(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配水管中を流れる水量を設定する水量設定手段と、配水管中を流れる水量を検出する水量検出手段と、モータにより開度制御を行う水量制御弁と、少なくとも設定水量と検出水量の偏差の比例成分を含む電圧操作量を演算しこの電圧操作量に基づいてモータを制御するモータ制御手段と、水量制御弁の上流側と下流側の差圧を検出する差圧検出手段と、検出された上記差圧に基づいて、上記モータ制御手段で演算される電圧操作量の比例成分の定数を設定する定数設定手段と、を備えた給水装置において、
上記水量制御弁の弁体は、開き方向，閉じ方向のいずれか一方向に移動するときには水流と同方向となり水量制御弁の上流側と下流側の差圧の助けを受け、他方向に移動するときには水流と逆方向となって上記差圧による抵抗を受けるようになっており、
上記定数設定手段は、上記水量制御弁の弁体が水流と同方向に移動するときには、差圧が大きいほど定数を小さく差圧が小さいほど定数を大きく設定し、上記水量制御弁の弁体が水流と逆方向に移動するときには、差圧が小さいほど定数を小さく差圧が大きいほど定数を大きく設定することを特徴とする給水装置。
【請求項２】
さらに、上記モータ制御手段は上記比例成分に加え上記偏差の積分成分を含む電圧操作量を演算し、上記定数設定手段は上記差圧に基づいて上記比例成分と上記積分成分の定数をそれぞれ設定することを特徴とする請求項１に記載の給水装置。
【請求項３】
上記差圧検出手段は、水量制御弁の下流側に設置された水圧センサと、水量制御弁が開いた状態で水の流通がない時に水圧センサで検出される水圧と水が流通している時に検出される水圧との差を演算する差圧演算手段と、を備えたことを特徴とする請求項１及び２のいずれかに記載の給水装置。
【請求項４】
配水管中を流れる水量を設定する水量設定手段と、配水管中を流れる水量を検出する水量検出手段と、モータにより開度制御を行う水量制御弁と、少なくとも設定水量と検出水量の偏差の比例成分を含む電圧操作量を演算しこの電圧操作量に基づいてモータを制御するモータ制御手段と、水量制御弁の上流側の供給水圧を検出する水圧検出手段と、検出された上記供給水圧に基づいて、上記モータ制御手段で演算される電圧操作量の比例成分の定数を設定する定数設定手段と、を備えた給水装置において、
上記水量制御弁の弁体は、開き方向，閉じ方向のいずれか一方向に移動するときには水流と同方向となり水量制御弁の上流側と下流側の差圧の助けを受け、他方向に移動するときには水流と逆方向となって上記差圧による抵抗を受けるようになっており、
上記定数設定手段は、上記水量制御弁の弁体が水流と同方向に移動するときには、供給水圧が大きいほど定数を小さく供給水圧が小さいほど定数を大きく設定し、上記水量制御弁の弁体が水流と逆方向に移動するときには、供給水圧が小さいほど定数を小さく供給水圧が大きいほど定数を大きく設定することを特徴とする給水装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、給水装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の給湯（給水）装置は、設定温度と入水温度と燃焼能力とに基づいて出湯温度が設定温度になるように配水管中を流れる水量を設定する水量設定手段を備えている。さらに、給湯装置は、配水管中を流れる水量を検出する水量検出手段と、モータにより開度制御を行う水量制御弁と、この水量制御弁のモータを制御するモータ制御手段を備えている。このモータ制御手段は、検出水量と設定水量の偏差に基づくＰ演算（比例演算）またはＰＩ演算（比例積分演算）により、電圧操作量を演算し、この電圧操作量に基づいてモータを制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、給湯装置が設置される地域や場所により供給水圧が異なり、また、給湯装置の使用態様により水量制御弁から出湯栓までの流通抵抗（圧力損失）も異なっている。このため、水量制御弁の上流側の水圧（供給水圧）と下流側の水圧の差も異なっている。このように差圧が異なるにも拘わらず、上記Ｐ演算、ＰＩ演算の定数が一定であるため、次の不都合があった。
水流の方向と水量制御弁の弁体移動方向が一致している場合を例にとって説明する。この場合には、差圧が高いほど弁体は差圧の助けを多く受けるので、水量変化のために必要とする力も少なくて済み、モータへの電圧操作量は小さくて済む。しかし、上記Ｐ演算またはＰＩ演算の定数が一定なので電圧操作量は大きくなり、このため、水量は設定水量に対してオーバーシュートしたりアンダーシュートしたりしてしまうという問題があった。これとは、逆に差圧が低いと弁体が供給水圧の助けを借りられないにもかかわらず、定数は一定なので、水量を設定水量に一致させるのに時間がかかってしまう。
上記水量制御弁の弁体が水流に逆らって移動する場合には、上記とは逆に差圧が高いと弁体が移動しにくくなるので水量を設定水量に一致させるのに時間がかかり、差圧が低いとオーバーシュート、アンダーシュートを起こし易くなる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１は、図１に示すように、配水管中を流れる水量を設定する水量設定手段１と、配水管中を流れる水量を検出する水量検出手段２と、モータ３により開度制御を行う水量制御弁４と、少なくとも設定水量と検出水量の偏差の比例成分を含む電圧操作量を演算しこの電圧操作量に基づいてモータ３を制御するモータ制御手段５と、水量制御弁４の上流側と下流側の差圧を検出する差圧検出手段６と、検出された上記差圧に基づいて、上記モータ制御手段５で演算される電圧操作量の比例成分の定数を設定する定数設定手段７とを備えた給水装置において、上記水量制御弁の弁体は、開き方向，閉じ方向のいずれか一方向に移動するときには水流と同方向となり水量制御弁の上流側と下流側の差圧の助けを受け、他方向に移動するときには水流と逆方向となって上記差圧による抵抗を受けるようになっており、上記定数設定手段は、上記水量制御弁の弁体が水流と同方向に移動するときには、差圧が大きいほど定数を小さく差圧が小さいほど定数を大きく設定し、上記水量制御弁の弁体が水流と逆方向に移動するときには、差圧が小さいほど定数を小さく差圧が大きいほど定数を大きく設定することを特徴とする。
請求項２では、さらに、上記モータ制御手段は上記比例成分に加え上記偏差の積分成分を含む電圧操作量を演算し、上記定数設定手段は上記差圧に基づいて上記比例成分と上記積分成分の定数をそれぞれ設定することを特徴とする。
請求項３では、上記差圧検出手段は、水量制御弁の下流側に設置された水圧センサと、水量制御弁が開いた状態で水の流通がない時に水圧センサで検出される水圧と水が流通している時に検出される水圧との差を演算する差圧演算手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項４では、配水管中を流れる水量を設定する水量設定手段と、配水管中を流れる水量を検出する水量検出手段と、モータにより開度制御を行う水量制御弁と、少なくとも設定水量と検出水量の偏差の比例成分を含む電圧操作量を演算しこの電圧操作量に基づいてモータを制御するモータ制御手段と、水量制御弁の上流側の供給水圧を検出する水圧検出手段と、検出された上記供給水圧に基づいて、上記モータ制御手段で演算される電圧操作量の比例成分の定数を設定する定数設定手段と、を備えた給水装置において、
上記水量制御弁の弁体は開き方向，閉じ方向のいずれか一方向に移動するときには水流と同方向となり水量制御弁の上流側と下流側の差圧の助けを受け、他方向に移動するときには水流と逆方向となって上記差圧による抵抗を受けるようになっており、
上記定数設定手段は、上記水量制御弁の弁体が水流と同方向に移動するときには、供給水圧が大きいほど定数を小さく供給水圧が小さいほど定数を大きく設定し、上記水量制御弁の弁体が水流と逆方向に移動するときには、供給水圧が小さいほど定数を小さく供給水圧が大きいほど定数を大きく設定することを特徴とする。
【０００５】
【作用】本発明では、水量制御弁の弁体は開き方向，閉じ方向のいずれか一方向に移動するときには水流と同方向となり水量制御弁の上流側と下流側の差圧の助けを受け、他方向に移動するときには水流と逆方向となって上記差圧による抵抗を受けるようになっている。
このような水量制御弁を用いるに際して、請求項１の発明では、設定水量と検出水量の偏差の比例成分の定数を、水量制御弁の上流側，下流側の水圧の差および弁体の移動方向に基づいて設定するので、水量制御弁の弁体に付与される差圧の影響を加味して水量制御弁のモータを適切に制御でき、その結果、水量が設定水量に達する時間を短縮できるとともに、オーバーシュート、アンダーシュートを抑えることができる。
請求項２では、上記比例成分と積分成分の定数を上記差圧に基づいて設定するので、上記モータを比例、積分制御する場合でも請求項１と同様の作用効果が得られる。
請求項３では、下流側に水圧センサを設置し、水が流れている時と流れていない時の検出水圧の差を演算することにより、１個の水圧センサで上記差圧を検出できる。
請求項４では、設定水量と検出水量の偏差の比例成分の定数を、水量制御弁の上流側の供給水圧および弁体の移動方向に基づいて設定するので、水量制御弁の弁体に付与される供給水圧の影響を加味して水量制御弁のモータを制御でき、その結果、水量が設定水量に達する時間を短縮できるとともに、オーバーシュート、アンダーシュートを抑えることができる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図２〜図４に基づいて説明する。図２はガス給湯装置の概略構成を示している。符号１１は給湯装置のケーシングであり、ケーシング１１内の上部には熱交換器１２が配置され、この熱交換器１２の下方にはガスバーナ１３が配置されている。ガスバーナ１３では、ガスノズル１４から供給されたガスとファン１５からの空気とが混合され、この混合ガスの燃焼熱が熱交換器１２に供給される。上記ガスノズル１４にはガス管１６の一端が接続されている。ガス管１６には、主電磁弁１７、圧力比例制御弁１８が設けられており、ガス供給の制御を行っている。
【０００７】
上記熱交換器１２には配水管２０が通っている。配水管２０の入口部２０ａからの水は熱交換器１２を通るときに加熱されて、出口部２０ｂに向かう。出口部２０ｂには出湯栓（図示しない）が接続されている。
配水管２０の入口部２０ａにはフローセンサ（水量検出手段）３０と入水温度センサ４０が設置され、配水管２０の出口部２０ｂには水量制御弁５０、出湯温度センサ６０が設置されている。また、図２，図３に示すように、水量制御弁５０の下流側近傍には水圧センサ６５が設置されている。
【０００８】
図３に示すように、上記水量制御弁５０は、弁ケーシング５１と、この弁ケーシング５１に収容された弁体５２とを有している。弁ケーシング５１には弁口５３とこの弁口５３に連なる弁座５４が形成されている。上記弁体５２が弁座５４に当接することにより弁口５３が閉じられ、弁座５４から離れることにより弁口５３が開かれるようになっている。弁体５２はロッド５５を介してギアモータ５６に連結されている。このギアモータ５６は供給電圧を受けることにより駆動し、内蔵ギア（ウオームを含む）およびロッド５５を介して弁体５２を移動させて、弁口５３の開度を制御するものである。なお、本実施例では、水は図３の矢印方向に流れる。したがって、弁体５２が開き方向に移動する時には、弁口５３からの供給水圧の助けを受け、弁体５２が閉じ方向に移動する時には供給水圧に逆らうことになる。
【０００９】
上記各種センサ３０、４０、６０，６５からの検出信号およびリモートコントローラ等に設置された温度設定器（図示しない）からの設定温度情報は、コントロールユニット７０のマイクロコンピュータ７１に入力される。マイクロコンピュータ７１は、例えば低水圧の時は、水量制御弁５０を全開にした状態で、圧力比例制御弁１８の開度を制御して燃焼を制御することにより、出湯温度が設定温度になるようにしている。そして、この圧力比例制御弁１８を全開にし燃焼能力を最大にしても出湯温度が設定温度に達しない時や高い水圧の時には、水量を絞るようにしている。この場合には、マイクロコンピュータ７１は、設定温度と入水温度と最大燃焼能力とに基づいて配水管２０中を流れる水量を設定し、検出水量と設定水量の偏差に基づいてＰＩ演算を行ってデューティ比を決定し、このデューティ比の制御パルスを駆動回路７２に出力して、モータ５６への供給電圧を制御する。これにより、検出水量を設定水量に一致させ、ひいては出湯温度を設定温度に一致させる。なお、検出水量が設定水量より低い場合には、例えばプラスの電圧をモータ５６に供給して水量制御弁５０の弁体５２を開き方向に移動させ、検出水量が設定水量より高い場合には、マイナスの電圧を供給して水量制御弁５０の弁体５２を閉じ方向に移動させる。
【００１０】
上記マイクロコンピュータ７１で実行される水量制御のＰＩ演算では、上記偏差（設定水量と検出水量との偏差）の比例成分，積分成分の定数が可変となっている。すなわち、水量制御弁５０を開き方向（水流と同方向）に制御する時に用いられる比例成分の定数Ｐとして、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が用いられ、積分成分の定数ＩとしてＩ１，Ｉ２，Ｉ３が用いられる。ただし、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３であり、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３である。また、水量制御弁５０を閉じ方向（水流と逆方向）に制御する時に用いられる比例成分の定数Ｐ’として、Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３’が用いられ、積分成分の定数Ｉ’としてＩ１’，Ｉ２’，Ｉ３’が用いられる。ただし、Ｐ１’＞Ｐ２’＞Ｐ３’であり、Ｉ１’＞Ｉ２’＞Ｉ３’である。なお、Ｐ３’＞Ｐ３，Ｉ３’＞Ｉ３である。
【００１１】
上記定数は、水量制御弁５０に働く差圧に基づいて選択される。まず、水量制御弁５０の開き方向制御（水流と同方向）の場合を例にとって説明する。差圧が高い時には、弁体５２は差圧の助けを多く受けるので、水量変化のために必要とする力も少なくて済み、モータ５６への電圧操作量は小さくて済む。したがって、この時には最も小さい定数Ｐ１，Ｉ１を選択する。その結果、電圧操作量を抑制でき、オーバーシュートを抑制できる。他方、差圧が低い時には、弁体５２が差圧の助けを借りられないので、差圧が高い時に比べて水量変化のために大きな力を必要とし、モータ５６への電圧操作量を大きくする必要がある。したがって、この時には、最も大きな定数Ｐ３，Ｉ３を選択し、設定水量になるまでの時間が長くなるのを防止する。なお、中程度の差圧の時には、中程度の定数Ｐ２，Ｉ２を選択する。
【００１２】
次に水量制御弁５０の閉じ方向制御（水流と逆方向）の場合について説明する。この場合は、差圧の高低が上記とは逆に作用する。詳述すると、差圧が高い時には、差圧による抵抗を大きく受けるので弁体５２が移動しにくくなり、水量変化のために大きな力を必要とし、モータ５６への電圧操作量を大きくする必要がある。したがって、この時には、最も大きな定数Ｐ１’，Ｉ１’を選択し、設定水量になるまでの時間が長くなるのを防止する。他方、差圧が低い時には、弁体５２に働く差圧の抵抗が小さくなるので、差圧が高い時に比べて水量変化のために必要とする力も少なくて済み、モータ５６への電圧操作量は小さくて済む。したがって、この時には最も小さい定数Ｐ３’，Ｉ３’を選択する。その結果、電圧操作量を抑制でき、アンダーシュートを抑制できる。なお、中程度の差圧の時には、中程度の定数Ｐ２’，Ｉ２’を選択する。
【００１３】
次に、給湯装置の水量制御のルーチンを図４のフローチャートに基づいて詳しく説明する。給湯装置の電源オンとともにこのルーチンは開始される。ステップ１０１でフローセンサ３０がオフの状態（すなわち出湯栓が閉じていて配水管２０を水が流れず、フローセンサ３０から検出パルスが出力されない状態）で、水圧センサ６５の水圧を読み込む。なお、水量制御弁５０は開き状態にあり、しかも水量制御弁５０に水が流れない状態であるから、この時検出される水圧は、水量制御弁５０の上流側すなわち弁口５３に表れる供給水圧と同じである。以下、この水圧を静圧と呼ぶ。
【００１４】
次のステップ１０２で、水量制御弁５０を開き方向（水流と同方向）に制御する時に用いられる比例成分，積分成分の定数Ｐ，ＩをＰ２，Ｉ２でそれぞれ初期化する。同様に、水量制御弁５０を閉じ方向（水流と逆方向）に制御する時に用いられる比例成分，積分成分の定数Ｐ’，Ｉ’をそれぞれＰ２’、Ｉ２’で初期化する。
【００１５】
次に、ステップ１０３でフローセンサ３０がオンか否かを判断する。ここでは出湯栓が開くまで否定判断を続けて待機する。出湯栓が開いて配水管２０を水が流れると、ステップ１０３で肯定判断してステップ１０４に進み、ここで水圧センサ６５からの水圧を読み込む。この検出水圧は、水量制御弁５０の下流側の水圧を表しており供給水圧より低い。この検出圧力は、供給水圧と、水量制御弁５０の弁座５４と弁体５２との間の通路での流通抵抗（圧力損失）と、水圧センサ６５から出湯栓までの流通抵抗（圧力損失）とで決定されるものである。以下、この水圧を動圧と呼ぶ。
次のステップ１０５で、上記静圧から上記動圧を引いた差圧を演算する。そして、以下のステップで、この差圧に基づいて比例成分，積分成分の定数を決定する。
【００１６】
まず、ステップ１０６で上記差圧が所定値Ｄ１以上であるか否かを判断する。ステップ１０６で肯定判断されるとステップ１０７で上記開き方向制御での定数Ｐ，Ｉを最も小さいＰ１、Ｉ１に設定し、さらにステップ１０８で上記閉じ方向制御での定数Ｐ’，Ｉ’を最も大きいＰ１’、Ｉ１’に設定する。
ステップ１０６で否定判断すると、ステップ１０９に進み、ここで上記差圧がＤ２（＜Ｄ１）より小いか否かを判断する。ステップ１０９で肯定判断すると、ステップ１１０で上記開き方向制御での定数Ｐ，Ｉを最も大きいＰ３、Ｉ３に設定し、さらにステップ１１１で上記閉じ方向制御での定数Ｐ’，Ｉ’を最も小さいＰ３’、Ｉ３’に設定する。
ステップ１０９で否定判断すると、ステップ１１２で上記開き方向制御での定数Ｐ，Ｉを中程度のＰ２、Ｉ２に設定し、さらに、ステップ１１３で上記閉じ方向制御での定数Ｐ’，Ｉ’を中程度のＰ２’、Ｉ２’に設定する。
【００１７】
次のステップ１１４では、水量制御を行う。すなわち、上記設定水量と検出水量の偏差に定数Ｐ（またはＰ’）を乗じて比例成分を求め、この偏差の積分値に定数Ｉ（またはＩ’）を乗じて積分成分を求め、両者の和に基づいてデューティ比を演算し、このデューティ比の制御パルスを駆動回路７２に出力する。次のステップ１１５では、フローセンサ３０がオンか否かを判断する。ステップ１１５で肯定判断されるとステップ１０４に戻り、上述したステップ１０４〜ステップ１１４を繰り返す。そして、出湯栓が閉じられてフローセンサ３０がオフとなった時には、ステップ１１５で否定判断してステップ１０３に戻り、出湯栓の開き操作を待つ。
【００１８】
なお、本発明は上記実施例に制約されず、種々の態様が可能である。例えば、図４において、ステップ１０４の動圧検出とステップ１０５の差圧検出を省いてもよい。この場合、ステップ１０６，１０９では、差圧の代わりにステップ１０１で得た静圧（供給水圧）に基づいて判断を行う。水圧センサから出湯栓までの流通抵抗が予め知られている場合には、この供給水圧で差圧を置換できるのである。
水量制御弁としては、弁体が閉方向に移動する時に差圧の助けを受け、開き方向に移動する時に差圧が抵抗となるものを用いてもよい。
水量制御弁のモータへの電圧操作量は、設定水量と検出水量の偏差の比例成分だけであってもよい。また、この電圧操作量は、比例成分，積分成分の他に微分成分を含んでいてもよい。さらに、差圧や供給水圧に対して、比例成分，積分成分等の定数を無段階で調節してもよい。
差圧や供給水圧の検出は、水圧センサを用いず、水量制御弁の所定開度での水量から演算してもよい。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１，４の発明の給水装置では、水量制御弁の弁体の移動が水量制御弁の上流側と下流側の差圧の影響を受ける場合でも水量が設定水量に達する時間を短縮できるとともに、オーバーシュート、アンダーシュートを抑制できる。請求項２では、水量を比例、積分制御する場合でも上記効果を得ることができる。請求項３では、１個の水圧センサで差圧を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例をなす給湯装置の概略図である。
【図３】上記給湯装置で用いられる水量制御弁の断面図である。
【図４】上記給湯装置のマイクロコンピュータで実行される給水制御のルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  水量設定手段
２  水量検出手段
３  モータ
４  水量制御弁
５  モータ制御手段
６  差圧検出手段
７  定数設定手段
３０  フローセンサ（水量検出手段）
５０  水量制御弁
６５  水圧センサ
７１  マイクロコンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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