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技術 流体加熱制御装置

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 村上徹安達研治佐藤真悟
出願日 2013年12月3日 (7年2ヶ月経過) 出願番号 2013-250064
公開日 2015年6月11日 (5年8ヶ月経過) 公開番号 2015-108458
状態 特許登録済
技術分野 局部洗浄装置・その他の水洗便所用付属品 瞬間湯沸器・持ち運び用給湯器とその制御
主要キーワード 所定上限温度 固定定数 温誤差 通電率制御 流体加熱 所定関数 定格消費電力 人体洗浄
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この項目の情報は公開日時点(2015年6月11日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

フィードフォワード制御フィードバック制御とを組み合わせて熱交換器を制御する構成の流体加熱制御装置において、出水センサ故障によってフィードバック制御が正常に行われない場合でも、高温出湯を防止する。

解決手段

湯温設定受け付ける操作部11と、入水温センサ12及び出水温センサ13が設けられた電気ヒータ14とを備え、フィードバック制御の制御値は、フィードフォワード制御の制御値を参照して決定される上限値以下に制限するようにした。

概要

背景

前記のような流体加熱制御装置に係る従来技術の例として、次の特許文献1が挙げられる。そこには、衛生洗浄装置において、熱交換器入水サーミスタ出水サーミスタとを設け、入水温度から予測した出湯温度予測値と、出湯サーミスタが検知した出湯温度との差が大きい場合は、熱交換器への通電遮断することが記載されている。

前記特許文献1に記載の衛生洗浄装置は、基本的に、入水温に対するフィードフォワード制御によって熱交換器を制御しているようである。しかしフィードフォワード制御によって熱交換器を制御すると、室温等の要因のため設定温度と出湯温度との誤差が大きくなってしまう場合もある。そこで制御方法を改良し、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて熱交換器を制御するようにすれば、設定温度と出湯温度との誤差をより小さくすることができる。

概要

フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて熱交換器を制御する構成の流体加熱制御装置において、出水温センサ故障によってフィードバック制御が正常に行われない場合でも、高温出湯を防止する。湯温設定受け付ける操作部11と、入水温センサ12及び出水温センサ13が設けられた電気ヒータ14とを備え、フィードバック制御の制御値は、フィードフォワード制御の制御値を参照して決定される上限値以下に制限するようにした。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

湯温設定受け付ける操作部と、入水センサ及び出水温センサが設けられた電気ヒータとを備え、入水温に対するフィードフォワード制御と、出水温に対するフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御する流体加熱制御装置であって、前記フィードバック制御の制御値は、前記フィードフォワード制御の制御値を参照して決定される上限値以下に制限していることを特徴とする流体加熱制御装置。

請求項2

請求項1において、前記フィードフォワード制御の制御値と前記フィードバック制御の制御値との合算値と、入水温の所定関数によって算出したフェールセーフ上限値とを比較して、その内の小さい値に基づいて、前記電気ヒータを通電制御することを特徴とする流体加熱制御装置。

請求項3

請求項2において、前記所定関数は、所定上限温度と入水温との温度差係数を乗ずるものとしていることを特徴とする流体加熱制御装置。

請求項4

請求項3において、前記所定関数は、所定上限温度と入水温との温度差に係数を乗じ、更に定数を和するものとしていることを特徴とする流体加熱制御装置。

請求項5

請求項3又は4において、前記電気ヒータは、人体洗浄水を加熱し、前記係数は、許容差内の上限能力若しくは下限能力を発揮する前記電気ヒータを、前記フェールセーフ上限値に基づいて制御したときに得られる出水温が人体洗浄水の許容範囲に収まるように選択されていることを特徴とする流体加熱制御装置。

技術分野

0001

本発明は、温水洗浄機能便器装置等に組み込まれて洗浄水加熱制御を行う流体加熱制御装置に関する。

背景技術

0002

前記のような流体加熱制御装置に係る従来技術の例として、次の特許文献1が挙げられる。そこには、衛生洗浄装置において、熱交換器入水サーミスタ出水サーミスタとを設け、入水温度から予測した出湯温度予測値と、出湯サーミスタが検知した出湯温度との差が大きい場合は、熱交換器への通電遮断することが記載されている。

0003

前記特許文献1に記載の衛生洗浄装置は、基本的に、入水温に対するフィードフォワード制御によって熱交換器を制御しているようである。しかしフィードフォワード制御によって熱交換器を制御すると、室温等の要因のため設定温度と出湯温度との誤差が大きくなってしまう場合もある。そこで制御方法を改良し、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて熱交換器を制御するようにすれば、設定温度と出湯温度との誤差をより小さくすることができる。

先行技術

0004

特開2012-046969号公報

発明が解決しようとする課題

0005

フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせた場合、入水サーミスタの故障等によってフィードフォワード制御が正常に行われなくなっても、出水サーミスタが正常であれば、フィードバック制御によって、低温出湯あるいは高温出湯をある程度防止できる。しかしながら出水サーミスタが故障してフィードバック制御が正常に行われなくなると、それに起因する高温出湯は、フィードフォワード制御によって防止することは困難である。

0006

そのような高温出湯は当然起き得ることであるから、その防止手段として、機械的なフェールセーフ機能も組み込むべきである。具体的にはサーモスタット等の感熱素子を用いて強制的に電源を遮断する等の仕組みである。しかしながら、そのような機械的なフェールセーフ機能を発動させる前に、ソフトウェア処理によるフェールセーフ機能を発動させて、高温出湯を防止し、かつ出湯温を適切な範囲に保つことが望ましい。本発明はそのような要望の実現を目的とするものである。

課題を解決するための手段

0007

本発明による流体加熱制御装置は、湯温設定受け付ける操作部と、入水温センサ及び出水温センサが設けられた電気ヒータとを備え、入水温に対するフィードフォワード制御と、出水温に対するフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御する流体加熱制御装置であって、前記フィードバック制御の制御値は、前記フィードフォワード制御の制御値を参照して決定される上限値以下に制限していることを特徴とする。

0008

前記フィードフォワード制御の制御値と前記フィードバック制御の制御値との合算値と、入水温の所定関数によって算出したフェールセーフ上限値とを比較して、その内の小さい値に基づいて、前記電気ヒータを通電制御するようにしてもよい。

0009

前記所定関数は、所定上限温度と入水温との温度差係数を乗ずるものとしてもよい。

0010

前記所定関数は、所定上限温度と入水温との温度差に係数を乗じ、更に定数を和するものとしてもよい。

0011

前記電気ヒータは、人体洗浄水を加熱するものとし、前記係数は、許容差内の上限能力若しくは下限能力を発揮する前記電気ヒータを、前記フェールセーフ上限値に基づいて制御したときに得られる出水温が人体洗浄水の許容範囲に収まるように選択されていてもよい。

発明の効果

0012

本発明によれば、フィードバック制御の制御値を、フィードフォワード制御の制御値(入水温)を参照して決定される上限値以下に制限する。そのため出水温センサの故障によってフィードバック制御が正常に行われないようになっても、高温出湯を防止することができる。

図面の簡単な説明

0013

本発明の実施形態の一例とされる流体加熱制御装置の要部ブロック図である。
フィードフォワード制御のみで電気ヒータを通電制御したときの出水温の時間変化と、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御したときの出水温の時間変化を示したグラフである。
電気ヒータの通電制御の2例における加熱温度、出水温を入水温の関数として示したグラフである。
電気ヒータの通電制御の他例における加熱温度、出水温を入水温の関数として示したグラフである。
電気ヒータが定格電力、許容差内の上限能力、下限能力であると想定したときの加熱温度、出水温を入水温の関数として示したグラフである。

実施例

0014

本発明に係る流体加熱制御装置は、例えば温水洗浄機能付便器装置や浴室給湯システム等に組み込まれることを想定したものである。このような流体加熱制御装置では、出湯温の制御は、コンピュータ等によるソフトウェア処理によって行うのが基本である。しかしながらコンピュータは誤動作することもあり得るので、特に高温出湯を防止する機械的なフェールセーフ機能も組み込むことが望ましい。具体的にはサーモスタット等の感熱素子を用いて、出水温が異常であれば強制的に電気ヒータを遮断する等の仕組みである。

0015

もちろんそのような機械的なフェールセーフ機能が発動する前に、ソフトウェア処理によるフェールセーフ機能を発動させることが望ましい。例えば流体加熱制御装置の出水温センサが故障して最大電気ヒータが最大電力で駆動され続けたとき、機械的なフェールセーフ機能では出湯温の異常を検知して電源を遮断するだけである。そのため上がり過ぎた出湯温が次には下がり過ぎる等してユーザに不快感を与えてしまう。本発明は、そのような不快感を防止することを意図して考案されたたものであり、出水温センサが故障した場合でも出湯温を適切な範囲に保つことができるソフトウェア処理によるフェールセーフ機能を提案する。以下、そのようなソフトウェア処理によるフェールセーフ機能の基本構成、作用を、図面や数式等を用いて具体的に説明する。

0016

図1に示すように、本発明に係る流体加熱制御装置は、湯温設定を受け付ける操作部11と、入水温センサ12及び出水温センサ13が設けられた電気ヒータ14とを備える。

0017

操作部11は、ダイヤルスライドスイッチ、選択ボタン、あるいはタッチパネル等が設けられ、それらの操作によって湯温設定や流量設定の操作を受け付けるものである。

0018

電気ヒータ14は、そこを通過する水道水等の流体と、通電によって発熱する熱源との間での熱交換を生じさせる機能を有するものであるが、その流路構成や熱源の種別等に特段の制限はない。入水温センサ12、出水温センサ13は例えばサーミスタ等で構成され、それぞれ電気ヒータ14の入水口出水口に設けられている。電気ヒータ14の入水口の側には流量センサ15が更に設けられている。

0019

流体は、図示しないポンプ等よって予圧されており、その流量は、流量センサよりも上流側に配置された電磁バルブ等(図示なし)によって可変制御される。

0020

電源部16は、電気ヒータ14に交流又は直流電源を供給する。電源部16から電気ヒータ14への給電路には、電源を接続、遮断制御するスイッチ素子17が設けられている。スイッチ素子17の種別は特に制限されず、例えばサイリスタバイポーラトランジスタ電界効果トランジスタ等で構成できる。

0021

制御部18は、マイコン等の演算素子と、スイッチ素子17を制御する出力回路等からなり、入水温に対するフィードフォワード制御と、出水温に対するフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御する。

0022

通電制御について簡単に説明すれば、電気ヒータ14は、スイッチ素子17が接続状態とされれば所定電力消費し、スイッチ素子17が遮断状態とされれば電力を消費しない。よって通電制御として、スイッチ素子17の駆動信号デューティ比を例えばPWM制御等で調節することによって、電気ヒータ14の平均消費電力が自由に制御できる。

0023

電気ヒータ14の通電制御において、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせるのは、基本的には前者を主体として電気ヒータ14を制御し、入水温や室温等の環境条件に基づく出水温誤差を、後者によって修正することを意図しているからである。

0024

より詳細に説明すれば、フィードフォワード制御は、特定の入水温及び室温を前提条件としたものであり、その結果、入水温あるいは室温が前提条件よりも低ければ出水温も湯温設定値よりも低くなる。そしてその逆も成り立つ。一方フィードバック制御は、出水温が湯温設定値よりも低ければ出水温を上げる方向に制御し、出水温が湯温設定値よりも高ければ出水温を下げる方向に制御するものである。よってフィードフォワード制御による出水温の誤差は、フィードバック制御によって修正することが可能である。

0025

図2では、フィードフォワード制御のみで電気ヒータを通電制御したときの出水温の時間変化と、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御したときの出水温の時間変化とを対比している。いずれの場合も、湯温設定値は40℃とし、入水温あるいは室温がその前提条件としたものより高いことを想定している。

0026

その想定の場合、フィードフォワード制御のみで電気ヒータを通電制御すれば、当然、出水温は湯温設定値よりも高くなる。しかしこれにフィードバック制御を組み合わせれば、出水温は湯温設定値に近づくはずである。なお、このとき出水温が湯温設定値を挟んで振動する傾向(図示)を示すか、湯温設定値に漸近していく傾向を示すかは、電気ヒータの能力、フィードフォワード制御とフィードバック制御との組み合わせ方、入水温、室温等の諸条件によるので一概には云えない。

0027

またフィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせれば、フィードフォワード制御に異常が発生した場合でも、出水温が湯温設定値からかけ離れてしまうことを抑制できる。フィードフォワード制御の異常は、例えば、入水温センサが半田クラック等のために正常な値よりも10℃低く検知してしまうようなときに生じる。しかしながら出水温センサ等の故障等によってフィードバック制御に異常が生じたとき、それによる出水温の異常をフィードフォワード制御によって抑制することはできない。

0028

本発明は、そのような問題の対策として、フィードバック制御の制御値を所定の上限値以下に制限することを提案する。すなわちフィードバック制御の制御値が異常に高くなることを防止して高温出湯を抑制することを趣旨とする。

0029

フィードバック制御の制御値は、固定定数を上限値としてその値以下に制限してもよいが、フィードフォワード制御の制御値を参照して決定される上限値以下に制限すると尚よい。

0030

このようにフィードバック制御の制御値を、フィードフォワード制御の制御値(入水温)を参照して決定される上限値以下に制限すれば、入水温が高い流体を、電気ヒータの最大電力で更に加熱するような事態は起き得ず、高温出湯を防止することができる。またフィードバック制御を充分に作用させる余地があるので、通常時の使い勝手に悪影響を与えることもない。

0031

以下、ソフトウェア処理によるフェールセーフ機能の原理を数式等によって詳細に説明する。まず電気ヒータの通電制御の基本式を示す。ここに流体の流量F(グラム/分)、設定温度Tset、入水温Tin、出水温Tout、ヒータ定格消費電力W(ワット)、通電率制御値r(スイッチ素子の駆動パルスのデューティ比)、比熱C(カロリー/グラム)とする。電気ヒータの通電制御は、通電率制御値rを算出し、その値に基づいて前記スイッチ素子を駆動制御することでなされる。単位時間当り投入電力=比熱×単位時間当りの流量×上昇温度であるから、平衡状態では、



が成り立つ。これはフィードフォワード御のみの式である。この式に対して、所望の係数Kを乗じたフィードバック制御の項を加えることができる。

0032

以下の3項をそれぞれA項、B項、C項と呼ぶことにする。



ここに、A項は定数項であって、通電率は、流体の流量Fに比例し、ヒータの定格消費電力Wに反比例することを示している。B項はフィードフォワード制御の制御値であり、C項はフィードバック制御の制御値である。係数Kはフィードフォワード制御に対するフィードバック制御の割合を規定する正値であるが、その値は特に制限されず、以下では簡単のため値1を採用する。

0033

本発明は、C項に対して、B項を参照して決定される上限値Cmaxを設定する。
例えば



としてもよい。ここにXは定数、Tmaxは上限温度であって、入水温Tinがその上限温度Tmaxを超えたときには加熱を行わないという値である。これらの値は出水温Toutの許容範囲等を考慮して決定すればよい。

0034

つまり、C項>Cmaxとなったときには、C項の代わりにCmaxを採用するのであるが、これは、B項+C項>B項+Cmaxとなった場合は、B項+C項の代わりに、B項+Cmaxを採用すると言い換えてもよい。



であるから、更に換言すれば、B項+C項>X・(Tmax−Ti)となった場合は、B項+C項の代わりに、X・(Tmax−Ti)を採用するとしてもよい。

0035

これは要するに、フィードフォワード制御の制御値とフィードバック制御の制御値との合算値と、入水温Tinの所定関数によって算出したフェールセーフ上限値とを比較して、その内の小さい値に基づいて電気ヒータを通電制御するということである。このとき所定関数は、X・(Tmax−Tin)である。すなわち所定関数は、上限温度Tmaxと入水温Tinとの温度差に係数を乗じたものになる。このような一次関数を用いれば、制御値の算出が簡単に行える。

0036

なおC項の上限値は制限されるわけではない。例えば、B項を参照して決定される上限値Cmaxとして



を採用してもよい。この場合も前記と同様の考え方が成り立ち、入水温Tinの所定関数は、X・(Tmax−Ti)2となる。

0037

図3は、電気ヒータの通電制御がA項・X・(Tmax−Tin)に従ってなされた場合、及びA項・X´・(Tmax−Tin)2に従ってなされた場合における加熱温度ΔT、出水温Toutを入水温Tinの関数として示したものである。ここに加熱温度ΔTは、入水温Tinと出水温Toutとの差として定義される。また図中、加熱温度ΔTは実線によって、出水温Toutは破線によって示している。このようにいずれの場合でも、Tmax、及びXを適切に設定すれば、出水温センサ故障したときでも出水温Toutの過熱を抑えられることがわかる。

0038

またB項を参照して決定される上限値Cmaxとして、



を採用してもよい。この場合、所定関数は、X・(Tmax−Tin)+Tmin、すなわち上限温度Tmaxと入水温Tinとの温度差に係数を乗じ、更に定数Tminを加えたものになる。ここにTminはフィードバック制御における最低限の加熱性能を確保するための定数である。例えばその値を3とすれば、フィードバック制御によって少なくとも3℃の加熱が可能になる。

0039

図4は、電気ヒータの通電制御がA項・X・(Tmax−Tin)に従ってなされた場合、及びA項・X・(Tmax−Tin)+Tminに従ってなされた場合の加熱温度ΔT、出水温Toutを入水温Tinの関数として示したものである。ここでも加熱温度ΔTは実線によって、出水温Toutは破線によって示している。

0040

図において、電気ヒータの通電制御がA項・X・(Tmax−Tin)に従ってなされた場合、入水温TinがTmaxに近ければ、加熱温度ΔT1は非常に小さいものなっている。これに対して、電気ヒータの通電制御がA項・X・(Tmax−Tin)+Tminに従ってなされた場合は、Tmin以上の加熱温度ΔT2が得られることがわかる。

0041

最後に、電気ヒータの能力に許容差を見込んだ場合の、フィードバック制御の制御値の制限について考察する。電気ヒータはそれに関連する構成要素、例えば発熱体流体経路、入水温センサ、出水温センサ、流量センサ等の個体差により、定格電力に対してプラスマイナスの許容差を有する。また電源電圧とされる商用100V電源でも規定範囲は101±6Vとされている。

0042

部品の個体差や電源電圧の規定範囲等を考慮すれば、例えば電気ヒータの定格電力を1200Wとしたとき、許容範囲の上限は1500W、下限は900W程度を想定してよい。

0043

ここで出水温センサ故障のため、A項・X・(Tmax−Tin)に基づいて電気ヒータを制御する場合の出水温Toutは、入水温Tinが0℃のとき、電気ヒータの能力によって次のようになる。

0044

電気ヒータが定格電力(1200W)であれば、

0045

電気ヒータが上限能力(1500W)であれば、

0046

電気ヒータが下限能力(900W)であれば、

0047

一方、入水温TinがTmaxの場合は、電気ヒータの消費電力によらず、

0048

ここで要請されることは、数8−11による出水温Toutを、人体洗浄水の許容範囲に収めることである。数8−10の内では、数9による出水温Toutが最も高くなる。よって数11による出水温Toutとして、Tmax=57℃(火傷限度)を採用し、更に許容差の上限能力に基づいてXの値を定めるならば、数9による出水温Toutを57℃にするための条件は、X=0.8となる。そしてX=0.8とすれば、数8、数10による出水温Toutはそれぞれ、45.6℃、34.2℃になる。X<0.8とすると、数10による出水温Toutが低過ぎになってしまう。

0049

図5は、電気ヒータが前記定格電力、上限能力、下限能力であると想定したときの加熱温度ΔT、出水温Toutを入水温Tinの関数として示したものである。加熱温度ΔTは実線によって、出水温Toutは破線によって示している。前記説明から理解できるように、図中の丸印における出水温Toutが人体洗浄水の許容範囲に収まるようにTmax、Xを選択すればよく、前記Tmax=57℃、X=0.8は、そのような選択の一例である。

0050

以上によれば、係数(X)を電気ヒータの許容差の上限能力に基づいて選択設定した場合は、高温出湯阻止の制御ができる。また係数を電気ヒータの許容差の下限能力に基づいて選択設定した場合は、低温出湯阻止の制御ができる。よって、例えば出水温センサが故障した場合でも、人体洗浄水が熱湯あるいは冷水にならず、ユーザを不快にさせることがなく、安全に使用することができる。

0051

11 操作部
12入水温センサ
13出水温センサ
14 電気ヒータ

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