JP6252901B2 - 流体加熱制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、温水洗浄機能付便器装置等に組み込まれて洗浄水の加熱制御を行う流体加熱制御装置に関する。

前記のような流体加熱制御装置に係る従来技術の例として、次の特許文献１が挙げられる。そこには、衛生洗浄装置において、熱交換器に入水サーミスタと出水サーミスタとを設け、入水温度から予測した出湯温度の予測値と、出湯サーミスタが検知した出湯温度との差が大きい場合は、熱交換器への通電の遮断することが記載されている。

前記特許文献１に記載の衛生洗浄装置は、基本的に、入水温に対するフィードフォワード制御によって熱交換器を制御しているようである。しかしフィードフォワード制御によって熱交換器を制御すると、室温等の要因のため設定温度と出湯温度との誤差が大きくなってしまう場合もある。そこで制御方法を改良し、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて熱交換器を制御するようにすれば、設定温度と出湯温度との誤差をより小さくすることができる。

特開2012-046969号公報

フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせた場合、入水サーミスタの故障等によってフィードフォワード制御が正常に行われなくなっても、出水サーミスタが正常であれば、フィードバック制御によって、低温出湯あるいは高温出湯をある程度防止できる。しかしながら出水サーミスタが故障してフィードバック制御が正常に行われなくなると、それに起因する高温出湯は、フィードフォワード制御によって防止することは困難である。

そのような高温出湯は当然起き得ることであるから、その防止手段として、機械的なフェールセーフ機能も組み込むべきである。具体的にはサーモスタット等の感熱素子を用いて強制的に電源を遮断する等の仕組みである。しかしながら、そのような機械的なフェールセーフ機能を発動させる前に、ソフトウェア処理によるフェールセーフ機能を発動させて、高温出湯を防止し、かつ出湯温を適切な範囲に保つことが望ましい。本発明はそのような要望の実現を目的とするものである。

本発明による流体加熱制御装置は、湯温設定を受け付ける操作部と、入水温センサ及び出水温センサが設けられた電気ヒータとを備え、入水温に対するフィードフォワード制御と、出水温に対するフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御する流体加熱制御装置であって、前記フィードバック制御の制御値は、前記フィードフォワード制御の制御値を参照して決定される上限値以下に制限しており、前記フィードフォワード制御の制御値と前記フィードバック制御の制御値との合算値と、入水温の所定関数によって算出したフェールセーフ上限値とを比較して、その内の小さい値に基づいて、前記電気ヒータを通電制御し、前記所定関数は、所定上限温度と入水温との温度差に係数を乗ずるものとしていることを特徴とする。

前記所定関数は、所定上限温度と入水温との温度差に係数を乗じ、更に定数を和するものとしてもよい。

前記電気ヒータは、人体洗浄水を加熱するものとし、前記係数は、許容差内の上限能力若しくは下限能力を発揮する前記電気ヒータを、前記フェールセーフ上限値に基づいて制御したときに得られる出水温が人体洗浄水の許容範囲に収まるように選択されていてもよい。

本発明によれば、フィードバック制御の制御値を、フィードフォワード制御の制御値（入水温）を参照して決定される上限値以下に制限する。そのため出水温センサの故障によってフィードバック制御が正常に行われないようになっても、高温出湯を防止することができる。

本発明の実施形態の一例とされる流体加熱制御装置の要部ブロック図である。 フィードフォワード制御のみで電気ヒータを通電制御したときの出水温の時間変化と、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御したときの出水温の時間変化を示したグラフである。 電気ヒータの通電制御の２例における加熱温度、出水温を入水温の関数として示したグラフである。 電気ヒータの通電制御の他例における加熱温度、出水温を入水温の関数として示したグラフである。 電気ヒータが定格電力、許容差内の上限能力、下限能力であると想定したときの加熱温度、出水温を入水温の関数として示したグラフである。

本発明に係る流体加熱制御装置は、例えば温水洗浄機能付便器装置や浴室給湯システム等に組み込まれることを想定したものである。このような流体加熱制御装置では、出湯温の制御は、コンピュータ等によるソフトウェア処理によって行うのが基本である。しかしながらコンピュータは誤動作することもあり得るので、特に高温出湯を防止する機械的なフェールセーフ機能も組み込むことが望ましい。具体的にはサーモスタット等の感熱素子を用いて、出水温が異常であれば強制的に電気ヒータを遮断する等の仕組みである。

もちろんそのような機械的なフェールセーフ機能が発動する前に、ソフトウェア処理によるフェールセーフ機能を発動させることが望ましい。例えば流体加熱制御装置の出水温センサが故障して最大電気ヒータが最大電力で駆動され続けたとき、機械的なフェールセーフ機能では出湯温の異常を検知して電源を遮断するだけである。そのため上がり過ぎた出湯温が次には下がり過ぎる等してユーザに不快感を与えてしまう。本発明は、そのような不快感を防止することを意図して考案されたたものであり、出水温センサが故障した場合でも出湯温を適切な範囲に保つことができるソフトウェア処理によるフェールセーフ機能を提案する。以下、そのようなソフトウェア処理によるフェールセーフ機能の基本構成、作用を、図面や数式等を用いて具体的に説明する。

図１に示すように、本発明に係る流体加熱制御装置は、湯温設定を受け付ける操作部１１と、入水温センサ１２及び出水温センサ１３が設けられた電気ヒータ１４とを備える。

操作部１１は、ダイヤル、スライドスイッチ、選択ボタン、あるいはタッチパネル等が設けられ、それらの操作によって湯温設定や流量設定の操作を受け付けるものである。

電気ヒータ１４は、そこを通過する水道水等の流体と、通電によって発熱する熱源との間での熱交換を生じさせる機能を有するものであるが、その流路構成や熱源の種別等に特段の制限はない。入水温センサ１２、出水温センサ１３は例えばサーミスタ等で構成され、それぞれ電気ヒータ１４の入水口、出水口に設けられている。電気ヒータ１４の入水口の側には流量センサ１５が更に設けられている。

流体は、図示しないポンプ等よって予圧されており、その流量は、流量センサよりも上流側に配置された電磁バルブ等（図示なし）によって可変制御される。

電源部１６は、電気ヒータ１４に交流又は直流電源を供給する。電源部１６から電気ヒータ１４への給電路には、電源を接続、遮断制御するスイッチ素子１７が設けられている。スイッチ素子１７の種別は特に制限されず、例えばサイリスタ、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等で構成できる。

制御部１８は、マイコン等の演算素子と、スイッチ素子１７を制御する出力回路等からなり、入水温に対するフィードフォワード制御と、出水温に対するフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御する。

通電制御について簡単に説明すれば、電気ヒータ１４は、スイッチ素子１７が接続状態とされれば所定電力を消費し、スイッチ素子１７が遮断状態とされれば電力を消費しない。よって通電制御として、スイッチ素子１７の駆動信号のデューティ比を例えばＰＷＭ制御等で調節することによって、電気ヒータ１４の平均消費電力が自由に制御できる。

電気ヒータ１４の通電制御において、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせるのは、基本的には前者を主体として電気ヒータ１４を制御し、入水温や室温等の環境条件に基づく出水温誤差を、後者によって修正することを意図しているからである。

より詳細に説明すれば、フィードフォワード制御は、特定の入水温及び室温を前提条件としたものであり、その結果、入水温あるいは室温が前提条件よりも低ければ出水温も湯温設定値よりも低くなる。そしてその逆も成り立つ。一方フィードバック制御は、出水温が湯温設定値よりも低ければ出水温を上げる方向に制御し、出水温が湯温設定値よりも高ければ出水温を下げる方向に制御するものである。よってフィードフォワード制御による出水温の誤差は、フィードバック制御によって修正することが可能である。

図２では、フィードフォワード制御のみで電気ヒータを通電制御したときの出水温の時間変化と、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御したときの出水温の時間変化とを対比している。いずれの場合も、湯温設定値は４０℃とし、入水温あるいは室温がその前提条件としたものより高いことを想定している。

その想定の場合、フィードフォワード制御のみで電気ヒータを通電制御すれば、当然、出水温は湯温設定値よりも高くなる。しかしこれにフィードバック制御を組み合わせれば、出水温は湯温設定値に近づくはずである。なお、このとき出水温が湯温設定値を挟んで振動する傾向（図示）を示すか、湯温設定値に漸近していく傾向を示すかは、電気ヒータの能力、フィードフォワード制御とフィードバック制御との組み合わせ方、入水温、室温等の諸条件によるので一概には云えない。

またフィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせれば、フィードフォワード制御に異常が発生した場合でも、出水温が湯温設定値からかけ離れてしまうことを抑制できる。フィードフォワード制御の異常は、例えば、入水温センサが半田クラック等のために正常な値よりも１０℃低く検知してしまうようなときに生じる。しかしながら出水温センサ等の故障等によってフィードバック制御に異常が生じたとき、それによる出水温の異常をフィードフォワード制御によって抑制することはできない。

本発明は、そのような問題の対策として、フィードバック制御の制御値を所定の上限値以下に制限することを提案する。すなわちフィードバック制御の制御値が異常に高くなることを防止して高温出湯を抑制することを趣旨とする。

フィードバック制御の制御値は、固定定数を上限値としてその値以下に制限してもよいが、フィードフォワード制御の制御値を参照して決定される上限値以下に制限すると尚よい。

このようにフィードバック制御の制御値を、フィードフォワード制御の制御値（入水温）を参照して決定される上限値以下に制限すれば、入水温が高い流体を、電気ヒータの最大電力で更に加熱するような事態は起き得ず、高温出湯を防止することができる。またフィードバック制御を充分に作用させる余地があるので、通常時の使い勝手に悪影響を与えることもない。

以下、ソフトウェア処理によるフェールセーフ機能の原理を数式等によって詳細に説明する。まず電気ヒータの通電制御の基本式を示す。ここに流体の流量Ｆ（グラム/分）、設定温度Ｔｓｅｔ、入水温Ｔｉｎ、出水温Ｔｏｕｔ、ヒータの定格消費電力Ｗ（ワット）、通電率制御値ｒ（スイッチ素子の駆動パルスのデューティ比）、比熱Ｃ（カロリー／グラム）とする。電気ヒータの通電制御は、通電率制御値ｒを算出し、その値に基づいて前記スイッチ素子を駆動制御することでなされる。単位時間当りの投入電力＝比熱×単位時間当りの流量×上昇温度であるから、平衡状態では、

が成り立つ。これはフィードフォワード御のみの式である。この式に対して、所望の係数Ｋを乗じたフィードバック制御の項を加えることができる。

以下の３項をそれぞれＡ項、Ｂ項、Ｃ項と呼ぶことにする。

ここに、Ａ項は定数項であって、通電率は、流体の流量Ｆに比例し、ヒータの定格消費電力Ｗに反比例することを示している。Ｂ項はフィードフォワード制御の制御値であり、Ｃ項はフィードバック制御の制御値である。係数Ｋはフィードフォワード制御に対するフィードバック制御の割合を規定する正値であるが、その値は特に制限されず、以下では簡単のため値１を採用する。

本発明は、Ｃ項に対して、Ｂ項を参照して決定される上限値Ｃｍａｘを設定する。
例えば

としてもよい。ここにＸは定数、Ｔｍａｘは上限温度であって、入水温Ｔｉｎがその上限温度Ｔｍａｘを超えたときには加熱を行わないという値である。これらの値は出水温Ｔｏｕｔの許容範囲等を考慮して決定すればよい。

つまり、Ｃ項＞Ｃｍａｘとなったときには、Ｃ項の代わりにＣｍａｘを採用するのであるが、これは、Ｂ項＋Ｃ項＞Ｂ項＋Ｃｍａｘとなった場合は、Ｂ項＋Ｃ項の代わりに、Ｂ項＋Ｃｍａｘを採用すると言い換えてもよい。

であるから、更に換言すれば、Ｂ項＋Ｃ項＞Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉ）となった場合は、Ｂ項＋Ｃ項の代わりに、Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉ）を採用するとしてもよい。

これは要するに、フィードフォワード制御の制御値とフィードバック制御の制御値との合算値と、入水温Ｔｉｎの所定関数によって算出したフェールセーフ上限値とを比較して、その内の小さい値に基づいて電気ヒータを通電制御するということである。このとき所定関数は、Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）である。すなわち所定関数は、上限温度Ｔｍａｘと入水温Ｔｉｎとの温度差に係数を乗じたものになる。このような一次関数を用いれば、制御値の算出が簡単に行える。

なおＣ項の上限値は制限されるわけではない。例えば、Ｂ項を参照して決定される上限値Ｃｍａｘとして

を採用してもよい。この場合も前記と同様の考え方が成り立ち、入水温Ｔｉｎの所定関数は、Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉ）^２となる。

図３は、電気ヒータの通電制御がＡ項・Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）に従ってなされた場合、及びＡ項・Ｘ´・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）^２に従ってなされた場合における加熱温度ΔＴ、出水温Ｔｏｕｔを入水温Ｔｉｎの関数として示したものである。ここに加熱温度ΔＴは、入水温Ｔｉｎと出水温Ｔｏｕｔとの差として定義される。また図中、加熱温度ΔＴは実線によって、出水温Ｔｏｕｔは破線によって示している。このようにいずれの場合でも、Ｔｍａｘ、及びＸを適切に設定すれば、出水温センサ故障したときでも出水温Ｔｏｕｔの過熱を抑えられることがわかる。

またＢ項を参照して決定される上限値Ｃｍａｘとして、

を採用してもよい。この場合、所定関数は、Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）＋Ｔｍｉｎ、すなわち上限温度Ｔｍａｘと入水温Ｔｉｎとの温度差に係数を乗じ、更に定数Ｔｍｉｎを加えたものになる。ここにＴｍｉｎはフィードバック制御における最低限の加熱性能を確保するための定数である。例えばその値を３とすれば、フィードバック制御によって少なくとも３℃の加熱が可能になる。

図４は、電気ヒータの通電制御がＡ項・Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）に従ってなされた場合、及びＡ項・Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）＋Ｔｍｉｎに従ってなされた場合の加熱温度ΔＴ、出水温Ｔｏｕｔを入水温Ｔｉｎの関数として示したものである。ここでも加熱温度ΔＴは実線によって、出水温Ｔｏｕｔは破線によって示している。

図において、電気ヒータの通電制御がＡ項・Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）に従ってなされた場合、入水温ＴｉｎがＴｍａｘに近ければ、加熱温度ΔＴ１は非常に小さいものなっている。これに対して、電気ヒータの通電制御がＡ項・Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）＋Ｔｍｉｎに従ってなされた場合は、Ｔｍｉｎ以上の加熱温度ΔＴ２が得られることがわかる。

最後に、電気ヒータの能力に許容差を見込んだ場合の、フィードバック制御の制御値の制限について考察する。電気ヒータはそれに関連する構成要素、例えば発熱体、流体経路、入水温センサ、出水温センサ、流量センサ等の個体差により、定格電力に対してプラスマイナスの許容差を有する。また電源電圧とされる商用１００Ｖ電源でも規定範囲は１０１±６Ｖとされている。

部品の個体差や電源電圧の規定範囲等を考慮すれば、例えば電気ヒータの定格電力を１２００Ｗとしたとき、許容範囲の上限は１５００Ｗ、下限は９００Ｗ程度を想定してよい。

ここで出水温センサ故障のため、Ａ項・Ｘ・（Ｔｍａｘ−Ｔｉｎ）に基づいて電気ヒータを制御する場合の出水温Ｔｏｕｔは、入水温Ｔｉｎが０℃のとき、電気ヒータの能力によって次のようになる。

電気ヒータが定格電力（１２００Ｗ）であれば、

電気ヒータが上限能力（１５００Ｗ）であれば、

電気ヒータが下限能力（９００Ｗ）であれば、

一方、入水温ＴｉｎがＴｍａｘの場合は、電気ヒータの消費電力によらず、

ここで要請されることは、数８−１１による出水温Ｔｏｕｔを、人体洗浄水の許容範囲に収めることである。数８−１０の内では、数９による出水温Ｔｏｕｔが最も高くなる。よって数１１による出水温Ｔｏｕｔとして、Ｔｍａｘ＝５７℃（火傷限度）を採用し、更に許容差の上限能力に基づいてＸの値を定めるならば、数９による出水温Ｔｏｕｔを５７℃にするための条件は、Ｘ＝０．８となる。そしてＸ＝０．８とすれば、数８、数１０による出水温Ｔｏｕｔはそれぞれ、４５．６℃、３４．２℃になる。Ｘ＜０．８とすると、数１０による出水温Ｔｏｕｔが低過ぎになってしまう。

図５は、電気ヒータが前記定格電力、上限能力、下限能力であると想定したときの加熱温度ΔＴ、出水温Ｔｏｕｔを入水温Ｔｉｎの関数として示したものである。加熱温度ΔＴは実線によって、出水温Ｔｏｕｔは破線によって示している。前記説明から理解できるように、図中の丸印における出水温Ｔｏｕｔが人体洗浄水の許容範囲に収まるようにＴｍａｘ、Ｘを選択すればよく、前記Ｔｍａｘ＝５７℃、Ｘ＝０．８は、そのような選択の一例である。

以上によれば、係数（Ｘ）を電気ヒータの許容差の上限能力に基づいて選択設定した場合は、高温出湯阻止の制御ができる。また係数を電気ヒータの許容差の下限能力に基づいて選択設定した場合は、低温出湯阻止の制御ができる。よって、例えば出水温センサが故障した場合でも、人体洗浄水が熱湯あるいは冷水にならず、ユーザを不快にさせることがなく、安全に使用することができる。

１１ 操作部
１２ 入水温センサ
１３ 出水温センサ
１４ 電気ヒータ

Claims (3)

1. 湯温設定を受け付ける操作部と、入水温センサ及び出水温センサが設けられた電気ヒータとを備え、入水温に対するフィードフォワード制御と、出水温に対するフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御する流体加熱制御装置であって、
   前記フィードバック制御の制御値は、前記フィードフォワード制御の制御値を参照して決定される上限値以下に制限しており、
   前記フィードフォワード制御の制御値と前記フィードバック制御の制御値との合算値と、入水温の所定関数によって算出したフェールセーフ上限値とを比較して、その内の小さい値に基づいて、前記電気ヒータを通電制御し、
   前記所定関数は、所定上限温度と入水温との温度差に係数を乗ずるものとしていることを特徴とする流体加熱制御装置。
2. 請求項１において、
   前記所定関数は、所定上限温度と入水温との温度差に係数を乗じ、更に定数を和するものとしていることを特徴とする流体加熱制御装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記電気ヒータは、人体洗浄水を加熱し、
   前記係数は、許容差内の上限能力若しくは下限能力を発揮する前記電気ヒータを、前記フェールセーフ上限値に基づいて制御したときに得られる出水温が人体洗浄水の許容範囲に収まるように選択されていることを特徴とする流体加熱制御装置。

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