JPH04136634A - 湯水混合制御装置 - 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 本発明は湯と水の混合比を電気的に混合制御し、浴室や
キッチンなどの蛇口から出湯する湯水混合制御装置に関
する。

従来の技術 近年、湯と水の混合比を電気的に混合制御し、給湯する
湯水混合制御装置は湯水混合時の性能の安定が求められ
ている。

従来、この種の湯水混合制御装置は第１１図から第１３
図に示すような構成が一般的であった。

以下、その構成について説明する。

図に示すように、湯側配管１によって供給された高温湯
と水側配管２によって供給された水は、等圧化弁３によ
って等圧化され、混合弁４によって混合され、スパウト
５より出湯する。サーミスタ６は混合後の湯温を検出し
、また温度設定部７は操作によって使用者の好みの温度
を入力し、それぞれ温度信号を出力する。それらに基づ
き、制御部８は出湯温度が設定部りになるように弁モー
タ９を介して混合弁４を駆動するフィードバック制御を
行なう。また制御部８は混合弁４および弁モータ９と同
軸に配したポテンショメータ１０によって角度検出を行
ない、混合弁４が湯側全開もしくは水側全開の範囲を越
えて駆動しないようにしている。

等圧化弁３は第１２図のように構成しており、給湯配管
１と水制配管２の圧力バランスは、熱源器による損失や
ポンプによる加圧でアンバランスになることが多（、高
温湯と水はそれぞれ圧力に応じて等正比隔壁１１を両側
から押し、圧力の高い方が押し勝って、弁可動部１２は
シリンダ１３内を移動する。いま、湯側配管１の圧力が
水側配管２の圧力よりも低いとき、水側か押し勝つので
弁可動部１２は左側、すなわち水側を閉じ湯側を開く方
向に移動する。水側配管２における１次側の圧力は水側
か閉じて、動圧から静圧に近づくに連れて下がるから、
やがて湯側配管１の１次側と同圧になった所でバランス
する。

つぎに、混合弁４は第１３図のように構成しており、弁
モータ９の回転運動はねじ部１４およびセレーション部
１５によって軸方向へ変換される。弁可動部１６が軸方
向へ動くと湯側、水側それぞれにおける流路面積が変化
し、たとえば、弁可動部１６が左いっばいに移動すると
水制の流路面積ゼロで湯側は′最大になる。前述の等圧
化弁３により、流路面積の比率は湯水の混合の比率とな
るので、この状態を湯側全開、逆の状態（弁可動部１６
が右いっばいに移動したとき）を水側全開とすることが
できる。したがって、混合弁４の混合比は弁モータ９を
駆動することにより弁可動部１６を軸方向に移動させ、
湯側全開と水側全開の間を直線かつ連続的に変化させる
ことができる。

ところで、湯側、水制の全開位置を越えてさらに駆動す
るとそれ以上混合比が変わらないばかりか、ねじ部１４
やセレーション部１５に応力が集中し、機械的な破壊を
きたす可能性がある。そこで混合弁４．弁モータ９と同
軸にポテンショメータ１０を配し、混合弁４の角度、す
なわち弁可動部１６の絶対位置に対応した位置検出信号
を出力させるようにしている。制御部８はサーミスタ６
および温度設定部７からの温度信号に基づいて出湯温度
のフィードバック制御を行なう一方で、この位置検出信
号を監視し、混合弁４の湯側、水制全開位置を越えて制
御しようとしたときは弁モータ９への出力を遮断し、上
述の機械的な破壊を防止するようにしている。

つぎに、制御部８における出湯温度のフィードバック制
御の詳細について説明する。第１４図は下記式にて求め
た温度偏差と弁モータ９の駆動する方向、速度の関係を
示したものである。

温度偏差−段定温度一検出温度　・・・・・・（ａ式）
温度偏差がａ〜−ａのときは弁モータ９を無条件に停止
する不感帯領域であり、これによって安定時のハンチン
グを防止する効果がある。温度偏差がｂ〜−ｂ（ａ〜−
ａを除く）のときは偏差に応じて駆動速度が速くなる比
例制御領域であり、過渡時のオーバシュートを防止する
効果がある。

温度偏差がｂより大、もしくは−ｂより小の領域は、弁
モータ９をハードウェアが許容する最高速度で駆動する
最高速度駆動領域であり、設定温度と検出温度との開き
が非常に太き（、出湯温度を早く収束させなければなら
ないときに効果がある。

発明が解決しようとする課題 このような従来の湯水混合制御装置では、つぎに示すよ
うな課題を有していた。

（１）　　出湯流量が低流量になるに連れて、弁モータ
９が動作してから実際の温度変化がサーミスタ６によっ
て検出されるまでの反応（以下、制御レスポンスという
）が悪くなり、高流量に適したパラメータをそのまま使
うとハンチングが発生してしまう。混合弁４からその下
流のサーミスタ６の間には、所定の比率で進入してくる
湯水を完全に混合するための混合室があるが、その容積
は小さすぎても混合しに＜＜、大きすぎても制御レスポ
ンスが悪くなるという問題がある。また内形状を複雑化
して強制的に乱流を作り出すことも有効であるが、混合
しやすくなる反面、圧力損失が増大して最大流量が低下
するという問題がある。一方サーミスタ６は、もともと
その物性的な、ものの他に外郭の体積や材質などから決
まる固有の熱時定数をもっており、しかも高温、高圧の
湯温を電気的信号に変換するという過酷な使用環境で用
いているために、通常の用途より高いレヘルの耐水、耐
電圧性を要求される。ゆえに、その外郭はいっそう強固
て熱時定数の大きいものにする必要がある。

以上の事柄からもわかるように、本システムではある一
定のレベル以上制御レスポンスを向上させることはむず
かしく、しかも流量が減るにしたがって低下してい（傾
向があるので、全ての条件を１つの規則で制御して行く
ことは不可能であった。

（２）混合弁４がほぼ中央（湯水の流量が等しい）にあ
って出湯流量が低く、しかも湯水が等圧のとき、等正比
弁３は不安定な状態になって混合弁４の動作に過敏に反
応し、圧力バランスを崩して出湯温度がふらついてしま
う。等正比弁３は湯水の１次側圧力に応じて弁可動部１
２が動き、高い側の２次側圧力が低い側の１次側圧力と
等しくなるところでバランスする構成となっているが、
湯水の１次側圧力お流量がほぼ等しいとき、等正比弁３
はどちら側を閉じ、どちら側を開放するともなく中央付
近でバランスしている。ここで湯水の圧力バランスがわ
ずかに崩れると、通常ならば弁可動部１２が圧力をバラ
ンスする位置に移動するだけであるが出湯流量が少ない
ときは流れに弁可動部１２を動かす力がなく、混合弁４
が動作して温度を維持しようとする。ところが、混合弁
４が動作すると湯水の流量バランスが崩れ、今度は弁可
動部１２が動いて２次側圧力がバランスする位置に移動
する。ところが混合弁４は前述の制御レスポンスによる
遅れによってしばらく混合弁４を動かしつづけるため、
出湯温度は大きくふらついてしまうこととなる。

（３）　　出湯温度を安定させる方法として従来、検出
温度の微分項を設定し、その値に応じて制御規則を補正
するやり方が行なわれていた。しかし、本システムでは
制御における論理演算のため、多くの場合サーミスタ信
号のＡ／Ｄ変換を行ない、微分項に有効な解像度を得る
ことができない。

本発明は上記課題を解決するもので、簡単な構成によっ
て最適な制御規則を選択し混合弁の駆動速度を決定する
ことのできる湯水混合制御装置を提供することを目的と
している。

課題を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、水道から水を供給
する給水手段と、熱源器から高温湯を供給する給湯手段
と、前記給水手段と前記給湯手段の下流にてそれぞれ湯
、水の圧力を等圧にする等圧化弁と、前記等圧化弁の下
流にてそれぞれ湯。

水の混合比率を回転角度に応じて任意に変化できる混合
弁と、前記混合弁と連動して回転角度を変化させ位置検
出信号を出力する位置検出手段と、前記混合弁に接続し
付勢することによって回転角度を変化させ湯と水の混合
比率を変化させる弁モータと、前記混合弁の下流にあっ
て混合湯の温度を検出する湯温検出手段と、使用者の好
みの温度を入力し設定温度として出力する湯温設定手段
と、前記湯温検出手段と湯温設定手段の出力を比較し所
定の制御定数によるフィードバック制御に基づいて前記
弁モータの駆動方向、速度を決定する制御部とを備え、
前記制御部は前記制御定数を前記検出温度と設定温度の
偏差の一定時間あたりにおける積分量と位置検出信号に
応じて変化させ前記弁モータの駆動条件を決定するよう
にしたことを課題解決手段としている。

作用 本発明は上記した課題解決手段により、給水手段は水道
から水を、給湯手段は熱源器から高温湯をまず最初に等
圧化弁に供給し、そこで等灰化された湯水は混合弁によ
って混合される。混合弁の下流に位置する湯温検出手段
は混合された湯の温度を検出し、また温度設定手段は使
用者の好みの温度を操作によって入力し、それぞれ検出
温度と設定温度として制御部に出力する。混合弁および
弁モータと連動して動作する位置検出手段は、位置検出
信号を制御部に出力する。制御部はこれらの信号に基づ
き温度偏差を求め弁モータへの駆動方向、速度を演算し
、水全開〜湯全開の範囲で制御するよう出力する。弁モ
ータは駆動方向をフィードバック制御に基づき、駆動速
度を位置検出手段の出力値から演算する。

実施例 以下、本発明の一実施例を第１図および第２図を参照し
なから説明する。なお、従来例と同じ構成のものは同一
符号を付して説明を省略する。

図に示す″ように、制御部１７は出湯温度が設定部りに
なるように弁モータ９を介して混合弁４を駆動するフィ
ードバック制御を行なうもので、混合弁４および弁モー
タ９と同軸に配したポテンショメータ（位置検出手段）
１０によって角度検出を行ない、この位置検出信号と検
出温度上設定温度の偏差の一定時間当りの積分量とに応
じて混合弁４が湯側全開もしくは水側全開の範囲を越え
て駆動しないようにする。

第２図は制御部１７の内部ブロック図を示したもので、
サーミスタ（湯温検出手段）６の出力した温度信号は検
出温度演算部１８によって検出温度に変換され、また同
様にして温度設定部（湯温設定手段〉７の出力した温度
信号も設定温度演算部１９によって設定温度に変換され
、温度偏差演算部２０に出力される。温度偏差演算部２
０は（ａ式）によって求めた温度偏差を、それぞれフィ
ードバック部２１．温度偏差積分部２２、第１のメンバ
ーシップ関数２３に出力する。温度偏差に基づいてフィ
ードバック部２１は不感帯および弁モータ９の駆動方向
を決定する。第３図は弁モータ９の駆動方向信号と温度
信号と温度偏差の関係を示すものであり、温度偏差の絶
対値が゛ｅ′以下のときは無条件に弁モータ９を停止し
、符号が正のときは湯側全開、負のときは水側全開の方
向に弁モータ９を駆動するように弁モータ駆動部２４に
出力する。温度偏差に基づいて温度偏差積分部２２は第
４図に示すように１時間ごとの積分量を求め、第２のメ
ンバーシップ関数２５に出力する。混合弁位置検出部２
６はポテンショメータ１０の出力信号を混合弁４の位置
信号に変換し、第３のメンバーシップ関数２７に出力す
る。ファジィ推論部２８は第１のメンバーシップ関数２
３〜第３のメンバーシップ関数２７を前件命題、弁モー
タ９の駆動速度を後件命題とするプロダクションルール
２９に基づいてファジィ演算を行ない、弁モータ９の駆
動速度を決定して弁モータ駆動部２４に出力する。

第５図（ａ）は第１のメンバーシップ関数２３（温度偏
差の各カテゴリに対する適合度合）で、第５図（ｂ）は
第２のメンバーシップ関数２５（温度偏差積分値の各カ
テゴリに対する適合度合）で、第５図（（２）は第３の
メンバーシップ関数２７（混合弁が中央付近である度合
）である。これら３つのメンバーシップ関数は入力に応
じた適合度合を演算し、第６図に示したプロダクション
ルールに基づいて第７図の第４のメンバーシップ関数３
０（弁モータ９の駆動速度における各カテゴリの適合度
合）に代入、重心演算を行なって、弁モータ９の駆動速
度を求める。

プロダクションルールと第４のメンバーシップ関数３０
の関係について説明する。第１のメンバーシップ関数２
３については、温度偏差が太きいぼと駆動速度を速くし
て温度の収束性を良（する非線形の比例制御を構成して
いる。第２のメンバーシップ関数２５については、温度
偏差積分値が大きいほど連続的に温度偏差が大きいこと
から、現行のルールでは速やかに温度を収束できないと
判断し、比例制御のゲインが急になるような駆動速度の
重み付けにする。第３のメンバーシップ関数２７につい
ては、混合弁４の弁位置が中央付近になるに連れて等正
比弁３のバランスが崩れやすくなる。ゆえに、比例制御
のゲインが中央付近はど緩やかになるように構成する。

またそれぞれの合成規則は、補ファジィルールを採用す
る。

すなわち、第４のメンバーシップ関数３０において命題
同志がかち合った場合は、出湯温度の収束が遅れること
よりもふらつきやハンチングに至る方が被害が甚大であ
ると判断して、小さい方を採用するものとする。

例として、第８図のように温度偏差がＥ、温度偏差積分
値がＩ、ポテンショメータ値がＰの条件を考える。ここ
で、第１のメンバーシップ関数２３の各カテゴリにおけ
る適合度合は第５図（ａ）よりつぎのようになる。

つぎに、第２のメンバーシップ関数２５の各カテゴリに
おける適合度合は第５図（ｂ）よりつぎのようになる。

最後に第３のメンバーシップ関数２７の度合、すなわち
混合弁４の位置の中央付近度合は第５図（（２）よりＰ
ｌとなる。これらの度合をプロダクションルールに代入
して補ファジィルール（どちらか一方の小さい方）によ
って合成する。

以上のようにして合成した第４のメンバーシップ関数３
０は第９図のようになる。ここで求まる重心点Ｇの横軸
における値ＧＸが、第８図に示した制御状態から推論し
、最適かつ最終的な弁モータ９の駆動条件となる。これ
によって、第゛１０図（ａ）の実線で示すように、従来
低流量出湯時にて起こっていたハンチングや、第１０図
（ｂ）の実線で示すように、湯水同圧時の出湯時に混合
弁９の弁位置が中央付近にあることにより起こっていた
ふらつきなどが、それぞれ破線で示すようにな（なり、
あらゆる条件で安定した出湯温度を得ることができるよ
うになった。

発明の効果 以上の実施例から明らかなように本発明によれば、湯温
検出手段と湯温設定手段の出力を比較し所定の制御定数
によるフィードバック制御に基づいて弁モータの駆動方
向、速度を決定する制御部を備え、前記制御部は制御定
数を前記検出温度と設定温度の偏差の一定時間あたりに
おける積分量と位置検出信号に応じて変化させ弁モータ
の駆動条件を決定するようにしたから、出湯制御に悪影
響を及ぼす流量の低下と混合弁の中央付近における等圧
化弁のふらつきを、新たなハードウェアを追加すること
なしに検出、対応し安定した出湯温度を得ることができ
、つぎのような効果が得られる。

（１）温度偏差積分値が出湯温度が連続的に外れている
場合とハンチング状態にある場合とでは、ハンチング状
態にある場合の方が小さいのでより低速駆動の重み付け
がなされ、ハンチングを収束させる効果がある。一方、
設定温度変更や、死水排除による供給湯温変動時などの
場合は温度偏差積分値が連続的に大きくなってより高速
駆動の重み付けがなされ、出湯温度が速く設定に収束す
ることができる。

（２）混合弁が中央付近になるに連れて等圧化弁の動作
が不安定になると、外側と比べてやや緩やかに弁モータ
を動かすようにしているので、等圧化弁を刺激せずに温
度のふらつきも抑えることができる。

（３゛）温度偏差積分値から制御状態が安定しているか
否かを判定するので、前述のＡ　、／’　Ｄ変換におけ
る解像度の問題が大幅に緩和できる。また、弁モータの
駆動条件を決定するファジィ推論部に、ハードウェアの
みで構成したものを用いるならばこの問題は、まったく
影響しなくなる。

（４）　　これら膨大なデータ処理をファジィ理論を用
いて処理することによって、複雑かつ相互に影響しあう
パラメータの最適値を、効果的に短時間で導き出すこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の湯水混合制御装置のブロッ
ク図、第２図は同湯水混合制御装置の制御部の内部ブロ
ック図、第３図は同制御部のフィードバック部の制御特
性図、第４図は同制御部の温度偏差積分部の動作説明図
、８５図（ａ）〜（（２）はそれぞれ同制御部の前件命
題のメンバーシップ関数を示す図、第６図は同制御部の
プロダクションルールを示す図、第７図は同制御部の後
件命題のメンバーシップ関数を示す図、第８図は同制御
部の制御状態図、第９図は同制御部の合成後の後件命題
のメンバーシップ関数を示す図、第１０図（ａ）、（ｂ
）、！よ同湯水混合制御装置の出湯温度におけるタイミ
ングチャート図、第１１図は従来の湯水混合制御装置の
ブロック図、第１２図は同湯水混合制御装置の等圧化弁
の断面図、第１３図は同湯水混合制御装置の混合弁の断
面図、第１４図は同湯水混合制御装置の制御部の制御特
性図である。 １・・・・・・湯側配管（給湯手段）、２・・・・・・
水側配管（給水手段）、３・・・・・・等圧化弁、４・
・・・・・混合弁、６・・・・・・サーミスタ（湯温検
出手段）、７・・・・・・温度設定部（湯温設定手段）
、９・・・・・・弁モータ、１０・・・・・・ポテンシ
ョメータ（位置検出手段）、１７・・・・・・制御部。 代理人の氏名　弁理士小鍜治明　ほか２名１−−４例配
￥（玲）手授） ２−−一水本貝）１！ｌ乙１ξく拳含ｊ（手すＱ〕Ｃ−
・−リーくズＱ＜４１町１Ｋ〕 ’Ｉ−−−Ｊ７ｆ蚊り軽（］壜も；■挨）９−・−守干
−９ 第 図 第１０ 図 第 図 第 図 ７１（１傘ｈＪ≧１１カ ４１１’ｌヘームｐｔカ 第１１ 図 第１２ 図 ｉ３ 図 第１４ 図 ミ５４ノ壜１イ（ｈ］（辷

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）水道から水を供給する給水手段と、熱源器から高
   温湯を供給する給湯手段と、前記給水手段と前記給湯手
   段の下流にてそれぞれ湯、水の圧力を等圧にする等圧化
   弁と、前記等圧化弁の下流にてそれぞれ湯、水の混合比
   率を回転角度に応じて任意に変化できる混合弁と、前記
   混合弁と連動して回転角度を変化させ位置検出信号を出
   力する位置検出手段と、前記混合弁に接続し付勢するこ
   とによって回転角度を変化させ湯と水の混合比率を変化
   させる弁モータと、前記混合弁の下流にあって混合湯の
   温度を検出する湯温検出手段と、使用者の好みの温度を
   入力し設定温度として出力する湯温設定手段と、前記湯
   温検出手段と湯温設定手段の出力を比較し所定の制御定
   数によるフィードバック制御に基づいて前記弁モータの
   駆動方向、速度を決定する制御部とを備え、前記制御部
   は前記制御定数を前記検出温度と設定温度の偏差の一定
   時間あたりにおける積分量と位置検出信号に応じて変化
   させ前記弁モータの駆動条件を決定するようにしてなる
   湯水混合制御装置。
2. （２）制御部は、設定温度と検出温度の偏差を求める温
   度偏差演算部と、前記温度偏差から弁モータの不感帯お
   よび駆動方向を決定するフィードバック部と、知識ベー
   スとして保持し温度偏差の大きさ度合を示す第１のメン
   バーシップ関数と、一定時間ごとに前記温度偏差の積分
   値を求める温度偏差積分部と、知識ベースとして保持し
   温度偏差積分値の大きさ度合を示す第２のメンバーシッ
   プ関数と、知識ベースとして保持し混合弁位置の中央度
   合を示す第３のメンバーシップ関数と、知識ベースとし
   て保持し前記弁モータ駆動速度の速さ度合を示す第４の
   メンバーシップ関数と、前件命題を前記第１〜第３のメ
   ンバーシップ関数、後件命題を前記第４のメンバーシッ
   プ関数とし温度偏差に所定の勾配で比例して駆動速度が
   速くなり温度偏差積分値に応じて前記勾配が増大し前記
   混合弁位置の中央度合に応じて前記勾配が減少する構成
   を持つプロダクションルールと、前記温度偏差と温度偏
   差積分値と混合弁位置信号と前記第１〜第４のメンバー
   シップ関数と前記プロダクションルールに基づいてファ
   ジィ演算を行ない前記弁モータの駆動速度を決定するフ
   ァジィ推論部と、前記フィードバック部によって決定し
   た駆動方向と前記ファジィ推論部によって決定した駆動
   速度に基づいて前記弁モータへの出力を行なう弁モータ
   駆動部とを備えてなる湯水混合制御装置。