JP3038698B2 - 電子制御湯水混合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の目的】

【産業上の利用分野】本発明は、温度制御機能に優れた
電子制御湯水混合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】伝統的な自動温度調節式の湯水混合弁
は、熱膨脹性ワックスが封入された感温素子を備えたも
ので、使用者が温度設定ハンドルを回すことにより希望
給湯温度を設定すると、ワックス感温素子が湯水混合物
の温度に応答しながら混合弁体を位置決めして湯水混合
比を自動的に調節し、湯水混合物の温度を設定値に向っ
て機械的にフィードバック制御するようになっている。
水圧や給湯圧力や給湯機からの給湯温度や水道水温や流
量などの条件が過渡的に変動し、その結果、湯水混合物
の温度が変化すると、ワックス感温素子は温度変化に応
じて伸縮して、混合弁体を変位させて湯水の混合比を修
正し、オーバーシュートとアンダーシュートを繰り返し
ながら湯水混合物温度を次第にほぼ目標値に収斂させ
る。

【０００３】この種の自動温調混合弁は、水道管と給湯
機からの給湯管に配管を接続するだけで使用でき、電気
配線工事を必要としないので、設置が簡単であるという
利点がある。しかし、ワックス感温素子は、熱容量が大
きいと共に、熱伝導性が良くないので、温度に対する感
度が充分でなく、従って、温度変化に対する応答が遅
い。その結果、混合弁のオーバーシュートとアンダーシ
ュートが不可避的に発生するという難点がある。また、
構成要素の経時的劣化や摩耗などの原因により、長期間
にわたる使用中には供給温度（混合物温度）と設定値と
の間に定常的なずれ（定常的オフセット）が発生すると
いう問題がある。

【０００４】従来技術においては、斯る定常的オフセッ
トを解消するため、ワックス感温素子による機械的フィ
ードバック制御に加えて、温度を電子的にフィードバッ
ク制御することが提案されている（例えば、特開昭60-2
49783号、特開昭60-249784号）。過渡的なオフセットは
主としてワックス感温素子による機械的フィードバック
制御によって対処される。定常的オフセットは、温度検
出器により混合物温度を検出し、検出温度に基づいてモ
ータによってワックス感温素子のピストンを変位させる
ことにより解消される。

【０００５】しかし、この混合装置には、感温素子とし
てワックス感温素子が使用してあり、ワックス感温素子
は前述したように熱容量が大きいと共に熱伝導性がよく
ないので、不可避的に応答遅れが伴う。また、温度検出
器としてサーミスタなどを用いる場合には、サーミスタ
も熱容量が大きいので、出力に応答遅れがある。さら
に、制御上の発振を防止するため、温度検出器の出力信
号に対してプログラム上制御の遅れを設けなければなら
ないので、ある程度の応答遅れは不可欠である。従っ
て、この混合装置は、定常的オフセットは解消できる
が、これらの理由により過渡時の応答性には限界がある
ものと考えられる。

【０００６】また、この混合装置は、乾電池のエネルギ
によって作動させるに適していない。何故ならば、ワッ
クス感温素子のピストンを押し込む方向にモータを回転
させる場合には、混合弁体をワックス感温素子に対して
付勢するバイアスばねの予荷重と、混合弁体の周りの摺
動シールの抵抗と、ワックス感温素子の周りの摺動シー
ルの抵抗とに抗してモータを回転駆動しなければなら
ず、かなりの電力を要するからである。即ち、通常、バ
イアスばねの予荷重が４〜５ｋｇであり、混合弁体の周
りの摺動シールの抵抗が約０.５ｋｇであり、ワックス
感温素子の周りの摺動シールの抵抗が約０.５ｋｇであ
り、これらの摺動シールの抵抗は更にシール部材の経時
的劣化により１〜１．５ｋｇまで増大するおそれがある
ことを考慮すると、かなりの電力をモータに供給しなけ
ればならない。従って、この混合装置を作動させるには
商用電源が必要となり、混合装置の設置に際しては、水
道配管工事だけでなく、商用電源に電気接続するための
電気配線工事が必要となり、設置に手数と費用を要す
る。

【０００７】純粋に電気的にフィードバック制御される
湯水混合装置は特開昭62-256111号に開示されている。
この装置においては、設定値に基づいて湯側弁２９と水
側弁３０をモータで駆動することにより混合湯温度が制
御される。湯側弁２９と水側弁３０は止水機能も兼ね備
えており、水圧を受けるので、モータへの負荷の低減を
図るため、減圧弁１８、１９が使用してある。しかしな
がら、この装置においても、サーミスタなどの温度検出
器の出力に応答遅れがあると共に、更に、制御上の発振
を防止するために制御の遅れを設けなければならないの
で、過渡時の応答性には限界がある。

【０００８】特開昭61-140685号の第２図には、湯水の
圧力を等圧化するピストンを備えた湯水混合装置が開示
されている。この混合装置は、湯水の混合比を手で変え
るようになっているので、水温や給湯温の変動に対して
自動温調をすることができない。特開昭61-140685号の
第１図には、湯水の圧力を等しくする圧力調整弁と電気
的に駆動される混合弁を備えた湯水混合装置が開示され
ている。第１図の装置においても、温度検出器の出力に
応答遅れが伴うと共に、発振を防止するために制御上の
遅れを設けなければならないので、過渡時の応答性が充
分でない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、応答性に優れた湯水混合装置を提供することにあ
る。本発明の付随的目的は、乾電池のエネルギにより作
動させることが可能で、従って、商用電源に接続するた
めの電気配線工事を行うことなく設置することが可能
な、温度制御機能に優れた電子制御湯水混合装置を提供
することにある。

【００１０】

【発明の構成】

【課題を解決するための手段】本発明の湯水混合弁は、
湯水の混合比を調節する可動弁体を有する湯水混合弁
と、湯水混合弁に供給される湯の圧力と水の圧力との間
の差圧を一定にする圧力制御手段と、温度に応じてばね
定数が変化する金属からなり混合弁から流出する湯水混
合物の温度上昇に伴い湯の割合を減少させる方向に可動
弁体を付勢する第１のコイルスプリング（感温コイルス
プリング）と、通常のばね材料からなり可動弁体を前記
方向とは反対方向に付勢する第２のコイルスプリング
と、これらのコイルスプリングの少なくとも一方の予荷
重を調節する電動式予荷重調節手段と、湯水混合物の温
度を検出する温度検出手段と、湯水混合物温度の目標値
を設定する温度設定手段と、温度検出手段により検出さ
れた温度と温度設定手段により設定された目標値とに基
づいて予荷重調節手段を制御する電子制御手段、とを備
えてなる。

【００１１】

【作用】本発明の第１の特徴は、感温素子として、温度
に応じてばね定数が変化する金属からなるコイルスプリ
ングを用いたことにある。本発明の目的のためには、こ
のように温度に応じてばね定数が変化する金属として
は、形状記憶合金の範疇に属する金属を使用することが
できるもので、斯る金属は温度に応じて弾性係数が変化
し、其の結果として、斯る金属で形成された感温コイル
スプリングのばね定数が温度に応じて変化するものであ
る。このように、本発明の感温コイルスプリングは金属
で形成されているので、従来のワックス感温素子に比較
して、遥かに熱容量が小さいと共に、熱伝導性に優れて
いる。従って、温度変化に対する応答は極めて迅速であ
り、温度変化を感知した時には瞬間的に発生荷重（ばね
力）が変化し、瞬間的に可動弁体を変位させ、湯水混合
物温度を調節する。

【００１２】本発明の第２の特徴は、湯水混合弁の可動
弁体は、この感温コイルスプリングによって一方から付
勢されると共に、温度に応じてばね定数が変化しない通
常のばね材料からなる第２のコイルスプリングによって
反対方向に付勢されていることである。このように、湯
水混合弁の可動弁体は感温コイルスプリングと第２コイ
ルスプリングとの釣り合いにより位置決めされているの
で、これらのコイルスプリングから混合弁体に作用する
付勢力は相殺され、合力はゼロとなる。この事は感温コ
イルスプリングのばね力の変化に対する可動弁体の追従
性を向上させる上で非常に有利である。即ち、湯水混合
弁から流出する湯水混合物の温度変動に伴い感温コイル
スプリングのばね力が増減し、感温コイルスプリングの
付勢力と第２コイルスプリングの付勢力との間に力の差
が発生した時には、この力の差は可動弁体を駆動する加
速度として作用するであろう。加速の開始時には、前述
したように可動弁体に作用する合力はゼロであり、前記
力の差による加速度はいづれかのコイルスプリングの反
作用を受けることがないので、混合弁体は迅速に加速さ
れ、迅速に変位し、感温コイルスプリングのばね力の変
化に敏感に追従することができる。

【００１３】しかしながら、このように可動弁体が感温
コイルスプリングと第２コイルスプリングとの釣り合い
により位置決めされており、敏感に変位し得るようにな
っているので、湯水の圧力が過渡的に変動することによ
り両者間に圧力差が発生した時には、圧力差に起因して
可動弁体に作用する軸方向スラストによって可動弁体が
不本意に変位するおそれがある。

【００１４】そこで、本発明の第３の特徴は、湯水混合
弁に供給される湯の圧力と水の圧力との間の差圧を一定
にする圧力制御手段を設けたことにある。このような圧
力制御手段を設けたので、給水圧力と給湯圧力との間に
過渡的な圧力差が生じたとしても、混合弁の可動弁体に
は一定の差圧が印加され、混合弁体に作用する軸方向ス
ラストは一定となる。

【００１５】本発明の第４の特徴は、感温コイルスプリ
ングおよび第２コイルスプリングの少なくとも一方の予
荷重を調節する電動式予荷重調節手段が設けてあり、こ
の予荷重調節手段は電子制御回路によって電子制御され
ることである。この電子制御回路は、温度検出手段によ
り検出された湯水混合物温度と目標温度設定手段により
設定された目標温度とに基づいて予荷重調節手段を制御
する。これにより、前記一定の差圧により混合弁体に作
用する軸方向スラストは補償される。また、感温コイル
スプリングのヒステリシスによる影響や、感温コイルス
プリングおよび第２コイルスプリングの製造上の公差に
よるばね定数のバラツキに起因する定常的オフセット
や、他の原因による定常的オフセットも、電子制御によ
り補正される。

【００１６】本発明の混合装置では、熱容量が小さく熱
伝導性に優れた金属製感温コイルスプリングが使用して
あると共に、可動弁体は感温コイルスプリングの付勢力
の変化に応答して敏感に変位するべく２つのコイルスプ
リングの釣り合いによって支持されているので、電子制
御の頻度は最小限となる。従って、高精度の温度制御を
行いながらも、乾電池のエネルギによって混合装置を作
動させることが可能となる。また、感温コイルスプリン
グは、制御回路による電子制御が前記所定の遅れをもっ
て実行されるよりも遥かに迅速に温度変化に応答するの
で、混合装置の応答性は著しく向上する。

【００１７】好ましくは、可動弁体の周りにおける湯水
間の漏れを防止するために従来から可動弁体の周りに配
置されて来た摺動シールは廃止する。そうすれば、感温
コイルスプリングのばね力の変化に対する弁体の追従性
を一層向上させることができる。

【００１８】感温コイルスプリングのばね定数は、湯水
混合物の低温時に湯を遮断するに必要な最低限のばね力
を可動弁体に作用させるような限られた値に制限するの
が好ましい。このように感温コイルスプリングのばね力
を小さく制限した場合には、予荷重調節手段を駆動する
に要する乾電池エネルギ消費量を一層低減することがで
きる。

【００１９】本発明の上記特徴や効果、ならびに、他の
特徴や利点は、以下の実施例の記載に従い更に明らかと
なろう。

【００２０】

【実施例】図面を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。先ず、図１の模式図と図２の斜視図を参照するに、
湯水混合装置１０は本体１２を有し、水道管からの水は
圧力制御弁１４を内蔵した給水用脚金具１６を介して本
体１２に供給されると共に、給湯機（図示せず）からの
湯は給湯用脚金具１８を介して本体１２に供給される。
湯水は本体１２内に配置された湯水混合弁２０によって
混合され、湯水混合物は同じく本体１２内に配置された
切換え／止水弁２２を介してシャワーヘッド２４又はカ
ラン２６に選択的に供給される。湯水混合物の温度はサ
ーミスタ２８などからなる温度検出手段によって検出さ
れ、その情報は制御回路３０に送られる。図２からよく
分かるように、本体１２には、使用者が湯水混合物の目
標温度を設定するためのスイッチ３２、３４が設けてあ
ると共に、設定された目標温度を表示する液晶表示部
（ＬＣＤ）３６が設けてある。図示した実施例では、ス
イッチ３２は設定温度をデクレメントするために使用さ
れ、スイッチ３４はインクレメントするために使用され
る。さらに、本体１２には、シャワーヘッド２４への吐
水を選択するためのスイッチ３８と、カラン２６への吐
水を選択するためのスイッチ４０と、吐水を停止させる
ためのスイッチ４２が設けてある。これらのスイッチか
らの指令は制御回路３０に入力される。制御回路３０
は、サーミスタ２８により検出された混合物温度とスイ
ッチ３２、３４によって設定された目標値（場合によっ
ては、後述するように制御回路３０によりデフォルト設
定された目標値）とに基づいて、後述する混合弁２０の
予荷重調節機構４４を制御する。また、制御回路３０
は、スイッチ３８、４０、４２からの指令に基づいて切
換え／止水弁２２のモータ４６を制御する。混合弁２０
の予荷重調節機構４４、切換え／止水弁２２のモータ４
６、制御回路３０、および、ＬＣＤ３６を駆動するため
の電力は、乾電池４８によって供給されるもので、この
ため、本体１２には、例えば４個の単３乾電池を装填し
た防水ケース５０を装入し、キャップ５２により閉鎖す
るようになっている。

【００２１】図２のIII−III断面を拡大して示す図３を
参照するに、給水用脚金具１６には、圧力制御弁１４が
組み込まれており、混合弁２０の湯入口に供給される湯
の圧力と混合弁２０の水入口に供給される水の圧力との
間の差圧が一定になるべく水道管からの給水圧力を制御
するようになっている。脚金具１６は、水道管に接続さ
れる入口５４と混合弁２０に接続される出口５６とが形
成されたハウジング５８を有し、図示した実施例では、
このハウジング５８内にはストレーナ６０を備えた従来
型の止水弁６２が配置されている。

【００２２】圧力制御弁１４は、ハウジング５８に形成
された環状の弁座６４と、この弁座６４と協動して水の
流れを制御する円板状の閉鎖部材６６を有する。この閉
鎖部材６６はナット６８により弁軸７０に固定されてい
る。閉鎖部材６６は上方に延長する円筒形のスカート７
２を有し、このスカート７２は、ハウジング５８に液密
に締結されたガイド部材７４のボア７６内に摺動自在に
案内されている。ボア７６の内径とスカート７２の外径
との間には若干のクリアランスが設けてあり、閉鎖部材
６６とスカート７２とガイド部材７４とで形成された二
次圧力室７８内に弁座６４下流の二次圧力が導入される
ようになっている。弁軸７０の下端にはばね受け８０が
設けてある。ハウジング５８に液密に締結したキャップ
８２とこのばね受け８０との間には金属ベローズ８４が
液密に配置してあり、背圧室８６を形成している。金属
ベローズ８４は、容積可変の背圧室８６を形成すると共
に、閉鎖部材６６を開弁方向（図３において、上向き）
に付勢するばねとしても作用する。金属ベローズ８４の
有効受圧面積は弁座６４の有効面積に等しくなるように
設定してある。従って、弁座６４上流の一次給水圧力に
より閉鎖部材６６に上向きに作用する力は、該一次圧力
によりばね受け８０に下向きに作用する力に等しく、こ
れらの力は互いに相殺される。背圧室８６は圧力導入管
８８によって給湯用脚金具１８に接続してあり、給湯機
からの給湯圧力を背圧室８６内に導入するようになって
いる。

【００２３】この圧力制御弁１４の作動原理を説明する
に、前述したように、給水一次圧力Ｐ₁により閉鎖部材
６６に上向きに作用する力と該一次圧力Ｐ₁によりばね
受け８０に下向きに作用する力とは互いに相殺されるの
で、閉鎖部材６６は、二次圧力室７８内の給水二次圧力
Ｐ₂により閉弁方向（図３において、下向き）に作用す
る力と、金属ベローズ８４により開弁方向（図３におい
て、上向き）に作用するばね力と、背圧室８６内の給湯
圧力により開弁方向に作用する力とを受ける。従って、
給水二次圧力Ｐ₂は、金属ベローズ８４のばね力の分だ
け、給湯圧力より高くなり、水道管からの給水圧力およ
び給湯機からの給湯圧力が変動しても、給水二次圧力Ｐ
₂と給湯圧力との差圧は一定となる。

【００２４】給湯用脚金具１８にも、給水用脚金具１６
の止水弁６２と同様の止水弁９０が設けてある。圧力制
御弁１４によって差圧が一定になるように圧力制御され
た湯水は、湯水混合弁２０の湯水入口に夫々送られる。

【００２５】本体１２内には、図４に示したような弁ユ
ニット９２が収蔵してあり、この弁ユニット９２には、
湯水混合弁２０と切換え／止水弁２２が組み込まれてい
る。弁ユニット９２のハウジング９４には湯入口９６と
水入口９８が形成してあり、湯入口９６には給湯用脚金
具１８の出口１００が接続され、水入口９８には給水用
脚金具１６の出口５６が接続される。

【００２６】湯水混合弁２０は、湯水入口９６および９
８に夫々連通する環状通路１０２および１０４と、可動
弁体１０６を軸方向摺動自在に収容する弁室１０８と、
湯水混合室１１０を有する。弁室１０８は、混合弁２０
の軸線に垂直な湯側弁座１１２および水側弁座１１４
と、軸方向ボア１１６によって画定されている。可動弁
体１０６は、円筒部１１８と半径方向ウェブ１２０とを
有する。弁体円筒部１１８の外径とボア１１６の内径と
の間には微小なクリアランスが設けてある。しかし、本
発明の好ましい実施態様に従い、円筒部１１８とボア１
１６との間にはＯリングのような摺動シール部材は設け
られていない。従って、可動弁体１０６は実質的に摺動
抵抗を受けることなくボア１１６内で円滑に軸方向に変
位することができる。可動弁体１０６が軸方向に変位す
ることにより湯水の混合比が調節され、弁体円筒部１１
８の左側端面が湯側弁座１１２に係合することにより湯
が遮断され、円筒部１１８の右側端面が水側弁座１１４
に係合することにより水が遮断される。弁体１０６のウ
ェブ１２０には複数の開口１２２が設けてあり、湯入口
９６から弁室１０８内に流入した湯が開口１２２を通っ
て混合室１１０に流れ、水と混合されるようになってい
る。

【００２７】本発明に従い、可動弁体１０６は、基本的
に、混合室１１０内に配置された感温コイルスプリング
１２４と弁室１０８内に配置された第２コイルスプリン
グ１２６の力の釣り合いによって位置決めされるように
なっている。このため、感温コイルスプリング１２４の
一端は止め輪１２８によりハウジング９４に固定された
ばね受け１３０に支承され、他端は可動弁体１０６と連
動するばね受け１３２に支承されている。また、第２コ
イルスプリング１２６の一端は可動弁体１０６と連動す
るばね受け１３４に支承され、他端は予荷重調節機構４
４に支承されている。組立の便宜のため、ばね受け１３
２は弁体ウェブ１２０を貫通し、ばね受け１３４と螺合
するようになっている。図示した実施例では、この予荷
重調節機構４４は、乾電池４８の電力によりモータ１３
６をいづれかの方向に回転させることにより、第２コイ
ルスプリング１２６の予荷重を可変調節するように構成
されている。このため、ハウジング９４に液密に締結さ
れた端部部材１３８には可動ばね受け１４０が軸方向変
位自在に、但し、回転不能にスプライン嵌合してあり、
この可動ばね受け１４０の内ねじにはモータ１３６の出
力軸１４２に形成されたウォーム１４４が噛み合ってい
る。モータ１３６の出力軸１４２はＯリング１４６によ
って軸封されており、湯水が漏洩するのを防止するよう
になっている。このような構成であるから、モータ１３
６を或る方向に回転させ、ばね受け１４０を図４中右方
に変位させれば、第２コイルスプリング１２６の予荷重
を増大させることができる。モータ１３６を反対方向に
回転させ、ばね受け１４０を左方に変位させれば、第２
スプリング１２６の予荷重を減少させることができる。
ばね受け１４０は、第２スプリング１２６の予荷重がゼ
ロになるまで左方に移動するに充分なストロークを有す
る。

【００２８】本発明に従い、感温コイルスプリング１２
４は温度に応じてばね定数が変化する金属によって形成
されている。これに対して、第２コイルスプリング１２
６は温度に関して一定のばね定数を有する通常のばね材
料によって形成されている。温度に応じてばね定数が変
化する金属材料としては、ニッケル・チタン合金などか
らなり形状記憶合金（ＳＭＡ）の範疇に属する合金が知
られており、この種のＳＭＡは温度に応じて弾性係数が
変化し、その結果、ＳＭＡからなるコイルスプリングの
ばね定数が温度に応じて変化する。ＳＭＡからなる所望
の温度特性を有する温度応答性のコイルスプリング１２
４は今日では種々の供給者から入手することができる。

【００２９】前述したように、可動弁体１０６は、基本
的には、感温コイルスプリング１２４のばね力と第２コ
イルスプリング１２６のばね力との釣り合いによって位
置決めされる。この釣り合い状態においては、予荷重調
節機構４４によって第２コイルスプリング１２６に加え
られる予荷重は、感温コイルスプリング１２４の発生荷
重に釣り合っており、両者は等しい。従って、予荷重調
節機構４４のモータ１３６は、第２コイルスプリング１
２６の予荷重を増加させる方向に回転する場合には、感
温コイルスプリング１２４のばね力に抗して作用するこ
とになる。よって、モータ１３６を駆動するために消費
される乾電池４８のエネルギを節減するためには、感温
コイルスプリング１２４のばね定数と予荷重は、そのば
ね力（発生荷重）が充分小さくなるように設定しなけれ
ばならない。しかしながら、他方において、感温コイル
スプリング１２４は、水のみを吐出すべき低温条件下
（この時には、第２コイルスプリング１２６に加える予
荷重はゼロにすることができ、可動弁体１０６は感温コ
イルスプリング１２４のばね力のみによって湯側弁座１
１２に押圧される）においては、湯の流入を遮断するに
充分な力で可動弁体１０６を湯側弁座１１２に押圧する
に必要なばね力を発生させなければならない。このた
め、感温コイルスプリング１２４のばね定数と予荷重
は、低温時（例えば、給水温度が５℃の時）に感温コイ
ルスプリング１２４が発生するばね力が５００ｇ以下、
好ましくは３００ｇ以下になるように設定するのが好ま
しい。

【００３０】更に図４を参照するに、湯水混合弁２０に
よって形成された湯水混合物は、サーミスタ２８によっ
て温度が検出された後、切換え／止水弁２２に送られ
る。この切換え／止水弁２２は、固定ディスク１４８
と、回転ディスク１５０と、この回転ディスク１５０を
回転駆動するモータ４６を有する。図５からよく分かる
ように固定ディスク１４８は２つの吐水ポート１５２お
よび１５４を有し、一方の吐水ポート１５２は接続金具
１５６とシャワーホース１５８（図１）を介してシャワ
ーヘッド２４に接続され、他方の吐水ポート１５４は接
続金具１６０とスイベル継手（図示せず）を介してカラ
ン２６に接続されている。回転ディスク１５０は、図６
に示したように、混合弁２０の混合室１１０に連通する
唯一のポート１６２を有する。モータ４６を回転させる
ことにより、回転ディスク１５０のポート１６２を固定
ディスク１４８の吐水ポート１５２に整合させると湯水
混合物はシャワーヘッドに供給され、ポート１６２を固
定ディスク１４８の吐水ポート１５４に整合させると湯
水混合物はカランに供給され、ポート１６２を固定ディ
スク１４８のいづれの吐水ポート１５２および１５４か
らもオフセットさせると止水が行われる。

【００３１】図７はこの湯水混合装置１０の制御回路３
０の構成の一例を示すもので、制御回路３０はプログラ
ム可能なマイクロコンピュータ１６４を備え、このマイ
クロコンピュータ１６４は後述する制御を行うようにプ
ログラムされている。また、マイクロコンピュータ１６
４は、混合装置１０の使用開始時には何時でも、湯水混
合物の目標温度として安全なデフォルト値（例えば、４
０℃）が設定されるようにプログラムされていると共
に、混合装置１０の使用終了時には何時でも、前記デフ
ォルト値の温度の混合物が供給される位置に可動弁体１
０６を位置決めするべく予荷重調節モータ１３６を駆動
して第２コイルスプリング１２６の予荷重をデフォルト
設定するようにプログラムすることができる。第２コイ
ルスプリング１２６の予荷重のデフォルト設定に際して
は、後述するように、給水二次圧力と給湯圧力との間の
差圧（この差圧は、圧力制御弁１４により一定になるよ
うに制御される）を考慮しなければならず、この一定の
差圧により可動弁体１０６に作用する軸方向スラストを
補償するだけの予荷重が第２コイルスプリング１２６に
与えられる。

【００３２】次に、この湯水混合装置１０の使用方法と
作動を説明するに、使用者がシャワー選択スイッチ３８
又はカラン選択スイッチ４０を押すと、制御回路３０は
湯水混合物の目標温度として先ずマイクロコンピュータ
１６４のメモリに格納されたデフォルト値（例えば、４
０℃）を設定し、これをＬＣＤ３６に表示すると同時
に、モータ４６を駆動して切換え／止水弁２２を使用者
の選択に応じて切換える。これにより、水道管からの水
と給湯機からの湯は圧力制御弁１４により差圧が制御さ
れた上で混合弁２０に供給される。

【００３３】前述したように、前回の使用終了時には、
混合弁２０の可動弁体１０６はデフォルト値（例えば、
４０℃）の温度の湯水混合物が得られる位置に位置決め
されているので、混合弁２０は、先ず、湯水混合物の温
度が４０℃になるような混合比で湯水を混合する。この
状態では、混合室１１０内の４０℃の湯水混合物により
感温コイルスプリング１２４に発生するばね力と、第２
コイルスプリング１２６のばね力（予荷重）とは、釣り
合っている。従って、給湯機からの給湯温度や水道水温
や流量などの条件が定常状態にある時には、可動弁体１
０６に作用する感温コイルスプリング１２４のばね力と
第２コイルスプリング１２６のばね力との合力はゼロで
ある。

【００３４】給湯機からの給湯温度や水道水温や流量な
どの条件が過渡的に変動し、この過渡的変動に応じて混
合室１１０内の湯水混合物の温度がデフォルト値４０℃
からずれると、この温度変化に応じて感温コイルスプリ
ング１２４の弾性係数が変化してそのばね定数が変化
し、感温コイルスプリング１２４が発生するばね力が変
化する。得られる混合物温度が設定値より高い場合に
は、感温コイルスプリング１２４のばね力が増大し、第
２コイルスプリング１２６の予荷重を増加させながら可
動弁体１０６を図４中左方に変位させるので、湯の割合
が減少し、混合物温度が低下する。反対に、混合物温度
が設定値より低い場合には、感温コイルスプリング１２
４のばね力が減少し、第２コイルスプリング１２６の作
用により可動弁体１０６が図４中右方に変位するのを許
容するので、水の割合が減少し、混合物温度が上昇す
る。

【００３５】斯る作動において、感温コイルスプリング
１２４は金属で形成されており、従って、従来技術のワ
ックス感温素子に比較してその熱容量が著しく小さいと
共に熱伝導性が高いので、感温コイルスプリング１２４
のばね定数は殆ど瞬間的に混合物の温度変化に応答して
増減し、感温コイルスプリング１２４のばね力は瞬間的
に変化するであろう。この感温コイルスプリング１２４
のばね力の変化は、感温コイルスプリング１２４のばね
力と第２コイルスプリング１２６のばね力との釣り合い
を崩すことになる。前述したように混合弁条件の定常状
態においては、可動弁体１０６に作用する２種のコイル
スプリング１２４および１２６の合力はゼロであるか
ら、可動弁体１０６を変位させるべく可動弁体１０６に
作用する力は、最初は、コイルスプリング１２４又は１
２６の反作用を受けないであろう。また、可動弁体１０
６は摺動シール部材を介在することなく混合弁２０の軸
方向ボア１１６に嵌合されており、実質的な摺動抵抗を
受けることがない。これらの結果、可動弁体１０６は非
常に動き易い状態、つまり、加速され易い状態にある。
従って、混合物温度の過渡的変動に伴い感温コイルスプ
リング１２４のばね力と第２コイルスプリング１２６の
ばね力との間に差が発生した瞬間には、この力の差は可
動弁体１０６を駆動して加速し始めるのであり、殆ど瞬
間的に可動弁体１０６を変位させる。従って、可動弁体
１０６は、ワックス感温素子によって位置決めされた従
来技術の混合弁体のようにオーバーシュートやアンダー
シュートをすることがなく、湯水混合物の温度変化に瞬
間的に応答して混合物温度を目標値に制御することがで
きる。

【００３６】しかしながら、このように可動弁体１０６
は非常に動き易い態様で支持されていると共に、感温コ
イルスプリング１２４のばね定数と予荷重は限られたば
ね力しか発生させないように制限されているので、もし
も、給湯圧力と給水圧力との間に差圧変動が発生するな
らば、可動弁体１０６は差圧変動の影響を敏感に受ける
であろう。特に、低温時に約３００ｇ以下のばね力しか
発生しないように感温コイルスプリング１２４のばね定
数と予荷重を制限した場合には、差圧変動の影響は顕著
となるであろう。図８の模式図を参照してこの現象を説
明するに、湯側弁座１１２と可動弁体１０６の円筒部１
１８の左端面１６６との間の隙間は絞りとして作用し
て、湯の入来圧力Ｐ_H1を圧力Ｐ_H2に低下させ、同様に、
水側弁座１１４と円筒部右端面１６８との間の隙間は水
の入来圧力Ｐ_C1を圧力Ｐ_C2に低下させる。図示したよう
に、入来圧力Ｐ_H1およびＰ_C1は、夫々、円筒部１１８の
厚さ方向中央面１７０を境界とする外側受圧面積Ａ_Hお
よびＡ_Cに対して作用し、出力圧力Ｐ_H2およびＰ_C2は中
央面１７０の内側の受圧面積に作用するものと考えるこ
とができる。開口１２２の存在により出力圧力Ｐ_H2とＰ
_C2はほぼ等しく（Ｐ_C2≒Ｐ_H2）、これらの圧力による力
はほぼ相殺されると見なすことができるので、結局、可
動弁体１０６には、Ａ_H×Ｐ_H1の力とＡ_C×Ｐ_C1の力が作
用する。湯の入来圧力Ｐ_H1および水の入来圧力Ｐ_C1の過
渡的変動の結果、両者間の差圧が変動すると、可動弁体
１０６には、Ａ_H×Ｐ_H1とＡ_C×Ｐ_C1との差に等しい軸方
向スラストが作用する。本発明の圧力制御弁１４が無
く、水道からの給水圧力がそのまゝ混合弁２０に印加さ
れると仮定した場合には、この軸方向スラストは、場合
によっては約１００ｇ程度の力となるであろう。斯る力
は、感温コイルスプリング１２４の低温時発生荷重が好
ましくは約３００ｇに制限されていることを考慮すれ
ば、無視できない値であり、可動弁体１０６の不本意な
変位を招き、その温度調節機能を阻害するであろう。

【００３７】しかしながら、本発明の混合装置１０にお
いては、圧力制御弁１４が設けてあり、混合弁２０への
湯の入力圧力Ｐ_H1と水の入来圧力Ｐ_C1との間の差圧が一
定になるようになっているので、可動弁体１０６は差圧
変動の影響を受けることがない。むしろ、混合装置１０
の使用中は、可動弁体１０６はこの一定の差圧により図
４中左方へ向かう一定の軸方向スラストを受けることに
なり、この軸方向スラストは第２コイルスプリング１２
６によって支持される。この一定の軸方向スラストによ
ってオフセットが発生するのを防止するため、制御回路
３０は、この軸方向スラストを補償するだけの予荷重を
第２コイルスプリング１２６に加えるべくプログラムさ
れている。混合装置１０の使用開始時には何時でも適切
な温度の湯水混合物が出力されるようにするため、混合
装置１０の使用終了時にはこの軸方向スラスト補償分の
予荷重を予め与えた上で混合装置１０の電源が切れるよ
うにプログラムするのが好ましい。

【００３８】次に、使用者が設定温度インクレメント・
スイッチ３４又はデクレメント・スイッチ３２を操作す
ることにより目標混合物温度の増減を入力した場合に
は、設定値は例えば１℃づつ増減され、新たな目標温度
が設定されると共にＬＣＤ３６に表示される。制御回路
３０はサーミスタ２８の出力信号に基づいて湯水混合物
の温度を監視し、混合物温度が目標温度になる位置に可
動弁体１０６を位置決めするべく予荷重調節機構４４を
フィードバック制御する。設定温度が高くなるにつれ
て、制御回路３０は第２コイルスプリング１２６の予荷
重を増加させて、水の混合割合を減少させる。水を完全
に遮断する場合には、可動弁体１０６が充分な圧力で水
側弁座１１４に当接するべく第２コイルスプリング１２
６の予荷重を増加させなければならない。反対に、目標
温度が低くなるにつれて、第２コイルスプリング１２６
の予荷重は低減される。湯を完全に遮断する場合には、
第２コイルスプリング１２６の予荷重がゼロになるまで
可動ばね受け１４０を退却させることができる。この状
態では、可動弁体１０６は感温コイルスプリング１２４
のばね力のみによって湯側弁座１１２に係合する。乾電
池のエネルギの消費を節減するため、ばね力の小さな感
温コイルスプリング１２４を使用する場合には、湯を遮
断するに際してはモータ１３６の力により可動弁体１０
６を図４中左方に牽引してもよい。

【００３９】前述したように、過渡的条件の変動に基づ
く温度変動は感温コイルスプリング１２４による機械的
フィードバック制御により敏速に対処されると共に、斯
る機械的フィードバック制御はオーバーシュートやアン
ダーシュートを伴うことがないので、制御回路３０によ
る電子制御の頻度は最小限となる。制御回路３０による
電子的フィードバック制御の主たる役割は、感温コイル
スプリング１２４のヒステリシスを補正すること、感温
コイルスプリング１２４および第２コイルスプリング１
２６のばね定数のバラツキに基づくオフセットを除去す
ること、構成要素の経時的劣化などに起因する定常的オ
フセットを除去することである。一般に、コイルスプリ
ングの製造に際しては、製品毎にばね定数にかなりのバ
ラツキが生じる。従来のワックス感温素子の製造公差が
±１％程度であるのに対して、コイルスプリングのばね
定数には一般に比較的大きな製造公差（±１０％程度）
が許容されているのが現状である。本発明の混合装置１
０においては、感温コイルスプリング１２４と第２コイ
ルスプリング１２６との２つのコイルスプリングが使用
してあるので、感温コイルスプリング１２４による機械
的フィードバック制御のみによって湯水混合物の温度調
節を行おうとする場合には、コイルスプリングの製造公
差に起因して混合装置毎にかなりのオフセットが発生
し、事実上、温度制御を不可能にするであろう。しかし
ながら、本発明においては、湯水混合物の温度はサーミ
スタ２８の出力信号に基づいて電子的にフィードバック
制御されるので、感温コイルスプリング１２４および／
又は第２コイルスプリング１２６のばね定数のバラツキ
に基づくオフセットは除去される。

【００４０】以上に説明した実施例は、圧力制御弁１４
は混合弁２０に供給される湯水の差圧が一定になるよう
に作動し、この一定の差圧により混合弁２０の可動弁体
１０６に作用する軸方向スラストは予荷重調節機構４４
によって補償されるというものであった。図９および図
１０は、前述した圧力制御弁１４の変化形を示すもの
で、この変化形は、混合弁２０に印加される湯水の差圧
がゼロになるように、つまり、混合弁２０に供給される
湯の圧力と水の圧力とが等しくなるように構成されてい
る。図９は図１と同様の模式図で、図１の構成要素と共
通する要素は同じ参照番号で示し、説明は省略する。

【００４１】図９を参照するに、脚金具１８および１６
からの湯水は、圧力制御弁１８０によって等しい圧力に
制御された上で、混合弁２０に供給される。この圧力制
御弁１８０は、本体１２内に配置するのが有利であろ
う。図１０を参照するに、圧力制御弁１８０は、湯側弁
体１８２と水側弁体１８４とピストン１８６を有し、こ
れらは弁軸１８８によって一体に連結されている。湯側
弁体１８２は湯側弁座１９０と協動し、水側弁体１８４
は水側弁座１９２と協動する。湯側弁座１９０と水側弁
座１９２とピストン１８６の有効受圧面積は等しくなっ
ている。従って、湯入口１９４内の湯の圧力により湯側
弁体１８２に作用する力とピストン１８６に作用する力
とは相殺されると共に、水入口１９６内の水の圧力によ
り水側弁体１８４に作用する力とピストン１８６に作用
する力とは相殺される。湯側弁体１８２は湯出口１９８
内の背圧により湯側弁座１９０を閉じる方向に付勢さ
れ、水側弁体１８４は水出口２００内の背圧により水側
弁座１９２を閉じる方向に付勢されるので、結局、この
圧力制御弁１８０は、湯水の二次圧力が等しくなるよう
に作動する。

【００４２】この圧力制御弁１８０を用いた場合には、
給湯機からの給湯一次圧力や水道からの給水一次圧力に
過渡的変動が生じても、湯水混合弁２０の可動弁体１０
６に作用する湯水の圧力は互いに等しい関係で変動する
ので、可動弁体１０６には差圧による軸方向スラストは
全く作用しない。従って、予荷重調節機構４４の駆動に
当り軸方向スラストの補償を考慮する必要がなくなるの
で、制御を簡素化することができる。また、湯水間の漏
れが生じないので、可動弁体１０６の周りの摺動シール
を廃止し、可動弁体１０６を一層動き易くすることがで
きる。

【００４３】

【発明の効果】以上に詳細に説明したように、本発明の
混合装置は、熱容量が小さく熱伝導が良い感度に優れた
金属製感温コイルスプリング１２４が使用してあると共
に、可動弁体は感温コイルスプリングの付勢力の変化に
応答して敏感に変位するべく２つのコイルスプリング１
２６の釣り合いによって支持されているので、過渡的条
件変動に対してほぼ瞬間的に可動弁体１０６を変位さ
せ、高応答の温度制御を行うことができる。従って、使
用者が体感する程の応答遅れはなく、オーバーシュート
やアンダーシュートが発生することもない。

【００４４】しかも、圧力制御弁１４により混合弁２０
に加わる湯水の差圧が一定になるようにしたので、この
ように可動弁体１０６を非常に変位し易いように支持し
たにも拘わらず、圧力変動による影響を除去することが
できる。

【００４５】制御回路による電子制御が不可避的に所定
の制御遅れをもって実行されるのに対し、感温コイルス
プリングは遥かに迅速に温度変化に応答するので、混合
装置の応答性は著しく向上する。その結果、電気的駆動
手段の駆動頻度が最小限になり、消費電力が低減するの
で、混合装置を乾電池で駆動することが可能となる。そ
の場合には、商用電源に接続するための電気配線工事を
行うことなく設置することができる。

【００４６】更に、第２コイルスプリング１２６の予荷
重は、サーミスタ２８により検出される混合物温度と目
標温度とに基づいて電子制御回路３０によりフィードバ
ック制御されるので、感温コイルスプリング１２４のヒ
ステリシスによる影響や、感温コイルスプリング１２４
および第２コイルスプリング１２６の製造上の公差によ
るばね定数のバラツキに起因する定常的オフセットや、
他の原因による定常的オフセットも、補正される。

【００４７】圧力制御弁１８０によって湯水の差圧をゼ
ロにした場合には、更に、摺動シールを廃止しても湯水
間の漏れを防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の湯水混合装置の模式図であ
る。

【図２】図２は、図１に示した混合装置の斜視図であ
る。

【図３】図３は、図２のIII−III線に沿った拡大断面図
である。

【図４】図４は、図２のIV−IV線に沿った拡大断面図
で、左右のモータは切り詰めて示してある。

【図５】図５は、図４のV−V線に沿った拡大断面図であ
る。

【図６】図６は、図４のVI−VI線に沿った拡大断面図で
ある。

【図７】図７は、制御回路のブロック図である。

【図８】図８は、湯水混合弁の模式図である。

【図９】図９は、図１同様の模式図で、圧力制御弁の変
化形を使用した湯水混合装置を示す。

【図１０】図１０は、圧力制御弁の変化形の模式的断面
図である。

【符号の説明】

１０： 湯水混合装置 １４、１８０： 圧力制御手段（圧力制御弁） ２０： 湯水混合弁 ２８： 温度検出手段 ３０： 電子制御手段（制御回路） ３０／３２／３４： 温度設定手段 ４４： 予荷重調節手段 １０６： 混合弁の可動弁体 １２４： 第１コイルスプリング １２６： 第２コイルスプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16K 31/70 F16K 31/66

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 湯水の混合比を調節する可動弁体を有す
   る湯水混合弁と、 前記湯水混合弁に供給される湯の圧力と水の圧力との間
   の差圧を一定にする圧力制御手段と、 温度に応じてばね定数が変化する金属からなり、前記混
   合弁から流出する湯水混合物の温度上昇に伴い湯の割合
   を減少させる方向に前記弁体を付勢する第１のコイルス
   プリングと、 実質的に一定のばね定数を有する材料からなり、前記弁
   体を前記方向とは反対方向に付勢する第２のコイルスプ
   リングと、 前記第１および第２コイルスプリングの少なくとも一方
   の予荷重を調節する電動式予荷重調節手段と、 前記湯水混合物の温度を検出する温度検出手段と、 湯水混合物温度の目標値を設定する温度設定手段と、 前記温度検出手段により検出された温度と前記温度設定
   手段により設定された目標値とに基づいて前記電動式予
   荷重調節手段を制御する電子制御手段、とを備えてなる
   湯水混合装置。
2. 【請求項２】 前記圧力制御手段は、湯水混合弁に供給
   される湯の圧力と水の圧力との間の前記差圧がゼロにな
   るように湯水の圧力を制御することを特徴とする請求項
   １に基づく湯水混合装置。
3. 【請求項３】 前記湯水混合弁は、該可動弁体が摺動抵
   抗を実質的に受けることなく変位するべく構成されてい
   ることを特徴とする請求項１又は２に基づく湯水混合装
   置。
4. 【請求項４】 前記電動式予荷重調節手段は乾電池のエ
   ネルギにより駆動されることを特徴とする請求項１から
   ３のいづれかに基づく湯水混合装置。