JP2009162487A - 誘導加熱型液面レベルセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】フロートスイッチの浮き子のように摺動不足から生じる不具合を解消し、異物が付着しても容易に除去することができ、極めて高い耐熱温度を有しながら、測定する液体に影響を与えることなく、液面を正確に検出することができる誘導加熱型液面レベルセンサを提供する。
【解決手段】熱導電性を有する金属材で形成された有底筒状の容器１内に電磁誘導加熱体１０を装着する。電磁誘導加熱体１０は、鉄製の磁性体からなるボビン１１の中間部周囲にコイル１２が巻き付けられ、該ボビン１１の上下端部外周面がステンレス製の容器１内部に熱伝導性接着剤にて接着される。該ボビン１１の上下端部に温度センサ２が接着される。電磁誘導加熱体１０を１０℃乃至１５℃加熱してからこの上下が容器１を介して放熱する状態を上下の温度センサ２が検知する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁誘導加熱を利用した誘導加熱型液面レベルセンサに係り、特に、センサ自体を加熱した後の放熱状態を計測することで液面レベルを検知する誘導加熱型液面レベルセンサに関する。

液位を検出する方式として、リードスイッチを応用したフロートスイッチや導電性スイッチで判定する電極式などが一般的である。測定する液体が一般的な食塩水や水道水などであれば、フロートスイッチや電極センサにて検出することは可能である。

一方、特許文献１に液面検出方法が記載されている。この液面検出方法によると、金属レベル管の片側所定加熱域を加熱したときに、内部で液面変動する液面上位と下位の温度差を検知し、気体と液体の熱伝導率の違いにより、加熱域に液面が存在しているかいないかを確認する方法である。この液面検出方法を実行する液面検出装置では、金属レベル管の片側にヒーター等の加熱装置を設置し、この金属レベル管の反対側に熱電対等のセンサを配置したものである。そして、ヒーター等で金属レベル管を加熱したときに、金属管の内部に液体があるか否かで温度の違いが生じ、この温度の違いで金属管内部の液面を測定しようとするものである。
特開昭５９‐５２７１８号公報

ところが、従来のフロートスイッチでは適応できない液体がある。例えば、異物が混入した液体ではステムと浮子の間に介在して浮子が摺動不良を起こしやすいので、フロートスイッチは不適当である。また、蜂蜜などの粘性液体でも、浮き子間やフロート、ストッパ間等に付着して摺動不良が生じるおそれがある。

更に、通常リードスイッチの耐熱温度は１５０℃であるが、オイル等は１５０℃以上に上昇する事例もある。このように、リードスイッチ等では耐熱温度に限界があり使用できないことがあった。また、浮き子が外れると、浮き子がタンク内を浮遊することになり、タンクまたは連動する装置等へ異物として紛れ込み誤作動を起こす危険性もある。

また、従来の光センサでは、汚れた液体を検出する場合、センサの検出面に汚れが付着したり、結露したりすると誤作動が生じる。更に、電極センサでは、オイルのような絶縁液体での検出は電気が通りにくいために検出が困難であった。

一方、特許文献１の如く、金属レベル管を介して加熱域やセンサ等を配したものでは、金属管の内部に液体があるか否かで温度の違いが生じるとしても、加熱してからセンサで感知するまでに長時間を要し、しかも加熱時の温度が液体に影響を与えるおそれもある。

そこで本発明は、上述の課題を解消すべく創出されたもので、電磁誘導加熱を利用することで、フロートスイッチの浮き子のように摺動不足から生じる不具合を解消し、異物が付着しても容易に除去することができ、極めて高い耐熱温度を有しながら、測定する液体に影響を与えることなく、液面の満水状態、標準状態、渇水状態の三段階の状態を正確に検出することができる誘導加熱型液面レベルセンサの提供を目的とするものである。

上述の目的を達成すべく本発明における第１の手段は、熱導電性を有する金属材で形成された有底筒状の容器１内に電磁誘導加熱体１０を装着し、該電磁誘導加熱体１０の上下に温度センサ２を配置し、電磁誘導加熱体１０を加熱してから容器１を介して放熱するまでの電磁誘導加熱体１０の上下の温度変化を温度センサ２が感知して容器１周囲の液面の高さを検出するように設けたことにある。

第２の手段の前記電磁誘導加熱体１０は、鉄製の磁性体からなるボビン１１の中間部周囲にコイル１２が巻き付けられ、該ボビン１１の上下端部外周面がステンレス製の前記容器１内部に熱伝導性接着剤にて接着されると共に、該ボビン１１の上下端部に前記温度センサ２が熱伝導性接着剤にて接着されたものである。

第３の手段の前記電磁誘導加熱体１０は、１０℃乃至１５℃加熱するように設けられ、前記温度センサ２は、電磁誘導加熱体１０の上下が容器１を介して放熱する状態を検知するように設けられている。

第４の手段は、前記電磁誘導加熱体１０から離れた位置に前記温度センサ２の回路部及び電磁誘導加熱体１０に通電する電源装置を収納したコントロールボックス２０を設け、前記電磁誘導加熱体１０が加熱されてから容器１を介して放熱する状態を上下の温度センサ２が感知することにより、前記容器１の周囲に液面が位置する状態、又は容器１の周囲に液面がない状態、又は前記容器１周囲の上下温度センサ２の間に液面が位置する状態の三つの状態を検知するように設けられたことを課題解消のための手段とする。

本発明の請求項１によると、熱導電性を有する金属材で形成された有底筒状の容器１内に電磁誘導加熱体１０を装着し、該電磁誘導加熱体１０の上下に温度センサ２を配置し、電磁誘導加熱体１０を加熱してから容器１を介して放熱するまでの電磁誘導加熱体１０の上下の温度変化を温度センサ２が感知して容器１周囲の液面の高さを検出するものであるから、フロートスイッチの如き浮き子がなく、摺動不良という不具合は発生しない。

また、電磁誘導加熱体１０の加熱作用は、ニクロム線等の抵抗加熱に比べて加熱効率が良く、熱容量のロスが少ない上に、昇温速度が速いといった特徴がある。この結果、本発明レベルセンサの感知速度や感知精度を高めることができ、しかも、省エネ効果もある。

更に、電磁誘導加熱体１０や温度センサ２は、容器１の内部に収納されており、この容器１の周囲で液面を検知するものなので、蜂蜜、オイルなど粘性をもった液体でも液面を正確に検知することができる。しかも、容器１の周囲に異物が付着しても簡単に拭き取り掃除ができるので、極めて衛生的な構造であるとも言える。

請求項２によると、電磁誘導加熱体１０は、鉄製の磁性体からなるボビン１１の中間部周囲にコイル１２が巻き付けられ、該ボビン１１の上下端部外周面がステンレス製の前記容器１内部に熱伝導性接着剤にて接着されると共に、該ボビン１１の上下端部に前記温度センサ２が接着されているので、電磁誘導加熱体１０が加熱されてから熱伝導性の高いステンレス製の容器１を介して容器１周囲に放熱されるので、この電磁誘導加熱体１０の放熱状態が容器１周囲の液面状態により、敏感に変化することになる。この結果、正確な液面検知が可能になる。

しかも、電磁誘導加熱体１０は、鉄製のボビン１１がステンレス製の容器１内部に接着されているので、落下衝撃の破損が少なく、極めて扱い易い利点がある。また、このボビン１１の上下の温度で液面を検知するので、このボビン１１の長さを変更することで、簡単に検知点を変更することが可能になる。

請求項３により、電磁誘導加熱体１０は、１０℃乃至１５℃加熱するように設けられ、前記温度センサ２は、電磁誘導加熱体１０の上下が容器１を介して放熱する状態を検知するように設けられているので、電磁誘導加熱体１０の僅かな加熱で液面検知が可能になる。また、電磁誘導加熱体１０を１０℃乃至１５℃加熱した状態から放熱する状態を検知するので、検知する時間が短くて済む。

請求項４では、前記電磁誘導加熱体１０から離れた位置に前記温度センサ２の回路部及び電磁誘導加熱体１０に通電する電源装置を収納したコントロールボックス２０を設けているので、高温下での検知も可能になった。この結果、リードスイッチの限界耐熱温度が１５０℃であったが、本発明によると、１５０℃以上に上昇するオイル等の液面を検知することも可能になった。

また、本発明では、容器１の周囲に液面が位置する状態、又は容器１の周囲に液面がない状態、又は前記容器１周囲の上温度センサ２と下温度センサ２との間に液面が位置する状態の三つの状態を検知するように設けているので、極めてシンプルなセンサ構造で前記三つの状態を正確に検知することができる。

この結果、本発明によると、例えば、自動車のエンジンオイルの残量検知、蜂蜜などの高粘度液体の残量検知、高温度（１５０℃〜２５０℃）になる液体の検知、摺動による摩耗粉を嫌う飲料水等の検知、異物の混入した液体の検知など、特殊な環境化での使用なども可能になるものである。

本発明レベルセンサの最良の形態は、熱導電性を有する金属材で形成された有底筒状の容器１内に電磁誘導加熱体１０を装着する。電磁誘導加熱体１０は、鉄製の磁性体からなるボビン１１の中間部周囲にコイル１２が巻き付けられ、該ボビン１１の上下端部外周面がステンレス製の容器１内部に熱伝導性接着剤にて接着される。該ボビン１１の上下端部に温度センサ２が接着される。電磁誘導加熱体１０から離れた位置に温度センサ２の回路部及び電磁誘導加熱体１０に通電する電源装置を収納したコントロールボックス２０を設ける。電磁誘導加熱体１０を１０℃乃至１５℃加熱してから電磁誘導加熱体１０の上下が容器１を介して放熱する状態を上下の温度センサ２が検知して、容器１の周囲に液面が位置する状態、又は容器１の周囲に液面がない状態、又は容器１周囲の上温度センサ２と下温度センサ２との間に液面が位置する状態の三つの状態を検知するように設けることで、当初の目的を達成するものである。

以下、本発明の一実施例を説明する。本発明レベルセンサの主要構成は、容器１、電磁誘導加熱体１０、温度センサ２、コントロールボックス２０から構成されている。

容器１は、熱導電性を有する例えばステンレス製等の金属材で形成された有底筒状を成し、この中に電磁誘導加熱体１０や温度センサ２を収納するものである。図示例の容器１は、開口上部に蓋体３を設け、この蓋体３を通して後述する温度センサ２や電磁誘導加熱体１０に連結するリード線４を配線している。また、蓋体３とリード線４との隙間をエポキシ樹脂等の充填材５で密封し、容器１の密封性を高めている。尚、図中符号６は、蓋体３に設けられた取付孔であり、本発明を適当な場所に取り付ける際に使用する。

電磁誘導加熱体１０は、容器１内に収納されるもので、該電磁誘導加熱体１０の上下の温度を温度センサ２が感知する。図示の電磁誘導加熱体１０は、鉄製の磁性体からなる略鼓形状を成したボビン１１の中間部周囲にコイル１２が巻き付けられたものである。更に、ボビン１１の上下端部は、その外周面が容器１の内周面に接着されている。

本発明では、ボビン１１の上下端部が加熱されてから容器１を介して放熱するまでの温度変化で容器１周囲の液面の高さを検出するように設けている。そのため、電磁誘導加熱体１０は、このボビン１１の温度が１０℃乃至１５℃上昇するように設けている。そして、このボビン１１の上下部分が容器１を介して放熱する状態により、容器１の周囲に液面が位置する状態や、容器１の周囲に液面がない状態、又は前記容器１周囲の上温度センサ２と下温度センサ２との間に液面が位置する状態の、三つの状態を検知できるように設けている。

図示の電磁誘導加熱体１０は、鉄製のボビン１１に、耐熱性に優れたコイル１２としてリッツ線を６５回巻き付けている。このリッツ線は、３０芯構成でそれぞれが絶縁被膜をもった線材が３０本構成されたもので６５回を３０個巻き付けた構造になる。鉄製ボビンの上部と下部には温度センサを配置し熱伝導性接着剤で接着している。

また、電磁誘導加熱体１０のボビン１１の上部と下部はステンレス製の金具本体１内壁と密着していることが望ましいので、熱伝導性接着剤で密着固定している。これは、ステンレス製の容器１を介した放熱状態を忠実に検知するためである。

また、電磁誘導加熱体１０から離れた位置に前記温度センサ２の回路部及び電磁誘導加熱体１０に通電する電源装置を収納したコントロールボックス２０を設けている。このコントロールボックス２０に、例えば、容器１の周囲において、上下の温度センサ２の間に液面が位置する定量状態と、容器１を超えて液面が満水となる状態を満水状態、更に容器１の周囲に液面がない渇水状態として設定した場合、定量状態を示す青ＬＥＤ２１と、満水状態を示す黄ＬＥＤ２２、更に渇水状態を示す赤ＬＥＤ２３などを備えることで、一目で状況を把握することができる。

本発明レベルセンサでは、電磁誘導加熱体１０のコイル１２に周期的に電流パルスを入れる。例えば、パルスを４５０ｋＨｚ、通電時間２０秒、放熱時間２８０秒を１周期として断続的に印加する。誘導加熱で加温された電磁誘導加熱体１０のボビン１１の上下の熱は、密着されたステンレス製の容器１を介して外部に放熱される。このとき、容器１周辺の液面の状況、例えば、温度変化の速度や、上下の温度センサ２の温度差などから、容器１周囲の状態が、渇水、中間、満水を検知する。２０秒の加熱により、ボビン１１は加熱前より温度が１０℃乃至１５℃程度上昇する。

次に、液面の違いによる温度センサ２の検知状態を説明する。基本原理は２０秒間の誘導加熱によりボビン１１は急激に温度が上がり、ボビン１１に密着されたステンレス製の容器１に伝わり放熱されていく。そこで、上下の温度センサ２により、放熱の速度、ボビン１１の上部と下部の温度差を計測した。

表１は、容器１の周囲に液面がなく、渇水状態を検知したデータである。この表１において、次のことが分かる。
（ア）温度上昇スピードは速く温度上昇は２０秒間で約７℃である。
（イ）ボビン１１の上下での温度差はなく放熱時間は長い。
（ウ）放熱スピードは遅く、加熱前の温度に戻るには約１１８０秒必要であった。
（エ）この結果、温度上昇スピードが速くて上下の温度センサ２の差異がなければ、容器１の周囲は渇水状態と判断できる。

表２は、容器１の周囲に液面（水）があり、しかも、この液面が上下の温度センサ２の間に位置する状態を検知したデータである。この表２において、次のことが分かる。
（ア）ボビン１１の上部の温度上昇スピードは速く、２０秒間の加熱で約７℃である。
（イ）ボビン１１の下部の温度センサ２は温度上昇が遅く２０秒間の加熱で４℃である。
（ウ）ボビン１１上下の温度差は約３℃あった。
（エ）放熱スピードは速く、加熱前温度に戻るのに２８０秒であった。
（オ）このように、ボビン１１の上下に温度差があるときは、液面が上下の温度センサ２の間に位置する状態であることがわかる。

表３は、容器１の周囲に液面（水）があり、しかも、上下の温度センサ２より上に液面が位置し、満水状態になった状態を検知したデータである。この表３において、次のことが分かる。
（ア）ボビン１１の温度上昇スピードは遅く、２０秒間の加熱で約４℃である。
（イ）ボビン１１の上下の温度差はゼロに等しい。
（エ）放熱スピードは速く、加熱前温度に戻るのに１８０秒であった。
（オ）このように、温度上昇が遅く放熱スピードが速いと容器１の周囲は液体で満ちており、満水状態であると判断できる。

本発明では、前記表１乃至表３のデータを基にして温度センサ２のデータを解析し、容器１の周囲に液面が位置する状態、又は容器１の周囲に液面がない状態、又は容器１周囲の上下温度センサ２の間に液面が位置する状態の三つの状態を検知するように設けたものである。

尚、本発明は図示例に限定されるものではなく、容器１の形状や電磁誘導加熱体１０、温度センサ２等の各構成部品の寸法や形状等の設計変更、および材質の変更などは任意に行えるものであり、本発明の要旨を変更しない範囲において自由に変更できるものである。

本発明の温度センサの一実施例を示す一部切り欠き斜視図である。 本発明の一実施例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 容器
２ 温度センサ
３ 蓋体
４ リード線
５ 充填材
６ 取付孔
１０ 電磁誘導加熱体
１１ ボビン
１２ コイル
２０ コントロールボックス
２１ 青ＬＥＤ
２２ 黄ＬＥＤ
２３ 赤ＬＥＤ

Claims (4)

1. 熱導電性を有する金属材で形成された有底筒状の容器内に電磁誘導加熱体を装着し、該電磁誘導加熱体の上下に温度センサを配置し、電磁誘導加熱体を加熱してから容器を介して放熱するまでの電磁誘導加熱体の上下の温度変化を温度センサが感知して容器周囲の液面の高さを検出するように設けたことを特徴とする誘導加熱型液面レベルセンサ。
2. 前記電磁誘導加熱体は、鉄製の磁性体からなるボビンの中間部周囲にコイルが巻き付けられ、該ボビンの上下端部外周面がステンレス製の前記容器内部に熱伝導性接着剤にて接着されると共に、該ボビンの上下端部に前記温度センサが熱伝導性接着剤にて接着された請求項１記載の誘導加熱型液面レベルセンサ。
3. 前記電磁誘導加熱体は、１０℃乃至１５℃加熱するように設けられ、前記温度センサは、電磁誘導加熱体の上下が容器を介して放熱する状態を検知するように設けられた請求項１又は２記載の誘導加熱型液面レベルセンサ。
4. 前記電磁誘導加熱体から離れた位置に前記温度センサの回路部及び電磁誘導加熱体に通電する電源装置を収納したコントロールボックスを設け、前記電磁誘導加熱体が加熱されてから容器を介して放熱する状態を上下の温度センサが感知することにより、前記容器の周囲に液面が位置する状態、又は容器の周囲に液面がない状態、又は前記容器周囲の上下温度センサの間に液面が位置する状態の三つの状態を検知するように設けられた請求項１乃至３いずれか記載の誘導加熱型液面レベルセンサ。

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