JP3837142B2 - 給湯器 - Google Patents

Description

本発明は入水温度センサを備えずに燃焼量を調節して出湯温度を調整する瞬間式給湯器に関する。

一般に、瞬間式のガス給湯器においては、その出湯温度制御の手法として、入水温度，設定温度，水の流量及び熱効率から、出湯温度を設定温度にする為に必要なガス供給量を演算・制御するフィ−ドフォワ−ド制御（以後、ＦＦ制御と呼ぶ）と、実際の出湯温度と設定温度との偏差に基づいて、そのＦＦ制御量を補正するフィ−ドバック制御（以後、ＦＢ制御と呼ぶ）とが用いられており、優れた出湯温度特性が得られる。

こうした（ＦＦ＋ＦＢ）制御量を演算して出湯温度を制御する場合、燃焼量を算出する為に入水温度センサ−，出湯温度センサ−，流量センサ−を必要とするが、最近では入水温度センサ−を用いずに、以下に示す出湯温度制御を行うものも知られている。
例えば、特公平３−５０１８４に示されたガス瞬間給湯器では、バ−ナの点火開始前に出湯温度センサ−によって検出された水温を入水温度と推定し、その推定された入水温度をＦＦ制御量を算出する要素として、以後の出湯温度制御に用いることによって、入水温度サ−ミスタを省略し、コスト削減を図っている。
また、特公平６−９７１１８に示されたガス瞬間給湯器では、やはり入水温度センサ−を省略するものとして、バ−ナの燃焼時における加熱量，給水流量，出湯温度あるいは設定温度に基づいて入水温度を逆算し、それをＦＦ制御量を算出する為の要素に用いることによって入水温度センサ−を用いることなく、出湯温度制御を行うものも知られている。
特公平３−５０１８４ 特公平６−９７１１８

ところで、（ＦＦ＋ＦＢ）制御においては、ＦＢ制御の補正量を極力少なくすることが望まれる。つまり、ＦＢ制御の場合は、熱交換器の熱容量により加熱制御に対して出湯温度の変化が遅れてしまい、出湯温度のハンチングを生じやすい為、極力ＦＦ制御のみで設定温度に近い出湯温度を得ることが望ましい。
しかしながら、給湯前の出湯温度センサ−による検出値を入水温度とみなした特公平３−５０１８４のガス瞬間給湯器においては、燃焼停止中の器具内の水温が、給水温度の高い夏場や、逆に給水温度の低い冬場においては、器具内の熱交換器が集熱器となったり放熱器となったりして、給湯時に通水される水の温度と大きな開きが生じてしまう。この為、ＦＦ制御量が継続して不適切な値を取り続け、これを補正する為のＦＢ制御量が大きくなる。従って、ＦＢ制御の影響によって出湯温度がオ−バ−シュ−トとアンダ−シュ−トとを繰り返すハンチングを生じてしまい、出湯温度特性が悪化してしまう。また、入水温度を逆算するタイプのものでは、逆算した後にＦＦ制御量の算出を行う為、処理が複雑になり、その間の演算誤差も大きくなってしまう。
本発明の給湯器は上記課題を解決し、入水温度センサ−を用いることなく良好な出湯温度特性を維持する低コストで高性能な給湯器を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の請求項１記載の給湯器は、
バーナの燃焼熱により通水を加熱する熱交換器と、通水される水の流量を検出する流量検出手段と、上記熱交換器で加熱された湯の温度を検出する出湯温度検出手段と、出湯温度を設定する出湯温度設定手段と、上記熱交換器に入水される水の温度を推定する入水温度推定手段とを備え、上記検出した通水流量と出湯温度と設定温度と推定入水温度とに基づいてバーナの加熱量を制御する給湯器において、
上記入水温度推定手段は、前回の給湯の停止から所定時間経過した場合には、所定時間毎に上記出湯温度検出手段により出湯温度を検出して出湯温度の上昇勾配を求めるとともに、給湯開始後に上記上昇勾配が所定値以上となった直前の出湯温度に基づいて入水温度を推定することを要旨とする。

上記構成を有する本発明の給湯器は、入水温度を推定するにあたり、所定時間毎に出湯温度を検出して出湯温度の上昇勾配を求めるとともに、給湯開始後にその上昇勾配が所定値以上となった直前の出湯温度に基づいて入水温度を推定するため、器具内に残っていた水の温度の影響を受けること無く、実際の入水温度に近い温度を推定することができるので、どの季節でも一様に、良好な出湯温度特性を得ることができる。

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、本発明の給湯器における好的な実施形態について説明する。

図１は一実施例としてのガス瞬間給湯器を示す。
このガス瞬間給湯器は、バ−ナ１０の燃焼熱により通水中の水を加熱する熱交換器１１が設けられ、水入口から熱交換器１１へ通じる給水経路１２に供給水圧の変動が生じても流量変動を所定流量以下に保つ水ガバナ１３、入水流量を一定時間（例えば、０．２秒）毎に検出する流量センサ−１４が設けられている。
また、出湯経路１５上には、一定時間（例えば、０．２秒）毎に出湯温度を検知する出湯温度サ−ミスタ１６が設けられている。

また、バ−ナ１０へのガス供給経路２１には後述する燃焼コントロ−ラ３３から出力される制御信号に基づいてガス量を制御する比例制御弁２２、ガス供給経路２１を開閉する元電磁弁２３、主電磁弁２４が設けられている。また、燃焼に必要な空気を供給するファン２５、及び排気を器具外へ導き排出する為の排気筒２６で構成される給排気経路が設けられている。

また、バ−ナ１０には放電により燃焼ガスへ点火するイグナイタ電極３１、燃焼炎を検出するフレ−ムロッド３２が設けられている。これらは、前記センサ−類・アクチュエ−タ類とともに燃焼コントロ−ラ３３へと電気的に接続され、出湯・運転・停止等の所定の制御を行っている。
この燃焼コントロ−ラ３３内には、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為の演算定数記憶部，フィ−ドフォワ−ド制御の出力量（以後、ＦＦ値と呼ぶ）及びフィ−ドバック制御による補正量（以後、ＦＢ値と呼ぶ）をそれぞれ一定周期で算出する燃焼量算出部，その算出された燃焼量（ＦＦ値＋ＦＢ値）を順次記憶更新する為の制御出力量記憶部，流量値Ｑ（ｎ）を順次記憶更新する為の流量値記憶部，リモコン３４にて設定された設定温度を記憶する為の設定温度記憶部，前回の給湯終了からの経過時間を記憶する時間記憶部等がそれぞれ設けられており、流量センサ−１４及び出湯温度サ−ミスタ１６からの各信号に基づいて、後述する制御ル−チンに沿って、リモコン３４内に設けられる出湯温度設定部で入力された出湯温度となるように、比例制御弁２２に指令を出し、燃焼量をフィ−ドフォワ−ド制御（以後、ＦＦ制御と呼ぶ）及びフィ−ドバック制御（以後、ＦＢ制御と呼ぶ）を用いて制御する。また、比例制御弁２２の開度に応じた燃焼用空気を供給する為にファン２５の回転数制御も行っている。

次に、燃焼コントロ−ラ３３の行う出湯温度制御について図２及び図３に示すフロ−チャ−トを用いて説明する。
まず、電源投入により本ル−チンが起動すると、ステップ１にてフラグを０にセットする。
次に、ステップ２にて、流量センサ−１４から検出された器具内の実流量Ｑが加熱動作をする為に十分な水量（以後、点火水量と呼ぶ）以上であるか否かを確認し、点火水量に満たない間は、この処理を繰り返す。この時同時に、ステップ３にて前回給湯終了（止水後）から２時間以上経過しているかどうかを確認し、２時間以上経過している場合には、各検出デ−タをリセットする為に、ステップ４にてフラグを０にセットする。

こうした流量確認を行っている最中に、給湯カランが開かれ、実流量Ｑが点火水量を越えると、ステップ５にて点火動作を行う。続いて、ステップ６にてフラグが０にセットされているか否かを判断し、フラグが０にセットされているならば、出湯温度サ−ミスタ１６によって検出される出湯側水温Ｔに基づいてステップ７にて入水温度を推定し（入水温度Ｔｉの推定処理については後述する）、推定入水温度Ｔｉを決定する。

次に、ステップ８にて、流量センサ−１４から検出される実流量Ｑが、予め設定された消火水量以上を維持しているか否かを確認し、給湯カランが閉じて消火水量未満になれば、ステップ９にて燃焼動作を停止する。
また、実流量Ｑが燃焼動作を続ける為に十分な量であれば、ステップ１０にてフラグの状態を確認し、フラグが０にセットされている場合は、ステップ１２の処理に移行する。
ステップ１２では、現在流量Ｑと推定入水温度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 ・・・（１）
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（本実施例では、ＰＩＤ制御を用いる）により実際の出湯温度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、その途中で出湯温度サ−ミスタ１６から検出される出湯温度Ｔの変化が、ステップ１３にてｘ秒（本実施例では、５秒）間、±１℃以内、つまり安定状態であるか否か及び流量Ｑの変化が２０％以内におさまっているか否かを確認する。

そして、ステップ１３の条件を満たす安定状態になれば、上述した（ＦＦ＋ＦＢ）制御によるト−タル出力量（ＦＦ値＋ＦＢ値）を制御出力量記憶部に記憶する（記憶値・・ＦＦ（ｍ））。また、その時の流量値Ｑ及び設定温度Ｔｓも同様に、ステップ１４にて燃焼コントロ−ラ３３内の流量値記憶部及び設定温度記憶部に記憶される（記憶値・・Ｑ（ｍ），Ｔｓ（ｍ））。更に、ステップ１５にてフラグを１にセットすると、ステップ８に戻る。

また、ステップ８に戻った後、給湯動作が継続されているならば、ステップ１５にてフラグは１にセットされていることから、その後は、ステップ１１の出湯温度制御を繰り返し行う。つまり、前回記憶したト−タル制御量ＦＦ（ｍ），流量値Ｑ（ｍ），設定温度Ｔｓ（ｍ），現在の流量値Ｑ，設定温度Ｔｓ，及び式から、以下に示す式にてＦＦ値を求め、出湯温度制御を行う。
ＦＦ＝ＦＦ（ｍ）×｛Ｑ÷Ｑ（ｍ）｝＋｛（Ｔｓ−Ｔｓ（ｍ））÷η｝×Ｑ・・・（２）
また、ＦＢ制御によるＦＢ値は、ステップ１２と同様に、新たにＰＩＤ制御にて演算され、ＦＦ値を補正する（ＦＦ値＋ＦＢ値）。
つまり、直前回のト−タル制御量（ＦＦ値＋ＦＢ値）に流量比を乗じ、しかも設定温度Ｔｓの変更分で熱量を補正した値を今回のＦＦ値に置き換えるのである。この為、仮に推定入水温度Ｔｉが適切でなくても、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。
尚、（２）式の設定温度を含む第２項は、給湯動作中に設定温度Ｔｓが変更されなければ、０となるので、次式で表すことができる。
ＦＦ＝ＦＦ（ｍ）×｛Ｑ÷Ｑ（ｍ）｝ ・・・（３）

また、前回給湯停止から２時間以上経過していなく、器具内も十分に冷えていない状態からの再給湯の場合には、フラグは１にセットされている為、入水温度の推定処理を行わず、そのままステップ１１に移行し、上述した出湯温度制御が行われる。

次に、ステップ７の推定入水温度Ｔｉを算出する処理について、図４に示した入水温度推定ル−チンを表すフロ−チャ−トを用いて説明する。
給湯開始後、ステップ２１にて出湯温度サ−ミスタ１６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）は入水温度推定部内に記憶される。本実施例では、０．２秒毎に温度Ｔ（ｎ）を記憶すると共に、ステップ２２にて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、ステップ２３にて、
ｄθ＝θ（ｎ）−θ（ｎ−１）≧α（℃／秒） ・・・（４）
となった時の温度θ（ｎ−１）を、ステップ２４にて、その給湯時の入水温度Ｔｉと推定し、ＦＦ制御に用いる。本実施例では、α＝１とする。

例えば、図５に示すように、点ｂにて水入口を開栓し、点ｃにて点火を開始すると、その器具内に残っていた水（雰囲気温度とほぼ等しい温度）は、新しく給水された水と混ざることによって温度が一時的に低下する。しかし、入水温度Ｔｗ付近の点ｄまで低下すると、バ−ナ１０による燃焼加熱が行われている為に上昇し始める。本実施例では、点火開始から出湯温度サ−ミスタ１６によって出湯温度Ｔを０．２秒毎に検出し、α（例えば、＋１）（℃／秒）以上の温度変化が見られた時の出湯温度、つまり図５中の最下点ｄにおける出湯温度Ｔを推定入水温度Ｔｉとし、ステップ１２の出湯温度制御に用いる。その為、実際の出湯温度Ｔが設定温度Ｔｓに到達するまでの時間及び設定温度Ｔｓに安定するまでの時間が大きく短縮される。尚、図中に示した従来例は、点火前の出湯温度サ−ミスタ１６による読み取り値を推定入水温度Ｔｉとして制御した例である。

図６は夏場の出湯温度の変化を表すものである。
この場合、器具内に滞留していた水の温度が高いことから従来例では、実際の入水温度Ｔｗよりもかなり高い点火開始前の点ｇでの温度を入水温度と推定する為、実際の入水温度Ｔｗよりも高い値と判断してしまい、バ−ナ１０による加熱量も少なく、温度上昇が遅くなり、点ｎにて出湯温度Ｔは安定する。それに対して本実施例では、実際の入水温度Ｔｗに最も近い点ｉでの水温を入水温度Ｔｉと推定する為、バ−ナ１０による加熱量も多く、設定温度Ｔｓに到達するまでの時間及び設定温度Ｔｓに安定するまでの時間が短縮され、従来例と比較すると、ｄ（ｔ２）の時間だけ早い点ｍにて安定する。

また、冬場においては、図７に示したように器具内に滞留した水の温度が低くなることから従来例では、実際の入水温度Ｔｗよりもかなり低い点火開始前の点ｏでの水温を入水温度と推定する為、バ−ナ１０による加熱量がそれだけ大きくなる。それに対して、本実施例では、実際の入水温度Ｔｗとほぼ一致する高い点ｑでの温度を入水温度Ｔｉと推定する為、バ−ナ１０による加熱量がそれだけ減ることとなる。故に、従来例及び本実施例のオ−バ−シュ−トの最大温度上昇点ｕ及びｓによる温度差ｄＴが生じ、結果として本実施例の方が短時間で安定した温度に到達することとなる。

以上説明したように、本実施例の出湯温度制御装置によれば、給湯動作中の出湯温度制御は（ＦＦ＋ＦＢ）制御で行われ、周期的に新しいデ−タ及び各記憶部に記憶されている前回のデ−タを用いて、新たにＦＦ制御量を更新する。しかも新たに求めるＦＦ値には、前回のト−タル制御量（ＦＦ値＋ＦＢ値）を導入して算出する為、ＦＢ値は小さくなり、実際の出湯温度Ｔが設定温度Ｔｓと一致して安定する。
しかも、入水温度の推定値Ｔｉを実際の入水温度Ｔｗに近い値を採用している為、季節（器具周りの雰囲気温度）に関わらず、設定温度に到達する時間及び安定するまでにかかる時間を短縮することができる。

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はなく、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。

本発明は、給湯単機能の機器に限定せず、風呂追焚機能付給湯器や、暖房機能付給湯器に適用してもよい。

一実施例としてのガス瞬間給湯器の概略図である。 出湯温度制御ル−チンを表すフロ−チャ−トである。 出湯温度制御ル−チンを表すフロ−チャ−トである。 入水温度推定ル−チンを表すフロ−チャ−トである。 出湯温度の推移を表す説明図である。 夏場における出湯温度の推移を表す説明図である。 冬場における出湯温度の推移を表す説明図である。

符号の説明

１１・・・熱交換器 １４・・・流量センサ−
１６・・・出湯温度サ−ミスタ ２２・・・比例制御弁
３３・・・燃焼コントロ−ラ

Claims (3)

1. バーナの燃焼熱により通水を加熱する熱交換器と、通水される水の流量を検出する流量検出手段と、上記熱交換器で加熱された湯の温度を検出する出湯温度検出手段と、出湯温度を設定する出湯温度設定手段と、上記熱交換器に入水される水の温度を推定する入水温度推定手段とを備え、上記検出した通水流量と出湯温度と設定温度と推定入水温度とに基づいてバーナの加熱量を制御する給湯器において、
   上記入水温度推定手段は、前回の給湯の停止から所定時間経過した場合には、所定時間毎に上記出湯温度検出手段により出湯温度を検出して出湯温度の上昇勾配を求めるとともに、給湯開始後に上記上昇勾配が所定値以上となった直前の出湯温度に基づいて入水温度を推定することを特徴とする給湯器。
2. 上記所定時間毎に検出した出湯温度を記憶するとともに、上記上昇勾配が所定値以上であると判断したときの直前の出湯温度を入水温度であると推定することを特徴とする請求項１記載の給湯器。
3. 上記入水温度の推定は、前回の給湯の停止から所定時間経過していない場合には行わないことを特徴とする請求項１または２記載の給湯器。

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