JP6077412B2

JP6077412B2 - 給湯装置

Info

Publication number: JP6077412B2
Application number: JP2013152431A
Authority: JP
Inventors: 憲介巖; 基阿部
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: JP2015021697A

Description

本発明は、形状記憶合金バネ式の湯水混合弁を用いた給湯装置に関するものである。

従来よりこの種の形状記憶合金バネ式の湯水混合弁を用いた給湯装置においては、特許文献１に示すように、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネと形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を変更する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するモータを備えた湯水混合弁と、混合された湯水の温度を検出する給湯温度センサと、前記給湯温度センサで検出する給湯温度と給湯設定温度との温度差に基づいたフィードバック制御量だけ前記モータを駆動するフィードバック制御手段と、を備えたものがあった。

特開２００７−３１５６７２号公報

ところが、この従来のものでは、給湯温度と給湯設定温度の差が小さい場合にはフィードバック制御量は小さくなるが、形状記憶合金バネ式の湯水混合弁では、図２に示すように、フィードバック制御によるモータの駆動量と給湯温度との関係が一直線の関係ではなく、形状記憶合金バネが作動する温度範囲での傾きが小さくなる特性を有しているため、小さなフィードバック制御量では温度変化が小さく、給湯設定温度に収束するまでの時間が長期化してしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決するため、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネとこの形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を変更する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するモータを備えた湯水混合弁と、混合された湯水の温度を検出する給湯温度センサと、前記給湯温度センサで検出する給湯温度と給湯設定温度との温度差に基づいたフィードバック制御量だけ前記モータを駆動するフィードバック制御手段と、を備え、前記フィードバック制御手段は、前記給湯温度センサで検出する給湯温度が所定の温度範囲内にあるときの前記フィードバック制御量の最小変更量を、前記所定の温度範囲外での前記フィードバック制御量の最小変更量よりも大きくしたものとした。

また、前記フィードバック制御手段は、前記フィードバック制御量が前記最小変更量未満の場合に、前記フィードバック制御量を前記最小変更量に切り上げるようにした。

また、前記フィードバック制御手段は、給湯温度が前記所定の温度範囲内にあるときの前記フィードバック制御量を算出する計算式の定数を大きくすることで、給湯温度が前記所定の温度範囲内にあるときの前記フィードバック制御量の最小変更量を、前記所定の温度範囲外での前記フィードバック制御量の最小変更量よりも大きくするようにした。

また、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネと形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を変更する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するモータを備えた湯水混合弁と、混合された湯水の温度を検出する給湯温度センサと、所定の制御周期毎に前記給湯温度センサで検出する給湯温度と給湯設定温度との温度差に基づいたフィードバック制御量だけ前記モータを駆動するフィードバック制御手段と、を備え、前記フィードバック制御手段は、前記給湯温度センサで検出する給湯温度が所定の温度範囲内にあるときの前記制御周期の時間を、前記所定の範囲外での前記制御周期の時間よりも短時間としたものとした。

また、前記所定の温度範囲は、前記形状記憶合金バネが作動する温度範囲に基づいて定められる温度範囲であるものとした。

給湯温度が所定の温度範囲内でかつ給湯設定温度に近い領域では、フィードバック制御量が小さいが、最小変更量が大きくされているため、形状記憶合金バネを用いた湯水混合弁であっても素早く給湯設定温度に合わせ込むことができ、モータ駆動回数を低減できることで、騒音の減少、モータ耐久性の向上も図ることができる。

本発明の一実施形態の概略構成図形状記憶合金バネ式湯水混合弁のモータ駆動量と給湯温度の関係を示す図

次に、本発明を実施するための第１の実施形態の貯湯式給湯装置を図面に基づいて説明する。この貯湯式給湯装置は、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯に湯水を沸き上げて貯湯し、この貯湯した湯水を給湯に用いるもので、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を備えた貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱するヒートポンプユニット等の加熱手段、４は台所や洗面所等に設けられた給湯栓、５は給湯設定温度を設定したりふろ運転を指示したりするためのリモートコントローラ、６は浴槽である。

前記貯湯タンクユニット１の貯湯タンク２は、上端に出湯管７と、下端に給水管８とが接続され、さらに、前記加熱手段３と循環可能に接続する往き管９が下部に、戻り管１０が上部に接続されている。また、往き管９の途中には貯湯タンク２内の湯水を加熱手段３へ循環させる積層ポンプ１１が設けられ、給水管８途中には給水圧を所定圧力まで減圧する減圧弁１２が設けられ、出湯管７途中には貯湯タンク２内の過圧を逃がす逃し弁１３が設けられている。

そして、前記積層ポンプ１１によって往き管９から取り出した貯湯タンク２内下部の湯水を前記加熱手段３で沸き上げ、戻り管１０から貯湯タンク２内上部に戻して貯湯される。そして給湯栓４が開かれると、給水管８からの給水により貯湯タンク２内の湯水が押し上げられて貯湯タンク２内上部の高温水が出湯管７から押し出されて給湯されるものである。

前記加熱手段３は、冷媒を圧縮する圧縮機１４とガスクーラとしての水−冷媒熱交換器１５と減圧手段としての電子膨張弁１６と強制空冷式の蒸発器１７で構成されたヒートポンプ回路１８と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部１９とを備えており、ヒートポンプ回路１８内には冷媒として二酸化炭素が用いられ、高圧側で臨界圧力を越える超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。これによって、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能なものである。

次に、２０は前記浴槽６の湯水を加熱するためのステンレス製の蛇管よりなるふろ熱交換器で、この熱交換器２０にはふろ往き管２１およびふろ循環ポンプ２２を有したふろ戻り管２３が接続されて浴槽６の湯水が循環可能にされ、浴槽６内の湯水が貯湯タンク２内の高温水により加熱されて保温あるいは追焚きが行われるものである。なお、２４はふろ戻り管２３を循環する浴槽水の温度を検出するふろ温度センサである。

そして、リモートコントローラ５からふろ運転の指令が出されるとふろ循環ポンプ２２が駆動され、ふろ温度センサ２４で所望の温度を検出するとふろ循環ポンプ２２が停止されて運転が完了する。この時、ふろ熱交換器２０の最上部より下方の湯水は浴槽水との熱交換で温度低下することとなる。

次に、２５は前記給水管８から分岐されて貯湯タンク２をバイパスする給水バイパス管、２６は前記出湯管７からの湯水と前記給水バイパス管２５からの水とを混合してその下流の給湯管２７へ給湯する湯水混合弁、２８はこの湯水混合弁２６の下流の給湯管２７に設けられた給湯温度センサ、２９は給湯する湯水の量をカウントする給湯流量カウンタである。

次に、３０は貯湯タンク２の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この実施形態では５つの貯湯温度センサが配置され上から３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅと呼び、この貯湯温度センサ３０が検出する温度情報によって、貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているかを検知し、そして貯湯タンク２内の上下方向の温度分布を検知するものである。

３１は日々の使用熱量や残熱量から深夜時間帯に沸き上げる沸き上げ熱量とピークシフト時刻を演算して加熱手段３へ沸き上げ開始と停止の指示を行うと共に、昼間時間帯に前記貯湯温度センサ３０で検出する貯湯タンク２の残熱量が所定量を下回ると所定の沸き増し運転を開始させる貯湯制御部である。

３２は給湯温度がリモートコントローラ５で設定された給湯設定温度になるように湯水混合弁２６を制御する給湯制御部である。

前記湯水混合弁２６は、ケーシング３３と、混合後の湯水の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネ３４と、この形状記憶合金バネ３４に対抗する一定のバネ定数を有するバイアスバネ３５と、形状記憶合金バネ３４とバイアスバネ３５との合力によって可動弁体３６を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部３７とで構成されている。形状記憶合金バネ３４は、温度に応じて弾性係数が変化するニッケル・チタン合金などからなり、コイルスプリング状に形成されている。

そして、この湯水混合弁２６は一端側からバイアスバネ３５、可動弁体３６、形状記憶合金バネ３４の順に配置され、可動弁体３６付近のバイアスバネ３５側から弁機構部３７内に導入された貯湯タンク２からの高温水と、可動弁体３６付近の形状記憶合金バネ３４側から弁機構部３７内に導入された給水バイパス管２５からの給水とが混合され、混合湯雰囲気内に配置されている形状記憶合金バネ３４のバネ定数が変化することによってバネ力も変化し、可動弁体３６を挟んで対抗して設けられているバイアスバネ３５のバネ力と平衡することで、所定の弁開度位置で可動弁体３６が静止して所定の温度の湯を給湯するものである。

ここで出湯管７側の出湯温度が上がると混合後の湯温が上がり、それに伴って混合湯雰囲気内に配置されている形状記憶合金バネ３４のバネ定数が増大して形状記憶合金バネ３４が以前より伸びた状態でバイアスバネ３５と平衡し、可動弁体３６が湯側開度を減少し水側開度を増大した位置で静止するため、給水バイパス管２５側の弁開度が大きくなり、出湯管７側の弁開度が小さくなって形状記憶合金バネ３４の作用によって自動的に所定の温度に調整される。

また、湯水混合弁２６外部のバイアスバネ３５側には、この弁機構部３７へ与える荷重を変更するためのステッピングモータ３８が設けられており、ステッピングモータ３８を一方向へ駆動することによって弁機構部３７への荷重を増してバイアスバネ３５および形状記憶合金バネ３４を圧縮し、ステッピングモータ３８を他方向へ駆動することで弁機構部３７への荷重を減らしてバイアスバネ３５および形状記憶合金バネ３４を伸張する。このように弁機構部３７へ与える荷重を変更することで形状記憶合金バネ３４とバイアスバネ３５が平衡する位置を大まかに調整し、給湯温度を変更可能としている。

前記給湯制御部３２には、前記リモートコントローラ５で設定される給湯設定温度に応じて前記ステッピングモータ３８を駆動して予め前記弁機構部３７へ与える予荷重を変更するフィードフォワード制御によって、前記弁機構部３７から出湯する混合湯の温度を変更させるフィードフォワード制御部３９が設けられ、予め給湯設定温度に応じた、ステッピングモータ３８の初期位置からの駆動量（フィードフォワード制御量）が記憶され、給湯設定温度が変更されると変更前後のフィードフォワード制御量の差分だけステッピングモータ３８を駆動するようにしているものである。

また、前記給湯制御部３２には、前記湯水混合弁２６の下流に設けられた給湯温度センサ２８で検出する給湯温度と前記給湯設定温度の温度差に応じて、前記ステッピングモータ３８を駆動して前記弁機構部３７へ与える荷重を変更するフィードバック制御によって、前記弁機構部３７から出湯する混合湯の温度を微調整するフィードバック制御部４０が設けられ、予め給湯温度と給湯設定温度との温度差に基づいたステッピングモータ３８の駆動量（フィードバック制御量）を算出するＰＩＤ制御等の計算式が記憶され、給湯温度が給湯設定温度に一致するように所定の制御周期毎に算出されたフィードバック制御量だけステッピングモータ３８を駆動するようにしているものである。

ここで、フィードバック制御部４０は、前記フィードバック制御量に最小変更量が設定されており、最小変更量未満のフィードバック制御量が算出された場合は、フィードバック制御量を最小変更量まで切り上げるようにしている。そして、このフィードバック制御量の最小変更量は少なくとも大小２つの値が予め定められており、フィードバック制御部４０は、給湯温度センサ２８で検出する給湯温度が予め定められた所定の温度範囲内にある場合には、大きい値の最小変更量を使用し、給湯温度が所定の温度範囲外にある場合には、小さい値の最小変更量を使用するようにしている。

前記所定の温度範囲は、前記形状記憶合金バネ３４が作動する温度範囲に基づいて定められる温度範囲であって、ここでは図２に示すように約４０〜５０℃の温度範囲で作動する形状記憶合金バネ３４を用いているため、所定の温度範囲を４０〜５０℃としている。

そして、給湯栓４が開かれて給湯が開始されると、貯湯タンク２からの高温水が出湯管７を介して湯水混合弁２６へ流入すると同時に給水バイパス管２５からの給水も湯水混合弁２６へ流入し、予め給湯設定温度に応じた予荷重が与えられた弁機構部３７は形状記憶合金バネ３４の雰囲気温度が給湯設定温度で形状記憶合金バネ３４のバネ力とバイパスバネ３５のバネ力とが平衡し、可動弁体３６が静止して湯水の混合比率が決まり、給湯設定温度付近の温度の給湯が開始される。

そして、給湯温度安定後も給湯温度と給湯設定温度の差が一定温度以上ずれている場合は、フィードバック制御部４０が給湯温度と給湯設定温度の温度差に応じたフィードバック制御量だけステッピングモータ３８を駆動し、弁機構部３７へ与える荷重を変更することで形状記憶合金バネ３４とバイアスバネ３５が平衡する位置を微調整し、給湯温度を微調整している。

このとき、給湯温度が前記所定の温度範囲内にある場合は、フィードバック制御部４０はフィードバック制御量の最小変更量として大きい値を選択しているため、フィードバック制御量と温度変化量の傾きが小さい所定の温度範囲内においても、給湯温度と給湯設定温度との温度差が小さくてもフィードバック制御量が強制的に大きな値となり、素早く給湯設定温度に合わせ込むことができる。

このようにして、素早く給湯設定温度に合わせ込むことができるため、ステッピングモータ３８の駆動回数を低減でき、モータ作動音による騒音を減少できると共に、モータ耐久性の向上も図ることができる。

また、給湯温度が前記所定の温度範囲外でかつ給湯設定温度から離れた領域では、従来と同じくフィードバック制御量が大きいので給湯温度のオーバーシュート、アンダーシュートを抑制しつつ素早く温度変更ができる。

次に、本発明の第２の実施形態の貯湯式給湯装置について説明する。なお、先の実施形態と同じ構成には同じ符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態では、フィードバック制御部４０は、予め給湯温度と給湯設定温度との差に基づいたステッピングモータ３８の駆動量（フィードバック制御量）を算出するＰＩＤ制御等の計算式が記憶され、給湯温度が給湯設定温度に一致するように所定の制御周期毎に算出されたフィードバック制御量だけステッピングモータ３８を駆動するようにしているもので、フィードバック制御部４０には、前記フィードバック制御量を算出する計算式の定数（比例ゲイン）は少なくとも大小２つの値が予め記憶されており、給湯温度が所定の温度範囲外にあるときは小さい値の定数を使用してフィードバック制御量を算出し、給湯温度が所定の温度範囲内にあるときは大きい値の定数を使用してフィードバック制御量を算出するようにしている。

このようにして、給湯温度が前記所定の温度範囲内にある場合は、フィードバック制御部４０はフィードバック制御量の計算式の定数（比例ゲイン）に大きい値を使用しているため、フィードバック制御量と温度変化量の傾きが小さい所定の温度範囲内においても、給湯温度と給湯設定温度との温度差が小さくてもフィードバック制御量が強制的に大きな値となり、素早く給湯設定温度に合わせ込むことができる。

次に、本発明の第３の実施形態の貯湯式給湯装置について説明する。なお、先の実施形態と同じ構成には同じ符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態では、フィードバック制御部４０は、予め給湯温度と給湯設定温度との差に基づいたステッピングモータ３８の駆動量（フィードバック制御量）を算出するＰＩＤ制御等の計算式が記憶され、給湯温度が給湯設定温度に一致するように所定の制御周期毎に算出されたフィードバック制御量だけステッピングモータ３８を駆動するようにしているもので、フィードバック制御部４０には、前記フィードバック制御量を算出する制御周期の時間は少なくとも大小２つの値が予め記憶されており、給湯温度が所定の温度範囲外にあるときは大きい値の制御周期を使用してフィードバック制御量を算出し、給湯温度が所定の温度範囲内にあるときは小さい値の制御を使用して、制御周期毎にフィードバック制御量を算出するようにしている。

このようにして、給湯温度が前記所定の温度範囲内にある場合は、フィードバック制御部４０は短い制御周期毎にフィードバック制御量を算出してステッピングモータ３８を制御しているため、フィードバック制御量と温度変化量の傾きが小さい所定の温度範囲内においても、給湯温度と給湯設定温度との温度差が小さくフィードバック制御量が小さい値となっても、短周期でＦＢ制御が行われることで、素早く給湯設定温度に合わせ込むことができる。

なお、本発明はこの一実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で改変することを妨げるものではなく、例えば、貯湯式ではなく灯油等の燃料を燃焼させる燃焼式の給湯装置においても適用されるものである。

２６湯水混合弁
２８給湯温度センサ
３４形状記憶合金バネ
３５バイアスバネ
３６可動弁体
３７弁機構部
３８モータ
４０フィードバック制御部

Claims

混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネとこの形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を変更する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するモータを備えた湯水混合弁と、混合された湯水の温度を検出する給湯温度センサと、前記給湯温度センサで検出する給湯温度と給湯設定温度との温度差に基づいたフィードバック制御量だけ前記モータを駆動するフィードバック制御手段と、を備え、前記フィードバック制御手段は、前記給湯温度センサで検出する給湯温度が所定の温度範囲内にあるときの前記フィードバック制御量の最小変更量を、前記所定の温度範囲外での前記フィードバック制御量の最小変更量よりも大きくしたことを特徴とする給湯装置。
前記フィードバック制御手段は、前記フィードバック制御量が前記最小変更量未満の場合に、前記フィードバック制御量を前記最小変更量に切り上げるようにしたことを特徴とする請求項１記載の給湯装置。
前記フィードバック制御手段は、給湯温度が前記所定の温度範囲内にあるときの前記フィードバック制御量を算出する計算式の定数を大きくすることで、給湯温度が前記所定の温度範囲内にあるときの前記フィードバック制御量の最小変更量を、前記所定の温度範囲外での前記フィードバック制御量の最小変更量よりも大きくするようにしたことを特徴とする請求項１記載の給湯装置。
混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネと形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を変更する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するモータを備えた湯水混合弁と、混合された湯水の温度を検出する給湯温度センサと、所定の制御周期毎に前記給湯温度センサで検出する給湯温度と給湯設定温度との温度差に基づいたフィードバック制御量だけ前記モータを駆動するフィードバック制御手段と、を備え、前記フィードバック制御手段は、前記給湯温度センサで検出する給湯温度が所定の温度範囲内にあるときの前記制御周期の時間を、前記所定の範囲外での前記制御周期の時間よりも短時間としたことを特徴とする給湯装置。
前記所定の温度範囲は、前記形状記憶合金バネが作動する温度範囲に基づいて定められる温度範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の給湯装置。