JP3769659B2 - 給湯器の水量制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯器において、水の加熱手段に通水させる水量を制御するための水量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水量制御装置としては、特公平２−５９８８号公報に開示のものが知られている。これは、熱交換器への給水管に設けた温度センサ（サーミスタ等）により検出される水温と、温度設定手段で設定される設定温度と、給湯器の最大能力とに基づいて、その設定温度での限界水量を演算し、その限界水量と、水量センサで得られる水量とを比較演算して、水量センサの検出値が限界水量を越えている場合には、給水管の水バルブの開度を絞って、その設定温度での限界水量以上の水が熱交換器に流れて能力オーバーとならないように、熱交換器への給水量を調節するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記水量制御装置においては、通水系に多くのセンサを設けてこれらのデータに基づいて制御する必要があるため、構成が煩雑化してコストアップに繋がる。又、器具の最大能力は一定であるから、器具の設定やガス種の相違による器具能力のばらつきに対応できない。かといって最大能力の補正をその都度行うようにすると、条件設定が多くなって処理が複雑化してしまう。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記水量制御を簡単な構成で実現して、コストダウンを可能とした給湯器の水量制御装置を提供するもので、その構成は、必要熱量演算手段により得られる必要熱量に対する器具の最大能力の比を算出し、その算出値に水量検出手段により得られる水量を乗じて制御水量を演算する制御水量演算手段を設け、その演算値に基づいて、前記水量制御手段による水量制御を行うとともに、前記必要熱量演算手段に、出湯温度と設定温度との偏差に基づいて必要熱量を補正するフィードバック演算手段と、前記出湯温度の安定後に、必要熱量を、前記補正された必要熱量に水量の増減比を乗じた値に基づいて更新する更新演算手段とを備え、該更新演算手段を、設定温度の変化又は能力オーバーにより生じる設定温度と出湯温度との差による熱量の増減を加えて、前記更新される必要熱量を決定するものとしたことを特徴としたものである。
【０００５】
【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は水量制御装置を備えた給湯器の概略図で、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。
【０００６】
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、そして前記燃焼量算出部で得られる出力量と、前記水量値と、予め設定される器具の最大能力値とに基づいて、設定温度での制御水量を演算する制御水量算出部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。
【０００７】
又バーナコントローラ９は、前記ＦＦ＋ＦＢ制御による出湯温度制御と同時に、熱交換器３への給水量を適正に保つために水バルブ６の開度を調節する水量制御も行っている。まずこの水量制御を、図２に示すフローチャートを用いて説明する。
最初に出湯管７の蛇口１６が開栓されると、ステップ１（以下単にＳ１と表記する、他も同じ）で、水量センサ５から検出される水量が、加熱動作をするために充分な水量（点火水量）以上であるか否かを確認し、点火水量以上であれば、点火制御を行うと共に、次のＳ２で、リモコン１５で設定される設定温度での必要熱量の演算（後に詳述）を行う。必要熱量が得られると、Ｓ３で、制御水量算出部が、設定温度での制御水量を、以下の式、

に基づいて演算する。よって続くＳ４では、現在の水量が前記演算された制御水量と一致しているか否かを確認し、ＮＯであれば、Ｓ５で水バルブ６を駆動させて制御水量と一致するように水量を制御する。又ここで現在の水量が制御水量と一致すれば、Ｓ２に戻って再び必要熱量の演算から繰り返される。
又水バルブ６の制御は、例えば図３に示す制御ルーチンで行われる。まずＳ６で設定温度が５０℃より高いか低いかを確認し、５０℃より高い場合は、Ｓ７において、その設定温度での必要熱量が、最大能力値から、その最大能力値に３％上乗せした値までの範囲内にあるか否かを確認し、この範囲を越えていれば、Ｓ８で水バルブ６は作動して、先のフローチャートに示したように制御水量と一致するように水量制御を行う。尚この水バルブ６の制御においても、水量センサ５の検出値に基づくフィードバック制御が採用される。一方設定温度が５０℃より低い場合は、Ｓ９において、その設定温度での必要熱量が、最大能力値から、その最大能力値から３％カットした値までの範囲内にあるか否かを確認し、この範囲を下回っていれば、Ｓ８で水バルブ８の制御がなされることになる。
このように本実施の形態によれば、入水温度を利用せずに必要熱量から制御水量を演算して水量制御を行うことが可能となるため、給水管４に温度センサを設ける必要がなくなり、構成が簡略化される。又単純な演算式を利用しているため、対応が早く、良好な水量制御が行えるのである。
【０００８】
尚上記Ｓ２における必要熱量の演算は、単位水量あたりの熱量に、現在の水量を乗じて求めれば良いが、特に本実施の形態では、出湯温度特性が良好な出湯温度制御において演算される必要熱量を採用することにより、適正な水量制御を可能としている。この必要熱量の演算の例を、図４に示す出湯温度制御のフローチャートに基づいて説明する。
まず、電源投入により本ルーチンが起動すると、Ｓ１０にて止水フラグを１、メモリフラグを０にセットする。尚ここでは入水温度は２５℃の固定値が選択される。次にＳ１１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、Ｓ１２で、前回の給湯終了（止水後）から２時間以上経過しているか否かをチェックし、２時間以上経過している場合には、Ｓ１３でメモリフラグを０にセットして、各検出データをリセットする。２時間経過していない場合には、そのままＳ１１に戻る。
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、Ｓ１４で点火動作を行う。続いてＳ１５でメモリフラグが０にセットされているか否かを確認し、０にセットされていれば、次にＳ１６で止水フラグが０にセットされているか否かを確認し、ここで０であれば、Ｓ１７において、現在の水量Ｑと、入水温度Ｔｉと、設定温度Ｔｓと、熱効率ηとから、ＦＦ制御量（ＦＦ値）を
ＦＦ＝Ｑ×（Ｔｓ−Ｔｉ）÷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）。こうした燃焼量の演算制御は繰り返され、次のＳ１８では、温度センサ８から検出される出湯温度の変化が±１℃以内、水量の変化が±１０％以内の状態が、５秒間継続、つまり安定状態であるか否かがチェックされる。この条件を満たす安定状態になれば、Ｓ１９にて器具の能力を超えているか否かが確認され、能力オーバーでなければ、Ｓ２０で、前記（ＦＦ＋ＦＢ）制御によるトータル出力量（ＦＦ値＋ＦＢ値）を制御出力量記憶部に記憶する（以下この記憶値をＦＦ（ｍ）と表す）。又その時の水量値Ｑ及び設定温度Ｔｓも同様に、記憶値Ｑ（ｍ）、Ｔｓ（ｍ）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Ｓ２１においてメモリフラグを１にセットすると、Ｓ１１に戻る。
【０００９】
ここでＳ１１に戻った際に、給湯動作が継続されていると、Ｓ２１でメモリフラグは１にセットされているため、Ｓ１５の確認後はＳ２２へ移り、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出力量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値を求める。

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値は、Ｓ１７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）。この制御は設定温度の変更或は能力オーバーが発生するまで継続される。
そこでＳ１８でのチェックで安定状態にない場合、これがＳ２３における設定温度の変更によるものであれば、又安定後でも、Ｓ１９のチェックで能力オーバーが確認されれば、何れも前記Ｓ２２での演算で利用されるＦＦ（ｍ）は、Ｓ２４に示す式で算出される。

つまり、Ｓ２０における（ＦＦ値＋ＦＢ値）に、＋α、即ち設定温度Ｔｓと出湯温度Ｔとの差による熱量の補正分を加えて、これをＦＦ（ｍ）に置き換えるのである。この置き換えによりＦＦ値が適正なものとなり、理論的にはＦＢ値が０となる。従って、実際の出湯温度Ｔが設定温度Ｔｓと一致して安定することになる。
【００１０】
一方Ｓ１６でのチェックで止水フラグが１にセットされていれば、Ｓ２５において入水温度を、点火後の最低温度に推定する入水温度推定ルーチンに従って算出し、次のＳ２６において止水フラグを０にセットして、算出された推定入水温度によってＳ１７の出湯温度制御を行うことになる。
このように上記出湯温度制御においては、Ｓ１７，Ｓ２２でトータル出力量を演算するものとなるが、ここでのトータル出力量が、先の水量制御に用いる必要熱量となる。即ち点火初期には、Ｓ１７のトータル出力量に基づいて、出湯温度安定後には、Ｓ２２で更新されたトータル出力量に基づいて、夫々制御水量が求められる。よって上記出湯温度制御における適切な必要熱量に基づいて、適切な水量制御が可能となるのである。特に設定温度の変化後或は能力オーバー時には、Ｓ２４において補正されたトータル出力量を利用することで、最大能力値が固定値であっても、必要熱量側の演算でその補正が行われるため、その補正を加味した値で制御水量が演算される結果となり、器具の設定やガス種の相違による器具能力のばらつきに対応できることになる。
【００１１】
次に、Ｓ２５での推定入水温度Ｔｉを算出する処理について、図５に示した入水温度推定ルーチンを表すフローチャートを用いて説明する。
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Ｔｉ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Ｔｉ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。
【００１２】
尚制御水量に用いる必要熱量の演算は、上記図４のフローチャートにおけるものに限定せず、より単純化して求める内容に止めても良く、その他入水温度の検出なしで水量制御を行う本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更は可能である。
【００１３】
【発明の効果】
以上本発明によれば、器具の能力オーバーを防止して出湯温度特性への影響を起こさせず、良好な水量制御が可能となる。特にこの水量制御を入水温度センサを用いずに、出湯温度制御で得られる必要熱量を利用して実現したことで、構成が簡略化してコストダウンを達成できる。
又必要熱量演算手段にフィードバック演算手段を備えたことで、補正された必要熱量に応じた適切な制御水量を得ることができる。
又必要熱量演算手段に更新演算手段を備え、出湯温度安定後のトータル出力量と水量比とに基づいて必要熱量を更新するようにしたため、演算による負担が少なく、演算誤差も少なくなる。
更に更新演算手段を、設定温度の変化や能力オーバーによる熱量の増減を加えて必要熱量を更新させるものとし、設定温度の変更や能力オーバーに対応して必要熱量の演算側で補正できるようにしたため、器具やガス種の相違による器具能力のばらつきがあっても、最大能力の設定を修正せずに器具能力のばらつきに対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】給湯器の概略図である。
【図２】水量制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図３】バルブ制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図４】出湯温度制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図５】入水温度推定ルーチンを表すフローチャートである。
【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 (1)

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、前記通水される水量を制御する水量制御手段と、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推定する入水温度推定手段と、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、前記入水温度推定手段により推定された入水温度とに基づいて、必要熱量を演算する必要熱量演算手段とを備えた給湯器において、
   前記必要熱量演算手段により得られる必要熱量に対する器具の最大能力の比を算出し、その算出値に前記水量検出手段により得られる水量を乗じて制御水量を演算する制御水量演算手段を設け、その演算値に基づいて、前記水量制御手段による水量制御を行うとともに、
   前記必要熱量演算手段に、前記出湯温度と設定温度との偏差に基づいて前記必要熱量を補正するフィードバック演算手段と、前記出湯温度の安定後に、前記必要熱量を、前記補正された必要熱量に水量の増減比を乗じた値に基づいて更新する更新演算手段とを備え、該更新演算手段を、設定温度の変化又は能力オーバーにより生じる設定温度と出湯温度との差による熱量の増減を加えて、前記更新される必要熱量を決定するものとしたことを特徴とする給湯器の水量制御装置。

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