として水以外の石油やプリンタ用インクなどでも同様に活用することが可能である。本実施の形態では、安価な投光部７ａとして赤外線発光素子を選択したが、給水タンク１に何らかの効果を与える波長を選択しても良い。例えば、投光部７ａを紫外線発光素子とし、受光側に光触媒を入れた部材を設けることで除菌効果を得たり、青色発光素子を用いることで水のクラスターを小さくしてより良好な水を得るようにしても良い。

本発明の実施の形態に係る冷蔵庫の自動製氷機の部分構成を示す斜視図である。 実施の形態における水位検出部の詳細を示す図である。 実施の形態における投光部の光の指向特性を示す図である。 給水タンクおよび凹部内に水が存在するときの光の進路を示す図である。 凹部内のみに水が存在するときの光の進路を示す図である。 凹部内の水が検出水位まで低下したときの光の進路を示す図である。

符号の説明

１ 給水タンク、２ 給水ポンプ、３ 給水パイプ、４ 製氷皿、５ 貯氷箱、６ 給水タンクの凹部、７ 水位検出装置、７ａ 投光部、７ｂ 受光部、８ 水位検出部。

Claims (6)

1. タンクに向けて所定の指向特性を有する光を照射する投光部と、
   該投光部にタンクを介して対向配置され、タンクを透過する前記光を受光するための受光部とを備え、
   前記投光部および受光部は、タンク内の液体が前記光の光軸より低下したとき、前記光が液面を反射しないように所定の角度を有して配置されていることを特徴とする液面検出装置。
2. 前記投光部は、前記光の光軸がタンクの側面に対して所定の傾斜角になるように、かつ所定の仰角になるようにタンクの側面近傍に配置され、
   前記受光部は、タンクのもう一方の側面近傍に配置され、タンク内の液体が前記光の光軸よりも低下したときに、当該光が受光されるように前記投光部に対向していることを特徴とする請求項１記載の液面検出装置。
3. 前記投光部はタンクのコーナー部側の側面に、前記受光部は同じコーナー部側のもう一方の側面にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項２記載の液面検出装置。
4. 前記受光部が非受光から受光へ移行したときのタンク内の液体は、次段で必要な量が残っていることを特徴とする請求項１または２記載の液面検出装置。
5. 前記請求項１乃至４の何れかに記載の液面検出装置を製氷用の給水タンクに用いたことを特徴とする冷蔵庫。
6. 給水タンク内の水を給水ポンプにより製氷皿に給水して製氷を行い、製氷完了後に製氷皿から離氷させて、製氷皿下方に配設された貯氷箱に氷を貯氷する自動製氷装置を有する冷蔵庫において、
   給水タンクのコーナー部側の側面に配置された投光部と、
   該投光部に対向するように前記コーナー部側のもう一方の側面に配置された受光部とを備え、
   前記投光部は、照射光の光軸がほぼ４５度の傾斜角で前記側面に入射されるように配置され、かつ、指向特性の全指向角２θを検出する液の空気との界面における照射光の全反射現象が起こる臨界角をΨとしたとき、
   ２θ＜（９０度−Ψ）
   を満足する照射光の指向角θをもつように構成され、さらに、照射光の角度である仰角αが、
   θ＜α＜９０度−Ψ−θ
   となるように配置されていることを特徴とする冷蔵庫。
   

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