JP2017187177A

JP2017187177A - 予混合装置

Info

Publication number: JP2017187177A
Application number: JP2016073845A
Authority: JP
Inventors: 昌生野々山; Masao Nonoyama
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2036-04-01
Also published as: US11105505B2; US20170284663A1; CN107270292B; EP3225913B1; KR20170113182A; JP6654494B2; CN107270292A; EP3225913A1; US20190293281A1; KR102295803B1

Abstract

【課題】空気供給路３及びガス供給路４の通気抵抗を大小に切換えるバタフライ弁７及び切換弁８と、バタフライ弁の開閉に連動して切換弁を開閉する連動機構９とを備える予混合装置において、空気供給路及びガス供給路の通気抵抗を大きくする小能力状態と通気抵抗を小さくする大能力状態との何れにおいても、混合気の空気過剰率が適正値になるよう調節できるようにする。
【解決手段】バタフライ弁７が閉じ姿勢を含む所定の第１回動角度範囲内に存するときに切換弁８を全閉状態に維持し、バタフライ弁７が開き姿勢を含む所定の第２回動角度範囲内に存するときに切換弁７を全開状態に維持するように連動機構９を構成する。第１回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が適正値になるバタフライ弁７の回動角度を閉じ側停止角度に設定すると共に、第２回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が適正値になるバタフライ弁７の回動角度を開き側停止角度に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置に関する。

従来、この種の予混合装置として、特許文献１により、燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端がファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、ガス吸引部より上流側の空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁よりも下流側のガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備えるものが知られている。

ところで、流量調節弁として比例弁を用いる場合は、要求燃焼量に応じた量の燃料ガスが供給されるように比例弁が制御され、更に、バーナに供給される混合気の空燃比が一定になるように、要求燃焼量に応じてファン回転数が制御される。但し、要求燃焼量が所定値以下になって、ファン回転数が送風量の比例特性を維持できる下限回転数以下になったり、比例弁電流（比例弁への通電電流）がガス供給量の比例特性を維持できる下限電流以下になった場合には、要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できなくなる。

また、流量調節弁として、二次ガス圧を大気圧に維持するゼロガバナを用いることもある。この場合、燃料ガスの供給量は、二次ガス圧である大気圧と空気供給路内の負圧との差圧に応じて変化する。そして、空気供給路内の負圧がファン回転数に応じて変化するため、燃料ガスの供給量はファン回転数即ち空気の供給量に応じて変化する。従って、要求燃焼量に応じてファン回転数を制御することにより、要求燃焼量に応じた量の空気及び燃料ガスがバーナに供給されることになる。

このものでも、ファン回転数が送風量の比例特性を維持できる下限回転数以下になると、要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できなくなる。そのため、要求燃焼量が所定値以下になったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を大きくして、ファン回転数を上記下限回転数以下にせずに、所定値以下の要求燃焼量に応じた量の空気を供給できるようにする必要がある。また、空気供給路の通気抵抗を大きくするだけでは、空気供給路内の負圧の増加で燃料ガスの供給量が要求燃焼量に応じた量を超えてしまうため、空気供給路の通気抵抗を大きくするのに合わせて、ガス供給路の通気抵抗も大きくする必要がある。

そこで、上記従来例では、要求燃焼量が所定値以下になったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を大きくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路の通気抵抗を大きくした小能力状態として、所定値以下の要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できるようにし、要求燃焼量が所定値を上回ったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を小さくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路の通気抵抗を小さくした大能力状態に復帰させている。

ここで、特許文献１に記載のものにおいて、空気抵抗切換手段は、ガス吸引部よりも上流側の空気供給路の部分に設けられ、空気供給路の長手方向に平行な開き姿勢と空気供給路の長手方向に直交する閉じ姿勢とに回動されるバタフライ弁で構成され、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に開閉動作自在に設けられた切換弁で構成され、バタフライ弁の開き姿勢と閉じ姿勢への回動に連動して切換弁を開閉動作させる連動機構を備えている。

ところで、空気供給路の寸法誤差等により、バタフライ弁を閉じ姿勢に回動させた小能力状態において、混合気の空気過剰率が適正値からずれてしまうことがあり、同様に、バタフライ弁を開き姿勢に回動させた大能力状態において、混合気の空気過剰率が適正値からずれてしまうことがある。この場合、空気供給路の径を変更して、空気過剰率を適正値にすることができるが、そのためには、空気供給路の関係部品を交換することが必要になり、かなりのコストがかかってしまう。

特開２０１５−２３０１１３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、小能力状態と大能力状態との何れにおいても、混合気の空気過剰率が適正値になるように、部品交換を要することなく調節できるようにした予混合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、空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置であって、燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端がファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、ガス吸引部より上流側の空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁よりも下流側のガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備え、空気抵抗切換手段は、ガス吸引部よりも上流側の空気供給路の部分に設けられ、空気供給路の長手方向に平行な開き姿勢と空気供給路の長手方向に直交する閉じ姿勢とに回動されるバタフライ弁で構成され、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に開閉動作自在に設けられた切換弁で構成され、バタフライ弁の開き姿勢と閉じ姿勢への回動に連動して切換弁を開閉動作させる連動機構を備えるものにおいて、連動機構は、バタフライ弁が閉じ姿勢を含む所定の第１回動角度範囲内に存するときに切換弁を全閉状態に維持し、バタフライ弁が開き姿勢を含む所定の第２回動角度範囲内に存するときに切換弁を全開状態に維持するように構成され、第１回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を閉じ側停止角度に設定すると共に、第２回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を開き側停止角度に設定し、バタフライ弁を閉じ側停止角度と開き側停止角度との間で回動制御することを特徴とする。

本発明によれば、第１回動角度範囲内では、切換弁が全閉状態に維持されてバタフライ弁の回動角度のみが変化するため、この変化で空気供給路の通気抵抗が変化して、混合気の空気過剰率も変化する。従って、バタフライ弁の閉じ姿勢における混合気の空気過剰率が適正値からずれていても、バタフライ弁の第１回動角度範囲内での回動で混合気の空気過剰率を適正値にすることができる。同様に、バタフライ弁の開き姿勢における混合気の空気過剰率が適正値からずれていても、バタフライ弁の第２回動角度範囲内での回動で混合気の空気過剰率を適正値にすることができる。そして、空気供給路の通気抵抗を大きくすると共にガス供給路の通気抵抗を大きくする小能力状態に切換える際に、バタフライ弁を第１回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になる閉じ側停止角度まで回動させ、また、空気供給路の通気抵抗を小さくすると共にガス供給路の通気抵抗を小さくする大能力状態に切換える際に、バタフライ弁を第２回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が適正値になる開き側停止角度まで回動させることにより、小能力状態と大能力状態との何れにおいても、混合気の空気過剰率が適正値になるように部品交換を要することなく調節できる。

ところで、第１回動角度範囲内において混合気の空気過剰率が最も低くなるのは、バタフライ弁を閉じ姿勢に回動させたときである。そのため、バーナへの点火動作は、バタフライ弁を閉じ姿勢に回動させた状態で行うことが望ましい。これによれば、混合気の空気過剰率が比較的低く、点火しやすいガスリッチな状態で点火動作が行われることになり、点火ミスの発生を防止できる。

本発明の実施形態の予混合装置を示す切断側面図。図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した切断平面図。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図。図１のＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図。バタフライ弁の回動角度の変化に伴う混合気の空気過剰率の変化を示すグラフ。

図１を参照して、１は、混合気が噴出して燃焼する燃焼面１ａを有する全一次燃焼式バーナ等から成るバーナである。バーナ１にはファン２が接続されており、本発明の実施形態の予混合装置Ａにより、空気に燃料ガスを混合して、混合気をファン２を介してバーナ１に供給するようにしている。

予混合装置Ａは、ファン２の上流側の空気供給路３と、燃料ガスを供給するガス供給路４とを備えている。ガス供給路４の上流部には、図４に示す如く開閉弁５と比例弁やゼロガバナから成る流量調節弁６とが介設されている。更に、ガス供給路４の下流端は、空気供給路３に設けられたガス吸引部３１に接続されている。

また、予混合装置Ａは、ガス吸引部３１よりも上流側の空気供給路３の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁６よりも下流側のガス供給路４の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備えている。そして、要求燃焼量が所定値以下になったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路３の通気抵抗を大きくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路４の通気抵抗を大きくした小能力状態として、所定値以下の要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できるようにし、要求燃焼量が所定値を上回ったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路３の通気抵抗を小さくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路４の通気抵抗を小さくした大能力状態に復帰させている。

ガス吸引部３１よりも上流側の空気供給路３の部分には、空気供給路３の周壁面３２との間に間隙を存して内筒３３が設けられている。そして、空気供給路３の周壁面３２と内筒３３の外周面との間の間隙により、内筒３３内の主通路３ａに並列な副通路３ｂが構成される。内筒３３の下流端（図１、図３で上端）のフランジ部３３ａには、図２に明示する如く、副通路３ｂの出口となる円弧状の透孔３３ｂが複数形成されている。

また、内筒３３内には、軸７１を中心にして回動自在な円板から成るバタフライ弁７が設けられており、このバタフライ弁７により空気抵抗切換手段が構成される。バタフライ弁７の軸７１には、ステッピングモータ等のアクチュエータ７２が連結されている。そして、小能力状態への切換時に、アクチュエータ７２の作動で、バタフライ弁７を、空気供給路３の長手方向に平行な図３に仮想線で示す開き姿勢側から空気供給路３の長手方向に直交する図１乃至図３に実線で示す閉じ姿勢側に回動させ、大能力状態への切換時に、アクチュエータ７２の作動で、バタフライ弁７を、閉じ姿勢側から開き姿勢側に回動させるようにしている。バタフライ弁７を閉じ姿勢に回動させると、主通路３ａがほぼ閉じられ、空気が流れるのは実質的に副通路３ｂに制限され、空気供給路３の通気抵抗が大きくなる。

ガス吸引部３１の上流側に隣接する空気供給路３の部分には、内筒３３が配置された空気供給路３の部分よりも小径なベンチュリ部３４が設けられている。ベンチュリ部３４の下流側に隣接する空気供給路３の部分は、ベンチュリ部３４よりも大径の筒部３５で囲われている。そして、ベンチュリ部３４の下流端部を筒部３５の上流端部に環状の間隙を存して挿入し、この間隙によりガス吸引部３１が構成されるようにしている。また、副通路３ｂとベンチュリ部３４との間の空気供給路３の部分の周壁面は、ベンチュリ部３４に向けて縮径するテーパー面３６に形成されている。

ガス供給路４には、ガス吸引部３１に連通する、下流端のガス室４１の上流側に位置して、ガス室４１に常時連通する通路部分４２に並列の弁室８１が設けられている。そして、弁室８１内に、弁室８１の下端の弁座８２に形成した、通路部分４２に連通する弁孔８３を開閉する切換弁８を設け、この切換弁８によりガス抵抗切換手段を構成している。切換弁８を弁座８２に着座して弁孔８３を閉塞する全閉状態にすると、弁室８１を介してのガスの流れが遮断され、ガス供給路４の通気抵抗が大きくなる。

切換弁８は、バタフライ弁７の回動に伴い連動機構９を介して開閉動作される。この連動機構９は、図１、図４に示す如く、バタフライ弁７の軸７１に連結したカム９１と、カム９１に下端が当接する、上方にのびて切換弁８に連結されるロッド９２とで構成され、バタフライ弁７の回動でカム９１を介してロッド９２が上下動して切換弁８が開閉動作される。即ち、バタフライ弁７を開き姿勢側に回動させると、カム９１によりロッド９２が押し上げられ、切換弁８が弁バネ８４の付勢力に抗して上動、即ち、開動作され、また、バラフライ弁７を閉じ姿勢側に回動させると、カム９１によるロッド９２の押し上げが解除され、切換弁８が弁バネ８４の付勢力で下動、即ち、閉動作される。

また、連動機構９は、バタフライ弁７が閉じ姿勢を含む所定の第１回動角度範囲（バタフライ弁７の閉じ姿勢での角度を０°、開き姿勢での角度を９０°として、例えば０°〜１５°）内に存するときに切換弁８を全閉状態に維持し、バタフライ弁７が開き姿勢を含む所定の第２回動角度範囲（例えば、７５°〜９０°）内に存するときに切換弁８を全開状態に維持するように構成されている。より具体的に説明すれば、バタフライ弁７が第１回動角度範囲内に存するときは、ロッド９２にカム９１が当接せず、バタフライ弁７が第１回動角度範囲を超えて開き側に回動したときに、カム９１がロッド９２に当接して、ロッド９２が上動し始めるようにし、また、バタフライ弁７が第２回動角度範囲の閉じ側の境界角度に回動したところで切換弁８が全開状態となり、その後バタフライ弁７が開き姿勢側に回動して切換弁８が更に上動しても、ガス供給路４の通気抵抗は全開状態の値に維持されるようにしている。

図５は、バタフライ弁７の回動角度と混合気の空気過剰率との関係を示している。バタフライ弁７を閉じ姿勢から開き側に回動させる場合、第１回動角度範囲内では、切換弁８が全閉状態に維持されてバタフライ弁７の回動角度のみが変化するため、バタフライ弁７の回動角度の増加に伴い空気供給路３の通気抵抗が減少して、混合気の空気過剰率が次第に増加する。バタフライ弁７が第１回動角度範囲を超えて開き側に回動すると、切換弁８が開動作され始めて、混合気の空気過剰率は次第に減少する。その後、バタフライ弁７が閉じ姿勢と開き姿勢の中間角度まで回動したところで混合気の空気過剰率が極小となる。そして、バタフライ弁７が第２回動角度範囲内に存するときは、切換弁８が全開状態に維持されてバタフライ弁７の回動角度のみが変化するため、バタフライ弁７の回動角度の増加に伴い混合気の空気過剰率が次第に増加する。

ところで、一般的には、バタフライ弁７を閉じ姿勢と開き姿勢に回動させた状態において、混合気の空気過剰率が適正値（点火後の定常燃焼に適正な値で、例えば、１．３）になるように装置を設計するが、空気供給路３の寸法誤差等により、バタフライ弁７を閉じ姿勢と開き姿勢に回動させた状態において、混合気の空気過剰率が適正値からずれてしまうことがある。

そこで、本実施形態では、バタフライ弁７を第１と第２の各回動角度範囲の中間角度に回動させたときに混合気の空気過剰率が適正値になるように装置を設計し、バタフライ弁７をこの中間角度に回動させた状態において、混合気の空気過剰率が適正値からずれても、第１と第２の各回動角度範囲内の何れかの角度にバタフライ弁７を回動させたときに混合気の空気過剰率が適正値になるようにしている。そして、装置の検査工程において、第１回動角度範囲内でバタフライ弁７を回動させて、混合気の空気過剰率が適正値になるバタフライ弁７の回動角度を見つけ出し、この回動角度を閉じ側停止角度に設定して、小能力状態への切換時にバタフライ弁７を閉じ側停止角度まで回動させて停止させることとした。同様に、第２回動角度範囲内でバタフライ弁７を回動させて、混合気の空気過剰率が適正値になるバタフライ弁７の回動角度を見つけ出し、この回動角度を開き側停止角度に設定して、大能力状態への切換時にバラフライ弁７を開き側停止角度まで回動させて停止させることとした。これにより、小能力状態と大能力状態との何れにおいても、混合気の空気過剰率が適正値になるように部品交換を要することなく調節できる。

尚、バーナ１の爆発着火を防止するため、バーナ１の点火動作（燃焼面１ａに臨ませた図外の点火電極でスパークさせること）は小能力状態で行う必要がある。ここで、第１回動角度範囲内において混合気の空気過剰率が最も低くなるのは、バタフライ弁７を閉じ姿勢に回動させたときである。そのため、バーナ１への点火動作は、バタフライ弁７を閉じ姿勢に回動させた状態で行うようにした。これによれば、混合気の空気過剰率が比較的低く、点火しやすいガスリッチな状態で点火動作が行われることになり、点火ミスの発生を防止できる。点火後は、バタフライ弁７を閉じ側停止角度（要求燃焼量が小さく小能力状態にする場合）或いは開き側停止角度（要求燃焼量が大きく大能力状態にする場合）に回動させる。

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るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。

Ａ…予混合装置、１…バーナ、２…ファン、３…空気供給路、３１…ガス吸引部、４…ガス供給路、６…流量調節弁、７…バタフライ弁、８…切換弁、９…連動機構。

Claims

空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置であって、
燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端がファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、ガス吸引部より上流側の空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁よりも下流側のガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備え、
空気抵抗切換手段は、ガス吸引部よりも上流側の空気供給路の部分に設けられ、空気供給路の長手方向に平行な開き姿勢と空気供給路の長手方向に直交する閉じ姿勢とに回動されるバタフライ弁で構成され、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に開閉動作自在に設けられた切換弁で構成され、バタフライ弁の開き姿勢と閉じ姿勢への回動に連動して切換弁を開閉動作させる連動機構を備えるものにおいて、
連動機構は、バタフライ弁が閉じ姿勢を含む所定の第１回動角度範囲内に存するときに切換弁を全閉状態に維持し、バタフライ弁が開き姿勢を含む所定の第２回動角度範囲内に存するときに切換弁を全開状態に維持するように構成され、
第１回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を閉じ側停止角度に設定すると共に、第２回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を開き側停止角度に設定し、バタフライ弁を閉じ側停止角度と開き側停止角度との間で回動制御することを特徴とする予混合装置。
前記バーナへの点火動作は、前記バタフライ弁を閉じ姿勢に回動させた状態で行うことを特徴とする請求項１記載の予混合装置。