特許 5982306 電磁弁及び給湯機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5982306

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】電磁弁及び給湯機

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/06 20060101AFI20160818BHJP

   F16K 31/40 20060101ALI20160818BHJP

   F24H 1/00 20060101ALN20160818BHJP

【ＦＩ】

   F16K31/06 305L

   F16K31/40 B

   F16K31/06 385E

   !F24H1/00 602D

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-49823(P2013-49823)

(22)【出願日】2013年3月13日

(65)【公開番号】特開2014-173707(P2014-173707A)

(43)【公開日】2014年9月22日

【審査請求日】2015年1月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】399048917

【氏名又は名称】日立アプライアンス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100310

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 学

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】古河 俊輔

【審査官】 北村 一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２４９１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２０８６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０４−０３６１８４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０４４２４９５２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ ３１／０６

Ｆ１６Ｋ ３１／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１次側と２次側とを隔てるポート部を開閉する弁体と、
前記弁体を前記ポート部に押し付けるように背圧力を作用させる背圧室と、
前記背圧室よりも上流側の１次圧を前記背圧室へ伝達するブリード孔と、
前記弁体に設けられ、前記背圧室と二次側とを連通させるパイロット孔と、
前記パイロット孔を開閉するパイロット弁体を有するプランジャと、
前記プランジャを前記パイロット孔に向けて付勢する付勢手段と、
前記付勢手段の付勢力に抗して前記プランジャを前記パイロット孔から引き離すコイルとを備え、
弁閉時に前記パイロット弁体が前記パイロット孔を閉塞してから前記背圧室の背圧力が１次圧に達するまでに要する時間ｔが次式で表され、ｔ≧０．５秒となるように設定されることを特徴とする電磁弁。

【請求項2】

１次側と２次側とを隔てるポート部を開閉する弁体と、
前記弁体を前記ポート部に押し付けるように背圧力を作用させる背圧室と、
前記背圧室よりも上流側の１次圧を前記背圧室へ伝達するブリード孔と、
前記弁体に設けられ、前記背圧室と二次側とを連通させるパイロット孔と、
前記パイロット孔を開閉するパイロット弁体を有するプランジャと、
前記プランジャを前記パイロット孔に向けて付勢する付勢手段と、
前記付勢手段の付勢力に抗して前記プランジャを前記パイロット孔から引き離すコイルとを備え、
弁閉時に前記弁体が移動を開始してから前記パイロット弁体が前記パイロット孔を閉塞するまでに要する時間Ｔ、又は、弁開時に前記パイロット弁体が前記パイロット孔を開放してから前記弁体の移動が完了するまでに要する時間Ｔが次式で表され、Ｔ≧０．５秒となるように設定されることを特徴とする電磁弁。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の電磁弁を備える給湯機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁弁及び給湯機に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、給湯機の風呂注湯回路にはパイロット式電磁弁が設けられ風呂注湯回路の開閉を行っている。このようなパイロット式電磁弁は通電ＯＦＦ直後に流路閉状態とするため、種々の好ましくない現象を生じさせるおそれがある。

【0003】

例えば、電磁弁に対する通電をＯＦＦとした直後に流路が閉じると、流路に水撃が発生し、構成部品にとって好ましくない。また、水撃の原理とも共通するが、台所への給湯と浴槽への注湯を同時に行う同時給湯時に、風呂注湯回路に設けられた電磁弁の急激な開閉動作を行うと、給湯温度が急激に変化するオーバーシュートやアンダーシュートといった利用者にとって不快な現象を招くおそれがある。

【0004】

このような好ましくない現象を防止するための手段として、先行文献１に示すように流量調整弁を用いる方法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−５２７９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、風呂注湯回路内に流量調整弁を設け風呂注湯回路の瞬間的な開閉を避けることで、水撃やオーバーシュート等の好ましくない現象を防ぐことが可能であるが、流量調整弁を設けるためのコストが必要となってしまう。また、風呂注湯回路内に設けられた流量調整弁自身が圧力損失をもたらし、注湯の流量が低下してしまうといったおそれもある。

【0007】

そこで、本発明は、電磁弁の開閉動作に伴って生じ得る好ましくない現象を抑制することができる電磁弁を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、１次側と２次側とを隔てるポート部を開閉する弁体と、前記弁体を前記ポート部に押し付けるように背圧力を作用させる背圧室と、前記背圧室よりも上流側の１次圧を前記背圧室へ伝達するブリード孔と、前記弁体に設けられ、前記背圧室と二次側とを連通させるパイロット孔と、前記パイロット孔を開閉するパイロット弁体を有するプランジャと、前記プランジャを前記パイロット孔に向けて付勢する付勢手段と、前記付勢手段の付勢力に抗して前記プランジャを前記パイロット孔から引き離すコイルとを備え、弁閉時に前記パイロット弁体が前記パイロット孔を閉塞してから前記背圧室の背圧力が１次圧に達するまでに要する時間ｔが次式で表され、ｔ≧０．５秒となるように設定されることを特徴とする。

【0009】

【数1】

【0010】

或いは、本発明は、１次側と２次側とを隔てるポート部を開閉する弁体と、前記弁体を前記ポート部に押し付けるように背圧力を作用させる背圧室と、前記背圧室よりも上流側の１次圧を前記背圧室へ伝達するブリード孔と、前記弁体に設けられ、前記背圧室と二次側とを連通させるパイロット孔と、前記パイロット孔を開閉するパイロット弁体を有するプランジャと、前記プランジャを前記パイロット孔に向けて付勢する付勢手段と、前記付勢手段の付勢力に抗して前記プランジャを前記パイロット孔から引き離すコイルとを備え、弁閉時に前記弁体が移動を開始してから前記パイロット弁体が前記パイロット孔を閉塞するまでに要する時間Ｔ、又は、弁開時に前記パイロット弁体が前記パイロット孔を開放してから前記弁体の移動が完了するまでに要する時間Ｔが次式で表され、Ｔ≧０．５秒となるように設定されることを特徴とする。

【0011】

【数2】

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、電磁弁の開閉動作に伴って生じ得る好ましくない現象を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態に係る給湯機のシステム図を示す。

【図2】第１実施形態に係る給湯機の電磁弁の断面図を示す。

【図3】弁閉時にパイロット弁体４２がパイロット孔３７を閉塞してから背圧室３６の背圧力が１次圧に達するまでに要する時間ｔと、背圧室の容積差ΔＶと、ブリード孔の面積Ｃとの関係のグラフを示す。

【図4】同時給湯時の給湯温度の変化を示すグラフであり、（ａ）は、一般的な電磁弁を用いた場合を示し、（ｂ）は、本実施形態に係る電磁弁を用いた場合を示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について、説明する。

【0015】

図１に示すように、給湯機１０内には、湯を貯蔵する貯湯タンク１１と湯を生成するための熱源であるヒートポンプユニット１２を備える。

【0016】

貯湯タンク１１の上部からは湯を取り出す出湯回路１３が設けられ、出湯回路１３は、蛇口やシャワー等への一般給湯端末に給湯する給湯回路１４と、浴槽に設けられる浴槽端末を用いて浴槽に注湯する風呂注湯回路１５に分岐している。給湯回路１４は分岐点から一般給湯端末１６までの回路となっており、風呂注湯回路１５は分岐点からと浴槽端末１７までの回路となっている。給湯回路１４は給水回路１８と接続しており接続部に設けられた給湯混合弁１９により湯と水を適当な温度に混合し、給湯口１６へ給湯する。給湯回路１４の開閉は給湯口１６で行う。風呂注湯回路１５は給水回路１８と接続しており接続部に設けられた風呂混合弁２０により湯と水を適当な温度に混合し、浴槽１７へ注湯している。風呂注湯回路１５の開閉は、風呂混合弁２０の下流側に設けられた電磁弁２１で行う。

【0017】

電磁弁２１が開状態となっているとき、浴槽１７へ注湯が行われる。注湯が終了し電磁弁２１が閉状態となるとき、風呂注湯回路１５内の湯水が浴槽へ向かう方向へ所持している運動エネルギーは、水撃となって電磁弁２１に加わる。一般的に、水撃発生時は「ドン」という衝撃音が発生する。

【0018】

水撃は、それまで流れていた流体の流路を瞬間的に切断すると起こるもので、例えば手動のバルブなどのように流路をゆるやかに減少させながら切断する機構のものにおいては通常発生しない。水撃を防止するには、時間あたりの流路減少の傾きは小さいほど望ましい。

【0019】

次に、本実施形態に係る電磁弁２１について説明する。電磁弁２１は、１次側と２次側とを隔てるポート部３２を開閉する弁体４１と、弁体４１をポート部３２に押し付けるように背圧力を作用させる背圧室３６と、背圧室３６よりも上流側の１次圧を背圧室３６へ伝達するブリード孔３５と、弁体４１に設けられ、背圧室３６と二次側とを連通させるパイロット孔３７と、パイロット孔３７を開閉するパイロット弁体４２を有するプランジャ３８と、プランジャ３８をパイロット孔３７に向けて付勢する付勢手段４３と、付勢手段４３の付勢力に抗してプランジャ３８をパイロット孔３７から引き離すコイル３９とを備える。弁体４１は、ダイヤフラム３３とダイヤフラム受け３４とで構成される。

【0020】

図２に示すように、電磁弁２１は大きくは１次側流路３０と２次側流路３１に分かれ、１次側流路３０と２次側流路３１の境界であるポート部３２にダイヤフラム３３が当接するか否かにより流路の開閉を可能としている。ダイヤフラム受け３４は、１次側の水圧を背圧室へ伝達するブリード孔３５と背圧室３６の水圧を２次側へ排出するパイロット孔３７が設けられており、ダイヤフラム３３とともに上下にストローク移動ができる。プランジャ３８はコイル３９の起磁力によりプランジャケース４０内を上下にストローク移動できようになっており、通電がＯＦＦの状態ではパイロット孔３７を閉状態とし、通電がＯＮ状態ではパイロット孔３７を開状態とすることができる。

【0021】

通電をＯＮとし、電磁弁２１が開状態の時、１次圧がダイヤフラム３３をポート部３２から押し上げようとする力と背圧がダイヤフラム３３をポート部３２へ押し付けようとする力の関係は、以下の関係式となり電磁弁開状態がつりあっている。
Ｆ１≧Ｆ２
Ｆ１＝Ｐ１×（Ａ−Ｂ）＋Ｐ３×Ｂ
Ｆ２＝Ｐ２×Ａ
Ｆ１：１次圧が弁体を押し上げる力
Ｆ２：背圧が弁体を押し付ける力
Ｐ１：背圧室よりも上流側の１次圧
Ｐ２：背圧力
Ｐ３：２次圧
Ａ：弁体が背圧室から背圧力を受ける面積
Ｂ：弁体が２次側から２次圧を受ける面積
ここで通電をＯＦＦにすると、プランジャ３８がコイル３９から受けていた起磁力がなくなりパイロット孔３８を塞ぐ、すると背圧室３６の背圧力がパイロット孔３７を通って２次側流路３１へ排出できなくなるので、背圧室３６の背圧力が上昇する。Ｆ１＝Ｆ２となった地点からダイヤフラム３３はポート部３２を塞ぐ方向へ移動を始める。ダイヤフラム３３が移動を開始するところから流路の減少が始まりダイヤフラム３３がポート部３２に当接した時点で流路がなくなり電磁弁２１が閉状態となる。一般的にはダイヤフラム３３は急激に移動し水撃を伴う。しかしダイヤフラム３３の移動をおだやかにすることで水撃を防止することができる。

【0022】

ダイヤフラム３３移動前の背圧室３６の容積をＶ１とし、ダイヤフラ３３ム移動後の背圧室３６の容積をＶ２とする。ダイヤフラム３３の移動が完了するためには移動前後での容積差ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）分の水をブリード孔３５から背圧室３６へ送る必要がある。ブリード孔３７を通る水の流速ｆ（Ｐ）はベルヌーイの定理を用いることにより式（３）で表せる。

【0023】

【数3】

【0024】

ここで、ブリード孔３５の断面積により、ブリード孔３５から背圧室へ流入する流量を定めることができ、背圧室３６の容積差ΔＶを充填するための時間すなわちダイヤフラム３３が閉止するために移動する時間ｔは式（４）で表すことができる。なお、この時間ｔは、弁閉時にパイロット弁体４２がパイロット孔３７を閉塞してから背圧室３６の背圧力が１次圧に達するまでに要する時間となる。

【0025】

【数4】

【0026】

ここで、通電ＯＦＦ後、ダイヤフラムが移動を開始する時は、Ｆ１＝Ｆ２が成立した時であり、Ｐ２は上述したＦ１＝Ｐ１×（Ａ−Ｂ）＋Ｐ３×Ｂ、Ｆ２＝Ｐ２×Ａの関係より式（５）で表せる。
Ｐ２＝（Ｐ１×（Ａ−Ｂ）＋Ｐ３×Ｂ）／Ａ・・・（５）
よって、式（３）と式（５）を式（４）に代入すると、式（１）が得られる。

【0027】

【数5】

【0028】

上式により、ｔはΔＶとＣとＡとＢに依存した値となるのがわかる。

【0029】

ところで、給湯機など水道に接続する給水用具の水撃に関する基準は、厚生省令１４号により、動水圧０．１５ＭＰａの条件において、０．５秒を標準として給水用具の止水機構を閉止したときの水撃による上昇圧力が１．５ＭＰａ以下であることと定められている。

【0030】

この水道法上の基準を満足するために有効な手段は、動水圧を下げること、電磁弁までの配管を短くすること、電磁弁の開閉動作をゆるやかにすることがあるが、動水圧の値や配管の長さは現地の環境により仕様が左右されるため、コントロールすることが難しい。しかし、ｔはΔＶとＣとＡとＢを調節することによりコントロールすることが可能である。ｔの値を０．５秒以上とすることで、水撃を緩和することができる。

【0031】

ｔが０．５秒以上となるΔＶとＣとＡとＢの値の一例を、以下のとおり示す。ここで、給湯機に用いられるパイロット式電磁弁の標準的な条件として以下のとおり値を定める。
Ｐ１＝１５０ｋＰａ
Ｐ３＝１３０ｋＰａ
Ａ＝５００ｍｍ²
Ｂ＝２００ｍｍ²
この時、Ｐ２は式（５）よりＰ２＝１４２ｋＰａとなる。

【0032】

Ｐ１＝１５０ｋＰａ、Ｐ２＝１４２ｋＰａ、ｇ＝９．８ｍ／Ｓ２、γ＝１ｇ／ｃｍ³とすれば、ｆ（Ｐ）は式（３）よりｆ（Ｐ）＝４．０ｍ／ｓとなる。

【0033】

ここで、ダイヤフラム３３のストロークをＬとすれば、ΔＶ＝（Ｖ２−Ｖ１）＝（Ａ×Ｌ）であることがわかる。ストロークＬ＝３ｍｍとすると、ΔＶ＝１５００ｍｍ³となる。
式（４）より、Ｃ＝ΔＶ／（ｔ×ｆ（Ｐ））と変換できるので、ｔ＝０．５とするためのＣは、Ｃ＝０．７５ｍｍ²となる。

【0034】

よって、本例では各値を以下のとおり定めることでｔ＝０．５秒の設計となり、各値を調整することでｔの値を調整することができる。

【0035】

ｔとΔＶ／Ｃの関係をグラフに表すと、図３のとおりであり、ｔ＝０．５秒以上とすれば、背圧室がいわばショックアブソーバとして機能するため、ゆるやかな開閉動作を実現し、水撃を防ぐことができる。

【0036】

次に、給湯のみを行っていた状態から浴槽への注湯を開始した際に給湯温度が急激に低下するアンダーシュートを抑えることができる電磁弁について説明する。

【0037】

まず、給湯口１６への給湯と浴槽１７への注湯を同時に行うことを同時給湯という。給湯のみを行っている時、例えば、給湯設定温度が４０℃、タンク上部の湯側温度が８０℃、給水の水側温度が２０℃の場合、給湯混合弁１９は湯側対水側が約１対２割合で混合する位置に留まり４０℃のお湯を給湯する。

【0038】

給湯中に浴槽１７への注湯を開始すると、給湯と注湯を同時に行うことになるため、それまで給湯混合弁１９側へのみ供給されていたタンク上部の高温の湯は、風呂混合弁２０側へも供給されることになる。このとき、給湯混合弁１９側へ供給する高温の湯の量が減り給湯温度が低下する。その直後、一般的には給湯混合弁１９の下流側に設けてある温度センサが給湯温度の低下を検知し、設定温度である４０℃となるように給湯混合弁１９の開度を調節する。よって、図４（ａ）に示すとおり、給湯温度は瞬間的に下がってしまう。

【0039】

このような給湯温度の瞬間的な低下は、電磁弁２１が閉状態から開状態へ瞬間的に開いてしまうため瞬間的に下がった給湯温度の変化に対し、給湯混合弁１９の調整が間に合わなかったために起こる現象である。

【0040】

この現象を防ぐための有効な手段は、電磁弁２１が閉状態から開状態となる動作をゆっくり行い、給湯混合弁１９の開度を調整する時間を確保することである。

【0041】

電磁弁が閉状態の時、１次圧がダイヤフラム３３をポート部３２から押し上げようとする力と背圧がダイヤフラム３３をポート部２２へ押し付けようとする力の関係は、以下の関係式となり電磁弁開状態がつりあっている。
Ｆ１≦Ｆ２
Ｆ１＝Ｐ１×（Ａ−Ｂ）＋Ｐ３×Ｂ
Ｆ２＝Ｐ２×Ａ
Ｐ１＝Ｐ２
ここで通電をＯＮにすると、プランジャ３８がコイル３９から起磁力を受けパイロット孔３７が開く、すると背圧室３６の背圧力がパイロット孔３７を通って２次側流路３１へ排出され、背圧室３６の背圧力が低下する。Ｆ１＝Ｆ２となった地点からダイヤフラム３３はポート部３２から離れはじめ、徐々に流路を拡大する。ダイヤフラム３３が移動を開始するところから流路の拡大が始まりダイヤフラム受け３４がプランジャケース４０に当接した時点で流路が最大となる。

【0042】

ダイヤフラム３３移動前の背圧室３６の容積をＶ２となり、ダイヤフラム３３移動後の背圧室３６の容積をＶ１となる。ダイヤフラム３３の移動が完了するためには移動前後での容積差ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）分の水をパイロット孔３７から２次側へ排出する必要がある。このとき、同時に１次側の水がブリード孔３５から背圧室３６へ流入するので、パイロット孔３７の流量はブリード孔３５の流量より多くなければならない。パイロット孔３７を通る水の流速ｈ（Ｐ）はベルヌーイの定理を用いることにより式（６）で表せる。

【0043】

【数6】

【0044】

ここで、パイロット孔３７の断面積により流量を定めることができ、容積差ΔＶを排出するための時間Ｔは、式（７）で表すことができる。なお、この時間Ｔは、弁閉時に弁体４１が移動を開始してからパイロット弁体４２がパイロット孔３７を閉塞するまでに要する時間となる。

【0045】

【数7】

【0046】

式（７）に、式（３）のｆ（Ｐ）、式（６）のｈ（Ｐ）を代入すると式（８）のとおりとなる。

【0047】

【数8】

【0048】

式（８）に式（５）のＰ２を代入すると式（２）のとおりとなる。

【0049】

【数9】

【0050】

上式により、ＴはΔＶとＤとＣとＡとＢに依存した値となるのがわかる。

【0051】

ここで、給湯機に用いられるパイロット式電磁弁の標準的な条件として以下のとおり値を定める。
Ｐ１＝１５０ｋＰａ
Ｐ３＝１３０ｋＰａ
ΔＶ＝１５００ｍｍ³
Ｃ＝０．７５ｍｍ²
Ａ＝５００ｍｍ²
Ｂ＝２００ｍｍ²
ｇ＝９．８ｍ／Ｓ２
γ＝１ｇ／ｃｍ³
この条件でｈ（Ｐ）を計算すると、ｈ（Ｐ）＝４．９ｍ／ｓとなり、Ｔ＝０．５秒となるときのＤは、Ｄ＝１．２３ｍｍ²となる。よって、Ｔ＝０．５秒の設計となり、各値を調整することでＴの値を調整することができる。なお、電磁弁２１がパイロット式電磁弁として機能するためには、Ｃ＜Ｄの関係が成立することが必要であり、上記条件ではこの関係が満たされている。

【0052】

また、この電磁弁２１によれば、給湯と浴槽への注湯の同時給湯を行っていた状態から浴槽給湯を終了した際に給湯温度が上昇するオーバーシュートを抑えることができる。

【0053】

電磁弁２１を開動作させた際に給湯温度が低下する現象とは反対に、電磁弁２１を閉動作させた際は、それまで風呂混合弁２０へ供給していたタンク上部の高温の湯が給湯混合弁１９へ流れるので、給湯温度が上昇する。その直後、一般的には給湯混合弁１９の下流側に設けてある温度センサが給湯温度の上昇を検知し、設定温度である４０℃となるように給湯混合弁１９の開度を調節する。よって、図４（ａ）に示すように、給湯温度は瞬間的に上がってしまう。

【0054】

この現象を防ぐための手段は、電磁弁２１をゆるやかに閉状態にし、給湯混合弁１９の開度を調整する時間を確保することである。遅延機構を備えた電磁弁２１を用いると、弁開時にパイロット弁体４２がパイロット孔３７を開放してから弁体４１の移動が完了するまでに要する時間Ｔが長くなり、給湯混合弁１９に供給されるタンク上部の高温の湯は瞬間的に増加せずゆっくり増加するため、給湯混合弁１９が給湯温度を調整する時間を確保することができる。結果として、図４（ｂ）で示すとおりオーバーシュートを緩和することができる。

【0055】

このように、本実施形態に係る電磁弁によれば、同時給湯時のアンダーシュートやオーバーシュートといった給湯温度異常を良好に抑えることができる。

【0056】

なお、本発明は、図１に示されるようないわゆる電気給湯機以外にも、浴槽注湯機能を有するガス給湯機などにも適用することができる。

【符号の説明】

【0057】

１０…給湯機、１１…貯湯タンク、１２…ヒートポンプユニット、１３…出湯回路、１４…給湯回路、１５…風呂注湯回路、１６…一般給湯端末、１７…浴槽端末、１８給水回路、１９…給湯混合弁、２０…風呂混合弁、２１…電磁弁、３０…１次側流路、３１…２次側流路、３２…ポート部、３３…ダイヤフラム、３４…ダイヤフラム受け、３５…ブリード孔、３６…背圧室、３７…パイロット孔、３８…プランジャ、３９…コイル、４０…プランジャケース、４１…弁体、４２…パイロット弁体、４３…付勢手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】