JP2011506861A

JP2011506861A - 低電力の電動サーモスタット式混合弁

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Inventors: リヴリン，エイタン
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Abstract

低電力の電動サーモスタット式カートリッジ用無摩擦均圧比例弁組立体であって、該組立体には：離隔させた温水入口と冷水入口、及びスプール孔と中心拡幅部で流れ連通させる中間混合水出口を有するハウジングと；スプール孔内で、拡幅端部によってガイドするが、中心拡幅円盤部を担持し、該円盤部によりスプール孔を２つの管状入水室に分離するスプールと；スプール両端部及びハウジングに配置し、両入水室を均圧状態にする２個のダイヤフラムシールと；混合水出口経路に露出し、制御回路が可読な電子信号を生成する温度センサと；低電力の電気モータで稼動し、前歯車列及び偏心シャフト、更に湾曲可能なコネクティングロッドを駆動して、スプールを軸方向に変位させる駆動ユニットと、を含む。均圧させて摩擦無くスプールを軸方向に変位させ、それに応じて温水及び冷水入口夫々から混合水出口へ流れる割合を変化させる。
【選択図】図１４

Description

本発明は、サーモスタット式混合弁に関し、特には、高速で処理し、電力消費が少ない、電動サーモスタット式混合弁にするための、無摩擦均圧比例弁及び駆動システムを、提供することである。

サーモスタット式混合弁は知られており、主に、少なくとも１個の中央サーモスタット式混合弁を新たな設備に義務付けた規則によって、先進国で広く普及している。しかしながら、費用軽減だけでなく、利便性や安全性が認識されるようになったことで、各洗面台、浴槽、シャワー等の設備での使用に関しても、サーモスタット式混合弁の市場シェアが増大している。

現在、殆どのサーモスタット式混合弁には、バネ付勢比例弁と直結した熱応答性ワックス要素を利用している。しかしながら、そうした直接駆動する温度調整弁は、給水路の１本でも水圧や水温が上昇又は低下すると、出口水温度が一時的に変化してしまい、一定の出口水温度を提供できない。熱応答性ワックス要素は、強制的に比例弁を、混合水温度を前のレベルを回復する方向にすることで、温度変化に対応するが、それでも、給水路の状態が変化する限り、前のレベルには戻せず、システムは、新たな出口水温度に対応する新たな均衡状態に落ち着くことになる。この新たな出口水温度は、予め選択した温度にはならない、というのもリニア特性によって、熱応答性ワックス要素の新たな位置が、初期位置と異なった状態で、別の混合水温度と関付けられるためである。

その結果、ワックス要素サーモスタット式弁では、初期設定から最大２℃の典型的な誤差が、給水路の１本で圧力や温度の変動が生じた場合、予想される。更に、こうしたワックスを充填した要素の応答時間は遅く、圧力変動が生じた後の典型的な温度回復時間は、１．５秒程度又はそれ以上となり、こうした遅延が、ユーザに不便となるだけでなく、振動やハンチングが低流量で最も顕著になる可能性がある。

別の、理論上、より精確にサーモスタット式混合弁を制御する方法は、電気増幅フィードバック装置を採用することである。通常、電動サーモスタット式混合弁には、温水及び冷水入口と、減速歯車又はリードネジ付モータと、回転駆動式又は直線比例弁と、混合室と、温度センサと、温度センサの測定値を基準信号と比較する電子比較ユニットと、出来るだけ信号差を小さく保つモータ制御装置と、から成る。

こうした電動サーモスタット式混合弁の例は、例えば米国特許第４，３５９，１８６号、４，４２０，８１１号、４，９３１，９３８号、５，９４４，２５５号、及び英国特許第ＧＢ２０５６６２７Ａ号で、見ることができる。

上記システムには典型的に、最新の電子工学、マイクロプロセッサで動作させる複雑な数学的モデル、少なくとも１０Ｗモータで駆動するのに適する増幅段を含み、更に高出力電源を必要とする。感電に対する安全保護の他、電力損失に対する保護が、混合水温度を制御できなくなる危険性を回避するために、必要となる。

こうした複雑さの根本的な理由を調べる目的で、先行技術の２つの主な欠陥を挙げた：

ａ．殆どの開示された発明では、電気駆動ユニットに取付ける従来の比例弁を使用している。これらの装置では、圧力不均衡、流体対空気のシール摩擦、内部比例弁の流体対流体のシール摩擦を克服するのに、大きな力が必要となる。これには、即ち、電力消費が大きく、機械的慣性が高い大型のモータを必要とし、更に専用の加速・減速アルゴリズムの演算、大型の電源、ＡＣ主電源まで延伸する壁内設備を、必要とする。

ｂ．加えて、従来の比例弁は一般的に、大容量の混合室を有しており、その結果温度センサが混合水温度を読取るのが遅れ、この遅れにより、様々な流量で比例弁を効果的に制御するのが、極めて難しくなる、というのも、温水及び冷水が比例弁座から温度センサまで流れるのに要す時間が、高流量中より低流量でかなり長くなり、その結果フィードバック系時定数の分散が広がり過ぎてしまうためである。引用した先行技術の中には、２個の独立した、混合室までの経路が長く、上述した遅れより更に長時間遅れる、比例弁を使用するものもある。

複雑な計算モデルを搭載したマイクロプロセッサで、この時定数問題を、入口の水圧や水温に外乱が生じた場合に、ゆっくり定常状態の水温に調整し、高速又は瞬間ループを発生させ、高速又は外乱周波数帯域と、設定点又は定常状態周波数帯域という２つの異なる操作周波数帯域を形成することによって、解決する。しかしながら、こうした解決方法では、更なるセンサだけでなく、より大きな電力や空間が必要となる。

その結果、電動混合弁のための基礎技術は存在するものの、比例弁及びその駆動システムを構築するための新たな方法が必要である。

米国特許第４，３５９，１８６号、米国特許第４，４２０，８１１号米国特許第４，９３１，９３８号米国特許第５，９４４，２５５号英国特許第ＧＢ２０５６６２７Ａ号

したがって、本発明の目的は、高速で処理し、電力消費が少ない、電動サーモスタット式混合弁にするための、静止して均圧する比例弁組立体及び駆動ユニットを、提供することである。

本発明の１実施例によれば、無摩擦均圧比例弁組立体を提供し、該組立体には以下を含む。

ａ．第１水入口と、第２水入口と、中間混合水出口と、ハウジング内に形成したスプール孔とを有するハウジングであって、スプール孔を第１水入口及び第２水入口と流れ連通状態にし、スプール孔には略中心に拡幅部を有し、該拡幅部を中間混合水出口と流れ連通状態にする該ハウジング。

ｂ．スプール孔内で、第１及び第２拡幅端部によってガイドされ、中心に拡幅した円盤部を担持し、該円盤部をスプール孔拡幅部より軸方向に短くしたスプール。該スプールをスプール孔内で軸方向に遊動可能にすると共に、円盤部をスプール孔拡幅部内で２つの対向する座の間で移動させる。円盤部により、スプール孔を第１管状入水室と第２管状入水室とに分離する。

ｃ．スプールの両端部及びハウジングに配置する２個のシールを、実効面積を等しくして、第１シールと円盤部との間の第１管状入水室を均圧状態にし、第２シールと円盤部との間の第２管状入水室を均圧状態にするよう構成する。

ｄ．混合水出口経路に露出し、電子信号を生成する温度センサ。

ｅ．低電力の電気モータで稼動し、上記スプールを軸方向に変位させる、取着した駆動手段。

スプールの軸方向変位量に応じて、第１及び第２水入口夫々からの前記混合水出口への流れを変化させる。

本発明の第２実施例によれば、更にカートリッジ用途に最適化させており、ハウジングを：外周凹部水入口を有し、該水入口を第１軸方向非中心孔と、少なくとも１個の径方向通路によって流れ連通状態にした第１筒筐体と；外周凹部水入口を有し、該水入口を第２軸方向非中心孔と、少なくとも１個の径方向通路によって流れ連通状態にした第２筒筐体と、に分割する。

第３実施例によれば、更にまた表面に着座するカートリッジ用途に最適化させており、ハウジングを、第１筒筐体と第２筒筐体とに分割し、第１筒筐体には、第１非中心孔と流れ連通状態である径方向通路に向かう第１表面軸方向指向入口と、第１筒筐体を通り、第２筒筐体の軸方向指向入口へと続く、第２表面軸方向指向入口と、を備え、該続く軸方向指向入口を、第２非中心孔と流れ連通状態にある径方向通路に向ける。

上記の第２実施例と第３実施例では共通して、第１筒筐体と第２筒筐体とを、対面させて互いに接合し、第１軸方向非中心孔と第２軸方向非中心孔とが連結してスプール孔となるように、位置合わせする。第１及び第２筒筐体には、両筐体の接合面に向けて、内側拡幅部を夫々有し、共通な最小容量の混合室を形成し、該混合室は、径方向延在部を抜け出て、第１筒筐体に形成した、軸方向に指向する混合水出口経路に向かう。

上記の第１実施例、第２実施例、第３実施例では共通して、シールを、内側リング、外側リング、薄い転動式作動部分を有する弾性ダイヤフラムシールとして構成し、該ダイヤフラムシールを、スプール端拡幅部の外面にある溝及びハウジングの外面にある溝に固定する。これらダイヤフラムシールを、ワッシャ、センターボルト、ナットでスプールに固着すると共に、第１及び第２端円盤を締着させて、ハウジングに固着する。

また、上記の第１実施例、第２実施例、第３実施例では共通して、電気モータには、該モータのシャフトに固定した小歯車を有し、該モータにより、その前の減速歯車列を駆動して、小さな円形偏心延在部を担持する最終駆動歯車を駆動し、該最終駆動歯車を、定着したピボット周りに、径方向に最小間隔を有して自在に回転するよう、極めて精密に、中心で穿孔する。コネクティングロッドには、第１取着可能な端部と、偏心延在部と嵌合するよう穿孔した第２円形端部と、中間の薄い湾曲可能部と、を備え、該コネクティングロッドを、その第２円形端部で偏心延在部に嵌合させ、その第１取着可能端部で、スプール３００に固定する。最終駆動歯車及び円形偏心延在部の角度変位を、コネクティングロッド及びスプールの直線変位に変換し、コネクティングロッドの湾曲可能部分の可撓性により、回転中に、円形偏心延在部の軸方向から外れる変位を補償する。

本発明の第４実施例によれば、自己発電するカートリッジ用途に最適化しており、軸流タービンを、第１及び第２ベアリングに回転可能に着座させたシャフトに取付けた出口経路に配置し、第１ベアリングを、放射状のフィンと共に構築した固定挿入部の中心に取付けて、該フィン間に自由に水を流せるようにし、第２ベアリングを、第２端円盤に取付ける。永久磁石ロータを、シャフトの遠位部に取付け、ステータ・コイルで囲み、第２筒筐体に設けた筒状空間に着座させる。ロータとステータ・コイルの組立体により、交流発電機を形成し、全容積を水密に封止し、発電した電力を、封止線を通して電子回路に給電する。

本発明について、図面を伴う以下の詳細な説明から、更に十分に理解し、正確に把握できるであろう。

本発明の第１実施例による、無摩擦均圧比例弁の断面図である。本発明の幾つかの実施例による、無摩擦均圧比例弁用のローリング・ダイヤフラムの拡大断面図である。本発明の第２実施例による、無摩擦均圧比例弁の立平面図である。無摩擦均圧比例弁の、Ｂ−Ｂ線（図３）に沿った断面図である。本発明の第２実施例による、無摩擦均圧比例弁の等角分解図である。本発明の第２実施例による、組立てた無摩擦均圧比例弁の第１端部等角図である。一部を解体除去した図６の無摩擦均圧比例弁を示す。本発明の幾つかの実施例による、無摩擦均圧比例弁用駆動ユニットの、等角分解図である。図８で分解して示した駆動ユニットを組立てた等角図である。更なる組付け工程を示した、図９で組立てた駆動ユニットの等角図である。本発明の第２実施例による、無摩擦均圧比例弁に取付けた図１０で組立てた駆動ユニットの等角図である。更なる組付け工程を示した、図１１で組立てた無摩擦均圧比例弁と駆動ユニットの等角図である。本発明の第２実施例による、駆動ユニット及び保護カバーを付けた、無摩擦均圧比例弁の一部を断面で示した平面図である。駆動ユニット及び保護カバーを付けた、無摩擦均圧比例弁の、Ｃ−Ｃ線（図１３）に沿った断面図である。本発明の第３実施例による、無摩擦均圧比例弁の第１端部等角図である。一部を解体除去した、図１５の無摩擦均圧比例弁を示す。更に解体除去した図１６の無摩擦均圧比例弁を示す。本発明の第４実施例による、無摩擦均圧比例弁の断面図である。図１８に示した、無摩擦均圧比例弁の等角断面図である。本発明の幾つかの実施例による有効な、電子回路の回路図である。

次に、幾つかの本発明の好適な実施例について、例として詳細に説明する。簡素化した本発明の第１実施例に関する図１を参照すると、概して参照番号１０として、無摩擦均圧比例弁組立体を示しており、該組立体を以下で構成する。

ａ．第１水入口１４と、第２水入口１６と、中間混合水出口１８と、ハウジング内に形成したスプール孔２０とを有するハウジング１２であって、該スプール孔を第１水入口１４及び第２水入口１６と流れ連通状態にし、スプール孔には略中心に拡幅部２２を有し、該拡幅部を中間混合水出口１８と流れ連通状態にするハウジング１２。

ｂ．孔２０内で、第１及び第２拡幅端部２８、３０によってガイドされ、中心に拡幅した円盤部２６を担持し、該円盤部をスプール孔拡幅部２２より軸方向に短くしたスプール２４であって、該スプール２４をスプール孔２０内で軸方向に遊動可能にすると共に、その円盤部２６を、スプール孔拡幅部２２内で２つの対向するランド又は座３２、３３間で移動させる。円盤２６により、スプール孔２０を第１管状入水室３４と第２管状入水室３６とに分離する。

ｃ．上記スプール２４の両端部及びハウジング１２に配置する２個の弾性ダイヤフラムシール４０、４２を、実効面積を等しくして、第１ダイヤフラムシール４０と円盤２６との間の上記第１管状入水室３４を均圧状態にし、且つ第２ダイヤフラムシール４２と円盤２６との間の上記第２管状入水室３６を均圧状態にするよう構成する。この均圧技術により、任意所与の等しい又は異なる温水及び冷水入水圧での、スプール２４にかかる軸方向の力を排除できる。

各ダイヤフラムシールを、内側リング４４、外側リング４６、及び好適には転動する薄い作動部分４８（図２）とで構成し、該ダイヤフラムシールを、スプール２４とハウジング１２夫々の外面にある溝５０、５２に固定する。該ダイヤフラムシールを、スプール２４に、ワッシャ５４とセンターボルト５６とナット５８とで固着し、ネジ付端円盤６０でハウジングに締着する。弾性ダイヤフラムシールの代わりに、業界で知られるような薄壁の波形金属ベローズを、使用してもよい。

温度センサ６２をハウジング１２の孔から挿入し、押込み、その先端部６４を混合水出口経路に露出させて、オーバーモールド又はシール剤で接着する。温度センサを、好適にはサーミスタ式とするが、必ずしもサーミスタ式でなくともよく、該センサにより、図２０を参照して本明細書の以下に説明するような、制御回路が可読な電子信号を生成する。

この時点で容易に理解できるように、温水及び冷水を、夫々水入口１４及び１６に導入し、均衡状態の第１及び第２管状入水室３４、３６に流入させ、円盤２６及び座３２、３３と拡幅部２２との間を混合室として機能させ、次に出口１８から排出する。スプール２４が軸方向に変位することで、温水と冷水の割合が変化し、その結果、排出する混合水の温度が変化する。また当業者は、スプールが完全に均圧状態にあるため、最小の力がスプール２４を軸方向に変位させるのに必要なだけであり、弾性ダイヤフラム４０、４２には薄い転動式の作動部分を組込み、摩擦シールを全く伴わないことにも、気付くであろう。

無摩擦均圧比例弁組立体の運転について、図３〜図７を参照して、本発明の第２実施例に関して、更に詳細に説明する。図面を参照すると、カートリッジ式の、無摩擦均圧比例弁組立体を、概して参照番号７０で示しており、該組立体は：外周凹部７４水入口を有し、該水入口を第１軸方向非中心孔７６（図４、図５）と、複数の径方向通路７８によって流れ連通状態とした第１筒筐体７２と；外周凹部８４水入口を有し、該水入口を第２軸方向非中心孔８６（図４、図７）と、複数の径方向通路８８によって流れ連通状態とした第２筒筐体８２とから成る。

第１及び第２筒筐体７２、８２を対面させて互いに接合し、第１軸方向非中心孔７６と第２軸方向非中心孔８６とが連結してスプール孔となるように、位置合わせする。第１及び第２筒筐体７２、８２には、接合面に向けて、内側拡幅部９２、９３を夫々有して（図５及び図７）、両筐体を互いに接合した際に、共通な最小容量の混合室９４（図４）を形成する。混合室９４は、径方向延在部９６（図４）を抜け出て、第１筒筐体７２に形成した、軸方向に指向する混合水出口経路９８に向かう。混合室９４は、好適には専用の輪郭を有し、軸方向非中心孔７６、８６と同軸に位置合わせせず、むしろ出口径方向延在部９６に向けて容積を大きくし、厳密な専用輪郭については、所定の流量で、出口に向かう周囲流速を略一定にしながら、混合室の容量を最小に維持するように、最適化する。第２筒筐体８２には、エラストマーシール９７を備えて（図４）、該シールを、拡幅した直径部９３及び径方向延在部９６を囲む溝９９に着座させる（図７）。筒筐体７２、８２を互いに接合すると、混合水が出口経路９８からのみ放出可能になる（図６）。

この無摩擦均圧比例弁組立体７０には、更にスプール１００を備え、該スプールには、両面弁円盤として機能する中心拡幅部１０２を担持しており、第１及び第２端拡幅部１０４、１０６により、夫々筒筐体７２、８２の非中心孔７６、８６内でスプール１００をガイドするが、本発明の第１に記述した実施例と対照的に、ここではスプール円盤部１０２を、断面的に非中心孔７６、８６より幅広にしている。スプール１００を、二面円盤１０２の両面で特定する２極端位置の間で軸方向に遊動可能にし、対向する、夫々非中心孔７６、８６を縁取りする第１及び第２リップ弁座１０８、１１０の一方に対して、封止する（図４、図５、図７）。流れ偏向体１１２（図５、図７）を、温度センサ１４０（図４）で温度を測定する前に温水と冷水との混合を向上させるために、両筒筐体７２、８２の混合水流路に、設ける。

筒筐体７２、８２、及びスプール１００を、好適にはプラスチック材料製とする。出口経路９８を軸方向とする幾つかの効果について、プラスチックで簡易に製造ができる点以外に、本明細書の以下で本発明の第３及び第４実施例に関して説明する。

主に、本発明の第１実施例を参照して説明したような、同じ弾性ダイヤフラムシール１２０、１２２を、スプール１００の両端部及び筒筐体７２、８２に配置する。ダイヤフラムシール１２０、１２２の実効面積を、リップ弁座１０８、１１０の実面積と等しくして、第１ダイヤフラムシール１２０と円盤１０２との間の第１管状入口室１１６を均圧状態にするように；且つ第２ダイヤフラムシール１２２と円盤１０２との間の第２管状入口室１１８を均圧状態にするように、構成する。内側リング４４と、外側リング４６と、好適には転動する薄い作動部分４８（図２）とで構成するダイヤフラムシール１２０、１２２を、スプール１００及び筒筐体７２、８２の外面にある溝１２４、１２６（図５）内に、夫々固定する。ダイヤフラムシール１２０、１２２を、スプール１００にワッシャ１２８、センターボルト１３０及びナット１３２で固着する。弾性ダイヤフラムシール１２０、１２２を、第１及び第２筒筐体７２、８２に、第１及び第２の好適には金属端円盤１３４、１３６を締着して、固着する。２本の長手方向に通すボルト１３８（図６）で第１及び第２端円盤１３４、１３６を固着し、組立体７０を保持する。この弾性ダイヤフラムシールの代わりに、業界で知られるような薄壁の波形金属ベローズを、使用してもよい。

第１実施例と同様に、温度センサ１４０を、第２筒筐体８２に孔から挿入し、その先端部１４１を、混合水流路に露出させる。温度センサを、好適にはサーミスタ式とするが、必ずしもサーミスタ式でなくともよく、該センサにより、図２０を参照して本明細書の以下に説明するような、制御回路が可読な電子信号を生成する。

エラストマーシール９７及び１４５で、第１筒筐体７２と第２筒筐体８２との間、及び第１端円盤１３４と第１筒筐体７２との間を、封止する。これら４個の外周及び１個の面エラストマーシール１４２、１４４（図４）夫々で、２つの入口、出口及び乾燥領域の間を分離する一方で、無摩擦均圧比例弁組立体７０を、本明細書の以下に図１３及び図１４に関して説明するような、適当なハウジング内でサーモスタット式カートリッジとして機能させる。

運転に関しては、本発明のこの第２実施例は、基本的に第１実施例と同様であるが、当業者は、専用輪郭によって、また混合室９４を弁座１０８、１１０に対して軸外アライメントすることによって、比例弁座１０８、１１０と、温度センサ先端部１４１（図４）との間に収容される水量は、極少量、実際に２立方センチメートル未満であるにもかかわらず、流れは制限されず、圧力低下は最小限となることに、気付くであろう。加えて、温度センサ先端部１４１を、流れが最も速く、混合が完全となる流れ偏向体１１２（図５、図７）の下流に最も近い位置に、配設する。その結果、温水と冷水が比例弁座１０８、１１０から温度センサ先端部１４１まで流れるのに必要な時間を、かなり短縮できる。例えば、毎分２リットル程度の流量でも、計算上の時間は、３０秒程度となる。こうした短時間の値で、前述の先行技術に関する時定数偏差問題を、完全に解決できる。

以上開示したように、本発明の目的は、無摩擦均圧比例弁のスプールを効率的に作動させる駆動手段を提供することである。駆動手段の運転について、更に詳細に図８乃至図１４を参照して説明するが、これらの図では、本発明の第２実施例に関して記載したような、無摩擦均圧比例弁組立体７０に嵌合する駆動ユニットを記載している。しかし、当然ながら、かかる駆動手段は、本発明の他の実施例に関しても同様に良好に実施できる。

図面を参照すると、無摩擦均圧比例弁組立体を概して参照番号７０として（図１２）、概して参照番号１５０とした駆動ユニットを備えて示している。駆動ユニット１５０の運転について、該ユニットの個々の構成要素の組立て順に説明する。

分解図（図８）に示すように、駆動ユニットを、シャフトに固定した小歯車１６４を有する低電力の電気モータ１６２で稼動させる。この駆動モータは、最終駆動歯車１９０と、概して参照番号１６５としたその前の３段減速平歯車を、駆動する。減速歯車１６５には、第２シャフト１６８周りに自在に回転する第１二段歯車１６６と；第１シャフト１７２に固定する第２二段歯車１７０と；第２シャフト１６８に固定する第３一段歯車１７４とを、含む。これらのシャフトを回転可能にベースプレート１７６とカバープレート１７８との間に取付ける。正確な直径に段付けしたピボット１８０を、好適には硬化、研磨し、これをベースプレート１７６、スリーブ１８２、カバープレート１７８に嵌通し、ナット１８４で固定する。外側の最終小歯車１８６を、第２シャフト１６８に圧入する、或は定着する。より小さな円形の偏心延在部１９２を担持し、好適には該延在部を一体化して形成する最終駆動歯車１９０を、定着したピボット１８０周りに、径方向に最小間隔を有して自在に回転するように、精密に中心で穿孔する。

組立てた駆動ユニット１５０（図９）を、任意にベアリング、好適にはボールベアリング１９４（図１０）と嵌合させるが、該ベアリングを最終駆動歯車１９０の円形偏心延在部１９２に圧嵌させてこれを行い、サークリップ１９６で最終駆動歯車１９０をピボット１８０に固定する。駆動ユニットを、無摩擦均圧比例弁組立体７０に、ネジ１９８（図１１）を第２端円盤１３６のネジ孔１９９（図５）に固定して、取着する。概して参照番号２００としたコネクティングロッド（図１２、図１３、図１４）には、第１の平坦な取着可能な端部２０２と、偏心延在部１９２又ボールベアリング１９４と嵌合するよう穿孔した第２円形端部２０４と、中間の薄くした湾曲可能部２０６と、を備える。準弾性材料、好適にはガラス強化プラスチック製のコネクティングロッド２００を、その第２円形端部２０４でベアリング１９４の上から嵌合し、その第１の平坦な取着可能な端部２０２で、スプール３００に、ボルト１３０（図１１）及びコネクティングロッド２００のスロット２０８（図１３）に挿入するナット１３２によって固定する。

運転中、駆動小歯車１８６は、最終駆動歯車１９０を、その偏心延在部１９２と共に駆動する。偏心延在部１９２の角度変位を、ボールベアリング１９４を介して、コネクティングロッド２００、従ってスプール１００も直線変位に変換する。

当然ながら、コネクティングロッドの薄い湾曲可能部２０６の可撓性は、回転中に、偏心延在部１９２の軸方向を外れる変位を補償するのに役立つ。また当然、上述した駆動手段では、極めて摩擦力が低くなるものの、駆動手段は極めて硬く、ガタツキが無く、効率良く正確に運転できる。その結果、０．１Ｗ程度の小型低出力モータで十分に、組立体を長期間運転できる。

運転中、偏心延在部１９２の偏心度を、最終駆動歯車１９０を約３回転（１２０度）させれば十分に、スプール１００のストローク全体を直線変位できるよう、計算する。スプール１００がストローク終端に到達すると、その低電力故に、歯車列構成要素へ損傷を与えずに、駆動モータ１６２を機械的に停止できる。瞬間的にストローク終端で駆動モータ１６２の電流消費量が上昇するのを、電子回路によって認識して、制御回路が逆転を要求するまで駆動モータの出力を中断するようにしてもよい。理解を容易にする目的で、最終駆動歯車１９０を完全な円形歯車として示しているが、約１５０度の扇形歯車で、スプール１００のストローク全体を生成できる。

当然ながら、可撓性のコネクティングロッド２００は任意の形状としてもよく、多様な方法で、スプール１００に取付けると共に、偏心延在部１９２に回転可能に取付けてもよい。また、当然、任意の他の駆動手段、例えば歯車及びレバー、リードネジ、ラック及び小歯車、螺旋状に巻いて張着したピアノ線又は可撓性の平坦な細長片等を、本発明の範囲から逸脱せずに、本発明の１つ以上の実施例と共に、使用してもよい。

駆動ユニット１５０を、保護カバー２１０（図１３、図１４）で封止してもよく、該カバーには先端に、手動で温度設定するためのダイヤル回転ツマミ２１２を有して、これを示している。ダイヤル回転ツマミ２１２を、回転電位差計２１６のシャフト２１４に嵌合させ、シャフト２１４を軸封２１８で封止する。電位差計２１６を使用して、本明細書の以下に、概説し参照番号２２０（図１４）とした電子回路（図２０）に関して説明するように、出口水温度を電子的に調節する。しかし、当然ながら、任意の他の温度設定手段も使用してもよく、例えば表示装置を有する矢印付タッチボタンが挙げられる。

無摩擦均圧比例弁７０を、封止した駆動ユニット１５０に組付けて、併せて４個の外側のエラスマーシール１４２、及び面シール１４４（図１４）で、高温領域、低温領域、乾燥領域間を分離し、該比例弁を取替可能なカートリッジとして適当なハウジング内に簡単に取付けてもよい。かかるハウジング及びカートリッジの位置決めは、当業者には既知であり、したがって、詳細には説明しない。

上述し、前段落に既に示したように、本発明の目的は、無摩擦比例弁組立体及び駆動手段を、コンパクトで取替可能なカートリッジとして提供することである。かかるカートリッジを従来の単独の混合栓用ハウジングに嵌合させ、該カートリッジに、同時に両入口の容量を制御する一般的なセラミック円盤機構を、採用可能にするために、本発明の第３実施例を開示し、図１５乃至図１７を参照して詳細に説明する。

図面を参照すると、無摩擦均圧比例弁組立体を、概して参照番号２５０として示しており、該組立体は、基本的に第２好適実施例の組立体７０と同様だが、第２実施例の入口として機能する外周凹部７４、８４（図３及び図４）の代わりに、ここでは、夫々第１入口２５４及び第２入口２５６（図１５）とし、これらを第１端円盤２５８表面に、同じ出口２６０をその間に設けて、配置する。この構成については、端円盤２５８を除去して、図１６に示すように、明確にするために栓２６２、２６４を移動させると、一層良好に理解できるだろう。第１の軸方向に指向する入口２６５を、第１筒筐体２６８の径方向通路２６６に向けて、第１非中心孔（図４の１１６）と流れ連通状態にする。第２の軸方向に指向する入口２６９を、第１筒筐体２６８を通過させ、第１筒筐体２６８を除去した図１７に示す、該入口２６９に続く第２管状筐体２７２の軸方向に指向する入口２７０に合流させる。この続く入口２７０を、第２筒筐体２７２の径方向通路２７４に向けて、第２非中心孔（図４の１１８）と流れ連通状態にする。栓２６２、２６４が、外部から進入可能な径方向孔２６６、２７４を封止するために必要だが、該孔は製作を単純にするために開口したものである。周溝２７５に嵌合したエラストマーシールで封止した栓２６２、２６４を、組立てたカートリッジを挿入した際に、適当なハウジングに係止する。エラストマーシールを、第２管状筐体２７２の続く入口２７０周りの溝内、第１筒筐体２６８の入口２６５、２６９及び出口２７１周りの溝内に着座させて、内部封止する。エラストマーシールを、第１端円盤２５８の入口２５４、２５６及び出口２６０周りの溝に着座させて、高温領域、低温領域、混合領域及び乾燥領域の間を分離する一方で、組立体２５０を、適当なハウジング内に着座させるが、該ハウジングには、好適には同時に上述した両入口の流れを制御するセラミック製ディスクバルブ機構（図示せず）を備える。その他の第３実施例の詳細については、駆動ユニット１５０、シール溝９９、及びスプール１００を含めて、第２実施例と同じである。

２つの重要な目標が、同時に両入口の流量を制御するセラミック製ディスク機構を使用することで、達成できる。第１は、出口を制御する、混合栓で一般的に見られる一方向性の逆止弁を排除できる点、そして第２は、弾性ダイヤフラムシール１２０、１２２の寿命を、該シールが、弁を使用中にのみ加圧される、つまりダイヤフラムが殆ど休止した状態となるために、延長できる点である。

上述したように、本発明の目的は、無摩擦均圧比例弁組立体と、駆動手段を自己発電する選択肢を有する駆動ユニットとを提供することである。それに沿って、本発明の第４実施例を開示し、図１８乃至図２０を参照して、詳細に説明する。図面を参照すると、無摩擦均圧比例弁組立体を、概して参照番号３００として示すが、該組立体は、基本的に第２好適実施例の組立体７０、又は第３実施例の組立体２５０と同様だが、軸流タービン３０２を、第１管状筐体３１５内の出口経路３０４に配置して、追加している。このタービン３０２を、好適には炭化タングステン（ＴＣ）等の非腐食性硬質材料製、又はクロムメッキしたステンレス鋼製のシャフト３０６に取付ける。シャフト３０６を、第１及び第２ベアリング３１０、３１２に夫々回転可能に着座させ、該ベアリングを好適には、例えば時計産業から既知のような、サファイア又はセラミック製ベアリングとする。このようなＴＣ製シャフトとサファイア又はセラミック製ベアリングの組合せでは、水を潤滑剤として利用できる。

第１ベアリング３１０を、固定挿入部３１４の中心に取付け、第１管状筐体３１５の出口経路３０４に着座させ、放射状のフィン３１６（図１９）と共に構築して、該フィン間に自由に水を流せるようにする。第２ベアリング３１２を、第２端円盤３２０に取付ける。永久磁石ロータ３２２を、シャフト３０６の遠位部に軸装し、好適にはプラスチックを注入して、封止したステータ・コイル３２４で囲み、第２筒筐体３２７に設けた筒状空間３２５に着座させる。永久磁石ロータ３２２とステータ・コイル３２４の組立体により、オルタネータ３５０（図２０）としても知られる交流発電機を形成する。ロータ３２２とステータ・コイル３２４との間の空間を、水又は封入空気で満たし、全容積を、エラストマーシール３２６で水密に封止する。発電した電力を、封止線３２８を通して電子回路２２０（図２０）に給電する。

かかるタービン構成を、大凡小型の既知のカプランタービンとし、タービン羽根形状により、速度、取出可能な電力、水圧損失を規定できる。上記パラメタの計算方法は、タービン技術に精通した者には既知である。

簡易化した電子回路を概して参照番号２２０として、図２０で図式的に示すと共に、図１４に枠で囲み示したが、該回路を、駆動ユニット１５０の保護カバー２１０下の自由空間に置き、タービン３０２が発生する電力を使用して、無摩擦比例弁を、該比例弁の使用中に、駆動させるよう、恒久的に実行できる。流れが認められれば十分な電力が即座に発生するため、充電池は全く必要ない。

簡潔には、簡易型完全アナログ回路には、オルタネータ３５０、整流ダイオード３５２及び平滑コンデンサ３５４、所望の出口温度に調節する電位差計２１６を含み、サーミスタ３５６と固定抵抗器３５８でウィンストン・ブリッジ（Ｗｉｎｓｔｏｎｂｒｉｄｇｅ）を形成する。このウィンストン・ブリッジを、ここではデュアル演算増幅器３６０及び増幅度を設定する抵抗器３６２で示した簡易型計装増幅器の非反転入口で測定する。デュアル演算増幅器３６０を、低電力の駆動モータ１６２を直接駆動するものとし、好適には内部に電流制限回路を備えて、ストローク端に達すると、モータ加熱を回避するようにする。サーミスタ３５６を、温度センサ先端部３６４（図１８）に配置して、混合水経路に露出する。

この簡単で、電力消費が少ないアナログ回路の運転は、エレクトロニクス技術に精通した者にとって明らかである。しかし、当然ながら、同回路２２０を、本発明の第１、第２、第３実施例等と共に、オルタネータ３５０を省略して、その代わりに電池、充電池等の内部の使い捨て電源と、又は外部電源に交換して、使用してもよい。

以上開示したように、混合室が低容量で且つ所要電力が最小であるため、かかる簡単なアナログ回路の安定した高速運転を、計算能力を持たずに、可能にできる。しかし、当然ながら、任意の他のアナログ又はデジタル回路を、無摩擦均圧比例弁及び駆動手段と共に、使用してもよい。

上記で開示した内容は、概して水流に関するものだが、本発明の様々な実施例により開示した混合弁は、水の混合に限定せず、異なる、可変な温度及び圧力を有する多様な流体を混合して、略安定した予め選択した混合流体温度を提供するのに使用可能であることを、当業者は理解するであろう。

更に、当業者は、以上で具体的に示し、説明したものは、単に一例であって、本発明の範囲を限定するものではないと、理解するであろう。本発明の範囲は、むしろ以下のクレームによってのみ規定される。

１０、７０、２５０、３００無摩擦均圧比例弁組立体
１２ハウジング
１４第１水入口
１６第２水入口
１８中間混合水出口
２０スプール孔
２２スプール孔拡幅部
２４、１００スプール
２６円盤部
２８、３０拡幅端部
３２、３３座
３４第１管状入水室
３６第２管状入水室
４０、４２、１２０、１２２弾性ダイヤフラムシール
４４内側リング
４６外側リング
４８作動部分
５０、５２、９９、１２４、１２６溝
５４、１２８ワッシャ
５６、１３０センターボルト
５８、１３２、１８４ナット
６０、１３４、１３６端円盤
６２、１４０温度センサ
６４、１４１、３６４センサ先端部
７２、２６８第１筒筐体
７４、８４外周凹部
７６第１軸方向非中心孔
７８、８８、２６６、２７４径方向通路
８２、２７２、３２７第２筒筐体
８６第２軸方向非中心孔
９２、９３内側拡幅部
９４混合室
９６径方向延在部
９７、１４２、１４４、１４５、３２６エラストマーシール
９８、３０４出口経路
１０２中心拡幅部
１０４、１０６端拡幅部
１０８、１１０リップ弁座
１１２流れ偏向体
１１６第１管状入口室
１１８第２管状入口室
１３８ボルト
１５０駆動ユニット
１６２駆動モータ
１６４、１８６小歯車
１６５減速歯車
１６６第１二段歯車
１６８、１７２、２１４、３０６シャフト
１７０第２二段歯車
１７４第３一段歯車
１７６ベースプレート
１７８カバープレート
１８０ピボット
１８２スリーブ
１９０最終駆動歯車
１９２偏心延在部
１９４ボールベアリング
１９６サークリップ
１９８ネジ
１９９ネジ孔
２００コネクティングロッド
２０２第１端部
２０４第２円形端部
２０６湾曲可能部
２１０保護カバー
２１２ダイヤル回転ツマミ
２１６電位差計
２１８軸封
２２０電子回路
２５４、第１入口
２５６第２入口
２５８第１端円盤
２６０出口
２６２、２６４栓
２６５、２６９、２７０入口
２７５周溝
３０２軸流タービン
３１０、３１２ベアリング
３１４固定挿入部
３１５第１管状筐体
３１６フィン
３２０第２端円盤
３２２永久磁石ロータ
３２４ステータ・コイル
３２５筒状空間
３２８封止線
３５０オルタネータ
３５２整流ダイオード
３５４平滑コンデンサ
３５６サーミスタ
３５８、３６２抵抗器
３６０デュアル演算増幅器

Claims

低電力の電動サーモスタット式混合弁用静止均圧比例弁組立体であって、該組立体には、
ａ．第１水入口と、第２水入口と、中間混合水出口と、ハウジング内に形成したスプール孔とを有する該ハウジングであって、該スプール孔を第１水入口及び第２水入口と流れ連通状態にし、前記スプール孔には略中心に拡幅部を有し、該拡幅部を中間混合水出口と流れ連通状態にする前記ハウジングと、
ｂ．前記スプール孔内で、第１及び第２拡幅端部によってガイドされ、中心に拡幅した円盤部を担持し、該円盤部をスプール孔拡幅部より軸方向に短くしたスプールであって、該スプールを前記スプール孔内で軸方向に遊動可能にすると共に、前記円盤部を、前記スプール孔拡幅部内で２つの対向する座の間で移動させ、前記円盤部により、前記スプール孔を第１管状入水室と第２管状入水室とに分離する前記スプールと、
ｃ．前記スプールの両端部及びハウジングに配置する２個のシールを、実効面積を等しくして、第１シールと前記円盤部との間の前記第１管状入水室を均圧状態にし、第２シールと前記円盤部との間の前記第２管状入水室を均圧状態にするよう構成する、前記２個のシールと、
ｄ．混合水出口経路に露出し、電子信号を生成する温度センサと、
ｅ．低電力の電気モータで稼動し、前記スプールを軸方向に変位させ、スプールの軸方向変位量に応じて、前記第１及び第２水入口夫々からの前記混合水出口への流れを変化させる、取着した駆動手段と、
を含むこと、を特徴とする組立体。
前記ハウジングを、外周凹部水入口を有し、該水入口を第１軸方向非中心孔と、少なくとも１個の径方向通路によって流れ連通状態にした第１筒筐体と、外周凹部水入口を有し、該水入口を第２軸方向非中心孔と、少なくとも１個の径方向通路によって流れ連通状態にした第２筒筐体とに分割すること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
前記ハウジングを第１筒筐体と第２筒筐体とに分割し、前記第１筒筐体には、第１非中心孔と流れ連通状態である径方向通路に向かう第１表面軸方向指向入口と、前記第１筒筐体を通り、前記第２筒筐体の軸方向指向入口へと続く、第２表面軸方向指向入口と、を備え、前記続く軸方向指向入口を、第２非中心孔と流れ連通状態にある径方向通路に向けること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
前記第１筒筐体と前記第２筒筐体とを、対面させて互いに接合し、第１軸方向非中心孔と第２軸方向非中心孔とが連結してスプール孔となるように、位置合わせし、前記第１及び第２筒筐体には、両筐体の接合面に向けて、内側拡幅部を夫々有し、共通な最小容量の混合室を形成し、前記混合室は、径方向延在部を抜け出て、前記第１筒筐体に形成した、軸方向に指向する混合水出口経路に向かうこと、を特徴とする請求項２及び３に記載の組立体。
前記シールを、内側リング、外側リング、薄い転動式作動部分で構成する弾性ダイヤフラムシールとすること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
前記弾性ダイヤフラムシールリングを、前記スプールと前記ハウジング夫々の外面にある溝に固定し、ワッシャ、センターボルト、ナットでスプールに固着すると共に、ネジ付端円盤を締着して、ハウジングに固着すること、を特徴とする請求項５に記載の組立体。
前記シールを、薄壁金属ベローズとすること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
前記スプールを、前記第１及び第２非中心孔内で、第１及び第２拡幅端部によってガイドし、前記スプールには中心拡幅両面円盤部を担持しており、該スプール円盤部を断面的に前記第１及び第２非中心孔より幅広にし、前記スプールを、両面円盤の何れかの面で特定する２つの極端位置の間で軸方向に遊動可能にし、対向する、前記第１及び第２非中心孔を縁取りする第１及び第２弁座の片方に対して、封止すること、を特徴とする請求項４に記載の組立体。
前記最小容量混合室を、専用の輪郭で形成し、該混合室を前記軸方向非中心孔と同軸に位置合わせせず、出口径方向延在部に向けて容積を大きくし、前記専用輪郭を、所定の流量で、出口に向かう周囲流速を略一定にするように、最適化すること、を特徴とする請求項４に記載の組立体。
前記第２筒筐体には、拡幅した直径部及び径方向延在部を囲む溝に着座させたエラストマーシールを備え、前記第１及び第２筒筐体を互いに接合すると、混合水が前記出口経路からのみ放出可能となること、を特徴とする請求項４に記載の組立体。
流れ偏向体を、前記温度センサで温度を測定する前の温水と冷水との混合を向上させるために、混合水の流路に、設けること、を特徴とする請求項４に記載の組立体。
４個の外周エラストマーシール及び１個の面エラストマーシールで、前記第１入口、前記第２入口、前記出口、乾燥領域の間を分離する一方で、前記無摩擦均圧比例弁組立体を、適当なハウジング内でサーモスタット式カートリッジとして機能させること、を特徴とする請求項２に記載の組立体。
前記第１入口、前記第２入口、前記続く入口、前記出口周りの溝に着座させるエラストマーシールで、高温領域、低温領域、混合領域及び乾燥領域の間を分離する一方で、前記無摩擦均圧比例弁組立体を、適当なハウジング内でサーモスタット式カートリッジとして機能させること、を特徴とする請求項３に記載の組立体。
セラミック製ディスク機構を、同時に両入口の容量を制御するために、使用すること、を特徴とする請求項３に記載の組立体。
前記第１及び第２筒筐体、及び前記スプールを、プラスチック材料製とすること、を特徴とする請求項４に記載の組立体。
前記駆動手段を、歯車及びレバー、リードネジ、ラック及び小歯車、螺旋状に巻いて張着したピアノ線、可撓性の平坦な細長片の中から選択すること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
前記電気モータには、該モータのシャフトに固定した小歯車を有し、前記モータにより、その前の減速歯車列を駆動して、小さな円形偏心延在部を担持する最終駆動歯車を駆動し、前記最終駆動歯車を、定着したピボット周りに、径方向に最小間隔を有して自在に回転するよう、極めて精密に、中心で穿孔し、コネクティングロッドには、第１取着可能な端部と、前記偏心延在部と嵌合するよう穿孔した第２円形端部と、中間の薄い湾曲可能部と、を備え、該コネクティングロッドを、その第２円形端部で前記偏心延在部に嵌合させ、その第１取着可能端部で、前記スプールに固定し、前記最終駆動歯車及び円形偏心延在部の角度変位を、前記コネクティングロッド及びスプールの直線変位に変換し、前記コネクティングロッドの湾曲可能部分の可撓性により、回転中に、前記円形偏心延在部の軸方向から外れる変位を補償すること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
ボールベアリングを、前記円形偏心延在部に圧嵌し、前記コネクティングロッドの第２円形端部を前記ベアリングに外嵌すること、を特徴とする請求項１７に記載の組立体。
前記コネクティングロッドを、ガラス強化プラスチック製とすること、を特徴とする請求項１７に記載の組立体。
前記減速歯車列を、三段平歯車とすること、を特徴とする請求項１７に記載の組立体。
前記偏心延在部の偏心度を、前記最終駆動歯車を約３回転させれば十分に、前記スプールのストローク全体を直線変位できるよう、計算し、前記最終駆動歯車を、円形歯車とセクタ歯車との間で選択すること、を特徴とする請求項１７に記載の組立体。
スプールがストローク終端に到達すると、前記モータが低電力故に、前記駆動手段構成要素へ損傷を与えずに、前記駆動モータを機械的に停止できること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
瞬間的に前記スプールのストローク終端で前記モータの電流消費量が上昇するのを、制御回路が逆転を要求するまでモータ出力を中断するために、電子回路によって認識すること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
前記駆動手段を、保護カバーで封止し、該カバーには先端に、手動温度設定手段を含み、前記設定手段を、封止したダイヤル回転ツマミと表示装置を有する矢印付タッチボタンとの間で選択すること、を特徴とする請求項１に記載の組立体。
軸流タービンを、第１及び第２ベアリングに回転可能に着座させたシャフトに取付けた前記出口経路に配置し、前記第１ベアリングを、放射状のフィンと共に構築した固定挿入部の中心に取付けて、該フィン間に自由に水を流せるようにし、前記第２ベアリングを、前記第２端円盤に取付け、永久磁石ロータを、前記シャフトの遠位部に取付け、ステータ・コイルで囲み、前記第２筒筐体に設けた筒状空間に着座させ、前記永久磁石ロータと前記ステータ・コイルの組立体により、交流発電機を形成し、全容積を水密に封止し、発電した電力を、封止線を通して電子回路に給電すること、を特徴とする請求項４に記載の組立体。
前記駆動ユニットの前記保護カバー下の自由空間に置く電子回路を更に備え、該電子回路は、前記摩擦無し比例弁駆動手段を、内部使い捨て電池、内部充電池、内部タービンが生成する電源、外部電源の中から選択した電源を使用して、駆動すること、を特徴とする請求項２４に記載の組立体。
前記電子回路には、サーミスタセンサ及び固定した抵抗器で形成する調整電位差計を少なくとも含み、ウィンストン・ブリッジを、デュアル演算増幅器及び増幅度を設定する抵抗器で構成した計装増幅器の非反転入口で測定し、前記デュアル演算増幅器を、前記低電力の駆動モータを直接駆動するものとすること、を特徴とする請求項２６に記載の組立体。