(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスバーナを備えた熱交換器と、その熱交換器へ水を供給する給水管と、前記熱交換器で加熱された湯を送出する出湯管とを備える一方、前記給水管と出湯管との間に、前記熱交換器をバイパスするバイパス管を接続して、前記出湯管の湯に前記バイパス管の水を混合して所望の温度の湯を出湯させるバイパスミキシング式給湯器であって、
前記バイパス管から前記出湯管へ流れる水の流量を制御可能な制御弁と、前記出湯管内及びバイパス管内の湯及び水の温度に応じて夫々動作する２つの形状記憶合金バネとを備え、前記制御弁の弁体を前記両形状記憶合金バネの動作に連動させて、制御弁の開閉制御を行うバルブユニットを、前記バイパス管と出湯管との接続部分に着脱可能に収納したことを特徴とするバイパスミキシング式給湯器
【請求項２】
前記熱交換器から前記出湯管へ流れる湯の流量を制御可能な第二制御弁を設け、その第二制御弁の弁体を前記形状記憶合金バネの動作に直接連動させて、前記バイパス管からの水の流量と、前記熱交換器からの湯の流量とを同時に制御可能とした請求項１に記載のバイパスミキシング式給湯器
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給水管と出湯管との間に熱交換器をバイパスするバイパス管を接続し、熱交換器で加熱された湯にバイパス管からの水を混合して所望の温度の湯を出湯させるバイパスミキシング式給湯器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記バイパスミキシング式給湯器においては、例えば特開平６−２８８６３２号公報に開示の如くバイパス管に電磁弁を設けたり、或は水モータを設けたりして、これらをバーナコントローラで開閉制御又は駆動制御し、バイパス管からの水の流量（給湯器に入る全流量に対するバイパス比率）を変更して所望の温度の湯を出湯させることで、熱交換器の内胴出口から出湯される湯の温度（以下内胴出口温度という）を、熱交換器にドレンの発生や沸騰を起こさせない範囲に調整可能としていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記電磁弁や水モータを用いた場合、これらの開閉制御や駆動制御を行うために、入水温度と設定温度とによって熱交換器の内胴出口温度を演算し、その演算値に基づいて電磁弁等を制御する制御回路を、前記バーナコントローラに別途設ける必要が生じるため、器具全体のコストアップに繋がってしまう。又特に電磁弁では、バイパス比率が固定されるため、ドレン発生や沸騰の防止に対応できる領域が狭く、充分なバイパス管の活用ができていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記電磁弁や水モータを用いない簡単な構成で、バイパス比率の変更範囲を広くし、前記ドレンの発生や沸騰を好適に防止可能としたバイパスミキシング式給湯器を提供するもので、その構成は、前記バイパス管から前記出湯管へ流れる水の流量を制御可能な制御弁と、前記出湯管内及びバイパス管内の湯及び水の温度に応じて夫々動作する２つの形状記憶合金バネとを備え、前記制御弁の弁体を前記両形状記憶合金バネの動作に連動させて、制御弁の開閉制御を行うバルブユニットを、前記バイパス管と出湯管との接続部分に着脱可能に収納したことを特徴とするものである。
更に前記請求項２の如く、上記構成に加えて、前記熱交換器から前記出湯管へ流れる湯の流量を制御可能な第二制御弁を設け、その第二制御弁の弁体を前記形状記憶合金バネの動作に直接連動させて、前記バイパス管からの水の流量と、前記熱交換器からの湯の流量とを同時に制御可能とするのが望ましい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。
実施の形態１
図１はバイパスミキシング式給湯器の概略を示すもので、バイパスミキシング式給湯器１は、上水道に接続される給水管２と、給水管２から導かれる水をガスバーナ３により加熱する熱交換器４と、その熱交換器４で加熱された湯を送り出す出湯管５とを備えている。又給水管２には、水量を検出する水量センサ６と入水温度を検出する入水温度センサ７が、出湯管５には、出湯温度を検出する出湯温度センサ８が夫々設けられて、これらは図示しないバーナコントローラに接続されている。このバーナコントローラは、水量センサ６や入水温度センサ７及び、出湯温度センサ８から入力される検出信号に基いて、所望の出湯温度が得られるようにガスバーナ３へのガス流路に設けられた比例制御弁（図示せず）を制御するものである。
そして給水管２と出湯管５との間には、熱交換器４をバイパスするバイパス管９が接続され、このバイパス管９と給水管２との接続部分に、バルブユニット１０が収納されている。このバルブユニット１０は、給水管２内の水がバイパス管９へ流れる水通路１３を備えると共に、給水管２内の水の流れに沿って前後移動可能な弁軸１２を備えた筒状のユニット本体１１を、給水管２内面の突起２ａに係止させて固定されるもので、そのユニット本体１１の上流側には、熱応動部材としての形状記憶合金バネ１４が、弁軸１２端部のバネ受部１５との間に配置される一方、下流側には、同じく弁軸１２他端部のバネ受１６との間に普通のコイルバネであるバイアスバネ１７が配置されている。又弁軸１２には、前記水通路１３の入口に形成される弁座１８を開閉する弁体１９が一体に形成されている。
【０００６】
又前記形状記憶合金バネ１４は、図２（Ａ）のグラフに示すような温度に対する荷重特性を有するものが採用されており、給水管２内の水の温度に応じて荷重を変化させ、弁軸１２を上流側へ押し下げる方向へ力を生じさせる。一方バイアスバネ１７は、形状記憶合金バネ１４による弁軸１２の押し下げにより圧縮し、自身の弾性により弁軸１２を押し上げる方向へ力を生じさせる。このように夫々両バネの荷重は相反する方向へ加わる設定であるため、両バネの荷重のバランスにより弁軸１２のストロークが決定される。同図１で示す弁軸１２の位置は中心線を境にして、右側が高温、左側が低温となる。この弁軸１２のストロークにより弁座１８に対する弁体１９の位置を移動させて、給湯器内に入る全流量ＱO に対するバイパス管９内を流れる水の流量Ｑ1 の比、即ちバイパス比率Ｑ1 ／ＱO を調整しているのである。
【０００７】
一方前記バイパス比率は、熱交換器４にドレンを発生させず、又沸騰させない温度範囲で内胴出口温度を維持するために設定される。図３のグラフは、給水管２から供給される水の温度（以下入水温度という）が５℃〜２５℃の間で変化するものとして、この入水温度の推移に加えて、給湯器で設定可能な出湯温度が３８℃〜７０℃の範囲の場合、前記ドレン発生と沸騰防止が可能な内胴出口温度の範囲を維持するためのバイパス比率の限界ラインを示すもので、このグラフにおいて、３８℃出湯時のドレン限界ラインは、内胴出口温度の変化に伴ってａ〜ｆのように変動する。一方７０℃出湯時の沸騰限界ラインは、内胴出口温度の上限を８５℃とした場合、ラインｇのように設定されるため、入水温度５〜２５℃の範囲でドレン発生防止を満足させるためには、内胴出口温度の下限を４２℃としたラインｂとの間で決定される領域（斜線部分）内で、バイパス比率を設定する必要がある。即ち入水温度５℃では、約１１〜１８％、入水温度２５℃では、約２３〜２５％の範囲となる。この範囲内でバイパス比率が移行するように、弁座１８の開度が調整される。
このように上記バルブユニット１０においては、入水温度の検知に形状記憶合金バネ１４を用い、温度変化による荷重で弁軸１２のストロークを変化させて、ドレン限界が４２℃と比較的低い温度に制限されるものの、この範囲でのドレン発生と沸騰防止が可能なバイパス比率を調整する構成としたことで、通水系側のみで適切なミキシングが可能となる。よって部品点数が少なくなって構成が簡略化し、電磁弁やモータに制御回路を組み合わせてバイパス比率の調整を行う従来の形態に比べてコストダウンが達成できる。特にこれらをユニット化して給水管２内に収納する構成としたことで、器具への着脱が容易に行え、部品の交換等にも至便となり、作業性の向上にも寄与できるのである。
【０００８】
実施の形態２
上記実施の形態１では、入水温度のみを形状記憶合金バネで検知してバイパス比率を調整する構成としているため、内胴出口温度の対応範囲が狭くなり、ドレン発生を防止できない場合が生じる。よって以下に、より好適な実施の形態を説明する。尚上記と同じ符号は同じ部品を示すため、説明は省略する。
ここでは図４のように、バルブユニット１０ａは、バイパス管９と出湯管８との接続部分に収納される。突起５ａとの係止によって所定位置に固定されるユニット本体１１ａには、出湯管８の湯の流れに沿って案内軸１２ａが水通路１３ａを貫通して設けられ、その案内軸１２ａに弁体１９ａが同軸で遊挿されている。そして弁体１９ａと案内軸１２ａの下端部２０との間に、形状記憶合金バネ１４ａが配置される一方、弁体１９ａと水出口側の弁座１８ａとの間に、バイアスバネ１７ａが配置されている。
よってこの形態においては、内胴出口から出湯される湯がバイパス管９からの水と混合したミキシング後の湯の温度によって、形状記憶合金バネ１４ａは荷重を変化させ、弁体１９ａを押し上げる方向へ力を生じさせる。一方形態１と同様に圧縮されるバイアスバネ１７ａは、自身の弾性により弁体１９ａを押し下げる方向へ力を生じさせる。従ってここでも両バネの荷重のバランスにより弁体１９ａのストロークが決定され、バイパス比率の調整が可能となるのである。同図４では中心線を境にして、右側が高温、左側が低温となる。
【０００９】
そしてここでのバイパス比率は、図５に示すグラフにより設定される。即ち同図は、横軸を出湯温度として、その３８℃〜７０℃の範囲内でのバイパス比率の設定領域を示したものであるが、ドレン限界ラインは、入水温度２５℃の場合で、ラインａ〜ｅのように４８℃〜４０℃夫々で設定され、沸騰限界ラインは、内胴出口温度の上限を８５℃として、入水温度５℃の場合のラインｆ、入水温度２５℃の場合のラインｇのように設定される。よってここでは、ドレン限界を、比較的高い４８℃のラインａを選択して、上記出湯温度の範囲とラインｆとの間で得られる斜線領域内で決定することができる。この領域内で、例えば矢印イに示すように、最初のバイパス比率を４２％にして、５０℃付近で１７％に変更させ、そのまま７０℃まで同じ比率を維持させるようなバイパス比率の移行態様に設定したり、又点線矢印ロに示すように、５０℃付近から徐々に下降させて、７０℃で１７％になるような直線的な変化をさせたりすれば良い。尚この矢印イ、ロでは、出湯温度の上昇時と下降時との移行態様にズレが生じているが、これは、本形態では形状記憶合金バネ１４ａが正帰還的動きを示して出湯温度にハンチングを生じさせる虞れがあるため、図６のように、形状記憶合金バネ１４ａにあえてヒステリシスの大きなバネ特性を有するものを採用して、出湯温度の安定を図ったものである。
よってこの形態においては、ミキシング後の出湯温度の検知により内胴出口温度の範囲を４８℃〜８５の範囲とするバイパス比率の調整が可能となり、同様に部品点数の減少やユニット化によるコストダウンや作業性向上の効果が期待できる。
【００１０】
実施の形態３
次に熱応動部材を出湯管内におけるバイパス管との接続部分より上流側に配置した態様を示す。図７に示すバルブユニット１０ｂにおいて、ユニット本体１１ｂには、弁軸１２ｂが湯の流れに沿って設けられ、ユニット本体１１ｂの上流側には、バネ受１６ｂによって形状記憶合金バネ１４ｂ（バネ特性は図２（Ｂ））が配置される一方、水通路１３ｂの出口となるユニット本体１１ｂの下流側には、バネ受部１５ｂとの間に、バイアスバネ１７ｂが配置されている。
よってこの形態においては、熱交換器４の内胴出口から出湯される湯の温度によって、形状記憶合金バネ１４ｂは荷重を変化させ、弁軸１２ｂを押し上げて弁体１９ｂに弁座１８ｂを閉塞させる方向へ力を生じさせる。一方上記と同様に圧縮されるバイアスバネ１７ｂは、自身の弾性により弁軸１２ｂを押し下げる方向へ力を生じさせる。従ってここでも両バネの荷重のバランスにより弁軸１２ｂのストロークが決定され、弁体１９ｂによるバイパス比率の調整が可能となるのである。同図７でも中心線を境にして、右側が高温、左側が低温となる。
【００１１】
又バイパス比率は、図８に示すグラフによって求められる。同図は、出湯温度と内胴出口温度との所定の範囲を維持するためのバイパス比率の限界値を、特に入水温度５℃と３０℃の場合に分けて示したもので、出湯温度が３８℃〜７０℃の範囲、内胴出口温度が４７℃〜８５℃の範囲として、ここから得られるバイパス比率の限界値は以下の表１の通りとなる。
【００１２】
【表１】
0003783168.tif 000002
【００１３】
よってこの限界値で囲まれる領域内を満足させる移行態様、例えば図９のグラフに示す如く、最初の設定５０％から、内胴出口温度５０℃で減少し、７０℃で１５％となるバイパス比率の移行態様を設定して、弁座１８ｂの開度を調整するのである。尚ここでは内胴出口温度の検知のため、必ずしも入水温度の変化は考慮する必要はないが、ここで説明した移行態様によれば、入水温度５℃及び３０℃の何れの領域においても満足させるバイパス比率の移行（図８で示す点線）が設定でき、出湯温度特性上好ましい。
このように本形態においても、内胴出口温度の範囲を４７〜８５℃の範囲とするバイパス比率の調整が可能となり、部品点数の減少やユニット化によるコストダウンや作業性向上の効果が期待できる。特に内胴出口温度を直接検知することにより、ドレン発生や沸騰防止が好適に実現できる。
【００１４】
実施の形態４
そしてここでは、出湯管側とバイパス管側との双方に熱応動部材を配した形態を説明する。
図１０に示すバルブユニット１０ｃにおいて、バイパス管９からの連絡口２１が形成されるユニット本体１１ｃには、前記連絡口２１の上流側と下流側とに、夫々弁体１９ｃ，１９ｄと、対応する弁座１８ｃ，１８ｄが夫々設けられる。上流側の弁体１９ｃには、その上流側でバネ受１６ｃとの間に形状記憶合金バネ１４ｃが配置される一方、その下流側で弁座１８ｃとの間にバイアスバネ１７ｃが配置されている。又下流側の弁体１９にも、その上流側で弁座１８ｃとの間にバイアスバネ１７ｄが配置される一方、その下流側で弁座１８ｄとの間に形状記憶合金バネ１４ｄが配置されている。尚ここでは水通路１３ｃは二又に分かれ、弁座１８ｃの上流と、弁座１８ｄの下流とに夫々水出口２２，２３が形成されている。
よってこの形態においては、まず内胴出口から出湯される湯の温度によって、形状記憶合金バネ１４ｃは荷重を変化させ、弁体１９ｃを押し下げて弁座１８ｃを閉塞させる方向へ力を生じさせる。一方圧縮されるバイアスバネ１７ｃは、上記と同様に、自身の弾性により弁体１９ｃを押し上げる方向へ力を生じさせる。従ってここでは、両バネの荷重のバランスにより弁体１９ｃのストロークが決定され、水出口２２から出湯管５へ流れ込む水の量が調整可能となる。
そして下流側では、バイパス管９からの水の温度により、形状記憶合金バネ１４ｄは荷重を変化させ、弁体１９ｄを押し上げて弁座１８ｄを開放する方向へ力を生じさせ、バイアスバネ１７ｄは、自信の弾性により弁体１９ｄを押し下げる方向へ力を生じさせる。よってここでも、両バネの荷重のバランスにより弁体１９ｄのストロークが決定され、水出口２３から出湯管５へ流れ込む水の量が調整可能となる。同図１０でも中心線を境にして、右側が高温、左側が低温となる。
【００１５】
又ここでのバイパス比率は、弁体１９ｃ，１９ｄの両ストロークによる弁座１８ｃ，１８ｄの開度で決定されることになるが、バイパス比率の領域は、先に説明した形態３における図８及び９のものと同じである。
そして図１１は、入水温度の変化に対するバイパス比率の変化態様を示したもので、ａは、７０℃出湯時の内胴出口温度８５℃の沸騰限界ライン、ｂは、３８℃出湯時の内胴出口温度４７℃のドレン限界ラインで、ここで明らかなように、入水温度の上昇に従ってバイパス比率も大きくする必要がある。ところが上記形態３では、内胴出口側の１つの形状記憶合金バネ１４ｂでバイパス比率を調整させていたため、入水温度の変化への対応ができず、例えば点線で示すイ、ロのように、入水温度の変化に拘わらず、常に３８℃出湯時での４５％から、７０℃出湯時の１５％までの、一定（３０％）の変化幅となる。この変化幅が大きいと、ハンチングを起こしやすく、出湯温度特性に影響を及ぼすことがある。
しかしここでは、入水温度側にも形状記憶合金バネ１４ｄを設けて、入水温度の変化分をここで負担させるようにしたため、例えば一点鎖線イ´、ロ´の如く、バイパス比率には入水温度に対応した上昇勾配が付与されることになる。この一点鎖線イ´、ロ´に示す変化態様を表２にも示す。
【００１６】
【表２】
0003783168.tif 000003
【００１７】
従ってバイパス比率の変化幅は、出湯温度の変化に対して２３％となり、内胴出口側の形状記憶合金バネ１４ｃ側の負担が少なくなって、安定したミキシングが可能となるのである。勿論ここでも内胴出口温度の範囲を４７℃〜８５℃の範囲とするバイパス比率の調整が可能となり、部品点数の減少によるコストダウンや作業性向上の効果は同様に期待できる。
【００１８】
尚上記形態１〜４では、熱応動部材として形状記憶合金バネを採用したもので説明したが、これに代えて、サーモワックスを内蔵し、その温度上昇に伴う体積変動に従って軸方向へ移動するロッドを備えたシリンダを採用し、このロッドを弁軸として利用する構成としても良い。又バルブユニットは水や湯の流れる方向に沿って配置する必要はなく、熱応動部材が温度検知可能であれば、流れる方向と交差状に配置しても差し支えない。
更に、例えば形態４では、弁体と弁座とをバイパス管からの水出口に１つだけ設けるものとし、バイアスバネをなくして、内胴出口温度と入水温度によって夫々動作する２つの形状記憶合金バネに直接弁体を連動させてバイパス比率を変化させる構成とする等、ユニット内の具体的構成も適宜設計変更可能である。
【００１９】
又上記形態１〜４では、熱応動部材に連動してバイパス管からの水の流量のみを変える制御弁を設けた態様であるが、図１２の如く、例えば内胴出口温度検知の態様である図７の形態において、ユニット本体１１ｂの上流に、第二制御弁として、弁座２４を形成すると共に、弁軸１２ｂの上端に弁体２５を設ける構成とし、形状記憶合金バネ１４ｂの動作による弁軸１２ｂのストロークで、バイパス管９からの水の流量に加えて、熱交換器４の内胴出口からの湯の流量も変更させて、所定のバイパス比率を得ることもできる。この場合、各弁体の動作量が少なくなって、出湯温度特性が良好となる。勿論この態様も、熱応動部材を内胴出口側に配置した図７の形態以外に、ミキシング後の検知となる図４や、内胴出口温度と入水温度とを検知する図１０の形態にも夫々適用可能である。
【００２０】
以上請求項１に記載の発明によれば、２つの形状記憶合金バネで熱交換器の内胴出口温度と入水温度との両方を検知して制御弁の開閉制御を行うことで、熱応動部材を１つ採用したものに比べて夫々の形状記憶合金バネの動作量を最小限に抑えることができるため、ハンチングを防止して良好な出湯温度特性が得られる。又バイパス比率の調整も精度良く行える。
更に請求項２に記載の発明によれば、第二制御弁によって熱交換器側の流量も合わせて制御する構成としたことで、各制御弁による制御量を最小限に抑えて出湯温度特性の良好なミキシングが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイパスミキシング式給湯器の概略及び実施の形態１におけるバルブユニットの説明図である。
【図２】（Ａ）形状記憶合金バネの特性図である。（Ｂ）形状記憶合金バネの特性図である。
【図３】バイパス比率の設定領域を示すグラフである。
【図４】実施の形態２におけるバルブユニットの説明図である。
【図５】バイパス比率の設定領域を示すグラフである。
【図６】形状記憶合金バネの特性図である。
【図７】実施の形態３におけるバルブユニットの説明図である。
【図８】出湯温度と内胴出口温度との関係によるバイパス比率の限界値を示すグラフである。
【図９】バイパス比率の移行態様の一例を示すグラフである。
【図１０】実施の形態４におけるバルブユニットの説明図である。
【図１１】入水温度の変化によるバイパス比率の移行態様を示すグラフである。
【図１２】熱交換器からの湯の流量も調整可能としたバルブユニットの変更例である。
【符号の説明】
１・・バイパスミキシング式給湯器、２・・給水管、３・・ガスバーナ、４・・熱交換器、５・・出湯管、９・・バイパス管、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ・・バルブユニット、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ・・ユニット本体、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ・・形状記憶合金バネ、１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ・・バイアスバネ。
【図１】
0003783168.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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