JPS6122216B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は湯沸器の出湯温度制御等に用いる自動
制御回路に関し、温度制御精度が高く、かつ制御
温度のオーバーシユートが少なく火傷の心配がな
いガス湯沸器を提供することを目的とするもので
ある。

以下、ガス湯沸器の従来の温度制御回路を説明
する。

第１図は一般的なガス湯沸器の自動制御システ
ムを示す概略図で、１は熱交換器で、ガスバーナ
２の燃焼熱を水パイプ３から入つて来て給水部で
ある水道蛇口４に向つて流れる水へ熱交換を行
い、水道蛇口４から給湯する。なお、ガスはガス
パイプ５、電磁式ガス比例制御弁６を介して前記
ガスバーナ２へ供給されている。

このガス湯沸器において給湯温度は熱交換器１
出口点に接着された負性感温抵抗素子（以下、サ
ーミスタと称す）７によつて検出され、該検出信
号は比較増幅器８を介して、前記電磁式ガス比例
制御弁６のコイルに加えられ、前記ガスバーナ２
へのガス供給量を制御し、給湯温度を一定に保つ
ように動作している。

第２図は前記比較増幅器〔以下制御回路と称
す〕８の従来の回路例を示し、９は電源、１０は
前記電磁式ガス比例制御弁６のコイル、１１，１
２，１３，１４，１５は固定抵抗器である。前記
サーミスタ７と固定抵抗器１１，１２，１３とで
ブリツジ回路と形成し、サーミスタ７と固定抵抗
器１１の接続点ａと固定抵抗器１２と１３の接続
点ｂの中点電位をトランジスタ１６で比較し、例
えば、給湯温度が低い場合にはサーミスタ７の抵
抗値が大きく、トランジスタ１６が付勢され、そ
の出力はトランジスタ１７で増幅され、前記コイ
ル１０に電流を流し、ガスバーナ２にガスを供給
し、出湯温度を設定温度にまで昇温させる。出湯
温度が設定温度より高い場合には今と逆の動作に
よりガス量を減らして出湯温度を設定温度に保た
せるものである。なお、前記固定抵抗器１４はト
ランジスタ１６のコレクタ抵抗、固定抵抗器１５
はトランジスタ１７のエミツタ抵抗である。また
１８はコイル１０の逆起電力吸収用のダイオード
である。

第３図は第２図に示した従来の制御回路の温度
制御特性を示し、縦軸に出湯温度：Ｔ、横軸に給
湯温度：Ｑをとり、給湯流量に対する制御温度の
関係を示す。実線は第２図制御回路による制御燃
焼時の特性を示し、破線Ｆは無制御全開燃焼時の
特性を示す。

第２図の制御回路の特徴は、検出温度と設定温
度との差に比例した出力で出湯を制御する点にあ
る。ガス湯沸器において、ある出湯温度の安定状
態から給湯流量が増すと給湯温度が下がり、その
結果検出温度と設定温度との差が拡がつて制御出
力が増え、ガスバーナ２へのガス供給量を増やし
て再び給湯温度を元の温度に近づけるべく制御す
る。しかし、上記のガス供給量の増加は出湯の検
出温度と設定温度との差が拡大によつて生ずるも
のであるため、ガス供給量が大きい状態で安定す
るときの上記温度差も、拡大した状態で安定せざ
るを得ない。したがつて出湯温度の安定時の上記
温度差は、第３図の静特性図に示すように給湯流
量Ｑの増加、つまりガス供給量の増加とともに拡
大し、設定温度T₀に対し右下りの傾斜を持つよ
うになる流量Q₁で出湯温度T₁、流量が前記Q₁よ
り大きいQ₀では出湯温度は設定温度T₀よりΔT₀
下がるものである。

更に前記Q₀以上の給湯流量ではガス比例制御
弁６が全開になり、それ以上給湯流量を増やして
も燃焼量が増えず一定になるため、給湯流量Ｑを
増やすと温度上昇能力が下降し、出湯温度は全開
無制御燃焼の湯沸器の温度上昇特性である破線に
沿つて急激に下降する。第４図は給湯流量が急激
に変化したときの過渡応答特性を示し、縦軸に出
湯温度：Ｔ、横軸に経過時間ｔをとる。給湯流量
がQ₁においては第３図の静特性から解るように
出湯温度T₁で安定するが、時間t₁において給湯流
量をQ₀に変更すると、変更した瞬間は熱交換器
１やサーミスタ７等の応答遅れによつてガス比例
制御弁６によるガス供給量はすぐ変化せず、した
がつて温度が急激に下がり、ΔT₂のアンダーシ
ユートを発生する。この温度の下降をサーミスタ
７が検出し、設定温度と出湯の検出温度との差の
拡大によつてガス供給量を増加して再び出湯温度
を上昇させ、最終的に第３図の静特性から求めら
れる給湯流量Q₀における出湯温度（T₁−ΔT₁）で
安定する。このときのガスバーナ２へのガス供給
量は当然ながら少ない給湯流量Q₁のときより増
加しており、その増加分はT₁よりΔT₁だけ温度
差が拡大して安定したことによつて得られてい
る。次いで、時間t₂において給湯流量を少なくし
Q₁に戻すと、前記と同様にガス比例制御弁６に
よるガス供給量はすぐ変化せず、したがつて温度
が急激に上がり、ΔT₃のオーバーシユートを発
生する。この温度上昇をサーミスタ７が出湯温度
を検出し、検出温度と設定温度との差の縮少によ
つてガス供給量を減少して再び温度を下降させ、
元の温度T₁で安定する。このときのガス比例制
御弁６によるガス供給量は当然ながら多い給湯流
量Q₀のときより減少しており、その減少分はΔ
T₁だけ温度差が縮少して安定したことによつて
得られている。このように出湯の検出温度と設定
温度との差に応じた比例出力でガス比例制御弁６
を制御する自動制御は、オーバーシユートやアン
ダーシユートの発生原因となる遅れが、熱交換器
１やサーミスタ７等の構造上から起る遅れだけに
とどまり、制御回路上の遅れは存在しないので過
渡応答特性が良好であり、オーバーシユートやア
ンダーシユートが少ないが、負荷の変動、つまり
ガス湯沸器においては日常的に行われる給湯流量
の変更によつて温度偏差が発生する欠点を有し、
それは出湯温度の変化となつて現われる。

第５図に他の従来の回路例を示す。第５図にお
いて、第２図と同じ番号は同じ部品を表わし、１
９，２０，２１は固定抵抗器、２３はコンデン
サ、２４，２５はトランジスタである。２６は積
分回路で固定抵抗器１９，２０で構成された積分
出力用比較器と、トランジスタ２４、固定抵抗器
２１、コンデンサ２３から成り、前記サーミスタ
７と固定抵抗器１１との接続点ａの電位をトラン
ジスタ２４において前記積分出力用比較器の固定
抵抗器１９と２０との接続点ｃの電位とを比較
し、その出力を固定抵抗器２１とコンデンサ２３
で積分を行い、積分されたコンデンサ２３を両端
電圧でトランジスタ２５を駆動し、比例出力信号
に重畳して電磁式ガス比例制御弁６のコイル１０
に電流を流す。この第５図が第２図の回路と異な
る点は比例制御用出力信号に前記積分出力信号が
重畳される点であり、この制御方式によると、制
御初期において比例出力信号が制御信号として働
き、設定温度近くにまで出湯温度を引き上げ、か
つ設定温度との偏差がある限り、積分出力が増大
し続け、最終的に前記偏差が零になつたとき、偏
差に比例した信号を出力する比例出力信号は当
然、零となつている。

この温度制御特性を第６図に示す。第３図の温
度制御特性図と比較してわかるように、安定状態
において給湯温度は常に設定温度T₀に等しく、
給湯流量Ｑに左右されるものではない。しかし、
一方、過渡応答特性は第２図の制御回路のそれよ
りも悪化する。

第７図は第５図の制御回路の過渡応答特性を示
し前記第４図の過渡応答特性図と比較してわかる
ように、第５図の制御回路は時間t₁で給湯流量が
Q₁からQ₀へ増加したときには比例出力信号回路
が動作し、発生するオーバーシユート温度は第４
図の場合とほぼ同じ値のΔT₄になるが、時間t₂で
給湯流量がQ₀からQ₁に減少した時には積分回路
の時定数に応じた応答遅れを生じ、ΔT₅のよう
に、第４図のΔT₃と比べてオーバーシユート温
度が非常に大きくなつてしまうものである。この
ように、比例出力信号に積分出力信号を重畳させ
る回路においては、負荷が変動しても安定時の温
度は常に等しく保たれるものであるが、負荷急変
時のオーバーシユート温度が極端に大きくなるた
め、火傷の危険性を生じ安全性の面で大きな問題
であつた。そこで積分出力信号を比例出力信号に
重畳させず、積分出力信号で比例出力信号を変化
させることによつて、温度制御特性と過渡応答特
性が共に良好な制御回路を得るべく第８図に示す
制御回路の実施も試みられた。

前記第５図の制御回路と異なる点は、積分値を
出力するコンデンサ２３両端電圧をエミツタフオ
ロア回路を構成するトランジスタ２７、固定抵抗
器２８で前記比例制御用ブリツジ回路の一辺に直
列に接続し、積分電圧が上昇すると自動的に比例
制御回路の設定温度を引き上げ、比例出力信号の
みによる制御時に発生する温度偏差を補正する点
にある。

従つて、安定時においても比例出力信号で電磁
式ガス比例制御弁のコイルに電流を供給でき、負
荷変動時でも直ちに出力を増減できるため、制御
されている状態においては、第９図の過渡応答特
性で示しているように第５図で示したものよりも
過渡応答性が優れているものであるが、積分制御
を入れたことによる基本的欠点は残つていた。そ
れは給湯流量が過大になり（具体的には、第３図
の静特性で給湯流量Q₀より増やした場合）ガス
比例制御弁６が全開になつても燃焼量が増えず出
湯温度が設定温度より下がつた場合には、その状
態が続く限り出湯温度は永久に設定温度に至らず
偏差が持続し、そのため積分出力が過大に増大し
続ける点であり、この現象は連続して給湯しがら
加熱する本発明に用いているようなガス湯沸器に
固有の現象であつて、これが制御性能を悪くし、
火傷を起こす原因となつていた。それを第８図と
第１１図を用いて詳しく説明する。時間t₁におい
て給湯流量をQ₀よりも過大な値にすると、ガス
比例制御弁６が全開になり湯沸器の最大燃焼量で
燃えても出湯温度を設定温度に引き上げることが
できずΔT₈の偏差が生じ、これは前記の過大な
給湯流量を維持している限り永久に存続する。そ
のためトランジスタ２４は常時付勢され続け、ト
ランジスタ１７の付勢量を増加してガス比例制御
弁６を全開にするコイル電流に到達させた後もコ
ンデンサ２３の積分電圧を上昇し続け、十二分に
過積分されてしまう。その状態から給湯流量を
Q₁に戻すと、最大燃焼量で燃えているので、出
湯温度は急激に上昇する。このとき、通常ならば
サーミスタ７の抵抗値が温度上昇とともに小さく
なり、トランジスタ１７の付勢量を減少させてガ
ス比例制御弁６を閉じる方向に働かし、オーバー
シユートを防止するものであるが、コンデンサ２
３の過積分により抵抗器２８を含むブリツジ電位
のアンバランスが余りにも大きくなつており、サ
ーミスタ７の抵抗値が少々小さくなつてもトラン
ジスタ１７の十分な付勢が持続したままになり、
最大燃焼量で燃え続ける。このため出湯温度は設
定温度T₀よりもΔT₉も上昇し、火傷の原因をつ
くる。しかし、出湯温度が設定温度より高いため
にトランジスタ２４は消勢され、コンデンサ２３
の過積分電荷は抵抗２８を介してある時定数を持
つて放電を行う。放電が継続されてコンデンサ２
３の積分電位が下がり、過積分が解消される時間
t₃になつて始めてトランジスタ１７の十分な付勢
が解除され、燃焼量が最大値から減少して設定温
度に至るものである。それならば、給湯流量が過
大にならないように使用者が注意して使えば良さ
そうなものであるが、過大になる点は季節によつ
て異なり、例えば水温が高い夏期においては20
/minまで行けたものが、水温の低い冬期にお
いては10/minの給湯流量で限界に達してしま
う等、使用者が判断するのには難しく、しかも給
湯流量は他水栓の使用などによる水圧の変動時に
も勝手に発生するため、使用者の注意で安全を確
保するのには無理があつた。

第１０図に上記欠点を解消した本発明の制御回
路の一実施例を示し、その過渡応答特性を第１２
図に示す。第８図の制御回路と異なる点は、コン
デンサ２３の積分電位をある値以上にならないよ
うに、固定抵抗器２９，３０とダイオード３１と
で構成するクリツパー回路でクリツプした点にあ
る。コンデンサ２３の積分電位は、固定抵抗器２
９，３０の抵抗値を十分小さな値に設定すること
により、それで定まる電位にダイオード３１の順
方向電圧を足した値をクリツプ電位として、その
値以上には上らない。クリツプ電位は、ガス比例
制御弁６が全開になるコイル１０の電流がトラン
ジスタ１７に流れる、ぎりぎりの電位に設定する
のが最も特性が良い。今、燃焼量の制御状態にお
いては、トランジスタ１７には上記ガス比例制御
弁６の全開時のコイル１０の電流以下の電流値が
流れており、その時にはコンデンサ２３の積分電
位は低く、ダイオード３１は逆バイアスされてク
リツパー回路は非接続状態にあり、第８図と等価
の回路になつている。したがつて制御特性は第９
図で示したものと同一になり、良好な性能を示
す。第１２図において時間t₁で給湯流量をQ₀より
も過大な値にすると、出湯温度が下がるのでトラ
ンジスタ１７の電流が増加しガス比例制御弁６が
全開になりガス湯沸器の最大燃焼量で燃えるが、
給湯流量が過大であるために出湯温度を設定温度
に引き上げることができずにΔT₈の偏差が生
じ、これは前記の過大な給湯流量を維持している
限り永久に存続する。ここまでの特性は第１１図
の場合と全く同一であり、何ら変わる所はない
が、制御回路の働きは大きく変わつている。上記
のΔT₈の偏差の存続によつてトランジスタ２４
は常時付勢され続け、コンデンサ２３の積分電位
を上昇させてブリツジのアンバランスを大きくし
てトランジスタ１７の付勢量を大きくし、上記の
ようにガス比例制御弁６を全開にするコイル１０
の電流を流すに至るが、コンデンサ２３の積分電
位がそれ以上に上昇しようとしてもダイオード３
１が順バイアスになり、トランジスタ１７から流
れる電流はダイオード３１を介して固定抵抗器３
０側に側路される。したがつてコンデンサ２３の
積分電位は、トランジスタ１７がガス比例制御弁
６の全開電流を流し得る値にまで積分を行うが、
それ以上の過積分は全く行われない。そのために
時間t₂で給湯流量をQ₁に戻しても即座に制御状態
に入れるので、第１１図のような過大なオーバー
シユートを生ぜず、第１２図に示すような小さな
値にとどまり、安全を確保することができる。

以上の説明のように本発明のガス湯沸器による
と、積分回路によつて検出温度と設定温度との差
がある限り積分を行い、その出力で負荷への供給
熱量を制御するので、負荷温度は設定温度と偏差
を生ずることなく一致し、従つて温度制御精度が
高くなるとともに、ガス湯沸器は、給湯水を直接
膚に浴びるため、火傷という固有の危険性を有す
る器具であるが、積分限定回路によつて固有の危
険性が解消され、またガス湯沸器は、使用者が給
湯を直接浴びながら給湯量を調節・可変し、負荷
を常時急変させながら使うという固有の使い方の
ためめ、連続的に過大な給湯を行い、熱供給能力
を越えた場合には、その状態が続く限り出湯温度
は永久に設定温度に至らず偏差が持続して積分出
力が増大し続け、その過大な積分にもとづくオー
バーシユートが発生しやすく、異常高温給湯の危
険を生じやすいが、積分限定回路によつてガス湯
沸器固有の使い方においても安全な給湯が確保で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はガス湯沸器の自動制御システムの外概
図、第２図は従来の比例出力信号による自動温度
制御回路図、第３図、第４図は第２図の回路図の
温度制御特性図と過渡応答特性図、第５図は他の
従来例の比例出力信号と積分信号との重畳出力に
よる自動温度制御回路図、第６図、第７図は第５
図の回路図の温度制御特性図と過渡応答特性図、
第８図はさらに他の従来例における自動温度制御
回路図、第９図は第８図の過渡応答特性図、第１
０図は本発明の一実施例におけるガス湯沸器の温
度制御回路図、第１１図は第８図の回路図で給湯
流量を過大にしたときの過渡応答特性図、第１２
図は第１０図の回路図で給湯流量を過大にしたと
きの過渡応答特性図である。 １……熱交換器、２……ガスバーナ、５……ガ
スパイプ、６……電磁式ガス比例制御弁、７……
感温素子、８……制御回路、２３……積分コンデ
ンサ、２９，３０……抵抗、３１……ダイオード
（抵抗２９，３０と共に積分限定回路を構成）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガスバーナと、前記ガスバーナの燃焼熱を給
   水部に向つて流れる給水に伝える熱交換器と、前
   記熱交換器から出る給湯の温度を検出する感温素
   子と、前記ガスバーナへのガス供給量を制御する
   電磁式ガス比例制御弁と、前記感温素子からの給
   湯温度と設定温度とを比較し、その差を入力とし
   て積分動作を行う積分回路とその積分量を限定す
   る積分限定回路を有し、その出力で前記電磁式ガ
   ス比例制御弁を制御する制御回路とを有するガス
   湯沸器。