JPS6353379A - 流体混合弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は流体混合弁に関し、更に詳細には、高温流体
と低温流体との混合比を、形状記憶合金を材質とする駆
動素子により自動的に調節し、予じめ設定した所定温度
の混合流体が常に供給されるようにした流体混合弁に関
するものである。

従来技術 比較的最近にその存在が確められ、コスト的に量産化も
可能となった新たな機能性素材の１つとして、形状記憶
合金が知られている。この形状記憶合金は、例えばニッ
ケルとチタンとの合金からなり、該合金に所要の形状を
付与した後に、オーステナイト変態終了温度（Ａｆ湿温
度以上に加熱する形状記憶処理を施すことにより、その
熱処理前に与えられた形状を金属組織的に記憶する特異
な性質を有する金属材料である。このため所定の応力範
囲内で変形が与えられても、その変形時の温度より僅か
に高い温度に加熱するだけで、元の形状に瞬時に回復す
る。

この元の形状を記憶する特異な性質に鑑み、産業上の各
分野における諸種の応用が提案されている。例えば航空
機の油圧パイプのシール継手がこれであって、形状記憶
合金により室温でパイプ径より僅かに小さい継手を製作
し、この継手の直径を零度以下で拡開した後、結合すべ
きパイプに嵌挿し、次いで室温に放置して元の形状を回
復させることにより、極めて緊密なパイプ接続がなされ
る。また温度変化に応答して形状が変わることから、ク
ーラー等の冷気吹出し口のダンパの開閉付勢用の駆動源
として使用する等の応用例もある。

更に形状記憶合金の別の有効な利用分野として。

前述したもの以外に、例えば熱水と冷水との混合比を形
状記憶合金からなる駆動素子を使用して、常に一定に保
つように構成した混合弁が、既に幾つか提案されている
。

例えば第１０図に示す混合弁１０では、所要形状の管路
系を内部に構成するケーシング１１に高温水流入路１２
と冷水流入路１３とが画成され、この高温水流入路１２
と冷水流入路１３とは、ケーシング１１の内部に設けた
弁座１４により上下に分割されている。前記ケーシング
１１の内部には、弁座１４を挟んで中空の円筒状制御弁
１５が上下に摺動可能に介挿され、この制御弁１５に穿
設した通孔１６を介して高温水と冷水とが、当該制御弁
１５の中空部１５ａ内に流入し得るよう構成されている
。前記制御弁１５の中空部１５ａにはばね座１７が設け
られ、このばね座１７の上方に圧縮状態での形状を記憶
している形状記憶合金材質のコイルバネ１８が配設され
ている。また下方には通常の弾性金属材料からなる引張
りばね１９が配設されている。なお前記コイルバネ１８
および引張りばね１９は、適宜の係止手段によって、夫
々引張り状態で取付けられているものとする。

このように構成した混合弁１０では、高温水の温度が高
くなれば、引張り状態でセットされた形状記憶合金から
なるコイルバネ１８は、その形状回復応力により圧縮さ
れた状態に復元し、制御弁１５は前記引張りはね１９の
弾力に抗して上方へ移動する。これによって、冷水流入
路１３に臨む通孔１６ａの開口面積が広くなって制御弁
１５に流入する冷水量が増大すると共に、高温水流入路
１２に臨む通孔１６ｂの開口面積が挟くなって制御弁１
５に流入する高温水量が減少し、従って制御弁１５を経
て温水送出路２０から供給される混合温水の温度を略一
定に保つようになっている。

また供給される高温水の温度が低下すれば、形状記憶合
金からなるコイルバネ１８の剛性が失われ、引張りばね
１９の引張り応力が優勢になって制御弁１５は下方へ移
動し、高温水量が増大すると共に冷水量が減少して、混
合水の温度を略一定に保つものである。

発明が解決しようとする間ス点 第１２図に示す如く、形状記憶合金は熱弾性形マルテン
サイト変態に伴って生起する現象であって、ある特定の
温度、すなわちＡｓからＡｆの温度範囲で変位量の急増
が現われる。前記形状記憶合金の逆変態が始まるＡｓか
ら、逆変態が完了するＡｆまでの温度差は約１０℃あり
、第１０図に関連して説明した公知の混合弁の駆動素子
として使用した場合、弁動作が一定せず、混合水の温度
を正確に調節することは困難であった。

また一般に形状記憶合金は、その成分割合が微量変化し
ただけで変態温度が著しく異なる欠点を有し、例えばＸ
℃で変態する形状記憶合金を製造した場合、第１１図に
示す如く、その変態温度に所定幅のばらつきを必然的に
生ずる。この場合はＡの範囲の製品だけを選別使用する
ことになり、コスト的に極めて製造歩留りの悪いもので
あった。

しかも高温水と冷水との混合温度を正確に調節するため
には、製造した形状記憶合金の駆動素子から更に選別し
たものを使用する必要があった。

発明の目的 本発明は従来技術に内在している前記欠点に鑑み、これ
を好適に解決するべく提案されたものであって、形状記
憶合金を材質とする変態温度の異なる複数の駆動素子を
使用することにより、正確な温度調節を行ない得る流体
混合弁を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 前記問題点を克服し、所期の目的を好適に達成するため
本発明は、高温流体流入路と低温流体流入路とをケーシ
ングに連通接続し、この高温流体流入路から流入する高
＠流体と低温流体流入路から流入する低温流体との混合
比を、ケーシング内に配設した弁体を軸方向に摺動させ
ることにより調節するよう構成した流体混合弁において
、前記ケーシングに内挿される弁体の一端部と、ケーシ
ングの軸方向一端部との間に、形状記憶合金からなる変
態温度の異なる複数の駆動素子を介挿し、前記弁体を挟
んで前記駆動素子とは反対側に弾性体を弾力的に介挿し
たことを特徴とする。

実施例 次に本発明に係る流体混合弁につき、好適な実施例を挙
げて、添付図面を参照しながら以下説明する。第１図は
、本発明に係る流体混合弁の好適な一実施例を示す概略
斜視図であって、流体混合弁２１は、ケーシング２２内
に摺動可能に配設される弁体２３を、所定形状に記憶さ
せた形状記憶合金を材質とする複数の駆動素子２４によ
り駆動して、熱水と冷水との混合比を一定に保つよう構
成したものである。すなわち円筒状のケーシング２２に
は、熱水管２５と冷水管２６とが連通接続されると共に
、ケーシング２２内で混合された混合水を外部に供給す
る吐出管２７が接続されている。前記ケーシング２２の
内部には、軸方向に摺動自在にスプール弁２３が配設さ
れ、このスプール弁２３によってケーシング２２内は３
つの室空間に分割されている。例えばスプール弁２３は
、ケーシング２２の内周面と内接しかつ所要間隔で離間
したフランジ２８．２９と、このフランジ２８゜２９と
の間に介在するパルブロンド３０とから構成され、雨フ
ランジ２８．２９とケーシング内壁面との間に混合室３
１が画成される。また前記熱水管２５の開口２５ａと冷
水管２６の開口２６ａとは、夫々混合室３１に臨むよう
に開口位置の設定がなされるものである。

第２図および第３図に示す如く、ケーシング２２の一端
部にはノブ３６が回動により軸方向への進退可能に螺着
され、このノブ３６と前記スプール弁２３の一端部との
間（図においてスプール弁２３の右方）には、形状記憶
合金を材質とする所要形状の駆動素子２４が複数（本実
施例では３個）介挿されている。前記複数の駆動素子２
４は、夫々変態温度が異なるものであって、第４図に示
す如く、スプール弁２３の一端部において仮想三角形の
各頂点位置に配置される。すなわちこの駆動素子２４は
、前記形状記憶合金からなる線材をスパイラル状に巻回
した部材であって、各ターンの間が開いた伸長状態と、
各ターンの間隔が詰まった圧縮状態との如く、軸方向の
長さが大きく変動する状態をとり得るようになっている
。本実施例では、このコイル状駆動素子２４は、各ター
ンの間隔が開いた伸長状態での形状を記憶しているもの
とする。なお前記ノブ３６はケーシング２２に着脱自在
に螺着されているので、外気温の変化や個人の好みによ
って設定温度を大幅に変える場合、このノブ３６を外す
ことにより前記駆動素子２４を容易に交換することがで
きる。

スプール弁２３の両フランジ２８．２９により画成され
る前記混合室３１と、スプール弁２３の右方に画成され
前記吐出管２７が連通接続されると共に駆動素子２４が
介挿される吐出室３７とは、連通管３８を介して流体的
に連通されている。従って前記混合室３１で混合された
混合水は、連通管３８を介して吐出室３７に供給され、
この吐出室３７に連通接続した吐出管２７を介して混合
弁２１の外部に供給されるものである。

前記ケーシング２２の他端部には調節ノブ３２が螺着さ
れ、この調節ノブ３２と前記スプール弁２３の一端部と
の間（図においてスプール弁２３の左方）に、弾性体と
して作用するバイアスバネ３３が介挿されている。この
バイアスバネ３３の応力は、実施例において前記３個配
設した駆動素子２４の内２個の駆動素子２４が変態時に
発生する応力と同一になるよう予じめ設定されている。

そして前記調節ノブ３２をケーシング２２の軸方向に進
退移動させることにより、該ノブ３２とスプール弁２３
との間隔を調節して、前記混合室３１に流入する熱水の
量と冷水の量とを調節し得るように構成される。すなわ
ち前記スプール弁２３のフランジ２８．２９が、ケーシ
ング２２の混合室３１に臨む熱水管２５の開口２５ａお
よび冷水管２６の開口２６ｂの各開口面積を調節するも
のである。なお前記バイアスバネ３３が当接するスプー
ル弁２３の端部には、ケーシング２２の外部に突出して
軸方向に延在するインジケータ３４が配設固定され、ケ
ーシング２２に配設した目盛り板３５と協動して、当該
混合弁２１により得られる混合水の設定温度を表示し得
るよう構成されている。

第５図〜第７図は、本発明の別実施例を示すものであっ
て、基本的な構成は第１図〜第４図に示す実施例と同一
であるが、熱水管２５と冷水管２６との配置位置が左右
逆になっており、スプール弁２３のフランジ２８により
、熱水管２５の開口２５ａの開口面積が調節されると共
に、冷水管２６の開口２６ａの開口面積がフランジ２９
により調節されるようになっている。この実施例では。

前記バイアスバネ３３の応力を、１個の駆動素子２４が
変態する時に発生する応力よりも小さく設定し、段階的
に温度調節を行ない得るよう構成したものである。すな
わち第５図〜第７図に示す如く、駆動素子２４が変態す
る毎に、前記スプール弁２３をケーシング２２の左方向
に摺動させて、熱水と冷水との混合比を調節するもので
ある。

第８図および第９図は、本発明の更に別の実施例を示す
ものであって、吐出管２７に供給された混合水の一部を
バイメタル４８を駆動素子とする調節装置４０に導びき
、前記ケーシング２２に流入する熱水と冷水との量をケ
ーシング２２の直前で調節するようになっている。バイ
メタル４８は。

２種の合金の熱膨張係数の差によって変位するので、温
度変化に伴う変形量は小さいものの、温度変化に対する
応答が正確であるため精度を高めることができる。前記
調節装［４０の枠体４４はケーシング２２に配設固定さ
れ、この枠体４４と吐出管２７とがバイパス管４１によ
り連通されている。またケーシング２２と熱水管２５お
よび冷水管２６との間に、通孔４２ａ、４２ｂを穿設し
たパイロットバルブ４２が摺動自在に配設され、この通
孔４２ａ、４２ｂを介して前記熱水管２５と冷水管２６
とが、ケーシング２２に連通するようになっている。

前記パイロットバルブ４２の一端部（図において左方）
には、前記枠体４４に摺動自在に挿通したロッド４３が
固定されている。枠体４４は画壁４５により２つの室４
４ａ、４４ｂに画成され、一方の室４４　ａに延在する
ロッド４３の端部に当接板４６が固定されている。また
この当接板４６と画壁４５との間に、バイアスバネ４７
が弾力的に介挿されて、前記ロッド４３を常に左方に付
勢している。前記画壁４５により画成される他方の室４
４ｂには、前記ロッド４３に皿ばね形状に形成したバイ
メタル４８の内径部が挿通されている。

バイパス管４１は、前記のバイメタル４８が配設される
室４４ｂに連通接続される。

バイメタル４８の右方には、前記ロッド４３に大径のス
リーブ４９が嵌合されて、該スリーブ４９の一端部にバ
イメタル４８の内周縁部が当接するようになっている。

またバイメタル４８の外周縁部は、画壁４５に当接する
よう配設されて、当該バイメタル４８が、画壁４５とス
リーブ４９とにより挟持されるように構成される。なお
皿ばね形状のバイメタル４８は、温度変化に伴ってその
外周半径が小さくなるよう設定されている。従ってバイ
パス管４１を介して供給される混合水の温度により、バ
イメタル４８が変形し、前記バイアスバネ４７の弾性力
に抗してロッド４３を左右に移動させる６そして前記パ
イロットバルブ４２に設けた通孔４２ａ、４２ｂにより
熱水管２５の開口２５ａの面積と、冷水管２６の開口２
６ａの面精とを調節して、混合水の温度を一定に保つよ
う構成される。

（実施例の動作） 次に、このように構成した流体混合弁の動作につき説明
する。前述した如く３個の駆動素子２４は、何れもその
伸長した状態での形状を記憶しているものとする。また
３個の駆動素子２４の変態温度は夫々異なるものであっ
て、例えば前記駆動素子の変態温度を夫々ａ　＝（ｔ　
−α）”Ｃ，ｂ　＝ｔ　’ｃ。

ｃ＝（ｔ＋α）℃と仮定した場合につき説明する。そし
てこの弁２１によりｔ℃の混合水を供給するものとする
。第２図に示す如く、予め実験等により割り出した数値
に基づいて、熱水と冷水との混合水がｔ℃となるように
スプール弁２３をケーシング２２の軸方向に摺動させて
、熱水管２５の開口２５ａと冷水管２６の開口２６ａと
の開口面積を調節する。すなわちバイアスバネ３３の応
力と２個の駆動素子２４の応力とが釣り合う位置に、ス
プール弁２３を移動させる。

そしてこの混合弁２１に熱水および冷水を供給すれば、
スプール弁２３のフランジ２８．２９により・画成され
る混合室３１で熱水と冷水とが混合され、この混合水は
連通管３８を介して駆動素子２４が配設される吐出室３
７に流入し、吐出室３７から吐出管２７を介して外部に
供給される。

この場合に前記ａ、ｂの駆動素子２４．２４は、混合水
により伸長状態に変態して、バイアスバネ３３の応力と
均衡を保っている。

前述した状態で熱水が多くなり、混合水の温度がｔ℃以
上、例えば（ｔ＋α）℃まで上昇した場合、駆動素子２
４の残りの１個Ｃが伸長状態に変態する。前記バイアス
バネ３３の応力は、２個の駆動素子２４の応力と均衡を
保っているので、Ｃの駆動素子２４が伸長状態となるこ
とにより、第３図に示すようにスプール弁２３は左方に
移動させられる。そしてスプール弁２３のフランジ２９
が熱水管２５の開口２５ａを狭めると共に、スプール弁
２３のフランジ２８により狭められていた冷水管２６の
開口２６ａが広がって、冷水の流入量が多くなり、混合
水の温度を低くして温度を一定に保つ。

次に混合水の温度が低くなって、例えばｂとＣとの駆動
素子２４の変態温度より低くなった場合には、２個の駆
動素子２４の剛性が喪失させられて圧縮可能な状態にな
り、バイアスバネ３３の応力により圧縮される。従って
スプール弁２３が右方に移動して、冷水管２６の開口２
６ａの面積を狭めると共に、熱水管２５の開口２５ａの
面積を広くして、混合水の温度を上昇させて温度を一定
に保つ。

このように常にはバイアスバネ３３と２個の駆動素子２
４により、均衡が保たれているので、温度変化が起った
場合、３個目の駆動素子２４により温度調節を行うこと
ができる。すなわち混合水の温度をバイアスバネ３３の
応力と、複数の駆動素子２４の応力とにより調節して常
に一定の混合水を外部に供給する。

本発明の別の実施例では、バイアスバネ３３の応力を、
１個の駆動素子２４が変態時に発生する応力よりも小さ
く設定するものであって、予め混合水の温度が定設温度
よりも低くなるように、スプール弁２３の最適位置をバ
イアスバネ３３の調節ノブ３４で調節しておくものとす
る。従ってこの混合弁２１に熱水と冷水とを供給すると
、第５図に示すように、１個の駆動素子２４が伸長状態
での記憶を回復して、前記スプール弁２３を左方へ摺動
させる。そしてスプール弁２３のフランジ２９により冷
水管２６の開口２６ａの開口面積を挟くすると共に、熱
水管２５の開口２５ａの開口面積を広くして、混合水の
温度を高くする。混合水の温度が高くなると、２個目の
駆動素子２４が伸長状態での記憶を回復させて、スプー
ル弁２３を更に左方に移動させて冷水の量を少なくする
と共に、熱水の量を多くして混合水の温度を高くする。

第７図に示すように、３個の駆動素子２４が全て伸長状
態に回復した時に、混合水が所要の設定温度になるよう
に設定しておけば、混合水の温度を常に一定に保つこと
ができる。

また第８図および第９図に示す更に別の実施例では、−
層細かな温度調節を行なうために、バイメタル４８によ
る温度調節装置？！４０を設け、このバイメタル４８の
変形により正確な温度調節を達成するものである。前記
ケーシング２２に熱水と冷水とを流入させると、混合室
３１で混合された混合水が連通管３８を介して吐出室３
７に供給され、この吐出室３７から吐出管２７を介して
弁２１の外部に混合水が供給される。この場合、前記吐
出管２７に連通接続されるバイパス管４１を介して前記
調節装置４ｏに、混合水が導かれて皿ばね形状のバイメ
タル４８が混合水中に浸漬される。この調節装置４０に
導びかれた混合水の温度が高くなった場合、第９図に示
す如く、バイメタル４８は、当該バイメタル４８の外周
半径が小さくなるように変形する。そしてバイメタル４
８の内周縁部が当接しているロッド４３を、右方向に押
圧してパイロットバルブ４２を右方向に押圧付勢する。

この時、前記熱水管２５の開口２５ａが挟められて、熱
水管２５からケーシング２２に流入する熱水の量が少な
くなり、混合室３１に流入する混合水の温度が低下して
混合水の温度が一定に保たれる。

また混合水の温度が低くなると、第８図に示す如く、バ
イメタル４８の剛性が失われ、バイアスバネ４７の応力
により、パイロットバルブ４２が左方向に摺動されて熱
水管２５の開口２５ａを広げ、前記混合室３１に流入す
る混合水の温度を一定に保つ。

なお本実施例では、液体を混合する弁につき説明したが
１本発明はこの実施例に限られるものではなく、その他
の流体、例えば熱風と冷風とを混合して適度の温風を供
給する空調設備用混合弁としても使用し得るものである
。

発明の効果 以上のように構成した流体混合弁によれば、ケーシング
内で混合される混合流体の温度を、個々の形状記憶合金
を構成する駆動素子の変態温度にばらつきがあっても、
全体として正確な温度調節が可能となり、しかも多数の
形状記憶合金の素子から選別する割合を低下させ得るの
で、歩留りを小さくすることができ、併せて製造コスト
を低減し得るものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る流体混合弁の好適な実施例を示すも
のであって、第１図は本発明の実施例に係る流体混合弁
を示す概略斜視図、第２図および第３図は本発明の実施
例に係る流体混合弁の概略構成を示す縦断面説明図、第
４図は第１図に示す流体混合弁の横断面図、第５図〜第
７図は本発明の別実施例に係る流体混合弁の経時的な動
作を示す縦断面説明図、第８図および第９図は本発明の
更に別実施例に係る流体混合弁の概略構成を示す縦断説
明図、第１０図は従来技術に係る混合弁の概略構成を示
す縦断説明図、第１１図は形状記憶合金の製造時の管理
図、第１２図は形状記憶合金の温度変化に伴なう変位量
（たわみ）を示す図表である。 ２１・・・流体混合弁　　　　２２・・・ケーシング２
３・・・スプール弁　　　　２４・・・駆動素子２５・
・・熱水管　　　　　　２６・・・冷水管３３・・・バ
イアスバネ Ｊ５ ＦＩＧ、３ ＦＩｏ、４ ＦＩｏ、５ ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、１０ ＦＩｏ、１１ ＦＩＧ、１２ ５１戊　／”ｃ ；ム度／に

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温流体流入路と低温流体流入路とをケーシング
   に連通接続し、この高温流体流入路から流入する高温流
   体と低温流体流入路から流入する低温流体との混合比を
   、ケーシング内に配設した弁体を軸方向に摺動させるこ
   とにより調節するよう構成した流体混合弁において、 前記ケーシングに内挿される弁体の一端部と、ケーシン
   グの軸方向一端部との間に、形状記憶合金からなる変態
   温度の異なる複数の駆動素子を介挿し、前記弁体を挟ん
   で前記駆動素子と反対側に弾性体を弾力的に介挿した ことを特徴とする流体混合弁。
2. （２）前記弾性体の応力は、前記駆動素子が変態する時
   に発生する１個の駆動素子の発生応力よりも大きく、前
   記複数の駆動素子の合計の応力よりも小さいことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の流体混合弁。
3. （３）前記弾性体の応力は、前記駆動素子の１個の駆動
   素子が変態する時に発生する応力よりも小さいことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の流体混合弁。