JPH02171903A - 温度制御装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、バーナの燃焼における温度制御装置に関し、
特に温度制御特性の精度を向上させるための改良に関す
る。

［従来の技術］ 例えば、ガス給湯器等の燃焼式給湯器では、大きな加熱
能力による大型給湯ができること、必要に応じてすぐ給
湯が行える簡便性があること、必要に応じて継続して給
湯が可能なこと等から多くの場所で使用されている。

また、使用者の希望する出湯温度が得られるようにする
ために加熱量を制御する温度制御装置では、出湯温度と
設定温度との偏差に基づいたフィードバック制御によっ
てバーナの燃焼量が制御されている。

このフィードバック制御では、単に出湯温度と設定温度
との偏差による比例動作の補正制御のみでなく、熱交換
器等の熱容量等に伴う残留偏差〈または定常清差）によ
って出湯温度が不安定にならないようにするために、比
例動作とともに積分動作が行われるＰＩ動作（比例士積
分動作）の補正制御が行われ、さらに、給湯量の変更や
熱交喚器内への入水温度の変化等の外乱があった場合に
も、出湯温度に変化が少なく、応答遅れのないようにす
るために、微分動作を組み合わせたＰＩＤ動作（比例→
積分士微分動作）によって補正制御され、優れた出湯温
度特性が得られる。

また、最近では、バーナ等の燃焼系の小型化が図られる
とともに、マイクロコンピュータ（マイコン）の導入に
より燃焼装置の制御基板等の小型化が可能になり、それ
に伴ってガス給湯器全体が小型化されることによって、
従来にも増してさらに需要が拡がりつつある。

［発明が解決しようとする課題］ このような、多くの需要に対応するためには、燃料供給
量を調節するための比例弁の制御特性を、各地で使用さ
れている供給圧力および発熱葦が異なる多数のガス種（
例えば、ＬＰ、１３Ａ、１２Ａ、７Ｃ１６Ｂ、６Ｃ１５
Ｂ、５Ｃ等）にそれぞれ対応した特性にしなければなら
ないとともに、燃焼用空気を供給するために多くのガス
給湯器で使用されている送風機の制御特性を、上記の各
ガス種について、設置方式（屋外設置、屋内設置、パイ
プシャフト設置、バイブシャフト扉内設置等）や、排気
方式（ｐｓ設置上方排気型、ＰＳ設置後方排気型、ＰＳ
扉内り方排気型、ＰＳ扉内後方排気型、ＦＦ式上方排気
型、ＦＦ式後方排気型、ＦＥ式排気型等）にそれぞれ対
応した特性にしなければならない。

従って、同程度の能力を備えたガス給湯器であっても、
上記の各条件によってそれぞれ制御特性の異なった仕様
の多種類のガス給湯器を提供する必要がある。

こうした多くの仕様に合わせた特性を、マイコンによっ
て比例弁および送風機に与えるためには、プログラムに
よって各制御特性を仕様毎に設定しなければならないた
め、開発期間が長くなるという問題がある。

また、マイコンによってＰＩＤ動作のフィードバック制
御を行う場合には、出湯温度を検知するサーミスタの検
知温度信号がディジタル信号にＡＤ変換されて、Ｐ動作
、■動作、Ｄ動作の各動作に用いられるわけであるが、
Ｐ動作およびＩ動作では、出湯温度についての情報が、
例えばＯ５５℃程度の差で現れればよいが、Ｄ動作を効
果的に行おうとすると、サーミスタによる検知温度につ
いて、例えば０．０３℃／’０．１ＳｅＣ程度まで細分
化されてその変化が検出される必要がある。

従って、Ｄ動作に対しても効果的に作用するように、サ
ーミスタの検知温度信号が十分に得られるようにしよう
とすると、マイコンには多くの入力ボートが必要になる
ため、マイコンのハードの負担が多くなり、ボート数に
応じてプログラムも同時に複雑になるため、上記各仕様
に対応させることを考慮すると、その１７１１発費用が
膨大になり開発期間が長くなるという問題がある。

本発明は、優れた出湯温度特性が得られるとともに、燃
焼条件等の異なる多くの仕様に対応しやすく、開発にお
ける負担を減少させることができる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、温度を検知する温度検知手段を備え、該温度
検知手段の検知温度と目標温度とに基づいて加熱手段を
フィードバック制御する温度制御装置において、該温度
制御装置は、前記フィードバック制御を行うためのマイ
クロコンピュータと、前記検知温度を微分する微分回路
とを備え、前記マイクロコンピュータは、前記フィード
バック制御として、前記検知温度と前記目標温度との偏
差に基づいた比例制御と該偏差に基づいた積分制御を行
うとともに、前記マイクロコンピュータは前記微分回路
によって得られた微分値に基づいて微分制御を行うこと
を技術的手段とする。

し作用および発明の効果１ 本発明の温度制御装置では、マイクロコンピュータによ
って制御が行われるため、例えば、燃料供給量を調節す
る比例弁や、燃焼用空気の供給層を制御する送風機に対
して、燃焼仕様に応じた必要な特性を簡単に与えること
ができる。また、例えば給湯器において、出湯温度を検
知する温度検知手段の検知温度に基づいたフィードバッ
ク制御として出湯温度と目標温度との偏差に基づいて比
例制御が行われるため、出湯温度が目標温度と異なる場
合に、加熱手段による加熱量を補正することができる。

またフィードバック制御として出湯温度と目標温度との
偏差に基づいて積分制御も行われるため、残留偏差の影
響をなくすことができる。

さらに、フィードバック制御として出湯温度に基づいて
微分制御が行われる。このとき、本発明では、フィード
バック制御における微分制御を行うために微分回路を設
けており、出湯温度の微分値を微分回路によって得てい
るため、出湯温度の変化が確実に検知でき、出湯温度を
目標温度に確実に近付けることができる。

従って、温度検知手段によって検知される出湯温度信号
をＡＤ変換してディジタル信号にするに際して、出湯温
度の変化分を示す微分値についてＡＤ変換すればよいた
め、入力ボート数を少なく設定でき、マイクロコンピュ
ータのハードの負担が少なくなる。また、それを処理す
るためのプロダラムが簡略化されるため、多数の燃焼仕
様に対応した制御特性を備えたシステムの開発期間が短
縮でき、開発費用を削減することができる。

［実施例］ 次に本発明の温度制御装置を、実施例に基づき説明する
。

第２図にその概略を示すガス給湯器では、燃焼器１０は
、給湯器ケース１の内部にバーナプレート１１が配され
、燃焼用空気を供給する送風４１１１２を備えている。

送風機１２は、モータによって回転される羽根車をスク
ロールケーシング１２ａ内に備えたもので、送風機１２
の作動によって燃焼用空気がスクロールケーシング１２
ａからバーナケースｌｌａへ供給される。スクロールケ
ーシング１２ａには燃料ガスを噴出するノズル１３が設
けられ、燃焼器１０は、送風機１２によって供給される
一次空気のみで燃焼する全−次空気燃焼を行い、燃焼ガ
スは図示しない排気口から燃焼器ケース１外へ排出され
る。

燃焼器ケース１内には、バーナプレート１１の近傍に、
火花放電を行うスパーカ１４、炎検知のためのフレーム
ロッド１５、燃焼温度を検知するサーモカップル１６が
それぞれ設けられている。

燃料ガスをノズル１３へ供給する燃料管２０には、上流
側から順に元電磁弁２１、主電磁弁２２、燃料ガスの下
流側の圧力を電流値に応じて調節する比例弁２３、燃料
ガスを遮断するための電磁弁２４がそれぞれ設けられ、
電磁弁２４の上流と下流とはオリフィス２５を備えた燃
料管２０によって連通されている。オリフィス２５は絞
り性能を高めるために設けられたもので、電磁弁２４が
閉状態の場合には、ノズル１３に代わってオリフィス２
５によって燃料供給量が制限され、小燃焼量が得られる
。

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３１ａと、これら
の間を連通して設けられた熱交換器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、残りはバイパス管３２ａを
通過して給湯管３１ａへ導かれる。熱交換器３２および
バイパス管３２ａの合流部には、熱交換器３２によって
加熱される水と、バイパス管３２ａによってそのまま導
かれる水の割合を調節するバイパス弁３３が設けられて
いる。

供給管３１には上流側より水量制御弁３４、水量センサ
３５および入水温サーミスタ３６が、また熱交換器３２
の下流には加熱された湯水の温度を検知する熱交換サー
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。

制御装置４０は、第１図に示すとおり、マイクロコンピ
ュータ（以下「マイコン」とする）５０を中心とし、使
用者によって操作され希望する出湯温度を設定するため
のコントローラ４１．微分回路４２と図示しない安全回
路を備えている。

微分器！＠４２は、第３図に示すとおり、出湯温サーミ
スタ３８と分圧用抵抗器４３によって得られる出湯温度
信号を、コンデンサ４４、オペアンプ４５、抵抗４６と
によって微分するもので、入力の変化分に比例した出力
が、端子４７に出湯温度信号の微分値として得られる。

なお、抵抗４８およびコンデンサ４９はノイズ除去用の
設けられたものである。

マイコン５０は、中央処理装置（ＣＰＵ）５１、Ｒ，０
Ｍ５２、ＲＡＭ５３、入力インターフェース５４、出力
インターフェース５５を主構成として、水量制御、点火
制御、燃焼制御の各制御を行う１、入力インターフェー
ス５４は、コントローラ・１１や各センサおよびサーミ
スタからのアナログ信号を処理するためのマルチプレク
サやディジタル信号に変換するためのＡＤｉｔａ器等を
有し、ＣＰ（Ｊ５１へ伝送する。

出力インターフェース５５は、ＣＰＵ５１の処理結果に
応じて各電磁弁や送風機１２等を駆動する。

ＣＰＵ５］は、ＲＯＭ５２内のプログラムによって必要
な各制御動作を行うもので、入力インターフェース５４
からの各入力に基づいた演算処理を行い、演算結果に応
じて出力インターフェース５５を介して、各部を次のと
おり駆動制御する。

水量制御では、入水温うノーミスタ３６によって検知さ
れる入水温度に基づいて、バイパス弁３３の開度および
水量制御弁３４の開度を調節し、加熱能力以上の水星が
熱交換器３２内へ流入するのを制限する。なお、各開度
の検出は図示しないポテンショメータにＪ：り行われる
。

点火制御では、水量センサ３５による通水信号が伝えら
れると、予め設定されたシーケンスで送風機１２、スパ
ーカ１４、元電磁弁２１、主電磁弁２２をそれぞれ制御
して、点火を行う。

燃焼制御では、木管３０に配された各サーミスタの抵抗
値から得られる温度信号と、木管３０内を通過する水量
に応じて発生される水量センサ３５からのパルス信号お
よびコントローラ４１による設定温度に基づいて燃焼量
Ｑを決定し、この決定された燃焼ｉＱに基づいて送風１
１１１２、電磁弁２４、比例弁２３を制御する。

ここでは、燃焼量Ｑを決定するためのＣＰＵ５１の燃焼
制御動作として、第１図に示すとおり、フィードフォワ
ード動作（ＦＦ動作）５６と、フィードバック制御とし
ての比例動作（Ｐ動作）５７、積分動作（Ｉ動作）５８
および微分動作（Ｄ動作）５９が行われる。

ＦＦ動作５６は、運転開始後に出湯温サーミスタ３８で
検知される出湯温度’ｌ’ｏｕｔが、設定温度ＴＳｅｔ
に対して所定条件になるまでの間に行われる制御動作で
、コントローラ４１による設定温度ＴＳｅｔ、入水温サ
ーミスタ３６で検知される入水温度Ｔｉｎ、水量センサ
３５で検知される水１ｗ、熱交換率１．／ｅｒｒとから
、 Ｑ（ＦＦ）　＝　＜Ｔｓｅｔ　−Ｔｉｒｉ）　ｘＷ／ｅ
Ｎで燃焼量Ｑ（ＦＦ）を決定する。

比例動作５７および積分動作５８は、出湯温度１−Ｏｕ
ｔが設定温度ＴＳｅｔに対して所定条件になってから行
われる燃焼量補■・制御動作で、比例動作５７による比
例補正ｌ　１）は、設定温度Ｔｓｅｔと出湯温度Ｔｏｕ
ｔとの偏差と、水ｉｗとから、Ｐ　＝Ｅ　（Ｔｓｅｔ　
−Ｔａｕｔ　）　−Ｗで求められる。ここで巳は比例定
数。

また積分動作５８による積分補正Ｍｋ１は、設定温度’
ｌ’ｓｅｔと出湯温度’ｔ’ｏｕｔとの偏差と、水量Ｗ
ｎとから、 Ｉ　ｎ　　＝　Ｉ　ｎ−１＋ｂＷｎ　　−（Ｔｓｅｔ　
　−Ｔｏｕｔ　　）で求められる。ここでＩｎは今回求
めパノ主る積分補正量、Ｉ　ｎ−１は前回求められた積
分補正Ｊｌ、Ｗｎは今回の水量、ｂは積分定数である。

さらに、微分動作５つによる微分補正ＪＩＤが、Ｄ＝Δ
Ｔ−ｒ で求められる。ここでΔ１゛は、出湯温度”ｒｏｕｔの
微分値であり、ｒは定数である。

なお、出湯温度Ｔｏｕｔの微分値ΔＴは、マイコン５０
とは別に備えられた微分回路４２によって求められる。

これらの比例動作５７、積分動作５８．微分動作５９は
、前述のＦＦ動作５６による燃焼量Ｑ（Ｆ［）に対して
、各補正量を加算する動作であり、フィードバック制御
としての燃焼量Ｑ（ＦＢ）は、Ｑ　（ＦＢ）＝　Ｑ　（
ＦＦ）トＰ＋Ｉ＋Ｄで求められる。

燃焼制御では、こうして得られた燃焼ｆｆ１Ｑに対応す
るＲ　ＯＭ　５２内のデータに基づいて、送風機１２を
制御する。

ここでは、決定された燃焼ｆｆ１Ｑに対応した送風機１
２の制御電圧データが、ガス種毎にそれぞれ記憶されて
いて、燃焼１ｔＱがＪＪえられると、それに対応したデ
ータが１東用されるガス種に応じてマイコン５０の演算
処理により読み出され、それに基づいた電圧が送風機１
２に印加される。

従って、送風機１２には、同じ燃焼ＪηＱ１〜Ｑ２に対
応して、例えば都市ガス（６Ｃ）　、天然ガス（１３Ａ
’）、プロパンガス（Ｌ、　Ｐ　Ｇ　）では、第４図の
実線Ａ、Ｂ、Ｃに示すとおり、ガス種に応じて異なった
電圧範囲■１・〜■２、■３〜■４、■５〜■６で制御
電圧が印加され、それぞれ異なった回転数で駆動される
。また点火時には、緩点火燃焼１．Ｑａに対応して、各
ガス種毎にそれぞれ実線Ａ、Ｂ、Ｃ中の点ａ、ｂ、ｃで
示される電圧値Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃが印加され、送風機１
２は緩点火制御される。

なお、ＲＯＭ５２から読み出されるデータは、図示しな
い特性設定部によって、使用されるガス種毎、あるいは
排気方式に応じて設定される。

また比例弁２３への通電電流値は、検出される送風機１
２の回転数に基づいて決定される。

ここでは、各ガス種毎、排気方式毎に、検出回転数に対
応した比例弁２３の通電電流データが、ＲＯＭ５２にそ
れぞれ記憶されていて、送風＠１２の検出回転数が与え
られると、それに対応し７にデータが使用されるガス種
および排気方式に応じてＣＰＬＪ５］の演算処理により
読み出され、それに基づいて比例弁２３が制御される。

この制御処理においては、決定される燃焼ｊｉ１．Ｑが
同じ場合でも、送風機１２はガス種および排気方式に応
じて異なった回転数に制御され°（いるため、検出され
る回転数は、ガス種および排気方式に応じて異なってお
り、また、同じ燃焼ｆｆ１Ｑに対するガスの供給量も、
ガス種に応じて異なるため、比例弁２３には、第５図の
実線■）、Ｅ、ドにそれぞれ示すとおり、異なった回転
数Ｎ１〜Ｎ２、回転数Ｎ３〜Ｎ４、回転数Ｎ５−Ｎ６に
それぞれ対応して、燃焼Ｍ、Ｑが得られるように、それ
ぞれ異なった電流値１１〜．１２、電流値１３−１４、
電流値Ｉ５・〜Ｉ６が与えられる。その結果、比例弁２
３はそれぞれの電流値に応じた開度を呈し、燃焼器１０
には、各ガス種において、燃焼１Ｑが得られる菫の燃料
ガスがそれぞれ供給されることになる。

また、点火時には、緩点火燃焼ＭＱａに対応するように
、各ガス種毎にそれぞれ実線り、Ｅ、Ｆ中の点ｄ、ｅ、
ｆで示される電流値１　ｄ、Ｉｅ、Ｉｆが通電され、比
例弁２３は緩点火制御される。

さらに、燃焼制御では、燃焼温度に応じて出力されるサ
ーモカップル１６の出力型ｊ王に基づいて空燃比の３！
ｊ差を求め、それに基づい゛Ｃ送風［１１２の印加電圧
を補正し、供給される燃焼用空気量を補正することによ
り、適正な空燃比に維持する。

また、補正によって変化した送風機１２の回転数に対応
して、比例弁２３への電流値を修正する。

以上の構成からなる本実施例のガス給湯器は次のとおり
作動する。

工場での出荷時、あるいは、ガス給湯器の設置時に、使
用されるガス種に応じて制御装置４０の特性が特性設定
部で、あらかじめ設定される。

使用者がコントローラ４１によって出湯温度を設定し、
図示しない水栓を操作すると、供給管３１によって供給
される水は、水１制御弁３４、水址センザ３５を通過し
て、熱交換器３２およびバイパス管３２ａへ流入し、バ
イパス弁３３でそれぞれの流出１．が調節されて、給湯
管３１．　ａを介して図示しない給湯口から流出する。

供給管３１内の水の通過が水量センサ３５で検知される
と、送風１Ｒ１２がガス種および排気方式に応じて緩点
火制御された回転数で回転を開始する。

また、水散センサ３５からの信号に基づいて点火制御が
開始され、スパーカ１４に火花放電が行われる。さらに
元電磁弁２１と主電磁弁２２が開状態にされ、比例弁２
３にガス種に応じた所定の緩点火電流値が通電されると
、ノズル１３からは緩点火燃焼ｌＱａに応じた燃料ガス
が噴出し、燃焼用空気と混合される。

従って、スパーカ１４によって点火されると、安全かつ
確実に着火にする。

着火がフレームロッド１５によって検知されると、コン
トローラ４１、各センサおよびサーミスタの信号に基づ
いてＦ　Ｆ動作５６の燃焼量Ｑ（ＦＦ）が計算され、そ
れに基づいて送風機１２が制御される。

また、送風１ｆ１１２の回転数に応じて比例弁２３が通
電され、燃焼量Ｑ（ＦＦ）に応じた燃料ガスが供給され
る。

その後、出湯温度Ｔｏｕｔが所定条件になると、出湯温
度’ｒｏｕｔに基づいてフィードバック制御が行われ、
フィードバック制御における燃焼ｆｆ１Ｑ（ＦＢ）が決
定される。

このとき、比例動作５７および積分動作５８による燃焼
量Ｑ（ＦＢ）の各補正量Ｐ、■は、入力インターフェー
ス５４によりディジタル信号に変換された出湯温サーミ
スタ３８の出湯温度信号に基づいて求められるが、微分
動作５９に用いられる微分補正ｌＤは、微分回路４２に
よって得られる微分値を入力インターフェース５４によ
って変換されたディジタル信号に基づいて決定される。

従って、出湯温度’ｔ’ｏｕｔの変化が確実に検知でき
、出湯温度’ｒｏｕｔを設定温度Ｔｓｅｔに確実に近付
けることができる。

以上のとおり、本実施例のガス給湯器では、マイクロコ
ンピュータによって燃焼制御が行われるため、比例弁や
送風機に対して、燃焼仕様に応じた必要な特性を簡単に
与えることができる。

また、フィードバック制御として、比例制御、積分制御
が行われるため、加熱量をＭ１正することができ、熱交
換器等の残留偏差の影響をなくすことができる。

さらに、フィードバック制御として微分制御が行われ、
このなめに微分回路を設けて出湯温度の微分値を得てい
るため、出湯温度の変化が確実に検知でき、出湯温度を
設定温度に確実に近付けることができる。

また、微分回路を設けて出湯温度の微分値にっいてＡＤ
変換するため、入力ボート数を少なく設定できるため、
マイクロコンピュータのハードの負担が少なくなり、ま
た、それを処理するためのプログラムが簡略化されるた
め、多数の燃焼仕様に対応した制御特性を備えたシステ
ムの開発期間が短縮でき、開発費用を削減することがで
きる。

本実施例では、ガス給湯器を示したが、温水式曖房機、
床暖房、セントラルヒーティングでもよい。

また、加熱源はガス、石油等による燃焼機器に限定され
ず、電気加熱によるものでもよい。

【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
機能的構成を示す機能ブロック図、第２図は本実施例の
ガス給湯器の構成を示す概略図、第３図は本実施例にお
ける微分回路を示す回路図５第４図は本実施例の制御装
置の作動説明のための決定される燃焼量と送風機への印
加電圧との関係を示す特性図、第５図は送風機の回転数
と比例弁の電流との関係を示す特性図である。 図中、１０・・・燃焼器（加熱手段）、３８・・・出湯
温サーミスタ（温度検知手段）、４０・・・制御装置（
温度制御装置）、４２・・・微分回路、５０・・・マイ
クロコンピュータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）温度を検知する温度検知手段を備え、該温度検知手
   段の検知温度と目標温度とに基づいて加熱手段をフィー
   ドバック制御する温度制御装置において、 該温度制御装置は、前記フィードバック制御を行うため
   のマイクロコンピュータと、前記検知温度を微分する微
   分回路とを備え、前記マイクロコンピュータは、前記フ
   ィードバック制御として、前記検知温度と前記目標温度
   との偏差に基づいた比例制御と前記偏差に基づいた積分
   制御を行うとともに、前記マイクロコンピュータは前記
   微分回路によって得られた微分値に基づいて微分制御を
   行うことを特徴とする温度制御装置。