JP4344740B2 - 液体加熱ヒーターの空焼き防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体を加熱するヒーターの安全装置に関し、より詳細には発熱部を液体中に投入配置して使用する投げ込みヒーター等に特に有用となる、ヒーターと空焼き防止装置を一体に設けた、空焼きによる異常加熱を防止するための液体加熱ヒーターの空焼き防止装置に関する。

液体加熱ヒーターは、加熱中の蒸発や、容器の転倒・破損などにより発熱部が液体中から露出てしまった場合には、空焼き状態となり発熱部が赤熱するほどの高温に達し、ヒーターや容器を破損させたり、最悪の場合火災を発生させたりする原因となる危険性を孕んでいる。特に需要の多い水を加熱する場合では、使用中に蒸発して徐々に水量が減少するため空焼きの危険が大きくなり、これらのヒーターにはこの危険を防止するための安全機構を設けることが求められている。

従来、この安全機構として、本発明の適用となるヒーター発熱部位に直接取り付けて一体的に構成する空焼き防止装置の一般的な手段としては、ヒーター発熱部位に取り付け、直接またはリレーなどを介してヒーターの電流を遮断する温度ヒューズ、発熱部位に感熱部を取り付ける液膨式や本体を取り付けるバイメタル式などのサーモスタット、同様に発熱部に感熱部を取り付ける熱電対などが考えられる。一方、加熱部と別に設ける液体加熱のための空焼き防止装置としては、フロートスイッチを用いるものや、特許文献１に開示されるような缶体に水室内を貫通する通孔を設け、該通孔に缶体外壁に接するように低融点金属を封入した保護管を設け、この溶融金属の溶融によりスイッチを開成して燃焼を制御させるようにした温水器の空焚き防止装置や、同様に溶融金属を用い、該溶融金属を破損させることによりヒーターを断電する引用文献２、３の装置が開示されている。
実開昭５０−１９０５９号公報 実公昭４１−１０８５４号公報 実公昭４３−１７２７６号公報

しかし、温度ヒューズは保護管に入れて使用する必要があり熱反応性は決して良いとは言えないため、断電を早くするには発熱部に直接取り付ける必要があるが、一方で耐熱温度が高くないため、断電後のヒーターのオーバーシュートにより耐熱温度を超えてしまい、温度ヒューズの破損、または温度ヒューズを絶縁している材料の絶縁破壊により、再通電または漏電する危険がある。これを防止するために発熱部から離れた箇所に取り付けると断電が遅く、発熱部が火災の危険を生じる温度まで上昇してしまい、ヒーター自体も性能低下して再使用することができなくなるなどの懸念がある。
また、サーモスタットは、温度ヒューズより熱応答性は更に悪く、断電時には、発熱部の温度は既に上がってしまっている場合も考えられ、更にオーバーシュートも加わり、サーモスタットの耐熱温度を超えてしまい、再通電してしまう危険性がある。また、断電時に高温となった場合、サーモスタットは破損している可能性が高く次の正常動作が期待できず、ヒーター、サーモスタット共に再生できない状態となる可能性がある。
熱電対は、空焼き時の温度上昇を的確に検知することができるが、起電力を温度に変換し、異常温度を判定して遮断する回路が必要となり、この回路は、高コストでまた寸法も大きくなることから、小型のヒーターに取り付ける程度のコストや大きさにすることが困難であるといった問題がある。
また、いずれの場合も感熱部は発熱部近傍に取り付ける必要があるため、加熱状態での交換は困難で、動作が容器外部より把握できないため、空焼きによる断線とヒーターの故障が混同される場合がある。
また前記のいずれの手段を用いても、容器に投入して使用する投げ込みヒーターのように容器底部に発熱部を接触させて使用するヒーターの場合は、空焚き状態の後も容器とヒーターは接触した状態であるためヒーターの破損に加え容器を破損する懸念がある。

別に設けるものは、専用の容器あるいは専用器具に固定して加熱するヒーター装置でしか使用することができず、本発明が意図する、投げ込みヒーター等の必ずしも容器への取り付けを必要としない、ヒーターと空焼き防止装置が一体化しているといったものには適応が困難である。また、装置に組み込まれ固定されているため容易に交換することができないといった問題がある。

前記問題点に鑑み、本発明は、万一の空焼きのさい、異常温度への反応性に優れ、断電後の感熱部の交換が迅速にかつ安全に可能で、更にヒーターのみならず容器の破損も防止する、空焼きに対する被害を最小限に抑えた安全性の高い液体加熱ヒーターの空焼き防止装置を提供することを課題とする。

また、空焼き防止装置の機構部分は簡単な構造とし、安価に製造することのできる、低コストで、小型の低価格なヒーターから大型ヒーターまで適用可能な液体加熱ヒーターの空焼き防止装置を提供することを課題とする。

本発明は、発熱部を液没させて使用するヒーターに一体的に取り付ける空焼き防止装置において、発熱部あるいは発熱部の温度を感知可能な位置（以下、単に発熱部）に接合させて配置する空焼き防止用の感熱部と、ヒーターの液没しない非加熱部に設ける、前記感熱部の変化と連動して作動するスイッチと、一方端部で前記感熱部と接続し、かつ他端側で前記スイッチを作動可能とした、該感熱部とスイッチを機械的に連動させる連結部とを有して構成し、前記感熱部及び連結部は露出して設けられ、空焼きにより前記感熱部が設定温度を超えると、感熱部が破損し発熱部より外れることにより、該感熱部に接続している連結部も発熱部から共に離間される変化に連動して、該連結部による機械的な機構により前記スイッチを作動させ、ヒーターを断電するように構成した。

前記した感熱部を設定温度で破損する手段として、該感熱部を設定温度で融点となる、低融点金属あるいは樹脂により構成した。

また、特に、液体を入れた容器に発熱部を接触させて設置するヒーターに一体的に取り付ける空焼き防止装置において、前記感熱部が設定温度を超え破損すると、該感熱部がヒーター発熱部位より外れ、前記連結部と共に発熱部から離間し、かつヒーターの発熱部が容器との接触状態を離れ該容器と離間するように構成した。

前記、感熱部とスイッチの作動を連動させる手段として、前記連結部の少なくとも一部をバネ弾性部材により形成し、感熱部が発熱部に接合された通常状態では、該連結部のバネ弾性部材にテンションを掛けスイッチを通電状態に保持し、感熱部が破損して発熱部より外れると、連結部のバネ弾性部材の反発力（復元力）によりスイッチを断電状態とするように構成した。

前記、感熱部とスイッチの作動を連動される別の手段として、前記連結部の少なくとも一部をワイヤーにより形成し、感熱部が発熱部位に接合された通常状態では、該連結部のワイヤーにテンションを掛け（いっぱいに引っ張られた状態とし）スイッチを通電状態に保持し、感熱部が破損して発熱部より外れると、該連結部のワイヤーが張力を失いスイッチを断電状態とするように構成した。

更に、特に、前記した容器に発熱部を接触させて設置するヒーターの空焼き防止装置において、該ヒーターの発熱部が設定温度を超えたさいに、発熱部を容器と離間させる手段として、前記連結部の少なくとも一部をバネ弾性部材により形成し、感熱部が発熱部に接合した通常状態では、該連結部のバネ弾性部材にテンションを掛け発熱部との一体を維持し、感熱部が破損して発熱部位より外れることで、該連結部のバネ弾性部材の反発力（復元力）により、発熱部が、容器底部に接触して残る連結部の先端（感熱部）より押し上げられる構造として構成した。

（作用）
本手段によると、空焼きのさいにヒーターを断電するための装置として、感熱部とスイッチと該感熱部とスイッチを連結する連結部より構成し、空焼きにより異常温度となると感熱部を破損させて、該破損に連動して、連結部によりスイッチを作動して断電するといった、容易な構成からなる装置でありながら、３つの各部が連動する機械的な機構により確実な断電を可能とし、また感熱部を破損させ再使用を不能とするため、再通電等の可能性、誤っての再使用等の不安も排除している。更に、スイッチが液没しない部位に取り付けられることにより、該スイッチやスイッチを作動させる連結部の状況を見ることにより容器外部より空焼きが発生したことを視覚的に確認することができる。
更に、感熱部と連結部が露出しており、また、感熱部が設定温度を超え破損すると、連結部と共にヒーター発熱部より外れ、離間することにより、破損した感熱部は発熱部とは離れて位置するため破損部品の交換が容易で、また交換のためにヒーターの温度低下を長く待つ必要がなく、その場でかつ安全に交換することができ、無駄な時間を掛けずに正常な状態で再使用することができる。

前記構成の空焼き防止装置の感熱部に設定温度で融点となる、低融点金属あるいは樹脂を用いることより、空焚きにより発熱部が該感熱部の融点まで達すると、直ちにこれが軟化、溶融することから、異常温度に対する反応が早くかつ確実で、空焼きから短時間で断電することができる。これにより安全性の向上に加え、ヒーターの性能の低下が防止され、感熱部の交換によりヒーター自体は再使用することが可能となる。

この感熱部とスイッチの作動を連動させる手段として、連結部にバネ弾性部材を用いると、通常状態では、該バネ弾性部材にテンションを掛けた状態で、一方端を発熱部に接合した感熱部に接続し、他端部側でスイッチを通電状態に保持し、端部で固定しておき（例えば、バネにテンションを負荷して、この力によりプッシュスイッチを押した状態に維持しておく）、空焼きにより感熱部が破損（軟化、溶融）すると、発熱部より感熱部が外れ、連結部のバネ弾性部材の反発力（復元力）によりテンションが解かれ、該連結部がスイッチを通電状態に保持できなくなり（例えば、プッシュスイッチを押していたバネのテンションが消失することでスイッチを押す力が無くなり）、該スイッチが断電状態になるといった機械的な機構を容易に構成することができ、上記作用を実現する具体的手段とすることができる。
また、感熱部とスイッチの作動を連動させる別の手段として、連結部にワイヤーを用いると、通常状態では、該ワイヤーにテンションを掛けた状態で、一方端を発熱部位に接合した感熱部に接続し、該感熱部を、他端部でスイッチを通電状態に保持し、端部で固定しておき（例えば、ワイヤーをいっぱいに引っ張った状態にしてプッシュスイッチを押した状態に維持しておく）、空焼きにより感熱部が破損（軟化、溶融）すると、発熱部位より感熱部が外れ、連結部のワイヤーが張力を失い、該連結部がスイッチを通電状態に保持できなくなり（例えば、プッシュスイッチを押していたワイヤーが張力を失うと緩んでしまうことでスイッチを押す力が無くなる）、該スイッチが断電状態になるといった機械的な機構を容易に構成することができ、上記作用を実現する具体的手段とすることができる。
これら、どちらの手段も容易な構成であり、機械的な連動により確実な作動が期待できき、また感熱部の交換により容易に再使用することができる。

特に、容器に発熱部を接触させて使用するヒーターの空焼き防止装置において、感熱部が設定温度を超え破損すると、感熱部が発熱部より外れ、該発熱部より離間するのと同時に、ヒーターの発熱部が容器と離間することにより、断線後の発熱部の異常加熱状態が容器に直接伝導することが避けられるため、容器への被害を最小限に留めることができる。

前記、発熱部と容器とを空焼き時に離間させる手段として、前記したバネ弾性部材を用いると、通常状態では、該バネ弾性部材にテンションを掛けた状態で、一方端を感熱部に接続し、該感熱部を発熱部に接合して一体的に容器底部に置いた状態としておき、空焼きにより感熱部が破損（軟化、溶融）すると、発熱部位より感熱部が外れ、連結部のバネ弾性部材の反発力（復元力）によりテンションが解かれ、連結部の先端（感熱部）が容器底部に接触して残り、相対的に発熱部が押し上げられ容器より浮いた状態となるといった機械的な機構を容易に構成することができ、上記作用を実現する具体的手段とすることができる。また、この手段は、前述の感熱部とスイッチの作動を連動させる手段と共通であるため２つの作用を一つの手段で実現することができる。

本発明の液体加熱ヒーターの空焼き防止装置によれば、前述した構成及び作用により万一の空焼きのさい、機械的に短時間で確実に断電することができるため火災等の危険を大幅に減少させることが可能で、前述したとおりヒーター自体の性能低下の防止や容器への過加熱の影響を低下させる作用と合わせて、安全性が高く、かつ空焼きに対する総合的な被害を最小限に抑えることができる。

また、空焼きのさいに感熱部が発熱部より離間することにより、破損した感熱部を容易に付け替え可能で、ヒーターの冷却を長時間待つ必要もないため、効率的に正常な状態に戻しての継続作業が可能となる。

更に、前述したように簡単な構造で、製造コストも抑えることができ、前記したとおり簡単に交換できるなどメンテナンスのコストを含め、小型の低価格なヒーターから大型のヒーターまで適用することのできる、安価で汎用性の高い空焼き防止装置を提供することができる。

本発明の液体加熱ヒーターの空焼き防止装置の実施の形態を、図面を参考に詳細に説明する。

図１は、本発明の第一の実施の形態を示す構成模式図で、通常使用される状態を示している。本例の空焼き防止装置の説明の前に、本発明に好適に使用される液体加熱用のヒーターを簡単に説明すると、液体容器の液中にヒーターの発熱部４２を浸して使用する、投げ込みタイプのシーズヒーター４と呼称されるものであって、ステンレスあるいは銅製パイプよりなるヒーターシース４１をＵ字形状等様々な形状に形成し、発熱部４２として該シース４１内部の先端側に発熱線（図示せず）を配設し、シース４１内部の隙間を酸化マグネシウム等の絶縁剤で充填してなるヒーター本体に、防滴構造の端子ボックス５を取り付けて構成される。

前記シーズヒーター４に設ける本例の空焼き防止装置は、該ヒーターの発熱部４２の外表面に接合させ設ける感熱部１と、ヒーターの液没しない位置に設ける空焼き防止用のスイッチ２と、先端部に感熱部１を接続し、他端部で前記スイッチ２を通電状態に維持する連結部３とで基本構成され、感熱部１は、空焼き設定温度で融点となる、樹脂あるいは低融点金属より形成し、（本実施例では、水用ヒーターを想定した溶融温度の感熱部として、ポリアミド系樹脂を使用した）ヒーター発熱部４２に引っ掛るなどの適当な手段で接合されている。スイッチ２はヒーターの液没しない外表面、あるいは端子ボックス５の外部より容易に見える位置に取り付け具（図示しない）等で接続される公知のプッシュ型スイッチで、ヒーターの通電回路に組み込まれ、プッシュボタン２１が押されているときは閉成（通電）状態、離れると開成（断電）状態となって、通常の使用状態では、後記する連結部３の後端部により押され閉成され通電状態を維持している。連結部３はバネ弾性を有する金属棒状体を端部側で一巻きあるいは数回巻いて弾性を強化した棒状のスプリングより形成し、該スプリングにテンションを掛けた状態で、先端側端部は前記感熱部１を抜き差しが手作業で出来る程度の嵌合状態となる手段として、本実施例では感熱部１に嵌め込んで接続し、他端部側で、前記スイッチのプッシュボタン２１を押した状態を維持し端部をヒーターあるいは端子ボックス５に固定して設けて構成するが、本実施の形態においてはヒーターシース４１の基端側に接続具３１を取り付けて、該接続具３１に連結部３の端部を固定して構成している。
尚、本図においては、前記シーズヒーター４に該空焚き防止装置を一体として取り付けたヒーターを液体容器の底部６に発熱部４２の一部を接触させて投入している状態を示している。

図２は、前記実施の形態の空焼き発生後の構成模式図を示す。液体容器中の液体が蒸発等により少なくなりヒーター発熱部４２が液面より露出すると、発熱部４２の温度が急上昇して、感熱部１の樹脂や低融点金属の融点を超え、該感熱部１は軟化、溶融して破損し、ついには発熱部４２との接合を維持できなくなり外れる。感熱部１が発熱部４２より外れると、テンションを掛けてヒーター先端部の発熱部４２とヒーター後端部位とに固定されていた連結部３のテンションが解かれスプリングの反発力（復元力）により発熱部４２より離間すると同時に、連結部３の両端部を固定することによりプッシュボタン２１が押され維持されていたスイッチ２の閉成状態が維持されなくなることで、該スイッチ２のプッシュボタン２１が開成され断電状態となり、以後の空焚きを防止することになる。
また、ヒーター発熱部４２より離間した連結部３の先端（感熱部）は、スプリングの反発力（復元力）により相対的にシーズヒーター４を容器底部６より押し上げるため、発熱部４２が容器底部６と離れて接触しない状態となる。
尚、空焼きが発生したさいは、破損した感熱部１を付け替えることにより即座に正常な状態に戻して使用することができる。

図３は、前記実施の形態の空焼き防止機構の説明図で、一方先端部を発熱部４２に接合した感熱部１に、他方端部を適当な固定部７にバネ弾性を利用してテンションを掛けた状態で接続、固定したスプリング３により、スイッチ２のプッシュスイッチ２１を押している状態を示している。作動状態は前記したとおり、発熱部４２から感熱部１が外れると、スプリングの反発力（復元力）によりプッシュスイッチは開成状態となる。

図４は、本発明の第２の実施の形態の空焼き防止機構の説明図を示す。本実施の形態は、連結部３に第１の形態で使用したバネ弾性部材（スプリング）の代わりにワイヤー８を用いるもので、基本的な作動機構や構成は第１の形態と同様となる。発熱部４２に接合する感熱部１と、プッシュスイッチ２と、感熱部１とスイッチ２を連結するワイヤー８とにより構成し、ワイヤー８の先端部を感熱部１と接続し、一方他端部をスイッチ２と、プッシュボタン２１を押した状態（閉成、通電状態）となるように、ワイヤー８にテンションを掛けた状態（いっぱいに引っ張られた状態）で接続している。これに空焼きが発生し発熱部４２が高温になると、感熱部１が軟化、溶融して破損し感熱部４２より外れ、ワイヤー８が張力を失いスイッチ２のプッシュボタン２１が閉成を維持できなくなり、開成され断電状態となる。
尚、これら連結部材は特定するものではなく、前述してきた機能、作用を有するものであれば足りる。

本発明の第１の実施の形態の正常な状態を示す構成模式図 本発明の第１の実施の形態の空焼き後の状態を示す構成模式図 本発明の第１の実施の形態の空焼き防止機構の説明図 本発明の第２の実施の形態の空焼き防止機構の説明図

符号の説明

１． 感熱部
２． スイッチ（プッシュスイッチ）
２１． プッシュボタン
３． 連結部（スプリング）
３１． 接続具
４． ヒーター（シーズヒーター）
４１． ヒーターシース
４２． 発熱部
５． 端子ボックス
６． 容器底部
７． 固定部
８． 連結部（ワイヤー）

Claims (6)

1. 発熱部を液没させて使用するヒーターに一体的に取り付ける空焼き防止装置において、発熱部あるいは発熱部の温度を感知可能な位置（以下、単に発熱部）に接合させて配置する空焼き防止用の感熱部と、
   ヒーターの液没しない非加熱部に設ける、前記感熱部の変化と連動して作動するスイッチと、
   一方端部で前記感熱部と接続し、かつ他端側で前記スイッチを作動可能とした、該感熱部とスイッチを機械的に連動させる連結部とを有して構成し、
   前記感熱部及び連結部は露出して設けられ、
   空焼きにより前記感熱部が設定温度を超えると、感熱部が破損し発熱部より外れることにより、該感熱部に接続している連結部も発熱部から共に離間される変化に連動して、該連結部による機械的な機構により前記スイッチを作動させ、ヒーターを断電することを特徴とする液体加熱ヒーターの空焼き防止装置。
2. 前記感熱部を設定温度で融点となる、低融点金属あるいは樹脂により構成した請求項１の液体加熱ヒーターの空焼き防止装置。
3. 液体を入れた容器に発熱部を接触させて設置するヒーターに一体的に取り付ける空焼き防止装置において、前記感熱部が設定温度を超え破損すると、該感熱部がヒーター発熱部より外れ、前記連結部と共に発熱部から離間し、かつ、発熱部が前記容器との接触状態を離れ離間されるように構成した請求項１乃至２の液体加熱ヒーターの空焼き防止装置。
4. 前記、感熱部とスイッチの作動を連動する手段として、前記連結部の少なくとも一部をバネ弾性部材により形成し、感熱部が発熱部位に接合された通常状態では、該連結部のバネ弾性部材にテンションを掛けスイッチを通電状態に保持し、感熱部が破損して発熱部位との接合が解除されると、該連結部の弾性部材の反発力（復元力）により発熱部から離間すると同時に、スイッチを断電状態とする請求項１乃至３の液体加熱ヒーターの空焼き防止装置。
5. 前記、感熱部とスイッチの作動を連動する手段として、前記連結部の少なくとも一部をワイヤーにより形成し、感熱部が発熱部位に接合された通常状態では、該連結部のワイヤーにテンション掛けスイッチを通電状態に保持し、感熱部が破損して発熱部位との接合が解除されると、該連結部のワイヤーが張力を失い発熱部から離間すると同時に、スイッチを断電状態とする請求項１乃至２の液体加熱ヒーターの空焼き防止装置。
6. 前記、容器に発熱部を接触させて設置するヒーターの空焼き防止装置において、該ヒーターの発熱部が設定温度を超えたさい、発熱部が容器との接触状態を離れ離間する手段として、前記連結部の少なくとも一部をバネ弾性部材により形成し、感熱部が発熱部に接合した通常状態では、該連結部のバネ弾性部材にテンションを掛け発熱部との一体を維持させ、感熱部が破損すると接合が解除されることで、該連結部のバネ弾性部材の反発力（復元力）により、発熱部が、容器底部に接触して残る連結部の先端（感熱部）より押し上げられ離間される構造を有する請求項４の液体加熱ヒーターの空焼き防止装置。
   

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