JP7451226B2 - 湯水混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、混合弁により温度調整された水をカラン、シャワー等の水栓に供給する湯水混合装置に関する。

特許文献１には、混合弁からの吐水温度が設定された温度となるように、混合弁に取り入れる温水及び冷水の混合比をフィードバック制御する発明が開示されている。

特許第４４５０１０１号公報

混合弁に取り入れる水圧の急激な変動のような外乱があると、それに伴う混合弁の吐水温度の急激な変化にフィードバック制御が追随できず、混合弁からの吐水温度が設定温度に対して変動することがある。

本発明の課題は、混合弁の吐水温度を設定温度となるようにフィードバック制御して水栓に供給する湯水混合装置において、混合弁から水栓に供給される水の温度変化を緩やかにすることにより、混合弁に取り入れる水圧の急激な変動のような外乱に関わらず、混合弁から水栓に供給される水の温度が設定温度に対して変動するのを抑制することにある。

本発明の第１発明は、温水及び冷水を取り入れ、温水及び冷水の混合比を変化させて、水栓に供給する水の温度を調整する混合弁と、前記混合弁から前記水栓に送られる水の温度を検出する温度センサと、前記水栓からの吐水温度を設定する温度設定部と、前記温度センサにより検出される水温が前記温度設定部により設定された温度となるように前記混合弁における前記混合比をフィードバック制御する制御部とを備える湯水混合装置において、前記混合弁は、該混合弁からの吐水温度の変動に対して吐水温度が適正温度となるように、前記制御部による制御とは独立して吐水温度を感知して前記混合弁における前記混合比を変化させる感温作動部を備え、前記混合弁から前記水栓に水を送る管路中に設けられ、前記混合弁から前記水栓に送られる水を所定量貯めて流出させるチャンバーを備える。

第１発明において、水栓は、カラン、各種シャワー等を含む。また、温度設定部は、温度設定を手動で行うもの、自動で行うものどちらでもよい。更に、フィードバック制御としては、ＰＩＤ制御を採用してもよい。また、感温作動部は、混合弁における温水及び冷水の混合比を、形状記憶合金、バイメタル、サーモワックス等により変化させる構成とすることができる。また、チャンバーは、水を貯めるのみでなく攪拌するものとしてもよい。

第１発明によれば、混合弁からの水は直接水栓へは送られず、チャンバーに流入し、それ以前からチャンバー内に貯められている水と混合されて水栓に供給される。そのため、外乱により混合弁からの吐水温度が急変したとき、水栓に供給される水温の変化は、混合弁から吐出される水温の変化に対して緩やかにされる。従って、混合弁から水栓に供給される水の温度が設定温度に対して変動するのを抑制することができる。

本発明の第２発明は、上記第１発明において、前記温度センサは、前記混合弁より下流、前記チャンバーより上流の水の温度を検出するようにされている。

第２発明によれば、温度センサは、チャンバーで温度変化を緩やかにされる前で、混合弁により調整されたままの水の温度を検出する。そのため、混合弁のフィードバック制御を応答良く行うことができる。

本発明の第３発明は、上記第１又は第２発明において、前記制御部は、感温作動部の応答性に対して応答性を良くするように、フィードバック制御における制御周期を設定しており、前記制御部は、感温作動部が温度変化に応答して作動する期間では、フィードバック制御を休止する。

第３発明によれば、設定温度に対する混合弁の吐水温度の偏差が大きくなったとき以外は、感温作動部により混合弁の温度調整が行われる。そのため、フィードバック制御が行われる期間は少なくされ、フィードバック制御によるエネルギ消費を少なくすることができる。

本発明の第４発明は、上記第１～第３発明のいずれかにおいて、混合弁に取り入れられる温水及び冷水は、前記水栓とは別の他の水栓と共用されている。

第４発明によれば、混合弁に取り入れる温水及び冷水は、他の水栓にも供給されている。そのため、温水及び冷水の供給容量が複数の水栓に同時に供給するには充分でない場合、混合弁に温水及び冷水が取り入れられている状態で、同時に他の水栓からも吐水されると、混合弁に取り入れる温水及び冷水の圧力が低下する。その結果、温水及び冷水の混合比が急変して混合弁による温度調整が間に合わず、混合弁の吐水温度は設定温度に対して変動する。しかし、このときチャンバーにより水栓へ供給される水の温度変化が緩やかされる。従って、混合弁から水栓に供給される水の温度が設定温度に対して変動するのを抑制することができる。

本発明の一実施形態のシステム構成図である。 上記実施形態における混合弁の拡大断面図である。 上記実施形態における制御部による制御内容を示すフローチャートである。 混合弁の吐水温度の変化とフィードバック制御及び感温作動部による温度調整作動の状態を示すタイムチャートである。 上記混合弁に取り入れる温水及び冷水の水圧変化、及び水栓からの吐水温度の変化を示すグラフである。 図５と同様のグラフであり、チャンバーを備えない場合を示す。

<一実施形態の構成>
図１は、本発明の湯水混合装置の一実施形態をシステム構成図により示す。

混合弁１１は、常温の水を加熱して得られる温水を管路１６から取り入れ、常温の冷水を管路１７から取り入れて、それら温水及び冷水の混合比を変化させて下流へ送る水の温度を調整する。管路１６、１７には、台所、洗面所等に設けられた他の水栓２３にも共通の温水及び冷水を送るように管路２４、２５が接続されている。混合弁１１は、公知のものであり、温水及び冷水が混合されて温度調整された後の水は管路１８へ吐出される。管路１８の水は、チャンバー１５を介して切替弁１３に送られる。チャンバー１５は、所定量の水を貯める容器である。チャンバー１５は、所定量の水を常時貯めているため、混合弁１１から水を受け入れると、それまで貯められていた水と混合して切替弁１３に送る。そのため、混合弁１１からの水の温度が急激に変化したとき、チャンバー１５では、水温の変化を緩やかにして切替弁１３に送る。切替弁１３は、チャンバー１５からの水を管路１９に設けられた浴室のカラン２１に流すか、管路２０に設けられた浴室のシャワー２２に流すかを切り替える。

混合弁１１及び切替弁１３は、駆動部１２、１４を備え、駆動部１２、１４は、共にモータを含んで構成されている。混合弁１１は、駆動部１２によって温水及び冷水の混合比を変化される。また、切替弁１３は、駆動部１４によってチャンバー１５からの水をカラン２１かシャワー２２かどちらかに流すように切り換えられる。駆動部１４は、ソレノイドによって構成することもできる。

駆動部１２及び１４は、制御部３０の出力を受けて作動を制御される。制御部３０は、コンピュータ（図示略）を含んで構成されている。制御部３０には、操作部４０及び温度センサ５０の信号が入力されている。操作部４０は、温度設定操作部４１、吐水形態設定操作部４２及び吐水量設定操作部４３を含む。温度設定操作部４１は、カラン２１又はシャワー２２からの吐水温度を使用者が任意に設定する際に操作されるものである。温度設定操作部４１により設定温度に関する信号が制御部３０に入力される。なお、温度設定操作部４１は、外気温等の入力情報に基づいて自動的に設定されるように構成することもできる。また、吐水形態設定操作部４２は、カラン２１から吐水するか、シャワー２２から吐水するかを使用者が任意に設定する際に操作されるものである。吐水形態設定操作部４２によりカラン２１又はシャワー２２のどちらからの吐水が選択されたかの信号が制御部３０に入力される。更に、吐水量設定操作部４３は、カラン２１又はシャワー２２からの吐水量を使用者が任意に設定する際に操作されるものである。吐水量設定操作部４３により吐水量に関する信号が制御部３０に入力される。一方、温度センサ５０は、混合弁１１からチャンバー１５に送られる水の温度を検出して、その水温に関する信号を制御部３０に入力する。

<混合弁の構成>
図２は、混合弁１１の具体的構成例を示す。概ね円柱形状のケース１１ａ内に弁体１１ｂがケース１１ａの軸方向（図２の左右方向）に摺動自在に設けられている。弁体１１ｂは、ケース１１ａ内を２つの部屋１１ｌ、１１ｍに分割するように配置されており、一方の部屋１１ｌには、接続口１１ｉが形成されている。また、他方の部屋１１ｍには、接続口１１ｊ及び１１ｋが形成されている。接続口１１ｉは管路１６に連通され、接続口１１ｊは管路１７に連通されている。接続口１１ｋは、管路１８に連通されている。弁体１１ｂには、弁体１１ｂを貫通して開口１１ｃが形成されており、開口１１ｃにより２つの部屋１１ｌ、１１ｍは連通されている。

一方の部屋１１ｌには、摺動体１１ｈがケース１１ａ内でケース１１ａの軸方向（図２の左右方向）に摺動自在に設けられている。ここでは、摺動体１１ｈがケース１１ａ内で軸周りに回転しないように、摺動体１１ｈの外周面とケース１１ａの内周面との間に、軸周りの回転を規制する係合構造が設けられている。摺動体１１ｈは、ねじ軸１１ｇと共に送りねじ機構を構成しており、ねじ軸１１ｇの回転に応じて摺動体１１ｈは摺動される。ねじ軸１１ｇは、駆動軸１１ｆを介して駆動部１２のモータにより回転されるように構成されている。従って、摺動体１１ｈは、駆動部１２の駆動によりケース１１ａ内を摺動し、一方の部屋１１ｌの容積を拡縮する。

一方の部屋１１ｌには、摺動体１１ｈに対して弁体１１ｂを他方の部屋１１ｍ側へ押圧付勢する圧縮ばね１１ｄが設けられている。また、他方の部屋１１ｍには、ケース１１ａ内壁に対して弁体１１ｂを一方の部屋１１ｌ側へ押圧付勢する感温ばね１１ｅが設けられている。そのため、弁体１１ｂは、両ばね１１ｄ、１１ｅの押圧付勢力がバランスする位置に保持される。図２のように弁体１１ｂが接続口１１ｉ、１１ｊの両方を閉じていない状態では、管路１６からの温水と管路１７からの冷水が共に部屋１１ｌ、１１ｍを介して接続口１１ｋから管路１８に吐水される。

この状態から圧縮ばね１１ｄによる付勢力が強くなると、弁体１１ｂが図２にて右側に移動して接続口１１ｉからの温水量を増加させ、接続口１１ｊからの冷水量を減少させる。そのため、接続口１１ｋからの吐水温度が高くされる。このように圧縮ばね１１ｄによる付勢力が強くなるのは、駆動部１２によって摺動体１１ｈが図２にて右側に移動される場合である。

一方、図２の状態から感温ばね１１ｅによる付勢力が強くなると、弁体１１ｂが図２にて左側に移動して接続口１１ｊからの冷水量を増加させ、接続口１１ｉからの温水量を減少させる。そのため、接続口１１ｋからの吐水温度が低くされる。感温ばね１１ｅは、形状記憶合金から成り、本発明の感温作動部に相当する。感温ばね１１ｅは、部屋１１ｍ内の水温を感知して、水温が予め記憶した温度（本発明の適正温度に相当）より高くなると、弁体１１ｂに対する付勢力を強くするように変形する。逆に、感温ばね１１ｅは、部屋１１ｍ内の水温が予め記憶した温度より低くなると、弁体１１ｂに対する付勢力を弱くするように変形する。従って、感温ばね１１ｅは、圧縮ばね１１ｄによる付勢力が一定の状態で、部屋１１ｍ内の水温に応じて弁体１１ｂを図２にて左右方向に摺動して接続口１１ｋからの水の温度を調整している。

<制御部による制御内容>
図３は、制御部３０のコンピュータによる制御内容を示す。図３の湯水混合制御ルーチンが実行されると、ステップＳ１において、温度設定操作部４１による設定温度に関する信号を取り込む。次のステップＳ２では、温度設定操作部４１による設定温度、並びに温度センサ５０によって検出されている温度に基づいて予め決められた量だけ駆動部１２を駆動して、混合弁１１の弁体１１ｂの位置を暫定的に設定する。駆動部１２の駆動量は、所定の演算式若しくはマップに基づいて決定される。ステップＳ３では、吐水形態設定操作部４２による設定状態に関する信号を取り込む。また、ステップＳ４では、吐水量設定操作部４３による設定吐水量に関する信号を取り込む。そして、ステップＳ５では、吐水形態設定操作部４２により設定された吐水形態に基づいて、カラン２１若しくはシャワー２２から吐水するように切替弁１３の駆動部１４を駆動する。また、吐水量設定操作部４３による設定に基づいた量だけカラン２１若しくはシャワー２２から吐水するように駆動部１４を駆動する。

ステップＳ６では、温度センサ５０により検出される水温に関する信号を取り込む。そして、ステップＳ７において、設定温度と検出された水温との偏差が所定値Ｘ以上か否かが判定される。偏差が所定値Ｘ以上の場合は、ステップＳ８において、ステップＳ６で取り込んだ温度センサ５０の検出水温が温度設定操作部４１により設定された設定温度以上か否かが判定される。検出水温が設定温度以上の場合は、ステップＳ８が肯定判断され、ステップＳ９において、混合弁１１の弁体１１ｂを図２で左側へ動かすように駆動部１２を所定量駆動する。その結果、混合弁１１の部屋１１ｌ、１１ｍには管路１７からの冷水がそれまでより多く入るようになり、混合弁１１から管路１８を通じて吐出される水の温度がそれまでよりも低下される。一方、検出水温が設定温度未満の場合は、ステップＳ８が否定判断され、ステップＳ１０において、混合弁１１の弁体１１ｂを図２で右側へ動かすように駆動部１２を所定量駆動する。その結果、混合弁１１の部屋１１ｌ、１１ｍには管路１６からの温水がそれまでより多く入るようになり、混合弁１１から管路１８を通じて吐出される水の温度がそれまでよりも上昇される。このようにステップＳ８～Ｓ１０の処理を繰り返すことにより混合弁１１からの水の温度が設定温度と一致するようにフィードバック制御される。係るフィードバック制御は、チャンバー１５により水の温度変化が緩やかにされる前の水の温度を温度センサ５０により検出して制御している。そのため、混合弁１１の吐水温度の変化に対して応答良く制御することができる。

ステップＳ７において、偏差が所定値Ｘ未満の場合は、ステップＳ７が否定判断されてステップＳ８以降の処理はスキップされる。そのため、上述のフィードバック制御は行われず、上述の感温ばね１１ｅによる混合弁１１の吐水温度の調整が行われる。そのため、感温ばね１１ｅによって弁体１１ｂが摺動され、混合弁１１の吐水温度が制御される。即ち、部屋１１ｍの水温が感温ばね１１ｅに記憶されている温度よりも高いときは、弁体１１ｂを図２で左側へ摺動して管路１７からの冷水を増加させ、混合弁１１の吐水温度を低下させる。一方、部屋１１ｍの水温が感温ばね１１ｅに記憶されている温度よりも低いときは、弁体１１ｂを図２で右側へ摺動して管路１６からの温水を増加させ、混合弁１１の吐水温度を上昇させる。

このようにステップＳ８以降のフィードバック制御による混合弁１１の吐水温度の調整が、感温ばね１１ｅによる混合弁１１の吐水温度の調整とは独立して行われる。そのため、感温ばね１１ｅによる温度調整が行われている間は、フィードバック制御が抑制される。その結果、駆動部１２の駆動機会が抑制され、駆動部１２の消費エネルギを抑制することができる。

<一実施形態の作用、効果>
図４は、設定温度ＳＰに対する混合弁１１の吐水温度（温度センサ５０によって検出される温度）ＰＶの変化と、フィードバック制御及び感温ばね１１ｅの作動状態を示す。設定温度ＳＰが設定され、制御部３０による制御が開始されると、Ｂ１で示すようにフィードバック制御が開始される。この場合、フィードバック制御の制御周期は、感温ばね１１ｅの応答性よりも充分に速くされており、フィードバック制御の開始後、遅れることなくフィードバック制御による温度調整が行われる。また、この場合のフィードバック制御はＰＩＤ制御であり、混合弁１１の吐水温度ＰＶは滑らかに設定温度に向けて上昇する。

設定温度ＳＰに対する混合弁１１の吐水温度ＰＶの偏差が所定値Ｘ内となると、Ｂ１で示すようにフィードバック制御は終了する。このタイミングでは、感温ばね１１ｅが温度調整可能な状態となり、以降の混合弁１１の吐水温度の調整は、Ｃ１で示すように感温ばね１１ｅによって行われる。

その後、設定温度ＳＰが変更される（高くされる）と、設定温度ＳＰに対する混合弁１１の吐水温度ＰＶの偏差が所定値Ｘより大きくなるため、Ｂ２のように再びフィードバック制御が開始される。設定温度ＳＰに対する混合弁１１の吐水温度ＰＶの偏差が所定値Ｘ内となると、Ｂ２で示すようにフィードバック制御は終了する。このタイミングでは、感温ばね１１ｅが温度調整可能な状態となり、以降の混合弁１１の吐水温度の調整は、Ｃ２で示すように感温ばね１１ｅによって行われる。

図５、６は、設定温度を４０度に設定してカラン２１若しくはシャワー２２から全開の半分の量（例えば、毎分１０リットル）で吐水させている状態で、管路１６の温水の水圧及び管路１７の冷水の水圧が変動した場合のカラン２１若しくはシャワー２２からの吐水温度の変化の様子を示している。図５は、管路１８にチャンバー１５を備える場合であり、図６はチャンバー１５を備えない場合である。この場合、チャンバー１５は、貯水容量が０．１２リットルの容器とした。

図５、６のように、管路１６の温水の水圧及び管路１７の冷水の水圧が変動すると、管路１６、１７から混合弁１１に取り込まれる温水及び冷水の量が増減する。そのため、混合弁１１から管路１８に吐出される水温が変動する。管路１８にチャンバー１５がない場合は、管路１８の水がそのままカラン２１若しくはシャワー２２から吐水されるため、図６のように、カラン２１若しくはシャワー２２からの吐水温度は変動する。図６から明らかなように、冷水と温水の水圧が同期して変動したときは、混合弁１１からの吐水温度は大きく変動しないが、冷水と温水のいずれか一方のみの水圧が変動したときは、混合弁１１からの吐水温度は大きく変動する。特に、冷水と温水の水圧が低い領域では、この傾向が顕著になる。図６では、制御開始から３分経過時付近の水温の変動は１０度を超えている。それに対し、管路１８にチャンバー１５を備える場合は、図５のように、カラン２１若しくはシャワー２２からの吐水温度の変動が図６に比べて小さくなっている。図５では、同様に制御開始から３分経過時付近の水温の変動は５度以下となっている。

図５、６では、カラン２１若しくはシャワー２２からの吐水量を全開の半分とした。また、管路１６の温水の水圧及び管路１７の冷水の水圧が共に変動し、その変動幅は、冷水に対して温水を約半分程度とした。これに対し、カラン２１若しくはシャワー２２からの吐水量を全開とした場合、管路１６の温水の水圧及び管路１７の冷水の水圧をいずれか一方のみが変動し、他方は変動しない場合、共に変動し、その変動幅が冷水、温水とお同程度とした場合、いずれの場合も、カラン２１若しくはシャワー２２からの吐水温度は、変動し、その変動がチャンバー１５を備える場合には抑制されることが確認された。

以上のとおり、上記実施形態では、混合弁１１からの水は、カラン２１若しくはシャワー２２へは直接送られず、チャンバー１５に流入し、それ以前からチャンバー１５内に貯められていた水と混合されてカラン２１若しくはシャワー２２に供給される。そのため、水圧変動のような外乱により混合弁１１からの吐水温度が急変したとき、カラン２１若しくはシャワー２２に供給される水温の変化は、混合弁１１から吐出される水温の変化に対して緩やかにされる。従って、混合弁１１からカラン２１若しくはシャワー２２に供給される水の温度が設定温度に対して変動するのを抑制することができる。

<他の実施形態>
以上、特定の実施形態について説明したが、本発明は、それらの外観、構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、上記実施形態では、混合弁１１の吐水温度の調整が感温ばね１１ｅにより行われている期間では、フィードバック制御を休止するようにしたが、感温ばね１１ｅによる温度調整が行われている間もフィードバック制御が同時に行われるようにしてもよい。また、上記実施形態では、混合弁１１の温水及び冷水を送る管路１６、１７に他の水栓２３が並列に接続されているが、このように他の水栓２３が接続されるものに限定されない。

１１ 混合弁
１１ａ ケース
１１ｂ 弁体
１１ｃ 開口
１１ｄ 圧縮ばね
１１ｅ 感温ばね（感温作動部）
１１ｆ 駆動軸
１１ｇ ねじ軸
１１ｈ 摺動体
１１ｉ、１１ｊ、１１ｋ 接続口
１１ｌ、１１ｍ 部屋
１２ 駆動部
１３ 切替弁
１４ 駆動部
１５ チャンバー
１６、１７、１８、１９、２０、２４、２５ 管路
２１ カラン
２２ シャワー
２３ 他の水栓
３０ 制御部
４０ 操作部
４１ 温度設定操作部（温度設定部）
４２ 吐水形態設定操作部
４３ 吐水量設定操作部
５０ 温度センサ

Claims (7)

1. 温水及び冷水を取り入れ、温水及び冷水の混合比を変化させて、水栓に供給する水の温度を調整する混合弁と、
   前記混合弁から前記水栓に送られる水の温度を検出する温度センサと、
   前記水栓からの吐水温度を設定する温度設定部と、
   前記温度センサにより検出される水温が前記温度設定部により設定された温度となるように前記混合弁における前記混合比をフィードバック制御する制御部と
   を備える湯水混合装置において、
   前記混合弁は、該混合弁からの吐水温度の変動に対して吐水温度が適正温度となるように、前記制御部による制御とは独立して吐水温度を感知して前記混合弁における前記混合比を変化させる感温作動部を備え、
   前記混合弁から前記水栓に水を送る単一の管路中に設けられ、前記混合弁から前記水栓に送られる水を所定量貯めて流出させるチャンバーを備える
   湯水混合装置。
2. 請求項１において、
   前記温度センサは、前記混合弁より下流、前記チャンバーより上流の水の温度を検出するようにされている
   湯水混合装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記制御部は、感温作動部の応答性に対して応答性を良くするように、フィードバック制御における制御周期を設定しており、
   前記制御部は、感温作動部が温度変化に応答して作動する期間では、フィードバック制御を休止する
   湯水混合装置。
4. 請求項１～３のいずれかにおいて、
   前記混合弁に取り入れられる温水及び冷水は、前記水栓とは別の他の水栓と共用されている
   湯水混合装置。
5. 温水及び冷水を取り入れ、温水及び冷水の混合比を変化させて、水栓に供給する水の温度を調整する混合弁と、
   前記混合弁から前記水栓に送られる水の温度を検出する温度センサと、
   前記水栓からの吐水温度を設定する温度設定部と、
   前記温度センサにより検出される水温が前記温度設定部により設定された温度となるように前記混合弁における前記混合比をフィードバック制御する制御部と
   を備える湯水混合装置において、
   前記混合弁は、該混合弁からの吐水温度の変動に対して吐水温度が適正温度となるように、前記制御部による制御とは独立して吐水温度を感知して前記混合弁における前記混合比を変化させる感温作動部を備え、
   前記混合弁から前記水栓に水を送る管路中に設けられ、前記混合弁から前記水栓に送られる水を所定量貯めて流出させるチャンバーを備え、
   前記制御部は、感温作動部の応答性に対して応答性を良くするように、フィードバック制御における制御周期を設定しており、
   前記制御部は、感温作動部が温度変化に応答して作動する期間では、フィードバック制御を休止する
   湯水混合装置。
6. 請求項５において、
   前記温度センサは、前記混合弁より下流、前記チャンバーより上流の水の温度を検出するようにされている
   湯水混合装置。
7. 請求項５又は６において、
   前記混合弁に取り入れられる温水及び冷水は、前記水栓とは別の他の水栓と共用されている
   湯水混合装置。

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