JPS62288445A - 給湯器における出湯温度の制御方法及びその装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ 本発明は給湯或いは暖房等のために用いられる温水を瞬
間式熱交換法で製造する給湯器の出湯温度の制御方法及
びその装置に関するものである。

［従来技術とその問題点］ 瞬間式熱交換法を採用した給湯器等においては、使用者
の設定した温度の温水を、バーナ点人後可及的すみやか
に得られることが要求され、また設定温度や使用水量等
の使用条件が変化した場合には、その変化に対応して可
及的すみやかに所定の温度の温水が得られることが望ま
れている。

これを実現するため、従来はガス量を調節する比例弁と
、熱交換器出口において出湯温度を測定する測温センサ
ーを備え、出湯温度の設定値からの偏位に応じてガス量
を増減する機構（フィードバック制御）がとられていた
。しかしながら、この方式の応答速度は、仮に制御回路
の応答が速くとも、全体としてはかなり遅いものであっ
た。その原因は、熱交換器の熱容量が大きく、また被加
熱物である水が熱交換器を通過するのに一定の時間を必
要とするところにある。すなわち、たとえば初期点火の
場合を例とすれば、あるガス量で点火した後、このガス
量が通水量や水温に対し設定温度の温水を得るのに適切
であるかの判断は、最終的には熱交換器出口における出
湯温度がそのガス量、水温および通水量に応じたある価
に収束するまではなし得ないのである。もちろん、バー
ナ点火後のガス量は、出湯温度と設定温度との差に応じ
て、増減されつつ目的の温度となるよう制御されるので
あるが、熱交換器の熱容量が大きく、また水が熱交換器
を通過する時間もかなり長いために、満足できる応答速
度が得られないのが現状である。このような応答遅れは
、断続使用時にも現われる。すなわち、熱交換器内に温
水が残っている状態で再使用すると、熱交換器内の温水
が排出されるまでは測温センサーは高い湯温を示し、し
たがってガス量が少量の状態であるが、新たに通水され
た水が温度上昇不足のまま熱交換器出口に至ってはじめ
てガス量が増加するように制御されるため、使用者は一
時低温の温水を使わざるを得ないのである。このような
問題を解決するため、測温センサーを熱交換器以前に設
置し、通水による時間遅れを減少させる提案もあるが、
熱交換器自体の熱容量が大きいために、初期点火の場合
の出湯温度上昇が遅く、やはり満足な結果を得ることが
できず、また熱交換器途中の温度を使用するため、最終
的な出湯温度の制御精度が劣るという欠点もある。一方
、水量を測定するセンサーと１通水される水の水温を゛
測定するセンサーを備え、あらかじめ設定された出湯温
度を得るために必要なガス量を演算して制御する方法（
フィードフォワード制Ｗ）も提案されている。この方法
は、熱交換器出口湯温が上昇する以前に必要ガス量を知
ることができるが、水量測定センサーを使用するため高
価であり、また水量測定センサーの信頼度にも問題があ
る。第１図は従来のフィードバック型制御を示すもので
あり、符号Ｏ１はバーナ、０２はガス制御弁、０３は出
湯温測定素子、０４は熱交換器、０５は制御器、０６は
木管である。今、断続使用時を例としてその作動を説明
すると１通水が開始されてバーナに点火されると、水管
０６内の温水が最初に熱交換器０４から出てくるため、
出湯温測定素子は出湯温度が十分高いという信号を制御
器０５に送り、したがってバーナ０１は少量のガス量を
燃焼する。このような状態は水管０６内の温水が置換し
、熱交換器０４の保有する熱が冷水に取り去られるまで
続き、やがて出湯温測定素子０３は出湯温度の低下を検
出する。したがって、出湯温度が実際に低下してはじめ
て制御器０５はガス量の増加にむけてガス制御弁０２の
弁開度を大きくするよう指令する。しかしながら、急速
に温度を上げるべく弁開度を大きくしすぎると、それに
よる出湯温度の過上昇の危険が増大するので、実際には
よく知られているように比例動作、微分動作および積分
動作を組み合わせた制御が行なわれるのであるが、それ
にしても一定の出湯温度を小さな時間遅れで保持するこ
とは困難である。

し本発明の目的］ 本発明は可及的すみやかに設定出湯温度を得ることので
きる給湯器における出湯温度の制御方法及びその装置を
提案するのが目的である。

［本発明の構成〕 本発明は上記目的を達成するため１次の如き構成を採用
するものである。

■、　一つのがスパーナにより熱容量の小さい第一熱交
換器とこの第一熱交換器よりも熱容量の大きい第二熱交
換器を加熱する構成となし、第一熱交換器の入口に水温
検出センサーを、出口に温水温度検出センサーを取り付
けると共に第二熱交換器の出口に出湯温度検出センサー
を取り付け、更に前記ガスバーナに供給されるガス供給
路内にガスの供給量を制御するためのガス制御弁を取り
付けて、 ガスバーナに供給されているガス量及び水温検出センサ
ーと温水温度検出センサーとの温度差並びに第一熱交換
器の吸熱量から通水量を求めることができ、この通水量
を設定出湯温度に加熱するのに必要なガス量を演算して
ガス制御弁に制御信号を送り、次にこの出湯温度の継続
維持を出湯温度検出センサーからの信号を基に演算して
ガス制御弁を制御しながら行なう給湯器における出湯温
度の制御方法。

２、　一つのガスバーナにより同時に加熱される熱容量
の小さい第一熱交換器とこの第一熱交換器よりも熱容量
の大きい第二熱交換器から成る加熱部と、 前記ガスバーナに対するガスの供給路内に取り付けられ
たガスの供給路内に取り付けられたガス制御弁と、 前記第一熱交換器に至る通水路内に取り付けられた水温
検出センサーと、 前記第一熱交換器から出た通水路内に取り付けられた温
水温度検出センサーと。

前記第二熱交換器から出た通水路内に取り付けられた出
湯温度検出センサーと、 前記ガスバーナに供給されているガス量及び水温検出セ
ンサーと温水温度検出センサーとの温度差及び第一熱交
換器の吸熱量から通水量を求めることができ、この通水
量を基に設定出湯温度に加熱するためのガス量を求めて
前記ガス制御弁にガス量を制御するための制御信号を送
出することができ、前記出湯温度検出センサーからの出
湯温度と設定出湯温度とを比較して出湯温度が低い場合
にはガス制御弁に開の信号を送出し、高い場合には閉の
信号を送出して出湯温度を設定温度に維持する制御を行
なう演算器と、から成る給湯器における出湯温度の制御
装置。

［実施例］ 第一図は本発明の一実施例を示し、バーナに近い側に第
一熱交換器２が配置され、水は水管３を通って最初にこ
の第一熱交換器２に入る。該第−熱交換器２の入口およ
び出口にはそれぞれ水温検出センサー４、温水温度検出
センサー５が設置されており、水は更に下流に配置され
た第二熱交換器６に入り、その出口に設けられた出湯温
度検出センサー７によってその温度が検出される。上記
構成の加熱部において、第一熱交換器２と第二熱交換器
６とは熱的に分離されている。すなわち、フィン付木管
を用いる場合には前記二つの熱交換器はフィンを共有し
ないか、または共有するフィンは極めて少ないようにさ
れる。第一熱交換器２の伝熱面積は、その出口に設けら
れた温水温度検出センサー５と水温検出センサー４との
間の測定値の差が精度よく検出されるに十分な温度上昇
が与えられるように決定される。たとえば目安として給
湯器がその最大能力で作動している時に、全吸収熱量の
２０％から６０％程度とするのがよい。このように設定
された第一熱交換器２は、その吸熱量に比べ通常の熱交
換器よりもはるかに少ない伝熱面積をもつ。それは、こ
の第一熱交換器２がバーナ１側に配置されており、全吸
収熱量のうち２０％から６０％程度を吸収すればよいた
め、燃焼ガスが高温である部分のみを伝熱に使用するか
らである。一般に、燃焼ガス温度が低下すると、伝熱面
との温度差が低下するため、伝熱面積当りの吸熱量は低
下し、したがって熱交換器は大きな伝熱面を持ち熱容量
の大きなものとなる。

しかしながら本発明の第一熱交換器２は小さな伝熱面積
で多量の熱を吸収することができ、これは熱容量の極め
て小さな熱交換器であることを意味する。したがって、
たとえば初期点火の場合には第一熱交換器２は極めて短
時間に熱的平衡状態に至り、その出口の温水検出センサ
ー４は短時間のうちに一定値を示すようになる。

第２図は初期点火の場合の水温上昇の様子を示す一例で
あるが、第一熱交換器２の出口温度を示す曲線Ａは、極
めて短時間のうちに上昇するのに対し、熱的に分離され
た構造をもたない従来型熱交換器の出口温度は曲線Ｂの
如くゆるやかに上昇しまた該従来型熱交換器の中間にお
ける水温を示す曲線Ｃも、熱交換器全体が熱的平衡に至
るのが遅いため同じようにゆるやかに上昇するにすぎな
い。つまり、通常給湯器において行われるように、初期
点火をある定められたガス量で行った後、極めて短時間
のうちに、その定められた熱量および温水温度検出セン
サー５と水温検出センサー４の温度差ならびに第一熱交
換器２の特性である第一熱交換器２の吸熱量とから、通
水量が演算でき、したがって、使用者によって設定され
た出湯温度を得るために必要なガス量を水量センサーを
用いることなくあらかじめ知ることができるのである。

それゆえ、出湯温度のゆるやかな温度上昇を頼りにガス
量を決定して行〈従来の制御方式に比べ格段に速い制御
が可能となる。このような作用効果は、断続使用時、水
量変化時あるいは水温変化時にも同様に迅速な出湯温度
制御を可能としていることは言うまでもない。

以上のような原理を給湯器の制御回路に応用する方法は
いろいろあるが、第１図に示す実施例における制御器（
演算器）８は、通常のプリパージ、点火、火炎検出等を
行うものであるとともに、ガス量ないしはそれに対応す
る信号であるガス制御弁電流等と、水温検出センサー４
および温水温度検出センサー５の信号から通水量を演算
する機能ならびに該通水量と該水温検出センサー４と設
定出湯温度とから必要ガス量を演算する機能、ならびに
該必要ガス量に応じたガス制御弁電流を与える機能と有
している。ガス制御弁９は制御器８により点火時にはあ
る定められたガス量に設定されるが、必要により出湯温
度検出センサー７の信号により微調整されてもよいし、
またある時間を経た後は該出湯温度検出センサーによっ
て主として制御され、前記演算結果をたとえば水温、水
量あるいは設定温度が変化した時のみ参照するようにし
てもよい。温水温度検出センサー５の信号が一定になる
ための時間は、ガス量や通水量によって異なるが通常数
秒（３〜５秒）程度である。

また他の方法としては、前記の如く演算により通水量を
求め、更に必要ガス量を演算し、これを目標として通常
のＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）におけるＰ、Ｉ
、Ｄの係数を最も迅速な制御となるよう最適化するため
に使用してもよい。

すなわち、通常のＰ　Ｉ　Ｄ　ｆｌｊＪ御では最終的な
収束値が未知であるため、いろいろな条件を想定しても
発散しないようやや遅い応答特性にならざるを得ないの
であるが、本発明においては収束値が既知であるので、
応答が速くなるようＰＩＤそれぞれのきかせ方を設定す
ることができる。たとえば良く知られているオーバーシ
ュート制御、すなわち一時的に収束値よりも大きいガス
量を与えて出湯温度を迅速に上昇させる制御を行っても
ハンチングや温度の過上昇を招くことのないよう容易に
制御できる。

［本発明の効果］ 本発明は以上のような構成であるので次のような効果を
もっている。

（１）かんたんな構成で通水量を迅速に測定でき、また
熱交換器出口湯温が上昇する前に必要ガス量に設定でき
る。

（２）初期点火時、断続使用時あるいは水温、水量の変
化に対し、迅速に設定温度に到達させることができる。

（３）上記（１）　（２）の効果により、立上りのよい
理４、　　想的な給湯及び暖房等を行なうことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例図、第２図は出湯温度特性の説
明図、第３図は従来の給湯器におけるフィードバック方
式の温度制御方法の説明図である。 １・・・・・・ガスバーナ、 ２・・・・・・第一熱交換器、 ３・・・・・・通水管、 ４・・・・・・水温検出センサー、 ５・・・・・・温水温度検出センサー。 ６・・・・・・第二熱交換器、 ７・・・・・・出湯温度検出センサー、８・・・・・・
制御器（演算器）、 ９・・・・・・ガス制御弁。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一つのガスバーナにより熱容量の小さい第一熱交換
   器とこの第一熱交換器よりも熱容量の大きい第二熱交換
   器を加熱する構成となし、第一熱交換器の入口に水温検
   出センサーを、出口に温水温度検出センサーを取り付け
   ると共に第二熱交換器の出口に出湯温度検出センサーを
   取り付け、更に前記ガスバーナに供給されるガス供給路
   内にガスの供給量を制御するためのガス制御弁を取り付
   けて、 ガスバーナに供給されているガス量及び水温検出センサ
   ーと温水温度検出センサーとの温度差から通水量を求め
   て、この通水量を設定出湯温度に加熱するのに必要なガ
   ス量を演算してガス制御弁に制御信号を送り、次にこの
   出湯温度の継続維持を出湯温度検出センサーからの信号
   を基に演算してガス制御弁を制御しながら行なう給湯器
   における出湯温度の制御方法。 ２、一つのガスバーナにより同時に加熱される熱容量の
   小さい第一熱交換器とこの第一熱交換器よりも熱容量の
   大きい第二熱交換器から成る加熱部と、 前記ガスバーナに対するガスの供給路内に取り付けられ
   たガス制御弁と、 前記第一熱交換器に至る通水路内に取り付けられた水温
   検出センサーと、 前記第一熱交換器から出た通水路内に取り付けられた温
   水温度検出センサーと、 前記第二熱交換器から出た通水路内に取り付けられた出
   湯温度検出センサーと、 前記ガスバーナに供給されているガス量及び水温検出セ
   ンサーと温水温度検出センサーとの温度差及び第一熱交
   換器の吸熱量から通水量を求めることができ、この通水
   量を基に設定出湯温度に加熱するためのガス量を求めて
   前記ガス制御弁にガス量を制御するための制御信号を送
   出することができ、前記出湯温度検出センサーからの出
   湯温度と設定出湯温度とを比較して出湯温度が低い場合
   にはガス制御弁に増加の信号を送出し、高い場合には減
   少の信号を送出して出湯温度を設定温度に維持する制御
   を行なう演算器と、 から成る給湯器における出湯温度の制御装置。