JP2011188808A

JP2011188808A - 水槽用ヒーターの空焚き防止装置

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Publication number: JP2011188808A
Application number: JP2010057739A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Itojima; 広宣糸島; Moriaki Toyoda; 守亮豊田
Original assignee: Kyoei Aqua Tech Co Ltd
Current assignee: Kyoei Aqua Tech Co Ltd
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】小型でかつ安価でありながら、ヒーター41の空焚きを効果的に防止する。
【解決手段】屈折体52が水中から空気中に露出すると、発光素子55からの光が境界平面52ｂ、52ｃで全反射し受光素子57に受光されるが、このとき、制御手段63により通電制御素子19を制御して通電線42、43における通電を遮断し、ヒーター41の空焚きを防止する。このとき、浮子のような可動体は不要であるため、装置を容易に小型化することができ、また、水槽11の水に塵埃、汚れが含まれていても、光の進路に影響を及ぼすことはないため、空焚きを確実に検出することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、水槽内の水を加熱する水槽用ヒーターの空焚きを防止する空焚き防止装置に関する。

従来の水槽用ヒーターの空焚き防止装置としては、例えば以下の特許文献１、２に記載されているようなものが知られている。

特開平８−２６６１８７号公報特開平１０−０１４４３９号公報

前記特許文献１に記載のものは、水中ヒーターを取り付けた水槽に浮子を浮かべるとともに、水槽の水の流出等により水位が低下し、該浮子が所定位置より低下した時、該浮子を検知する水位センサを設け、該水位センサの検知信号により水中ヒーターをオフすることで空焚きを防止するようにしたものである。一方、前記特許文献２に記載のものは、水中に設置され、信号（交流電流）を出力する出力電極と、水中において出力電極から離れて設置され、水中を伝達してきた出力電極からの信号が入力される入力電極と、水槽の水の流出等により、入力電極への信号入力がなくなったとき、水槽に異常状態（空焚き）が発生したと判定する判定回路とを備えたものである。

しかしながら、特許文献１に記載のような空焚き防止装置にあっては、水位に追従して昇降する浮子が必要となるため、装置が大型化するとともに、塵埃等により浮子の昇降が阻害されたときには空焚きが検出不能となり、信頼性に欠けるという課題があった。一方、特許文献２に記載のような空焚き防止装置にあっては、交流発振回路、コンパレータ回路が必要であるため、高価となるとともに、純水（不純物溶解度20 ppm以下）の場合には、信号が水中を流れないため、空焚きが検出不能となり、さらに、水槽の水が汚れてきたり、信号に含まれている直流成分により電極に電蝕が生じると、空焚きが検出不能となり、信頼性に欠けるという課題があった。

この発明は、小型でかつ安価でありながら、空焚きを確実に防止することができる水槽用ヒーターの空焚き防止装置を提供することを目的とする。

このような目的は、水槽内の水を加熱するヒーターに接続された通電線に設けられ、ヒーターに対する通電を制御する通電制御素子と、平坦な境界平面を外表面に有し、透明な固体材料から構成された屈折体と、屈折体が水中にあるときには屈折体の境界平面を屈折透過する一方、屈折体が空気中にあるときには境界平面で全反射する光を境界平面に向かって照射する発光素子と、前記境界平面で全反射した光を受光することができる受光素子と、前記境界平面を光が屈折通過することで受光素子が光を受光できないとき、前記通電制御素子を制御し通電線に通電させる一方、前記受光素子が境界平面で全反射した光を受光したとき、前記通電制御素子を制御し通電線における通電を遮断する制御手段とを備えることにより、達成することができる。

この発明においては、浮子のような可動体が不要であるため、装置を容易に小型化することができ、また、水槽の水が純水であったり、あるいは、水槽の水に塵埃、汚れが含まれていても、光の進路に影響を及ぼすことはないため、空焚きを確実に防止することができる。さらに、高価な交流発振回路、コンパレータ回路は不要であるため、製作費を安価とすることもできる。

また、請求項２に記載のように構成すれば、屈折体が水中にあるときには、発光素子からの光は境界平面を確実に屈折透過し、一方、空気中にあるときには、発光素子からの光を境界平面で確実に全反射させることができ、空焚きを確実に防止することができる。さらに、請求項３に記載のように構成すれば、市販のプリズムが使用可能で、しかも、発光、受光素子の設置作業も容易となり、装置の製作費を容易に安価とすることができる。また、請求項４に記載のように構成すれば、ヒーターが空気中に位置しているか否かを追加判定することができるため、空焚きを二重で防止することができる。

この発明の実施形態１を示す一部破断正面図である。その回路図である。検出ユニットの正面断面図である。図３のＩ−Ｉ矢視断面図である。この発明の実施形態２を示すヒーターの回路図である。

以下、この発明の実施形態１を図面に基づいて説明する。
図１〜４において、11は観賞魚、甲殻類等の飼育を行う水槽であり、この水槽11内には所定量の水（淡水、海水）Ｗが貯留されている。12、13は前記水槽11から離れて設置された一対の基端側通電線であり、これら基端側通電線12、13の基端には商用交流電源に接続されるプラグ14が連結され、一方、これら基端側通電線12、13の先端には出力ソケット15が連結されている。

16は水温の設定を行う水温設定器17が設けられるとともに、前記水槽11外に設置された制御ユニット18のケースであり、このケース16内を前記基端側通電線12、13の途中が通過している。19は水槽11外、詳しくは前記ケース16に設置されたトライアック、ＳＣＲ等からなる通電制御素子であり、この通電制御素子19はケース16内を通過している部位の基端側通電線12または基端側通電線13、ここでは基端側通電線12に設けられ、後述のヒーターに対する通電を制御する。20は水Ｗに沈められている検出ユニットであり、この検出ユニット20は略有底円筒状のケース21を有し、このケース21の基端開口はキャップ22によって閉止されている。

この結果、これらケース21、キャップ22により密閉された空間24が画成されるが、この空間24内でその基端部には仕切板25が設置されるとともに、シリコンゴム等からなる充填材26が充填されている。前記仕切板25より先端側の空間24内には軸方向に延びる仕切板27が設置され、また、前記空間24の先端部にはシリコンゴム等からなる充填材28が充填されている。そして、この充填材28にはサーミスタ等から構成されケース21の内面に密着している検出センサ30が埋設され、この検出センサ30は該ケース21を通じて前記水Ｗの水温を検出し、その検出信号をケース16に収納された第１電圧比較回路31に出力する。

ここで、前記第１電圧比較回路31には前記検出センサ30からの検出信号の他に、前記水温設定器17からの設定信号も入力されるが、このように検出、設定信号が第１電圧比較回路31に入力されると、該第１電圧比較回路31は検出センサ30からの検出信号（検出温度）と水温設定器17からの設定信号（設定温度）とを比較し、検出温度が設定温度未満である場合には、この比較結果に基づき第１電圧比較回路31に接続されているインバーター回路32から通電制御素子19にゲート電流を出力して通電制御素子19を導通状態とする一方、検出温度が設定温度以上となると、通電制御素子19に対するインバーター回路32からのゲート電流の出力を停止させ、該通電制御素子19を遮断状態とする。なお、33は直流定電圧を生じさせる直流電源回路である。

36、37は一対の先端側通電線であり、これら先端側通電線36、37の基端には、前記出力ソケット15に差し込まれると結合し、引き抜かれると分離する入力プラグ38が設けられている。また、前記先端側通電線36、37の先端間には、通電されたとき大量の熱を発熱して水槽11内の水Ｗの温度を上昇させる発熱体39が設けられ、この発熱体39は、例えばニクロム線、鉄クロム線から構成されている。そして、前記発熱体39および先端側通電線36、37の先端部は絶縁砂と共にセラミック、石英ガラス等からなるケース40内に密閉収納されている。

前述した発熱体39、ケース40は全体として、水槽11の水Ｗに埋設され、該水Ｗを加熱するヒーター41を構成する。また、前述した基端側通電線12、13および先端側通電線36、37は全体として、前記ヒーター41に接続された一対の通電線42、43を構成するが、該通電線42、43の途中、ここでは通電線42の途中に、ヒーター41に対する通電を制御する前記通電制御素子19が設けられている。

ここで、前記ケース21は少なくとも軸方向中央部、この実施形態では全体が透明な固体材料から構成されているとともに、仕切板25より先端側内面には内面が平坦面である蒲鉾形の厚肉部46が一体形成されている。ここで、前述した透明な固体材料としては、アクリル、スチロール、ポリカーボネート、硬質塩化ビニル、ＡＳ樹脂等の透明プラスチックあるいはガラス等を挙げることができる。また、前記ケース21の外周で充填材28と重なり合う部位には蒲鉾形の切り欠き47が形成され、この切り欠き47の底面は前記厚肉部46の内面と平行である。

前記仕切板25と切り欠き47との間のケース21（厚肉部46）の外周には断面略ハの字形をした一対の切り欠き50、51が形成され、この結果、該ケース21（厚肉部46）の外周には断面が直角二等辺三角形で、その底面（底辺）52ａが厚肉部46の内面に平行な軸方向に延びる屈折体（プリズム）52が一体形成される。そして、この屈折体52は外表面に二等辺三角形の頂点に連続する一対の傾斜した平坦な境界平面52ｂ、52ｃを有するが、これらの境界平面52ｂ、52ｃは外部（通常は水Ｗであるが、水Ｗが漏出した場合には空気）に露出している。

55は前記仕切板25と充填材28との間の空間24内に収納されるとともに、仕切板27に取り付けられたＬＥＤ（発光ダイオード）、豆電球、ネオン管等の発光素子であり、この発光素子55は屈折体52の底面52ａに対向して配置されるとともに、通電されたとき発光する。ここで、該発光素子55から発光された光の光軸は屈折体52の底面52ａに対して直角であり、この結果、該光は底面52ａを透過する際、屈折することなく直進し、屈折体52の境界平面52ｂに対し45度の入射角で入射する。

このように境界平面52ｂに入射される光の入射角が45度である一方、境界平面52ｂの外部（水槽11内）が空気（屈折率1.0003）であるとき、屈折体52の屈折率が 1.41未満であると、前記光は外部が水Ｗであっても境界平面52ｂを屈折透過するため、検出ユニット20（屈折体52）が水中あるいは空気中のいずれに露出しているかを検出することができないが、屈折体52の屈折率を 1.41以上とすれば、検出ユニット20（屈折体52）が水中にあるときには、前記光は境界平面52ｂを屈折透過し、空気中に露出したときには、境界平面52ｂにおいて全反射するため、検出ユニット20（屈折体52）が水中にあるか、空気中に露出するようになったかを容易かつ確実に検出することができ、検出ユニット20の空焚きを確実に防止することができる。

但し、境界平面52ｂに入射される光の入射角が45度である一方、境界平面52ｂの外部（水槽11内）が海水（屈折率 1.343）Ｗであるとき、屈折体52の屈折率が 1.90を超えていると、前記光は境界平面52ｂで常に全反射するようになり、検出ユニット20（屈折体52）が水中にあるか否かも検出できなくなるため、前記屈折体52の屈折率は 1.90以下とすることが好ましい。なお、淡水Ｗの屈折率は海水Ｗの屈折率より低く、1.333である。

このように屈折体52を屈折率が1.41〜1.90の範囲内の材料から構成すれば、検出ユニット20（屈折体52）が空気中にあるときには、発光素子55からの光を境界平面52ｂで確実に全反射させることができ、一方、水中（海水を含む）にあるときには、光は境界平面52ｂを確実に屈折透過することになるため、ヒーター41の空焚きを確実に検出することができる。ここで、屈折率が前述の範囲内にある透明な固体材料としては、例えば、アクリル（1.49）、スチロール（1.59〜1.60）、ポリカーボネート（ 1.586）、硬質塩化ビニル（1.52〜1.56）、ＡＳ樹脂（1.56〜1.57）等の透明プラスチック、あるいは、ガラス（1.45〜1.55）を挙げることができる。

そして、前述のように境界平面52ｂにおいて光が全反射すると、該光は屈折体52内を直進して境界平面52ｃに45度の入射角で入射するが、このとき、境界平面52ｃの外部は境界平面52ｂの外部と同一環境であるので、前記光は境界平面52ｃにおいて全反射し底面52ａを直角に透過する。なお、前述の境界平面52ｃは光を常時反射するようにしてもよく、この場合には、境界平面52ｃの外表面にアルミニウム蒸着を施し鏡面とすることが考えられる。

57は前記発光素子55の側方の空間24内に収納されるとともに、仕切板27に取り付けられたフォトトランジスタ、フォトダイオード等の受光素子であり、この受光素子57は前記底面52ａを透過した光の光軸上に設置されている。このように受光素子57に境界平面52ｂ、52ｃにおいて全反射した光が入射されると、該受光素子57はオンして０Ｖの検出信号を前記ケース16に収納された第２電圧比較回路59に出力する。一方、前記境界平面52ｂにおいて光が屈折透過すると、受光素子57には光は入射されないが、このとき、該受光素子57はオフとなって＋５Ｖの検出信号を前記第２電圧比較回路59に出力する。

ここで、前記第２電圧比較回路59には前記受光素子57からの検出信号の他に、ケース16に設けられた設定器60から設定信号が入力されるが、このような検出、設定信号が第２電圧比較回路59に入力されると、該第２電圧比較回路59は検出、設定信号を比較し、屈折体52が水中に位置して受光素子57がオフとなっているときには、この比較結果に基づき第２電圧比較回路59に接続されている前記インバーター回路32からゲート電流を出力して通電制御素子19を導通状態とする一方、屈折体52が空気中に位置して受光素子57がオンとなっているときには、通電制御素子19に対するインバーター回路32からのゲート電流の出力を停止させ、該通電制御素子19を遮断状態とする。

前述した第２電圧比較回路59、設定器60、インバーター回路32は全体として、水槽11外に設置され、境界平面52ｂを光が屈折通過することで受光素子57が光を受光できないときには、前記通電制御素子19を制御し通電線42、43に通電させる一方、受光素子57が境界平面52ｂ（52ｃ）で全反射した光を受光したときには、前記通電制御素子19を制御し通電線42、43における通電を遮断する制御手段63を構成する。

このように水槽11の破損等により水槽11内の水Ｗが減少して検出ユニット20の屈折体52が空気中に露出するようになると、受光素子57、制御手段63がヒーター41の空焚きを検出してインバーター回路32により通電制御素子19を遮断状態とし発熱体39への通電を停止する。これにより、ヒーター41が通電中であっても空焚きとなる事態が効果的に防止される。このとき、従来技術のような可動体（浮子）は不要であるため、装置を容易に小型化することができ、また、水槽11の水Ｗが純水であったり、あるいは、該水Ｗに塵埃、汚れが含まれていても、前記光の進路に影響を及ぼすことはないため、空焚きを確実に防止することができ、信頼性が向上する。さらに、高価な交流発振回路、コンパレータ回路は不要であるため、製作費を安価とすることもできる。

なお、この実施形態においては、屈折体52をケース21に一体形成したが、この発明においては、プリズムを透明接着剤を用いてケース21に接着することで、屈折体52をケース21に設けるようにしてもよい。また、前述のように屈折体52を断面が直角二等辺三角形のプリズムから構成するとともに、発光素子55から発光された光の光軸を底面52ａに対して直角とすれば、市販のプリズムが使用可能で、しかも、発光、受光素子55、57の設置作業も容易となり、装置の製作費を容易に安価とすることができる。

さらに、この発明においては、前記検出ユニット20に、上下に離れた複数セット、例えば２セットの屈折体52、発光素子55、受光素子57を配置し、各セットからの検出信号を基に水Ｗの供給バルブを開閉すれば、水槽11における水量（水位）をほぼ一定に制御することができる。また、この発明においては、直角二等辺三角形をした屈折体52の底面52ａを外部に露出する一方、発光素子55を境界平面52ｂに対向して配置するとともに、受光素子57を境界平面52ｃに対向して配置し、底面52ａにおいて光が屈折透過するか、全反射するかで空焚きを検出防止するようにしてもよい。さらに、この発明においては、屈折体は外表面に発光素子からの光が入射する少なくとも１個の境界平面を有していればよく、その形状に特に制限はない。

次に、前記実施例１の作用について説明する。
今、プラグ14は商用交流電源のコンセントに、また、入力プラグ38は出力ソケット15にそれぞれ差し込まれており、検出ユニット20およびヒーター41は観賞魚の飼育を行う水槽11の水Ｗに埋没されているとする。このとき、検出センサ30が前記水Ｗの水温を検出して、該水温に対応する検出信号を第１電圧比較回路31に出力し、一方、水温設定器17は飼育者が設定した設定温度（目標温度）に対応する設定信号を前記第１電圧比較回路31に出力する。

この結果、第１電圧比較回路31は検出センサ30からの検出信号（検出温度）と水温設定器17からの設定信号（設定温度）とを比較するが、このとき、前記検出水温が設定温度未満である場合には、インバーター回路32から通電制御素子19にゲート電流が出力されるため、通電制御素子19が導通状態となって発熱体39に通電され、該発熱体39が発熱して水Ｗが加熱される。そして、水Ｗの水温が上昇し、検出温度が設定温度（目標温度）以上となると、第１電圧比較回路31はインバーター回路32からのゲート電流の出力を停止させる。この結果、通電制御素子19は遮断状態となり発熱体39への通電が停止する。このようにして水Ｗの水温が水温設定器17の設定温度にコントロールされる。

このとき、検出ユニット20の屈折体52は水中（屈折率1.333〜1.343）に位置しているため、発光素子55から発光された光は底面52ａを透過して直進し、境界平面52ｂに対し45度の入射角で入射した後、該境界平面52ｂを屈折透過し外部（水中）に出て行く。この結果、受光素子57は発光素子55からの光が入射されずオフとなって＋５Ｖの検出信号を第２電圧比較回路59に出力する。このとき、第２電圧比較回路59は該受光素子57からの検出信号と設定器60からの設定信号とを比較することで検出ユニット20（屈折体52）が水中にあると判定し、インバーター回路32からゲート電流を通電制御素子19に出力して該通電制御素子19を導通状態とし、前記水Ｗの水温は通常通り設定温度にコントロールされる。

ここで、水槽11の破損等により水槽11内の水Ｗが減少して検出ユニット20の屈折体52が空気中に露出すると、屈折体52の周囲の屈折率が1.0003まで低下するため、発光素子55から発光された光は境界平面52ｂ、52ｃにおいて次々と全反射した後、受光素子57に入射される。この結果、該受光素子57はオンとなって０Ｖの検出信号を第２電圧比較回路59に出力するが、このとき、第２電圧比較回路59は該受光素子57からの検出信号と設定器60からの設定信号とを比較することにより、検出ユニット20（屈折体52）が空気中にあると判定し、通電制御素子19に対するインバーター回路32からのゲート電流の出力を停止させ、該通電制御素子19を遮断状態とする。これにより、発熱体39への通電が停止され、ヒーター41が空焚きとなる事態が効果的に防止される。

図５は、この発明の実施形態２を示す図である。前述の実施形態１においては、ヒーター41のケース40内に発熱体39および絶縁砂を収納していたが、この実施形態においては、水中に沈められるヒーター66のケース67内に、発熱体39および絶縁砂に加え、ヒーター66（発熱体39）に対し通電制御を行う副通電制御素子68を収納している。ここで、前記副通電制御素子68は前述の通電制御素子19と同様のもので、通電線42、43の途中、ここではケース67内に位置している先端側通電線36の途中に設けている。また、前記ケース67には透明な固体材料からなり、前記屈折体52と同様の構成をした断面が直角二等辺三角形の副屈折体（プリズム）69が設けられ、この副屈折体69の底面69ａに対向する位置には、前記発光素子55と同様の構成をし、前記副屈折体69の境界平面69ｂに向かって光を照射する副発光素子70が設置されている。

ここで、前記ヒーター66が水中にあるときには、副発光素子70から照射された光は境界平面69ｂを屈折通過するが、前記ヒーター66が空気中にあると、副発光素子70から照射された光は境界平面69ｂ、69ｃのいずれにおいても全反射して底面69ａに戻ってくる。71は前記副発光素子70の側方に設置され前記受光素子57と同様の構成をした副受光素子であり、この副受光素子71は光が入射されるとオンとなって０Ｖの検出信号を、ケース67に収納され、前記第２電圧比較回路59と同様の構成をした副電圧比較回路72に出力し、一方、光が入射されないときは、オフとなって＋５Ｖの検出信号を前記副電圧比較回路72に出力する。

そして、前記副電圧比較回路72には副受光素子71からの検出信号の他に基準信号が入力されるため、該副電圧比較回路72はこれら検出信号と基準信号とを比較し、副屈折体69が水中に位置して副受光素子71がオフとなっているときには、この比較結果に基づき前記インバーター回路32と同様の構成をした副インバーター回路73からゲート信号を出力して副通電制御素子68を導通状態とする一方、副屈折体69が空気中に位置して副受光素子71がオンとなっているときには、副通電制御素子68に対する副インバーター回路73からのゲート電流の出力を停止させ、該副通電制御素子68を遮断状態とする。前述した副電圧比較回路72、副インバーター回路73は全体として、前記制御手段63と同様の構成で、副通電制御素子68を制御する副制御手段74を構成する。なお、75は直流電源回路である。

そして、水槽11の破損によりヒーター66（副屈折体69）が空気中に露出したり、水槽11を清掃する際、誤ってヒーター66（副屈折体69）を空気中に引き上げると、副制御手段74がヒーター66の空焚きを検出して副インバーター回路73により副通電制御素子68を遮断状態とし発熱体39への通電を停止する。これにより、ヒーター66が通電中であっても空焚きとなる事態が効果的に防止される。なお、検出ユニット20の屈折体52が空気中に先に露出した場合には、制御手段63は通電制御素子19を遮断状態とし、発熱体39への通電を先に停止させる。

このように、この実施形態では、ヒーター66が空気中に位置しているか否かをヒーター66においても追加判定することができるため、空焚きを二重で防止することができる。ここで、この実施形態でも前記実施形態１と変わらず、通電制御素子19および制御手段63は水槽11の外部（制御ユニット18）に設置されている。なお、この発明においては、前記副屈折体69、副発光素子70、副受光素子71をヒーター66のケース67ではなく、ケース67から若干離れているものの、水中に位置している先端側通電線36、37の途中に設けるようにしてもよい。

この発明は、水槽内の水を加熱する水槽用ヒーターの空焚きを防止する産業分野に適用できる。

11…水槽 19…通電制御素子
41…ヒーター 42、43…通電線
52…屈折体 52ａ…底面
52ｂ…境界平面 55…発光素子
57…受光素子 63…制御手段
66…ヒーター 68…副通電制御素子
69…副屈折体 69ｂ…境界平面
70…副発光素子 71…副受光素子
74…副制御手段Ｗ…水

Claims

水槽内の水を加熱するヒーターに接続された通電線に設けられ、ヒーターに対する通電を制御する通電制御素子と、平坦な境界平面を外表面に有し、透明な固体材料から構成された屈折体と、屈折体が水中にあるときには屈折体の境界平面を屈折透過する一方、屈折体が空気中にあるときには境界平面で全反射する光を境界平面に向かって照射する発光素子と、前記境界平面で全反射した光を受光することができる受光素子と、前記境界平面を光が屈折通過することで受光素子が光を受光できないとき、前記通電制御素子を制御し通電線に通電させる一方、前記受光素子が境界平面で全反射した光を受光したとき、前記通電制御素子を制御し通電線における通電を遮断する制御手段とを備えたことを特徴とする水槽用ヒーターの空焚き防止装置。
前記屈折体の境界平面に入射される光の入射角が45度であるとき、屈折体の屈折率を1.41〜1.90の範囲内とした請求項１記載の水槽用ヒーターの空焚き防止装置。
前記屈折体を断面が直角二等辺三角形のプリズムから構成するとともに、発光素子から発光された光の光軸を屈折体の底面に対して直角とした請求項１または２記載の水槽用ヒーターの空焚き防止装置。
前記通電制御素子および制御手段を水槽外に設置する一方、水中に沈められるヒーター内に通電制御を行う副通電制御素子、および、該副通電制御素子を制御する副制御手段を配置するとともに、ヒーターまたは水中に位置している通電線の途中に、透明な固体材料からなる副屈折体、該副屈折体の境界平面に光を照射する副発光素子、および、前記副屈折体の境界平面で全反射した光を受光することができる副受光素子を設けた請求項１記載の水槽用ヒーターの空焚き防止装置。