JP2565985B2 - 比例弁駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流体の通過量を調節するために使用され、
通電電流に応じた開度を示す比例制御弁を、制御電圧に
応じて駆動する比例弁駆動回路に関する。

［従来の技術］ 例えば、燃焼装置において、バーナへの燃料供給量を
調節する比例制御弁は、制御回路からの制御電圧に応じ
た直流電流を出力する駆動回路により通電され、弁体は
その電流値に応じた開度を呈する。

この場合、弁体を駆動して流体の流量を調節するため
の力は、通過する流体が弁体に加える圧力に抗して発生
され、弁体は例えばゴム等の弾性体に支持されている。

［発明が解決しようとする課題］ このため、比例弁の開度が変更されて大きくされた場
合と、開度が変更されて小さくされた場合とでは、同じ
電流値が与えられても、比例弁の呈する開度には差が生
じる。従って、比例弁によって調節される二次圧力は、
第６図に示すようなヒステリシス特性を伴うことにな
り、通過する流体の流量が正確に得られないという問題
がある。また、比例弁には、制御電圧に比例した直流電
流が常時通電されるため、比例弁の通電回路における消
費電力が多く、通電素子の発熱量が多いという問題があ
る。

本発明は、比例弁のヒステリシス特性を減少させて開
度特性を向上させるとともに、比例弁を通電する通電素
子の消費電力を減少させて発熱量を抑えることを目的と
す。

［課題を解決するための手段］ 通電電流に応じた開度を呈する比例制御弁を制御電圧
に応じて駆動する比例弁駆動回路において、正入力端子
と負入力端子とを備え前記正入力端子と前記負入力端子
との電圧差に応じた電圧を出力する差動増幅回路と、前
記比例制御弁に直列接続され前記比例制御弁による降下
電圧を検出する降下電圧検出用抵抗と、前記比例制御弁
および前記降下電圧検出用抵抗とからなる直列回路を前
記差動増幅回路の出力電圧に応じた電流で通電する比例
弁通電回路と、前記比例制御弁と前記降下電圧検出用抵
抗との接続点を前記差動増幅回路の前記負入力端子と接
続する負帰還回路と、前記比例制御弁と前記降下電圧検
出用抵抗との接続点をコンデンサを介して前記差動増幅
回路の前記正入力端子と接続する正帰還回路とを具備
し、前記制御電圧を前記正入力端子に入力することを技
術的手段とする。

［作用］ 本発明の比例弁駆動回路では、制御電圧が差動増幅回
路の正入力端子に入力されると、差動増幅回路は、負入
力端子との電圧差に応じた電圧を出力する。比例弁通電
回路では、差動増幅回路の出力電圧に応じた電流値で比
例制御弁および降下電圧検出用抵抗を通電する。比例制
御弁が通電されるときの比例制御弁による降下電圧は降
下電圧検出手段によって検出され、その降下電圧は負帰
還回路によって差動増幅回路の負入力端子に負帰還され
る。また、降下電圧は正帰還回路によってコンデンサを
介して正入力端子へ正帰還されるため、コンデンサによ
って微分された降下電圧が制御電圧に加算される。する
と、差動増幅回路では、正帰還回路によって発振回路が
形成される。従って、制御電圧と降下電圧との電圧差に
応じて差動増幅された出力電圧は、形成された発振回路
の発振周波数に振幅変調されて比例弁通電回路へ出力さ
れる。

比例制御弁は、差動増幅回路で振幅変調された出力電
圧に応じて、比例弁通電回路によって通電される。

［発明の効果］ 本発明では、比例制御弁は、正帰還回路によって形成
された発振回路の発振周波数に振幅変調された出力で通
電される。このとき、比例制御弁の弁体は、その機械的
構造のために、通電電流の変化に追従できず、微小振幅
で振動する。また、比例制御弁は、通電される電流の実
効値に応じた開度を呈する。このため、制御電圧が増大
される場合と、減少される場合とで、その開度が異なる
ことがなくなる。従って、回路構成を複雑にすることな
く、安価な構成によって開度特性を向上させることがで
き、ヒステリシス特性を解消することができる。

また、比例制御弁は、その機械的構造により、通電電
流の実効値で開度が決定されるため、通電のための電力
を減少させることができ、発熱量を減少させることがで
きる。

［実施例］ 次に本発明の比例弁駆動回路をガス給湯器に使用した
実施例を図面に基づき説明する。

第２図に概略を示す本実施例のガス給湯器は、燃焼器
10と、燃料管20と、水管30と、制御装置40とから構成さ
れる。

燃焼器10は、給湯器ケース１内に設けられ、複数のリ
ボンバーナを２列に配したバーナ群11と燃焼用空気を供
給する燃焼用ファン12とからなる。バーナ群11にはノズ
ル13から燃料ガスが供給され、燃焼用ファン12によって
供給される燃焼用空気によって燃焼を行い、燃焼によっ
て発生する燃焼ガスは、排気口２から排出される。

バーナ群11近傍の上方には、点火装置のスパーカ14、
炎検知のためのフレームロッド15がそれぞれ設けられて
いる。

燃料管20は、燃料ガスをノズル13へ供給するもので、
その上流側から順に元電磁弁21、主電磁弁22、比例弁23
がそれぞれ設けられ、比例弁23の下流ではバーナ群11の
各連にそれぞれ燃料ガスを供給するために燃料管20は分
岐しており、分岐した一方の燃料管20には、２列に配さ
れたバーナ群11のうち１列の燃料を停止させるために、
切替弁24を備えている。

比例弁23は、ノズル13からバーナ群11へ供給される燃
料ガスの供給圧力を、通電電流に比例して調節すること
によって燃料ガスの供給量を調節する。

水管30は、図示しない水供給源および給湯口とそれぞ
れ接続された供給管31および給湯管31aと、これらに連
通して設けられた熱交換器32およびバイパス管32aとか
らなる。熱交換器32およびバイパス管32aの下流側の合
流部には、バイパス弁33が設けられている。供給管31か
ら供給される水の一部は、熱交換器32を介して、残る部
分はバイパス管32aを介して給湯管31aへ導かれ、熱交換
器32によって加熱される水と、バイパス管32aによって
そのまま導かれる水は、その割合がバイパス弁33により
調節される。

一方、供給管31には上流側より水量制御弁34、水流セ
ンサ35および入水温サーミスタ36が、給湯管31aには出
湯温サーミスタ38がそれぞれ備えられている。

制御装置40は、第３図に示すとおり、制御装置40の中
心となり入出力回路50とのインターフェースを備えたマ
イクロコンピュータ42と、安全確保のための安全回路43
および電磁弁通電リレー回路44と、これらすべてに電力
を供給する電源部45と、入出力回路50の各回路とからな
り、ガス給湯器の作動を操作するためのコントローラ46
と、マイクロコンピュータ42の作動モードを使用される
ガス種、リモコンの有無、給湯能力、排気設備等に応じ
て、工場からの出荷時やガス給湯器の設置時に、予め設
定するためのモード設定回路47を備えている。

安全回路43は、マイクロコンピュータ42、炎検知回路
58、水流回路59から、それぞれ燃焼停止信号が入力され
たときに、マイクロコンピュータ42への電力供給を停止
するための電力停止信号をマイコン用電源45aへ出力す
る。

電磁弁通電リレー回路44は、元電磁弁21、主電磁弁22
および切替弁24を、マイクロコンピュータ42からの制御
信号に応じてそれぞれ通電するためのリレー回路であ
る。

電源部45は、図示しないプラグをコンセントに差込む
と、制御装置40の各回路を作動させるための電力を各回
路に必要な電圧に変換して常時供給するものである。本
実施例では、マイクロコンピュータ42へ電力を供給する
マイコン用電源45aと、電磁弁通電リレー回路44へ電力
を供給するリレー回路用電源45bには、燃焼停止信号に
よって電力供給を停止するスイッチング機能があり、マ
イクロコンピュータ42の作動を停止させるとともに各電
磁弁への通電を停止して、燃料の供給を停止する。

入出力回路50は、ガス給湯器に備えられた上記の各部
分との信号交換のための回路である。入出力回路50に
は、スパーカ14に火花放電を行うための高電圧を発生
し、スパーカ14での火花放電を検知するスパーカ回路5
1、水管30に配された各サーミスタの抵抗値からそれぞ
れの温度信号を得るための水温検出回路53、マイクロコ
ンピュータ42からの制御信号に基づいて燃焼用ファン12
を駆動するとともに、燃焼用ファン12の回転数を検出す
るためのパルス信号を出力するファン回路55、水管30内
を通過する水量に応じて発生される水流センサ35からの
パルス信号をマイクロコンピュータ42へ伝送するととも
に、水管30内を通過する水量が一定量以下になったと
き、電力供給を遮断するためのスイッチング信号を電源
部45のリレー回路用電源45bおよび安全回路43へ伝送す
る水流回路59、そして比例弁回路60がある。

比例弁回路60は、燃料ガスを調節する比例弁23への通
電を行う本発明の比例弁駆動回路であり、第１図に示す
とおり、オペアンプ61、トランジスタ62、63の各能動素
子を中心とし、端子64に入力されるマイクロコンピュー
タ42からの制御電圧に応じて比例弁23を通電する。

端子64は、オペアンプ61の正入力端子61aに接続され
ている。

オペアンプ61は、正入力端子61aと負入力端子61bへそ
れぞれ入力される電圧の電圧差に応じた電圧を出力する
差動増幅器で、オペアンプ61の出力には、抵抗65を通じ
てトランジスタ62のベースが接続されている。

トランジスタ62は、エミッタ接地されたNPNトランジ
スタで、オペアンプ61の出力電圧に応じて増幅した電流
を出力し、トランジスタ63を駆動する。トランジスタ62
のコレクタには、抵抗66を通じてトランジスタ63のベー
スが接続されている。

トランジスタ63は、比例弁23の通電用に設けられた大
電力用のPNPトランジスタで、そのエミッタは、電力を
供給する比例弁電源部4cと接続され、トランジスタ62の
出力電流を増幅して、コレクタに接続された比例弁23を
駆動する。

比例弁23は、抵抗67を通じて接地されている。

抵抗67は、比例弁23の駆動コイルの両端の電圧差をマ
イクロコンピュータ42の制御電圧に応じて制御するため
に設けられたもので、抵抗67と比例弁23との接続点69
は、帰還回路を形成する導線70によってオペアンプ61の
負入力端子61bと接続されて負帰還回路が形成され、負
入力端子61bには、比例弁23によって電圧降下した電圧
が入力される。

負入力端子61bと正入力端子61aとの間には、微分回路
を形成するコンデンサ68が接続されている。コンデンサ
68は、負入力端子61bへ帰還される降下電圧を微分して
正入力端子61aに入力する。

従って、比例弁回路60では、導線70とコンデンサ68に
よて発振回路が形成され、端子64に制御電圧が入力され
ると、オペアンプ61、トランジスタ62、63の各電流増幅
率と、コンデンサ68の容量とによって決定される周波数
で発振する。本実施例では、このときの発振周波数は、
約10kHzとなっている。

なお、比例弁回路60において、オペアンプ61は、電源
部45の図示しない定電圧電源から供給される電力によっ
て作動し、トランジスタ62、63は、比例弁電源部45cか
ら供給される電力によって作動する。

比例弁電源部45cは、図示しない一次コイルを有する
トランス48と、トランス48の二次コイル48aの出力電圧
を全波整流するために二次コイル48aに接続されたブリ
ッジダイオード49とからなり、商用電源からの交流電力
を適切に電圧変換して全波整流し、そのままトランジス
タ63のエミッタへ供給する。

以上の構成からなる本実施例のガス給湯器は次のとお
り作動する。

使用者がコントローラ46によって運転スイッチを入
れ、出湯温度を設定するとともに、図示しない水栓を操
作すると、供給管31によって供給される水は、水量制御
弁34、水流センサ35を通過して、熱交換器32およびバイ
パス管32aへ流入し、バイパス弁33でそれぞれの流出量
が調節されて、給湯管31aを介して図示しない給湯口か
ら流出する。

水流センサ35からの水流に応じたパルス信号が、所定
数以上検知されると、燃焼器10の点火作動として、スパ
ーカ14に火花放電を行う。

スパーカ14での火花放電が検知されると、元電磁弁21
と主電磁弁22が通電され、燃料ガスはノズル13から噴出
して燃焼用空気と混合されてバーナ群11へ供給され、ス
パーカ14によって点火される。

一定時間以内に着火して、フレームロッド15によって
検知されると、マイクロコンピュータ42では、入水温サ
ーミスタ36、出湯温サーミスタ38および水流センサ35か
らの検知信号と、コントローラ46の設定信号に基づいて
必要な燃焼量が計算され、その計算結果に基づいて燃焼
用ファン12、比例弁23、切替弁24、バイパス弁33および
水量制御弁34が制御される。

このとき、比例弁23は、比例弁回路60により、マイク
ロコンピュータ42からの制御電圧に応じて駆動される。

比例弁回路60では、端子64から入力されるマイクロコ
ンピュータ42からの制御電圧は、オペアンプ61の正入力
端子61aに入力される。またオペアンプ61の負入力端子6
1bには、導線70により接続点69の電圧が負帰還され、さ
らに、正入力端子61aには、接続点69の電圧がコンデン
サ68によって微分されて正帰還され、比例弁回路60で
は、発振回路が形成され発振する。

従って、マイクロコンピュータ42からの制御電圧に応
じた出力電圧が、形成された発振回路によって第４図の
実線Ａに示すとおり振幅変調され、比例弁23には、振幅
変調された電流が通電される。

この場合、マイクロコンピュータ42からの制御電圧が
異なると、その制御電圧に応じてその振幅が変化し、発
振周波数は変化しない。

比例弁23は、通電される電流の変化に追随できないた
め、比例弁23の弁体は微小振動をしながら通電電流の実
効値に相当する開度を呈し、これによって燃料管20を通
過する燃料ガスが調節される。

その後、出湯量や設定温度の変更があると、その変更
に応じて比例弁23の制御電圧が変更され、燃焼量が変更
される。

このように、比例弁23の弁体は、通電される電流の波
形どおりには変位しないで、微小振動をしながら通電電
流の実効値に相当する開度を呈するため、開度の変更状
態に関係なく、制御電圧に応じた二次圧力を得ることが
できる。

本実施例の比例弁回路60による比例弁23の制御特性を
第５図の実線Ｃに示す。ここで明らかな通り、本実施例
によれば、第６図の実線Ｄに示す従来の駆動回路による
特性と比較して、ヒステリシスが大きく減少される。ま
た、第５図においては、比例弁23の開度変更可能領域全
体に亙って示されているものであるため、開度が大きい
部分でヒステリシスが現れるが、このヒステリシスが生
じる範囲を除いて比例弁を駆動するようにすれば、殆ど
ヒステリシスのない特性を得ることができる。

また、比例制御弁は、その機械的構造により、通電電
流の実効値で開度が決定されるため、通電のための電力
を減少させることができ、比例弁駆動用のトランジスタ
等の発熱量を減少させることができる。

また、比例弁電源部45cでは、比例弁23への供給電力
を全波整流するだけでよく、特に整流後に平滑回路を設
ける必要がないため、その構成が簡単になる。

本実施例では、給湯器の燃料調節用に使用される比例
弁における実施例を示したが、流体を使用する機器であ
れば、同様な効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を使用したガス給湯器の比例弁回路を示
す回路図、第２図は本実施例のガス給湯器の概略を示す
構成図、第３図は本実施例のガス給湯器の制御装置を示
すブロック図、第４図は本実施例の制御装置における比
例弁への通電電流を示す波形図、第５図は本実施例にお
ける制御電圧に対する比例弁の開度を示す特性図、第６
図は従来の駆動回路における制御電圧に対する比例弁の
開度を示す特性図である。 図中、23……比例弁（比例制御弁）、60……比例弁回路
（比例弁駆動回路）、61……オペアンプ（差動増幅回
路）、61a……正入力端子、61b……負入力端子、63……
トランジスタ（比例弁通電回路）、67……抵抗（降下電
圧検出用抵抗）、68……コンデンサ、70……導線（負帰
還回路、正帰還回路）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】通電電流に応じた開度を呈する比例制御弁
   を制御電圧に応じて駆動する比例弁駆動回路において、 正入力端子と負入力端子とを備え前記正入力端子と前記
   負入力端子との電圧差に応じた電圧を出力する差動増幅
   回路と、 前記比例制御弁に直列接続され前記比例制御弁による降
   下電圧を検出する降下電圧検出用抵抗と、 前記比例制御弁および前記降下電圧検出用抵抗とからな
   る直列回路を前記差動増幅回路の出力電圧に応じた電流
   で通電する比例弁通電回路と、 前記比例制御弁と前記降下電圧検出用抵抗との接続点を
   前記差動増幅回路の前記負入力端子と接続する負帰還回
   路と、 前記比例制御弁と前記降下電圧検出用抵抗との接続点を
   コンデンサを介して前記差動増幅回路の前記正入力端子
   と接続する正帰還回路とを具備し、 前記制御電圧を前記正入力端子に入力することを特徴と
   する比例弁駆動回路。