JP2002130659A - 空燃比比例制御手段を備えたガス燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低圧ガスで使用するガス燃焼装置において、
空燃比比例制御方式として均圧弁方式を採用する場合で
あっても、高いターンダウン比をとることができるガス
燃焼装置を提供する。 【解決手段】 空気流量調整手段を備えた空燃比比例制
御手段を備えたガス燃焼装置において、流量調整弁２
（空気流量調整手段）よりも下流に、空気ラインと均圧
弁を設けた燃料ラインとによる空燃比比例制御手段５０
ａ，５０ｂを並列に２組備える。各空燃比比例制御手段
の空気ラインＡａ，Ａｂには流量調整弁２を通過した空
気を分配して供給する。低負荷時には、一方の空燃比比
例制御手段５０ｂへの燃料ガスの供給を空気の供給を停
止するなどにより遮断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空燃比比例制御手段
を備えたガス燃焼装置に関し、特に、均圧弁方式による
空燃比比例制御手段を備えたガス燃焼装置において、安
定した燃焼状態を維持しつつ高いターンダウン比がとれ
るようにしたガス燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガス燃焼装置において、インプットが変
動しても、燃焼用空気量の燃料ガス量に対する割合
（比）を一定に保つ（制御する）ことは、燃焼の安全性
や排気損失の消滅の上から必要であり、そのために、図
４に示すような空燃比比例制御方式がガス燃焼装置にお
いて用いられている。

【０００３】図４ａは均圧弁方式であり、空気ブロア１
からの加圧空気をバーナに供給する空気ラインＡと、燃
料ガスをバーナに供給する燃料ラインＢとを備え、空気
ラインＡには空気流量調整手段として機能するマイコン
制御される流量調整弁２とその下流に空気比設定弁３が
設けられ、燃料ラインＢには均圧弁４とその下流に空気
比設定弁５が設けられる。そして、空気ラインＡにおけ
る流量調整弁２と空気比設定弁３との間の空気圧が均圧
弁４のダイヤフラム上面側にかけるようになっており、
流量調整弁２を調節して空気ラインＡを流れる空気量を
変化させることにより、均圧弁４のダイヤフラム上面側
にかかる圧が変動し、その変動量に比例して燃料ガスの
供給量も変動する。それにより、燃焼負荷に関わらず、
空気ラインＡに配置した空気比設定弁３と燃料ラインＢ
に配置した空気比設定弁５とで予め設定された空燃比の
予混合ガスが、常時バーナに供給される。

【０００４】図４ｂはリンケージ方式といわれるもので
あり、空気ラインＡにはマイコン制御される空気流量調
整手段として機能する流量調整弁２が、燃料ラインＢに
はバタフライ弁６が設けられ、両者はメカ的なリンケー
ジにより連結している。この場合にも、空気ラインＡに
設けた流量調整弁２を調節すると、その調節量はリンケ
ージを介して、燃料ラインＢ側のバタフライ弁６に伝達
されるので、燃焼負荷に関わらず、予めリンケージで設
定した空燃比の予混合ガスが、常時バーナに供給され
る。

【０００５】図４ｃはマイコン制御方式といわれるもの
であり、空気ラインＡ及び燃料ラインＢの双方に空気流
量調整手段として機能するマイコン制御される流量調整
弁２ａ、２ｂが設けられている。この場合には、個々の
流量調整弁２ａ、２ｂを独立的に制御して空気量と燃料
ガス量との調整が可能であり、制御プログラムを所要に
設定することにより、燃焼負荷に関わらず、予め設定し
た空燃比の予混合ガスが、常時バーナに供給される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記したマイコン制御
方式による空燃比比例制御は、低圧ガスから中間圧ガス
までの広い範囲で精度の高い空燃比制御が可能となる
が、高いコストを必要とする。リンケージ方式も低圧ガ
スから中間圧ガスまで適用できるが、リンケージの機構
が複雑となり、またメカ的なリンクであることからリン
クのゆるみなどに起因して制御の精度が低下する恐れが
ある。

【０００７】一方、均圧弁方式の空燃比比例制御方式
は、構造が比較的簡単であり安価である利点がある一方
において、空気比設定弁及び均圧弁の構造上、高い制御
精度を維持するためには、ある程度高い差圧が維持でき
ることが必要であり、そのために、中間圧ガスで使用さ
れるガス燃焼装置においては格別の支障は生じないが、
低圧ガスで使用されるガス燃焼装置にこの制御方式を採
用する場合には、ターンダウン比が大きくとれないとい
う不都合が生じる。

【０００８】本発明の目的は、均圧弁方式の空燃比比例
制御方式の持つ上記の不都合を解消することにあり、よ
り具体的には、低圧ガスで使用するガス燃焼装置におい
て、空燃比比例制御方式として均圧弁方式を採用する場
合であっても、高いターンダウン比をとることができる
ガス燃焼装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるガス燃焼
装置は、空気流量調整手段を通過した空気をバーナに供
給する空気ラインと、バーナに燃料ガスを供給する燃料
ラインとを備え、燃料ラインには均圧弁が設けてあり、
該均圧弁に空気ラインにおける空気流量調整手段より下
流の空気圧をかけることにより、空燃比が一定に比例制
御された予混合ガスをバーナに供給するようにされた空
燃比比例制御手段を備えたガス燃焼装置において、空気
流量調整手段よりも下流において、前記空気ラインと均
圧弁を設けた燃料ラインとによる空燃比比例制御手段が
並列に２組以上備えられており、各空燃比比例制御手段
の空気ラインには空気流量調整手段を通過した空気が分
配されるようになっており、かつ、各空燃比比例制御手
段の燃料ラインには個々に燃料ガスの供給及び遮断が可
能とされていることを特徴とする。

【００１０】上記のように、本発明によるガス燃焼装置
では、従来知られた形式の均圧弁方式の空燃比比例制御
手段が、実質的に複数組、例えば第１と第２の２組が並
列に配置されている形態をとる。従って、制御上の制約
からターンダウン比１：３が限度である均圧弁方式の空
燃比比例制御手段を２組同時に燃焼させておき、燃焼限
界まで負荷が下がったときに（そのときの各空燃比比例
制御手段を流れる燃料ガス量をｑ，空気量をＱとする
と、バーナには燃料ガス２ｑと空気２Ｑが供給されてい
る。ｑ／Ｑは予め定めた空燃比Ｚである）、第２の空燃
比比例制御手段への燃料ガスの供給を停止させ、停止と
同時に、流量調整弁を調整するなど適宜の手段により、
燃焼を継続している第１の空燃比比例制御手段の空気ラ
インへの空気供給量を２Ｑに増やす。

【００１１】それにより、燃焼を継続している第１の空
燃比比例制御手段の燃料ラインには２ｑの燃料ガスが流
れることとなり、燃焼量の低減率に変化を生じさせるこ
となく、かつ、空燃比Ｚを維持した状態で、さらに安定
した燃焼が継続する。その状態は、第１の空燃比比例制
御手段の燃料ラインへの燃料ガスの供給量がｑに低減す
るまで継続する。結果として、本発明によれば、ガス燃
焼装置としては、ターンダウン比１：６程度までの燃焼
が可能となり、低圧ガスでガス燃焼装置を使用する場合
でも高いターンダウン比が保証される。また、空気及び
燃料ガスは分配して流れるので、各空燃比比例制御手段
に備える均圧弁も小型のもので所要の目的を果たしう
る。

【００１２】本発明によるガス燃焼装置において、前記
空気流量調整手段は、ブロアからの空気供給ラインに配
置した流量調整弁であってもよく、インバータでファン
回転数を制御可能としたブロアそのものであってもよ
い。後者の場合にはブロアからの空気供給ラインに流量
調整弁を配置することは不要である。さらに、本発明に
よるガス燃焼装置において、バーナは予混合燃焼形式の
バーナであることを条件に特に制限はないが、発熱面と
して平面バーナプレートを備えることが好ましい。平面
バーナプレートとは、セラミック、金属繊維、積層状の
金属板などのような耐熱性多孔質材料からなるプレート
の裏面に予混合ガスを吹きつけ、プレートを通過させて
表面で火炎を形成するものであり、コンパクトに高負荷
燃焼ができる利点がある。

【００１３】本発明のさらに好ましい態様では、前記各
空燃比比例制御手段ごとにそれぞれ対応して平面バーナ
プレートが備えられており、各空燃比比例制御手段から
の予混合ガスは合体することなく個々に燃焼し、対応す
る平面バーナプレートを独立して加熱するようにされ
る。さらに好ましくは、各空燃比比例制御手段は全燃焼
負荷を所定比率で分担するようにされており、各平面バ
ーナプレートは分担する燃焼負荷に比例して分割された
面積比率を備えるようにされる。このようにすることに
より、該分担比率に応じたさらに高いターンダウン比で
の燃焼が可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明による空燃比比例制
御手段を備えたガス燃焼装置をいくつかの実施の形態に
基づき説明する。最初に、均圧弁方式を採用した空燃比
比例制御手段を持つ従来のガス燃焼装置における、前記
したターンダウン比の制御系の制約の具体例を、図１に
示すガス燃焼装置１０を例として説明する。図１ａに示
すガス燃焼装置１０は、先に図４ａに基づき説明した燃
焼装置１０にバーナとして平面バーナプレート２０を備
えた形式のものであり、同じ機能を奏する部材には同じ
符号を付している。

【００１５】前記したように、このような均圧弁方式の
空燃比比例制御では、精度の高い空燃比一定制御を行う
ためには、空気比設定弁３、５及び均圧弁４にある程度
高い差圧が維持されることが必要であり、燃料ガスとし
て低圧ガスを用いる場合などのように、流量が少なくな
ると適正な差圧とることが困難となるような環境では、
ターンダウン比を大きくとることができない。図１ｃは
それを示しており、燃焼量（予混合ガス流量）がある程
度以下（この例では３３％程度以下）となると空燃比一
定制御が不安定となり、それ以下の燃焼量での運転は行
われない。この場合に、限界ターンダウン比は１：３で
ある。

【００１６】図２は本発明によるガス燃焼装置１００の
一例であり、空気流量調整手段として機能する流量調整
弁２よりも下流に、第１の空燃比比例制御手段５０ａと
第２の空燃比比例制御手段５０ｂとを並列に備える。各
空燃比比例制御手段５０ａ、５０ｂは、図１ａに示した
ガス燃焼装置１０の流量調整弁２よりも下流における均
圧弁４を備えた空燃比比例制御手段と同様な構成を有し
ており、同じ機能を奏する部材には、同じ符号の後に
ａ，ｂを付して示している。そして、このガス燃焼装置
１００では、第２の空燃比比例制御手段５０ｂの空気ラ
インＡｂに遮断弁Ｖａが備えられており、遮断弁Ｖａを
閉じることにより、第２の空燃比比例制御手段５０ｂへ
の空気の供給は遮断される。また、各空燃比比例制御手
段５０ａ、５０ｂからの予混合ガスは一つにまとめら
れ、平面バーナプレート２０に送られる。第１の空燃比
比例制御手段５０ａと第２の空燃比比例制御手段５０ｂ
による限界ターンダウン比（制御系の制約）は共に１：
３であり、また、第１の空燃比比例制御手段５０ａと第
２の空燃比比例制御手段５０ｂの燃焼負荷比率は５０：
５０とする。

【００１７】図２ｂは上記ガス燃焼装置１００の燃焼負
荷履歴を示すグラフであり、１００％負荷燃焼から流量
調整弁２を制御して次第に燃焼量を低下させていき、第
１及び第２の空燃比比例制御手段５０ａ、５０ｂの燃焼
量が３３％（ターンダウン比は１：３）となった時点
で、遮断弁Ｖａを閉じ、第２の空燃比比例制御手段５０
ｂへの空気供給を遮断する。それにより、第２の空燃比
比例制御手段５０ｂへの燃料ガスの供給が停止すると同
時に、これまで流れていた流量調整弁２で制御される全
流量の空気が第１の空燃比比例制御手段５０ａの空気ラ
インＡａに流入する。それにより、第１の空燃比比例制
御手段５０ａへ供給される燃料ガス量も比例して増量す
るので、第２の空燃比比例制御手段５０ｂへの燃料ガス
の供給が停止しても、トータルとしての燃焼量にステッ
プ的な変化はなく、平面バーナプレート２０での燃焼は
継続して進行する。

【００１８】また、第１の空燃比比例制御手段５０ａへ
は増量された燃料ガスと空気が供給されることにより、
さらに流量調整弁２で空気量を絞っていっても、安定し
た空燃比比例制御を保った燃焼が継続し、図１ａに示し
た形態での燃焼装置ではターンダウン比１：３に制約さ
れていたものが、本発明の形態をとることにより、結果
的に、ターンダウン比１：６まで安定した空燃比比例制
御による燃焼を継続する。従って、燃料ガスとして低圧
ガスを用いるような場合でも、広いターンダウン比での
運転が可能となる。また、高負荷燃焼時には、空気及び
燃料ガスは第１及び第２の空燃比比例制御手段５０ａ、
５０ｂへ分配して流れるので、各空燃比比例制御手段５
０ａ、５０ｂに備える均圧弁４ａ，４ｂも小型のもので
所要の目的を果たすことができる。

【００１９】図３は本発明によるガス燃焼装置の他の例
であり、空気流量調整手段として機能する流量調整弁２
よりも下流に第１の空燃比比例制御手段５０ａ１と第２
の空燃比比例制御手段５０ｂ１を並列に備える点では、
図２の場合と同様であるが、ここでは、第１の空燃比比
例制御手段５０ａ１と第２の空燃比比例制御手段５０ｂ
１を流れる予混合ガス（燃料ガス）の流量が１：２とな
るように常時制御されている。さらに、平面バーナプレ
ートは、第１の平面バーナプレート２０ａと第２の平面
バーナプレート２０ｂとに面積比が１：２となるように
二分割されており、各空燃比比例制御手段５０ａ１、５
０ｂ１からの予混合ガスは一つにまとめられることな
く、第１の空燃比比例制御手段５０ａ１からの予混合ガ
スは第１の平面バーナプレート２０ａに、第２の空燃比
比例制御手段５０ｂ１からの予混合ガスは第２の平面バ
ーナプレート２０ｂに、分離して供給されるようになっ
ている。

【００２０】さらに、第１の空燃比比例制御手段５０ａ
１の空気ラインＡａには第１のダンパーＤａが設けら
れ、第２の空燃比比例制御手段５０ｂ１の空気ラインＡ
ｂには第２のダンパーＤｂが設けられる。また、第１の
空燃比比例制御手段５０ａ１の燃料ラインＢａには第１
のガス遮断弁ＧＶａが設けられ、第２の空燃比比例制御
手段５０ｂ１の燃料ラインＢａには第２のガス遮断弁Ｇ
Ｖｂが設けられる。

【００２１】図３ｂは上記ガス燃焼装置１００の燃焼負
荷履歴を示すグラフであり、図２ａに示した燃焼装置の
場合と同様、第１のダンパーＤａ及び第２のダンパーＤ
ｂの開度を等しい開度（例えば、５０％）とした状態で
通常の運転が行われる。通常の燃焼状態では、１００％
燃焼負荷のうちの１／３を第１の平面バーナプレート２
０ａ側が負担し、２／３を第２の平面バーナプレート２
０ｂ側が負担した状態で、燃焼を継続している。

【００２２】流量調整弁２を制御して次第に燃焼量を低
下させていき、第１及び第２の空燃比比例制御手段５０
ａ１、５０ｂ１の燃焼量が３３％（ターンダウン比は
１：３）となった時点で、第２のガス遮断弁ＧＶｂを閉
じると共に、第１のダンパーＤａの開度をより大きく
し、第２のダンパーＤｂの開度をより小さくする。

【００２３】それにより、第２の平面バーナプレート２
０ｂの燃焼は停止するが、少量の空気は第２の平面バー
ナプレート２０ｂを流れると共に、第１のダンパーＤａ
の開度がステップ的に大きくなることにより、第１の空
燃比比例制御手段５０ａ１の空気ラインＡａに流入する
空気量はステップ的に増大し、第１の空燃比比例制御手
段５０ａ１へ供給される燃料ガス量も比例して増量する
ので、第２の空燃比比例制御手段５０ｂ１への燃料ガス
の供給が停止しても、その量の燃料ガスは第１の平面バ
ーナプレート２０ａ側に補給されることとなり、第１の
平面バーナプレート２０ａでの燃焼は、継続して進行す
る。

【００２４】また、第１の空燃比比例制御手段５０ａ１
へは増量された燃料ガスと空気が供給されることによ
り、さらに流量調整弁２で空気量を絞っていっても、安
定した空燃比比例制御を保った燃焼が継続する。そし
て、第１の空燃比比例制御手段５０ａ１の制約からくる
ターンダウン比１：３、すなわち、第１の空燃比比例制
御手段５０ａ１に流れる予混合ガス（燃料ガス）の流量
は双方の平面バーナプレート２０ａ、２０ｂでの高負荷
燃焼時において、全流量の１／３となるように制御され
ているので、燃焼装置全体としてみれば、ターンダウン
比１：９まで、さらに、広がることとなる。

【００２５】図３ｃは本発明によるガス燃焼装置のさら
に他の例であり、ここでは、図３ａに基づき説明したガ
ス燃焼装置における第１及び第２の空燃比比例制御手段
５０ａ１、５０ｂ１の空気ラインＡａ、Ａｂから第１及
び第２のダンパーＤａ、Ｄｂを取り外している。このガ
ス燃焼装置の運転に当たっては、１００％負荷燃焼から
流量調整弁２を制御して次第に燃焼量を低下させてい
き、第１及び第２の空燃比比例制御手段５０ａ１、５０
ｂ１の燃焼量が３３％（ターンダウン比は１：３）とな
った時点で、第２のガス遮断弁ＧＶｂを閉じる。それに
より、第２の平面バーナプレート２０ｂの燃焼は停止す
るが、第２の平面バーナプレート２０ｂへの空気の供給
は継続する。一方、第１の平面バーナプレート２０ａは
燃焼を継続することとなるが、連続した燃焼負荷を継続
させるために、第１の空燃比比例制御手段５０ａ１の空
気ラインＡａに流入する空気量が３倍となるように、流
量調整弁２をステップ的に変化させる。それ以降の流量
調整弁２の調整は、図３ａの燃焼装置の場合と同じであ
ってよく、同じ理由により、燃焼装置全体としてのター
ンダウン比は１：９まで広がることとなる。

【００２６】

【発明の効果】上記のとおりであり、本発明による空燃
比比例制御手段を備えたガス燃焼装置では、均圧弁方式
を採用しながら、安定した燃焼状態を維持しつつ高いタ
ーンダウン比をとることが可能となり、燃料ガスとして
低圧ガスを用いる場合であっても、実用に十分耐えるだ
けの高いターンダウン比での運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】均圧弁方式を採用した空燃比比例制御手段を持
つガス燃焼装置における、ターンダウン比の制約を説明
するのに供される図。

【図２】本発明によるガス燃焼装置の一実施の形態とタ
ーンダウン比が改善される理由を説明するのに供される
図。

【図３】本発明によるガス燃焼装置の他の実施の形態と
ターンダウン比が改善される理由を説明するのに供され
る図。

【図４】ガス燃焼装置における空燃比比例制御手段を説
明するのに供される図。

【符号の説明】

１００…空燃比比例制御手段を備えたガス燃焼装置、１
…空気ブロア、２…マイコン制御される流量調整弁（空
気流量調整手段）、５０ａ、５０ｂ…第１、第２の空燃
比比例制御手段、Ａａ，Ａｂ…空気ライン、Ｂａ，Ｂｂ
…燃料ライン、３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂ…空気比設定
弁、４ａ，４ｂ…均圧弁、２０，２０ａ，２０ｂ…平面
バーナプレート

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気流量調整手段を通過した空気をバー
   ナに供給する空気ラインと、バーナに燃料ガスを供給す
   る燃料ラインとを備え、燃料ラインには均圧弁が設けて
   あり、該均圧弁に空気ラインにおける空気流量調整手段
   より下流の空気圧をかけることにより、空燃比が一定に
   比例制御された予混合ガスをバーナに供給するようにさ
   れた空燃比比例制御手段を備えたガス燃焼装置におい
   て、 空気流量調整手段よりも下流において、前記空気ライン
   と均圧弁を設けた燃料ラインとによる空燃比比例制御手
   段が並列に２組以上備えられており、各空燃比比例制御
   手段の空気ラインには空気流量調整手段を通過した空気
   が分配されるようになっており、かつ、各空燃比比例制
   御手段の燃料ラインには個々に燃料ガスの供給及び遮断
   が可能とされていることを特徴とするガス燃焼装置。
2. 【請求項２】 ガス燃焼装置は発熱面として平面バーナ
   プレートを備えることを特徴とする請求項１記載のガス
   燃焼装置。
3. 【請求項３】 平面バーナプレートは一個であり、各空
   燃比比例制御手段からの予混合ガスは合体して燃焼し、
   平面バーナプレートを加熱することを特徴とする請求項
   ２記載のガス燃焼装置。
4. 【請求項４】 各空燃比比例制御手段に対応してそれぞ
   れ平面バーナプレートが備えられており、各空燃比比例
   制御手段からの予混合ガスは合体することなく燃焼し、
   対応する平面バーナプレートを個々に加熱するようにさ
   れている特徴とする請求項２記載のガス燃焼装置。
5. 【請求項５】 各空燃比比例制御手段は全燃焼負荷を所
   定比率で分担するようにされており、各平面バーナプレ
   ートは分担する燃焼負荷に比例した面積比率に分割され
   ていることを特徴とする請求項４記載のガス燃焼装置。