JP2018091533A - 給湯装置および給湯装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な出湯温度となるようにバーナの燃焼を制御する。【解決手段】制御部は、加熱部の目標温度値と、入水経路から加熱部に入力する湯水の入水温度値と、流量センサによる測定流量値とから、熱交換器を加熱するための要求熱量を取得する要求熱量取得部（３０８）と、バーナを燃焼させるための加熱指令を出力する加熱指令部（３１０）と、加熱指令によるバーナの燃焼によって発生する予測熱量を取得する予測熱量取得部（３０７）と、加熱指令部を制御する加熱処理部（３０９）と、を含む。加熱処理部（３０９）は、要求熱量が、バーナが有する最低燃焼能力に対応した最低熱量以下である場合に、予測熱量が要求熱量より大きい時は燃焼停止の指令を出力するよう加熱指令部を制御し、且つ予測熱量が要求熱量以下である時は最低熱量を発生する燃焼指令を出力するよう加熱指令部（３１０）を制御する。【選択図】図２

Description

この開示は、給湯装置および給湯装置の制御方法に関し、特に、熱交換器を加熱するためにバーナの燃焼を制御する給湯装置および給湯装置の制御方法に関する。

ガスバーナの燃焼制御に関し、例えば、特許文献１（特開平１０−２５３１５７号公報）は、再出湯時の出湯温度の低下を抑制するために、給湯を停止する際に、バーナでの一部の燃焼が定められた時間継続したときは、バーナの燃焼を所定時間継続した後に、燃焼を停止する制御手段を開示する。

また、特許文献２（特開２０００−２４０９３９号公報）は、温度調節計の出力範囲の各区分に対応してバーナの最大ＯＦＦ時間を予め設定しておき、通常サイクル時間と出力信号により算出されるＯＦＦ時間が上記区分に対応の最大ＯＦＦ時間を越えた場合には、最大ＯＦＦ時間に設定した場合のサイクル時間を算出し、算出されたサイクル時間と最大ＯＦＦ時間に基づきバーナのＯＮ-ＯＦＦ制御を実施する構成を開示する。

特開平１０−２５３１５７号公報 特開２０００−２４０９３９号公報

従来、ガス給湯装置は、給湯装置内の湯水の温度を測定し、測定した温度と設定温度に基づきバーナの燃焼を制御することで、湯温を設定温度に維持する。

しかし、測定した温度を用いて燃焼制御を実施する場合には、出湯温度を設定温度に安定的に維持することが困難となる場合がある。例えば、給湯装置へ供給される水が予熱を有する（以下、「給水予熱）ともいう）場合には、給水温度は変化し、給水温度の変化に対する加熱制御の応答に遅れが生じ得る。つまり、ガスバーナを制御するための指令（後述する「要求号数」の指令）の出力に遅れが生じる。その結果、出湯温度が設定温度を超える（オーバーシュートする、またはアンダーシュートする）との課題があった。しかしながら、上記の特許文献はいずれも、当該課題に対処する方法を提案していない。

それゆえに、本開示の目的は、適切な出湯温度となるように燃焼制御を行う給湯装置および給湯装置の制御方法を提供することである。

本開示のある局面に係る給湯装置は、熱交換器を含む加熱部と、熱交換器を加熱するバーナと、加熱部を通過する流路における湯水の流量を測定する流量センサと、給湯装置を制御する制御部と、を備える。

制御部は、加熱部の目標温度値と、入水経路から加熱部に入力する湯水の入水温度値と、流量センサによる測定流量値とから、熱交換器を加熱するための要求熱量を取得する要求熱量取得部と、バーナを燃焼させるための加熱指令を出力する加熱指令部と、加熱指令によるバーナの燃焼によって発生する予測熱量を取得する予測熱量取得部と、加熱指令部を制御する加熱処理部と、を含む。

加熱処理部は、要求熱量が、バーナが有する最低燃焼能力に対応した最低熱量以下である場合に、予測熱量が要求熱量より大きい時は燃焼停止の指令を出力するよう加熱指令部を制御し、且つ予測熱量が要求熱量以下である時は最低熱量を発生する燃焼指令を出力するよう加熱指令部を制御する。

好ましくは、熱交換器は、顕熱を回収する一次熱交換器と、潜熱を回収する二次熱交換器と、含み、二次熱交換器の出口は、一次熱交換器の入口に接続される。給湯装置は、さらに、入水経路から入力する湯水の温度を測定する温度センサを、備える。制御部は、温度センサによる測定温度値と測定流量値に基づき、二次熱交換器の出口の湯水の温度値を推定し、要求熱量を取得するための入水温度値は、測定温度値と二次熱交換器の出口の推定された温度値のうちの低い方である。

好ましくは、給湯装置は、給湯栓につながる配管と、給湯装置への全体給水量の一部を配管へ分流させるための分配弁と、をさらに備える。分配弁の開度は、全体給水量に対する配管への分流の割合を示す。制御部は、設定温度値と、入水温度値と、割合とに基づき加熱部を制御するための目標となる温度値を算出し、要求熱量を取得するための目標温度値は、設定温度値と算出された目標となる温度値のうちの低い方である。

好ましくは、加熱処理部は、燃焼停止の指令が出力されたときは、少なくとも所定時間、バーナの燃焼停止が継続するように加熱指令部を制御する。

好ましくは、予測熱量取得部は、周期［ｎ］毎に、ｙ[ｎ]＝（（Ｌ×ｙ［ｎ−１］）＋ｘ[ｎ]）/（Ｌ＋１）に従い予測熱量ｙ[ｎ]を取得し、ｘ[ｎ]は、周期[ｎ]に出力された加熱指令が要求する熱量を示し、Ｌは時定数を示す。

好ましくは、Ｌが示す時定数を、入水温度の変化傾向と測定流量値に従い変更する。
この発明の他の局面に従うと、給湯装置の制御方法が提供される。給湯装置は、熱交換器を含む加熱部と、熱交換器を加熱するバーナと、を備える。制御方法は、加熱部の目標温度値と、加熱部に入力する湯水の入水温度値と、加熱部を通過する流量値とから、熱交換器を加熱するための要求熱量を取得するステップと、バーナを燃焼させるための加熱指令を出力するステップと、加熱指令によるバーナの燃焼によって発生する予測熱量を取得するステップと、を備える。加熱指令を出力するステップは、要求熱量が、バーナが有する最低燃焼能力に対応した最低熱量以下である場合に、予測熱量が要求熱量より大きい時は燃焼停止の指令を出力し、且つ予測熱量が要求熱量以下である時は最低熱量を発生する燃焼指令を出力する。

本開示によれば、適切な出湯温度となるようにバーナの燃焼制御を行うことが可能となる。

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。 コントローラ３００の機能構成を概略的に示すブロック図である。 実施の形態１にかかる間欠運転を説明するための図である。 実施の形態１にかかる間欠運転を説明するための図である。 実施の形態１に係る燃焼制御の概略処理フローチャートである。 実施の形態１に係る間欠運転の処理フローチャートである。 実施の形態３に係る時定数Ｌを説明する図である。 （Ａ）と（Ｂ）は、実施の形態４を説明するための図である。 各実施の形態による間欠運転時の給湯装置１００の動作を説明する図である。 間欠運転中の(要求熱量と現在出力)または(缶体設定温度と現在缶体温度)の関係を示す図である。 各実施の形態の利点を説明するための図である。 各実施の形態の利点を説明するための図である。 各実施の形態の利点を説明するための図である。 各実施の形態の利点を説明するための図である。

本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

この明細書において、給湯装置では、ガスバーナの燃焼により発生する熱量（Kcal）を「号数」により示す。号数＝１は、１（Ｌ/ｍｉｎ）の流量下で湯温を予め定められた温度（例えば２５℃）上昇させるのに必要な熱量に相当する。

[概要]
各実施の形態を概要すると、給湯装置において熱交換器を加熱するために要求される要求熱量（以下、「要求号数」ともいう）が、バーナが有する最低の燃焼能力（以下、「最低号数」ともう）に対応した最低熱量以下である場合に、制御部は、間欠運転をするようにバーナを制御する。具体的には、予測熱量が上記の要求熱量よりも大きい時は燃焼を停止するようにバーナを制御し、一次熱交換器の出力を予測する予測熱量が要求熱量以下である時は最低熱量を発生して燃焼するようにバーナを制御する。上記の予測熱量は、バーナの燃焼により一次熱交換器から出力されることが予測される熱量を示す。

上記の給湯装置によれば、要求熱量と予測熱量との大小関係に従い、バーナの燃焼または燃焼停止の切替えによる間欠運転が可能となる。

上記の間欠運転が実施されることで、給湯装置において「最低号数」以下の低号数域の発熱量を得ることができる。その結果、低号数域において熱交換器への入水温度の変化に追従した加熱制御（加熱指令の出力）が可能となり、低号数域において出湯温度を設定温度に維持することが可能となる。

［実施の形態１］
（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、加熱部２０、ガスバーナ３０、加熱部２０を格納する燃焼缶体（以下、単に「缶体」とも称する）１０、送風ファン４０、入水管５０、バイパス管６０、出湯管７０、およびコントローラ３００を含む。加熱部２０は、ガスバーナ３０が燃焼して発生する熱量により湯水を加熱して送出する部分であり、顕熱を回収する一次熱交換器１１および潜熱を回収する二次熱交換器２１を含む。二次熱交換器２１の出口は、一次熱交換器１１の入口に接続される。

入水管５０および出湯管７０の間にはバイパス管６０が配置される。入水管５０は、加熱部２０に湯水を入力するための「入水経路」の一実施例である。入水管５０には、バイパス管６０への分流を制御するための分配弁８０が介挿接続される。さらに、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、入水温度Ｔｗを検出する。分配弁８０の開度に応じて、給湯装置１００への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分流の割合は、分配弁８０の開度に応じて制御される。入水管５０には、水道水または外部機器からの湯水が給水され得る。実施の形態１では、入水管５０に接続され得る外部機器は、例えば燃料電池発電ユニットを含む。

入水管５０からの湯水は、入水経路に介挿された二次熱交換器２１によって予熱された後、一次熱交換器１１において主加熱される。一次熱交換器１１および二次熱交換器２１によって加熱された湯水は、出湯管７０を介して、台所および浴室等の給湯栓１９０から出湯される。

出湯管７０は、合流点７５においてバイパス管６０と接続される。したがって、給湯栓１９０からの湯水は、缶体１０から出力された高温湯と、バイパス管６０からの湯水を混合した適温となる。

出湯管７０には、流量調整弁９０および温度センサ１２０，１３０が設けられる。温度センサ１２０は、出湯管７０のバイパス管６０との合流点７５よりも上流側（缶体１０側）に配置されて、缶体１０からの出力湯温（以下、缶体温度）を検出する。温度センサ１３０は、合流点７５よりも下流側（出湯側）に設けられて、バイパス管６０からの湯水が混合された後の出湯温度Ｔｈを検出する。流量調整弁９０は、出湯流量を制御するために設けられる。

ガスバーナ３０から送出された燃料ガスは、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。ガスバーナ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、ガスバーナ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、ガスバーナ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、ガスバーナ３０での燃焼による発熱量により、一次熱交換器１１および二次熱交換器２１で、入水管５０から供給された湯水を加熱する。

ガスバーナ３０へのガス供給管３１には、元ガス電磁弁３２、供給される電流量に比例して開度が調整されるガス比例弁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、ガスバーナ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。

コントローラ３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０１、外部との入出力を制御するインターフェイス３０２、タイマ３０３、および記憶部３０４を備える。ＣＰＵ３０１は、インターフェイス３０２を介して各センサからの出力信号（検出）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生成し、インターフェイス３０２を介して出力する。

また、ＣＰＵ３０１は、インターフェイス３０２を介して各センサからの出力信号（検出）をサンプリングし、サンプリングした信号をＡ／Ｄ（Analog/digital）変換により測定値に変換する。ユーザ操作には、給湯装置１００の電源オン／オフ指令および設定温度値（給湯設定温度値Ｔｒを含む）の指令が含まれる。ユーザ操作には、給湯装置１００の運転オン／オフ指令が含まれ得る。制御指令は、ガスバーナ３０の燃焼を制御するための加熱指令が含まれる。加熱指令は、元ガス電磁弁３２への開指令または閉指令、およびガス比例弁３３への開度を可変に調整するための指令を含む。

また、給湯装置１００では、合流点７５よりも下流側（出湯側）に配置された流量調整弁９０からは、缶体１０からの加熱水（入水温度Ｔｗ＋ΔＴ）と、バイパス管６０からの非加熱水（入水温度Ｔｗ）とを混合した湯が出力される。

コントローラ３００は、流量調整弁９０の開度を制御することによって、流量値Ｑおよび出湯管７０からの出湯流量を制御することができる。なお、図１に示された給湯装置１００において、流量値Ｑは、給水圧力と流量調整弁９０の開度によって決まる。

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。したがって、流量センサ１５０によって検出される流量値Ｑは、缶体１０に格納された加熱部２０を通過する流量（缶体流量）を示している。

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値ＱがＭＯＱ（最低作動流量値）を超えたとき、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、ガスバーナ３０への燃料ガスの供給が開始される。

図１から理解されるように、流量調整弁９０は、入水管５０から缶体１０を通過して出湯管７０へ至る通水路に介挿接続される。そして、流量センサ１５０は、当該通水路における「水」の流量を検出することができる。なお、図１のように、バイパス管６０が設けられた構成によっても、分配弁８０の開度によって決まる分配比を用いて、流量センサ１５０による検出値によって、流量調整弁９０からの出力流量を検出することができる。

（コントローラ３００の機能構成）
図２は、コントローラ３００の機能構成を概略的に示すブロック図である。図２の各部は、ＣＰＵ３０１が実行するソフトウェアプログラム、または専用のハードウェア（電子回路）、またはソフトウェアプログラムと回路の組合せにより構成され得る。コントローラ３００は、給湯装置１００を制御する「制御部」の一実施例である。

図２を参照して、コントローラ３００は、要求熱量取得部３０７、予測熱量取得部３０８、加熱処理部３０９および加熱指令部３１０を含む。加熱処理部３０９は、加熱指令部３１０を制御する。実施の形態１では、給湯装置１００が電源オンされているときは、コントローラ３００は要求熱量取得部３０７、予測熱量取得部３０８および加熱処理部３０９による処理を、周期［ｎ］毎に繰返す。また、コントローラ３００は、インターフェイス３０２を介して各種のセンサ出力を、上記の処理の周期［ｎ］に同期した周期でサンプリング（受付け）する。

加熱指令部３１０は、加熱処理部３０９からの制御出力に基づき、加熱指令を生成して、加熱部２０に出力する。上記の間欠運転時においては、加熱指令部３１０は、加熱処理部３０９からの制御出力に基づき、燃焼停止指令３１１または燃焼指令３１２を出力する。燃焼停止指令３１１が出力されるとガスバーナ３０は燃焼を停止するため、発生熱量は「０号」に相当する。また、燃焼指令３１２が出力されるとガスバーナ３０は最低燃焼能力である最低号数で燃焼するため、発生熱量は「最低号数」に相当する。実施の形態１の給湯装置１００の記憶部３０４には、「最低号数」として２．４号が予め設定（記憶）されている。なお、最低号数は２．４号に限定されない。

実施の形態１では、加熱指令部３１０からガス比例弁３３に出力される加熱指令は、ガスバーナ３０を燃焼させて加熱部２０に入力（供給）するべき発熱量（以下、「実入力号数」ともいう）に相当する大きさの電流信号を示す。したがって、給湯装置１００は、加熱指令により、ガスバーナ３０の燃焼による発熱量を可変に制御することができる。

（要求号数の取得方法）
要求熱量取得部３０７は、要求号数を算出する。具体的には、要求熱量取得部３０７は、缶体設定温度値ＴＴと、入水経路から加熱部２０に入力する湯水の入水温度値Ｔｉｎと、流量センサ１５０による測定流量値Ｑとから、（式１）に従い要求号数ＲＱを算出する。なお、（式１）の係数βは、熱量から号数に換算するための係数である。

ＲＱ＝（ＴＴ−Ｔｉｎ）×Ｑ×β・・・（式１）
なお、実施の形態１では、要求熱量取得部３０７は、要求号数ＲＱを（式１）に基づき算出するが、要求号数ＲＱの取得方法はこれに限定されない。例えば、缶体設定温度値ＴＴおよび入水温度値Ｔｉｎの組と関連付けされて登録されたテーブルが記憶部３０４に予め格納される場合は、要求熱量取得部３０７は、缶体設定温度値ＴＴおよび入水温度値Ｔｉｎに基づきテーブルを検索することにより、要求号数ＲＱを読出すとしてもよい。

実施の形態１では、缶体設定温度値ＴＴは、燃焼缶体（より特定的には一次熱交換器１１）のガスバーナ３０の燃焼制御による目標温度を示す。缶体設定温度値ＴＴは、実施の形態１では、例えば、ユーザが給湯装置１００を操作して設定した給湯設定温度値Ｔｒを用いて、（缶体設定温度値ＴＴ＝給湯設定温度値Ｔｒ＋１５度）にセットされる。ただし、５０度≦ＴＴ≦６７度である。

（仮想出力の取得方法）
予測熱量取得部３０８は、加熱指令部３１０からの加熱指令が指示する「実入力号数」に従いガスバーナ３０が燃焼した場合に、一次熱交換器１１により出力される発熱量を予測する。この予測熱量を以下、「仮想出力」ともいう。

予測熱量取得部３０８は、周期［ｎ］の仮想出力ｙ[ｎ]を、実入力号数ｘ[ｎ]と給湯装置１００が有する応答遅れの時定数Ｌとから、指数移動平均に従う（式２）に基づき算出する。

ｙ[ｎ]＝（Ｌ/（Ｌ＋１）×ｙ［ｎ−１］）＋（１/（Ｌ＋１）×ｘ［ｎ］）
上記の式を変換すると、以下の（式２）となる。

ｙ[ｎ]＝（（Ｌ×ｙ［ｎ−１］）＋ｘ[ｎ]）/（Ｌ＋１）・・・（式２）
予測熱量取得部３０８は、処理の周期[ｎ]に同期して仮想出力ｙ[ｎ]を算出する。たとえば、仮想出力ｙ［ｎ］は今回の処理周期[ｎ]での算出値であり、仮想出力ｙ［ｎ−１］は前回の処理周期[ｎ−１]での算出値であり、仮想出力ｙ［ｎ＋１］は次回の処理周期[ｎ＋１]での算出値である。また、実入力号数ｘ[ｎ]は、今回の処理周期[ｎ]での算出値である。間欠運転時に仮想出力が算出される場合には、実入力号数ｘ[ｎ]は、処理周期[ｎ]で燃焼停止指令３１１が出力されているときは０号を示し、処理周期[ｎ]で燃焼指令３１２が出力されているときは２．４号（「最低号数」）を示す。

（式２）では、仮想出力ｙ［ｎ］は、仮想出力ｙ［ｎ−１］と実入力号数ｘ[ｎ]との、時定数Ｌと時定数（Ｌ＋１）に基づく内分点に相当する値を示す（図４参照）。（式２）によれば、応答遅れに相当する値が補正された値として仮想出力ｙ［ｎ］を算出することができる。

なお、実施の形態１では、予測熱量取得部３０８は仮想出力ｙ［ｎ］を（式２）により算出して取得したが、取得方法はこれに限定されない。例えば、記憶部３０４に仮想出力ｙ［ｎ］が、仮想出力ｙ［ｎ−１］と実入力号数ｘ[ｎ]の組で関連付けされて登録されたテーブルを格納しておき、予測熱量取得部３０８は、仮想出力ｙ［ｎ−１］と実入力号数ｘ[ｎ]に基づきテーブルを検索することにより、仮想出力ｙ［ｎ］を読出すとしてもよい。

加熱処理部３０９は、処理の各周期[ｎ]において、要求号数が、最低号数以下である場合は、仮想出力と要求号数との大小関係を比較し、比較の結果に従い、燃焼停止指令３１１または燃焼指令３１２を、加熱指令部３１０を介して出力する。これにより、加熱処理部３０９は、要求号数が最低号数以下である場合に、ガスバーナ３０を燃焼と燃焼停止とを切替えて間欠的に運転することができる。

間欠運転が実施されることで、給湯装置１００は最低号数以下の低号数域に相当する発熱量を得ることができる。

（間欠運転の説明）
図３と図４は、実施の形態１にかかる間欠運転を説明するための図である。図３と図４は、横軸に時間がとられて、縦軸には号数がとられている。なお、実施の形態１では、間欠運転を終了（燃焼を停止）するための基準値として、設定最低号数（例えば、０．８号）が示される。設定最低号数は、記憶部３０４に格納される。なお、０＜設定最低号数＜最低号数（２．４号）の関係を有する値であれば、設定最低号数は、０．８号に限定されない。

図３と４を参照して、外部機器から、入水経路を介して高い予熱を有した給水がなされる場合を説明する。時間＝０において給湯栓１９０の開操作がされて、缶体流量が最低作動流量（ＭＯＱ）を超えると、比例制御による燃焼運転が開始される。比例制御の燃焼運転は、従来から周知の運転であるので、説明は繰返さない。

その後、外部機器からの入水温度Ｔｗが上昇すると、要求号数ＲＱは低下する。要求号数ＲＱが最低号数（２．４号）以下となった場合は、給湯装置１００の運転は、比例制御の運転から上記の間欠運転に切り替わる（図３参照）。図４を参照して、間欠運転においては、仮想出力と要求号数ＲＱとの大小関係に従い、実入力号数が２．４号を示す燃焼指令３１２と、実入力号数が０号を示す燃焼停止指令３１１とが交互に出力される。これにより、給湯装置１００は、本来は得ることができない低号数域（最低号数（２．４号）〜設定最低号数（０．８号））に対応した発熱量を出力することができる。なお、実施の形態１では、間欠運転は、要求号数ＲＱが設定最低号数未満になると終了する。

（ガスバーナ３０の制御のフローチャート）
図５は、実施の形態１に係る燃焼制御の概略処理フローチャートである。図６は、実施の形態１に係る間欠運転の処理フローチャートである。これらフローチャートは、プログラムとして記憶部３０４に格納される。ＣＰＵ３０１は、記憶部３０４からプログラムを読出し実行することにより、処理が実現される。実施の形態１では、ＣＰＵ３０１は、給湯装置１００を制御するメインルーチンから図５のフローチャートのプログラムを、一定時間ごと（周期的に）呼出して実行する。このプログラムの実行周期は、上記に述べた処理の周期[ｎ]に同期する。

図５を参照して、ＣＰＵ３０１は、受付けるユーザ操作内容に基づき給湯装置１００が電源オン状態であるか否かを判断する（ステップＳ１）。電源オンと判断されないときは（ステップＳ１でＮＯ）、ステップＳ１の処理を繰返す。

ＣＰＵ３０１が、給湯装置１００は電源オン状態であると判断すると（ステップＳ１でＹＥＳ）、要求熱量取得部３０７は（式１）に従い要求号数ＲＱを取得する（ステップＳ３）。加熱処理部３０９は、設定最低号数（０．８号）および最低号数（２．４号）を用いて、要求号数ＲＱについて（０．８＜要求号数ＲＱ≦２．４）の条件が成立するか否かを判断する（ステップＳ５）。加熱処理部３０９は、当該条件は成立しないと判断すると（ステップＳ５でＮＯ）、一連の処理は終了し、元のメインルーチンに戻る。

加熱処理部３０９は、上記に述べた条件が成立すると判断すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、間欠運転処理（ステップＳ６）を実施する。

図６を参照して、間欠運転処理では、まず、予測熱量取得部３０８は、（式２）に従い仮想出力を取得する（ステップＳ１１）。また、要求熱量取得部３０７は、（式１）に基づき要求号数ＲＱを取得する。

加熱処理部３０９は、取得された仮想出力と要求号数ＲＱについて（仮想出力＞要求号数ＲＱ）の条件が成立するか否かを判断する（ステップＳ１７）。加熱処理部３０９は、（仮想出力＞要求号数ＲＱ）の条件が成立すると判断したとき（ステップＳ１７でＹＥＳ）、燃焼停止指令３１１を出力するよう加熱指令部３１０を制御する（ステップＳ１９）。これにより、ガスバーナ３０の出力（発熱量）が要求号数ＲＱを上回ることが予測される場合、すなわち出湯温度Ｔｈが給湯設定温度を超えることが予測される場合は、燃焼停止指令３１１を出力し、ガスバーナ３０の燃焼を停止させ、オーバーシュートを防止することが可能となる。

また、加熱処理部３０９は、（仮想出力＞要求号数ＲＱ）の条件は成立しないと判断したとき（ステップＳ１７でＮＯ）、燃焼指令３１２を出力するよう加熱指令部３１０を制御する（ステップＳ２０）。これにより、ガスバーナ３０の出力（発熱量）が要求号数ＲＱ以下となることが予測される場合は、燃焼指令３１２を出力してガスバーナ３０を最低号数（２．４号）の発熱量で燃焼させて、出湯温度Ｔｈが給湯設定温度を下回る（アンダーシュート）事態を防止することが可能となる。ステップＳ１９またはステップＳ２０の処理後は、図５の元の処理に戻る。

［実施の形態２］
実施の形態２は、上述の各実施の形態の変形例を示す。実施の形態２では、要求号数ＲＱを算出するための（式１）における入水温度値Ｔｉｎとして、入水温度値Ｔｉｎ（１）と入水温度値Ｔｉｎ（２）の２種類が定義される。

入水温度値Ｔｉｎ（１）は、温度センサ１１０の出力（入水温度Ｔｗ）を測定した値である。入水温度値Ｔｉｎ（２）は、二次熱交換器２１の出口の湯水温度［ｎ］、すなわち一次熱交換器１１に入水する直前の湯水の温度を示す。

実施の形態の背景として、入水経路の途中に二次熱交換器２１を有する場合には、入水経路の途中に設けられた二次熱交換器２１が有する配管容量のために、一次熱交換器１１への入水温度が、入水経路の上流における温度センサ１１０が検出する入水温度Ｔｗから変化する可能性がある。そのため、入水温度Ｔｗに基づき算出された要求号数ＲＱに従って間欠運転を実施すると、加熱指令（燃焼指令３１２）の出力が遅れて、出湯温度Ｔｈがアンダーシュートする可能性がある。

このような背景のもと、実施の形態２では、要求熱量取得部３０７は、入水温度値Ｔｉｎ（１）および入水温度値Ｔｉｎ（２）のうち、温度の低い方を用いた（式２）に従い、要求号数ＲＱを算出する。これにより、間欠運転時の加熱指令（燃焼指令３１２）の出力遅れを防止する。

実施の形態２では、ＣＰＵ３０１は、入水温度値Ｔｉｎ（２）を、以下の（式３）に従い算出（推定）する。この式は、仮想出力を算出する（式１）と同様に、周期［n-1］に算出された入水温度値Ｔｉｎ（２）[n-1]と周期［ｎ］の入水温度値Tｉｎ（１）[ｎ]とについて、時定数Ｌに従う内分点の値を算出する式である。

入水温度値Ｔｉｎ（２）［ｎ］＝（Ｌ×入水温度値Ｔｉｎ（２）［ｎ−１］＋入水温度値Ｔｉｎ（１）［ｎ］）／（Ｌ＋１）・・・（式３）
なお、給湯装置１００の運転開始時の入水温度値Ｔｉｎ（２）の値（初期値）は、流量値Ｑを用いた所定関数から算出される値である。

実施の形態２によれば、要求熱量取得部３０７は、入水経路において二次熱交換器２１の上流側の温度センサ１１０による測定温度値、および二次熱交換器２１の下流側である二次熱交換器２１の出口の湯水温度［ｎ］のうちのより低い方を用いて要求号数ＲＱを算出する。

したがって、例えば外部機器である燃料電池発電ユニットのタンクに蓄えられていた湯が入水経路から給湯装置１００に供給される場合において、タンクの湯切れが生じたときには、入水温度値Ｔｉｎ（１）の方が低くなる。また、燃料電池発電ユニットから給湯装置１００に運転を切替える場合には、二次熱交換器２１の出口の湯水温度［ｎ］（入水温度値Ｔｉｎ（２））の方が、入水温度値Ｔｉｎ（１）よりも低くなる。実施の形態２によれば、いずれの場合も、速やかに燃焼指令３１２を出力して出湯温度Ｔｈのアンダーシュートを防止することが可能となる。

[実施の形態３]
実施の形態３は、実施の形態２の変形例を示す。実施の形態３では、上記の入水温度値Ｔｉｎ（２）、すなわち二次熱交換器２１の出口の湯水温度［ｎ］を算出するための（式３）の時定数Ｌを変化させる。

図７は、実施の形態３に係る時定数Ｌを説明する図である。実施の形態３では、二次熱交換器２１の出口の湯水温度［ｎ］をより正確に算出するために、ＣＰＵ３０１は、時定数Ｌを、流量値Ｑにより可変に設定する。つまり、入水経路を介して湯水が一次熱交換器１１（二次熱交換器２１の出口）に到達するまでの時間は湯水の流量に依存して変化することに着目して、実施の形態３では（式３）の時定数Ｌを流量値Ｑにより可変に設定する（図７を参照）。実施の形態３による具体的な効果は、図１３と図１４を参照して後述する。

[実施の形態４]
実施の形態４は、上述の各実施の形態の変形例を示す。実施の形態４では、（式１）を用いて要求号数ＲＱを算出するために、缶体設定温度値ＴＴとして、缶体設定温度値ＴＴ（１）と缶体設定温度値ＴＴ（２）の２種類の上限値を定義する。

要求熱量取得部３０７は、缶体設定温度値ＴＴ（１）と缶体設定温度値ＴＴ（２）を用いて（式１）に従い要求号数ＲＱを算出する。

缶体設定温度値ＴＴ（１）は、上記に述べた（給湯設定温度値Ｔｒ＋１５度）を示す。缶体設定温度値ＴＴ（２）は、入水温度値Ｔｉｎと給湯設定温度値Ｔｒの関数である、以下の（式４）に従い算出される。

ＴＴ（２）＝（Ｔｒ−Ｔin×η（ｘ＝100））／（１−η（ｘ＝100））・・・（式４）
なお、関数η（ｘ＝100）は、分配弁８０の分配比がη、且つ全開（ｘ＝100）であるときの、入水経路から分配弁８０を介して出湯路に混合される湯水量を示す。

実施の形態の背景として、上記に述べた比例制御の運転においては、ＣＰＵ３０１は、缶体設定温度と入水温度に基づく指令を出力し、分配弁８０の分配比（開度）を可変に制御して、出湯温度Ｔｈを設定温度に維持する。

ここで、入水経路における給水予熱の温度が高い場合は、ＣＰＵ３０１が、分配弁８０に全開（ｘ＝100）となるような指令を出力したしても、出湯温度Ｔｈを給湯設定温度に維持することができず、オーバーシュートが発生し得る。これに対処するために、実施の形態４では、缶体設定温度値ＴＴ（１）と缶体設定温度値ＴＴ（２）のうち、より低い方の上限値を用いて要求号数ＲＱを算出する。

図８（Ａ）と（Ｂ）は、実施の形態４を説明するための図である。図８のグラフでは、横軸に時間がとられ、縦軸には温度または要求号数ＲＱがとられている。図８（Ａ）の比較例においては、実施の形態４とは異なり缶体設定温度値ＴＴを一定とした場合が示される。比較例によれば、入水経路における入水温度値Ｔｉｎ（すなわち、給水予熱の温度）が上昇し、給湯設定温度値Ｔｒに近づいたとしても、缶体設定温度は一定であるために、要求号数ＲＱはゼロとはならず、燃焼指令３１２が出力されてしまう。また、分配弁８０が全開状態であっても出湯温度Ｔｈを給湯設定温度にまで下げることはできない。この結果、オーバーシュートが発生する。

これに対して図８（Ｂ）の実施の形態４では、入水温度値Ｔｉｎ（給水予熱温度）が上昇するにつれて、（式４）により算出される缶体設定温度値ＴＴ（２）は、缶体設定温度値ＴＴ（１）よりも低くなる。その後は、缶体設定温度値ＴＴ（２）を用いて算出される要求号数ＲＱは、入水温度値Ｔｉｎ（給水予熱温度）が上昇するにつれて小さくなる。

入水温度値Ｔｉｎが給湯設定温度値にまで達すると、（式１）により算出される要求号数ＲＱはゼロとなる。これにより、（仮想出力＞要求号数）の条件（図６のステップＳ１７）が成立し、燃焼停止指令３１１が出力されてガスバーナ３０の燃焼は停止する。したがって、オーバーシュートを防止して、出湯温度Ｔｈを給湯設定温度に維持することが可能となる。

[実施の形態５]
実施の形態５は、上述の各実施の形態の変形例を示す。実施の形態５では、間欠運転において、加熱処理部３０９は、燃焼停止指令３１１が出力されたときは、少なくとも所定時間、燃焼停止が継続するように加熱指令部３１０を制御する。

これにより、間欠運転において、ガスバーナ３０の燃焼停止→燃焼→燃焼停止の高速切替えを防止できる。その結果、例えば高速切替えに起因したガス比例弁３３を含む燃焼系統の劣化を防止することができる。

［実施の形態によるシミュレーション］
図９は、各実施の形態による間欠運転時の給湯装置１００の動作を説明する図である。図９のグラフでは、縦軸に温度（℃）または号数が、横軸に時間（秒）がそれぞれとられている。図９のグラフは、発明者らによりなされた間欠運転を摸擬する計算機シミュレーションの結果を示す。シミュレーションでは、上記の各式における入水温度Ｔｗと流量値Ｑ（缶体流量値）を、周期的に変化させながら、各値を算出する。図９のグラフは、算出された値をプロットしたものである。なお、シミュレーションでは、給水予熱の温度を１５度→４０度に徐々に変化させた。また、燃焼停止の継続時間は最低１．０秒とし、設定最低号数は、０．８号とした。

図９を参照して、給湯栓１９０が開かれて給湯装置１００に給水が開始されて運転が開始される。運転開始時の、給水予熱温度である入水温度Ｔｗ（グラフＧ５）は低い値を示す。このときは、比例制御の運転がなされる。したがって、算出される仮想出力（グラフＧ４）は、要求号数（グラフＧ３）に追従して変化する。

その後、給水予熱温度が上昇し始めると、実施の形態４に従い缶体設定温度値ＴＴは低い方の上限値が採用されることから、缶体設定温度値ＴＴ（グラフＧ６）は低下し始める。

運転開始から４０秒ごろに、（０．８＜要求号数ＲＱ≦２．４）の条件が成立すると、間欠運転が開始される。間欠運転においても給水予熱温度を示す入水温度Ｔｗ（グラフＧ５）は上昇し、それに伴い、実施の形態４に従い、低い方の缶体設定温度値ＴＴが選択される（グラフＧ６参照）ことにより要求号数ＲＱ（グラフＧ３）は低下する。その後、仮想出力（グラフＧ４）も低下しながら要求号数ＲＱに近づく。これにより、間欠運転の開始時には、燃焼指令３１２が出力されて燃焼する期間（ＯＮ期間とする）は、燃焼停止指令３１１が出力された燃焼停止する期間（ＯＦＦ期間とする）よりも比較的長いが、その後は、ＯＮ期間は短くなり、入水温度Ｔｗ（グラフＧ５）がほぼ給湯設定温度値Ｔｒになると（間欠運転の終了時には）、燃焼停止（ＯＦＦ期間）が継続する。

このように、間欠運転の期間においては、ＯＮ（燃焼）期間とＯＦＦ（燃焼停止）期間とが周期[ｎ]に同期して交互に繰り返される（グラフＧ７参照）。各実施の形態によれば、各周期におけるＯＮとＯＦＦからなるデユーティ比を自律的に変更することができる。

したがって、要求号数ＲＱが最低号数（２．４号）以下である場合の間欠運転において、デユーティ比を固定にする場合に比較して、オーバーシュートおよびアンダーシュートを防止しながら、出湯温度Ｔｈを給湯設定温度値Ｔｒに維持するような発熱量（図５の２．４号〜０．８号の間の低号数域での発熱量）の調整を、精度よく実施することができる。

[実施の形態の効果]
各実施の形態の効果について、ガスバーナ３０を制御するために仮想出力(予測熱量)を用いることの利点と、要求号数ＲＱの算出に用いる入水温度を切替えることの利点とを説明する。

（仮想出力(予測熱量)を用いることの利点）
給湯器は、一般的に、一次熱交換器への入水温度を検出する温度センサ、流量を検出する水量センサおよび缶体の温度を検出する温度センサを備える。したがって、温度センサによる現在の検出温度と検出流量を用いて現在の一次熱交換器の出力を演算することが可能である。しかしながら、各実施の形態の背景として、（１）一次熱交換器１１の出口温度は、缶体温度センサによって温度加熱部（ガスバーナ３０）よりも下流で検出されること、また（２）ガスバーナ３０の燃焼停止後も一次熱交換器(缶体)は余熱をもつことが知られている。

したがって、間欠運転において、この現在熱量を用いて要求号数ＲＱと比較し、燃焼停止、許可の判断を行うとすれば、燃焼停止の判断が遅くなってしまう。これを、防止するために、各実施の形態では、現在熱量ではなく、一次熱交換器１１の出力を予測した値である仮想出力（予測熱量）を用いて間欠運転を実施する。

図１０は、間欠運転中の(要求熱量と現在出力)または(缶体設定温度と現在缶体温度)の関係を示す図である。図１０を参照して、仮に時刻t=t1で燃焼許可の指令が出力されて、t=t2に現在出力が要求号数ＲＱに一致したとする。ここで、コントローラ３００が燃焼停止の判断を行ったとして、t2以降の現在出力または缶体温度を考察すると、図１０のグラフＡのように即低下することはなく、グラフＢのように要求号数ＲＱを上回るまたは缶体設定温度を上回ってから低下する挙動をとることになる。その原因は、上記に述べた背景（１）と（２）にある。

図１１は、加熱部２０から出力直後の温度または、加熱部２０の出力直後の熱量を用いて熱量を演算したグラフを図１０に追加したケースを示す。図１１においては、グラフＣにより仮想出力（予測熱量）が示される。図１１では、仮想出力を要求号数ＲＱと比較することにより、燃焼停止の判断のタイミングをt2→t2'に早めることができる。つまり、t2'で燃焼停止指令３１１を出力することができて、これにより、検出温度と現在出力は図１２に示されるように変化する。つまり、オーバーシュートを防ぐことが可能になる。

（要求号数ＲＱの算出に用いる入水温度を切替えることの利点）
実施の形態２で示されるように、要求号数ＲＱを算出するための（式１）における入水温度値Ｔｉｎは、温度センサ１１０による入水温度値Ｔｉｎ（１）と二次熱交換器２１の出口の推定される湯水温度である入水温度値Ｔｉｎ（２）の一方に切替えられる。

実施の形態２では、２種類の入水温度値Ｔｉｎ（１）と（２）を用いる理由は、給水予熱と湯切れ（燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）発電ユニットのタンクの湯切れ）に備えるためである。図１３に給水予熱時の入水温度の変化を例示し、図１４に湯切れ時の入水温度の変化を例示する。

図１３と図１４のいずれの場合でも、現在検出している入水温度よりも二次熱交換器２１出口温度の方が遅れて上昇もしくは下降する。これは単純に検出箇所と一次熱交換器１１との間の配管容量に依存して、湯水の到達に時間がかかることによる。

ここで、給水予熱時に検出した入水温度を用いて要求号数ＲＱを算出するとすれば、まだまだ燃焼を継続すべき温度であるのにガスバーナ３０は燃焼を停止する。結果としてアンダーシュートする。このことは、図１３に示されるように、二次熱交換器出口温度(＝一次熱交換器入り口温度)のほうが時刻ｔにおいて検出している入水温度よりも低い値を示すことからも理解される。つまり、給水予熱時に要求号数ＲＱの算出に入水温度としては、二次熱交換器出口温度を用いることで、アンダーシュートを防止することができる。

これに対して、湯切れ時において、二次熱交換器出口温度を用いて要求号数ＲＱを算出した場合には、コントローラ３００による燃焼許可の判断が遅くなって、燃焼指令３１２の出力が遅れる。結果としてアンダーシュートする。したがって、湯切れ時においては、検出している入水温度を用いて要求号数ＲＱを算出しておけばガスバーナ３０の着火を早めてアンダーシュートを防止することが可能となる。

このように、実施の形態２では、（式３）により、検出した温度(入水温度)をなます(指数移動平均を用いる)ことで、二次熱交換器出口温度を想定する。そして、２種類の入水温度値Ｔｉｎ（１）と入水温度値Ｔｉｎ（２）のうちの低い方を要求号数ＲＱの算出に採用することで、上記のアンダーシュート防止の要求を満たすことができる。

また、実施の形態３では、二次熱交換器出口温度（入水温度値Ｔｉｎ（２））を算出する（式３）に用いる時定数Ｌは、図７で説明したように、流量値Ｑの１変数関数により可変に設定することができる。具体的には、流量が少ないときは（すなわち、一次熱交換器１１に到達するまでに要する時間が長くなるときは）、１変数関数により大きな時定数を算出することができる。流量が多いときは（すなわち、一次熱交換器１１に到達するまでに要する時間は短いときは）、１変数関数により小さな時定数を算出することができる。

このように、実施の形態３では、入水温度値Ｔｉｎ（２）を流量値Ｑによってなます程度（時定数Ｌ）を変化させて、入水温度値Ｔｉｎ（２）をより正確に算出することができる。

各実施の形態によれば、給水予熱を利用した給湯装置であっても、間欠運転を実施することにより、低号数域において、オーバーシュートおよびアンダーシュートを防止しながら、出湯温度Ｔｈを給湯設定温度値Ｔｒに維持することができる。

例えば、給湯装置１００が燃料電池発電ユニットに接続される場合に、給湯装置１００の入水経路の入水温度値Ｔｉｎは、燃料電池発電ユニットから供給される湯水の温度（給水予熱）により変化する。その場合であっても、各実施の形態よる間欠運転を実施することにより、ガスバーナ３０の燃焼制御を入水温度値Ｔｉｎの変化に速やかに且つリニアに追従させて、出湯温度Ｔｈを給湯設定温度値Ｔｒに維持することができる。

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。

２０ 加熱部、３０ ガスバーナ、３２ 元ガス電磁弁、３３ ガス比例弁、５０ 入水管、６０ バイパス管、７０ 出湯管、７５ 合流点、８０ 分配弁、９０ 流量調整弁、１００ 給湯装置、１１０，１２０，１３０ 温度センサ、１１１ 配管、１５０ 流量センサ、１９０ 給湯栓、３００ コントローラ、３０７ 要求熱量取得部、３０８ 予測熱量取得部、３０９ 加熱処理部、３１０ 加熱指令部、３１１ 燃焼停止指令、３１２ 燃焼指令。

Claims (7)

1. 給湯装置であって、
   熱交換器を含む加熱部と、
   前記熱交換器を加熱するバーナと、
   前記加熱部を通過する流路における湯水の流量を測定する流量センサと、
   前記給湯装置を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記加熱部の目標温度値と、入水経路から前記加熱部に入力する湯水の入水温度値と、前記流量センサによる測定流量値とから、前記熱交換器を加熱するための要求熱量を取得する要求熱量取得部と、
   前記バーナを燃焼させるための加熱指令を出力する加熱指令部と、
   前記加熱指令による前記バーナの燃焼によって発生する予測熱量を取得する予測熱量取得部と、
   前記加熱指令部を制御する加熱処理部と、を含み、
   前記加熱処理部は、
   前記要求熱量が、前記バーナが有する最低燃焼能力に対応した最低熱量以下である場合に、前記予測熱量が前記要求熱量より大きい時は燃焼停止の指令を出力するよう前記加熱指令部を制御し、且つ前記予測熱量が前記要求熱量以下である時は前記最低熱量を発生する燃焼指令を出力するよう前記加熱指令部を制御する、給湯装置。
2. 前記熱交換器は、
   顕熱を回収する一次熱交換器と、
   潜熱を回収する二次熱交換器と、含み、
   前記二次熱交換器の出口は、前記一次熱交換器の入口に接続され、
   前記給湯装置は、さらに、
   前記入水経路から入力する湯水の温度を測定する温度センサを、備え、
   前記制御部は、
   前記温度センサによる測定温度値と前記測定流量値に基づき、前記二次熱交換器の出口の湯水の温度値を推定し、
   前記要求熱量を取得するための前記入水温度値は、前記測定温度値と前記二次熱交換器の出口の推定された温度値のうちの低い方である、請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記給湯装置は、
   給湯栓につながる配管と、
   前記給湯装置への全体給水量の一部を前記配管へ分流させるための分配弁と、をさらに備え、
   前記分配弁の開度は、前記全体給水量に対する前記配管への分流の割合を示し、
   前記制御部は、
   設定温度値と、前記入水温度値と、前記割合とに基づき前記加熱部を制御するための目標となる温度値を算出し、
   前記要求熱量を取得するための前記目標温度値は、前記設定温度値と算出された目標となる温度値のうちの低い方である、請求項１または２に記載の給湯装置。
4. 前記加熱処理部は、前記燃焼停止の指令が出力されたときは、少なくとも所定時間、前記バーナの燃焼停止が継続するように加熱指令部を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の給湯装置。
5. 前記予測熱量取得部は、
   周期［ｎ］毎に、ｙ[ｎ]＝（（Ｌ×ｙ［ｎ−１］）＋ｘ[ｎ]）/（Ｌ＋１）に従い前記予測熱量ｙ[ｎ]を取得し、
   前記ｘ[ｎ]は、周期[ｎ]に出力された前記加熱指令が要求する熱量を示し、前記Ｌは時定数を示す、請求項１から４のいずれか１項に記載の給湯装置。
6. 前記Ｌが示す前記時定数を、前記測定流量値に従い変更する、請求項１から５のいずれか１項に記載の給湯装置。
7. 給湯装置の制御方法であって、
   前記給湯装置は、
   熱交換器を含む加熱部と、
   前記熱交換器を加熱するバーナと、を備え、
   前記制御方法は、
   前記加熱部の目標温度値と、前記加熱部に入力する湯水の入水温度値と、前記加熱部を通過する流量値とから、前記熱交換器を加熱するための要求熱量を取得するステップと、
   前記バーナを燃焼させるための加熱指令を出力するステップと、
   前記加熱指令による前記バーナの燃焼によって発生する予測熱量を取得するステップと、を備え、
   前記加熱指令を出力するステップは、
   前記要求熱量が、前記バーナが有する最低燃焼能力に対応した最低熱量以下である場合に、前記予測熱量が前記要求熱量より大きい時は燃焼停止の指令を出力し、且つ前記予測熱量が前記要求熱量以下である時は前記最低熱量を発生する燃焼指令を出力する、給湯装置の制御方法。

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