(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする課題は、無人で電力を用いず周囲温度の変化に応じて自動的に開閉を行うことができる水栓を安価に実現することである。園芸や農業における散水、寒冷地における水道管凍結の対策などへの応用が期待できる。【解決手段】  周囲温度変化による熱膨張の極めて小さい効果を無駄なく効率良く利用するために、同軸２重管の内外の素材として線膨張率が大きく異なるものを用い、温度変化による内外の熱膨張の差で生まれる軸方向の力で水栓の開閉を行わせる。周囲温度上昇で開栓できるようにするには外側管の線膨張率を内側管の線膨張率より大きくし、周囲温度下降で開栓できるようにするには、内外の線膨張率が逆になるような素材を用いる。本発明は、シンプルな構造のため、安価に製作でき、無人かつ電力なしで簡単な初期設定で使用できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側と内側で熱膨張率の大きく異なる素材を用いた２重管において周囲温度の変化に応じて生じる内外の管長の差から生まれる力で水栓の開閉を行わせるようにした自動開閉水栓
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲温度の変化を利用して自動的に開閉する水栓に関するものであり、無人、かつ、電力などのエネルギー源を用いず、安価に実現できる。園芸や農業の散水では、太陽の輻射熱を取り込む大きい温度差によりコンパクトで実用的な自動散水栓が実現できる。また、寒冷地において、水道管凍結防止のために無人かつメンテナンス不要の水栓として応用できる。
【背景技術】
【０００２】
高層マンション等のバルコニーに置かれたプランターへの散水はもとより広大な畑地の農作物への散水を無人化できる装置・技術では、近年コンピュータ利用技術の高まりから、給水間隔を自動的に設定して給水できる便利な装置が実用化され市販されるようになってきている。例えば、園芸用に市販されているデジタル給水器では給水開始の時間や温度・湿度を予めセットして置き毎日自動的に庭の水やりが可能となっている。この機能に天気の情報を組み込むことは難しいことではない。しかしながら、このような高機能の装置は価格がおしなべて高くなる欠点がある。特にバルコニーなどの家庭菜園で利用するには高価過ぎる恐れがある。このため、プランターなどの給水にペットボトルを逆さにして用いる給水器具が広く用いられているが、夏の暑い日が続くような場合、ペットボトルがたちまち空になってしまう問題は避けられない。従って園芸用にはスプリンクラーの出番となるが、水栓の開閉には人手が必要となるか高価な遠隔操作の器具が必要となる。
【０００３】
本発明では、熱膨張率の異なる固体材料を組み合わせて水栓を開閉する機構を採用するが、固体の線膨張率は、室温領域で百万分の一を単位として鋼鉄、銅、アルミニウムなどの金属で10から30、プラスチック樹脂で100前後であり、水栓の弁を数ミリ単位で動かすには10℃の温度変化に対して数メートルの大きさの機材が必要であり、これを実用的に取り扱い易い大きさに縮小するには熱膨張というわずかな変位を効率的に利用できる構造を考案する必要がある。なお、熱膨張率の大きい液体を利用するアイデアもあるが、液体の場合、単純な球形容器を用いる場合、閉じ込めた液体の温度上昇に対する応答が遅くかつ冷却にも時間を要するため、周囲温度の変化に対して応答が遅れる問題がある。さらに、液体をもれのないように閉じ込める技術、水栓の弁を駆動するためのもれのないピストンとシリンダーを製作する精密製作技術等が必要とされ、液体を利用する自動開閉水栓は安価には提供できないと予想される。
【０００４】
従来、温度差を効率的に利用するものとして電器スイッチ用にバイメタルが開発されて広く用いられており、コンパクトな形状でミリ単位の変位を生み出す構造である。しかし、バイメタルは異なる線膨張率の金属板を張り合わせており、温度変化による板の反りを用いるが、この曲げの力で水栓を開閉するには強度的に巨大な構造とする必要があり、本課題解決には沿わない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、無人で電力を用いず周囲温度の変化に応じて自動的に開閉を行うことができる水栓を安価に実現することである。園芸や農業においては、太陽が昇って気温が上昇したら自動的に水栓を開け、太陽が沈んで気温が低下したらその水栓を自動的に閉じるようにできるコンパクトで安価な散水用水栓として提供でき、また、寒冷地における水道管凍結の対策用として水道管が凍結する恐れのある気温になったら電力なしで無人で自動的に水流を確保し、気温が上昇すれば水流を止める自動開閉水栓を安価に提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここでは周囲温度上昇によって開栓を行えるようにする構造を取り上げる。周囲温度変化による熱膨張を効率良く利用するために、線膨張率の大きい素材（例えばプラスチック樹脂）のパイプの内側に線膨張率の小さい小径のパイプを軸対称に配置した長い２重管により、水栓の開閉を行わせる。周囲温度が低下する場合に開栓を行えるようにするには、２重管の内外の素材を交換すれば良く、以降は周囲温度上昇によって開栓を行う場合のみを取り扱う。
弁座にOリングを介して弁棒を押し付けることにより止水を行う構造の水栓本体に上記２重管の外側を取り付け、内側の小径パイプに水栓の弁棒を接続する。２重管は水栓本体とは反対側の先端でのみ繋がっている。温度が上昇すれば、水栓本体部分で見ると内側パイプが持ち上がって弁棒を持ち上げて開栓状態となる。温度が下がれば、弁棒が下がり、もとに戻って止水状態になる。
具体的には、図１に示すように、水栓本体3にプラスチック樹脂でできた長いパイプ（弁棒操作桿支持パイプ8）を固定し、その先端から金属の長い弁棒操作桿7をパイプ8の中心線に沿って配置して弁棒4に接続する。弁棒操作桿7は弁棒操作桿支持端9の外側に付けた弁棒位置調整ねじ10により弁棒4を引き抜く方向にだけ力がかかるようにしてある。つまり、太陽熱によって弁棒操作桿7の熱膨張に勝って外側パイプ8が熱膨張で伸びると、弁棒4を引き抜き水栓を開くこととなる。周囲温度が低下すると弁棒操作桿支持パイプ8が縮んで弁棒操作桿7を引き抜く力が消え、弁棒押しばね5の力により水栓が閉じられる。周囲温度が大きく低下すると弁棒操作桿支持パイプ8が大きく縮んで弁棒操作桿支持端9と弁棒操作桿支持パイプ8との間に隙間が発生するだけで水栓の閉じた状態には一切影響しない。プラスチック樹脂としてABS樹脂（線膨張率：百万分の70から100、ここでは70として扱う）、弁棒操作桿7の材料として真鍮（線膨張率：百万分の18）を用いるとすると、パイプ長が1mの場合、10℃の温度上昇に対して、単純には0.52ミリだけ引き抜かれることになる。ただし、弁棒4は弁棒押しばね5により水圧を支えるため、熱膨張による弁棒引き抜きの変位はこれより小さくなる上、弁棒操作桿支持パイプ8と水栓本体3との接触面の微小な凹凸、弁棒操作桿支持パイプ8と弁棒操作桿支持端9との間の接触面の凹凸、弁棒操作桿支持端9と弁棒位置調整ねじ10との接触面の凹凸、および弁棒位置調整ねじ10の内部の微小ながたつきにより、さらに有効な引き抜き変位は小さくなると予想される。
【０００７】
しかしながら、弁棒操作桿支持パイプ8と弁棒操作桿7とを軸対称の構造としたことにより、上で述べた接触面の微小な凹凸は通常の機械工作で数十マイクロメーター以下に抑えることは困難ではなく、軸対称構造により高められた曲げ剛性により、予期しない変形による引き抜き変位の損失を防ぐことができる。初期状態の設定は、パイプ先端部の弁棒位置調整ねじ10を回すことにより行うことができ、一旦設定すれば経年変化により各部材の長さが変化しない限り同一条件で水栓の開閉が自動的に行われるようになる。なお、弁棒操作桿支持パイプ8に太陽熱等を吸収しやすい着色を施して上昇温度を上げること、熱膨張率の大きい材料を選定すること、水栓の弁棒変位が小さくても動作するようにすることなどにより、パイプ長を縮め、全体を扱いやすい大きさにできる。
また、周囲温度の変化に対する応答を速くする目的で、２重管の側面それぞれに内外の空気が流通できる空気穴を設けることもできる。これはこれまで対象としてきた周囲温度上昇時に開栓する場合とは逆に周囲温度低下時に開栓するようにする場合には効果的となる。
【０００８】
ある周囲温度で水栓を開くには、弁棒操作桿支持パイプ8が圧縮されるように弁棒位置調整ねじ10を回して行くことにより水栓を開くことができる。水栓が開く位置から調整ねじを戻す方向にどれだけ戻すかで水栓が開く温度が設定時温度に比べてどれだけ高いかが決定される。つまり、弁棒位置調整ねじ10の角度位置を開栓の設定温度に対応させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明を園芸や農業用の散水栓に応用することを想定すると、太陽が昇る前に弁棒位置調整ねじを回して開栓温度を設定しておけば、太陽が昇ればその輻射熱によりひとりでに開栓が行われれ、太陽が傾いて輻射熱が減少すればひとりでに止水が行われる。開栓温度を太陽熱で起きる温度上昇の大きさに合わせておけば、曇りや雨の日には止水状態が維持される。電力は消費せず、簡単な構造のため故障の発生が小さいと期待され、安価に製造でき、目標の課題を解決できる。
【００１０】
本発明を水道管の凍結防止のために用いる場合には、２重管の外側に線膨張率の小さい材料、内側に線膨張率の高い材料を用いて、周囲温度が０℃を下回るような場合、水栓を開くように調整ねじを設定して置けば、凍結が始まる前に水流が確保され凍結をまぬかれ、周囲温度が0℃を上回ると自動的に水栓が閉じ、無人で凍結防止がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】入水口1と出水口2を備える水栓本体3は止水弁棒4を止水Oリング6を介して弁座に押し付けることにより止水を行う構造であり、この水栓本体3に弁棒操作桿支持パイプ8、弁棒４に弁棒操作桿7がそれぞれ取り付けられる。弁棒4は弁棒押しばね5の力により、弁座に向かう向きに力がかけられており、弁棒4の位置は弁棒位置調整ねじ10を回すことにより弁棒操作桿支持端9を基準点にして変えることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の自動開閉水栓はホースで家庭の上水道に接続して園芸のための散水用スプリンクラーに接続して利用できる。バルコニーに設置したプランター等には図１の出水口2の代わりに水栓本体の周囲に放射状に小さい穴を設けることでスプリンクラーの役割を担わせることが可能である。広大な畑地ではスプリンクラー一つごとに一つずつの本自動開閉水栓を取り付けて使用することも可能である。
【００１３】
本発明の自動開閉水栓を凍結が懸念される水道管の近くに設置して適切な温度設定を行うことにより、無人で凍結防止をはかることができる。本発明品は安価で製造でき、無電力でかつ故障が少ないと考えられるため、人里離れた別荘や空き家での水道管凍結防止に活用できると期待される。
【実施例】
【００１４】
本発明が実現可能かどうかを調べる目的で温度上昇時に開栓する自動開閉水栓を試作した。図１の入水口の内径を3ミリとし、弁棒を直径4ミリ、弁棒操作桿支持パイプに長さ100cm、外形18ミリ、内径14ミリの黒色のABS樹脂を用い、弁棒操作桿として直径8ミリ、肉厚0.5ミリの真鍮パイプを用いた。弁棒および弁棒位置調整ねじ（M8、ピッチ1.25）との接続部はそれぞれ真鍮丸棒から切り出してロウ付けして製作した。水栓が開いた状態で、図１における弁棒の押しばね上部にあるOリング部分からわずかな水漏れがあったため、テストでは弁棒操作桿支持パイプに漏れた水を逃がす小穴を水栓本体近くに設け、弁棒操作桿支持パイプを水平に保持した状態と垂直にした状態両方について行った。これは漏れた水によりパイプが冷やされる効果がどれくらいあるかを知るためであった。本体を庭園に設置して、太陽が昇る前に止水状態とし、太陽が昇って太陽熱で温度が上昇して水栓が徐々に開くことを観察し、太陽が陰って温度が低下して止水状態になることを確認した。また、水平に設置した状態の場合の観察から給水による冷却効果で一旦開いた水栓が閉じ、その後開くということも確認できた。なお、傘で太陽光を遮ることにより、熱で開いた水栓を閉じる動作を行わせ、その応答時間が５分以内であることも確認できた。弁棒位置調整ねじの回転と太陽熱による温度上昇の見積もりから、各部の接触面の凹凸の大きさを見積もることができ、機械工作の精度と矛盾のない結果を得ており、調整ねじの角度と設定温度を校正できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は熱膨張によるわずかな変化を利用する構造であるが、精密な機械工作技術を必要とせず、特殊な材料も必要としないことから安価に製造することができ、また、運用上も当初に簡単な設定作業が必要であるだけである。構造がシンプルであるため、故障の心配もなく、太陽熱等での温度上昇時に開栓する自動開閉水栓は家庭の園芸や農業での散水用水栓として利用できる。また、温度低下時に水栓を閉じる構造の自動開閉水栓は、凍結防止用に役立てることができる。
【符号の説明】
【００１６】
１  入水口
２  出水口
３  水栓本体
４  弁棒
５  弁棒押しばね
６  止水Oリング
７  弁棒操作桿
８  弁棒操作桿支持パイプ
９  弁棒操作桿支持端
１０  弁棒位置調整ねじ
【図１】
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