JP4668661B2 - 水槽の水温制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、観賞魚等を飼育する水槽の水温を制御する水温制御装置に関する。

従来の水槽の水温制御装置としては、例えば以下の特許文献１に記載されているようなものが知られている。
特開平１０−１４４３９号公報

このものは、基端に交流電源に接続されるプラグが連結され、先端間に通電されたとき発熱して水槽内の水の温度を上昇させる発熱体が設けられた一対の通電線と、前記通電線に設けられ、入力されるゲート電流に基づいて通電線における通電状態を制御するトライアックと、水槽内の水温を検出する水温検出センサと、水温検出センサからの検出結果に基づいてトライアックにゲート電流を出力することができる制御回路とを備えたものである。そして、前述の制御回路としては、通常、安価でノイズの少ない市販のゼロクロスパルス（交流電圧の零点付近で同期パルスを発生する）駆動回路が用いられている。

しかしながら、このような従来の水槽の水温制御装置にあっては、トライアック、制御回路等が故障をして発熱体に対し通電を継続した状態のまま制御不能となったとき、人が気付くまでは何等の対処も行うことができず、この結果、水温が異常温度まで上昇して観賞魚等を死なせてしまうことがあるという課題があった。

このため、前記トライアックより先端側の通電線に、前述と同様のトライアック、水温検出センサ、制御回路を追加し、これら追加したトライアック等によって、前述のような既存トライアック等の故障時における通電線の通電状態を制御することも考えられる。しかしながら、このように単にトライアックを直列接続で追加した場合には、追加したトライアック等が遮断状態時に数十ＭΩ程度の非常に大きなインピーダンス値を有しているため、既存トライアックにパルス制御のゲート電流（同期パルス）を入力しても、通電線には既存トライアックの保持電流（数百ｍＡ以上）より著しく低い数μＡ程度の電流しか流れず、この結果、既存トライアックは作動しなくなって水温制御が全くできなくなってしまうのである。

この発明は、２個のサイリスタを直列接続した場合、正常、異常時のいずれにおいても安全に水温制御をすることができる水槽の水温制御装置を提供することを目的とする。

このような目的は、基端に交流電源に接続されるプラグが連結され、先端間に通電されたとき発熱して水槽内の水の温度を上昇させる主発熱体が設けられた一対の通電線と、前記通電線に設けられ、入力されるゲート電流に基づいて通電線における通電状態を制御する基端側サイリスタと、前記基端側サイリスタより先端側の通電線に設けられ、入力されるゲート電流に基づいて通電線における通電状態を制御する先端側サイリスタと、水温をそれぞれ検出する基端側および先端側検出センサと、基端側検出センサからの検出結果に基づいて基端側サイリスタにパルス制御によるゲート電流を出力することができる基端側制御部と、先端側検出センサからの検出結果に基づいて先端側サイリスタにゲート電流を出力することができる先端側制御部と、基端側サイリスタと先端側サイリスタとの間の一対の通電線を接続する接続線の途中で、主発熱体の近傍に設けられ、通電により発熱しながら基端側サイリスタに保持電流以上の電流を流させるとともに、消費電力が主発熱体の消費電力より小である副発熱体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、基端側サイリスタと先端側サイリスタとの間の一対の通電線を接続する接続線の途中に、通電により基端側サイリスタに保持電流以上の電流を流させる副発熱体を設けたので、基端側サイリスタは、基端側制御部からゲート電流が入力されると、該ゲート電流がパルス制御されたものであっても、保持電流以上の電流が流れて導通状態を維持し、水温制御装置が正常に作動するようになる。この結果、基端側、先端側サイリスタは基端側、先端側制御部によりそれぞれ導通、遮断状態が制御され主発熱体による水温制御が行われる。このとき、副発熱体も主発熱体と同様に発熱するが、この副発熱体を主発熱体の近傍に配置したので、先端側検出センサに対する熱影響は小さく、これにより、水温の制御を高精度に維持することができる。

また、基端側、先端側のサイリスタ、検出センサ、制御部のいずれかが故障して、基端側または先端側サイリスタが導通状態のまま制御不能となっても、残りのサイリスタが正常に作動するため、安全に水温制御を行うことができる。ここで、基端側サイリスタが通電を継続したまま制御不能となったときには、副発熱体は常時通電されて発熱するが、副発熱体の消費電力を主発熱体の消費電力より小としたので、副発熱体からの発熱量が抑えられ、水温の異常上昇を抑制することができる。

さらに、請求項２に記載のように構成すれば、基端側サイリスタを基端側制御部によって確実に制御することができるとともに、水温の温度制御を正確なものとすることができる。
また、請求項３に記載のように構成すれば、基端側のサイリスタ等あるいは先端側のサイリスタ等のいずれかが故障したとき、故障側のサイリスタ等を交換するだけで対処することができる。しかも、先端側のサイリスタ、検出センサ、制御部および主、副発熱体はヒータユニットとしてユニット化し市販することができるため、これをそのまま使用することもできる。
さらに、請求項４に記載のように構成すれば、先端側検出センサとして精度の低い安価なものを用いることができるとともに、先端側サイリスタは切換え動作回数が少ないため、故障し難く、確実にリミッターとして機能させることができる。

以下、この発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１、２において、11は観賞魚の飼育等を行う水槽であり、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の先端には基端側コネクタ片としての出力ソケット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は前記ケース16に内蔵されトライアック、ＳＣＲ等の電力制御素子から構成、ここではトライアックから構成された基端側サイリスタであり、この基端側サイリスタ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13、ここでは基端側通電線12に設けられ、後述のゲート電流に基づいて基端側通電線12、13における通電状態を制御する。

21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21のケース22にはサーミスタ等から構成され、前記水Ｗの水温を検出する基端側検出センサ23が内蔵されている。この基端側検出センサ23と前記ケース16に内蔵された比較回路24とは接続線25により接続され、また、この比較回路24には前記水温設定器17および前記基端側サイリスタ19にゲート電流を出力するゲート回路27が接続されている。ここで、ゲート回路27としては、正弦波の交流電圧がゼロ電圧ラインと交わる零点付近で基端側サイリスタ19に対しゲート電流（同期パルス）を出力させる、安価でノイズの少ない市販のゼロクロスパルス駆動回路を用いている。なお、26は直流定電圧を生じさせる直流電源回路である。

そして、比較回路24に水温設定器17からの設定信号および基端側検出センサ23からの検出信号が入力されると、該比較回路24は基端側検出センサ23が検出した温度と水温設定器17によって設定された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、前記ゲート回路27から基端側サイリスタ19にゲート電流を出力して基端側サイリスタ19を導通状態とする一方、検出温度が設定温度を超えると、ゲート電流の出力を停止させ、基端側サイリスタ19を遮断状態とする。

前述した水温設定器17、比較回路24、ゲート回路27は全体として、基端側検出センサ23からの検出結果に基づいて基端側サイリスタ19にパルス制御によるゲート電流を出力することができる基端側制御部29を構成し、また、ケース16、基端側サイリスタ19、直流電源回路26、基端側制御部29は全体として、前記制御ユニット18を構成する。31は検出ユニット21のケース22に内蔵されている補助ヒーターであり、この補助ヒーター31は前記基端側検出センサ23の近傍に設置されている。そして、この補助ヒーター31には、電源投入以後、常時小電力が通電されているため、該補助ヒーター31からは若干の熱量が放熱されている。

34、35は一対の先端側通電線であり、これら先端側通電線34、35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結合分離可能な先端側コネクタ片としての入力プラグ36が設けられ、一方、その先端間には、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主発熱体としての主電熱線37が設けられている。そして、これら先端側通電線34、35の先端部（主電熱線37を含む）は水槽11の水Ｗに沈められているヒータユニット38のケース39内に密封収納されている。

前記ケース39内には外部から設定温度を調節することができる水温設定器40が収納され、この水温設定器40の設定温度は前記水温設定器17の設定温度（飼育に適した目標温度）より若干高温、例えば水温設定器17の設定温度が２６度Ｃであるとき、水温設定器40の設定温度を３６度Ｃ程度としている。41はケース39内に収納されトライアック、ＳＣＲ等から構成、ここではトライアックから構成された先端側サイリスタであり、この先端側サイリスタ41はケース39内に位置している部位の先端側通電線34または35、ここでは先端側通電線34に設けられ、後述のゲート電流に基づいて先端側通電線34、35における通電状態を制御する。

44は前記ケース39内に収納されサーミスタ等から構成された先端側検出センサであり、この先端側検出センサ44はケース39の内面に密着配置され、ケース39を介して水Ｗの水温を検出する。45はケース39に内蔵され、前記水温設定器40および先端側検出センサ44が接続された比較回路であり、この比較回路45には前記先端側サイリスタ41にゲート電流を出力するゲート回路47が接続されている。ここで、ゲート回路47としては前述と同様のゼロクロスパルス駆動回路を用いることができる。なお、46は直流定電圧を生じさせる直流電源回路である。

そして、比較回路45に水温設定器40からの設定信号および先端側検出センサ44からの検出信号が入力されると、該比較回路45は先端側検出センサ44が検出した温度と水温設定器40によって設定された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、前記ゲート回路47から先端側サイリスタ41にゲート電流を出力して先端側サイリスタ41を導通状態とする一方、検出温度が設定温度を超えると、ゲート電流の出力を停止させ、先端側サイリスタ41を遮断状態とする。

前述した水温設定器40、比較回路45、ゲート回路47は全体として、先端側検出センサ44からの検出結果に基づいて先端側サイリスタ41にゲート電流を出力することができる先端側制御部48を構成する。このように基端側、先端側サイリスタ19、41は直列接続されるとともに、基端側、先端側制御部29、48によりそれぞれ導通、遮断状態が制御され、主電熱線37による水温制御を行う。

ここで、前述のように水温設定器17の設定温度を飼育に適する目標温度とし、水温設定器40の設定温度を水温設定器17の設定温度より若干高温とすれば、基端側制御部29によって通常の水温制御を行う一方、基端側サイリスタ19、基端側制御部29等が故障をして主電熱線37に通電され続け水Ｗの水温が高温となるときには、先端側制御部48によって主電熱線37への通電を停止させるリミット制御を行うことができる。

このようにヒータユニット38によってリミット制御を行う場合には、先端側検出センサ44として精度の低い安価なものを用いることができるとともに、先端側サイリスタ41は、導通、遮断の切換え動作回数が基端側サイリスタ19に比較して少なくなるため、故障し難く、確実にリミッターとして機能することができる。

51はケース39に内蔵されている補助ヒーターであり、この補助ヒーター51は前記先端側検出センサ44の近傍に設置されている。そして、この補助ヒーター51には、電源投入以後、常時小電力が通電されているため、該補助ヒーター51からは若干の熱量が放熱されている。

このように基端側検出センサ23を補助ヒーター31によって、また、先端側検出センサ44を補助ヒーター51によってそれぞれ常時加熱するようにすれば、水Ｗが消失したときの空焚き（気中通電）を２重に防止することができる。また、このような基端側検出センサ23、先端側検出センサ44は検出ユニット21、ヒータユニット38が水Ｗに再び沈められれば、水温まで温度が低下して正常状態に自動復帰するため、繰り返し空焚きを防止することができる。前述した主電熱線37、ケース39、先端側サイリスタ41、先端側検出センサ44、直流電源回路46、先端側制御部48、補助ヒーター51および後述する副電熱線61は全体として、前記ヒータユニット38を構成し、このようなヒータユニット38はユニット化された状態で市販することができる。

前述した基端側通電線12、13、先端側通電線34、35は全体として、基端にプラグ14が連結され、先端間に主電熱線37が設けられた一対の通電線54、55を構成するが、これら通電線54、55は前述のように基端側サイリスタ19と先端側サイリスタ41との間において切断されるとともに、基端側切断端（基端側通電線12、13においては先端）にコネクタ56の出力ソケット15が、先端側切断端（先端側通電線34、35においては基端）にコネクタ56の入力プラグ36が設けられており、この結果、このコネクタ56は出力ソケット15に入力プラグ36が差し込まれたとき結合し、出力ソケット15から入力プラグ36が引き抜かれると分離する。

そして、このような構造であると、基端側サイリスタ19等あるいは先端側サイリスタ41等のいずれかが故障したとき、故障側の制御ユニット18またはヒータユニット38を交換するだけで対処することができる。しかも、ヒータユニット38が市販されている場合には、これをそのまま使用することもできる。

60は基端側サイリスタ19と、この基端側サイリスタ19より先端側の通電線54、55に設けられた先端側サイリスタ41との間、ここでは入力プラグ36と先端側サイリスタ41との間の一対の通電線54、55（先端側通電線34、35）を接続する接続線であり、この接続線60はヒータユニット38のケース39内に収納されている。そして、この接続線60の途中には副発熱体としての副電熱線61が設けられ、この結果、該副電熱線61は主電熱線37、先端側サイリスタ41と並列に接続されることになる。

ここで、前記副電熱線61として、通電したとき発熱しながら基端側サイリスタ19に保持電流以上の電流を流させるものを用いており、この結果、基端側サイリスタ19は、基端側制御部29からゲート電流が入力されると、該ゲート電流がパルス制御された同期パルスであっても、保持電流以上の電流が流れて導通状態を維持し、水温制御装置が正常に作動するようになる。また、前記副電熱線61の消費電力は主電熱線37の消費電力より小であるが、これら主、副電熱線37、61の合計消費電力は、従来技術における発熱体の消費電力と実質上同一である。

ここで、前記通電線54、55に保持電流以上（数百ｍＡ以上）の電流が流れると、副電熱線61が主電熱線37と同様に発熱するが、該副電熱線61は水温を上昇させる際に発熱する主電熱線37の近傍に配置、即ち先端側検出センサ44から離隔した位置に配置されているため、先端側検出センサに44に対する熱影響は小さく、これにより、ヒータユニット38による水温の制御を高精度で維持することができる。

また、基端側サイリスタ19等が故障をして通電状態のまま制御不能となった場合に先端側制御部48がリミット制御を行って、主電熱線37への通電を遮断しても、副電熱線61は常時通電されて発熱し水温が上昇してしまうが、該副電熱線61の消費電力を主電熱線37の消費電力より小としたので、副電熱線61からの発熱量が抑えられ、水温の異常上昇を抑制することができる。

そして、前述の副電熱線61の消費電力の値は１５Ｗ〜３０Ｗの範囲内であることが好ましい。その理由は前記値が１５Ｗ未満であると、基端側サイリスタ19の種類によっては保持電流より小さな値の電流しか流れない場合があるからであり、一方、３０Ｗを超えると、副電熱線61からの発熱が主電熱線37による水温制御に影響を与え、水温の温度制御が不正確となってしまうからである。しかしながら、前述のように１５Ｗ〜３０Ｗの範囲内とすると、基端側サイリスタ19を基端側制御部29によって確実に制御することができるとともに、水温の温度制御を正確なものとすることができる。

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差し込まれており、検出ユニット21およびヒータユニット38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、基端側検出センサ23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比較回路24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比較回路24に出力する。

この結果、比較回路24は基端側検出センサ23が検出した温度と水温設定器17によって設定された設定温度とを比較するが、このとき、前記検出温度が設定温度未満である場合には、ゲート回路27から基端側サイリスタ19にゼロクロスパルス制御されたゲート電流（同期パルス）が出力される。この結果、基端側サイリスタ19が導通状態となり正、副電熱線37、61に通電されるが、このように副電熱線61に通電されると、基端側サイリスタ19に保持電流以上の電流が流れ、該基端側サイリスタ19が導通状態を維持する。

このとき、水温設定器40の設定温度は前述のように水温設定器17の設定温度より若干高温に設定されているため、先端側サイリスタ41には常時ゲート回路47からゲート信号が入力され、該先端側サイリスタ41は導通状態となっている。これにより、主電熱線37に通電されて該主電熱線37が発熱し、水Ｗを加熱する。このとき、副電熱線61にも通電されて該副電熱線61が発熱し水Ｗを加熱するが、この副電熱線61は主電熱線37の近傍、ここでは主電熱線37に隣接する位置に設けられているので、先端側検出センサ44に熱影響を与えることは殆ど無く、高精度で水温を制御することができる。

そして、水Ｗの水温が上昇し、基端側検出センサ23の検出温度が水温設定器17の設定温度（目標温度）を超えると、比較回路24はゲート回路27からのゲート電流の出力を停止させる。この結果、基端側サイリスタ19は遮断状態となり、主、副電熱線37、61への通電が遮断される。このように水槽11内の水Ｗは、正常時、基端側、先端側サイリスタ19、41の導通、遮断状態が基端側、先端側制御部29、48によりそれぞれ制御されることで、設定温度（目標温度）に制御され、観賞魚の飼育に適した環境が提供される。

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ているとき、制御ユニット18を構成する電子部品、例えば基端側サイリスタ19、基端側検出センサ23、基端側制御部29のいずれかが故障をして基端側サイリスタ19が導通状態のまま制御不能となる場合があるが、このように制御ユニット18が故障をしても、主、副電熱線37、61の連続加熱により水温設定器40の設定温度まで水温が上昇すると、故障をしていない残りの先端側サイリスタ41に対する先端側制御部48からのゲート信号出力が停止してリミット制御が行われ、主電熱線37に対する通電が遮断される。このとき、副電熱線61は通電が遮断されず発熱し続けることになるが、該副電熱線61の消費電力を主電熱線37の消費電力より小、詳しくは３０Ｗ以下としたので、発熱した副電熱線61による水温の異常上昇を効果的に抑制することができる。

図３はこの発明の実施例２を示す図である。この実施例においては、前記実施例１で説明した基端側検出センサ23、補助ヒーター31をヒータユニット38のケース39内に収納するとともに、コードを１本にまとめ、さらに、制御ユニット18（基端側サイリスタ19）とヒータユニット38（先端側サイリスタ41）との間において通電線54、55を切断せず、連続したものとしている。このようにすれば、構造が簡単となり、製作費も安価とすることができる。そして、この実施例２においては、主、副電熱線37、61から離隔した位置に基端側検出センサ23を配置する。

なお、前述の実施例においては、水温設定器17の設定温度を目標温度とすることで、基端側サイリスタ19、基端側制御部29により通常の水温制御を行い、一方、水温設定器40の設定温度を前記目標温度より若干高い温度とすることで、先端側サイリスタ41、先端側制御部48によってリミット制御を行うようにしたが、この発明においては、水温設定器17、40の設定温度を同一の目標温度とし、基端側サイリスタ19、基端側制御部29、先端側サイリスタ41、先端側制御部48によって通常の水温制御を２重で行うようにしてもよい。

この場合には、制御ユニット18、ヒータユニット38のいずれかが故障をしても、残りの正常な制御ユニット18、ヒータユニット38が通常の水温制御を行うため、水温を確実に目標温度に維持することができる。また、前述の実施例においては、先端側サイリスタ41の導通・遮断の切換え温度（水温設定器40の設定温度）を変更可能としたが、この発明においては、一定の温度（変更不能）であってもよい。さらに、前述の実施例においては、ゲート回路27、47をゼロクロスパルス駆動回路から構成したが、同期パルスの発生時期が交流電圧の零点付近から離れたパルス駆動回路から構成してもよい。

この発明は、水槽内の水の温度を制御する産業分野に適用できる。

この発明の実施例１を示す概略正面図である。 その回路を記号で表した回路図である。 この発明の実施例２を示す概略正面図である。

符号の説明

11…水槽 14…プラグ
15…基端側コネクタ片 19…基端側サイリスタ
23…基端側検出センサ 29…基端側制御部
36…先端側コネクタ片 37…主発熱体
41…先端側サイリスタ 44…先端側検出センサ
48…先端側制御部 54、55…通電線
60…接続線 61…副発熱体
Ｗ…水

Claims (4)

1. 基端に交流電源に接続されるプラグが連結され、先端間に通電されたとき発熱して水槽内の水の温度を上昇させる主発熱体が設けられた一対の通電線と、前記通電線に設けられ、入力されるゲート電流に基づいて通電線における通電状態を制御する基端側サイリスタと、前記基端側サイリスタより先端側の通電線に設けられ、入力されるゲート電流に基づいて通電線における通電状態を制御する先端側サイリスタと、水温をそれぞれ検出する基端側および先端側検出センサと、基端側検出センサからの検出結果に基づいて基端側サイリスタにパルス制御のゲート電流を出力することができる基端側制御部と、先端側検出センサからの検出結果に基づいて先端側サイリスタにゲート電流を出力することができる先端側制御部と、基端側サイリスタと先端側サイリスタとの間の一対の通電線を接続する接続線の途中で、主発熱体の近傍に設けられ、通電により発熱しながら基端側サイリスタに保持電流以上の電流を流させるとともに、消費電力が主発熱体の消費電力より小である副発熱体とを備えたことを特徴とする水槽の水温制御装置。
2. 前記副発熱体の消費電力を１５Ｗ〜３０Ｗの範囲内とした請求項１記載の水槽の水温制御装置。
3. 前記基端側サイリスタと先端側サイリスタとの間において一対の通電線を切断するとともに、基端側切断端にコネクタの基端側コネクタ片を、先端側切断端にコネクタの先端側コネクタ片を設け、基端側、先端側コネクタ片同士を結合分離可能とした請求項１記載の水槽の水温制御装置。
4. 前記基端側制御部によって通常の水温制御を行い、先端側制御部によって、水温が高温となったとき、通電を停止させるリミット制御を行うようにした請求項１記載の水槽の水温制御装置。

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