JP6735572B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器をバイパスするバイパス管と、当該バイパス管への通水量を制御するバイパス制御手段とを備えた給湯装置に関する。

給湯装置は、特許文献１に開示されるように、上水道に接続される給水管と、給水管が接続されてバーナの燃焼熱で加熱される熱交換器と、熱交換器に接続される出湯管と、給水管と出湯管とを接続して熱交換器をバイパスするバイパス管と、給湯装置の動作を制御するコントローラ（制御手段）とを備えたものが知られている。
このバイパス式の給湯装置においては、器具内に通水すると、コントローラがバーナの点火制御を実行すると共に、サーミスタ等で検出される出湯温度と、リモコンでの設定温度との差及び通水量に応じて、バーナへのガス管に設けたガス比例弁の開度を制御してガス量を連続的に変化させ、出湯温度を設定温度に一致させる出湯温制御を行う。このときコントローラは、バイパス管に設けたバイパス制御弁（バイパス制御手段）を制御することで、熱交換器からの出口温度を一定（例えば６０℃）に維持してドレンの発生等を抑制する。

特開２０１４−６６４１２号公報

バイパス式の給湯装置において、所定時間の出湯後、数分程度時間をおいて再度出湯（以下「間欠使用」という。）する場合、前回の燃焼によって残存している熱交換器内の湯を利用して通水からバーナが点火するまでの出湯温度を保つようにしている。
しかし、間欠使用の場合もバイパス制御弁の制御が一定であると、例えば入水温度が５℃程度と低いような場合や通水量が大きい場合、間欠使用の待機時間が長いような場合には、点火後の出湯温度が設定温度を大きく下回ったり（アンダーシュート）、逆に設定温度を大きく上回ったり（オーバーシュート）する等して出湯特性が悪化する傾向があった。間欠使用の際の出湯温度の変動に応じてバイパス制御弁を制御することも行われているが、後追い制御となるため、出湯特性の悪化を十分に抑制できていない。

そこで、本発明は、間欠使用する際の出湯特性の悪化を効果的に低減することができる給湯装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、バーナと、給水管と出湯管とが接続されてバーナにより加熱される熱交換器と、給水管と出湯管との間に接続されて熱交換器をバイパスするバイパス管と、バイパス管への通水量を制御するバイパス制御手段と、出湯管におけるバイパス管との接続部よりも上流側で熱交換器からの出口温度を検出する出口温度検出手段と、バーナの燃焼及びバイパス制御手段の動作を制御する制御手段と、を含み、
制御手段は、バーナの燃焼中に出湯特性の悪化に繋がる所定の要因を要因検出手段によって取得し、取得した要因に応じてバイパス制御手段の動作を制御して出口温度を制御する給湯装置であって、
要因は給水管への入水温度を含み、要因検出手段は、給水管に設けられた入水温度検出手段を含むものであり、制御手段は、予め設定した下限入水温度と上限入水温度との間で出口温度を変化させる関数と、入水温度検出手段から得られる入水温度とを用いてバイパス制御手段の動作を制御することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、要因は外気温度をさらに含み、要因検出手段は、装置外部に設けられた外気温度検出手段をさらに含むものであり、制御手段は、外気温度検出手段から得られる外気温度と予め設定された基準温度との差に基づいて関数を補正することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、バーナと、給水管と出湯管とが接続されてバーナにより加熱される熱交換器と、給水管と出湯管との間に接続されて熱交換器をバイパスするバイパス管と、バイパス管への通水量を制御するバイパス制御手段と、出湯管におけるバイパス管との接続部よりも上流側で熱交換器からの出口温度を検出する出口温度検出手段と、バーナの燃焼及びバイパス制御手段の動作を制御する制御手段と、を含み、
制御手段は、バーナの燃焼中に出湯特性の悪化に繋がる所定の要因を要因検出手段によって取得し、取得した要因に応じてバイパス制御手段の動作を制御して出口温度を制御する給湯装置であって、
要因は外気温度を含み、要因検出手段は、装置外部に設けられた外気温度検出手段を含むものであり、制御手段は、予め設定した下限外気温度と上限外気温度との間で出口温度を変化させる関数と、外気温度検出手段から得られる外気温度とを用いてバイパス制御手段の動作を制御することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、要因は給水管への入水温度をさらに含み、要因検出手段は、給水管に設けられた入水温度検出手段をさらに含むものであり、制御手段は、入水温度検出手段から得られる入水温度と予め設定された基準温度との差に基づいて関数を補正することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、制御手段が、バーナの燃焼中に出湯特性の悪化に繋がる所定の要因の変動を要因検出手段によって取得し、取得した要因の変動に応じてバイパス制御手段の動作を制御して出口温度を事前に制御する。よって、間欠使用する際の出湯特性の悪化を効果的に低減することができる。
特に、予め設定した下限入水温度と上限入水温度との間で出口温度を直線的に変化させる関数と、入水温度検出手段から得られる入水温度とを用いてバイパス制御手段の動作を制御するようにしているので、入水温度の変動に応じた出口温度の制御を簡単に行うことができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、外気温度検出手段から得られる外気温度と予め設定された基準温度との差に基づいて関数を補正するので、出湯特性の一層の改善が期待できる。
請求項３に記載の発明によれば、制御手段が、バーナの燃焼中に出湯特性の悪化に繋がる所定の要因の変動を要因検出手段によって取得し、取得した要因の変動に応じてバイパス制御手段の動作を制御して出口温度を事前に制御する。よって、間欠使用する際の出湯特性の悪化を効果的に低減することができる。
特に、予め設定した下限外気温度と上限外気温度との間で出口温度を変化させる関数と、外気温度検出手段から得られる外気温度とを用いてバイパス制御手段の動作を制御するようにしているので、外気温度の変動に応じた出口温度の制御を簡単に行うことができる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項３の効果に加えて、入水温度検出手段から得られる入水温度と予め設定された基準温度との差に基づいて関数を補正するので、出湯特性の一層の改善が期待できる。

給湯装置の概略図である。 入水温度と熱交換器制御温度との関数を示すグラフである。 図２の関数を外気温度を用いて補正したグラフである。 入水温度と熱交換器制御温度との関数の変更例を示すグラフである。 外気温度と熱交換器制御温度との関数を示すグラフである。

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、給湯装置の一例を示す概略図で、給湯装置１は、器具本体内に、給気ファン３を備えた燃焼室２を形成して、燃焼室２の内部に、燃料ガスと給気ファン３からの一次空気との混合ガスを燃焼させる複数（ここでは３ユニット）のバーナ群４Ａ，４Ｂ，４Ｃを備えると共に、バーナ群４Ａ〜４Ｃの燃焼によって加熱され、給水管６と出湯管７とを接続した熱交換器５を設けている。バーナ群４Ａ〜４Ｃは、互いに数が異なる複数のバーナからなる。

また、バーナ群４Ａ〜４Ｃへ燃料ガスを供給するガス管８には、元電磁弁９及びガス比例弁１０が設けられ、ガス管８から分岐する各バーナ群４Ａ〜４Ｃへの分岐管８ａ，８ａ・・には、切替電磁弁１１Ａ〜１１Ｃがそれぞれ設けられて、各弁が制御手段としてのコントローラ１２によって制御可能となっている。１３はイグナイタ、１４は点火電極で、ここでは中央のバーナ群４Ｂにのみ配置されている。１５，１５はフレームロッドである。

さらに、給水管６と出湯管７との間には、熱交換器５をバイパスするバイパス管１６が接続されている。給水管６におけるバイパス管１６との接続位置よりも上流側には、給水管６を流れる水量を検出する水量センサ１７と、入水温度検出手段としてのサーミスタ１８と、給水管６の水量を制御する水量サーボ１９とが設けられ、バイパス管１６との接続位置には、バイパス管１６への水量を制御するバイパス制御手段としてのバイパスサーボ２０が設けられて、それぞれコントローラ１２に電気的接続されている。一方、出湯管７には、給湯栓２１と、出湯管７内の湯の温度を検出するサーミスタ２２，２３が設けられて、それぞれコントローラ１２に電気的接続されている。このうちサーミスタ２２は、バイパス管１６よりも下流側に設けられてミキシング後の出湯温度を検出し、出口温度検出手段としてのサーミスタ２３は、バイパス管１６よりも上流側で燃焼室２からの出口際に設けられて熱交換器５からの出口温度を検出する。

以上の如く構成された給湯装置１において、給湯栓２１を開いて器具内に通水させ、水量センサ１７から得られる信号によって器具内を流れる水量が点火水量を超えていることが確認されると、コントローラ１２は、給気ファン３を回転させてプリパージを行う。
次に、元電磁弁９と切替電磁弁１１Ａ〜１１Ｃ及びガス比例弁１０をそれぞれ開いてバーナ４Ａ〜４Ｃにガスを供給すると共に、イグナイタ１３を作動させてバーナ４Ａ〜４Ｃの点火制御を行う。バーナ４Ａ〜４Ｃの点火をフレームロッド１５で確認した後、コントローラ１２は、サーミスタ２２で検出された出湯温度と、リモコン２４で設定された設定温度との差及び通水量に応じて、ガス比例弁１０の開度を制御してガス量を連続的に変化させ、燃焼させるバーナ４Ａ〜４Ｃを切り替えることで、出湯温度を設定温度に一致させる出湯温制御を行う。このときコントローラ１２は、ガス比例弁１０の制御によるガス量の変化に応じて給気ファン３の回転数を変化させて、ガス量と空気量との比率を制御する。

この出湯温制御では、コントローラ１２は、サーミスタ１８から得られる入水温度に応じてバイパスサーボ２０を制御して、器具全体の通水量に対するバイパス管１６の通水量（バイパス率）を変更し、サーミスタ２３から得られる熱交換器５の出口温度を制御している。具体的には図２に示すように、入水温度が５℃の場合は出口温度を６５℃（バイパス率は約４１％）、入水温度が２０℃の場合は出口温度を５０℃（バイパス率は約３３％）として両者間を直線的に繋ぐ関数を予め設定しておき、入水温度５℃〜２０℃の範囲では当該関数を用いて入水温度に応じて熱交換器制御温度を算出し、出口温度が算出した熱交換器制御温度となるようにバイパスサーボ２０を制御するものである。図２は設定温度が４０℃の場合となっている。

こうして入水温度に応じて出口温度を制御することで、給湯栓２１を閉栓して出湯を停止させた後、所定時間をおいて再度給湯栓２１を開栓した際、入水温度が低い場合にはバイパス率が高くなって出口温度が高温となり、残存熱量が大きくなる。よって、バーナ４の点火後の出湯温度のアンダーシュートは抑えられる。逆に、入水温度が高い場合にはバイパス率が低くなって出口温度は低温となり、残存熱量が小さくなる。よって、バーナ４の点火後の出湯温度のオーバーシュートも抑えられる。

このように、上記形態の給湯装置１によれば、コントローラ１２は、バーナ４Ａ〜４Ｃの燃焼中に出湯特性の悪化に繋がる所定の要因（ここでは入水温度）をサーミスタ１８によって取得し、取得した入水温度に応じてバイパスサーボ２０の動作を制御して熱交換器５の出口温度を事前に制御するようにしている。よって、間欠使用する際の出湯特性の悪化を効果的に低減することができる。
特にここでは、コントローラ１２は、予め設定した下限入水温度（ここでは５℃）と上限入水温度（ここでは２０℃）との間で出口温度を直線的に変化させる関数と、サーミスタ１８から得られる入水温度とを用いてバイパスサーボ２０の動作を制御するようにしているので、入水温度の変動に応じた出口温度の制御を簡単に行うことができる。

なお、上記形態では、間欠使用時の出湯特性の悪化に繋がる要因として、入水温度を用いているが、これに加えて外気温度を用いることもできる。図３は、外気温度を用いて図２の関数を補正する場合を示すグラフで、外気温度は、例えばコントローラやリモコン等の装置外部に設けたサーミスタ等の外気温度検出手段から取得される。
ここではサーミスタから得られる実際の外気温度をＡ、コントローラに予め設定した基準温度をＢ、補正係数をＣとして、例えば式：α＝（Ａ−Ｂ）×Ｃによって補正値αを算出し、この補正値αを入水温度を用いた熱交換器制御温度に加算することで補正を行うようにしている。実線が外気温度を用いて補正した関数のグラフである。

このように、コントローラ１２が、外気温度検出手段から得られる外気温度と予め設定された基準温度との差に基づいて関数を補正するようにすれば、出湯特性の一層の改善が期待できる。

一方、上記形態では、下限入水温度と上限入水温度との間で出口温度を直線的に変化させる関数と、サーミスタ１８から得られる入水温度とを用いてバイパスサーボ２０の動作を制御しているが、図４に示すように、下限入水温度と上限入水温度との間で出口温度を曲線的に変化させる関数と入水温度とを用いてバイパスサーボ２０の動作を制御してもよい。

また、所定の要因として入水温度を取得して出口温度を事前に制御するようにしているが、当該要因を外気温度として、図５に示すように、予め設定した下限外気温度（ここでは５℃）と上限外気温度（ここでは２０℃）との間で出口温度を直線的に変化させる関数（同図の実線部分）或いは曲線的に変化させる関数（同図の点線部分）と、サーミスタ等の外気温度検出手段から得られる外気温度とを用いてバイパスサーボ２０の動作を制御するようにしてもよい。この場合、外気温度の変動に応じた出口温度の制御を簡単に行うことができる。
さらに、外気温度に入水温度を加えて、図３と同様に実際の入水温度と予め設定した基準温度との差に基づいて補正値を算出し、この補正値を加算して関数を補正することもできる。

その他、出湯特性の悪化に繋がる要因としては、通水量（例えば通水量が大きい場合はバイパス率を上げる方向への制御）、出湯温度、間欠使用の間隔等も挙げられる。これらの要因を１又は複数用いて変動を監視し、熱交換器の出口温度を制御すればよい。

そして、本発明は上記形態の給湯装置に限らず、バーナの段数の変更は勿論、出湯管が分岐して浴槽に接続されて風呂熱交換器と浴槽との間に湯水の循環回路が形成される風呂付きの給湯装置や、熱交換器が顕熱を回収する一次熱交換器と潜熱を回収する二次熱交換器とからなる給湯装置等であっても適用可能である。

１・・給湯装置、２・・燃焼室、３・・給気ファン、４Ａ〜４Ｃ・・バーナ群、５・・熱交換器、６・・給水管、７・・出湯管、８・・ガス管、９・・元電磁弁、１０・・ガス比例弁、１１Ａ〜１１Ｃ・・切替電磁弁、１２・・コントローラ、１３・・イグナイタ、１４・・点火電極、１５・・フレームロッド、１６・・バイパス管、１８、２２，２３・・サーミスタ、２０・・バイパスサーボ、２１・・給湯栓、２４・・リモコン。

Claims (4)

1. バーナと、
   給水管と出湯管とが接続されて前記バーナにより加熱される熱交換器と、
   前記給水管と前記出湯管との間に接続されて前記熱交換器をバイパスするバイパス管と、
   前記バイパス管への通水量を制御するバイパス制御手段と、
   前記出湯管における前記バイパス管との接続部よりも上流側で前記熱交換器からの出口温度を検出する出口温度検出手段と、
   前記バーナの燃焼及び前記バイパス制御手段の動作を制御する制御手段と、を含み、
   前記制御手段は、前記バーナの燃焼中に出湯特性の悪化に繋がる所定の要因を要因検出手段によって取得し、取得した前記要因に応じて前記バイパス制御手段の動作を制御して前記出口温度を制御する給湯装置であって、
   前記要因は前記給水管への入水温度を含み、前記要因検出手段は、前記給水管に設けられた入水温度検出手段を含むものであり、前記制御手段は、予め設定した下限入水温度と上限入水温度との間で前記出口温度を変化させる関数と、前記入水温度検出手段から得られる前記入水温度とを用いて前記バイパス制御手段の動作を制御することを特徴とする給湯装置。
2. 前記要因は外気温度をさらに含み、前記要因検出手段は、装置外部に設けられた外気温度検出手段をさらに含むものであり、前記制御手段は、前記外気温度検出手段から得られる前記外気温度と予め設定された基準温度との差に基づいて前記関数を補正することを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. バーナと、
   給水管と出湯管とが接続されて前記バーナにより加熱される熱交換器と、
   前記給水管と前記出湯管との間に接続されて前記熱交換器をバイパスするバイパス管と、
   前記バイパス管への通水量を制御するバイパス制御手段と、
   前記出湯管における前記バイパス管との接続部よりも上流側で前記熱交換器からの出口温度を検出する出口温度検出手段と、
   前記バーナの燃焼及び前記バイパス制御手段の動作を制御する制御手段と、を含み、
   前記制御手段は、前記バーナの燃焼中に出湯特性の悪化に繋がる所定の要因を要因検出手段によって取得し、取得した前記要因に応じて前記バイパス制御手段の動作を制御して前記出口温度を制御する給湯装置であって、
   前記要因は外気温度を含み、前記要因検出手段は、装置外部に設けられた外気温度検出手段を含むものであり、前記制御手段は、予め設定した下限外気温度と上限外気温度との間で前記出口温度を変化させる関数と、前記外気温度検出手段から得られる前記外気温度とを用いて前記バイパス制御手段の動作を制御することを特徴とする給湯装置。
4. 前記要因は前記給水管への入水温度をさらに含み、前記要因検出手段は、前記給水管に設けられた入水温度検出手段をさらに含むものであり、前記制御手段は、前記入水温度検出手段から得られる前記入水温度と予め設定された基準温度との差に基づいて前記関数を補正することを特徴とする請求項３に記載の給湯装置。

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