JP3098126B2 - 湯水混合制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、湯と水とを混合して出
湯するミキシングタイプの給湯器に用いられる湯水混合
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、給湯器の出湯特性を向上させ
るため、熱交換器で加熱された湯と熱交換器を迂回して
供給された水とを混合して出湯する給湯器が知られてい
る。こうした給湯器に用いられる湯水混合制御装置にお
いては、湯水混合後の出湯温度を検出し、この出湯温度
が予め設定された設定温度になるように混合弁を駆動制
御している。この出湯温度を混合弁の駆動により制御す
る手法としては、ＰＩＤ制御（比例積分微分制御）、Ｐ
Ｄ制御（比例微分制御）、ＰＩ制御（比例積分制御）、
Ｐ制御（比例制御）などが用いられている。

【０００３】例えば、ＰＤ制御においては、次式のよう
に混合弁の駆動操作量が設定される。 ｙn ＝ｋp・ｅn＋ｋd（ｅn −ｅn-1 ） ｙn …駆動操作量 ｅn …出湯温度と設定温度との偏差 ｅn-1 …前回検出したｅn ｋp …比例項制御定数 ｋd …微分項制御定数 こうした従来の湯水混合制御においては、様々な状況下
での出湯性能を満たすように制御定数（ｋp ，ｋd ）が
１組設定されるものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、混合弁
の位置によって混合比の変化率が一定ではないために、
適正な湯温制御を行うことができない。例えば、図２に
示す混合弁のリフト量（水側全閉位置に対する弁体１２
の位置）を変化させると、全流量に対する湯の混合比の
変化は図９（Ａ）に示すように曲線状の特性を有する。
つまり、リフト量が小さいほど（湯の混合比が高い状態
ほど）わずかの操作量で混合比が変化し、逆に、リフト
量が大きいほど混合比の変化が少ない（逆に言えば、同
量の混合比変化をさせるにはリフト量が大きいほど大き
な操作量が必要となる）のである。尚、このような特性
を有するのは、図２に示した混合弁に限るものでなく、
湯側，水側にそれぞれ制御弁を設けたものや、湯側ある
いは水側にのみに制御弁を設けたものであっても同じで
ある。

【０００５】従って、従来から採用されていた制御方式
では、図９（Ｂ）に示すような直線状の特性（リフト量
に対する混合比の変化率が一定）であれば、制御定数
（ｋp，ｋd ）を一定としても良いわけであるが、実際
にはそのような特性を得るには弁構造が非常に複雑とな
ってしまう。このため、一般に制御定数の設定は、出湯
温度のハンチングを生じないような混合比変化率の高い
ポイントに基づくこととなり、制御速度をどうしても遅
くしなければならない。つまり、混合比変化率の低いポ
イントでは制御速度を上げられるにもかかわらず、変化
率の高いポイントに合わせざるを得ず、適正な湯温制御
ができないのである。

【０００６】更に悪いことに、加熱側通水路（熱交換器
を通る流路）に定流量弁を設けている給湯器では、リフ
ト量に対する混合比の変化特性が、給水路と出湯路との
差圧に応じて図９（Ｃ）に示すように変化してしまう。
つまり、熱交換器出口側湯温を高温に維持するために
（能力オーバーを防止するために）、加熱側通水路に定
流量弁を設けた給湯器においては、出湯量を変化させた
場合に定流量弁が働いて給水路と出湯路との差圧が変化
し、これに伴って混合比の変化特性が変動してしまうの
である。

【０００７】従って、このような差圧による影響をも考
慮すれば、駆動操作量を左右する制御係数をさらに小さ
くしなければならない。つまり、図９（Ｃ）の領域Ａの
ような混合弁のリフト量が小さく差圧が大きいといった
最悪の条件でもハンチングが起こらないようにするため
に、どうしても制御係数を小さくせざるを得ないのであ
る。この結果、本来制御係数を大きくしても問題となら
ない状況下であっても制御速度が遅くなってしまい良好
な出湯温特性が得られなかった。本発明の湯水混合制御
装置は上記課題を解決し、リフト量（弁体位置）および
差圧に応じて駆動操作量を補正することで出湯温特性を
一層向上させることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の湯水混合制御装
置は、所定流量以下に制限されて熱交換器により加熱さ
れた湯と、該熱交換器への給水路から分岐したバイパス
管に供給された水とを混合して出湯する給湯器に用いら
れ、上記湯と水との混合比を調整する混合弁装置と、上
記混合された湯の出湯温度を検出する出湯温検出手段
と、上記検出された出湯温度と設定温度との偏差に基づ
いて、上記混合弁装置を駆動制御する混合制御手段とを
備えた湯水混合制御装置において、上記混合弁装置の弁
体位置を判断する位置判断手段と、上記給水路と上記混
合された湯の出湯路との差圧を検出する差圧検出手段
と、上記弁体位置と差圧とに応じて、上記混合制御手段
の駆動制御量を補正する駆動量補正手段とを備えたこと
を要旨とする。

【０００９】また、第２発明の湯水混合制御装置は、第
１発明において、上記駆動量補正手段は、上記弁体位置
および差圧の少なくとも一方をファジー推論の因子とし
て駆動制御量を補正することを要旨とする。

【００１０】

【作用】上記構成を有する本発明の湯水混合制御装置
は、混合された湯の出湯温度と設定温度との偏差に基づ
き混合制御手段が混合弁装置を駆動制御して混合比を調
整するのであるが、この駆動制御量は給水路と出湯路と
の差圧および弁体位置に応じて補正される。従って、弁
体位置に応じて混合比変化率が変動しても、また熱交換
器側通水路の流量制限（定流量弁等による）により給水
路と出湯路との間で差圧変動が生じて混合比や混合比変
化率が変化してしまう場合であっても、これら２つの要
素（弁体位置，差圧）に応じて駆動制御量を補正するた
め良好な出湯温特性が得られる。例えば、差圧と弁体位
置とで決ってくる混合比変化率が大きなポイントでは、
弁体の駆動制御量を小さめに補正すればよく、逆に混合
比変化率が小さなポイントでは弁体の駆動制御量を大き
めに補正すればよい。

【００１１】また、第２発明の湯水混合制御装置では、
駆動制御量の補正にファジー推論を用いている。一般
に、ＰＩＤ制御等の比例制御においては数学的処理によ
り精密な制御量が算出される反面、様々な状況に対処す
るため場合分け等により制御条件を増加させた場合に
は、演算処理が指数的に増大してしまう。一方、ファジ
ー制御は、精密な制御には不向きではあるものの、様々
な状況に対応した制御に有効である。そこで、第２発明
ではこの長所を生かして混合比および差圧の少なくとも
一方をファジー推論の因子として駆動制御量を補正する
ことで様々な状況に対処でき補正演算処理が容易とな
る。

【００１２】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の湯水混合制御装置の好適
な実施例について説明する。

【００１３】図１は、一実施例としての湯水混合制御装
置を備えた給湯器の概略構成図である。この給湯器は、
上水道に接続される給水管１と、給水管１から導かれた
冷水をバーナ２での燃焼熱で加熱する熱交換器３と、熱
交換器３で加熱された湯を送り出す給湯管４と、給水管
１から分岐して設けられるバイパス管５と、バイパス管
５からの冷水と給湯管４からの湯とを混合して設定温度
になるように混合比を制御する湯水混合制御部２０と、
混合された湯を給湯栓６に導く出湯管７とを備える。ま
た、給水管１には、バイパス管５の分岐点より下流側で
熱交換器３側の通水量（湯側流量）を検出する流量セン
サ８と、所定流量以上の流入を制限する定流量弁１１と
が設けられ、バイパス分岐点より上流側に入水温度を検
出する入水温度センサ９が設けられる。更に、給湯管４
には、熱交換器３下流側で混合前の湯温（湯側温度）を
検出する湯側温度センサ１０が設けられる。尚、給湯器
における燃焼系、給排気系、点火系等については本発明
の要旨でないため省略する。

【００１４】湯水混合制御部２０は、給湯管４とバイパ
ス管５との合流点に設けられる混合弁２１と、混合弁２
１の弁体１２（図２に概略を示す）を進退駆動するモー
タ１３（本実施例ではステッピングモータ）と、出湯管
７に設けられ出湯温度を検出する出湯温度センサ１４
と、混合弁２１の駆動制御を行うコントローラ３０とか
らなる。

【００１５】混合弁２１は、図２に示すように、バイパ
ス管５側に設けられる弁シート１５と給湯管４側に設け
られる弁シート１６との間で進退する弁体１２により湯
と水との混合比を調整するもので、モータ１３の回転が
ギヤ装置１７を介して弁体駆動軸１８に伝達され、弁体
駆動軸１８に形成されたネジ１９により進退動作が加わ
るように構成されている。従って、弁体１２の位置（つ
まり混合比）は、モータ１３の回転位置に応じたものと
なる。

【００１６】コントローラ３０は、周知の算術論理演算
回路を構成するＣＰＵ３１と、制御プログラムやファジ
ー推論等を記憶するＲＯＭ３２と、モータ１３の位置デ
ータや各種データを一時的に記憶するＲＡＭ３３と、各
温度センサ９，１０，１４および流量センサ８からの信
号を入力して演算可能なデジタル信号に変換する入力イ
ンタフェース３４と、モータ１３に駆動制御信号を出力
する出力インタフェース３５と、これらを相互に接続す
るバス３６等から構成される。

【００１７】次に、湯水混合制御処理についての第１実
施例について説明する。図３は、コントローラの実行す
る湯水混合制御ルーチンを表し、所定の周期（本実施例
では５０mm秒毎）で繰り返し実行されるものである。

【００１８】まず、出湯温度センサ１４から出湯温度Ｔ
M を、流量センサ８から湯側流量ＱH を読み込むと共
に、混合弁の弁体位置（リフト量）Ｌつまりモータ１３
の制御位置を読み込む（Ｓ１０）。このリフト量Ｌは、
本実施例ではステッピングモータを用いていることか
ら、原点位置からのパルス数累計を記憶することで求め
られる。もちろん、エンコーダ等の位置センサをモータ
軸等に設けてリフト量を求めてもよい。

【００１９】続いて、読み込まれたリフト量Ｌと湯側流
量ＱH とに基づいて、出湯路と給水路との差圧Ｐ（以
下、単に差圧Ｐと呼ぶ）を算出する（Ｓ１１）。この算
出方法を以下に説明する。

【００２０】図４に示すように、リフト量Ｌと流量との
関係は差圧に応じて変化する。この図では、湯側流量Ｑ
H だけでなく水側流量ＱB （バイパス管５を流れる流
量）とリフト量Ｌとの関係をも表している。いま、検出
された湯側流量ＱH が２リットル／分でリフト量Ｌが
０．５mmとすると、この特性図から差圧Ｐは０．２kgf
／cm2と判断できる。そこで、本実施例では、こうした
特性をＲＯＭ３２内に記憶した算出マップを参照するこ
とで差圧Ｐを算出する。尚、バイパス管５に流量センサ
を設けている場合には、図４に示すような水側流量ＱB
とリフト量Ｌとの関係から差圧Ｐを求めてもよい。ま
た、ダイアフラムや圧力センサ等により直接差圧を検出
してもよい。

【００２１】次に、算出された差圧Ｐとリフト量Ｌとに
基づいて、制御定数算出マップを参照してＰＤ制御に用
いる制御定数（ｋp ，ｋd ）を決定する（Ｓ１２）。図
５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、一例としてそれぞれ差圧
０．１kgf／cm2，１．０kgf／cm2，３．０kgf／cm2にお
けるリフト量Ｌに対する混合比と、それに対応する適正
な制御定数を表したもので、本実施例ではＲＯＭ３２内
に種々の差圧Ｐ条件毎にリフト量Ｌと制御定数との関係
が制御定数算出マップとして記憶されている。このマッ
プでは、混合比の変化率が大きいほど制御定数を小さな
値に、逆に混合比の変化率が小さいほど制御定数を大き
な値に設定される。従って、混合比変化率から適正な制
御定数が設定されるのである。

【００２２】こうして決定された制御定数（ｋp ，ｋd
）と、出湯温度ＴM と設定温度ＴSとの偏差に基づいて
次式のＰＤ制御式により駆動操作量ｙn を算出する（Ｓ
１３）。尚、ｅn-1 は前回算出した偏差であり、ＲＡＭ
２３に一時的に記憶されたデータである。 ｙn ＝ｋp・ｅn＋ｋd （ｅn −ｅn-1 ） そして、この操作駆動量ｙn にてモータ１３を駆動し
（Ｓ１４）、本制御ルーチンを一旦抜ける。

【００２３】この結果、リフト量に応じて混合比変化率
が変動しても、また定流量弁１１により給水路と出湯路
との間で差圧変動が生じて混合比や混合比変化率が変化
してしまう場合であっても、リフト量と差圧とに応じて
操作駆動量を補正するため、従来のように操作駆動量を
最悪条件に合わせて小さくする必要がなくなり、制御速
度が速くなり良好な出湯温特性が得られる。更に、混合
弁２１の駆動源としてステッピングモータを用いている
ため制御性が良好であり、位置検出用の特別なセンサは
不要となる。また、差圧検出としてダイアフラム等の機
械的構成をとっていないため部品点数が低減されると共
に省スペース化を図ることができる。

【００２４】次に、湯水混合制御処理の第２実施例につ
いて図６のフローチャートに沿って説明する。この実施
例では差圧とリフト量だけでなく出湯量と温度偏差とも
加味して駆動操作量を補正し、しかもこれらをファジー
推論の因子としたファジー制御を採用する。

【００２５】まず、各温度センサ９，１０，１４から入
水温度ＴC ，湯側温度ＴH ，出湯温度ＴM を、流量セン
サ８から湯側流量ＱH を読み込むと共に、ＲＡＭ３３内
に記憶されている現在の混合弁２１のリフト量Ｌを読み
込む（Ｓ２０）。続いて、第１実施例と同様に、リフト
量Ｌと湯側流量ＱH とに基づいて、出湯路と給水路との
差圧Ｐを算出する（Ｓ２１）。

【００２６】続いて、ステップ２０で読み込まれた入水
温度ＴC ，湯側温度ＴH ，出湯温度ＴM ，湯側流量ＱH
から総流量である出湯量ＱT を次式のように算出する
（Ｓ２２）。 ＱT ＝ＱH（ＴH −ＴC ）／（ＴM −ＴC ） これは、ＱT・ＴM ＝ＴH・ＱH ＋ＴC（ＱT −ＱH）の関
係から求めたものである。尚、出湯管７や給水管１上流
側に流量センサを設けて出湯量ＱT を直接検出するよう
にしてもよいが、圧力損失の影響を考慮すれば本実施例
のように算出にて求めたほうが好ましい。

【００２７】次に、予め設定された設定温度ＴS と出湯
温度ＴM との偏差ｅn に基づいてモータ１３の駆動操作
量ｙn を次式のように算出する（Ｓ２３）。 ｙn ＝ｋp・ｅn＋ｋd （ｅn −ｅn-1 ） 尚、この式における制御定数ｋp ，ｋd は予め設定され
た一定値である。また、この駆動操作量ｙn は後述の処
理により補正されることから、その補正処理時に一緒に
算出してもよい。

【００２８】次に、先に求められたリフト量Ｌおよび差
圧Ｐに基づいて駆動操作量ｙn を補正するための補正係
数Ａの算出を行う。本実施例では、リフト量Ｌ，差圧Ｐ
だけでなく、出湯量ＱT と偏差ｅn をも制御因子とした
ファジー推論により駆動操作量ｙn の補正係数Ａを求め
る（Ｓ２４）。

【００２９】ここで、ファジー制御を行うために必要な
条件部メンバシップ関数、ルール、結論部メンバシップ
関数について説明する。図７（Ａ）は出湯量ＱT に関す
る条件部メンバシップ関数、同図（Ｂ）は偏差の絶対値
｜ｅn ｜に関する条件部メンバシップ関数，同図（Ｃ）
はリフト量Ｌに関する条件部メンバシップ関数、同図
（Ｄ）は差圧Ｐに関する条件部メンバシップ関数であ
る。また、図８（Ａ）は出湯量ＱT および偏差｜ｅn ｜
に関する結論部メンバシップ関数、同図（Ｂ）はリフト
量Ｌおよび差圧Ｐに関する結論部メンバシップ関数であ
る。尚、各符号ＰＳ，ＰＭ，ＰＬおよびαは、それぞれ
次のことを意味する。

【００３０】ＰＳ…正の方向に小さいこと ＰＭ…正の方向に中位なこと ＰＬ…正の方向に大きいこと α……重み

【００３１】また、予め設定されたルールは以下の通り
とする。本実施例では、出湯量ＱTおよび偏差｜ｅn ｜
に関する結論部（１）のルールと、リフト量Ｌおよび差
圧Ｐに関する結論部（２）のルールとに分ける。結論部
（１）に対するルール ＜ルール１＞ ｜ｅn ｜＝ＰＳ かつ ＱT ＝ＰＳ ならば α＝ＰＳ ＜ルール２＞ ｜ｅn ｜＝ＰＳ かつ ＱT ＝ＰＬ ならば α＝ＰＭ ＜ルール３＞ ｜ｅn ｜＝ＰＬ かつ ＱT ＝ＰＳ ならば α＝ＰＭ ＜ルール４＞ ｜ｅn ｜＝ＰＬ かつ ＱT ＝ＰＬ ならば α＝ＰＬ

【００３２】結論部（２）に対するルール ＜ルール５＞ Ｌ＝ＰＬ かつ Ｐ＝ＰＳ ならば α＝ＰＬ ＜ルール６＞ Ｌ＝ＰＬ かつ Ｐ＝ＰＬ ならば α＝ＰＭ ＜ルール７＞ Ｌ＝ＰＳ かつ Ｐ＝ＰＳ ならば α＝ＰＭ ＜ルール８＞ Ｌ＝ＰＳ かつ Ｐ＝ＰＬ ならば α＝ＰＳ

【００３３】ここで具体的に例をあげて説明する。今、
出湯量ＱT ＝２．５（リットル／分）、偏差ｅn ＝３．
０（deg ）、リフト量Ｌ＝０．５mm、差圧Ｐ＝２kgf／c
m2とした場合を考える。図７（Ａ）から出湯量ＱT にお
けるＰＳの適合度＝０．７５、ＰＬの適合度＝０．２５
となり、同図（Ｂ）から偏差ｅn におけるＰＳの適合度
＝０、ＰＬの適合度＝１．０となり、同図（Ｃ）からリ
フト量ＬにおけるＰＳの適合度＝０．８３、ＰＬの適合
度＝０．１７となり、同図（Ｄ）から差圧ＰにおけるＰ
Ｓの適合度＝０．７、ＰＬの適合度＝０．３となる。こ
れに対して、先のルール１〜８をあてはまると、 ルール１よりＰＳ＝０ ルール２よりＰＭ＝０ ルール３よりＰＭ＝０．７５ ルール４よりＰＬ＝０．２５ ルール５よりＰＬ＝０．１７ ルール６よりＰＭ＝０．１７ ルール７よりＰＭ＝０．７ ルール８よりＰＳ＝０．３ となる。

【００３４】この適合度を用いて結論部メンバシップ関
数を修正すると、図８（Ｃ），（Ｄ）のようになる。各
適合度の重みαを乗じてこれらを合成した重心Ｇを求め
ると、 Ｇ＝（0.75X1.0+0.25X1.5+0.3X0.2+0.17X1.0+0.7X1.0+
0.17X1.8）／（0.75+0.25+0.3+0.7+0.17+0.17）＝１．
００９ となる。この重心Ｇが求める補正係数Ａである。

【００３５】こうして補正係数Ａが求められると、図６
のステップ２５にて駆動操作量ｙnがＡ・ｙn に補正さ
れ、それに基づいてモータ１３が駆動され混合比が調整
され（Ｓ２６）、本制御ルーチンを一旦抜ける。そし
て、これらの処理が５０mm秒毎に繰り返される。

【００３６】以上説明したように第２実施例の湯水混合
制御処理では、リフト量および差圧だけでなく、出湯量
および偏差を制御因子としてファジー推論により駆動操
作量を補正することで一層出湯温特性が良好となる。こ
れは、以下に示す理由からである。

【００３７】つまり、湯水混合制御においては、湯と水
とが混合されてから出湯温度が検出されるまでの時間遅
れを極力少なくしたいのであるが、小流量時においては
混合湯が出湯温度センサ１４に到達するまでの時間遅れ
が大きくなってしまう。このため、従来においてはこう
した時間遅れによる出湯温度のハンチングを防止するた
めに駆動操作量を小さく設定せざるを得なく、駆動操作
量を大きくしても問題とならないような大流量時におい
ても制御速度が小流量時に合わされて遅くなっていた。

【００３８】そこで、この第２実施例では、出湯量を制
御因子として駆動制御量を補正することにより、湯水混
合から温度検出までの時間遅れに対処でき小流量から大
流量に亘る広範囲での混合制御が良好となり出湯特性が
向上するのである。

【００３９】また、出湯量だけで補正した場合には、小
流量時に駆動操作量が抑えられるが、このときの偏差が
大きな状況においてはそれほど抑える必要がないことか
ら、偏差をも制御因子に加えて補正することで、偏差が
大きければ駆動操作量の抑え度合を少なくする側に働か
すことができ一層出湯特性を向上することができるので
ある。

【００４０】しかも、これらの補正処理はファジー推論
を用いて行っているため、その長所が生かされて種々の
条件に応じた制御が容易となり、ＰＤ制御の演算負担を
低減することができる。

【００４１】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものでなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様
で実施し得ることは勿論である。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の湯水混合
制御装置によれば、給水路と出湯路との差圧および弁体
位置に応じて駆動制御量を補正しているため、弁体位置
に応じて混合比変化率が変動しても、また定流量弁等に
より給水路と出湯路との間で差圧変動が生じて混合比や
混合比変化率が変化してしまう場合であっても、これら
２つの要素（弁体位置，差圧）に応じて駆動制御量を補
正するため良好な出湯温特性が得られるという優れた効
果を奏する。また、ファジー推論を用いて駆動制御量を
補正する第２発明においては、上記の効果に加えて、様
々な状況に応じた制御が容易となり演算負担を低減する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例としての湯水混合制御装置を備えた給湯
器の概略構成図である。

【図２】混合弁の概略構成図である。

【図３】第１実施例としての湯水混合制御ルーチンを表
すフローチャートである。

【図４】各差圧毎に示したリフト量に対する流量特性を
表すグラフである。

【図５】各差圧毎に示したリフト量に対する混合比特性
と制御定数の関係を表すグラフである。

【図６】第２実施例としての湯水混合制御ルーチンを表
すフローチャートである。

【図７】条件部メンバシップ関数を表すグラフである。

【図８】結論部メンバシップ関数を表すグラフである。

【図９】リフト量に対する混合比特性を表すグラフであ
る。

【符号の説明】

８…流量センサ、 １１…定流量弁、 １２…弁体、
１３…モータ、１４…出湯温度センサ、 ２０…湯水混
合制御部、 ２１…混合弁、３０…コントローラ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定流量以下に制限されて熱交換器によ
   り加熱された湯と、該熱交換器への給水路から分岐した
   バイパス管に供給された水とを混合して出湯する給湯器
   に用いられ、 上記湯と水との混合比を調整する混合弁装置と、 上記混合された湯の出湯温度を検出する出湯温検出手段
   と、 上記検出された出湯温度と設定温度との偏差に基づい
   て、上記混合弁装置を駆動制御する混合制御手段とを備
   えた湯水混合制御装置において、 上記混合弁装置の弁体位置を判断する弁体位置判断手段
   と、 上記給水路と上記混合された湯の出湯路との差圧を検出
   する差圧検出手段と、 上記弁体位置と差圧とに応じて、上記混合制御手段の駆
   動制御量を補正する駆動量補正手段とを備えたことを特
   徴とする湯水混合制御装置。
2. 【請求項２】 上記駆動量補正手段は、上記弁体位置お
   よび差圧の少なくとも一方をファジー推論の因子として
   駆動制御量を補正することを特徴とする請求項１記載の
   湯水混合制御装置。