JP2016042004A

JP2016042004A - 燃焼装置

Info

Publication number: JP2016042004A
Application number: JP2014166461A
Authority: JP
Inventors: 政一清水; Masaichi Shimizu
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: KR101671642B1; KR20160022276A; JP6309861B2

Abstract

【課題】燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を切換える燃焼装置において、保炎制御中に生じやすい燃焼能力間でのハンチングの発生を効果的に抑制できるようにする。
【解決手段】バーナユニット２と、燃焼ファン４と、ガス供給路５に設けられた比例弁７と、バーナユニット全体の燃焼能力を切換える能力切換弁８_１〜８_３とを備える燃焼装置であって、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で得られる燃焼量の上限を上回ったときや下限を下回ったときに能力アップ制御や能力ダウン制御を行うと共に、能力アップ制御を行ってから所定時間経過するまで、比例弁電流は要求燃焼量に応じた値に維持したまま燃焼ファンの回転数を要求燃焼量に応じた値よりも低くする保炎制御を行うものにおいて、保炎制御中は、比例弁電流の下限値を保炎制御を実行していないときよりも低く設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のバーナを有するバーナユニットと、バーナユニットに燃焼用空気を供給する燃焼ファンと、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を複数段に切換える能力切換弁と、燃焼ファン、比例弁及び能力切換弁を制御する制御手段とを備える燃焼装置に関する。

この種の燃焼装置において、制御手段は、燃焼ファンの回転数と比例弁に通電する比例弁電流とを要求燃焼量に応じて可変する制御を行うと共に、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を上回ったときに、燃焼能力を１段高くする能力アップ制御を行い、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を下回ったときに、燃焼能力を１段低くする能力ダウン制御を行うように構成される。

ここで、比例弁電流の下限値と上限値は、各段の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量がそれより１段高い燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量を上回るように設定されている。これにより、能力順位で隣接する燃焼能力の一方で得られる燃焼量の範囲と他方で得られる燃焼量の範囲とが一部重なる（以下、この重なる燃焼量の範囲を重ね代と記す）。そして、一旦能力アップ制御が行われると、要求燃焼量が重ね代以上減少しない限り能力ダウン制御は行われず、要求燃焼量の微小変化で能力アップ制御と能力ダウン制御が短時間で繰り返される現象（ハンチング）が防止される。尚、ハンチングが発生すると、出湯温が不安定になったり、能力切換弁の頻繁な開閉による騒音を生ずるため、ハンチングはできるだけ防止することが望ましい。

ところで、能力アップ制御で新たに燃料ガスを供給するバーナでは、その炎口部温度が上昇するまで火炎リフトを生じ易くなる。そこで、能力アップ制御を行ってから所定時間経過するまで、燃焼ファンの回転数は要求燃焼量に応じた値に維持したまま比例弁電流を要求燃焼量に応じた値よりも大きくする保炎増量制御を行うようにしたものも知られている。これによれば、バーナから噴出する混合気の燃料濃度が濃くなって、能力アップ制御で新たに燃料ガスを供給するバーナでの火炎リフトを防止できる。

然し、保炎増量制御中は、比例弁電流の下限値が増加補正されて、能力アップ後の燃焼能力で得られる燃焼量の下限が比例弁電流の下限値増加分だけ大きくなる。そのため、保炎増量制御中は重ね代が小さくなって、ハンチングが発生しやすくなる。

そこで、従来、特許文献１により、最大の燃焼能力以外の所定の燃焼能力とそれより１段高い燃焼能力との間での能力ダウン制御から能力アップ制御までの経過時間が所定の設定時間以下になったときに、保炎増量制御を禁止するようにしたものが知られている。保炎増量制御を禁止すれば、能力アップ後の燃焼能力で得られる燃焼量の下限は、能力アップ制御直後から保炎増量制御終了後の比較的低い値に維持されて、重ね代が大きくなり、ハンチングの発生を抑制できる。

ところで、従来、能力アップ制御を行ってから所定時間経過するまで、上記保炎増量制御に代えて、比例弁電流は要求燃焼量に応じた値に維持したまま燃焼ファンの回転数を要求燃焼量に応じた値よりも低くして、バーナから噴出する混合気の燃料濃度を濃くする保炎制御を行うものも知られている。これによれば、比例弁電流の下限値が保炎制御で増加補正されることがなく、保炎制御中も重ね代は小さくならない。

然し、保炎制御で燃焼ファンの回転数を低くすると、燃焼に寄与せずに被加熱物に達する余剰空気量が少なくなって、熱効率が比較的高くなり、燃焼量の変化に対する被加熱物の加熱量の変化幅が比較的大きくなる。そのため、保炎制御中は、重ね代が小さくならなくても、ハンチングが発生しやすくなる。

特開２０１３−２４５８８７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、保炎制御中のハンチングの発生を抑制できるようにした燃焼装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、複数のバーナを有するバーナユニットと、バーナユニットに燃焼用空気を供給する燃焼ファンと、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を複数段に切換える能力切換弁と、燃焼ファン、比例弁及び能力切換弁を制御する制御手段とを備える燃焼装置であって、比例弁に通電する比例弁電流の下限値と上限値は、各段の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量がそれより１段高い燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量を上回るように設定され、制御手段は、燃焼ファンの回転数と比例弁電流とを要求燃焼量に応じて可変する制御を行うと共に、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を上回ったときに、燃焼能力を１段高くする能力アップ制御を行い、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を下回ったときに、燃焼能力を１段低くする能力ダウン制御を行い、更に、能力アップ制御を行ってから所定時間経過するまで、比例弁電流は要求燃焼量に応じた値に維持したまま燃焼ファンの回転数を要求燃焼量に応じた値よりも低くする保炎制御を行うように構成されるものにおいて、比例弁電流の下限値を、保炎制御中は、保炎制御を実行していないときよりも低く設定することを特徴とする。

本発明によれば、保炎制御中は比例弁電流の下限値が低くなるため、重ね代がその部分だけ大きくなる。これにより、保炎制御中に生じやすいハンチングを効果的に抑制することができる。

本発明の実施形態の燃焼装置の構成を示す模式図。バーナユニット全体の燃焼量とファン回転数との関係を表す燃焼特性ラインを各段の燃焼能力について示したグラフ。

図１は、給湯用熱源機から成る本発明の実施形態の燃焼装置を示している。この燃焼装置は、燃焼筐１を備えている。燃焼筐１の下部と上部には、夫々バーナユニット２と給湯用の熱交換器３とが収納されており、更に、燃焼筐１の下面には、バーナユニット２に燃焼用空気を供給する燃焼ファン４が接続されている。そして、バーナユニット２からの燃焼ガスにより熱交換器３の上流側の給水管３ａからの水を加熱し、熱交換器３の下流側の出湯管３ｂに所定の設定温度に加熱された温水が出湯されるようにしている。熱交換器３を通過した燃焼ガスは、燃焼筐１の上部に開設した排気口１ａから外部に排出される。

バーナユニット２は、第１乃至第３の３個のバーナ２_１，２_２，２_３を有している。本実施形態では、計１５本の単位バーナ２ａを並設して、３本の単位バーナ２ａで第１バーナ２_１、５本の単位バーナ２ａで第２バーナ２_２、残りの７本の単位バーナ２ａで第３バーナ２_３を構成している。尚、各バーナ２_１，２_２，２_３を各所定本数の単位バーナ２ａで構成せずに、所定本数の単位バーナ２ａと同様の燃焼能力を持つ各一個のバーナで各バーナ２_１，２_２，２_３を構成することも可能である。

バーナユニット２に燃料ガスを供給するガス供給路５には、電磁開閉弁から成る元弁６と、その下流側の比例弁７とが介設されている。また、比例弁７の下流側のガス供給路５の部分は、第１バーナ２_１に連なる第１分岐路５_１と、第２バーナ２_２に連なる第２分岐路５_２と、第３バーナ２_３に連なる第３分岐路５_３とに分岐されている。これら第１乃至第３分岐路５_１，５_２，５_３には、夫々電磁開閉弁から成る第１乃至第３能力切換弁８_１，８_２，８_３が介設されている。そして、第１乃至第３能力切換弁８_１，８_２，８_３の開閉で燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更して、バーナユニット２全体の燃焼能力を複数段に切換えるようにしている。

具体的に説明すれば、第１能力切換弁８_１を開弁して第１バーナ２_１のみに燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を最も低い第１段の能力（単位バーナ３本分の能力）に切換え、第２能力切換弁８_２を開弁して第２バーナ２_２のみに燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第２段の能力（単位バーナ５本分の能力）に切換え、第１と第２の両能力切換弁８_１，８_２を開弁して第１と第２の両バーナ２_１，２_２に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第３段の能力（単位バーナ８本分の能力）に切換え、第１と第３の両能力切換弁８_１，８_３を開弁して第１と第３の両バーナ２_１，２_３に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第４段の能力（単位バーナ１０本分の能力）に切換え、第１乃至第３能力切換弁８_１，８_２，８_３を開弁して第１乃至第３バーナ２_１，２_２，２_３に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット１全体の燃焼能力を最も高い第５段の能力（単位バーナ１５本分の能力）に切換えるようにしている。

燃焼装置は、更に、燃焼ファン４、元弁６、比例弁７及び能力切換弁８_１，８_２，８_３を制御する制御手段たるマイクロコンピュータから成るコントローラ９を備えている。コントローラ９は、給湯負荷に応じた要求燃焼量（設定温度の温水を出湯するのに必要な燃焼量）を演算し、この要求燃焼量に合わせて第１乃至第３の能力切換弁８_１，８_２，８_３を開閉制御して、バーナユニット２全体の燃焼能力を切換え、切換えた燃焼能力で要求燃焼量に等しい燃焼量が得られ、且つ、この燃焼量に応じた適切な量の空気が供給されるように、燃焼ファン４の回転数と比例弁７に通電する比例弁電流とを要求燃焼量に応じて可変する制御を行う。

尚、燃焼ファン４の回転数を要求燃焼量に応じた目標回転数になるようにフィードバック制御し、燃焼ファン４の回転数を検出して、この検出回転数に比例するように比例弁電流を可変する、所謂ファン先行制御を行ってもよい。この場合でも、比例弁電流は、間接的にではあるが、要求燃焼量に応じて可変制御されることになり、本発明に含まれる。

図２は、各段の燃焼能力で得られる燃焼量と燃焼ファン４の回転数（ファン回転数）との関係を表す燃焼特性ラインを示しており、この燃焼特性ラインは、第１段の能力ではラインＬ１、第２段の能力ではラインＬ２、第３段の能力ではラインＬ３、第４段の能力ではラインＬ４，第５段の能力ではラインＬ５になる。ここで、ファン回転数の下限値Ｎｍｉｎに対応する比例弁電流の下限値とファン回転数の上限値Ｎｍａｘに対応する比例弁電流の上限値は、各段の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときのバーナユニット２全体の燃焼量がそれより１段高い燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときのバーナユニット２全体の燃焼量を上回るように設定され、能力順位で隣接する燃焼能力間で重ね代Ｗを持つことになる。

そして、コントローラ９は、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を上限値（ファン回転数を上限値Ｎｍａｘ）にしたときに得られるバーナユニット２全体の燃焼量を上回ったときに、燃焼能力を１段高くする能力アップ制御を行い、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を下限値（ファン回転数を下限値Ｎｍｉｎ）にしたときに得られるバーナユニット２全体の燃焼量を下回ったときに、燃焼能力を１段低くする能力ダウン制御を行う。これによれば、一旦能力ダウン制御が行われると、要求燃焼量が重ね代Ｗ以上増加しない限り能力アップ制御は行われず、また、一旦能力アップ制御が行われると、要求燃焼量が重ね代Ｗ以上減少しない限り能力ダウン制御は行われず、要求燃焼量の微小変化で能力アップ制御と能力ダウン制御が短時間で繰り返される現象（ハンチング）が抑制される。

コントローラ９は、更に、能力アップ制御で新たに燃料ガスを供給するバーナでの火炎リフトを防止するため、能力アップ制御を行ってから所定時間（例えば、９０秒）経過するまで、比例弁電流は要求燃焼量に応じた値に維持したままファン回転数を要求燃焼量に応じた値よりも低くする保炎制御を行い、バーナから噴出する混合気の燃料濃度を濃くする。図２のラインＬ２´は、第１段の燃焼能力から第２段の燃焼能力への能力アップ制御後の保炎制御を行っている間の燃焼特性ラインを示している。

ところで、上記重ね代Ｗは燃焼能力が低くなるほど小さくなる。また、保炎制御でファン回転数を低くすると、燃焼に寄与せずに熱交換器３に達する余剰空気量が少なくなって、熱効率が比較的高くなり、燃焼量の変化に対する給湯温度の変化幅が比較的大きくなる。そのため、第２段の燃焼能力への能力アップ時の保炎制御中は、重ね代Ｗが比較的小さくなることと相俟って、ハンチングが発生しやすくなる。

そこで、本実施形態では、比例弁電流の下限値を、第２段の燃焼能力への能力アップ時の保炎制御中は、保炎制御を実行していないときよりも所定値だけ低く設定している。これによれば、図２のラインＬ２´の下限がＡ点からＡ´点に変位する。そのため、保炎制御中は、第１段の燃焼能力と第２段の燃焼能力との間の重ね代がＷからＷ´に増加し、ハンチングを効果的に抑制できるようになる。

尚、比例弁電流の下限値を低くすると、火炎がバーナ上端の炎口に近づいてバーナが過熱する恐れがある。然し、保炎制御は能力アップ制御開始当初の所定時間行われるだけであるため、比例弁電流の下限値を保炎制御中だけ低くするのであれば、バーナが過熱することはない。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、重ね代Ｗがハンチングを生じやすくなるほど小さくなるのは第１段と第２段の燃焼能力間だけであるため、第２段の燃焼能力への能力アップ時の保炎制御中にのみ比例弁電流の下限値を低くしているが、第３段乃至第５段の燃焼能力への能力アップ時の保炎制御中にも比例弁電流の下限値を低くするようにしてもよい。

また、上記実施形態は、給湯用の熱交換器３を有する給湯用熱源機から成る燃焼装置に本発明を適用したものであるが、暖房用といった給湯以外の用途の燃焼装置であっても、燃料ガスを供給するバーナの組合せにより燃焼能力を切換えるものであれば、同様に本発明を適用できる。

２…バーナユニット、２_１，２_２，２_３…バーナ、４…燃焼ファン、５…ガス供給路、７…比例弁、８_１，８_２，８_３…能力切換弁、９…コントローラ（制御手段）。

Claims

複数のバーナを有するバーナユニットと、バーナユニットに燃焼用空気を供給する燃焼ファンと、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を複数段に切換える能力切換弁と、燃焼ファン、比例弁及び能力切換弁を制御する制御手段とを備える燃焼装置であって、
比例弁に通電する比例弁電流の下限値と上限値は、各段の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量がそれより１段高い燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量を上回るように設定され、
制御手段は、燃焼ファンの回転数と比例弁電流とを要求燃焼量に応じて可変する制御を行うと共に、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を上回ったときに、燃焼能力を１段高くする能力アップ制御を行い、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を下回ったときに、燃焼能力を１段低くする能力ダウン制御を行い、更に、能力アップ制御を行ってから所定時間経過するまで、比例弁電流は要求燃焼量に応じた値に維持したまま燃焼ファンの回転数を要求燃焼量に応じた値よりも低くする保炎制御を行うように構成されるものにおいて、
比例弁電流の下限値を、保炎制御中は、保炎制御を実行していないときよりも低く設定することを特徴とする燃焼装置。