(57)【要約】【課題】給湯開始時や給湯中の入水量増加時に、給湯器の運転状態に応じて、熱交換器への最大入水量を適切に調節して給湯温度を目標温度に速やかに追従させることができる給湯器を提供する。【解決手段】給湯制御手段２５は、バーナ３から供給される熱量のうち、バーナ３の最大加熱量から、熱交換器４に吸熱される熱量である熱交吸熱量を減じた最大加熱量補正値と、入水温度と目標温度との温度差とに基づいて、最大入水量を設定する。また、熱交吸熱量算出手段２６は、熱交換器４の現在の温度と、給湯制御手段２５による給湯温度が前記目標温度になるようにする制御が継続されて、熱交換器４の温度がほぼ一定になったときの熱交換器４の温度である定常温度とに基づいて、前記熱交吸熱量を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱量を調節可能なバーナと、給水管及び給湯管と接続されて、該バーナにより加熱される熱交換器と、前記給水管から前記給湯管への入水量を調節する入水量調節手段と、前記給水管から供給される水の入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記給湯管に供給される湯の給湯温度を検出する給湯温度検出手段と、
前記給湯温度が所定の目標温度になるように前記バーナの加熱量を調節するとともに、前記入水量が所定の最大入水量を超えたときには、前記入水量調節手段により前記入水量を前記最大入水量以下にする給湯制御手段とを備えた給湯器において、
前記給湯制御手段は、前記バーナの最大加熱量から、前記バーナから供給される熱量のうち前記熱交換器に吸熱される熱量である熱交吸熱量を減じた最大加熱量補正値と、前記入水温度と前記目標温度との温度差とに基づいて、前記最大入水量を設定することを特徴とする給湯器。
【請求項２】
前記熱交換器の現在の温度を把握する現在温度把握手段と、前記熱交換器の現在の温度と、前記給湯制御手段による前記給湯温度が前記目標温度になるようにする制御が継続されて、前記熱交換器の温度がほぼ一定になったときの前記熱交換器の温度である定常温度とに基づいて、前記熱交吸熱量を算出する熱交吸熱量算出手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の給湯器。
【請求項３】
前記現在温度把握手段は、前記バーナの加熱量と、前記給水管から供給される水の入水温度と、前記給湯管に供給される湯の給湯温度とに基づいて、前記熱交換器の現在の温度を把握することを特徴とする請求項２記載の給湯器。
【請求項４】
前記給水管から供給される水の一部を、前記給湯管の前記給湯温度検出手段が設けられた箇所の上流で、前記熱交換器から供給される湯に混入させるバイパス管と、該バイパス管への入水量を調節するバイパス水量調節手段と、前記熱交換器の出口付近に設けられて前期熱交換器からの出湯温度を検出する熱交温度検出手段とを備え、
前記給湯制御手段は、前記出湯温度に応じて、前記バイパス水量調節手段により前記バイパス管への入水量を調節し、
前記現在温度把握手段は、前記熱交温度検出手段により検出される前記出湯温度に基づいて前記熱交換器の現在の温度を把握することを特徴とする請求項２記載の給湯器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器への入水量を調節する手段を備えた給湯器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バーナにより熱交換器の加熱量を制御して、給湯温度を目標温度に維持する給湯器において、熱交換器への入水量を調節する水量サーボ弁を備えたものが知られている。このような給湯器は、熱交換器への入水量が所定の最大入水量を超えた場合に、水量サーボ弁の開度を減少させて熱交換器への入水量を制限し、該最大入水量を超えた量の水が熱交換器に流入しないようにするものである。このときの前記最大入水量は、バーナの最大加熱量を用いて給湯温度を目標温度に維持できるような入水量の最大値であり、入水温度と目標温度との温度差と、バーナの最大加熱量とに基づく以下の式（１）により決定されていた。
【０００３】
Lff＝k×Qmax／（Tset−Tin）  ・・・（１）
ここに、Lffは最大入水量（リットル／分）、Qmaxはバーナの最大加熱量（Kcal／分）、Tsetは目標温度（℃）、Tinは入水温度（℃）、kは比例定数である。
【０００４】
前記給湯器において、給湯開始時には、バーナによる水の加熱量が不足し、給湯温度がなかなか目標温度まで上がらないという問題がある。そこで、この問題を解決するために、給湯開始時には、最大入水量を上記（１）による算出値よりも所定比率分だけ小さくする給湯器が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
しかしながら、バーナによる水の加熱量が不足する程度は、給湯器の仕様や運転状況等によって変化する流動的なものである。そのため、上述したように、最大入水量を小さくする程度を所定比率に固定したときには、最大入水量が必要以上に小さくなって過剰に入水量が絞られてしまう場合や、最大入水量の減少が不十分で給湯温度が目標温度よりも低くなってしまう場合があるという不都合があった。
【０００６】
また、前記給湯器においては、給湯開始時以外にも、例えば給湯中に入水量が急激に増加した場合には、水の加熱に用いられる熱量が不足し、給湯温度が目標温度より低くなり易い。
【０００７】
しかしながら、前記特許文献１及び２の給湯器では、最大入水量を減らすのは、給湯開始時のみに限られているため、給湯中に入水量を増加させた場合の給湯温度の低下には対応できないという不都合があった。
【特許文献１】特開昭６３−２７１０６２号公報
【特許文献２】特開平１−３０２０６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる不都合を解消し、給湯開始時や給湯中の入水量増加時に、給湯器の運転状態に応じて、熱交換器への最大入水量を適切に調節して給湯温度を目標温度に速やかに追従させることができる給湯器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】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、加熱量を調節可能なバーナと、給水管及び給湯管と接続されて、該バーナにより加熱される熱交換器と、前記給水管から前記給湯管への入水量を調節する入水量調節手段と、前記給水管から供給される水の入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記給湯管に供給される湯の給湯温度を検出する給湯温度検出手段と、前記給湯温度が所定の目標温度になるように前記バーナの加熱量を調節するとともに、前記入水量が所定の最大入水量を超えたときには、前記入水量調節手段により前記入水量を前記最大入水量以下にする給湯制御手段とを備えた給湯器の改良に関する。
【００１０】
そして、前記給湯制御手段は、前記バーナの最大加熱量から、前記バーナから供給される熱量のうち前記熱交換器に吸熱される熱量である熱交吸熱量を減じた最大加熱量補正値と、前記入水温度と前記目標温度との温度差とに基づいて、前記最大入水量を設定することを特徴とする。
【００１１】
かかる本発明において、前記給湯制御手段は、前記バーナの最大加熱量から前記熱交吸熱量を減じた前記最大加熱量補正値に基づいて、前記最大入水量を設定する。そのため、設定される最大入水量は、熱交換器による吸熱分が考慮されたものとなり、給湯開始時のように熱交換器の温度が低く、熱交換器の熱容量による吸熱が大きい場合でも、加熱量の不足が生じることを抑制して、給湯温度を目標温度に速やかに追従させることができる。また、給湯中に入水量が増加すると、給湯制御手段は給湯温度を目標温度に維持するためにバーナの加熱量を増加させるが、このとき熱交換器の温度上昇に伴って、熱交換器の熱容量による新たな吸熱分が生じる。そして、この場合も、前記給湯制御手段は、前記熱交吸熱量によって前記最大加熱量補正値を算出し、前記最大入水量を設定する。そのため、入水量の増加に伴う加熱量の不足を補正し、給湯温度を目標温度に速やかに追従させることができる。
【００１２】
また、前記熱交換器の現在の温度を把握する現在温度把握手段と、前記熱交換器の現在の温度と、前記給湯制御手段による前記給湯温度が前記目標温度になるようにする制御が継続されて、前記熱交換器の温度がほぼ一定になったときの前記熱交換器の温度である定常温度とに基づいて、前記熱交吸熱量を算出する熱交吸熱量算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
かかる本発明において、熱交換器の現在温度と定常温度との温度差が大きい程、熱交換器に吸熱される熱量は大きくなると考えられる。そこで、前記熱交吸熱量算出手段は、前記熱交換器の現在温度と定常温度とに基づいて前記熱交吸熱量を算出することにより、熱交換器の加熱状態に応じた熱交吸熱量を精度良く算出することができる。
【００１４】
また、前記現在温度把握手段は、前記バーナの加熱量と、前記給水管から供給される水の入水温度と、前記給湯管に供給される湯の給湯温度とに基づいて、前記熱交換器の現在の温度を把握することを特徴とする。
【００１５】
かかる本発明において、熱交換器の現在の温度は、熱交換器における熱量の収支によって決まるもので、バーナの加熱量と、熱交換器への入水温度と、熱交換器を介して給湯管に供給される湯の給湯温度から推定することができると考えられる。そこで、前記現在温度把握手段は、前記バーナの加熱量と、前記入水温度と、前記給湯温度とに基づいて、前記熱交換器の現在の温度を把握することにより、給湯器が備える既存の構成を利用して、熱交換器の現在の温度を容易に把握することができる。
【００１６】
また、前記給水管から供給される水の一部を、前記給湯管の前記給湯温度検出手段が設けられた箇所の上流で、前記熱交換器から供給される湯に混入させるバイパス管と、該バイパス管への入水量を調節するバイパス水量調節手段と、前記熱交換器の出口付近に設けられて前期熱交換器からの出湯温度を検出する熱交温度検出手段とを備え、前記給湯制御手段は、前記出湯温度に応じて、前記バイパス水量調節手段により前記バイパス管への入水量を調節し、前記現在温度把握手段は、前記熱交温度検出手段により検出される前記出湯温度に基づいて前記熱交換器の現在の温度を把握することを特徴とする。
【００１７】
かかる本発明においては、給水管から供給される水の一部を、バイパス管を介して、熱交換器からの出湯温度に応じて入水量を調節して、熱交換器から供給される湯に混入させることで、熱交換器からの出湯温度に応じて給湯管への給湯温度を制御するため、バイパス管とバイパス水量調節手段と熱交温度検出手段とが備えられている。ここで、前記熱交温度検出手段は熱交換器の出口付近に設けられているため、前記出湯温度と熱交換器の現在の温度とは相関性が高いと考えられる。よって、前記現在温度把握手段は、前記熱交温度検出手段により検出される前記出湯温度に基づいて熱交換器の現在の温度を把握することにより、給湯器が備える既存の構成を利用して、熱交換器の現在の温度を容易に精度良く把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の一実施形態を添付の図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態である給湯器の構成図である。図１を参照して、給湯器１は、コントローラ２により全体の作動が制御され、燃焼室１０内に設けられたバーナ３により加熱される給湯用の熱交換器４と、図示しない水道管と接続されて熱交換器４に水を供給する給水管５と、コントローラ２からの制御信号により熱交換器４への入水量を調節する、給水管５に介設した電動式の流量調節弁６と、熱交換器４で加熱された湯が出湯される給湯管８と、給水管５に供給される水の一部を熱交換器４から供給される湯に給湯管８で混入させるバイパス管９とを備えている。給湯管８の下流部は複数に分岐しており、そのうちの一つの分岐管２２は給湯栓２３に接続される。
【００２０】
また、給湯器１は、給水管５を通過する水の流量を検出して検出信号をコントローラ２に出力する流量センサ７と、給水管５を流れる水の温度（入水温度）を検出して検出信号をコントローラ２に出力する入水温度センサ２４と、給湯管８とバイパス管９との合流点の下流側の湯の温度（給湯温度）を検出して検出信号をコントローラ２に出力する給湯温度センサ１１と、熱交換器４の異常加熱を検出して検出信号をコントローラ２に出力する過熱検出センサ１３とを備えている。なお、給湯器１には、図示しないが、使用者の操作により湯の目標温度を設定しコントローラ２に出力する温度設定器が備えられている。
【００２１】
さらに、給湯器１は、コントローラ２からの制御信号によりその回転数が制御される燃焼ファン１４と、コントローラ２からの制御信号により火花放電を生じてバーナ３に点火する点火プラグ１５と、バーナ３の燃焼状態を検出して検出信号をコントローラ２に出力するフレームロッド１６とを備えている。
【００２２】
バーナ３に燃料ガスを供給するガス供給管１７には、コントローラ２からの制御信号により開閉される元ガス電磁弁１８、切替ガス電磁弁（小）１９、及び切替ガス電磁弁（中）２０と、コントローラ２からの制御信号によりその開度が調節されるガス比例弁２１とが備えられている。
【００２３】
また、コントローラ２は、マイクロコンピュータ等により構成された電子ユニットであり、バーナ３の加熱量と流量調節弁６とを調節して給湯温度が目標温度になるように制御する給湯制御手段２５と、熱交換器４に吸熱される熱量である熱交吸熱量を算出する熱交吸熱量算出手段２６と、熱交換器４の現在の温度を推定する現在温度推定手段２７とを備えている。
【００２４】
なお、現在温度推定手段２７は、本発明の現在温度把握手段に相当する。また、流量調節弁６は本発明の入水量調節手段に相当し、給湯温度センサ１１は本発明の給湯温度検出手段に相当し、入水温度センサ２４は本発明の入水温度検出手段に相当する。
【００２５】
次に、本実施形態の給湯器における「給湯制御処理」について説明する。まず、給湯制御手段２５は、給湯栓２３が開になり、流量センサ７からの信号で通水を確認すると、給湯温度センサ１１の検出温度が所定の目標温度になるように、燃焼ファン１４の回転数を制御することでバーナ３に供給される空気の量を調節するとともに、切替ガス電磁弁１９、切替ガス電磁弁２０の開閉及びガス比例弁２１の開度を制御することでバーナ３に供給される燃料ガスの量を調節し、バーナ３の加熱量を調節する。
【００２６】
これと同時に、給湯制御手段２５は、流量調節弁６を調節して「入水量制御処理」を行う。以下、この「入水量制御処理」について、図２に示したフローチャートに従って説明する。
【００２７】
図２を参照して、給湯制御手段２５は、給湯栓２３が開になり、流量センサ７からの信号で通水を確認すると（ＳＴＥＰ１）、最大入水量Lffの算出を開始する（ＳＴＥＰ２）。ＳＴＥＰ２以降、「入水量制御処理」が終了するまで、給湯制御手段２５は、最大入水量Lffの算出を随時行う（最大入水量Lffの算出方法については後述する）。
【００２８】
ＳＴＥＰ３で、給湯制御手段２５は、最大入水量Lffを算出し、流量センサ７により検出される入水量Wを、最大入水量Lffに所定値αを加えた第１の基準値と比較する。そして、入水量Ｗが前記第１の基準値以上のときには、流量調節弁６を閉方向に動作させ（ＳＴＥＰ７）、ＳＴＥＰ３に戻る。一方、入水量Ｗが前記第１の基準値より小さいときには、ＳＴＥＰ４に進み、最大入水量Lffを算出し、入水量Wを最大入水量Lffから所定値βを減じた第２の基準値と比較する。そして、入水量Ｗが前記第２の基準値以下のときには、流量調節弁６を開方向に動作させ（ＳＴＥＰ８）、ＳＴＥＰ４に戻る。入水量Ｗが前記第２の基準値より大きい場合には、ＳＴＥＰ５に進み、流量調節弁６の動作を停止させる。なお、α及びβは、流量調節弁６を停止させるための不感帯として設定された０以上の所定値である。
【００２９】
さらに、ＳＴＥＰ６で、給湯制御手段２５は、給湯栓２３が閉状態であるか確認する。給湯栓２３が閉状態でない場合には、ＳＴＥＰ３に戻る。給湯栓２３が閉状態の場合には入水量制御処理を終了する。
【００３０】
以上説明した「入水量制御処理」により、熱交換器４への入水量が最大入水量Lffを超えた場合に、流量調節弁６の開度が減少して熱交換器４への入水量が制限される。そして、これにより、最大入水量Lffを超えた量の水が熱交換器４に流入して、バーナの加熱量が不足することを防止することができる。
【００３１】
次に、上述した「入水量制御処理」で使用される最大入水量Lffの算出方法について説明する。
【００３２】
上述した「給湯制御処理」においては、熱交換器４を流通する水がバーナ３により加熱されるが、必ずしもバーナ３の加熱量の全てが水の加熱に利用されるわけではなく、その一部が熱交換器４に吸熱される場合がある。例えば、図３は、熱交換器４が冷えた状態で給湯が開始されたときの、熱交換器４に吸熱される熱量（以下、熱交吸熱量Qknという）の推移を示したものであり、縦軸が熱交吸熱量Qknに設定され、横軸が時間ｔに設定されている。
【００３３】
図３から明らかなように、給湯が開始されたt0では熱交吸熱量Qknが大きいが、時間の経過とともに熱交吸熱量Qknは次第に減少し、t1では熱交吸熱量Qknがほぼ０になっている。これは、給湯開始直後には、熱交換器４の現在温度Tbnと、「給湯制御処理」が継続されて熱交換器４の温度がほぼ一定になったときの熱交換器４の温度である定常温度Taとの温度差が大きいので、熱交吸熱量Qknは大きくなるが、時間の経過とともに、現在温度Tbnと定常温度Taとの温度差が小さくなって、熱交吸熱量Qknが減少するためであると考えられる。
【００３４】
そのため、熱交換器４による吸熱分が考慮されていない上記式（１）により最大入水量Lffを設定すると、熱交吸熱量Qknの分、バーナ３による水の加熱量が不足する。したがって、熱交換器４による吸熱分を考慮して最大入水量Lffを補正する必要がある。なお、給湯開始時の他、給湯中に入水量が増加した場合にも、バーナ３の加熱量の増加に伴う熱交換器４の温度上昇によって、熱交換器４の熱容量による新たな吸熱分が生じるので、同様にバーナ３による水の加熱量の不足が生じる。
【００３５】
そこで、熱交吸熱量算出手段２６は、熱交換器４の現在温度Tbnと、熱交換器４の定常温度Taとに基づく以下の式（２）により、熱交吸熱量Qknを算出する。
【００３６】
Qkn＝k1×（Ta−Tbn）  ・・・（２）
ここに、Qknは熱交吸熱量（Kcal／分）、Taは定常温度（℃）、Tbnは現在温度（℃）、k1は比例定数である。
【００３７】
これにより、熱交吸熱量Qknが、熱交換器４の現在温度Tbnと定常温度Taとの温度差が大きい程、大きくなるように算出される。よって、熱交吸熱量算出手段２６は、熱交換器４の加熱状態に応じた熱交吸熱量Qknを精度良く算出することができる。
【００３８】
ここで、熱交換器４の現在温度Tbnは、現在温度推定手段２７により、バーナ３の加熱量と、入水温度センサ２４から出力された水の温度と、給湯温度センサ１１から出力された湯の温度とに基づいて推定される。現在温度推定手段２７は、バーナ３の加熱量と前記入水温度と前記給湯温度とが分かれば、熱交換器４における熱量の収支によって、熱交換器４の現在温度Tbnを推定することができるので、給湯器１が備える既存の構成を利用して、熱交換器４の現在温度Tbnを容易に把握することができる。
【００３９】
また、熱交換器４の定常温度Taは、熱交換器４に供給される熱量によって決まるので、バーナ３の加熱量を変数とする演算式によって求めるか、又は熱交換器４に供給される熱量とバーナ３の加熱量との対応関係を示す、予め設定したデータテーブルを用いて決定することができる。
【００４０】
次に、給湯制御手段２５は、バーナ３の最大加熱量から熱交吸熱量算出手段２６によって算出された熱交吸熱量Qknを減じる以下の式（３）により、最大加熱量補正値Qmax'を求める。
【００４１】
Qmax'＝Qmax−k2×Qkn  ・・・（３）
ここに、Qmaxはバーナ３の最大加熱量（Kcal／分）、Qmax'はバーナ３の最大加熱量補正値（Kcal／分）、Qknは熱交吸熱量（Kcal／分）、k2は比例定数である。
【００４２】
そして、給湯制御手段２５は、最大加熱量補正値Qmax'と、入水温度Tinと目標温度Tsetとの温度差とに基づく以下の式（４）により、最大入水量Lffを設定する。
【００４３】
Lff＝k3×Qmax'／（Tset−Tin）  ・・・（４）
ここに、Lffは最大入水量（リットル／分）、Qmax'はバーナ３の最大加熱量補正値（Kcal／分）、Tsetは目標温度（℃）、Tinは入水温度（℃）、k3は比例定数である。
【００４４】
これにより、設定される最大入水量Lffは、熱交換器４による吸熱分が考慮されたものとなる。このため、給湯開始時や給湯中の入水量の増加時に、熱交換器４の吸熱に伴うバーナ３の加熱量の不足を補正して、給湯温度を目標温度に速やかに追従させることができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、本発明の現在温度把握手段として、バーナ３の加熱量と前記入水温度と前記給湯温度とに基づいて、熱交換器４の現在の温度を推定する現在温度推定手段２７を用いたが、現在温度把握手段として、熱交換器４の温度を検出する温度センサを用いてもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、本発明の入水温度検出手段として、給水管５に設けた入水温度検出センサ２４を用いたが、入水温度検出センサ２４を設けずに、入水温度検出手段を、前記バーナの加熱量と前記給湯温度と前記入水量とに基づいて、前記入水温度を推定する構成としてもよい。
【００４７】
また、本実施形態では、給湯器１はバイパス管９を備えている構成としたが、バイパス管９を備えない構成としてもよい。
【００４８】
また、図1を参照して、給湯器１に、熱交換器４の出口付近の給湯管８に設けられ、熱交換器４からの出湯温度を検出して検出信号をコントローラ２に出力する熱交温度センサ２８と、給水管８とバイパス管９との分岐箇所に設けられ、コントローラ２からの制御信号によりバイパス管９の開度を調節する電動式のバイパス流量調節弁２９とを備え、給湯制御手段２５により、熱交温度検出センサ２８によって検出される熱交換器４からの出湯温度に応じて、バイパス流量調節弁２９を制御してバイパス管９への入水量を調節する「バイパスサーボ処理」を実行するようにしてもよい。「バイパスサーボ処理」の実行により、再出湯時の出湯特性の改善を図ることができる。
【００４９】
この場合、前記出湯温度と熱交換器４の現在温度Tbnとは相関性が高いため、現在温度推定手段２７は、前記出湯温度に基づいて熱交換器４の現在温度Tbnを把握することにより、給湯器１が備える既存の構成を利用して、熱交換器４の現在温度Tbnを容易に精度良く把握することができる。
【００５０】
なお、熱交温度センサ２８は本発明の熱交温度検出手段に相当し、バイパス流量調節弁２９は本発明のバイパス水量調節手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態である給湯器の構成図。
【図２】図１の給湯器の入水量制御処理を示すフローチャート。
【図３】図１の給湯器の熱交吸熱量の時間変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５２】
１…給湯器、２…コントローラ、３…バーナ、４…熱交換器、６…流量調節弁（入水量調節手段）、１１…給湯温度センサ（給湯温度検出手段）、２４…入水温度センサ（入水温度検出手段）、２５…給湯制御手段、２６…熱交吸熱量算出手段、２７…現在温度推定手段（現在温度把握手段）、２８・・・熱交温度センサ（熱交温度検出手段）、２９・・・バイパス流量調節弁（バイパス水量調節手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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