JP3733977B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入水温度を検出する温度センサを用いずに出湯温度制御を行う給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
器具のコストアップや誤差の防止のため、入水温度を検出する温度センサを用いずに、出湯温度を設定温度と一致させる出湯温度制御を行う給湯装置としては、特公平４−１８０号公報や特公平６−９７１１８号公報に開示のものが知られている。これらは、フィードフォワード制御やフィードバック制御による出力制御後の必要熱量と設定温度、出湯温度、水量等から、入水温度を逆算して求め、それを以後のフィードフォワード制御に用いる構成である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし器具内の実際の水温は、必ずしも気温と一致するものではなく、夏場や冬場で気温と水温との間に差が生じる場合があるが、前回の給湯終了から再出湯までの時間が長くなるほど、給水管内の水温が気温に近づくことになる。よって気温が水温よりかなり高い場合は、再出湯時に、出湯温度が設定温度に対して大きくオーバーすることになり、やけどの虞れが生じる上、フィードバック制御においてこの偏差を解消するのに時間がかかり、使い勝手が悪くなる。特に上記従来の発明では、入水温度を逆算した後にフィードフォワード制御量の算出を行うため、処理が複雑により、その間の演算誤差も大きくなってしまう。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記気温と水温との関係を考慮した好適な出力制御を行って、使い勝手の向上を図るもので、その構成は、器具内に通水される水を加熱する加熱手段と、前記通水される水の流量を検出する水量検出手段と、上記加熱手段により加熱された湯の温度を検出する出湯温度検出手段と、前記加熱手段へ通水される水の温度を想定する入水温度想定手段と、前記出湯温度を設定する出湯温度設定手段と、更に、前記水量検出手段により検出された水量と、前記出湯温度設定手段により設定された設定温度と、前記入水温度想定手段により想定された入水温度とに基づいて、点火初期の加熱量のフィードフォワード制御量を演算して制御するフィードフォワード制御手段と、前記出湯温度と設定温度との偏差に基いて前記フィードフォワード制御量を補正するフィードバック演算手段と、を備えた給湯装置であって、
前記出湯温度安定後に、前記補正された制御量を記憶する制御量記憶手段と、その記憶された補正制御量に水の流量の増減比を乗じた値に基づいて前記フィードフォワード制御量を更新するフィードフォワード更新演算手段とを設ける一方、前記フィードフォワード制御手段により演算された制御量と、前記制御量記憶手段により記憶された補正制御量とを比較する比較手段を設け、その給湯終了後、所定時間内での再給湯時には、前記比較手段の比較結果により、補正された制御量の方が大きい場合は、前記想定された入水温度に基づく前記フィードフォワード制御手段により、元の制御量の方が大きい場合は、前記記憶された補正制御量に基づく前記フィードフォワード更新演算手段により、夫々再給湯時の点火初期の制御量を演算して出力制御することを特徴とするものである。
【０００５】
又第二発明としては、第一発明と同じ給湯装置において、出湯温度安定後に、前記補正された制御量を記憶する制御量記憶手段と、その記憶された補正制御量に水の流量の増減比を乗じた値に基づいて前記フィードフォワード制御量を更新するフィードフォワード更新演算手段とを設ける一方、その給湯終了から所定時間を計測するタイマー手段を設け、その給湯終了後、前記タイマー手段による計測時間内での再給湯時には、前記フィードフォワード更新演算手段による更新されたフィードフォワード制御量を、前記タイマー手段の計測時間と対応して与えられる所定の変数に応じて修正し、その修正値を再給湯時の点火初期の制御量として出力制御することを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は給湯器の概略図で、給湯器１には、ガスバーナ２の燃焼熱により通水中の水を加熱する熱交換器３が設けられ、水入口から熱交換器３へ通じる給水管４には、入水水量を一定時間毎に検出する水量センサ５と、給水管４の水量を制御する水バルブ６が設けられる。一方熱交換器３から加熱された湯を送り出す出湯管７には、温度センサ８が設けられており、これらのセンサやバルブはバーナコントローラ９に電気的接続されている。
又ガスバーナ２へのガス供給管には、バーナコントローラ９からの制御信号に基づいてガス量を調節する比例制御弁１０、ガス供給路を開閉する元電磁弁１１、主電磁弁１２が夫々設けられている。更にガスバーナ２には、燃焼ガスへ点火するイグナイタ電極１３、燃焼炎を検出するフレームロッド１４が夫々設けられ、これらもバーナコントローラ９へ電気的接続されて、リモコン１５の操作による出湯・運転・停止等の周知の制御に利用されている。
【０００７】
一方バーナコントローラ９には、熱効率等の燃焼制御に必要な様々な定数を予め記憶しておくための演算定数記憶部、フィードフォワード制御の出力量（以下ＦＦ値という）及びフィードバック制御による出力の補正量（以下ＦＢ値という）を夫々一定周期で算出する燃焼量算出部、これらの出力量（ＦＦ値＋ＦＢ値）を順次記憶更新するための制御出力量記憶部、水量センサ５で得られる水量値Ｑを順次記憶更新するための水量値記憶部、リモコン１５により設定された設定温度を記憶するための設定温度記憶部、前回の給湯終了からの経過時間を記憶する時間記憶部、そして制御出力量記憶部において記憶される所定のタイミングでの出力量同士を比較する出力量比較部等が夫々設けられており、これらは後述する制御ルーチンに従って、出湯温度がリモコン１５で設定される設定温度となるように、比例制御弁１０に指令を出し、燃焼量をフィードフォワード制御（以下ＦＦ制御という）及びフィードバック制御（以下ＦＢ制御という）を用いて制御を行っている。
【０００８】
次にバーナコントローラ９の行う出湯温度制御について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、電源投入により本ルーチンが起動すると、Ｓ１にて、学習フラグ、気温−水温フラグ、止水フラグを夫々０にセットする。尚ここでは入水温度は２５℃の固定値が初期設定されている。次にＳ２において、水量センサ５から検出される水量が点火水量以上であるか否かを確認し、点火水量に満たない場合は、Ｓ３で、前回の給湯終了（止水後）から１０分以内であるか否かをチェックし、ＮＯであれば、Ｓ４で、更に２時間以内であるか否かを確認する。２時間以内であればＳ５で止水フラグが１にセットされるが、２時間以内でなければ、再びＳ１に戻って検出データをリセットする。最初は２時間以上経過後の出湯の場合で説明する。
こうして水量確認を行う間に、蛇口１６の開栓によって水量が点火水量を越えると、Ｓ６で点火動作を行う。続いてＳ７で止水フラグが１にセットされているか否かが確認されるが、止水フラグは０であるので、次のＳ８で学習フラグが１にセットされているか否かが確認される。ここでも学習フラグは０であるので、次のＳ９で入水温の推定処理（この処理については以下に説明する）がなされ、Ｓ１０で推定入水温度Ｔｗを得ると、Ｓ１１において、現在の水量Ｑと、入水温度Ｔｗと、設定温度Ｔｓと、熱効率ηとから、ＦＦ制御量（ＦＦ値）を
ＦＦ＝Ｑ×（Ｔｓ−Ｔｗ）÷η
として演算すると共に、実際の出湯温度Ｔと設定温度Ｔｓとの偏差に基づくＦＢ制御（本実施の形態ではＰＩＤ制御を用いる）により、出湯温度Ｔが設定温度Ｔｓになるように燃焼量を補正する（ＦＦ値＋ＦＢ値）。こうしてＳ１２でトータル制御量Ｉｐを得て、続くＳ１３で比例制御弁１０の開閉制御を行う。
【０００９】
次にＳ１４では、温度センサ８から検出される出湯温度が安定状態、例えば温度の変化が±１℃以内、水量の変化が±１０％以内の状態が、５秒間継続したか否かがチェックされる。この安定状態になれば、Ｓ１５で、前記（ＦＦ＋ＦＢ）制御による制御量Ｉｐを制御出力量記憶部に記憶する（以下この処理を学習処理といい、記憶値をＦＦ（ｍ）と表す）。又その時の水量値Ｑや設定温度等も同様に、記憶値Ｑ（ｍ）等として、夫々水量値記憶部及び設定温度記憶部に記憶される。そしてＳ１６においては、制御量Ｉｐが、先のＳ１１において演算した点火初期のＦＦ値より大きいか否かを出力量比較部が比較し、大きければ、Ｓ１７で気温−水温フラグを０にセットし、小さければ、Ｓ１８で気温−水温フラグを１にセットする。その後Ｓ１９で止水フラグを０にして、Ｓ７に戻る。
【００１０】
ここでＳ７に戻った際も、Ｓ１９で止水フラグは０にセットされているため、Ｓ７でのチェック後は、Ｓ８で、学習フラグが１にセットされているか否かが確認される。Ｓ１５の学習処理で学習フラグは１にセットされているため、このチェックでＳ２０に移り、出湯温度制御を行うことになる。ここでは前回記憶したトータル制御量ＦＦ（ｍ）、水量値Ｑ（ｍ）、現在の水量値Ｑから、以下に示す式によってＦＦ値が求められる。

つまり安定状態での単位水量あたりの熱量に、現在の水量を乗じた値を必要熱量として演算したものである。又ＦＢ制御によるＦＢ値も、Ｓ９と同様に、新たにＰＩＤ制御によって演算され、ＦＦ値の補正がなされる（ＦＦ値＋ＦＢ値）。ここで得られる熱量が、更新された制御量Ｉｐとして、先述したＳ１２以下の処理がなされ、給湯継続中は繰り返されることになる。
【００１１】
そして蛇口１６の閉栓により、Ｓ１４からＳ２１へ移行して消火水量以下を確認し、給湯が終了すると、再出湯時は、Ｓ２でのチェックから再開される。ここでＳ３，４により、再出湯が止水から１０分以上で２時間以内の間であれば、Ｓ５で止水フラグは１にセットされるため、Ｓ６の点火後、Ｓ７からＳ２２へ移り、ここで気温−水温フラグが０にセットされているか否かが確認される。前回の出湯時におけるＳ１６での比較時に０にセットされていれば、制御量をＦＢ制御により増加させる側に制御していることから、推定入水温度が実際の入水温度より高かったと考えられる。そこで気温＞水温と判断し、Ｓ１１以降の推定入水温度Ｔｗを利用したＦＦ量が算出されて、その後の処理が行われ、０にセットされていなければ、気温＜水温と判断し、Ｓ８の判断へ移る。ここで学習フラグは前回の給湯時にＳ１５において１にセットされているため、その後はＳ２０以降の学習に基づいた更新制御量が算出されて、その後の処理が行われることになる。
この気温と水温との関係を考慮して、止水からの時間に対する再出湯時のＦＦ量の選択結果をグラフで示すと図３のようになる。即ち同図（Ａ）が気温＞水温、同図（Ｂ）が気温＜水温の場合で、曲線ａは給水管内の温度変化、点線ｂは、実際の入水温度を基にしたＦＦ量である。特に同図（Ａ）の気温＞水温の場合、推定入水温を利用したＦＦ量の選択により、止水から１０分経過後は実際の入水温によるＦＦ量と殆ど変わらない値で制御可能となる。
このように上記出湯温度制御によれば、再出湯時には、前回のデータを利用して気温と水温の関係を把握し、そこから制御量を選択する構成としたことで、特に気温＞水温の場合、止水から３０分後等の再出湯時にオーバーシュートを生じさせるようなことがなく、過剰熱量の供給を好適に防止して、使い勝手の良い経済的な出湯温度制御が可能となるのである。
【００１２】
尚ここでＳ９での入水温度推定処理を図４において説明する。
給湯開始後、Ｓ３０においては、温度センサ８によって検出された出湯側水温Ｔ（ｎ）（ｎは検出された順番）が入水温度推定部内に記憶される。本実施の形態では、０．２秒毎にＴ（ｎ）を記憶すると共に、次のＳ３１においては１秒間における平均温度θ（ｎ）を算出する。そして、この平均温度θ（ｎ）の上昇勾配ｄθが、Ｓ３２において、
ｄθ＝θ（ｎ）−θ（ｎ−１）≧α（℃／秒）
となった時の温度θ（ｎ−１）を、Ｓ３３においてその給湯時の入水温度Ｔｗと推定し、ＦＦ制御に用いるのである。尚ここではα＝１とする。
これは、点火開始時には、器具内に残っていた水が、新しく給水された水と混ざることで温度が一時的に低下し、ガスバーナの加熱によって上昇し始めることから、点火開始から温度センサ８によって出湯温度Ｔを０．２秒毎に検出し、上昇勾配にα（例えば、＋１）（℃／秒）以上の温度変化が見られた時の出湯温度、つまり一時的に低下した温度の最下点における出湯温度Ｔを得て、これを推定入水温度Ｔｗとしてその後の出湯温度制御に用いるようにしたのである。
【００１３】
次に、第二発明に係る出湯温度制御を、図５に示すフローチャートを用いて説明する。尚適用する給湯器は図１と同様であるが、特にここでは、止水時から所定時間（ここでは２時間）でＯＦＦする止水タイマが利用される。
電源投入後、まずＳ４０で学習フラグ、止水タイマが夫々０にセットされる。尚ここでも入水温度の初期設定は２５℃である。続くＳ４１で点火水量以上が確認されなければ、Ｓ４２で止水から２時間以上経過しているか否かがチェックされ、２時間以内であれば、再びＳ４１へ戻り、蛇口１６の開栓により点火水量が得られると、Ｓ４３で点火制御がなされる。止水から２時間以上経過していると、止水タイマ、学習フラグは夫々０であるので、Ｓ４４，４５を経てＳ４６，４７において、先の図４と同様に入水温度の推定処理がなされ、その推定入水温度ＴｗによりＳ４８でＦＦ量が算出される。その後はＳ４９において、ＦＢ制御で補正された燃焼量を合わせてトータル制御量Ｉｐが得られると、Ｓ５０で比例制御を行う。次にＳ５１で安定状態確認後、その安定状態でのトータル制御量をＳ５２で学習処理して学習フラグを１にセットし、Ｓ５３で止水タイマを０にセットする。このまま給湯継続であれば、Ｓ５４での消火水量以上の確認後、Ｓ４４からＳ４５へ移り、続いてＳ５５で学習に基いて更新されたＦＦ量によって出湯温度制御がなされる。
【００１４】
そして給湯終了時には、消火水量以下によりＳ５４からＳ５６へ移り、ここでのチェックで止水タイマが０にセットされていれば、止水と共にＳ５７で止水タイマがスタートする。よってＳ４１から再開される再出湯時が、Ｓ４２での確認で止水から２時間以内であれば、止水タイマの作動中であるため、点火後のＳ４４のチェックでは、ＦＦ制御量はＳ５８において算出されることになる。即ち学習に基づいたＦＦ量と、推定入水温によるＦＦ量を算出し、以下の式
ＦＦ＝学習に基づいたＦＦ量×α＋推定入水温によるＦＦ量×（１−α）
によって演算される。尚αは、図６に示す如く、１から止水タイマのカウントに伴って直線的に減少する変数で、止水から再出湯時までの時間に対応した数値を算出して上記演算に利用される。つまりここでは、気温＞水温の場合には、再出湯時のＦＦ量が、学習に基づいたＦＦ量から止水時間に従って徐々に少なくなるように、一方水温＞気温の場合には、再出湯時のＦＦ量が、学習に基づいたＦＦ量から止水時間に従って徐々に増加するように夫々設定したものである。
このＦＦ量の変化を図７のグラフに示す。同図（Ａ）は気温＞水温の場合、同図（Ｂ）は気温＜水温の場合で、ここで明らかなように、止水タイマのスタート時は学習によるＦＦ量１００％であったものが、時間経過によるαの変化によって直線的に減少し、止水タイマが０となる時間ｔでは、学習によるＦＦ量が０となって、逆に推定入水温によるＦＦ量が１００％となる変化割合を示し、実際の入水温によるＦＦ量の推移（点線ｂ）と略等しい制御が可能となっている。
その後は、Ｓ５８で得られるＦＦ量に従ってＳ４９〜Ｓ５２での処理が行われ、給湯が継続されると、Ｓ５３で止水タイマは０にセットされて、以後はＳ５５における学習に基づいて更新されたＦＦ量によって出湯温度制御がなされることになる。
このように本形態においても、止水タイマとそれに応じた変数を利用して再出湯時のＦＦ量を演算制御する構成としたことで、特に気温＞水温の場合においてオーバーシュートを好適に防止できると共に、過剰熱量の供給を解消可能となるのである。
【００１５】
尚上記変数αの変化割合は、図６で示した直線的なものでなく、段階的に変化させるものでも差し支えない。
【００１６】
【発明の効果】
以上第一発明によれば、入水温度を検出する温度センサを設けなくても、気温と水温との関係を考慮した好適な出力制御が行え、やけどの虞れをなくして使い勝手を向上させることができる。又入水温度側の温度センサの不用化と共に、過剰熱量の供給も防止できるため、コスト削減と共に無駄なエネルギーの消費防止も達成でき、経済的な効果も多大である。
又第二発明においても、第一発明と同じ効果が得られるのに加え、特に更新されたフィードフォワード制御量を、タイマー手段の計測時間と対応する所定の変数に応じて修正し、その修正値を再出湯時の点火初期の制御量としたことで、実際の入水温度によるものと略等しい出力制御が行えることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】給湯器の概略図である。
【図２】出湯温度制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図３】（Ａ）気温＞水温の場合の再出湯時のＦＦ量の変化を示すグラフである。
（Ｂ）気温＜水温の場合の再出湯時のＦＦ量の変化を示すグラフである。
【図４】入水温度推定ルーチンを表すフローチャートである。
【図５】出湯温度制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図６】止水タイマに応じた変数αのグラフである。
【図７】（Ａ）気温＞水温の場合の再出湯時のＦＦ量の変化を示すグラフである。
（Ｂ）気温＜水温の場合の再出湯時のＦＦ量の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・給湯器、２・・ガスバーナ、３・・熱交換器、４・・給水管、５・・水量センサ、６・・水バルブ、７・・出湯管、９・・バーナコントローラ。

Claims (2)

1. 器具内に通水される水を加熱する加熱手段と、前記通水される水の流量を検出する水量検出手段と、上記加熱手段により加熱された湯の温度を検出する出湯温度検出手段と、前記加熱手段へ通水される水の温度を想定する入水温度想定手段と、前記出湯温度を設定する出湯温度設定手段と、更に、前記水量検出手段により検出された水量と、前記出湯温度設定手段により設定された設定温度と、前記入水温度想定手段により想定された入水温度とに基づいて、点火初期の加熱量のフィードフォワード制御量を演算して制御するフィードフォワード制御手段と、前記出湯温度と設定温度との偏差に基いて前記フィードフォワード制御量を補正するフィードバック演算手段と、を備えた給湯装置であって、
   前記出湯温度安定後に、前記補正された制御量を記憶する制御量記憶手段と、その記憶された補正制御量に水の流量の増減比を乗じた値に基づいて前記フィードフォワード制御量を更新するフィードフォワード更新演算手段とを設ける一方、前記フィードフォワード制御手段により演算された制御量と、前記制御量記憶手段により記憶された補正制御量とを比較する比較手段を設け、その給湯終了後、所定時間内での再給湯時には、前記比較手段の比較結果により、補正された制御量の方が大きい場合は、前記想定された入水温度に基づく前記フィードフォワード制御手段により、元の制御量の方が大きい場合は、前記記憶された補正制御量に基づく前記フィードフォワード更新演算手段により、夫々再給湯時の点火初期の制御量を演算して出力制御することを特徴とする給湯装置。
2. 器具内に通水される水を加熱する加熱手段と、前記通水される水の流量を検出する水量検出手段と、上記加熱手段により加熱された湯の温度を検出する出湯温度検出手段と、前記加熱手段へ通水される水の温度を想定する入水温度想定手段と、前記出湯温度を設定する出湯温度設定手段と、更に、前記水量検出手段により検出された水量と、前記出湯温度設定手段により設定された設定温度と、前記入水温度想定手段により想定された入水温度とに基づいて、加熱量のフィードフォワード制御量を演算して制御するフィードフォワード制御手段と、前記出湯温度と設定温度との偏差に基いて前記フィードフォワード制御量を補正するフィードバック演算手段と、を備えた給湯装置であって、
   前記出湯温度安定後に、前記補正された制御量を記憶する制御量記憶手段と、その記憶された補正制御量に水の流量の増減比を乗じた値に基づいて前記フィードフォワード制御量を更新するフィードフォワード更新演算手段とを設ける一方、その給湯終了から所定時間を計測するタイマー手段を設け、その給湯終了後、前記タイマー手段による計測時間内での再給湯時には、前記フィードフォワード更新演算手段による更新されたフィードフォワード制御量を、前記タイマー手段の計測時間と対応して与えられる所定の変数に応じて修正し、その修正値を再給湯時の点火初期の制御量として出力制御することを特徴とする給湯装置。

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