JP2017190826A - 二方弁及び給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形状記憶合金バネを使用した二方弁であって、形状記憶合金バネのバネ定数の管理を緩やかにして安価な構造とする。
【解決手段】上下方向を向いた水路２１を有する筒体２０と、両端を上下方向に向けて筒体２０内に収容され、下端側が位置固定に保持されて上端側が上下方向変位可能とされた形状記憶合金バネ２２と、筒体２０内に上下方向移動可能に設けられ、上端側が形状記憶合金バネ２２の上端側に係止され、下端側に重り２５が係止された摺動体２３と、摺動体２３に係止され、形状記憶合金バネ２２の伸縮により水路２１を閉止する閉止位置と水路２１を開放する開放位置とに移動する弁部２６と、を有する。
【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、湯水の流れを切り換える二方弁及びその二方弁を使用した給湯装置に関する。

従来、湯水が流れる水路中に、流れる湯水の温度によりその湯水の流れを切り換える二方弁を設けた様々な装置が知られている。このような二方弁の一例としては、下記特許文献１に記載されているように、温度により伸縮する形状記憶合金バネを用いたものが提案されている。

下記特許文献１に記載されている二方弁は、摺動可能な弁体を一方向に付勢する形状記憶合金バネと、弁体を形状記憶合金バネによる付勢方向と反対方向に付勢するバイアスバネとを有している。冷水が形状記憶合金バネに接触して流れる場合には、形状記憶合金バネが縮むとともに形状記憶合金のバネ定数が小さくなる。一方、温水が形状記憶合金に接触して流れる場合には、形状記憶合金が伸びるとともに形状記憶合金バネのバネ定数が大きくなる。そして、伸縮した形状記憶合金バネとバイアスバネとがバランスをとる位置に弁体が摺動し、弁体が摺動して位置を変えることにより、冷水又は温水の流れが切り換えられる。

特開２０００−１９３１３２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された二方弁では、形状記憶合金バネのバネ定数とバイアスバネのバネ定数とにより弁体の摺動位置が決定されるため、形状記憶合金バネとバイアスバネとのバネ定数とを高精度に管理する必要がある。しかし、これらのバネ定数のバラツキを高精度に管理することは難しく、形状記憶合金バネとバイアスバネとのバネ定数を高精度に管理するためには多大なコストを必要とし、実用化に至っていないことが現状である。

本発明の実施形態の目的は、形状記憶合金バネを使用した二方弁であって形状記憶合金バネのバネ定数の管理を緩やかにして安価な構造とすることができる二方弁、及びその二方弁を用いた給湯装置を提供することである。

実施形態の二方弁は、上下方向を向いた水路を有する筒体と、両端を上下方向に向けて筒体内に収容され、下端側が位置固定に保持されて上端側が上下方向変位可能とされた形状記憶合金バネと、筒体内に上下方向移動可能に設けられ、上端側が形状記憶合金バネの上端側に係止され、下端側に重りが係止された摺動体と、摺動体に係止され、形状記憶合金バネの伸縮により水路を閉止する閉止位置と水路を開放する開放位置とに移動する弁部と、を有する。

一実施形態の給湯装置を含む給湯システムの構成図である。 一実施形態の二方弁を構成する筒体の正面図である。 一実施形態の筒体を図２のａ−ａ線で断面にした斜視図である。 一実施形態の筒体を縦断面にして示す斜視図である。 一実施形態の二方弁の構造を示す分解斜視図である。 一実施形態の二方弁の開弁時の状態を示す断面正面図である。 一実施形態の二方弁の閉弁時の状態を示す断面正面図である。

以下、一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、給湯システム１を示しており、この給湯システム１は、冷水を沸き上げて沸上げた温水を貯える給湯装置２、洗面所や台所に設けられて貯えられた温水が給湯される給湯栓３や浴槽４等により構成されている。

給湯装置２は、冷水を沸き上げて温水にする加熱手段であるヒートポンプ５と、ヒートポンプ５で沸き上げられた温水を貯えるタンク６とを有している。

ヒートポンプ５は、冷媒を用いて熱交換を行う装置であり、入口部５ａから流入した冷水を沸き上げて温水とし、その温水を出口部５ｂからタンク６に向けて流出させるように構成されている。

タンク６は、下側に冷水が貯えられるとともに上側に沸き上げられた温水が貯えられるようになっている。タンク６の下部には、水道水（冷水）が供給される給水管７と、タンク６内の湯水（冷水又は温水）が排水される排水管８と、タンク６内の冷水をヒートポンプ５に導く第１配管９とが接続されている。第１配管９のヒートポンプ５側の端部は、ヒートポンプ５の入口部５ａに接続されている。給水管７の途中には、減圧弁１０と圧力逃し弁１１とが設けられている。排水管８の排水側端部には、排水栓１２が設けられている。

タンク６の上部には、ヒートポンプ５で沸き上げられた温水をタンク６内に導く第２配管１３と、タンク６内に貯えられている温水を給湯栓３や浴槽４に導く給湯管１４とが接続されている。第２配管１３のヒートポンプ５側の端部は、ヒートポンプ５の出口部５ｂに接続されている。給湯栓３に接続されている給湯管１４の途中には、タンク６内からの温水と給水管７からの水道水とを混合して温水の温度調節を行う給湯用混合弁１５が設けられている。浴槽４に接続されている給湯管１４の途中には、タンク６内からの温水と給水管７からの水道水とを混合して温水の温度調節を行う浴槽用混合弁１６と、浴槽４への給湯状態のオン・オフを切り換える浴槽給湯用電動弁１７とが設けられている。

第２配管１３と第１配管９との間には、戻し配管１８が接続されている。戻し配管１８の途中には、第２配管１３内を流れる湯水の温度が設定温度以上である場合に閉弁されてその湯水をタンク６内に導くとともに、第２配管１３内を流れる湯水の温度が設定温度未満である場合に開弁されその湯水を戻し配管１８を通して第１配管９に導く二方弁１９が設けられている。

また、第１配管９の戻し配管１８との接続部とヒートポンプ５との接続部の途中には、湯水を循環させる循環ポンプ３０が設けられている。この循環ポンプ３０の運転により第１配管９及び第２配管１３を介して、タンク６内の湯水をヒートポンプ５との間で循環させることができる。

二方弁１９は、図２に示すような筒体２０を有し、この筒体２０の内部には筒体２０の両端を連通する水路２１が形成されている。また、筒体２０の内部には、後述する図５ないし図７に示すような、形状記憶合金バネ２２、先端部が雄ネジに形成された六角ボルト状の摺動体２３、摺動体２３の先端部の雄ネジに螺合されるナット２４、摺動体２３に固定される重り２５と弁部である弁部パッキン２６が収容されている。筒体２０の外形形状は、中央部が細く両端部が太い形状に形成されている。また、筒体２０の両端部は異なる形状とされている。

筒体２０の内部の中央部には、図３、４及び図６、７に示すように、水路２１の中央部に位置してバネ収容スペース２７が形成され、このバネ収容スペース２７内に形状記憶合金バネ２２が収容されている。バネ収容スペース２７の下端側内周部には、バネ収容スペース２７の内周側に向けてフランジ状に張り出し、収容した形状記憶合金バネ２２の下端側を位置固定に保持する保持部２８が形成されている。これらの水路２１とバネ収容スペース２７とは、二方弁１９を戻し配管１８の途中の取付位置に取付けた場合に上下方向を向くように形成されている。

筒体２０のバネ収容スペース２７内には、図６及び図７に示すように、両端を上下方向に向けるとともに上下方向に伸縮可能である形状記憶合金バネ２２が収容されている。形状記憶合金バネ２２は、下端側が保持部２８により保持され、伸縮時には上端側が上下方向変位可能とされている。

形状記憶合金バネ２２の内側には、摺動体２３が同軸状に配置されるとともにこの摺動体２３は上下方向摺動可能に設けられている。摺動体２３の上端部であって形状記憶合金バネ２２より上方に突出した部分にはナット２４が螺合され、摺動体２３の下端側であって形状記憶合金バネ２２より下方に突出した部分には重り２５が固定されている。摺動体２３への重り２５の固定は、重り２５の中央部に形成された嵌合孔２５ａに摺動体２３を嵌合させることにより行われている。そして、摺動体２３の下端側に重り２５が固定され、摺動体２３の上端側にナット２４が螺合されることにより、摺動体２３の上端側が形状記憶合金バネ２２の上端側に固定された状態となり、形状記憶合金バネ２２には重り２５の荷重が常時下向きに作用した状態となっている。

また、摺動体２３には、重り２５の上方位置に弁部パッキン２６が固定されている。摺動体２３への弁部パッキン２６の固定は、弁部パッキン２６の中央部に形成された嵌合孔２６ａに摺動体２３を嵌合させることにより行われている。

ここで、摺動体２３の上端側が形状記憶合金バネ２２の上端側に固定され、摺動体２３の下端側に重り２５と弁部パッキン２６とが固定されることにより、形状記憶合金バネ２２の伸縮に伴い摺動体２３が上下方向に摺動し、摺動体２３の摺動に伴って重り２５と弁部パッキン２６とが上下方向に摺動するようになっている。弁部パッキン２６の外形寸法は、バネ収容スペース２７の下方位置におけるける水路２１の径寸法より大きく形成されており、摺動体２３が最上方位置に摺動した場合に弁部パッキン２６がバネ収容スペース２７の下方位置で水路２１を閉止する閉止位置に移動し、摺動体２３が下方へ摺動した場合に弁部パッキン２６がバネ収容スペース２７の下方位置で水路２１を開放する開放位置に移動するようになっている。

図６は、二方弁１９が開弁されている状態を示している。この開弁時には、形状記憶合金バネ２２が縮むとともにバネ定数が小さくなっており、重り２５の荷重により摺動体２３が下方に摺動し、ナット２４がバネ収容スペース２７の上端側縁部に当接することにより摺動体２３が最下方位置で位置固定されている。この場合、弁部パッキン２６は、水路２１を開放する位置に位置している。

図７は、二方弁１９が閉弁されている状態を示している。この閉弁時には、形状記憶合金バネ２２が伸びるとともにバネ定数が大きくなっており、下端側を保持部２８により保持されている形状記憶合金バネ２２の上端側が上方に延びている。形状記憶合金バネ２２の上端側が上方に伸びることにより、摺動体２３が弁部パッキン２６や重り２５と共に上方に摺動し、弁部パッキン２６が水路２１を閉止する位置に位置している。

このような構成において、ヒートポンプ５を駆動すると、タンク６内の下部に貯えられている冷水が第１配管９内を矢印Ａで示す方向に流れ、ヒートポンプ５内に導かれる。ヒートポンプ５内に導かれた冷水は、冷媒を利用した熱交換により沸き上げられて温水となり、第２配管１３内を矢印Ｂで示す方向に流れ、タンク６内に導かれる。これにより、タンク６内の上部には温水が貯えられ、タンク６内の下部には冷水が貯えられた状態となる。

第１配管９と第２配管１３とを接続する戻し配管１８の途中には、第２配管１３内を流れる温水の温度により開閉される二方弁１９が設けられている。この二方弁１９は、第２配管１３内を流れる温水の温度が設定温度以上である場合には閉弁され、温水は第２配管１３内を矢印Ｂ方向に流れ、タンク６内に導かれる。一方、第２配管１３内を流れる温水の温度が設定温度未満である場合には二方弁１９が開弁され、第２配管１３内を流れる温水は矢印Ｃで示すように戻し配管１８内を通って第１配管９内に流入し、再びヒートポンプ５内に導かれる。

ここで、循環ポンプ３０をヒートポンプ５と二方弁１９との間に構成される流路に設け、戻し配管１８の流路を短くし第２配管１３と二方弁１９との間の配管距離を短くすることで、後述する二方弁１９の温度に応じて弁の開閉を行う応答性を向上させることができる。

二方弁１９は温度により伸縮する形状記憶合金バネ２２を利用して開閉される弁であり、この二方弁１９の開閉動作について以下に説明する。

図６は、第２配管１３内を流れる温水の温度が設定温度未満であるため、二方弁１９が開弁されている状態を示している。形状記憶合金バネ２２は第２配管１３内を流れる温水に浸されており、この温水が設定温度未満である場合には形状記憶合金バネ２２は縮んでいる。形状記憶合金バネ２２が縮むことにより、形状記憶合金バネ２２の上端側に固定されている摺動体２３は重り２５の荷重により下方へ摺動し、弁部パッキン２６も摺動体２３と一体に下方へ摺動する。この摺動に伴い、弁部パッキン２６は水路２１を開放する位置に移動する。これにより、第２配管１３と第１配管９とが戻し配管１８を介して連通された状態となる。第２配管１３と第１配管９とが戻し配管１８を介して連通されると、第２配管１３内を流れる温水は水路抵抗の少ない第１配管９に流れるようになり、水路２１を通って図１及び図６に示す矢印Ｃ方向の流れが発生する。戻し配管１８内を通って第１配管９内に流入した温水は、再びヒートポンプ５内に導かれ、沸き上げられる。

図７は、第２配管１３内を流れる温水の温度が設定温度以上であるため、二方弁１９が閉弁されている状態を示している。形状記憶合金バネ２２は第２配管１３内を流れる温水に浸されており、この温水の温度が設定温度以上である場合には形状記憶合金バネ２２は伸びる。形状記憶合金バネ２２が伸びることにより、下端側を保持部２８に保持されている形状記憶合金バネ２２は上方側が上方へ移動する。形状記憶合金バネ２２の上方側が上方へ移動することにより、上端側を形状記憶合金バネ２２の上端側に固定されている摺動体２３が上方へ摺動し、重り２５と弁部パッキン２６とが一体に上方に摺動する。そして、摺動体２３が最上方位置に摺動した場合に、弁部パッキン２６が水路２１を閉止する位置に移動する。これにより、二方弁１９が閉弁され、第２配管１３内を流れる設定温度以上に沸き上げられた温水はタンク６内の上部に貯えられる。

ここで、形状記憶合金バネ２２を使用した二方弁１９は、第２配管１３内を流れる温水の温度が設定温度未満である場合には、形状記憶合金バネ２２が縮んでバネ定数が小さくなるとともに重り２５の荷重により摺動体２３が下方に摺動し、摺動体２３に固定されている弁部パッキン２６が水路２１を開放する位置に移動する。一方、第２配管１３内を流れる温水の温度が設定温度以上である場合には、形状記憶合金バネ２２が伸びてバネ定数が大きくなるとともに摺動体２３が上方に摺動し、摺動体２３が最上方位置に摺動した場合しに弁部パッキン２６が水路２１を閉止する。従って、この二方弁１９では、使用する形状記憶合金バネ２２では、伸縮に伴って弁部パッキン２６を水路２１を開閉する位置に移動させることができればよく、バネ定数を高精度に管理する必要はない。これにより、形状記憶合金バネ２２及び形状記憶合金バネ２２を使用した二方弁１９を安価な構造とすることができ、しかも、温水の温度に応じた温水の流れの切り換えを確実に行うことができる。

さらに、形状記憶合金バネ２２の伸縮方向に荷重を加える重り２５の設置に関しては、摺動体２３を形状記憶合金バネ２２の内側に同軸状に挿通させ、摺動体２３の上端側を形状記憶合金バネ２２の上端側に固定するとともに摺動体２３の下端側に重り２５を固定している。このため、重り２５の設置のために必要となるスペースが小さくなり、二方弁１９の小型化及び二方弁１９の設置スペースの省スペース化を図ることができる。

また、二方弁１９の外郭をなす筒体２０は、両端部の形状が異なっているため、この二方弁１９を戻し配管１８の途中に取付ける場合、逆向きに取付けることを防止することができる。

なお、本実施の形態では加熱手段としてヒートポンプ５を例に挙げて説明したが、加熱手段としてはヒートポンプ５に代えて燃焼式ボイラや電熱式加熱器を用いてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

５…ヒートポンプ（加熱手段）、５ａ…入口部、５ｂ…出口部、９…第１配管、１３…第２配管、１８…戻し配管、１９…二方弁、２０…筒体、２１…水路、２２…形状記憶合金バネ、２３…摺動体、２５…重り、２６…弁部パッキン（弁部）、３０…循環ポンプ

Claims (5)

1. 上下方向を向いた水路を有する筒体と、
   両端を上下方向に向けて前記筒体内に収容され、下端側が位置固定に保持されて上端側が上下方向変位可能とされた形状記憶合金バネと、
   前記筒体内に上下方向移動可能に設けられ、上端側が前記形状記憶合金バネの上端側に係止され、下端側に重りが係止された摺動体と、
   前記摺動体に係止され、前記形状記憶合金バネの伸縮により前記水路を閉止する閉止位置と前記水路を開放する開放位置とに移動する弁部と、
   を有することを特徴とする二方弁。
2. 前記摺動体は、前記形状記憶合金バネの内部に同軸状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の二方弁。
3. 前記筒体は、両端の形状が異なることを特徴とする請求項１又は２記載の二方弁。
4. 冷水を沸き上げる加熱手段と、
   湯水を貯えるタンクと、
   前記タンクの下部と前記加熱手段の入口部との間に設けられた第１配管と、
   前記加熱手段の出口部と前記タンクの上部との間に設けられた第２配管と、
   前記第１配管と前記第２配管との間に設けられた戻し配管と、
   前記戻し配管の途中に設けられ、前記第２配管内を流れる湯水の温度が設定温度以上である場合に閉弁されてその湯水を前記タンク内に導くとともに、前記第２配管内を流れる湯水の温度が設定温度未満である場合に開弁されその湯水を前記戻し配管を通して前記第１配管に導く二方弁と、
   を有し、
   前記二方弁は、
   前記戻し配管の途中に設けられて上下方向を向いた水路を有する筒体と、
   両端を上下方向に向けて前記筒体内に収容され、下端側が位置固定に保持されて上端側が上下方向変位可能とされた形状記憶合金バネと、
   前記筒体内に上下方向摺動可能に設けられ、上端側が前記形状記憶合金バネの上端側に係止され、下端側に重りが係止された摺動体と、
   前記摺動体に係止され、前記形状記憶合金バネの伸縮により前記水路を閉止する閉止位置と前記水路を開放する開放位置とに移動する弁部と、
   を有することを特徴とする給湯装置。
5. 前記第１配管の前記戻し配管との接続部と加熱手段との接続部の途中に湯水を循環させる循環ポンプを設けたことを特徴とする請求項４記載の給湯装置。

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