JPH01225861A - 給湯機における流量制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、瞬間湯沸器その他の給湯機における流量制御
方法及び装置の改良に関する。

［従来の技術］ 供給された水を、ガス、石油等の燃料を燃焼させるバー
ナ装置を持った熱交換機にて昇温し、出湯口から湯とし
て出力する給湯機は、各種家庭用、業務用として盛んに
用いられている。

しかるに、昨今のこの種の給湯機では、一般にマイクロ
・コンピュータが酋及したこと等もあって、様々な制御
が図られ、また可能となってきているが、その中の一つ
として、器具の最大熱にないし最大給湯能力Ｆａ［Ｋｃ
ａｌ／ｍｉｎ］にかんがみ、状況に応じて出湯晴を制御
しようとするものがある。

例えば、温度ＴＣ［’Ｃ］で供給された水を、使用者が
望む出湯温である設定温ＴＳ［”Ｃ］にまで、昇温する
に際し、当該給水温ＴＣ［”Ｃ］が低過ぎる等の状況の
結果、器具が発生し得る最大の熱量ないし最大給湯能力
Ｆａ［にｃａｌ／ｍ１ｎｌをフルに発揮させても当該設
定温Ｔｓは得られそうもない、というような場合には、
流量バルブを絞って流量の方を制限しようとするのであ
る。

ただし、そのようにするにも、使用者が出湯口を自らの
操作で意図的に絞って流！量を少なくした場合はともか
く、機器の側としては流量を絞り過ぎることのないよう
、そのときどきで上記の最大能力Ｆａを十分に発揮させ
、できるだけ多くの湯量を供給可能なように、上記三つ
のパラメータ、すなわち、設定温Ｔｓ［℃コ、給水温Ｔ
Ｃ［”Ｃ］、器具の最大給湯能力Ｆａ［Ｋｃａｌ／ｍｉ
ｎ］をマイクロ・コンピュータを利用する等した演算系
に取込み、次式■に従って、そのときどきに必要な流量
（目標流量）０．４［１／ｕ＋ｉｎｌを求めるべくして
いた。

したがって、こうした従来の流量バルブ制御をなす上で
必要な装置を概念構成として示すと第３図示のようにな
り、供給された水は流量バルブ１゜を通過した後、熱交
換機ｌｌ中を通り、ここで昇温されて出湯口から湯とし
て出力され、流量バルブＩＯには、そのときどきで上記
式■に従って演算された結果としての目標流量ＯＨが与
えられて、その弁開度が調整される。

もっとも、目標流量θＨは、流量バルブ１０をその目標
流量を得るべき弁開度にまで駆動するに適当な信号形態
に変換して与えられるのが酋通であり、また、その配置
位置は、一般に図示のように熱交換機１１の前とされる
ことが多いが、後に置かれても原理的には問題なく、し
たがって本、４で言う“流量”とは、給水量であっても
出湯がであっても良く、実際上、両者は同一である。

［発明が解決しようとする課′ＸＡ］ 従来例における流量バルブ制御では、上記の式■から明
らかなように、設定温ＴＳや給水温Ｔｃが変動したとき
だけ、目標流量ＯＭも更新されるが、この更新は当該設
定温Ｔｓないし給水温Ｔｃの変化したまさにその時点に
おいて一義的にステップ状の変化をもって決定され、い
ったん演算されたならば、目標流量０）Ｉは固定的な値
となる。器具の最大給湯能力Ｆａは値として一定だから
である。

このような従来のフィード・フォワード制御で最も問題
となるのは、給湯が開始した時とか、設定温に変更かあ
ったとき等における過渡特性には、何等の補正項も入っ
ていないということである。

つまり、機器が燃焼を開始して湯を給湯し始めるときの
過渡期に特に顕著であるが、水温ＴＣの冷たい水を設定
温Ｔｓに持って行くま工の時間は、当；ｊＡ　Ｔ　ｓと
ＴＣの差が大きいため、上記■に従って相当に流−１を
絞ってもなお、かなり長く掛かるという欠点がある。

また、ある程度、出湯口からは湯として供給されている
状態で、もっと高温の湯を得たいとか、逆に低温にした
いとして使用者が設定温Ｔｓを可変した場合にも、この
温度ＴＳに実際の出湯温が至るには、上記従来の演算式
■に従う限り、結構、時間か掛かっていた。

そこで、従来からも、少なくとも燃焼開始ないし給湯開
始時に限っては、当該開始時点から一定の時間の間だけ
、上記０式中の最大能力Ｆａをそれよりも小さ目の値に
して演算系に人力するという手法が考えられた。すなわ
ち、当該一定時間の間だけは、上記０式中の分母の値Ｆ
ａが小さくなることから、目標流量０．４をより一層、
大きく絞った形にするのである。流量か少なければ、水
温Ｔｃを設定温Ｔｓにまで昇温するに要する時間（収束
時間）も短くなる。

しかし、これは決して望ましい補正手法ではない。一定
時間の間、最大能力値Ｆａを小さくしたままにするとい
うことは、換言すれば、その時間を経過する以前にすで
に機器の本当の最大給湯能力Ｆａを発揮できる状態にな
っていても、そうはならず、そのまま流’＋ｔを絞った
状態を続けてしまうからである。

つまり、この手法によれば、確かに、設定温Ｔ３に実際
の出湯温を至らせるまでの収束時間は短くし得ようが、
流：ｄが少ない状態を状況の如何にかかわらず、常に一
定時間、継続させてしまうという点で、新たなる欠点を
生むのである。

本発明はこうした実情にかんがみ、上記のように給湯開
始時から設定温に至る過渡期において最も顕著となるが
、これに限らず、設定温が変更になったとき等、要は出
湯温がそれまでの状態から変更になる場合には、流量制
御によりその変更をできるだけ速やかに終わらせ、一方
、常に給湯機の最大能力を利用可能な形態で、流量も単
に固定的にではなく、可変制御せんとするものである。

言わば、この種の機器に対して流量とその温度追従性（
収束時間）に関し、“より多く、より速く”という市場
の要請を合理的に満足し得る制御方法及び装置を提供せ
んとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明では、上記目的を達成するため、目標流量の演算
に関し、従来用いられていたパラメータ群に加え、実際
に出湯される出湯温ｒｕ［’ｃｌの項も人わるようにし
、実際の出湯温ＴＨと一般に使用者の設定に任される設
定温Ｔ８との間の差及びその差の方向（正負）に応じ、
流量バルブを可変制御することを本発明の最も基本的な
形態とする。

そして特に、上記の本発明を既述の従来例において用い
られていた演算式■に対し改良、適用すれば、先の従来
例の場合、記号“θＨ”で表した目標流量を改めて“Ｏ
７”で書き直すと、当該目標流量０１は、設定温Ｔｓ、
給水温Ｔｃ、器具の最大給湯能力Ｆａ、出湯温Ｔｌ＋と
、設計的に最適値が求められるαを定数として、次式■
にて定義される。

さらに当然、本発明を装置として組むならば、第３図に
示されたようなル制御系に対し、新たに出湯温センサを
加えた装置となる。

［作用および効果］ 本発明においては、出湯量の制御に、実際の出湯温ＴＨ
をも取込んで用いているので、例えば機器が燃焼を開始
した直後等、設定温Ｔ８に対し、出湯温Ｔｌｌが相当に
小さく、大きな差を持っている場合、当該出湯温ＴＨの
方が小さいということ、またその差は極めて大きいとい
うことを知ることができるため、従来の制御方法により
決定される出湯量よりも、そのときだけ、より一層、流
量を絞り込むという制御が可能となる。

同様に、実際の出湯温ＴＨの方が低いが、更新された設
定温Ｔｓとの間に余り大きな差がない場合には、従来、
固定的に演算された結果として求められる流量よりも、
流量バルブを絞り加減にすることに変わりはなくとも、
先のように設定温Ｔｓと出湯温Ｔｌｌとの間に極めて大
きな差がある場合に比し、絞り加減の程度を少なくする
ということも８紡であり、したがって逆に、出湯温ＴＨ
の方が設定し直された設定温Ｔｓよりも高い場合には、
その高い程度に応じて流量バルブを開き加減に制御する
ことも可能である。

これは、本発明第二発明、第四発明にて定義されている
式を用いて目標流にを求める場合にも当然、当てはまる
。

例えば、燃焼開始直後においては、上記弐〇中において
Ｔｃ４ＴＨとなっている（実際の出湯ＷＴＨは未だほと
んど暖められておらず、給水温Ｔｃにほぼ等しい）ので
、本発明に従い追加された分子第二項：α（Ｔｓ−ＴＨ
）の値は相当に大きくなり、ために本発明により得られ
るこのときの目標流量Ｏ１は、従来の通常の演算式であ
る式■において得られていたような値０゜よりもかなり
小さな値とすることができ、流°量バルブによる制御流
暇を絞り目として、実際の出湯温Ｔｏが設定温Ｔｓに至
るまでの収束時間を短くすることができる。

もちろん、実際の出湯温ＴＨの方が低いが、更新された
設定温Ｔ３との間に余り大きな差がない場合には、当該
分子第二項：α（Ｔｓ　　Ｔｏ）の値はそれ程には大き
くならず、従来の式■にて得られるような目標流量に対
して流量バルブを絞り加減にするにしてもその程度を少
なくすることができる。

まったく同様に、逆に出湯温ＴＨの方が設定し直された
設定温Ｔｓよりも高い場合には、分子第二項：α（Ｔｓ
Ｔ）ｌ）の値は負の値となり、その絶対値に応じて流量
バルブを開き加減に制御する。

もちろん、実際の出湯温と設定温か等しい場合には補正
の要がないが、上記０式はこのとき、分子第二項：α（
Ｔｓ−Ｔｏ）の値が零になる結果、先の従来の演算式■
と全く等しくなる。

当然、定数αの値は、設計的に望ましい値範囲の中から
最適値を見い出すことができる。

このようにして、本発明によれば、設定温Ｔｓへ実際の
出湯温ＴＨを持って行くに要する過渡時間（収束時間）
を短くすることができ、応答性を高め得る外、そのため
にあえて、器具の最大給湯能力を落としたものとして演
算しなければならぬ不合理もなく、常にそのときときで
合理的な多くの出湯量を得ることができ、限られた給湯
機能力の範囲内で、より多くの出湯量、より速い温度追
従性という二人要素を共に満足することができる。

［実　施　例］ 第１図には本発明に従って構成される流量制御装置の基
本的な概略構成が示されている。図中、第３図と同一の
符号は当該第３図に即して説明した従来例において用い
られている各構成子に対応するか、同一で良い構成子を
示している。

本発明において特徴的なことは、従来は専ら給水温ＴＣ
［℃］を検出する給水温センサ１３シがなかったものを
、実際に機器から出湯される湯の温度、すなわち出湯温
ＴＨＥ℃］を検出する出湯温センサ１４も設けたという
ことである。

他の静的な構成は第３図示構成と同様で良く、供給され
た水は流量バルブＩＯを通過した後、熱交換機１１中を
通り、ここで昇温されて出湯口から湯として出力される
。

流量バルブｌＯには、そのときどきで演算系１２により
演算された結果としての目標流量０、が与えられて、そ
の弁開度が調整される。

ただし一般には、この［１標流量０．は、その流量を得
るに適当な弁開度にまで、流９バルブＩＯを駆動するに
適当なる形態の信号に変換されて出力される。図示され
ていない適当なるドライバ回路を介して流量バルブＩＯ
が駆動されることも多い。

また、その配置位置は、一般に図示のように熱交換機１
１の前とされることが多いが、後に置かれても原理的に
は問題ない。給水量を制御しても出湯量を制御しても、
通常は等価だからである。

しかるに、この実施例では、一般に使用者の設定に任さ
れる設定温ＴＳ［’Ｃ］、給水温センサ１３の検出する
給水温ＴＣ［’Ｃ］、器具ごとに定められるその機器の
最大給湯能力Ｆａ［Ｋｃａｌ／ｍ１ｎｌ、出湯温センサ
１４の検出する出湯温ＴＨＥ”Ｃ］を用い、マイクロ・
コンピュータを利用する等した演算系１２により、既に
述べであるが、改めて掲載する下記式■により、そのと
きどきに必要な流量（目標流量）０１［１７ｍ１ｎ］を
求めるべくしている。

従来の演算系に用いられていた既述の式■と比べて異な
るのは、分子中に第二項：α（Ｔｓ　　Ｔｏ）が加算形
式で追加になっていることであるが、ここで、定数αは
、実験的ないし設計的に最適値として求められる。

本式〇に従うと、例えば図示されていないバーナ部分へ
の着火直後等、給湯の開始時点においては、一般に実際
の出湯温Ｔ。はむしろ給水温Ｔｃにほとんど等しく、し
たがって設定温Ｔｓとの差は一般に極めて大きくなって
いるため、上記式■中の分子第二項：α（ＴＳ−ＴＨ）
の値が大きくなって、先に説明した従来の場合の式■に
従って得られる目標流量ＯＨに対し、本発明により得ら
れる目標流量０１はθ、くく０□となる。

これは結局、設定温Ｔ５に対して実際に使用者に提供さ
れる湯の温度ＴＨがかなり低い場合には、従来よりもさ
らに大きく流量を絞って設定温に至るに要する過渡時間
（収束時間）を短くするということを意味する。

しかるに、設定温Ｔ３に対し、出湯温ＴＨが低い限り、
従来の演算式■に従って得られる目標流量ＯＮに対し、
本発明の０式に従って得られる目標流量０１は、ＯＩ〈
Ｏｌ、なる関係を維持するが、これは、上記０式の分子
第二項：α（Ｔｓ−Ｔｏ）から明らかなように、出湯温
ＴＨが過渡的に設定温Ｔｓに近付いて行く程、その差は
小さくなり、設定温Ｔｓ＝出湯温Ｔｌ＋が満たされれば
、分子第二項：α（Ｔｓ　　Ｔｏ）の値も零となり、し
たがって、従来用いられていた演算式〇と等しくなるこ
とが分かる。

こうしたことから、本発明は、出湯温の変更過渡期にお
いて流量バルブを可変制御し、極めて合理的に機能して
いることが分かる。先に述べたように、従来において給
湯開始後、一定時間だけ、実際の器具最大給湯能力偵Ｆ
ａを仮にそれより小さな値に固定的に設定して演算に供
するという手法の持っていた欠点も解除される。

もちろん、本発明は、上記のように給湯開始時のいわゆ
る立ち上がり特性を良好にし得るのみならず、燃焼が安
定状態にあるときに使用者が設定温Ｔｓを変更した場合
にも、設定温Ｔｓを上げた場合には従来例に比し、θ１
＜篩となって、より流量を絞り、より速やかに出湯温Ｔ
Ｈを設定温Ｔｓに集束させることかできるし、逆に設定
温Ｔ３を下げた場合には、上記式■中の分子第二項：α
（Ｔｓ　　Ｔｏ）の値が負となって、従来例に比し、θ
１〉ＯＨとなって、流量を増すことにより温度の低下を
促進させ、かつまた、このときにも、設定温Ｔｓに出湯
温ＴＨが近付く程、流量バルブｌＯの絞り加減ないし開
き加減を少なくして行くという制御となって、流量の合
理的な可変制御を伴いながら、出湯温ＴＨを設定温Ｔ８
に速やかに収束させることができる。

実際上、第２図と第４図は、本発明のこの実施例に従っ
た場合（第２図）と、式■に基づ〈従来例に従った場合
（第４図）の制御特性の相違例を示し、本発明により規
定されるそのときどきの目標流量θ１は、状況に応じ、
設定温変更からこの温度への出湯温収束まで、過渡的に
可変になっているのに、従来例においてはステップ状の
変化しか得られておらず、所望の出湯温が得られるまで
の時間は本発明の方が速いことを示している。

なお、これらの図中において記号ＯＰは実際の出湯流量
であり、記号ＷＶは流量バルブ１０の状態を示していて
、“閉”とは、閉方向に向けて駆動され続けていること
、したがって徐々に弁は絞られて行っていること、“開
”とは、逆に開方向への駆動信号が与えられ続け、徐々
に全開位置に向けて動いていることを示し、“停”とは
、閉方向へも開方向へも駆動信号が与えられず、そのと
きの弁開度で停止していることを表している。

もっとも、流量バルブのタイプは本発明が直接にこれを
限定するものではない。本発明により得られた目標流量
θ１を、流量バルブのタイプごとにその駆動信号として
最適な形態に変換する論理回路系やデジタル−アナログ
変換系、さらには適当なるドライバ回路等を用いれば、
任意のタイプの流量バルブに本発明を適用することがで
き、またそのこと自体、当業者であれば何等の困難性も
ない。

さらに、本発明の第一発明に明らかなように、上記した
従来の式■に対する改変として、上記０式を提示する場
合に限らず、従来においてフィード・フォワード制御で
流量バルブを制御するのに、出湯温ＴＨを補正のため取
入れるという思想のなかった制御系には、本発明の思想
は同様に有効に適用することができる。

また、設定温Ｔｓに関しては、使用者の操作に任される
とは言っても、極めて細かに、例えば１℃単位で設定が
可能である等の必要はなく、むしろそれは製品のコスト
を考えると現実的ではなくて、大体は数段の温度設定位
置の中から使用者が任意の温度段を選択するとか、おお
まかなアナログ・ボリュームを用い、目安としてその操
作摘みの横に付した温度目盛等を参照しながら、使用者
が好みの温度を大体決定する等の構成に留めらるのが普
通であろう。

最後に、本発明自体にはこれも直接の関係はないが、第
２．４図中に示されている出湯量ＯＰは、昨今の給湯機
においてはこれも適当な形態のセンサによりマイクロ・
コンピュータ内に取込まれ、燃焼部（バーナ）に供給す
べき燃料のそのときどきの最適供給量や空気晴、ないし
ファン回転数等を求めるのに使われることが多い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により構成される給湯機用流量制御装置
の基本的な実施例の概略構成図、第２図は本発明実施例
により得られる制御特性例の説明図、第３図は従来の給
湯機用流量制御装置の基本的な概略構成図、第４図は従
来の制御方法により得られる制御特性例の説明図、であ
る。 図中、１０は流量バルブ、１１は熱交換機、１２は目標
流量の演算系、１３は給水温センサ、１４は出湯温セン
サ、ＯＨは従来の演算系により得られる目標流量、０□
は本発明方法の実施例により得られる目標流１ｉ、７ｓ
は設定温、Ｔｃは給水温、ＴＨは出湯温、Ｆａは器具の
最大給湯能力、である。 出　願　大　　　　阪神エレクトリック株式会社代理人
　　　弁理士　福田弐通□ 代理人　　　弁理士　福田賢三゛

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）器具の最大給湯能力Ｆ＿ａ、給水温Ｔ＿ｃ、使用
   者が希望する出湯温である設定温Ｔ＿ｓに加え、実際に
   出湯されている湯の温度である出湯温Ｔ＿Ｈをも参照し
   、上記実際の出湯温Ｔ＿Ｈと上記設定温Ｔ＿ｓとの間の
   差及びその差の方向に応じ、出湯流量を可変制御するこ
   とを特徴とする給湯機における流量制御方法。
2. （２）得るべき出湯流量である目標流量θ＿Ｉを、器具
   の最大給湯能力Ｆ＿ａ、給水温Ｔ＿ｃ、使用者が希望す
   る出湯温である設定温Ｔ＿ｓ、実際に出湯されている湯
   の温度である出湯温Ｔ＿Ｈを取込むことにより、αを定
   数として、 θ＿Ｉ＝Ｆ＿ａ／｛（Ｔ＿ｓ−Ｔ＿ｃ）＋α（Ｔ＿ｓ−
   Ｔ＿Ｈ）｝なる式にて求めることを特徴とする給湯機に
   おける流量制御方法。
3. （３）給水温Ｔ＿ｃを検出する給水温センサと；実際に
   出湯されている湯の温度である出湯温Ｔ＿Ｈを検出する
   出湯温センサと； 出湯流量を制御する流量バルブと； 器具の最大給湯能力Ｆ＿ａ、上記給水温センサにより検
   出された給水温Ｔ＿ｃ、そして使用者が希望する出湯温
   である設定温Ｔ＿ｓを取込み、さらに、上記出湯温セン
   サにより検出される実際の出湯温Ｔ＿Ｈと上記設定温Ｔ
   ＿ｓとの間の差及びその差の方向に応じ、上記流量バル
   ブの弁開度を可変制御する演算制御回路と； を有して成る給湯機における流量制御装置。
4. （４）給水温Ｔ＿ｃを検出する給水温センサと；実際に
   出湯されている湯の温度である出湯温Ｔ＿Ｈを検出する
   出湯温センサと； 出湯流量を制御する流量バルブと； 器具の最大給湯能力Ｆ＿ａ、上記給水温センサにより検
   出された給水温Ｔ＿ｃ、使用者が希望する出湯温である
   設定温Ｔ＿ｓ、上記出湯温センサにより検出された実際
   の出湯温Ｔ＿Ｈを取込み、αを定数として、 θ＿Ｉ＝Ｆ＿ａ／｛（Ｔ＿ｓ−Ｔ＿ｃ）＋α（Ｔ＿ｓ−
   Ｔ＿Ｈ）｝なる式にて求められる目標流量θ＿Ｉが得ら
   れるよう、上記流量バルブを制御する演算制御回路と； を有して成る給湯機における流量制御装置。