JPH02223763A - 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、熱交換器を通過する水の流量を検出するため
の流量センサを設けない給湯器の温度制御装置に関し、
特に熱交換器へ流入する水の温度を検知する入水温度セ
ンサを設けないで、熱交換器から流出する湯水の温度を
検知する流出温度センサのみを備えた構造の簡単な給湯
器の温度制御装置において効果的である。

［従来の技術］ 給湯器の構造を簡単にして製造工程を筒略化するととも
に、製造コストを低減するために、出湯温度サーミスタ
のみによってフィードバック制御する温度制御装置があ
る。こうした温度制御装置では、熱交換器への入水温度
を検知する入水温度サーミスタと、熱交換器を通過する
水の流量を検出するための流量センサとが設けられてい
ないため、流量変化等の影響を少なくするための機能を
有するものが備えられ、出湯温度特性の向上が図られて
いる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、こうした従来のフィードバック制御では、給湯
中に出湯温度が変化したときに、それが流量変化による
ものであるか、あるいは入水温度の変化によるものであ
るのかの区別ができないため、こうした変化に対しては
全く同じように対応した制御が行われて加熱量が変更さ
れる。従って、例えば、流量変化によって出湯温度が変
化した場合では、フィードバック制御系の時定数が変化
したにも拘らず、それが考慮されないで制御が行われる
ことになるため、応答遅れに伴って出湯温度がさらに変
動してハンチングを生じるなど、出湯温度が不安定にな
りやすく、優れた出湯温度特性が得られないという問題
がある。

本発明は、流量センサを備えないでフィードバック制御
を行う給湯器において、流量変化の影響を少なくし、安
定した出湯温度特性が得られる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］ 本発明の第１発明は、熱交換器の流出部に設けられた温
度センサに検知される温度情報に基づいて前記熱交換器
を加熱する加熱手段の加熱量を制御する給湯器の温度制
御装置において、前記加熱手段の連続的な複数の加熱量
情報を記憶＃ｉ積する加熱量記憶手段を備え、該加熱量
記憶手段に記憶蓄積された前記複数の加熱量情報（こ基
づいて前記熱交換器を通過する水の流量を推定する流量
推定手段を有することを技術的手段とする。

本発明の第２発明は、前記第１の発明において、温度セ
ンナの検知温度に基づいて、前記熱交換器へ流入する水
の温度を推定する入水温度推定手段を備えたことを技術
的手段とする。

［作用］ 熱交換器から流出する湯水の温度は、水が熱交換器へ流
入してから流出するまでに加熱手段によって加熱された
結果である。いま、単位時間当たりに流量Ｗの水が、熱
交換器を通過するために時間を必要であったとすると、
このとき、熱交換器から流出する湯水の温度」−昇Δ１
′に関与した総崩熱量Ｑ〒は、一般に、例えば単位時間
当たりの加熱量Ｑｕと加熱時間ｔ（熱交換器を通過する
ために必要な時間ｔ）との積で表すことができる。すな
わち、 Ｑ丁＝ＱｕＸｔ　　　・・・　■ で表される。

ここで、Ｑ　ｕ　Ｘ　ｔは、加熱時間を中の単位時間当
たりの加熱量Ｑｕの積算を示すものである。

従って、総崩熱量Ｑ、ｒを、時間ｔ１から時間ｔｎまで
の加熱時間を中に加熱量が変化して、単位時間当たりの
加熱量が一定でない場合を含めて示すと、 ＱＴ　＝Ｑ　ｎ−１−Ｑ　ｎ　−ｉ　＋　Ｑ　ｎ−，２
＋　・・・＋　Ｑｚ　＋Ｑｒ＝Σ？Ｑｔ　　　　　　・
・・　　　■となる。

ここで、Ｑｎ、Ｑｎ−＝、Ｑ　ｎ　−２、・”Ｑｔ　、
Ｑｌは、各単位時間ｔｎ、ｔｎ−ｔ、・・・、ｔｓ、ｔ
ｓにおける加熱量を示ず。

また、加熱手段による総崩熱量Ｑアは、熱交換器の容積
に応じた熱交換器内の全水量Ｕの温度上昇へＴに作用し
たものであると見なすことができるため、 Ｑア＝ΔＴＸＵ　　　　　　　　　　　■となる。従っ
て、式■と式■とから、 ΔＴＸＵ−Σ？Ｑｔ ＝＝Ｑｎ＋Ｑｎ−ｘ＋Ｑｎ−ｘ＋−＋Ｑ２　＋Ｑ・・・
　■ この結果、時間を溌って各単位時間毎の加熱Ｊｌｔを積
算したとき、熱交換器内の全水量Ｕに対してΔＴの温度
上昇を与えた総崩熱、！ｌＱ１に見合うだけの加熱量が
得られるまでの単位時間の合計を求めれば、それを加熱
時Ｅｔとすることができる。

さらに、この加熱時間ｔは、熱交換器内を水が通過する
なめに要した時間であり、熱交換器内の全水量Ｕと流量
Ｗとの間には、基本的にｕ＝ｗｘｔ　　　　　　・・・
　　　■の関係があることから、 Ｗ＝Ｕ／ｌ　　　　　　　　　　■ によって、流量Ｗを求めることができる。

また、このとき、水の加熱遅れに伴う時間遅れの定数を
加味してもよい。

本発明の第１発明では、熱交換器の容量による全水量Ｕ
はあらかじめ求めることができ、また温度センサによっ
て検知された流出温度と、例えば入水温度検知手段によ
って検知される熱交換器への入水温度等とから、温度」
−昇ΔＴが求められる。

さらに、加熱手段による加熱量は、連続的な複数の加熱
量情報として、加熱量記憶手段に記憶蓄積されているた
め、上式■を満たす時間ｔが求められる。

従って、上式〇より流ｉＷを求めることができる。

この結果、求められた流１ｗに基づいて、例えばフィー
ドバック制御における時定数が決定され、応答性に優れ
た温度制御を行う。

また、第２発明では、例えば、給湯が開始されたばかり
で、熱交換器がまだ加熱されていないときに、熱交換器
から流出する水の温度をそのまま入水温度として、熱交
換器への流入温度が求められる。

［発明の効果コ 本発明の第１発明では、流量センサがないにも拘らず、
熱交換器を通過する流量が把握できるため、フィードバ
ック制御における時定数が確定できる。従って、簡単な
構造の給湯器でありながら、加熱量を適切な応答性を持
たせて変更することができるため、ハンチング等が発生
しにくい、従って、優れた応答特性を有する温度制御を
行うことができ、安定した出湯温度特性が得られる。

本発明の第２発明では、さらに入水温度センサの必要が
ないため、給湯器の構造がさらに簡単になり、製造工程
が簡略化されるとともに、従来の単なるフィードバック
制御用の給湯器と同様の構造でありながら、フィードフ
ォワード制御に近い出湯温度特性が得られ、センサとし
て出湯温サーミスタのみを備えた従来の給湯器と比較し
て、応答性および安定性にすぐれた温度制御を行うこと
ができる。

［実施例コ 次に本発明の給湯器の温度制御装置を図面に示す実施例
に基づいて説明する。

第２図に示すガス燃焼式給湯器１の燃焼器ケース１０内
には、複数のバーナを配してなるバーナ群１１が設けら
れている。燃焼器ケース１０の下方には、バーナ群１１
へ燃焼用空気を供給するための送風機１２が設けられて
いる。燃焼器ケース１０内のバーナ群１１の上方には水
管式の熱交換器１３が設けられ、内部を通過する水はバ
ーナ群１１による燃焼熱により加熱される。燃焼器ケー
ス１０内のバーナ群１１の近傍には、バーナ群１１を点
火するスパーカ１４と、バーナ群１１の着火を検知する
フレームロッド１５とが備えられている。また、燃焼器
ケース１０の上方には、燃焼排ガスを外部へ排出するた
めの排気口２が設けられている。

バーナ群１１の下方には、燃料ガスを供給するためのノ
ズル管１６が備えられ、ノズル管１６にはバーナ群１１
の各バーナにそれぞれ対応して燃料ガスを噴出する複数
の燃料噴出口１６ａが設けられている。

ノズル管１６へ燃料ガスを導く燃料管２０には、通電時
に燃料ガスを通過させる２つの電磁弁２１．２２、通電
電流に応じて供給圧力を制御することによって燃料ガス
の供給量を調節するガバナ比例弁２３が上流側より順に
それぞれ設けられている。

図示しない水供給源から熱交換器１３へ水を導く水供給
管１７には、給湯水量を調節するための電動式水量制御
装置１８、熱交換器１３を通過する水を検知する水流ス
イッチ１９が上流側から順に備えられ、また熱交換器１
３から流出する温水を図示しない給湯口へ導く給湯管１
７ａには、熱交換器１３から流出する湯水の出湯温度’
ｒｏｕｔを検知する出湯温サーミスタ２５が備えられて
いる。

制御装置３０は、マイクロコンピュータを中心とする制
御回路を有し、所定のシーケンスで燃焼の開始および停
止を行うとともに、第１図に示す機能構成によって、出
湯水の温度制御を行う。

特に本実施例では、水供給管１７には、熱交換器１３へ
の入水温度センサとしてのサーミスタと熱交換器１３を
通過する水の水量を検出するための流量センサとが設け
られていないために、制御装置３０は、入水温度ｒｔｎ
と水量Ｗとを出湯温す−ミスタ２５の検知温度Ｔに基づ
いてそれぞれ推定するための機能部として、入水温度推
定部３１と水ｌ推定部３２とを有している。

入水温度推定部３Ｉは、熱交換器１３によって水が加熱
されていない場合であれば、熱交換器１゜３への入水温
度Ｔｉｎは、給湯管１７ａに備えられた出湯温サーミス
タ２５の検知温度Ｔと同じであることを利用して入水温
度Ｔｉｎを推定するものである。

しかし、再給湯等の場合には、出湯温サーミスタ２５の
検知温度Ｔが、実際の入水温度コ゛１ｎと異なる場合が
あるため、ここでは、検知温度Ｔやその変化状態に応じ
て、第３図に示すとおり、次のように入水温度Ｔｉｎを
推定し、メモリ３１ａに記憶する。

水流スイッチ】９によって給湯の開始が検知されたとき
に（ステップｌにおいてＹＥＳ）、、出湯温サーミスタ
２５の検知温度Ｔが変化している場合には、再給湯であ
ることが考えられる。従って、検知温度′Ｆの温度勾配
があるか否かを検出し、温度勾配がある場合４ごはくス
テップ２においてＮｏ）、入水温度Ｔｉｎの推定を行わ
ない。

給湯の開始が検知されたときに、温度勾配が検出されな
い場合にはくステップ２においてＹＥＳ）、出湯温サー
ミスタ２５の検知温度Ｔと、すでにメモリ３１ａに入水
温度］゛１ｎとして記憶されて％’ｓる記憶温度Ｔ■ｅ
ｌとを比較しくステップ３）、その比較結果に応じて、
次のとおり新たにメモリ３１ａに記憶するた杓の入水温
度Ｔｉｎを推定する。

検知温度１゛が記憶温度’ｌ’ｌｅｍ以下の場合にはく
ステップ３においてＹＥＳ）、検知温度Ｔを新たな入水
温度１゛１ｎとして（ステップ４）、その検知温度Ｔを
メモリ３１　ａに記憶し、記憶内容を更新する（ステッ
プ５）。

逆に、検知温度Ｔが記憶温度Ｔ　ｍｅｎより高い場合に
は（ステップ３においてＮｏ）、記憶温度ＴｌｅＩに検
知温度Ｔの温度情報の一部を取り入れて新たな入水温度
Ｔｉｎを推定しくステップ６）、それを記憶温度Ｔ　〜
（３ｍとする（ステップ５）。

ステップ６では、新たな入水温度’ｌ’ｉｎは、記憶温
度Ｔｌ１ｔｅｌ！ｌの温度情報の一部と検知温度Ｔの温
度情報の一部とから Ｔｉｎ＝　（ａＸＴｔｌｅｆｌ　−１−ｂｘＴ）　／　
（ａ十ｂ）によって、新たな入水温度’ｌ”ｉｎが演算
される。

水駿推定部３２は、加熱量演算部３３、加熱量記憶部３
４、加熱時間算出部３５、水量算出部３６の各機能部を
有し、熱交換器１３を通過する水１、ｗを推定する。

加熱量演算部３３は、出湯温サーミスタ２５の検知温度
１゛と、込水温度推定部３］で推定され、メモリ３１ａ
に記憶されている入水温度Ｔｉｎとから温度１昇Δ゛Ｉ
゛を求め、さらに熱交ｔ＠器１３の容量による熱交換器
１３内の余水ｉＵとから上式〇によって総崩熱量ＱＴを
算出する。

加熱量記憶部３４は、後述する温調制Ｗ部３７による所
定栄位時間Δを毎の加熱量出力情報ΔＱを、第４図に示
すエリアＥｌ、エリアＥ２、・・・エリアＥｘに順次連
続して記憶し、それを所定時間蓄積し、所定時間を経過
１．た情報については、新たな情報が与、えられる都度
、順次削除する。

すなわち、例えば、温調制Ｗ部３７による所定単位時間
Δを毎の加熱量出力情報ΔＱが、第５図に示すとおり、
時間とともに、・・・・・・、ΔＱｎ−ａ、ΔＱｎ−ｓ
、ΔＱｎ−ｚ、ΔＱｎ−，，、ΔＱｎ、ΔＱｎ＋１．６
９口、２、・・・・・・、のように変化している場合、
時刻Δｔｎには、加熱量記憶部３４では、第４図のＡに
示すとおり、エリアＥ１には時刻ΔｔｎにおけるΔＱｎ
が、エリアＥ２には時刻Δｔｎ−１におけるΔＱｎ−＋
が、エリアＥ３には時刻Δｔｎ−。

におけるΔＱｎ、−ｚが、エリアＥ４には時刻Δｔｎ、
におけるΔＱｎ、、が、以下エリアＥｘまで、時刻Δｔ
ｎより前の各加熱量出力情報ΔＱがそれぞれのエリアＥ
に対応して記憶されている。

そして、次の時刻Δｔｎ、、には、第４図のＢに示すと
おり、時刻Δｔｎ＋ｔにおける加熱量出力情報ΔＱｎ＋
＋がエリアＥ１に記憶され、ΔＱｎがエリアＥ２に、Δ
Ｑｎ−ａがエリアＥ３に、ΔＱｎ−ｚがエリアＥ４に、
・・・・・・、以下同様にエリアＥｘまで、各時刻Δｔ
における各エリアＥの加熱量出力情報ΔＱがそれぞれシ
フトされて記憶される。

その後、同様に、一番新しい加熱量情報ΔＱが常にエリ
アＥ１に記憶され、エリアＥｘの記憶情報が削除される
ようにして、所定単位時間Δを毎の加熱量出力情報ΔＱ
が連続して記憶蓄積される。

加熱時間算出部３５は、所定単位時間Δを毎に、加熱量
記憶部３４に記憶された加熱量出力情報ΔＱを新しい情
報から順に積算し、上式■により、加熱量演算部３３で
算出された総崩熱量ＱＴと等しくなったときの所定単位
時間Δｔの合計を熱交換器１３から流出する水の加熱時
間ｔとして求める。

水量算出部３６は、加熱時間算出部３５で求められた加
熱時間ｔに基づいて、上式■より熱交換器１３を通過す
る水の水ｆｉＷを算出するやなおここで算出される水量
Ｗは、加熱時１１ｆｌｔにおける平均の水量Ｗとしての
数値であり、水ｉＷが逐次変更されている場合には、各
時刻における水量Ｗを表すことができない。

温調制御部３７は、コントローラ４０によって設定され
た目標温度Ｔｓｅｔ　、出湯温サーミスタ２５によって
検知された出湯温度ＴＯＩｊｔ　、入水温度推定部３１
で推定されたメモリ３１ａに記憶された入水温度ｒｔｎ
、水量推定部３２によって推定された水量Ｗとから加熱
量Ｑを決定する。

ここでは、出湯温サーミスタ２５の検知温Ｊ、ｔＴと目
標温度’ｒｓｅｔとに基づいてフィードバック制御を行
う。

このフィードバック制御においては、前述の水量推定部
３２によって推定された水量Ｗに基づいてフィードバッ
ク制御系の時定数をその都度設定することによって、安
定した温度制御を行い、ハンチング等が起こらないよう
にしている。従って、水量変化に伴ってフィードバック
制御系の時定数が変化した場合にも、安定した温度制御
ができる。

なお、温調制御部３７の加熱量Ｑは、加熱蓋出力情報Δ
Ｑとして、所定単位時間Δを毎に前述の加熱量記憶部３
４へ順次記憶される。

駆動部３８は、温調制ｉｓ部３７の加熱ｉＱに基づいて
′、送風機１２およびガバナ比例弁２３を駆動制御する
。こ、：では、温調制御部３７による加熱量Ｑに基づい
た電圧を送風機１２に印加して駆動し、検出される送風
機１２の回転数に基づいてガバナ比例弁２３への電流値
を通電制御する。

さらに、制御装置３０では、給水量が加熱能力を越えな
いようにするために、出湯温サーミスタ２５の検知温度
Ｔに基づいて電動式水量制御装置１８の開度を調節して
、通過流量を制限する。

なお、使用者によって目標温度］’Ｓｅｔを任意に設定
することができるコントローラ４０は、給湯器の仕様に
応じて設置され、コントローラ４０が設けられた場合に
は、使用者の操作に応じて目標温度’ｉ’ｓｅｔが設定
され、コントローラ４０が設置されない場合には、一定
の温度（例えば６０℃）が目標温度］’ｓｅｔとされる
。

次に、以上の構成からなる本実施例のガス燃焼式給湯器
１における温度制御について説明する。

使用者が給湯管１７ａの下流に設けられた図示しない給
湯栓を開くと、水供給管１７内を水が通過して熱交換器
１３内へ流入する。ガス燃焼式給湯器１の作動水量以上
の水１ｗが、水流スイッチ１９によって検知され、給湯
が検知されると、所定のシーケンスで点火制御が行われ
、燃焼が開始される。また、出湯温サーミスタ２５の検
知温度Ｔの変動がないか否かが検出され、出湯温サーミ
スタ２５の検知温度Ｔに変動がある場合には、入水温度
Ｔｉｎの推定は行われない。

出湯温サーミスタ２５の検知温度Ｔに変動がない場合に
は、検知温度］゛がメモリ３１ａに記憶されている記憶
温度Ｔｌ１ｅｌと比較され、比較結果に応じてそれぞれ
入水温度Ｔｉｎが推定され、メモリ３１ａの記憶温度Ｔ
　ｌｅｌが更新される。

フレームロッド１５によってバーナ群１１の着火が検知
されると、温調制御部３７によって、メモリ３１ａに記
憶された記憶温度’ｌ’ｍｅ−を、コントローラ４０に
よる目標温度ＴＳｅｔに対する温度情報として加熱量Ｑ
が決定され、それに基づいて送風機１２およびガバナ比
例弁２３が制御される。

この加熱量Ｑに関する加熱量出力情報ΔＱは、所定時間
単位Δを毎に記憶され、蓄積される。

加熱によって、熱交換器１３を流出する水の温度がある
程度上昇すると、出湯温サーミスタ２５の検知温度］゛
と入水温度’ｌ’ｉｎとしてメモリ３１ａに記憶された
記憶温度Ｔｌ１ｅｌとの温度差が、バーナ群１１の加熱
による温度子、昇Δ１゛として求められ、その温度上昇
ΔＴと熱交換器１３内の全水量Ｕとから、水が熱交換器
１３へ流入してから流出するまでの時間の熱交換器１３
内全体の水に対する総崩熱量Ｑアが求められる。

この総崩熱量Ｑ、・と、所定時間屯位Δを毎の加熱量出
力情報ΔＱの積算値とから、上式■により加熱時間ｔが
求められ、さらに、上式■により時間単位当たりの水量
Ｗが求められる。

ここで求められた、水量Ｗは、フィードバック制御にお
ける各所定単位時間Δを毎の時定数として利用されるた
め、例えば流量変化によって出湯温度が変化した場合に
、その流量変化に応じた時定数によって加熱量Ｑを補正
することができるため、加熱量補正に伴うハンチング等
が発生しにくい。

給湯栓を閑めて給湯を停止すると、燃焼が停止する。

その後、再び給湯を開始すると、出湯温サーミスタ２５
の検知温度］゛が変動する場合があるが、このときは、
入水温度Ｔｉｎとして推定され記憶されたメモリ３１ａ
の記憶温度Ｔｌｅ−に基づいて加熱ＪｔＱの決定が行わ
れ、誤った情報によって加熱量Ｑが決定されないため、
実際の水の入水温度に応じた適切な加熱量Ｑを決定する
ことができる。

以上のとおり、本実施例によれば、水量が推定されるた
め、フィードバック制御における時定数が逐次できる。

従って、流量の変動に伴った出湯温度の変化が現れても
、適切な応答性を持たせて、加熱量を変更することがで
きる。この結果、優れた出湯温度特性が得られ、安定し
た給湯を行うことができる。

また、平均化された値としての流産が求められるため、
流量センサを備えないにも拘らず、給湯した水量を積算
することもでき、例えば、浴槽等への湯張りを行うこと
もできる。

また、本実施例では、温度センサとしては出湯温サーミ
スタが設けられ、サーミスタが熱交換器の流入部に設け
られていないため、給湯器の構造がさらに簡単になり、
製造二［程が簡略化できるとともに、単なるフィードバ
ック制御の給湯器の同等の横道でありながら、非常に安
定したフィードフォワード制御に近い出湯温度特性が得
られる。

本実施例では、フィードバック制御を行う制御装置を示
したが、推定された入水温度’Ｉ”ｉｎおよび水量Ｗに
基づい°ζ、フィードフォワード制御を行うようにして
もよい。

以上の実施例では、ガスを燃料とするガス給湯器を示し
たが、石油等の他の燃料による給湯器でもよい、また、
加熱源は、バーナに限定されず、電気加熱等の他の加熱
手段でもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例のガス燃焼式給湯器の制御装置におけ
る機能的構成を示す機能ブロック図、第２図は本実施例
のガス燃焼式給湯器の概略を示す概略構成図、第３図は
本実施例の制御装置における入水温度の算出課程を説明
するための流れ図、第４図は本実施例の制御装置におけ
る加熱量記憶部の記憶エリアの記憶内容を示すエリアマ
ツプ、第５図は本実施例の制御装置における加熱量出力
情報の変化を示すタイムチャートである。 図中、２５・・・出湯温サーミスタ（温度センサ）、３
０・・・制御装置（給湯器の温度制御装置）、３１・・
・入水温度推定部（入水温度推定手段）、３２・・・水
量推定部（流量推定手段）、３４・・・加熱量記憶部（
加熱量記憶手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）熱交換器の流出部に設けられた温度センサに検知さ
   れる温度情報に基づいて前記熱交換器を加熱する加熱手
   段の加熱量を制御する給湯器の温度制御装置において、 前記加熱手段の連続的な複数の加熱量情報を記憶蓄積す
   る加熱量記憶手段を備え、該加熱量記憶手段に記憶蓄積
   された前記複数の加熱量情報に基づいて前記熱交換器を
   通過する水の流量を推定する流量推定手段を有すること
   を特徴とする給湯器の温度制御装置。 ２）前記温度センサの検知温度に基づいて、前記熱交換
   器へ流入する水の温度を推定する入水温度推定手段を備
   えたことを特徴とする請求項１記載の給湯器の温度制御
   装置。