JP2019506132A - 電圧変換器、アクチュエータ及びガスバーナ - Google Patents

Abstract

電気的な逓降変換器は、共通の基準電位を有する回路入力端及び回路出力端を有しており、さらに、回路入力端に接続された入力端と、出力端とを有する電流弁と、電流弁の出力端と回路出力端との間に接続されたコイルと、基準電位から電流弁の出力端に順方向で使用されているダイオードと、回路出力端と基準電位との間の出力コンデンサと、電流弁を周期的に開閉する制御装置と、を備えている。ダイオードのアノードと基準電位との間には、基準電位に対して順方向のツェナーダイオードが挿入されており、ダイオードに対して並列に抵抗が設けられている。

Description

本発明は、アクチュエータを制御する電流を提供するための技術に関する。特に、本発明は、ガス弁を操作するように構成されたアクチュエータの制御に関する。

水を加熱するためのガスバーナは、空気の体積流を発生させるベンチレータと、ガス弁とを備えている。ガス弁は、振動コイルを含み、バルブを通る可燃性ガスの流れを制御するために、閉状態と開状態との間で比例的に制御可能である。ガス弁を通るガスの流れは、通常、振動コイルを流れる電流の関数である。

振動コイルのための電流制御部は、線形制御器を含むことができる。この線形制御器は、広い範囲でガス弁を調整することはできるが、しかし、ここでの効率は比較的低く、さらに、通常は、多くの電気的な廃熱が生じ、その放出のために冷却体が必要になるほどである。第２の実施形態においては、クロック制御された電流制御器、特にクロック制御された逓降制御器（降圧コンバータ、ステップダウンコンバータ、バックコンバータ）が、振動コイルを通る電流の制御のために使用される。逓降変換器は、駆動制御装置を用いて周期的に開閉可能な電流弁（Ｓｔｒｏｍｖｅｎｔｉｌ）を含み、この場合、駆動制御信号のデューティ比は、逓降変換器の回路出力端に印加される電圧を制御し、それによって、振動コイルを通流する電流も間接的に制御される。電流弁は、無限に迅速に開閉することはできないので、逓降変換器を０％に近い非常に低いデューティ比のもとで使用することはもはやできない。それゆえに、非常に僅かなガス流を正確に制御することはもはや不可能である。

本発明の課題は、上述した問題の少なくとも１つを解決する電気的な逓降変換器のための改善された技術を提供することにある。この目的のために、独立請求項の対象が提供される。従属請求項は、好ましい実施形態を再現する。

発明の開示
電気的な逓降変換器は、共通の基準電位を有する回路入力端及び回路出力端を有しており、さらに、入力端及び出力端を有しかつ当該入力端が回路入力端に接続されている電流弁と、電流弁の出力端と回路出力端との間に接続されているコイルと、基準電位から電流弁の出力端に順方向で使用されているダイオードと、回路出力端と基準電位との間の出力コンデンサと、電流弁を周期的に開閉する制御装置と、を備えている。ダイオードのアノードと基準電位との間には、基準電位に対して順方向のツェナーダイオードが挿入されており、このダイオードに対して並列に抵抗が設けられている。

この逓降変換器は、線形変換器の利点と、公知の逓降変換器の利点とを一体化させることができる。特に、本明細書に記載の逓降変換器は、自身の出力端のオーム抵抗において、数ミリアンペア乃至数百ミリアンペアの間の電流を正確に設定可能であることにより、大きなダイナミックレンジをカバーすることができる。同時に、この逓降変換器の効率は高くなり得る。実際には、５０％をはるかに上回る効率、部分的には約９５％までの効率を達成することができる。

特に好ましい実施形態においては、回路入力端と基準電位との間に入力コンデンサが設けられている。これによって、回路入力端における入力電圧は、より良好に安定化させることができ、それによって、電流弁の開放の際にも閉成の際にも、入力電圧は、実質的に安定したまま維持することができる。これによって、逓降変換器は、より正確に動作することができる。その他に、回路入力端の供給のための電圧源の負担を軽減させることができる。同様に、回路入力端に接続されている他の負荷への悪影響も軽減させることができる。

電流制御式のアクチュエータは、振動コイルと、上述した逓降変換器とを備えており、ここで、振動コイルは、回路出力端に電気的に接続されており、それによって、アクチュエータを用いて駆動制御される調整位置は、逓降変換器を用いて生じる振動コイルを通る電流に依存している。これにより、アクチュエータを正確にかつ低損失で制御することができる。

逓降変換器の制御装置は、電流弁を、デューティ比Ｄを有するパルス幅変調された信号（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）を用いて制御することができ、それによって、振動コイルの調整位置は、デューティ比Ｄを介して制御可能になる。ＰＷＭ信号の生成は、ＰＷＭジェネレータを用いて行うことができ、それにより、制御装置は、デューティ比Ｄのみの設定を要するだけである。したがって、制御信号の生成に伴いわずかな負担のみがかかる。

電流制御式のアクチュエータは、特に、バルブ、例えばガス弁の制御のために使用することができる。ここでは、アクチュエータは、好ましくは、ガス弁の開度が逓降変換器を用いて生じる電流に依存するように、ガス弁に作用する。このガス弁は、アクチュエータを用いて、最小から最大の開位置まで繊細に制御することができる。

好ましくは、逓降変換器の制御装置は、電流弁を、所定のデューティ比を有するパルス幅変調された信号を用いて駆動制御し、それによって、振動コイルの調整位置は、デューティ比を介して制御可能である。

デューティ比は、統合化されたマイクロコンピュータ又は他の集積された制御装置によって特に簡単に生成することができる。これにより、アクチュエータの駆動制御は、既に他のプロセスが制御装置を用いて制御される、より複雑な機器においても改善され、統合化が可能である。

ガスバーナは、振動コイルを有する制御可能なガス弁と、ガス弁を制御する上述のアクチュエータとを備えている。ガス弁を通るガス流の改善された制御により、改善された燃焼を制御することができ、それによって、ガスバーナの効率が高められる。同時に、汚染物質による環境負担も低減され得る。

好ましくは、ガスバーナは、ガス弁のガス出口の領域に、空気の体積流を発生させるベンチレータをさらに備えており、ここで、このベンチレータは、同一の上記制御装置を用いて制御可能である。特に、ベンチレータの回転数と、ガス弁を通るガスの通流とを、制御装置を用いて、より良好に相互調整することができる。この調整は、ガスが大気中の酸素を伴い燃焼する際に影響を受けるパラメータ、例えば火炎温度に依存して行うことができる。

以下においては、本発明を添付の図面を参照してより詳細に説明する。

換気用ガスバーナの概略図。 電気的な逓降変換器の回路図。

図１は、ガスバーナ１００の概略図を示す。このガスバーナ１００は、好ましくは、空気の体積流量を提供するベンチレータ１０５と、当該ベンチレータ１０５を制御する制御装置１１０とを備えている。特に、この制御装置１１０は、ベンチレータ１０５の回転数を制御するように構成されている。ベンチレータ１０５によって提供される体積流量は、ガス弁１２０のガス出口１１５を通過し、それによって、このガス出口１１５から放出されるガスは、空気の体積流量と混合されて火炎１２５を形成すべく点火することができる。この火炎１２５は、特に液体、とりわけ水を、例えば、熱交換器を用いて加熱するために用いることができる。このガスバーナ１００は、特に温水設備に、例えば温浴施設に使用することができる。温浴施設は、建物や家屋に温水を提供するように構成されていてもよい。

ガス弁１２０は、当該ガス弁１２０を開閉するためにアクチュエータ１３０に接続されている。このアクチュエータ１３０は、プランジャコイルとも称される振動コイル１３５と、図示の実施形態においては、制御装置１１０と統合化された制御装置とを備えている。振動コイル１３５は、凹部を有する永久磁石１４０と、この凹部に埋め込まれるように構成された振動コイル支持体１４５とを備えている。振動コイル支持体１４５には、電気コイルが取り付けられており、この電気コイルは、自身に電流が通流すると、永久磁石１４０の磁場内で振動コイル支持体１４５を凹部に出し入れさせる磁場を生成する。この原理は、例えばスピーカーの技術分野から公知である。弾性素子、例えばダイヤフラムは、振動コイル支持体１４５に適切な復元力を提供し、それによって、振動コイル支持体１４５は、電流がコイルを通って流れていないときに通常の位置に戻される。振動コイル支持体１４５は、好ましくは、凹部内での振動コイル支持体１４５の位置がガス弁１２０の開口度に比例するようにガス弁１２０に接続されている。

火炎１２５の燃焼を制御するために、制御装置１１０は、通常、振動コイル１３５を用いてベンチレータ１０５もアクチュエータ１３０も駆動制御するように構成されなければならない。アクチュエータ１３０の位置の変更は、通常は比較的緩慢に行われる。

図２は、電気的な逓降変換器２００の回路図を示す。逓降変換器２００は、共通の基準電位２１５を有する回路入力端２０５及び回路出力端２１０とを有している。回路入力端２０５と基準電位２１５との間には、電圧源２２０が設けられている。回路出力端２１０と基準電位２１５との間には、負荷２２５が設けられており、この負荷２２５は、特にアクチュエータ１３０を含むことができ、さらに好ましくは、振動コイル１３５を含むことができる。好ましくは、電圧源２２０に対して並列に入力コンデンサ２３０が接続されている。同様に好ましくは、負荷２２５に対して並列に出力コンデンサ２３５が接続されている。

図１の制御装置１１０と統合化されて実施されてもよい制御装置２４０は、電流弁２４５を駆動制御し、この目的のために介在接続されたドライバ２５０が設けられてもよい。この電流弁２４５は、通常、半導体、特に、例えばＦＥＴやＩＧＢＴタイプのトランジスタを含む。電流弁２４５の入力端２５５は、回路入力端２０５に接続されている。電流弁２４５の出力端２６０は、コイル２６５に接続されており、その第２の端部は、回路出力端２１０に接続されている。電流弁２４５の出力端２６０には、その他にダイオード２７０が接続されており、そのアノードは、既知の回路において直接基準電位２１５に接続されている。

ここに記載の実施形態においては、ダイオード２７０のアノードは、ツェナーダイオード２７５を介して基準電位２１５に接続されており、ここでのツェナーダイオード２７５のカソードが基準電位２１５を指す。好ましくは、ツェナーダイオード２７５に対して並列にコンデンサ２８０が接続されている。その他に好ましくは、ダイオード２７０に対して並列に抵抗２８５が設けられている。

制御装置２４０は、電流弁２４５を周期的に開閉するように構成されており、この目的のために所定のデューティ比を有するパルス幅変調された（ＰＷＭ）信号を使用することができる。このデューティ比は、通常０％乃至１００％の間の範囲で変更することができる。その際、ＰＷＭ信号の周期持続時間は、デューティ比の設定調整の周期よりも著しく短い。

負荷２２５における電圧は、通常の逓降変換器２００において、効率と、電圧源２２０の電圧と、デューティ比Ｄとからの積として決定される。負荷２２５は、所定の抵抗性の（オーミック）抵抗を有し、そのため、負荷２２５を通って電流が流れる。この電流は、逓降変換器２００の回路出力端２１０における電圧と抵抗２８５との商として決定される。その際、効率は、通常、負荷２２５の一定の抵抗のもとで、回路入力端２０５の電圧と、デューティ比Ｄとの関数であることに留意されたい。

上記の回路において、出力電圧は、ツェナーダイオード２７５のツェナー電圧によって決定される絶対量Ｋだけ低減される。

ツェナーダイオード２７５を介したコンデンサ２８０は、制御、ひいては負荷２２５における電圧の安定した特性を改善するための減衰に用いられる。抵抗２８５は、ダイオード２７０を分極する。

図示の逓降変換器２００は、制御装置２４０のＰＷＭ信号のデューティ比Ｄの適切な選択によって、負荷２２５における電圧又は負荷２２５を流れる電流の繊細でかつ反復可能である制御を保証することができる。その際、制御装置２４０は、好ましくは、ベンチレータ１０５の図１の例のように、他のパラメータの制御のために使用することも可能である。

Claims (6)

1. 共通の基準電位（２１５）を有する回路入力端（２０５）及び回路出力端（２１０）を有する電気的な逓降変換器（２００）であって、
   前記回路入力端（２０５）に接続された入力端（２５５）と、出力端（２６０）とを有する電流弁（２４５）と、
   前記電流弁（２４５）の前記出力端（２６０）と前記回路出力端（２１０）との間に接続されたコイル（２６５）と、
   前記基準電位（２１５）から前記電流弁（２４５）の前記出力端（２６０）に順方向で使用されているダイオード（２７０）と、
   前記回路出力端（２１０）と前記基準電位（２１５）との間の出力コンデンサ（２３５）と、
   前記電流弁（２４５）を周期的に開閉する制御装置（２４０）と、
   を備えている逓降変換器（２００）において、
   前記ダイオード（２７０）のアノードと前記基準電位（２１５）との間に、前記基準電位（２１５）に対して順方向のツェナーダイオード（２７５）が挿入されており、
   前記ダイオード（２７０）に対して並列に抵抗（２８５）が設けられている、
   ことを特徴とする、逓降変換器（２００）。
2. 前記回路入力端（２０５）と前記基準電位（２１５）との間に入力コンデンサ（２３０）が設けられている、請求項１に記載の逓降変換器（２００）。
3. 電流制御式のアクチュエータ（１３０）であって、
   振動コイル（１３５）と、
   請求項１又は２に記載の逓降変換器（２００）と、
   を備えており、
   前記振動コイル（１３５）は、前記回路出力端（２１０）に電気的に接続されており、これによって、前記アクチュエータ（１３０）を用いて駆動制御される調整位置は、前記逓降変換器（２００）を用いて生じる前記振動コイル（１３５）を通る電流に依存している、電流制御式のアクチュエータ（１３０）。
4. 前記逓降変換器（２００）の制御装置（２４０）は、所定のデューティ比（Ｄ）を有するパルス幅変調された信号を用いて電流弁（２４５）を駆動制御し、これによって、前記振動コイル（１３５）の調整位置は、前記デューティ比（Ｄ）を介して制御可能である、請求項３に記載のアクチュエータ（１３０）。
5. 制御可能なガス弁（１２０）と、
   前記ガス弁（１２０）を制御する請求項３又は４に記載のアクチュエータ（１３０）と、
   を備えているガスバーナ（１００）であって、
   前記アクチュエータ（１３０）は、前記ガス弁（１２０）の開度が、逓降変換器（２００）を用いて生じる電流に依存するように、前記ガス弁（１２０）に作用する、ガスバーナ（１００）。
6. 前記ガス弁（１２０）のガス出口（１１５）の領域に、空気の体積流を発生させるベンチレータ（１０５）をさらに備えており、前記ベンチレータ（１０５）は、同一の前記制御装置（１１０，２４０）を用いて制御可能である、請求項５に記載のガスバーナ（１００）。

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