JPH06250744A - 電子制御湯水混合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】感温素子として形状記憶合金からなる感温コイ
ルばねを備えた湯水混合装置において、形状記憶合金の
ヒステリシスや水圧などによる影響を解消し、温度制御
機能に優れた湯水混合装置を提供することを目的とす
る。 【構成】湯水混合装置（10）は湯水混合弁（22）を有
し、この混合弁の可動弁体（76）は形状記憶合金からな
る感温コイルばね（94）とバイアス・コイルばね（96）
との釣り合いによって位置決めされる。バイアス・コイ
ルばね（96）の予荷重は制御回路（32）により付勢力調
節機構（46）によって調節され、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目標温度と
に基づいてバイアス・コイルばねの付勢力をフィードバ
ック制御する。

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
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。この種の自動温調混合装置は広く普及しているが、
ワックス感温素子の熱容量が大きいと共に熱伝導性が良
くないので、過渡的温度変化に対する応答が遅く、かな
りのオーバーシュートやアンダーシュートが生じるとい
う欠点がある。

【０００３】ワックス感温素子の斯る欠点を改善するた
め、従来技術においては、形状記憶合金製のコイルばね
からなる感温素子を使用した湯水混合栓が提案されてい
る（実公昭61-44062号；実公昭61-23987号）。形状記憶
合金で形成された感温素子はワックス感温素子に比べて
熱容量が小さいと共に熱伝導性に優れているので、この
種の湯水混合栓はワックス感温素子を用いた湯水混合装
置に比べて応答性に優れているという利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、形状記
憶合金からなる感温コイルばねは、温度に関してヒステ
リシスを有し、その発生するばね力は温度上昇時と温度
下降時とで異なる値を示す。その結果、湯水混合物の目
標温度と実際の供給温度との間に不可避的にずれが生じ
る。また、水圧による定常的スラストや混合弁体の摺動
抵抗は、形状記憶合金製感温コイルばねが発生するばね
力に対抗するので、同様に目標温度と供給温度との間に
偏差が生じることがある。

【０００５】本発明の目的は、形状記憶合金のヒステリ
シスや水圧などによる影響を解消し、温度制御機能に優
れた湯水混合装置を提供することにある。

【０００６】

【発明の構成】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の湯水
混合装置は湯水混合弁を有し、この混合弁は湯水の混合
比を調節する可動弁体を有する。この可動弁体には、形
状記憶合金からなる感温コイルばねと通常のばね材料か
らなるバイアス・コイルばねとが互いに相反する方向に
付勢力を作用させるようになっており、可動弁体はこれ
らのスプリングのばね力の釣り合いにより位置決めされ
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の過渡的変動に対しては、形
状記憶合金からなる感温コイルばねが迅速に応答して、
機械的フィードバック制御により湯水混合物温度を迅速
に制御する。

【０００７】これら２つのコイルばねの少なくとも一方
にはその付勢力を調節する電気的付勢力調節手段が設け
られ、この付勢力調節手段は電子制御手段により駆動さ
れる。湯水混合弁から流出する湯水混合物の温度は温度
検出手段により検出され、電子制御手段は温度検出手段
により検出された混合物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付勢力調節手段を駆動し、混
合物温度を目標値にフィードバック制御する。従って、
形状記憶合金のヒステリシスや水圧などによる定常的な
温度偏差は、電子的フィードバック制御により補正され
る。

【０００８】このように、湯水混合物の過渡的温度変動
は専ら形状記憶合金製感温コイルばねの機械的フィード
バック制御により迅速に適合され、定常的オフセットは
電子的にフィードバック制御されるので、応答性に優
れ、しかも、高精度に温度制御をすることの可能な湯水
混合装置が得られる。

【０００９】

【実施例】図面を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。図１および図２を参照するに、湯水混合装置１０は
本体１２を有し、水道管からの水は止水栓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）からの湯は止水栓１８を内蔵し
た給湯用脚金具２０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２２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。

【００１０】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、その情報は本体
に内蔵された制御回路３２に送られる。図１に示したよ
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３４、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（ＬＣ
Ｄ）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。

【００１１】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の付勢力調節機構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の付勢力調節機構４６、切換え
／止水弁２４のモータ４８、制御回路３２、および、Ｌ
ＣＤ３８を駆動するための電力は例えば乾電池５０から
供給することができ、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。

【００１２】本体１２内には、図３に示したような弁ユ
ニット６０が収蔵してあり、この弁ユニット６０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６０のハウジング６２には湯入口６４と
水入口６６が形成してあり、湯入口６４には給湯用脚金
具２０の出口６８が接続され、水入口６６には給水用脚
金具１６の出口７０が接続される。

【００１３】図３を更に参照するに、湯水混合弁２２
は、湯水入口６４および６６に夫々連通する環状通路７
２および７４と、可動弁体７６を軸方向摺動自在に収容
する弁室７８と、湯水混合室８０を有する。弁室７８
は、混合弁２２の軸線に垂直な湯側弁座８２および水側
弁座８４と、軸方向ボア８６によって画定されている。
可動弁体７６は、円筒部８８と半径方向ウェブ９０とを
有する。弁体円筒部８８の外径とボア８６の内径との間
には微小なクリアランスが設けてあり、可動弁体７６が
ボア８６内で円滑に摺動するようになっている。しか
し、円筒部８８とボア８６との間に従来型の摺動シール
部材を設けてもよい。可動弁体７６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８８の
左側端面が湯側弁座８２に係合することにより湯が遮断
され、円筒部８８の右側端面が水側弁座８４に係合する
ことにより水が遮断される。弁体７６のウェブ９０には
複数の開口９２が設けてあり、湯入口６４から弁室７８
内に流入した湯が開口９２を通って混合室８０に流れ、
水と混合されるようになっている。

【００１４】可動弁体７６は、混合室８０内に配置され
た形状記憶合金製の感温コイルばね９４のばね力と、弁
室７８内に配置された通常のばね材料からなるバイアス
・コイルばね９６のばね力との釣り合いによって位置決
めされ、これらのコイルばねの付勢力は付勢力調節機構
４６によって調節されるようになっている。このため、
感温コイルばね９４の一端は止め輪９８によりハウジン
グ６２に固定されたばね受け１００に支承され、他端は
可動弁体７６と連動するばね受け１０２に支承されてい
る。また、バイアス・コイルばね９６の一端は可動弁体
７６と連動するばね受け１０４に支承され、他端は付勢
力調節機構４６に支承されている。組立の便宜のため、
ばね受け１０２は弁体ウェブ９０を貫通し、ばね受け１
０４と螺合するようになっている。

【００１５】付勢力調節機構４６は、モータ１０６をい
づれかの方向に回転させることにより、バイアス・コイ
ルばね９６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６２に液密に締結された端部
部材１０８には可動ばね受け１１０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１１０の内ねじにはモータ１０６の出力軸１
１２に形成されたウォーム１１４が噛み合っている。モ
ータ１０６の出力軸１１２はＯリング１１６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。

【００１６】このような構成であるから、モータ１０６
を或る方向に回転させ、ばね受け１１０を図３中右方に
変位させれば、コイルばね９４および９６はいづれも予
荷重を増大させながら圧縮される。その結果、可動弁体
７６は、これら２つのコイルばね９４および９６の釣り
合いにより保持された状態でこれらのコイルばねの圧縮
に応じて図３中右方に変位し、水の混合比を減少させて
湯水混合物温度を上昇させる。弁体円筒部８８の右側端
面が水側弁座８４に圧接すると、水は遮断される。

【００１７】反対に、モータ１０６を他の方向に回転さ
せ、ばね受け１１０を図３中左方に変位させれば、コイ
ルばね９４および９６はいづれも予荷重を減少させなが
ら伸長し、その結果、コイルばねの伸長に応じて可動弁
体７６が左方に移動するので、湯の混合比が減少し、湯
水混合物温度が低下する。ばね受け１１０は、バイアス
・コイルばね９６の予荷重がゼロになるまで（即ち、バ
イアス・コイルばねが伸びきるまで）左方に移動するに
充分なストロークを有する。このようにバイアス・コイ
ルばね９６が伸びきった状態では、感温コイルばね９４
のみの付勢力により、弁体円筒部８８の左側端面は湯側
弁座８２に圧接され、湯を遮断する。

【００１８】更に図３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１１８
と、回転ディスク１２０と、この回転ディスク１２０を
回転駆動するモータ４８を有する。図４からよく分かる
ように固定ディスク１１８は２つの吐水ポート１２２お
よび１２４を有し、一方の吐水ポート１２２は接続金具
１２６とシャワーホース１２８（図２）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１２４は接
続金具１３０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１２０は、図５
に示したように、混合弁２２の混合室８０に連通する唯
一のポート１３２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１２０のポート１３２を固定デ
ィスク１１８の吐水ポート１２２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１３２を固定
ディスク１１８の吐水ポート１２４に整合させると湯水
混合物はカランに供給され、ポート１３２を固定ディス
ク１１８のいづれの吐水ポート１２２および１２４から
もオフセットさせると止水が行われる。

【００１９】図６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１３４を備え、このマイ
クロコンピュータ１３４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１３
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７
６を位置決めするべく付勢力調節モータ１０６を駆動し
てバイアス・コイルばね９６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。

【００２０】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
１３４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混合弁２２に供給される。

【００２１】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７６はデフォルト値（例えば、４
０℃）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。

【００２２】この状態では、混合室８０内の４０℃の湯
水混合物により感温コイルばね９４に発生するばね力
と、バイアス・コイルばね９６のばね力とは、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限り、
可動弁体７６は同じ位置に維持される。

【００２３】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８０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
温コイルばね９４の弾性係数が変化してそのばね定数が
変化し、感温コイルばね９４が発生するばね力が変化す
る。基本的動作について述べるに、混合物温度が設定値
より高くなった場合には、感温コイルばね９４のばね力
が増大し、バイアス・コイルばね９６の予荷重を増加さ
せながら可動弁体７６を図３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。感温コイル
ばね９４が発生する新たな付勢力とバイアス・コイルば
ね９６の新たな付勢力とが釣り合う位置で可動弁体７６
は停止する。反対に、混合物温度が設定値より低い場合
には、感温コイルばね９４のばね力が減少し、バイアス
・コイルばね９６の作用により可動弁体７６が図３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。

【００２４】感温コイルばね９４は形状記憶合金で形成
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、感温コイルばね９４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、感温コイルばね９４
のばね力は瞬間的に変化する。この感温コイルばね９４
のばね力の変化は、感温コイルばね９４の付勢力とバイ
アス・コイルばね９６の付勢力との釣り合いを崩すの
で、混合物温度の過渡的変動に伴い感温コイルばね９４
のばね力とバイアス・コイルばね９６のばね力との間に
差が発生した瞬間には、殆ど瞬間的に可動弁体７６は変
位せられ、迅速に温度の機械的フィードバック制御が行
われる。

【００２５】しかしながら、斯る機械的フィードバック
制御において、形状記憶合金製の感温コイルばね９４が
発生する付勢力は、温度に関してヒステリシスを呈する
ので、温度上昇時と温度下降時とでは制御温度にずれが
生じる。即ち、図７に示したように、温度に対する感温
コイルばね９４の付勢力特性は温度上昇時と温度下降時
とでは異なるカーブを描く。他方、バイアス・コイルば
ね９６は温度に無関係にその予荷重に応じたばね力を発
生し、この予荷重は可動弁体７６の位置に応じて変化す
るので、バイアス・コイルばね９６は可動弁体ユニット
４６の湯全開位置と水全開位置との間で図７に示したよ
うな線形の付勢力を発生する。図７に示したように、混
合物温度が過渡的に上昇した場合には、感温コイルばね
９４の付勢力とバイアス・コイルばね９６の付勢力と
は、感温コイルばね９４の発生付勢力のカーブとバイア
ス・コイルばね９６の発生付勢力の線との交点に相当す
る温度Ｔ１で釣り合う。反対に混合物温度が過渡的に下
降した場合には、感温コイルばね９４の付勢力とバイア
ス・コイルばね９６の付勢力とは温度Ｔ２で釣り合う。
従って、温度上昇時と温度下降時とでは△Ｔの偏差が生
じることになる。

【００２６】本発明に従えば、斯る温度偏差は制御回路
３２による電子的フィードバック制御により補正される
もので、制御回路３２はサーミスタ３０の出力信号に基
づいて湯水混合物温度を監視し、混合物温度が設定温度
になるように付勢力調節機構４６のモータ１０６を制御
する。即ち、例えば、湯水混合物の過渡的温度上昇に伴
い混合物温度が設定値Ｔより高いＴ１になった場合に
は、制御回路３２はバイアス・コイルばね９６の予荷重
が減少する方向にモータ１０６を回転させる。これによ
り、バイアス・コイルばね９６の発生付勢力のカーブは
図７において下方に平行移動せられる。感温コイルばね
９４が発生する付勢力とバイアス・コイルばね９６の新
たな付勢力とが設定温度Ｔ（この温度は、平均温度特性
カーブＦ_Mとバイアス・コイルばね９６の発生付勢力の
線との交点に相当する）で釣り合った位置でモータ１０
６は停止せられる。反対に、湯水混合物の過渡的温度降
下に伴い混合物温度が設定値Ｔより低いＴ２になった場
合には、制御回路３２はバイアス・コイルばね９６の予
荷重が増大する方向にモータ１０６を回転させ、同様に
湯水混合物温度を設定値に向かってフィードバック制御
する。

【００２７】水圧による定常的スラストが可動弁体７６
に作用したり、可動弁体７６が摺動抵抗を受けることに
より、制御温度にずれが生じた場合にも、同様にしてサ
ーミスタ３０の出力信号に基づいてバイアス・コイルば
ね９６の予荷重を調節することにより、湯水混合物温度
のフィードバック制御が行われる。

【００２８】次に、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は設定値の増減に応じて、予荷重調節機構４６を駆
動し、可動弁体７６を位置決めする。制御回路３２は、
また、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、前述したように混合物温度が設定値に
なるように予荷重調節機構４６をフィードバック制御す
る。

【００２９】このように、過渡的条件変動に基づく過渡
的温度変動は感温コイルばね９４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
イルばね９４のヒステリシスを補正すること、および、
水圧による定常的スラストや可動弁体７６の摺動抵抗に
起因するオフセットを補正することである。さらに、感
温コイルばね９４およびバイアス・コイルばね９６のば
ね定数のバラツキに基づくオフセットや、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も、電子制御
により除去される。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の湯水混
合装置は、湯水混合弁２２の可動弁体７６を形状記憶合
金製のコイルばね９４とバイアス・コイルばね９６との
釣り合いにより一義的に位置決めすると共に、サーミス
タ３０により検出した湯水混合物温度に基づいて電子制
御回路３２により感温コイルばね９４およびバイアス・
コイルばね９６の少なくとも一方の付勢力を調節するよ
うになっているので、形状記憶合金固有のヒステリシス
やその他の原因に起因するオフセットを解消することが
できる。従って、応答性に優れているという形状記憶合
金の利点を享受しながらも、高精度の温度制御を行うこ
とができる。

【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、左右のモータは切り詰めて示してある。

【図４】図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図であ
る。

【図５】図５は、図３のV−V線に沿った断面図である。

【図６】図６は、制御回路のブロック図である。

【図７】図７は、感温コイルばねの発生付勢力のヒステ
リシスとバイアス・コイルばねの付勢力を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１０： 湯水混合装置 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： 電気的付勢力調節手段 ７６： 混合弁の可動弁体 ９４： 形状記憶合金製感温コイルばね ９６： バイアス・コイルばね

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２４Ｄ 17/00

Claims (1)

【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、 温度に応じてばね定数が変化する形状記憶合金からな
   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感温
   コイルばねと、 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バイアス・コイル
   ばねと、 前記２つのコイルばねの少なくとも一方の付勢力を調節
   する電気的付勢力調節手段と、 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付勢力調
   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。