JP4473173B2 - 水槽等の加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱帯魚等の魚類を飼育して鑑賞に供する鑑賞用水槽内や作業時の洗浄・手洗い等に使用する作業用水槽内の水を適切な温度に加熱する加熱装置に関する。

鑑賞用水槽や作業用水槽等においては、その水槽内の水温を適切な温度に加熱することで、飼育対象の魚の生存環境を整えたり、作業用工具や器具又は手足などの洗浄効果を上げ、また洗浄時の作業環境の快適さに寄与することができる。

通常、上記のような目的のために、外形が細長い円柱状であって、内部にニクロム線のような電熱材を保持して全体をシールした加熱装置が使用される。より詳細には、加熱装置内部には水槽内の水を加熱するヒータと、前記水槽内に置かれた状態で該水槽内の水温を検出する第１のセンサと、加熱装置本体の温度を検出する第２のセンサと、前記第１のセンサ出力に基づいて前記水槽内の水が所定の温度に保たれるように前記ヒータへの通電を制御するとともに前記第２のセンサの出力に基づいて加熱装置本体の過昇温度状態を検出したときに前記ヒータへの通電を停止する制御部とを備えている。第２のセンサには、例えば温度ヒューズや、バイメタル等を含むサーマルプロテクタが使用される。

通常状態においては、水槽内の水温は、第１のセンサの出力に基づいてヒータ通電が制御されその水温は所定の温度に保たれる。しかし、加熱装置本体が何らかの原因で過昇温度状態になった場合（例えば、地震等を原因として加熱装置が水中から床に放り出された場合）、ヒータの空焚きが生じて過昇温度状態となり火災の原因となる。そこで、これを未然に防止するため、加熱装置本体の過昇温度状態を第２のセンサで検出し、過昇温度検出時にヒータへの通電を停止する。第２のセンサに温度ヒューズを使用した場合には、加熱装置本体の過昇温度時に温度ヒューズが断となるため、それ以降のヒータへの通電が停止されて火災等が発生するのを防ぐことができる。また、サーマルプロテクタを使用した場合でも、過昇温度検出時にはサーマルプロテクタがオフすることにより加熱装置本体の過昇温度状態が維持されることを防ぐことができる。

ところが、水槽等に使用する加熱装置は全体を完全シールしているために、第２のセンサに温度ヒューズを使用するものでは、一旦温度ヒューズが切れてしまうと、温度ヒューズを新しいものに交換することが簡単ではなく、結局、ユーザは新たな加熱装置を再購入しなければならないということになる。また、第２のセンサにサーマルプロテクタを使用するものでは、過昇温度検出時にサーマルプロテクタのオンオフが繰り返されることになり、状況によっては加熱装置本体の冷却が十分とはならず、やはり火災を起こす可能性が生じてくる。例えば、地震等で水槽が破損して加熱装置が内部の水とともに家屋の床に落下した場合、ヒータへの通電はサーマルプロテクタの作用でオンオフを繰り返し、十分に温度低下しないことになるから、その近くに発火温度の低い物があるとそこに火災を起こす可能性がでてくる。

そこで、特許文献１では、加熱装置内に一対の電極片を設け、空気中と水中のそれらの電極片間の静電容量が異なることを利用して、水中にあるときにだけヒータ通電されるようにしている。また、特許文献２では、水温感知素子ＬＳＩに対向させて補助ヒータを設け、水中では補助ヒータの発熱が水温感知素子ＬＳＩに伝達しないようにし、空焚き状態では補助ヒータの発熱が水温感知素子ＬＳＩに伝達させて該ＬＳＩを開放状態にする装置が提案されている。
特開２００３−３１００９４号 特開２００３−０７９２６９号

しかしながら、特許文献１に示される装置は、空気中にあるときに電極部を触ると水中にあるものと判断しヒータがオンする誤動作することがあり、特許文献２に示される装置は、水温感知素子ＬＳＩの温度感知誤差が大きいために個別調整が必要であり、また有接点であるために短寿命である欠点があった。このように、特許文献１、２に示される装置は、動作が不安定であったり、精度の高い動作を長期に亙って保証するのに十分な調整を必要とし、また、電極や水温感知素子ＬＳＩ等の比較的高コストの部品が必要であり、低コストで安定した性能の発熱装置を得るには十分ではなかった。

本発明の目的は、簡単な構成で低コストで性能の安定した加熱装置を提供することにある。

本発明は、水槽内の水を加熱するヒータと、
前記水槽内に置かれた状態で該水槽内の水温を検出する第１のセンサと、
装置本体の温度を検出する第２のセンサと、
前記第１のセンサ出力に基づいて前記水槽内の水が所定の温度に保たれるように前記ヒータへの通電を制御するとともに前記第２のセンサの出力に基づいて装置本体の過昇温度状態を検出したときに前記ヒータへの通電を停止する制御部と、
前記制御部に供給する直流電源を生成する電源整流回路と、を備えてなる水槽等の加熱装置において、
装置本体の片側半分である第１の領域に前記ヒータを配置し、
前記第１の領域の反対側の片側半分である第２の領域を、前記第１の領域側に位置する電源区画と、この電源区画に連続する制御区画とに区分し、前記電源整流回路、および前記第２のセンサを前記電源区画に配置し、前記制御部、および前記第１のセンサを前記制御区画に配置したことを特徴とする。
この構成では、電源整流回路の消費電力が、ヒータの定格電力に殆ど相関しないことに着目し、第２のセンサをヒータ近傍ではなく電源整流回路の近傍に配置した。これにより、ヒータの定格電力の大きさ（加熱装置の種類）に無関係に、空焚き感知までの時間を一定にすることができる。
なお、第２のセンサをヒータ近傍に配置して過昇温度状態の検出を行うと、ヒータの定格電力毎に異なった挙動を示すことになり（ヒータの定格電力の大きさにより、発熱量が異なるため、空焚き感知までの時間が異なってくる）、また、これを防止するためにはヒータの定格電力毎に動作設定値を変えることが必要になる。

また、前記制御部は、前記装置本体の過昇温度状態を検出したときに前記ヒータへの通電を停止する通電停止信号を出力する通電停止信号形成回路と、前記通電停止信号の出力端子と電源間に接続され、前記通電停止信号が形成されると電源から出力端子に電流を流して該出力端子電位をそのまま保持する自己保持回路と、を備える構成としてもよい。
このように構成すれば、第２のセンサにより加熱装置本体温度が過昇温度状態になるとヒータへの通電を停止する。制御部は、通電停止信号形成回路においてヒータへの通電を停止するための通電停止信号を出力するが、通電停止信号の出力端子と電源間には、前記通電停止信号が形成されると電源から出力端子に電流を流して該出力端子電位をそのまま保持する自己保持回路を設けているため、一旦、前記出力端子に通電停止信号が表れると、その信号が保持されてしまう。すなわち、ヒータの空焚き等により加熱装置本体の過昇温度状態が一旦検知されると、その後、その過昇温度状態が解消されてもヒータへの通電が回復しない。加熱装置を再度利用するには、電源をオフする。すると、装置が初期状態に戻ることにより再使用が可能になる。

この構成は、自己保持回路により実現されるが、この自己保持回路は、電源と出力端子間に電流を流すことで出力端子電位をそのまま保持するアナログ電子回路で構成できるため、フリップフロップ等のデジタル記憶回路を用いて過昇温度手段を記憶する構成に比較して、別の電源電圧を別途用意しなくて良い利点がある。また、自己保持回路は、電源と出力端子間に電流を流す回路構成でよいため、抵抗と逆流阻止用のダイオードだけで構成でき極めて簡単である。このため、低コスト化に寄与し、且つ動作も安定し長期にわたって安定した性能を発揮することができる。

本発明によれば、自己保持回路を特別の電源電圧や高コストの部品等を用意しなくても簡単な回路で実現できるため、低コスト化で安定した加熱装置を実現できる。また、空焚き感知までの時間をヒータの定格電力に依存しない安定した制御が可能である。

図１は本発明の実施形態である加熱装置の構成図である。

図において、ガラス管やセラミック管からなる無底筒状のヒータ本体（加熱装置本体）１の片側半分の第１の領域（図１では右側半分）にニクロム線からなるヒータＨＲが配設され、片側半分の第２の領域（図１では左側半分）にプリント基板２が配設されている。プリント基板２には、温度が高くなると抵抗値が下がるサーミスタＳＡ１（第２のセンサ）、サーミスタＳＡ２（第１のセンサ）、ＬＥＤ、制御回路、電源回路が設けられている。

ヒータ本体１は、その両端がシリコン剤等で水密状態に密閉され、さらに直接ガラス管やセラミック管が水槽底面に設置しないようゴムキャップ３、４で保護され、ヒータＨＲとヒータ本体１間はマグネシア砂等で充填されている。ＳＡ１は、ヒータ本体１の過昇温度検出時に温度上昇しやすい電源区画Ｐ１に設けられており、ＳＡ２は、電源区画Ｐ１に比して温度上昇しにくい制御区画Ｐ２に設けられている。ＳＡ１は、電源区画Ｐ１内の電源整流部２０に近傍して配置され、この電源整流部２０の温度検出に基づいて過昇温度状態を検出する。ＳＡ１をこのように配置することにより、ヒータの定格電力の大きさに無関係に空焚きを検出するまでの時間を安定させることが出来る。また、プリント基板２には、過昇温度検出時から点灯するＬＥＤが設けられている。ヒータ本体１には、ゴムキャップ４を介して電源コード５とプラグ６により家庭用のＡＣ電源が供給される。

図２は、上記ヒータ本体１が鑑賞用の水槽１０内に配置された様子を示している。このヒータ本体１は、予め制御温度が一定値に設定されており、図２に示す例では、水温がヒータ本体１の制御温度になるように自動的にヒータへの供給電力が調整される。

図３は、コントローラ１１が接続されている加熱装置を示している。このコントローラ１１は、ヒータ本体１の制御温度をツマミ１１ａで調整する機能を持っている。また、過昇温度の検出時に点灯するＬＥＤ１１ｂを備えている。

次に、上記加熱装置の回路と動作について説明する。

図４は加熱装置の回路図、図５は波形図を示している。

本実施形態の加熱装置は、端子Ｒ，Ｓに入力したＡＣ電源電圧を整流する電源整流部（１）（図１では電源整流部２０）と、ヒータＨＲと、このヒータＨＲに直列接続されヒータＨＲへの供給電力を制御するトライアック（ＴＲＩＡＣ）と、電源整流電圧を定電圧化する定電圧部（２）と、ＳＡ１を含む過昇温度検出部（３）と、過昇温度検出時にヒータオフ信号を形成するヒータオフ信号形成回路（４）と、そのヒータオフ信号が形成されている状態を保持する自己保持回路（５）と、ＳＡ２を含む水温検出部（６）と、トライアックのオンオフ制御を行うトリガパルスをＡＣ電圧の０Ｖ付近で形成するゼロクロストリガ部（７）と、トライアックドライブ部（８）と、トライアックドライブ部（８）に対して定電圧を供給する定電圧部（９）とを備えている。以下、各構成部について説明する。なお、前記電源整流部（１）、トライアックは図１の電源区画Ｐ１に設けられ、それ以外の部分は制御区画Ｐ２に設けられている。

（ａ）定電圧部（２）、（９）について
定電圧部（２）、（９）は、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２により定電圧化する。 電源整流部（１）で整流されることによって得られるＴＰＡの波形は、ＧＮＤ（ＴＰＧ）に対して図５（Ａ）のようになる。ＴＰＡ点の電圧はダイオードＤ１を通り、定電圧部のＺＤ１およびＣ１により一定電圧に平滑されるため、ＴＰＶの波形は図５（Ｂ）のようになる。この電圧が制御回路部の電源Ｖｃｃとなる。一方、電源整流部（１）のＲ１を通るトライアックドライブ部（８）の電源Ｖｏｏは、Ｄ５を通りＺＤ２およびＣ２により一定電圧に平滑され、ＴＰＳに対し負電圧を形成するため、ＴＰＯの波形は図５（Ｃ）のようになる。

（ｂ）過昇温度検出部（３）について
過昇温度検出部（３）は、サーミスタＳＡ１により検出したヒータ本体１の温度が所定の過昇温度以上であるかどうかを検出する。

ヒータＨＲの空焚き等を原因とするヒータ本体１の過昇検出温度をＴＭＰ１とし、その温度に相当するサーミスタＳＡ１の抵抗値をＲＴＭＰ１とする。Ｒ１３＝Ｒ１５とし、Ｒ１５＝ＲＴＭＰ１とした場合、サーミスタＳＡ１での検知温度が過昇検出温度ＴＭＰ１より低い正常動作状態のときはサーミスタＳＡ１の抵抗値はＲＴＭＰ１より大きな値となる。このとき、オペアンプＩＣ１の出力Ａは「ＨＩＧＨ」となる。また、サーミスタＳＡ１での検知温度が過昇検出温度ＴＭＰ１を超える過昇温度状態のときは、サーミスタＳＡ１の抵抗値はＲＴＭＰ１より小さな値となる。このとき、ＩＣ１の出力「Ａ」は「ＬＯＷ」となる。

本実施形態では、サーミスタＳＡ１を電源整流部（１）に近傍する位置に設けている。図４に示すように、電源整流部（１）は、ヒータＨＲを除く制御部全体に供給する直流電流を生成するものであり、その整流部から供給される電流の大きさは、ヒータＨＲに流れる電流の大きさ、つまりヒータＨＲの定格電力とは無関係である。したがって、電源整流部（１）に近傍する位置に設けられているサーミスタＳＡ１は、ヒータＨＲの定格電力に無関係に、電源整流部（１）の温度上昇に基づいて過昇温度状態の検出を行う。このため、定格の異なる加熱装置であっても、空焚き状態の検出までの時間を一定にすることができる。

（ｃ）ヒータオフ信号形成回路（４）および自己保持回路（５）について
本発明の通電停止信号形成回路に対応するヒータオフ信号形成回路（４）は、過昇温度検出部（３）でヒータ本体１の過昇温度を検出すると、ヒータＨＲのオフ信号を形成する。また、自己保持回路（５）は、ヒータＨＲのオフ信号を維持する。

Ｒ１１＝Ｒ１２とした場合、Ｒ１１とＲ１２の接続点であるＴＰＢの電圧は１／２Ｖｃｃとなる。オペアンプＩＣ２の出力ＢとＴＰＶ（Ｖｃｃ）間にはＲ１０，Ｒ９，Ｄ２の直列回路からなる自己保持回路（５）が接続されている。

今、ＩＣ２の出力Ｂが「ＬＯＷ」のとき、電源端子のＴＰＶから出力Ｂ（出力端子）に電流Ａ１が流れることにより、ＴＰＣの電圧がＲ１０の降下電圧となる。このときのＴＰＣの電圧がＴＰＢの電圧よりも低くなるようにＲ９，Ｒ１０の値を設定する。例えば、Ｒ９を１／５・Ｒ１１、Ｒ１０を１／１０・Ｒ１１とする。このような構成で、自己保持回路を構成するが、この回路は、極端なヒステリシス動作を行うようにＲ９，Ｒ１０を設定したものである。

ヒータ本体１が正常温度範囲内のときは過昇温度検出部（３）でＩＣ１の出力Ａが「ＨＩＧＨ」であるため、ＩＣ２の出力Ｂも「ＨＩＧＨ」となり、スタンバイ状態となる。なお、この正常温度範囲内のスタンバイ状態では、自己保持回路（５）にはＴＰＶから電流が流れることはない。

過昇温度検出部（３）において過昇温度を検出し、ＩＣ１の出力Ａが「ＬＯＷ」になると、ＩＣ２の出力Ｂも「ＬＯＷ」となる。このとき、自己保持回路（５）が作動して、ＴＰＶから出力Ｂ（端子）に対して電流Ａ１が流れる。これにより、Ｒ１０に電流Ａ１による電圧降下が生じ、ＴＰＣ＜ＴＰＢの関係を維持する。すなわち、この状態で、ヒータ本体１が正常温度範囲内に回復しても、自己保持回路（５）の機能によりＴＰＣ＜ＴＰＢが維持される。このため、ＩＣ２の出力Ｂは「ＬＯＷ」の状態を維持し続ける。

これにより、後述するゼロクロストリガ部（７）でヒータのオンオフ制御を行うトライアックドライブ部（８）への信号供給ができなくなり、ヒータＨＲへの通電が停止したままとなる。なお、ＩＣ２の出力Ｂは、Ｄ３を介してゼロクロストリガ部（７）に出力される。

自己保持回路（５）による上記の保持状態を解除するには、一旦、電源プラグをコンセントから抜く等の操作をして、入力ＡＣ電源１００Ｖの供給を絶つか、それに相当するリセットスイッチを付加し、これを用いて制御回路の電源電圧Ｖｃｃをオフにする。Ｖｃｃがオフになると、自己保持回路（５）による自己保持動作がなくなるから、再び動作可能である。

なお、本実施形態では、図４のヒータオフ信号形成回路（４）において、Ｒ８にＬＥＤが直列接続されている。したがって、自己保持回路（５）が作動しているときは、ＬＥＤが点灯する。

（ｄ）水温検出部（６）
水温検出部（６）は、サーミスタＳＡ２により検出した水槽の水温に応じたパルス信号を出力する。すなわち、水温が所定温度以上であれば「ＬＯＷ」を、所定温度以下であれば「ＨＩＧＨ」を出力する。

この水温検出部（６）の基本的な構成は過昇温度検出部（３）と同じであり、回路構成では、Ｒ２０により、温度制御に若干のヒステリシス（温度幅）を持たせて応答特性を下げ、これによりノイズ等による誤動作を防止している。

今、一定温度に制御する水温をＴＭＰ２とし、その温度に相当するＳＡ２の抵抗値をＲＴＭＰ２とする。また、Ｒ１８＝Ｒ１９とし、Ｒ１７＝ＲＴＭＰ２とした場合、ＳＡ２での検知温度が制御水温ＴＭＰ２より低いと、ＳＡ２の抵抗値はＲ１７より大きな値となり、ＩＣ３の出力Ｃは「ＨＩＧＨ」となる。また、ＳＡ２での検知温度が制御水温ＴＭＰ２を超えると、ＳＡ２の抵抗値はＲ１７より小さな値となり、ＩＣ３の出力Ｃは「ＬＯＷ」となる。ＩＣ３の出力Ｃは、ゼロクロストリガ部（７）に導かれる。

（ｅ）ゼロクロストリガ部（７）
ゼロクロストリガ部（７）は、前記水温検出部（６）のパルス出力に基づいて、ＡＣ電源のゼロクロスタイミングのときにトライアックにトリガパルスを与える。

整流した後のＴＰＡからの入力は、Ｒ２４，Ｒ２５，Ｃ４により脈流となる（図５（Ｄ）参照）。ＴＰＥはヒータオフ信号形成回路（４）のＩＣ２の出力Ｂであり（図５（Ｅ）参照）、ＴＰＦは水温検出部（６）のＩＣ３の出力Ｃである。

ＴＰＥが「ＬＯＷ」のとき（過昇温度が検出され自己保持回路（５）が作動したとき）、または、ＴＰＦが「ＬＯＷ」のとき（水温が制御水温ＴＭＰ２を超えたとき）、ＩＣ４の入力ポート（−）は「ＬＯＷ」となり、ＩＣ４の出力Ｄは「ＨＩＧＨ」となる。

また、ＴＰＥが「ＨＩＧＨ」のとき（過昇温度が検出されず自己保持回路が作動していないとき）、且つ、ＴＰＦが「ＨＩＧＨ」のとき（水温が制御水温ＴＭＰ２より低いとき）、ＩＣ４の入力ポート（−）は「ＨＩＧＨ」となり、ＩＣ４の出力Ｄは「ＬＯＷ」となる。

ＩＣ４の出力Ｄが「ＨＩＧＨ」のとき、トライアックドライブ部（８）へはトリガパルスが出力されない。ＩＣ４の出力Ｄが「ＬＯＷ」のとき、図５（Ｅ）のように、ＩＣ４の入力ＴＰＥとＴＰＤが重なり合った部分（入力交流電源電圧０Ｖ交差付近）でＩＣ４の出力Ｄからトライアックドライブ部に対してトリガパルスが出力される。このような動作により、ゼロクロストリガが実現される。ゼロクロストリガにより、入力交流電源電圧の０Ｖ付近でヒータＨＲのオンオフを行うことができるからラジオ周波数で有害な高調波ノイズによる無線周波数誘導障害を最小にできる。

（ｆ）トライアックドライブ部（８）
トライアックドライブ部（８）は、トライアックに対してトリガパルスを供給する。

ゼロクロストリガ部（７）からトリガパルスが出力される間、フォトカプラＰＣ１のＬＥＤに電流が流れ、ＰＣ１のトランジスタ側に伝達されＴＲ１はオンする。このときＲ４を通じてトライアックにトリガパルスがゲート電流として供給される。トライアックにはヒータＨＲが直列接続されているから、トライアックがターンオンすることによりヒータＨＲが通電される。

本実施形態では、過昇温度を検知するためのＳＡ１がヒータ本体１内で温度の高い電源区画Ｐ１に配置され、水温を検知するためのＳＡ２が電源区画およびヒータＨＲから遠く離れたゴムキャップ４の近くに配置されているため、ＳＡ１によりヒータ本体１の過昇温度を的確に検出することができ、また、ＳＡ２によりヒータＨＲや電源区画の影響を受けることなく水温を的確に検出することが可能である。

なお、図３のように、ヒータ本体１とは別に温度コントローラ１１を設け、ツマミ１１ａにて制御温度を設定することも可能である。この場合、ツマミ１１に可変抵抗器を連結し、その抵抗器を水温検出部（６）のＲ１９に置き換える、又は、可変抵抗器に調整トリマ等を直列接続した回路をＲ１９に置き換える。ヒータオフ信号形成回路（４）のＲ８に直列接続されるＬＥＤは、図３の例では、温度コントローラ１１に設けられるＬＥＤ１１ｂとなる。

また、上記実施形態では、回路をディスクリートな部品で構成したが、これらをＩＣで構成することももちろん可能である。どのような回路であっても、すべてアナログ素子で構成することにより、ロジック素子などを設ける場合に必要な５Ｖ電源回路などの特別の電源回路を設ける必要がない。これにより、ノイズで誤動作することもなくなる。

本発明の実施形態である加熱装置の構成図 上記加熱装置を水槽内に置いたときの図 本発明の実施形態である加熱装置を水槽内に置いたときの図 本発明の実施形態である加熱装置の回路構成図 上記加熱装置の信号波形図

符号の説明

１−ヒータ本体
ＳＡ１−サーミスタ（第２のセンサ）
ＳＡ２−サーミスタ（第１のセンサ）
ＨＲ−ヒータ

Claims (4)

1. 水槽内の水を加熱するヒータと、
   前記水槽内に置かれた状態で該水槽内の水温を検出する第１のセンサと、
   装置本体の温度を検出する第２のセンサと、
   前記第１のセンサ出力に基づいて前記水槽内の水が所定の温度に保たれるように前記ヒータへの通電を制御するとともに前記第２のセンサの出力に基づいて装置本体の過昇温度状態を検出したときに前記ヒータへの通電を停止する制御部と、
   前記制御部に供給する直流電源を生成する電源整流回路と、を備えてなる水槽等の加熱装置において、
   装置本体の片側半分である第１の領域に前記ヒータを配置し、
   前記第１の領域の反対側の片側半分である第２の領域を、前記第１の領域側に位置する電源区画と、この電源区画に連続する制御区画とに区分し、前記電源整流回路、および前記第２のセンサを前記電源区画に配置し、前記制御部、および前記第１のセンサを前記制御区画に配置したことを特徴とする水槽等の加熱装置。
2. 前記制御部は、前記装置本体の過昇温度状態を検出したときに前記ヒータへの通電を停止する通電停止信号を出力する通電停止信号形成回路と、前記通電停止信号の出力端子と電源間に接続され、前記通電停止信号が形成されると電源から出力端子に電流を流して該出力端子電位をそのまま保持する自己保持回路と、を備えてなることを特徴とする請求項１記載の水槽等の加熱装置。
3. 前記制御部は、前記出力端子と電源間に接続される発光回路を備え、
   前記通電停止信号が形成されると電源から前記発光回路に電流が流れて発光することを特徴とする請求項２記載の水槽等の加熱装置。
4. 前記第１のセンサは、前記制御区画における、前記電源区画の反対側に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水槽等の加熱装置。

Images