JP2003064263A

JP2003064263A - 膨張吸収材および凍結破損防止装置

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Publication number: JP2003064263A
Application number: JP2001261124A
Authority: JP
Inventors: Akihito Hachiya; 秋仁蜂矢
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-03-05
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: CN1407291A; KR20030019843A; KR100472351B1; CN100339428C; TW531624B; JP3771154B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐久性が高くかつ膨張体積吸収性能に優れた
膨張吸収材、この膨張吸収材を用いた凍結破損防止装置
および凍結破損防止方法を提供する。【解決手段】本発明の膨張吸収材５０は、可逆的に容
積変化可能な中空粒子（アクリロニトリル系樹脂バルー
ン等）５４が弾性母材（ＥＰＤＭ等）５２に分散された
構成を有し、比重が０．５〜０．８の範囲にあることを
特徴とする。この膨張吸収材は、水通路（例えば、水圧
応動装置の二次室内）に配置されて、水通路内の水の凍
結に伴う膨張体積を圧縮変形により吸収し、これにより
水通路を備える器具類等の破損を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水通路内の水の
凍結に伴う膨張体積を圧縮変形により吸収する膨張吸収
材、ならびにこの膨張吸収材を用いた凍結破損防止装置
および凍結破損防止方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】給湯器、食器洗浄器等の水通路を有す
る器具類において、冬期の気温低下等により水通路内の
水が凍結することがある。この水の凍結に伴う体積膨張
により、器具類（特に水通路を形成する部材）が過大な
応力を受けて破損する場合がある。このような凍結によ
る器具類の破損を防止する技術として、特開平１０−２
８１５５６号公報には、多数の独立気泡を有するスポン
ジを水の通路に配置した凍結破損防止装置が開示されて
いる。この技術は、水の凍結による膨張体積をスポンジ
の圧縮変形により吸収させて器具類の破損を防止しよう
としたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記公報に記載の凍
結破損防止装置に用いられているような多数の独立気泡
を有するスポンジとしては、図１０に示すように、液状
樹脂（ゴム、ポリウレタン等）９０を発泡させるととも
に硬化させたものが一般的である。硬化後に得られたス
ポンジ９２は、独立気泡９４の間が硬化樹脂（母材）９
６によって隔てられた構成を有する。

【０００４】しかし、このような構成のスポンジ９２
は、水の繰り返し凍結により圧縮と復元を繰り返すうち
に弾性が低下し、膨張体積を吸収する性能（以下、「膨
張体積吸収性能」ともいう。）が低下しやすい。すなわ
ち、繰り返し変形に対する耐久性が低い。スポンジ９２
の繰り返し変形により膨張体積吸収性能が低下する要因
としては、独立気泡９４を隔てる硬化樹脂９６がヘタリ
を生じること、この硬化樹脂９６が破損して独立気泡９
４同士が連通すること、あるいはこの硬化樹脂９６の破
損により独立気泡９４がスポンジ９２の外部と連通して
気泡の独立性が損なわれること、等が挙げられる。ま
た、耐久性を高めるためにスポンジ９２に含まれる気泡
の割合（気泡率）を少なくすると、このスポンジ９２の
単位体積あたりの膨張体積吸収性能が低くなる。このた
め、所定量の水の凍結による膨張体積を吸収するために
配置するべき膨張吸収材の体積（すなわち、膨張吸収材
／水の体積比）が大きくなってしまい、水通路を有する
器具類の小型化を妨げるという不具合がある。

【０００５】本発明は、繰り返し変形に対する耐久性が
高く、かつ単位体積あたりの膨張体積吸収性能（体積収
縮率）に優れた膨張吸収材を提供することを目的とす
る。さらに、この膨張吸収材を用いた凍結破損防止装置
および凍結破損防止方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段と作用と効果】本発明に
より提供される膨張吸収材は、水通路に配置されてこの
水通路内の水の凍結に伴う膨張体積を圧縮変形により吸
収する膨張吸収材であって、可逆的に容積変化可能な中
空粒子が弾性母材に分散されている。この膨張吸収材の
比重は０．５〜０．８の範囲にある。ここで「水通路」
とは、水を流通させまたは滞留し得る部位であって、そ
の水が凍結する可能性のある部位をいう。なお、この膨
張吸収材の比重は、例えば、２３℃の水（煮沸後冷却し
た蒸留水等）を基準として常法により測定することがで
きる。

【０００７】本発明の膨張吸収材では、例えば図１に示
す模式図のように、弾性母材５２に分散された各中空粒
子５４に備えられた中空部（気泡）５４ａの間が、弾性
母材５２およびこの中空粒子５４の外皮５４ｂによって
隔てられている。これにより、独立気泡９４の間が母材
９６のみによって隔てられた構成のスポンジ９２（図１
０参照）に比べて、本発明の膨張吸収材５０は繰り返し
変形に対する耐久性に優れたものとなり得る。この膨張
吸収材の比重は、他の条件（弾性母材や中空粒子の種類
等）が同じであれば、膨張吸収材の単位体積当たりに含
有される中空部（気泡）の容積が増すにつれて小さくな
る。したがって、膨張吸収材の比重が小さくなるにつれ
てその単位体積あたりの膨張体積吸収性能（体積収縮
率）は向上する傾向にある。一方、膨張吸収材の比重が
小さすぎると、この膨張吸収材における弾性母材の含有
割合が少なすぎて膨張吸収材の強度が低下したり、その
表面が荒れたりする場合がある。膨張吸収材の比重が
０．５〜０．８（より好ましくは０．５〜０．６）の範
囲であれば、実用上十分な強度を有するとともに、体積
収縮率と耐久性とを高いレベルで両立させることができ
る。

【０００８】なお、前記「体積収縮率」とは、膨張吸収
材に所定の圧縮応力（例えば３．９〜７．８MPa（４０
〜８０kgf/cm²））を加えたときの体積変化率をいい、
単位体積あたりの膨張体積吸収性能を示す。本発明の膨
張収縮材の典型的な構成では、この体積収縮率と比重と
の間に下記式（１）に示す関係がある。この式（１）に
おけるＫ（定数）は、主に、中空粒子に封入された気体
の体積変化率に依存すると考えられる。圧縮応力が３．
９MPaのときのＫの値は、例えば０．９５程度である。体積収縮率＝Ｋ・（１−比重）×１００（％）・・・（１）

【０００９】本発明の膨張吸収材のうち好ましいもの
は、その硬度が４５°〜６５°の範囲にある。このよう
な膨張吸収材は、適用範囲の広さ（例えば、高水圧のか
かる水通路への適用等）と耐久性とのバランスに優れ
る。この膨張吸収材の硬度は、例えば、タイプＡデュロ
メータにより測定することができる。

【００１０】本発明の膨張吸収材に含有される中空粒子
としては、ガラスバルーン等に比べて柔軟性に優れるこ
とから、樹脂バルーン（有機高分子を外皮とする中空粒
子をいう。）が好ましい。このとき、弾性母材としては
エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）が
好ましい。ＥＰＤＭは塩素透過性が低いので、この膨張
吸収材を塩素を含む水（典型的には水道水）が満たされ
る水通路において使用する場合、このＥＰＤＭに分散さ
れた樹脂バルーンには塩素が到達しにくい。このため、
例えば弾性母材としてシリコーンゴムを用いた場合に比
べて塩素による樹脂バルーンの劣化が抑制され、膨張吸
収材の耐久性が良好なものとなる。

【００１１】本発明の凍結破損防止方法は、本発明のい
ずれかの膨張吸収材を水通路に配置し、水通路内の水の
凍結に伴う膨張体積をその膨張吸収材の圧縮変形により
吸収して水通路形成部材の破損を防止するものである。

【００１２】本発明の凍結破損防止装置は、かかる凍結
破損防止方法を具現化したものである。この凍結破損防
止装置は、本発明のいずれかの膨張吸収材を備え、この
膨張吸収材が水通路に配置された構成を有する。本発明
の膨張吸収材は体積収縮率に優れるので、一定体積の水
の凍結による膨張体積を吸収するために必要とされる膨
張吸収材の体積が小さい。したがって、本発明の凍結破
損防止装置は、体格（設置スペース）の比較的小さなも
のとすることができる。これにより、水通路を有する器
具類を顕著に大型化させることなく、この凍結破損防止
装置を器具類に設置することができる。また、この膨張
吸収材は耐久性に優れるので、本発明の凍結破損防止装
置によると、水通路を有する器具類の破損を長期に亘っ
て安定して防止または抑制することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の膨張吸収材を構成する
「可逆的に容積変化可能な中空粒子」としては、外皮に
より区画された空孔（中空部）に気体（典型的には、空
気または窒素等の不活性気体）が密封されたもの（バル
ーン）が好ましく使用される。例えば、アクリロニトリ
ル樹脂バルーン、フェノール樹脂バルーン、塩化ビニリ
デン樹脂バルーン、塩化ビニリデン−アクリロニトリル
共重合体樹脂バルーン等の樹脂バルーン、カーボンバル
ーン、ガラスバルーン、シリカバルーン、アルミナバル
ーン、ジルコニアバルーン、シラスバルーン等の無機バ
ルーン等から選択される一種または二種以上を使用する
ことができる。これらのうち、特に樹脂バルーンを使用
することが好ましい。一般に、このような樹脂バルーン
は、ガラスバルーン等に比べて外皮の可撓性（柔軟性）
が高いことから、膨張吸収材の体積変化（圧縮および復
元）に伴ってバルーン容積が変化した際において破損等
を起こしにくい。したがって、かかる樹脂バルーンを用
いた膨張吸収材は、中空粒子の破損等による体積収縮率
の低下が起こりにくいので、繰り返し変形に対する耐久
性が良好である。樹脂バルーンのうち、食品衛生法に適
合する樹脂を外皮とするものがさらに好ましい。このよ
うな樹脂バルーンの具体例としては、アクリロニトリル
−メタクリロニトリル共重合体樹脂バルーン等が挙げら
れる。

【００１４】中空粒子の外形形状は特に限定されない
が、製造容易性、弾性母材に対する分散性、容積変化に
対する耐久性等の点から、実質的に球形の中空粒子が好
ましい。また、各中空粒子の構造としては、図１に示す
ように、各中空粒子５４が一つの中空部５４ａを（例え
ば各中空粒子５４粒子のほぼ中央に）有する構造が典型
的であるが、一粒子当たり二つ以上の中空部を有する構
造等であってもよい。

【００１５】この中空粒子としては、平均粒径が１０〜
３００μm（より好ましくは２０〜１００μm、典型的に
は５０μm程度）の範囲にあるものが好ましく用いられ
る。このように平均粒径の比較的小さい中空粒子を含有
することにより、膨張吸収材の小型化が可能となり、ま
たその形状の設計自由度が高められる。このため、かか
る膨張吸収材は狭い水通路（例えば、水電磁弁のアーマ
チュア収納容器内等）にも配置することができ、広範囲
の用途に利用することができる。一方、中空粒子の平均
粒径が１０μmよりも小さすぎると、中空部の容積が小
さいため、膨張吸収材に十分な体積収縮率を与えるため
に必要とされる中空粒子の含有割合が高くなりすぎる場
合がある。

【００１６】本発明の膨張吸収材を構成する「弾性母
材」としては、エチレン−プロピレン共重合体（ＥＰ
Ｍ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤ
Ｍ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（Ｎ
ＢＲ）、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム（Ｉ
ＩＲ）等を用いることができる。これらのうち、塩素透
過性が低いこと、耐塩素性が高いことから、ＥＰＤＭ，
ＮＢＲまたはフッ素ゴム（典型的にはＥＰＤＭ）を用い
ることが好ましい。ところで、一般に樹脂バルーンはガ
ラスバルーン等に比べて塩素（特に次亜塩素酸イオン）
による劣化を受けやすい。この劣化により樹脂バルーン
の柔軟性が損なわれると、膨張吸収材の圧縮変形により
樹脂バルーンが容積変化（変形）した際等において、こ
の樹脂バルーンが破損しやすくなる。その結果として膨
張吸収材の耐久性が低下する場合がある。このことか
ら、本発明の膨張吸収材を塩素を含む水（典型的には水
道水）が満たされる水通路に配置して使用する場合であ
って、中空粒子として樹脂バルーン（典型的には、アク
リロニトリル−メタクリロニトリル共重合体樹脂バルー
ン）を採用する場合には、弾性母材として上述した塩素
透過性の低い材料を選択することが特に好ましい。

【００１７】本発明の膨張吸収材の比重（体積収縮率）
は、含有される中空粒子の物性（比重）およびその含有
割合等により容易に調整することができる。中空粒子の
含有割合は、この膨張吸収材の全体を１００vol%として
例えば２０〜６０vol%の範囲とすることができ、好まし
い含有割合は３０〜５０vol%の範囲である。中空粒子の
含有割合が高すぎると、弾性母材の含有割合が相対的に
減少することから、膨張吸収材の強度、耐久性、成形性
等が低下しやすくなる。膨張吸収材の好ましい体積収縮
率は、３．９MPaの圧縮応力に対して１８％以上（典型
的には１８〜５０％）であり、より好ましくは２５％以
上（典型的には２５〜５０％）である。体積収縮率１８
％とは、大まかに言って、１体積の水が凍結したときの
膨張体積（９．２％）を、０．５体積の膨張吸収材（膨
張吸収材／水の体積比＝０．５）により吸収し得る性能
に相当する。また、本発明の一実施態様の膨張収縮材に
よれば、中空粒子の含有割合４０vol%において、３．９
MPaの圧縮応力に対して２５％の体積収縮率を得ること
ができる。

【００１８】本発明の膨張吸収材の硬度は４５°〜６５
°の範囲にあることが好ましく、より好ましくは４５°
〜５５°である。この硬度は、使用する弾性母材の物性
（硬度）等により容易に調整することができる。後述す
る実験例に示すように、膨張吸収材の硬度（弾性係数）
が低くなると、繰り返し変形に対する耐久性は向上する
傾向にある。一方、膨張吸収材の硬度が低くなると、こ
の膨張吸収材が比較的低い応力によっても容易に圧縮変
形するようになる（耐圧強度が低下する）。例えば、水
道水が直接的に供給される水通路（すなわち、ガバナ等
により減圧される前の水通路）には、高い水圧（例え
ば、最大で１．７MPa（１７．５kgf/cm²）程度の水圧）
が加わる。このような高水圧領域の水通路内に配置され
る膨張吸収材は、かかる高水圧下においても変形し難い
硬度（耐圧強度）を有することが好ましい。膨張吸収材
の耐圧強度が低いと、通常使用時（すなわち、水の非凍
結時）おいてもこの膨張吸収材が水圧により圧縮されて
しまうためである。すなわち、膨張吸収材を広範囲の用
途（高水圧のかかる水通路等）に適用するという観点か
らは、この膨張吸収材の硬度が低すぎないほうがよい。
硬度が上述した好ましい範囲にある膨張吸収材は、適用
範囲の広さと耐久性とのバランスに優れる。また、かか
る硬度を有する膨張吸収材は、通水圧力の急激な変動
（例えばウォーターハンマ音の発生するような圧力変
動）が生じる条件下においても、中空粒子の破損や、弾
性母材の破損による中空粒子の流失等が起こりにくいの
で好ましい。

【００１９】本発明の膨張吸収材では、弾性母材自体の
発泡により気泡（中空部）が形成されている従来のスポ
ンジ（図１０参照）とは異なり、弾性母材に分散された
中空粒子によって気泡が形成されている（図１参照）。
このため、弾性母材を選択するにあたってその発泡性等
を考慮する必要がないので、弾性母材の選択自由度が高
い。また、弾性母材と中空粒子とをそれぞれ独立して選
択することができ、またそれらの含有割合の調整も容易
である。したがって、これらの材料の組み合わせや含有
割合等によって、膨張吸収材の特性（比重、体積収縮
率、硬度、耐久性等）を容易にかつ広範囲に調整し得
る。したがって、本発明の膨張吸収材は適用可能な用途
範囲が広い。

【００２０】本発明の膨張吸収材のうち好ましいもの
は、０℃以下において３．９MPaの圧縮応力で１００サ
イクルの圧縮・復元試験を行った場合において、試験前
後の体積収縮率の変化が５％以下となる耐久性を備え
る。ここで、「１００サイクルの圧縮・復元」とは、一
日一回の圧縮・復元を約３ヶ月（ほぼ一冬）の期間繰り
返した回数に相当する。

【００２１】本発明の膨張吸収材の代表的な製造方法と
しては以下の二つが挙げられる。(1).図２に示すよう
に、あらかじめ成形された中空粒子５４を弾性母材５２
に混入する方法（以下、「前発泡法」ともいう。）。典
型的には、弾性母材５２に中空粒子５４を投入して混合
分散させた後（あるいはこの混合分散とともに）、弾性
母材５２を硬化（加硫、架橋等）させて、弾性母材５２
と中空粒子５４とが一体に成形された所定形状の膨張吸
収材５０を得る。(2).図３に示すように、未発泡の（未
成形の）中空粒子（以下、「未発泡粒子」ともいう。）
５３を弾性母材５２に混入し、弾性母材５２とともに未
発泡粒子５３を加熱することにより、弾性母材５２中に
おいて未発泡粒子５３を発泡させて中空粒子５４を形成
させる方法（以下、「後発泡法」ともいう。）。典型的
には、この加熱により未発泡粒子５３を発泡させるとと
もに弾性母材５２を硬化（加硫、架橋等）させて、弾性
母材５２と中空粒子５４とが一体に成形された所定形状
の膨張吸収材５０を得る。

【００２２】前記(1).の製造方法（前発泡法）では、あ
らかじめ成形された中空粒子を使用するので、この中空
粒子の混入量によって膨張吸収材の比重（気泡率）を容
易に調整することができる。また、この膨張吸収材の平
均気泡径、気泡径分布、気泡形状等は使用する中空粒子
の形状に応じて定まる。したがって、所望の性能を有す
る膨張吸収材を安定して製造することができる。

【００２３】前記(2).の製造方法（後発泡法）では、未
発泡粒子の比重と弾性母材の比重とが比較的近い。これ
により、未発泡粒子を弾性母材に容易に分散させること
ができる。その後、弾性母材中で未発泡粒子を発泡させ
ることにより、中空粒子が良好に（均一性良く）分散さ
れた膨張吸収材を容易に得ることができる。典型的な中
空粒子の比重は弾性母材の比重とは大きく異なるため、
あらかじめ成形された中空粒子を弾性部材に添加する
と、弾性部材と中空粒子との組み合わせによっては中空
粒子が浮き上がって混合物の表面に集まりやすくなる場
合がある。この後発泡法によると、かかる中空粒子の浮
き上がりが起こりにくいので、弾性母材と中空粒子との
組み合わせの選択範囲が広い。また、弾性母材に対して
中空粒子をより均一に分散させ得る。

【００２４】なお、本発明の膨張吸収材の形状は特に限
定されず、この膨張吸収材の配置される箇所の形状等に
合わせて、任意の形状に成形されたものを用いることが
できる。典型的な形状としては、板状、環状（ドーナツ
状）、球状、筒状、直方体状、円柱状等が挙げられる。

【００２５】本発明の凍結破損防止装置は、本発明の凍
結破損防止方法を具現化したものであって、水通路内の
水の凍結に伴う膨張体積を膨張吸収材の圧縮変形により
吸収して、水通路を形成する部材（例えば、水圧応動装
置のケーシング）等の変形や破損を防止または抑制する
機能を有する。この凍結破損防止装置は、本発明の膨張
吸収材の他に、この膨張吸収材を収容する柔軟な袋状
体、膨張吸収材を保持する枠状体、複数の膨張吸収材を
連結する連結部材、膨張吸収材を水通路の所定箇所に配
置するための取付部材、水通路の少なくとも一部を構成
する水通路形成部材等のうち、一または二以上の部材を
備えた構成とすることができる。

【００２６】この凍結破損防止装置に備えられる膨張吸
収材の体積は、凍結したときこの凍結に伴う膨張体積に
よって膨張吸収材に圧縮応力を与える水（以下、「凍結
対象水」ともいう。）の体積を１として、０．５体積以
下（膨張吸収材／凍結対象水の体積比が０．５以下、典
型的には０．２〜０．５）とすることが好ましく、より
好ましくは０．４体積以下（膨張吸収材／凍結対象水の
体積比が０．４以下、典型的には０．２〜０．４）であ
る。

【００２７】この凍結破損防止装置は、凍結対象水の凍
結による膨張体積のうち、膨張吸収材の圧縮変形により
吸収される膨張体積の割合（以下、「膨張体積吸収率」
という。）が１００％以上となる性能を有することが好
ましい。この膨張体積吸収率は、膨張吸収材／凍結対象
水の体積比が大きくなるほど、また膨張吸収材の体積収
縮率が大きくなるほど向上する。膨張体積吸収率が１０
０％を超えて高いことは、膨張吸収材の膨張体積吸収性
能に余裕があることを意味する。したがって、この膨張
体積吸収率が高いほど膨張吸収材（ひいては凍結破損防
止装置）の耐久性は良好となる傾向にある。一方、器具
類の大型化を抑制する等の観点から、膨張吸収材／凍結
対象水の体積比は０．５以下（典型的には０．２〜０．
５）とすることが好ましく、より好ましくは０．４以下
（典型的には０．２〜０．４）である。また、膨張吸収
材の強度や耐久性を高める等の観点から、膨張吸収材の
体積収縮率は、３．９MPaの圧縮応力に対して５０％以
下（典型的には１８〜５０％）とすることが好ましい。
これらの理由から、本発明の凍結破損防止装置において
実用上好ましい膨張体積吸収率の範囲は、例えば１００
〜２００％（より好ましくは１２０〜１６０％）程度で
ある。

【００２８】本発明の凍結破損防止装置の好ましい一態
様は、比重０．５〜０．８かつ硬度４５°〜６５°の範
囲にある本発明の膨張吸収材を、膨張吸収材／凍結対象
水の体積比が０．５以下（例えば０．２〜０．５）、膨
張体積吸収率が１００〜１５０％となるように水通路に
配置してなる凍結破損防止装置である。また、本発明の
凍結破損防止装置の他の好ましい一態様は、比重０．５
〜０．６かつ硬度４５°〜６５°の範囲にある本発明の
膨張吸収材を、膨張吸収材／凍結対象水の体積比が０．
５以下（例えば０．３〜０．５）、膨張体積吸収率が１
５０〜２００％となるように水通路に配置してなる凍結
破損防止装置である。

【００２９】この凍結破損防止装置は、水通路を有する
各種の器具類に配置して用いることができる。かかる器
具類の好適な具体例としては、水圧応動装置（例えば、
湯沸器の水コントロール部に設けられた水圧応動装
置）、水ガバナ弁、水電磁弁（例えば、食洗器の水コン
トロール部に設けられた水電磁原）、バイパスサーボ
弁、湯張り水コントローラおよび自動水量制御装置等が
挙げられる。その他、各種器具栓や通水配管等にも配置
することができる。

【００３０】本発明の凍結破損防止装置のうち好ましい
ものは、この装置が設置された器具類の凍結破損を、１
００サイクル以上（より好ましくは１２０サイクル以
上）の凍結試験に対して防止することのできる耐久性を
備える。ここで、「１００サイクルの凍結試験」とは、
この装置が設置された器具類が約３ヶ月（ほぼ一冬）に
亘って一日一回（例えば毎晩）凍結した回数に相当す
る。つまり、かかる凍結破損防止装置は、水通路内の水
が一冬の間毎晩凍結した場合にも、この凍結破損防止装
置の設置された器具類の破損を安定して防止し得る性能
を有する。上記耐久性を実現することのできる凍結破損
防止装置の一好適例としては、３．９MPaの圧縮応力に
対する体積収縮率が４５％、硬度が４５°である膨張吸
収材を、膨張吸収材／凍結対象水の体積比０．５以下
（例えば０．２〜０．５）、膨張体積吸収率１００％と
なるように水通路に配置した凍結破損防止装置が挙げら
れる。

【００３１】以下、水通路を有する器具類に本発明の膨
張吸収材（凍結破損防止装置）を配置したいくつかの実
施態様につき説明する。

【００３２】＜第１の実施態様；水圧応動装置＞図４
は、本発明の膨張吸収材が配置された水圧応動装置の要
部断面図を含むガス給湯器の概略構成図である。このガ
ス給湯器は、水入口から出湯口１に至る給水路２と、ガ
ス入口からガスバーナ３に至るガス通路４とを備える。
給水路２には、上流側から下流側に向かって、給水路２
を開閉する水栓５、水圧に応答してガス通路４を開閉す
る水圧応動装置６、および通過する水をガスバーナ３で
発生した熱によって加熱する熱交換器７がこの順に配置
されている。給水路２およびこれら各部材の内部には水
通路が形成されている。ガス通路４には、上流側から下
流側に向かって、ガス通路４を開閉する器具栓８、水圧
応動装置によって作動する水圧応動弁９、ガスバーナ３
にガスを供給するガス噴射ノズル１０がこの順に設けら
れている。

【００３３】水圧応動装置６には、ダイヤフラム１１に
よって区画された一次室１２および二次室１３が形成さ
れている。給水路２の上流側から一次室１２に至る経路
（水通路）には、ダイヤフラム１１と同軸上に、給水圧
の変動が生じた場合にも流量の変動を抑制するためのガ
バナ弁１４が設けられている。また、一次室１２の下流
には、通過する水量を調節することによって出湯温度を
調節するための湯温調節器１５が、この一次室１２に続
いて設けられている。湯温調節器１５の下流に続いて、
水通路の流路面積を絞るベンチュリ１６が設けられてい
る。ベンチュリ１６には、水通路に対して直角方向に延
びる横孔１７が設けられている。この横孔１７は二次室
１３に通じている。すなわち、一次室１２と二次室１３
とは、湯温調節器１５、ベンチュリ１６および横孔１７
を介して連通している。

【００３４】ベンチュリ１６に水が流れると、ベンチュ
リ効果によって、横孔１７を通じて二次室１３内の水圧
が低下する。これにより、一次室１２と二次室１３との
間に差圧が生じて、ダイヤフラム１１が二次室１３側
（図４の左方向；図４中に二点鎖線で示す位置）に変位
する。この変位に伴い、ダイヤフラム１１の中央部に垂
直に取り付けられた出力軸１８が図４の左方向に突出す
る。ここで、水圧応動弁９は、出力軸１８の突出力を受
けてガス通路４を開くように設けられている。したがっ
て、水栓５が開かれてベンチュリ１６に水が流れると、
ダイヤフラム１１の二次室１３側への変位により出力軸
１８を介して水圧応動弁９が開弁状態とされ、これによ
りガス通路４が開かれて、ガス噴射ノズル１０からガス
バーナ３へとガスが供給される。

【００３５】水栓５が閉じられると、ベンチュリ１６内
における水の流れが停止する。このためベンチュリ効果
がなくなるので一次室１２と二次室１３との差圧がなく
なり、ダイヤフラム１１が元の位置（図４の右方向；図
４中に実線で示す位置）に戻る。これにより、出力軸１
８が図４の右方向に戻り、その結果、水圧応動弁９が閉
弁状態となってガス通路４が閉じられる。

【００３６】そして、二次室（水通路）１３には、ドー
ナツ型に成形された膨張吸収材２１ａが、ダイヤフラム
１１に対向する位置に配置されている。このドーナツ型
の膨張吸収材２１ａの中央に形成された孔に出力軸１８
が挿通されている。この膨張吸収材２１ａの材質および
大きさは、膨張吸収材２１ａと水圧応動装置６内の水
（凍結対象水）との体積比が０．２〜０．５となり、膨
張吸収材２１ａの体積収縮率（または比重）および水の
凍結による体積膨張率（９．２％）を用いて算出される
膨張体積収縮率が１００〜２００％となるように設定さ
れている。

【００３７】この水圧応動装置６の一次室１２および二
次室１３には、外部に連通する水抜孔（図示せず）がそ
れぞれ設けられている。この水抜孔は、通常の使用時に
は図示しない水抜栓により塞がれている。一次室１２お
よび二次室１３の水抜きを行う際には、水抜栓を手動等
により取り外す。これにより、一次室１２および二次室
１３内の水を外部に排出することができる。

【００３８】ここで、水抜きを忘れたまま気温が低下す
ると、熱容量の大きな水圧応動装置６内の水よりも先に
給水路２内の水が凍結する。このため、一次室１２およ
び二次室１３内の水（凍結対象水）は、水圧応動装置６
内に閉じ込められた状態で凍結することとなる。この凍
結により、一次室１２および二次室１３内の水（凍結対
象水）の体積が９．２％増加（膨張）する。この膨張体
積により二次室１３に配置された膨張吸収材２１ａが圧
縮応力を受ける。すると、膨張吸収材２１ａに含有され
ている中空粒子に封入された気体が圧縮され、これらの
中空粒子が収縮（容積減少）する。その結果、図５に示
すように、膨張収縮材２１が全体として収縮し、凍結対
象水の凍結に伴う膨張体積を吸収する。これにより、水
圧応動装置６の他部（例えばケーシング）にかかる圧縮
応力が緩和されるので、その変形や破損を防止または抑
制することができる。気温が上昇して凍結した氷が水に
戻ると、膨張吸収材２１ａに対する圧縮応力が解除さ
れ、膨張吸収材２１ａが元の形状（図４に示す状態）に
復帰する。

【００３９】なお、上記実施態様では図４および図５に
示すように膨張吸収材２１ａを水圧応動装置６の二次室
１３内に配置したが、図６に示すように、膨張吸収材２
１ｂを一次室１２内に配置してもよい。この場合にも、
水圧応動装置６内の水の凍結による膨張体積を膨張吸収
材２１ｂの収縮により吸収することができる。

【００４０】＜第２の実施態様；水電磁弁＞図７は、本
発明の膨張吸収材が配置された水電磁弁の断面図であ
る。この実施態様では、水電磁弁２２のアーマチュア収
容容器２４内に膨張吸収材２１ｃが配置されている。こ
の膨張吸収材２１ｃにより、アーマチュア収容容器２４
内に満たされた水（凍結対象水）が凍結した場合におけ
る膨張体積を吸収して、アーマチュア収容容器２４の変
形や破損を防止または抑制することができる。

【００４１】また、本実施態様では、図７に示すよう
に、水電磁弁２２の内部に形成された水通路２３のコー
ナ部にも膨張吸収材２１ｄを配置している。このような
コーナ部には、水通路２３内の水（凍結対象水）が凍結
したときの膨張体積により生じた圧縮応力が集中してク
ラックが発生しやすい。本実施例では、膨張吸収材２１
ｄをコーナ部に配置しているので、水通路２３を構成す
る部材の変形や破損を効果的に防止または抑制すること
ができる。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の膨張吸収材（凍結破損防止装
置）の性能につき検討した実験例を説明する。

【００４３】＜実験例１＞膨張吸収材の比重と、この膨
張吸収材により所定の膨張体積吸収率を得るために必要
な膨張吸収材／水の体積比との関係につき検討した。す
なわち、比重の異なる種々の膨張吸収材を作製し、それ
らの膨張吸収材につき、圧縮応力３．９MPaに対する体
積収縮率を測定した。体積収縮率の測定結果および水の
凍結時の体積膨張率（９．２％）を用いて、膨張体積吸
収率１００％，１２０％，１６０％および２００％の各
水準を達成するために必要な膨張吸収材／水の体積比を
算出した。その結果を図８に示す。なお、本実験例で
は、中空粒子としてのアクリロニトリル系樹脂バルーン
（平均粒径５０μm）が弾性母材としてのＥＰＤＭに分
散された膨張吸収材を使用した。膨張吸収材の比重はア
クリロニトリル系樹脂バルーンの含有割合により調整し
た。また、各膨張吸収材は後発泡法により作製した。

【００４４】図８に示すように、比重が小さくなるにつ
れて、所定の膨張体積吸収率を得るために必要な膨張吸
収材／水の体積比は減少した。すなわち、より小体積の
膨張吸収材によって所定の膨張体積吸収性能（凍結破損
防止効果）が得られた。膨張吸収材／水の体積比０．５
以上かつ膨張体積吸収率１００％以上を目標レベルとし
た場合、本実験例の組成によると、比重０．７９以下の
膨張吸収材であれば目標レベルに到達可能であった。な
お、比重０．４以下の膨張吸収材は表面がやや荒れてい
た。

【００４５】＜実験例２＞膨張吸収材の硬度と、この膨
張吸収材（この膨張吸収材を用いた凍結破損防止装置）
の耐久性との関係を検討した。すなわち、硬度がそれぞ
れ４５°，５５°および６５°である三種類の膨張吸収
材を作製し、各膨張吸収材につき、膨張体積吸収率１０
０％および１２０％の二種類の水準において、以下の方
法で凍結実験を行うことにより耐久性を調べた。その結
果を図９に示す。なお、本実施例では、中空粒子として
のアクリロニトリル系樹脂バルーン（平均粒径５０μ
m）を４０vol%の割合で含有する膨張吸収材を使用し、
使用する弾性母材の種類を変えることにより硬度を調整
した。各膨張吸収材は後発泡法により作製した。また、
膨張体積吸収率は膨張吸収材／水の体積比により調整し
た。

【００４６】［凍結実験方法］所定量の水と膨張吸収材
とをアクリル製の密閉容器に入れ、凍結と解凍とのサイ
クルを繰り返した。容器が破損するまでの凍結サイクル
数を耐久性の測定値とした。

【００４７】図９から判るように、膨張吸収材の硬度が
低くなるにつれて耐久性（容器が凍結破損するまでの凍
結サイクル数）は向上する傾向にあった。また、膨張体
積吸収率を１００％から１２０％へと上げることによ
り、いずれの硬度においても耐久性をさらに向上させる
ことができた。

【００４８】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性
を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせ
に限定されるものではない。また、本明細書または図面
に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであ
り、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的
有用性を持つものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の膨張吸収材の一構造例を示す模式的
断面図である。

【図２】本発明の膨張吸収材の代表的な製造方法の一
例（前発泡法）を示す模式的説明図である。

【図３】本発明の膨張吸収材の代表的な製造方法の一
例（後発泡法）を示す模式的説明図である。

【図４】本発明の膨張吸収材が配置された水圧応動装
置（非凍結時）の要部断面図を含むガス給湯器の概略構
成図である。

【図５】本発明の膨張吸収材が配置された水圧応動装
置（凍結時）の要部断面図である。

【図６】本発明の膨張吸収材が配置された他の水圧応
動装置（非凍結時）の要部断面図である。

【図７】本発明の膨張吸収材が配置された水電磁弁
（非凍結時）の要部断面図である。

【図８】膨張吸収材の比重と、この膨張吸収材により
所定の膨張体積吸収率を得るために必要な膨張吸収材／
水の体積比との関係を示す特性図である。

【図９】膨張吸収材の硬度と、この膨張吸収材を備え
る凍結破損防止装置の耐久性との関係を示す特性図であ
る。

【図１０】従来の膨張吸収材の一構造例を示す模式的
断面図である。

【符号の説明】

２：給水路６：水圧応動装置１１：ダイヤフラム１２：一次室１３：二次室２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ：膨張吸収材２２：水電磁弁２３：水通路２４：アーマチュア収容容器５０：膨張吸収材５２：弾性母材５３：未発泡の中空粒子（未発泡粒子）５４：中空粒子５４ａ：中空部（気泡）５４ｂ：外皮

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水通路に配置されて水通路内の水の凍結
に伴う膨張体積を圧縮変形により吸収する膨張吸収材で
あって、可逆的に容積変化可能な中空粒子が弾性母材に分散され
ており、比重が０．５〜０．８の範囲にある膨張吸収材。
【請求項２】硬度が４５°〜６５°の範囲にある請求
項１に記載の膨張吸収材。
【請求項３】前記中空粒子は樹脂バルーンであり、前記弾性母材はエチレン−プロピレン−ジエン共重合体
である請求項１または２に記載の膨張吸収材。
【請求項４】請求項１から３のいずれか一項に記載の
膨張吸収材を備え、その膨張吸収材が水通路に配置され
ている凍結破損防止装置。
【請求項５】請求項１から３のいずれか一項に記載の
膨張吸収材を水通路に配置し、水通路内の水の凍結に伴
う膨張体積をその膨張吸収材の圧縮変形により吸収して
水通路形成部材の破損を防止する凍結破損防止方法。