JP2017187185A

JP2017187185A - 予混合装置

Info

Publication number: JP2017187185A
Application number: JP2016074331A
Authority: JP
Inventors: 充宮田; Mitsuru Miyata
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: JP6625924B2

Abstract

【課題】給湯用熱交換器２の熱源となるバーナ１にファン３を介して混合気を供給する予混合装置であって、空気供給路４及びガス供給路５の通気抵抗を大小に切換えるバタフライ弁８及び切換弁９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１０とを備えるものにおいて、水量センサ２ｂの故障を生じても、凍結状態でのバーナの点火を阻止できるようにする。【解決手段】バタフライ弁８の閉じ姿勢への回動を検知可能なホールＩＣから成る閉検知器８５を備える。所定温度未満では閉検知器８５の検知角度範囲外で、所定温度以上では閉検知器８５の検知角度範囲内となるバタフライ弁８の閉じ姿勢近傍の所定の回動角度を閉じ側原点位置に設定し、バタフライ弁８の閉じ側原点位置への回動を閉検知器８５が検知しないときは点火動作を禁止する。【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給湯用熱交換器の熱源となる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、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、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とに切換自在とし、要求燃焼量が小能力状態で得られる最大燃焼量を上回ったときに大能力状態に切換え、要求燃焼量が大能力状態で得らえる最小燃焼量を下回ったときに小能力状態に切換えるようにしている。

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自在な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ている。そして、バタフライ弁を回動させるステッピングモータと、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。

尚、バーナの爆発着火を防止するため、バーナの点火動作は、バタフライ弁を閉じ姿勢に回動させた小能力状態で行うようにしている。また、バタフライ弁の閉じ姿勢への回動を検知するホールＩＣから成る閉検知器を備えるものも従来知られている。

ところで、給湯用熱交換器の熱源となるバーナでは、熱交換器への給水路に介設した水量センサで検出される水量が規定量以上になったときに、バーナの点火動作を行うようにしている。然し、凍結により熱交換器に通水できなくても、水量センサの故障でバーナの点火動作が行われて、空焚きを生ずる恐れがある。

特開２０１５−２３０１１３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、水量センサの故障を生じても、凍結状態でのバーナの点火を阻止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給湯用熱交換器の熱源となる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自在な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、バタフライ弁を回動させるステッピングモータと、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と、バタフライ弁の閉じ姿勢への回動を検知可能なホールＩＣから成る閉検知器とを備えるものにおいて、雰囲気温度の低下に伴い検知角度範囲が狭くなるというホールＩＣの温度特性に基づいて決定される、所定温度未満では閉検知器の検知角度範囲外で、所定温度以上では閉検知器の検知角度範囲内となるバタフライ弁の閉じ姿勢近傍の所定の回動角度を閉じ側原点位置に設定し、バタフライ弁を閉じ側原点位置に回動させた状態でバーナの点火動作を行うが、バタフライ弁の閉じ側原点位置への回動を閉検知器が検知しないときは点火動作を禁止することを特徴とする。

本発明によれば、気温が所定温度未満になる寒冷時には、バタフライ弁を閉じ側原点位置に回動させても、これを閉検知器が検知せず、バーナの点火動作が禁止される。従って、水量センサの故障を生じても、凍結状態でのバーナの点火を阻止でき、フェールセーフを図ることができる。

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。図１の矢印Ｖ方向から見た減速ギヤの側面図。実施形態の予混合装置が行う制御内容を示すフロー図。

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、給湯用熱交換器２の熱源となるバーナである。バーナ１にはファン３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３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３の上流側の空気供給路４と、燃料ガスを供給するガス供給路５とを備えている。ガス供給路５の上流部には、図４に示す如く開閉弁６と比例弁やゼロガバナから成る流量調節弁７とが介設されている。更に、ガス供給路５の下流端は、空気供給路４に設けられたガス吸引部４１に接続されている。

また、予混合装置Ａは、ガス吸引部４１よりも上流側の空気供給路４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７よりも下流側のガス供給路５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、空気抵抗切換手段で空気供給路４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５の通気抵抗を大きくした小能力状態と、空気抵抗切換手段で空気供給路４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５の通気抵抗を小さくした大能力状態とに切換自在とし、要求燃焼量（設定湯温の湯を出湯するのに必要な燃焼量）が小能力状態で得られる最大燃焼量を上回ったときに大能力状態に切換え、要求燃焼量が大能力状態で得らえる最小燃焼量を下回ったときに小能力状態に切換えるようにしている。

ガス吸引部４１よりも上流側の空気供給路４の部分には、空気供給路４の周壁面４２との間に間隙を存して内筒４３が設けられている。そして、空気供給路４の周壁面４２と内筒４３の外周面との間の間隙により、内筒４３内の主通路４ａに並列な副通路４ｂが構成される。内筒４３の下流端（図１、図３で上端）のフランジ部４３ａには、図２に明示する如く、副通路４ｂの出口となる円弧状の透孔４３ｂが複数形成されている。

また、内筒４３内には、軸８１を中心にして回動自在な円板から成るバタフライ弁８が設けられており、このバタフライ弁８により空気抵抗切換手段が構成される。バタフライ弁８の軸８１には、ステッピングモータ８２が減速ギヤ８３を介して連結されている。そして、小能力状態への切換時に、ステッピングモータ８２の作動で、バタフライ弁８を、空気供給路４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４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、ステッピングモータ８２の作動で、バタフライ弁８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８を閉じ姿勢に回動させると、主通路４ａがほぼ閉じられ、空気が流れるのは実質的に副通路４ｂに制限され、空気供給路４の通気抵抗が大きくなる。

ガス吸引部４１の上流側に隣接する空気供給路４の部分には、内筒４３が配置された空気供給路４の部分よりも小径なベンチュリ部４４が設けられている。ベンチュリ部４４の下流側に隣接する空気供給路４の部分は、ベンチュリ部４４よりも大径の筒部４５で囲われている。そして、ベンチュリ部４４の下流端部を筒部４５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４１が構成されるようにしている。また、副通路４ｂとベンチュリ部４４との間の空気供給路４の部分の周壁面は、ベンチュリ部４４に向けて縮径するテーパー面４６に形成されている。

ガス供給路５には、ガス吸引部４１に連通する、筒部４５と筒部４５を囲う外壁面５１ａとの間の間隙で構成される下流端のガス室５１の上流側に位置して、ガス室５１に常時連通する通路部分５２に対して並列の弁室９１が設けられている。そして、弁室９１内に、弁室９１の下端の弁座９２に形成した、通路部分５２に連通する弁孔９３を開閉する切換弁９を設け、この切換弁９によりガス抵抗切換手段を構成している。切換弁９を弁座９２に着座して弁孔９３を閉塞する全閉状態にすると、弁室９１を介してのガスの流れが遮断され、ガス供給路５の通気抵抗が大きくなる。

切換弁９は、バタフライ弁８の回動に伴い連動機構１０を介して開閉動作される。この連動機構１０は、図１、図４に示す如く、バタフライ弁８の軸８１に連結したカム１０１と、カム１０１に下端が当接する、上方にのびて切換弁９に連結されるロッド１０２とで構成され、バタフライ弁８の回動でカム１０１を介してロッド１０２が上下動して切換弁９が開閉動作される。即ち、バタフライ弁８を開き姿勢側に回動させると、カム１０１によりロッド１０２が押し上げられ、切換弁９が弁バネ９４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８を閉じ姿勢側に回動させると、カム１０１によるロッド１０２の押し上げが解除され、切換弁９が弁バネ９４の付勢力で下動、即ち、閉動作される。

また、ステッピングモータ８２及び減速ギヤ８３を収納したケース８４内に配置した固定プレート８４ａに、バタフライ弁８の閉じ姿勢への回動を検知可能なホールＩＣから成る閉検知器８５と、バタフライ弁８の開き姿勢への回動を検知可能なホールＩＣから成る開検知器８６と、バタフライ弁８の回動範囲を機械的に制限するストッパピン８７とが設けられている。具体的に説明すると、バタフライ弁８の軸８１に連結される減速ギヤ８３に、図５に示す如く、閉検知器用の磁石８３ａと開検知器用の磁石８３ｂとを取付けると共に、ストッパピン８７が挿入される円弧状溝８３ｃを形成している。そして、バタフライ弁８が閉じ姿勢に回動したとき、磁石８３ａが閉検知器８５に正対して、閉検知器８５から検知信号が出力され、バタフライ弁８が開き姿勢に回動したとき、磁石８３ｂが開検知器８６に正対して、開検知器８６から検知信号が出力され、更に、バタフライ弁８を閉じ姿勢や開き姿勢を越えて回動させたときストッパピン８７が円弧状溝８３ｃの一端や他端に当接して、それ以上のバタフライ弁８の回動が阻止されるようにしている。

ところで、給湯用熱交換器２の熱源となるバーナ１は、空焚きを防止するため、熱交換器２への給水路２ａに介設した水量センサ２ｂで検出される水量が規定量以上になったときに点火させるようにしている。また、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と共に開閉弁６を開弁させること）は小能力状態で行う必要がある。更に、水量センサ２ｂが故障しても、凍結状態でのバーナ１の点火を阻止できるようにすることが望まれる。

ここで、ホールＩＣは、ホールＩＣに正対する位置を中心にした所定の検知角度範囲内に磁石が存在するときに検知信号を出力するが、雰囲気温度の低下に伴い検知角度範囲が狭くなるという温度特性を有している。そこで、本実施形態では、この温度特性に基づいて、所定温度（例えば、０℃）未満では閉検知器８５の検知角度範囲外で、所定温度以上では閉検知器８５の検知角度範囲内となるバタフライ弁８の閉じ姿勢近傍の所定の回動角度を閉じ側原点位置に設定し、図６に示す制御を行うようにした。

この制御では、電源投入時に、先ず、原点出しのためのイニシャライズ処理を行う。イニシャライズ処理では、ＳＴＥＰ１で閉メカロック、即ち、円弧状溝８３ｃの閉方向端部をストッパピン８７に当接させ、次に、ＳＴＥＰ２でステッピングモータ８２をバタフライ弁８の開方向に所定ステップ数だけ駆動してから、ＳＴＥＰ３でステッピングモータ８２を閉じ側原点位置に対応するステップ数だけ閉方向に駆動した後、ＳＴＥＰ４で閉検知器８５がバタフライ弁８の閉じ側原点位置への回動を検知したか否かを判別する。検知しなければ、ＳＴＥＰ５で非検知回数が所定回数（例えば、１０回）に達したか否かを判別し、所定回数に達するまではＳＴＥＰ１に戻るが、所定回数に達した場合は、ＳＴＥＰ６に進んで異常停止する。

閉検知器８５がバタフライ弁８の閉じ側原点位置への回動を検知した場合は、ＳＴＥＰ７に進んで水量センサ２ｂの検出水量が規定量以上になったか否かを判別する。そして、給湯開始で検出水量が規定量以上なった場合に、ＳＴＥＰ８に進んで点火動作を行う。その後、ＳＴＥＰ９で大能力状態に切換えるべきか否か、即ち、要求燃焼量が小能力状態で得られる最大燃焼量を上回ったか否かを判別する。そして、大能力状態に切換えるべき場合は、ＳＴＥＰ１０でステッピングモータ８２を開き姿勢に対応するステップ数だけ開方向に駆動した後、ＳＴＥＰ１１で開検知器８６がバタフライ弁８の開き姿勢への回動を検知したか否かを判別する。

開検知器８６がバタフライ弁８の開き姿勢への回動を検知した場合は、ＳＴＥＰ１２で水量センサ２ｂの検出水量が規定量以上であるか否か判別し、給湯終了で検出水量が規定量を下回った場合は、ＳＴＥＰ１３で開閉弁６を閉弁させてバーナ１を消火した後、ＳＴＥＰ３に戻る。また、給湯継続中で検出水量が規定量以上である場合は、ＳＴＥＰ１４で小能力状態に切換えるべきか否か、即ち、要求燃焼量が大能力状態で得られる最小燃焼量を下回ったか否かを判別する。そして、小能力状態に切換えるべき場合は、ＳＴＥＰ１５でステッピングモータ８２を閉じ側原点位置に対応するステップ数だけ閉方向に駆動した後、ＳＴＥＰ１６で閉検知器８５がバタフライ弁８の閉じ側原点位置への回動を検知したか否かを判別し、検知した場合は、ＳＴＥＰ１７で水量センサ２ｂの検出水量が規定量以上であるか否か判別する。給湯終了で検出水量が規定量を下回った場合は、ＳＴＥＰ１８で開閉弁６を閉弁させてバーナ１を消火した後、ＳＴＥＰ７に戻る。給湯継続中で検出水量が規定量以上である場合は、ＳＴＥＰ９に戻る。また、ＳＴＥＰ９で大能力状態に切換えるべきと判別されなかった場合は、ＳＴＥＰ９からＳＴＥＰ１７に直接進む。

ＳＴＥＰ１１で開検知器８６がバタフライ弁８の開き姿勢への回動を検知しなかった場合や、ＳＴＥＰ１６で閉検知器８５がバタフライ弁８の閉じ側原点位置への回動を検知しなかった場合は、ＳＴＥＰ１９で開閉弁６を閉弁させてバーナ１を消火した後、ＳＴＥＰ２０で異常停止する。

上記制御によれば、バタフライ弁８を閉じ側原点位置に回動させた状態で水量センサ２ｂの検出水量が規定量以上になったときにＳＴＥＰ８に進んでバーナ１の点火動作が行われるが、ＳＴＥＰ４で閉検知器８５がバタフライ弁８の閉じ側原点位置への回動を検知しなければＳＴＥＰ８には進まず、点火動作が禁止されることになる。ここで、バタフライ弁８の閉じ側原点位置は、雰囲気温度が所定温度未満では閉検知器８５の検知角度範囲外になる位置であるため、雰囲気温度が所定温度未満になる凍結の恐れのある寒冷時には、バタフライ弁８を閉じ側原点位置に回動させても、これを閉検知器８５が検知せず、バーナ１の点火動作が禁止される。従って、水量センサ２ｂが故障しても、凍結状態でのバーナ１の点火を阻止でき、フェールセーフを図ることができる。

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…給湯用熱交換器、３…ファン、４…空気供給路、４１…ガス吸引部、５…ガス供給路、７…流量調節弁、８…バタフライ弁、８２…ステッピングモータ、８５…閉検知器、９…切換弁、１０…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給湯用熱交換器の熱源となる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自在な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、
バタフライ弁を回動させるステッピングモータと、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と、バタフライ弁の閉じ姿勢への回動を検知可能なホールＩＣから成る閉検知器とを備えるものにおいて、
雰囲気温度の低下に伴い検知角度範囲が狭くなるというホールＩＣの温度特性に基づいて決定される、所定温度未満では閉検知器の検知角度範囲外で、所定温度以上では閉検知器の検知角度範囲内となるバタフライ弁の閉じ姿勢近傍の所定の回動角度を閉じ側原点位置に設定し、バタフライ弁を閉じ側原点位置に回動させた状態でバーナの点火動作を行うが、バタフライ弁の閉じ側原点位置への回動を閉検知器が検知しないときは点火動作を禁止することを特徴とする予混合装置。