JP2004108743A

JP2004108743A - ガス燃焼装置

Info

Publication number: JP2004108743A
Application number: JP2002276003A
Authority: JP
Inventors: Shusuke Hata; 畑　秀典; Akira Ota; 太田　明
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: JP3873856B2

Abstract

【課題】ステッピングモータにより弁体を作動させるタイプのガス流量制御弁を備えたガス燃焼装置において、ガス流量制御弁を複数のガス種に共通して使用可能とする。
【解決手段】ガス燃焼装置のコントローラに燃料ガスとしての使用が予定されているガス種のうちで単位発熱量が最も低いガスを基準ガスとして、この基準ガスおいて所定のステップ数Ｓで最大能力（最大インプット）が得られるガス流量制御弁を用いる（図３（ａ）　参照）。そして、実際に供給されている使用ガスの単位発熱量と基準ガスの単位発熱量とを比較して、その比に基づいて１ステップあたりの発熱量が同じになるように、ステッピングモータの励磁方式を変更し、１ステップあたりのステッピングモータの駆動量を変更する（図３（ｂ）　参照）。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はガス燃焼装置に関し、より詳細には、燃料ガスのガス通路をステッピングモータの駆動によって絞りまたは開く弁構造を有するガス流量制御弁を備えたガス燃焼装置における当該ステッピングモータの制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】実開平５−７９２４０号公報
バーナへの燃料ガスの供給路にガス流量制御弁が設けられ、このガス流量制御弁の開弁量を制御することによってバーナへのガス供給量を調節するガス燃焼装置において、複数のガス種に対して一種類のガス流量制御弁を共通に使用可能とする技術として上記特許文献１に示す提案がなされている。
【０００３】
すなわち、この特許文献１に示す発明は、ガス燃焼装置に供給される燃料ガスのガス種が手動あるいは自動で設定されると、この設定されたガス種に応じた開弁量制御範囲が自動的に設定されるように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにガス種に応じて開弁制御範囲を設定・変更する構成では、上記ガス流量制御弁の駆動源としてステッピングモータを用いた場合には、以下のような問題が生じその改善が望まれていた。
【０００５】
すなわち、たとえば燃料ガスとして１３Ａガスとプロパンガス（ＬＰガス）に同じガス流量制御弁を用いることにした場合、プロパンガスの単位発熱量は１３Ａガスの単位発熱量に比して２倍程度あるために、１３Ａガスで最大能力のガス量を流す際のステッピングモータのステップ数とプロパンガスで最大能力のガス量を流す際のステッピングモータのステップ数とを比較すると、図４に示すように、同一のステッピングモータ駆動励磁方式においてプロパンガスを用いた場合のステップ数が１３Ａガスを用いた場合のステップ数に比べて半分程度（図示のようにＳ／２）になってしまう。
【０００６】
つまり、１３Ａガスとプロパンガスについて同一のガス流量制御弁を用いると、プロパンガスの場合には、ステッピングモータが１ステップ動作することによってバーナに供給される燃料ガスの発熱量（インプット量）が１３Ａガスの倍になってしまうため、ステッピングモータを１ステップ動作させた時の発熱量の変動量が大きくなってしまい、その変動量がガス燃焼装置の燃焼制御における許容範囲をオーバーしてガス燃焼装置が制御不能になるという問題があった。
【０００７】
また、上記特許文献１に示す発明では、ガス流量制御弁の開弁量の制御範囲がガス種に応じて設定されるが、ガス種が同じであってもその供給源（ガス会社）の相違などによってその成分が微妙に異なり発熱量が相違することがあるため、ガス種に頼る制御では正確な燃焼制御ができなかった。
【０００８】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ステッピングモータにより弁体を作動させるタイプのガス流量制御弁を備えたガス燃焼装置において、ガス流量制御弁を複数のガス種に共通して使用可能とするとともに、ガス種の如何にかかわらず適切な燃焼制御を実現し得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】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のガス燃焼装置は、バーナへの燃料ガスの供給路となるガス通路を、ステッピングモータの駆動によって絞りまたは開く弁構造を有するガス流量制御手段と、前記ステッピングモータの動作を制御する制御手段とを有するガス燃焼装置において、所定の基準ガスの単位発熱量を記憶する手段と、使用ガスの単位発熱量を獲得する手段とを備えてなり、前記制御手段は、前記基準ガスの単位発熱量と使用ガスの単位発熱量の比に基づいて、予め前記基準ガスに合わせて設定されている前記ステッピングモータの１ステップあたりの駆動量を変更する制御構成を備えたことを特徴とする。
【００１０】
つまり、請求項１に記載の発明では、基準ガスと使用ガスの単位発熱量の比に基づいて、１ステップあたりの駆動量を変更して１ステップあたりのインプット量の変化の度合いを基準ガスの場合と同じにすることによって、基準ガス以外のガスが供給された場合でも基準ガスの場合と同様の燃焼制御を行い得るようにした。
【００１１】
また、本発明の請求項２に記載のガス燃焼装置は、前記基準ガスとして、ガス燃焼装置で使用が予定されるガス種のうちで単位発熱量が最も低い値を示すガス種が用いられることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明の請求項３に記載のガス燃焼装置は、前記制御手段における前記ステッピングモータの１ステップあたりの駆動量の変更が、前記ステッピングモータの励磁方式の変更により行われることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明のガス燃焼装置を給湯器に適用した場合の概略構成を示している。図示のように、給湯器１は本体内にガスを燃料とするバーナ２が備えられており、このバーナ２の上方にはバーナ２によって加熱可能な熱交換器３が設けられ、下方にはバーナ２への給気を行うための送風ファン４が設けられている。
【００１５】
熱交換器３の入水側には給水管５が接続されるとともに、出湯側には出湯管６が接続されており、上記給水管５には、熱交換器３への入水温度を検出する入水温度センサ（入水温度検出手段）７と、入水量を検出する水量センサ（入水量検出手段）９とが設けられている。また、上記出湯管６には、上記熱交換器３で加熱された温水の出湯温度を検出する出湯温度センサ８が設けられている。
【００１６】
バーナ２は、図示のように複数の燃焼管で構成され、図示しない能力切替弁により燃焼管の本数の切り替えが可能とされている。そして、このバーナ２には、燃料ガスを供給するためのガス管（ガス通路）１０が接続されており、このガス管１０がガス供給源と接続されて、上記バーナ２への燃料ガスの供給路を構成している。
【００１７】
そして、ガス管１０には、燃料ガスの流量を検出する流量センサ１１と、バーナ２に供給される燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁（ガス流量制御手段）１２とが設けられている。
【００１８】
流量センサ１１は、ガス管１０内を流れる流体の質量流量を検出するセンサであって、この流量センサ１１としては、たとえばヒータを挟んだ上下両側に温度センサを搭載して該温度センサ間の出力値の差から流体の質量流速を測定する熱式質量センサが好適に用いられる。
【００１９】
ガス流量制御弁１２は、たとえばニードル弁などのように弁体を作動させて弁座の開口面積を変化させることによって流量を制御する制御弁が用いられる。具体的には図２に示すように、ガス管１０に弁座１００を設け、ステッピングモータ１０１の駆動によって該ステッピングモータ１０１と連動する弁体１０２を弁座１００に対して進退動作させることにより、弁座１００を通過するガスの流量を制御するように構成されている。
【００２０】
つまり、本実施形態では、上記ステッピングモータ１０１のステップ数を調節することでガス流量制御弁１２の弁開度が設定され、これによりバーナ２に供給される燃料ガスの供給量の調節が行われる。なお、このステッピングモータ１０１のステップ数は、後述する給湯器１のコントローラ（制御手段）１３から与えられる制御信号によって設定される。
【００２１】
そして、このガス流量制御弁１２の選定にあたっては、ステッピングモータ１０１を所定の励磁方式（本実施形態ではいわゆるフルステップ駆動となる１相または２相励磁）で励磁することを前提に、この前提の下で、給湯器１の仕様上使用が予定されるガス種のうちで単位発熱量が最も低いガス（以下、これを基準ガスと称する）を使用した場合でも、要求される最大能力での燃焼を行うのに必要な弁開度（開弁量）が得られる制御弁が用いられる。
【００２２】
たとえば、給湯器１の仕様上、燃料ガスとして１３Ａガスとプロパンガスの二種類のガスが予定されている場合には、１３Ａガスが基準ガスとなり、ガス流量制御弁１２は、基準ガスである１３Ａガスが用いられた場合でも仕様上要求される最大能力での燃焼が行える制御弁が用いられる。
【００２３】
より具体的には、本発明ではガス流量制御弁１２の駆動機構としてステッピングモータ１０１が用いられているので、上述したガス流量制御弁１２の選定条件は、燃料ガスのインプット量とステッピングモータ１０１のステップ数との関係（ステップ−インプット特性）で把握することができる。
【００２４】
図３（ａ）　は、基準ガスでのステップ−インプット特性図の一例を示しており、図示のように、ステッピングモータ１０１が所定のステップ数Ｓに達した時に最大能力となるインプット量（最大インプット）が得られるガス流量制御弁１２が用いられる。なお、上記ステップ数Ｓは、ステップ数を１からＳの範囲で変化させることにより、バーナ２を能力最小から能力最大まで調節できるように決定される。つまり、ステップ数Ｓを如何に設定するかで、ステッピングモータ１０１の１ステップあたりの駆動量、つまり１ステップの駆動に伴う弁体１０２の前進（または後退）動作量が変わるので、この１ステップあたりの駆動量が燃焼制御に適した値となるようにガス流量制御弁が選択される。
【００２５】
コントローラ１３は、上記給湯器１の各部の動作を制御するための制御装置であって、図示しない制御用のマイクロコンピュータと所定の記憶装置（記憶手段）とを備えて構成されている。
【００２６】
上記記憶装置には、後述する処理をマイクロコンピュータに実行させるための制御プロラムが記憶されるとともに、燃料ガスの単位発熱量の演算に必要となる条件値（詳細は後述する）や上記ステッピングモータ１０１の動作制御用データなどの各種データが記憶されている。特に本実施形態では、上記ステッピングモータ１０１の動作制御用データの一つとして、上記基準ガスの単位発熱量ＨＧ１が記憶されている。
【００２７】
また、このコントローラ１３には、図１に破線で示すように、上記入水温度ンサ７、出湯温度センサ８、水量センサ９、流量センサ１１などの各種センサが通信線を介して電気的に接続されて各センサの検出値が入力可能とされる一方、上記送風ファン４およびガス流量制御弁１２のステッピングモータ１０１等とも電気的に接続され、これらに対して動作制御用の制御信号が出力可能とされている。なお、本実施形態では、後述するようにステッピングモータ１０１に対して、そのステップ数や励磁方式を指示する信号が出力される。
【００２８】
次に、このように構成されてなる給湯器１の動作について説明する。
Ａ：使用ガスの単位発熱量の演算
この給湯器１では、給湯試運転時または通常の給湯運転開始時に、上記コントローラ１３がバーナ２に供給される燃料ガスの単位質量あたりの発熱量を演算するものとされている。つまり、本実施形態では、コントローラ１３が使用ガスの単位発熱量の獲得手段と所定の基準ガスの単位発熱量を記憶する手段を構成する。
【００２９】
すなわち、給湯試運転または給湯運転が開始されると、コントローラ１３は、まず、給湯器１内の入水温度センサ７、出湯温度センサ８および水量センサ９からそれぞれ入水温度Ｔｉ、出湯温度Ｔｏおよび入水量Ｗの各検出値を取得する）。また、その一方でコントローラ１３は、給湯器１の熱交換器３で加熱される被加熱水ならびに熱交換器３についての情報（条件値）を取得する。
【００３０】
ここで、これらの条件値は、被加熱水の密度ρおよび比熱Ｃと熱交換器３の熱交換効率αからなり、これらはいずれも予めコントローラ１３の記憶装置に記憶させておいたものを用いる。
【００３１】
このようにしてコントローラ１３が給湯器１の各種センサ情報および既定の条件値を取得すると、次にコントローラ１３は下記の数式（１）を用いて、熱交換器３の入水側と出湯側の温度差と、熱交換器３に供給された被加熱水の入水量とに基づいて被加熱水に与えられた熱量（瞬時発熱量）Ｈｇを算出する。
記
Ｈｇ＝（Ｔｏ−Ｔｉ）・Ｃ・Ｗ・ρ・α　・・・（１）
【００３２】
そして、次にコントローラ１３は、流量センサ１１の検出値から燃料ガスの質量流量Ｇを取得し、下記の数式（２）を用いて上記瞬時発熱量Ｈｇをバーナ２に供給される燃料ガスの質量流量Ｇで除算することによりバーナ２に供給されている使用ガスの単位質量あたりの発熱量（単位発熱量）ＨＧ２を算出する。
記
ＨＧ２＝Ｈｇ／Ｇ　・・・（２）
【００３３】
このようにして、使用ガスの単位発熱量ＨＧ２が求められると、次にコントローラ１３は、この単位発熱量ＨＧ２と上記記憶装置（基準ガスの単位発熱量を記憶する手段）に記憶させておいた基準ガスの単位発熱量ＨＧ１とを比較して両者の比を求め、使用ガスの単位発熱量ＨＧ２が基準ガスの単位発熱量ＨＧ１の何倍になるかを計算し（たとえばＸ倍とする）、ステッピングモータ１０１の１ステップあたりの駆動量が１／Ｘ倍となるようにステッピングモータ１０１の励磁方式を変更する。
【００３４】
たとえば、上述したように基準ガスが１３Ａである場合において、使用ガスがプロパンガスである場合、プロパンガスの単位発熱量ＨＧ２は１３Ａガスの単位発熱量ＨＧ１の略２倍であるので、コントローラ１３はこれら単位発熱量ＨＧ１，ＨＧ２の比に基づいてステッピングモータ１０１の１ステップあたりの駆動量が１／２となるようにステッピングモータ１０１の励磁方式をフルステップ駆動である２相励磁からハーフステップ駆動である１−２相励磁に変更する。
【００３５】
これにより、ステッピングモータ１０１のステップ−インプット特性は、図３（ｂ）　に示すように改善され、その結果、使用ガスとしてプロパンガスが供給された場合でもステップ−インプット特性は基準ガスの場合と略同じ特性を示すので、基準ガスの場合と同様に燃焼制御を行うことができる。
【００３６】
このように本発明によれば、コントローラ１３が、基準ガスの単位発熱量ＨＧ１と使用ガスの単位発熱量ＨＧ２の比に基づいて、ステッピングモータ１０１の励磁方式を変更して、予め基準ガスに合わせて設定されているステッピングモータ１０１の１ステップあたりの駆動量を変更し、異なるガス種においても１ステップあたりのインプット量が同じになるように制御するので、基準ガスと異なるガス種のガスを燃料として供給しても、ステッピングモータ１０１の１ステップあたりのインプット量が同じであるので、ガス流量制御弁１２が制御不能に陥ることがない。
【００３７】
しかも、本発明では、基準ガスと使用ガスの対比について、ガス種を用いずに単位発熱量ＨＧを採用していることから、同一ガス種間での単位発熱量の相違による誤差を生じることもない。特に、本実施形態では、使用ガスの単位発熱量ＨＧ２がコントローラ１３の演算によって正確に求められているので、燃焼制御をより正確に行うことができる。
【００３８】
なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００３９】
たとえば、上述した実施形態では、本発明を給湯器に適用した場合を示したが、本発明は燃料ガスの流量検出が可能で、かつ燃料ガスの供給が流量制御弁により行われるガス燃焼装置であれば、たとえば風呂釜など他の燃焼器具にも適用可能である。
【００４０】
また、上述した実施形態では、仕様上使用が予定されるガス種のうちで単位発熱量が最も低いガスを基準ガスとした場合を示したが、基準ガスは適宜変更可能である。要は、基準ガスと使用ガスの単位発熱量の比較に基づいてステッピングモータ１０１の１ステップあたりの駆動量を変化させる構成であれば他のガス種を基準ガスとして用いることも可能である。
【００４１】
さらに、上述した実施形態では、ステッピングモータ１０１の１ステップあたりの駆動量を変化させる方法として、ステッピングモータ１０１の励磁方式を変更する場合を示したが、たとえばステッピングモータ１０１と弁体１０２との間に変速機などの機械的要素を介在させて、これにより１ステップあたりの駆動量を変更するように構成してもよい。
【００４２】
また、上述した実施形態では、燃料ガスの流量の測定にあたり、燃料の質量流量を測定する質量流量センサを用いた場合を示したが、体積流量を測定するセンサを用いて実施することも可能である。
【００４３】
また、上述した実施形態では、使用ガスの単位発熱量ＨＧ２は、コントローラ１３により上記数式（１）　を用いて演算されているが、たとえば数式（１）　をより簡略化（または具体化）した数式を用いて単位発熱量ＨＧ２を演算させることもできる。たとえば、上述した実施形態では熱交換器３の熱交換効率αを既定値として用いたが、使用ガスの単位発熱量ＨＧ２を既定値として用いることができる（換言すれば使用ガスの単位発熱量ＨＧ２の正確な値を知ることができる）出荷検査時などに、上記数式（１）　を用いて熱交換効率αを演算させ、この値を熱交換効率αとして用いることも可能である。また、上述した実施形態では、使用ガスの単位発熱量ＨＧ２をコントローラ１３で演算する構成を採用したが、既定値としてコントローラ１３に入力させるように構成することも可能である。要は、コントローラ１３が使用ガスの単位発熱量ＨＧ２を獲得できれば、演算以外の他の方法で単位発熱量ＨＧ２を獲得させることも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のガス燃焼装置によれば、バーナへの燃料ガスの供給路となるガス通路を、ステッピングモータの駆動によって絞りまたは開く弁構造を有するガス流量制御手段と、前記ステッピングモータの動作を制御する制御手段とを有するガス燃焼装置において、所定の基準ガスの単位発熱量を記憶する手段と、使用ガスの単位発熱量を獲得する手段とを備えてなり、前記制御手段は、前記基準ガスの単位発熱量と使用ガスの単位発熱量の比に基づいて、予め前記基準ガスに合わせて設定されている前記ステッピングモータの１ステップあたりの駆動量を変更する制御構成を備えているので、基準ガスと異なるガス種のガスが燃料として供給されても、ステッピングモータの１ステップあたりのインプット量を基準ガスの場合と同じにできるので、異なるガス種に共通のガス流量制御弁を用いることができる。
【００４５】
また、基準ガスとして、ガス燃焼装置で使用が予定されるガス種のうちで単位発熱量が最も低い値を示すガス種を用いることにより、使用が予定されているガス種であればどのようなガス種のガスが供給されても制御不能に陥ることが防止できる。
【００４６】
また、ステッピングモータの１ステップあたりの駆動量の変更が、前記ステッピングモータの励磁方式の変更により行われることにより、簡易な構成で実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス燃焼装置の概略構成の一例を示す説明図である。
【図２】同ガス燃焼装置に用いられるガス流量制御弁の概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明に係るガス燃焼装置におけるガス流量制御弁のステップ−インプット特性を示しており、図３（ａ）　は使用ガスが１３Ａガスであるときにステッピングモータを２相励磁したときのステップ−インプット特性を、図３（ｂ）　は使用ガスがプロパンガスであるときにステッピングモータを１−２相励磁したときのステップ−インプット特性を示している。
【図４】従来のガス燃焼装置におけるガス流量制御弁のステップ−インプット特性を示しており、図４（ａ）は使用ガスが１３Ａガスである場合のステップ−インプット特性を、図４（ｂ）は使用ガスがプロパンガスである場合のステップ−インプット特性を示している。
【符号の説明】
１　　　　　給湯器（ガス燃焼装置）
２　　　　　バーナ
３　　　　　熱交換器
４　　　　　送風ファン
５　　　　　給水管
６　　　　　出湯管
７　　　　　入水温度センサ
８　　　　　出湯温度センサ
９　　　　　水量センサ
１０　　　　ガス管（ガス通路）
１１　　　　流量センサ
１２　　　　ガス流量制御弁
１３　　　　コントローラ（制御手段）

Claims

バーナへの燃料ガスの供給路となるガス通路を、ステッピングモータの駆動によって絞りまたは開く弁構造を有するガス流量制御手段と、前記ステッピングモータの動作を制御する制御手段とを有するガス燃焼装置において、
所定の基準ガスの単位発熱量を記憶する手段と、使用ガスの単位発熱量を獲得する手段とを備えてなり、
前記制御手段は、前記基準ガスの単位発熱量と使用ガスの単位発熱量の比に基づいて、予め前記基準ガスに合わせて設定されている前記ステッピングモータの１ステップあたりの駆動量を変更する制御構成を備えた
ことを特徴とするガス燃焼装置。
前記基準ガスとして、ガス燃焼装置で使用が予定されるガス種のうちで単位発熱量が最も低い値を示すガス種が用いられることを特徴とする請求項１に記載のガス燃焼装置。
前記制御手段における前記ステッピングモータの１ステップあたりの駆動量の変更が、前記ステッピングモータの励磁方式の変更により行われることを特徴とする請求項１または２に記載のガス燃焼装置。