JP2021134804A - 比例ソレノイドバルブを用いる熱源装置、制御方法、プログラム、記録媒体、制御装置、および給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比例ソレノイドバルブに対する残留磁気の影響を低減ないし回避することによって、燃料制御における制御特性を改善する。【解決手段】燃料ガス（Ｇ）を燃焼させるバーナ（２４）と、比例ソレノイド（１２８）の励磁によって弁開度が制御され、前記バーナに供給する燃料ガスを通過させる比例ソレノイドバルブ（７８）と、前記比例ソレノイドを励磁する駆動電流を生成し、該駆動電流を前記比例ソレノイドに流す駆動部（１４８）と、弁体（１１８）の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させ、前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する制御部（１５０）とを備える。【選択図】図８

Description

本開示はたとえば、燃料ガスの制御に比例ソレノイドバルブを用いる熱源装置、制御方法、プログラム、制御装置および給湯装置の制御技術に関する。

給水を加熱して給湯する給湯装置に用いられる熱源装置では、給湯需要に応じて燃料ガスの供給量を制御する比例バルブが用いられる。この比例バルブには比例ソレノイドの励磁によりバルブ開度を制御する比例ソレノイドバルブが知られている。
比例ソレノイドバルブの開度制御にはたとえば、ＰＷＭ（pulse width modulation：パルス幅変調）方式による制御が用いられる。
この比例ソレノイドバルブのＰＷＭによる制御に関し、サスペンション制御装置では通電電流の大きさに関係無く、ディザ振動の周期を加減する制御が知られている（特許文献１）。

特開平１０−２５８６２５号公報

ところで、比例ソレノイドバルブでは、ソレノイドに流す駆動電流を増加させて特定の弁開度に到達させた場合の駆動電流と、該駆動電流を減少させて特定の弁開度に到達させた場合の駆動電流に差が生じる。また、駆動電流を増加させて特定の駆動電流に到達させた場合の弁開度と、該駆動電流を減少させて特定の駆動電流に到達させた場合の弁開度に差が生じる。つまり、駆動電流と弁開度にはヒステリシスが存在し、同一の駆動電流であってもその増減方向で弁開度に相違が生じ、同一の弁開度であっても駆動電流に相違が生じる。

斯かる比例ソレノイドバルブを燃料制御に用いた給湯装置では燃焼状態に変化を来す、出湯温度がずれる、製造ラインで燃料制御の初期設定に時間を要すなどの課題がある。
バーナにはたとえば、異なる二つのバーナ部を備え、給湯需要が小の場合には一方のバーナ部のみを燃焼させ（一段燃焼）、給湯需要が中の場合には他方のバーナ部のみを燃焼させ（二段燃焼）、給湯需要が増大した場合には二つのバーナ部を同時に燃焼させる（三段燃焼）燃焼形態の選択が可能なものがある。このような給湯需要の増減に対応するために比例ソレノイドバルブで燃料制御を行うと、一段燃焼、二段燃焼、または三段燃焼のそれぞれにヒステリシスが存在する。このヒステリシスは、同一駆動電流で弁開度に相違を生じさせるため、燃焼で発生するＣＯ値、ＮＯｘ値にも差違が生じる、つまり燃焼状態が変化するという課題がある。この燃焼状態の変化は、燃焼ガス量が少ないたとえば、一段燃焼において著しい。
ヒステリシス特性が出湯温度に影響し、給湯需要に対する出湯温度にずれを生じさせるという課題がある。
また、製造ラインでヒステリシス特性の影響を軽減させるための二次圧設定に手間取り、設定に相当な時間を要するという課題がある。
斯かるヒステリシスの要因は比例ソレノイドバルブが持つ磁化特性、とりわけ残留磁気にある。磁性体を用いる場合、この残留磁気の影響を無視することができない。

この磁気とソレノイドの励磁を考察すると、比例ソレノイドが残留磁気と同方向に励磁されるタイミングでは生成磁力に残留磁気が加わるのに対し、比例ソレノイドが残留磁気と反対方向に励磁されるタイミングでは生成磁力の一部が残留磁気で相殺されてしまうという課題がある。
発明者は、熱源装置に対する比例ソレノイドバルブが持つ課題に対し、残留磁気の影響を軽減するには比例ソレノイドに交番磁界を生成させればよく、斯かる交番磁界を生じさせる駆動電流であってもそのレベルによって所望の弁開度が得られるとの知見を得た。
そこで、本開示の目的は上記課題や知見に鑑み、比例ソレノイドバルブに対する残留磁気の影響を低減ないし回避することによって、燃料制御における制御特性を改善することにある。

上記目的を達成するため、本開示の熱源装置の一側面によれば、燃料ガスを燃焼させるバーナと、比例ソレノイドの励磁によって弁開度が制御され、前記バーナに供給する燃料ガスを通過させる比例ソレノイドバルブと、前記比例ソレノイドを励磁する駆動電流を生成し、該駆動電流を前記比例ソレノイドに流す駆動部と、弁体の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させ、前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する制御部とを備える。
この熱源装置において、さらに、前記燃料ガスの燃焼熱を被加熱流体に熱交換する熱交換器と、前記被加熱流体の温度を検出する温度センサとを備え、前記制御部は、前記被加熱流体の検出温度を受け、前記弁開度を制御してよい。
この熱源装置において、前記制御部は、逆方向の前記駆動電流の極性を順方向に反転させる極性反転部を含む順方向パルスを生成し、順方向の前記駆動電流の極性を逆方向に反転させる極性反転部を含む逆方向パルスを生成する論理回路と、極性反転部を除く前記順方向パルスのデューティ比、または、極性反転部を除く前記逆方向パルスのデューティ比を制御するパルス幅制御部とを備えてよい。

上記目的を達成するため、本開示の制御方法の一側面によれば、燃料ガスの制御に比例ソレノイドバルブを用いる制御方法であって、前記比例ソレノイドバルブを駆動する駆動電流を生成する工程と、前記比例ソレノイドバルブを通過した燃料ガスを燃焼させる工程と、弁体の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させる工程と、前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する工程とを含む。
この制御方法において、前記燃料ガスの燃焼熱を被加熱流体に熱交換する工程と、前記被加熱流体の温度を検出し、前記被加熱流体の検出温度により前記弁開度を制御する工程とを含んでよい。
この制御方法において、さらに、逆方向の前記駆動電流の極性を順方向に反転させる極性反転部を含む順方向パルスを生成する工程と、順方向の前記駆動電流の極性を逆方向に反転させる極性反転部を含む逆方向パルスを生成する工程と、極性反転部を除く前記順方向パルスのデューティ比を制御する工程と、極性反転部を除く前記逆方向パルスのデューティ比を制御する工程とを含んでよい。

上記目的を達成するため、本開示のプログラムの一側面によれば、コンピュータにより実現するプログラムであって、比例ソレノイドを励磁する駆動電流を生成するための制御情報を生成する機能と、弁体の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させる制御情報を生成する機能と、前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する制御情報を生成する機能とを前記コンピュータにより実現する。
このプログラムにおいて、さらに、逆方向の前記駆動電流の極性を順方向に反転させる極性反転部を含む順方向パルスを生成する機能と、順方向の前記駆動電流の極性を逆方向に反転させる極性反転部を含む逆方向パルスを生成する機能と、極性反転部を除く前記順方向パルスのデューティ比を制御する機能と、極性反転部を除く前記逆方向パルスのデューティ比を制御する機能とを前記コンピュータにより実現する。
上記目的を達成するため、本開示の記録媒体の一側面によれば、前記プログラムを格納している。

上記目的を達成するため、本開示の制御装置の一側面によれば、励磁によって弁開度を制御する比例ソレノイドを励磁する駆動電流を生成し、該駆動電流を前記比例ソレノイドに流す駆動部と、弁体の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させ、前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する制御部とを備える。
この制御装置において、前記制御部は、逆方向の前記駆動電流の極性を順方向に反転させる極性反転部を含む順方向パルスを生成し、順方向の前記駆動電流の極性を逆方向に反転させる極性反転部を含む逆方向パルスを生成する論理回路と、極性反転部を除く前記順方向パルスのデューティ比、または、極性反転部を除く前記逆方向パルスのデューティ比を制御するパルス幅制御部とを備えてよい。

上記目的を達成するため、本開示の給湯装置の一側面によれば、前記熱源装置、前記制御方法、前記プログラム、前記記録媒体、または、前記制御装置の何れかを用いて、給水を加熱し、設定温度に加熱した給湯温度で温水を給湯する。

本開示によれば、次の何れかの効果が得られる。
(1) 比例ソレノイドバルブにおける残留磁気の影響を軽減ないし回避でき、電流レベルの増加方向と減少方向における駆動電流に対する弁開度の差が小さく、駆動電流に対して燃料ガスの供給量に生じる差異を防止できる。
(2) 燃焼状態の変化が抑制され、安定した燃焼状態を得ることができる。
(3) 燃料ガスの増加方向と減少方向での出湯温度のずれを防止できる。
(4) 製造ラインにおいて、比例ソレノイドバルブ通過後のガス二次圧の設定が容易になる。

第１の実施の形態に係る給湯装置を示す図である。 バルブユニットを示す正面図である。 図２のIII −III 線で切断したバルブユニットの切断端面図である。 図２のIV−IV線で切断したバルブユニットの切断端面図である。 バルブユニットの一動作を示す図である。 バルブユニットの一動作を示す図である。 給湯制御を示すフローチャートである。 比例ソレノイドバルブの制御システムを示す図である。 比例ソレノイドバルブの弁機構を示す図である。 比例ソレノイドバルブの弁駆動機構を示す図である。 比例ソレノイドバルブの制御を示すフローチャートである。 比例ソレノイドバルブの制御を示すフローチャートである。 ＰＷＭ制御による駆動電流の極性反転、レベル制御および吸引力の生成を示す図である。 第２の実施の形態に係る比例ソレノイドバルブの制御システムを示す図である。 第３の実施の形態に係るバルブユニットおよび制御システムを示す図である。 極性反転を伴わない駆動電流による比例ソレノイドバルブの出力特性を示す図である。 極性反転を伴う駆動電流による比例ソレノイドバルブの出力特性を示す図である。

〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る給湯装置を示している。図１に示す構成は一例であり、斯かる構成に本開示が限定されるものではない。
この給湯装置２は本開示の熱源装置の一例である。この給湯装置２は、筐体４に給湯ポート６、給水ポート８、燃料ガスポート１０、ドレンポート１２、排気口１４を備える。筐体４は建造物のたとえば、壁面に設置される。

給湯ポート６には、温水ＨＷを需要箇所に供給する温水供給管１６が接続される。給水ポート８には、給水Ｗを供給するための図示しない水道管などの給水管１８が接続される。燃料ガスポート１０には燃料ガスＧを供給するガス管２０が接続される。ドレンポート１２は、燃焼熱の熱交換によって生じるドレンＤの排出に用いられる。排気口１４には熱交換後の燃焼排気を排出させる。

筐体４の中央には燃焼室２２が設置される。この燃焼室２２にはバーナ２４、イグナイタ２６、点火プラグ２７、フレームロッド２８、給気ファン３０、一次熱交換器３２、二次熱交換器３４、ドレン受け３６が設置されている。バーナ２４はたとえば、バーナ面が異なる第１および第２のバーナ部２４−１、２４−２を備え、バーナ部２４−１のみの燃焼、バーナ部２４−２のみの燃焼、バーナ部２４−１、２４−２の同時燃焼が可能である。給湯需要が生じたとき、イグナイタ２６および点火プラグ２７によりバーナ２４の燃料ガスＧに点火し、フレームロッド２８はバーナ２４の燃料ガスＧの燃焼を検出する。

給気ファン３０はバーナ２４の燃焼時に燃焼用空気を燃焼室２２に取り込む。一次熱交換器３２は上流側の燃焼排気の主として顕熱と給水Ｗとを熱交換し、給水Ｗを加熱する。二次熱交換器３４は下流側の燃焼排気の主として潜熱と給水Ｗとを熱交換し、給水Ｗを加熱する。この二次熱交換器３４は、一次熱交換器３２に対して給水Ｗの上流側に設置され、連結管３５で一次熱交換器３２と直列に接続されている。ドレン受け３６は、二次熱交換器３４の熱交換によって生じたドレンＤを受け止め、ドレンタンク３８に至る。このドレンタンク３８に溜められたドレンＤは、ドレン排出管４０からドレンポート１２に至る。

燃料ガスポート１０に供給される燃料ガスＧは、ガス供給管４２よりバルブユニット４４に導かれ、ガス供給管４２−１からバーナ部２４−１、ガス供給管４２−２からバーナ部２４−２に至る。バルブユニット４４は、燃料ガスＧを供給状態または遮断状態に切り替える元弁機能、給湯需要に応じて燃料ガスＧの供給を調整する比例弁機能、バーナ部２４−１、２４−２に対する燃料ガスＧの供給切替えを行う切替弁機能を備える。

給水ポート８と二次熱交換器３４の間には給水Ｗを二次熱交換器３４に給水する給水管４６が備えられる。この給水管４６には温度センサ４８、水量センサ５０、混合水制御弁５２が設置されている。温度センサ４８は給水Ｗの温度を検出する。水量センサ５０は、給水管４６に流れる給水量を検出する。混合水制御弁５２は、一次熱交換器３２および二次熱交換器３４で加熱された温水ＨＷと給水Ｗの混合を制御する。

給湯ポート６と一次熱交換器３２の間には一次熱交換器３２側に出湯管５４、給湯ポート６側に給湯管５６が備えられる。出湯管５４には温度センサ５８が設置される。この出湯管５４および給湯管５６の間には水制御弁６０が設置され、水制御弁６０と混合水制御弁５２の間にはバイパス管６２が接続されている。水制御弁６０は温水ＨＷの出湯量を制御する。給湯管５６には温度センサ６４が設置されている。

水量センサ５０から検出水量、温度センサ４８から給水温度を表す検出温度、温度センサ５８から出湯温度を表す検出温度、温度センサ６４から給湯温度を表す検出温度が制御装置６６に取り込まれる。制御装置６６はこれらの検出情報を取得してバルブユニット４４により燃焼ガス量を制御し、設定温度に制御された給湯温度での給湯を実現する。

図２は、バルブユニット４４の正面、図３は図２のIII −III 線で切断した切断端面、また、図４は２のIV−IV線で切断した切断端面を示している。図２ないし図４に示す構成は一例であり、斯かる構成に本開示が限定されるものではない。

このバルブユニット４４はバルブユニット筐体６７に入側ポート６８および第１および第２の出側ポート７０−１、７０−２を備え、入側ポート６８側に電磁バルブ７２、出側ポート７０−１側に電磁バルブ７４、出側ポート７０−２側に電磁バルブ７６を設置し、電磁バルブ７２と電磁バルブ７４、７６の間に比例ソレノイドバルブ７８を備える。

このバルブユニット４４によれば、図５に示すように、電磁バルブ７２および一方の電磁バルブ７４を開状態に制御すれば、出側ポート７０−１が選択される。この状態で、比例ソレノイドバルブ７８の弁開度を制御すれば、出側ポート７０−１から出る燃料ガス量が制御される。

また、図６に示すように、電磁バルブ７２および双方の電磁バルブ７４、７６を開状態に制御し、双方の出側ポート７０−１、７０−２が選択される。この状態で、比例ソレノイドバルブ７８の弁開度を制御すれば、双方の出側ポート７０−１、７０−２から出る燃料ガス量が制御される。

＜給湯制御＞
図７は、給湯装置２の給湯制御を示している。この給湯制御の制御工程には、給湯需要の発生（Ｓ１０１）、電磁バルブ７２、７４、７６の開弁（Ｓ１０２）、バーナ２４の着火（Ｓ１０３）、水量による燃料ガス量の制御（Ｓ１０４）、設定温度に給湯温度を制御（Ｓ１０５）、給湯需要の終了判定（Ｓ１０６）、電磁バルブ７２、７４、７６の閉弁（Ｓ１０７）、バーナ２４の消火（Ｓ１０８）などが含まれる。

給湯需要の発生（Ｓ１０１）： 給湯需要は温水供給管１６に接続されているたとえば、給湯バルブの開栓などによって生じる。この給湯需要は給水管１８からの給水Ｗを促す。この給水Ｗは水量センサ５０によって検出され、この水量センサ５０の検出出力が制御装置６６に取り込まれる。

電磁バルブ７２、７４、７６の開弁（Ｓ１０２）： 給湯需要の発生を契機に制御装置６６は、電磁バルブ７２、７４、７６を開弁する。この結果、燃料ガスＧがバーナ２４に流れる。
バーナ２４の着火（Ｓ１０３）： 給湯需要の発生を契機に制御装置６６はイグナイタ２６を起動し、点火プラグ２７によりバーナ２４に着火する。

水量による燃料ガス量の制御（Ｓ１０４）： 水量センサ５０の検出水量、温度センサ４８などの検出信号が燃料ガス量の制御信号として制御装置６６に取り込まれる。制御装置６６は、バルブユニット４４の比例ソレノイドバルブ７８の開度を制御する。
設定温度に給湯温度を制御（Ｓ１０５）： 制御装置６６は初期設定またはユーザーにより所望の給湯温度を設定することができる。温度センサ４８、５８、６４の検出温度、水量センサ５０の検出水量を受け、制御装置６６は、設定温度に給湯温度を制御し、給湯する。

給湯需要の終了判定（Ｓ１０６）： 給湯量は水量センサ５０で検出され、水量センサ５０の検出水量により制御装置６６は給湯需要の終了を判定する。
電磁バルブ７２、７４、７６の閉弁（Ｓ１０７）： 給湯需要の終了を契機に制御装置６６は、電磁バルブ７２、７４、７６を閉弁する。したがって、バーナ２４への燃料ガスＧの供給が停止される。
バーナ２４の消火（Ｓ１０８）： バーナ２４への燃料ガスＧの供給停止により、バーナ２４は消火となる。

図８は、バルブユニット４４の制御システム１０２を示している。図８において、図２ないし図６と同一部分には同一符号を付してある。
この制御システム１０２において、比例ソレノイドバルブ７８は通路１０８に導入される燃料ガスＧの比例制御に用いられる。弁室１１０には入側ポート１１２−１および出側ポート１１２−２が形成されている。通路１０８は電磁バルブ７２と電磁バルブ７４、７６（図４）の間に形成されている。この通路１０８に流入する燃料ガスＧは入側ポート１１２−１から弁室１１０に導かれ、弁室１１０から弁機構１１４を経て出側ポート１１２−２より通路１０８に流れる。

弁機構１１４は弁座１１６および弁体１１８を備える。弁座１１６は弁室１１０の壁面に固定され、弁体１１８は弁座１１６の弁座面に対して直交方向に移動する。
弁体１１８の中心軸上に形成された軸部１２０には支持部材１２２によりダイヤフラム１２４が取り付けられている。弁室１１０の内壁の間にはダイヤフラム１２４の外縁が支持されている。したがって、弁体１１８は弁室１１０に上下動可能にダイヤフラム１２４によって支持されており、燃料ガスＧの圧力が弁室１１０内に作用すると、ダイヤフラム１２４の膨出で弁体１１８が引き下げられる。

弁体１１８に対して可動磁極１２６が設置され、この可動磁極１２６と弁体１１８の軸部１２０が接している。つまり、可動磁極１２６がプランジャを構成する。この可動磁極１２６は、比例ソレノイド１２８に挿入され、弁体１１８の中心軸方向に移動可能である。比例ソレノイド１２８にはコイル１３０を挟んでヨーク１３２が設置されている。コイル１３０はコイルボビン１３４に巻回されて比例ソレノイド１２８に設置されている。したがって、ヨーク１３２は可動磁極１２６に対して固定磁極を構成する。

ヨーク１３２側には支持フレーム１３６が固定され、この支持フレーム１３６にはダイヤフラム１２４の膨出を許容する空間部１３８が形成されている。ヨーク１３２には支持部材１４０が固定されており、この支持部材１４０はスプリング支持部１４２を備える。可動磁極１２６にはスプリング挿入部１４４が形成され、このスプリング挿入部１４４とスプリング支持部１４２との間にコイル状のスプリング１４６が設置されている。したがって、スプリング１４６の復元力が可動磁極１２６に作用する。

制御装置６６はたとえば、駆動部１４８および制御部１５０を備え、駆動電流ｉｄの生成、極性反転およびレベル制御を行う。駆動部１４８は、制御部１５０の制御により駆動電流ｉｄを生成し、この駆動電流ｉｄを比例ソレノイド１２８に流す。制御部１５０はたとえば、コンピュータを備え、制御信号Ｓｉｎとしてたとえば、温度センサ、水量センサなどの各種センサの検出出力を受け、比例ソレノイドバルブ７８を制御するための情報処理を行う。この情報処理には、
(a) 駆動電流ｉｄの生成のための制御
(b) 弁体１１８の移動より速い周期による駆動電流ｉｄの極性反転
(c) 駆動電流ｉｄの電流レベルによる弁開度の制御
などが含まれる。

＜弁機構１１４＞
図９は、比例ソレノイドバルブ７８の弁機構１１４を拡大して示している。弁座１１６は弁室１１０に保持枠１５１により固定され、弁座１１６と弁室１１０の内壁面の間はＯリング１５２によって封止されている。
弁体１１８は円錐状面部１５４を備え、この円錐状面部１５４と弁座１１６の弁口部１５６とで弁機能を果たす。

弁室１１０には弁体１１８に対向し、弁体１１８の中心軸上にたとえば、円形の凹部１５８が形成されている。この凹部１５８に対向し、弁体１１８の径大面部には凸部１６０が形成されている。弁体１１８が移動した際、凸部１６０が弁室１１０側の凹部１５８に進入し、弁体１１８の移動を許容する。

＜弁駆動機構１６２による吸引力Ｆの生成＞
図１０は、比例ソレノイドバルブ７８の弁駆動機構１６２を示している。弁駆動機構１６２は、駆動電流ｉｄの励磁によって弁体１１８を上下方向に駆動する。
比例ソレノイド１２８に駆動電流ｉｄが流れると、比例ソレノイド１２８に磁界φが発生する。これによって可動磁極１２６およびヨーク１３２（固定磁極）が磁化され、可動磁極１２６およびヨーク１３２には互いに異なる磁極Ｎ、磁極Ｓが生成され、この磁極Ｎ−Ｓによる吸引力Ｆを受け、可動磁極１２６は吸引力Ｆの方向に移動する。駆動電流ｉｄの方向に関係なく、可動磁極１２６およびヨーク１３２には互いに異なる磁極Ｎ、磁極Ｓが生成されるので、磁極Ｎ−Ｓによる吸引力Ｆが働く。

＜駆動電流ｉｄの極性反転＞
駆動電流ｉｄを一定の周期で極性を反転させると、可動磁極１２６およびヨーク１３２には磁極Ｎ、磁極Ｓの極性が反転するも、両者間には同方向の吸引力Ｆが作用する。この結果、極性に関係なく、駆動電流ｉｄの電流レベルに応じた弁開度が得られる。
駆動電流ｉｄの反転により、可動磁極１２６およびヨーク１３２の着磁方向が反転するため、残留磁気が反転電流によって相殺され、残留磁気による影響を除くことができる。

＜比例ソレノイドバルブ７８の制御＞
図１１は、比例ソレノイドバルブ７８の制御の一例を示している。この制御には駆動電流ｉｄの生成（Ｓ２０１）、駆動電流ｉｄの極性反転（Ｓ２０２）、駆動電流ｉｄの電流レベル制御（Ｓ２０３）などが含まれる。
駆動電流ｉｄの生成（Ｓ２０１）： 制御装置６６は、比例ソレノイド１２８に流す駆動電流ｉｄを生成する。

駆動電流ｉｄの極性反転（Ｓ２０２）： 制御装置６６は、弁体１１８の移動速度より速い周期で駆動電流ｉｄの極性を反転させる。弁体１１８の移動は駆動電流ｉｄの電流レベルの変動に依存し、駆動電流ｉｄの極性反転は弁体１１８の移動速度により速い周期たとえば、ディザ周期Ｔｄの１／２の周期で行う。
駆動電流ｉｄの電流レベル制御（Ｓ２０３）： 制御装置６６は、駆動電流ｉｄの電流レベルを制御し、電流レベルに応じた弁開度に弁機構１１４を制御する。

図１２は、この制御工程における駆動電流ｉｄの極性反転およびレベル制御の一例を示している。この制御工程には制御信号Ｓｉｎの入力（Ｓ３０１）、順方向パルスのデューティ比の算出（Ｓ３０２）、逆方向パルスのデューティ比の算出（Ｓ３０３）、順方向パルスの生成（算出したデューティ比によるパルス制御の実行）（Ｓ３０４）、逆方向パルスの生成（算出したデューティ比によるパルス制御の実行）（Ｓ３０５）、弁開度の制御（Ｓ３０６）などが含まれる。
制御信号Ｓｉｎの入力（Ｓ３０１）： 制御装置６６は、弁機構１１４の弁開度を制御するための制御信号Ｓｉｎを受ける。この制御信号Ｓｉｎの信号レベルによって弁開度が制御される。

順方向パルスのデューティ比の算出（Ｓ３０２）： 制御装置６６は、後述する極性制御パルスＰｓｗ１（極性反転部）を除く順方向パルスのデューティ比を算出する。
逆方向パルスのデューティ比の算出（Ｓ３０３）： 制御装置６６は、後述する極性制御パルスＰｓｗ２（極性反転部）を除く逆方向パルスのデューティ比を算出する。

順方向パルスの生成（算出したデューティ比によるパルス制御の実行）（Ｓ３０４）： 制御装置６６は、比例ソレノイド１２８に流す順方向の駆動電流ｉｄを生成するための順方向パルスを生成する。この順方向パルスには、先頭部に極性反転部として、弁体１１８の移動より速く駆動電流ｉｄの電流方向を反転させるための極性制御パルスＰｓｗ１が含まれる。この極性制御パルスＰｓｗ１は、他の順方向パルスよりパルス幅が大きく、高デューティ比パルスとなっている。順方向パルスにおける極性反転部は、逆方向の駆動電流ｉｄの極性を順方向の駆動電流ｉｄに切り替えるために用いられる。

逆方向パルスの生成（算出したデューティ比によるパルス制御の実行）（Ｓ３０５）： 制御装置６６は、比例ソレノイド１２８に流す逆方向の駆動電流ｉｄを生成するための逆方向パルスを生成する。この逆方向パルスには、先頭部に極性反転部として、弁体１１８の移動より速く駆動電流ｉｄの電流方向を反転させるための極性制御パルスＰｓｗ２が含まれる。この極性制御パルスＰｓｗ２は、他の逆方向パルスよりパルス幅が大きく、高デューティ比パルスとなっている。逆方向パルスにおける極性反転部は、順方向の駆動電流ｉｄの極性を逆方向の駆動電流ｉｄに切り替えるために用いられる。
弁開度の制御（Ｓ３０６）： 制御装置６６は、制御信号Ｓｉｎの信号レベルに応じて駆動電流ｉｄの電流レベルを制御し、弁開度を制御する。

＜駆動電流ｉｄの極性反転、そのレベル制御および吸引力Ｆ＞
図１３のＡは、順方向パルスの一例である順方向ＰＷＭパルスを示している。この順方向パルスは、ディザ周期Ｔｄの１／２（＝Ｔｄ／２）の期間で生成され、先頭部に極性反転部として極性制御パルスＰｓｗ１が含まれる。極性制御パルスＰｓｗ１は、逆方向の駆動電流ｉｄを順方向に切り替える極性反転期間を短くするために一定のパルス幅を有する。
これに対し、極性制御パルスＰｓｗ１を除く順方向ＰＷＭパルスのデューティ比は制御信号Ｓｉｎによって制御される。図１３のＡでは説明の都合上、一定のデューティ比としているが、弁開度に応じて異なるデューティ比に制御される。

図１３のＢは、逆方向パルスの一例である逆方向ＰＷＭパルスを示している。この逆方向パルスは、ディザ周期Ｔｄの１／２（＝Ｔｄ／２）の期間で生成され、先頭部に極性反転部として極性制御パルスＰｓｗ２が含まれる。極性制御パルスＰｓｗ２は、順方向の駆動電流ｉｄを逆方向に切り替える極性反転期間を短くするために一定のパルス幅を有する。この実施の形態では、極性制御パルスＰｓｗ１、Ｐｓｗ２は同一パルス幅である。
これに対し、極性制御パルスＰｓｗ２を除く逆方向ＰＷＭパルスのデューティ比は制御信号Ｓｉｎによって制御される。図１３のＢでは説明の都合上、一定のデューティ比としているが、弁開度に応じて異なるデューティ比に制御される。

図１３のＣは、順方向または逆方向に流れる駆動電流ｉｄを示している。駆動電流ｉｄは、極性制御パルスＰｓｗ１により、ディザ周期Ｔｄの２分の１の周期ごとに逆方向の駆動電流ｉｄから順方向の駆動電流ｉｄに切り替えられる。同様に、駆動電流ｉｄは、極性制御パルスＰｓｗ２により、ディザ周期Ｔｄの２分の１の周期ごとに順方向の駆動電流ｉｄから逆方向の駆動電流ｉｄに切り替えられる。
この極性反転を伴う駆動電流ｉｄは、順方向ＰＷＭパルスまたは逆方向ＰＷＭパルスのデューティ比に依存し、その電流レベルが制御される。

図１３のＤは、可動磁極１２６およびヨーク１３２（固定磁極）に作用する吸引力Ｆを示している。比例ソレノイド１２８は、極性反転を伴い且つレベル制御された駆動電流ｉｄによって励磁され、可動磁極１２６およびヨーク１３２が磁化される。ディザ周期Ｔｄの２分の１の周期ごとに異なる磁極対に反転するが、可動磁極１２６およびヨーク１３２間に生じる吸引力Ｆは、駆動電流ｉｄのレベルに依存する。

＜第１の実施の形態の効果＞
第１の実施の形態によれば、次の何れかの効果が得られる。
(1) ディザ周期Ｔｄの２分の１周期（＝Ｔｄ／２）で駆動電流ｉｄの極性を反転させて比例ソレノイド１２８による可動磁極１２６およびヨーク１３２間の磁極を反転させるので、残留磁気を相殺できる。この極性反転は、弁機構１１４の開閉より速い周期で行われるので、弁開度の制御に影響しない。
(2) 極性反転の時間間隔において、駆動電流ｉｄは順方向ＰＷＭパルスまたは逆方向ＰＷＭパルスのデューティ比により電流レベルを制御するので、駆動電流ｉｄの極性反転に影響されることなく、駆動電流ｉｄの電流レベルによって弁機構１１４の弁開度を制御できる。

〔第２の実施の形態〕
図１４は、第２の実施の形態に係る比例ソレノイドバルブ７８の制御システム１０２を示している。図１４の構成において、図８と同一部分には同一符号を付してある。
駆動部１４８には、電源１６４、駆動ブリッジ回路１６６、順方向駆動回路１６８−１、逆方向駆動回路１６８−２が含まれる。電源１６４は駆動電流ｉｄの電流源を構成する。
駆動ブリッジ回路１６６は、Ｐｃｈ−ＦＥＴ（Ｐチャネル−電界効果トランジスタ）１７１、１７２、Ｎｃｈ−ＦＥＴ（Ｎチャネル−電界効果トランジスタ）１７３、１７４を含む。

順方向駆動回路１６８−１は、制御部１５０から順方向ＰＷＭパルスを受け、駆動ブリッジ回路１６６から比例ソレノイド１２８に順方向の駆動電流ｉｄを流す。これに対し、逆方向駆動回路１６８−２は、制御部１５０から逆方向ＰＷＭパルスを受け、駆動ブリッジ回路１６６から比例ソレノイド１２８に逆方向の駆動電流ｉｄを流す。つまり、ディザ周期Ｔｄの半周期（＝Ｔｄ／２）でＰｃｈ−ＦＥＴ１７２およびＮｃｈ−ＦＥＴ１７３の導通により順方向の駆動電流ｉｄが比例ソレノイド１２８に流れ、ディザ周期Ｔｄの次の半周期（＝Ｔｄ／２）でＰｃｈ−ＦＥＴ１７１およびＮｃｈ−ＦＥＴ１７４の導通により逆方向の駆動電流ｉｄが比例ソレノイド１２８に流れる。

制御部１５０は制御回路１７６、パルス発生部１７８、ＰＷＭ生成部１８０、論理回路１８２を備える。制御回路１７６はマイクロコンピュータで構成され、プロセッサ１８４、記憶部１８６、入出力部（Ｉ／Ｏ）１８８を備える。プロセッサ１８４は、記憶部１８６にある制御プログラムを実行し、制御信号Ｓｉｎに応じたパルス幅制御などの制御を実行する。
斯かる制御および制御情報には、
ａ）駆動電流ｉｄを生成するための制御情報
ｂ）弁体１１８の移動より速い周期で駆動電流ｉｄの極性を反転させる制御情報
ｃ）駆動電流ｉｄの電流レベルによって弁開度を制御する制御情報
ｄ）極性制御パルスを除く順方向パルスのデューティ比の算出
ｅ）極性制御パルスを除く逆方向パルスのデューティ比の算出
ｆ）逆方向の駆動電流ｉｄの極性を順方向に切り替える制御パルスを含む順方向パルスの生成（算出したパルス制御の実行）
ｇ）順方向の駆動電流ｉｄの極性を逆方向に切り替える制御パルスを含む逆方向パルスの生成（算出したパルス制御の実行）
が含まれる。

記憶部１８６は本開示のプログラムを格納する記録媒体の一例である。この記憶部１８６にはＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random-Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ）などの記憶素子が用いられ、各種制御情報の生成や記憶に用いられる。
Ｉ／Ｏ１８８は、制御信号Ｓｉｎの取込みや制御情報の生成を行う。
パルス発生部１７８は、一定周期のクロックパルスを生成し、このクロックパルスの分周または倍周により一定周期のパルスを生成する。

ＰＷＭ生成部１８０には順方向ＰＷＭパルス生成機能および逆方向ＰＷＭパルス生成機能を備え、制御信号Ｓｉｎの信号レベルに応じたデューティ比を持つ順方向ＰＷＭパルスまたは逆方向ＰＷＭパルスを生成し、論理回路１８２に出力する。
論理回路１８２は、パルス発生部１７８からディザ周期Ｔｄの２分の１の周期に同期する制御パルスを受け、Ｔｄ／２に同期して順方向ＰＷＭパルスと逆方向ＰＷＭパルスを出力する。順方向ＰＷＭパルスは順方向駆動回路１６８−１に提供され、逆方向ＰＷＭパルスは逆方向駆動回路１６８−２に提供される。

＜第２の実施の形態の効果＞
第２の実施の形態によれば、次の何れかの効果が得られる。
(1) ディザ周期Ｔｄの２分の１周期（＝Ｔｄ／２）で駆動電流ｉｄの極性を反転させて比例ソレノイド１２８による可動磁極１２６およびヨーク１３２間の磁極を反転させるので、残留磁気を相殺でき、ヒステリシス特性を改善できる。
(2) 極性反転の時間間隔において、駆動電流ｉｄは順方向ＰＷＭパルスまたは逆方向ＰＷＭパルスのデューティ比により電流レベルを制御でき、駆動電流ｉｄの極性反転に影響されることなく、駆動電流ｉｄの電流レベルによって弁機構１１４の弁開度の制御性を高めることができる。

(3) 比例ソレノイドバルブ７８における残留磁気の影響を軽減ないし回避できるので、燃料ガスＧの増加方向と減少方向における駆動電流ｉｄに対する弁開度の差が小さく、燃料ガスＧの増減の差異を防止できる。
(4) 燃焼状態の変化が抑制され、燃焼状態を安定化できる。
(5) 給湯制御の制御性が高められ、燃料ガスＧの増加方向と減少方向での出湯温度のずれを防止できる。
(6) 製造ラインにおいて、比例ソレノイドバルブ通過後のガス二次圧の設定が容易になり、給湯装置２の生産効率を高めることができる。

〔第３の実施の形態〕
図１５は、第３の実施の形態に係るバルブユニット４４および制御システム２００を示している。図１５の構成において、図８および図１４と同一部分には同一符号を付してある。
第２の実施の形態（図１４）では制御装置６６に駆動部１４８および制御部１５０を備えている。これに対し、第３の実施の形態の制御システム２００ではバルブユニット筐体６７の内部に比例ソレノイドバルブ７８とともに駆動部１４８および制御部１５０を設置している。そして、このバルブユニット４４の外部に制御装置６６を備えている。

制御装置６６はたとえば、コンピュータで構成され、プロセッサ２０２、記憶部２０４およびＩ／Ｏ２０６を備える。プロセッサ２０２は記憶部２０４に格納されている給湯制御プログラムなどを実行する。この情報処理には水量センサ５０、温度センサ４８、５８、６４などの検出情報を用いる給湯温度などの制御が含まれる。
この制御装置６６において、プロセッサ２０２と既述のプロセッサ１８４を共用し、記憶部２０４と既述の記憶部１８６を共用し、Ｉ／Ｏ２０６はＩ／Ｏ１８８を共用させてよい。

＜第３の実施の形態の効果＞
第３の実施の形態によれば、次の何れかの効果が得られる。
(1) 第１の実施の形態または第２の実施の形態と同様の効果が得られる。
(2) バルブユニット４４に比例ソレノイドバルブ７８の制御機能を一体化でき、制御装置６６のコンパクト化を図ることができるとともに、メンテナンスを容易化できる。

〔実験結果〕
図１６は、横軸に時間、縦軸に比例ソレノイドバルブ７８のガス二次圧を取り、極性切替えを伴わない駆動電流ｉｄで駆動した比例ソレノイドバルブ７８の出力特性を示している。
極性反転を伴わない駆動電流ｉｄで比例ソレノイド１２８を励磁した場合には、一方向の駆動電流ｉｄで励磁されるため、残留磁気の影響を除くことができない。つまり、残留磁気と同方向となる駆動電流ｉｄでは、磁化が強調されるのに対し、残留磁気と逆方向となる駆動電流ｉｄでは、残留磁気の相殺のために、駆動電流ｉｄによる磁化が損なわれる。この結果、制御信号Ｓｉｎと弁開度によるガス二次圧との間のヒステリシスｈの影響が顕著になる。

図１７は、同様に、横軸に時間、縦軸に比例ソレノイドバルブ７８のガス二次圧を取り、極性切替えを伴う駆動電流ｉｄで駆動した比例ソレノイドバルブ７８の出力特性を示している。
極性反転を伴う駆動電流ｉｄで比例ソレノイド１２８を励磁した場合には、極性反転によって駆動電流ｉｄで残留磁気が相殺され、残留磁気の影響がない駆動電流ｉｄと弁開度によるガス二次圧の関係が得られる。この結果、制御信号Ｓｉｎと弁開度との間のヒステリシスｈの影響は無視できる程度に改善されている。

〔他の実施の形態〕
(1) 上記実施の形態では、ＰＷＭ制御を例示しているが、比例ソレノイドバルブ７８の制御をＰＷＭ制御以外の制御を用いてもよい。
(2) 駆動電流ｉｄの反転周期をディザ周期Ｔｄの２分の１に設定しているが、弁体１１８の移動速度より速ければよく、実施例の周期に限定されない。
(3) 上記実施の形態では、順方向パルスまたは逆方向パルスに含まれる極性反転部に極性制御パルスを例示しているが、この極性制御パルスは、ＰＷＭ制御で生成されるパルスの他、ＰＷＭ制御と別個に生成される極性反転パルスを用いてもよい。この極性反転パルスは、駆動電流ｉｄの極性反転に最適な極性反転タイミングを含む周期を備え、且つ最適な時間幅に設定されたパルス幅を備えればよい。
(4) 第１の実施の形態では熱源装置の一例として、給湯装置を例示しているが、この給湯装置に代え、追焚き給湯装置、暖房給湯装置などでもよい。

以上説明したように、本発明の構成の最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明によれば、駆動電流によって可動磁極と固定磁極（ヨーク）の磁極関係を反転させて残留磁気を相殺でき、残留磁気の影響を受けない磁力によって弁機構を駆動でき、比例ソレノイドバルブのヒステリシス特性を改善できるので、比例ソレノイドバルブを用いた熱源装置での燃料制御、給湯制御などの制御性を改善できる。

Ｇ 燃料ガス
２ 給湯装置
４ 筐体
６ 給湯ポート
８ 給水ポート
１０ 燃料ガスポート
１２ ドレンポート
１４ 排気口
１６ 温水供給管
１８ 給水管
２０ ガス管
２２ 燃焼室
２４ バーナ
２４−１、２４−２ バーナ部
２６ イグナイタ
２７ 点火プラグ
２８ フレームロッド
３０ 給気ファン
３２ 一次熱交換器
３４ 二次熱交換器
３５ 連結管
３６ ドレン受け
３８ ドレンタンク
４０ ドレン排出管
４２ ガス供給管
４２−１、４２−２ ガス供給管
４４ バルブユニット
４６ 給水管
４８ 温度センサ
５０ 水量センサ
５２ 混合水制御弁
５４ 出湯管
５６ 給湯管
５８ 温度センサ
６０ 水制御弁
６２ バイパス管
６４ 温度センサ
６６ 制御装置
６７ バルブユニット筐体
６８ 入側ポート
７０−１、７０−２ 出側ポート
７２ 電磁バルブ
７４、７６ 電磁バルブ
７８ 比例ソレノイドバルブ
１０２、２００ 制御システム
１０８ 通路
１１０ 弁室
１１２−１ 入側ポート
１１２−２ 出側ポート
１１４ 弁機構
１１６ 弁座
１１８ 弁体
１２０ 軸部
１２２ 支持部材
１２４ ダイヤフラム
１２６ 可動磁極
１２８ 比例ソレノイド
１３０ コイル
１３２ ヨーク
１３４ コイルボビン
１３６ 支持フレーム
１３８ 空間部
１４０ 支持部材
１４２ スプリング支持部
１４４ スプリング挿入部
１４６ スプリング
１４８ 駆動部
１５０ 制御部
１５１ 保持枠
１５２ Ｏリング
１５４ 円錐状面部
１５６ 弁口部
１５８ 凹部
１６０ 凸部
１６２ 弁駆動機構
１６４ 電源
１６６ 駆動ブリッジ回路
１６８−１ 順方向駆動回路
１６８−２ 逆方向駆動回路
１７１、１７２ Ｐｃｈ−ＦＥＴ
１７３、１７４ Ｎｃｈ−ＦＥＴ
１７６ 制御回路
１７８ パルス発生部
１８０ ＰＷＭ生成部
１８２ 論理回路
１８４、２０２ プロセッサ
１８６、２０４ 記憶部
１８８、２０６ 入出力部（Ｉ／Ｏ）

Claims (12)

1. 燃料ガスを燃焼させるバーナと、
   比例ソレノイドの励磁によって弁開度が制御され、前記バーナに供給する燃料ガスを通過させる比例ソレノイドバルブと、
   前記比例ソレノイドを励磁する駆動電流を生成し、該駆動電流を前記比例ソレノイドに流す駆動部と、
   弁体の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させ、前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする、熱源装置。
2. さらに、前記燃料ガスの燃焼熱を被加熱流体に熱交換する熱交換器と、
   前記被加熱流体の温度を検出する温度センサと、
   を備え、前記制御部は、前記被加熱流体の検出温度を受け、前記弁開度を制御することを特徴とする、請求項１に記載の熱源装置。
3. さらに、前記制御部は、
   逆方向の前記駆動電流の極性を順方向に反転させる極性反転部を含む順方向パルスを生成し、順方向の前記駆動電流の極性を逆方向に反転させる極性反転部を含む逆方向パルスを生成する論理回路と、
   極性反転部を除く前記順方向パルスのデューティ比、または、極性反転部を除く前記逆方向パルスのデューティ比を制御するパルス幅制御部と、
   を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の熱源装置。
4. 燃料ガスの制御に比例ソレノイドバルブを用いる制御方法であって、
   前記比例ソレノイドバルブを駆動する駆動電流を生成する工程と、
   前記比例ソレノイドバルブを通過した燃料ガスを燃焼させる工程と、
   弁体の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させる工程と、
   前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する工程と、
   を含むことを特徴とする、制御方法。
5. 前記燃料ガスの燃焼熱を被加熱流体に熱交換する工程と、
   前記被加熱流体の温度を検出し、前記被加熱流体の検出温度により前記弁開度を制御する工程と、
   を含むことを特徴とする、請求項４に記載の制御方法。
6. さらに、逆方向の前記駆動電流の極性を順方向に反転させる極性反転部を含む順方向パルスを生成する工程と、
   順方向の前記駆動電流の極性を逆方向に反転させる極性反転部を含む逆方向パルスを生成する工程と、
   極性反転部を除く前記順方向パルスのデューティ比を制御する工程と、
   極性反転部を除く前記逆方向パルスのデューティ比を制御する工程と、
   を含むことを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の制御方法。
7. コンピュータにより実現するプログラムであって、
   比例ソレノイドを励磁する駆動電流を生成するための制御情報を生成する機能と、
   弁体の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させる制御情報を生成する機能と、
   前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する制御情報を生成する機能と、
   を前記コンピュータにより実現するプログラム。
8. さらに、逆方向の前記駆動電流の極性を順方向に反転させる極性反転部を含む順方向パルスを生成する機能と、
   順方向の前記駆動電流の極性を逆方向に反転させる極性反転部を含む逆方向パルスを生成する機能と、
   極性反転部を除く前記順方向パルスのデューティ比を制御する機能と、
   極性反転部を除く前記逆方向パルスのデューティ比を制御する機能と、
   を前記コンピュータにより実現する請求項７に記載のプログラム。
9. 請求項７または請求項８に記載のプログラムを格納したことを特徴とする記録媒体。
10. 励磁によって弁開度を制御する比例ソレノイドを励磁する駆動電流を生成し、該駆動電流を前記比例ソレノイドに流す駆動部と、
    弁体の移動より速い周期で前記駆動電流の極性を反転させ、前記駆動電流の電流レベルによって弁開度を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする、制御装置。
11. 前記制御部は、逆方向の前記駆動電流の極性を順方向に反転させる極性反転部を含む順方向パルスを生成し、順方向の前記駆動電流の極性を逆方向に反転させる極性反転部を含む逆方向パルスを生成する論理回路と、
    極性反転部を除く前記順方向パルスのデューティ比、または、極性反転部を除く前記逆方向パルスのデューティ比を制御するパルス幅制御部と、
    を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の制御装置。
12. 請求項１ないし請求項３の何れかの請求項に記載された熱源装置、請求項４ないし請求項６の何れかの請求項に記載された制御方法、請求項７または請求項８に記載されたプログラム、請求項９に記載の記録媒体、請求項１０または請求項１１に記載された制御装置の何れかを備えて給水を加熱し、設定温度に加熱した給湯温度で温水を給湯することを特徴とする、給湯装置。
    

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