(57)【要約】【課題】出湯温度を早く安定化可能な湯水混合装置を提供すること。【解決手段】湯水混合装置は、高温水を供給する湯側配管と、低温水を供給する水側配管と、高温水と低温水を混合する混合弁と、混合した湯水を出湯する出湯配管と、これら配管に夫々配設された湯側温度センサと水側温度センサと出湯温度センサと、出湯温度を予め設定された目標温度に近付けるために混合弁の弁位置を制御する制御手段を備えている。制御手段は、各センサが検知した湯側温度と水側温度と目標温度に基づいて高温水と低温水の流量比を決定し、混合弁における予め設定された高温水と低温水の圧力比の下で流量比に基づいて決定した弁位置に調整する。その後、所定時間毎に、調整後の出湯温度変化と線形一次遅れ方程式に基づき予測出湯温度を算出し、この予測出湯温度と目標温度の温度差に基づいて圧力比を補正し、補正した圧力比の下で流量比に基づいて弁位置を再調整する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温水を供給するための湯側配管と、低温水を供給するための水側配管と、高温水と低温水を混合する混合弁と、前記混合弁で混合した湯水を出湯するための出湯配管と、前記湯側配管に配設された湯側温度センサと、前記水側配管に配設された水側温度センサと、前記出湯配管に配設された出湯温度センサと、前記出湯温度センサが検知する出湯温度を予め設定された目標温度に近づけるために前記混合弁の弁位置を制御する制御手段を備えた湯水混合装置において、
前記制御手段は、前記湯側温度センサが検知した湯側温度と前記水側温度センサが検知した水側温度と前記目標温度に基づいて高温水と低温水の流量比を決定し、前記混合弁における予め設定された高温水と低温水の圧力比の下で前記流量比に基づいて決定した弁位置に調整した後で、所定時間毎に、前記弁位置の調整による出湯温度変化と線形一次遅れ方程式に基づき予測される予測出湯温度を算出し、前記予測出湯温度と前記目標温度の温度差に基づいて前記圧力比を補正し、この補正した圧力比の下で前記流量比に基づいて前記弁位置を再調整することを特徴とする湯水混合装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記補正した圧力比を記憶し、この記憶した圧力比を前記予め設定された圧力比として次回の出湯時に使用することを特徴とする請求項１に記載の湯水混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温水と高温水を混合して出湯する湯水混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば家庭用の給湯装置には、予め設定した出湯の目標温度の湯水を給湯するために、熱源機で加熱した高温水と上水源から供給される低温水を混合して目標温度になるようにフィードバック制御する湯水混合装置が装備されている。熱源機には燃焼式や太陽熱式等様々なタイプのものが使用され、湯水混合装置に供給される高温水の供給圧と低温水の供給圧が異なる場合がある。
【０００３】
高温水の供給圧と低温水の供給圧が異なると、湯水混合装置における適切な混合が難しくなって出湯特性が悪化し、フィードバック制御によって出湯温度が安定するまでに要する時間が長くなり、場合によってはエラーとなって出湯が停止される。そのため、例えば特許文献１のように、運転モード毎に異なる高温水と低温水の供給圧に対応する混合特性マップを備え、運転モードの切替えと共に対応する混合特性マップに切替えて、適切な混合を可能にする技術が知られているが、この混合特性マップを施工現場毎に設定する必要があり設定が容易ではなく、供給圧が変動する場合には対応が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０６９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、この出湯特性の悪化を防ぐためには、高温水の供給圧センサと低温水の供給圧センサを装備させて、夫々の供給圧を考慮して高温水と低温水の混合比を調整することが考えられる。しかし、２つの供給圧センサを追加することになるので、製造コストが増加し好ましくない。
【０００６】
本発明の目的は、出湯温度を早く安定化可能な湯水混合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、高温水を供給するための湯側配管と、低温水を供給するための水側配管と、高温水と低温水を混合する混合弁と、前記混合弁で混合した湯水を出湯するための出湯配管と、前記湯側配管に配設された湯側温度センサと、前記水側配管に配設された水側温度センサと、前記出湯配管に配設された出湯温度センサと、前記出湯温度センサが検知する出湯温度を予め設定された目標温度に近づけるために前記混合弁の弁位置を制御する制御手段を備えた湯水混合装置において、前記制御手段は、前記湯側温度センサが検知した湯側温度と前記水側温度センサが検知した水側温度と前記目標温度に基づいて高温水と低温水の流量比を決定し、前記混合弁における予め設定された高温水と低温水の圧力比の下で前記流量比に基づいて決定した弁位置に調整した後で、所定時間毎に、前記弁位置の調整による出湯温度変化と線形一次遅れ方程式に基づき予測される予測出湯温度を算出し、前記予測出湯温度と前記目標温度の温度差に基づいて前記圧力比を補正し、この補正した圧力比の下で前記流量比に基づいて前記弁位置を再調整することを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、所定時間毎に予測出湯温度を算出すると共に供給される低温水と高温水の圧力比を考慮して混合弁の弁位置の調整を繰り返し行うので、所定時間毎に適切な弁位置に近づき、出湯温度を早く安定化させることができる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御手段は、前記補正した圧力比を記憶し、この記憶した圧力比を前記予め設定された圧力比として次回の出湯時に使用することを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、２回目以降の出湯時には、前回の出湯時に設定された圧力比を使用して混合弁の弁位置の最初の調整を行い、最初から適切な圧力比の下で弁位置の調整を行うことができるので、出湯温度を一層早く安定化させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の湯水混合装置によれば、出湯温度を早く安定化可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例に係る給湯装置の構成を示す図である。
【図２】一軸式の混合弁の構成を示す要部断面図である。
【図３】実施例に係る混合弁の弁位置の調整制御のフローチャートである。
【図４】一時時間遅れ方程式が示す曲線の一例を示す図である。
【図５】異なる圧力比における弁位置と流量比の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１４】
最初に給湯装置１について説明する。
給湯装置１は、熱源機３と湯水混合装置１０で構成されている。湯水混合装置１０は、混合弁２と、熱源機３で加熱された高温水を混合弁２に供給するための湯側配管４と、上水源から供給される低温水を混合弁２に供給するための水側配管５と、混合弁２で混合された湯水を出湯するための出湯配管６と、混合弁２における混合比の調整を行う制御部７（制御手段）を有する。熱源機３は、上水源から給水管８を介して供給される低温水を加熱する例えば燃焼式の熱源機であるが、太陽熱式等様々なタイプの熱源機を使用することができ、異なるタイプの複数の熱源機で構成されていてもよい。上水源から熱源機３を経由して混合弁２に至る湯側配管４側の圧力損失は大きくなるので、湯水混合装置１０における高温水の供給圧と低温水の供給圧が異なることになる。
【００１５】
水側配管５には水側温度センサ５ａが配設され、湯側配管４には湯側温度センサ４ａが配設され、出湯配管６には出湯温度センサ６ａと出湯流量センサ６ｂが配設されている。出湯配管６の下流側に接続された給湯栓等が開けられて出湯流量センサ６ｂが所定流量（最低作動流量）以上の流量を検知すると、制御部７が湯水混合装置１０における高温水と低温水の混合制御、即ち混合弁２の弁位置の調整制御を開始する。制御部７は、各種センサの検知信号に基づいて各種制御プログラムを実行するためのＣＰＵとメモリと、各種の制御プログラムや設定等を保存する記憶装置等を備えたコンピュータにより構成され、弁位置の調整制御信号を混合弁２に送信する。
【００１６】
次に、混合弁２について説明する。
混合弁２は、弁体を進退駆動することにより混合比率を調整可能な一軸式混合弁である。例えば図２に示すように、混合弁２は、円筒状のケース１１と、ケース１１の軸心１１ａと同心状に設けられた弁軸１２と、弁軸１２を軸心方向に進退駆動するモータ１３と、ケース１１内部に設けられた混合室１１ｂと、弁軸１２の進退駆動と共に混合室１１ｂ内を進退駆動する弁体１４と、弁体１４に対応する弁座１１ｃ，１１ｄと、ケース１１の軸心方向一端側の低温水入口１５と、ケース１１の軸心方向他端側の高温水入口１６と、ケース１１の低温水入口１５と高温水入口１６の間に設けられた出湯口１７等を備えている。
【００１７】
混合弁２は、水側配管５から低温水入口１５に供給される低温水と、湯側配管４から高温水入口１６に供給される高温水の流量比を調整して混合し、混合した湯水を出湯配管６に供給する。低温水と高温水の供給圧が同じ場合（圧力比が１の場合）の低温水と高温水の流量比が、混合弁２の弁体１４の弁位置θにより予め規定されている。
【００１８】
この混合弁２は、低温水の供給圧と高温水の供給圧が同じ場合に弁位置θで規定される流量比通りの混合比になるが、通常は供給圧に差があるので、高圧側の流量が増えて弁位置θで規定された開度通りの流量比にはならない。そのため、供給圧を考慮した混合弁２の弁位置θのフィードフォワード調整制御（以下、ＦＦ調整制御という）を実行して、混合比を調整する。この混合弁２の弁位置θのＦＦ調整制御について、図３のフローチャートに基づいて説明する。図中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・・）はステップを表す。
【００１９】
最初にＳ１において、制御周期のｋ番目のタイミングを表すｋをゼロに初期化してＳ２に進む。制御周期は例えば０．１秒周期であり、弁体１４の駆動に要する時間と比べて十分に長い。次にＳ２において、湯側温度Ｔｈと水側温度Ｔｗと予め設定された出湯の目標温度Ｔｔを取得してＳ３に進む。
【００２０】
次にＳ３において、湯側温度Ｔｈと水側温度Ｔｗと出湯の予め設定された目標温度Ｔｔに基づいて、混合弁２における流量比εを決定してＳ４に進む。ここで、低温水の流量をＱｗ[L/min]、高温水の流量をＱｈ[L/min]とすると、ε＝Ｑｗ／Ｑｈであり、混合の前後で流量及び熱量が保存されることを利用すると、ε＝（Ｔｈ−Ｔｔ）／（Ｔｔ−Ｔｗ）となる。
【００２１】
次にＳ４において、制御部７に保存されている圧力比αkを取得してＳ５に進む。圧力比αkの初期値は１であり、混合制御により更新された値が保存される。次にＳ５において、圧力比αkにおいて流量比εとなる混合弁２の目標弁位置θkを算出してＳ６に進む。
【００２２】
次にＳ６において、算出した目標弁位置θkに調整してＳ７に進む。そしてＳ７において、出湯温度Ｔkを取得してＳ８に進む。
【００２３】
次にＳ８において、Ｓ６の弁位置調整から所定時間（制御周期の０．１秒）が経過したか否か判定し、判定がＹｅｓになるまでこのＳ８の判定を繰り返す。判定がＹｅｓになったらＳ９に進み、Ｓ９において制御周期のｋを１増加させてＳ１０に進む。
【００２４】
次にＳ１０において、現在の制御周期における出湯温度Ｔkを取得してＳ１１に進む。そしてＳ１１において、出湯温度変化（現在の制御周期の出湯温度Ｔkと１つ前の制御周期の出湯温度Ｔk-1）と線形一次遅れ方程式により、到達すると予測される予測出湯温度Ｔｆkを算出してＳ１２に進む。一般的に線形一次遅れ方程式が表す曲線Ｌ１は図４に示され、時定数τと出湯温度変化（ＴkとＴk-1）に基づいて予測出湯温度Ｔｆkが、
Ｔｆk＝（Ｔk−Ｔk-1×ｅｘｐ（−Δｋ／τ））／（１−ｅｘｐ（−Δｋ／τ））
で求められる。Δｋは制御周期の所定時間である。
【００２５】
次にＳ１２において、予測出湯温度Ｔｆkと目標温度Ｔｔの温度差ΔＴkに基づいて補正した圧力比αkを設定してＳ１３に進む。流量比ε、水側温度Ｔｗ、湯側温度Ｔｈ、目標温度Ｔｔ、温度差ΔＴkによりαkは、
αk＝ε×（Ｔｔ−（Ｔｗ＋ΔＴk））／（Ｔｈ−（Ｔｔ−ΔＴk））
で求められ、供給圧センサを設けずに供給圧に関する補正ができる。
【００２６】
次にＳ１３において、温度差ΔＴkの絶対値が所定値以下（例えば０．１℃以下）か否か判定し、判定がＹｅｓの場合はＳ１４に進んで現在の圧力比αkの値を記憶領域に保存（記憶）してＳ１５に進み、判定がＮｏの場合はＳ１５に進む。保存した圧力比αkの値は、次回の混合弁２の弁位置のＦＦ調整制御開始時の圧力比の初期値として使用される。
【００２７】
次にＳ１５において、Ｓ１２で設定した圧力比αkにおいて流量比がεとなる混合弁２の目標弁位置θkを算出してＳ１６に進む。例えば図５に示すように、曲線Ｌ２で示す圧力比αk-1における弁位置と流量比の関係に基づいて目標弁位置θk-1が設定されたが、曲線Ｌ３で示す補正した圧力比αkによれば流量比はε’になる。それ故、圧力比αkにおいて流量比がεとなる目標弁位置θkを算出する。そしてＳ１６において、算出した目標弁位置θkに再調整してＳ８に戻る。出湯中はこの混合弁２の弁位置のＦＦ調整制御が実行され、出湯流量センサ６ｂが検知する流量が最低作動流量未満になると、この混合弁２の弁位置のＦＦ調整制御を終了する。従って、この湯水混合装置１０を備えた給湯装置１は、目標温度Ｔｔに調整された湯水を供給することができる。
【００２８】
本発明の作用、効果について説明する。
湯水混合装置１０は、制御部７が所定時間毎に予測出湯温度Ｔｆkを算出すると共に供給される低温水と高温水の圧力比を考慮して混合弁２の弁位置の調整を繰り返し行う。従って、所定時間毎に適切な弁位置に近づき、出湯温度を早く安定化させることができる。
【００２９】
また、２回目以降の出湯時には、前回の出湯時に設定された圧力比を使用して混合弁２の弁位置の最初の調整を行い、最初から適切な圧力比の下で弁位置の調整を行うことができる。従って、最初の調整から適切な弁位置に近づけて出湯温度を一層早く安定化させることができる。
【００３０】
その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく上記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００３１】
２        ：混合弁
４        ：湯側配管
４ａ      ：湯側温度センサ
５        ：水側配管
５ａ      ：水側温度センサ
６        ：出湯配管
６ａ      ：出湯温度センサ
７        ：制御部（制御手段）
１０      ：湯水混合装置
１４      ：弁体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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