JP2016044950A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器を通過した加熱水と、熱交換器を迂回するバイパス路を通過した非加熱水とを混合させるバイパスミキシング式の給湯装置において、給湯温度を安定的かつ速やかに設定温度に制御する。
【解決手段】缶体温度制御部４００は、給湯温度Ｔｈが設定湯温Ｔｒ＊に一致するように、燃焼バーナ全体への供給熱量をフィードバック制御する。缶体温度制御部４００は、流量センサにより検出される缶体流量Ｑおよび分配率Ｋに基づいて算出される給湯流量と、設定湯温Ｔｒ＊と温度センサにより検出される入水温度Ｔｗとの差である必要昇温量との積に従って、供給熱量Ｇを算出する。缶体温度制御部４００は、分配弁の開度によって決まる分配率Ｋ（実績値）が予め定められた下限値を下回る場合には、算出される供給熱量Ｇを、分配率Ｋ（実績値）に基づく供給熱量Ｇよりも高い値に補正する。
【選択図】図６

Description

この発明は、給湯装置に関し、より特定的には、熱交換器を通過した加熱水（高温水）と、熱交換器を迂回するバイパス路を通過した非加熱水（低温水）とを混合させるバイパスミキシング式の給湯装置に関する。

給湯装置の一態様として、特許第２５４７８３６号公報（特許文献１）、特許第２９５８５４３号公報（特許文献２）および特許第３１６９７８５号公報（特許文献３）には、熱交換器を通過した加熱水（湯）と、バイパス路を通過した非加熱水（水）との混合比率を制御するバイパスミキシング式の構成が記載されている。

特許文献１では、ミキシング後の湯水混合温度（すなわち、給湯装置からの給湯温度）の設定温度に応じて湯水の混合比率を調整するとともに、熱交換器からの出力温度（缶体温度）の設定温度に応じて熱交換器を加熱するバーナに対する燃料供給量を調整することが記載されている。

また、特許文献２には、缶体温度を缶体設定温度に維持するように、湯水の混合比率を制御することが記載されている。さらに、特許文献３には、缶体温度と缶体設定温度との偏差を小さくするようにバーナへの燃料供給量を制御するとともに、湯水混合温度（給湯温度）と給湯設定温度との偏差を小さくするように湯水の混合比率を制御することが記載されている。

特許第２５４７８３６号公報 特許第２９５８５４３号公報 特許第３１６９７８５号公報

上記特許文献に記載されるように、バイパスミキシング式の給湯装置では、ミキシング後の湯水混合温度（給湯温度）を設定温度に一致させるように、熱交換器への燃料供給量および湯水の混合比率をそれぞれ制御している。

ここで、熱交換器への燃料供給量の制御としては、一般的に、熱交換器からの出力温度（缶体温度）の設定温度に基づいて、燃料供給量を制御するフィードフォワード制御を用いることができる。このフィードフォワード制御では、缶体設定温度と低温水の温度との差で示される必要昇温量と、缶体を通過する流量（缶体流量）との積に従って、燃料供給量が算出される。

一方、バイパスミキシング式の給湯装置では、湯水の混合比率が変動すると、これに応じて缶体流量が変動する。そのため、上述した燃料供給量のフィードフォワード制御を、バイパスミキシング式の給湯装置に適用すると、湯水の混合比率の変動の影響を受けて燃料供給量に変動が生じてしまうため、燃料供給量を安定的に制御することが困難となる。したがって、上述した燃料供給量のフィードフォワード制御をバイパスミキシング式の給湯装置に適用することは、給湯温度を安定的かつ速やかに制御する点から問題がある。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、熱交換器を通過した加熱水と、熱交換器を迂回するバイパス路を通過した非加熱水とを混合させるバイパスミキシング式の給湯装置において、給湯温度を安定的かつ速やかに設定温度に制御することである。

本発明による給湯装置は、通過する低温水を加熱して高温水を出力するように構成された熱交換器と、熱交換器に低温水を通過させるための第１の通水路と、熱交換器をバイパスして低温水を通流させるように構成された第２の通水路と、低温水の給水量に対する第２の通水路の流量の比率を示す分配率を制御するためのバイパス流量調整器と、第１の通水路の流量を検出するための流量検出器と、低温水の温度を検出するための第１の温度検出器と、高温水および低温水が混合された給湯温度が設定温度と一致するようにバイパス流量調整器および熱交換器を制御するための制御装置とを備える。制御装置は、流量検出器による検出流量および分配率に基づいて算出される給湯流量と、設定温度と第１の温度検出器による検出温度との差である必要昇温量との積に従って、熱交換器への燃料供給量を算出するための演算部と、演算部により算出される燃料供給量に従って、熱交換器での発生熱量を制御するための制御部と、バイパス流量調整器による分配率に応じて、演算部により算出される燃料供給量を補正するための補正手段とを含む。補正手段は、バイパス流量調整器による分配率が予め定められた下限値を下回る場合には、演算部により算出される燃料供給量をより高い値に補正する。

上記給湯装置によれば、設定湯温および給湯流量に基づいたフィードフォワード制御によって燃料供給量を制御することにより、バイパス流量調整器による分配率の変動の影響を受けることなく、燃料供給量を安定的に制御することができる。

さらに、フィードフォワード制御において、バイパス調整器による分配率（すなわち、分配率の実績値）が下限値を下回る場合には、燃料供給量が、分配率（実績値）に基づいて算出される燃料供給量よりも高い値に補正される。これにより、缶体温度が設定湯温よりも低下し得るコールドスタート時や再出湯時において、缶体温度を速やかに上昇させることができる。この結果、バイパスミキシング式の給湯装置において、燃料供給量のフィードフォワード制御により、給湯温度を安定的かつ速やかに制御することが可能となる。

好ましくは、補正手段は、バイパス流量調整器による分配率が下限値を下回る場合には、分配率をより高い値に補正するための補正部を含む。演算部は、補正部によって分配率が補正された場合には、補正された分配率に基づいて算出される給湯流量を用いて、燃料供給量を算出する。

このようにすると、燃料供給量のフィードフォワード制御において、分配率（実績値）が下限値を下回る場合には、分配率（実績値）よりも高い値に補正された分配率を用いて燃料供給量が算出されるため、燃料供給量を、分配率（実績値）に基づいて算出される燃料供給量よりも高い値に補正することができる。

より好ましくは、補正部は、バイパス流量調整器による分配率が下限値を下回る場合には、分配率を下限値に補正する。

このようにすると、分配率（実績値）が下限値を下回る場合には、分配率（実績値）よりも高い下限値を用いて燃料供給量が算出されるため、燃料供給量を、分配率（実績値）に基づいて算出される燃料供給量よりも高い値に補正することができる。

好ましくは、補正手段は、バイパス流量調整器による分配率が予め定められた上限値を超える場合には、演算部により算出される燃料供給量をより低い値に補正する。

このようにすると、燃料供給量のフィードフォワード制御において、缶体温度の上昇によってバイパス調整器による分配率（分配率の実績値）が上限値を超える場合には、燃料供給量が、分配率Ｋ（実績値）に基づいて算出される燃料供給量よりも低い値に補正される。これにより、缶体流量の減少に伴う缶体温度の更なる上昇を抑制することができる。

好ましくは、補正手段は、バイパス流量調整器による分配率が上限値を超える場合には、分配率をより低い値に補正するための補正部を含む。演算部は、補正部によって分配率が補正された場合には、補正された分配率に基づいて算出される給湯流量を用いて、燃料供給量を算出する。

このようにすると、燃料供給量のフィードフォワード制御において、分配率（実績値）が上限値を超える場合には、分配率（実績値）よりも低い値に補正された分配率を用いて燃料供給量が算出されるため、燃料供給量を、分配率（実績値）に基づいて算出される燃料供給量よりも低い値に補正することができる。

より好ましくは、補正部は、バイパス流量調整器による分配率が上限値を超える場合には、分配率を上限値に補正する。

このようにすると、分配率（実績値）が上限値を超える場合には、分配率（実績値）よりも低い上限値を用いて燃料供給量が算出されるため、燃料供給量を、分配率（実績値）に基づいて算出される燃料供給量よりも低い値に補正することができる。

この発明によれば、熱交換器を通過した加熱水と、熱交換器を迂回するバイパス路を通過した非加熱水とを混合させるバイパスミキシング式の給湯装置において、給湯温度を安定的かつ速やかに設定温度に制御することができる。

本発明の実施の形態に従う給湯装置の概略構成図である。 図１に示した給湯装置における分配弁、ガス比例弁および能力切換弁の制御構成を説明するための機能ブロック図である。 図１に示した給湯装置における分配弁の制御構成を説明するための概略図である。 分配弁の開度と分配率との関係を説明するための図である。 図２に示した分配弁制御部による分配弁制御を説明するための機能ブロック図である。 図２に示した缶体温度制御部による供給熱量の制御を説明するための機能ブロック図である。 補正部による分配率の補正を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態に従う給湯装置の構成の変形例を説明するための概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

［給湯装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態に従う給湯装置の概略構成図である。

図１を参照して、給湯装置１００は、一次熱交換器１１、二次熱交換器２１および燃焼バーナ３０等が格納された燃焼缶体１０（以下、単に「缶体」とも称する）と、送風ファン４０と、入水管５０と、バイパス管６０と、出湯管７０と、給湯管９０と、コントローラ３００とを備える。

入水管５０には、水道水等の低温水（非加熱水）が給水される。入水管５０および出湯管７０の間には、缶体１０をバイパスして、入水管５０からの非加熱水を通流するためのバイパス管６０が配置される。入水管５０およびバイパス管６０の間は、バイパス管６０の流量を制御するための分配弁８０が介挿接続される。

分配弁８０の開度に応じて、給水量の一部が入水管５０からバイパス管６０へ分流される。全体給水量に対するバイパス管６０の流量の比率を示す分配率Ｋ（０≦Ｋ≦１．０）は、分配弁８０の開度に応じて制御される。分配率Ｋを用いて、バイパス管６０および出湯管７０の流量比率は、Ｋ：（１−Ｋ）で示される。

分配弁８０を経由して缶体１０へ供給された低温水は、まず二次熱交換器２１によって余熱された後、一次熱交換器１１によって主加熱される。一次熱交換器１１および二次熱交換器２１によって所定温度まで加熱された高温水は、出湯管７０から出力される。

出湯管７０は、合流部７５においてバイパス管６０と接続される。したがって、給湯装置１００では、缶体１０によって加熱された出湯管７０からの高温水（加熱水）と、バイパス管６０を通過した低温水（非加熱水）とが合流部７５で混合されて、給湯管９０から出力される。これにより、給湯管９０から、台所や浴室等の給湯栓１９０や図示しない風呂への注湯回路などの所定の給湯箇所に、適温の湯が供給される。

いわゆるバイパスミキシング式の給湯装置１００において、高温水および低温水の混合比率は、分配弁８０の開度に応じた分配率Ｋに対応する。したがって、分配弁８０によって、上記混合比率が制御される。

入水管５０には、温度センサ１１０および流量センサ１５０が配置される。温度センサ１１０は、低温水の温度（以下、入水温度）Ｔｗを検出する。流量センサ１５０は、分配弁８０よりも下流側（缶体側）に配置される。流量センサ１５０によって検出される流量Ｑは、缶体１０を通過する流量（以下、缶体流量）に相当する。流量センサ１５０は、代表的には、羽根車式流量センサによって構成される。

出湯管７０には、温度センサ１２０が設けられる。温度センサ１２０は、出湯管７０とバイパス管６０との合流部７５よりも上流側（缶体側）に配置されて、缶体１０からの出力温度Ｔｂ（以下、缶体温度）を検出する。

給湯管９０には、流量調整弁９５および温度センサ１３０が設けられる。流量調整弁９５は、缶体１０での加熱能力の不足により、設定湯温Ｔｒ＊に従って給湯することが困難な場合に、給湯流量を絞るように制御される。たとえば、燃焼開始直後、あるいは、燃焼開始直後以外でも最大号数で運転する場合や最大許容流量で運転する場合等に、給湯流量を制限するように、コントローラ３００が流量調整弁９５の開度を制限することができる。

温度センサ１３０は、高温水および低温水が混合された後の給湯温度Ｔｈを検出する。温度センサ１１０，１２０，１３０は、代表的には、温度に依存して電気抵抗が変化するサーミスタによって構成される。

缶体１０において、燃焼バーナ３０から出力された燃料ガスは、送風ファン４０からの燃焼用空気と混合される。図示しない点火装置によって混合気が着火されることにより、燃料ガスが燃焼されて火炎が生じる。燃焼バーナ３０からの火炎によって生じる燃焼熱は、缶体１０内で一次熱交換器１１および二次熱交換器２１へ与えられる。

一次熱交換器１１は、燃焼バーナ３０による燃焼ガスの顕熱（燃焼熱）により入水を熱交換によって加熱する。二次熱交換器２１は、燃焼バーナ３０からの燃焼排ガスの潜熱によって通流された水を熱交換によって加熱する。缶体１０の燃焼ガスの流れ方向下流側には熱交換後の燃焼排ガスを排出処理するための排気経路１５が設けられる。このように、缶体１０では、燃焼バーナ３０での燃焼による発生熱量により、一次熱交換器１１および二次熱交換器２１で、入水管５０から供給された水を加熱する。

燃焼バーナ３０へのガス供給管３１には、元ガス電磁弁３２、ガス比例弁３３および、能力切換弁３５ａ〜３５ｃが配置される。元ガス電磁弁３２は、燃焼バーナ３０への燃料ガスの供給をオンオフする機能を有する。ガス供給管３１のガス流量は、ガス比例弁３３の開度に応じて制御される。

能力切換弁３５ａ〜３５ｃは、複数の燃焼バーナ３０のうちの、燃料ガスの供給対象となるバーナ本数を切換えるために開閉制御される。缶体１０での発生熱量は、バーナ本数およびガス流量の組み合わせによって決まる、燃焼バーナ３０全体への供給熱量Ｇに比例する。したがって、要求発生熱量に対応させて、能力切換弁３５ａ〜３５ｃの開閉パターン（バーナ本数）およびガス比例弁３３の開度（ガス流量）の組み合わせを決定する設定マップを予め作成することができる。

送風ファン４０による送風量は、燃焼バーナ３０全体からの供給熱量との空燃比が所定値（たとえば、理論空燃比）となるように制御される。送風ファン４０の送風量は、ファン回転数と比例するので、送風ファン４０の回転数は、供給熱量の変化に応じて設定される目標回転数に従って制御される。送風ファン４０には、ファン回転数を検出するための回転数センサ４５が設けられる。

コントローラ３００は、各センサからの出力信号（検出値）およびユーザ操作を受けて、給湯装置１００の全体動作を制御するために、各機器への制御指令を発生する。ユーザ操作には、給湯装置１００の運転オン／オフ指令および設定湯温（Ｔｒ＊）指令が含まれる。制御指令には、各弁の開閉および開度指令、送風ファン４０への電気的入力指令（ファン駆動電圧指令）等が含まれる。

コントローラ３００は、給湯装置１００の運転指令がオンされると、流量センサ１５０によって検出される流量Ｑが最低作動流量（ＭＯＱ）を超えるのに応じて、缶体１０での燃焼動作をオンする。燃焼動作がオンされると、元ガス電磁弁３２が開放されて、燃焼バーナ３０への燃料ガスの供給が開始される。

コントローラ３００は、燃焼オン時には、給湯温度Ｔｈが設定湯温Ｔｒ＊に制御されるように、分配弁８０の開度および、缶体１０での発生熱量（すなわち、燃焼バーナ３０への供給熱量）を制御する。

［給湯装置の制御構成］
図２は、図１に示した給湯装置１００における分配弁８０、ガス比例弁３３および能力切換弁３５ａ〜３５ｃの制御構成を説明するための機能ブロック図である。図２に示された各機能ブロックの機能は、コントローラ３００によるソフトウェア処理ないしハードウェア処理によって実現することができる。

図２を参照して、コントローラ３００は、分配弁制御部２００と、缶体温度制御部４００とを含む。分配弁制御部２００は、給湯温度Ｔｈを設定湯温Ｔｒ＊に一致させるように、分配弁８０の開度を制御する。缶体温度制御部４００は、給湯温度Ｔｈを設定湯温Ｔｒ＊に一致させるように、燃焼バーナ３０全体への供給熱量（燃料供給量）によって缶体１０での発生熱量を制御する。

（分配弁の制御構成）
図３は、図１に示した給湯装置１００における分配弁８０の制御構成を説明するための概略図である。

図３を参照して、分配弁８０の開度に応じて、バイパス管６０の流量が制御される。これにより、入水管５０からの全体給水量に対する、バイパス管６０の流量と出湯管７０の流量（すなわち、熱交換器１１，２１の通過流量）との比率（分配率Ｋ）が制御される。出湯管７０からの高温水（加熱水）およびバイパス管６０からの低温水（非加熱水）は、合流部７５で混合されて、給湯管９０から出力される。給湯温度Ｔｈは、入水温度Ｔｗ、缶体温度Ｔｂおよび分配率Ｋを用いて、下記（１）式に従って算出される。

Ｔｈ＝Ｋ・Ｔｗ＋（１−Ｋ）Ｔｂ ・・・（１）
すなわち、出湯管７０は「第１の通水路」に対応し、バイパス管６０は「第２の通水路」に対応する。また、分配弁８０は「バイパス流量調整器」を実現する。

入水温度Ｔｗを検出する温度センサ１１０は「第１の温度検出器」に対応する。また、流量センサ１５０によって検出される流量Ｑは、熱交換器１１，２１および出湯管７０の流量に相当する。すなわち、流量センサ１５０は「流量検出器」に対応する。

合流部７５における、出湯管７０からの高温水（加熱水）およびバイパス管６０からの低温水（非加熱水）の混合比率（分配率Ｋ）は、分配弁８０の開度によって制御できる。図４は、分配弁８０の開度と分配率Ｋとの関係を説明するための図である。図４において、横軸は分配弁８０の開度を示し、縦軸は分配率Ｋを示す。分配弁８０が全開状態のとき、分配率Ｋ＝１．０となり、全体給水量がバイパス管６０の流量に一致する。一方、分配弁８０が全閉状態のとき、分配率Ｋ＝０となり、全体給水量が出湯管７０の流量（熱交換器１１，２１の通過流量）に一致する。

分配弁８０が、たとえばステッピングモータによって開度が調整されるように構成された電気式膨張弁である場合、分配弁８０の開度は、ステッピングモータにおけるステップ数（すなわち、ステータの各相巻線を励磁するパルス信号の数）によって表される。分配弁８０の絶対開度は（全閉または全開等の基準開度からの差）は、開度を変化させるごとに変化量（ステップ数）を累積加算することによって算出される。

図４を参照して、ステッピングモータにおけるステップ数を増加させると、分配弁８０の開度が閉側に変化することにより、分配率Ｋが減少する。図４において、黒丸は分配弁８０の開度に対する分配率Ｋの測定値を表しており、直線は測定値から演算された近似直線を表している。図４に示される関係に従って分配弁８０の開度を制御することにより、給湯温度Ｔｈを制御することができる。具体的には、バイパス管６０の流量を増加させるように分配率Ｋを上昇すると給湯温度Ｔｈは低下する。これに対して、バイパス管６０の流量を減少させるように分配率Ｋを低下すると給湯温度Ｔｈは上昇する。

図５は、図２に示した分配弁制御部２００による分配弁制御を説明するための機能ブロック図である。本実施の形態では、分配弁制御の一形態として、設定湯温Ｔｒ＊に対する給湯温度Ｔｈの偏差に基づいて、分配弁８０の開度（分配率Ｋ）、すなわちバイパス管６０の流量をフィードバック制御する。

図５を参照して、分配弁制御部２００は、流量制御部２１０と、開度指令生成部２２０とを含む。なお、以下では、分配弁制御部２００が制御周期毎に分配弁８０の開度を制御するものとして、現在の制御周期を第ｎ番目（ｎ：自然数）の制御周期として表記する。

流量制御部２１０は、制御周期毎に、設定湯温Ｔｒ＊に対する給湯温度Ｔｈの検出値の温度偏差ΔＴｈ（ΔＴｈ＝Ｔｒ＊−Ｔｈ）に基づいて、今回の制御周期における分配率Ｋ［ｎ］を算出する。たとえば、流量制御部２１０はＰＩ演算によって、下記（２）式に従って分配率Ｋ［ｎ］を設定する。

Ｋ［ｎ］＝Ｋｐ・ΔＴｈ＋Σ（Ｋｉ・ΔＴｈ） …（２）
式（２）中のＫｐは比例制御ゲインであり、Ｋｉは積分制御ゲインである。式（２）に従って分配率Ｋ［ｎ］を設定することにより、温度偏差ΔＴｈを低減するためのフィードバック制御を実現できる。なお、フィードバック制御による制御量は、温度センサ１３０によって検出される給湯温度Ｔｈの温度偏差ΔＴｈに基づく、Ｐ制御、ＰＩ制御または、ＰＩＤ制御等の公知の制御演算によって算出することができる。

開度指令生成部２２０は、分配弁８０の開度と分配率Ｋとの関係（図４）を参照することにより、流量制御部２１０によって設定された分配率Ｋ［ｎ］に基づいて、分配弁８０の開度の目標値である開度指令を生成する。開度指令生成部２２０は、生成した開度指令を分配弁８０（ステッピングモータ）へ出力する。これにより、分配弁８０の開度は、分配率Ｋ［ｎ］を実現するように制御される。

（供給熱量の制御構成）
缶体温度制御部４００（図２）は、燃焼バーナ３０全体への供給熱量Ｇによって缶体１０での発生熱量を制御する。燃焼バーナ３０全体への供給熱量Ｇは、給湯温度Ｔｈを設定湯温Ｔｒ＊に一致させるように設定される。当該供給熱量Ｇを実現するようなバーナ本数およびガス流量の組み合わせが実現されるように、缶体温度制御部４００は、ガス比例弁３３の開度および能力切換弁３５ａ〜３５ｃの開閉を制御する。なお、以下では、缶体温度制御部４００が制御周期毎に供給熱量Ｇを制御するものとして、現在の制御周期を第ｎ番目の制御周期として表記する。

一般的に、缶体１０における燃焼動作の制御において、供給熱量Ｇは、缶体温度Ｔｂの目標値Ｔｂ＊（以下、缶体目標温度Ｔｂ＊）および缶体１０の通過流量（缶体流量）Ｑに基づいてフィードフォワード制御することができる。たとえば、供給熱量Ｇは、缶体温度Ｔｂを缶体目標温度Ｔｂ＊に一致させるための、缶体１０での要求発生熱量に基づいて設定される。具体的には、缶体１０での必要昇温量ΔＴは、缶体目標温度Ｔｂ＊と、温度センサ１１０によって検出された入水温度Ｔｗとの差で示される（ΔＴ＝Ｔｂ＊−Ｔｗ）。したがって、今回の制御周期における供給熱量Ｇ［ｎ］は、缶体流量Ｑおよび必要昇温量ΔＴとに基づいて、下記（３）式に従って算出される。

Ｇ［ｎ］＝（Ｔｂ＊−Ｔｗ）・Ｑ …（３）
しかしながら、缶体目標温度Ｔｂ＊に基づく供給熱量Ｇのフィードフォワード制御を、バイパスミキシング式の給湯装置に適用した場合には、以下のような問題が生じる。

詳細には、バイパスミキシング式の給湯装置においては、分配弁８０の開度（分配率Ｋ）の変動によって缶体流量Ｑが変動する。さらに、給湯温度Ｔｈを設定湯温Ｔｒ＊に制御するためには、缶体流量Ｑの変動に合わせて缶体目標温度Ｔｂ＊を変動させる必要が生じる。この結果、分配弁８０の開度の変動に応じて缶体流量Ｑおよび缶体目標温度Ｔｂ＊がともに変動することになり、供給熱量Ｇ［ｎ］が安定しない。その結果、缶体１０での発生熱量を安定的に制御することが困難となる。

したがって、本実施の形態では、缶体目標温度Ｔｂ＊および缶体流量Ｑに代えて、設定湯温Ｔｒ＊および給湯流量Ｑｔｌに基づいて供給熱量Ｇをフィードフォワード制御する。すなわち、供給熱量Ｇは、給湯温度Ｔｈを設定湯温Ｔｒ＊に一致させるための、缶体１０での要求発生熱量に基づいて設定される。

具体的には、缶体１０での必要昇温量ΔＴは、設定湯温Ｔｒ＊と、温度センサ１１０によって検出された入水温度Ｔｗとの差で示される（ΔＴ＝Ｔｒ＊−Ｔｗ）。そして、今回の制御周期における供給熱量Ｇ［ｎ］は、給湯管９０における給湯流量Ｑｔｌ（以下、トータル流量Ｑｔｌ）と必要昇温量ΔＴとに基づいて、下記（４）式に従って算出される。

Ｇ［ｎ］＝（Ｔｒ＊−Ｔｗ）・Ｑｔｌ …（４）
式（４）において、トータル流量Ｑｔｌは、給湯栓１９０の開度や給湯管９０に設けられた流量調整弁９５の開度によって決まるため、分配弁８０の開度（分配率Ｋ）の変動によってもトータル流量Ｑｔｌには変動が生じない。したがって、供給熱量Ｇ［ｎ］は、分配弁８０の開度（分配率Ｋ）の変動が生じたときにも安定している。これにより、缶体１０での発生熱量を安定的に制御することができる。

ここで、給湯温度Ｔｈを設定湯温Ｔｒ＊に一致させるために設定される供給熱量Ｇは、式（３）に従って缶体目標温度Ｔｂ＊および缶体流量Ｑを用いて算出しても、式（４）に従って設定湯温Ｔｒ＊およびトータル流量Ｑｔｌを用いて算出しても、理論上は常に同じ値となるはずである。しかしながら、上記のように、缶体目標温度Ｔｂ＊および缶体流量Ｑを用いて算出される供給熱量Ｇは、分配弁８０の開度の変動の影響を受け易いのに対して、設定湯温Ｔｒ＊およびトータル流量Ｑｔｌを用いて算出される供給熱量Ｇは、分配弁８０の開度の変動の影響を受け難くなる。このため、バイパスミキシング式の給湯装置においても、缶体１０での発生熱量を安定的に制御することができる。

しかしながら、一方で、設定湯温Ｔｒ＊およびトータル流量Ｑｔｌに基づいたフィードフォワード制御においては、缶体温度Ｔｂが設定湯温Ｔｒ＊よりも低い場合に缶体１０での加熱能力が不足してしまうという課題がある。

詳細には、缶体温度Ｔｂが設定湯温Ｔｒ＊よりも低い場合には、設定湯温Ｔｒ＊に対する給湯温度Ｔｈの偏差ΔＴｈ（ΔＴｈ＝Ｔｒ＊−Ｔｈ）が大きくなるため、分配弁制御部２００は、バイパス管６０の流量を減少させるように分配率Ｋを低下させる。これにより、分配弁８０の開度は略全閉位置（分配率Ｋ≒０）に制御されるため、バイパス管６０の流量が減少して略零となる。したがって、トータル流量Ｑｔｌが缶体流量Ｑに略一致するようになる（Ｑｔｌ≒Ｑ）。このような場合、式（４）に従えば、設定湯温Ｔｒ＊が実質的に缶体温度Ｔｂの目標値となり、缶体温度Ｔｂが設定湯温Ｔｒ＊に一致するように供給熱量Ｇが設定されることになる。

一方、缶体１０での発生熱量の制御は、基本的に、缶体目標温度Ｔｂ＊を設定湯温Ｔｒ＊よりも高く設定することにより（たとえば、Ｔｂ＊＝Ｔｒ＊＋α）、バイパス管６０の低温水との混合によって、給湯温度Ｔｈを設定湯温Ｔｒ＊に制御できるものである。これに反して、設定湯温Ｔｒ＊を実質的な目標値として式（４）に従って算出される供給熱量Ｇは、設定湯温Ｔｒ＊よりも高い缶体目標温度Ｔｂ＊に基づいて式（３）に従って算出される供給熱量Ｇに比べて大幅に減少することになる。このような供給熱量Ｇの減少は、缶体１０での加熱能力の不足へと繋がる。

缶体温度Ｔｂが設定湯温Ｔｒ＊よりも低くなる場面としては、缶体１０の冷間状態から給湯を開始させるコールドスタート時や、給湯装置１００が運転オン状態のままでカランが再び開栓された再出湯時などがある。たとえば、コールドスタート時には、供給熱量Ｇが減少することにより、分配弁８０を経由して缶体１０へ供給された低温水の加熱速度が遅くなるため、給湯温度Ｔｈが設定湯温Ｔｒ＊に到達するまでに時間がかかってしまう。

また、再出湯時には、供給熱量Ｇが減少することによって、給湯温度Ｔｈが設定湯温Ｔｒ＊に対してアンダーシュートする可能性がある。さらに、コールドスタート時および再出湯時のそれぞれにおいて、缶体１０での発生熱量が抑えられるため、給湯温度Ｔｈが設定湯温Ｔｒ＊に向けて速やかに上昇することができず、分配弁８０の開度が全閉位置近傍で貼り付いてしまう可能性がある。

したがって、本実施の形態では、設定湯温Ｔｒ＊およびトータル流量Ｑｔｌに基づいて供給熱量Ｇを算出するフィードフォワード制御において、分配弁８０の開度（分配率Ｋ）に応じて、算出された供給熱量Ｇを補正する。具体的には、上記のように分配率Ｋの低下に伴って供給熱量Ｇが減少するという現象を回避するために、分配率Ｋが予め定められた下限値を下回る場合には、式（４）に従って算出された供給熱量Ｇをより高い値に補正する。

図６は、図２に示した缶体温度制御部４００による供給熱量の制御を説明するための機能ブロック図である。

図６を参照して、缶体温度制御部４００は、補正部４１０と、供給熱量演算部４２０と、供給ガス量制御部４３０とを含む。

補正部４１０は、制御周期毎に、分配弁制御部２００の流量制御部２１０（図５）から分配弁８０の分配率Ｋ［ｎ］を受ける。補正部４１０は、分配率Ｋ［ｎ］を上方または下方に補正可能に構成される。補正部４１０は、補正された分配率Ｋ［ｎ］（以下、補正分配率Ｋ♯［ｎ］）を供給熱量演算部４２０へ出力する。

図７は、補正部４１０による分配率Ｋの補正を説明するための概念図である。
図７を参照して、波形７０１は、分配弁８０の開度と分配率Ｋとの関係（図４）における近似直線をプロットしたものであり、分配弁８０の開度ごとに実際に実現される分配率Ｋ（実績値）を示している。波形７０２は、補正分配率Ｋ♯を示している。補正分配率Ｋ♯は、供給熱量演算部４２０における供給熱量Ｇの算出に用いられるものである。

分配率Ｋには、上限値Ｋｍａｘおよび下限値Ｋｍｉｎが予め設定されている（０＜Ｋｍｉｎ＜Ｋｍａｘ＜１）。現在の分配弁８０の開度に対応する分配率Ｋ（実績値）が下限値Ｋｍｉｎを下回る場合には、補正部４１０は、分配率Ｋをより高い値に補正する。たとえば、補正部４１０は、図７に示すように、分配率Ｋを下限値Ｋｍｉｎに補正する。これにより、分配弁８０の開度が下限値Ｋｍｉｎに対応する所定開度Ｓ２よりも閉側に位置するときには、補正分配率Ｋ♯は下限値Ｋｍｉｎに固定される。したがって、分配弁８０の開度が全閉位置（Ｋ＝０）に近付くに従って（すなわち、バイパス管６０の流量が減少するに従って）、分配率Ｋ（実績値）に対する補正量（増加量）が大きくなる。

さらに、補正部４１０は、現在の分配弁８０の開度に対応する分配率Ｋ（実績値）が上限値Ｋｍａｘを超える場合には、分配率Ｋをより低い値に補正する。たとえば、補正部４１０は、分配率Ｋを上限値Ｋｍａｘに補正する。これにより、分配弁８０の開度が上限値Ｋｍａｘに対応する所定開度Ｓ１よりも開側に位置するときには、補正分配率Ｋ♯は上限値Ｋｍａｘに固定される。したがって、分配弁８０の開度が全開位置（Ｋ＝１．０）に近付くに従って（すなわち、バイパス管６０の流量が増加するに従って）、分配率Ｋ（実績値）に対する補正量（減少量）が大きくなる。

なお、現在の分配弁８０の開度に対応する分配率Ｋ（実績値）が下限値Ｋｍｉｎ以上であって、かつ上限値Ｋｍａｘ以下である場合には、補正部４１０は、分配率Ｋの補正を行なわない。したがって、補正分配率Ｋ♯は分配率Ｋ（実績値）に一致している。

再び図６を参照して、供給熱量演算部４２０は、制御周期毎に、設定湯温Ｔｒ＊、流量センサ１５０により検出された缶体流量Ｑ、温度センサ１１０によって検出された入水温度Ｔｗ、および補正分配率Ｋ♯［ｎ］に基づいて、今回の制御周期における供給熱量Ｇ［ｎ］を算出する。

具体的には、供給熱量演算部４２０は、まず、流量センサ１５０により検出された缶体流量Ｑおよび補正分配率Ｋ♯に基づいて、給湯流量（トータル流量）Ｑｔｌ♯を算出する。なお、トータル流量Ｑｔｌ♯は、補正分配率Ｋ♯に基づいて算出されるので、以下では、補正トータル流量Ｑｔｌ♯と表記する。今回の制御周期における補正分配率Ｋ♯［ｎ］を用いて、今回の制御周期における補正トータル流量Ｑｔｌ♯［ｎ］は、下記（５）式に従って算出される。

Ｑｔｌ♯［ｎ］＝Ｑ／（１−Ｋ♯［ｎ］） …（５）
次に、供給熱量演算部４２０は、設定湯温Ｔｒ＊、温度センサ１１０によって検出された入水温度Ｔｗ、および今回の制御周期における補正トータル流量Ｑｔｌ♯［ｎ］を式（４）に代入することにより、今回の制御周期における供給熱量Ｇ［ｎ］を算出する。すなわち、供給熱量Ｇ［ｎ］は、下記（６）式に従って算出される。

Ｇ［ｎ］＝（Ｔｒ＊−Ｔｗ）・Ｑｔｌ♯［ｎ］ …（６）
供給ガス量制御部４３０は、今回の制御周期における供給熱量Ｇ［ｎ］を実現するようなバーナ本数およびガス流量の組合せが実現されるように、ガス比例弁３３の開度および能力切換弁３５ａ〜３５ｃの開閉を制御する。

供給熱量演算部４２０では、分配弁８０の開度が所定開度Ｓ２よりも閉側に位置するときには、補正分配率Ｋ♯［ｎ］が分配率Ｋ（実績値）よりも高い値を示すため（図７参照）、式（５）において、補正トータル流量Ｑｔｌ♯［ｎ］は、分配率Ｋ（実績値）に基づくトータル流量Ｑｔｌ（実績値）よりも高い値を示すことになる。そして、補正トータル流量Ｑｔｌ♯［ｎ］がトータル流量Ｑｔｌ（実績値）よりも高い値に補正された結果、式（６）において、供給熱量Ｇ［ｎ］は、トータル流量Ｑｔｌ（実績値）に基づく供給熱量Ｇ［ｎ］よりも高い値に補正されることになる。

すなわち、分配率Ｋ（実績値）が下限値Ｋｍｉｎを下回る場合には、分配率Ｋ（実績値）を上方に補正した補正分配率Ｋ♯を用いて供給熱量Ｇ［ｎ］を算出することで、供給熱量Ｇ［ｎ］は、分配率Ｋ（実績値）に基づいて算出される供給熱量Ｇ［ｎ］よりも高い値をとることになる。これにより、分配率Ｋの低下に伴って供給熱量Ｇが減少するという現象を回避することができる。したがって、缶体温度Ｔｂが設定湯温Ｔｒ＊よりも低い場合であっても、分配弁８０を経由して缶体１０へ供給された低温水の加熱速度を速めて、缶体温度Ｔｂを速やかに上昇させることができる。この結果、コールドスタート時や再出湯時において給湯温度Ｔｈを速やかに制御することが可能となる。

なお、缶体温度Ｔｂが上昇するに従って、設定湯温Ｔｒ＊に対する給湯温度Ｔｈの偏差ΔＴｈ（ΔＴｈ＝Ｔｒ＊−Ｔｈ）が小さくなると、分配弁制御部２００は、バイパス管６０の流量を増加させるように分配率Ｋを増加させる。やがて、分配率Ｋ（実績値）が下限値Ｋｍｉｎ以上になると、補正部４１０は、補正分配率Ｋ♯を分配率Ｋ（実績値）に一致させるため（図７参照）、補正分配率Ｋ♯に基づいて算出される供給熱量Ｇ［ｎ］と、分配率Ｋ（実績値）に基づいて算出される供給熱量Ｇ［ｎ］とは等しい値をとることになる。したがって、本来の設定湯温Ｔｒ＊およびトータル流量Ｑｔｌに基づいて供給熱量Ｇを制御するフィードフォワード制御が実行されることになり、供給熱量Ｇ［ｎ］は、分配弁８０の開度の変動の影響を受けることなく、安定的に制御される。以上のようにして、本実施の形態によれば、給湯温度Ｔｈを安定的かつ速やかに制御することができる。この結果、バイパスミキシング式の給湯装置１００の出湯特性を向上させることが可能となる。

なお、図６の構成においては、補正部４１０を、分配率Ｋ（実績値）が下限値Ｋｍｉｎを超える場合に分配率Ｋを下限値Ｋｍｉｎに補正する構成としたが、少なくとも補正分配率Ｋ♯が分配率Ｋ（実績値）よりも高い値であれば、供給熱量Ｇ［ｎ］が分配率Ｋ（実績値）に基づく供給熱量Ｇ［ｎ］よりも高い値に補正されるため、本発明の効果を享受することが可能である。したがって、補正部４１０は、補正分配率Ｋ♯を下限値Ｋｍｉｎより高い値としても、下限値Ｋｍｉｎより低い値としてもよい。

さらに、図６の構成において、補正部４１０は、分配弁８０の開度が所定開度Ｓ１よりも開側に位置するときには、補正分配率Ｋ♯［ｎ］を、分配率Ｋ（実績値）よりも低い値に補正する（図７参照）。これにより、式（５）において、補正トータル流量Ｑｔｌ♯［ｎ］は、分配率Ｋ（実績値）に基づくトータル流量Ｑｔｌ（実績値）よりも低い値を示すことになる。そして、補正トータル流量Ｑｔｌ♯［ｎ］がトータル流量Ｑｔｌ（実績値）よりも低い値に補正された結果、式（６）において、供給熱量Ｇ［ｎ］は、トータル流量Ｑｔｌ（実績値）に基づく供給熱量Ｇ［ｎ］よりも低い値に補正されることになる。

すなわち、分配率Ｋ（実績値）が上限値Ｋｍａｘを超える場合には、分配率Ｋ（実績値）を下方に補正した補正分配率Ｋ♯を用いて供給熱量Ｇ［ｎ］を算出することで、供給熱量Ｇ［ｎ］は、分配率Ｋ（実績値）に基づいて算出される供給熱量Ｇ［ｎ］よりも低い値をとることになる。

缶体温度Ｔｂが缶体目標温度Ｔｂ＊を超えることによって、給湯温度Ｔｈが設定湯温Ｔｒ＊よりも高くなった場合には、分配弁制御部２００は、給湯温度Ｔｈを低下させるために、バイパス管６０の流量を増加させるように分配率Ｋを上昇させる。これにより、分配弁８０を経由して缶体１０へ供給される低温水が制限されるため、缶体１０を通過する流量（缶体流量）Ｑが減少する。缶体流量Ｑが少なくなることで缶体１０での加熱が促進されることにより、缶体温度Ｔｂが更に上昇する可能性がある。

本実施の形態によれば、このような場合においても、分配率Ｋ（実績値）が上限値Ｋｍａｘを超えると、供給熱量Ｇ［ｎ］がより低い値に補正されるため、缶体１０での発生熱量を抑えることができる。これにより、缶体温度Ｔｂの更なる上昇を抑制することが可能となる。なお、缶体１０での発生熱量を抑えることで、設定湯温Ｔｒ＊に対する給湯温度Ｔｈの偏差ΔＴｈ（ΔＴｈ＝Ｔｒ＊−Ｔｈ）が小さくなると、分配弁制御部２００は、バイパス管６０の流量を減少させるように分配率Ｋを減少させる。やがて、分配率Ｋ（実績値）が上限値Ｋｍａｘ以下になると、補正部４１０は、補正分配率Ｋ♯を分配率Ｋ（実績値）に一致させるため（図７参照）、補正分配率Ｋ♯に基づいて算出される供給熱量Ｇ［ｎ］と、分配率Ｋ（実績値）に基づいて算出される供給熱量Ｇ［ｎ］とは等しい値をとることになる。したがって、本来の設定湯温Ｔｒ＊およびトータル流量Ｑｔｌに基づいて供給熱量Ｇを制御するフィードフォワード制御が実行されることになり、供給熱量Ｇ［ｎ］は、分配弁８０の開度の変動の影響を受けることなく、安定的に制御される。

なお、図６の構成においては、補正部４１０を、分配率Ｋ（実績値）が上限値Ｋｍａｘを超える場合に分配率Ｋを上限値Ｋｍａｘに補正する構成としたが、少なくとも補正分配率Ｋ♯が分配率Ｋ（実績値）よりも低い値であれば、供給熱量Ｇ［ｎ］が分配率Ｋ（実績値）に基づく供給熱量Ｇ［ｎ］よりも低い値に補正されるため、本発明の効果を享受することが可能である。したがって、補正部４１０は、補正分配率Ｋ♯を上限値Ｋｍａｘより高い値としても、上限値Ｋｍａｘより低い値としてもよい。

以上説明したように、本実施の形態に従う給湯装置によれば、設定湯温Ｔｒ＊および給湯流量Ｑｔｌに基づいたフィードフォワード制御によって供給熱量Ｇを制御することにより、分配弁８０の開度の変動の影響を受けることなく、供給熱量Ｇを安定的に制御することができる。さらに、上述したフィードフォワード制御において、缶体温度Ｔｂが設定湯温Ｔｒ＊よりも低いために分配弁８０の開度（分配率Ｋ）が下限値Ｋｍｉｎを下回る場合には、供給熱量Ｇが、分配率Ｋ（実績値）に基づいて算出される供給熱量Ｇよりも高い値に補正されるため、コールドスタート時や再出湯時において缶体温度Ｔｂを速やかに上昇させることができる。この結果、バイパスミキシング式の給湯装置１００において、給湯温度Ｔｈを安定的かつ速やかに制御することが可能となる。

さらに、本実施の形態に従う給湯装置によれば、上述したフィードフォワード制御において、缶体温度Ｔｂの上昇によって分配弁８０の開度（分配率Ｋ）が上限値Ｋｍａｘを超える場合には、供給熱量Ｇを、分配率Ｋ（実績値）に基づいて算出される供給熱量Ｇ［ｎ］よりも低い値に補正されるため、缶体流量Ｑの減少に伴う缶体温度Ｔｂの更なる上昇を抑制することができる。

なお、缶体温度制御部４００は、上述したフィードフォワード制御に対して、フィードバック制御をさらに組み合わせることによって、今回の制御周期における供給熱量Ｇ［ｎ］を算出してもよい。

たとえば、フィードバック制御による制御量は、温度センサ１２０によって検出される缶体温度Ｔｂの温度偏差ΔＴｂ（ΔＴｂ＝Ｔｂ＊−Ｔｂ）に基づく、Ｐ制御、ＰＩ制御または、ＰＩＤ制御等の公知の制御演算によって算出することができる。この場合には、缶体温度制御部４００は、フィードバック制御による制御量と、上述したフィードフォワード制御による制御量との加算によって、供給熱量Ｇ［ｎ］を算出することができる。フィードバック制御を組み合わせることにより、缶体温度Ｔｂをより高精度に制御することが可能となる。

また、図１では、熱交換器１１，２１の上流側に分配弁８０を配置する構成を示したが、バイパス弁の配置はこのような例に限定されるものではない。たとえば図８に示されるように、入水管５０から分岐部７４でバイパス管６０を分岐させた後、バイパス管６０および出湯管７０の合流部に分配弁８０を配置することも可能である。このような構成においても、設定湯温Ｔｒ＊およびトータル流量Ｑｔｌに基づいて供給熱量Ｇを制御するフィードフォワード制御を同様に実行することができる。さらに、フィードフォワード制御における供給熱量を、分配弁８０の開度（分配率Ｋ）に応じて補正することができる。これにより、給湯温度Ｔｈを安定的かつ速やかに制御することができる。

なお、給湯装置の構成は図１の例示に限定されるものではなく、バイパス管の配置によって、高温水（加熱水）および低温水（非加熱水）を混合するミキシング式の給湯装置における高温水および低温水の混合比率の制御に対して、本発明を共通に適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 缶体、１１ 一次熱交換器、１５ 排気経路、２１ 二次熱交換器、３０ 燃焼バーナ、３１ ガス供給管、３２ 元ガス電磁弁、３３ ガス比例弁、３５ａ〜３５ｃ 能力切換弁、４０ 送風ファン、４５ 回転数センサ、５０ 入水管、６０ バイパス管、７０ 出湯管、７４ 分岐部、７５ 合流弁、８０ 分配弁、９０ 給湯管、９５ 流量調整弁、１００ 給湯装置、１１０，１２０，１３０ 温度センサ、１５０ 流量センサ、１９０ 給湯栓、２００ 分配弁制御部、２１０ 流量制御部、２２０ 開度指令生成部、３００ コントローラ、４００ 缶体温度制御部、４１０ 補正部、４２０ 供給熱量演算部、４３０ 供給ガス量制御部、Ｋ 分配率、Ｑ 流量（出湯路）、Ｔｂ 缶体温度、Ｔｈ 給湯温度、Ｔｒ＊ 設定湯温（給湯温度）、Ｔｗ 入水温度。

Claims (6)

1. 通過する低温水を加熱して高温水を出力するように構成された熱交換器と、
   前記熱交換器に前記低温水を通過させるための第１の通水路と、
   前記熱交換器をバイパスして前記低温水を通流させるように構成された第２の通水路と、
   前記低温水の給水量に対する前記第２の通水路の流量の比率を示す分配率を制御するためのバイパス流量調整器と、
   前記第１の通水路の流量を検出するための流量検出器と、
   前記低温水の温度を検出するための第１の温度検出器と、
   前記高温水および前記低温水が混合された給湯温度が設定温度と一致するように前記バイパス流量調整器および前記熱交換器を制御するための制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記流量検出器による検出流量および前記分配率に基づいて算出される給湯流量と、前記設定温度と前記第１の温度検出器による検出温度との差である必要昇温量との積に従って、前記熱交換器への燃料供給量を算出するための演算部と、
   前記演算部により算出される前記燃料供給量に従って、前記熱交換器での発生熱量を制御するための制御部と、
   前記バイパス流量調整器による前記分配率に応じて、前記演算部により算出される前記燃料供給量を補正するための補正手段とを含み、
   前記補正手段は、前記バイパス流量調整器による前記分配率が予め定められた下限値を下回る場合には、前記演算部により算出される前記燃料供給量をより高い値に補正する、給湯装置。
2. 前記補正手段は、前記バイパス流量調整器による前記分配率が前記下限値を下回る場合には、前記分配率をより高い値に補正するための補正部を含み、
   前記演算部は、前記補正部によって前記分配率が補正された場合には、補正された前記分配率に基づいて算出される前記給湯流量を用いて、前記燃料供給量を算出する、請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記補正部は、前記バイパス流量調整器による前記分配率が前記下限値を下回る場合には、前記分配率を前記下限値に補正する、請求項２に記載の給湯装置。
4. 前記補正手段は、前記バイパス流量調整器による前記分配率が予め定められた上限値を超える場合には、前記演算部により算出される前記燃料供給量をより低い値に補正する、請求項１に記載の給湯装置。
5. 前記補正手段は、前記バイパス流量調整器による前記分配率が前記上限値を超える場合には、前記分配率をより低い値に補正するための補正部を含み、
   前記演算部は、前記補正部によって前記分配率が補正された場合には、補正された前記分配率に基づいて算出される前記給湯流量を用いて、前記燃料供給量を算出する、請求項４に記載の給湯装置。
6. 前記補正部は、前記バイパス流量調整器による前記分配率が前記上限値を超える場合には、前記分配率を前記上限値に補正する、請求項５に記載の給湯装置。

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