JP4937077B2

JP4937077B2 - 着霜検出装置

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Publication number: JP4937077B2
Application number: JP2007270498A
Authority: JP
Inventors: 彰守川; 智嗣上山; 裕之森本; 浩中田; 浩司山下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: JP2009097807A

Description

本発明は着霜検出装置に関し、特に、空調装置や冷凍装置等の熱交換器などに付着する霜を検出する着霜検出装置に関する。

従来行われている熱交換器のフィンに付着する霜の検出は、過去のデータなどにより予め時間設定したタイマーにより着霜ありと判定する方法や、サーミスタにより外気温度と冷媒温度の差が変化した場合に着霜があるとみなす方法や、サーミスタやサーモスタットにより一定温度に達したときにヒータをＯＦＦにする方法の他に、光を利用して着霜を直接検出する方法が存在する。

すなわち、光を利用する方法としては、発光素子から、投光レンズを介して、熱交換器のフィンの端面や着霜面に赤外光を照射し、反射した散乱光を受光して、出力から着霜を検出する方法や赤外光の代替として超音波を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１、２および３参照）。また、光を利用した測定の改良型として、発光素子一個と受光素子二個とした上で光路が二組となるように構成して、片方の光路の途中に透明な着霜体を備えて他方の光路には反射体を設けて、両者の差を比較して検出する方法が存在する（例えば、特許文献４参照）。

特開昭６１−２０８４５７号公報（全頁および第１図）特開平７−２６０２９５号公報（全頁および第１図）特開平８−６２３４１号公報（全頁および第１図）特開平１１-３２５７００号公報（全頁および第１図）

このような着霜検出装置にあっては、従来の光による検出方法は、光源としてハロゲンランプや発光ダイオードが使われているが、一般にハロゲンランプは寿命が５０００時間程度であり、連続点灯で使うには寿命が短く、従って、約半年で交換する必要がある等、メンテナンスの負荷が避けられないという問題点がある。また発光ダイオードはハロゲンランプより寿命が長く、一般に１００００時間以上であるが、それでも１年毎に交換する必要があるため、やはりメンテナンスの負荷は避けられないという問題点がある。また発光ダイオードの発光特性の劣化の他に、発光ダイオードの発光部分の汚れ付着による測定感度の劣化や、熱交換器に汚れが付着して霜以外の物質を検出するため、初期状態の着霜検出装置と経時劣化時の着霜検出装置の出力特性が異なるという問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、長期間にわたって使用しても、光源の劣化が少なく、光源の交換のメンテナンスの負荷を低減することが可能な着霜検出装置を得ることを目的としている。

この発明は、着霜する部材に向けて光を発する発光素子と、前記部材に付着した霜により反射した前記光を受光して、受光した前記光の光量に対応する電気信号を生成し出力する第一の受光素子とを有するセンサと、前記部材に付着した霜を除去するデフロスト部と、前記第一の受光素子からの電気信号を用いた演算を行う演算回路と、前記演算回路の演算結果に基づいて前記デフロスト部を制御する制御部とを有する制御装置とを備え、前記発光素子は間欠的に点灯して前記光を発し、前記制御装置は、前記第一の受光素子から出力される電気信号のうち、前記デフロスト部によるデフロスト動作時における前記発光素子の点灯時の電気信号と非点灯時の電気信号との差を取り、当該差に基づいて前記センサの異常検出を行い、異常を検出した場合に警報信号を出力する異常検出部をさらに有し、前記制御装置の前記演算回路は、前記第一の受光素子から出力される電気信号のうち、前記デフロスト部によるデフロスト動作終了時における前記発光素子の点灯時の電気信号と通常運転時の前記発光素子の点灯時の電気信号との差を求め、当該差を用いて前記演算を行うことを特徴とする着霜検出装置である。

この発明は、着霜する部材に向けて光を発する発光素子と、前記部材に付着した霜により反射した前記光を受光して、受光した前記光の光量に対応する電気信号を生成し出力する第一の受光素子とを有するセンサと、前記部材に付着した霜を除去するデフロスト部と、前記第一の受光素子からの電気信号を用いた演算を行う演算回路と、前記演算回路の演算結果に基づいて前記デフロスト部を制御する制御部とを有する制御装置とを備え、前記発光素子は間欠的に点灯して前記光を発し、前記制御装置は、前記第一の受光素子から出力される電気信号のうち、前記デフロスト部によるデフロスト動作時における前記発光素子の点灯時の電気信号と非点灯時の電気信号との差を取り、当該差に基づいて前記センサの異常検出を行い、異常を検出した場合に警報信号を出力する異常検出部をさらに有し、前記制御装置の前記演算回路は、前記第一の受光素子から出力される電気信号のうち、前記デフロスト部によるデフロスト動作終了時における前記発光素子の点灯時の電気信号と通常運転時の前記発光素子の点灯時の電気信号との差を求め、当該差を用いて前記演算を行うことを特徴とする着霜検出装置であるので、長期間にわたって使用しても、発光素子の劣化が少なく、発光素子の交換のメンテナンスの負荷を低減することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による着霜検出装置が設けられた冷凍機を上方から見た断面図である。図１に示すように、冷凍機１の本体は、冷凍庫２の内部に設置されている。冷凍機１の内部には、蒸発器として、熱交換器３および冷媒配管４が設置されている。熱交換器３は、図１に示すような、たくさんのフィン１１を有している。冷凍機１内部には、さらに、冷凍機１で発生した冷気を冷凍機１から冷凍庫２内へ送風するためのファン６と、フィン１１に付着した着霜を検出するセンサ７と、センサ７に後述する回路９から規定の電圧を供給するとともにセンサ７からの出力を後述する回路９に送信するためのケーブル８と、センサ７と後述するヒータ１０とに接続された回路９と、回路９の制御によりデフロスト運転時（霜取運転時）に熱交換器３を加温するためのヒータ１０とが設けられている。また冷凍庫２の外部には、冷媒配管４を介して、冷凍機１内の熱を外部に放熱する機能を持つ室外機５が設けられ、冷媒配管４に接続されている。具体的に図示しないが、室外機５は、圧縮機、凝縮器、液だめ、膨張弁から構成されている。当該構成において、冷却運転時には、冷媒配管４に冷媒が流れる。このとき、室外機５が凝縮器として作用し、熱交換器３および冷媒配管４が蒸発器として作用し、冷気が生成される。生成された冷気は、ファン６の動作により、図中矢印ａ−ａ’の方向に流れて、冷凍庫２内を冷却する。このとき、冷却運転を行うに従い、フィン１１とフィン１１の端面の表面に霜が次第に付着するので、それをセンサ７により検出して、霜を融かして除去するためのデフロスト運転を開始する。なお、デフロスト運転時には、冷却動作をいったん停止し、ヒータ１０を加温することにより、付着した霜を融かし、霜がとけたら、通常の冷却運転に戻る。これらの動作については後述する。

回路９は、センサ７に電源を供給する機能と、センサ７からの出力を受けてそれを増幅するプリアンプ機能と、増幅された出力を用いて演算を行う機能（演算回路）と、ヒータ１０を制御する機能とを持つ。尚、回路９は冷凍機１の外部に置いてもよい。センサ７は、図１の例では、ファン６と熱交換器３との間に設置され、熱交換器３の端面のうちの一面に対向して設置されている。またケーブル８が長いとノイズの影響を受けやすくなるため、これを避けるために、回路９のプリアンプ機能のみは、センサ７と一体としてもよい。またセンサ７と回路９とを一体としてもよいが、センサ7の大きさが大きくなり、冷凍機１の内部に収まらない場合があるため、その場合は適宜分離する方が望ましい。またセンサ７には電子回路が組み込まれているため、霜や氷や水分が付着した場合に備えて、全体を封止する方が望ましい。封止の具体的な方法については、熱硬化性樹脂、紫外光硬化樹脂、すなわち、エポキシ樹脂やポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタンの塗布や防湿シートを被せる、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂を含む撥水スプレーの処理を行うなどの方法が取られる。また結露を防止するためにセンサ７に抵抗などの加熱体を設ける手段も効果的である。

図２は、センサ７およびその周辺の水平方向からの詳細な断面図である。図において、４は、図１に示した冷媒配管であり、８は、同じく図１に示したケーブルであり、１１は、熱交換器３を構成しているフィンのうちの１つである。１２はフィン１１の一端（以下、フィン先端とする。）である。また１３および１５は、それぞれ、センサ７の内部に設けられた発光素子および受光素子である。１４は、フィン先端１２を含む平面の法線と平行となるフィン１１の中心軸である。

図２に示すように、センサ７は、熱交換器３の一部であるフィン１１の一端であるフィン先端１２に向かって、中心軸１４の延長線上にセンサ７の中心線を重ね合わせて設置し、垂直面を保つものとする。センサ７の内部には、上述のように、発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる発光素子１３および受光素子１５が設けられている。発光素子１３および受光素子１５は、それぞれの中心軸が、フィン１１の中心軸１４に対して、それぞれ、θ１１およびθ１２の角度をなすように、フィン端面１２に対向して設置されている。この時の様子を上方の方向から見た図が図３となる。受光素子１５としては、例えば、可視光から近赤外線に高感度となるフォトダイオードを用いる。発光素子１３としては、例えば、中心波長が５５０ｎｍ、視野角が２５度のものを用いる。また角度θ１１、θ１２は、例えば、共に３０度と設定し、フィン先端１２とセンサ７の光学面までの距離は、例えば、２ｃｍとする。

当該構成において、発光素子１３は、着霜する部材であるフィン１１およびフィン先端１２に向けて光を発し、入射角θ１１で斜めに入射させる。受光素子１５は、反射角θ１２で、フィン１１およびフィン先端１２で反射した光を受光して、受光した光の光量に対応する電気信号を生成し出力する。当該電気信号はケーブル８を介して回路９に入力される。回路９は、入力された電気信号の値が予め設定された所定の値を超えているか否かを判定する演算を行い、超えていた場合に、着霜ありと判定する。その原理としては、フィン１１およびフィン先端１２に霜が付着していない場合、発光素子１３から出射した光は、反射物体が存在しないため、反射されず、受光素子１５に反射光が戻ってこない。これに対して、フィン１１またはフィン先端１２に霜が付着すると、霜により光が反射され、その反射光が受光素子１５により検出される。これにより、フィン１１またはフィン先端１２に霜が付着したことを効率よく確実に検出することができる。

なお、発光素子１３として用いている発光ダイオードの寿命は一般に１００００時間程度とされている。しかし実際には発光ダイオードに流す電流や温湿度条件などに大きな影響を受けるため、一概に決まっていないことが知られている。図４に典型的な発光ダイオードの寿命の変化を示す。発光ダイオードの寿命は光速維持率という指標で管理されており、通常初期状態から７０％までに低下した時間ｔを寿命とみなしており、通常の可視光の発光ダイオードでは３００００〜５００００時間とされている。しかし、発光ダイオードをセンサに用いる場合、７０％までに低下した時では、初期状態とは少なくとも３０％の出力の低下があるため都合が悪く、実際にはさらに短い時間で寿命とみなすべきである。ここでは仮に寿命を１００００時間とすると連続的に点灯すると寿命は約１．１年であり、約１年で発光素子１３を交換することになり、メンテナンスの負荷が生じる。従って、本発明においては、発光ダイオードを間欠的に照射することで、発光ダイオードの寿命を長くし、かつ、効率的に着霜を検出できるかについて着目し、実際にどのように構成すべきかを検討するために図１に示す冷凍機を用いて以下の実験を行った。

センサ７の点灯時間Ｔ１を２秒、消灯時間Ｔ２が１８秒の合計２０秒を１つの単位とするモードＡを形成し繰り返し動作させた。この場合、Ｔ１とＴ２の比すなわちＴ１／Ｔ２は１１％となるので、単純計算すれば、約９万時間すなわち１０年の使用まで、発光ダイオードの寿命があることになる。その設定の下で、冷凍機１を動作させ冷凍庫２全体を冷却する。運転するに従い、フィン１１とフィン端面１２の表面に霜が次第に付着し、霜層厚さが増加する。センサ７は霜層厚さの増加に従って、出力電圧が上昇する。出力電圧（出力信号）が予め定めた所定値を超えたときに、デフロスト運転を開始する。デフロスト運転時には、冷却を停止し、ヒータ１０で発熱することにより、熱交換器３を加熱する。加温するに従い、フィン１１とフィン端面１２の表面に付着した霜は融け、センサ７の出力値が次第に低下する。その後、ある一定値を下回ったときにデフロスト運転の終了時とし、ヒータ１０による加熱を停止させ、その後通常の冷却運転に戻る。このときの霜層厚さと発光ダイオードの点灯と消灯の関係を図５に示す。なお、霜層厚さとは、熱交換器の片方の平面から成長した霜の厚さのことである。

発光ダイオードおよびレーザーダイオードは高圧水銀ランプなどの放電現象ではなく、エレクトロルミネッセンス効果を利用するものであり、半導体を用いたｐｎ結合と呼ばれる構造で作られている。発光はこの構造体で電子の持つエネルギーを直接、光エネルギーに変換することで行われる原理であることから、放電現象を利用するものとは異なり、間欠的に点灯させることで寿命が加速度的に劣化する恐れは無い。むしろ熱が蓄積されることが少なくなることから寿命の点では有利である。

受光素子１５からの出力は、フォトダイオードの場合では電流出力が普通であるが、プリアンプにより電圧出力に変換、数Ｖまで増幅する回路を用いることが通常行われる。この場合、この回路はある時定数を設定した上で設計される。一般的には時定数が短ければ応答が早いが、ノイズが大きくなり不安定となる。一方、時定数が大きいと測定は安定するが、霜の状態変化に追随できなくなる可能性がある。図６に時定数を０．４秒、最大出力を３Ｖとして設計した時の回路のセンサの応答特性を示す。この場合、時定数の３倍の１．２秒の時に出力電圧は２．９２Ｖであり、最大電圧３Ｖと比べてほとんど無視できる誤差のレベルであることが分かる。このことから、点灯時間Ｔ１は時定数の３倍以上あることが望ましいことが分かった。

一方、着霜の経時変化とセンサ７の出力の関係について以下に示す。図５に示す通常運転すなわち室内を冷凍温度まで冷却する運転動作により熱交換器には霜が付着し、熱交換性能が著しく低下したときにデフロスト運転が行われるが、通常運転の時間は１〜２４時間程度であり、運転時間は冷凍庫１の広さや温湿度条件に依存する。この通常運転において、外気の温度、湿度、冷凍庫２内の温度、湿度、換気風量を変化させて、それぞれの条件で時々刻々とファイバースコープによる目視観察を行ったところ、いずれの条件においても、５分程度の時間範囲では霜の付着状態は大きな変化はないことを見出した。ファイバースコープの画像から目視で算出した霜層厚さ（フィンからの片面側の霜の幅）とセンサ７の出力電圧の関係は図７のように高い相関が得られているため、センサ７の出力は１分程度では急激に変化しないと考えてよい。従って１分程度の間欠点灯で出力電圧を取得しても、大きな誤差とはならないことが分かった。

以上の点から、点灯時間Ｔ１は回路の時定数Ｔの３倍よりも大きくし（３×Ｔ＜Ｔ１）、かつ、点灯時間Ｔ１と消灯時間Ｔ２を一単位とする点灯モードを設定し、点灯時間と消灯時間との和である（Ｔ１＋Ｔ２）が６０秒以下（１分以内）が適当であることが分かった。具体的な設定例としては時定数Ｔを０．２秒とし、点灯時間Ｔ１を２秒、消灯時間を１８秒とし、合計２０秒とするモードを挙げる。ここではヒータ１０により加熱する方法でデフロスト運転を実施したが、その代わりに熱交換器３を放熱側とし室外機５内の熱交換器（図示なし）を冷却側とする、いわゆるリバース運転で加熱する方法や、圧縮機から出た高温・高圧のガスを熱交換器３に導くホットガスで加熱する方法もあり、いずれを用いても同様な結果が得られる。また、冷凍庫２の庫内温度が０℃より高い場合は、単に冷媒を流すことを止め、周囲空気で霜を融かすオフサイクルデフロストを用いても、同様の効果が得られる。

本実施の形態１における運転動作については以下のとおりである。冷凍機１を動作させ冷凍庫２全体を冷却する。運転するに従い、フィン１１とフィン端面１２の表面に霜が次第に付着するが、センサ７は霜量の増加に従って、反応して出力電圧が上昇する。発光ダイオードは間欠的に点灯しているが、センサ７の出力が予め定めた値を超えたときにデフロスト運転を開始する。デフロスト運転時には冷却を停止し、ヒータ１０で発熱することにより熱交換器３を加熱する。加熱するに従いフィン１１とフィン端面１２の表面に付着した霜は融け、センサ７の発光ダイオードの点灯時の出力値が次第に低下する。その後ある一定値を下回ったときにデフロスト運転の終了時とし、ヒータ１０による加熱を停止させる。その後、通常運転すなわち通常の冷却運転に戻る。

ところで、センサ７の位置はこの実施の形態では熱交換器のファン側（吹出し側）に設置したが、図８に示すように熱交換器３のファン６の側の反対側（吸込み側）の面と向かい合わせに設置してもよい。また上下方向についても制約は無いが、熱交換器３の着霜は温度条件によって場所の偏在性があるため、もっとも着霜しやすい場所の近傍に設置するのが効果的である。

なお、発光素子１３はここでは発光ダイオードを用いたが、点灯と消灯を繰り返しても劣化の無い光源であれば何でもよく、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス）素子やレーザーダイオードやハロゲン灯が挙げられる。一方、蛍光灯や高圧水銀ランプなど放電現象を利用した光源については間欠点灯すると却って寿命が短くなるので、適当ではない。受光素子１５についてもフォトダイオード以外に、フォトマルチプライヤー、ＣＣＤでもよい。発光素子１３と受光素子１５をフィン端面１２の近傍に置くのではなく、光ファイバなどの導光材を介しても同様であり、この実施の形態と同じ結果が得られた。

本実施の形態では冷凍機の場合について説明したが、空調機についても同様に実施可能である。この場合は、冷凍庫２の代わりに室内空間となり、内部の温度が高いという点で異なるものの、動作や効果については同様である。また、空調機及びヒートポンプ式給湯器の室外機にも同様に適用可能である。この場合は冷凍庫２の代わりに屋外となる点が異なるが、動作や効果については全く同様である。

また、図９に示すように、熱交換器３のフィン１１の断面が波型の形状の場合でも、波状の凸の部分にセンサ７から発せられた光が反射するように構成すれば、問題なく測定することができる。

また、デフロスト運転時の終了時の判定であるが、本実施の形態ではある霜層厚さに比例した出力電圧がある一定値を下回ったときとしたが、別の方法で判別しても良い。例えば、ある一定値を下回って一定時間経過した時を終了時と判定する方法や、出力電圧の微分値がある一定値を下回ったときを終了時と判断する、あるいは、以上の方法を併用する方法が考えられるが、いずれの方法でも問題なく構成できる。ノイズ信号による誤動作防止のためチャタリング防止回路を備えた方が、安定動作を確保する意味でより好ましい。

発光ダイオードなどの発光素子１５を間欠点灯したことにより、熱交換器に付着する霜の検出が高効率で省エネルギーとなるデフロスト運転を可能としながら、なおかつ、発光ダイオードの寿命を長くすることが可能となり、これによりメンテナンスの負荷を減らすことが可能となる。

本実施の形態１における効果としては、発光素子を間欠点灯したことにより、発光素子の寿命が長くなり、長時間にわたって劣化することが無いので、熱交換器３に付着する霜の検出が高効率で省エネルギーとなるデフロスト運転を可能としながら、なおかつ、発光ダイオードの寿命を長くすることが可能となり、これによりメンテナンスの負荷を減らす効果がある。また、間欠点灯の点灯時間Ｔ１を回路の時定数Ｔの３倍よりも大きくし、かた、点灯時間Ｔ１と消灯時間Ｔ２との和が６０秒以内になるようにした場合、デフロスト運転時の迅速な状態変化にも対応し、かつ、発光素子が長い時間にわたって劣化されず、交換によるメンテナンスの負荷をより減らすことができる。

実施の形態２．
上記の実施の形態１においては、回路９で演算に用いる電気信号として、単純に、受光素子１５からの出力としたが、本実施の形態２では、点灯時（Ｔ１）の出力電圧Ｖ１から非点灯時（Ｔ２）の出力電圧Ｖ２を差し引いた値を用いる。非点灯時の出力電圧はバックグラウンドの光の出力であり、ノイズ成分である。発光素子１３から発する光の強度がバックグラウンドに対して十分大きければ、影響は小さいが、太陽光など何らかの原因で測定とは関係ない光が入った場合は、測定への影響が避けられない。従って、点灯時（Ｔ１）の出力電圧Ｖ１から非点灯時（Ｔ２）の出力電圧Ｖ２を差し引いた値を用いるようにすれば、ノイズ成分の分を削除した電気信号を用いて演算を行うことになるので、例えば冷凍庫２内で蛍光灯などが点灯した場合に、それによる迷光の影響を避けることが可能である。

またデフロスト運転時（あるいは、デフロスト動作終了時）の点灯時の出力電圧Ｖ１と非点灯時の出力電圧Ｖ２を見るようにすれば、センサ７の異常を監視したり、キャリブレーションを実行することが可能となる。デフロスト終了直後は、熱交換器に霜が付着していないため、バックグラウンド状態とみなすことができる。具体的にはＶ１が規定値より高く、Ｖ２との差が大きい場合は熱交換器のフィンに汚れが付着していると判断できる。またＶ２が高くＶ１との差が少ない時は迷光が存在するか経時的な汚れがあると考えられる。このときは警報信号を出力して、ユーザーに注意を喚起してもよいし、またこれを利用してキャリブレーションを実施してもよい。

本実施の形態２における運転動作と効果は実施の形態１とほぼ同様である。冷凍機１を動作させ冷凍庫２全体を冷却する。運転するに従い、フィン１１とフィン端面１２の表面に霜が次第に付着するが、センサ７は霜量の増加に従って、反応して出力電圧が上昇する。発光ダイオードは間欠的に点灯しているが、センサ７の出力が予め定めた所定値を超えたときにデフロスト運転を開始する。デフロスト運転時には冷却を停止し、ヒータ１０で発熱することにより熱交換器３を加熱する。加温するに従いフィン１１とフィン端面１２の表面に付着した霜は融け、センサ７の発光ダイオードの点灯時の出力値が次第に低下する。その後、ある一定値を下回ったときにデフロスト運転の終了時とし、ヒータ１０による加熱を停止させる。その時、出力電圧Ｖ１、Ｖ２に異常があれば警報信号を出力するが、問題なければ通常の冷却運転に戻る。

本実施の形態２における効果については、発光ダイオードなどの光源を間欠点灯したことにより、熱交換器３に付着する霜の検出が高効率で省エネルギーとなるデフロスト運転を可能としながら、なおかつ、発光ダイオードの寿命を長くすることが可能となり、これによりメンテナンスの負荷を減らす効果がある。また本実施の形態２においては、発光素子の点灯時と非点灯時の受光素子からの出力の差に基づいてセンサの異常を検出するようにしたので、迷光の影響などノイズ要因を排除した出力を得ることが可能となるとともに、熱交換器に経時的な汚れや迷光があっても安定して出力を得ることができる効果がある。

なお、上記の説明においては、デフロスト運転時の点灯時の出力電圧Ｖ１と非点灯時の出力電圧Ｖ２との差を用いる例について示したが、その場合に限らず、以下のようにしてもよい。
例えば、通常運転時の発光素子１３の点灯時の出力信号とデフロスト運転終了時の発光素子１３の点灯時の出力信号の差を用いるようにしてもよい。その場合には、デフロスト運転終了時が最も霜がきれいに取れている状態であるので、そのときの出力信号と通常の出力信号との差を見れば、着霜する部材に経時的な汚れや迷光があっても、安定して出力を得ることができる。
あるいは、デフロスト運転の終了時（または、通常運転時）の受光素子１３の発光時の出力信号と消灯時の出力信号との差を用いるようにしてもよい。その場合には、着霜する部材の経時的な汚れや光学部品の寿命を検出し、校正することが可能となる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、上記の実施の形態１で示したモードＡが連続的に繰り返しで動作するのに対し、通常運転時は実施の形態１と同様にモードＡで動作させ、デフロスト運転時においては間欠動作の代わりに連続的に点灯させるようにする。このように動作させることでデフロスト運転時の霜の状態の急激な変化に追随可能としている点が実施の形態１と異なる点である。このときの霜層厚さと発光ダイオードの点灯と消灯の動作の関係を図１０に示す。

デフロスト運転時は、通常運転と異なり短時間の運転であり、１０〜３０分程度である。実施の形態１の実験と同様にファイバースコープで目視で連続的に監視したところ、デフロスト開始後のある時点を境に約５分の間で霜の状態が大きく変化していることが分かった。どの時点で霜の状態が変化するかについては、霜の性状や冷凍庫２内の保存物や温湿度など多くのパラメータに依存しているため、経験的に把握することが困難である。このことから、デフロスト運転時においては発光ダイオードは連続またはなるべく長時間点灯させた方が、より正確に出力電圧すなわち着霜状態を把握できて望ましい。デフロスト運転時間が短すぎると霜が熱交換器３に残り、根氷と呼ばれる密度の高い氷状のものが残り、熱交換性能が容易に回復しなくなる。一方デフロスト運転時間が長すぎると無駄なエネルギーを消費するばかりか、冷凍庫２の庫内の温度が上昇することから、必要にして十分なデフロスト運転を行うことが望ましいことは言うまでもないことである。

本実施の形態３における運転動作については以下のとおりである。冷凍機１を動作させ冷凍庫２全体を冷却する。運転するに従い、フィン１１とフィン端面１２の表面に霜が次第に付着するが、センサ７は霜量の増加に従って、反応して出力電圧が上昇する。センサの出力が予め定めた値を超えたときにデフロスト運転を開始する。このとき発光ダイオードは連続的に点灯させ、連続で出力電圧を測定する。デフロスト運転時には冷却を停止し、ヒータ１０で発熱することにより熱交換器３を加熱する。加温するに従いフィン１１とフィン端面１２の表面に付着した霜は融け、センサ７の出力値が次第に低下する。その後ある一定値を下回ったときにデフロスト運転の終了時とし、ヒータ１０による加熱を停止させる。その時、間欠点灯であるモードＡに戻し、その後通常の冷却運転に戻る。

なお、上記の説明においては、デフロスト運転時においては、発光素子１３を連続点灯する（すなわち、消灯時間Ｔ２を０秒にする）例について説明したが、その場合に限らず、間欠点灯としてもよく、但し、その場合には、消灯時間Ｔ２を通常運転時よりも短い時間に設定する。

本実施の形態３における効果については、実施の形態１と同じであるが、デフロスト運転時においては、消灯時間Ｔ２を小さくする、あるいは、０秒にするようにしたので、より高効率で省エネルギーとなるデフロスト運転を可能としながら、なおかつ、発光ダイオードの寿命を長くすることが可能となり、これによりメンテナンスの負荷を減らすことが可能となる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、上記の実施の形態３で示した図１０において、デフロスト運転時においても間欠的に点灯させるが点灯時間は通常時よりも長くするものである。このとき、デフロスト運転時の点灯時間Ｔ１’、消灯時間Ｔ２’として、霜層厚さと発光ダイオードの点灯と消灯の関係を図１１に示す。具体的な例としてはデフロスト運転時の点灯時間Ｔ１’を５秒、消灯時間Ｔ２’を５秒とした合計１０秒を一単位としたモードＢとして繰り返し動作させる。

運転動作については以下のとおりである。冷凍機１を動作させ冷凍庫２全体を冷却する。運転するに従い、フィン１１とフィン端面１２の表面に霜が次第に付着するが、センサ７は霜量の増加に従って、反応して出力電圧が上昇する。センサの出力が予め定めた所定値を超えたときにデフロスト運転を開始する。このとき発光ダイオードの点灯はモードＢに移行する。デフロスト運転時には冷却を停止し、ヒータ１０で発熱することにより熱交換器３を加熱する。加温するに従いフィン１１とフィン端面１２の表面に付着した霜は融け、センサ７の出力値が次第に低下する。その後ある一定値を下回ったときにデフロスト運転の終了時とし、ヒータ１０による加熱を停止させる。その時、モードＡに戻し、その後通常の冷却運転に戻る。

なお、上記の例においては、デフロスト運転時の点灯時間Ｔ１’と消灯時間Ｔ２’との比（Ｔ１’／Ｔ２’）を、Ｔ１’／Ｔ２’＝５／５＝１とした例について説明したが、その場合に限らず、Ｔ１’／Ｔ２’が、通常運転時の点灯時間Ｔ１と消灯時間Ｔ２との比（Ｔ１／Ｔ２）よりも大きくなるように設定すれば、いずれの値でもよいものとする。

本実施の形態４における効果については、実施の形態１と同等の高効率で省エネルギーとなるデフロスト運転を可能としながら、通常運転時の点灯時間と消灯時間との比をデフロスト運転時の比よりも小さくするようにしたので、実施の形態２よりも発光ダイオードの寿命をより延ばすことが可能となり、これによりメンテナンスの負荷をより減らすことが可能となる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、実施の形態１で示した図１の構成に対して、さらに、回路９内に冷凍運転を制御する目的でタイマーを内蔵した例について説明する。このようにタイマーを内蔵した点が異なるが、その他は同じ構成であるため、図１を参照して、本実施の形態の構成については図示を省略することとする。タイマーは通常運転の経過時間を記憶する機能を有している。タイマーの設定時間は例えばユーザーが任意で設定してよいが、熱交換器３に霜が付着すると熱交換性能が低下するので、実験や経験的に得られた時間に基づいて、タイマーの設定時間を適宜設定する。またこの場合、デフロストの開始時間についてはタイマーで設定するため、センサ７により着霜を検出する必要がないので、発光素子１３を通常運転時には点灯させる必要はない。もちろん点灯してもよいが、エネルギーの無駄であり好ましくない。デフロスト運転時には実施の形態４と同様に、デフロスト運転時の点灯時間Ｔ１’、消灯時間Ｔ２’として構成する。発光ダイオードの点灯と消灯の運転動作パターンを図１２に示す。

本実施の形態５における運転動作は以下のとおりである。冷凍機１を動作させ冷凍庫２全体を冷却する。同時に回路９内のタイマーを動作させ、動作時間を記憶させる。運転するに従い、フィン１１とフィン端面１２の表面に霜が次第に付着する。タイマーが規定の時間を超えたときにデフロスト運転を開始する。このとき発光ダイオードは連続的に点灯させ、連続で出力電圧を測定する。デフロスト運転時には冷却を停止し、ヒータ１０で発熱することにより熱交換器３を加熱する。加温するに従いフィン１１とフィン端面１２の表面に付着した霜は融け、センサ７の出力値が次第に低下する。その後発光ダイオードが点灯時の出力電圧Ｖ１がある一定値を下回ったときにデフロスト運転の終了時とし、ヒータ１０による加熱を停止させる。その後は通常の冷却運転に戻り、発光ダイオードを消灯し、タイマーを初期化して再動作させる。本実施の形態５ではデフロスト運転時において、発光ダイオードを間欠点灯したが、連続点灯でもかまわない。

本実施の形態５における効果については、実施の形態１と同じであるが、タイマーを用いて通常運転時の時間を管理するようにしたので、より高効率で省エネルギーとなるデフロスト運転を可能としながら、なおかつ、発光ダイオードの寿命を長くすることが可能となり、これによりメンテナンスの負荷を減らすことが可能となる。

実施の形態６．
図１３および１４は本実施の形態６の構成を示し、それぞれ、センサ７およびその周辺部分についての垂直方向および側面方向から見た断面図である。本実施の形態６では、実施の形態３の構成を示す図８において、センサ７は２個の支持体１７を介して、冷媒配管４に引っ掛けて固定する。センサ７の一面の光学面には光学面保護材２０を取り付ける。光学面保護材２０は発光素子１３や受光素子１５をゴミの付着から守る役割であり、透明な材料を用いる。また、支持体１７には、熱交換器３のフィン１１の先端部分の近傍に、受光体１８が取り付けられている。さらに、受光体１８と接して、導光部１９も支持体１７に取り付けられ、センサ７に内蔵された校正用の受光素子１６と接している、受光体１８は、透明な部材であり、例えば、硝子やアクリルなどが用いられる。導光部１９も透明な部材であるが、空気に接している外側部分は光が通らないように着色する。または、支持体１７の内部に組み込んでも良い。受光体１８は発光素子１３からの光を受光し、導光部１９を介して受光素子１６に光が導かれるように構成されている。熱交換器３に対するセンサ７の設置位置であるが、吸込み側でも吹出し側でもいずれでも設置可能である。受光素子１６の出力電流はプリアンプにより昇圧され、出力電圧Ｖ３として回路９の演算回路へ出力される。

このように構成することで、センサ７のスパン校正を実行することが可能となる。すなわち発光素子１３の劣化、光学面保護材２０の劣化を的確に検出し、それらを校正することが可能となる。具体的には、回路９が、校正用の受光素子１６の出力Ｖ３に応じて、発光素子１３の電流を調節し、常に受光素子１６に導かれる光量が一定になるように制御する。これにより、長期にわたる材料の劣化によらず、センサ７が安定的に着霜を検出することが可能となる。

本実施の形態６における運転動作については以下のとおりである。冷凍機１を動作させ冷凍庫２全体を冷却する。運転するに従い、フィン１１とフィン端面１２の表面に霜が次第に付着するが、センサ７は霜量の増加に従って、反応して出力電圧が上昇する。発光ダイオードは間欠的に点灯しているが、センサ７の出力が予め定めた値を超えたときにデフロスト運転を開始する。デフロスト運転時には冷却を停止し、ヒータ１０で発熱することにより熱交換器３を加熱する。加温するに従いフィン１１とフィン端面１２の表面に付着した霜は融け、センサ７の発光ダイオードの点灯時の出力値が次第に低下する。その後ある一定値を下回ったときにデフロスト運転の終了時とし、ヒータ１０による加熱を停止させる。その時、出力電圧Ｖ１、Ｖ２に異常があれば警報信号を出力するが、異常がなければ通常の冷却運転に戻る。また出力電圧Ｖ３が異常であった場合、警報信号を出すか、あるいは出力電圧Ｖ３に応じて、発光素子１３の電流を調節し、常に受光素子１６に導かれる光量が一定になるように制御し、その後は通常運転に戻る。

本実施の形態６における効果については、長期間にわたる運転によって、熱交換器などの部材に汚れが付着しても、あるいは、発光素子が劣化していても、センサ７の特性に変化がなく、安定して測定することができ、これによりメンテナンスの負荷を減らすことが可能となる。

本発明の実施の形態１による冷凍機および冷凍庫の上方から見た図である。本発明の実施の形態１による着霜検出装置周辺の水平方向の断面図である。本発明の実施の形態１による着霜検出装置周辺の上方から見た図である。本発明の実施の形態１による発光ダイオードの光速維持率の変化の一例を示す図である。本発明の実施の形態１による霜層厚さと発光ダイオード点灯モードの関係について示す図である。本発明の実施の形態１による着霜検出装置において、最大出力電圧と時定数の関係を示す図である。本発明の実施の形態１において熱交換器の霜層厚さと着霜検出装置の出力電圧の相関関係を示す図である。本発明の実施の形態１において熱交換器の吸込み側に設置した場合を示す図である。本発明の実施の形態１において熱交換器が波型の形状の場合のセンサと熱交換器の位置関係を示す垂直断面図である。本発明の実施の形態３において霜層厚さと発光ダイオード点灯モードの関係について示す図である。本発明の実施の形態３において霜層厚さと発光ダイオード点灯モードの関係について示す図である。本発明の実施の形態４において霜層厚さと発光ダイオード点灯モードの関係について示す図である。本発明の実施の形態６においてセンサと熱交換器の位置関係を示す垂直断面図である。本発明の実施の形態６におけるセンサと熱交換器の位置関係を示す側面断面図である。

符号の説明

１冷凍機、２冷凍庫、３熱交換器、４冷媒配管、５室外機、６ファン、７センサ、８ケーブル、９回路、１０ヒータ、１１フィン、１２フィン端面、１３発光素子、１４中心軸、１５受光素子、１６受光素子、１７支持体、１８受光体、１９導光部、２０光学面保護材。

Claims

着霜する部材に向けて光を発する発光素子と、前記部材に付着した霜により反射した前記光を受光して、受光した前記光の光量に対応する電気信号を生成し出力する第一の受光素子とを有するセンサと、
前記部材に付着した霜を除去するデフロスト部と、前記第一の受光素子からの電気信号を用いた演算を行う演算回路と、前記演算回路の演算結果に基づいて前記デフロスト部を制御する制御部とを有する制御装置と
を備え、
前記発光素子は間欠的に点灯して前記光を発し、
前記制御装置は、
前記第一の受光素子から出力される電気信号のうち、前記デフロスト部によるデフロスト動作時における前記発光素子の点灯時の電気信号と非点灯時の電気信号との差を取り、当該差に基づいて前記センサの異常検出を行い、異常を検出した場合に警報信号を出力する異常検出部をさらに有し、
前記制御装置の前記演算回路は、
前記第一の受光素子から出力される電気信号のうち、前記デフロスト部によるデフロスト動作終了時における前記発光素子の点灯時の電気信号と通常運転時の前記発光素子の点灯時の電気信号との差を求め、当該差を用いて前記演算を行う
ことを特徴とする着霜検出装置。
前記センサは、前記発光素子の劣化を検出するための校正用の第二の受光素子をさらに有し、
着霜する前記部材は熱交換器であって、
前記発光素子、前記第一の受光素子、および、前記第二の受光素子は、筺体内に組み込まれているものであって、
前記熱交換器の一部分に嵌合するとともに前記筺体を支持する支持部材が前記筺体と一体に構成され、
前記熱交換器の近傍に前記発光素子からの光を受光する受光体が設けられ、前記第二の受光素子に導光材が接続されて、前記受光体によって受光された光は、前記導光材を介して、前記第二の受光素子に導かれるものであって、
前記制御装置は、
前記第二の受光素子に導かれる前記光の光量が一定になるように、前記発光素子の電流を調整する校正部をさらに有している
ことを特徴とする請求項１に記載の着霜検出装置。
前記発光素子を間欠点灯とした場合の点灯時間をＴ１とし、前記演算回路の時定数をＴとしたときに、３×Ｔ＜Ｔ１とし、かつ、前記発光素子の点灯時間Ｔ１と消灯時間Ｔ２を一単位とする点灯動作モードを設定し、前記点灯時間と前記消灯時間との和である（Ｔ１＋Ｔ２）が６０秒以下となるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の着霜検出装置。
前記デフロスト部によるデフロスト運転時においては前記消灯時間Ｔ２を通常運転時に比べて小さくする、または、０秒とすることを特徴とする請求項３に記載の着霜検出装置。
通常運転時においては、前記点灯時間Ｔ１と前記消灯時間Ｔ２との比であるＴ１／Ｔ２を、前記デフロスト部によるデフロスト運転時よりも小さくすることを特徴とする請求項３に記載の着霜検出装置。