JP2021099204A - 給湯器 - Google Patents

Abstract

【課題】バーナの燃焼段を切り替える際の燃焼状態の悪化を防止する。【解決手段】給湯器１において、混合気を生成してバーナ３に供給するための予混合器７は、ファン８の回転によって空気が流れると共に、ガス供給管６から分岐した分岐管１２Ａ，１２Ｂを介してそれぞれ燃料ガスが供給されるベンチュリー９Ａ，９Ｂと、ベンチュリー９Ｂを開閉可能なバタフライ弁１０と、を含む一方、ベンチュリー９Ｂへ繋がる分岐管１２Ｂを開閉可能な電磁弁１３を備え、コントローラ３０は、バタフライ弁１０の開弁位置と閉弁位置との間に、電磁弁１３を開閉動作させる電磁弁開閉位置を設定し、バタフライ弁１０を開閉動作させる際には、バタフライ弁１０が電磁弁開閉位置を通過するタイミングで電磁弁１３を開閉動作させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ファンの回転によって燃料ガスと燃焼用空気との混合気を生成する予混合器を備えた給湯器に関する。

給湯器には、特許文献１に開示されるように、バーナの上流側に、ファンの回転によって燃料ガスと燃焼用空気との混合気を生成する予混合器を備えたものが知られている。この予混合器では、燃料ガスと燃焼用空気とが分岐して供給される２つのベンチュリーに仕切られており、バタフライ弁によって一方のベンチュリーを開閉することで、バーナの燃焼量を大小２段階に切替可能となっている。予混合器へのガス供給路には、電磁弁が設けられて、バタフライ弁と共にコントローラによって開閉制御される。この電磁弁は、バタフライ弁によって開閉される一方のベンチュリー側へのガス供給路にのみ設けられる場合がある。

米国特許出願公開２０１１／１３９０４５号明細書

電磁弁を当該一方のベンチュリー側にのみ設けた場合、バーナの燃焼段を１段から２段（小→大）に切り替える際、バタフライ弁を閉弁位置から開弁位置へ移動させると共に、電磁弁も開弁させることになる。
しかし、電磁弁が開弁するタイミングがバタフライ弁の開弁よりも遅すぎると、いわゆるエアリッチ（空気過剰）状態となり、逆に電磁弁が開弁するタイミングがバタフライ弁の開弁よりも早すぎると、いわゆるガスリッチ（燃料ガス過剰）状態となって燃焼状態が瞬間的に悪化し、失火が起きるおそれがある。これは燃焼段を２段から１段（大→小）に切り替える場合も起こり得る。

そこで、本発明は、バーナの燃焼段を切り替える際の燃焼状態の悪化を防止することができる給湯器を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ファンを介して空気に燃料ガスを混合した混合気を生成してバーナに供給するための予混合器と、ファンの作動及びバーナの燃焼を制御するコントローラとを備え、
予混合器は、ファンの回転によって空気が流れると共に、ガス供給路から分岐した分岐管を介してそれぞれ燃料ガスが供給される２つのベンチュリーと、
一方の前記ベンチュリーを開閉可能なバタフライ弁と、を含む一方、
一方のベンチュリーへ繋がる一方の分岐管を開閉可能な電磁弁を備え、
コントローラが、バタフライ弁及び電磁弁を開閉動作させることで、バーナの燃焼量を大小２段階に切替可能な給湯器であって、
コントローラは、バタフライ弁の開弁位置と閉弁位置との間に、電磁弁を開閉動作させる電磁弁開閉位置を設定し、バタフライ弁を開閉動作させる際には、バタフライ弁が電磁弁開閉位置を通過するタイミングで電磁弁を開閉動作させることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、コントローラは、バタフライ弁を開閉動作させる際には、バタフライ弁が電磁弁開閉位置を通過するタイミングで電磁弁を開閉動作させる。よって、エアリッチやガスリッチが生じにくくなり、バーナの燃焼段を切り替える際の燃焼状態の悪化を防止することができる。

給湯器の概略図である。 混合筒の縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、給湯器の一例を示す概略図である。この給湯器１は、燃焼室２の上側にバーナ３が、燃焼面を下向きにして配置され、バーナ３の下側に、燃焼排気の主に顕熱を回収する一次熱交換器４と、主に潜熱を回収する二次熱交換器５とを配置した逆燃焼式となっている。バーナ３は、多数の炎孔を形成した炎孔板を下面に備えたメッシュバーナとなっている。
バーナ３へのガス供給管６の上流側には、予混合器７が設けられている。予混合器７は、下流側にファン８を、上流側に２つのベンチュリー９Ａ，９Ｂを備える。ベンチュリー９Ｂは、バタフライ弁１０によって開閉される。ベンチュリー９Ａ，９Ｂの上流側には空気の吸込口１１Ａ，１１Ｂがそれぞれ設けられている。
ベンチュリー９Ａ，９Ｂにおける吸込口１１Ａ，１１Ｂの下流側には、ガス供給管６から分岐する分岐管１２Ａ，１２Ｂがそれぞれ接続されている。分岐管１２Ｂには、ベンチュリー９Ｂへのガス流路を開閉する電磁弁１３が設けられている。ガス供給管６における分岐管１２Ａ，１２Ｂの上流側には、均圧弁１４が設けられている。

二次熱交換器５の入側端部には、給水管１５が接続され、二次熱交換器５の出側端部は、一次熱交換器４の入側端部と接続されている。一次熱交換器４の出側端部には、出湯管１６が接続されている。燃焼室２の外部で給水管１５と出湯管１６との間には、バイパス管１７が接続されている。
給水管１５には、水量センサ１８と、入水温センサ１９と、水量調整弁２０とが設けられている。出湯管１６には、一次熱交換器４からの出口付近の温度を検出する出口温センサ２１と、バイパス管１７との接続部より下流の温度を検出する出湯温センサ２２とが設けられている。バイパス管１７には、バイパス流量を調整するバイパス弁２３が設けられている。

燃焼室２には、中和器２５を備えたドレン排出管２４が接続されている。また、燃焼室２には、排気ダクト２６が接続されて、下流端を屋外へ開放させている。さらに、燃焼室２には、バーナ３の点火用のイグナイタ２７と炎検出用のフレームロッド２８とが設けられている。
給湯器１は、各センサから得られる検出信号に基づき、バーナ３の燃焼及びファン８の回転を制御して、リモコン３１で設定された設定温度に出湯温度を一致させる出湯温制御を実行するコントローラ３０を備えている。

予混合器７は、ファン８を収容する図示しないファンケースと、ファンケースの下部に取り付けられる混合筒とからなる。図２に混合筒４０の詳細を示す。混合筒４０は、下端に空気の吸込口１１Ａ，１１Ｂを開口させる下筒部４１と、下筒部４１の上端から同軸に連設され、上方へ行くに従って径が大きくなる拡開状の上筒部４２とを有する。下筒部４１内には、吸込口１１Ａ，１１Ｂから吸い込まれる空気が通過する通路面積の小さい減圧部４３が形成されている。
混合筒４０内には、下筒部４１から減圧部４３、上筒部４２の下部にかけて上下方向の仕切壁４４が形成されて、混合筒４０内を左右に二分割している。但し、仕切壁４４は、混合筒４０の軸心から片側へ偏心した位置に配置されて、混合筒４０内に、図２における仕切壁４４の左側を上下に貫通するベンチュリー９Ａと、仕切壁４４の右側を上下に貫通するベンチュリー９Ｂとを形成している。

さらに、上筒部４２内で仕切壁４４の上側には、バタフライ弁１０が設けられている。このバタフライ弁１０は、裏面にシール板４５を固着した半円状の板体で、下端の前後両端に設けた支持部４６，４６が、仕切壁４４の上側で回転可能に保持されている。上筒部４２におけるベンチュリー９Ｂ側には、仕切壁４４の上端から右側へ上り傾斜するＵ字状の弁座４７が形成されている。
混合筒４０の背面には、ステッピングモータである図示しないバルブ駆動モータが設けられて、その図示しないモータ軸が後側の支持部４６と連結されている。よって、バルブ駆動モータの回転により、バタフライ弁１０は、図２に実線で示すように仕切壁４４の上側へ延長上に起立してベンチュリー９Ｂを開放する開弁位置Ａと、二点鎖線で示すようにシール板４５が弁座４７に当接するまで傾倒してベンチュリー９Ｂを閉塞する閉弁位置Ｂとの間で揺動可能となっている。

但し、バーナ３の点火前のバタフライ弁１０は、バルブ駆動モータにより、同じく二点鎖線で示すように、開弁位置Ａと閉弁位置Ｂとの中間となる待機位置Ｃで待機するようになっている。この待機位置Ｃは、バーナ３が燃焼中に燃焼段を切り替える際に電磁弁１３を開閉させる位置（電磁弁開閉位置）ともなっている。
そして、混合筒４０内で下筒部４１の上端と減圧部４３の上端との間には、分岐管１２Ａ，１２Ｂとそれぞれ連通して上筒部４２側へ開口する連通路４８Ａ，４８Ｂが形成されている。

以上の如く構成された給湯器１は、器具内に通水されると、リモコン３１で要求される燃焼量に応じた回転数でコントローラ３０がファンモータを駆動させてファン８を回転させる。このとき当該燃焼量が所定の閾値以上である場合は、２段（大側燃焼量）点火であるとして、電磁弁１３を開弁させると共に、バルブ駆動モータを制御して、バタフライ弁１０を待機位置Ｃから開弁位置Ａに移動させてベンチュリー９Ｂを開放する。バタフライ弁１０は、閉弁位置Ｂに位置していないため、固着することなくスムーズに開弁位置Ａへ移動できる。
すると、混合筒４０では、下筒部４１の下方からファン８の回転数に比例した空気が吸込口１１Ａ，１１Ｂから吸い込まれ、図２に点線矢印で示すように、仕切壁４４の左側を流れる空気Ａ１と、右側を流れる空気Ａ２とに分岐して、それぞれベンチュリー９Ａ，９Ｂを通って上筒部４２へ流れる。このとき、ベンチュリー９Ａ，９Ｂを通過する空気Ａ１，Ａ２は、減圧部４３の通路面積の縮小により、流速を上げて上筒部４２へ流れるため、負圧が生じる。

同時にガス供給管６では図示しない元弁が開弁されて燃料ガスが供給され、均圧弁１４を通って分岐管１２Ａ，１２Ｂに分岐して流れる。よって、連通路４８Ａ，４８Ｂからは、図２に実線で示すように、ベンチュリー９Ａ，９Ｂで生じる負圧との差圧に応じた量のガスＧ１，Ｇ２が、上筒部４２に吸い込まれ、ここで空気Ａ１，Ａ２と混合されて混合気が生成される。

一方、要求される燃焼量が所定の閾値を下回る場合は、１段（小側燃焼量）点火であるとして、バルブ駆動モータを制御してバタフライ弁１０を待機位置Ｃから閉弁位置Ｂに移動させてベンチュリー９Ｂを閉塞させる。バタフライ弁１０は、開弁位置Ａに位置していないため、閉弁位置Ｂへ迅速に移動できる。
よって、ファン８によって吸い込まれた空気は、ベンチュリー９Ａを通過する空気Ａ１のみとなる。また、燃料ガスは、分岐管１２Ａのみから連通路４８Ａ内に流れる。
そして、連通路４８Ａからは、ベンチュリー９Ａで生じる負圧との差圧に応じた量のガスＧ１が、上筒部４２に吸い込まれ、ここで空気Ａ１と混合されて混合気が生成される。

こうして混合筒４０で生成された混合気は、ファンケースに吸い込まれてバーナ３に送られ、炎孔板の各炎孔から噴出し、イグナイタ２７によって点火されて燃焼する。
バーナ３からの燃焼排気は、一次熱交換器４のフィン間を通過することで、伝熱管内を流れる水と熱交換し、顕熱が回収される。その後、二次熱交換器５を通過することで、内部流路を流れる水と熱交換し、潜熱が回収される。そして、排気ダクト２６内を上昇して屋外に排出される。
その後、コントローラ３０は、出湯温センサ２２から得られる出湯温度と、リモコン３１で設定される設定温度との差に基づいて、ファン８の回転数の制御及びバーナ３の燃焼段の切替制御を行う。

ここで、バーナ３の燃焼段を１段から２段に切り替える際、コントローラ３０は、バルブ駆動モータを制御して、バタフライ弁１０を閉弁位置Ｂから開弁位置Ａに移動させてベンチュリー９Ｂを開放する。このとき、コントローラ３０は、バタフライ弁１０が、開弁位置Ａと閉弁位置Ｂとの間の待機位置Ｃを通過するタイミングで電磁弁１３を開弁させる。このタイミングは、バルブ駆動モータを制御するパルス信号から把握できる。
一方、バーナ３の燃焼段を２段から１段に切り替える際、コントローラ３０は、バルブ駆動モータを制御して、バタフライ弁１０を開弁位置Ａから閉弁位置Ｂに移動させてベンチュリー９Ｂを閉塞する。このときもコントローラ３０は、バタフライ弁１０が待機位置Ｃを通過するタイミングで電磁弁１３を閉弁させる。このタイミングも、バルブ駆動モータを制御するパルス信号から把握できる。
こうしてバタフライ弁１０が待機位置Ｃを通過するタイミングで電磁弁１３が開閉するので、空気と燃料ガスとが供給されるタイミングが大きくずれることがなくなり、いわゆるエアリッチやガスリッチが起きにくくなる。

このように、上記形態の給湯器１によれば、コントローラ３０は、バタフライ弁１０の開弁位置Ａと閉弁位置Ｂとの中間に、バーナ３の点火前にバタフライ弁１０を待機させる待機位置Ｃを設定して、バーナ３の点火時には、燃焼量に応じてバタフライ弁１０を待機位置Ｃから開弁位置Ａ又は閉弁位置Ｂに移動させるようになっている。
この構成により、バーナ３の燃焼段にかかわらず、バーナ３の点火時にバタフライ弁１０が固着して正常に動作しなかったり、点火遅れを生じさせたりすることがなくなる。

加えて、コントローラ３０は、バタフライ弁１０の開弁位置Ａと閉弁位置Ｂとの間に、電磁弁１３を開閉動作させる待機位置Ｃ（電磁弁開閉位置）を設定し、バタフライ弁１０を開閉動作させる際には、バタフライ弁１０が待機位置Ｃを通過するタイミングで電磁弁１３を開閉動作させる。
この構成により、エアリッチやガスリッチが生じにくくなり、バーナ３の燃焼段を切り替える際の燃焼状態の悪化を防止することができる。

なお、上記形態では、バタフライ弁の待機位置（電磁弁開閉位置）を開弁位置と閉弁位置との中間に設定しているが、厳密な中間である必要はなく、開弁位置と閉弁位置とのどちらかに近い位置に待機位置（電磁弁開閉位置）を設定してもよい。
また、バタフライ弁の閉弁側は反対側（図２の左側）であってもよい。この場合、電磁弁も閉弁側の分岐管に設けられる。
さらに、予混合器がファンの下流側にある給湯器でも本発明は適用できる。
その他、逆燃焼式に限らず、バーナの上側に一次熱交換器と二次熱交換器とが設置された給湯器や、二次熱交換器を備えない給湯器であっても本発明は適用可能である。

１・・給湯器、２・・燃焼室、３・・バーナ、４・・一次熱交換器、５・・二次熱交換器、６・・ガス供給管、７・・予混合器、８・・ファン、９Ａ，９Ｂ・・ベンチュリー、１０・・バタフライ弁、１１Ａ，１１Ｂ・・吸込口、１２Ａ，１２Ｂ・・分岐管、１３・・電磁弁、１５・・給水管、１６・・出湯管、１７・・バイパス管、１８・・水量センサ、１９・・入水温センサ、２１・・出口温センサ、２２・・出湯温センサ、２６・・排気ダクト、３０・・コントローラ、３１・・リモコン、４０・・混合筒、４１・・下筒部、４２・・上筒部、４４・・仕切壁、４８Ａ，４８Ｂ・・連通路。

Claims (1)

1. ファンを介して空気に燃料ガスを混合した混合気を生成してバーナに供給するための予混合器と、前記ファンの作動及び前記バーナの燃焼を制御するコントローラとを備え、
   前記予混合器は、前記ファンの回転によって空気が流れると共に、ガス供給路から分岐した分岐管を介してそれぞれ燃料ガスが供給される２つのベンチュリーと、
   前記一方の前記ベンチュリーを開閉可能なバタフライ弁と、を含む一方、
   前記一方のベンチュリーへ繋がる一方の前記分岐管を開閉可能な電磁弁を備え、
   前記コントローラが、前記バタフライ弁及び前記電磁弁を開閉動作させることで、前記バーナの燃焼量を大小２段階に切替可能な給湯器であって、
   前記コントローラは、前記バタフライ弁の開弁位置と閉弁位置との間に、前記電磁弁を開閉動作させる電磁弁開閉位置を設定し、前記バタフライ弁を開閉動作させる際には、前記バタフライ弁が前記電磁弁開閉位置を通過するタイミングで前記電磁弁を開閉動作させることを特徴とする給湯器。

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