JP3129863B2 - 炭酸給湯装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、給水路にて給水される
給湯用熱交換器と、その給湯用熱交換器を加熱する給湯
バーナと、前記給湯バーナへの燃料供給量を調節する燃
料供給量調節手段と、前記給湯バーナの排気が通過する
気液接触部と、前記給水路からの水又は前記給湯用熱交
換器からの湯を排気接触用液として前記気液接触部に導
く排気接触用の案内路と、前記気液接触部を通過した
湯、又は、その湯と前記給湯用熱交換器からの湯、又
は、前記気液接触部を通過した湯と前記給水路からの水
とを被供給部に導く給湯路と、その給湯路における給湯
温度が設定目標温度になるように、前記燃料供給量調節
手段を制御する燃焼制御手段とが設けられた炭酸給湯装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の炭酸給湯装置において、
燃焼制御手段は、給水路における給水温度を検出する給
水温度検出手段、及び、給水路からの給水量を検出する
給水量検出手段夫々の情報に基づいて、給水路から供給
される水を設定目標温度に加熱するための総必要熱量を
求め、この総必要熱量が給湯バーナにて与えられるよう
に燃料供給量調節手段を制御するように構成されていた
（例えば、特願平４−２１８８７４号参照）。

【０００３】下記の数１には、従来の燃焼制御手段にお
ける、総必要熱量Ｇｐを求める式の一例が示されてい
る。

【数１】 Ｇｐ＝Ｋａ×（Ｔｓ−Ｔｉ）×Ｑ＋Ｋｐ×ΔＴ＋Ｋｉ×
∫ΔＴｄｔ ここで、Ｔｓは設定目標温度、Ｔｉは給水温度、Ｑは給
水量、Ｋａは給湯用熱交換器及び給湯バーナに固有の定
数（いわゆる、熱交換係数）であって、右辺の第１項
は、給湯バーナにて与える総必要熱量Ｇｐを求めるため
のフィードフォワード量を決定するものである。又、右
辺の第２項及び第３項は、フィードバック量による補正
項である。詳しくは、ΔＴは、設定目標温度Ｔｓと実際
の給湯温度Ｔｘとの偏差であって、右辺第２項は一次の
フィードバック量を決定し、右辺第３項はその積分項を
決定するものである。尚、Ｋｐ及びＫｉは、いずれも、
右辺第１項に対する補正項の強さ（補正の割合）を決定
する定数であり、Ｋｐ及びＫｉが大きくなればなるほ
ど、燃焼制御手段における制御は、フィードバック制御
的な性格を強めることになる。

【０００４】従って、従来の燃焼制御手段は、必要熱量
を求めるフィードフォワード制御を基本的制御方法とし
て、反応、収束の早い制御を実現しつつも、フィードバ
ック量による補正を行うことにより、精度の高い制御を
求めるように構成されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、炭酸給
湯装置には、給水路からの水又は給湯用熱交換器からの
湯を排気接触用液として給湯バーナの排気と接触させ
て、給湯バーナの排気中に含まれている二酸化炭素（炭
酸ガス）を溶かし込んで炭酸給湯を行うための気液接触
部が設けられている。この気液接触部では、二酸化炭素
が排気接触用液に溶かし込まれる他、排気接触用液が給
湯バーナの排気によって温められることによって、給湯
バーナの排熱が回収される。上記従来技術によれば、こ
の排熱回収分は、前記数１における補正項によるフィー
ドバック量の中に含ませられて、給湯バーナの燃料供給
量調節手段の調節が行われるように構成されているので
あるが、

【０００６】この排熱回収熱量が大きい場合には、精度
の高い制御を行うためには、フィードフォワード量に対
する補正項の強さを決定する定数を大きくしなければな
らず、結果として、制御全体がフィードバック制御的な
性格を強めることになり、反応や収束の遅れ、あるい
は、ハンチング現象など、フィードバック制御における
欠点が発生する不都合があった。

【０００７】ちなみに、補正項の強さを決定する定数を
比較的小さくして、制御全体におけるフィードバック量
の影響を小さくすれば、フィードバック制御的な欠点が
発生する不都合を解消することは可能であるが、反面、
排熱回収熱量はあまり考慮されないことになり、この方
法では、高い精度の制御が行えないものとなる。又、気
液接触部における排熱回収も熱交換として考慮し、給湯
用熱交換器と気液接触部との両方の熱交換に基づいて、
必要熱量のフィードフォワード量を求める制御方法も考
えられるが、この場合、気液接触部における熱交換率
は、給湯バーナの排気の状態、気液の接触状態、接触さ
れる水量などにより著しく変化するという事情から、気
液接触部における取得熱量をフィードフォワード量とし
て正確に予測することは非常に困難であり、気液接触部
における熱交換係数を適当に決定してフィードフォワー
ド量を求めるようにすると、返って、制御の精度が低く
いものとなり、実用的ではない。

【０００８】本発明の目的は、上記従来欠点を解消する
点にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による炭酸給湯装
置の特徴構成は、前記燃焼制御手段が、前記給水路にお
ける給水温度を検出する給水温度検出手段、及び、前記
給水路からの給水量を検出する給水量検出手段夫々の検
出情報に基づいて、前記給水路から供給される水を前記
設定目標温度に加熱するための総必要熱量を求め、且
つ、前記気液接触部への前記排気接触用液の供給量を検
出する供給量検出手段、及び、前記気液接触部を通過す
るに伴う前記排気接触用液の温度上昇量を検出する湯温
検出手段夫々の検出情報に基づいて、前記気液接触部で
の取得熱量を求めると共に、前記総必要熱量から前記取
得熱量を減算して、前記給湯用熱交換器での必要加熱量
を求め、この必要加熱量を前記給湯バーナにて与えるよ
うに前記燃料供給量調節手段を制御するように構成され
ている点にある。

【００１０】

【作用】本発明の特徴構成によれば、燃焼制御手段は、
排気接触用液の温度上昇量に基づいて気液接触部での取
得熱量を求めると共に、総必要熱量から取得熱量を減算
して、給湯用熱交換器での必要加熱量を求めるように構
成されているから、気液接触部での取得熱量をフィード
バック量として正確に決定しつつも、給湯バーナにて与
えられる給湯用熱交換器での必要加熱量を、フィードフ
ォワード量として制御することができる。

【００１１】

【発明の効果】気液接触部での取得熱量を正確に決定
し、且つ、給湯バーナにて与えられる給湯用熱交換器で
の必要加熱量をフィードフォワード量として制御するこ
とができるから、気液接触部での排熱回収熱量が大きい
場合でも、フィードバック量としての補正項の制御全体
に対する強さを決定する定数を大きくする必要がなく、
従って、反応、収束の早い制御を実現しつつも、精度の
高い制御が行える炭酸給湯装置を提供するに至った。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１には、被供給部の一例としての浴槽Ｂに対し
て炭酸給湯を行う、炭酸給湯装置の一例としての給湯装
置Ａが示されている。給湯装置Ａは、給水路Ｗ１にて水
道水が給水される給湯用熱交換器１と、その給湯用熱交
換器１を加熱する給湯バーナ２と、給湯バーナ２への燃
料供給量を調節する燃料供給量調節手段としてのガス調
節バルブ３及びガス断続バルブ４と、給湯用熱交換器１
からの湯を浴槽Ｂに導く給湯路Ｗ２及びＷ３と、給湯装
置Ａの動作を制御する制御部Ｈとが設けられ、給湯バー
ナ２によって沸かされた湯が浴槽Ｂに対して適宜供給さ
れる、湯張り給湯が行えるように構成されている。

【００１３】給水路Ｗ１には、給水路Ｗ１における給水
温度Ｔｉを検出する給水温度検出手段としてのサーミス
ターＳ１と、給水路Ｗ１からの給水量Ｑを検出する給水
量検出手段としての水量センサーＳ２とが設けられてい
る。給湯路Ｗ２には、断続バルブ５が設けられ、給湯路
Ｗ２による浴槽Ｂへの湯の供給が制御される。浴槽Ｂの
直前に位置する給湯路Ｗ３には、浴槽Ｂに対する実際の
給湯温度Ｔｘを検出するサーミスターＳ３が設けられて
いる。

【００１４】給湯バーナ２には、混合空気送風用の送風
ファン６が設けられている。送風ファン６の回転数Ｎｓ
は、給湯バーナ２の燃焼が最適となるように、図２のグ
ラフに示す関係に従って、後述する必要加熱量Ｇｔに基
づいて一義的に定められている。

【００１５】又、給湯装置Ａには、給湯バーナ２の排気
が通過する気液接触部７と、給水路Ｗ１からの水を排気
接触用液として気液接触部７に導く排気接触用の案内路
Ｗ４と、気液接触部７を通過した湯を浴槽Ｂに導く給湯
路Ｗ５とが設けられ、気液接触部７において給湯バーナ
２の排気中に含まれる二酸化炭素が溶かし込まれ且つ給
湯バーナ２の排気によって温められた湯が浴槽Ｂに対し
て適宜供給される、炭酸給湯が行えるように構成されて
いる。

【００１６】気液接触部７は、金属製のケーシング内
に、案内路Ｗ４から供給される水を噴霧する噴霧ノズル
７ａと、立体格子状の充填層７ｂとが設けられている。
充填層７ｂは、ステンレス線を立体格子状に編組形成し
たもので、噴霧ノズル７ａから噴霧された水が降り注ぐ
位置に設けられている。充填層７ｂの側方には、給湯バ
ーナ２の排気を導く排気路８が接続されている。排気路
８から供給される給湯バーナ２の高温の排気は、充填層
７ｂを通りぬける際に充填層７ｂを高温に加熱し、ケー
シング内を上昇して、ケーシング上部の排気口７ｃから
排出される。従って、噴霧ノズル７ａから噴霧された水
滴は、充填層７ｂで熱を奪われた給湯バーナ２の排気と
接触して排気中の二酸化炭素が溶かし込まれ、且つ、充
填層７ｂを通りぬける際に充填層７ｂによって加熱され
て、ケーシング内の低部で集水される。ケーシングの低
部には、給湯路Ｗ５が接続され、気液接触を終えた湯が
排出されるように構成されている。

【００１７】案内路Ｗ４は、給水路Ｗ１に設けられたサ
ーミスターＳ１及び水量センサーＳ２よりも下流側にお
いて給水路Ｗ１から分岐され、気液接触部７の噴霧ノズ
ル７ａに接続されている。又、案内路Ｗ４には、気液接
触部７への排気接触用液の供給量ｑを検出する供給量検
出手段としての水量センサーＳ４が設けられると共に、
断続バルブ９が設けられて、気液接触部７を通した湯の
浴槽Ｂへの供給が制御されるように構成されている。給
湯路Ｗ５は、給湯路Ｗ３に設けられているサーミスター
Ｓ３よりも上流側において給湯路Ｗ３と接続され、気液
接触部７を通した湯と給湯用熱交換器１からの湯とが合
流されて、浴槽Ｂに供給できるように構成されている。
又、給湯路Ｗ５には、気液接触部７を通過するに伴う排
気接触用液の温度上昇量を検出する湯温検出手段として
のサーミスターＳ５が設けられている。

【００１８】尚、給湯装置Ａは、追焚バーナ１０と、追
焚バーナ１０のガス調節バルブ１１、ガス断続バルブ１
２、送風ファン１３と、追焚用熱交換器１４と、追焚用
循環路Ｗ６及び循環ポンプ１５とが設けられ、浴槽Ｂ内
の浴槽水を加熱する追焚給湯が行えるように構成されて
いる。又、給湯路Ｗ２に設けられた断続バルブ５よりも
上流側の給湯路Ｗ２の途中には、シャワー１６及びカラ
ン１７が接続され、シャワー１６及びカラン１７の操作
に伴って給湯用熱交換器１からの湯がシャワー１６及び
カラン１７に適宜供給される、一般給湯が行えるように
構成されている。

【００１９】制御部Ｈは、マイクロコンピュータを主要
部とし、サーミスターＳ１，Ｓ３，Ｓ５、及び、水量セ
ンサーＳ２，Ｓ４が接続されて、それらセンサーの検出
情報が入力されるように構成されていると共に、ガス調
節バルブ３，１１、ガス断続バルブ４，１２、送風ファ
ン６，１３、断続バルブ５、断続バルブ９、循環ポンプ
１５、及び、コントローラー１８が接続されて、給湯装
置Ａの各種動作が制御できるように構成されている。

【００２０】コントローラー１８には、湯張り給湯スイ
ッチ１８ａ、炭酸給湯スイッチ１８ｂ、湯張り給湯にお
ける設定目標温度Ｔｓを設定する温度設定スイッチ１８
ｃ、及び、追焚給湯スイッチ１８ｄなどが備えられてい
る。

【００２１】そして、制御部Ｈには、給湯路Ｗ３におけ
る給湯温度Ｔｘが設定目標温度Ｔｓになるようにガス調
節バルブ３及びガス断続バルブ４を制御する燃焼制御手
段１０１が設けられている。燃焼制御手段１０１は、サ
ーミスターＳ１及び水量センサーＳ２夫々の検出情報に
基づいて、給水路Ｗ１から供給される水を設定目標温度
Ｔｓに加熱するための総必要熱量Ｇｐを求め、且つ、水
量センサーＳ４及びサーミスターＳ５夫々の検出情報に
基づいて、気液接触部７での取得熱量Ｇｎを求めると共
に、総必要熱量Ｇｐから取得熱量Ｇｎを減算して、給湯
用熱交換器１での必要加熱量Ｇｔを求め、この必要加熱
量Ｇｔを給湯バーナ２にて与えるようにガス調節バルブ
３及びガス断続バルブ４を制御するように構成されてい
る。

【００２２】すなわち、燃焼制御手段１０１による給湯
バーナ２の燃焼量の制御は、下記の数２に従って制御さ
れる。

【数２】Ｇｔ＝Ｇｐ−Ｇｎ ただし、 Ｇｐ＝Ｋａ×（Ｔｓ−Ｔｉ）×Ｑ＋Ｋｐ×ΔＴ＋Ｋｉ×
∫ΔＴｄｔ Ｇｎ＝Ｋａ×（Ｔｎ−Ｔｉ）×ｑ ここで、Ｔｎは、サーミスターＳ５によって検出される
給湯温度、ｑは、水量センサーＳ４によって検出される
水量であり、その他の変数及び定数は、本明細書の「従
来の技術」に示す「数１」と同様である。

【００２３】給湯装置Ａは、４種類の給湯モードによっ
て、使用することができる。第一の給湯モードは、給湯
用熱交換器１からの湯のみを、浴槽Ｂに対して供給する
湯張り給湯モード。第二の給湯モードは、給湯用熱交換
器１からの湯と気液接触部７を通した湯とを混合して、
浴槽Ｂに対して供給する炭酸給湯モード。第三の給湯モ
ードは、シャワー１６及びカラン１７のみが使用されて
いる状態において、給湯用熱交換器１からの湯をシャワ
ー１６及びカラン１７に対して供給する一般給湯モー
ド。第四の給湯モードは、追焚バーナ１０による、追焚
給湯モードである。

【００２４】このうち、第一の給湯モードと第二の給湯
モード、すなわち、湯張り給湯モードと炭酸給湯モード
とが、燃焼制御手段１０１によって制御される。

【００２５】湯張り給湯モードは、コントローラー１８
の湯張り給湯スイッチ１８ａの操作に伴って実行され
る。給湯スイッチ１８ａが操作されると、断続バルブ５
が開かれ、給湯バーナ２が点火され、ガス調節バルブ３
及びガス断続バルブ４が燃焼制御手段１０１に従って制
御され、それに付随して送風ファン６の送風量が制御さ
れる。尚、このとき、断続バルブ９は閉じられており、
水量センサーＳ４によって検出される排気接触用液の供
給量ｑは０であるから、上記の数２における、取得熱量
Ｇｎも０であり、従って、必要加熱量Ｇｔは、総必要熱
量Ｇｐと同値である。

【００２６】炭酸給湯モードは、炭酸給湯スイッチ１８
ｂの操作に伴って実行される。炭酸給湯スイッチ１８ｂ
が操作されると、断続バルブ５及び断続バルブ９が開か
れ、給湯バーナ２が点火され、ガス調節バルブ３及びガ
ス断続バルブ４が燃焼制御手段１０１に従って制御さ
れ、それに付随して送風ファン６の送風量が制御され
る。

【００２７】一般給湯モードは、湯張り給湯スイッチ１
８ａ及び炭酸給湯スイッチ１８ｂのいずれもが操作され
ていない状態において、シャワー１６及びカラン１７が
使用されるに伴って実行される。シャワー１６及びカラ
ン１７の使用は、断続バルブ５及び断続バルブ９が閉じ
られている状態における、流量センサーＳ２の検出情報
によって検出される。一般給湯モードにおける給湯バー
ナ２の燃焼量は、シャワー１６及びカラン１７用の給湯
温度設定器（図示されない）によって設定される設定温
度と、シャワー１６及びカラン１７における給湯温度と
に基づいて、フィードバック制御される。

【００２８】追焚給湯モードは、追焚給湯スイッチ１８
ｄの操作に伴って実行される。追焚給湯スイッチ１８ｄ
が操作されると、循環ポンプ１５が作動され、追焚バー
ナ１０が点火されて、追焚給湯が行われる。なお、追焚
バーナ１０の燃焼量は、比較的火力の強い一定の強さで
制御される。

【００２９】〔別実施例〕図３には、本発明による炭酸
給湯装置の別実施例としての給湯装置Ａが示されてい
る。この給湯装置Ａには、給湯用熱交換器１からの湯を
排気接触用液として気液接触部７に導く排気接触用の案
内路Ｗ７が設けられている。案内路Ｗ７は、給湯用熱交
換器１からの湯を、案内路Ｗ４における水量センサーＳ
４よりも上流側に導くように接続されている。案内路Ｗ
７には、断続バルブ１９が設けられている。又、案内路
Ｗ４における案内路Ｗ７との接続点の上流側には、断続
バルブ２０が設けられている。従って、断続バルブ５及
び２０を閉じ、断続バルブ９及び１９を開くことによっ
て、給湯用熱交換器１からの湯を、更に、気液接触部７
に通してから、浴槽Ｂに供給することができる。この場
合、気液接触部７を通過するに伴う排気接触用液の温度
上昇量を検出する湯温検出手段には、案内路Ｗ４に設け
られているサーミスターＳ６が使用される。サーミスタ
ーＳ６は、気液接触部７に通される直前の湯の温度Ｔｂ
を検出する。従って、燃焼制御手段１０１は、下記の数
３に従って、給湯バーナ２の燃焼量を制御する。

【数３】Ｇｔ＝Ｇｐ−Ｇｎ ただし、 Ｇｐ＝Ｋａ×（Ｔｓ−Ｔｉ）×Ｑ＋Ｋｐ×ΔＴ＋Ｋｉ×
∫ΔＴｄｔ Ｇｎ＝Ｋａ×（Ｔｘ−Ｔｂ）×ｑ ここで、Ｔｘは、サーミスターＳ３によって検出される
給湯温度、Ｔｂは、サーミスターＳ６によって検出され
る湯の温度、ｑは、水量センサーＳ４によって検出され
る水量であり、その他の変数及び定数は、本明細書の
「従来の技術」に示す「数１」、及び、「実施例」に示
す「数２」と同様である。

【００３０】又、この給湯装置Ａには、給水路Ｗ１から
の水を浴槽Ｂに導く給湯路Ｗ８が設けられている。給湯
路Ｗ８は、給水路Ｗ１における水量センサーＳ２よりも
下流側において分岐され、給湯路Ｗ３におけるサーミス
ターＳ３よりも上流側において接続されている。給湯路
Ｗ８には、断続バルブ２１が設けられている。従って、
断続バルブ２１を開くことによって、給水路Ｗ１からの
水と、給湯用熱交換器１からの湯又は気液接触部７を通
過した湯とを混合して、浴槽Ｂに供給することができ
る。

【００３１】〔その他の別実施例〕被供給部は、浴槽Ｂ
に限らず、例えばシャワーやカランなど、炭酸給湯され
る対象であれば、適宜変更できる。

【００３２】燃焼制御手段１０１による制御を示す上述
の数２における、総必要熱量Ｇｐを求める式の第２項及
び第３項は、必要加熱量Ｇｔの制御における補正項の一
例にすぎず、第１項、すなわち、フィードフォワード量
に対する補正項の役割を果たすものであれば、適宜変更
可能である。

【００３３】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】炭酸給湯装置の全体構成を示す構成図

【図２】送風ファンの回転数と必要加熱量との関係を示
すグラフ

【図３】別実施例の炭酸給湯装置の全体構成を示す構成
図

【符号の説明】

Ｇｎ 取得熱量 Ｇｐ 総必要熱量 Ｇｔ 必要加熱量 Ｑ 給水量 ｑ 供給量 Ｓ１ 給水温度検出手段 Ｓ２ 給水量検出手段 Ｓ４ 供給量検出手段 Ｓ５ 湯温検出手段 Ｔｉ 給水温度 Ｔｓ 設定目標温度 Ｗ１ 給水路 Ｗ４ 案内路 Ｗ３ 給湯路 Ｗ７ 案内路 １ 給湯用熱交換器 ２ 給湯バーナ ３ 燃料供給量調節手段 ４ 燃料供給量調節手段 ７ 気液接触部 １０１ 燃焼制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24H 1/00 602

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 給水路（Ｗ１）にて給水される給湯用熱
   交換器（１）と、 その給湯用熱交換器（１）を加熱する給湯バーナ（２）
   と、 前記給湯バーナ（２）への燃料供給量を調節する燃料供
   給量調節手段（３，４）と、 前記給湯バーナ（２）の排気が通過する気液接触部
   （７）と、 前記給水路（Ｗ１）からの水又は前記給湯用熱交換器
   （１）からの湯を排気接触用液として前記気液接触部
   （７）に導く排気接触用の案内路（Ｗ４，Ｗ７）と、 前記気液接触部（７）を通過した湯、又は、その湯と前
   記給湯用熱交換器（１）からの湯、又は、前記気液接触
   部（７）を通過した湯と前記給水路（Ｗ１）からの水と
   を被供給部（Ｂ）に導く給湯路（Ｗ３）と、 その給湯路（Ｗ３）における給湯温度が設定目標温度
   （Ｔｓ）になるように、前記燃料供給量調節手段（３，
   ４）を制御する燃焼制御手段（１０１）とが設けられた
   炭酸給湯装置であって、 前記燃焼制御手段（１０１）は、 前記給水路（Ｗ１）における給水温度（Ｔｉ）を検出す
   る給水温度検出手段（Ｓ１）、及び、前記給水路（Ｗ
   １）からの給水量（Ｑ）を検出する給水量検出手段（Ｓ
   ２）夫々の検出情報に基づいて、前記給水路（Ｗ１）か
   ら供給される水を前記設定目標温度（Ｔｓ）に加熱する
   ための総必要熱量（Ｇｐ）を求め、且つ、 前記気液接触部（７）への前記排気接触用液の供給量
   （ｑ）を検出する供給量検出手段（Ｓ４）、及び、前記
   気液接触部（７）を通過するに伴う前記排気接触用液の
   温度上昇量を検出する湯温検出手段（Ｓ５，Ｓ６）夫々
   の検出情報に基づいて、前記気液接触部（７）での取得
   熱量（Ｇｎ）を求めると共に、 前記総必要熱量（Ｇｐ）から前記取得熱量（Ｇｎ）を減
   算して、前記給湯用熱交換器（１）での必要加熱量（Ｇ
   ｔ）を求め、 この必要加熱量（Ｇｔ）を前記給湯バーナ（２）にて与
   えるように前記燃料供給量調節手段（３，４）を制御す
   るように構成されている炭酸給湯装置。