JPH0442573B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱交換器を加熱する加熱手段を制御
することにより、熱交換器から流出する湯温を所
定温度に制御する給湯器の温度制御装置に関す
る。

［従来の技術］ 給湯器では、使用者の必要に応じた出湯温度が
得られるように、入水温、入水量、設定温度に応
じてバーナや電気ヒータ等の加熱手段がフイード
フオワード制御されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、入水量が変更された場合や設定温度が
変更された場合に、それに応じて直ちに燃焼量が
変更されても、加熱される水が通過する熱交換器
には、その材質、形状、大きさ等に基づく熱容量
による残存熱量があるため、実際の加熱量は熱交
換器が熱平衡に至るまでの時間が経過しないと設
定温度にならず、余分に加熱されたり加熱量が不
足したりする。そのため、こうした変更後には設
定温度の給湯が行われるまでに時間が掛かるとい
う問題がある。

本発明は、水量や設定温度が変更された場合に
も、設定温度に応じた給湯が速やかに行われる給
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、熱交換器へ流入する水の流入温度と
前記熱交換器を通過する水の流量とから前記熱交
換器への加熱量を制御して、前記熱交換器から流
出する湯温を温度設定手段によつて設定された設
定温度に一定化する制御手段を備えた給湯器の温
度制御装置において、前記制御手段は、前記流入
温度、前記流量、前記設定温度から前記熱交換器
への基準加熱量を決定する基準加熱量決定手段
と、前記熱交換器から流出する湯水の温度、前記
熱交換器の熱容量および基準加熱量に基づいて前
記熱交換器の仮想温度を想定演算する仮想温度演
算手段と、前記基準加熱量決定手段による基準加
熱量が定常状態のときの前記熱交換器の定常仮想
温度と非定常状態のときの前記熱交換器の非定常
仮想温度との温度差から前記熱交換器と該熱交換
器を通過する湯水との間の熱移動量を演算して前
記熱交換器への加熱量を補正する加熱量補正手段
とを備えたことを技術的手段とする。

〔作用〕

本発明では、熱交換器への流入温度、熱交換器
を通過する流量、温度設定手段による設定温度か
ら基準加熱量決定手段によつて基準加熱量が決定
され、この加熱量によつて熱交換器が加熱され
る。

熱交換器への加熱量が変化しなくなり定常状態
になると、仮想温度演算手段によつてそのときの
熱交換器の仮想温度が定常仮想温度として演算さ
れる。

熱交換器を通過する流量が変化した場合、ある
いは温度設定手段による設定温度が変更された場
合には、基準加熱量が変化して、非定常状態とな
り、熱交換器の仮想温度は非定常仮想温度として
演算される。

このとき、加熱量補正手段では、定常仮想温度
と非定常仮想温度との温度差から熱交換器と熱交
換器を通過する湯水との間の熱移動量が演算さ
れ、この熱移動量を打ち消す熱量が熱交換器への
加熱量の補正量となる。

従つて、熱交換器から湯水への熱移動が生じる
ような場合には、加熱量はその分だけ小さくな
り、逆に湯水から熱交換器への熱移動が生じるよ
うな場合には、その分だけ加熱量が大きくなる。

この結果、設定温度が一定の場合で流量が変化
した場合には、熱交換器と湯水との間に熱移動が
抑えられ、一定の温度の湯水が得られ、設定温度
が変更されて流量が一定の場合には、温度が高く
なれば変更された温度に応じて熱交換器から湯水
への熱移動が行われて、湯水の温度が速やかに上
昇し、温度が低くなれば、湯水から熱交換器へ熱
移動が行われて、湯水の温度が速やかに低くな
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、流入水量が変化した場合や、
設定温度の変更があつた場合には、変更時の熱交
換器の仮想温度に基づいて加熱量が補正されるた
め、熱交換器に蓄積された熱量による影響が出湯
温度に現れることが少なく、熱交換器の熱量によ
る過剰加熱や加熱不足が非常に少ないため、安定
した温度が得られ、あるいは、速やかに変更され
た温度の湯水が得られる。

［実施例］ 次に本発明を図面に示す実施例に基づき説明す
る。

第２図に概略を示す本実施例のガス給湯器は、
燃焼器１０と、燃料管２０、水管３０と、制御装
置４０とから構成される。

燃焼器１０は本発明の加熱手段で、給湯器ケー
ス１内に設けられたバーナプレート１１と、燃焼
用空気を供給する送風機１２とからなり、バーナ
ではノズル１３から供給される燃料ガスを送風機
１２によつて供給される燃焼用空気のみで燃焼す
る全一次空気燃焼を行い、燃焼ガスは図示しない
排気口から排出される。

バーナプレート１１近傍の上方には、点火装置
のスパーカ１４、炎検知のためのフレームロツド
１５およびサーモカツプル１６がそれぞれ設けら
れている。

燃料管２０は、燃料ガスをノズル１３へ供給す
るもので、その上流側から順に元電磁弁２１、主
電磁弁２２が、さらにバーナプレート１１への燃
料供給量を調節する比例弁２３がそれぞれ設けら
れ、比例弁２３の下流では分岐しており、分岐し
た一方の燃料管２０には燃料を遮断して燃焼量を
調整するための切替用電磁弁２４が備えられ、他
方にはバーナプレート１１への燃料供給量を制限
するためのオリフイス２５が備えられている。

水管３０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供給管３１および給湯管３
１ａと、これらを連通した熱交換器３２およびバ
イパス管３２ａとからなり、供給管３１から供給
される水の一部は熱交換器３２を通過して、残る
部分はバイパス管３２ａを通過して給湯管３１ａ
へ導かれ、熱交換器３２およびバイパス管３２ａ
との合流部にはバイパス弁３３が設けられ、熱交
換器３２によつて加熱される水と、バイパス管３
２ａによつて加熱されないで導かれる水との割合
を適切に調節して混合する。

一方、供給管３１には上流より水量制御弁３
４、水流センサ３５および入水温サーミスタ３６
が、また熱交換器３２の下流には熱交換サーミス
タ３７が、さらに給湯管３１ａには出湯温サーミ
スタ３８がそれぞれ備えられている。

なお、バイパス弁３３および水量制御弁３４
は、それぞれ備えられたギヤドモータによつて駆
動され、その開度検出にはポテンシヨメータが備
えられており、また水流センサ３５は供給管３１
内を通過する水流により回転する図示しない羽根
車の回転数に応じた数のパルス信号を出力する。

制御装置４０は、マイクロコンピユータと駆動
回路とから構成されるもので、マイクロコンピユ
ータは機能部として、第１図に示すとおり、作動
シーケンスを司るシーケンス制御部４１、基準加
熱量決定部４２、熱量演算部４３、補正部４４、
燃焼制御部４５、水量制御部４６を有し、他に制
御装置４０は使用者によつて操作されるコントロ
ーラ４７を備えている。

シーケンス制御部４１は、水流センサ３５によ
る通水信号およびコントローラ４７からの操作信
号に基づいて所定のシーケンスで点火作動を行つ
て燃焼を開始するとともに、異常燃焼時、等力不
足時等の予め設定された条件下で燃焼が行われた
場合には、燃焼器１０全体の作動や燃料供給を停
止する。

基準加熱量決定部４２は、コントローラ４７で
設定された設定温度と入水温サーミスタ３６、水
流センサ３５からの信号に基づいて、フイードフ
オワード制御としての時刻ｎにおける基準加熱量
FFnを決定する。

ここでは、基準加熱量FFnは、設定温度Tset、
入水温度Tin、入水量Ｗ、熱効率effから、 FFn＝（Tset−Tin）×Ｗ／eff で決定される。

熱量演算部４３は、燃焼開始後に所定時間が経
過してから、燃焼量の能力制御が開始されたとき
に、熱交換サーミスタ３７による検出温度に基づ
いて熱交換器３２の熱量を演算し、熱交換器３２
の温度の初期値とする。

ここでは、時間ｎにおける熱交換器３２の仮想
温度Bnの初期値B₀を、熱交換器３２からの出湯
温度Teに基づいて、 B₀＝ｅ×Te＋ｆ で求める。

補正部４４は、燃焼器１０の燃焼量を熱量演算
部４３の演算結果に基づいて補正するための機能
部である。

ここでは、基準加熱量決定部４２による基準加
熱量FFnの変化量を監視し、演算された熱交換器
３２の温度の初期値B₀と基準加熱量FFnの変化
勾配とから熱交換器３２の温度を所定の単位時間
Δt（例えば0.5秒）周期で、時刻ｎにおける熱交換
器３２の仮想温度Bn［℃］を、 Bn＝An＋（Bn−１−An）×ｂ で逐次求める。ここでｂは時間定数であり、ま
た、熱交換器３２の定常状態の仮想温度An［℃］
は、基準加熱量FFnにより、 An＝ｃ×FFn＋ｄ で求められる。ここで、ｃ、ｄはいずれも定数で
ある。

さらに、熱交換器３２の定常状態の仮想温度
Anと、時刻ｎにおける熱交換器３２の仮想温度
Bnに基づいて、非定常状態の時刻ｎにおける過
度熱移動分Knを、 Kn＝ｄ×（An−Bn−１） で計算して、この過渡熱移動分Knを補正値とし
て燃焼器１０の補正燃焼量を決定し、過渡熱移動
分Knが計算される間を補正時間としている。

従つて、熱交換器３２が仮想温度An₁の定常状
態において、例えば入水量が減少すると、時刻ｎ
における熱交換器３２の仮想温度Bnは、第６図
に示すとおり、非定常状態から定常時への二次式
的変化（一般に熱的平衡の指数関数で表される）
をして次第に定常状態の仮想温度Bn₁に接近し、
それに伴つて、過渡熱移動分Knは、第７図に示
すとおり、次第に減少する。

燃焼制御部４５は、基準加熱量決定部４２によ
り決定され、補正部４４によつて補正された燃焼
量に応じて、燃焼器１０の送風機１２、比例弁２
３、切替用電磁弁２４を制御する。ここでは、前
述のとおり、補正部４４によつて燃焼量の補正が
行われるため、使用者により給湯水量が変更され
たり、設定温度が変更されて、それに伴つて燃焼
量の変更が必要な場合には、変更前の熱交換器３
２に蓄積された過剰熱量あるいは不足熱量に基づ
いて、新たな燃焼量およびその出力時間が決定さ
れるため、燃焼量が過剰であつたり不足したりす
ることはなく、熱交換器３２から流出する湯水の
温度を速やかに変更することができる。

また、サーモカツプル１６の出力によつて空燃
比の補正制御が行われる。

水量制御部４６は、基準加熱量決定部４２の決
定燃焼量に応じて水量制御弁３４を制御するとと
もに、出湯温サーミスタ３８の検知信号に基づい
てバイパス弁３３を制御する。

コントローラ４７は、給湯器の運転を開始する
とともに、使用者の目的に応じた出湯温度を設定
する。また、設定された温度を表示するための液
晶表示部や、燃焼器１０の燃焼中を示す燃焼ラン
プが備えられ、作動状態を使用者に知らせる。

なお、制御装置４０では、熱交換サーミスタ３
７の検知信号によるフイードバツク制御も合わせ
て行われ、熱交換器３２から流出する温度が所定
の条件になつた場合に、燃焼器１０の燃焼量が修
正される。

以上の構成からなるガス給湯器は、次のとおり
作動する。

使用者がコントローラ４７で出湯温度を設定し
運転スイツチを入れ、図示しない水栓を操作する
と、所定のシーケンスで点火が行われ、燃焼器１
０の燃焼が開始するとともに、図示しない給湯口
から流出する。

所定時間が経過すると、点火初期の燃焼量から
コントローラ４７の設定温度に応じた燃焼量制御
が開始され、入水温、入水量、設定温度に基づい
て基準加熱量が決定される。

すると、送風機１２がその加熱量に応じて制御
され、加熱量に応じた燃焼用空気が供給されると
ともに、送風機１２の回転数が検出され、その検
出回転数に応じて比例弁２３へ電流が通電され
る。また、供給管３１から供給される水は、熱交
換器３２とバイパス管３２ａに分かれてそれぞれ
流入し、熱交換器３２で加熱された水と、加熱さ
れないでバイパス管３２ａを通過した水はバイパ
ス弁３３でその割合が調節されて混合され、給湯
される。

給湯が継続され熱交換器３２の熱平衡が得られ
ると、熱交換サーミスタ３７により熱交換器３２
からの流出温度が検知され、その温度と予め計算
された熱交換器３２の熱容量に基づいて、熱交換
器３２の温度が演算され、初期値とされる。

その後、第３図に示すとおり時刻t₁で使用者に
よつて流量がV₁からV₂に変更されると、それに
伴つて基準加熱量も第３図に示すとおりq₁からq₂
に変更される。すると、補正部４４では、熱交換
器３２の温度の初期値と変化した基準加熱量に基
づいて、燃焼器１０の補正燃焼量と補正時間とが
演算され、燃焼制御部４５では、補正された加熱
量に応じて燃焼器１０を制御する。

その結果、燃焼器１０の燃焼量は第４図に示す
とおりQ₁からQ₂に短時間で変更され、その後、
補正部４４の補正時間に応じてさらに燃焼量は
Q₂からQ₃へ次第に変更される。従つて、熱交換
器３２から流出する給湯温度は、第５図に示すと
おり大きく変化することなく、設定温度に応じた
ほぼ一定の温度T₁を示す。

さらに、時刻t₂で、再び給湯量が変更され流量
がV₃にされると、それに伴つて基準加熱量はq₃
に変更されるが、同様にして燃焼器１０の燃焼量
はQ₃からQ₄に短時間で変更され、さらにQ₅に次
第に変更される。この結果、熱交換器３２からの
流出温度は設定温度に応じた温度T₁にすること
ができる。

以上のとおり、本発明によれば、給湯量が使用
者によつて変更され、燃焼量が変更される場合
に、燃焼器の燃焼量は、熱交換器の温度に基づい
て補正されるため、過剰に加熱されたり、加熱量
が少なかつたりすることはなく、設定温度に応じ
た給湯を行うことができる。

本実施例では、設定温度が一定であつて、給湯
量が変更された場合について説明したが、流量が
一定であつて、設定温度が変更される場合であつ
ても、それに応じて燃焼量が変更される場合に
は、同様に燃焼量の補正が行われるため、給湯温
度を新たに設定した設定温度に速やかにすること
ができる。

以上の実施例では、全一次空気燃焼式のバーナ
を使用したガス給湯器について示したが、ブンゼ
ン式バーナや石油バーナや、電気ヒータ等の加熱
手段であつてもよい。

【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
御装置の機能的構成を示すブロツク図、第２図は
本実施例のガス給湯器を示す概略構成図、第３図
から第５図はいずれも本実施例の作動説明に供す
るための図で、第３図は給湯流量の変化およびフ
イードフオワード制御における基準加熱量の変化
を示すタイミングチヤート、第４図は本実施例の
燃焼器における燃焼量変化を示すタイミングチヤ
ート、第５図は給湯温度の変化を示すタイミング
チヤート、第６図は熱交換器の仮想温度Bnの変
化を示す特性図、第７図は過渡熱移動分Knの変
化を示す特性図である。 図中、４０……制御装置（制御手段）、４２…
…基準加熱量決定部（基準加熱量決定手段）、４
３……熱量演算部（仮想温度演算手段）、４４…
…補正部（加熱量補正手段）、４７……コントロ
ーラ（温度設定手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱交換器へ流入する水の流入温度と前記熱交
   換器を通過する水の流量とから前記熱交換器への
   加熱量を制御して、前記熱交換器から流出する湯
   温を温度設定手段によつて設定された設定温度に
   一定化する制御手段を備えた給湯器の温度制御装
   置において、 前記制御手段は、前記流入温度、前記流量、前
   記設定温度から前記熱交換器への基準加熱量を決
   定する基準加熱量決定手段と、前記熱交換器から
   流出する湯水の温度、前記熱交換器の熱容量およ
   び基準加熱量に基づいて前記熱交換器の仮想温度
   を想定演算する仮想温度演算手段と、前記基準加
   熱量決定手段による基準加熱量が定常状態のとき
   の前記熱交換器の定常仮想温度と非定常状態のと
   きの前記熱交換器の非定常仮想温度との温度差か
   ら前記熱交換器と該熱交換器を通過する湯水との
   間の熱移動量を演算して前記熱交換器への加熱量
   を補正する加熱量補正手段とを備えたことを特徴
   とする給湯器の温度制御装置。