JPH07180904A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】給湯装置において、給湯装置から出湯栓までの
配管長が相当あっても、その配管における放熱・吸熱の
影響を制御において補償することにより、出湯栓での末
端出湯温度を設定温度に良好に追従させ得るようにす
る。 【構成】給湯装置１から出湯栓１９までの給湯配管１７
の途中に温度センサ２７を取付けて、配管１７の温度Ｔ
Pを測定する。制御装置１５が、配管温度ＴPと設定温度
ＴSと配管１７の熱容量Ｈとに基づき、配管１７を湯が
通る時の湯と配管１７との間の吸放熱量を演算し、この
吸放熱量に基づいてバーナー９の燃焼を制御する。更
に、制御装置１５は、給湯配管１７から外気への放熱に
起因する湯温低下を計算し、この低下量に見合った補正
温度ΔＴを設定温度ＴSに加えて、ＴS＋ΔＴに装置出湯
温度ＴHが一致するように燃焼制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は給湯装置における湯温制
御の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な給湯装置では、図１に示すよう
に、装置自体の湯出口における湯温ＴHを検出し、図２
に示すように、この装置出口の湯温ＴH（以下、装置出
湯温度という）が設定温度ＴSに一致するようにフィー
ドバック制御を行っている（通常は、給水温度ＴC及び
給水量Ｑに基づくフィードフォワード制御も併用す
る）。そして、この装置出湯温度ＴHを速やか且つ精度
良く設定温度ＴSに一致させるために、種々の制御上の
工夫が実施されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ユーザ
に実際に供給される湯の温度は、図１に示すように、装
置出湯温度ＴHではなく、出湯栓の位置での湯温ＴE（以
下、末端出湯温度という）である。そのため、特に給湯
装置から出湯栓までの配管長が相当ある場合は、その配
管における放熱・吸熱の影響が無視できなくなる。

【０００４】その結果、図３（Ａ）に示すように、設定
温度ＴSに対する装置出湯温度ＴHの追従性能をいくら改
良しても、末端出湯温度ＴEの追従性能はあまり改善さ
れず、希望温度の湯を得るのに時間がかかるという問題
がある。

【０００５】さらに、特に外気温度が低い場合には、配
管から外気への放熱も無視できなくなり、図３（Ｂ）に
示すように、末端出湯温度ＴEと設定温度ＴSとの間にオ
フセットが生じることもある。その対策のために、ユー
ザは設定温度ＴSを希望温度より若干高めに設定して使
用しているのが現状である。

【０００６】従って、本発明の目的は、給湯装置から出
湯栓までの配管長が相当あっても、その配管における放
熱・吸熱の影響を制御において補償することにより、出
湯栓での末端出湯温度を設定温度に良好に追従させ得る
ようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の給湯
装置は、装置から出た湯が給湯配管を通過する際の給湯
配管と湯との間の熱収支を演算する熱収支演算手段と、
熱収支演算手段からの熱収支に基づいて、湯を生成する
際の加熱量を制御する加熱制御手段とを有することを特
徴とする。

【０００８】又、本発明に係る第２の給湯装置は、装置
から出た湯が給湯配管を通過する際に生じる湯温の低下
に見合った補正温度を演算する補正温度演算手段と、こ
の補正温度に基づいて、湯の目標温度を変更する目標温
度変更手段とを有することを特徴とする。

【０００９】

【作用】第１の給湯装置によれば、給湯配管と湯との間
の熱収支に応じて加熱量が制御される。従って、給湯配
管での吸放熱量を予め見込んで多めに又は少なめに加熱
量が調整されるので、制御過渡時における末端出湯温度
の設定温度に対する追従性が改善される。

【００１０】第２の給湯装置によれば、給湯配管での湯
温低下分だけ目標温度が補正される。従って、制御定常
時における末端出湯温度のオフセットが低減される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により詳細に説
明する。

【００１２】図４は本発明に係る給湯装置の一実施例の
概略構成を示す。

【００１３】図４に示すように、給湯装置１内には、給
水管３、熱交換器５、出湯管７、ガスバーナー９、給ガ
ス管１１、ガス量調節用比例弁１３、制御装置１５など
が設けられている。出湯管７の出口は、外部の給湯配管
１７を介して出湯栓１９に接続されている。さらに、出
湯温度の設定などを行うためのリモートコントローラ２
０が、有線又は無線の通信チャネルを通じて給湯装置１
に接続している。

【００１４】給水管３には、給水量Ｑを測定する水量セ
ンサ２１及び給水温ＴCを測定する水温センサ２５が取
り付けられている。出湯管７には、管７の出口での湯温
（装置出湯温度）ＴHを測定する湯温センサ２７が取り
付けられている。さらに、給湯配管１７には、この配管
１７の温度ＴPを測定する配管温センサ２７が取り付け
られている。なお、配管温センサ２７の取付位置は、配
管１７の平均的な温度が得られる位置、例えば、給湯装
置１から出湯栓１９までの間の中間位置であることが望
ましい。

【００１５】これらセンサ２１、２３、２５、２７が検
出した情報Ｑ、ＴC、ＴH、ＴP及びリモートコントロー
ラ２０が発した設定温度ＴSは、制御装置１５に入力さ
れる。制御装置１５は、給湯燃焼時において、それら入
力情報に基づき後述するような制御演算を行なってガス
量調節弁１３をコントロールする。それにより、出湯栓
１９での湯温（末端出湯温度）ＴEが、設定温度ＴSに良
好に一致するように制御される。

【００１６】図５はこの制御装置１５の機能構成を示
す。

【００１７】図５に示すように、制御装置１５はフィー
ドフォワード演算部５１、フィードバック演算部５３、
熱容量演算部５５、補正演算部５７、設定温度変更検知
部５９、出湯開始検知部６１及び比例弁調節部６３を備
えている。

【００１８】フィードフォワード演算部５１は、設定温
度ＴS、給水温度ＴC及び給水量Ｑに基づいて、給水を設
定温度ＴSまで加熱するのに必要とされる単位時間当た
りの熱量値Ｆ１を演算する。フィードバック演算部５３
は、実際の装置出湯温度ＴHと設定温度ＴSとの偏差に基
づき、この偏差をゼロにするために修正的に加えるべき
の単位時間当たりの熱量値Ｆ２を演算する。尚、この２
つの演算部５１及び５３としては、公知の適当な要素が
採用できるため、その演算処理の詳細説明は省略する。
この公知の演算部５１、５３から出力された熱量値Ｆ
１、Ｆ２の加算値（Ｆ１＋Ｆ２）は、装置出湯温度ＴH
を設定温度ＴSに迅速且つ正確に一致させるために最適
化された単位時間当たりの熱量値である。

【００１９】熱容量演算部５５は、配管１７の熱容量Ｈ
（出湯栓１９の熱容量が無視できない場合には、それも
含む）を計算するものである。計算方法としては、例え
ば、配管１７の全長ｌ、径ｄ、肉厚ｔ、比熱ｃ及び密度
ρ並びに係数Ｋに基づいて次の（１）式に従い計算す
る。

【００２０】

【数１】 この場合、（１）式の右辺の中で、固定的に定まってい
る部分は予めメモリ等に記憶しておき、可変部分（例え
ば、配管長ｌ）の値だけを、それが決まった段階（例え
ば、施工時など）で入力することにより、配管熱容量Ｈ
が計算される。

【００２１】補正演算部５７は、設定温度ＴS、配管温
度ＴP及び配管熱容量Ｈに基づいて、配管１７内を通る
湯から配管１７への単位時間当たりの放熱量Ｆ３を演算
するものである。補正演算部５７は、出湯開始検知部６
１及び設定温度変更検知部５９からの検知信号を受け、
出湯が開始されたとき及び設定温度ＴSが変更されたと
きに、その都度、以下に述べる演算動作を行う。

【００２２】尚、出湯開始検知部６１は水量センサ２１
又は図示しない水流スイッチからの信号を受けて出湯の
開始を検知するものであり、設定温度変更検知部５９は
リモートコントローラ２０からの信号を受けて設定温度
ＴSの変更を検知するものである。

【００２３】さて、補正演算部５７は、出湯開始又は設
定温度変更が検知されると、まず、次の（２）式に従っ
て、配管１７での放熱の総量ΔＦ（つまり、出湯開始又
は設定温度変更の時刻ゼロから末端出湯温度ＴEが整定
するまでの間の放熱量）を計算する。尚、放熱総量ΔＦ
が正の値であるとき、これは配管への放熱を意味し、負
の値でありとき、それは配管からの吸熱を意味する。

【００２４】

【数２】 ここに、ＴSは出湯開始時又は設定温度変更後の設定温
度、ＴPは出湯開始直前又は設定温度変更直前の配管温
度である。

【００２５】次に、補正演算部５７は、放熱総量ΔＦに
基づいて、単位時間当たりの放熱量Ｆ３を演算する。こ
の放熱量Ｆ３は、その絶対値が時間の経過に伴って減少
していくような時間関数であって、放熱総量ΔＦとの間
に次式の関係を持つような関数である。

【００２６】

【数３】 ここに、τは末端出湯温度ＴEの時定数τ、ｔは時間で
ある。

【００２７】この関数は、理論的に定義することが勿論
可能であるが、この実施例では、放熱総量ΔＦと経過時
間とからその時点での放熱量Ｆ３が一義的に定まるよう
に、予め実験的に測定したデータに基づいて定義された
放熱量データテーブル又は放熱量算出式の形式で、メモ
リ内に予め格納されている。補正演算部５７は、このメ
モリ内の放熱量データテーブル又は放熱量算出式を用い
て、放熱総量ΔＦと経過時間とに対応した放熱量Ｆ３を
求める。

【００２８】このようにして求められた放熱量Ｆ３は、
フィードフォワード演算部５１及びフィードバック演算
部５３からの熱量Ｆ１及びＦ２と加算され、その加算値
（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）が比例弁操作部６３に入力され
る。比例弁操作部６３は、その熱量加算値（Ｆ１＋Ｆ２
＋Ｆ３）に一致した単位時間当たり熱量がバーナー９よ
り熱交換器５内の水に供給されるよう、比例弁１３を操
作する。

【００２９】以上のような制御装置１５の働きによる制
御の様子を図６に示す。

【００３０】図６（Ａ）は、制御の過渡時におけるフィ
ードフォワード演算部５１及びフィードバック演算部５
３から出力される熱量値（Ｆ１＋Ｆ２）を示す。この熱
量値は装置出湯温度ＴHを設定温度ＴSに良好に追従させ
るのに必要な単位時間当りの熱量である。図６（Ｂ）
は、補正演算部５７から出力される放熱量値Ｆ３を示
す。この値は配管１７での単位時間当りの吸放熱量に相
当する。これらの熱量値の加算値（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）
は図６（Ｃ）に示すようなものとなる。

【００３１】図６（Ｃ）に示す熱量を供給するようにバ
ーナーの燃焼が制御され、その結果、図６（Ｄ）に示す
ように、装置出湯温度ＴHはオーバーシュートに類似し
た過渡変化をすることになるが、そのオーバーシュート
類似部分の余分（又は不足）熱量が配管１７での放熱
（又は吸熱）を補償し、結果として、末端出湯温度ＴE
の設定温度ＴSに対する追従性が改善される。

【００３２】図７は、上記実施例の制御装置１５におけ
る熱容量演算部の変形例を示す。

【００３３】図７に示す熱容量演算部６５は、配管熱容
量Ｈを、過去の出湯開始時や設定温度変更時における出
湯温度ＴHと末端出湯温度ＴEとの偏差から帰納的に割り
出すものである。そのため、この方式においては、図４
に破線で示すように、末端出湯温度ＴEを測るための湯
温センサ２９が更に設けられ、その検出信号が制御装置
１５に入力される。

【００３４】さて、図８は、ある時に行われた出湯開始
の際の装置出湯温度ＴH(1)と末端出湯温度ＴE(1)の変化
を示している。熱容量演算部６５は、このような装置出
湯温度ＴH(1)との過渡変化を監視して、時刻ゼロから末
端出湯温度ＴE(1)が整定するまでの間（この整定時間ｔ
1はタイマ６７に予め設定してある）の放熱総量ΔＦを
次式により演算する。尚、この放熱総量ΔＦは図８に示
す斜線部分の面積に相当する。

【００３５】

【数４】 次に、熱容量演算部６５は、次式により配管の熱容量Ｈ
(1)を計算する。

【００３６】

【数５】 ここに、ＴE(1)＿0は末端出湯温度ＴE(1)の時刻０にお
ける値、ＴE(1)＿t1は末端出湯温度ＴE(1)の整定時t1に
おける値である。

【００３７】このようにして求めた熱容量Ｈ(1)が補正
演算部５７に送られ、補正演算部５７はこの熱容量Ｈ
(1)を次の出湯開始又は設定温度変更の機会に用いて、
既に説明したような方法で補正熱量Ｆ3を演算する。

【００３８】熱容量演算部６５は、その後の出湯開始又
は設定温度変更の機会においても、上記の演算を繰り返
すことにより、その都度の熱容量Ｈ(2)、Ｈ(3)…を求
め、これを数回繰り返すことにより熱容量Ｈを正確なも
のとする。以後、この正確な熱容量Ｈを用いて、補正演
算部５７での演算が行なわれる。

【００３９】図９は、本発明の別の実施例における制御
装置１５の機能構成を示す。この制御は、主として、配
管１７から外気への定常的な放熱による末端出湯温度Ｔ
Eと設定温度ＴSとの間のオフセットを解消することを目
的としている。この制御と前の２つの実施例のいずれか
の制御とを組合わせることにより、オフセットの解消と
制御追従性の改良の双方が得られることが期待できる。

【００４０】図９における特徴は設定温度補正部６９の
存在であり、その後段にあるフィードフォワード演算部
５１及びフィードバック演算部５３は、図５に示したそ
れと同様の公知の構成である。設定温度補正部６９は、
定常状態におけるオフセットに見合った補正温度ΔＴを
発生する。この補正温度ΔＴは、ユーザの設定した設定
温度ＴSに加算されてフィードフォワード演算部５１及
びフィードバック演算部５３に入力される。つまり、設
定温度補正部６９は、従来ユーザが行なっていたオフセ
ットを見込んだ設定温度ＴSの修正を自動的に行なうも
のである。

【００４１】図１０、図１１、図１２は、設定温度補正
部６９による補正温度ΔＴの生成方法のバリエーション
を示す。

【００４２】図１０は、出湯中の定常状態において、末
端出湯温度ＴEを実際に検出し、これと装置出湯温度ＴH
との差（ＴH−ＴE）を演算増幅器６９１などにより求
め、この温度差（配管１７での温度降下）を補正温度Δ
Ｔとする方式である。

【００４３】図１１は、出湯中の定常状態において、配
管温度ＴPを検出し、これと装置出湯温度ＴHとの差（Ｔ
H−ＴE）に対する所定の増加関数（例えば、同図（Ｂ）
の様な比例関数）を演算部６９３で計算し、その関数値
を補正温度ΔＴとする方式である。

【００４４】図１２は、外気温ＴKを測定し、この外気
温ＴKに対する所定の減少関数（例えば、同図（Ｂ）の
様な線形一次関数）を演算部６９５で計算し、その関数
値を補正温度ΔＴとする方式である。

【００４５】この様な補正温度ΔＴを自動発生して設定
温度ＴSを修正することにより、末端出湯温度ＴEのオフ
セットが自動的に解消できる。

【００４６】以上、本発明の幾つかの実施例を説明した
が、本発明はこの実施例にのみ限定されるものではな
く、その要旨を逸脱することなく、他の種々の態様で実
施することができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明の第１の側面によれば、給湯配管
での吸放熱量を予め見込んで加熱量を多めに又は少なめ
に調整するようにしているので、制御過渡時における末
端出湯温度の設定温度に対する追従性が改善される。

【００４８】又、第２の側面によれば、給湯配管での湯
温低下分だけ目標温度を補正するようにしているので、
制御定常時における末端出湯温度のオフセットが低減さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の給湯装置の概略構成図。

【図２】従来の給湯器の制御を示すブロック図。

【図３】従来技術の問題を示す図。

【図４】本発明に係る給湯器の一実施例の概略構成図。

【図５】同実施例の制御装置の機能を示すブロック図。

【図６】同実施例による制御の様子を示す図。

【図７】同実施例の熱容量演算に関する変形例を示すブ
ロック図。

【図８】同変形例による演算の様子を示す図。

【図９】本発明の別の実施例における制御装置の機能を
示すブロック図。

【図１０】同実施例における補正温度の演算方式の一例
を示すブロック図。

【図１１】補正温度と演算方式の別の例を示すブロック
図。

【図１２】補正温度と演算方式の更に別の例を示すブロ
ック図。

【符号の説明】

１ 給湯装置 ９ バーナー １３ 比例弁 １５ 制御装置 １７ 給湯配管 １９ 出湯栓 ２０ リモートコントローラ ２１ 水流センサ ２３ 水温センサ ２５ 湯温センサ ２７ 配管温度センサ ２９ 湯温センサ ５１ フィードフォワード演算部 ５３ フィードバック演算部 ５５，６５ 熱容量演算部 ５７ 補正演算部 ５９ 設定温度変更検知部 ６１ 出湯開始検知部 ６３ 比例弁操作部 ６７ タイマ ６９ 設定温度補正部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱部により水を加熱して湯を生成し、
   この湯を給湯配管を通じて出湯栓に供給する給湯装置に
   おいて、 前記給湯配管に前記湯が通過する際の前記給湯配管と前
   記湯との間の熱収支を演算する熱収支演算手段と、 前記熱収支演算手段からの前記熱収支に基づいて前記加
   熱部を制御する加熱制御手段とを有することを特徴とす
   る給湯装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の給湯装置において、 前記加熱制御手段が、 前記給湯配管の入口における湯温を設定温度に一致させ
   るために必要な加熱量を演算する手段と、 この加熱量を前記熱収支に基づき補正する手段と、 前記補正された加熱量を前記水に供給するように、前記
   加熱部を制御する手段とを有することを特徴とする給湯
   装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の給湯装置におい
   て、 前記熱収支演算手段が、前記給湯配管の物理的属性値に
   基づき前記給湯配管の熱容量を決定し、この熱容量に基
   づいて前記熱収支を演算することを特徴とする給湯装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の給湯装置におい
   て、 前記熱収支演算手段が、前記給湯配管の入口での湯温と
   前記出湯栓での湯温との差に基づき前記熱収支を演算す
   ることを特徴とする給湯装置。
5. 【請求項５】 加熱部により水を加熱して湯を生成し、
   この湯を給湯配管を通じて出湯栓に供給する給湯装置に
   おいて、 前記給湯配管に前記湯が通過する際に生じる前記湯の温
   度低下に見合った補正温度を演算する補正温度演算手段
   と、 前記補正温度に基づいて前記加熱部により生成されるべ
   き湯の目標温度を変更する目標温度変更手段とを有する
   ことを特徴とする給湯装置。