JP2015210052A - 流体加熱制御装置及びそれを用いた衛生洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出湯温の昇温時間を短縮し得る流体加熱制御装置及びそれを用いた衛生洗浄装置を提供する。【解決手段】流体加熱制御装置１において、電気ヒータ１１を通電させる制御動作は、目標温度まで水温上昇させる予加熱動作と、目標温度に達した水温を保つための本加熱動作とを行い、予加熱動作では、その動作終了時点でのフィードバック制御値を、補正値として記憶し、本加熱動作では、フィードフォワード制御値とフィードバック制御値とから得られる通電率制御値を、記憶している前記補正値によって補正して用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、電気ヒータによって流体を加熱する流体加熱制御装置及びそれを用いた衛生洗浄装置に関する。

前記のような流体加熱制御装置に係る従来技術の例として、次の特許文献１が挙げられる。ここには、衛生洗浄装置において、熱交換器に入水サーミスタと出湯サーミスタとを設け、入水温度から予測した出湯温度の予測値と、出湯サーミスタが検知した出湯温度との差が大きい場合は、熱交換器への通電の遮断することが記載されている。

特開２０１２−０４６９６９号公報

上記特許文献１に記載の衛生洗浄装置は、入水温に対するフィードフォワード制御によって熱交換器を制御していると考えられる。このようにフィードフォワード制御で目標温度に近づくように流体の加熱を制御する場合は、その時々の周囲温度等に起因する環境要因などによって目標温度と出湯温度との差が大きくなってしまうことがある。また入水温度と目標温度との差が大きいと目標温度に到達するのに時間がかかってしまう場合もある。

本発明は、このような事情を考慮して提案されたもので、その目的は、出湯温の昇温時間を短縮することを目的とする。

本発明は、入水温センサ及び出湯温センサが設けられた電気ヒータを備え、入水温に基づくフィードフォワード制御値と、出湯温に基づくフィードバック制御値とを逐次算出しその両者を組み合わせて得られる通電率制御値に基づいて電気ヒータを通電させる制御動作を実行する流体加熱制御装置において、前記制御動作は、目標温度まで水温上昇させる予加熱動作と、目標温度に達した水温を保つための本加熱動作とを行い、前記予加熱動作では、その動作終了時点でのフィードバック制御値を、補正値として記憶し、前記本加熱動作では、フィードフォワード制御値とフィードバック制御値とから得られる通電率制御値を、記憶している前記補正値によって補正して用いることを特徴とする。

本発明において前記フィードバック制御値は、出湯温の時間積分によって算出するようにしてもよい。
また本発明の流体加熱制御装置を、前洗浄と、人体局部を洗浄する本洗浄とを連続的に実行する衛生洗浄装置に適用してもよい。この場合は、前記前洗浄の際には前記予加熱動作によって洗浄水を加熱し、前記本洗浄の際には前記本加熱動作によって洗浄水を加熱する。

本発明によれば、上述の構成としているため、出湯温の昇温時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態に係る流体加熱制御装置の基本構成図である。 同流体加熱制御装置の予加熱動作による出湯温の時間変化の例を示すグラフである。 （ａ）は同流体加熱制御装置の予加熱動作における出湯温の時間変化を示すグラフ、（ｂ）は通電率制御値の時間変化を示すグラフであり、対比のために（ａ）、（ｂ）の時間軸を揃えている。 （ａ）は同流体加熱制御装置の本加熱動作における出湯温の時間変化を示すグラフ、（ｂ）は通電率制御値の時間変化を示すグラフであり、対比のために（ａ）、（ｂ）の時間軸を揃えている。 本発明の実施形態の他例において、予加熱動作の後、制御オフの状態を挟んで、本加熱動作を行ったときの出湯温の時間変化を示すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
本実施形態に係る流体加熱制御装置１は、入水温センサ１２及び出湯温センサ１３が設けられた電気ヒータ１１を備えている。流体加熱制御装置１は、入水温に基づくフィードフォワード制御値と、出湯温に基づくフィードバック制御値とを逐次算出しその両者を組み合わせて得られる通電率制御値に基づいて電気ヒータ１１を通電させる制御動作を行う。制御動作は、目標温度まで水温上昇させる予加熱動作と、目標温度に達した水温を保つための本加熱動作とを実行する。予加熱動作では、その動作終了時点でのフィードバック制御値を、補正値として記憶する。本加熱動作では、フィードフォワード制御値とフィードバック制御値とから得られる通電率制御値を、記憶している補正値によって補正して用いる。
すなわち流体加熱制御装置１は、予加熱動作と本加熱動作の２回の加熱動作を行うので、１回目の加熱動作の結果を参照することによって、２回目の加熱動作の最適化を図り、出湯温の昇温時間を短縮する制御を実現している。以下、詳しく説明する。

図１は、本実施形態に係る流体加熱制御装置の基本構成図である。
流体加熱制御装置１は、流体が電気ヒータ１１を通過している間にその流体を加熱する瞬間式のものである。ここに流体は人体洗浄水を想定しているが、これに限定されず、飲料水、台所用の洗浄水等であってもよい。流体は、流体加熱制御装置１よりも上流側で与圧されており、図示しないバルブ等によって流量が調節される。
流体加熱制御装置１は、電気ヒータ１１を主要素とする温水生成ブロック１０と、温水生成ブロック１０を制御する制御ブロック２０とで構成されている。

電気ヒータ１１は、通電によって発熱する発熱体と、流体を流通させる流路（いずれも図示なし）とからなるが、発熱体と流体との間で熱交換ができれば、その具体的な構造は特に制限されない。ただし電気ヒータ１１は、その周囲を断熱体で覆う等して高効率化し、また保温性を持たせることが望ましい。

電気ヒータ１１には、入水温センサ１２、出湯温センサ１３及び流量センサ１４が設けられている。入水温センサ１２は熱電対あるいはサーミスタ等からなり、電気ヒータ１１の入水口近傍に配置されて、加熱される前の流体温度を計測する。出湯温センサ１３も熱電対あるいはサーミスタ等からなり、電気ヒータ１１の出湯口近傍に配置されて、加熱された後の流体温度を計測する。

流量センサ１４は、一例として、入水温センサ１２の近傍に配置されている。ただし流量センサ１４の位置は特に限定されておらず、例えば電気ヒータ１１よりも下流側等、流路のどこに配置されてもよい。流量センサ１４には、例えば羽根式、電磁式、超音波式等の種別があるが、この実施形態では流量センサの種別は特に制限されない。

制御ブロック２０は、ＣＰＵ基板や、電気ヒータ１１に電源を供給する電源回路（いずれも図示なし）で構成されているが、機能的にはフィードフォワード演算部２１と、フィードバック演算部２２と、通電率演算部２３によって構成されている。すなわち、制御ブロック２０は、入水温に基づくフィードフォワード制御値と、出湯温に基づくフィードバック制御値とを逐次算出しその両者を組み合わせて得られる通電率制御値に基づいて電気ヒータ１１を通電させる制御動作を実行する構成とされる。２４は、後述する補正値を記憶するためのレジスタを示している。なお、流体の目標温度は固定であっても可変であってもよい。

前記制御動作は、目標温度まで水温上昇させる予加熱動作と、目標温度に達した水温を保つための本加熱動作とからなる。この制御動作は、使用者の操作に基づく加熱指令信号によって開始されても、流量センサ１４の流量検知によって自動的に開始されてもよい。予加熱動作は、その動作終了時点でのフィードバック制御値を補正値として記憶する点に特徴がある。一方、本加熱動作は、フィードフォワード制御値とフィードバック制御値とから得られる通電率制御値を、記憶している前記補正値によって補正して用いる点に特徴がある。なお予加熱動作と、本加熱動作との間には、制御オフの状態があっても構わない。

予加熱動作の詳細は次のようになる。ここに、流体の流量F（グラム/分）、目標温度Tset、入水温Tin、出湯温Tout、電気ヒータの定格消費電力W（ワット）、通電率制御値ｒ（スイッチ素子の駆動パルスのデューティ比）、比熱C（カロリー／グラム）とする。なお電気ヒータ１１は、定電圧の駆動電源を、通電率制御値ｒの示すデューティ比で供給、遮断制御することで、出力を０％−１００％の間で自由に調節できる。

予加熱動作では、通電率制御値rは次のようにする。

ここに、(Tset-Tin)は、フィードフォワード演算部２１において、目標温度と入水温センサの計測値とから算出されるフィードフォワード制御値である。K・（Tset-Tout）は、フィードバック演算部２２において、目標温度と出湯温センサの計測値とから算出されるフォードバック制御値である。通電率制御値ｒは、通電率演算部２３において算出される。係数Kは、実験等に基づいて予め選択された定数である。

予加熱動作の終了時点で、補正値として、フィードバック制御値FB₀の値をレジスタ２４に書き込んで記録する。

図２に、前記予加熱動作による出湯温の時間変化の例を示す。
定数Kが大きい場合は、出湯温の温度情報は早くなるが、制御のタイムラグによって、出湯温が振動することがあり得る（Ａ）。一方、定数Kが小さい場合は、出湯温の温度上昇は遅くなる（Ｂ）。出湯温を低める乖離要因がある場合、その乖離要因による温度下降と、フィードバック制御による温度上昇とが釣り合う温度（目標温度よりも低い）で平衡すると考えられる。フィードフォワード制御のみを想定したときの出湯温の時間変化は破線で示している（Ｃ）。

図３（ａ）、（ｂ）に、予加熱動作における出湯温の時間変化（Ｄ）と、通電率制御値の時間変化（Ｅ）とを対比する。図３（ａ）と（ｂ）とで時間軸は一致させている。予加熱動作中、フィードフォワード制御値は時間変化しない。一方、フィードバック制御値は、制御開始時に最大値となり時間変化（出湯温の上昇）に従って減少する。動作の終了時点では、乖離要因による温度下降と、フィードバック制御による温度上昇とが概ね釣り合った状態であり、その時点でのフィードバック制御値の値を、本洗浄動作用の補正値として記憶する。フィードフォワード制御のみを想定したときの出湯温の時間変化は破線で示している（Ｃ）。

一方、本洗浄動作の詳細は次のようになる。本洗浄動作では、通電率制御値ｒは次のようにする。

ここにFB₀は、予加熱動作の終了時点で記録した補正値（数２）である。このようにして、本加熱動作では、フィードフォワード制御値とフィードバック制御値とから得られる通電率制御値を、予加熱動作で取得した補正値によって補正する。

図４（ａ）、（ｂ）に、本加熱動作における出湯温の時間変化（Ｆ）と、通電率制御値の時間変化（Ｇ）とを対比する。図３（ａ）と（ｂ）とで時間軸は一致させている。
図４（ａ）で、フィードフォワード制御のみを想定したときの出湯温の時間変化は破線で示している（Ｃ）。これに補正値FB₀を更に上乗せした場合の出湯温の時間変化は一点破線（Ｈ）で示している。

通電率制御値中のフィードフォワード制御値（Tset-Tin）、補正値FB₀は時間変化しない。一方、フィードバック制御値は、制御開始時に最大値（Tset-Tin）となり時間変化（出湯温の上昇）に従って減少する。本加熱動作では、通電率制御値に、常時、補正値FB₀が含まれているため、予加熱動作のときよりも、出湯温の上昇が早くなっている。これは、フィードフォワード制御値とフィードバック制御値とから得られる通電率制御値を、予加熱動作で取得した補正値によって補正したことで得られた効果である。このように本加熱動作の直前に行われる予加熱動作において補正値を特定すれば、本加熱動作の開始時から必要な熱量を投入することができ、昇温時間を短縮することができる。

図４（ａ）の曲線（Ｆ）と一点破線（Ｈ）との関係から、本加熱動作では、フィードバック制御なしでも、予加熱動作での平衡温度に到達できることがわかる。そしてその平衡温度にフィードバック制御による温度情報が加わるから、最終温度は、目標温度により近くなると考えられる。
前記実施形態の例では、フィードバック制御値は、単に出湯温に比例させていた。しかしながら、フィードバック制御値は、出湯温の時間積分によって算出してもよく、これを実施形態の他例として以下に詳細に説明する。

すなわち実施形態の他例では、予加熱動作における通電率制御値rは次のようにする。

フィードバック制御値の算出を容易にするため、時間積分を級数によって近似してもよい。その場合、通電率制御値rは次のようになる。

数４又は５では、出湯温が目標温度に到達するまで、積分値又は級数の和は増加し続ける。このように出湯温の時間積分によって算出すれば、その結果、出湯温は目標温度に到達できるようになる（図５参照）。
予加熱動作の終了時点で、補正値として、フィードバック制御値FB₀の値を記録する。

本加熱動作では、通電率制御値rは次のようにする。

ここにFB₀は、予加熱動作の終了時点で記録した補正値（数６）である。

図５に、予加熱動作の後、制御オフの状態を挟んで、本加熱動作を行ったときの出湯温の時間変化（Ｉ）を示す。
図５中の破線（Ｃ）は、フィードフォワード制御のみを想定したときの出湯温の時間変化（参考）であり、点線は、本加熱動作において通電率制御値を補正値FB₀によって補正していないと想定したときの出湯温の時間変化（Ｊ）である。

制御オフの状態から本加熱動作を開始した時点では、フィードバック制御値は、時間積分であるからゼロになる。しかし予加熱動作の最終時点でのフィードバック制御値を補正値として加算しているので、予加熱動作の終了時点での通電率制御値の値と、本加熱動作の開始時点での通電率制御値の値は等しいものになる。そのため出湯温は一時的に低下することなく、そのまま保たれる。

この実施形態の他例では、予加熱動作の後に一旦制御オフとし、その後、本加熱動作を開始したときに、フィードバック制御が効かないために出湯温が一旦低下することが抑えられることができ、出湯温の上昇を早くすることができる。

前記実施形態の例及び前記の他例で説明したような流体加熱制御装置は、温水洗浄便器装置（便座装置）等の衛生洗浄装置（不図示）に応用してもよい。
衛生洗浄装置には、本洗浄の前に洗浄水を加熱して吐出させる前洗浄と、ノズルを延ばして人体局部を洗浄する本洗浄とを連続的に実行する構成のものがある。前洗浄は、ノズルの噴出口の洗浄およびノズル内に残った冷たい水の排出のために、局部洗浄の指令があった際に、洗浄水を目標温度に加熱して生成した温水をノズルから吐出させる本洗浄前に実行される動作である。本洗浄は使用者の操作にもとづく局部への洗浄動作である。洗浄の種別は使用者により選択され、その選択にもとづいて、加熱された洗浄水による、おしり洗浄、ビデ洗浄またはワイド水流洗浄等がなされる。
そのような構成において、前洗浄の際には上述の予加熱動作によって洗浄水を加熱し、本洗浄の際には上述の本加熱動作によって洗浄水を加熱する。
これによれば、本洗浄において洗浄水の温度上昇が早くなり、かつ出湯温が一旦低下することも抑えられるので、本洗浄において冷水が噴出することを抑制し衛生洗浄装置を快適に使用することができる。

１ 流体加熱制御装置
１１ 電気ヒータ
１２ 入水温センサ
１３ 出湯温センサ

Claims (3)

1. 入水温センサ及び出湯温センサが設けられた電気ヒータを備え、入水温に基づくフィードフォワード制御値と、出湯温に基づくフィードバック制御値とを逐次算出しその両者を組み合わせて得られる通電率制御値に基づいて電気ヒータを通電させる制御動作を実行する流体加熱制御装置であって、
   前記制御動作は、目標温度まで水温上昇させる予加熱動作と、目標温度に達した水温を保つための本加熱動作とを行い、
   前記予加熱動作では、その動作終了時点でのフィードバック制御値を、補正値として記憶し、
   前記本加熱動作では、フィードフォワード制御値とフィードバック制御値とから得られる通電率制御値を、記憶している前記補正値によって補正して用いることを特徴とする流体加熱制御装置。
2. 請求項１において、
   前記フィードバック制御値は、出湯温の時間積分によって算出することを特徴とする流体加熱制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の流体加熱制御装置を用いて構成され、前洗浄と、人体局部を洗浄する本洗浄とを連続的に実行する衛生洗浄装置であって、
   前記前洗浄の際には前記予加熱動作によって洗浄水を加熱し、
   前記本洗浄の際には前記本加熱動作によって洗浄水を加熱することを特徴とする衛生洗浄装置。

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