JP6848265B2 - 温水調温装置 - Google Patents

Description

この発明は、温水調温装置に関し、より特定的には、高温水および冷温水を混合するバイパスミキシング方式の温水調温装置に関する。

従来、熱交換器を経由した高温水と、熱交換器をバイパスした低温水との流量比率の制御によって出湯温度を調整する、バイパスミキシング方式の温水調温装置が給湯器等に適用されている。

特許第３０６７４９８号公報（特許文献１）には、高温水および低温水の流量比率を制御するバイパス弁の弁開度を、ステッピングモータのステップ数によって制御する構成が記載されている。特許文献１には、バイパス弁におけるステップ数および流量比率（弁開度）の間の予め求められた基準特性関係に従って、目標流量比率から逆算された目標ステップ数を、補正ステップ数を用いて補正することによって、ステッピングモータのステップ数を設定することが記載されている。補正ステップ数は、検出温度から算出される実績流量比率と目標流量比率との偏差に基づいて算出される。

特許第３０６７４９８号公報

特許文献１では、バイパス弁でのステップ数および流量比率の特性関係の基準の特性関係からのずれを、検出温度から算出される流量比率のフィードバック制御（ＰＩ制御）による補正ステップ数を用いて補償している。

このため、流量や温度の変化に起因して出湯温度が変化した場合に、再び出湯温度を目標温度に一致させる際の制御精度はフィードバックゲイン（ＰゲインおよびＩゲイン等）に左右される。すなわち、一般的にはトレードオフの関係にある、目標温度への整定時間の短縮と、オーバーシュートまたはアンダーシュートの抑制とを両立して、最適なゲイン調整を行うことが必要となる。

一方で、最適なゲイン値は、温水調整装置の動作条件（温度、流量、弁開度等）に応じて変わってくることが懸念されるので、仮に、動作条件に応じて異なるゲイン値を設定すると、制御式の複雑化や調整の困難化が懸念される。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、バイパスミキシング方式の温水調温装置における出湯温度の制御精度を高めることである。

この発明のある局面では、温水調温装置は、加熱要素を経由する加熱流路と、バイパス流路と、流量比率制御機構と、第１の温度検出器と、第２の温度検出器と、第３の温度検出器と、制御装置とを備える。バイパス流路は、加熱要素の上流側で加熱流路から分岐するとともに、加熱要素の下流側の結合点で加熱流路と合流するように構成される。流量比率制御機構は、加熱流路を通過する高温水およびバイパス流路を通過する低温水の間の流量比率を制御するように構成される。第１の温度検出器は、低温水の温度を検出する。第２の温度検出器は、高温水の温度を検出する。第３の温度検出器は、結合点の下流側に配置されて、高温水および低温水の混合後の出湯温度を検出する。制御装置は、第１から第３の温度検出器によってそれぞれ検出された第１から第３の検出温度と、出湯温度の目標温度とに基づいて、流量比率制御機構の操作量を設定するように構成される。制御装置には、流量比率制御機構における操作量と流量比率との間の予め定められた基準特性関係が予め記憶される。制御装置は、換算操作量と、流量比率制御機構の現在の操作量との偏差に基づいて補正操作量を算出し、さらに、目標操作量を補正操作量によって補正することによって流量比率制御機構の操作量を設定する。換算操作量は、第１から第３の検出温度に基づいて算出された流量比率制御機構における実績流量比率から基準特性関係に従って逆算される。目標操作量は、第１および第２の検出温度と目標温度とに基づいて算出された目標流量比率を基準特性関係に従って逆算される。

上記温水調温装置によれば、目標流量比率および実際の流量比率の誤差を流量比率制御機構の操作量の偏差に換算することによって目標操作量からの補正量（補正操作量）を算出して、流量比率制御機構の操作量を設定する。この補正操作量の算出によって、流量比率制御機構における実際の操作量と流量比率との対応関係についての基準特性関係からのずれ量を等価的に学習することができる。この結果、出湯温度を目標温度に一致させるための目標流量比率が変化した場合でも、基準特性関係に従う目標操作量を、これまでの補正操作量によって補正することにより、これまで学習した基準特性関係からのずれ量を反映して、流量比率制御機構の操作量を設定することができる。したがって、目標温度に対する出湯温度の制御精度を高めることができる。

好ましくは、補正操作量は、偏差の推移を時間軸方向に平滑することによって算出される。さらに好ましくは、補正操作量は、偏差を指数移動平均することによって算出される。

このように構成すると、補正操作量の急変を抑制して、出湯温度の制御を安定化することができる。

また好ましくは、温水調温装置は、流量検出器をさらに備える。流量検出器は、高温水の流量、低温水の流量および、高温水および低温水の合計流量の少なくとも１つを検出するように配置される。補正操作量は、流量検出器による検出流量が低いほど、偏差の変化に対する補正操作量の変化が緩やかになるように平滑化される。

このように構成すると、混合比率制御部での操作量に対する流量比率の誤差が出湯温度に反映されて実績流量比率に現れるまでの無駄時間の長短に対応して、平滑処理の速度を調整することによって補正操作量を適切に設定することが可能となる。

あるいは好ましくは、温水調温装置は、流量検出器をさらに備える。流量検出器は、高温水および低温水の一方の流量を検出するように配置される。制御装置は、目標流量比率と、流量検出器による流量検出値とを用いて、高温水および低温水の混合後の出湯流量を算出する。

このように構成すると、補正操作量を用いることによって、流量比率制御機構による実際の流量比率と、目標流量比率との差を抑制できる効果を活用して、目標流量比率を用いた簡易な演算によって、高温水および低温水の一方の検出流量から、全体の出湯流量を高精度に算出することができる。

この発明によれば、バイパスミキシング方式の温水調温装置における出湯温度の制御精度を高めることができる。

本発明の実施の形態に従う流量制御装置が適用された給湯装置の概略構成図である。 本実施の形態に従う温水調温装置の構成を説明するためのブロック図である。 図１に示されたコントローラによる出湯温度制御を説明する機能ブロック図である。 バイパス弁におけるステップ量と流量比率との対応関係を説明するグラフである。 本実施の形態に従う温水調温装置におけるバイパス弁のステップ数の補正処理を説明するための概念図である。 本実施の形態に従う温水調温装置における流量比率制御の処理を説明するフローチャートである。 ステップ偏差の算出処理を説明する概念図である。 平滑化処理の速度調整の一例を説明する概念的なグラフである。 図１の構成例において温水調温装置からの出湯流量を算出するための制御処理を説明するフローチャートである。 バイパス弁の配置位置の第１の変形例を示すブロック図である。 バイパス弁の配置位置の第２の変形例を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態に従う流量制御装置が適用された給湯装置の概略構成図である。

図１を参照して、給湯装置１００は、熱交換器１０および燃焼バーナ３０等が格納された燃焼缶体（以下、単に「缶体」とも称する）５と、送風ファン４０と、入水管５０と、缶体配管５５と、バイパス管６０と、出湯管７０と、バイパス弁８０と、コントローラ３００とを備える。

入水管５０は、バイパス弁８０を経由して、缶体配管５５およびバイパス管６０と接続される。入水管５０には、水道水等の低温水が供給される。入水管５０の低温水は、バイパス弁８０を経由して、缶体配管５５およびバイパス管６０へ分配される。

缶体配管５５は、熱交換器１０に接続される。熱交換器１０は、一次熱交換器１１および二次熱交換器１２を有する。入水管５０から缶体配管５５へ導入された低温水は、燃焼バーナ３０の発生熱量により、熱交換器１０を通過することによって加熱される。

燃焼バーナ３０へのガス供給管３１には、元ガス電磁弁３２、ガス比例弁３３および、能力切換弁３５ａ〜３５ｃが配置される。元ガス電磁弁３２は、燃焼バーナ３０への燃料ガスの供給をオンオフする機能を有する。ガス供給管３１のガス流量は、ガス比例弁３３の開度に応じて制御される。

能力切換弁３５ａ〜３５ｃは、複数の燃焼バーナ３０のうちの、燃料ガスの供給対象となるバーナ本数を切換えるために開閉制御される。缶体５での発生熱量は、バーナ本数およびガス流量の組み合わせによって決まる、燃焼バーナ３０全体からの供給ガス量に比例する。したがって、要求発生熱量に対応させて、能力切換弁３５ａ〜３５ｃの開閉パターン（バーナ本数）およびガス比例弁３３の開度（ガス流量）の組み合わせを決定する設定マップを予め作成することができる。

缶体５において、燃焼バーナ３０から出力された燃料ガスは、送風ファン４０からの燃焼用空気と混合される。送風ファン４０による送風量は、燃焼バーナ３０全体からの供給ガス量との空燃比が所定値（たとえば、理想空燃比）となるように制御される。送風ファン４０の送風量は、ファン回転数と比例するので、送風ファン４０の回転数は、供給ガス量の変化に応じて設定される目標回転数に従って制御される。送風ファン４０には、ファン回転数を検出するための回転数センサ４５が設けられる。

燃料ガスと燃焼用空気との混合気が、図示しない点火装置によって着火されることにより、燃料ガスが燃焼されて火炎が生じる。燃焼バーナ３０からの火炎によって生じる燃焼熱は、缶体５内で一次熱交換器１１および二次熱交換器１２へ与えられる。

二次熱交換器１２は、燃焼バーナ３０からの燃焼排ガスの潜熱によって通流された水を熱交換によって予熱する。一次熱交換器１１は、二次熱交換器１２によって予熱された低温水を、燃焼バーナ３０による燃焼ガスの顕熱（燃焼熱）による熱交換によってさらに加熱する。これにより、熱交換器１０によって加熱された高温水が、出湯管７０へ出力される。缶体５の燃焼ガスの流れ方向下流側には熱交換後の燃焼排ガスを排出処理するための排気経路１５が設けられる。

バイパス管６０および出湯管７０は、合流点７５において接続される。したがって、給湯装置１００からは、缶体５から出力された高温水と、バイパス管６０からの低温水を混合によって調温された適温の温水が、台所や浴室等の給湯栓１９０や、図示しない風呂への注湯回路などの所定の給湯箇所に供給される。

このように、給湯装置１００は、熱交換器１０を通過した高温水および熱交換器１０をバイパスした低温水を混合する、いわゆるバイパスミキシング方式の温水調温装置を含んで構成されている。

バイパス弁８０は、コントローラ３００からの制御指令に従って弁開度が制御されることにより、缶体配管５５の流量およびバイパス管６０の流量の比率を制御する。たとえば、バイパス弁８０による流量比率は、特許文献１と同様に、図示しない弁体を開閉駆動するステッピングモータ（図示せず）のステップ数によって制御することができる。

温度センサ１１０は、缶体配管５５に配置される。缶体配管５５には、流量センサ１５０がさらに配置される。流量センサ１５０は、代表的には、羽根車式流量センサによって構成することができる。

出湯管７０には、温度センサ１２０，１３０が設けられる。温度センサ１２０は、出湯管７０およびバイパス管６０の合流点７５よりも上流側（熱交換器１０側）に配置される。温度センサ１３０は、合流点７５よりも下流側（出湯側）に配置される。さらに、出湯管７０には、出湯流量を制御するための流量調整弁９０が設けられる。流量調整弁９０の弁開度は、コントローラ３００によって制御される。

たとえば、燃焼開始直後の加熱能力が不足する期間中において、出湯流量を絞るように流量調整弁９０の開度が制御されることによって、出湯温度の低下を防止することができる。また、燃焼開始直後以外でも、最大号数で運転する場合や、最大許容流量で運転する場合等において、目標温度に従って出湯するために、流量調整弁９０によって出湯流量を絞る制御を実行することができる。

コントローラ３００は、たとえば、マイクロコンピュータによって構成することができる。コントローラ３００は、各センサによる検出値およびユーザ操作を受けて、給湯装置１００の全体動作を制御するために、各機器への制御指令を発生する。ユーザ操作には、給湯装置１００の運転オン／オフ指令および、出湯温度の目標値に相当する目標温度（Ｔｒ＊）の指令が含まれる。

コントローラ３００は、給湯装置１００の運転指令がオンされると、流量センサ１５０によって検出される流量Ｑが最低作動流量（ＭＯＱ）を超えるのに応じて、缶体５での燃焼動作をオンする。燃焼動作がオンされると、元ガス電磁弁３２が開放されて、燃焼バーナ３０への燃料ガスの供給が開始される。これに応じて、本実施の形態に従う温水調温装置の運転が開始される。温水調温装置の運転時において、コントローラ３００は、目標温度Ｔｒ＊に従って出湯温度を制御する。

反対に、給湯装置１００の運転指令がオフされたとき、または、運転指令のオン中に流量Ｑが最低作動流量（ＭＯＱ）よりも低下したときには、燃焼バーナ３０への燃料ガスの供給が停止される。これに応じて、本実施の形態に従う温水調温装置の運転も終了される。

図２は、給湯装置１００の出湯温度を制御するための本実施の形態に従う温水調温装置の構成を説明するためのブロック図である。

図２を参照して、入水管５０からの低温水の一部は、バイパス弁８０を経由して、缶体配管５５へ導入される。この一部の低温水は、熱交換器１０の通過によって加熱されて高温水となった後、出湯管７０へ出力される。一方で、バイパス弁８０を経由してバイパス管６０へ導入された低温水は、熱交換器１０をバイパスするので、加熱されることなく、低温水のまま合流点７５へ導入される。そして、高温水および低温水が合流点７５で混合された温水が、給湯装置１００から出力される。すなわち、給湯装置１００の出湯温度は、高温水および低温水によって制御することができる。

図２に示された本実施の形態に従う温水調温装置において、熱交換器１０は「加熱要素」の一実施例に対応し、缶体配管５５と出湯管７０のうちの合流点７５よりも上流側（熱交換器１０側）の部分とによって、「加熱流路」の一実施例が構成される。さらに、バイパス管６０は「バイパス流路」の一実施例に対応する。

温度センサ１１０は、低温水の温度（以下、入水温度とも称する）を検出するために設けられる。温度センサ１１０は、図１に示されたように缶体配管５５に設けることが可能であるが、入水管５０またはバイパス管６０に設けられてもよい。温度センサ１２０は、高温水の温度（以下、缶体温度とも称する）を検出するために、出湯管７０のうちの合流点７５よりも上流側（熱交換器１０側）の部分に配置される。さらに、温度センサ１３０は、高温水および低温水の混合後の出湯温度を検出するために、出湯管７０のうちの合流点７５よりも下流側の部分に配置される。

温度センサ１１０によって検出された入水温度Ｔｗ、温度センサ１２０によって検出された缶体温度Ｔｂおよび、温度センサ１３０によって検出された出湯温度Ｔｈは、コントローラ３００へ伝送される。

図１および２に示された構成において、温度センサ１１０は「第１の温度検出器」に対応し、温度センサ１２０は「第２の温度検出器」に対応し、温度センサ１３０は「第３の温度検出器」に対応する。また、入水温度Ｔｗ、缶体温度Ｔｂおよび出湯温度Ｔｈは、それぞれ、「第１の検出温度」、「第２の検出温度」および「第３の検出温度」に相当する。

コントローラ３００は、出湯温度Ｔｈの目標値である目標温度Ｔｒ＊と、温度センサ１１０〜１３０による検出温度（Ｔｈ，Ｔｗ，Ｔｂ）に基づいて、高温水および低温水の流量比率を制御するためのバイパス弁８０のステップ数Ｘを設定する。すなわち、バイパス弁のステップ数は「操作量」に相当する。

バイパス弁８０は、コントローラ３００から指令されたステップ数Ｘに従った弁開度の制御により、入水管５０から缶体配管５５への缶体流量Ｑ１（すなわち、高温水流量）および、入水管５０からバイパス管６０へのバイパス流量Ｑ２（すなわち、低温水流量）の比率を制御する。以下では、缶体流量Ｑ１およびバイパス流量Ｑ２の比を用いて、高温水および低温水の流量比率ｋを下記の式（１）に従って定義する。

ｋ＝Ｑ２／Ｑ１ …（１）
したがって、流量比率ｋは、コントローラ３００によって設定された、バイパス弁８０のステップ数Ｘによって制御することができる。すなわち、バイパス弁８０は「流量比率制御機構」の一実施例に対応する。

このように、コントローラ３００は、バイパス弁８０によって高温水および低温水の流量比率を制御することによって、出湯温度Ｔｈを目標温度Ｔｒ＊に従って制御することができる。

なお、図２に示されたミキシング方式の温水調温装置では、低温水から出湯温度への温度上昇に係る熱量と、高温水から出湯温度への温度低下に係る熱量とが均衡する。したがって、缶体流量Ｑ１、バイパス流量Ｑ２、缶体温度Ｔｂ、入水温度Ｔｗおよび、出湯温度Ｔｈの間には、下記の式（２）の関係が成立する。

Ｑ２・（Ｔｈ−Ｔｗ）＝Ｑ１・（Ｔｂ−Ｔｈ） …（２）
式（２）から、式（１）に示した流量比率ｋは、缶体温度Ｔｂ、入水温度Ｔｗおよび、出湯温度Ｔｈによって、式（３）で示すことができる。

ｋ＝Ｑ２／Ｑ１＝（Ｔｂ−Ｔｈ）／（Ｔｈ−Ｔｗ） …（３）
図３は、コントローラ３００による給湯装置１００の出湯温度制御を説明する機能ブロック図である。

図３を参照して、コントローラ３００は、流量比率制御部３１０と、缶体温度制御部３２０とを有する。たとえば、流量比率制御部３１０および缶体温度制御部３２０の各機能は、コントローラ３００が予め格納されたプログラムを実行するソフトウェア処理によって実現することができる。あるいは、専用の電子回路を用いてハードウェア処理を用いて、流量比率制御部３１０および缶体温度制御部３２０の各機能の一部または全部を実現することも可能である。

流量比率制御部３１０は、図２でも説明したように、目標温度Ｔｒ＊と、温度センサ１１０〜１３０による検出温度（Ｔｂ，Ｔｈ，Ｔｗ）とに基づいて、出湯温度Ｔｈを目標温度Ｔｒ＊に制御するためのバイパス弁８０のステップ数Ｘを設定する。ステップ数Ｘに従って流量比率ｋが調整されることによって、出湯温度Ｔｈを目標温度Ｔｒ＊に制御することが可能である。

さらに、流量比率制御部３１０によるバイパス弁８０の制御に、缶体温度制御部３２０による缶体温度Ｔｂの一定制御を組み合わせることができる。缶体温度制御部３２０は、熱交換器１０の出力温度（すなわち、缶体温度Ｔｂ）を所定温度に維持するように燃焼バーナ３０の発生熱量を制御するための、燃焼バーナ３０への制御指令（バーナ指令）を生成する。

具体的には、缶体温度制御部３２０は、流量センサ１５０によって検出された缶体流量Ｑ１と、温度センサ１１０によって検出された入水温度Ｔｗと、温度センサ１２０によって検出された缶体温度Ｔｂと、缶体温度Ｔｂの目標温度Ｔｂ＊とに基づいて、缶体温度Ｔｂを目標温度Ｔｂ＊に維持するためのバーナ指令を生成する。バーナ指令は、燃焼バーナ３０による発生熱量を制御するための、ガス比例弁３３の開度および能力切換弁３５ａ〜３５ｃの開閉の制御指令である。

熱交換器１０での昇温量ΔＴは、ΔＴ＝Ｔｂ＊−Ｔｗで示される。したがって、熱交換器１０において上記昇温量ΔＴを得るための単位時間当たりの熱量は、Ｑ１・ΔＴとなる。したがって、熱交換器１０での熱効率を考慮して、Ｑ１・ΔＴに従って、燃焼バーナ３０に対する要求発生熱量Ｐ＊を求めることができる。あるいは、缶体温度Ｔｂの偏差（Ｔｂ＊−Ｔｂ）をさらに反映して、要求発生熱量Ｐ＊を算出することも可能である。

缶体温度制御部３２０は、算出された要求発生熱量Ｐ＊に応じて、燃焼バーナ３０全体からの供給ガス量を設定する。たとえば、コントローラ３００には、各供給ガス量を実現するためのバーナ本数およびガス流量の組合せを予めテーブル化されている。缶体温度制御部３２０は、上述のように算出された要求発生熱量Ｐ＊に対応するバーナ本数およびガス流量が実現されるように、ガス比例弁３３の開度および能力切換弁３５ａ〜３５ｃの開閉を制御するバーナ指令を生成することができる。

缶体温度制御部３２０によって缶体温度Ｔｂの変化を抑制することにより（Ｔｂ＝Ｔｂ＊）、Ｔｈ＝Ｔｒ＊を実現するための流量比率の変動要因を少なくすることができる。これにより、流量比率制御部３１０によるバイパス弁８０を用いた出湯温度制御を安定化することができる。

以下では、流量比率制御部３１０による、流量比率の制御のためのバイパス弁８０の制御について、さらに詳細に説明する。

図４は、バイパス弁８０におけるステップ数Ｘと流量比率ｋとの対応関係を説明するグラフである。

図４を参照して、バイパス弁８０では、ステップ数Ｘに従って弁開度が変化することに応じて、高温水および低温水の流量比率ｋ（ｋ＝Ｑ２／Ｑ１）が変化する。図２の例では、バイパス弁８０は、ステップ数Ｘの増加に応じて、流量比率ｋが低下（すなわち、バイパス流量Ｑ２が低下）するように構成される。

バイパス弁８０の開度特性は、ステップ数Ｘおよび流量比率ｋの対応関係で示される。本実施の形態に従う温水調温装置では、バイパス弁８０について、ステップ数Ｘおよび流量比率ｋの間の基準となる対応関係が、基準特性線４００として予め定められる。たとえば、事前の実機試験結果等に基づいて、基準特性線４００を予め求めることが可能である。

さらに、基準特性線４００に従って、ステップ数Ｘから流量比率ｋを算出するための関数η（Ｘ）と、反対に、流量比率ｋからステップ数Ｘを算出するための逆関数η^-1（ｋ）とを設定することができる。基準特性線４００に従う関数η（Ｘ）および逆関数η^-1（ｋ）を用いて、ステップ数Ｘから流量比率ｋへの換算、および、流量比率ｋからステップ数Ｘへの換算の両方が可能となる。

たとえば、基準特性線４００に複数の基準点（Ｘ，ｋ）を設定し、基準点間を線形補完する演算によって、上述の関数η（Ｘ）および逆関数η^-1（ｋ）の演算を実行することができる。基準特性線４００、ならびに、関数η（Ｘ）および逆関数η^-1（ｋ）を規定するデータは、コントローラ３００内のメモリ（図示せず）に予め記憶することができる。

バイパス弁８０のステップ数Ｘは、所望の流量比率を基準特性線４００に従う逆関数η^-1（ｋ）によって換算することで設定される。したがって、出湯温度制御のために流量比率ｋ＝ｋａに調整したい場面では、基準特性線４００に従って、ステップ数Ｘ＝Ｘａに設定される。

しかしながら、バイパス弁８０の実際の開度特性は、部品ばらつきによる個体差や稼働環境の差異等によって、基準特性線４００とは異なるものとなる可能性がある。このような場合には、基準特性線４００からの開度特性のずれによって、想定した流量比率を正確に得ることが困難になる。たとえば、図４に示すように、実際の開度特性線４０５が、基準特性線４００と一致していない場合には、ステップ数Ｘａが設定されたときの実際の流量比率ｋはｋａではなくｋｂとなる。この結果、流量比率誤差Δｋ（ここではΔｋ＞０）が生じるため、出湯温度Ｔｈに目標温度Ｔｒ＊からの誤差が生じることが懸念される。すなわち、Δｋ＞０となることによってＴｈ＜Ｔｒ＊となる虞がある。

特許文献１の温度制御では、上記の式（３）に従って、検出温度から実際の流量比率（ρ′）を求め、目標温度から求められた目標流量比率（ρ）に対する偏差（Δρ＝ρ′−ρ）をＰＩ演算するフィードバック制御によって、補正ステップ数を算出している。そして、目標流量比率から逆算された目標ステップ数と上記補正ステップ数との和によって、バイパス弁の実際のステップ数を設定している。

したがって、特許文献１による制御では、流量比率誤差Δｋによって発生する偏差Δρに基づいて演算された補正ステップ数Ｘｆｂを用いて、基準特性線４００に従う目標ステップ数（図４ではＸａに相当）を補正する。これにより、実際の流量比率ｋがｋａとなるような、ステップ数Ｘ＝Ｘｚ（Ｘｚ＝Ｘａ＋Ｘｆｂ）に従ってバイパス弁８０が制御されることになる。これにより、Ｔｈ＝Ｔｒ＊に制御された状態を形成することができる。すなわち、特許文献１による制御は、基準特性線４００に対する実際の開度特性の誤差について、図４の縦軸方向の誤差を補償するようにフィードバック制御が作用する。

一旦Ｔｈ＝Ｔｒ＊に制御された状態から、流量変化等の動作状態の変化に伴う出湯温度の変化によって、Ｔｈ＝Ｔｒ＊とするための流量比率が変化したケースを想定する。この場合には、Ｔｈ＝Ｔｒ＊とするための目標流量比率が変化する。さらに、変更後の目標流量比率に基づき基準特性線４００に従って目標ステップ数が変更される。そして、変更後の目標ステップ数と、現時点での補正ステップ数との和に従ってバイパス弁８０のステップ数が変更されることになる。

特許文献１では、補正ステップ数は、ある動作状態での図４の縦軸方向の誤差を補償するように設定される。このため、動作状態が変化すると、Ｔｈ＝Ｔｒ＊とするための補正ステップ数も変化する傾向にある。したがって、動作状態の変化毎に、再び出湯温度を目標温度に一致させる際の制御精度は、フィードバックゲイン（ＰゲインおよびＩゲイン等）に左右される。

フィードバックゲインの設定に対しては、オーバーシュートまたはアンダーシュートの抑制と、整定速度の短縮とがトレードオフの関係となることが知られており、両者をバランスさせた最適なゲイン調整が必要となる。さらに、動作状態が異なると、最適なゲイン値も変化することが懸念される。しかしながら、動作状態の変化に応じて異なるゲイン値を設定すると、制御式の複雑化や調整の困難化が懸念される。

このように、特許文献１のような、バイパス弁８０の開度特性の誤差を、検出温度から算出された流量比率のフィードバック制御によって補償する制御方式では、出湯温度の制御精度に改善の余地がある。

したがって、本実施の形態に従う温水調温装置では、バイパス弁８０の開度特性の誤差を、等価的に学習することによって、バイパス弁８０による出湯温度制御を実行する。

図５は、本実施の形態に従う温水調温装置におけるバイパス弁８０のステップ数の補正処理を説明するための概念図である。

図５を参照して、バイパス弁８０の実際の開度特性は、基準特性線４００とは異なる、開度特性線４２０または４２５によって示されるものとする。開度特性線４２０では、同一の流量比率を実現するステップ数Ｘは、基準特性線４００よりも小さくなる。反対に、開度特性線４２５では、同一の流量比率を実現するステップ数Ｘは、基準特性線４００よりも大きくなる。

特許文献１にも記載されるように、現在のステップ数に対する実際の流量比率は、式（３）に従って、温度センサ１１０〜１３０による検出温度を用いて算出することができ、さらに、算出された流量比率については、逆関数η^-1（ｋ）によってステップ数Ｘに換算することができる。

ここで、実際の開度特性が開度特性線４２０に従う場合には、検出温度に基づく実際の流量比率がｋａであるとき、現在のステップ数はＸ＝Ｘ１となっている。したがって、流量比率ｋａを逆関数η^-1（ｋ）によって換算したステップ数Ｘａと現在のステップ数Ｘ１との差分（Ｘ１−Ｘａ）を、開度特性誤差に起因するステップ偏差ΔＸと定義する。開度特性線４２０の下では、ΔＸ＜０である。

一方で、実際の開度特性が開度特性線４２５に従う場合には、検出温度に基づく実際の流量比率がｋａであるとき、現在のステップ数はＸ＝Ｘ２となっている。したがって、流量比率ｋａを換算したステップ数Ｘａと現在のステップ数Ｘ２とのステップ偏差ΔＸ＝（Ｘ２−Ｘａ）＞０である。

本実施の形態に従う温水調温装置では、このようにステップ偏差ΔＸに基づいて、目標ステップ数に対する補正ステップ数Ｘｃを算出する。すなわち、開度特性線４２０を有するバイパス弁８０では、ΔＸ＜０に対応して、Ｘｃ＜０に設定される。この結果、流量比率ｋａを得るためには、η^-1（ｋ）によって換算されたステップ数Ｘａと、補正ステップ数Ｘｃ（Ｘｃ＜０）との和に従って、バイパス弁８０のステップ数Ｘが算出される。これにより、開度特性線４２０でｋ＝ｋａとなるステップ数Ｘ１に対応させて、ステップ数Ｘを設定することができる。

同様に、開度特性線４２５を有するバイパス弁８０では、ΔＸ＞０に対応して、Ｘｃ＞０に設定される。この結果、流量比率ｋａを得るためには、ステップ数Ｘａと、補正ステップ数Ｘｃ（Ｘｃ＞０）との和に従って、開度特性線４２５でｋ＝ｋａとなるステップ数Ｘ２に対応させて、ステップ数Ｘを設定することができる。

このように本実施の形態に従う温水調温装置では、バイパス弁８０による流量比率ｋの誤差をバイパス弁８０の操作量（ステップ数）での偏差に換算することで、基準特性線４００からのステップ数の誤差（図４での横軸方向の誤差）を直接補正するように、バイパス弁８０が制御される。

図６は、本実施の形態に従う温水調温装置における流量比率制御の処理を説明するフローチャートである。図６に示されるフローチャートの処理は、コントローラ３００によって周期的に実行することができる。この結果、図３に示された流量比率制御部３１０の機能が実現される。

図６を参照して、コントローラ３００は、ステップＳ１００により、目標温度Ｔｒ＊、ならびに、温度センサ１１０〜１３０によって検出された、入水温度Ｔｗ、缶体温度Ｔｂおよび出湯温度Ｔｈを読込む。

コントローラ３００は、ステップＳ１１０により、下記の式（４）に従って、Ｔｈ＝Ｔｒ＊とするための目標流量比率ｋｔを算出する。

ｋｔ＝Ｑ２／Ｑ１＝（Ｔｂ−Ｔｒ＊）／（Ｔｒ＊−Ｔｗ） …（４）
式（４）は、式（３）において、Ｔｈ＝Ｔｒ＊としたものである。流量比率ｋ＝ｋｔであれば、高温水からの温度低下に係る熱量（単位時間当たり）であるＱ１・（Ｔｂ−Ｔｈ）と、低温水からの温度上昇に係る熱量（単位時間当たり）であるＱ２・（Ｔｈ−Ｔｗ）とが均衡することにより、Ｔｈ＝Ｔｒ＊に制御することができる。

さらに、コントローラ３００はステップＳ１２０により、ステップＳ１１０で算出された目標流量比率ｋｔを、基準特性線４００に従って目標ステップ数Ｘｔに換算する。目標ステップ数Ｘｔは、基準特性線４００に従う逆関数η^-1（ｋ）において、ｋ＝ｋｔとすることで算出できる。目標ステップ数Ｘｔは「目標操作量」に対応する。

コントローラ３００は、ステップＳ１３０により、温度センサ１１０〜１３０による検出温度を、式（３）に代入することによって、バイパス弁８０での実際の流量比率（実績流量比率）ｋａを算出する。

さらに、コントローラ３００は、ステップＳ１４０により、ステップＳ１３０で算出された実績流量比率ｋａを、基準特性線４００に従ってステップ数Ｘａに換算する。ステップ数Ｘａについても、逆関数η^-1（ｋ）において、ｋ＝ｋａとすることで算出できる。ステップ数Ｘａは、「換算操作量」に相当する。

さらに、コントローラ３００はステップＳ１５０により、バイパス弁８０の現在のステップ数Ｘｏと、ステップＳ１４０で求められたステップ数Ｘａとのステップ偏差ΔＸを求める。

図７は、ステップ偏差ΔＸの算出処理を説明するための概念図である。
図７を参照して、バイパス弁８０では、現在のステップ数Ｘｏにおいて、実際の流量比率ｋ＝ｋａとなっている（Ｓ１３０）。バイパス弁８０の実際の開度特性が、基準特性線４００からのずれを有する開度特性線４００♯に従っているため、基準特性線４００に従って流量比率ｋａを換算したステップ数Ｘａと、現在のステップ数Ｘｏとの間にはステップ偏差ΔＸ（ΔＸ＝Ｘｏ−Ｘａ）が生じる。

再び図６を参照して、コントローラ３００は、ステップＳ１６０により、このように算出されるステップ偏差ΔＸを用いて、補正ステップ数Ｘｃを算出する。たとえば、各制御周期で算出されるステップ偏差ΔＸの推移を時間軸方向に平滑化することによって、補正ステップ数Ｘｃを求めることができる。

たとえば、ステップＳ１５０で算出されたステップ偏差ΔＸを、今回の制御周期でのΔＸ［ｉ］とすると、各制御周期での補正ステップ数Ｘｃを下記式（５）に従って設定することができる。

Ｘｃ［ｉ＋１］＝Ｌ・Ｘｃ［ｉ］＋（１．０−Ｌ）・ΔＸ［ｉ］ …（５）
式（５）は、各制御周期でのステップ偏差ΔＸの指数移動平均によって平滑化することで、補正ステップ数Ｘｃを逐次更新するものである。すなわち、次回の制御周期で用いられる補正ステップ数Ｘｃ［ｉ＋１］は、今回の制御周期でのステップ偏差ΔＸ［ｉ］を反映して、今回の制御周期での補正ステップ数Ｘｃ［ｉ］を更新することによって得られる。

式（５）中のＬは、０＜Ｌ＜１．０の範囲内で設定される、平滑化の速度を調整するためのパラメータ値であり、Ｌの値が大きいほど、ステップ偏差ΔＸの変化を反映した補正ステップ数Ｘｃの変化が緩やかとなる。反対に、Ｌの値が小さいほど、補正ステップ数Ｘｃの変化は急峻になる。このように、指数移動平均に代表される平滑化処理を伴って、ステップ偏差ΔＸから補正ステップ数Ｘｃを算出することにより、補正ステップ数Ｘｃの急変を抑制して、制御を安定化することができる。

コントローラ３００は、ステップＳ１７０により、ステップＳ１２０により算出された目標ステップ数Ｘｔと、前回の制御周期のステップＳ１６０で算出された補正ステップ数Ｘｃ［ｉ］とを加算して、今回の制御周期でのステップ数Ｘ［ｉ］を算出する。このように、各制御周期において、目標ステップ数Ｘｔを、補正ステップ数Ｘｃによって補正することで、バイパス弁８０の操作量であるステップ数Ｘ［ｉ］が設定される。すなわち、補正ステップ数Ｘｃは「補正操作量」に相当する。

なお、次回の制御周期（ｉ＋１）における現在のステップ数Ｘｏ（ステップＳ１５０）は、今回の制御周期（ｉ）で設定されたステップ数Ｘ［ｉ］に相当する。すなわち、各制御周期におけるステップ偏差ΔＸの演算（Ｓ１５０）では、過去（代表的には前回）の制御周期（Ｓ１７０）で設定されたステップ数Ｘを、現在のステップ数Ｘｏとして用いることができる。

このように、本実施の形態に従う温水調温装置によれば、バイパス弁８０による流量比率ｋの誤差をバイパス弁８０の操作量（ステップ数）での偏差に換算して目標ステップ数からの補正量（補正ステップ数）が設定される。この結果、補正ステップ数によって、等価的に、基準特性線４００からの実際の開度特性のずれ量（図４での横軸方向の誤差）を学習することができる。

したがって、流量変化等に伴う出湯温度の変化によってＴｈ＝Ｔｒ＊とするための目標流量比率ｋｔが変化した場合でも、基準特性線４００に従う目標ステップ数Ｘｔを、これまでの補正ステップ数Ｘｃによって補正することにより、これまで学習した基準特性線４００からのずれ量を反映して、バイパス弁８０のステップ数Ｘを設定することができる。この結果、目標流量比率ｋｔが変化した場合に、出湯温度Ｔｈを目標温度Ｔｒ＊に再び一致させるまでの制御精度（整定時間およびオーバーまたはアンダーシュート）を改善することができる。

また、上述のように、本実施の形態に従う温水調温装置では、補正ステップ数Ｘｃは、基準特性線４００からの実際の開度特性のずれ量と等価であるため、動作状態が変化してもそれ程大きく変わらない。このため、補正ステップ数Ｘｃは、給湯装置１００の運転がオフされて、温水調温装置による給湯が停止された際にもクリアせずに維持することができる。すなわち、給湯終了時には、補正ステップ数Ｘｃの最終値をコントローラ３００内のメモリ（図示せず）に記憶することにより、当該記憶値を次回の給湯開始時における補正ステップ数Ｘｃの初期値としてそのまま用いることができる。この結果、本実施の形態に従う温水調温装置によれば、給湯開始直後においても、バイパス弁８０の開度特性の誤差を反映して流量比率を適切に制御できるため、出湯温度Ｔｈの制御精度を高めることができる。

以下に、本実施の形態に従う温水調温装置の変形例について説明する。
（平滑化処理の速度調整）
式（５）の指数移動平均のような平滑化処理においては、平滑化の速度、すなわち、ステップ偏差ΔＸの変化を反映した補正ステップ数Ｘｃの変化速度を、流量に応じて調整することが好ましい。

たとえば、図８に示されるように、温水調温装置での流量Ｑが小さいほど、式（５）でのＬを大きく設定して、ステップ偏差ΔＸの変化を反映した補正ステップ数Ｘｃの変化を緩やかにすることが好ましい。反対に、流量Ｑが大きいほど、式（５）でのＬを小さく設定して、補正ステップ数Ｘｃの変化を急峻にすることができる。この結果、バイパス弁８０での開度特性の誤差が、出湯温度Ｔｈに反映されて実績流量比率ｋａ（ステップＳ１３０）に現れるまでの無駄時間の長短に対応して、補正ステップ数Ｘｃを適切に設定することが可能となる。

図８の横軸に示された流量Ｑとしては、図１に示された流量センサ１５０によって検出された缶体流量Ｑ１を用いることができる。ただし、バイパス流量Ｑ２または、給水流量または出湯流量（Ｑ１＋Ｑ２）を検出するように、流量センサ１５０は、入水管５０、バイパス管６０または、出湯管７０（合流点７５よりも下流側）に配置された場合にも、流量センサ１５０による流量検出値を用いて、図８に従って平滑化処理の速度を調整することが可能である。

（全体流量の算出）
たとえば、給湯装置１００によって浴槽の自動湯張り運転を行う場合には、出湯流量の積算値を用いて、自動的に給湯を停止する機能が必要となる。この際に、図１の構成例のように、高温水の流量（缶体流量Ｑ１）のみを検出するように流量センサ１５０が配置された構成では、温水調温装置が適用された給湯装置１００からの出湯流量については、演算で求めることが必要となる。あるいは、低温水の流量（バイパス流量Ｑ２）のみを検出するように流量センサ１５０が配置される場合も同様である。

図９は、図１の構成例において温水調温装置からの出湯流量を算出するための制御処理を説明するフローチャートである。

図９を参照して、コントローラ３００は、ステップＳ２００によって、流量センサ１５０の検出値から缶体流量Ｑ１を読込む。

さらに、コントローラ３００は、ステップＳ２１０により、缶体流量Ｑ１を目標流量比率ｋｔによって除算したバイパス流量の計算値（Ｑ１／ｋｔ）と、缶体流量Ｑ１との和に従って、全体の出湯流量Ｑｔ（Ｑｔ＝Ｑ１＋Ｑ２）を算出する。すなわち、出湯流量Ｑｔは、缶体流量Ｑ１（検出値）および目標流量比率ｋｔを用いて、式（６）に従って算出することができる。

Ｑｔ＝Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ１＋Ｑ１・ｋｔ＝Ｑ１・（１＋ｋｔ） …（６）
また、流量センサ１５０が低温水の流量（バイパス流量Ｑ２）のみを検出するように配置されている場合には、下記の式（７）に従って、出湯流量Ｑｔを算出することができる。

Ｑｔ＝Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ２／ｋｔ＋Ｑ２＝Ｑ２・（ｋｔ＋１）／ｋｔ …（７）
本実施の形態に従う温水調温装置では、補正ステップ数Ｘｃを用いることによって、バイパス弁８０による実際の流量比率と、目標流量比率ｋｔとの差を抑制できる効果を活用して、目標流量比率ｋｔを用いた簡易な演算によって、高温水および低温水の一方の検出流量から全体の出湯流量Ｑｔを高精度に算出することができる。

（バイパス弁配置の変更例）
本実施の形態に従う温水調温装置おいて、高温水および低温水の流量比率の制御要素であるバイパス弁８０の配置位置は、図１の構成例に限定されるものではない。

図１０および図１１には、バイパス弁の配置位置の変形例が示される。
図１０を参照して、バイパス弁８０は、バイパス管６０および出湯管７０の合流点７５に対応して配置することも可能である。図１０の構成においても、混合される高温水および低温水の流量比率を、バイパス弁８０のステップ数Ｘによって制御することが可能である。

図１１を参照して、バイパス弁８０は、缶体配管５５およびバイパス管６０の分岐点６５よりも下流側において、バイパス管６０に介挿接続することも可能である。図１１の構成においても、バイパス弁８０のステップ数Ｘによってバイパス流量Ｑ２を制御することによって、高温水および低温水の流量比率を、制御することが可能である。

なお、図１０および図１１の構成では、図４等に示した基準特性線４００が、図１の構成例から変化する可能性がある。すなわち、基準特性線４００については、バイパス弁８０の配置位置が異なる構成毎に予め作成することが好ましい。図１０および図１１に示された構成においても、予め作成された基準特性線４００を用いて、図６に示された制御処理による流量比率制御によって、出湯温度を制御することができる。

また、本実施の形態では、高温水および低温水の流量比率ｋをｋ＝Ｑ２／Ｑ１と定義したが、流量比率は、全体の出湯流量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する缶体流量Ｑ１の比であるｋ１（ｋ１＝Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２）または、全体の出湯流量（Ｑ１＋Ｑ２）に対するバイパス流量Ｑ２の比であるｋ２（ｋ２＝Ｑ２／Ｑ１＋Ｑ２））としてもよい。

これらの場合には、流量比率ｋ１，ｋ２の定義に従って、式（２）〜（４）および基準特性線４００を変形する必要があるが、変形された式（２）〜（４）および基準特性線４００を用いることによって、本実施の形態で説明したのと同様にバイパス弁８０のステップ数Ｘを制御することができる。

また、バイパス弁８０（すなわち、流量比率制御機構）の操作量についても、ステップ数とは異なる任意の定量値とすることができる。すなわち、当該定量値と流量比率との関係について、予め基準特性関係を定めることが可能であれば、本実施の形態と同様の補正を用いて、バイパス弁８０（流量比率制御機構）の操作量を設定することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５ 缶体、１０ 熱交換器、１１ 一次熱交換器、１２ 二次熱交換器、１５ 排気経路、３０ 燃焼バーナ、３１ ガス供給管、３２ 元ガス電磁弁、３３ ガス比例弁、３５ａ，３５ｂ，３５ｃ 能力切換弁、４０ 送風ファン、４５ 回転数センサ、５０ 入水管、５５ 缶体配管、６０ バイパス管、６５ 分岐点、７０ 出湯管、７５ 合流点、８０ バイパス弁、９０ 流量調整弁、１００ 給湯装置、１１０，１２０，１３０ 温度センサ、１５０ 流量センサ、１９０ 給湯栓、３００ コントローラ、３１０ 流量比率制御部、３２０ 缶体温度制御部、４００ 基準特性線、４００♯，４０５，４２０，４２５ 開度特性線（実際）、Ｑ１ 缶体流量、Ｑ２ バイパス流量、Ｔｂ 缶体温度、Ｔｂ＊ 目標温度（缶体温度）、Ｔｈ 出湯温度、Ｔｒ＊ 目標温度（出湯温度）、Ｔｗ 入水温度、Ｘ ステップ数（バイパス弁）、Ｘｃ 補正ステップ数、Ｘｔ 目標ステップ数。

Claims (4)

1. 加熱要素を経由する加熱流路と、
   前記加熱要素の上流側で前記加熱流路から分岐するとともに、前記加熱要素の下流側の結合点で前記加熱流路と合流するバイパス流路と、
   前記加熱流路を通過する高温水および前記バイパス流路を通過する低温水の間の流量比率を制御するための流量比率制御機構と、
   前記低温水の温度を検出する第１の温度検出器と、
   前記高温水の温度を検出する第２の温度検出器と、
   前記結合点の下流側に配置され、前記高温水および前記低温水の混合後の出湯温度を検出する第３の温度検出器と、
   前記第１から第３の温度検出器によってそれぞれ検出された第１から第３の検出温度と、前記出湯温度の目標温度とに基づいて、前記流量比率制御機構の操作量を設定する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記流量比率制御機構における前記操作量と前記流量比率との間の予め定められた基準特性関係を予め記憶するとともに、
   前記第１から第３の検出温度に基づいて算出された前記流量比率制御機構における実績流量比率から前記基準特性関係に従って逆算される換算操作量と、前記流量比率制御機構の現在の操作量との偏差に基づいて補正操作量を算出し、さらに、
   前記第１および第２の検出温度と前記目標温度とに基づいて算出された目標流量比率を前記基準特性関係に従って逆算した目標操作量を、前記補正操作量によって補正することによって前記流量比率制御機構の前記操作量を設定し、
   前記補正操作量は、前記偏差の推移を時間軸方向に平滑することによって算出される、温水調温装置。
2. 前記補正操作量は、前記偏差を指数移動平均することによって算出される、請求項１記載の温水調温装置。
3. 前記高温水の流量、前記低温水の流量および、前記高温水および前記低温水の合計流量の少なくとも１つを検出するための流量検出器をさらに備え、
   前記補正操作量は、前記流量検出器による検出流量が低いほど、前記偏差の変化に対する前記補正操作量の変化が緩やかになるように平滑化される、請求項１又は２に記載の温水調温装置。
4. 前記高温水および前記低温水の一方の流量を検出するための流量検出器をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記目標流量比率と、前記流量検出器による流量検出値とを用いて、前記高温水および低温水の混合後の出湯流量を算出する、請求項１又は２に記載の温水調温装置。

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