JP5197483B2 - 加熱水沸上げ装置 - Google Patents

Description

この発明は、流通する水を加熱器に通して加熱器で入水を加熱して沸し上げ、所定温度の加熱水として出水させる加熱水沸上げ装置に関する。

この種の加熱水沸上げ装置は、例えば便器に備えられ、用便後に洗浄ノズルから人体局部に向けて洗浄水を噴射する、局部洗浄装置の洗浄水沸上げ用として使用されている。
詳しくは、局部洗浄装置では冷たい水を人体局部に直接当てると使用者に不快感を与えることから、これを加熱水沸上げ装置で適温の温水まで沸し上げて洗浄ノズルから人体局部に向け噴射させるようになしている。

従来にあっては、洗浄水の流路上に温水タンクを設置し、そこに貯えた水を電気ヒータで適温まで加熱して温水タンク内に貯溜し且つ保温しておき、局部洗浄装置の使用時に保温状態の温水タンク内の温水を洗浄ノズルに供給して、そこから噴射させるようにしていた。
しかしながらこの方式の場合、タンク内の温水の保温のために多くの電気エネルギーを消費してしまう。

そこで近年、流通する水を加熱器に通してそこで入水即ち通過水を電気ヒータによる加熱で瞬間的に目標温度（設定温度）まで沸し上げ、そのままこれを出水させて洗浄ノズルに供給する方式が採用されるに到っている。

この方式は、予め加熱し設定温度としてある温水を温水タンクに貯溜しておいて、これを温水タンクから流出させ噴射するものでなく、加熱器を通じて水を流通させる際にこれを所定温度まで沸し上げ、出水させるものであるため節電を図ることができる。

その際の加熱制御（ヒータの通電制御）方法として、従来、ＰＩＤ制御（フィードバック制御）が用いられていた。
ＰＩＤ制御は、周知のようにＰ動作（比例動作），Ｉ動作（積分動作），Ｄ動作（微分動作）を組み合せた制御で、ヒータへの通電制御に適用したとき以下の式１で示される。

ここでＰ動作は、目標温度と現在温度との偏差に比例した出力で操作信号を出す動作である。
またＩ動作は、過去の偏差の累積値に比例した出力で操作信号を出す動作である。
更にＤ動作は、現在の偏差の変化速度に比例した出力で操作信号を出力する動作である。

ところがこのＰＩＤ制御では、目標温度と現在温度との偏差が小さくなるにつれて操作信号の出力値が小さくなることから、水を加熱開始してから目標温度に到達せしめるまでの応答時間がどうしても長くなってしまう。
通常、局部洗浄装置では水が設定目標温度に達するまでの間噴射ノズルから洗浄水を噴射しないため、使用者にとってその間の待ち時間が長くなってしまう。

以上局部洗浄装置に適用される加熱水沸上げ装置について問題を述べたが、同様の問題は他の目的，用途に用いられるこの種の加熱水沸上げ装置においても生じ得る。

尚本発明に対する先行技術として、下記特許文献１に同様の課題を解決することを目的とした局部洗浄装置の洗浄水の加熱制御方法が開示されている。
但しこの特許文献１に開示のものは、本発明とは課題解決のための手法の異なった、本発明とは別異のものである。

特開平１１−３０３１８１号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、加熱器への入水を設定目標温度まで加熱するための所要時間を効果的に短縮でき、応答性良く加熱器から目標温度の加熱水を出水させることのできる加熱水沸上げ装置を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１のものは、流通する水を加熱器に通し、該加熱器で入水を加熱して沸き上げ、所定温度の加熱水として出水させる加熱水沸上げ装置であって、電気ヒータを内蔵した前記加熱器と、該ヒータへの通電を制御する制御部とを有し、前記制御部は、第１段階として加熱開始から第１設定時間だけ最大の１００％の通電量で前記ヒータに通電させ、続いて第２段階として第２設定時間だけ通電停止させた後、引き続いて更に第３段階として加熱水を設定目標温度に維持するのに適した、該設定目標温度に対応して定められた一定の通電率で前記ヒータに通電させる制御を行い、前記第１段階−第２段階−第３段階の組合せから成る通電制御パターンとして、前記加熱水の設定目標温度、前記加熱器への入水の温度、該加熱器への入水の流量に応じて設定された通電制御パターンに従って通電制御し、入水を前記設定目標温度まで昇温させて出水させるものとなしてあることを特徴とする。

請求項２のものは、請求項１において、前記制御部は、温度検知手段による前記入水の検知温度、温度設定手段による前記加熱水の設定目標温度、前記入水の流量設定手段又は入水の流量検知手段からの設定流量又は検知流量に基づいて前記ヒータの通電制御を行うものとなしてあることを特徴とする。

請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、前記加熱水沸上げ装置が、便器に備えられ、用便後に洗浄ノズルから洗浄水を人体局部に向けて噴射する局部洗浄装置の該洗浄水を沸き上げて加熱水を前記洗浄ノズルに供給する局部洗浄装置用のものであることを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は、加熱器に内蔵された電気ヒータへの通電を制御する制御部において、第１段階として加熱開始から第１設定時間だけ最大の１００％の通電量でヒータに通電させ、続いて第２段階として第２設定時間だけ通電停止させ、引き続いて更に第３段階として設定目標温度に対応して定められた一定の通電率でヒータに通電させる制御を行い、且つ第１段階−第２段階−第３段階の組合せから成る通電制御パターンとして、加熱水の設定目標温度，加熱器への入水の温度，加熱器への入水の流量に応じて設定された通電制御パターンに従って通電制御するようになし、以て入水を設定目標温度まで昇温させ出水させるようになしたものである。

従来のＰＩＤ制御の場合、たとえ加熱開始当初では最大の１００％の通電量でヒータに通電させたとしても、加熱器を通過して出水する水の温度（現在温度）が設定目標温度に向って上昇するに従い、それら設定目標温度と現在温度との差（偏差）の減少に応じて通電量を少なくして行く。即ち通電量を８０％，７０％等と低くして行く。
このために温度の上昇曲線が設定目標温度に向って漸次緩やかなカーブを描いて寝た曲線となる。
そしてそのことが、ＰＩＤ制御の場合に設定目標温度に到達するまでの時間が長くかかってしまう原因となる。

しかるに本発明では、加熱開始後ヒータに対する最大の１００％通電を可能な限り長い時間（第１設定時間）維持し、そして限度時間に到ったところでヒータへの通電を停止し、その後通電停止状態を所定時間（第２設定時間）維持する。
加熱器を通って出水する水はこの通電停止状態の下でも昇温する。

このように本発明において通電停止状態の下でも加熱器を通って出水する水の温度が上昇するのは、その前の第１段階での１００％通電によってヒータ自体が高い温度に温度上昇しており、そのヒータの余熱によって加熱器内を通る水が加熱され、昇温することによる。

本発明では、この通電停止状態を第２設定時間維持した後に、引き続いて設定目標温度に対応して定められた一定の固定の通電率でヒータに通電を行う。
そしてこれら第１段階の１００％でのヒータへの通電，その後の第２段階の通電停止，更に第３段階のヒータへの通電によって最終的に加熱器を通過して出水する水の温度を設定目標温度まで昇温せしめる。

本発明において、これら第１段階のヒータへの通電，第２段階の通電停止，第３段階のヒータ通電によって加熱器を通過し出水する水の温度を設定目標温度まで昇温させるようにするためには、第１段階の最大の１００％での通電の継続時間（第１設定時間）、その後の通電停止の継続時間（第２設定時間）、及び最終の第３段階の通電量（通電率）が適正なものでなければならない。

そこで本発明では、第１段階−第２段階−第３段階の組合せから成る通電制御パターンとして、加熱水の設定目標温度，加熱器への入水の温度，加熱器への入水の流量に応じて適正な通電制御パターンを設定し、その設定された通電制御パターンに従って通電制御を行う。

本発明では、従来のＰＩＤ制御のように加熱器を通過して出水する水の現在温度と設定目標温度との偏差の減少に応じてヒータへの通電量（率）を減少させるものでなく、通電開始当初から水の現在温度の上昇に拘らず所定時間（第１設定時間）継続してヒータに対し最大の１００％の通電量で通電を行い、その後は一旦通電停止した後に、設定目標温度を維持するのに適した、設定目標温度に対応して定められた一定の通電率でヒータへの通電を行って、出水の温度を設定目標温度まで高めるものであるため、設定目標温度まで加熱するための所要時間を効果的に短縮することができ、従って加熱器から設定目標温度の加熱水が出水するまでの応答時間を効果高く短縮化することができる。

本発明では、温度検知手段による入水の検知温度，温度設定手段による加熱水の設定目標温度，流量設定手段による入水の設定流量又は流量検知手段による入水の検知流量に基づいて、制御部がヒータの通電制御を行うものとなしておくことができる（請求項２）。

また本発明は、便器に備えられ、用便後に洗浄ノズルから洗浄水を人体局部に向けて噴射する局部洗浄装置の洗浄水を沸き上げて加熱水を洗浄ノズルに供給する局部洗浄装置用の加熱水沸上げ装置に適用して好適なものである（請求項３）。

本発明の一実施形態である加熱水沸上げ装置を有する局部洗浄装置が備えられた便器の全体図である。 同実施形態の沸上げ装置の要部を系統的に示した図である。 図２おける加熱器の概略構成図である。 同実施形態における通電制御パターンのフローを示した図である。 本実施形態における通電制御パターンの実行による出水の温度上昇曲線を、従来のＰＩＤ制御による温度の上昇曲線と比較して示した図である。 様々な通電制御パターンの具体例を示した図である。

次に本発明を便器に備えられた局部洗浄装置の、洗浄水を沸き上げて所定温度の温水（加熱水）として洗浄ノズルへと供給する加熱水沸上げ装置（以下単に沸上げ装置とする）に適用した場合の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。

図１において、１０はトイレの床に設置された便器で、１２は便器本体、１４，１６は回動可能に設けられた便座，便蓋で、１８は便器の洗浄水を内部に貯える洗浄タンクである。
２０は、便器１０に備えられ、洗浄ノズル２２から人体局部に向けて洗浄水を噴射する局部洗浄装置で、２４は壁Ｗに取り付けられたリモコンである。
局部洗浄装置２０の操作は、このリモコン２４において行われる。
２６は給水元管に接続された止水栓で、給水元管からの水がこの止水栓２６を経由して給水管２８を通じ、洗浄タンク１８又は局部洗浄装置２０へと給水される。

図２において、３０は局部洗浄装置２０の洗浄ノズル２２に給水を行うための流路で、この流路３０上に、局部洗浄装置２０のメインバルブとなる電磁弁３２及び加熱器３４が設けられている。
ここで加熱器３４は、流路３０を流通する水を内部に導入して通過させ、そして入水即ちその通過水を加熱して沸き上げ、所定温度の温水（加熱水）として出水させ、洗浄ノズル２２へと供給する。

流路３０上にはまた、加熱器３４の上流側且つ電磁弁３２の下流側に流量センサ（流量検知手段）３７，入水サーミスタ（温度検知手段）３６が設けられている。
また加熱器３４の下流側には、出水サーミスタ３８が設けられている。
ここで流量センサ３７は、加熱器３４に流入する入水の流量を検知するもので、入水サーミスタ３６は加熱器３４に流入する入水の温度検知を行う。
一方出水サーミスタ３８は、加熱器３４から流出する出水の温度検知を行う。

４０は、加熱器３４の後述の電気ヒータへの通電制御を行うマイコン（マイクロコンピュータ）を主要素とした制御部で、この制御部４０に対し、上記の流量センサ３７及び入水サーミスタ３６、更に出水サーミスタ３８が電気的に接続され、それらによって検知された入水の流量，温度及び出水の温度が制御部４０に信号入力される。

この制御部４０にはまた、加熱器３４による入水の昇温温度即ち洗浄ノズル２２から噴射される洗浄水の目標温度を設定する温度設定手段４２，更に洗浄ノズル２２からの洗浄水の噴射流量即ち流路３０を流通する水の流量（つまり加熱器３４への入水の流量）を設定する流量設定手段４４で設定された目標温度，流量がそれぞれ対応する信号として制御部４０に入力される。
尚、出水サーミスタ３８による検知温度は本実施形態の洗浄水の温度制御には用いられず、入水サーミスタ３６による検知温度だけが制御部４０による通電制御のために用いられる。

図３に、上記加熱器３４の概略構成が示してある。
同図に示しているように、加熱器３４は函体状をなすケース３５を有しており、そのケース３５の相対向する一対の壁５０，５０のそれぞれの内面に、長手方向に平行に延びる状態で複数の棒状の仕切部５２が設けられている。
ここで上下に隣接した仕切部５２と５２とは、それぞれ互いに反対側の先端が対向する壁５４との間に隙間形成する状態で設けられており、それら仕切部５２によってケース３５内部に蛇行した形状の内部流路５６が形成されている。
入口５８から流入した入水は、この蛇行した内部流路５６を流通して出口６０から出水する。

ケース３５の中央部には、セラミックヒータ（電気ヒータ）６２が配設されている。
ここでセラミックヒータ６２はワット数が約１２００Ｗの大きな出力のものである。
このセラミックヒータ６２は壁５０と５０とのそれぞれの内面に設けられた上記の仕切部５２の間に位置している。
このセラミックヒータ６２は全体として偏平な板状をなしていて、図３（Ａ）中左右の仕切部５２と５２との間に壁を形成しており、上記の蛇行した形状の内部流路５６を形成する流路形成部材も兼ねている。

この実施形態において、加熱器３４は入口５８から流入した水が蛇行形状をなす内部流路５６を流通して出口６０から出水するまでに設定目標温度まで沸し上げ、目標とする温度の温水として出口６０から出水させ、洗浄ノズル２２へと供給する。

この実施形態では、便器使用者即ち局部洗浄装置２０の使用者が、便座１４に着座して洗浄開始スイッチを操作すると、制御部４０がその操作信号を受けて加熱器３４内のセラミックヒータ６２に通電開始する。
このとき制御部４０は、セラミックヒータ６２への通電開始当初から最大の１００％の通電量で通電を行わせる（図４のステップＳ１０，Ｓ１２）。
そしてこの第１段階でのセラミックヒータ６２の１００％通電を第１設定時間の間継続する。

以上のようにしてセラミックヒータ６２への１００％通電を行った後、続いてヒータ通電を停止させる（ステップＳ１４）。
そしてそのヒータ通電停止状態を第２設定時間だけ継続する。
そして更にヒータ通電停止状態を第２設定時間継続した後に、今度は再びセラミックヒータ６２に対して一定通電率で通電開始させる（ステップＳ１６）。
このとき、出水温度を設定目標温度を維持するのに適した、設定目標温度に対応して定められた一定の通電率でセラミックヒータ６２に通電する（ステップＳ１８）。

以上の３段階の１００％通電，通電停止及び所定通電率での通電を経て、加熱器３４を通過して流通する水を目標温度まで沸し上げ、加熱器３４の出口６０から出水させる。

但し以上の１００％通電，通電停止，一定通電率での通電によって出水の温度を設定目標温度とするためには、設定目標温度，加熱器３４への入水の温度，加熱器３４への入水の流量に応じて、第１段階の１００％通電を継続する時間（第１設定時間），第２段階の通電停止状態の継続時間（第２設定時間），第３段階の通電率が適正なものでなければならない。

そこでここでは、第１段階−第２段階−第３段階の組合せから成る通電制御パターンを、出水の設定目標温度，加熱器３４への入水の温度，加熱器３４への入水の流量に応じて設定し、その設定した通電制御パターンに従って制御部４０においてセラミックヒータ６２への通電制御を行う。
その通電制御パターンは、上記設定目標温度，入水の温度，入水の流量に応じて様々である。

図６は、設定目標温度と入水温度との温度の差（偏差）及び入水流量に応じた、適正な通電制御パターンを実験的に求めて、その一例を具体的に示したものである。
但し図中の網掛けした部分は１００％通電の区間を、鎖線で示した部分は通電停止区間を、また通電停止区間の右の数値は第３段階での通電率を表している。
また図６の１，２，３・・・の各１つずつの区間は２５０ｍｓを表している。

本実施形態では、このようにして予め求めた様々な通電制御パターンを入水流量，入水温度と目標温度との偏差に対応させて制御部４０のメモリに予め記憶させておき、設定目標温度，入水の温度，入水の流量がそれぞれ設定され或いは信号入力された段階で、メモリから該当する通電制御パターンを抽出して設定通電制御パターンとなし、これに従って制御部４０において通電制御を行うようになすことができる。

尚、図６では偏差温度が５℃間隔となっているが、１℃ごとの通電制御パターンを上記の実験結果に基づいて計算により定め、或いはまた１℃ごとに通電制御パターンを実験により求めておくこともできる。

図５（Ａ）は、一例として図６の温度の偏差１５℃のときの通電制御パターンを実行したときの、加熱器３４からの出水の温度の上昇曲線を、従来のＰＩＤ制御によって通電制御したときの温度の上昇曲線と比較して表したものである。
また図５（Ｂ）は本実施形態における上記通電制御パターンでの各段階での通電率を、また図５（Ｃ）はＰＩＤ制御の下での通電率の時間的な変化をそれぞれ表している。

本実施形態では、第１段階の１００％通電を図６に示す通電制御パターンに従って１．７５秒行い、そしてその後通電停止を０．５秒間行い、そして更にその後に通電率３５％でヒータ通電を行うことで、設定目標温度の４０℃まで出水の温度を昇温させ得、且つ出水温度を４０℃に安定して維持し得ている。
尚、第２段階の通電停止の下でも出水の温度が上昇しているのは、セラミックヒータ６２の余熱によって加熱器３４への入水が加熱されることによる。

またその後の通電率３５％の通電の下でも引き続き出水の温度が上昇続けるのも、セラミックヒータ６２の余熱の加熱効果によるものである。

これに対して従来のＰＩＤ制御の下では、時間の経過に従い温度の偏差が小さくなるのに伴って、セラミックヒータ６２への通電率が連続的に低くなることによって、温度の上昇曲線は目標温度に向ってなだらかに且つ緩やかにカーブし寝た曲線となり、そのために目標温度に到達するまでに長い時間がかかっている。

以上のような本実施形態では、従来のＰＩＤ制御のように加熱器３４を通過して出水する水の現在温度と設定目標温度との偏差の減少に応じてセラミックヒータ６２への通電量（率）を減少させるものでなく、通電開始当初から水の現在温度の上昇に拘らず所定時間（第１設定時間）継続してセラミックヒータ６２に対し最大の１００％の通電量で通電を行い、その後は一旦通電停止した後に、設定目標温度に対応して定められた一定の固定の通電率でセラミックヒータ６２への通電を行って、出水の温度を設定目標温度まで高めるものであるため、設定目標温度まで加熱するための所要時間を効果的に短縮することができ、従って加熱器３４から設定目標温度の加熱水が出水するまでの応答時間を効果高く短縮化することができる。
これにより、局部洗浄装置の使用者が洗浄開始スイッチを操作してから、求める温かい目標温度の洗浄水が洗浄ノズルから噴射されるまでの待ち時間を短縮化することができ、局部洗浄装置の使い勝手を高めることができる。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。
例えば上記実施形態では流量センサ３７による検知流量に基づいて、通電制御パターンを設定するようになしているが、場合によって流量設定手段４４による設定流量に基づいて通電制御パターンを設定するようになすことも可能である。
また上記実施形態は局部洗浄装置に用いられる加熱水沸上げ装置に本発明を適用した例であるが、本発明は他の様々な目的，用途の加熱水沸上げ装置に適用することも可能である。

また目標温度が様々な温度に設定されるものでなく、予め目標温度が一定温度に固定されている、或いは入水の流量が一定流量である加熱水沸上げ装置に適用することも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。

１０ 便器
２０ 局部洗浄装置
２２ 洗浄ノズル
３４ 加熱器
３６ 入水サーミスタ（温度検知手段）
３７ 流量センサ（流量検知手段）
３８ 出水サーミスタ
４０ 制御部
４２ 温度設定手段
４４ 流量設定手段
６２ セラミックヒータ（電気ヒータ）

Claims (3)

1. 流通する水を加熱器に通し、該加熱器で入水を加熱して沸き上げ、所定温度の加熱水として出水させる加熱水沸上げ装置であって、
   電気ヒータを内蔵した前記加熱器と、該ヒータへの通電を制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、第１段階として加熱開始から第１設定時間だけ最大の１００％の通電量で前記ヒータに通電させ、続いて第２段階として第２設定時間だけ通電停止させた後、引き続いて更に第３段階として加熱水を設定目標温度に維持するのに適した、該設定目標温度に対応して定められた一定の通電率で前記ヒータに通電させる制御を行い、
   前記第１段階−第２段階−第３段階の組合せから成る通電制御パターンとして、前記加熱水の設定目標温度、前記加熱器への入水の温度、該加熱器への入水の流量に応じて設定された通電制御パターンに従って通電制御し、入水を前記設定目標温度まで昇温させて出水させるものとなしてあることを特徴とする加熱水沸上げ装置。
2. 請求項１において、前記制御部は、温度検知手段による前記入水の検知温度、温度設定手段による前記加熱水の設定目標温度、前記入水の流量設定手段又は入水の流量検知手段からの設定流量又は検知流量に基づいて前記ヒータの通電制御を行うものとなしてあることを特徴とする加熱水沸上げ装置。
3. 請求項１，２の何れかにおいて、前記加熱水沸上げ装置が、便器に備えられ、用便後に洗浄ノズルから洗浄水を人体局部に向けて噴射する局部洗浄装置の該洗浄水を沸き上げて加熱水を前記洗浄ノズルに供給する局部洗浄装置用のものであることを特徴とする加熱水沸上げ装置。

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