JP4307229B2 - 熱動弁 - Google Patents

Description

本発明は、通電により発熱体を発熱させ、その熱量で、温度変化により作動部が伸縮作動する熱応動素子を駆動し、その作動部の伸縮作動によって弁機構の開閉作動を行わすようにした熱動弁についての改良に関する。

熱動弁は、通常、図１にあるように、バルブ部Ａと、これを開閉作動させる駆動部Ｂとを分けて構成し、そのバルブ部Ａは、弁座１０に対向する弁体１１を、バネ１２により弁座１０と衝合して閉弁する状態に付勢し、弁体１１に弁軸１３を連結して弁機構１を構成し、それの弁軸１３を、バネ１２の付勢方向と逆向きに押圧することで開弁作動が行われるようにし、駆動部Ｂにあっては、サーミスタであるＰＴＣにより円盤状に成形した発熱体２０を一対の電極板２１・２１によりサンドイッチ状態に挟み、これに、温度変化により体積変化するパラフィン等のワックス類により組成するエレメントである熱応動素子２２を内部に封入して形成する感温部（エレメントケース）２３の先端側の端面を、図２・図３にあるように接触させ、その感温部２３の基端側に、前記熱応動素子２２の駆動により出入作動する作動軸２４を嵌挿せるガイド筒部２５を、ダイヤフラム２７を介して連繋することで構成してある。このとき、ガイド筒部２５の内腔の基端側には、熱応動素子２２の体積膨張の作動を、作動軸２４に円滑に伝導させるために、流体２８とラバーピストン２９が装入される。

そして、駆動部Ｂは、それの作動軸２４の先端側を、図２にあるよう感温部２３に加締め付けたガイド筒部２５から突出させた状態として、図１にあるように枠体３０内に組み付け収蔵せしめ、その枠体３０をバルブ部Ａに組み込んだ管路４０に一体的に組み付け、その枠体３０内に収蔵せる筒状の接続金具３１を介して、駆動部Ｂの作動軸２４の先端を、前記管路４０から突出させたバルブ部Ａの弁軸１３の外端部に衝合させ、駆動部Ｂの発熱体２０に接触する一対の電極板２１・２１にコード２６を接続することで構成し、そのコード２６を電源に接続して、制御手段の制御により、通電をオン・オフすることにより、熱応動素子２２の作動で作動軸２４が伸縮作動して弁軸１３を動かし弁機構１の開閉作動を行わすようにしてある。

この熱動弁Ｗは、通電による発熱体２０の作動で熱応動素子２２が体積変化して作動軸２４を押し出す作動により弁軸１３を動かすことで、ジワジワと弁機構１を作動させることから、電磁弁のように、急速に開閉作動することがないことによりウォーターハンマー現象を生ぜしめないので、暖房施設の湯等の熱媒体の流れを制御する制御バルブなどに広く使用されている。

しかし、この熱動弁Ｗには、通電のオン・オフの制御により弁機構１を開閉制御するときの応答に、時間がかかる問題がある。例えば、浴槽内の湯を追い焚きする場合について具体的にいえば、加熱用循環回路のスイッチをオンとしてから、弁機構１が開弁して、加熱用循環回路の湯または熱媒体が流れ、風呂循環回路の浴槽水と熱交換することにより、浴槽内の湯が加熱されるまでの時間がかかる問題がでてくる。

通電のオン・オフによる弁機構１の開閉作動の応答性を迅速にするには、電磁弁のように即時に作動するようにすればよいが、そのようにすれば、開閉作動が緩やかでウォーターハンマー現象を生ぜしめない熱動弁Ｗの特性が損なわれる。

このことから、熱動弁Ｗにおいて応答性を速くするには、通電による発熱体２０の発熱により熱応動素子２２が昇温して作動軸２４を押し出していくことで、緩やかに開弁し、また通電のオフにより熱応動素子２２が降温して緩やかに閉弁するという熱動弁Ｗの特性を残した状態で行わなければならない。

この条件下において、熱動弁Ｗの弁機構１の開閉作動を速やかなものとするには、通電による発熱体２０の作動により熱応動素子２２が昇温して作動軸２４を押し出すまでの時間を、ウォーターハンマー現象を生ぜしめない範囲で、出来るだけ短くすることである。因みに、開閉時に生ずるウォーターハンマー現象は、短い時間で開閉作動することで生じ、熱動弁Ｗの通電のオンにより開弁するまでの時間は、従前のものにあっては、通常４５〜６０秒程度である。

熱動弁Ｗにおいて、この弁機構１の通電から開弁までに要する時間を短くするためには、第１には、通電により発熱してくる発熱体２０の熱量の、感温部２３内に収蔵してある熱応動素子２２に対する熱伝導の効率を良くして、熱応動素子２２が熱膨張して作動軸を押し出すようになる温度に昇温するまでの時間を短くする手段が考えられ、第２には、熱応動素子２２自体を、低い温度で熱膨張が行われるものに変更して、熱応動素子２２が、熱膨張し出す温度に昇温してくる時間を速くする手段が考えられ、第３には、発熱体２０自体の特性を変え、従来、９０度Ｃ程度を昇温の限度として作られていた発熱体２０自体の特性を変え、１２０度Ｃ〜１４０度Ｃまでに昇温の限度を上昇させて、高い熱を発生させるようにして熱応動素子２２を昇温させる時間を速くする手段が考えられる。

第１の手段にあっては、通常、ＰＴＣで円盤状に成形される発熱体２０と、通常、パラフィン・シリコン類で組成される熱応動素子２２を収蔵する砲金等の金属材よりなる感温部２３との、接触面における熱伝導の効率と、感温部２３からそれの内部に収蔵された熱応動素子２２に対する熱伝導の効率とについての解明が必要である。

第２の手段にあっては、通常、体積膨張が現れてくる融点を８０度Ｃ程度のものに設定されている熱応動素子２２のパラフィン・シリコン類を、それの融点を低いものにすることで、熱応動素子２２をそれが体積膨張してくる温度にまで昇温させるのに要する熱量を少なくして、弁機構１が開弁するまでの時間を速くする手段であるが、この熱応動素子２２を融点が低いものとすると、常温において溶融している状態が現出して、常態において常時開弁していて閉弁作動が行われないものとなる問題が出てくる。

第３の手段にあっては、サーミスタであるＰＴＣよりなる発熱体２０の通電による発熱の昇温の限度を、通常設定されている９０度Ｃ程度より高く設定して、発熱体２０の発熱量を多くすることで、感温部２３に収蔵しておく熱応動素子２２の昇温を速める手段であるが、発熱体２０の高温への昇温で駆動部Ｂの全体が高温になることにより、発熱体２０に通電するコード２６に損傷が生じる問題が出てくる。

本発明は、これらの問題を解消せしめて、不具合を生ぜしめることなく、ウォーターハンマー現象を生ぜしめない熱動弁Ｗの特性を保持して、弁機構１の開閉作動を速くした熱動弁Ｗを提供することを目的とするものである。

本発明においては、上述の目的を達成するために、第１の手段として、熱動弁Ｗの駆動部Ｂの、熱応動素子２２を収蔵する金属材よりなる感温部２３の外周側の間を、その感温部２３の発熱体２０に対向していく端面からガイド筒部２５と連結する加締部２３ａの手前に至る間において、発熱体２０の径に対し小径とするように削り落として、この金属材の質量を小さくする手段を提起するものである。

感温部２３は、通常、それの発熱体２０に突き合わせる側の端面が、発熱体２０の盤面と同径に揃う軸筒状に成形されて、発熱体２０に対し端面を突き合わせて接触させたときに、殆ど過不足のない重合状態となって接触し、これにより発熱体２０と感温部２３との接触面における発熱体２０からの感温部２３への熱伝導が、発熱体２０の盤面の全面において行われるようにしている。

この感温部２３を成形している金属材を、それの外周側から縮径するように削り落として、感温部２３を発熱体２０の径よりも小径に成形し、質量を小さくした熱動弁Ｗを組み立てて、試験を行ったところ、発熱体２０から感温部２３への熱伝導が、発熱体２０の盤面に対し小径となった感温部２３の端面において行われることで、この間における接触面における熱伝導の効率は低下するが、感温部２３に伝導した熱により感温部２３内に装填された熱応動素子２２を昇温させる効率は、感温部２３の質量を小さくしたことにより良くなることから、この感温部２３内の熱応動素子２２を体積膨張し始める融点にまで昇温させる時間を短くするようになる、という結果が得られ、また、このときの、感温部２３を成形する金属材を外周側から削り落とすように縮径する加工は、感温部２３の発熱体２０に突き合わせる端面から感温部２３にガイド筒部２５を加締め付ける加締部２３ａの手前までの間において、熱応動素子２２の封入装填に支障を与えない範囲で、径方向および軸方向の両方に削り落とすようにしてよく、また、このときの質量を小さくするための縮径加工は、発熱体２０に対し径比において２０％前後、面積比において５０％程度までであれば、通電をオンとしてから弁機構１を作動させるまでの時間を、感温部２３を発熱体２０と同径に成形していた従前手段に比して短縮させ得ることが判ってきた。

そしてまた、感温部２３の質量を小さくすることで、熱応動素子２２を融点まで昇温させる時間を短くする手段は、感温部２３に加締め付ける金属材よりなるガイド筒部２５を、それの作動軸２４を出入自在にガイドする機能に支障を与えない範囲で、小径に成形して、これの質量を小さくすることにより、通電のオンから弁機構１を作動させるまでの時間を短縮させ得ることが判ってきた。

そしてこのことから、上述の手段を目的達成のための第１の手段として提起するものである。

また、通電のオンにより弁機構１が作動するまでの時間を短縮させる手段として想定される熱応動素子２２の体積膨張し始める融点を低くする手段に生ずる問題は、その熱応動素子２２を封入した感温部２３を含めた駆動部Ｂを組み付ける部位の雰囲気の温度より高い範囲に、融点があるよう熱応動素子２２の組成を選択設定しておきさえすれば、常態において弁機構１が開弁状態に保持されて、閉弁が行われない状態となることはなく、熱動弁Ｗの駆動部Ｂが組み込まれる部位の雰囲気の温度がかなりの高温となる給湯機器にあっても、その雰囲気の温度はせいぜい５０度Ｃ〜７０度Ｃ程度である。それ故、通常８０度Ｃの融点のものを用いている熱応動素子２２を、この５０度Ｃ〜７０度Ｃを目安として、その雰囲気温度以上まで融点を下げたものとすれば、弁機構１の開閉作動に不具合を生ぜしめることなく、熱応動素子２２の体積膨張し始める融点まで昇温させるのに要する熱量を少なくして、通電のオンから弁機構１を開閉作動させるまでに要する時間を短縮させ得るようになる。

そして、このことから、本発明においては、第２の手段とし、金属材でケース状に成形して内部に熱応動素子２２を収蔵せる感温部２３と、その感温部２３の基端側に加締め付けにより連結して、内腔に、前記熱応動素子２２の温度変化による体積変化により出入作動するよう作動軸２４が嵌挿されるガイド筒部２５と、ＰＴＣにより盤状に成形され、軸方向の一対の盤面が電極板２１・２１で挟まれて、その一方の盤面を前記感温部２３の先端側の端面２３ｂに当接する熱応動素子２２と、前記作動軸２４の出入作動により開閉作動する弁機構１とにより熱動弁Ｗを構成し、感温部２３に収蔵する熱応動素子２２を、融点が５０〜７０度Ｃ程度となるパラフィン・シリコン類として、通電のオンから弁機構１が作動するまでの時間を短縮させるようにしたことを特徴とする熱動弁Ｗを提起するものである。

また、熱動弁Ｗの通電のオンから弁機構１を開閉作動させるまでの時間を短縮させるために想定される第３の手段である発熱体２０の発熱温度の上限を高くする手段は、その発熱体２０であるＰＴＣの通電による発熱で昇温してくる温度の上限を、通常９０度Ｃに設定しているのは、感温部２３に封入して装填する熱応動素子２２として通常用いられているパラフィン・シリコン類に、融点８０度Ｃの組成のものが用いられていることにより、これにあわせているだけのもので格別の理由がなく、８０度Ｃ以上の融点の組成のものとすることに支障がないことから、可能性のある手段である。この手段は、発熱体２０の発熱による昇温が、駆動部Ｂに接続するコード２６に損傷を生ぜしめない範囲の温度であれば、何の支障も生じないこと、そして、コード２６の熱による損傷は、より耐熱仕様が高いコードを選定すれば防止し得ることから、発熱体２０を、通電による発熱での昇温の上限を１２０〜１４０度Ｃ程度に設定した組成のものとすることで、通電により発熱する熱量を多くして、熱動弁Ｗの作動に不具合を生ぜしめることなく、熱応動素子２２を融点までに昇温させる時間を短くし得る結果が得られる。

そして、このことから、本発明においては、第３の手段として、金属材でケース状に成形して内部に熱応動素子２２を収蔵せる感温部２３と、その感温部２３の基端側に加締め付けにより連結して、内腔に、前記熱応動素子２２の温度変化による体積変化により出入作動するよう作動軸２４が嵌挿されるガイド筒部２５と、盤状に成形され軸方向の一対の盤面が電極板２１・２１で挟まれて、その一方の盤面を前記感温部２３の先端側の端面２３ｂに当接する発熱体２０と、前記作動軸２４の出入作動により開閉作動する弁機構１とにより熱動弁を構成し、ＰＴＣにより盤状に成形してその盤面を感温部２３の端面２３ｂに対し接触させる熱応動素子２２を、それの通電による発熱により昇温する温度の上限が１２０〜１４０度Ｃ程度となる組成のＰＴＣとして、通電のオンから弁機構１が作動するまでの時間を短縮させるようにしたことを特徴とする熱動弁Ｗを提起するものである。

本発明による熱動弁は、感温部２３を形成する金属材の先端側の径を、盤状の発熱体２０の径よりも小径にして、その金属材の質量を減少させたものにあっては、発熱体２０との接触面積が小さくなることで、発熱体２０から感温部２３への熱伝導の効率は低下するが、感温部２３に伝えられた熱が、感温部２３を昇温させるのに消費されるロスを少なくした状態で熱応動素子２２を昇温させるようになることにより、通電のオンから弁機構１を作動させるまでの時間を短縮させ得るようになる。

また、感温部２３に収蔵する熱応動素子２２を、従前の融点８０度Ｃとしたものに比して低い融点が５０〜７０度Ｃ程度となる組成のパラフィン・シリコン類としたものにあっては、熱応動素子２２をそれの体積膨張が現出してくる温度まで上昇させる熱量が少なくてよいことから、通電のオンから弁機構１を作動させるまでの時間を短縮させ得る。

また、発熱体２０を、それの通電により発熱するときの温度の上昇限度が、従前の９０度Ｃ程度より高い１２０度Ｃ〜１４０度Ｃとした組成のものとしたものにあっては、発熱量が大きくなることで、通電のオンから弁機構１が作動するまでの時間を短縮させ得るようになる。

次に本発明の実施の態様を、図面に随い実施例について詳述する。
図４は、本発明手段を実施せる熱動弁Ｗの正面図、図５は同上の縦断正面図、図６は同上の駆動部の拡大した縦断正面図、図７は同上駆動部の組み立て途上の分解した縦断正面図、図８は同上駆動部の組立てた状態における縦断正面図であり、これら図において、Ｗは熱動弁、Ａはその熱動弁Ｗのバルブ部、Ｂは熱動弁Ｗの駆動部、１はバルブ部Ａに組み込まれた弁機構、１０はその弁機構１の弁座、１１は弁体、１２は弁体１１を弁座１０に衝合させるように付勢するバネ、１３は弁体１１に設けた弁軸、４０は弁機構１を組み込んだ管路を示し、また、２０は駆動部Ｂに組み込まれた発熱体、２１・２１はその発熱体２０の軸方向の一対の盤面のそれぞれに接触させた電極板、２２は熱応動素子、２３はその熱応動素子２２を包み込むよう収蔵する金属材よりなる感温部、２４は熱応動素子２２の体積変化により出入作動する作動軸、２５は作動軸２４の出入作動をガイドするよう感温部２３の基端側に加締め付けて連結したガイド筒部、３０は駆動部Ｂを収蔵して前述の弁機構１を組み込んだ管路４０に組み付ける枠体、３１は駆動部Ｂの作動軸２４と弁機構１の弁軸１３とを連繋する接続金具、２６は発熱体２０を挟む一対の電極板２１・２１のそれぞれに接続するコードを示している。

発熱体２０は、ＰＴＣを円盤状に成形した通常のものであり、この例においては、φ１１ミリの円盤状に成形してある。この発熱体２０の直径は、組み立てる熱動弁Ｗの種類に応じ、φ１２．４、φ１７等、適宜に設定してよい。

この発熱体２０を構成するＰＴＣは、この例においては、それが通電により発熱して昇温してくるときの、温度の上限を、通常用いられる９０度Ｃよりも高い１２０〜１４０度Ｃにおいて電流の流れが減じてその１２０〜１４０度Ｃを上限とする温度に保持される組成のものに設定してあり、これにより通電をオンとしたときに発熱体２０から発熱する熱量を従前の９０度Ｃを上限温度としているものに比してアップするようにしている。

この発熱体２０に対し接触させる感温部２３は、砲金などの金属材により、図６にあるように、エレメントである熱応動素子２２を収蔵するエレメントケースとして成形する通常のものであるが、図６・図７において下半側（基端側）となるガイド筒部２５との加締部２３ａを残した上半側（先端側）の鎖線で示している部分を、外周側から削り落とすように縮径して、それの発熱体２０に対し当接する端面２３ｂの径がφ９となるように成形してあり、これにより、金属材により成形するエレメントケースである感温部２３の質量を減少させてある。

この質量を減少させるための余肉の削除は、それの発熱体２０に対し接触する端面２３ｂ側においても、それの中心部位に凹溝２３ｃを形成することで行ってよく、このようにすることは有効である。

さらに、この感温部２３の質量を減少させる加工は、感温部２３に加締め付けるガイド筒部２５においても行ってよい。図示する例では、ガイド筒部２５を成形する砲金よりなる金属材を、図６・図７・図８において鎖線で示している部分を削り落とすように成形することで、余肉を落とした形態のものとし、これにより、感温部２３と一体的に結合するガイド筒部２５の質量を減少させて、発熱体２０で発生させた熱により熱応動素子２２を昇温させるときの熱量の損失を少なくし、その熱応動素子２２を体積膨張が現出してくる融点まで昇温させるのに要する時間が一層短くなるようにしている。

さらにまた、この例においては、熱応動素子２２のパラフィン・シリコン類を、それの融点が、通常用いられている８０度Ｃよりも低い組成のものに設定している。そして、その設定する融点は、通常、熱動弁Ｗを設置する場所の雰囲気がせいぜい５０度Ｃ〜７０度Ｃであることから、その雰囲気温度５０〜７０度Ｃ以上を融点とする組成のものに選択・設定してあり、これにより、通電をオンとして発熱体２０を発熱させて開弁させるまでの時間を短縮するようにしている。

このように構成する本発明による熱動弁Ｗは、感温部２３の質量を減少させる手段だけを用いた場合にあっては、従前の熱動弁Ｗに比して、通電をオンとして発熱体２０を発熱させたときから弁機構１を開弁させるまでの時間を１０秒程度短くでき、また、発熱体２０が通電による発熱で昇温していく温度の上限を１２０〜１４０度Ｃとして、発熱体２０で発生させる熱量をアップさせる手段も、従来手段の熱動弁に比して、通電から開弁までの時間を１０秒程度短くでき、さらに、熱応動素子２２とするパラフィン・シリコン類を、融点が５０〜７０度Ｃ程度になるものとする手段も、１０秒程度の時間の短縮が得られる。

従って、これら三者を併せることで、従来６０秒程度の時間を要していた熱動弁Ｗの通電から開弁作動までの時間を３０秒程度に半減できるようになる。

なお、第１の手段だけでは表１・表２にある結果となる。

従前の熱動弁の一部破断した正面図である。 同上の要部の縦断正面図である。 同上要部の組み立て途上における縦断正面図である。 本発明を実施せる熱動弁の正面図である。 同上熱動弁の一部破断した正面図である。 同上熱動弁の要部の縦断正面図である。 同上熱動弁の要部の組み立て途上における縦断正面図である。 同上要部の組み立てた状態における縦断正面図である。

符号の説明

Ａ…バルブ部、Ｂ…駆動部、Ｗ…熱動弁、１…弁機構、１０…弁座、１１…弁体、１２…バネ、１３…弁軸、２０…発熱体、２１…電極板、２２…熱応動素子、２３…感温部、２３ａ…加締部、２３ｂ…端面、２３ｃ…凹溝、２４…作動軸、２５…ガイド筒部、２６…コード、２７…ダイヤフラム、２８…流体、２９…ラバーピストン、３０…枠体、３１…接続金具、４０…管路。

Claims (2)

1. 金属材でケース状に成形して内部に熱応動素子（２２）を収蔵せる感温部（２３）と、その感温部（２３）の基端側に加締め付けにより連結して内腔に前記熱応動素子（２２）の温度変化による体積変化により出入作動するよう作動軸（２４）が嵌挿されるガイド筒部（２５）と、盤状に成形して軸方向の一対の盤面を電極板（２１）・（２１）で挟み一方の盤面を前記感温部（２３）の先端側の端面（２３ｂ）に当接させる発熱体（２０）と、前記作動軸（２４）の出入作動により開閉作動する弁機構（１）と、により構成される熱動弁（Ｗ）において、前記金属材で成形する感温部（２３）の、先端側の端面（２３ｂ）からガイド筒部（２５）を加締め付ける加締部（２３ａ）の手前に至る先端側の部分を、前記端面（２３ｂ）が当接する発熱体（２０）の盤面に対し面積比で５０％程度、径比において２０％前後を限度とする縮径加工により前記発熱体（２０）の盤面よりも小径に成形した熱動弁。
2. 金属材で筒状に成形して感温部（２３）に加締め付けるガイド筒部（２５）の、先端部を残した胴部を、外周側からの縮径加工により該ガイド筒部（２５）の先端部の外径よりも小径に成形した請求項１記載の熱動弁。

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