(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すると共に、その接続部分に、前記バイパス管からの水の流量を制御可能な制御弁を設け、前記制御弁の開閉制御により、前記出湯管の湯に前記バイパス管の水を混合させるバイパスミキシング式給湯器であって、
前記制御弁を２つ直列に配置し、前記バイパス管側の前記制御弁には、前記バイパス管内の水の温度に応じて動作する熱応動部材を、前記出湯管側の前記制御弁には、前記出湯管内の湯の温度に応じて動作する熱応動部材を夫々備えて、前記各制御弁の弁体を夫々前記熱応動部材の動作に直接連動させて、前記各制御弁の開閉制御を行うように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２つの制御弁と熱応動部材とをユニット化して、前記バイパス管と出湯管との接続部分へ着脱可能に収納した請求項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。
一方、出願人は、バイパス管と出湯管との接続部分に１又は２の制御弁を設け、この制御弁に、内胴出口温度又は入水温度を検知する形状記憶合金バネ等の熱応動部材を備えて、この熱応動部材の動作に制御弁の弁体を連動させることで、バイパス比率の調整を可能とする発明を既に提供している。しかし、１の制御弁による内胴出口温度又は入水温度の一方のみの検知では、形状記憶合金バネの変化幅が大きくなってハンチングを起こしやすく、２の制御弁による両方の温度の検知では、入水温度の変化分を負担できるものの、制御弁を並列に配置し、内胴出口温度と入水温度とに夫々対応した流量調整を２通路で別個に行うものであるから、一方で閉弁しても他方で開弁することとなって、バイパス比率を０或はその付近に設定できず、その下限設定に制約を受け、適正なバイパス比率を得るには至らなかった。
【０００４】
そこで、請求項１に記載の発明は、上記電磁弁や水モータを用いない簡単な構成で、バイパス比率を適正に調整し、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ことを目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、前記制御弁を２つ直列に配置し、前記バイパス管側の前記制御弁には、前記バイパス管内の水の温度に応じて動作する熱応動部材を、前記出湯管側の前記制御弁には、前記出湯管内の湯の温度に応じて動作する熱応動部材を夫々備えて、前記各制御弁の弁体を夫々前記熱応動部材の動作に直接連動させて、前記各制御弁の開閉制御を行うようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項２に記載の発明は、請求項１の目的に加えて、前記制御弁等における部品の交換やメンテナンス等を簡単に行うために、前記２つの制御弁と熱応動部材とをユニット化して、前記バイパス管と出湯管との接続部分へ着脱可能に収納したものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
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とが、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。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づいて、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。
【０００７】
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と出湯管５との接続部分に、バルブユニット１０が収容されている。このバルブユニット１０は、出湯管５の内側に嵌着される筒状の嵌着部１１，１１と、その嵌着部１１より小径で、出湯管５の軸線と偏心して収容される筒状のユニット本体１２とを一体に備えてなり、ユニット本体１２には、バイパス管９から水を導入する水入口１３と、ユニット本体１２から出湯管５へ水を排出する水出口１４と、両者を連絡する水通路１５とが夫々形成されている。
又、水通路１５の略中央には、第一弁座１６が形成されると共に、第一弁座１６を開閉する第一弁体１７が、軸方向へスライド可能に収容されて一方の制御弁を構成しており、その第一弁体１７の下方に弁軸１８を介して連結された平面十字状の連動体１９の上側には、熱応動部材としての形状記憶合金バネ２０が、下側には、普通のコイルバネであるバイアスバネ２１が夫々配置されている。尚、２２は、ユニット本体１２の下端に嵌着されてバイアスバネ２１の下端を受けるプラグである。
【０００８】
一方、水通路１５における水出口１４際には、第二弁座２３が形成され、ユニット本体１２の上側には、下端が小径となる二段形状の弁部２５を形成した第二弁体２４が、軸方向へスライド可能に収容されて、他方の制御弁を構成している。又、第二弁体２４の内部には、ユニット本体１２の上端に嵌着されたバネ受キャップ２６に上端を支持させた熱応動部材としての形状記憶合金バネ２７が配置され、第二弁体２４の外周で、水出口１４の位置でユニット本体１２の内周に形成された段部１２ａと、第二弁体２４の上端に周設されたフランジ２４ａとの間には、普通のコイルバネであるバイアスバネ２８が配置されている。尚、バネ受キャップ２６と第二弁体２４の外周とには、夫々透孔２６ａ、スリット２４ｂ，２４ｂが穿設されて、内胴出口からの湯をユニット本体１２へ流入させて水出口１４から排出可能としている。
【０００９】
以上の如く構成されたバイパスミキシング式給湯器１においては、給水管２からバイパス管９へ流れる水道水は、水入口１３からバルブユニット１０内へ流入する。すると形状記憶合金バネ２０は、水道水の温度（以下「入水温度」という）に応じて荷重を変化させて、反対側のバイアスバネ２１とバランスする位置で第一弁体１７のストロークを決定し、第一弁座１６の開度を設定する。ここでは、入水温度が高くなると形状記憶合金バネ２０は伸長し（中心線の右側）、連動体１９、弁軸１８と共に第一弁体１７を押し下げ、第一弁座１６の開度を増加させる。具体的には、入水温度が５℃〜２５℃の間で変化するものとして、第一弁座１６の開度、即ち入水側バルブ開口面積Ａw は、図２のグラフに示すように変化する（実線を挟む点線は、形状記憶合金バネ２０のヒステリシスによるばらつきである）。
【００１０】
一方、熱交換器４を通って加熱され、内胴出口から出湯された湯は、出湯管５を通ってバネ受キャップ２６の透孔２６ａからユニット本体１２内に流入する。すると形状記憶合金バネ２７は、ここに流れ込む湯の温度に応じて荷重を変化させて、反対側のバイアスバネ２８とバランスする位置で第二弁体２４のストロークを決定し、第二弁座２３の開度を設定する。ここでは、内胴出口温度が高くなると形状記憶合金バネ２７は伸長し（中心線の右側）、第二弁体２４を押し下げ、第二弁座２３の開度を減少させる。即ち、内胴出口温度の変化に対して、第二弁座２３の開度、即ち内胴側バルブ開口面積Ａn は、図３のグラフに示すように変化する（実線を挟む点線は、形状記憶合金バネ２７のヒステリシスによるばらつきである）。
このように本形態では、入水温度による第一弁体１７のストローク、内胴出口温度による第二弁体２４のストロークに基づいて、パイパス管９からの流量を調整し、給湯器への全流量に対するバイパス管９を流れる流量の比、即ちバイパス比率を調整できる。よって通水系側のみで適正なミキシングが可能となり、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、構成が簡略化し、コストダウンが達成できる。又、バルブユニット１０として収容する構成としたことで、バイパスミキシング式給湯器への着脱が容易に行え、部品の交換等にも至便となり、作業性の向上も期待できる。
特にここでは、２つの制御弁を構成する第一弁体１７等と第二弁体２４等とを直列に配置すると共に、内胴出口温度を検知して作動する第二弁体２４等を水出口１４側に設けたことで、以下に詳述するように、内胴温検知側の第二弁体２４等がメインとなってバイパス比率を決定でき、適正なバイパス比率の選択が可能となるのである。
【００１１】
次に、上記バルブユニット１０により調整されるバイパス比率について以下に詳述する。
まず、各制御弁（弁体と弁座）とで構成される流れ場において、流量Ｑ、通過面積Ａ、圧力降下ΔＰ（上流側の圧力をＰ0 、下流側の圧力をＰ1 とすれば、ΔＰ＝Ｐ0 −Ｐ1 となる）との間には、
【００１２】
【数１】
0003824394.tif 000002
【００１３】
の関係がある（Ｃは、流れ場の形状等で決まる定数）。
ここで、バイパス管９を流れる流量をＱ、熱交換器４を流れる流量をＱ0 、第一弁体１７による入水側バルブ開口面積をＡw 、第二弁体２４による内胴側バルブ開口面積をＡn 、熱交換器４の通過面積をＡ0 、バイパス管９内の圧力をＰ0 、第一弁体１７を通過した水通路１５内の圧力をＰ1 、第二弁体２４を通過した水通路１５内の圧力をＰ2 、そして、第一弁体１７部分で与えられる定数をＣw 、第二弁体２４部分で与えられる定数をＣn 、熱交換器４部分で与えられる定数をＣ0 として、各流れ場において上記数１の関係を当てはめると、以下の数２のようになる。
【００１４】
【数２】
0003824394.tif 000003
この数２より、▲１▼＋▲２▼で得た式を▲３▼に代入すると、以下の数３が得られる。
【００１５】
【数３】
0003824394.tif 000004
【００１６】
一方、バイパス比率Ｂは、
0003824394.tif 000005
これに数３を代入し、Ｃw ＝Ｃn ＝Ｃ0 ＝１となるように設計すれば、バイパス比率Ｂは、各通過面積間の関係が以下の数４となる式で求められる。
【００１７】
【数４】
0003824394.tif 000006
【００１８】
そこで、図４は、図２のグラフで得られる開口面積Ａw と、図３のグラフで得られる開口面積Ａn とを用い、数４の式に基づいて算出したバイパス比率の分布を示すもので、このバイパス比率の分布において、入水温度の変化内で得られる開口面積Ａw の変化領域（約７．５mm2 〜２９．０mm2 ）と、内胴出口温度の変化内で得られる開口面積Ａn の変化領域（約４．０mm2 〜４１．０mm2 ）との重複領域で、バイパス比率（約１３．０〜５０．０％の範囲）を設定すれば良いことになる。
一方、図５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、一点鎖線イは、本形態において、出湯温度３８℃での入水温度の変化に応じたバイパス比率の推移を、一点鎖線ロは、出湯温度７０℃での入水温度の変化に応じたパイパス比率の推移を夫々示したもので、各数値は、図４において、内胴出口温度に対応する内胴側バルブ開口面積（図３において、例えば内胴出口温度４７℃では約４１mm2 となる）の横軸と、入水温度に対応する入水側バルブ開口面積（図２において、例えば入水温度５℃では約７．５mm2 ）の縦軸との交点で求められる。
又、図４で明らかな如く、入水側７．５mm2 と内胴側４１．０mm2 との交点付近と、入水側２９．０mm2 と内胴側４．０mm2 との交点付近とにおいては、バイパス率は、入水側バルブ開口面積、内胴側バルブ開口面積のばらつきに対して殆ど影響を受けていない。言い換えれば、一点鎖線イにおける入水温度５℃よりのバイパス率、一点鎖線ロにおける入水温度２５℃よりのバイパス率のばらつきが小さいことがわかる。
【００１９】
ここで明らかなように、本形態では、内胴出口温度が低い場合には入水温度の変化に対するバイパス比率の変化の幅が大きく、内胴出口温度が高い場合には入水温度の変化に殆ど影響を受けないこと、又、入水温度が低い方に比べて、高い方が、内胴出口温度の変化に対するバイパス比率の変化幅が大きいこと、が言える。これは、本形態では、第一弁体１７等の入水側バルブと、第二弁体２４等の内胴側バルブとを直列に配置すると共に、水出口１４側に第二弁体２４等の内胴側バルブを配置したことで、主に内胴側バルブの開口面積によりバイパス比率が左右され、入水側バルブの開口面積の変化は補助的に作用するようになったことによるもので、この結果、一点鎖線ロのように、バイパス比率の下限値を沸騰限界ラインに対して余裕が得られる数値に維持しつつ、一点鎖線イのように、ドレン限界ラインを上回り過ぎない適正値に調整することが可能となったのである。
ちなみに図５で表れる破線イ´、ロ´は、従来技術で説明したように、入水側バルブと内胴側バルブとを並列に配置した場合のバイパス比率の推移を示したものであるが、ここでは、入水側バルブの採用によって、入水温度の変化に応じた勾配が付与されるものの、内胴出口温度の変化に対してもバイパス比率は常に一定の変化幅となる（破線イ´、ロ´が平行となる）。よって、沸騰限界ラインに対して余裕を取るために、破線ロ´において入水温度２５℃側でのバイパス比率を下げる（破線ロ´の勾配を緩くする）と、逆に破線イ´の入水温度５℃側でのバイパス比率が上昇し、ドレン下限を無駄に上回ることになる。このように、両バルブを並列配置したものに比較して、直列配置にして内胴側バルブをメインとする方が、より適正なバイパス比率が得られることが明らかである。
【００２０】
尚、各弁体や弁座の形状は上記実施の形態に限定するものでなく、内胴側バルブと入水側バルブを直列に配置し、内胴側バルブを水出口側とするものであれば適宜設計変更可能で、バルブユニット自体も、出湯管内に配置する他、バイパス管内で、出湯管に対して交差するように配置しても差し支えない。
又、熱応動部材としては、形状記憶合金バネの他、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複数採用し、夫々のロッドに弁体を設ける構成としても良い。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、前記熱応動部材を備えた２つの制御弁を、夫々内胴出口温度と入水温度に応じて開閉制御させるようにしたことで、通水系側のみで適切なミキシングが可能となる。又、電磁弁等を用いない簡単な構成となって、コストダウンも達成できる。特に、前記制御弁を直列に配置し、バイパス管側の制御弁の熱応動部材を、バイパス管内の水の温度に対応させ、出湯管側の制御弁の熱応動部材を、出湯管内の湯の温度に対応させる構成としたことにより、出湯管側の制御弁がメインとなって、適正なバイパス比率を設定可能となる。
又、請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、前記２つの制御弁と熱応動部材とをユニット化したことで、給湯器への着脱が容易となり、熱応動部材を利用したミキシング機能を簡単に付与できると共に、部品の交換等メンテナンスも良好な作業性で行うことが可能となる。
【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バルブユニットの説明図である。
【図２】入水温度の変化による入水側バルブ開口面積の推移を示すグラフである。
【図３】内胴出口温度の変化による内胴側バルブ開口面積の推移を示すグラフである。
【図４】入水側バルブ開口面積と内胴側バルブ開口面積との関係によるバイパス比率の設定領域を示すグラフである。
【図５】入水温度の変化によるバイパス比率の推移を示すグラフである。
【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・・出湯管、１０・・バルブユニット、１２・・ユニット本体、１７・・第一弁体、２０，２７・・形状記憶合金バネ、２１，２８・・バイアスバネ、２４・・第二弁体。
【図１】
0003824394.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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