JPH10197135A - 結霜結氷センサおよび結霜結氷の検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】取り付け作業が容易で取り付けに場所をとら
ず、しかも、霜または氷の付着を区別して検出できるよ
うにする。 【解決手段】発熱抵抗体２とサーミスタ３を有する基板
４を熱伝導性のよい箱６の内側に貼着してその反対側を
感受面８とし、熱交換器９近傍に設置する。このサーミ
スタ３によって検出される温度が氷結温度よりも小さい
場合に、サーミスタ３によって測定される温度が所定の
値だけ上昇するまで発熱抵抗体２を発熱させ、その温度
上昇に要する上昇時間が所定の霜境界値より小さいとき
に結霜状態であると判定し、上昇時間が所定の氷境界値
より小さいときに結氷状態であると判定し、上昇時間が
霜境界値より大きく且つ氷境界値より小さいときに霜も
氷も付着していないと判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空調機や冷蔵庫に使
用される熱交換器に霜または氷が付着しているかどうか
を検出する結霜結氷センサ、および、結霜または結氷状
態を検出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から熱交換器に付着する霜を検出す
る霜センサとして特開平１−３１２３７８号公報に示さ
れるようなものが用いられていた。図６に示すように、
この霜センサ５０は感熱素子であるサーミスタ５１と加
熱手段である加熱ヒータ５２とを備えており、これらは
蒸発器５３の蒸発パイプ５４に設けられたステイ５５に
取り付けられている。この霜センサ５０は、加熱ヒータ
５２を一定時間通電することによって発生した熱がサー
ミスタ５１に伝わってその抵抗値が下がることを検出す
るものであり、周囲の霜の有無によって変わるサーミス
タ抵抗値の変化率の違いを測定することで霜の有無を検
出している。サーミスタ５１付近に霜が形成されると、
加熱ヒータ５２からサーミスタ５１への熱伝導度が悪く
なるのでサーミスタ抵抗値の変化率が小さくなり、霜セ
ンサ付近に霜が形成されたかどうかを検出できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の霜センサは上記
のように構成されているが、このようにサーミスタとヒ
ータを別々に設置する方式では全体の構成が大きくなり
狭い場所等への設置が困難になる。すなわち、図６のよ
うに構成された従来の霜センサでは、蒸発パイプ５４に
ステイ５５を取り付けた上で、さらにサーミスタ５１と
加熱ヒータ５２とをステイ５５に取り付ける必要があ
り、取り付け作業が繁雑になるうえ、霜センサ５０の取
り付けに要する容積が大きくならざるを得ず、そのため
に、全体として小型化が図れないという問題があった。
また、サーミスタとヒータを別々に設置すると、ヒータ
で発生した熱は輻射と空気の対流によってサーミスタに
伝わるが、空気の対流状態は周囲の風の状態などにより
変動し、熱の伝わり方が安定しないので霜の検出も安定
しないという問題もあった。

【０００４】また、上記従来技術のようにヒータに一定
時間の通電を行うと周囲の霜が融解してしまう場合があ
り、このようなときには霜の検出は正常には行われない
恐れがある。

【０００５】さらに、熱交換器に付着するものは霜に限
らず氷が付着する場合があるが、図６に示した従来の技
術では霜と氷を区別して検出することは考えられておら
ず、その区別は困難であった。

【０００６】本発明は、上述したような事情に鑑みて成
されたものであって、取り付け作業が容易で取り付けに
場所をとらず、しかも、霜または氷の付着を区別して検
出でき、検出精度の安定した結霜結氷センサ、および、
結霜または結氷状態を区別して検出する方法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明は、上記課題を
解決するために、熱交換器の結霜または結氷状態を検出
する結霜結氷センサを構成するにあたって、基板上に近
接して配置された発熱素子および測温素子と、この基板
を収容する熱伝導性のよい箱から結霜結氷センサを構成
する。

【０００８】さらに、熱交換器の結霜または結氷状態を
検出する方法において、発熱素子と測温素子を有する基
板を熱伝導性のよい箱に入れたセンサを前記熱交換器近
傍に設け、この測温素子によって検出される温度が氷結
温度よりも小さい場合に、前記測温素子によって測定さ
れる温度が所定の値だけ上昇するまで前記発熱素子を発
熱させ、その温度上昇に要する上昇時間が所定の霜境界
値より小さいときに結霜状態であると判定し、前記上昇
時間が所定の氷境界値より大きいときに結氷状態である
と判定し、前記上昇時間が前記霜境界値より大きく前記
氷境界値より小さいときに霜も氷も付着していないと判
定することを特徴とする。

【０００９】抵抗体である発熱素子に定電圧を印加する
か定電流を流すことによって、発熱素子は一定時間割合
（すなわち、一定の仕事率）で発熱する。その熱は発熱
素子が載置されているのと同じ基板上に設けられている
測温素子の温度を上昇させるが、その温度上昇速度は測
温素子付近の熱伝導度や熱容量さらに放熱速度によって
決まる。このとき、熱の伝導は基板および熱伝導性のよ
い箱を通じても行われるので熱の伝わり方は安定してい
る。感受面である箱の外面に霜または氷が付着すると発
熱素子で発生した熱は測温素子以外に霜または氷にも伝
達され、その結果、温度上昇速度が霜または氷が付着し
ていない状態と比較して変化する。したがって、発熱素
子を発熱させてから測温素子が一定温度上昇するまでの
時間を測定することによって霜または氷の有無を検知す
ることができる。このとき、センサに付着しているもの
が霜の場合と氷の場合で実効的な熱容量および熱伝導度
が異なるので霜と氷の違いを区別して検出することがで
きる。

【００１０】ここで、発熱素子を発熱させてから測温素
子が一定温度上昇するまでの時間を測定するという動作
は、測温素子によって測定される周囲温度が水の氷結温
度すなわち０℃よりも小さい場合に限り、さらに、０℃
を越えない範囲で行うので、発熱素子による加熱で周囲
の霜や氷が融解することがなく安定した検出動作可能で
ある。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１から図４を参照しつつ、本発
明の結霜結氷センサの構成、および、結霜結氷の検出方
法の実施の形態の一例を説明する。

【００１２】図１(a) はセンサ本体部分であり、図１
(b) は図１(a) に示した結霜結氷センサ１を熱交換器９
に取り付けた様子を側面から見た図である。本発明の結
霜結氷センサ１は、セラミック基板４の上に厚膜印刷技
術を用いて発熱抵抗体２とＮＴＣサーミスタ３を形成
し、それをアルミニウムなどの熱伝導性のよい箱６に入
れたものである。発熱抵抗体２の抵抗値は約１０Ωであ
るが、これに電流を流すことによって発熱素子として使
用する。また、サーミスタ３は温度によって抵抗値が変
わるものであり、この抵抗値を測定することで温度を測
定する測温素子として使用している。このサーミスタ３
のシート抵抗値は約１００ｋΩ、Ｂ定数は約３０００で
ある。

【００１３】基板４の上に発熱抵抗体２とサーミスタ３
などを含む素子層７が形成され、それが板厚０．１ｍｍ
程度のアルミニウム板で形成された外箱６に直径０．１
ｍｍ程度のガラスビーズを混入した接着剤で接着されて
いる。さらに外箱６内部にはアクリル樹脂などからなる
内箱５があって、基板４を包んでいる。素子層７が接着
された外箱６の外側の面が霜や氷の状態を検出する感受
面８となる。このようにすることで素子層７と感受面８
との間で適当な熱接触が保たれている。この結霜結氷セ
ンサ１は熱交換器９の霜などが付着する吸熱板の近傍に
直接貼付するなどして設置する。

【００１４】図２は本発明の結霜結氷センサを動作制御
部を含めて説明する図である。発熱回路１１は一定の電
力を発熱抵抗体２に供給する発熱手段であって、定電圧
または定電流回路で構成される。温度検出回路１２はサ
ーミスタ３の抵抗値を測定することによってサーミスタ
自身およびその周囲の温度を検出する温度検出手段であ
って、サーミスタの抵抗を温度に換算する回路を含む。
制御部１５は発熱回路１１のＯＮ／ＯＦＦの制御を行
い、また、温度検出回路１２の出力を取り込み所定の温
度だけ上昇するのに要する時間を時間検出回路１３によ
って検出し、その値を所定のしきい値（霜境界値および
氷境界値）と比較回路１４で比較して結霜または結氷状
態を判定する。制御部１５によって判定された結霜また
は結氷状態はランプや液晶パネルなどからなる表示部１
６に表示される。

【００１５】次に、結霜または結氷状態を検出する方法
を図３を用いて説明する。まず、サーミスタで周囲温度
を測定し、氷結温度すなわち０℃以下であることを確認
し、氷結温度以下の場合にのみ以下の動作を行う。発熱
抵抗体２に一定電圧を印加するか一定電流を流すかする
と、発熱抵抗体２は単位時間当たり一定のエネルギーを
放出するように、すなわち、一定の仕事率で発熱する。
このとき、発熱量が大きすぎて温度が上昇しすぎると感
受面８に付着した霜を融解する可能性があることから、
氷結温度を越えない範囲内で、制御回路にてサーミスタ
３の周辺の温度が１℃〜２℃程度の所定温度Ｈだけ上昇
すると発熱抵抗体２に流す電流スイッチがＯＦＦになる
ようにする。

【００１６】図３はこのようにしたときのサーミスタ３
で測定される温度の変化分を示すグラフである。このグ
ラフで、霜が付着している状態が曲線２１、霜も氷も付
着していない状態が曲線２２、氷が付着している状態が
曲線２３で示されている。感受面８に霜が付着すると、
霜による断熱効果によって感受面８からの周囲への熱の
発散が少なくなり、サーミスタ６の温度上昇速度は速く
なる。また、感受面８に氷が付着すると、氷の熱伝導は
何も付着していない場合と比較して熱伝導がよいので、
サーミスタ６の温度上昇速度は遅くなる。このようにサ
ーミスタ６付近の温度上昇速度は結霜結氷センサに霜も
しくは氷が付着することによる熱容量および熱伝導度の
変化によって変化する。霜と氷ではその密度および熱伝
導度が異なることから温度上昇速度も大きく異なってお
り、この温度上昇に要する時間を測定するにあたってし
きい値を２つ設けることによって霜と氷を区別すること
が可能である。したがって図３に示すように発熱抵抗体
２に電流を流し始めてからサーミスタ３で検出される温
度が所定の一定温度変化Ｈだけ上昇するまでの上昇時間
Ｔを測定し、その時間をしきい値となる時間と比較す
る。図３において、結霜状態のときの上昇時間はＴ0 で
あり、霜も氷も付着していない状態のときの上昇時間は
Ｔ1 であり、結氷状態のときの上昇時間はＴ2 である。
上昇時間を過ぎて発熱抵抗体２に流す電流スイッチをＯ
ＦＦにした後もわずかに温度が上昇しているのは発熱抵
抗体２付近の余熱がサーミスタ３に伝わるためである。

【００１７】しきい値となる時間は、霜が付着している
状態と霜がない状態を区別する霜境界値Ｔｓと、結氷状
態を区別する氷境界値Ｔｋの２種類を設定する。温度が
Ｈだけ上昇するのに要する上昇時間Ｔと上記した所定の
霜境界値Ｔｓおよび氷境界値Ｔｋとの関係で、次のよう
に結霜または結氷状態を判定する。

【００１８】 Ｔ ≦Ｔｓ のとき 結霜状態 Ｔｓ＜Ｔ＜Ｔｋ のとき 霜も氷もない状態 Ｔｋ≦Ｔ のとき 結氷状態 霜境界値Ｔｓおよび氷境界値Ｔｋについては、あらかじ
め実験により最適値を求めておく。なお、上記の所定の
温度変化Ｈを設定するに当たっては、制御部の内部では
温度変化そのものではなく、サーミスタの抵抗値の変化
分などの温度変化に相当する値を所定値として設定して
おいても良いことはもちろんである。

【００１９】上述した結霜または結氷状態を判定する動
作は、結霜結氷センサ１内のサーミスタ３によって測定
される周囲の温度が水の氷結温度すなわち０℃よりも下
回った場合のみに行い、図４に示すように所定の時間間
隔Ｔａ毎に間欠的に行われる。Ｔａは抵抗発熱体２に流
す電流をＯＦＦにしてから周囲温度がもとの温度に戻る
のに十分な時間である。時間間隔Ｔａは一定の時間とす
ることが望ましいが、必ずしも一定である必要はない。

【００２０】本発明の結霜または結氷状態を検出する方
法は熱交換器周囲の絶対温度にはよらない。すなわち、
例えば、周囲温度が−５℃のときも−１０℃のときも同
じしきい値（霜境界値および氷境界値）を使用して結霜
または結氷状態を区別して検出することができる。

【００２１】図５に本発明の結霜結氷センサを用いて、
実際に結霜結氷状態を検出する実験を行ったときのデー
タを示す。図５はサーミスタにより測定された典型的な
温度変化を表すデータであって、霜と氷なし、霜付着、
氷付着の各状態の測定を行って、縦軸に温度変化をと
り、横軸を時間としてプロットしたものである。この測
定例の場合、設定した温度変化Ｈは約０．９℃であり、
霜境界値Ｔｓを４．２秒、氷境界値Ｔｋを６秒とすれば
結霜状態、結氷状態、および、霜も氷もない状態を区別
して検出することができる。

【００２２】本発明の結霜結氷センサは次のような構成
を含むものである。熱交換器の結霜または結氷状態を検
出する結霜結氷センサにおいて、基板上に近接して配置
された発熱素子および測温素子と、この基板を収容する
熱伝導性のよい箱と、前記発熱素子を発熱させる発熱手
段と、前記測温素子の温度を検出する温度検出手段と、
検出された温度が所定幅だけ上昇するのに要する上昇時
間を検出する時間検出手段と、前記上昇時間を複数の所
定時間と比較する比較手段とを備え、前記測温素子によ
り検出される温度が所定値だけ上昇するまで前記発熱素
子を発熱させ、その温度上昇に要する上昇時間と前記複
数の所定時間との大小関係に基づいて結霜または結氷状
態を区別して検出することを特徴とする結霜結氷セン
サ。

【００２３】

【発明の効果】本発明の結霜結氷センサの構成要素とな
る発熱抵抗体及びサーミスタは厚膜印刷技術により製作
可能であることから、安価に製作が可能であり、また、
形状が小型なので様々な形状の熱交換器に容易に設置す
ることが可能である。また、発熱抵抗体と測温体は熱伝
導度のよい箱に収納されているから測温体に直接霜や氷
が付着することなく安定した霜と氷の検出が可能であ
る。そして、２種類のしきい値を設定することで、霜ま
たは氷の付着を区別して検出精度よく検出できる。さら
に、本発明の方法において、サーミスタ温度上昇の速度
は周囲の絶対的な温度の影響を受けにくいため、周囲温
度に影響されずに結霜状態または結氷状態の検出をする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結霜結氷センサ本体部の一実施の形態
を示す図である。

【図２】本発明の結霜結氷センサの一実施の形態を示す
図である。

【図３】結霜または結氷状態を検出する方法を説明する
図である。

【図４】本発明の結霜結氷センサを駆動する方法を説明
する図である。

【図５】本発明の結霜結氷センサおよび方法を用いて実
験した一つのデータである。

【図６】従来の霜センサの一例を示す図である。

【符号の説明】

１…結霜結氷センサ ２…発熱抵抗体 ３…サーミスタ ４…基板 ５…内箱 ６…外箱 ７…素子層 ８…感受面 ９…熱交換器 １１…発熱回路 １２…温度検出回路 １３…時間検出回路 １４…比較回路 １５…制御部 １６…表示部 ２１…結霜状態の曲線 ２２…霜氷なし状態の曲線 ２３…結氷状態の曲線 Ｔｓ…霜境界値 Ｔｋ…氷境界値

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器の結霜または結氷状態を検出す
   る結霜結氷センサであって、基板上に近接して配置され
   た発熱素子および測温素子と、この基板を収容する熱伝
   導性のよい箱からなる結霜結氷センサ。
2. 【請求項２】 熱交換器の結霜または結氷状態を検出す
   る方法において、発熱素子と測温素子を有する基板を熱
   伝導性のよい箱に入れたセンサを前記熱交換器近傍に設
   け、この測温素子によって検出される温度が氷結温度よ
   りも小さい場合に、前記測温素子によって測定される温
   度が所定の値だけ上昇するまで前記発熱素子を発熱さ
   せ、その温度上昇に要する上昇時間が所定の霜境界値よ
   り小さいときに結霜状態であると判定し、前記上昇時間
   が所定の氷境界値より大きいときに結氷状態であると判
   定し、前記上昇時間が前記霜境界値より大きく前記氷境
   界値より小さいときに霜も氷も付着していないと判定す
   ることを特徴とする結霜結氷の検出方法。