JP2645448B2 - 温度検知素子による給湯手段の温度制御方法および温度制御装置 - Google Patents

温度検知素子による給湯手段の温度制御方法および温度制御装置

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JP2645448B2 JP63334011A JP33401188A JP2645448B2 JP 2645448 B2 JP2645448 B2 JP 2645448B2 JP 63334011 A JP63334011 A JP 63334011A JP 33401188 A JP33401188 A JP 33401188A JP 2645448 B2 JP2645448 B2 JP 2645448B2
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    • G05D23/00Control of temperature
    • G05D23/19Control of temperature characterised by the use of electric means

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  • Instantaneous Water Boilers, Portable Hot-Water Supply Apparatuses, And Control Of Portable Hot-Water Supply Apparatuses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、サーミスタ、サーモカップル等の温度検知
素子(温度センサ)の検知信号に基づいて加熱量、燃焼
量を制御する温度制御装置に関し、主にマイクロコンピ
ュータ(マイコン)によって加熱装置の加熱量、燃焼量
をフィードバック比例制御する給湯器、湯沸器、温水暖
房機において効果的である。
[従来の技術] 例えば、ガス給湯器では、熱交換器から流出する湯温
が目的温度になっているかどうかを、サーミスタ等の温
度センサによって検知して、その検知結果に基づいて、
バーナの加熱量を制御している。
[発明が解決しようとする課題] しかし、被測定温度を検知するための温度検知素子と
してのサーミスタやサーモカップル等では、一般に被測
定温度の変化に対する検出遅れがある。このため、上述
のように、湯温をサーミスタ等によって検知して、その
検知信号に応じて加熱量をフィードバック比例制御する
場合、一定量の給湯が行われる場合には、目的温度に対
する出湯温度の偏差に基づいて加熱量を制御すると、出
湯温度は次第に安定し、目的温度に応じた出湯温度が得
られるが、給湯量の変更や供給水温の変化等の外乱によ
って制御量の変更が必要になった場合等には、サーミス
タの検出遅れ(応答遅れ)の影響を大きく受けてしま
い、検知信号をそのまま流出する湯の温度として制御す
ると、加熱量の速やかな変更ができないとともに、実際
の出湯温度に応じた適正な制御量で加熱ができない。
すなわち、熱交換器からの流出温度(出湯温度)を検
知してフィードバック比例制御する場合には、水量変化
があった場合にも、湯温が変化しないように制御するた
めには、0.1秒以内の応答性が必要になるが、一般にサ
ーミスタでは、応答性を表す時定数は0.8程度で、約1
秒の検出遅れになるため、オーバーシュートやアンダー
シュートによってハンチングが発生し、水を目的の温度
に安定させることが困難になるという問題がある。
本発明は、温度検知素子の検知信号に応じて温度調節
手段を制御する温度制御装置において、被加熱体や冷房
の温度を速やかに必要温度に制御するとともに、外乱が
あった場合にも、その影響を受けにくい安定した温度制
御を行うことができることを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明は、温度測定対象に対して温度検知素子を設
け、該温度検知素子の温度検知値に基づいて前記温度測
定対象の温度を調節する温度調節手段を制御する給湯手
段の温度制御方法において、前記温度検知素子の前記温
度検知値を所定時間毎に読取る第1のステップと、該第
1のステップにおいて前記温度検知値が読取られる毎に
前記温度検知素子の前回の前記温度検知値と今回の前記
温度検知値との温度差を求める第2のステップと、該第
2のステップにおいて求められた前記温度差に前記温度
検知素子の応答性に対応した所定数を乗算し、該乗算値
を前記温度検知素子による前回の温度検知値に加算し
て、該加算値を前記第1のステップにおいて前記温度検
知素子の前記温度検知値が読取られた時点の前記温度測
定対象の今回の検知温度として算出する第3のステップ
とを具備し、該第3のステップにおいて算出された前記
検知温度に基づいて前記温度調節手段を制御することを
技術的手段とする。
[作用] 本発明の温度制御方法および温度制御装置では、温度
検知素子の温度検知値が所定時間毎に読取られ、その読
み取りが行われる毎に、今回の温度検知値と前回の温度
検知値との温度差が求められる。そして、求められた温
度差に所定数を乗算した乗算値を前回の温度検知値に算
出した加算値が、今回の読み取りが行われた時点の温度
測定対象の検知温度として算出される。
この検知温度に基づいて温度調節手段が制御される。
従って、例えば、第3図において破線Aの時間t1以前
に示すように、温度測定対象の温度が安定していて、温
度検知素子の温度検知値があまり変化しない場合には、
温度検知値をそのまま温度測定対象の温度と推定して制
御すれば、適正な制御量が与えられる。
逆に、外乱等があって、温度測定対象の温度が、例え
ば第3図において時間t1に破線Aのように変化するとき
には、温度検知素子による検知温度は、実線Bに示すと
おり応答遅れして変化するため、温度検知素子の温度検
知値は、そのまま実際の温度測定対象の温度とならな
い。しかし、このような場合には、温度検知素子に検知
される温度には、必ず温度変化が現れるため、温度検知
素子の応答遅れを考慮して、その温度変化に基づいて温
度測定対象の温度を推定することができる。
従って、温度検知素子の前回の温度検知値と今回の温
度検知値との温度差を求めて、この温度差に所定数を乗
算した乗算値を、前回の温度検知値に加算すれば、温度
測定対象の検知温度として算出することができる。
温度調節手段はこうして得られた検知温度に基づいて
制御される。
[発明の効果] 本発明では、温度検知素子の温度検知値の温度差と前
回の温度検知値とによって、温度検知信号が読み込まれ
た時点の温度測定対象の温度が推定され、その推定温度
に基づいて温度調節手段が制御される。従って、外乱等
によって温度測定対象の温度が変化しても、温度検知素
子による検知の応答遅れの影響を受けることなく、温度
調節手段を適正に制御することができ、オーバーシュー
トやアンダーシュートによってハンチングが起こること
がなく、安定した温度制御を行うことができる。
[実施例] 次に本発明の温度検知素子による給湯手段の温度制御
方法および温度制御装置を実施例に基づいて説明する。
第2図にその概略を示すガス給湯器1では、給湯器ケ
ース10の内部にバーナプレート11が配され、給湯器ケー
ス10によって燃焼室10aと混合室10bが形成されて、給湯
器ケース10の下方に、燃焼用空気を供給する送風機12を
備えている。送風機12は、スクロールケーシング12a内
に羽根車12bを備え、図示しないモータによって羽根車1
2bを回転駆動する。
スクロールケーシング12aには燃料ガスを噴出するノ
ズル13が設けられ、給湯器ケース10およびバーナプレー
ト11は、送風機12によって供給される一次空気のみで燃
焼する全一次空気燃焼器を形成し、燃焼ガスは図示しな
い排気口から給湯器ケース10外へ排出される。
燃焼室10a内には、バーナプレート11の近傍に、火花
放電を行うスパーカ電極14、炎検知のためのフレームロ
ッド15かそれぞれ設けられている。
また燃焼室10a内には、図示しない水供給源および給
湯口とそれぞれ接続された熱交換器16が設けられ、熱交
換器16の下流には加熱された湯水の温度を検知するサー
ミスタ17が備えられている。
なお、混合室10b内には、送風機12によって供給され
る混合気を均等にバーナプレート11へ供給するために、
多数の穴が設けられた整流板18が配されている。
燃料ガスをノズル13へ供給する燃料管20には、上流側
から順に元電磁弁21、主電磁弁22、燃料ガスの下流側の
圧力を電流値に応じて調節するガバナ比例弁23、燃料ガ
スを遮断するための電磁弁24がそれぞれ設けられ、電磁
弁24の上流と下流とはオリフィス25を備えたバイパス管
20aによって連通されている。オリフィス25は絞り性能
を高めるために設けられたもので、電磁弁24が閉状態の
場合には、ノズル13に代わってオリフィス25によって燃
料供給量が制限され、小燃焼量が得られる。
制御装置40は、マイクロコンピュータ(以下「マイコ
ン」とする)を中心とするもので、使用者によって操作
され出湯温度を設定するためのコントローラ50と、図示
しない安全回路を備え、点火制御および燃焼制御を行
う。
点火制御では、熱交換器16の上流に設けられた図示し
ない水流スイッチからの通水信号により、送風機12を緩
点火制御させてプリパージを行い、送風機12の作動が確
認されると、スパーカ電極14により火花放電を行い、元
電磁弁21および主電磁弁22をともに開状態にするととも
に、ガバナ比例弁23を緩点火制御して点火を行う。
点火作動によって着火すると、フレームロッド15によ
って炎検知され、着火検知後に燃焼状態が安定するため
の所定時間が経過すると、設定温度等に基づいて燃焼量
の制御が行われる。
燃焼量の制御は、サーミスタ17の温度信号に基づいて
フィードバック比例制御を行い、熱交換器16が水を目的
温度に加熱するために必要な燃焼量Qを決定する。
ここでは、給湯量が変更された場合に、出湯温度の変
化をできる限り少なくするために、燃焼量Qを、コント
ローラ50による設定温度Tsetとサーミスタ17の抵抗値か
ら得られる温度信号とに基づいて次のとおり決定してい
る。
一般に、サーミスタ17により検知され、読取られる検
知温度T(t)は、熱交換器16から流出する実際の湯温
Toutに対して応答遅れがあり、給湯量が変更されて、例
えば第3図において、時間t1に湯温Toutが破線Aに示す
ように湯温T0から湯温Taへ変化したとすると、サーミス
タ17の応答遅れは、一般に、 Ta−T(t)=(Ta−T0)exp−t/τ の関係で示される。(τはサーミスタの時定数) ここで、各値を時間ステップtの漸化式に直して示す
と、 実際の湯温Toutは、 …、Tout n−2、Tout n−1、Tout n 検知温度T(t)は、 …、Tn−2、Tn−1、Tn となり、またサーミスタ17による検知温度による温度差
ΔTnは、 ΔTn=Tn−Tn−1 であるため、前式を湯温Tout nについて整理すると、 Tout n=Tn−1+(expt/τ−1)-1×ΔTn の関係が得られるため、これを今回の湯温Tout nとして
の推定値とする。
ここで、expt/τ−1は通常1より大きな定数とな
り、時間ステップtが、t=0.1[秒]の場合には、定
数r=(expt/τ-1はr=10程度となる。
従って、本実施例では、推定湯温Tout nを、前回の時
間ステップtの検知温度Tn−1と、温度差ΔTnとから、 Tout n=Tn−1+10×ΔTn で求め、これを湯温Toutと見なして、フィードバック比
例制御における燃焼量Qを、 Q=c+(Tout−Tset)×d で決定する。
すなわち、本実施例では、第1図に示すとおり、所定
の時間Δt(0.1秒)を計時するステップ1と、時間Δ
t毎にサーミスタ17による検知温度T(t)を読取るス
テップ2と、前回の検知温度Tn−1と今回の検知温度Tn
との温度差ΔTnを求めるステップ3と、温度差ΔTnに基
づいて推定湯温Tout nを算出するステップ4とから、フ
ィードバック比例制御における燃焼量Qを決定すること
になる。
また、この燃焼量Qに応じて送風機12を制御し、送風
機12のモータの回転数を検出して送風機12の作動に合わ
せて電磁弁24およびガバナ比例弁23を制御する。
以上の構成からなる本実施例のガス給湯器1は、次の
とおり作動する。
使用者が図示しない水栓を操作して給湯を開始する
と、所定のシーケンスで燃焼が開始され、フレームロッ
ド15で炎検知されると、サーミスタ17により検知される
湯温に基づいて燃焼量Qが決定され、それに応じてガバ
ナ比例弁23等が制御され、必要な温度T0に加熱される。
給湯中に、例えば第3図に示すように、時間t1に使用
者によって給湯量が変更され、給湯量が減少すると、出
湯温度Toutは、破線Aに示すように、時間t1において大
きく上昇し、温度Taを示す。
このとき、サーミスタ17によって検知される検知温度
T(t)は、湯温の変化には追随できず、実線Bに示す
とおり、緩やかに変化する。
このため、所定時間(0.1秒)経過した時間t2におい
て出湯温度Toutが、温度Taであるにも拘らず、サーミス
タ17の検知温度T(t)は、温度Tbを示す。
しかし、本実施例では、フィードバック比例制御のた
めの燃焼量Qは、時間t2の検知温度Tbと時間t1の温度変
化する前の検知温度T0との温度差ΔT2=Tb−T0に基づい
て、 Tout2=T1+10×ΔT2 で求められる推定温度Tout2を実際の温度Taと見なして
制御する。この推定温度Tout2は、第3図において破線
Aで示される実際の湯温Ta非常に近い値であるため、適
正な制御量で燃焼させることができる。
以上のとおり、本実施例のガス給湯器では、サーミス
タの検知温度の変化に基づいて実際の湯温を推定し、燃
焼量を実際の湯温に近い推定温度に基づいて変更できる
ため、サーミスタの応答遅れの影響を少なくできる。従
って、オーバーシュートやアンダーシュートによってハ
ンチングが起こることがなく、安定した燃焼制御を行う
ことができる。
以上の実施例では、サーミスタを温度検知素子とする
ガス給湯器を示したが、温水暖房機、温風暖房機等の他
の燃焼機器でもよく、加熱源はガス、石油等による燃焼
機器に限定されず、電気加熱によるものでもよい。
また、温度検知素子としては、サーミスタに限定され
ず、サーモカップル等の他の温度検知素子を用いてもよ
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例のガス給湯器における制御装置
の処理ステップを示す流れ図、第2図は本発明の実施例
を示すガス給湯器の概略構成図、第3図は本発明の作動
説明のためのタイムチャートである。 図中、17……サーミスタ(温度検知素子)、23……ガバ
ナ比例弁(温度調節手段)、40……制御装置(温度制御
装置)、S1……ステップ1(第1のステップ)、S2……
ステップ2(第1のステップ)、S3……ステップ3(第
2のステップ)、S4……ステップ4(第3のステッ
プ)。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】温度測定対象に対して温度検知素子を設
    け、該温度検知素子の温度検知値に基づいて前記温度測
    定対象の温度を調節する温度調節手段を制御する給湯手
    段の温度制御方法において、 前記温度検知素子の前記温度検知値を所定時間毎に読取
    る第1のステップと、 該第1のステップにおいて前記温度検知値が読取られる
    毎に前記温度検知素子の前回の前記温度検知値と今回の
    前記温度検知値との温度差を求める第2のステップと、 該第2のステップにおいて求められた前記温度差に前記
    温度検知素子の応答性に対応した所定数を乗算し、該乗
    算値を前記温度検知素子による前回の温度検知値に加算
    して、該加算値を前記第1のステップにおいて前記温度
    検知素子の前記温度検知値が読取られた時点の前記温度
    測定対象の今回の検知温度として算出する第3のステッ
    プとを具備し、 該第3のステップにおいて算出された前記検知温度に基
    づいて前記温度調節手段を制御することを特徴とする温
    度検知素子による給湯手段の温度制御方法。
  2. 【請求項2】温度測定対象に対して温度検知素子を設
    け、該温度検知素子の温度検知値に基づいて前記温度測
    定対象の温度を調節する温度調節手段を制御する給湯手
    段の温度制御装置において、 前記温度検知素子の前記温度検知値を所定時間毎に読取
    る第1のステップと、 該第1のステップにおいて前記温度検知値が読取られる
    毎に前記温度検知素子の前回の前記温度検知値と今回の
    前記温度検知値との温度差を求める第2のステップと、 該第2のステップにおいて求められた前記温度差に前記
    温度検知素子の応答性に対応した所定数を乗算し、該乗
    算値を前記温度検知素子による前回の温度検知値に加算
    して、該加算値を前記第1のステップにおいて前記温度
    検知素子の前記温度検知値が読取られた時点の前記温度
    測定対象の今回の検知温度として算出する第3のステッ
    プとを具備し、 該第3のステップにおいて算出された前記検知温度に基
    づいて前記温度調節手段を制御することを特徴とする温
    度検知素子による給湯手段の温度制御装置。
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