JP3771154B2

JP3771154B2 - 凍結破損防止装置

Info

Publication number: JP3771154B2
Application number: JP2001261124A
Authority: JP
Inventors: 秋仁蜂矢
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: CN100339428C; JP2003064263A; KR20030019843A; TW531624B; CN1407291A; KR100472351B1

Description

【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を用いた凍結破損防止装置に関する。
【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１０−２８１５５６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）９６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９４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用いた凍結破損防止装置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凍結破損防止装置に用いられる膨張吸収材は、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】
本発明の装置に用いられる膨張吸収材では、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１０参照）に比べて、本発明に用いられる膨張吸収材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。
上記膨張吸収材は、前記弾性母材に未発泡粒子を混入した後、該弾性母材とともに未発泡粒子を加熱することにより、該弾性母材中において前記未発泡粒子を発泡させて前記中空粒子を形成させるとともに該弾性母材を硬化させてなるものである。このような後発泡法によると、未発泡粒子の比重と弾性母材の比重とが比較的近いことにより、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が得られる。
本発明の凍結破損防止装置は、上記膨張吸収材が水通路に配置された構成を有する。上記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。
【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。本発明に用いられる膨張吸収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】
本発明に用いられる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】
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】
ここに開示される凍結破損防止方法は、上述した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。
【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（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム（ＩＩＲ）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、３．９MPa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１００％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１５０〜２００％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、１００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１８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２１ｂ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２１ｄ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１００％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５０μm）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

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が水通路に配置されている凍結破損防止装置であって、
その膨張吸収材は、以下の条件：
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；
比重が０．５〜０．８の範囲にある；および、
前記弾性母材に未発泡粒子を混入した後、該弾性母材とともに未発泡粒子を加熱することにより、該弾性母材中において前記未発泡粒子を発泡させて前記中空粒子を形成させるとともに該弾性母材を硬化させてなる；
をいずれも満たす膨張吸収材である凍結破損防止装置。
前記膨張吸収材の硬度が４５°〜６５°の範囲にある請求項１に記載の凍結破損防止装置。
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に記載の凍結破損防止装置。