JP2019011900A - 予混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合装置の空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積とを連動して精度よく調節することを可能としながら、装置のコンパクト化を図る。【解決手段】ファンの吸入側に混合通路１０１を接合し、この混合通路１０１に空気流入口１０２を設けて、空気流入口１０２が開口した面に沿って空気制御部１２０が回転移動することで、空気流入口１０２の開口面積を変化させる。また、混合通路１０１にガス流入口１１３を設けて、ガス流入口１１３にテーパー部１１５ａが挿入されるガス制御部１１５が、挿入量を変更する方向に直線移動することで、ガス流入口１１３の開口面積を変化させる。そして、カム１１７を介して空気制御部１２０の回転運動を直線運動に変換してガス制御部１１５に伝達することで、空気制御部１２０の回転移動とガス制御部１１５の直線移動とを連動させる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼装置に燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを送るファンの吸入側に接続されて、ファンに供給される燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置に関する。

燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを燃焼させる燃焼装置を搭載した給湯器などでは、混合ガスを燃焼装置に送るためのファンを備えたものが知られており、このファンの吸入側には、ファンに供給される燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置が接続されている。ファンを回転させると、燃料ガスおよび燃焼用空気が予混合装置で所定の比率に混合されてファンに吸い込まれ、ファンの吐出側に接続された燃焼装置に混合ガスが送り込まれる。

こうした予混合装置の構造として、特許文献１に記載の予混合装置では、ファンの吸入側に接合される混合通路が設けられており、ファンとは反対側の混合通路の末端に空気流入口が開口している。また、ガス供給通路が混合通路の側面から内部に導入されており、混合通路内でガス供給通路の末端に開口するガス流入口は、空気流入口側を向いている。そして、空気流入口を開閉する空気弁と、ガス流入口を開閉するガス弁とが何れも、混合通路の中心線に沿って往復移動が可能な移動軸に取り付けられている。これら空気弁およびガス弁を、テーパー形状のいわゆるニードル弁として、対応する空気流入口およびガス流入口に挿入することで、空気流入口の開口面積（空気流入口と空気弁との隙間）およびガス流入口の開口面積（ガス流入口とガス弁との隙間）を精度よく調節することが可能となる。

このような予混合装置では、ファンの回転による吸引で混合通路内が負圧になると、空気流入口から燃焼用空気が流入すると共に、ガス流入口から燃料ガスが流入して混合通路内で混合されてファンに供給され、燃焼用空気と燃料ガスとの比率（空燃比）は、空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積との面積比によって決まる。そして、燃焼装置の出力に応じてファンの回転数を変化させることで、燃焼装置に送る混合ガスの流量を調節することが可能である。また、ファンの回転数を固定したままでも、空気弁およびガス弁が取り付けられた移動軸を移動させることで、空気流入口の開口面積およびガス流入口の開口面積が、面積比を維持しながら連動して変化することから、空燃比を一定に保って燃焼装置に送る混合ガスの流量を調節することができる。

特表２０１４−５０２３３７号公報

しかし、特許文献１に記載された構造の予混合装置では、次のような理由から装置のコンパクト化を図るのが困難であるという問題があった。まず、空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積とを連動して変化させるために、空気弁およびガス弁が取り付けられた移動軸を直線的に移動させる必要があり、この移動軸の移動範囲は、空気流入口の内径やガス流入口の内径などに応じて設定される。特に、燃料ガスに比して必要量が多い燃焼用空気の流量調節のために、移動軸の移動範囲の確保が必要となる傾向にあり、結果として、移動軸の移動方向（混合通路の中心線の方向）に装置のコンパクト化を図るのが困難であった。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題に対応してなされたものであり、予混合装置の空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積とを連動して精度よく調節することを可能としながら、装置のコンパクト化を図ることが可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題を解決するために本発明の予混合装置は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼装置に燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを送るファンの吸入側に接続されて、該ファンに供給される前記燃料ガスと前記燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置において、
前記ファンの吸入側に接合される混合通路と、
前記混合通路に開口して、該混合通路に前記燃焼用空気を流入させる空気流入口と、
前記空気流入口を被覆可能に設けられ、該空気流入口が開口した面に沿って回転移動することで、該空気流入口が前記混合通路に開口する空気開口面積を変化させる空気制御部と、
前記混合通路に開口して、該混合通路に前記燃料ガスを流入させるガス流入口と、
前記ガス流入口に挿入される部分がテーパー状に形成され、挿入量を変更する方向に直線移動することで、該ガス流入口が前記混合通路に開口するガス開口面積を変化させるガス制御部と、
前記空気制御部の回転運動を直線運動に変換して前記ガス制御部に伝達することで、該空気制御部の回転移動と該ガス制御部の直線移動とを連動させるカムと
を備えることを特徴とする。

このような本発明の予混合装置では、空気流入口が開口した面に沿った空気制御部の回転移動によって空気開口面積を変化させる構成であるため、混合通路の中心線の方向における空気制御部の可動範囲の確保が不要であり、予混合装置のコンパクト化を図ることが可能となる。また、燃焼用空気に比して必要な流量が少ない燃料ガスの流量調節では、ガス流入口に挿入されるテーパー状の部分の挿入量を変更するガス制御部の直線移動によって、ガス流入口の開口面積を変化させるようになっており、こうした所謂ニードルバルブの構成は流量の細かな制御が可能であるため、燃料ガスの流量を精度よく調節して、適切な空燃比の混合ガスを供給することができる。そして、このように燃料ガスの流量を精度よく調節することと、予混合装置のコンパクト化を図ることとの両立は、カムを介して空気制御部の回転移動とガス制御部の直線移動とを連動させることで初めて可能となる。

こうした本発明の予混合装置では、次のようにしてもよい。まず、カムに、空気制御部の回転軸と垂直な平面に対して傾斜したカム面を設ける。また、空気制御部またはガス制御部に接触部を設けて、この接触部がカム面の傾斜に沿って移動することによって、空気開口面積をガス開口面積で除した開口面積比を所定値に維持しながら、空気制御部の回転移動とガス制御部の直線移動とを連動させる。そして、カム面には、開口面積比を所定値から変化させる段差を設ける。

このようにすれば、接触部がカム面の傾斜に沿って移動しながら段差を越える際に、開口面積を所定値とは異ならせることができるので、空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積とを連動して変化させる上で、混合ガスの空燃比を一定に保つだけでなく、必要に応じて任意の空燃比に変更することが可能となる。

また、上述した本発明の予混合装置では、カム面の中で燃焼装置の点火時に接触部が接する箇所に、開口面積比を所定値よりも小さくする段差を設けておいてもよい。

このようにすれば、開口面積比が所定値よりも小さくなるのに伴い、空燃比も小さくなって混合ガス中の燃料ガスの割合が高くなる（ガスリッチ状態となる）ため、燃焼装置の点火動作をガスリッチ状態で行うことにより、点火が安定し、点火不良を抑制することが可能となる。

また、こうした本発明の予混合装置では、空気流入口が空気制御部で閉塞された状態で燃焼用空気を混合通路に流入させる空気最小孔と、ガス流入口がガス制御部で閉塞された状態で燃料ガスを混合通路に流入させるガス最小孔とを設けておいてもよい。

このようにすれば、空気流入口およびガス流入口が閉塞された最小流量時の混合ガスの空燃比は、空気最小孔の開口面積とガス最小孔の開口面積との面積比によって決まる。そのため、空気最小孔およびガス最小孔を、面積比が目標値となるように設けておくことで、空気制御部やガス制御部の組み付け誤差あるいは動作の誤差などの影響を受けることなく、最小流量時の混合ガスを適切な空燃比に制御することが可能となる。

本実施例の予混合装置１００を接続したファン２０が用いられる燃焼装置の例として給湯器１の構成を示した説明図である。 本実施例のファン２０を分解した状態を示した斜視図である。 本実施例の予混合装置１００を分解した状態を示した斜視図である。 本実施例の空気制御部１２０とガス制御部１１５とがカム１１７を介して連結された状態を示す斜視図である。 本実施例の予混合装置１００で燃焼用空気の過剰率λを安定させることができる理由を示した説明図である。 ガス制御部１４０を回転移動させる比較例の予混合装置１００の構造を示した断面図である。 第１変形例の予混合装置１００に設置されたカム１１７の形状を示す斜視図である。 第１変形例の予混合装置１００における回転軸１２２の回転角度と、空気開口面積およびガス開口面積との関係を示したグラフである。 第２変形例の予混合装置１００の構造を示した断面図である。 蓋板１０３に空気流入口１０２を設けた予混合装置１００の例を示す斜視図である。

図１は、本実施例の予混合装置１００を接続したファン２０が用いられる燃焼装置の例として給湯器１の構成を示した説明図である。図示されるように給湯器１のハウジング２の内部には、燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを燃焼させるバーナーを内蔵した燃焼ユニット３や、燃焼ユニット３の下方に設置された熱交換器４や、燃焼ユニット３に混合ガスを送るファン２０などが設けられている。

ファン２０の吸入側には、ファン２０に供給される燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置１００が接続されており、ファン２０の吐出側には、燃焼ユニット３が接続されている。予混合装置１００には、燃料ガスを供給するガス供給通路１１が接続されており、このガス供給通路１１には、上流側から圧送される燃料ガスの圧力を大気圧に下げるゼロガバナ１２や、ガス供給通路１１を開閉する開閉弁（図示省略）などが設けられている。ファン２０を駆動すると、ハウジング２内に存在する燃焼用空気と、ガス供給通路１１のゼロガバナ１２よりも下流側の燃料ガスとが、予混合装置１００で所定の比率に混合されてファン２０に吸い込まれ、混合ガスが燃焼ユニット３に送り込まれる。尚、本実施例のファン２０の構造および予混合装置１００の構造については、後ほど別図を用いて説明する。

燃焼ユニット３では、内蔵のバーナー（図示省略）で混合ガスの燃焼が行われる。図示した例では、バーナーから下方に向けて混合ガスが噴出するようになっており、下向きに炎が形成されると共に、燃焼排気が下方の熱交換器４に送られる。熱交換器４の一端には給水通路５が接続されており、熱交換器４の他端には給湯通路６が接続されている。給水通路５を通じて供給された上水は、熱交換器４でバーナーの燃焼排気との熱交換によって加熱された後、湯となって給湯通路６に流出する。

熱交換器４を通過した燃焼排気は、排気ダクト７を通って、ハウジング２の上部に突出した排気口８から外部に排出される。また、排気口８の外周に給気口９が設けられた二重管構造になっており、給気口９からハウジング２内に取り入れられた燃焼用空気が、予混合装置１００を介してファン２０に吸い込まれる。

図２は、本実施例のファン２０を分解した状態を示した斜視図である。尚、図２では、ファン２０の上下の配置が図１に対して反転している。図示したファン２０は、遠心式のタイプであり、回転することで風を起こす羽根車３０や、羽根車３０を回転させる駆動モーター４０や、羽根車３０を収容するケーシング５０などを備えている。

羽根車３０は、複数の翼片３１が駆動モーター４０のシャフト４１に対して放射状に所定の間隔で配置されて円筒形状になっている。これらの翼片３１は、シャフト４１の軸方向の一端（図中の下端）が略円形の回転円板３２に取り付けられており、他端（図中の上端）が環状の支持板３３に取り付けられている。回転円板３２は、中央で駆動モーター４０のシャフト４１に固定されており、駆動モーター４０の駆動によってシャフト４１を中心に羽根車３０が回転する。

ケーシング５０は、駆動モーター４０が外側（図中の下面）に固定される凹形の本体５１と、この本体５１に対向する凹形の蓋体５２とを外縁部分で接合して形成される。本体５１と蓋体５２とは、間にパッキン（図示省略）を介在させることで気密性が保たれ、図示しないネジなどで固定される。

また、ケーシング５０は、シャフト４１に対する半径が羽根車３０の回転方向（図中の反時計回り）に大きくなる形状に周面が形成されている。この周面の半径が大きい側から接線方向に延設して送風路５４が形成されており、送風路５４の末端の吐出口５５に燃焼ユニット３が接続される。さらに、蓋体５２には、羽根車３０の内側に向けて開口した吸入口５３が設けられており、この吸入口５３に予混合装置１００が接続される。予混合装置１００は、図示しないネジなどで蓋体５２に固定され、間にパッキン（図示省略）を介在させることで気密性が保たれる。

周知のように遠心式のファン２０では、駆動モーター４０の駆動によって羽根車３０が回転すると、遠心力で羽根車３０の内側から外側に気体（空気や燃料ガス）が吹き出す流れが生じる。羽根車３０の外側に吹き出した気体は、ケーシング５０の内周面に沿って進み、送風路５４を通って吐出口５５から燃焼ユニット３に送り込まれる。また、羽根車３０の外側に気体が吹き出すのに伴って、羽根車３０の内側には、予混合装置１００から気体が吸入口５３を通って吸い込まれる。

図２には、ファン２０とともに、蓋体５２に固定される前の予混合装置１００の外観が示されている。詳細には後述するが、本実施例の予混合装置１００は、蓋体５２の吸入口５３と接合される円筒形状の混合通路１０１を備えており、混合通路１０１の中心線は、駆動モーター４０のシャフト４１や吸入口５３の中心と同一直線上に位置している。この混合通路１０１の周面には、ガス供給通路１１が接続される接続口１１０が設けられており、接続口１１０の中心は、混合通路１０１の中心線に直交する直線上に位置している。

また、本実施例の混合通路１０１の周面には、混合通路１０１に燃焼用空気を流入させる空気流入口１０２が開口している。さらに、予混合装置１００は、空気流入口１０２が開口した面に沿って回転移動することで、空気流入口１０２を開閉する（開口面積を変化させる）ことが可能な空気制御部１２０を備えている。この空気制御部１２０は、予混合装置１００にブラケット１３１を介して取り付けられた回動モーター１３０の駆動によって正逆両方向に回転する。

図３は、本実施例の予混合装置１００を分解した状態を示した斜視図である。尚、図３では、回動モーター１３０やブラケット１３１の図示を省略している。図示されるように、本実施例の予混合装置１００の混合通路１０１は、ファン２０の吸入口５３（図２参照）に接合される円筒形状の下流側通路１０１ａに、吸入口５３とは反対側から円筒形状の上流側通路１０１ｂをつなぎ合せて形成され、図示しないネジなどで固定される。上流側通路１０１ｂの周面には、矩形の空気流入口１０２が開口しており、本実施例の空気流入口１０２の周方向の辺は１６０度分の円弧になっている。

また、上流側通路１０１ｂは、吸入口５３とは反対側の端面（図中の上面）が中心線と垂直な略円形の蓋板１０３によって塞がれており、この蓋板１０３には、中央を貫通する挿通孔１０４が設けられると共に、空気流入口１０２とは別に燃焼用空気を混合通路１０１に流入させる空気最小孔１０５が開口している。

このような上流側通路１０１ｂの外周を覆う円筒形状に形成された空気制御部１２０は、蓋板１０３に面する上面板１２１、および混合通路１０１の中心線と同一直線上に位置して回動モーター１３０の駆動で回転する回転軸１２２と一体に設けられている。また、空気制御部１２０の周面には、矩形に切り欠かれた切欠き部１２０ａが設けられている。本実施例の切欠き部１２０ａは、空気制御部１２０の周面の１６０度分に相当し、上流側通路１０１ｂの空気流入口１０２と重複可能であって、切欠き部１２０ａと空気流入口１０２との重複部分を燃焼用空気が通過する。回転軸１２２が所定の回転範囲内（本実施例では１６０度の範囲内）で回転するのに伴い、空気制御部１２０が上流側通路１０１ｂの外周面に沿って回転移動すると、切欠き部１２０ａが移動するので、空気流入口１０２の開口面積（切欠き部１２０ａと空気流入口１０２との重複部分の面積）が変化する。

また、上面板１２１には、回転軸１２２を中心とする円弧状に形成された通過口１２１ａが開口している。この通過口１２１ａは、回転軸１２２が回転可能な範囲内で回転軸１２２の回転位置に拘らず、蓋板１０３の空気最小孔１０５と一部が重複するように設けられており、通過口１２１ａと空気最小孔１０５との重複部分を燃焼用空気が通過する。

一方、下流側通路１０１ａの周面には、接続口１１０が設けられており、この接続口１１０は、下流側通路１０１ａの内部に導入された導入部１１１と通じている。本実施例の導入部１１１は、Ｌ字状に屈曲しており、混合通路１０１と中心線が直交する円筒形状の直交導入部１１１ａと、混合通路１０１と平行で中心線が一致する円筒形状の平行導入部１１１ｂとを備えている。そして、平行導入部１１１ｂの端部（図中の上部）の内側に嵌め込まれる嵌込部材１１２の中央には、燃料ガスを混合通路１０１に流入させるガス流入口１１３が開口している。

また、平行導入部１１１ｂの内側には、ガス流入口１１３を開閉する（開口面積を変化させる）ことが可能なガス制御部１１５や、ガス制御部１１５をガス流入口１１３（嵌込部材１１２）に向けて付勢する付勢バネ１１６が設置されている。ガス制御部１１５は、ガス流入口１１３側に向けて縮径するテーパー部１１５ａや、ガス制御部１１５の外周面から径方向外向きに突出して平行導入部１１１ｂの中心線と平行に延びた複数（本実施例では４つ）の突条１１５ｂを有している。

付勢バネ１１６によって付勢されたガス制御部１１５は、ガス流入口１１３にテーパー部１１５ａが挿入されると共に、細径の尖端部１１５ｃがガス流入口１１３から突出して上流側通路１０１ｂの内部に位置する。また、突条１１５ｂが円筒形状の嵌込部材１１２の内周面に接することで、平行導入部１１１ｂの中心線に沿ったガス制御部１１５の直線移動が案内される。このガス制御部１１５が付勢バネ１１６の付勢力に抗してファン２０側（図中の下側）に移動すると、ガス流入口１１３へのテーパー部１１５ａの挿入量が変化するので、ガス流入口１１３の開口面積（ガス流入口１１３とテーパー部１１５ａとの隙間の面積）が変化し、燃料ガスがガス流入口１１３とテーパー部１１５ａとの隙間を通過する。

そして、本実施例の予混合装置１００には、空気制御部１２０（回転軸１２２）の回転運動を直線運動に変換してガス制御部１１５に伝達する円筒形状のカム１１７が設けられている。本実施例のカム１１７は、上面板１２１（回転軸１２２と垂直な平面）に対して傾斜したカム面１１７ａや、径方向外向きに突出した突出部１１７ｂを有し、回転軸１２２の軸線まわりに１８０度回転させても元の形体と一致する２回回転対称になっている。このカム１１７は、蓋板１０３の挿通孔１０４に挿通された状態で、挿通孔１０４の内周面に形成されたガイド溝１０４ａに沿って突出部１１７ｂが移動することで、回転軸１２２の軸線まわりに回転不能に回転軸１２２の軸方向の直線移動が案内される。

図４は、本実施例の空気制御部１２０とガス制御部１１５とがカム１１７を介して連結された状態を示す斜視図である。図では、ガス制御部１１５側から空気制御部１２０の内部を見た状態を表しており、上流側通路１０１ｂや平行導入部１１１ｂや嵌込部材１１２の図示を省略している。図示されるように空気制御部１２０と一体の上面板１２１には、回転軸１２２とは反対側の面（図中の下面）から突出してカム面１１７ａに接触可能な一対の接触部１２１ｂが、回転軸１２２の軸線まわりに１８０度位置をずらして設けられている。

カム１１７には、ガス制御部１１５側を向いた面（図中の下面）の中央に凹部１１７ｃが形成されており、この凹部１１７ｃにガス制御部１１５の尖端部１１５ｃが挿入されている。前述したようにガス制御部１１５は、付勢バネ１１６によってカム１１７側に付勢されており、その付勢力がカム１１７に伝わってカム面１１７ａと接触部１２１ｂとの接触が維持される。

図示した例では、カム面１１７ａの傾斜が高い側に接触部１２１ｂが接触しており、回転軸１２２を反時計回り（図中に白抜きの矢印で示す回転方向）に回転させることにより、接触部１２１ｂがカム面１１７ａに沿って低い側に向けて移動する。すると、上面板１２１とカム１１７との間隔が狭まるので、ガス制御部１１５は、平行導入部１１１ｂの中心線（回転軸１２２の軸方向）に沿って上面板１２１に近付く方向（図中の上方）に移動する。

その後、回転軸１２２を逆回り（時計回り）に回転させると、接触部１２１ｂがカム面１１７ａに沿って傾斜の高い側に向けて移動するのに伴い、上面板１２１とカム１１７との間隔が広がるので、付勢バネ１１６の付勢力に抗してガス制御部１１５は、平行導入部１１１ｂの中心線に沿って上面板１２１から離れる方向（図中の下方）に移動する。

また、本実施例のガス制御部１１５には、カム１１７とは反対側の端面に連通するガス最小孔１１５ｄが、テーパー部１１５ａよりも尖端部１１５ｃ側の周面に開口して設けられている。このガス最小孔１１５ｄは、回転軸１２２の軸方向に沿ったガス制御部１１５の位置に拘らず、混合通路１０１に燃料ガスを流入させることが可能である。

図５は、本実施例の予混合装置１００で回転軸１２２と連動した空気制御部１２０およびガス制御部１１５の動きを示す説明図である。図では、混合通路１０１の中心線を含むと共に、直交導入部１１１ａの中心線に垂直な平面で切断した予混合装置１００の断面を表している。まず、図５（ａ）には、空気流入口１０２およびガス流入口１１３が閉じられた状態が示されている。前述したように本実施例の空気流入口１０２は、上流側通路１０１ｂの周面に矩形に形成されており、周方向の辺が１６０度分の円弧になっている。そして、上流側通路１０１ｂの外周を覆う空気制御部１２０の周面には矩形の切欠き部１２０ａが形成されており、この切欠き部１２０ａの周方向の辺も１６０度分の円弧になっているものの、切欠き部１２０ａと空気流入口１０２とが重複していないので、空気制御部１２０によって空気流入口１０２の全体を被覆することで、空気流入口１０２が閉塞されている。

ただし、空気流入口１０２が閉塞された状態でも、上面板１２１に形成された円弧状の通過口１２１ａの一部が蓋板１０３の空気最小孔１０５と重複しており、ファン２０の吸引によって、燃焼用空気が重複部分を通って混合通路１０１に流入する。尚、図中の太線の矢印は、燃焼用空気の流れを表している。

また、本実施例のガス流入口１１３は、混合通路１０１内に導入された平行導入部１１１ｂの端部に開口しており、このガス流入口１１３にガス制御部１１５のテーパー部１１５ａが挿入されている。そして、空気流入口１０２が空気制御部１２０で閉塞された状態では、上面板１２１の接触部１２１ｂがカム面１１７ａの傾斜の低い側に接触しており（図４参照）、カム１１７が上面板１２１に近接していることから、付勢バネ１１６の付勢力によってガス制御部１１５のテーパー部１１５ａの大径側がガス流入口１１３の内周に押し付けられることで、ガス流入口１１３が閉塞されている。

ただし、ガス流入口１１３がガス制御部１１５で閉塞された状態でも、ガス制御部１１５には、ガス流入口１１３の平行導入部１１１ｂ側と混合通路１０１側とを連通するガス最小孔１１５ｄが設けられており、ファン２０の吸引によって、燃料ガスがガス最小孔１１５ｄを通って混合通路１０１に流入する。尚、図中の破線の矢印は、燃料ガスの流れを表している。

そして、図５（ａ）の状態から回転軸１２２を時計回りに回転させると、空気制御部１２０が上流側通路１０１ｂの外周面に沿って回転移動することで、切欠き部１２０ａと空気流入口１０２との重複部分の面積（空気流入口１０２の開口面積）が増加していき、重複部分を通って燃焼用空気が混合通路１０１に流入する。図５（ｂ）には、回転軸１２２を１６０度回転させることで、空気流入口１０２の全体が切欠き部１２０ａと重複し、空気流入口１０２の開口面積が最大となった状態が示されている。

また、回転軸１２２が時計回りに回転するのに伴い、上面板１２１の接触部１２１ｂがカム面１１７ａに沿って傾斜の高い側に向けて移動すると、カム１１７が上面板１２１から離れていき（図４参照）、付勢バネ１１６の付勢力に抗してガス制御部１１５が押し戻されることから、ガス流入口１１３へのテーパー部１１５ａの挿入量が減少する。これにより、ガス流入口１１３とテーパー部１１５ａとの隙間の面積（ガス流入口１１３の開口面積）が増加していき、隙間を通って燃料ガスが混合通路１０１に流入する。

このように本実施例の予混合装置１００では、回転軸１２２を回転させることによって、空気流入口１０２の開口面積（空気開口面積）およびガス流入口１１３の開口面積（ガス開口面積）を連動して変化させることが可能である。そして、ファン２０の吸引によって混合通路１０１に流入する燃焼用空気と燃料ガスとの比率（空燃比）は、空気開口面積とガス開口面積との面積比（開口面積比）によって決まることから、燃焼ユニット３で燃焼させる混合ガスの適切な空燃比に合わせて開口面積比を設定する必要がある。そのため、本実施例のカム１１７は、空気制御部１２０の回転移動とガス制御部１１５の直線移動とを連動させつつ、開口面積比を所定値に維持する（適切な空燃比を保つ）ようにカム面１１７ａの傾斜が形成されている。

また、給湯器１では、ユーザーによって設定された出力（給湯能力）に応じて燃焼ユニット３に送る混合ガスの流量を調節する必要がある。こうした混合ガスの流量調節は、設定された出力値に比例してファン２０の回転数（吸引力）を変化させることによって行うのが一般的である。これに加えて、本実施例の予混合装置１００では、ファン２０の回転数を固定したままでも、回転軸１２２を回転させることで、空気開口面積およびガス開口面積が開口面積比を維持しながら連動して変化することから、適切な空燃比を保って燃焼ユニット３に送る混合ガスの流量を調節することができる。

以上に説明したように本実施例の予混合装置１００では、回転軸１２２の回転に伴い、回転軸１２２と一体の空気制御部１２０が、空気流入口１０２が開口した上流側通路１０１ｂの外周面に沿って回転移動すると共に、カム１１７によって回転運動が直線運動に変換されてガス制御部１１５に伝達され、ガス流入口１１３にテーパー部１１５ａが挿入されたガス制御部１１５が、挿入量を変更する方向に直線移動するようになっている。こうすることで、次のような理由から、予混合装置１００のコンパクト化を図ることができる。

まず、仮に本実施例とは異なり、空気流入口１０２を、上流側通路１０１ｂと一体の蓋板１０３の中央に円形に設けると共に、空気制御部１２０を、ガス制御部１１５と同様に、混合通路１０１の中心線に沿って直線移動が可能に設けることとして、空気制御部１２０の直線移動によってガス流入口１１３の開口面積を変化させる構成を採用したとする。この場合、燃料ガスに比して必要な流量が多い燃焼用空気の流量調節のために、混合通路１０１の中心線の方向に空気制御部１２０の可動範囲を大きく確保しておく必要があり、結果として、混合通路１０１の中心線の方向に予混合装置１００のコンパクト化を図るのが困難である。これに対して、本実施例の予混合装置１００では、上流側通路１０１ｂの外周面に沿った空気制御部１２０の回転移動によって空気流入口１０２の開口面積を変化させる構成であるため、混合通路１０１の中心線の方向における空気制御部１２０の可動範囲の確保が不要であり、予混合装置１００のコンパクト化を図ることが可能となる。

一方、燃焼用空気に比して必要な流量が少ない燃料ガスの流量調節には、適切な空燃比で混合ガスを供給する上で精度が求められる。そこで、本実施例の予混合装置１００では、ガス流入口１１３へのテーパー部１１５ａの挿入量を変更するガス制御部１１５の直線移動によってガス流入口１１３の開口面積を変化させるようになっており、こうした所謂ニードルバルブの構成は流量の細かな制御が可能であるため、燃料ガスの流量を精度よく調節して、適切な空燃比の混合ガスを供給することができる。そして、このように燃料ガスの流量を精度よく調節することと、予混合装置１００のコンパクト化を図ることとの両立は、カム１１７を介して空気制御部１２０の回転移動とガス制御部１１５の直線移動とを連動させることで初めて可能となる。

加えて、燃料ガスの流量調節にニードルバルブの構成を採用することによって、次のような効果を得ることができる。まず、比較として、図６に示されるように、ガス流入口１１４を平行導入部１１１ｂの周面に矩形に設けると共に、平行導入部１１１ｂの内側に、円筒形状のガス制御部１４０を平行導入部１１１ｂの内周面に沿って回転移動が可能に設置したとする。このガス制御部１４０は、平行導入部１１１ｂの端部を塞ぐ円形の蓋部１４１と一体に形成されており、この蓋部１４１の中央から突設された突起部１４２が回転軸１２２と連結されている。また、ガス制御部１４０の周面には、矩形のガス通過口１４０ａが開口している。このような比較例の予混合装置１００では、回転軸１２２の回転に伴い、空気制御部１２０の回転移動と連動して、ガス制御部１４０が回転移動することで、ガス通過口１４０ａとガス流入口１１４との重複部分の面積（ガス流入口１１４の開口面積）が変化し、重複部分を通って燃料ガスが混合通路１０１に流入する。ただし、図示されるように、混合通路１０１内の平行導入部１１１ｂのまわりで燃料ガスの流入に偏りがあり、特にガス流入口１１４の開口面積が絞られた状態では、燃焼用空気に比して流入量の少ない燃料ガスの分散が不均一となって、混合ガスの空燃比にばらつきが生じることがある。

これに対して、本実施例の予混合装置１００では、前述したように燃料ガスの流量調節にニードルバルブの構成を採用しており、ガス流入口１１３の開口面積の変化に拘らず、混合通路１０１内の平行導入部１１１ｂのまわりで燃料ガスの流入が均一であるため（図５（ｂ）参照）、混合ガスの空燃比を安定させることができる。

また、空気流入口１０２の開口面積およびガス流入口１１３の開口面積を連動して変化させる場合、空気制御部１２０やガス制御部１１５の組み付け誤差あるいは動作の誤差などに起因して開口面積比が目標値から外れることで、混合ガスの空燃比を適切に制御できないことがあり、こうした影響は、特に空気流入口１０２およびガス流入口１１３の開口面積を絞った最小流量時に大きくなる傾向にある。この点、本実施例の予混合装置１００では、空気流入口１０２とは別に設けられた空気最小孔１０５と、ガス流入口１１３とは別に設けられたガス最小孔１１５ｄとを有しており、空気流入口１０２およびガス流入口１１３が閉塞された最小流量時には、空気最小孔１０５を通って燃焼用空気が混合通路１０１に流入すると共に、ガス最小孔１１５ｄを通って燃料ガスが混合通路１０１に流入するようになっている。このように最小流量時の混合ガスの空燃比が、空気最小孔１０５の開口面積とガス最小孔１１５ｄの開口面積との面積比によって決まるため、空気最小孔１０５およびガス最小孔１１５ｄを、面積比が目標値となるように設けておくことで、最小流量時の混合ガスを適切な空燃比に制御することが可能となる。

上述した本実施例の予混合装置１００には、次のような変形例も存在する。以下では、上述の実施例とは異なる点を中心に変形例について説明する。尚、変形例の説明では、上述の実施例と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。

図７は、第１変形例の予混合装置１００に設置されたカム１１７の形状を示す斜視図である。図示されるように第１変形例のカム１１７は、カム面１１７ａに段差として突設された凸部１１７ｄを有している。そして、回転軸１２２の回転に伴い、上面板１２１の接触部１２１ｂは、カム面１１７ａの傾斜に沿って移動しながら、凸部１１７ｄを乗り越えるようになっている。

図８は、第１変形例の予混合装置１００における回転軸１２２の回転角度と、空気開口面積およびガス開口面積との関係を示したグラフである。まず、図８（ａ）のグラフは、回転軸１２２の回転角度と、空気開口面積との関係を表している。空気流入口１０２が空気制御部１２０で閉塞された状態の回転軸１２２の回転角度を０度として、回転軸１２２を時計回りに回転させる（回転角度を大きくする）と、それに伴い、空気制御部１２０が上流側通路１０１ｂの外周面に沿って回転移動することで、切欠き部１２０ａと空気流入口１０２との重複の度合が大きくなるので、空気開口面積は回転角度に比例して増加していく。そして、回転軸１２２の回転角度が１６０度に達すると、空気流入口１０２の全体が切欠き部１２０ａと重複し、空気開口面積が最大となる。

続いて、図８（ｂ）のグラフは、回転軸１２２の回転角度と、ガス開口面積との関係を表している。回転軸１２２の回転角度が０度では、ガス流入口１１３がガス制御部１１５で閉塞されており、回転角度を大きくしていくと、上面板１２１の接触部１２１ｂがカム面１１７ａに沿って傾斜の低い側から高い側に向けて移動する。それに伴い、上面板１２１から離れていくカム１１７が、付勢バネ１１６の付勢力に抗してガス制御部１１５を押し戻すので、ガス流入口１１３へのテーパー部１１５ａの挿入量が減少することで、ガス開口面積は回転角度に比例して増加していく。ただし、接触部１２１ｂがカム面１１７ａの凸部１１７ｄを乗り越える回転角度（図示した例では４０度と８０度との間）では、凸部１１７ｄの高さ分だけカム１１７によるガス制御部１１５の押し戻し量が増えて、ガス開口面積が上乗せされるので、比例直線よりもガス開口面積が大きく増加する。

さらに、図８（ｃ）のグラフは、回転軸１２２の回転角度と、空気開口面積をガス開口面積で除した開口面積比との関係を表している。第１変形例のカム１１７も、前述した実施例と同様に、上面板１２１の接触部１２１ｂがカム面１１７ａに沿って移動することで開口面積比を所定値に維持する（空燃比を一定に保つ）ようにカム面１１７ａの傾斜が形成されている。そして、接触部１２１ｂがカム面１１７ａの凸部１１７ｄを乗り越える回転角度では、ガス開口面積が上乗せされることにより、開口面積比が所定値よりも小さくなっている。

以上に説明したように第１変形例の予混合装置１００では、カム面１１７ａに段差（凸部１１７ｄ）が設けられており、この段差を接触部１２１ｂが越える際に、開口面積比を所定値とは異ならせることができる。これにより、空気開口面積およびガス開口面積を連動して変化させる上で、混合ガスの空燃比を一定に保つだけでなく、必要に応じて任意の空燃比に変更することが可能となる。

そして、第１変形例の予混合装置１００では、接触部１２１ｂがカム面１１７ａの凸部１１７ｄに接した状態の回転軸１２２の回転角度（接触回転角度）において、開口面積比が所定値よりも小さくなるのに伴い、空燃比も小さくなって混合ガス中の燃料ガスの割合が高くなる（ガスリッチ状態となる）。そのため、例えば、給湯器１の点火時における回転軸１２２の回転角度を接触回転角度に設定することとして、ガスリッチ状態で点火動作を行うことにより、点火が安定し、点火不良を抑制することが可能となる。

図９は、第２変形例の予混合装置１００の構造を示した断面図である。図では、混合通路１０１の中心線を含むと共に、直交導入部１１１ａの中心線に垂直な平面で切断した予混合装置１００の断面を表しており、付勢バネ１１６の図示を省略している。図示されるように、第２変形例の予混合装置１００には、上流側通路１０１ｂや、空気制御部１２０や、上面板１２１の周囲を気密に覆うカバー部材１５０が設けられており、このカバー部材１５０には、燃焼用空気を導く誘導通路１５１が接続されている。そして、誘導通路１５１内には、燃焼用空気を通す空気最大孔１５２が設けられており、この空気最大孔１５２の開口面積は、空気流入口１０２の最大時の開口面積よりも小さく設定されている。

また、接続口１１０の内側には、挿入部材１５５が挿入されており、挿入部材１５５の中央に、燃料ガスを通すガス最大孔１５６が開口している。このガス最大孔１５６の開口面積は、ガス流入口１１３の最大時の開口面積よりも小さく設定されている。

このような第２変形例の予混合装置１００では、空気流入口１０２およびガス流入口１１３の開口面積が最大となる最大流量時において、燃焼用空気の流れは空気最大孔１５２の通過が律速となると共に、燃料ガスの流れはガス最大孔１５６の通過が律速となることから、最大流量時の混合ガスの空燃比は、空気最大孔１５２の開口面積とガス最大孔１５６の開口面積との面積比によって決まる。そのため、空気最大孔１５２およびガス最大孔１５６を、面積比が目標値となるように設けておくことで、空気制御部１２０やガス制御部１１５の組み付け誤差あるいは動作の誤差などの影響を受けることなく、最大流量時の混合ガスを適切な空燃比に制御することが可能となる。

以上、本実施例および変形例の予混合装置１００について説明したが、本発明は上記の実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、前述した実施例および変形例では、空気流入口１０２が上流側通路１０１ｂの周面に設けられていた。しかし、空気流入口１０２を設ける位置は、これに限られず、図１０に示されるように、蓋板１０３に、混合通路１０１の中心線を軸とする扇形の空気流入口１０２を設けてもよい。そして、図１０の例では、上流側通路１０１ｂおよび蓋板１０３を覆う空気制御部１２０が回転軸１２２を中心に回転可能に設けられており、この空気制御部１２０は、蓋板１０３に対向する面（実施例の上面板１２１に相当）に、空気流入口１０２と重複可能に開口した扇形の通気孔１２０ｂを有している。回転軸１２２の回転に伴い、空気制御部１２０が回転移動すると、通気孔１２０ｂが移動するので、空気流入口１０２の開口面積（通気孔１２０ｂと空気流入口１０２との重複部分の面積）が変化する。尚、空気最小孔１０５は、下流側通路１０１ａの周面に開口している。このように空気流入口１０２を蓋板１０３に設けることとすれば、上流側通路１０１ｂに空気流入口１０２を設けるための高さが不要となることから、混合通路１０１の中心線の方向に予混合装置１００の更なるコンパクト化を図ることが可能となる。

また、前述した実施例および変形例では、カム１１７を、回転軸１２２の軸線まわりに回転不能であると共に回転軸１２２の軸方向に直線移動が可能に設けて、上面板１２１側に向けて形成されたカム面１１７ａに上面板１２１の接触部１２１ｂが接するようになっていた（図４参照）。しかし、カム１１７の構成は、空気制御部１２０（回転軸１２２）の回転運動を直線運動に変換してガス制御部１１５に伝達可能であれば、これに限られない。例えば、カム１１７を、図４とは上下逆さまに配置してカム面１１７ａをガス制御部１１５側に向けると共に、回転軸１２２の軸線まわりに回転可能に回転軸１２２と連結することとして、回転軸１２２の回転とカム１１７の回転とを連動させておき、ガス制御部１１５の尖端部１１５ｃ側に設けた一対の接触部がカム面１１７ａに接するようにしてもよい。

また、前述した第１変形例では、カム面１１７ａに凸部１１７ｄを設けることで、回転軸１２２の所定の回転角度における開口面積比を所定値よりも小さくしていたが、これとは逆に、カム面１１７ａに段差として凹みを設けることで、開口面積比を所定値よりも大きくしてもよい。開口面積比が所定値よりも大きくなるのに伴い、空燃比も大きくなって混合ガス中の燃料ガスの割合が低くなる（エアリッチ状態となる）ため、燃焼排気中の一酸化炭素の濃度を下げることが可能となる。

加えて、前述した第１変形例では、回転軸１２２が０度から１６０度まで回転する過程で、開口面積比が所定値から一旦小さくなった後、再び所定値に戻るように、カム面１１７ａに凸部１１７ｄを設けていた。しかし、回転軸１２２の所定の回転角度を境にして、開口面積比が切り替わるようにカム面１１７ａに段差を設けておいてもよい。

１…給湯器、 ２…ハウジング、 ３…燃焼ユニット、
４…熱交換器、 ５…給水通路、 ６…給湯通路、
７…排気ダクト、 ８…排気口、 ９…給気口、
１１…ガス供給通路、 １２…ゼロガバナ、 ２０…ファン、
３０…羽根車、 ３１…翼片、 ３２…回転円板、
３３…支持板、 ４０…駆動モーター、 ４１…シャフト、
５０…ケーシング、 ５１…本体、 ５２…蓋体、
５３…吸入口、 ５４…送風路、 ５５…吐出口、
１００…予混合装置、 １０１…混合通路、 １０１ａ…下流側通路、
１０１ｂ…上流側通路、 １０２…空気流入口、 １０３…蓋板、
１０４…挿通孔、 １０４ａ…ガイド溝、 １０５…空気最小孔、
１１０…接続口、 １１１…導入部、 １１１ａ…直交導入部、
１１１ｂ…平行導入部、 １１２…嵌込部材、 １１３…ガス流入口、
１１４…ガス流入口、 １１５…ガス制御部、 １１５ａ…テーパー部、
１１５ｂ…突条、 １１５ｃ…尖端部、 １１５ｄ…ガス最小孔、
１１６…付勢バネ、 １１７…カム、 １１７ａ…カム面、
１１７ｂ…突出部、 １１７ｃ…凹部、 １１７ｄ…凸部、
１２０…空気制御部、 １２０ａ…切欠き部、 １２０ｂ…通気孔、
１２１…上面板、 １２１ａ…通過口、 １２１ｂ…接触部、
１２２…回転軸、 １３０…回動モーター、 １３１…ブラケット、
１４０…ガス制御部、 １４０ａ…ガス通過口、 １４１…蓋部、
１４２…突起部、 １５０…カバー部材、 １５１…誘導通路、
１５２…空気最大孔、 １５５…挿入部材、 １５６…ガス最大孔。

Claims (4)

1. 燃焼装置に燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを送るファンの吸入側に接続されて、該ファンに供給される前記燃料ガスと前記燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置において、
   前記ファンの吸入側に接合される混合通路と、
   前記混合通路に開口して、該混合通路に前記燃焼用空気を流入させる空気流入口と、
   前記空気流入口を被覆可能に設けられ、該空気流入口が開口した面に沿って回転移動することで、該空気流入口が前記混合通路に開口する空気開口面積を変化させる空気制御部と、
   前記混合通路に開口して、該混合通路に前記燃料ガスを流入させるガス流入口と、
   前記ガス流入口に挿入される部分がテーパー状に形成され、挿入量を変更する方向に直線移動することで、該ガス流入口が前記混合通路に開口するガス開口面積を変化させるガス制御部と、
   前記空気制御部の回転運動を直線運動に変換して前記ガス制御部に伝達することで、該空気制御部の回転移動と該ガス制御部の直線移動とを連動させるカムと
   を備えることを特徴とする予混合装置。
2. 請求項１に記載の予混合装置において、
   前記カムは、前記空気制御部の回転軸と垂直な平面に対して傾斜したカム面を有し、
   前記空気制御部または前記ガス制御部に設けられた接触部が前記カム面の傾斜に沿って移動することによって、前記空気開口面積を前記ガス開口面積で除した開口面積比を所定値に維持しながら、前記空気制御部の回転移動と前記ガス制御部の直線移動とを連動させ、
   前記カム面には、前記開口面積比を前記所定値から変化させる段差が設けられている
   ことを特徴とする予混合装置。
3. 請求項２に記載の予混合装置において、
   前記カム面には、前記燃焼装置の点火時に前記接触部が接する箇所に、前記開口面積比を前記所定値よりも小さくする前記段差が設けられている
   ことを特徴とする予混合装置。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の予混合装置において、
   前記空気流入口が前記空気制御部で閉塞された状態で、前記燃焼用空気を前記混合通路に流入させる空気最小孔と、
   前記ガス流入口が前記ガス制御部で閉塞された状態で、前記燃料ガスを前記混合通路に流入させるガス最小孔と
   を備えることを特徴とする予混合装置。

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