JP3088207B2 - 湯水混合制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、湯と水とを混合して出
湯するミキシングタイプの給湯器に用いられる湯水混合
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、給湯器の出湯特性を向上させ
るため、熱交換器で加熱された湯と熱交換器を迂回して
供給された水とを混合して出湯する給湯器が知られてい
る。こうした給湯器に用いられる湯水混合制御装置にお
いては、湯水混合後の出湯温度を検出し、この出湯温度
が予め設定された設定温度になるように混合弁を駆動制
御している。この出湯温度を混合弁の駆動により制御す
る手法としては、ＰＩＤ制御（比例積分微分制御）、Ｐ
Ｄ制御（比例微分制御）、ＰＩ制御（比例積分制御）、
Ｐ制御（比例制御）などが用いられている。

【０００３】例えば、ＰＤ制御においては、次式のよう
に混合弁の駆動操作量が設定される。 ｙn ＝ｋp・ｅn＋ｋd（ｅn −ｅn-1 ） ｙn …駆動操作量 ｅn …出湯温度と設定温度との偏差 ｅn-1 …前回検出したｅn ｋp …比例項制御定数 ｋd …微分項制御定数

【０００４】ところで、こうした制御では湯と水とが混
合されてから温度センサにより出湯温度が検出されるま
での時間遅れが無ければ問題は生じないが、出湯量が小
量の場合には、混合湯が温度センサ位置に達するまでの
時間遅れを生じてしまう。そこで、時間遅れによるハン
チングを防止するために駆動操作量ｙn が少な目に設定
されている。つまり、最悪の条件（小流量）でもハンチ
ングしないように制御定数ｋp ，ｋd を小さく設定して
いる。このため、駆動操作量ｙn を大きくしても問題と
ならない大流量時においても、制御速度が小流量時に合
わされて遅くなってしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、出湯量に応じ
て駆動操作量を補正することが考えられるが、この場合
出湯流量あるいは入水量を検出する流量センサを設けな
ければならない。つまり、図５（Ａ）に示すようにバイ
パス管５の分岐部より上流側の給水管１、あるいは湯水
混合後の出湯管７に流量センサ８を設けなければならな
い。ところが、流量センサ８をこの位置に設けた場合に
は、熱交換器３により加熱される側（以下、湯側と呼
ぶ）の流量を検出することができず、混合弁１１の故障
により湯側全閉にロックしたケースや湯側流路が閉塞し
たケース等では熱交換器３の非通水状態で燃焼加熱して
しまう危険がある。従って、湯側流路にも流量センサが
必要となる。

【０００６】一方、図５（Ｂ）に示すように湯側流路の
みに流量センサ８を設けて湯側流量に応じて駆動操作量
を補正することも考えられるが、出湯量に対応して湯側
流量が変化するとは限らず、駆動操作量を適切に補正す
ることができない。例えば、出湯設定温度４０℃、出湯
量５リットル／分、熱交換器出口側温度６８℃とした場
合には、入水温度が１０℃であれば湯側流量（熱交換器
通過流量）は２．６リットル／分となるが、入水温度が
２５℃であれば湯側流量は１．７リットル／分となり、
出湯量が同じであっても湯側流量は異なってしまう。従
って、精度良く補正するためには、やはり出湯量の検出
が必要となる。

【０００７】このため、全流量（出湯量あるいは入水
量）と湯側流量とを検出する流量センサを個々に設けれ
ばよいが、出湯管７あるいは給水管１にまで流量センサ
８を設けると全流量に対する圧力損失が増大してしま
う。特に、圧力損失は大流量時に効いてくるため、給湯
器の最大水量に影響を及ぼす。また、コスト面でも不利
である。本発明の湯水混合制御装置は上記課題を解決
し、流量センサを湯側のみに設ける構成であっても出湯
量に応じた適正な湯水混合制御を行うことを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の湯水混合
制御装置は、熱交換器により加熱された湯と、該熱交換
器への給水路から分岐したバイパス管に供給された水と
を混合して出湯する給湯器に用いられ、上記湯と水との
混合比を調整する混合弁装置と、上記混合された湯の出
湯温度を検出する出湯温検出手段と、上記検出された出
湯温度と設定温度との偏差に基づいて設定される駆動操
作量にて、上記混合弁装置を駆動制御する混合制御手段
とを備えた湯水混合制御装置において、上記給湯器に給
水される入水温度を検出する入水温検出手段と、上記熱
交換器出口側湯温を検出する混合前湯温検出手段と、上
記熱交換器を流れる流量を検出する湯側流量検出手段
と、上記検出された出湯温度と入水温度と混合前湯温度
と湯側流量とに基づいて湯水混合後の出湯量を算出する
出湯量算出手段と、上記算出された出湯量に応じて上記
混合制御手段の駆動操作量を補正する駆動量補正手段と
を備えたことを要旨とする。

【０００９】また、本発明の第２の湯水混合制御装置
は、上記第１発明の湯水混合制御装置において、上記駆
動量補正手段が、上記算出された出湯量を因子としたフ
ァジー推論に基づいて補正することを要旨とする。

【００１０】

【作用】上記構成を有する本発明の湯水混合制御装置
は、混合された湯の出湯温度と設定温度との偏差に基づ
いて設定される駆動操作量にて混合制御手段が混合弁装
置を駆動制御して混合比を調整すると共に、出湯量算出
手段が出湯温度と給水温度と混合前湯温度と湯側流量と
に基づいて湯水混合後の出湯量を算出し、この算出され
た出湯量に応じて混合制御手段の駆動操作量を補正す
る。この出湯量は、例えば以下のように算出することが
できる。 ＱT ＝ＱH（ＴH −ＴC ）／（ＴM −ＴC ） ＱT …出湯量，ＱH …湯側流量，ＴH …混合前湯温度，
ＴM …出湯温度，ＴC …入水温度 この結果、出湯量あるいは給水量を流量センサにより直
接検出する必要がなくなり、圧力損失の影響が低下す
る。また、湯水混合から温度検出までの時間遅れに対処
できるため、大流量時の制御を犠牲にすることなく小流
量から大流量に亘る広範囲での混合比制御が良好とな
る。

【００１１】更に、第２発明の湯水混合制御装置は、駆
動量の補正を出湯量を因子としたファジー推論により行
う。一般に、ＰＩＤ制御等の比例制御においては数学的
処理により精密な制御量が算出されるが、様々な状況に
対処するために制御因子を増加させた場合には、演算処
理が指数的に増大してしまう。一方、ファジー制御は、
精密な制御には不向きではあるものの、様々な状況に対
応した制御に有効である。そこで、第２発明では出湯量
を因子としたファジー推論を用いることで演算処理の負
担を補うことができる。

【００１２】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の湯水混合制御装置の好適
な実施例について説明する。

【００１３】図１は、一実施例としての湯水混合制御装
置を備えた給湯器の概略構成図である。この給湯器は、
上水道に接続される給水管１と、給水管１から導かれた
冷水をバーナ２での燃焼熱で加熱する熱交換器３と、熱
交換器３で加熱された湯を送り出す給湯管４と、給水管
１から分岐して設けられるバイパス管５と、バイパス管
５からの冷水と給湯管４からの湯とを混合して設定温度
になるように混合比を制御する湯水混合制御部２０と、
混合された湯を給湯栓６に導く出湯管７とを備える。ま
た、給水管１には、バイパス管５の分岐点より下流側で
熱交換器３側の通水量（湯側流量）を検出する流量セン
サ８が、バイパス分岐点より上流側に入水温度を検出す
る入水温度センサ９が設けられる。更に、給湯管４に
は、熱交換器３下流側で混合前の湯温（湯側温度）を検
出する湯側温度センサ１０が設けられる。尚、給湯器に
おける燃焼系、給排気系、点火系等については本発明の
要旨でないため省略する。

【００１４】湯水混合制御部２０は、給湯管４とバイパ
ス管５との合流点に設けられる混合弁１１と、混合弁１
１の弁体１２（図２に概略を示す）を進退駆動するモー
タ１３（本実施例ではステッピングモータ）と、出湯管
７に設けられ出湯温度を検出する出湯温度センサ１４
と、混合弁１１の駆動制御を行うコントローラ３０とか
らなる。

【００１５】混合弁１１は、図２に示すように、バイパ
ス管５側に設けられる弁シート１５と給湯管４側に設け
られる弁シート１６との間で進退する弁体１２により湯
と水との混合比を調整するもので、モータ１３の回転が
ギヤ装置１７を介して弁体駆動軸１８に伝達され、弁体
駆動軸１８に形成されたネジ１９により進退動作が加わ
るように構成されている。従って、弁体１２の位置（つ
まり混合比）は、モータ１３の回転位置に応じたものと
なる。

【００１６】コントローラ３０は、周知の算術論理演算
回路を構成するＣＰＵ３１と、制御プログラムやファジ
ー推論等を記憶するＲＯＭ３２と、各種データを一時的
に記憶するＲＡＭ３３と、各温度センサ９，１０，１４
および流量センサ８からの信号を入力して演算可能なデ
ジタル信号に変換する入力インタフェース３４と、モー
タ１３に駆動制御信号を出力する出力インタフェース３
５と、これらを相互に接続するバス３６等から構成され
る。

【００１７】次に、湯水混合制御処理について説明す
る。尚、本実施例では、ＰＤ制御をベースとした制御と
して説明する。図３は、コントローラ３０の実行する湯
水混合制御ルーチンを表し、所定の周期（例えば、５０
mm秒毎）で繰り返し実行されるものである。

【００１８】まず、各温度センサ９，１０，１４から入
水温度ＴC ，湯側温度ＴH ，出湯温度ＴM を読み込むと
共に、流量センサ８から湯側流量ＱH を読み込む（Ｓ１
０）。

【００１９】続いて、読み込まれた湯側流量ＱH から総
流量である出湯量ＱT を次式のように算出する（Ｓ１
１）。 ＱT ＝ＱH（ＴH −ＴC ）／（ＴM −ＴC ） これは、ＱT・ＴM ＝ＴH・ＱH ＋ＴC（ＱT −ＱH）の関
係から求めたものである。

【００２０】次に、予め設定された設定温度ＴS と出湯
温度ＴM との偏差ｅn に基づいてモータ１３の駆動操作
量ｙn を次式のように算出する（Ｓ１２）。尚、ｅn-1
は前回算出した偏差であり、ＲＡＭ３３に一時的に記憶
されたデータである。 ｙn ＝ｋp・ｅn＋ｋd （ｅn −ｅn-1 ）

【００２１】続いて、ステップ１１にて算出された出湯
量ＱT に基づいて駆動操作量ｙn の補正係数Ａの算出を
行う。本実施例では、出湯量ＱT だけでなく偏差ｅn を
も因子としてファジー推論により駆動操作量ｙn の補正
係数Ａを求める（Ｓ１３）。

【００２２】ここで、ファジー制御を行うために必要な
条件部メンバシップ関数、ルール、結論部メンバシップ
関数について説明する。図４（Ａ）は出湯量ＱT に関す
る条件部メンバシップ関数、同図（Ｂ）は偏差ｅn に関
する条件部メンバシップ関数、同図（Ｃ）は結論部メン
バシップ関数である。尚、各符号ＮＬ，ＮＳ，ＰＳ，Ｐ
Ｍ，ＰＬおよびαは、それぞれ次のことを意味する。

【００２３】ＮＬ…負の方向に大きいこと ＮＳ…負の方向に小さいこと ＰＳ…正の方向に小さいこと ＰＭ…正の方向に中位なこと ＰＬ…正の方向に大きいこと α……重み

【００２４】また、予め設定されたルールは以下の通り
とする。 ＜ルール１＞ （ｅn ＝ＰＳまたはｅn ＝ＮＳ）かつＱT ＝ＰＳならば
α＝ＰＳ ＜ルール２＞ （ｅn ＝ＰＳまたはｅn ＝ＮＳ）かつＱT ＝ＰＬならば
α＝ＰＭ ＜ルール３＞ （ｅn ＝ＰＬまたはｅn ＝ＮＬ）かつＱT ＝ＰＳならば
α＝ＰＭ ＜ルール４＞ （ｅn ＝ＰＬまたはｅn ＝ＮＬ）かつＱT ＝ＰＬならば
α＝ＰＬ

【００２５】ここで具体的に例をあげて説明する。今、
出湯量ＱT ＝２．５（リットル／分）、偏差ｅn ＝２．
４℃とすると、図４（Ａ）からＰＳの適合度＝０．７
５、ＰＬの適合度＝０．２５となる。また、同図（Ｂ）
からＰＳの適合度＝０．３、ＰＬの適合度＝０．７、Ｎ
Ｓ，ＮＬの適合度＝０となる。これに対して、先のルー
ル１〜４をあてはまると、 ルール１よりＰＳ＝０．３ ルール２よりＰＭ＝０．２５ ルール３よりＰＭ＝０．７ ルール４よりＰＬ＝０．２５ となる。

【００２６】この適合度を用いて結論部メンバシップ関
数を修正すると図４（Ｄ）のようになる。各適合度に重
みαを乗じて重心Ｇを求めると Ｇ＝（０．３×０．３＋（０．２５＋０．７）×１＋
０．２５×１．７）／（０．３＋０．２５＋０．７＋
０．２５）＝０．９７７ となる。この重心Ｇが求める補正値Ａである。

【００２７】こうして補正値Ａが求められると、図３の
ステップ１４にて駆動操作量ｙn がＡ・ｙn に補正さ
れ、それに基づいてモータ１３が駆動され混合比が調整
され（Ｓ１５）、本制御ルーチンを一旦抜ける。そし
て、これらの処理が５０mm秒毎に繰り返される。

【００２８】以上説明したように、本実施例によれば出
湯量ＱT に基づいて駆動操作量ｙnを補正しているた
め、湯水混合から温度検出までの時間遅れに対処でき小
流量から大流量に亘る広範囲での混合制御が良好となり
出湯温特性が向上する。しかも、出湯量ＱT を直接検出
する流量センサを設けずに演算により求めているために
圧力損失の影響が少ない。更に、出湯量ＱT だけでなく
設定温度ＴS との偏差ｅn をも用いて補正しているた
め一層良好な混合制御となる。つまり、出湯量ＱTだけ
で補正した場合には、小流量時に駆動操作量が抑えられ
るが、このとき偏差ｅn が大きな状況においてはそれほ
ど抑える必要がないことから、偏差ｅn が大きければ駆
動操作量の抑え度合を少なくする側に働かすことで出湯
特性を向上できるのである。また、ファジー推論を用い
て補正しているため、種々の変化状態に応じた制御が容
易となり、ＰＤ制御の演算負担を低減することができ
る。

【００２９】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、出湯量ＱT に基づく補正をファジー推論を
用いずに補正値変換マップや出湯量ＱT の関数（例え
ば、補正係数Ａ＝ｆ（ＱT ））等を用いてもよく、本発
明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実
施し得ることは勿論である。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の湯水混合
制御装置によれば、小流量から大流量に亘る広範囲での
混合比制御が良好となり、出湯温特性が向上する。ま
た、出湯量あるいは入水量を流量センサにより直接検出
する必要がなくなり、圧力損失の影響が低下する。更
に、ファジー推論を用いて駆動制御量を補正する第２発
明においては、種々の変化状態に応じた制御が容易とな
り演算負担を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例としての湯水混合制御装置を備えた給湯
器の概略構成図である。

【図２】混合弁の概略構成図である。

【図３】湯水混合制御ルーチンを表すフローチャートで
ある。

【図４】ファジー推論で用いるメンバシップ関数を表す
説明図である。

【図５】流量センサの取付位置パターンを説明する説明
図である。

【符号の説明】

８…流量センサ、 ９…入水温度センサ、 １０…湯側
温度センサ、１１…混合弁、 １２…弁体、 １３…モ
ータ、 １４…出湯温度センサ、２０…湯水混合制御
部、 ３０…コントローラ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器により加熱された湯と、該熱交
   換器への給水路から分岐したバイパス管に供給された水
   とを混合して出湯する給湯器に用いられ、 上記湯と水との混合比を調整する混合弁装置と、 上記混合された湯の出湯温度を検出する出湯温検出手段
   と、 上記検出された出湯温度と設定温度との偏差に基づいて
   設定される駆動操作量にて、上記混合弁装置を駆動制御
   する混合制御手段とを備えた湯水混合制御装置におい
   て、 上記給湯器に給水される入水温度を検出する入水温検出
   手段と、 上記熱交換器出口側湯温を検出する混合前湯温検出手段
   と、 上記熱交換器を流れる流量を検出する湯側流量検出手段
   と、 上記検出された出湯温度と入水温度と混合前湯温度と湯
   側流量とに基づいて湯水混合後の出湯量を算出する出湯
   量算出手段と、 上記算出された出湯量に応じて上記混合制御手段の駆動
   操作量を補正する駆動量補正手段とを備えたことを特徴
   とする湯水混合制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の湯水混合制御装置におい
   て、 上記駆動量補正手段は、上記算出された出湯量を因子と
   したファジー推論に基づいて補正することを特徴とする
   湯水混合制御装置。