JP2673640B2

JP2673640B2 - 給湯機の燃焼制御方法

Info

Publication number: JP2673640B2
Application number: JP4236051A
Authority: JP
Inventors: 秀幸神野
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 1991-09-04
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1997-11-05
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: JPH05196213A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は給湯機の燃焼制御方法に
関するもので、燃焼排気に含まれる窒素酸化物と一酸化
炭素の発生量を少なくし得るようにしたものである。

【０００２】

【従来技術及び課題】最近、燃焼排気に含まれる窒素酸
化物の軽減対策が施された給湯機が出現し、環境保護の
考慮された低公害性の給湯機が提供されるようになって
きた。かかる給湯機に関する発明として既に図４のもの
（特願平3-209626号）を提案した。

【０００３】これは、ブンゼン式のガスバーナ(1) に形
成される炎の温度低下を図って窒素酸化物の発生を抑え
るもので、上記炎の温度を低下させることにより、燃焼
部に供給される空気中の窒素が高温条件下で酸化するこ
とによって発生する窒素酸化物の発生量を抑えるように
している。即ち、図４に示すように、熱交換器を構成す
る缶体(50)の上下部には熱交換体(52)(51)が二段配設さ
れていると共に、各熱交換体(52)(51)は多数の吸熱フィ
ン(55)(54)とこれらを貫通する通水パイプ(31)より構成
されている。そして、上記缶体(50)の下部に位置する第
１熱交換体(51)はガスバーナ(1) (1) 群で生成される炎
(2）(2）内に位置するように配設されている。

【０００４】このものでは、ガスバーナ(1) (1) 群で生
成される炎(2）(2）は先ず第１熱交換体(51)とこれを貫
通する通水パイプ(31)を加熱した後、その燃焼排気は缶
体(50)内の燃焼排気路(57)を流れて第２熱交換体(52)を
加熱し、これにより、通水パイプ(31)内の通水を暖め
る。そして、このものでは、ガスバーナ(1) (1) の炎
(2）は第１熱交換体(51)の吸熱フィン(54)やこれを貫通
する通水パイプ(31)に接触して温度低下せしめられるか
ら、そうでない場合に比べて窒素酸化物の発生量が抑え
られる。

【０００５】しかしながら、上記先行技術のものでは、
窒素酸化物の発生量は抑えられるものの、場合によって
は一酸化炭素の発生量が許容量を越えて増加するという
問題があった。上記問題点について更に詳述する。第１
熱交換体(51)で炎(2）の温度を下げ過ぎると、燃焼排気
の温度が低下し過ぎ、高温時に活発化する一酸化炭素等
のガスの酸化反応速度が遅くなる。即ち、燃焼時に発生
する一酸化炭素が酸化して二酸化炭素に変化する速度が
遅くなるのである。すると、第２熱交換体(52)に達する
一酸化炭素の量が増加すると共に該一酸化炭素がそのま
ま排出されることとなり、排気中に含まれる一酸化炭素
の量が多くなる。このことから、上記従来のものでは、
第１熱交換体(51)による炎の冷却度合によっては一酸化
炭素の発生量が許容範囲を越えて増加する場合があるの
である。

【０００６】本発明の発明者は、燃焼排気温度と上記一
酸化炭素や窒素酸化物の発生量の関係を実験データ（図
３）に基づいて鋭意検討した結果、本発明を完成するに
至った。本発明は、上記の点に鑑みて成されたもので、
実験のデータ（図３参照）に基づき燃焼排気中に含まれ
る窒素酸化物及び一酸化炭素の含有量を少なくすること
をその課題とする。

【０００７】

【手段】上記課題を解決するための本発明の技術的手段
は、『ブンゼン式のガスバーナ(1) (1) で生じる炎(2）
(2）の内部に位置するように配設された第１熱交換体(5
1)と、該第１熱交換体(51)より下流側の燃焼排気路(57)
内に配設された第２熱交換体(52)を設け、前記第１熱交
換体(51)と上記炎(2）(2）の接触によって該炎(2）(2）
を約１１５０℃〜約１３００℃の温度に冷却しながら燃
焼動作を行わせるようにした』ことである。

【０００８】

【作用】上記技術的手段は次のように作用する。窒素酸
化物と一酸化炭素の発生量を適正範囲に収めるための第
１熱交換体(51)の熱交換効率及び燃焼排気の温度範囲を
求めると次のようになる。自然環境や安全性等を確保す
るためには窒素酸化物の発生量を８０PPM 以下に抑え、
更に、二酸化炭素に対する一酸化炭素の発生割合（CO/C
O2）を０．００５以下に抑えるのが望ましい。

【０００９】図３を見ると、窒素酸化物の量Ｎが８０PP
M 以下になるのは該熱交換体の熱交換効率が１０％以上
で、このときの燃焼排気の温度Ｔは約１３００℃以下で
あることが分る。又、一酸化炭素の発生割合（CO/CO2）
が０．００５以下になるのは熱交換効率が２０％以下で
あり、このときの燃焼排気温度Ｔは約１１５０℃以上で
あることが分る。

【００１０】従って、熱交換効率が１０％〜２０％の範
囲になると燃焼排気温度が約１１５０℃〜約１３００℃
の範囲に収まり、この範囲で一酸化炭素の発生割合（CO
/CO2）を０．００５以下に抑えることが出来ると共に窒
素酸化物の発生量を８０PPM以下に抑制できることが分
る。さて、ガスバーナ(1) (1) が燃焼状態になってこれ
に形成された炎が第１熱交換体(51)に接触すると、既述
従来のものと同様に、該炎が前記第１熱交換体(51)で熱
吸収される。この場合、上記技術的手段によれば、前記
第１熱交換体(51)と接触した後の炎の温度、即ち、燃焼
排気温度が約１１５０℃〜約１３００℃の範囲に収まる
ようにこれを冷却するから、かかる温度範囲に於ける燃
焼排気が含有する一酸化炭素及び窒素酸化物の量は既述
した適正範囲に収まることとなる。

【００１１】以後、第１熱交換体(51)からの燃焼排気は
その下流側に位置する第２熱交換体(55)を加熱し、これ
により、通水路内を通過する被加熱水を所定温度に加熱
昇温させる。

【００１２】

【効果】本発明は次の特有の効果を有する。炎(2）(2）
の熱を第１熱交換体(51)で吸収してその燃焼排気の温度
が上記した温度範囲に収まるようにしているから、窒素
酸化物および一酸化炭素の発生量を共に少なくすること
ができる。

【００１３】

【実施例】次に上記した本発明の実施例を説明する。図
１に示すように、缶体(50)の下部に配設された第１熱交
換体(51)の更に下方にはガスバーナ(1) (1) 群が配設さ
れており、該ガスバーナ(1) (1) の炎の形成領域内に上
記第１熱交換体(51)が位置するようにしている。

【００１４】この実施例のものでは、平面積が２５２平
方センチメートルの領域にガスバーナ(1) (1) を配設し
てあり、これにより、ガスバーナ(1) (1) の全発熱量を
上記４５ＫＷに設定した場合、１平方センチメートル当
りに於けるバーナの平均発熱量が１７９Ｗになるように
している。又、第１熱交換体(51)の各吸熱フィン(54)(5
4)の配設ピッチは１０mm〜１４mmの範囲に設定してあ
り、これにより、ガスバーナ(1) (1) の全発熱量を４５
ＫＷで燃焼させた場合に第１熱交換体(51)で熱吸収され
た後における炎(2）の温度（第１熱交換体(51)から排出
される燃焼排気の温度）が約１１５０℃〜約１３００℃
の範囲に収まるようにしている（図３参照）。又、第１
熱交換体(51)と第２熱交換体(52)との間隔（断熱空間）
は１００mmに設定した。

【００１５】上記ガスバーナ(1) (1) 群は、この実施例
では２個一組になった燃焼ブロック(A) (A) に区分され
ており、これら燃焼ブロック(A) (A) 毎に燃焼量が制御
されるようになっている。又、この実施例では６組の燃
焼ブロック(A) (A) が設けられている。即ち、各燃焼ブ
ロック(A) (A) へのガス回路には夫々一つの比例弁(15)
(15)が挿入されており、これら比例弁(15)(15)は制御回
路(4) で各別に開度制御されるようになっているのであ
る。

【００１６】又、缶体(50)の上部に配設された第２熱交
換体(52)の下流側の通水パイプ(31)には温度センサ(41)
が添設されており、該温度センサ(41)で出湯温度を検知
するようになっていると共に通水パイプ(31)の上流部に
は水流スイッチ(S) が配設されている。又、台所の壁面
等に配設された湯温設定器(43)の出力は制御回路(4)に
印加されている。

【００１７】上記制御回路(4) を構成するマイクロコン
ピュータ内には図２のフローチャートに示す如き内容の
制御プログラムが書き込まれており、上記給湯機の動作
を図２に従って説明する。．先ず電源投入するとマイクロコンピュータ内の各メ
モリーをクリアする（図面符号(80)のステップ参照）。．出湯蛇口(58)が開放操作されたか否かを判断する為
に水流スイッチ(S) の出力を監視し（図面符号(81)のス
テップ参照）、水流スイッチ(S) がＯＮ動作した場合に
は変数Ｉの値を「１」にセットする（図面符号(82)のス
テップ参照）。．次に第Ｉ番目の燃焼ブロック(A) を点火してこれに
属するガスバーナ(1) (1) を点火状態にする（図面符号
(83)のステップ参照）。．次に温度センサ(41)が検知する出湯温度(T) と湯温
設定器(43)の設定温度(K) を比較して（図面符号(84)の
ステップ参照）出湯温度(T) が低い場合には第Ｉ番目の
燃焼ブロック(A) の燃焼量を一定量だけ増加させる。即
ち、燃焼ブロック(A) へのガス回路に挿入した比例弁(1
5)の開度を増加させるのである（図面符号(85)のステッ
プ参照）。．次に、第Ｉ番目の燃焼ブロック(A) が最大燃焼状態
にあるか否かを判断する。即ち、該燃焼ブロック(A) へ
のガス回路に挿入した比例弁(15)の開度が最大開度か否
かを判断するのである（図面符号(86)のステップ参
照）。そして、該第Ｉ番目の燃焼ブロック(A) が最大燃
焼状態に達していない場合は再び湯温設定器(43)の設定
温度と温度センサ(41)の検知温度を比較する図面符号(8
4)のステップに制御動作が移され、湯温設定器(43)によ
る設定温度(K) が温度センサ(41)の出湯温度(T) より高
い場合は更に第Ｉ番目の燃焼ブロック(A) の燃焼量を増
加させて出湯温度を高くしてゆく。

【００１８】他方、第Ｉ番目の燃焼ブロック(A) が最大
燃焼状態か否かを判断する図面符号(86)のステップを実
行した際にこれが最大燃焼状態にあると判断できたとき
は更に変数Ｉが「６」になっているか否か、即ち、全て
の燃焼ブロック(A) (A) が能力最大限で燃焼しているか
否かを判断する（図面符号(87)のステップ参照）。そし
て、変数Ｉが「６」未満で全ての燃焼ブロック(A) が燃
焼状態になっていない場合は、変数Ｉの値を「１」だけ
増加させ（図面符号(88)のステップ参照）、新たに増加
した第Ｉ番目の燃焼ブロック(A) を点火させる図面符号
(83)のステップが実行される。そして、湯温設定器(43)
の設定温度(K) と温度センサ(41)の出湯温度(T) が等し
くなるまで該Ｉ番目の燃焼ブロック(A) の燃焼量を増加
させる。．他方、湯温設定器(43)の設定温度(K) と温度センサ
(41)が検知する出湯温度(T) を比較した際（図面符号(8
4)のステップ参照）に出湯温度(T) が高い場合には、上
記とは逆に第Ｉ番目の燃焼ブロック(A) の燃焼量を低下
させる（図面符号(93)のステップ参照）と共に、該Ｉ番
目の燃焼ブロック(A) の燃焼量が最小燃焼状態にあると
き（図面符号(93)のステップでYES と判断されたと
き）、即ち、比例弁(15)が最小開度状態にあるときは、
変数Ｉが「１」になっているか否かを判断し（図面符号
(94)のステップ参照）、変数Ｉが「１」より大きい場合
は変数Ｉの値を「１」だけ減少させ（図面符号(95)のス
テップ参照）て燃焼させる燃焼ブロック(A) の数を１つ
だけ少なくする。そして、出湯温度(T) が設定温度(K)
より更に高いときは、新たな第Ｉ番目の燃焼ブロック
(A) の燃焼量を低くして出湯温度を低下させる。．「」と「」の制御動作によって出湯温度(T) と
設定温度(K) が等しくなると、その時点に於いて能力最
大限で燃焼している燃焼ブロック(A) の数（Ｉ−１）
と、能力最大限未満で燃焼している第Ｉ番目の燃焼ブロ
ック(A) の燃焼割合い（最大燃焼量に対する実際の燃焼
量の割合い）を判断する。そして、給湯機の全燃焼量を
一定に保ちながら燃焼している燃焼ブロック(A) (A) の
燃焼量を平均化する演算を実行する（図面符号(89)のス
テップ参照）。即ち、能力最大限で燃焼している（Ｉ−
１）個の燃焼ブロック(A) に対応する比例弁(15)の開度
を「１００％」と評価し、これに第Ｉ番目の燃焼ブロッ
ク(A) に対応する比例弁(15)の開度を加えてこれを変数
Ｉで割って平均開度(B) を求め、この平均開度(B) にな
るように、上記Ｉ組の燃焼ブロック(A) (A) の比例弁(1
5)(15)を均一開度に保持するのである（図面符号(90)の
ステップ参照）。

【００１９】尚、上記比例弁(15)(15)の開度は次の条件
の下で制御する。即ち、吸熱フィン(54)(54)からの燃焼
排気の温度を約１１５０℃〜約１３００℃の範囲に収め
るべく、比例弁(15)(15)の開度を５０％以上に維持しな
がらバーナを燃焼させるのである。これにより、点火し
ている燃焼ブロック(A) (A) が２組の場合に各組におけ
る比例弁(15)の開度は必ず５０％以上，３組の場合は６
６％以上，４組の場合は７５％以上，５組の場合は８０
％以上，更に６組の場合は８６％以上となる。即ち、各
ガスバーナ(1) (1) が必ず５０％以上の強火燃焼するこ
とととなり、これにより、該ガスバーナ(1) (1) の炎
(2）が第１熱交換体(51)で吸熱されて温度低下しても、
該温度低下後に於ける炎(2）の温度が所定の高温状態
（約１１５０℃〜約１３００℃）に維持され、一酸化炭
素の発生量を所定範囲に抑えることができる。尚、燃焼
ブロック(A) を１組で燃焼する場合には、下限燃焼量を
能力最大限の５０％に設定する。

【００２０】このように、ガスバーナ(1) (1) の炎(2）
は既述先行技術のものと同様に第１熱交換体(51)で温度
低下せしめられるから、窒素酸化物の発生も抑えられ
る。又、炎(2）の温度、即ち、第１熱交換体(51)からの
燃焼排気の温度を約１１５０℃以下に過冷却しないか
ら、一酸化炭素の発生量も抑えることができる。尚、上
記実施例では全ガスバーナ(1) (1) を二個一組にして燃
焼ブロック(A)(A) を構成したが、該燃焼ブロック(A)
(A) を構成するガスバーナ(1) (1) の数は三個以上であ
ってもよい。又、燃焼ブロック(A) を単一のガスバーナ
(1) で構成しても良い。又、第１熱交換体(51)部分に於
ける燃焼排気温度の温度を約１１５０℃〜約１３００℃
の範囲に収めるものであれば、ガスバーナ(1) (1) の総
燃焼量が不変のものであっても良いことは言うまでもな
い。

【００２１】更に、上記実施例では、出湯温度を検知す
る温度センサ(41)の出力を判断してフィードバック制御
しながら燃焼ブロック(A) (A) の燃焼量を制御するよう
にしたが、通水パイプ(31)に供給される水道水の温度
（以下、入水温という）を測定する入水温センサと、通
水パイプ(31)を流れる通水量を計測する流量カウンタを
設け、これらと湯温設定器(43)の設定温度(K) から、該
設定温度(K) の温水を得るのに必要なガスバーナ(1)
(1) の燃焼量を演算し、該必要燃焼量から燃焼させる燃
焼ブロック(A) の必要最小限の数を決定してこれを燃焼
させるようにしても良い（フィードホワード制御）。そ
して、燃焼ブロック(A) (A) が燃焼した後は、これらの
燃焼量を温度センサ(41)の出力で一律にフィードバック
制御するのである。

【００２２】尚、上記実施例では、第１熱交換体(51)は
第２熱交換体(52)より先に給水するようにしたが、この
逆、即ち、第２熱交換体(52)が第１熱交換体(51)より先
に給水されて通水回路上では上流側になるようにしても
よい。又、上記実施例では、各燃焼ブロック(A) (A) へ
のガス回路に比例弁(15)(15)を設けたが、該比例弁に代
えて開・閉式（ＯＮ・ＯＦＦ式）の電磁弁を設けてもよ
い。かかる場合、各燃焼ブロク(A) (A) は１００％の強
火燃焼を行わせて、設定される必要な燃焼熱量の多少に
より、点火される燃焼ブロック(A) (A) の数を変更す
る。

【００２３】又、第１熱交換体(51)は吸熱フィン(54)を
備えず通水パイプ(31)のみで構成しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例に使用する給湯機の全体図

【図２】制御動作説明図

【図３】燃焼排気温度と一酸化炭素及び窒素酸化物の発
生量の関係を示すグラフ

【図４】従来例の説明図

【符号の説明】

(1) ・・・ガスバーナ (2）・・・炎 (51)・・・第１熱交換体 (52)・・・第２熱交換体 (57)・・・燃焼排気路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ブンゼン式のガスバーナ(1) (1) で生じる
炎(2）(2）の内部に位置するように配設された第１熱交
換体(51)と、該第１熱交換体(51)より下流側の燃焼排気
路(57)内に配設された第２熱交換体(52)を設け、前記第
１熱交換体(51)と上記炎(2）(2）の接触によって該炎
(2）(2）を約１１５０℃〜約１３００℃の温度に冷却し
ながら燃焼動作を行わせるようにした給湯機の燃焼制御
方法。