JPH0138995B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明はケーシング内に、熱源によつて加熱さ
れた高温水が供給される高温水供給室と、冷水が
供給される冷水供給室と、この両室に連通して高
温水を冷水とを混合する混合室とを設け、上記両
室から混合室に供給する流量を温度に応じて調整
する温度感応バルブを高温水供給室、冷水供給室
それぞれに設けて、高温水と冷水とを混合して適
温のお湯を供給する湯水混合供給栓に関する。

＜従来技術＞ 従来用いられている湯水混合供給栓は、高温水
と冷水とを混合する混合室内にサーモスタツトを
設け、このサーモスタツトにより混合水の温度を
感知するようにしている。そして、サーモスタツ
トの感知温度に応答して、高温水、冷水の供給流
量を調整するバルブを制御して混合比の調整が行
われるようにしている。

しかしこの従来のものは、サーモスタツトに応
答して上記バルブを調整することで高温水、冷水
の供給流量を調整するようにしているため、その
調整のための構造及びその制御が複雑になり、湯
水混合供給栓が非常に高価で大型なものになつて
いた。

一方、ケーシング内に、熱源によつて加熱され
た高温水が供給される高温水供給室と、冷水が供
給される冷水供給室と、その両室に連通して高温
水と冷水とを混合する混合室とを設け、上記両室
から混合室に供給する流量を温度に応じて変位す
るベローズを設けると共にこのベローズの変位に
よつて供給流量を調整する温度感応弁を高温水供
給室、冷水供給室それぞれに設けて、高温水と冷
水とを混合して適温のお湯を供給する湯水混合供
給栓が、実開昭47−29728号公報にて提案されて
いる。

しかしこの実開昭47−29728号公報のものは、
ベローズの変位を利用して流量を調整するため、
反応が非常に遅く全く実用的でないうえに、ベロ
ーズの内部には膨張液が充填されているため、こ
のベローズに連結される弁の位置が固定されたも
のとなり、弁の位置を調整して混合水の温度を変
更することは全くできなかつた。

＜本発明が解決する課題＞ 簡単な構造で、反応が早く、しかも温度調整が
簡単に行えるようにすることである。

＜課題を解決するための手段＞ 高温水供給室と、冷水供給室と、この両室に連
通して高温水と冷水とを混する混合室とを備える
と共に、上記両室から混合室に供給する流量を温
度に応じて調整する温度感応バルブを高温水供給
室及び冷水供給室にそれぞれに設けて成るものに
おいて、 上記高温水供給室に、弁座及びこの弁座に近接
するに従つて混合室への流量を絞る弁体と、この
弁体を高温水の温度が上昇するに従つて弁座に近
接する方向に移動させる力を付与する形状記憶合
金のバネと、当該弁体を弁座から離間する方向に
力を付与すると共に当該力の付与によつて上記形
状記憶合金を応力誘起マルテンサイト相にする荷
重弾性体とを設け、上記形状記憶合金のバネと荷
重弾性体との間に上記弁体を介在して配置し、 上記冷水供給室に、弁座及びこの弁座に近接す
るに従つて混合室への流量を絞る弁体と、この弁
体を冷水の温度が上昇するに従つて弁座から離間
する方向に移動させる力を付与する形状記憶合金
のバネと、当該弁体を弁座に近接する方向に力を
付与すると共に当該力の付与によつて上記形状記
憶合金を応力誘起マルテンサイト相にする荷重弾
性体とを設け、上記形状記憶合金のバネと荷重弾
性体との間に上記弁体を介在して配置し、 上記形状記憶合金が応力誘起マルテンサイト相
に保持される範囲で上記バネ、荷重弾性体の支持
距離を調整することで上記弁体の位置を調整する
調整ノブを設けた湯水混合供給栓。

＜作用＞ 高温水供給室には熱源からの高温水が供給され
る。一方、冷水供給室には冷水が供給される。

高温水供給室においては、高温水が形状記憶合
金のバネに接触することによつて該バネは弁体を
弁座に近接する方向に力を発生する。一方、荷重
弾性体が弁体を弁座から離間する方向に力を発生
して上記形状記憶合金のバネに歪みを与え、該形
状記憶合金が応力誘起マルテンサイト相となる。

この高温水供給室に供給される高温水の温度が
変動すると、形状記憶合金のバネの発生力が変化
して、混合室に供給する高温水の熱量が一定にな
るように弁体と弁座との距離が自動的に調整され
る。即ち、高温水の温度が上昇すれば、形状記憶
合金のバネの弁体を弁座により近付ける力が強ま
る。また高温水の温度が低下すれば、形状記憶合
金のバネの弁体を弁座に近付ける力が弱まる。従
つて、この形状記憶合金のバネの力の増減によつ
て、弁体と弁座との距離が調整され、混合室に流
入する高温水の熱量が一定になるように流量が調
整される。

一方、冷水供給室に供給される冷水の温度が変
動すると、形状記憶合金のバネの発生力が変化し
て、混合室に供給される冷水の熱量が一定になる
ように弁体と弁座との距離が自動的に調整され
る。即ち、冷水の温度が上昇すれば、形状記憶合
金のバネの弁体を弁座から離間する力が強まる。
また冷水の温度が低下すれば、形状記憶合金のバ
ネの弁体を弁座に近付ける力が弱まる。従つて、
この形状記憶合金のバネの力の増減によつて、弁
体と弁座との距離が調整され、混合室に流入する
冷水の熱量が一定になるように流量が調整され
る。

一方、混合室においては、一定熱量の高温水、
冷水供給されて、一定温度の混合水が生成され
る。

また、調整ノブが、所定の支持距離を形状記憶
合金のバネ、荷重弾性体に与えるので、当該支持
距離に対応する弁体の位置に応じた混合水が生成
される。この調整ノブの動作によつて上記支持距
離を調整すると、形状記憶合金が応力誘起マルテ
ンサイト相に保持される範囲内で荷重弾性体が形
状記憶合金のバネに与える歪量が変化して、弁体
の位置が調整される。従つて、弁体の位置変化に
よつて混合室に供給される高温水、冷水の混合比
率が変化し、温度調整を行うことができる。

＜実施例＞ まず形状記憶合金の性質について、概略説明す
る。

形状記憶合金とは、マルテンサイト正変態温度
以下において、この合金をある応力で変形して
も、これをマルテンサイト逆変態温度以上に加熱
すると、ある条件下で熱処理された形状、即ち記
憶された形状に戻つてしまういわゆる形状記憶効
果を有する合金を言う。またこの形状記憶合金
は、マルテンサイト逆変態温度以上でも応力をか
けることによつて応力誘起マルテンサイトを生
じ、この応力のもとで大歪（数％〜10数％）に耐
えることができ、この大歪を与えた後、応力を除
荷すると再び元の形状、即ち歪零の状態に戻る性
質を有している。この性質は超弾性と称され、数
10℃から100℃の温度範囲で起こり得る。そして、
更にある応力下で、マルテンサイト逆変態温度以
上のある温度t₁で安定な応力誘起マルテンサイト
相も、加熱されるとこの応力に打ち勝つてマルテ
ンサイト逆変態を始め、より一層加熱されるとマ
ルテンサイト逆変態を完了して母相に戻る性質が
ある。この時合金に生じる応力σは、応力誘起マ
ルテンサイト相を生じさせるに要した応力σ₁より
も大きく、σとσ₁との差はその時の温度ｔとt₁と
の差に比例する。この比例関係を示したのが第１
図であり、温度をマルテンサイト逆変態温度以上
の温度t₁からΔtずつ温度を順次大きくしてt₂，t₃，
t₄の温度設定をした時、合金内部に発生する応力
は、σ₁，σ₂，σ₃，σ₄とΔσずつ大きくなることが
わかる。尚、マルテンサイト正・逆変態温度、応
力誘起マルテンサイトを生じるのに要する応力の
程度、並びに発生応力差と温度差との比例係数
は、形状記憶合金の種類、組成、製造方法、熱処
理条件、合金の形状等によつて変化し、それぞれ
固有の値となる。

次に、上記の性質を有する形状記憶合金を用い
た温度感応バルブの動作原理を第２図〜第４図を
用いて説明する。

第２図において、１は形状記憶合金から成る第
１のコイルバネ、２は通常の弾性材料から成る第
２のコイルバネ、３，４は支持体、５は介在物で
ある。尚、以下の説明においては第１、第２のコ
イルバネを介在物５を介して連結する構造例を示
すが、上記形状記憶合金材料及び通常の弾性材料
はどのような形状であつても良く、介在物５が形
状記憶合金の第１のコイルバネ１と通常の弾性材
料の第２のコイルバネ２との間に介在されてあれ
ば良い。

第２図に示される構造において、通常の弾性材
料から成る第２のコイルバネ２の発生応力または
力は、変位に比例する。いま第２図で形状記憶合
金材料から成る第１のコイルバネ１と前記第２の
コイルバネ２とが引つ張り状態で保持されている
場合を考える。この時、温度をt₁からt₄まで上昇
させれば、第１のコイルバネ１は温度t₁で、より
引つ張られた状態αから第４図の破線Ａに沿つて
温度t₄での状態βまで縮み、若干の形状回復を生
じる。先に述べたように、形状回復応力（発生応
力）の差は温度差に比例し、通常の弾性材料は発
生応力と変位が比例することから、コイルバネ１
の変位、即ち介在物５の変位は温度変化に比例す
ることになる。尚、この例においては、コイルバ
ネ１の記憶されている形状は縮小した形状であ
り、この構造物を形成する前に別の工程（熱処理
等）によつて記憶される。またコイルバネ２のコ
イルバネ１に与える荷重は、形状記憶合金材料を
応力誘起マルテンサイト相にするに必要な大きさ
とするのは言うまでもない。

第３図は、第２図に比して、構成上支持体３，
４の距離を狭めた相違点を有する構造を示し、コ
イルバネ１，２は共に引つ張り状態で保持されて
いる。このような構造で温度をt₁からt₄まで上昇
させたときのコイルバネ１の変位、即ち介在物５
の変位は第４図の一点鎖線Ｂのようになる。第４
図の破線Ａから一点鎖線Ｂへの変化は支持体３と
４との距離変化に比例する。またこのような変化
は、コイルバネ２の弾性率を変化させても生じ
る。即ち、コイルバネ１を応力誘起マルテンサイ
ト相にするための荷重弾性体としてコイルバネ２
を用い、このコイルバネ１，２を連結させること
によつて、第４図に破線Ａ若しくは一点鎖線Ｂで
示す動作曲線を得ることができる一方、支持体
３，４間の距離或はコイルバネ２の弾性率を変え
ることによつて動作曲線をＡからＢ、或はＢから
Ａのように各温度に対する応力−歪曲線の平坦部
分（プラトー部という）を移動させることができ
る。故に、介在物５に弁体を固着し、支持体４或
は３をケーシングとし、更に支持体３或は４にそ
の位置をバネ方向に変動させる調整ノブを取り付
ければ、温度変化によつて上記弁体が上下動し、
更に調整ノブによつて支持体３，４間の距離を変
化させて、介在物５の位置、つまり弁体の位置を
変化させることができ、バルブからの流量を変化
させることができる。後者の動作特性は、当該構
造のバルブを高温水供給室と冷水供給室に別々に
設けた場合の混合水の設定温度の変更に結び付け
ることができるものである。

尚、以上の説明ではコイルバネ１，２を引つ張
り状態に設定したが、これらを圧縮状態に設定し
ても上記と同様の動作特性を得ることができる。
ただし、第４図に示す破線Ａと一点鎖線Ｂの位置
関係は逆転する。

次に、以上の形状記憶合金材料と通常の弾性材
料との連結構造物を用いた温度感応バルブを有す
る湯水混合供給栓の実施例について第５図を用い
て説明する。

同図において、ケーシング６は、温度水源へ続
く高温水供給口Ａ、冷水源へ続く冷水供給口Ｂ及
び混合水の出水口Ｃを有し、これらは各々ケーシ
ング６内に設けられる高温水供給室Ｄ、冷水供給
室Ｅ及び混合室Ｆに続いている。高温水は高温水
供給室Ｄから通路ａを通り、冷水は冷水供給室Ｅ
から通路ｂを通り、混合室Ｆで混ざり合う。冷水
供給室Ｅ内には、フランジ２５を底部に設けた弁
体１１が置かれ、その上部のテーパ面が通路ｂに
連続する弁座b′に対向するよう、フランジ２５と
弁座b′との間に圧縮状態でセツトされた形状記憶
合金コイルバネ８と、フランジ２５と後述の摺動
体１３との間に圧縮状態でセツトされた通常のコ
イルバネ１０との間に介在して、弁体１１が支持
されている。高温水側と冷水側とで弁体の支持構
造が相違している点は通常のコイルバネと形状記
憶合金のコイルバネとのセツト位置が逆転してい
ることである。この理由は、後述の説明から明ら
かなように、高温水側と冷水側とにおいて温度変
化に対応する動作が逆方向になるためである。
尚、形状記憶合金コイルバネ７，８の記憶する形
状は、この例では圧縮力を除荷した時の形状であ
る。

コイルバネ１０の底部が当接する摺動体１３、
形状記憶合金コイルバネ７の底部が当接する摺動
体１４の各々はリング形状のシール材１５，１６
を介してケーシング６の内壁に摺動自在に構成さ
れていて、その下方に突設した突部１３ａ，１４
ａでケーシング６に螺合する温度調節ノブ１７の
テーパ壁面を押圧している。従つて、温度調節ノ
ブを左右に回転することによつて摺動体１３，１
４を同時に上下動させることができ、第２図、第
３図に示した支持体間隔の調整を自由に行うこと
ができる。以上の構成において、温度感応バルブ
は高温水側では、弁体１２、コイルバネ７，９、
摺動体１４及びシール材１５で構成されることに
なる。

通路ａとｂとの出口側には通路開閉弁１８が配
置されていて、これに対向する弁座f′がケーシン
グ６に設けられている。またこの通路開閉弁１８
はケーシング６に螺合するロツド１９に係合さ
れ、更にこのロツド１９の上端がネジ２３によつ
て通路開閉ノブ２２に係合されている。従つて、
この通路開閉ノブ２２を左右に回転することによ
つて、上記通路開閉弁（バルブ）の開閉を行わせ
ることができる。

次にこの湯水混合供給栓の動作を説明する。

今ある状態でこの湯水混合供給栓が機能してい
るとする。この定常の状態から供給される高温水
の温度が所定温度より高くなれば、圧縮状態にセ
ツトされた形状記憶合金コイルバネ７の形状回復
応力は大きくなつて（第４図参照）、弁体１２を
弁座a′により近付け、高温水の流路面積を減少さ
せる。従つて、高温水の流量が減少し、この時冷
水側でのバルブ位置変動がなければ、混合室Ｆに
流入する高温水、冷水混合比率が変動し、結局混
合室内での熱収支が一定化され、混合水の温度変
化が生じない。供給される高温水の温度が低下し
たときは上記と逆の現象が生じ、高温水の流量が
増加する。即ちこの場合でも混合水の温度変化が
生じなくなる。

一方、供給される冷水の温度が所定の温度より
低くなれば、圧縮状態にセツトされた形状記憶合
金コイルバネ８の形状回復応力は小さくなつて、
弁体１１を弁座b′により付近けるようになり、冷
水の流路面積を減少させることになる。つまり冷
水の流量は減少する。また供給される冷水の温度
が高くなつたときは、上記と逆の現象が生じ、冷
水の流量が増加する。そして冷水の流量の減少或
は増加によつて混合室内での熱収支が一定化さ
れ、混合水の温度が一定に保たれる。

即ち、供給される高温水、冷水の温度変動に対
し、形状記憶合金コイルバネ７，８及びこの形状
記憶合金のコイルバネ７，８を応力誘起マルテン
サイト相にするコイルバネ９，１０を備えた温度
感応バルブは自律的に動作点を変え（第４図参
照）、つまり弁体１１，１２の変位量を変えて、
供給水量を増減させる。その結果、混合室に流入
する高温水、冷水の熱量を一定にして出水口Ｃか
ら得られる混合水の温度を一定に保つことができ
る。

設定温度の変更は、温度調整ノブ１７を回転さ
せることにより、つまり摺動体１３，１４の位置
を変えることにより行われる。既述の説明から明
らかなように、この摺動体１３，１４の位置を変
えることによつて形状記憶合金コイルバネ７，８
の歪量が変わり、一方高温水側と冷水側とでは同
コイルバネ７，８の位置を通常のコイルバネに対
して逆にセツトしていることから、摺動体１３，
１４の位置変動は弁体１１，１２の上下逆方向へ
の位置変動となるものであつて、この弁体１１，
１２の位置変動によつて混合室に流入する高温
水、冷水の流量が変化することで温度調節が行え
る。この場合、形状記憶合金のコイルバネ７，８
の歪量の変化量は、第４図の上記プラトー領域
（平坦な部分）の範囲内である。

上記通路ａ，ｂの開閉は、開閉ノブ２２を回転
させることで同時に行われることになるが、この
ように開閉バルブが上記温度感応バルブと独立し
て混合室内に設けられることによつて、水栓閉鎖
時に高温水と冷水との連通を防ぐことができる。
従つて、混合水の閉止時においては、高温水側と
冷水側とが連通しないので、通常高圧側となる冷
水側から高温水側に水が流れることによつて湯沸
器の火を消しり破損が生じたりという湯沸器の事
故を未然に防止することができる。

尚、上記実施例において、通路ａ，ｂを並列に
配置しているが、この通路ａ，ｂは要するに各別
に構成してあれば良く、例えば同心円上に形成さ
れていても良い。

＜効 果＞ 以上本発明によれば、応力誘起マルテンサイト
相に保持された形状記憶合金のバネによつて支持
された弁体を高温水供給室、冷水供給室のそれぞ
れに配置して、この形状記憶合金の発生する力の
変動によつて、混合室へ供給される高温水、冷水
の熱量が自動的に一定になるようにしたので、非
常に簡単でコンパクトな装置で、高温水と冷水と
を混合して一定温度のお湯を供給することができ
る。即ち、何の電気的な検知、制御を行うことな
く、形状記憶合金の発生力の変動で弁体の位置が
制御されて混合室へ供給される高温水、冷水の量
が調整されて、混合水の一定温度化が図られる。
この場合、高温水供給室、冷水供給室のそれぞれ
に弁体、形状記憶合金のバネ、荷重弾性体を設け
ているので、高温水、冷水の温度変動に対して迅
速に弁体の位置を個々に調整して一定温度化を図
ることができる。

また、調整ノブによつて、形状記憶合金のバ
ネ、荷重弾性体の支持距離を調整するだけで混合
水の温度調整を行うことができ、簡単な構造、簡
単な操作で混合水の温度調整を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は形状記憶合金の応力−歪線図、第２図
は形状記憶合金コイルバネと弾性コイルバネとを
介在物を介して連結した構造物の説明図、第３図
は同上説明図（支持距離縮小状態）、第４図は形
状記憶合金の応力−歪線図であつて、第２図、第
３図図示構造物の動作特性を示す、第５図は本発
明実施例の断面図。 ７：形状記憶合金コイルバネ（高温水側）、
８：形状記憶合金コイルバネ（冷水側）、９：荷
重弾性体（通常材料のコイルバネ）（高温水側）、
１０：荷重弾性体（通常材料のコイルバネ）（冷
水側）、１１：弁体（冷水側）、１２：弁体（高温
水側）、１７：調整ノブ、a′：弁座（高温水側）、
b′：弁座（冷水側）、Ｄ：高温水供給室、Ｅ：冷
水供給室、Ｆ：混合室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温水供給室と、冷水供給室と、この両室に
   連通して高温水と冷水とを混合する混合室とを備
   えると共に、上記両室から混合室に供給する流量
   を温度に応じて調整する温度感応バルブを高温水
   供給室及び冷水供給室それぞれに設けて成るもの
   において、 上記高温水供給室に、弁座及びこの弁座に近接
   するに従つて混合室への流量を絞る弁体と、この
   弁体を高温水の温度が上昇するに従つて弁座に近
   接する方向に移動させる力を付与する形状記憶合
   金のバネと、当該弁体を弁座から離間する方向に
   力を付与すると共に当該力の付与によつて上記形
   状記憶合金を応力誘起マルテンサイト相にする荷
   重弾性体とを設け、上記形状記憶合金のバネと荷
   重弾性体との間に上記弁体を介在して配置し、 上記冷水供給室に、弁座及びこの弁座に近接す
   るに従つて混合室への流量を絞る弁体と、この弁
   体を冷水の温度が上昇するに従つて弁座から離間
   する方向に移動させる力を付与する形状記憶合金
   のバネと、当該弁体を弁座に近接する方向に力を
   付与すると共に当該力の付与によつて上記形状記
   憶合金を応力誘起マルテンサイト相にする荷重弾
   性体とを設け、上記形状記憶合金のバネと荷重弾
   性体との間に上記弁体を介在して配置し、 上記形状記憶合金が応力誘起マルテンサイト相
   に保持される範囲で上記バネ、荷重弾性体の支持
   距離を調整することで上記弁体の位置を調整する
   調整ノブを設けた湯水混合供給栓。