JPH02208707A - 給湯器の温度制御装置 - 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、バーナの燃焼等によって水を加熱する給湯器
の温度制御装置に関し、特に熱交換器がら流出する出湯
温度を検知する温度センサを備え、該センサの検知信号
に基づいて加熱量を、主にマイクロコンピュータ（マイ
コン）によってフィードバック制御するものに関する。

［従来の技術］ 例えば、ガス給湯器等の燃焼式給湯器では、使用者の希
望する出湯温度が得られるようにするために、温度セン
サにより出湯温度を検知してフィードバック制御するも
のがある。

このフィードバック制御では、単に出湯温度と設定温度
（基準温度）との偏差による比例動作の制御のみでなく
、熱交換器等の熱容量等に伴う残留偏差（または定常偏
差）によって出湯温度が不安定にならないようにするた
めに、比例動作とともに積分動作が行われるＰＩ動作（
比例士積分動作）の制御が行われ、さらに、給湯量の変
更や熱交換器内への入水温度の変化等の外乱があった場
合にも、応答遅れや出湯温度の変化を少なくするために
、微分動作を組み合わせたＰｉＤ動作（比例＋積分十微
分動作）によって制御するものが、特開昭６１−２１２
４０号公報、特開昭６３−８３５４６号公報等に紹介さ
れており、これらの公報に紹介されたフィードバックＰ
ＩＤ創御のための制御回路や制御器では、マイクロコン
ピュータ（以下マイコンとする）が用いられることが前
提となっている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、出湯温度を検知するためのサーミスタ等の温度
センサの検知温度信号をディジタル信号にＡＤ変換して
マイコンに入力するとき、例えば、０、ｌ５ｅＣ周期で
読取られる場合には、Ｐ動作およびＩ動作では、サーミ
スタ等の温度検知素子によって検知される被測定温度が
、出湯温度が０５℃程度の差で検出できればよいが、Ｄ
動作を確実に行うなめには、サーミスタによる検知温度
について、例えば０．０３℃程度まで細分化されて、そ
の差が読取られる必要がある。

このため、このように細分化して温度信号をマイコンに
入力するには、温度センサの検知温度信号をディジタル
信号にＡＤ変換して入力するための入力ボートが多数必
要になり、マイコンのハードの負担が多くなる。また、
ボート数の増加数に応じてプログラムも同時に複雑にな
るため、開発期間が長くなり開発費用が増大するという
問題がある。

本発明は、マイコンを用いた温度制御装置において、出
湯温度の変化に対応して速やかに加熱量の調節ができ、
優れた出湯温度特性が得られるとともに、その開発にお
ける費用や期間等の負担を減少させることができる給湯
器の温度制御装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記の目的を達成するために、熱交換器へ供
給される水量を検知する水量検知手段と、前記熱交換器
への水の流入温度を検知する入水温度検知手段と、前記
熱交換器から流出する湯水の温度を検知する出湯温度検
知手段と、前記水量検知手段によって検知される水量と
前記入水温度検知手段に検知される流入温度とを所定時
間毎に読取り加熱量を決定するフィードフォワード制御
手段と、前記出湯温度検知手段に検知される流出温度を
所定時間毎に読取り、該流出温度と基準温度との偏差に
基づいて前記フィードフォワード制御手段の前記加熱量
を所定時間毎に補正して更新するとともに、前記出湯温
度検知手段によって検知される流出温度を微分する微分
回路を備え、該微分回路による前記流出温度の微分値を
所定時間毎に読取り、該微分値に基づいて前記フィード
フォワード制御手段の前記加熱量を所定時間毎に補正し
て更新するフィードバック制御手段とからなる技術的手
段を採用する。

［作用］ 本発明の温度制御装置では、水量検知手段によって検知
される水量と入水温度検知手段に検知される流入温度と
が所定時間毎に読取られて加熱量がフィードフォワード
制御手段によって決定される。また、フィードフォワー
ド制御手段による加熱量は、出湯温度検知手段に検知さ
れ所定時間毎に読取られる流出温度と基準温度との偏差
と、微分回路により微分され所定時間毎に読取られる流
出温度の微分値とに基づいて、フィードバック制御手段
によって所定時間毎に補正して更新される。

［発明の効果］ 本発明では、所定時間毎に読取られる流出温度とその微
分値に基づいて加熱量がフィードバック制御によって補
正され更新される。従って、温度変化に対して速やかに
反応して、加熱量を変更することができる。

また、このための流出温度の微分値は、微分回路によっ
て演算されるため、出湯温度検知手段に検知される温度
を読取るための入力装置における温度に対する細分化は
、基準温度との偏差が識別できる程度であればよい。

従って、各温度検知手段によって検知される検知温度信
号をＡＤ変換してディジタル信号にするに際して、ボー
ト数を多数にする必要がないため、マイコンのハードに
おける負担を少なくすることができる。また、それを処
理するためのプログラムが簡略化されるため、システム
の開発期間が短縮でき、開発費用を削減することができ
る。

［実施例］ 次に本発明の温度検知素子による温度制御装置を、実施
例に基づき説明する。

第２図にその概略を示すガス給湯器１では、給湯器ケー
ス１０の内部にバーナプレート１１が配され、給湯器ケ
ース１０によって燃焼室１０ａと混合室１０ｂが形成さ
れて、給湯器ケース１０の下方に、燃焼用空気を供給す
る送風機１２を備えている。送風機１２は、スクロール
ケーシング１２ａ内に羽根車１２ｂを備え、図示しない
モータによって羽根車１２ｂを回転駆動する。

スクロールケーシング１２ａには燃料ガスを噴出するノ
ズル１３が設けられ、給湯器ケース１０およびバーナプ
レート１１は、送風機１２によって供給される一次空気
のみで燃焼する全−次空気燃焼器を形成し、燃焼ガスは
図示しない排気口から給湯器ケース１０外へ排出される
。

燃焼室１０ａ内には、バーナプレート１１の近傍に、火
花放電を行うスパーカ電極１４、炎検知のためのフレー
ムロッド１５が設けられている。

また燃焼室１０ａ内には、図示しない水供給源および給
湯口とそれぞれ接続された熱交換器１６が設けられ、熱
交換器１６の上流には、熱交換器１６へ流入する水の流
量と水温をそれぞれ検知する流量センサ１７と入水温サ
ーミスタ１８が、熱交換器１６の下流には、加熱された
湯水の温度を検知するための出湯温サーミスタ１９がそ
れぞれ備えられている。

なお混合室１０ｂ内には、送風機１２によって供給され
る混合気を均等にバーナプレート１１へ供給するために
、多数の穴が設けられた整流板１Ｏｃが配されている。

燃料ガスをノズル１３へ供給する燃料管２０には、上流
側から順に元電磁弁２１、主電磁弁２２、燃料ガスの下
流側の圧力を電流値に応じて調節するガバナ比例弁２３
、燃料ガスを遮断するための電磁弁２４がそれぞれ設け
られ、電磁弁２４の上流と下流とはオリフィス２５を備
えたバイパス管２０ａによって連通されている。オリフ
ィス２５は絞り性能を高めるために設けられたもので、
電磁弁２４が閉状態の場合には、ノズル１３に代わって
オリフィス２５によって燃料供給量が制限され、小燃焼
量が得られる。

制御装置４０は、第１図に示すとおり、マイクロコンピ
ュータ（マイコン）としての中央処理袋ｆ（ＣＰＵ）　
５０、Ｒ，０Ｍ４１、ＲＡＭ４２、各センサおよびサー
ミスタからのアナログ信号を処理するためのマルチプレ
クサやディジタル信号に変換するためのＡＤ変換器等を
有する入力インターフェース４３、出力インターフェー
ス４４を主構成とし、使用者によって操作され希望する
出湯温度を設定するためのコントローラ４０ａ、微分回
路４５と図示しない安全回路を備え、点火制御、燃焼制
御の各制御を行う。

微分回路４５は、第３図に示すとおり、出湯温サーミス
タ１９と分圧用抵抗器４６によって得られる出湯温度信
号を、コンデンサ４７、オペアンプ４８、抵抗器４９と
によって微分するもので、出湯温サーミスタ１９の温度
変化分に応じた出力が、端子４５ａに出湯温度信号の微
分値として得られる。

ＣＰｔＪ５０は、ＲＯＭ４１内のプログ−７Ａによって
必要な各制御動作を行うもので、入力インターフェース
４３からの各入力に基づいた演算処理を行い、演算結果
に応じて出力インターフェース４４を介して、各部を次
のとおり駆動制御する。

点火制御では、流量センサ１７による通水信号が伝えら
れると、予め設定されたシーケンスで送風機１２、スパ
ーカ電極１４、元電磁弁２１、主電磁弁２２をそれぞれ
制御して点火を行う。

燃焼制御では、各サーミスタの抵抗値から得られる温度
信号と、熱交換器１６を通過する水量に応じて発生され
る流量センサ１７からのパルス信号およびコントローラ
４０ａによる設定温度に基づいて燃焼量Ｑを決定し、こ
の決定された燃焼量Ｑに基づいて送風機１２、電磁弁２
４、ガバナ比例弁２３を制御する。

ここでは、燃焼量Ｑを決定するためのＣＰｔＪ５０の燃
焼制御機能部としては、フィードフォワード制御（ＦＦ
制御）５１と、フィードバック制御（ＦＢ制御）５２と
しての比例動作５３および微分動作５４が行われる。

ＦＦ制御５１は、運転開始後に出湯温サーミスタ１９で
検知される湯温ＴＯｕｔと設定温度ＴＳｅｔとの偏差ｄ
ｔが、所定条件１ａｔ１≦ｙになるまでの間に行われる
制御動作である。

ＦＦ制御５１では、コントローラ４０ａによる設定温度
ＴＳｅ！ｔ　、入水温サーミスタ１８で検知される入水
温度Ｔｉｎ、流量センサ１７で検知される水量Ｗが所定
時間毎のサイクルでＣＰＵ５０に読取られ、さらにあら
かじめ算出された熱交換率１／ｅＮとから、 Ｑ（ＦＦ）＝　（Ｔｓｅｔ　−Ｔｉｎ）　ｘｗ／ｅｆｆ
で燃焼量Ｑ（ＦＦ）を決定する。

従って、ＦＦ制御５１では、ＣＰＵ５０の読取り時間毎
に燃焼量Ｑ（ＦＦ）が更新され、更新される燃焼量Ｑ　
（ＦＦ）に基づいて、送風機１２およびガバナ比例弁２
３が制御される。

ＦＢ制御５２は、湯温’ｒｏｕｔの変化に伴って、前述
の条件１ｄｔｌ≦ｙになった場合に、出湯温度を安定さ
せるために行う燃焼量補正制御で、設定温度１”Ｓｅｔ
と湯温’ｌ’ｏｕｔとの偏差による比例動作５３と、外
乱による湯温Ｔｏｕｔの変化に応じて、燃焼量を速やか
に補正するための微分動作５４が行われる。

これらの比例動作５３．微分動作５４は、ＣＰＵ５０に
よって所定時間毎に繰り返し読込まれる湯温ＴＯ１ｌｔ
と、湯温’ｒｏｕｔの微分値ΔＴＯｕｔとに基づいて得
られる比例補正量Ｐ、微分補正量りを、前述のＦＦ制御
５１による燃焼量Ｑ　（ＦＦ）に対して、読込まれる毎
に繰り返し加算する動作である。

ＦＢ制御５２としての燃焼：１ｔＱ（ＦＢ）は、Ｑ　（
ＦＢ）＝　Ｑ　（ＦＦ）十Ｐ　＋　Ｄで基本的に求めら
れ、時間ステップｎについて燃焼量、比例補正量、微分
補正量をそれぞれＱ（ＦＢ）ｎ、Ｐｎ、Ｄｎとすると、 Ｑ（ＦＢ）ｎ＝Ｑ（ＦＢ）ｎ−１＋Ｐｎ＋Ｄｎで求めら
れ、各個が読取られる毎に、逐次更新されるものである
。

ここで、比例動作５３による比例補正ｉＰは、設定温度
’ｌ’ｓｅｔと湯温”ｉ”ｏｕｔとの閘差と水量Ｗとか
ら、 Ｐ＝Ｅ　（Ｔｓｅｔ　−Ｔｏｕｔ　）　　−Ｗで求めら
れる。ここでＥは比例定数。

また、微分動作５４による微分補正量りは、Ｄ−Δ’１
’Ｏｕｔ　Ｘ　ｒ で求められる。ここでΔＴｏｕｔは、上記の微分回路４
５で求められた湯温’ｌ”ｏｕｔの微分値であり、ｒは
定数である。

燃焼制御では、こうして得られた燃焼！ＩＱに対応する
ＲＯＭ４１内のデータに基づいて、送風機１２を制御す
る。

ここでは、決定された燃焼ＩＱに対応した送風機１２の
制御電圧データが、ＲＯＭ４１に記憶されていて、燃焼
量Ｑが与えられると、それに対応したデータが使用され
るガス種に応じてＣＰＵ５０の演算処理により読み出さ
れ、それに基づいた電圧が送風機１２に印加される。

またガバナ比例弁２３への通電電流値は、検出される送
風機１２の回転数に基づいて決定される。

次に、以上の構成からなる本実施例のガス給湯器１の作
動を第４図を参名にして説明する。

使用者がコントローラ４０ａによって出湯温度を設定し
、図示しない水栓を操作して給湯を開始すると、所定の
シーケンスで点火が行われる。

着火がフレームロッド１５によって検知されると、ＦＦ
制御５１が行われ、コントローラ４０ａ、各センサおよ
びサーミスタの信号に基づいてＦＦ制御５１の燃焼量Ｑ
（ＦＦ）が計算され、それに基づいて送風機１２とガバ
ナ比例弁２３が制御される。

その後、湯温Ｔｏｕｔが、所定条件１ｄｔｌ≦ｙになる
と、ＦＢ制御５２によって燃焼量の補正制御が行われ、
必要な湯温〕゛０に加熱される。

給湯中に、例えば、時間ｔ１に使用者によって給湯量が
変更され、実線Ａに示すように給湯量が減少すると、湯
温Ｔｏｕｔは実線Ｂに示すとおり上昇する。

このとき、出湯温サーミスタ１９に検知される検知温度
Ｔ（ｔ）は、入力インターフェース４３でディジタル信
号に変換されるが、ここで、設定温度’ｔ’ｓｅｔと湯
温’１’　ｏｕ　ｔとの差が検知するなめに必要な程度
にだけ細分化されているだけであるとすると、湯温］’
ｏｕｔの多少の変化だけではその変化を検知できず、湯
温ＴＯｕｔの変化量が大きくなったときに始めてその変
化が検知されるため、破線Ｃに示すように、実際の湯温
変化に対して、追随遅れが生じる。このため、ＦＢ制御
５２における比例動作５３では、制重量を速やかに変更
することができない。

しかし、本実施例では、微分回路４５を備えているため
、微分回路４５によって湯温の変化が、実線りに示すと
おり、出湯温度’ｒｏｕｔの微分値Δｔ’ｏｕｔとして
直ちに得られ、破線Ｅに示す従来の場合のように、微分
値が遅れて現れることがない。

従って、この微分値ΔＴｏｕｔに基づいてＦｉ’Ｂ制御
５２の微分動作５４において、微分補ＥｆｆｔＤが求め
られ、湯温ＴＯｔｌｔの変化に応じて制御量を速やかに
変更することができる。

この結果、燃焼量を速やかに補正することができ、出湯
温度を安定させることができる。

以上のとおり、本実施例では、フィードバック制御にお
ける微分制御が、微分回路の微分値に基づいて、出湯温
度の変化に基づいて燃焼量が速やかに変更されるため、
出湯温度を設定温度に確実に近付けることができる。

本実施例では、フィードバック制御において積分動作を
していないが、微分回路を備えていて外乱等による出湯
温度の変化が直ちに検知され、゛それに応じて制御量を
速やかに変更できるため、応答性のよい優れた温度制御
特性を得ることができる。

また、この微分制御のための湯温の微分値は、微分回路
によって演算されるため、出湯温サーミスタに検知され
る検知温度信号をマイコンに入力するための入力ボート
数を、比例制御において必要な程度に細分化するだけで
よいため、入力ボート数を少なく設定でき、マイコンの
ハードの負担を少なくすることができる。また、それを
処理するためのプログラムの簡略化されるため、開発期
間が短縮でき、開発費用を削減することができる。

本実施例では、ガス給湯器を示したが、温水式暖房機、
床＠房、セントラルヒーティングでもよい。

また、加熱源はガス、石油等による燃焼機器に限定され
ず、電気加熱によるものでもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すガス給湯器の制御装置の
ｌｌｆ目的構成を示す機能ブロック図、第２図は本実施
例のガス給湯器の構成を示す概略図、第３図は本実施例
における微分回路を示す回路図、第４図は本発明の作動
説明のためのタイムヂャートである。 図中、１７・・・流量センサ（水層検知手段）、１８・
・・入水温サーミスタ（入水温度検知手段）、１９・・
・出湯温サーミスタ（出湯温度検知手段）、４０・・・
制御装置（温度制御装置）、４５・・・微分回路、５１
・・・フィードフォワード制御（フィードフォワード制
御手段）、５２・・・フィードバック制御（フィードバ
ック制御手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）熱交換器へ供給される水量を検知する水量検知手段
   と、 前記熱交換器への水の流入温度を検知する入水温度検知
   手段と、 前記熱交換器から流出する湯水の温度を検知する出湯温
   度検知手段と、 前記水量検知手段によって検知される水量と前記入水温
   度検知手段に検知される流入温度とを所定時間毎に読取
   り加熱量を決定するフィードフォワード制御手段と、 前記出湯温度検知手段に検知される流出温度を所定時間
   毎に読取り、該流出温度と基準温度との偏差に基づいて
   前記フィードフォワード制御手段の前記加熱量を所定時
   間毎に補正して更新するとともに、前記出湯温度検知手
   段によって検知される流出温度を微分する微分回路を備
   え、該微分回路による前記流出温度の微分値を所定時間
   毎に読取り、該微分値に基づいて前記フィードフォワー
   ド制御手段の前記加熱量を所定時間毎に補正して更新す
   るフィードバック制御手段とからなる給湯器の温度制御
   装置。