(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、混合部と、混合部に高温水を供給する湯側配管の湯側調整弁と、混合部に低温水を供給する水側配管の水側調整弁と、混合部から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流量センサと、出湯温度を予め設定された目標温度に近づけるために湯側調整弁と前記水側調整弁の開度を制御する制御手段を備えている。制御手段は、湯側温度と水側温度と目標温度に基づいて設定した高温水と低温水の流量比に基づいて湯側調整弁と水側調整弁の開度を調整する。そして、所定時間毎に、出湯流量センサが検知した出湯流量と予め設定された配管の損失係数に基づいて給水元圧と給湯栓圧力損失係数を算出し、出湯流量と給水元圧と給湯栓圧力損失係数に基づいて目標流量を設定して湯側調整弁と水側調整弁の開度を調整する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温水と低温水を混合するための混合部と、前記混合部に高温水を供給する湯側配管に配設された湯側調整弁と、前記混合部に低温水を供給する水側配管に配設された水側調整弁と、前記混合部から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及び出湯流量センサと、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湯側調整弁と前記水側調整弁の開度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設定し、前記流量比に基づいて設定した前記湯側調整弁と前記水側調整弁の開度に調整し、所定時間毎に、前記出湯流量センサが検知した出湯流量と予め設定された配管の損失係数に基づいて給水元圧と給湯栓圧力損失係数を算出し、前記出湯流量と前記給水元圧と前記給湯栓圧力損失係数に基づいて目標流量を設定して前記湯側調整弁と前記水側調整弁の開度を調整することを特徴とする湯水混合装置。
【請求項２】
前記湯側調整弁と前記水側調整弁の開度の調整は、前記目標流量と前記給水元圧と前記給湯栓圧力損失係数に基づいて混合路損失係数を算出し、前記湯側調整弁を通る通路の湯側損失係数と前記水側調整弁を通る通路の水側損失係数と前記混合路損失係数に基づいて行う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。湯水混合装置は、混合部に供給する高温水の流量を調整するための湯側調整弁と、混合部に供給する低温水の流量を調整するための水側調整弁を備えている。そして、夫々の流量を調整して混合した湯水の温度に基づいて流量を再調整することによって、出湯温度を目標温度に調整するように構成されている。
【０００３】
このような出湯温度の調整は、目標温度に調整可能なように高温水の温度と流量を決定した後で、出湯温度をフィードバックして混合する低温水の流量の調整を行うことが一般的であるが、出湯温度が安定するまで時間を要するという問題がある。
【０００４】
一方、高温水の流路と低温水の流路とでは圧力損失が異なり、夫々の流量を調整する調整弁はその開度に応じて通水抵抗が変わるので、混合部における流量比はそれらの流路の圧力損失に影響される。そのため、例えば特許文献１のように、所定の温度の高温水と低温水に対応させて予め設定された混合比と各調整弁の開度データに基づいて、圧力損失による流量の変化を考慮して湯側調整弁及び水側調整弁の開度（ステップ数）を補正する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
出湯温度が安定するまでの時間を短縮するためには、湯側調整弁と水側調整弁を夫々同時に駆動して出湯温度の調整を行うことが考えられる。しかし、混合部における流量比は設置場所によって異なる給水元圧、給湯栓の開度で異なる出湯流量、流通する通路の圧力損失等に影響される。このとき出湯流量によって高温水の温度と流量が変化するので、特許文献１の技術を利用できず、出湯温度を早く目標温度に近づけて安定させることが困難である。また、湯側調整弁と水側調整弁で温度調整する場合、出湯流量が熱源機の加熱能力を超えないように、出湯通路に過流出防止弁を配設する必要があった。
【０００７】
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】
【０００８】
請求項１の発明は、高温水と低温水を混合するための混合部と、前記混合部に高温水を供給する湯側配管に配設された湯側調整弁と、前記混合部に低温水を供給する水側配管に配設された水側調整弁と、前記混合部から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及び出湯流量センサと、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湯側調整弁と前記水側調整弁の開度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設定し、前記流量比に基づいて設定した前記湯側調整弁と前記水側調整弁の開度に調整し、所定時間毎に、前記出湯流量センサが検知した出湯流量と予め設定された配管の損失係数に基づいて給水元圧と給湯栓圧力損失係数を算出し、前記出湯流量と前記給水元圧と前記給湯栓圧力損失係数に基づいて目標流量を設定して前記湯側調整弁と前記水側調整弁の開度を調整することを特徴としている。
【０００９】
上記構成によれば、湯側温度と水側温度と出湯の目標温度に基づいて流量比を設定し、その流量比となるように所定時間毎に給水元圧と給湯栓圧力損失係数を算出し、目標流量を設定して湯側調整弁と水側調整弁の開度の調整を繰り返し行う。従って、設置環境毎に異なる給水元圧と給湯毎に異なる給湯栓の開度を考慮して、所定時間毎に適切な開度に近づけて、出湯温度を早く安定化させることができる。これと同時に出湯流量も調整するので、出湯流量が熱源機の加熱能力を超えないように制御する過流出防止弁を省略することもできる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記湯側調整弁と前記水側調整弁の開度の調整は、前記目標流量と前記給水元圧と前記給湯栓圧力損失係数に基づいて混合路損失係数を算出し、前記湯側調整弁を通る通路の湯側損失係数と前記水側調整弁を通る通路の水側損失係数と前記混合損失係数に基づいて行うことを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、湯水混合装置の混合路損失係数と湯側損失係数と水側損失係数に基づいて、湯側調整弁と水側調整弁の開度を再調整する。従って、開度調整により変化する圧力損失を考慮して、湯側調整弁と水側調整弁の開度を適切な開度に調整することができる。
【発明の効果】
【００１２】
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と共に、過流出防止弁を省略できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】湯水混合装置の損失係数のモデル図である。
【図３】調整弁の開度と損失係数の関係を示す曲線の一例を示す図である。
【図４】実施例に係る湯水混合装置の混合比調整制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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】
【００１５】
最初に給湯装置１について説明する。
図１に示すように、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。熱源機３は例えば燃焼式のものであるが、様々なタイプの公知の熱源機を使用することができる。湯水混合装置１０は、混合部２と、混合部２に高温水を供給する湯側配管４と、低温水を混合部２に供給するための水側配管５と、混合部２で混合された湯水を出湯するための出湯配管６を備えている。
【００１６】
湯側配管４には、混合部２に供給する高温水の流量を調整するための湯側調整弁４ａと、高温水の温度を検知する湯側温度センサ４ｂが配設されている。水側配管５には、混合部２に供給する低温水の流量を調整するための水側調整弁５ａと、低温水の温度を検知する水側温度センサ５ｂが配設されている。出湯配管６には、混合部２で混合された湯水の出湯温度を検知する出湯温度センサ６ａと、出湯流量を検知する出湯流量センサ６ｂが配設されている。
【００１７】
湯水混合装置１０は、湯側調整弁４ａの開度と水側調整弁５ａの開度を夫々調整して混合部２における流量比の調整を行う制御部７（制御手段）を有する。上水源から熱源機３を経由して混合部２に至る湯側配管４側の圧力損失は水側配管５側と比べて大きくなるので、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。また、湯側調整弁４ａの開度と水側調整弁５ａの開度によって変化する通水抵抗に伴い、夫々の圧力損失も変化する。
【００１８】
図２は、この熱源機３を含む湯水混合装置１０における圧力損失をモデル化したものである。実験等に基づいて予め設定された水側配管５と出湯配管６の圧力損失係数を夫々η１，η４とし、水側調整弁５ａを通る通路の圧力損失係数を水側損失係数ηｗ、熱源機３と湯側調整弁４ａを通る通路の圧力損失係数を湯側損失係数ηｈ、出湯配管６の下流側に配設された給湯栓における圧力損失係数を給湯栓圧力損失係数ηｏとしている。例えば図３に示すように、水側損失係数ηｗは水側調整弁５ａの開度θｗによって変化する関数であり、湯側損失係数ηｈは湯側調整弁４ａの開度θｈによって変化する関数である。
【００１９】
給湯栓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を開始する。出湯流量が設定されている場合には、その設定流量で出湯するように制御する。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上記湯側調整弁４ａ等の損失係数の関数、各種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、湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａに弁位置の調整制御信号を夫々送信する。
【００２０】
上記のように、高温水の通路と低温水の通路で圧力損失が異なるため混合部２における低温水と高温水の供給圧は異なって高圧側の流量が増えるので、これを考慮した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、湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａの開度θｈ，θｗに調整して早く目標温度に近づける。この湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａの開度のＦＦ調整制御について、図４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。
【００２１】
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、湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａの調整に要する時間と比べて十分に長い。次にＳ２において、出湯温度として予め設定された目標温度Ｔｔと湯側温度Ｔｈと水側温度Ｔｗと出湯温度Ｔkを取得してＳ３に進む。このとき設定流量が設定されていれば、この設定流量も取得する。
【００２２】
次にＳ３において、制御初期の湯側調整弁４ａの開度θｈと水側調整弁５ａの開度θｗと出湯流量センサ６ｂが検知した出湯流量Ｑｔkを取得してＳ４に進み、Ｓ４において制御周期のｋを１増加させてＳ５に進む。
【００２３】
次にＳ５において、湯側温度Ｔｈと水側温度Ｔｗと目標温度Ｔｔに基づいて、高温水と低温水の流量比εを算出してＳ６に進む。低温水の流量をＱｗ[L/min] 、高温水の流量をＱｈ[L/min] とすると、
Ｑｔk＝Ｑｗ＋Ｑｈ
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。
【００２４】
次にＳ６において、算出した流量比εに基づいて、湯側調整弁４ａの開度θｈkと水側調整弁５ａの開度θｗkを設定してＳ７に進み、Ｓ７において湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａを夫々設定した開度θｈk，θｗkに調整してＳ８に進む。
【００２５】
次にＳ８において、開度調整してから制御周期の所定時間（例えば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において出湯温度Ｔkと出湯流量Ｑｔkを取得してＳ１０に進む。
【００２６】
次にＳ１０において、制御周期のｋを１増加させてＳ１１に進む。そしてＳ１１において、出湯温度Ｔk-1のときの出湯流量Ｑｔk-1と出湯温度Ｔk-2のときの出湯流量Ｑｔk-2と予め設定された配管の損失係数η１，η４に基づいて給水元圧Ｐと給湯栓圧力損失係数ηｏを算出してＳ１２に進む。このとき、給湯栓は給湯使用者が望む開度に維持され、給湯栓圧力損失係数ηｏと給水元圧Ｐの変動はないものとして、
Ｐ＝（ηｍk-1−ηｍk-2）×（Ｑｔk-1×Ｑｔk-2）2／（Ｑｔk-12−Ｑｔk-22）
ηｏ＝（Ｐ／Ｑｔk-12）−η１−η４−ηｍk-1
となる。混合路損失係数ηｍk-1は、流量比εと水側調整弁５ａの開度θｗkに応じて変動する水側損失係数ηｗによって、
ηｍk-1＝（ε／（１＋ε））2×ηｗ（θｗk-1）
で与えられる。
【００２７】
次にＳ１２において、出湯流量Ｑｔk-1と給水元圧Ｐと給湯栓圧力損失係数ηｏに基づいて混合路損失係数ηｍkを算出してＳ１３に進む。混合路損失係数ηｍkは、
ηｍk＝（Ｐ／Ｑｔk-12）−η１−η４−ηｏ
により求められる。
【００２８】
次にＳ１３において、混合路損失係数ηｍkと水側損失係数ηｗと湯側損失係数ηｈに基づいて目標流量Ｑｔkと湯側調整弁４ａの開度θｈkと水側調整弁５ａの開度θｗkを設定してＳ１４に進み、Ｓ１４において流量比ε及び次に取得する出湯流量が目標流量Ｑｔkとなるように湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａを夫々設定した開度θｈk，θｗkに調整してＳ８に戻る。このとき、混合路損失係数ηｍkと流量比εと水側調整弁５ａの開度θｗkに応じて変動する水側損失係数ηｗの関係は、
ηｍk＝（ε／（１＋ε））2×ηｗ（θｗk）
であるので水側調整弁５ａの開度θｗkを設定することができる。また、流量比εと水側調整弁５ａの水側損失係数ηｗによって
ηｈ（θｈk）＝ε2×ηｗ（θｗk）
となるので湯側調整弁４ａの開度θｈkを設定することができる。
尚、設定流量が設定されている場合には、設定流量が目標流量Ｑｔkになる。
【００２９】
出湯中はこの湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａの開度の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、この制御を終了する。このようにして、湯水混合装置１０を備えた給湯装置１は、目標温度Ｔｔに調整した湯水を供給する。
【００３０】
本発明の作用、効果について説明する。
湯側温度Ｔｈと水側温度Ｔｗと出湯の目標温度Ｔｔに基づいて、流量比εを設定し、その流量比εとなるように所定時間毎に給水元圧Ｐと給湯栓圧力損失係数ηｏを算出して目標流量Ｑｔkを設定し、湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａの開度の調整を繰り返し行う。従って、設置環境毎に異なる給水元圧と給湯毎に異なる給湯栓の開度を考慮して、所定時間毎に適切な開度に近づけて、出湯温度を早く安定化させることができる。これと同時に出湯流量も調整するので、通常は出湯通路に配設して出湯流量が熱源機３の加熱能力を超えないように制御する過流出防止弁を省略することもできる。
【００３１】
また、湯水混合装置１０の混合路損失係数ηｍkと湯側損失係数ηｈ（θｈk）と水側損失係数ηｗ（θｗk）に基づいて開度θｈkと開度θｗkを算出し、湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａの各開度を再調整する。従って、開度調整により変化する圧力損失を考慮して、湯側調整弁４ａと水側調整弁５ａの開度を適切な開度に調整することができる。
【００３２】
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】
【００３３】
１      ：給湯装置
２      ：混合部
３      ：熱源機
４      ：湯側配管
４ａ    ：湯側調整弁
４ｂ    ：湯側温度センサ
５      ：水側配管
５ａ    ：水側調整弁
５ｂ    ：水側温度センサ
６      ：出湯配管
６ａ    ：出湯温度センサ
６ｂ    ：出湯流量センサ
７      ：制御部
１０    ：湯水混合装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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