CN116263246A - 气体燃烧装置 - Google Patents

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CN116263246A CN202211077961.3A CN202211077961A CN116263246A CN 116263246 A CN116263246 A CN 116263246A CN 202211077961 A CN202211077961 A CN 202211077961A CN 116263246 A CN116263246 A CN 116263246A
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Abstract

可简化构造、降低成本、实时掌握燃烧状态、维持良好的燃烧状态的气体燃烧装置。包括：气体燃烧器；火焰棒，暴露于气体燃烧器的火焰中并产生火焰电流；以及控制单元，控制燃烧，基于将气体燃烧器的燃烧火焰数设为n及将总燃烧火焰数设为N、将燃料气体的气体单位发热量设为H及将气体需要空气率设为m、将气体量设为Qg、将空气量设为Qa、将与有助于火焰电流的火焰数成比例的常数设为k1、将有助于火焰棒的施加电压及电阻值的常数设为k2时，由燃烧特性式If＝[k1ln(HQg/n)+k2]exp[‑(nQa/NmQg‑1)2]算出的算出火焰电流值If、与火焰棒的实测火焰电流值，来控制供给到气体燃烧器的气体量和/或空气量。

Description

气体燃烧装置
技术领域
本发明涉及一种向燃料气体混合空气而使其燃烧的气体燃烧装置，尤其涉及一种在利用火焰棒等火焰传感器控制燃烧的同时提供所要求的输出火力的气体燃烧装置。
背景技术
以前，作为对气体燃烧装置的燃烧器(burner)的燃烧状态进行检测的方法，已知有使用利用火焰的导电作用的火焰棒(flame rod)的火焰电流的方法。
因此，在包括可对燃烧模式多级地进行切换的多级切换式燃烧器的燃烧装置中，在使用一个火焰棒对燃烧状态进行检测的情况下，因自未燃烧的燃烧器产生剩余空气，从而检测到包含大量空气的燃烧状态的火焰电流，无法检测到正确的燃烧状态。
因此，若使用多个火焰棒或其他燃烧传感器，则会导致构造的复杂化、高成本化等。
且说，作为以前的气体燃烧装置，已知有如下热水供应装置，其包括：燃烧部，包括第一燃烧器部及第二燃烧器部，所述第一燃烧器部设置有对在燃烧器中生成的火焰的燃烧状态进行检测的火焰棒，所述第二燃烧器部并未设置火焰棒；燃烧控制部，对根据热水供应要求来设定的燃烧部的燃烧模式进行监视，且在不使第一燃烧器部燃烧的第二燃烧模式持续一定时间的情况下，变更为使第一燃烧器部燃烧的第一燃烧模式；以及燃烧调整控制部，取入由火焰棒检测到的第一燃烧器部的燃烧状态的信息并执行燃烧部的燃烧调整处理(例如，参照专利文献1)。
在所述热水供应装置中，采用如下控制方法：在由火焰棒无法检测到的燃烧模式持续了一定时间的情况下，切换为由火焰棒可检测到的燃烧模式。因此，在由火焰棒无法检测到的一定时间的燃烧模式中，无法实时检测燃烧状态，无法将燃烧控制为可抑制CO或NOx的排出量的良好的燃烧状态。
另外，作为其他的气体燃烧装置，已知有如下气体燃烧式热水供应装置，其包括：气体比例阀，控制对燃烧器的燃料气体供给压力；风机，用于以与转速相应的空气量供给空气；控制构件，设定在燃烧器中产生目标产热量的目标气体压力以及供给成为规定空燃比的空气量的目标转速；风机控制部，根据目标转速来控制风机的转速；以及转速检测器，检测风机的转速(例如参照专利文献2)。在所述热水供应装置中，考虑到因转速检测器而产生的感测延迟来决定燃料气体的供给压力(气体量)，以在风机的目标转速经变更的过渡时维持空燃比。
如此，在以前的气体燃烧装置中，在进行空气与燃料气体的空燃比控制的过渡状态下，所供给的空气量的响应比所供给的气体量的响应慢，因此需要考虑了两者的响应性的控制，故而控制复杂。另外，成为风机及风机马达的动态特性对系统的响应性产生影响的构造。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2020-143862号公报
[专利文献2]日本专利特开2014-122763号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
本发明是鉴于所述情况而成，其目的在于提供一种气体燃烧装置，其可在实现构造的简化、低成本化等的同时，一同考虑到剩余空气来实时地掌握燃烧状态，且可维持良好的燃烧状态，并且提高应供给的空气量的响应性。
[解决问题的技术手段]
本发明的气体燃烧装置呈如下结构，包括：气体燃烧器，根据输出火力使燃料气体与空气混合并使其燃烧；火焰棒，暴露于气体燃烧器的火焰中并产生火焰电流；以及控制单元，对燃烧进行控制，控制单元基于将气体燃烧器的燃烧火焰数设为n及将总燃烧火焰数设为N、将燃料气体的气体单位发热量设为H及将气体需要空气率设为m、将气体量设为Qg、将空气量设为Qa、将与有助于火焰电流的火焰数成比例的常数设为k1、将有助于火焰棒的施加电压及电阻值的常数设为k2时，由下述燃烧特性式
If＝[k1ln(HQg/n)+k2]exp[-(nQa/NmQg-1)2]
算出的算出火焰电流值If、与火焰棒的实测火焰电流值，来控制供给到气体燃烧器的气体量和/或空气量。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，控制单元在实测火焰电流值偏离算出火焰电流值时，以减少或增加气体量和/或空气量的方式进行控制，以使实测火焰电流值与算出火焰电流值一致。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，气体燃烧器为产生对应于输出火力的大小而供给的气体量不同的多种能力的多级切换式气体燃烧器，控制单元包括存储部，所述存储部存储对应于多种能力并基于所述燃烧特性式算出的特性信息。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，存储部中所存储的特性信息包括表示燃料气体的气体量与算出火焰电流值的关系的特性信息。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，包括：气体量调整阀，调整针对气体燃烧器的燃料气体的气体量；以及空气量调整单元，调整混合到燃料气体的空气量，并且控制单元对气体量调整阀及空气量调整单元进行控制。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，控制单元包括：输出火力算出部，算出输出火力；能力切换部，基于输出火力算出部的输出火力信息进行切换为所需能力的判定；以及修正量算出部，将实测火焰电流值与算出火焰电流值加以比较来算出基于其偏差的修正量，所述控制单元基于输出火力信息、能力切换部的能力编号信息、及修正量算出部的修正量信息对气体量调整阀进行控制。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，控制单元基于输出火力信息及能力编号信息对空气量调整单元进行控制。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，空气量调整单元包括：风机，以固定转速被旋转驱动，以产生流向气体燃烧器的空气的流动；以及空气量调整阀，对供给到气体燃烧器的空气量进行调整，控制单元包括：目标开度算出部，基于输出火力信息与能力切换部的能力编号信息算出空气量调整阀的目标开度；以及开度控制部，基于目标开度算出部的目标开度信息控制空气量调整阀的开度。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，控制单元以按多种能力中的每一种设定的固定转速对风机进行旋转驱动。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，空气量调整单元包括：风机，以固定转速被旋转驱动，以产生流向气体燃烧器的空气的流动；以及空气量调整阀，对供给到气体燃烧器的空气量进行调整，控制单元包括：目标开度算出部，基于输出火力信息与能力切换部的能力编号信息算出空气量调整阀的目标开度；开度控制部，基于目标开度算出部的目标开度信息控制空气量调整阀的开度；目标转速算出部，基于输出火力信息与能力编号信息算出风机的目标转速；以及旋转控制部，基于目标转速算出部的目标转速信息以固定转速对风机进行旋转驱动。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，空气量调整阀包括：驱动源、以及由驱动源加以开闭驱动的蝶阀。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，驱动源为步进马达。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，风机包括产生旋转驱动力的马达，马达为交流(Alternating Current，AC)马达。
在所述气体燃烧装置中，也可采用如下结构，即，包括：换热器，与气体燃烧器邻接配置。
[发明的效果]
根据形成所述结构的气体燃烧装置，可在达成构造的简化、低成本化等的同时，掌握燃烧状态并维持良好的燃烧状态，且可提高应供给的空气量的响应性，获得所期望的输出火力。
附图说明
图1为表示本发明的第一实施方式的气体燃烧装置的结构的框图。
图2为第一实施方式的气体燃烧装置的局部图。
图3为表示在第一实施方式的气体燃烧装置中、与多级切换式气体燃烧器的能力(能力1～能力4)相应的燃烧状态(燃烧火焰数与火焰棒的关系)的示意图。
图4为表示在第一实施方式的气体燃烧装置中、控制单元的结构的框图。
图5为表示在第一实施方式的气体燃烧装置中所包括的空气量调整阀中、阀开度与空气量的关系的图表。
图6为表示在本发明的气体燃烧装置中、按能力(能力1～能力4)中的每一种实测到的空气比λ与火焰电流的关系的图表。
图7为表示在本发明的气体燃烧装置中、按能力(能力1～能力4)中的每一种实测到的燃料气体的气体量与火焰电流的关系的图表。
图8为表示在本发明的气体燃烧装置中、使用燃烧特性式按能力(能力1～能力4)中的每一种算出的燃料气体的气体量与火焰电流的关系的图表。
图9为表示在本发明的气体燃烧装置中、实测火焰电流值与基于燃烧特性式的算出火焰电流值的偏差、和燃料气体的气体量的关系的图表。
图10为表示在本发明的气体燃烧装置中、控制单元的动作整体的控制的流程图。
图11为表示在本发明的气体燃烧装置中、控制单元的燃烧控制的流程图。
图12为表示在本发明的第二实施方式的气体燃烧装置中、控制单元的结构的框图。
[符号的说明]
20：气体燃烧器
25：火焰棒
30：气体供给配管
40：气体量调整阀
51、52、53：气体切换阀
60：空气量调整阀(空气量调整单元)
61：蝶阀
62：驱动源(步进马达)
70：风机(空气量调整单元)
72：马达(AC马达)
80：换热器
100：热水供应配管
n：燃烧火焰数
N：总燃烧火焰数
H：气体单位发热量
m：气体需要空气率
Qg：气体量
Qa：空气量
If：算出火焰电流值
Ia：实测火焰电流值
k1：与有助于火焰电流的火焰数成比例的常数
k2：有助于火焰棒的施加电压及电阻值的常数
110：控制单元
113：输出火力算出部
114：能力切换部
115：目标开度算出部
116：开度控制部
120：存储部
121：修正量算出部
210：控制单元
211：目标转速算出部
212：旋转控制部
具体实施方式
以下，一边参照随附附图，一边对本发明的实施方式进行说明。
如图1及图2所示，第一实施方式的气体燃烧装置包括：壳体10、气体燃烧器20、点火器24、火焰棒25、气体供给配管30、气体量调整阀40、气体切换阀51、气体切换阀52、气体切换阀53、空气量调整阀60、风机70、换热器80、供水配管90、热水供应配管100、控制单元110。
此处，气体燃烧装置构成为燃气热水器。另外，由空气量调整阀60及风机70构成空气量调整单元。
壳体10由耐热性的金属板等形成，如图2所示，包括内部空间11、吸入口12、排出口13，所述内部空间11围绕气体燃烧器20及换热器80，所述吸入口12朝内部空间11吸入空气，所述排出口13从内部空间11排出燃烧气体。
如图2及图3所示，气体燃烧器20包括多个气体喷出口，且包括多个(四个)第一喷出口21、多个(两个)第二喷出口22、多个(九个)第三喷出口23，所述多个(四个)第一喷出口21喷出由第一分支供给管32供给的燃料气体，所述多个(两个)第二喷出口22喷出由第二分支供给管33供给的燃料气体，所述多个(九个)第三喷出口23喷出由第三分支供给管34供给的燃料气体。
第一喷出口21作为将通过气体量调整阀40及气体切换阀51的开阀而供给的燃料气体喷出的燃烧器1发挥功能。并且，在从第一喷出口21喷出的燃料气体燃烧时，燃烧火焰数为四个。
第二喷出口22作为将通过气体量调整阀40及气体切换阀52的开阀而供给的燃料气体喷出的燃烧器2发挥功能。并且，在从第二喷出口22喷出的燃料气体燃烧时，燃烧火焰数为两个。
第三喷出口23作为将通过气体量调整阀40及气体切换阀53的开阀而供给的燃料气体喷出的燃烧器3发挥功能。并且，在从第三喷出口23喷出的燃料气体燃烧时，燃烧火焰数为九个。
另外，气体燃烧器20产生根据输出火力的大小而供给的燃料气体的气体量不同的多种能力，即，能力1、能力2、能力3及能力4。
在能力1中，通过气体量调整阀40及气体切换阀51的开阀，仅燃烧器1燃烧，且不对燃烧器2及燃烧器3供给燃料气体而是仅供给空气。
在能力2中，通过气体量调整阀40及气体切换阀51、气体切换阀52的开阀，燃烧器1及燃烧器2燃烧，且不对燃烧器3供给燃料气体而是仅供给空气。
在能力3中，通过气体量调整阀40及气体切换阀52、气体切换阀53的开阀，燃烧器2及燃烧器3燃烧，且不对燃烧器1供给燃料气体而是仅供给空气。
在能力4中，通过气体量调整阀40及气体切换阀51、气体切换阀52、气体切换阀53的开阀，燃烧器1、燃烧器2、及燃烧器3燃烧。
即，在能力1的燃烧模式时燃烧火焰数n为4，在能力2的燃烧模式时燃烧火焰数n为6，在能力3的燃烧模式时燃烧火焰数n为11，在能力4的燃烧模式时燃烧火焰数n为15。
因此，在从第一喷出口21、第二喷出口22、及第三喷出口23喷出的燃料气体全部燃烧时，能够燃烧的总火焰数、即总燃烧火焰数N为15。
点火器24对燃料气体进行点火，基于控制单元110的指令进行工作。
如图2及图3所示，火焰棒25以暴露于气体燃烧器20的火焰中的方式配置，且监视在对与气体燃烧器20之间施加了电压的状态下是否存在火焰，即，暴露于火焰中时产生火焰电流。并且，从火焰棒25输出的火焰电流的信息被输入到控制单元110。
此处，如图3所示，火焰棒25以如下方式配置：在能力1的燃烧模式中暴露于燃烧器1的一个火焰中，在能力2的燃烧模式中暴露于燃烧器1的一个火焰及燃烧器2的两个火焰中，在能力3的燃烧模式中暴露于燃烧器2的两个火焰中，在能力4的燃烧模式中暴露于燃烧器1的一个火焰及燃烧器2的两个火焰中。
即，火焰棒25并非暴露于与输出火力的大小对应的火焰数中的配置。因此，为了对此进行补充，对火焰棒25的实测火焰电流值Ia基于由以下叙述的燃烧特性式(2)算出的算出火焰电流值If进行修正处理。
如图1及图2所示，气体供给配管30包括上游侧配管31、第一分支供给管32、第二分支供给管33、及第三分支供给管34。
上游侧配管31位于第一分支供给管32、第二分支供给管33、及第三分支供给管34的上游侧，在其中途配置有气体量调整阀40。
第一分支供给管32经由气体切换阀51连通到气体燃烧器20的第一喷出口21(燃烧器1)。
第二分支供给管33经由气体切换阀52连通到气体燃烧器20的第二喷出口22(燃烧器2)。
第三分支供给管34经由气体切换阀53连通到气体燃烧器20的第三喷出口23(燃烧器3)。
如图1所示，气体量调整阀40在气体供给配管30中配置于上游侧配管31的中途，是通过脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制来适当控制通电电流的比例电磁阀，在将通燃料气体的通道全闭的位置到全开的位置之间调整开度，从而调整对气体燃烧器20的燃料气体供给量。
即，气体量调整阀40借助通电电流来控制开度、调整流向气体燃烧器20的燃料气体供给量，以针对所要求的输出火力而维持规定空气比λ，所述通电电流基于来自控制单元110的指令。
此处，空气比λ为实际供给的空气量相对于使燃料气体完全燃烧所需的理论空气量的比例(质量比)。
气体切换阀51在供给燃料气体的气体供给配管30中配置于第一分支供给管32的中途，以将通燃料气体的通道全闭或全开的方式受到开闭驱动，是调整对气体燃烧器20的第一喷出口21的燃料气体供给量的电磁阀。
气体切换阀52在供给燃料气体的气体供给配管30中配置于第二分支供给管33的中途，以将通燃料气体的通道全闭或全开的方式受到开闭驱动，是调整对气体燃烧器20的第二喷出口22的燃料气体供给量的电磁阀。
气体切换阀53在供给燃料气体的气体供给配管30中配置于第三分支供给管34的中途，以将通燃料气体的通道全闭或全开的方式受到开闭驱动，是调整对气体燃烧器20的第三喷出口23的燃料气体供给量的电磁阀。
即，气体切换阀51、气体切换阀52、气体切换阀53根据所要求的输出火力并基于来自控制单元110的指令分别受到开闭控制，调整对气体燃烧器20的燃料气体供给量。
如图2所示，空气量调整阀60配置于壳体10的吸入口12，对流入至壳体10内的空气量进行调整，包括蝶阀61以及对蝶阀61进行开闭驱动的驱动源62。
蝶阀61在停止状态下被设定于将通空气的通道开放到规定开度的休止位置，在工作时在从休止位置经过熄火开度及发火开度到全开位置的范围内受到开闭驱动。再者，休止位置也可与熄火位置相同。
驱动源62是施加脉冲电压进行驱动的步进马达，基于来自控制单元110的指令受到驱动控制。
此处，如图5所示，空气量调整阀60具有示出如下比例关系的特性：通过的空气量相对于蝶阀61的开度而以固定比例增加，并且以开度伴随输出火力的增加而变大的方式受到控制。
即，空气量调整阀60基于来自控制单元110的指令受到开闭控制、调整供给到气体燃烧器20的空气量，以针对所要求的输出火力而维持规定空气比λ。
如图2所示，风机70配置于壳体10的排出口13附近，将壳体10内的空气或燃烧气体送出，包括含多个叶片的旋翼71以及对旋翼71进行旋转驱动的马达72。
马达72是维持与频率相应的固定转速的AC马达。另外，马达72包括检测转速的传感器，传感器的检测信息被输入到控制单元110。
即，风机70以产生从吸入口12流向气体燃烧器20的空气的流动的方式配置，基于来自控制单元110的指令而以固定转速被旋转驱动，以针对所要求的输出火力而维持规定空气比λ。
如图2所示，换热器80在壳体10内邻接配置于气体燃烧器20的正上方，起到将气体燃烧器20所产生的热量传递到通过供水配管90供给的供给水(常温水)的作用。
即，换热器80将供给自供水配管90的自来水等常温水加热而以热水的形式朝向热水供应配管100供给。
如图1所示，供水配管90连接于换热器80的上游侧，通自来水等常温水，在中途包括水流量传感器91、入口温度传感器92。
水流量传感器91检测在供水配管90中流动的供给水的流量。并且，水流量传感器91的检测信息被输入到控制单元110。
入口温度传感器92检测在供水配管90中流动的供给水的温度。并且，入口温度传感器92的检测信息被输入到控制单元110。
如图1所示，热水供应配管100连接于换热器80的下游侧，通被换热器80加热后的热水，在中途包括出口温度传感器101、热水供应开关102。
出口温度传感器101检测在热水供应配管100中流动的热水的温度。并且，出口温度传感器101的检测信息被输入到控制单元110。
热水供应开关102是供操作者操作的开闭阀。
控制单元110构成为控制器，包括：处理器、显示部、计时器、与外部遥控器110a通信的通信部、形成输入输出的接口等的电子零件及电子电路。
计时器在控制序列中对经过时间进行计时。
外部遥控器110a通过有线或无线而连接于控制单元110，包括供操作者设定热水的选定温度等的操作部、显示燃烧状态或警告等的显示部等。
如图4所示，控制单元110包括：目标火力算出部111、出口温度F/B控制部112、输出火力算出部113、能力切换部114、空气量调整阀60的目标开度算出部115及开度控制部116、气体量调整阀40的目标电流算出部117及电流控制部118、风机70的旋转控制部119、存储各种控制信息等的存储部120、修正量算出部121。
目标火力算出部111基于水流量传感器91的检测信号(水流量Qw)、入口温度传感器92的检测信号(Tin)以及由外部遥控器110a设定的设定温度(T)的信息而以前馈量的形式算出目标火力。
此处，目标火力通过以下式(1)算出。
目标火力＝水流量(Qw)×(设定温度(T)-入口温度(Tin))/25 (1)
出口温度F/B控制部112基于出口温度传感器101的检测信号(Tout)以及由外部遥控器110a设定的设定温度(T)的信息而以反馈量的形式算出修正火力。
输出火力算出部113基于由目标火力算出部111输出的前馈量即目标火力、以及由出口温度F/B控制部112输出的反馈量即修正火力的信息来算出输出火力。
能力切换部114基于由输出火力算出部113输出的输出火力信息来进行切换为所需能力的判定并且发出所述指令信号。
此处，作为对应于输出火力的大小而供给的气体量不同的多种能力，设定有所述能力1、能力2、能力3、能力4。
即，能力切换部114在能力1中发出仅使气体切换阀51开阀的指令信号，在能力2中发出仅使气体切换阀51、气体切换阀52开阀的指令信号，在能力3中发出仅使气体切换阀52、气体切换阀53开阀的指令信号，在能力4中发出使气体切换阀51、气体切换阀52、气体切换阀53开阀的指令信号。
另外，能力切换部114将与能力1、能力2、能力3及能力4分别对应的能力编号作为能力编号信息来输出。
目标开度算出部115基于由输出火力算出部113输出的输出火力信息与由能力切换部114输出的能力编号信息，根据保存于存储部120的映射(表格)信息算出空气量调整阀60的目标开度。此处，作为映射信息，是和如下开度、即为了供给在维持规定空气比λ的同时产生与能力编号相应的热量所需的空气量而设定的开度相关的信息。
开度控制部116基于由目标开度算出部115输出的目标开度信息，对空气量调整阀60的驱动源62(步进马达)施加脉冲电压并以成为目标开度的方式进行驱动。
目标电流算出部117基于由能力切换部114输出的能力编号信息、由目标开度算出部115输出的目标开度信息、保存于存储部120的映射(表格)信息、由修正量算出部121输出的修正量信息，算出与气体量调整阀40的开度对应的目标电流。此处，作为映射信息，是和如下电流、即为了供给在维持规定空气比λ的同时产生与能力编号相应的热量所需的气体量而设定的电流相关的信息。
电流控制部118基于由目标电流算出部117输出的目标电流信息以及实际的电流的反馈信息对通往气体量调整阀40(比例电磁阀)的电流进行PWM控制。由此，通过气体量调整阀40而供给的燃料气体的供给量得到调整。
旋转控制部119根据基于水流量传感器91的输出信号而从处理器发出的指令信号，基于预先存储的目标转速的信息以及实际的转速的反馈信息来对风机70的马达72进行旋转驱动，以成为固定转速。
存储部120保存进行动作整体的控制、燃烧控制以及燃烧状态的监视处理的程序、燃烧状态的映射(表格)信息、与用于维持规定空气比λ(例如，在能力1中为λ1，在能力2中为λ2，在能力3中为λ3，在能力4中为λ4)的空气量及燃料气体相关的映射信息、基于燃烧特性式(2)的特性信息、其他信息，且包含只读存储器(Read Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等存储元件。
此处，燃烧特性式(2)是作为发明者进行努力研究的结果而导出的实验式，在将气体燃烧器20的燃烧火焰数设为n及将总燃烧火焰数设为N、将燃料气体的气体单位发热量设为H(kw/Nm3)及将气体必要空气率设为m、将气体量设为Qg(m3/h)、将空气量设为Qa(m3/h)、将与有助于火焰电流的火焰数成比例的常数设为k1、将有助于火焰棒25的施加电压及电阻值的常数设为k2时，算出火焰电流值If(μA)被表示为If＝[k1ln(HQg/n)+k2]exp[-(nQa/NmQg-1)2] (2)。
此处，作为燃料气体，例如使用甲烷、丙烷等。
甲烷的燃烧式为CH4+2O2→CO2+2H2O，气体单位发热量H为11.04kw/Nm3，气体需要空气率m为9.52(2/0.21)。
丙烷的燃烧式为C3H8+5O2→3CO2+4H2O，气体单位发热量H为27.64kw/Nm3，气体需要空气率m为23.81(5/0.21)。
在导出所述燃烧特性式(2)时，在气体燃烧装置中按能力1～能力4中的每一种进行了燃烧实验。结果，空气比λ与火焰电流的关系获得了如图6所示的那样的结果。另外，气体量与火焰电流的关系获得了如图7所示的那样的结果。
从这些结果可知，火焰电流值与燃烧火力(输出火力)和火焰棒25所接触的火焰的数量大致成比例。换句话说，即便如能力3那样燃烧火力变大，若火焰棒25所接触的火焰的数量少，则火焰电流值变小，在如能力4那样在燃烧火力大且邻接的火焰彼此之间传输电流那样的燃烧状态中，火焰电流值变大。
另外，在对燃烧进行控制时，在能力1～能力4的各自的燃烧模式中，选定成为CO或NOx的排出量变少的最优燃烧状态的空气比λ。
实际上，并未将所有的空气用于燃烧，因此与理论空气量相比，空气被过剩地供给。即，被设定为λ＞1的过剩空气的状态。
具体而言，空气比λ例如是于2.8～12的范围内选定。如图6所示，在能力1中选定空气比λ＝λ1，在能力2中选定空气比λ＝λ2，在能力3中选定空气比λ＝λ3，在能力4中选定空气比λ＝λ4(λ1＜λ2＜λ3＜λ4)。
以这些结果及条件为前提，作为近似图7所示的实验结果的燃烧特性式，发现了所述燃烧特性式(2)。并且，若基于燃烧特性式(2)，按能力1～能力4中的每一种利用图表表示气体量与火焰电流的关系，则获得了如图8所示那样的结果。
将图8所示的结果作为表示燃料气体的气体量与算出火焰电流值的关系的特性信息保存于存储部120中。
在燃烧控制中，基于由燃烧特性式(2)算出的算出火焰电流值If与火焰棒25的实测火焰电流值Ia，控制供给到气体燃烧器20的气体量和/或空气量。
例如，如图9所示，在实测火焰电流值Ia比算出火焰电流值If大时，即，空气比λ的值比规定的λ值(能力1时为λ1、能力2时为λ2、能力3时为λ3、能力4时为λ4)小时，以减少所供给的燃料气体的气体量的方式进行控制，以使实测火焰电流值Ia与算出火焰电流值If一致。在实测火焰电流值Ia比算出火焰电流值If小时，即，空气比λ的值比规定的λ值大时，以增加所供给的燃料气体的气体量的方式进行控制，以使实测火焰电流值Ia与算出火焰电流值If一致。
修正量算出部121基于由火焰棒25输出的实测火焰电流值Ia、由能力切换部114输出的能力编号信息、以及与保存于存储部120的燃烧特性式(2)相关的特性信息(对应于能力编号信息来表示气体量与火焰电流的关系的特性信息)，将实测火焰电流值Ia与算出火焰电流值If加以比较并使偏差为零，即，算出修正量并且将所述修正量信息朝向目标电流算出部117输出以使实测火焰电流值Ia与算出火焰电流值If一致。
接着，基于图10及图11所示的流程图对所述气体燃烧装置的控制动作进行说明。控制动作由控制单元110基于所述各种传感器的检测信息以及预先存储于存储部120的特性信息及映射信息等来进行管理。
首先，当操作者打开热水供应开关102时，在步骤S1中判断由水流量传感器91检测到的供给水的流量(Qw)是否为规定水流量以上。此处，在判断为流量(Qw)不到规定水流量的情况下，返回到步骤S1。另一方面，在判断为流量(Qw)为规定水流量以上的情况下，前进到步骤S2。
在步骤S2中，空气量调整阀60被设置为出于发火这一目的所规定的发火开度。再者，发火开度也可为休止状态下预先设定的开度。
继而，在步骤S3中，风机70启动，以预先设定的固定转速(旋转速度)旋转。
继而，在步骤S4中，点火器24工作，在步骤S5中，气体量调整阀40及气体切换阀51开阀到供给发火所需的流量的发火开度。
然后，在步骤S6中，基于火焰棒25的检测信号来判断气体燃烧器20是否存在火焰(是否流动有火焰电流)。此处，在判断为不存在火焰(并未流动火焰电流)的情况下，在步骤S7中通过计时器的计时来判断是否已经过规定时间。此处，在判断为尚未经过规定时间的情况下，返回到步骤S6而再次判断是否存在火焰。另一方面，在判断为已经过规定时间的情况下，在步骤S8中将气体量调整阀40及气体切换阀51闭阀。继而，在步骤S9中将空气量调整阀60设置为熄火开度。继而，在步骤S10中通过计时器的计时来判断是否已经过规定时间。此处，在判断为尚未经过规定时间的情况下，返回到步骤S10。另一方面，在判断为已经过规定时间的情况下，在步骤S11中使风机70停止旋转。
在步骤S6中判断为存在火焰(流动有火焰电流)的情况下，在步骤S12中使点火器24的工作停止。
继而，在步骤S13中，开始燃烧控制。燃烧控制是以在维持与能力1至能力4相应的规定空气比λ(λ1、λ2、λ3、λ4)的同时成为所要求的输出火力的方式，以固定转速对风机70进行旋转驱动，并且适当调整气体量调整阀40及空气量调整阀60的开度，以基于根据燃烧特性式(2)获得的算出火焰电流值If与实测火焰电流值Ia来控制供给到气体燃烧器20的气体量及空气量。
此处，对步骤S13中的燃烧控制进行说明，如图11所示，在步骤S131中算出所要求的输出火力。输出火力是在控制单元110中基于由目标火力算出部111输出的前馈量即目标火力、以及由出口温度F/B控制部112输出的反馈量即修正火力的信息来算出。
继而，在步骤S132中，控制气体切换阀51、气体切换阀52、气体切换阀53的接通/断开。关于将气体切换阀51、气体切换阀52、气体切换阀53设为接通(开阀)还是断开(闭阀)，在能力切换部114中基于由输出火力算出部113输出的输出火力信息来判定选择能力1、能力2、能力3、能力4中的哪一者。
即，在选择能力1时将气体切换阀51设为接通，在选择能力2时将气体切换阀51、气体切换阀52设为接通，在选择能力3时将气体切换阀52、气体切换阀53设为接通，在选择能力4时将气体切换阀51、气体切换阀52、气体切换阀53设为接通。
继而，在步骤S133中，根据所选择的能力设置燃烧特性式(2)的参数即燃烧火焰数n、总燃烧火焰数N、气体单位发热量H、气体需要空气率m、气体量Qg、空气量Qa的值。
继而，在步骤S134中，控制空气量调整阀60的蝶阀61的开度。蝶阀61的开度控制是以如下方式受到驱动控制，即，基于空气量Qa，根据与由目标开度算出部115输出的目标开度相关的指令对空气量调整阀60的驱动源62(步进马达)施加脉冲电压而成为目标开度。
继而，在步骤S135中，控制通往气体量调整阀40的电流。所述电流控制是在电流控制部118中基于气体量Qg且基于由目标电流算出部117输出的目标电流以及电流的反馈信息对通往气体量调整阀40(比例电磁阀)的电流进行PWM控制，从而调整通过气体量调整阀40供给的燃料气体的供给量。
继而，在步骤S136中，利用修正量算出部121对火焰棒25的实测火焰电流值Ia与通过存储部120的燃烧特性式(2)获得的算出火焰电流值If进行比较，算出与两者的偏差相应的修正量。
继而，在步骤S137中，基于所述修正量，由目标电流算出部117算出修正的目标电流，由电流控制部118基于修正的目标电流调整气体量调整阀40的开度，且调整所供给的气体量。
如上所述，在包括步骤S131～步骤S137的步骤S13中，基于燃烧特性式(2)进行实时监视燃烧状态的燃烧控制。
继而，在步骤S14中，判断由水流量传感器91检测到的供给水的流量(Qw)是否为规定水流量以下。此处，在判断为流量(Qw)为规定水流量以下的情况下，转移到步骤S8。另一方面，在判断为流量(Qw)不是规定水流量以下的情况下，前进到步骤S15。
在步骤S15中，基于火焰棒25的检测信号来判断气体燃烧器20是否存在火焰。此处，在判断为不存在火焰的情况下，转移到步骤S8。另一方面，在判断为存在火焰的情况下，前进到步骤S16。
在步骤S16中，判断燃烧状态有无异常。此处，在判断为有异常的情况下，转移到步骤S8。另一方面，在判断为无异常的情况下，返回到步骤S13继续进行燃烧控制。
此处，关于有无异常的判断，是对由各种传感器检测到的检测信息、预先存储于存储部120的映射信息、由控制单元110算出的信息进行对照，在偏离了预料的范围的情况下，判断为有异常，在预料的范围内的情况下判断为无异常。
根据形成所述结构的气体燃烧装置，由于控制单元110基于由燃烧特性式(2)算出的算出火焰电流值If、与火焰棒25的实测火焰电流值Ia，控制供给到气体燃烧器20的气体量，因此即便为存在剩余空气的燃烧状态，也可仅通过由一个火焰棒25获得的实测火焰电流值Ia的信息实时掌握燃烧状态。
由此，可达成构造的简化、低成本化，可在实时保持CO及NOx的排出量少的良好的燃烧状态的同时，获得所期望的输出火力。
尤其是，气体燃烧器20是产生对应于输出火力的大小而供给的气体量不同的多种能力1～能力4的多级切换式气体燃烧器，存储部120包含对应于多种能力并基于燃烧特性式(2)算出的特性信息，因此能够进行成为适于能力1～能力4中的每一种空气比λ(λ1、λ2、λ3、λ4)的燃烧控制，可根据输出火力的大小分别进行最优的燃烧控制。
另外，根据形成所述结构的气体燃烧装置，作为空气量调整单元而包括风机70以及空气量调整阀60，所述风机70以固定转速被旋转驱动，以产生流向气体燃烧器20的空气的流动，所述空气量调整阀60对供给到气体燃烧器20的空气量进行调整，因此与如以前那般控制风机的转速来调整空气量的情况相比，过渡状态下的空气量的响应性提高，可简化控制。另外，由于风机70以固定转速进行旋转，因此可抑制乃至防止伴随旋转的变动而来的噪音或振动等。
尤其是，空气量调整阀60包括驱动源62、以及由驱动源62加以开闭驱动的蝶阀61，因此可将空气的通道面积设定得大，另外，仅通过蝶阀61的旋动动作便可快速调整空气的通道面积，因此可将空气量快速调整为所要求的供给量。通过采用步进马达作为驱动源62，从而不需要反馈控制，可高精度地控制蝶阀61的开度。
进而，通过包括产生风机70的旋转驱动力的马达72，并采用AC马达作为马达72，从而容易根据频率来维持固定转速(旋转速度)，转速(转矩)的不均也少，进而适于长寿命化。
图12示出对本发明的第二实施方式的气体燃烧装置的动作整体的控制及燃烧控制进行管理的控制单元，对与前文所述的实施方式的控制单元110相同的结构标注同一符号并省略说明。
第二实施方式的控制单元210包括：目标火力算出部111、出口温度F/B控制部112、输出火力算出部113、能力切换部114、空气量调整阀60的目标开度算出部115及开度控制部116、气体量调整阀40的目标电流算出部117及电流控制部118、存储各种控制信息等的存储部120、修正量算出部121、算出风机70的转速的目标转速算出部211、控制风机70的旋转的旋转控制部212。
目标转速算出部211基于由输出火力算出部113输出的输出火力信息、以及由能力切换部114输出的能力编号信息，根据保存于存储部120的映射信息算出风机70的目标转速。
具体而言，作为映射信息，在输出火力为能力1的情况下设定有固定转速N1，在输出火力为能力2的情况下设定有固定转速N2(N2＞N1)，在输出火力为能力3的情况下设定有固定转速N3(N3＞N2＞N1)，在输出火力为能力4的情况下设定有固定转速N4(N4＞N3＞N2＞N1)。因此，目标转速算出部211根据能力来决定选择转速N1、转速N2、转速N3、转速N4中的哪一者。
旋转控制部212基于由目标转速算出部211输出的转速的信息及实际的转速的反馈信息，对风机70的马达72进行旋转驱动，以成为固定转速(N1、N2、N3、N4)。
即，控制单元210以按多种能力(能力1、能力2、能力3、能力4)中的每一种设定的固定转速(N1、N2、N3、N4)对风机70进行旋转驱动。
再者，所设定的转速并不限于所述四个转速，也可为两个或三个转速。
根据所述第二实施方式的控制单元210的控制方法，在所要求的输出火力小的燃烧模式下，所需空气量也减少，因此减小风机70的转速，由此，可抑制乃至防止伴随空气量调整阀60的开闭而来的孔径阻力以及孔径阻力带来的噪音等。另一方面，在所要求的输出火力大的燃烧模式下，所需空气量也增多，因此增大风机70的转速，由此，可在维持规定空气比λ的同时获得所期望的输出火力。
在所述实施方式中，在可选择输出火力的大小的结构中，示出了基于本发明的燃烧特性式来控制燃烧的控制单元110、控制单元210，但并不限定于此，在产生单一的输出火力的气体燃烧装置中，也可通过基于本发明的燃烧特性式来控制燃烧，从而实时控制燃烧以维持CO及NOx的排出量少的良好的燃烧状态。
另外，在所述实施方式中，示出了作为对应于输出火力的大小而供给的气体量不同的多种能力而具有四种能力(能力1至能力4)的结构，但并不限定于此，也可设定两种能力、五种能力或者其以上的能力。
在所述实施方式中，示出了气体燃烧器20包括具有四个第一喷出口21的燃烧器1、具有两个第二喷出口22的燃烧器2、具有九个第三喷出口23的燃烧器3的结构，但并不限定于此，也可在包括具备其他个数的喷出口及燃烧器的气体燃烧器的结构中，采用本发明。
在所述实施方式中，示出了控制单元110、控制单元210基于算出火焰电流值If与实测火焰电流值来控制供给到气体燃烧器20的气体量的方法，但并不限定于此，也可采用对供给到气体燃烧器20的空气量进行控制的方法。所述情况下，存储部120也可保存表示所供给的空气量与算出火焰电流值的关系的特性信息。
在所述实施方式中，示出了控制单元110、控制单元210在实测火焰电流值从算出火焰电流值If偏离时，使实测火焰电流值与算出火焰电流值If一致的方法，但并不限定于此，也可采用如下方法：通过基于偏差量调整其他参数，结果以减少或增加气体量和/或空气量的方式进行控制。
在所述实施方式中，示出了包括蝶阀61及驱动源62(步进马达)的空气量调整阀60作为空气量调整阀，但并不限定于此，只要可对空气流动的通道进行开闭来调整空气量，则也可采用呈其他形态的空气量调整阀。
另外，示出了步进马达作为空气量调整阀60的驱动源62，但也可采用包括开度传感器的直流(Direct Current，DC)马达等作为驱动源。
在所述实施方式中，示出了采用AC马达作为风机70的马达72的结构，但并不限定于此，也可采用以DC马达为驱动源的风机。
在所述实施方式中，示出了包括换热器80的燃气热水器作为气体燃烧装置，但并不限定于此，只要是利用通过燃料气体的燃烧而产生的热量的气体燃烧装置，则也可为供暖用的气体燃烧装置、呈其他形态的气体燃烧装置。
在所述实施方式中，示出了在分别供给燃料气体与空气的气体燃烧装置中采用了本发明的形态，但并不限定于此，也可在将燃料气体与空气预先混合并供给到气体燃烧器的气体燃烧装置中，应用本发明。
如以上所述，本发明的气体燃烧装置可在达成构造的简化、低成本化等的同时，掌握燃烧状态并维持良好的燃烧状态，且提高应供给的空气量的响应性，可获得所期望的输出火力，因此当然可用作如所述那样的对常温水进行加热来提供热水的燃气热水器，在沐浴热水器、加热其他流体的加热设备中也有用。

Claims (14)

1.一种气体燃烧装置，其特征在于，包括：
气体燃烧器，根据输出火力使燃料气体与空气混合并使其燃烧；
火焰棒，暴露于所述气体燃烧器的火焰中并产生火焰电流；以及
控制单元，对燃烧进行控制，
所述控制单元基于将所述气体燃烧器的燃烧火焰数设为n及将总燃烧火焰数设为N、将所述燃料气体的气体单位发热量设为H及将气体需要空气率设为m、将气体量设为Qg、将空气量设为Qa、将与有助于所述火焰电流的火焰数成比例的常数设为k1、将有助于所述火焰棒的施加电压及电阻值的常数设为k2时，由下述燃烧特性式
If＝[k1ln(HQg/n)+k2]exp[-(nQa/NmQg-1)2]
算出的算出火焰电流值If、与所述火焰棒的实测火焰电流值，来控制供给到所述气体燃烧器的气体量和/或空气量。
2.根据权利要求1所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述控制单元在所述实测火焰电流值偏离所述算出火焰电流值时，以减少或增加气体量和/或空气量的方式进行控制，以使所述实测火焰电流值与所述算出火焰电流值一致。
3.根据权利要求1或2所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述气体燃烧器为产生对应于所述输出火力的大小而供给的气体量不同的多种能力的多级切换式气体燃烧器，
所述控制单元包括存储部，所述存储部存储对应于所述多种能力并基于所述燃烧特性式算出的特性信息。
4.根据权利要求3所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述存储部中所存储的特性信息包括表示所述燃料气体的气体量与所述算出火焰电流值的关系的特性信息。
5.根据权利要求3所述的气体燃烧装置，其特征在于，包括：
气体量调整阀，调整针对所述气体燃烧器的所述燃料气体的气体量；以及
空气量调整单元，调整混合到所述燃料气体的空气量，并且
所述控制单元对所述气体量调整阀及所述空气量调整单元进行控制。
6.根据权利要求5所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述控制单元包括：输出火力算出部，算出所述输出火力；能力切换部，基于所述输出火力算出部的输出火力信息进行切换为所需能力的判定；以及修正量算出部，将所述实测火焰电流值与所述算出火焰电流值加以比较来算出基于其偏差的修正量，所述控制单元基于所述输出火力信息、所述能力切换部的能力编号信息、及所述修正量算出部的修正量信息对所述气体量调整阀进行控制。
7.根据权利要求6所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述控制单元基于所述输出火力信息及所述能力编号信息对所述空气量调整单元进行控制。
8.根据权利要求6所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述空气量调整单元包括：风机，以固定转速被旋转驱动，以产生流向所述气体燃烧器的空气的流动；以及空气量调整阀，对供给到所述气体燃烧器的空气量进行调整，
所述控制单元包括：目标开度算出部，基于所述输出火力信息与所述能力切换部的能力编号信息算出所述空气量调整阀的目标开度；以及开度控制部，基于所述目标开度算出部的目标开度信息控制所述空气量调整阀的开度。
9.根据权利要求6所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述控制单元以按所述多种能力中的每一种设定的固定转速对风机进行旋转驱动。
10.根据权利要求9所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述空气量调整单元包括：风机，以固定转速被旋转驱动，以产生流向所述气体燃烧器的空气的流动；以及空气量调整阀，对供给到所述气体燃烧器的空气量进行调整，
所述控制单元包括：目标开度算出部，基于所述输出火力信息与所述能力切换部的能力编号信息算出所述空气量调整阀的目标开度；开度控制部，基于所述目标开度算出部的目标开度信息控制所述空气量调整阀的开度；目标转速算出部，基于所述输出火力信息与所述能力编号信息算出所述风机的目标转速；以及旋转控制部，基于所述目标转速算出部的目标转速信息以固定转速对所述风机进行旋转驱动。
11.根据权利要求8所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述空气量调整阀包括：驱动源、以及由所述驱动源加以开闭驱动的蝶阀。
12.根据权利要求11所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述驱动源为步进马达。
13.根据权利要求11所述的气体燃烧装置，其特征在于：
所述风机包括产生旋转驱动力的马达，
所述马达为交流马达。
14.根据权利要求1或2所述的气体燃烧装置，其特征在于，包括：
换热器，与所述气体燃烧器邻接配置。
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