JP5975427B2

JP5975427B2 - 給湯装置およびこれを備えた貯湯式給湯システム

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Publication number: JP5975427B2
Application number: JP2012218957A
Authority: JP
Inventors: 洸一水川; 由典岩橋; 中山　賢一; 賢一中山
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: JP2014070846A

Description

本発明は、ガス給湯装置などの給湯装置、およびこれを備えた貯湯式給湯システムに関する。

従来、図４に示すような構造の給湯装置９が広く知られている。この給湯装置９は、バーナ９０により発生させた燃焼ガスから熱交換器９１を利用して熱を回収し、湯水加熱を行なうものである。熱交換器９１の上流側および下流側には、入水温度センサＳａ、流量センサＳｂ、および出湯温度センサＳｃが設けられている。
このような給湯装置９において、出湯温度を所望の目標出湯温度とするための手段として、バーナ９０の燃焼量制御が実行されるが、従来においては、図５のブロック線図に示すような制御系とされている。
この制御系においては、入水温度θ_in(t)、目標出湯温度θ_sv(t)、および流量ｑ(t)から定められるフィード・フォワード燃焼量(ＦＦ燃焼量)(t)と、出湯温度θ_out(t)を目標出湯温度θ_sv(t)に合わせるためのフィードバック燃焼量（ＦＢ燃焼量）(t)との和が算出される。
(ＦＦ燃焼量)(t)は、(ＦＦ燃焼量)(t)＝(θ_sv(t)−θ_in(t))・ｑ(t)とされている。
ここで、前記した制御系では、バーナ９０の燃焼量の殆どが、ＦＦ燃焼量によって占められている。したがって、このＦＦ燃焼量の値を適正なものとすることが、前記した制御系を適切に機能させる上で重要となる。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

入水温度センサＳａは、熱交換器９１に対し、通水方向上流側に離れて設けられる。このため、入水温度センサＳａの位置で温度検出がなされた湯水が、熱交換器９１に到達してその加熱が開始される迄には時間を要することとなり、タイムラグを生じる。潜熱回収型の給湯装置においては、バーナによって強く加熱される顕熱回収用の熱交換部の前段に、潜熱回収用の熱交換部が設けられるために、前記のタイムラグは大きいものとなる。
ところが、従来においては、ＦＦ燃焼量を算定する場合に、前記したようなタイムラグをなんら考慮していない。このため、ＦＦ燃焼量の値は、出湯温度を目標温度に制御するための値として、最適であるとは断言できず、タイムラグが大きい場合には、入水温度が大きく変化した際に、出湯温度も大きく変化する現象を生じていた。
一方、給湯装置９への入水を水道管から行なわせる場合には、入水温度が急変することは余りないものの、たとえば貯湯タンクから給湯装置９に入水を行なわせる場合には、給湯装置９への入水温度が急変する場合が比較的多くある。したがって、このような場合には、前記した現象を防止する必要性がとくに大きい。

前記した不具合を抑制するための手段としては、前記したタイムラグに対応すべく、入水温度の経時的変化のデータをメモリに順次記憶させていき、ＦＦ燃焼量の算定を行なう際には、前記メモリに記憶されたデータの中から、所定の対応データを読み出すようにすることが考えられる。ところが、このような手段を採用したのでは、メモリを多く消費する不利が生じる。

特許第３３８６５７５号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、メモリを多く消費するといった不具合を生じさせることなく、入水温度が大きく変化した際の出湯温度の変化量を小さくし、出湯温度の安定化を促進することが可能な給湯装置、およびこれを備えた貯湯式給湯システムを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される給湯装置は、バーナと、このバーナにより発生された燃焼ガスから熱回収を行なう熱交換器と、を備えており、前記熱交換器に対する入水流量、入水温度、および目標出湯温度に基づいて前記バーナの燃焼量を算出する処理を周期的に実行し、前記バーナの駆動制御を行なうように構成された給湯装置であって、前記燃焼量の算出に用いる入水温度として、フィルタード入水温度が用いられ、このフィルタード入水温度は、入水温度センサを用いて検出された実入水温度と、前回の燃焼量算出時に用いられたフィルタード入水温度とに基づいて算出される温度であって、前記入水流量に対応してその値が変化するように規定された温度であることを特徴としている。
好ましくは、前記熱交換器は、前記バーナにより加熱される顕熱回収用の熱交換部と、この熱交換部の通水方向上流側に位置する潜熱回収用の熱交換部とを備えた構成とされる。

本発明の第２の側面により提供される貯湯式給湯システムは、貯湯タンクと、この貯湯タンクから所定の出湯口に送られる湯水をその途中で加熱することが可能な補助熱源機と、を備えている、貯湯式給湯システムであって、前記補助熱源機として、本発明の第１の側面により提供される給湯装置が用いられていることを特徴としている。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る給湯装置を備えた貯湯式給湯システムの一例を示す概略説明図である。燃焼量の算出に用いられるフィルタード入水温度の具体例を示す説明図である。入水量の変化に対すると出湯温度の変化の具体例を示すシミュレーション図である。従来の給湯装置の一例を模式的に示す説明図である。従来の給湯装置の制御系を示すブロック線図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す貯湯式給湯システムＳＹは、貯湯タンク１、補助熱源機としての給湯装置ＷＨ、および制御部２を備えている。貯湯タンク１は、たとえば主熱源機としてのヒートポンプ（図示略）によって加熱された湯水を貯留させるものであり、循環ポンプＰ１を駆動させると、貯湯タンク１内の湯水が配管部３０ａを介してヒートポンプに送られて加熱されてから、配管部３０ｂを介して貯湯タンク１内の上部に戻されて流入する。貯湯タンク１の下部および上部には、入水管３１および出湯管３２も接続されており、出湯管３２の出湯口３２ａに配管接続された給湯栓（図示略）が開けられると、入水口３１ａへの入水
圧により、貯湯タンク１内の湯水が出湯口３２ａに向けて流出し、給湯栓に供給される。

給湯装置ＷＨは、たとえば貯湯タンク１内の湯水温度が目標給湯温度よりも低い場合などにおいて、貯湯タンク１から流出する湯水を加熱するのに利用されるものである。この給湯装置ＷＨは、たとえば既存のガス瞬間湯沸器と同様な構造であり、バーナ４０、ファン４１、およびバーナ４０を用いて発生させた燃焼ガスから熱回収を行なう熱交換器４２を有している。熱交換器４２は、顕熱回収用および潜熱回収用の熱交換部４２ａ，４２ｂを有するいわゆる潜熱回収型である。熱交換器４２への入水用および出湯用の配管部３３ａ，３３ｂは、貯湯タンク１の出湯管３２に接続されており、三方弁Ｖ１を切り替えることにより、貯湯タンク１内の湯水を熱交換器４２に送り込んで加熱させてから出湯口３２ａに向かわせることが可能である。なお、入水温度センサＳａ、流量センサＳｂ、および出湯温度センサＳｃを有する点は、図４で説明した給湯装置９と同様である。

制御部２は、たとえばマイクロコンピュータを用いて構成されており、貯湯式給湯システムＳＹの各部の動作制御を実行することに加え、給湯装置ＷＨの出湯温度制御も実行する。この出湯温度制御においては、入水温度センサＳａならびに流量センサＳｂからのデータ、およびリモコンなどを用いて設定された給湯装置ＷＨの目標出湯温度のデータに基づき、バーナ４０の燃焼量（背景技術で述べたＦＦ燃焼量に対応する燃焼量であり、以下適宜ＦＦ燃焼量と指称する）を算出する処理を実行する。この処理の具体的な内容を、以下に説明する。

制御部２は、所定の周期ｎで、前記した各種のデータをサンプリングし、動作制御を行なう。周期ｎは、たとえば０．１秒である。実際の制御における場合を鑑み、以降の説明では、時間ｔの関数に代えて、制御周期ｎの関数を用いることとする。

まず、目標出湯温度θ_sv(n)、実入水温度データθ_in(n)、熱交換器４２の入水流量ｑ(n)のデータについては、周期ｎでサンプリングし、制御部２に取得させる。前記の実入水温度データθ_in(n)とは、入水温度センサＳａを用いて検出された最新の入水温度データである。
これに伴い、タイムラグＬを、入水流量ｑ(n)の関数Ｌ(ｑ(n))として定める。ここで、タイムラグＬは、背景技術の欄で述べたタイムラグに対応するものであり、給湯装置ＷＨに供給される湯水が入水温度センサＳａを通過した時点から熱交換器４２の入り口に到達するまでの所要時間に相当する。したがって、タイムラグＬは、入水流量ｑ(n)と密接に関連しており、基本的には、入水流量ｑ(n)が大きくなれば、Ｌ(ｑ(n))は小さくなる。タイムラグＬを定める手法としては、タイムラグＬの算出式を予め作成しておいてから演算によって求める手法、あるいは予め試験を行なうことによりタイムラグＬと入水流量ｑ(n)との関係を示すデータテーブルを作成しておくといった手法を採用することができる。タイムラグＬの算出式の一例としては、Ｌ＝Ａ(ｑ(n)²)＋Ｂ(ｑ(n))＋Ｃ（ただし、Ａ〜Ｃは、定数）が挙げられる。この式は、タイムラグＬが入水流量ｑ(n)の変化に対して２次関数的に変化すると捉えたものである。同式において、Ａ〜Ｃの値については、適切な値となるように実験により求めておけばよい。

次いで、フィルタード入水温度θ'_in(n)を、次の式1を用いて求める。

θ'_in(n)＝（Ｌ／Ｌ＋１）・θ'_in(n-1)＋（1／Ｌ＋１）・θ_in(n) …式1

ここで、θ'_in(n-1)は、前回の燃焼量算出時に用いられたフィルタード入水温度である。θ_in(n)は、先に述べた実入水温度データである。

前記したフィルタード入水温度θ'_in(n)を求めた後には、次の式２を用いてバーナ４０
のＦＦ燃焼量(n)を求める。

ＦＦ燃焼量(n)＝(θ_sv(n)−θ'_in(n))・ｑ(n) …式2

給湯装置ＷＨの出湯温度の制御に際しては、式２により求めたＦＦ燃焼量(n)の値を用いて出湯温度制御が実行される。給湯装置ＷＨの出湯温度の制御系は、図５に示した制御系において、同図の伝達関数Ｇ_FF(s)に代えて、式２により算出されるＦＦ燃焼量(n)に相当するデータを出力する伝達関数に置き換えられた構成となる。

次に、前記した貯湯式給湯システムＳＹの作用について説明する。

まず、バーナ４０のＦＦ燃焼量は、既述したように、式２を用いて算出されるが、この式２には、フィルタード入水温度θ'_in(n)がパラメータとして含まれている。ここで、フィルタード入水温度θ'_in(n)は、式１に示したように、前回値θ'_in(n-1)をパラメータとするものである。また、タイムラグＬもパラメータに含んでおり、タイムラグＬが大きい場合ほど、フィルタード入水温度θ'_in(n)の値が大きくなるように規定されている。したがって、入水流量が少なく、タイムラグＬが大きい場合には、その分だけ、フィルタード入水温度θ'_in(n)は、過去の入水温度の影響を大きく受ける値となる。
このようなことにより、実入水温度が大きな幅で変化した際に、これに伴って出湯温度が大きな幅で変化することは抑制される。加えて、実入水温度の変化に対応してＦＦ燃焼量が急激に変化することが緩和される作用も得られることとなる。このような効果は、出湯温度の安定化を図る上で、好ましいものとなる。

さらに、式１においては、実入水温度データθ_in(n)の係数が（１／Ｌ＋１）であるのに対し、フィルタード入水温度θ'_in(n)の係数は、それよりも大きい（Ｌ／Ｌ＋１）であり、実入水温度データθ_in(n)よりもフィルタード入水温度θ'_in(n)の方が、大きな重み付けとされている。このため、実入水温度データθ_in(n)が変化しても、これに起因してフィルタード入水温度θ'_in(n)の値が大きく変動することは、より抑制されることとなる。

図２は、式１を用いて算出されたフィルタード入水温度θ'_in(n)と実入水温度との関係の具体例を示している。同図において、入水流量ｑ(n)やタイムラグＬは、一定である。同図では、符号ａ１で示す部分において、実入水温度に大きな変化を生じている。これに対し、タイムラグＬが１０，３０のいずれの場合においても、フィルタード入水温度θ'_in(n)は、実入水温度の変化に遅れて変化し、かつその変化が緩やかなものとなる。

図３は、式１，式２により求めたＦＦ燃焼量を用いた場合の実入水温度と出湯温度とのシミュレーション結果を示すものであり、タイムラグＬが、０，１０，２０，３０の場合が示されている。ただし、タイムラグＬ＝０の場合は、従来例に相当する。流量ｑ(n)やタイムラグＬは、一定である。
同図では、実入水温度が急激に変化しており、これに対応して出湯温度にも変化を生じている。ただし、タイムラグＬ＝０の場合のオーバシュートＨ０およびアンダシュートＤ０に比べて、タイムラグＬ＝１０，２０，３０の場合には、オーバシュートＨ１〜Ｈ３およびアンダシュートＤ１〜Ｄ３がいずれも小さくなっている。また、急激な変化が緩和される「なまし効果」も得られている。このようなデータからも、本発明では、出湯特性が大きく改善されることが理解できる。

本実施形態の給湯装置ＷＨは、潜熱回収型であるために、既述したように、タイムラグＬは大きいものとなる。また、給湯装置ＷＨには、貯湯タンク１から湯水が供給されるよ
うに構成されているために、実入水温度が急変する可能性は高い。したがって、このような給湯装置ＷＨに対して、前記した制御を適用することは、出湯特性を良好にする上で、甚だ有意義である。
また、前記した制御によれば、演算によりＦＦ燃焼量を求めるために、メモリが多く消費されるといった不具合を回避することも可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る給湯装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

フィルタード入水温度の算出式、および燃焼量の算出式としては、式１、式２とは異なる式を用いることが可能である。フィルタード入水温度は、要は、入水温度センサを用いて検出された実入水温度と、前回の燃焼量算出時に用いられたフィルタード入水温度とに基づいて算出される温度であって、熱交換器への入水流量に対応してその値が変化するように規定された温度であればよい。したがって、たとえば式１中の係数（Ｌ／Ｌ＋１），（１／Ｌ＋１）を、これとは異なる内容にすることができる。燃焼量については、たとえば式２を用いて算出した後に、さらに補正を加えるといったことも可能である。

本発明に係る給湯装置は、潜熱回収型以外のものとすることが可能である。バーナは、ガスバーナに代えて、オイルバーナとすることもできる。本発明に係る貯湯式給湯システムは、ヒートポンプ方式のものに代えて、たとえば燃料電池の排熱を利用して加熱された湯水を貯湯タンクに貯留させるタイプとすることも可能である。

以上のように、本発明によれば、入水温度検出時期と熱交換器への入水時期との間に生じるタイムラグによる悪影響を少なくし、入水温度が大きな変動幅で急変した際に、出湯温度の変動幅を小さくするとともに、急激な変化を緩和する作用が得られる。その結果、安定した出湯特性が得られる。
このような効果は、たとえば貯湯タンクから給湯装置への入水が行なわれることにより入水温度が急変し易い条件下、および給湯装置が潜熱回収型とされていることによりタイムラグが大きくなるような条件下において、とくに有効である。

ＳＹ貯湯式給湯システム
ＷＨ給湯装置
Ｓａ入水温度センサ
θ'_in(n) フィルタード入水温度
１貯湯タンク
２制御部
４２熱交換器

Claims

バーナと、このバーナにより発生された燃焼ガスから熱回収を行なう熱交換器と、を備えており、
前記熱交換器に対する入水流量、入水温度、および目標出湯温度に基づいて前記バーナの燃焼量を算出する処理を周期的に実行し、前記バーナの駆動制御を行なうように構成された給湯装置であって、
前記燃焼量の算出に用いる入水温度として、フィルタード入水温度が用いられ、
このフィルタード入水温度は、入水温度センサを用いて検出された実入水温度と、前回の燃焼量算出時に用いられたフィルタード入水温度とに基づいて算出される温度であって、前記入水流量に対応してその値が変化するように規定された温度であることを特徴とする、給湯装置。
請求項１に記載の給湯装置であって、
前記熱交換器は、前記バーナにより加熱される顕熱回収用の熱交換部と、この熱交換部の通水方向上流側に位置する潜熱回収用の熱交換部とを備えている、給湯装置。
貯湯タンクと、
この貯湯タンクから所定の出湯口に送られる湯水をその途中で加熱することが可能な補助熱源機と、
を備えている、貯湯式給湯システムであって、
前記補助熱源機として、請求項１または２に記載の給湯装置が用いられていることを特徴とする、貯湯式給湯システム。