JP3039727B2 - 乾電池駆動式の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、乾電池のエネルギによ
り長期間にわたって作動させることが可能で、温度制御
機能に優れた、乾電池駆動式の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。

【０００６】また、この混合装置においては過渡時の応
答性にも限界がある。即ち、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充分でないので、
温度応答性に限界がある。同様に、サーミスタのような
温度検出器も熱容量が大きく、応答遅れを伴う。また、
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。

【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、２つのモータを駆動しなければならないと共に、
夫々のモータは流量調節と止水のためにも駆動されるの
で、装置の作動中を通じてかなりの電力を必要とする。
従って、この構造は、乾電池のエネルギにより１〜２年
の期間にわたって湯水混合装置を駆動するには適さない
ものと考えられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、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配管
工事だけで浴室などの使用場所に設置することが可能
で、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。

【０００９】本発明の他の目的は、乾電池のエネルギに
より長期間にわたって作動させることが可能で、温度制
御機能に優れた、乾電池駆動式の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および作用】湯水混合装置
を、乾電池のエネルギにより、１〜２年、或いはそれ以
上の長期間にわたって、しかも高度の応答性をもって作
動させるためには、混合装置の設計には著しい制約が伴
う。

【００１１】本発明は、乾電池のエネルギにより湯水混
合装置を電子制御するに当り、乾電池エネルギの消費量
を低減し、乾電池の寿命を延長させるためには、第１
に、モータなどの電気的手段の駆動頻度を最小限にしな
ければならない、という技術思想に立脚するものであ
る。このためには、混合装置の諸条件の過渡的変動に対
しては機械的フィードバック制御手段としての感温素子
によって基本的に対処できるように感温素子の応答性を
改善し、オーバーシュートおよびアンダーシュートを抑
制しなければならない。

【００１２】そこで、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、オーバーシュートおよびアンダーシュー
トを大幅に抑制することができる。

【００１３】本発明の第２の特徴は、湯水混合弁の可動
弁体は、この感温金属製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
可動弁体の応答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付勢力が増減し、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
グの付勢力の変化に敏感に追従することができる。

【００１４】しかしながら、このように混合弁体が感温
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
混合弁体に作用する軸方向スラストによって混合弁体が
不本意に変位するおそれがある。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水の圧力を減圧す
る減圧手段を設けたことにある。このように減圧手段を
設けたので、たとえ過渡的な圧力変動により圧力差が生
じたとしても、混合弁体に作用する圧力差の絶対値を小
さなものに制限することができ、スラストを低減するこ
とができる。従って、過渡的圧力変動の影響を最小限に
制限することができる。

【００１５】好ましくは、混合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混合弁体の周りに配
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付勢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。前述したように湯水混
合弁に供給される湯水の圧力は減圧手段により減圧され
ているので、たとえ給湯圧力と給水圧力との間に圧力差
が生じたとしても、圧力差の絶対値を小さくし、湯水間
の漏れを防止することができる。これは、本発明の減圧
手段の第２の効果である。

【００１６】本発明の第４の特徴は、感温コイルスプリ
ングと第２コイルスプリングのいづれかの予荷重を調節
する電気的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、乾電池の
エネルギにより駆動されることである。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。目標温度と混合物温度に
基づいて予荷重が調節されるので、混合物温度は、使用
者が設定した任意の温度になるように電子的にフィード
バック制御される。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、電子的フィードバック制御により
補正される。前述したように、本発明によれば、熱容量
が小さく、かつ、熱伝導性に優れた金属製感温コイルス
プリングを使用したことにより感温コイルスプリングの
オーバーシュート又はアンダーシュートが実質的に解消
されると共に、混合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。また、湯水の圧力は減圧手
段によって減圧されているので、予荷重調節手段のモー
タの軸封装置に作用する水圧が小さくなり、軸封装置の
摺動摩擦抵抗が低減する。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長期間にわた
って混合装置を作動させることができる。

【００１７】好ましくは、感温コイルスプリングは、湯
水混合物の低温時に湯を遮断するに必要な最低限の付勢
力を前記弁体に作用させるような限られたばね定数を有
し、この感温コイルスプリングは、湯水混合物の低温時
に５００ｇ以下、好ましくは３００ｇ以下の付勢力を前
記弁体に作用させるように設定する。このように感温コ
イルスプリングの付勢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。

【００１８】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。

【００１９】

【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
減圧弁１４を内蔵した給水用脚金具１６を介して本体１
２に供給されると共に、給湯機（図示せず）からの湯は
減圧弁１８を内蔵した給湯用脚金具２０を介して本体１
２に供給される。湯水は本体１２内に配置された湯水混
合弁２２によって混合され、湯水混合物は同じく本体１
２内に配置された切換え／止水弁２４を介してシャワー
ヘッド２６又はカラン２８に選択的に供給される。湯水
混合物の温度はサーミスタ３０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３２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３
４、３６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）３８が設けてある。図示し
た実施例では、スイッチ３４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３６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２６への吐水を選択するためのスイッチ４０と、
カラン２８への吐水を選択するためのスイッチ４２と、
吐水を停止させるためのスイッチ４４が設けてある。こ
れらのスイッチからの指令は制御回路３２に入力され
る。制御回路３２は、サーミスタ３０により検出された
混合物温度とスイッチ３４、３６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３２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２２の予荷重調節機構４６を制御する。ま
た、制御回路３２は、スイッチ４０、４２、４４からの
指令に基づいて切換え／止水弁２４のモータ４８を制御
する。混合弁２２の予荷重調節機構４６、切換え／止水
弁２４のモータ４８、制御回路３２、および、ＬＣＤ３
８を駆動するための電力は、乾電池５０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５２を装入し、キャップ
５４により閉鎖するようになっている。

【００２０】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は、水道管からの給水圧
力を減圧弁１４により減圧した上で混合弁２２に供給す
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５６と混合弁２２に接続される出口５８とが形成
されたハウジング６０を有し、図示した実施例では、こ
のハウジング６０内にはストレーナ６２を備えた従来型
の止水弁６４が配置されている。

【００２１】減圧弁１４は、ハウジング６０に形成され
た環状の弁座６６と、この弁座６６と協動して水の流れ
を制御する円板状の閉鎖部材６８を有する。この閉鎖部
材６８はナット７０により弁軸７２に固定されている。
閉鎖部材６８は上方に延長する円筒形のスカート７４を
有し、このスカート７４は、ハウジング６０に液密に締
結されたガイド部材７６のボア７８内に摺動自在に案内
されている。ボア７８の内径とスカート７４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６８
とスカート７４とガイド部材７６とで形成された二次圧
力室８０内に弁座６６下流の二次圧力が導入されるよう
になっている。弁軸７２の下端にはばね受け８２が設け
てある。ハウジング６０に液密に締結したキャップ８４
とこのばね受け８２との間には金属ベローズ８６が液密
に配置してあり、大気圧室８８を形成している。金属ベ
ローズ８６は、ばね受け８２とキャップ８４との間をシ
ールすることにより弁座６６上流の一次圧力を持った水
が大気圧室８８に漏れるのを防止すると共に、閉鎖部材
６８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８６の有効受圧面積
は弁座６６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６６上流の一次水圧により閉鎖部材６
８に上向きに作用する力は、該一次水圧によりばね受け
８２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。次に、キャップ８４には、ストッパ兼用
調節ねじ９０が螺合してあり、このねじ９０とばね受け
８２との間にはスプリング９２が配置してある。

【００２２】この減圧弁１４の作動原理を説明するに、
前述したように、一次水圧Ｐ₁により閉鎖部材６８に上
向きに作用する力と該一次水圧Ｐ₁によりばね受け８２
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６８は、二次圧力室８０内の二次水圧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８６とスプリング９２により開弁方向（図３に
おいて、上向き）に作用するばね力を受ける。二次圧力
Ｐ₂は、金属ベローズ８６とスプリング９２のばね力の
みによって定まる。二次圧力Ｐ₂がこれらのばね力によ
り定まる設定値より低い間は、ばね力は二次圧力室８０
内の水圧により閉鎖部材６８に作用する力に打ち勝ち、
閉鎖部材６８を開弁方向（上向き）に付勢するので、水
は弁座６６の下流に流れ、二次圧力Ｐ₂の上昇を許容す
る。反対に、二次圧力Ｐ₂がばね力により定まる設定値
より高くなり、二次圧力室８０内の二次圧力により閉鎖
部材６８に作用する力がばね力に打ち勝つと、閉鎖部材
６８の弾性シール部材９４は弁座６６に係合し、水の流
れを閉め切る。調節ねじ９０を回してスプリング９２の
予荷重を調節することにより、二次圧力を調節すること
ができる。

【００２３】給湯用脚金具２０も給水用脚金具１６と同
様の構造を有し、説明を要しないであろう。減圧弁１４
および１８によって夫々減圧された湯水は、湯水混合弁
２２の湯水入口に夫々送られる。

【００２４】本体１２内には、図４に示したような弁ユ
ニット１００が収蔵してあり、この弁ユニット１００に
は、湯水混合弁２２と切換え／止水弁２４が組み込まれ
ている。弁ユニット１００のハウジング１０２には湯入
口１０４と水入口１０６が形成してあり、湯入口１０４
には給湯用脚金具２０の出口１０８が接続され、水入口
１０６には給水用脚金具１６の出口５８が接続される。

【００２５】湯水混合弁２２は、湯水入口１０４および
１０６に夫々連通する環状通路１１０および１１２と、
可動弁体１１４を軸方向摺動自在に収容する弁室１１６
と、湯水混合室１１８を有する。弁室１１６は、混合弁
２２の軸線に垂直な湯側弁座１２０および水側弁座１２
２と、軸方向ボア１２４によって画定されている。可動
弁体１１４は、円筒部１２６と半径方向ウェブ１２８と
を有する。弁体円筒部１２６の外径とボア１２４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１２６とボア
１２４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１１４は実質的に摺
動抵抗を受けることなくボア１２４内で円滑に軸方向に
変位することができる。可動弁体１１４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１
２６の左側端面が湯側弁座１２０に係合することにより
湯が遮断され、円筒部１２６の右側端面が水側弁座１２
２に係合することにより水が遮断される。弁体１１４の
ウェブ１２８には複数の開口１３０が設けてあり、湯入
口１０４から弁室１１６内に流入した湯が開口１３０を
通って混合室１１８に流れ、水と混合されるようになっ
ている。

【００２６】本発明に従い、可動弁体１１４は、基本的
に、混合室１１８内に配置された感温コイルスプリング
１３２と弁室１１６内に配置された第２コイルスプリン
グ１３４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１３２の
一端は止め輪１３６によりハウジング１０２に固定され
たばね受け１３８に支承され、他端は可動弁体１１４と
連動するばね受け１４０に支承されている。また、第２
コイルスプリング１３４の一端は可動弁体１１４と連動
するばね受け１４２に支承され、他端は予荷重調節機構
４６に支承されている。組立の便宜のため、ばね受け１
４０は弁体ウェブ１２８を貫通し、ばね受け１４２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４６は、乾電池５０の電力によりモータ１
４４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１３４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１０２に液密に締
結された端部部材１４６には可動ばね受け１４８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１４８の内ねじにはモータ１４４
の出力軸１５０に形成されたウォーム１５２が噛み合っ
ている。モータ１４４の出力軸１５０はＯリング１５４
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
１４４を或る方向に回転させ、ばね受け１４８を図４中
右方に変位させれば、第２コイルスプリング１３４の予
荷重を増大させることができる。モータ１４４を反対方
向に回転させ、ばね受け１４８を左方に変位させれば、
第２スプリング１３４の予荷重を減少させることができ
る。ばね受け１４８は、第２スプリング１３４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。前述したように、混合弁２２に印加される湯水
の圧力は減圧弁１４および１８により減圧されているの
で、モータ１４４の出力軸１５０を軸封するためのＯリ
ング１５４には僅かな圧力しか作用せず、Ｏリング１５
４が発生する摺動抵抗は小さなものである。従って、湯
水圧力の減圧はモータ１４４の消費電力を節減する上で
も有効である。

【００２７】本発明に従い、感温コイルスプリング１３
２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１３
４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１３
２は今日では種々の供給者から入手することができる。

【００２８】前述したように、可動弁体１１４は、基本
的には、感温コイルスプリング１３２のばね力と第２コ
イルスプリング１３４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４６によって第２コイルスプリング１３４に加え
られる予荷重は、感温コイルスプリング１３２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４６のモータ１４４は、第２コイルスプリング１
３４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１３２のばね力に抗して作用するこ
とになる。よって、モータ１４４を駆動するために消費
される乾電池５０のエネルギを節減するためには、感温
コイルスプリング１３２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１３２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１３４に加える予
荷重はゼロにすることができ、可動弁体１１４は感温コ
イルスプリング１３２のばね力のみによって湯側弁座１
２０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１１４を湯側弁座１２０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１３２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１３２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。

【００２９】更に図４を参照するに、湯水混合弁２２に
よって形成された湯水混合物は、サーミスタ３０によっ
て温度が検出された後、切換え／止水弁２４に送られ
る。この切換え／止水弁２４は、固定ディスク１５６
と、回転ディスク１５８と、この回転ディスク１５８を
回転駆動するモータ４８を有する。図５からよく分かる
ように固定ディスク１５６は２つの吐水ポート１６０お
よび１６２を有し、一方の吐水ポート１６０は接続金具
１６４とシャワーホース１６６（図１）を介してシャワ
ーヘッド２６に接続され、他方の吐水ポート１６２は接
続金具１６８とスイベル継手（図示せず）を介してカラ
ン２８に接続されている。回転ディスク１５８は、図６
に示したように、混合弁２２の混合室１１８に連通する
唯一のポート１７０を有する。モータ４８を回転させる
ことにより、回転ディスク１５８のポート１７０を固定
ディスク１５６の吐水ポート１６０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１７０を固
定ディスク１５６の吐水ポート１６２に整合させると湯
水混合物はカランに供給され、ポート１７０を固定ディ
スク１５６のいづれの吐水ポート１６０および１６２か
らもオフセットさせると止水が行われる。

【００３０】図７はこの湯水混合装置１０の制御回路３
２の構成の一例を示すもので、制御回路３２はプログラ
ム可能なマイクロコンピュータ１７２を備え、このマイ
クロコンピュータ１７２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１７
２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
１４を位置決めするべく予荷重調節モータ１４４を駆動
して第２コイルスプリング１３４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。

【００３１】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４０
又はカラン選択スイッチ４２を押すと、制御回路３２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
１７２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ＬＣＤ３８に表示すると同時
に、モータ４８を駆動して切換え／止水弁２４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減圧弁１４および１８によって夫々
減圧された上で混合弁２２に供給される。

【００３２】前述したように、前回の使用終了時には、
混合弁２２の可動弁体１１４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２２は、先ず、湯水混合物の温
度が概ね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１１８内の４０℃の湯水混合物に
より感温コイルスプリング１３２に発生するばね力と、
第２コイルスプリング１３４のばね力（予荷重）とは、
釣り合っている。従って、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定常状態にあ
る時には、可動弁体１１４に作用する感温コイルスプリ
ング１３２のばね力と第２コイルスプリング１３４のば
ね力との合力はゼロである。

【００３３】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、この過渡
的変動に応じて混合室１１８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１３２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１３２が発生
するばね力が変化する。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１３２のばね力が増大
し、第２コイルスプリング１３４の予荷重を増加させな
がら可動弁体１１４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１３２のばね力が減少し、第２コイルスプリング１３
４の作用により可動弁体１１４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。

【００３４】斯る作動において、感温コイルスプリング
１３２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１３２
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１３２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１３２
のばね力の変化は、感温コイルスプリング１３２のばね
力と第２コイルスプリング１３４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１１４に作用する２種のコイル
スプリング１３２および１３４の合力はゼロであるか
ら、可動弁体１１４を変位させるべく可動弁体１１４に
作用する力は、最初は、コイルスプリング１３２又は１
３４の反作用を受けないであろう。また、可動弁体１１
４は摺動シール部材を介在することなく混合弁２２の軸
方向ボア１２４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１１４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１３２のばね力と第２コイルスプリング１３４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１１４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１１４を変位させる。従って、可動弁体
１１４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。

【００３５】しかしながら、このように可動弁体１１４
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１３２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、可動
弁体１１４は給湯圧力と給水圧力との間の差圧の変動の
影響を敏感に受け易い。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１
３２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。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１２０と可動弁体１１４の円筒
部１２６の左端面１７４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１２２と円筒部右端面１７６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１２
６の厚さ方向中央面１７８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１７８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１３０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１１４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１１４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。本発明の減圧弁１４および１
８が無く、水道からの給水圧力と給湯機からの給湯圧力
がそのまゝ混合弁２２に印加される場合には、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１３２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
１１４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。しかしながら、本発明の混合装置１０に
おいては、減圧弁１４および１８が設けてあるので、混
合弁２２への入力圧力Ｐ_H1とＰ_C1との間の差圧の絶対値
が小さくなる。従って、差圧による影響を最小限に抑制
することができる。更に、減圧弁１４および１８のばね
力の設定やばね９２の予荷重の微調整により、湯水の二
次圧力が互いに等しくなるように減圧弁１４および１８
を設定した場合には、差圧による影響を完全に除去する
ことができると共に、可動弁体１１４の周りの湯水の漏
れを防止することができる。

【００３６】使用者が設定温度インクレメント・スイッ
チ３６又はデクレメント・スイッチ３４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ＬＣＤ３８に表示される。制御回路３２はサ
ーミスタ３０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１
１４を位置決めするべく予荷重調節機構４６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３２は第２コイルスプリング１３４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１１４が充分な圧力で水側弁座１２
２に当接するべく第２コイルスプリング１３４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１３４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１３４の予荷重がゼロになるまで可動ばね受
け１４８を退却させることができる。この状態では、可
動弁体１１４は感温コイルスプリング１３２のばね力の
みによって湯側弁座１２０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１３２を使用する場合には、湯を遮断するに際
してはモータ１４４の力により可動弁体１１４を図４中
左方に牽引してもよい。

【００３７】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１３２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３２によ
る電子制御の頻度は最小限となる。制御回路３２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１３２のヒステリシスを補正すること、感温
コイルスプリング１３２および第２コイルスプリング１
３４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１３２と第２コイ
ルスプリング１３４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１３２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３０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１３２および／
又は第２コイルスプリング１３４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。

【００３８】図９および図１０は本発明の混合装置の第
２の実施例を示す。前述した実施例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。相違点
のみについて説明するに、図９に示したように、この湯
水混合装置１８０においては、給湯用減圧弁１８の二次
圧力は配管１８２により給水用減圧弁１８４に印加され
るようになっている。図１０に示したように、給水用脚
金具１６に組み込まれた減圧弁１８４は、金属ベローズ
８６で画成された背圧室１８６を有し、給湯用減圧弁１
８の二次圧力はこの背圧室１８６に導入されている。こ
のような構成であるから、水の二次圧力により閉鎖部材
６８に作用する力が、背圧室１８６内の湯の二次圧力に
よりばね受け８２に作用する力と金属ベローズ８６のば
ね力との和に等しくなるように水の減圧が行われる。従
って、水の二次圧力は、ベローズ１８６のばね力に対応
する分だけ湯の二次圧力より高くなり、混合弁２２の湯
入口１０４における圧力と水入口１０６における圧力と
の間の差圧は一定となる。このように、第２実施例にお
いては、減圧弁１８４は可動弁体１１４に作用する差圧
が一定になるように作動するので、可動弁体１１４は給
水圧力や給湯圧力の変動の影響を受けることがない。こ
の一定の差圧により可動弁体１１４に働く軸方向スラス
トは、モータ１４４により第２コイルスプリング１３４
の予荷重を増加することにより補償することができる。

【００３９】

【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、乾電池のエネルギにより長期間にわたって
作動させることができるので、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。

【００４０】より詳しくは、本発明は、従来のワックス
感温素子に比較して遥かに応答性に優れた金属コイルス
プリング感温素子１３２を用いると共に、混合弁２２の
可動弁体１１４をこの感温コイルスプリング１３２と第
２コイルスプリング１３４との力の釣り合いにより位置
決めするようにしたので、混合弁のオーバーシュートお
よびアンダーシュートを大幅に抑制しながら、過渡的条
件変動に対して高精度の温度制御を行うことができる。
その結果、電気的駆動手段の駆動頻度が最小限になり、
乾電池の寿命を延長させることができる。

【００４１】本発明は、また、給湯圧力と給水圧力とを
減圧する減圧弁１４および１８を設けたので、混合弁２
２に印加される湯の圧力と水の圧力との間の圧力差の絶
対値を小さくすることができる。その結果、可動弁体１
１４の高度の応答性・動き易さを確保しながらも、過渡
的差圧変動による可動弁体１１４への影響を最小限に制
限することができる。また、差圧の絶対値が小さいの
で、可動弁体１１４の周りの摺動シール部材を廃止して
も、湯水間の漏れを抑制することができる。更に、湯水
圧力が減圧されているので、モータ１４４の軸封部材１
５４に作用する流体圧力が小さくなり、その結果、軸封
部材１５４の摺動抵抗が小さくなるので、モータ１４４
を駆動するに要する乾電池エネルギの消費が低減され
る。

【００４２】更に、第２コイルスプリング１３４の予荷
重は、サーミスタ３０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３２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１３２のヒ
ステリシスによる影響や、感温コイルスプリング１３２
および第２コイルスプリング１３４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。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の湯水混合装置の第１実施例の
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、混合弁の模式図である。

【図９】図９は、本発明の湯水混合装置の第２実施例の
模式図である。

【図１０】図１０は、図３同様の拡大断面図で、図９の
実施例の減圧弁を示す。

【符号の説明】

１０、１８０： 湯水混合装置 １４、１８、１８４： 減圧手段（減圧弁） ２２： 湯水混合弁 ３０： 温度検出手段 ３２： 電子制御手段（制御回路） ３２／３４／３６： 温度設定手段 ４６： 予荷重調節手段 １１４： 混合弁の可動弁体 １３２： 第１コイルスプリング １３４： 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 (6)

(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水の圧力を減圧する減圧
   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、 乾電池のエネルギにより前記第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乾電池駆動
   の電気的予荷重調節手段と、 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】 前記第１コイルスプリングを形成する前
   記金属は、前記湯水混合物の低温時に湯を遮断するに必
   要な最低限の付勢力を前記弁体に作用させるような限ら
   れたばね定数を有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】 前記第１コイルスプリングは、前記湯水
   混合物の低温時に３００ｇ以下の付勢力を前記弁体に作
   用させるように設定されていることを特徴とする請求項
   ２に基づく湯水混合装置。
4. 【請求項４】 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から３のいづれかに基づく
   湯水混合装置。
5. 【請求項５】 前記減圧手段は、該湯水混合弁に供給さ
   れる湯水の圧力が互いに等しくなるように湯水の圧力を
   減圧することを特徴とする請求項１から４のいづれかに
   基づく湯水混合装置。
6. 【請求項６】 前記減圧手段は、該湯水混合弁に供給さ
   れる湯水の差圧が一定になるように湯水の圧力を減圧す
   ることを特徴とする請求項１から４のいづれかに基づく
   湯水混合装置。