JP2839374B2

JP2839374B2 - 空気／燃料混合物を完全予混合バーナに供給するための装置

Info

Publication number: JP2839374B2
Application number: JP8524775A
Authority: JP
Inventors: ディヴィッドマイケルサットン
Original assignee: BII JII PLC
Current assignee: BII JII PLC
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2016-02-14
Also published as: JPH10504888A; GB9603090D0; AU4673096A; GB9506591D0; GB2298294A; US5997278A; EP0811131B1; WO1996025628A1; CA2212629A1; DE69600925T2; AU694315B2; GB9503065D0; GB9525197D0; GB2298294B; DE69600925D1; ES2125713T3; EP0811131A1; GB9506537D0

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、空気／燃料混合物を例えば燃料電池に関
し、特に空気／燃料ガス混合物を完全予燃焼バーナに供
給するための装置に関する。

かかるバーナにおいては、バーナ内での燃焼の前に、
バーナ燃料ガスがプリナムチャンバの中で空気と混合さ
れる。

燃料ガスは通常は主管路から供給され、空気はファン
によって供給される。

ガスの不完全燃焼及び有毒な一酸化炭素ガスの発生を
防止するために、空気の体積流量は、ガスの完全燃焼に
理論的に必要とされる流量以上に保つことが通常は目標
とされている。一般的には、この過剰分は30％に達し、
かくして、バーナは、化学量論的空気要求である130
％、要するに、「130％空気混入」で運転すべきである
といわれている。

この発明によれば、空気／燃料混合物を完全予燃焼バ
ーナに供給するための装置は、燃料を可変流量でバーナ
に供給するための手段と、バーナ内部のプリナムチャン
バの中で空気と混合するために空気を可変流量で供給す
るための手段と、燃焼生成物の組成を測定することによ
って空気混入を感知するための手段と、燃料流量を熱出
力要求に応じて制御し、空気流量が空気混入を所定の値
に保つのに十分なだけの流量になるように燃料流量と感
知された空気混入の両方に応じて空気流量を制御するた
めの制御手段とからなり、燃料流量及び空気流量の値
は、連続する項の間が一定比である等比級数を形成する
所定の値の個々の範囲内の特定の値である。

燃料を可変流量で供給するための手段は、燃料ガス流
量を変えるための可変開口を有する調整バルブからな
り、一方、空気を可変流量で供給するための手段は、可
変速ファンからなっていてもよいし、あるいは又、定格
の一定速度で作動するファンと組み合わせられた可変ス
ロットルバルブからなっていてもよい。

空気混入を感知するための手段は、燃料燃焼生成物の
酸素含有量を感知し、酸素含有量を示す信号を供給する
ためのセンサからなることができる。

便利なことに、等比級数は所定の数の項N_maxを含んで
おり、各項には以下の関係が成り立つ。

Q_N＝Q₁xR^(N-1) ここに、 Q_Nは段階の所定の級数におけるＮ番目の段階の各燃料
流量又は空気流量であり、 Q₁は級数の中の段階１における各燃料流量又は空気流
量であり、従って、燃料流量及び空気流量の両方につい
て、各最低許容流量を構成しており、Ｒは等比級数の公比に等しい定数項であり、Ｒの値は
流量の連続的な段階の間で希望される分解に応じて選択
され、さらには、燃料ガス及び空気の許容流量を定義す
る各級数について同一であり、Ｎは、個々の段階を全て
一意的に識別し、１の最小値及びN_maxの最大値を有する
数であり、最大値は、定数Ｒの選択値と、供給すべき最
大流量と最小流量の間の絶対値の比とによって決定され
る。

定数Ｒには1.025の値が割り当てられるのが適当であ
る。

この装置は、バーナ空気混入の正確な制御によって、
バーナのオンオフサイクルなしで、可変熱要求を十分に
満たすことができる。

流量値の等比級数に基づいて変更を行うことの効果
は、既存のパラメータ値の百分率変更として、燃焼の過
程を制御するパラメータを調節することが可能になるこ
とにある。

以下では、この発明の実施態様について添付図面によ
る実例の形で説明を行う。

第１図は、ガス燃焼家庭用暖房装置の家庭用燃焼シス
テムとその制御装置との概略図である。

第２図は、熱要求信号を作り出す方式を図示した略回
路図である。

第１図に関しては、住居の外壁３の内部表面に取り付
られたけたルームシールケーシング２の内部に配置され
たガスボイラ１からなる家庭用燃焼システムが図示され
ている。ボイラ１は、エンクロージャ５に取り付けられ
且つエンクロージャ５に対してシールされている完全予
混合ガスバーナ４を含んでおり、ガスバーナ４は、燃焼
室を形成するエンクロージャ５の最上部の中で下向きに
燃焼するように設計されている。

エンクロージャ５は、エンクロージャ５のすぐ下方の
垂直部７と、この垂直部７に連結され且つ隙間９を形成
しながら壁３の中の穴を貫通して延在している水平部８
とを有する最下部炉筒６で終わっている。隙間９はフラ
ンジ付き出口10の水平部によって形成されている。炉筒
水平部８は、壁３の外部表面12から間隔を隔てられた円
周フランジ11を有している。フランジ11は、フランジ付
きガード13と一緒になって、隙間９及び炉筒水平部８の
外部表面14を囲んでいる壁に、いわゆる「平衡炉筒」タ
イプの空気取入口を形成する。

バーナ４はプリナムチャンバ15を有しており、プリナ
ムチャンバの下方にはバーナプレート16が配置されてい
る。プリナムチャンバ15の上流には、空気と燃料ガスが
出会い、燃焼の前に混ざり合う混合チャンバ17がある。

バーナ４用のの空気は、混合チャンバ17に連結された
可変速ファン18によって供給される。バーナ用の燃料ガ
スは、混合チャンバ17に連結されたガス供給管19によっ
て供給される。ガスは従来方式によって加圧主管路から
供給されるが、ガス流量は、ガスライン及び遮断ガスバ
ルブ11の中に配置された調整ガスバルブ20によって制御
される。調整ガスバルブ20は、燃料ガスの流量を変動さ
せるために可変である開口面積を有している。

冷水をボイラ１に供給し、熱水をボイラ１から取り出
すために、配管22が備えられており、配管22の一部23は
Ｓ字形であり、燃焼生成物によって水を加熱することを
可能にするために主としてクロージャ５の中に配置され
ており、この部分23は燃焼ガスと水との間の熱交換を改
善するためのフィン24を有している。水は水ポンプ25に
よって部分22、23を経て熱水／中央加熱システム（図示
せず）のまわりに汲み上げられる。

燃焼システムは、超小型電子コントロールボックス26
の形の制御手段又はコントローラによって制御される。
これは、ライン27を通じてファン18を制御し、ライン28
を通じてガス調整バルブ20を制御し、ライン29を通じて
ガス遮断バルブ21を制御する。

酸素検出燃焼センサ30が炉筒６の垂直部７の中に配置
されている。センサ30は空気／ガス比制御用のいわゆる
閉ループシステムの一部を形成しており、ライン31を通
じてコントロールボックス26に出力電圧信号を供給する
が、この出力電圧信号の強さは、チャンバ17の中で作ら
れる混合物の成分としての酸素がバーナプレート16を通
じてしかクロージャ５の中に入らないので、炉筒ガスの
酸素濃度に、従って可燃性空気／ガス混合物中の空気混
入に直接関係している。

配管の部分23の外部に配置された熱水温度センサ32が
電圧信号をライン33を通じてコントロールボックス26に
伝える。もし熱水温度が高すぎる場合には、コントロー
ラ26がそれぞれライン28、29を通じてバルブ20、21を閉
じ、熱水温度がある程度下がるまでは、バーナ４の以降
の運転を停止させる。

バーナプレート16のすぐ下方に配置された点火器・炎
切れ検出器組立体34はライン35を通じてコントロールボ
ックス26に両方向に連絡している。この組立体34はこの
発明の一部ではない標準機能であり、完璧を期すために
触れたに過ぎない。

ファン18と混合チャンバ17との間には、切換接点を備
えたダイアフラム操作スイッチと、燃焼用の空気流が通
過し、その結果として予測可能な方式で空気流量に関連
する程度だけ圧力を低下させるオリフィスプレートとか
らなる差圧感知組立体36が取り付けられている。ダイア
フラムは、それによって２つの区画に分割され、その各
々がオリフィスプレートの異なる側に連結されている
が、別な方法でシールされているチャンバの中に配置さ
れている。ダイアフラムの直径は、ダイアフラム全体の
圧力差が所定の大きさまで増大したときには、スイッチ
の可動フィンガ（図示されていない）がゼロ圧力（又は
「静止」）接点から切り離され、圧力接点と係合するよ
うに選択されている。オリフィスの直径は、ある特定の
運転条件の設定の下で、ある所定の空気流量においてこ
の圧力差の大きさに到達するように選択されている。フ
ァン18によって運ばれた所定の空気流量において動作さ
せられた場合には、スイッチは、以下に記述する目的の
ために、信号をライン37に沿ってコントロールボックス
26に供給する。

熱要求を示す信号が要求信号プロセッサ39からライン
38を経てコントロールボックス26に供給される。第２図
はこのプロセッサへの結線の略図である。プロセッサ39
は、室温センサ40からライン41を経て、熱水温度センサ
42からライン43を経て、ボイラ水温センサ44からライン
45を経て、熱水シリンダサーモスタット46からライン47
を経て、中央加熱／熱水プログラマ48からライン49及び
50に沿って、信号を受け取る。

受け取った様々な信号から、プロセッサ39はライン38
を経てコントローラ26に伝送するための適当な熱要求信
号を計算する。プロセッサ39は基本的には従来方式の装
置でよく、この発明の固有の部分を形成するものではな
い。

この実施態様においては、可変速ファン18は、ブラシ
レス直流モータと、ファン18の回転速度に周波数が比例
した信号パルスをコントロールボックス26に供給するた
めのセンサとを組み込んだ標準品である。コントロール
ボックス26は動力及び制御信号をモータに供給し、多心
ライン31を通じて速度センサからパルスを受け取る。制
御信号は、コントロールボックス26が発生させる周波数
1000Hzの方形パルス列として供給され、列の各０〜5Vパ
ルスの持続時間L_cpは、ファンの速度を制御するため
に、0.0000〜0.0010秒の範囲にわたってコントロールボ
ックス26によって可変である。速度センサからの連続的
なパルスの間の時間間隔はコントロールボックス26によ
って測定され、rpmで表した回転速度に変換され、コー
ド化される。この値は、コントロールボックス26の中の
ROMの中に保持された一連の類似のコード化基準値と比
較され、もしサンプリング値と所定の基準値との間に差
がある場合には、ファン18のモータに供給される制御パ
ルスの持続時間の調節によって、この差がゼロにされ
る。このようにして、コントロールボックス26は、所定
の基準値に対応するファン速度を獲得して、維持するこ
とができる。第１図に示されたタイプの燃焼システムに
おいては、もし他のファクターが一定である場合には、
空気流量はファンの回転速度にほぼ比例している。従っ
て、ファンの性能が所与の条件の下で十分である場合に
は、コントロールボックス26は、対応するファン基準速
度値と、ファン18のセンサからの信号が意味する実際フ
ァン速度値が等しくなるように制御パルスの持続時間L
_cpを調節することによって、代替的空気流量の選択のい
ずれであってもほぼ獲得することができる。

第１表に関しては、コントロールボックス26の中のRO
Mの中に記憶されたデータ参照用表の最初の12行を示し
たものである。

この表の第１列は、上記のようなこの発明における流
量制御の基礎を形成する等比級数における項の番号を表
している段階番号数“N"である。

表の第２列は、各特定段階番号Ｎに対応する立方メー
トル／時間（m³/h）で表したそれぞれのガス流量Ｇであ
る。示された段階は、最低の0.35m³/hから段階Ｎ＝12に
おける0.46m³/hまでの間のガス流量の範囲をカバーして
いる。各段階の流量は前の段階よりも約2.5％多く、等
比級数の公比の予定値（1.025）を反映している。

表の第３列は、参照表の列１のＮの各値に対応する毎
分当たりの回転数（rpm）で表したそれぞれのファン速
度Ｆである。示された段階は、Ｎ＝１における1050rpm
からＮ＝12における1378rpmまでの範囲のファン速度を
カバーしている。各段階の流量は前の段階よりも約2.5
％多い。

表の第４列は、調整バルブ20を操作するための、表の
Ｎの各値に対応するボルトで表したそれぞれの駆動電圧
V_mgvである。

表の第５列は、ライン27によって供給されるような、
Ｎの各値に対応するマイクロ秒で表したファン速度制御
パルスの定格持続時間である。

表の第６列は、特定のＮ値における酸素センサ30から
の出力電圧（Ｖ^＊ _cs）_Ｌの最小許容値であり、表の第７
列は、特定のＮ値における酸素センサ30からの出力電圧
（Ｖ^＊ _cs）_Ｕの最大許容値である。

かかる表の作成の際には、燃料が燃焼のために仮定理
論空気量を要求し（m³空気/m³燃料ガス）、仮定性能特
性を有するファンが仮定流体抵抗特性を有する燃焼シス
テムの中で正常に作動するとした場合に、可燃性混合物
の予定空気混入率に対応する所定の空気／ガス流量が得
られるように、ガス流量と空気流量の各組み合わせが選
択される。最大可能性能を燃焼システムから確保するた
めに、ガス流量に応じて予定空気混入率を可変とするこ
ともできる。この場合には、第１表の列６及び７の出力
電圧値は従って段階番号Ｎとともに変動することにな
る。しかしながら、第１表に示されたように、この工夫
はこの実施例にはまだ採用されていない。センサ30の近
くの酸素の濃度及び可燃性混合物の空気混入率を予定通
りに保つことができるように、データ参照表の作成に際
して仮定された条件からの逸脱を補償するための方法に
ついて後に説明する。

説明を簡単にするために、第１表のデータは常数とし
て示されている。しかしながら、現実においては、通常
の慣例に合わせるために、全ての表データはデジタル方
式で記憶される。特に、列２のガス流量は、固定計数逓
減率に基づいてこれらのガス流量を表すデジタル電圧と
して記憶される。列３及び５が、列２及び４の入力の最
大値よりも大きなN_maxの値までの入力を含むことができ
ることが高く評価されよう。

この実施例のコントロールボックス26が従うプログラ
ムについて、これからその概要を説明する。

説明に使用される全ての記号の一覧表が第２表であ
る。

プログラムは、後のプログラム目的のために、下記の
２つのパラメータC_FS及びＭをRAMの中でゼロにリセット
することによってスタートする。プリセット値V_minに少
なくとも等しい電圧がライン38上に存在するかどうかを
発見するために、プログラムはライン38を読む。もしか
かる電圧が存在する場合には、上に説明したように、こ
のことは外部源39からの熱の要求を示すものである。こ
の場合には、コントロールボックス26は、周知の燃焼コ
ントローラにおけるように、定期安全点検を行う。もし
安全チェックが危険の存在を示した場合には、標識変数
Ｓのために値ゼロがRAMに記憶され、ユーザーがコント
ロールボックス26の従来方式の「リセット」ボタンを押
すことによって、プログラムにスタート地点に戻ること
を指示し、それによってプログラムがＳの値を１に変更
するまでは、以降の全ての動作が「ロックアウト」状態
において一時停止される。

もし安全点検によって危険が発見されなかった場合に
は、コントロールボックス26は、参照表が作成された時
にアセンブリ36の中の切換スイッチを作動させるのに十
分であると仮定されるファン速度を表す基準段階番号で
ある（N_co）^＊の値をROMから発見することになる。上記
のように、コントロールボックス26は次にファン速度制
御パルス列を発生させ、ライン27に沿って供給する。こ
れらのパルスの持続時間L_CPは、参照表の列５のＮ＝（N
_co）^＊の行に挙げられている。ファン18の速度が安定す
ると、コントロールボックス26は、アセンブリ36の中の
切換スイッチの圧力接点に電圧が存在するかどうかを判
定する。もし電圧が存在しない場合には、0.0010秒の最
大値との関係におけるL_CPの値がチェックされ、L_CPはこ
の段階では最大値ではないので、コントロールボックス
26は、ファン速度を変化させ、切換接点の圧力接点を再
点検するのに適当な休止時間であるL_CPを延長する。こ
れは、電圧がこの接点に現れるか、又はL_CPの値が0.001
0秒になるまで続く。後者の場合には、上記のように、
コントロールボックス26はＳ＝０、L_CP＝０、及び「ロ
ックアウト」を設定する。

しかしながら、電圧が接点に現れた場合には、コント
ロールボックス26はL_CPの値を測定し、参照表から関連
の定格段階番号（N_cp）_COを発見する。もしバーナを点
火するために複数の試みが必要であることが分かった場
合、又はバーナの運転開始後のいずれかの時点で炎が消
えた場合の便宜のために、この番号はRAMに記憶され
る。コントロールボックス26は次にファン速度Ｆを測定
し、対応する段階番号Ｎ＝N_COを参照表から発見し、RAM
に記憶させる。コントロールボックス26は次に（N_co）
^＊の値を参照し、以下の式からの流体スイッチファン速
度補正率C_FSを評価する。

C_FS＝N_CO−（N_co）^＊（１）補正率C_FSは、以下に記述するように、後の使用のた
めにRAMに記憶される。もし運転条件が参照表の作成時
に仮定された条件とたまたま正確に一致した場合には、
C_FSはゼロになる。

コントロールボックス26は次にC_FSのこの新しい値と
前の値との差［C_FS］を推定する。前の値はプログラム
のスタート時点ではゼロに設定されていたので、
［C_FS］は非ゼロになる。この条件によって、プログラ
ムは、下記の式７によって定義された「閉ループ」ファ
ン速度補正率であるパラメータC_CLの値をRAMの中でゼロ
にリセットする。

前の燃焼時の残留生成物、及び閉じたバルブ21から漏
れたかもしれない極微量の燃料ガスを燃焼システムから
追い出すために新鮮な空気を燃焼システムの中に吹き込
む作業が行われるt_p秒の休止の後に、コントロールボッ
クス26は、以下の一般式によって与えられる点火Ｎ＝N_i
の場合のファン速度段階番号を推定し、RAMの中に記憶
させる。

N₁＝１＋C_FS＋C_CL＋Ｂ（２）ここに C_CL＝RAMに記憶され、以下に定義されている「閉ルー
プ」ファン速度補正率。

B ＝差［C_FS］が非ゼロの場合に採用される燃料可変
性指数。

指数Ｂは、加熱装置の製造又は据え付け中にコントロ
ールボックス26のプログラムの中にプリセットされた定
数である。定数の値は、バーナ４が使用すべき燃料ガス
の特性について予想される変動の程度を反映している。
もし重大な変動が予想されない場合には、指数Ｂはゼロ
にプリセットされる。

コントロールボックス26は表の中で段階Ｎ＝N_iの場合
のL_CPの定格値を参照し、その持続時間のパルスをライ
ン27に供給する。次にコントロールボックス26は後に生
じる定常ファン速度Ｆを測定し、対応する段階番号Ｎ＝
N_Fを発見するために再び参照表を調べる。もしN_FがN_iと
異なっている場合には、制御パルスの持続時間が変更さ
れ、差がなくなるまでその手順が繰り返される。

差がなくなると、コントロールボックス26はL_CPの調
節を中止し、到達した値を測定し、対応する段階番号Ｎ
＝（N_cp）_ｉを参照表から発見し、RAMに記憶させる。そ
の後に、コントロールボックス26はまず最初に装置34の
点火器を、その数秒後にガス遮断バルブ21のコイルを作
動させ、この段階では作動させられていないが、内部ス
トップに対する部分的開放位置にある調整バルブ20を通
じて、燃料ガスがバーナ４に流れることを可能にする。
もし時間t_i秒後に装置34の検出器によって炎が感知され
なかった場合には、コントロールボックス26は点火器及
びバルブ21への電源を切る。

次に、コントロールボックス26は、状況に応じて値ゼ
ロ又は１を割り当てることができる点火試み指数である
Ｉの値をRAMから検索する。この例においては、前に点
火の試みは行われたことがないので、記憶されたＩの値
はゼロになり、従って、プログラムはＩを１に更新し、
再びバーナ４に炎を発生させる試みを行う。それを行う
ために、コントロールボックス26は段階番号Ｎ＝
（N_cp）_COをRAMから検索し、対応するL_CPの値を参照
し、その持続時間の制御パルスを供給し、初期の点火の
試みに関する上記の段階を繰り返す。この過程で、もし
必要があれば、パラメータN_CO、（N_cp）_CO及びC_FSが改
訂されるか、あるいは又、もし切換スイッチの圧力接点
に電圧が生じることなしに、制御パルス持続時間を0.00
10秒の最大値まで延長すべきである場合には、コントロ
ールボックス26が上記の方式で「ロックアウト」を確立
する。２回目の試みにおいても炎がうまく発生しなかっ
た場合には、Ｉ＝１であるから、コントロールボックス
26はＳ＝０、L_CP＝０、次に「ロックアウト」を設定す
る。しかしながら、もし炎がいずれかの試みの際に発生
した場合には、点火器が切られ、Ｉ＝０がRAMに記憶さ
れる。

安全のために、コントロールボックス26は、点火器を
切った状態で、炎が装置34の検出器のところで燃え続け
ているかどうかをチェックする。もしそうではない場合
には、炎を再発生させるために１回点火の試みを行う。
これを行うために、コントロールボックス26はバルブ21
への電源を切り、値Ｉ＝１をRAMに記憶させ、２回目の
点火の試みについて上記の手順の残りを実行する。

もし炎が検出器のところに存在している場合には、ま
だ熱要求があるかどうかを確認するために、コントロー
ルボックス26はライン38を読む。もし異常なことにもう
熱要求がない場合には、コントロールボックス26はバル
ブ21への電源を切り、ファンを止めて、新しい熱要求の
出現を待つためにL_CP＝０を設定する。しかしながら、
もし熱要求がまだ存在している場合には、コントロール
ボックス26は一定の安全点検を行う。万一これらの点検
によって何らかの危険が明らかになった場合には、プロ
グラムはＳ＝０を設定し、バルブ21への電源を切り、L
_CP＝０を設定し、「ロックアウト」に向かう。

しかしながら、この目的のための安全点検が無事に終
了した場合には、コントロールボックス30はパラメータ
Ｍの値を調べる。コントロールボックス30のプログラム
がそのスタート地点から動き始めた場合には、Ｍの値は
ゼロになる。この場合には、プログラムは、以下に定義
されたパラメータN_Gについて仮の値１をRAMに記憶させ
る。

次に、コントロールボックス30はRAMから既存のＮ′
_Ｇの値を抽出し、それをRAMの中の別のアドレスに差
（Ｎ′_Ｇ）_Ｅとともに復元し、外部源39からの実際の熱
要求にほぼ対応する段階番号Ｎ＝Ｎ′_Ｇの確定を試み
る。

これを行うために、コントロールボックス26は、燃料
ガスの熱量値が参照表の作成時に仮定された値に等しい
という仮定の下に、ライン38の電圧信号を測定し、評価
する。万一この仮定が特定の事例において無効である場
合には、外部源39に接続された温度センサは、加熱され
ている流体（水又は室内空気）の希望温度の不足あるい
は又超過としていずれこれを識別し、外部源39は、温度
不一致をなくすのに役立てるという意味において、ライ
ン38の電圧信号を変更する。評価された電圧信号はコー
ド化され、参照表の列２に記憶され、調整ガスバルブ20
を通過するガス流量を表している一連のコード化電圧と
比較される。この比較が、表への入力が、仮定された熱
量値に基づいて、特定の熱要求を満たすのにほぼ適当で
あることを確認する。コントロールボックス26は、同じ
表の列１から、調整バルブ20用の駆動電圧V_mgvを設定す
るための対応する番号Ｎ′_Ｇを確認し、仮にRAMに記憶
させる。

この時点で、パラメータＭの値が再び調べられる。万
一Ｍ＝０の場合には、コントロールボックス30のプログ
ラムは、バルブ20用の駆動電圧を制御する段階番号の実
効値を表すパラメータＮ″_Ｇについて値１をRAMに記憶
させる。いずれの場合にも、コントロールボックス30は
次に段階番号Ｎ′_Ｇと（Ｎ′_Ｇ）_Ｅが等しいかどうかを
判定する。もし等しい場合には、バルブ20用の駆動電圧
の調節、又は、前後関係によって、ファン18の速度の調
節は「開ループ」モードにおいては必要ないので、プロ
グラムは運転の「閉ループ段階」を直ちに入力する。

しかしながら、もしＮ′_Ｇと（Ｎ′_Ｇ）_Ｅが等しくな
い場合には、コントロールボックス30はＭの値を最後に
調べる。万一その値がゼロの場合には、プログラムはRA
MにＭ＝１を記憶させ、運転の「閉ループ」段階に進
む。そうでない場合には、コントロールボックス30は要
求された値Ｎ′_Ｇが許容可能であるかどうかを確認す
る。これを行うために、コントロールボックス30はRAM
から制御パルス段階の現在番号及びファン速度段階番号
（一般的な場合、照合記号はそれぞれN_cpと（Ｎ″_Ａ）
である）を検索し、RAMの中の照合記号がそれぞれ
（N_cp）_Ｅ、（Ｎ″_Ａ）_Ｅである新しいアドレスに記憶
させる。（N_cp）_Ｅ及び（Ｎ″_Ａ）_Ｅを検索した後に、
コントロールボックス26は、バルブ20を制御するための
上限段階番号（Ｎ′_Ｇ）_Ｐを定義するために、以下の式
を使用する。

（Ｎ′_Ｇ）_Ｐ＝N_max−［（N_cp）_Ｅ−（Ｎ″_Ａ）_Ｅ］−C_FS−C_CL−Ｂ（３）ここに、N_maxは参照表に記憶された最大段階番号であ
る。

バーナが運転状態に入ったばかりの特別な場合には、
パラメータ（N_cp）_Ｅ及び（Ｎ″_Ａ）_Ｅは値がそれぞれ
（N_cp）_ｉ及びN_iになる。

もしＮ′_Ｇが限界値（Ｎ′_Ｇ）_Ｐを超えなかった場合
には、コントロールボックス26は修正なしで値Ｎ′_Ｇを
採用し、もしそうではない場合には、その代わりにもっ
と小さな値（Ｎ′_Ｇ）_Ｐが採用される。いずれの場合に
も、バルブ20の設定に使用するために、採用された値は
段階番号Ｎ″_ＧとしてRAMに記憶される。

そのようにしてＮ″_Ｇを確認した後に、コントロール
ボックス26は、以下の式を使用して、ファン18の速度を
調節するための対応する新しい段階番号Ｎ″_Ａを推定
し、RAMに記憶させる。

Ｎ″_Ａ＝Ｎ″_Ｇ＋C_FS＋C_CL＋Ｂ（４） RAMから値Ｎ″_Ａ、（N_cp）_Ｅ及びＮ″_Ａ）_Ｅを検索し
た後に、コントロールボックス26は、以下の式（５）に
よって与えられる目標制御パルス段階番号N_cpをRAMに記
憶させる。

N_cp＝（Ｎ″_Ａ）−（Ｎ″_Ａ）_Ｅ）＋（N_cp）_Ｅ（５）コントロールボックス26は今度は、必要な段階番号の
変更方向を決定するために、N_cpの目標値と既存値とを
比較する。この例においては、バーナはその最小率で運
転されているのであり、Ｎ″_Ｇの既存値と採用値が等し
くないと仮定した場合には、前後関係によって、バーナ
熱出力の増加が要求される。従って、コントロールボッ
クス26は１つの段階番号によってパルス持続時間L_CPを
延長し、次に（ファン速度の変更を部分的に実現するこ
とを可能にするための一時停止の後に）同じ段階番号に
よってバルブ20用の駆動電圧V_maxを段階番号N_Gに対応す
る値に高める。コントロールボックス26は、ガス流量を
制御する段階番号N_Gを一時的に記録し、その値を目標値
Ｎ″_Ｇと比較し、それぞれの目標値N_cp及びＮ″_Ｇに同
時に到達するまで、変更手順を続行する。この段階的手
順は、もし調整バルブ20がファン18よりも段階番号の与
えられた変化に迅速に対応した場合には起こる空気／ガ
ス流量比の一時的変化を制限する役割を果たす。ファン
18及び調整バルブ20の各段階の変更後に、コントロール
ボックス26は炎が消えていないことを確認する。

次に、コントロールボックス26は実際ファン速度Ｆを
測定し、対応する段階番号Ｎ＝N_Fを発見し、差［N₁］＝
（Ｎ″_Ａ−N_P）を推定する。通常は、これらの段階番号
は等しくなり、従って、その差はゼロになり、プログラ
ムは「閉ループ運転」モードの開始地点に進む。しかし
ながら、もしN_FがＮ″_Ａを超えることが分かった場合に
は、コントロールボックス26は制御パルス段階番号N_cp
を検索し、差の分だけその番号を小さくし、この新しい
N_cpの値をPAMに記憶させる。コントロールボックス26は
次に対応する新しいパルス持続時間L_CPを検索、提供
し、その結果としてのファン速度を定常状態になった時
点で測定し、N_Fの値を測定し、新しい差（Ｎ″_Ａ−N_F）
を評価する。もし例外的に不一致が継続する場合には、
Ｎ″_ＡがN_Fに等しくなるまで、上記の手順が繰り返され
る。

それとは反対にN_FがＮ″_Ａよりも小さいことが明らか
になった場合には、コントロールボックス26はN_cpを検
索し、参照表からN_maxを発見し、差［N₂］＝（N_max−N
_cp）を推定し、以下の式を評価する。

Ｅ＝（N_max−N_cp）−（Ｎ″_Ａ−N_F）＝［N₂］−［N₁］（６）ここにＥ＝もし不足（Ｎ″_Ａ−N_F）がN_Fの上向き調節だけに
よって埋め合わされた場合に残っている段階番号の超
過。

もしＥがゼロ以上の場合には、コントロールボックス
26は、パラメータN_cp＝［N_cp＋（Ｎ″_Ａ−N_F）］の新し
い値を推定し、その値をRAMに記憶させる。コントロー
ルボックス26は次に参照表から対応する制御パルス持続
時間L_CPの値を確認し、ファン18の速度を高めるために
この持続期間のパルスを発生させ、ライン27に沿って急
送する。コントロールボックス26は再びファン速度を定
常状態になった時点で測定し、新しいN_Fの値を確認し、
もし、例外的に、必要であることが分かった場合には、
Ｎ″_ＡがN_Fに等しくなるように、上記の手順を繰り返
す。

しかしながら、万一Ｅがゼロ未満の場合には、コント
ロールボックス26は第１にＮ″_Ｇを検索し、量Ｅの分だ
け低減された新しい値に改訂し、改訂された値をRAMに
記憶させ、さらには、燃料ガス流量を減らすために、対
応するV_maxの値を参照表から確認し、設定する。第２
に、コントロールボックス26は式（４）を使用して、改
訂されたＮ″_Ｇの値に適した新しい目標ファン速度段階
番号Ｎ″_Ａの値を推定し、RAMに記憶させ、第３に、L_CP
を0.0010秒の最大値に設定し、対応する段階番号N_cp＝N
_maxをRAMに記憶させる。次に、コントロールボックス26
は再び定常ファン速度Ｆを測定し、参照表から対応する
N_Fの値を確認し、低減されたＮ″_Ａの値を検索し、新し
い差（Ｎ″_Ａ−N_F）］を推定する。万一（例外的な状況
において）N_FがまだＮ″_Ａよりも小さい場合には、コン
トロールボックス26は不足（Ｎ″_Ａ−N_F）に相当する分
だけＮ″_Ｇをさらに低減する。制御パルス持続時間は0.
0010秒のままにしておく。これによって、N_Fは必ずＮ″
_Ａと等しくなる。コントロールボックス26はこのＮ″_Ｇ
の最新値をRAMに記憶させ、調整バルブ20用の駆動電圧V
_mgvを確認及び設定するための実効値として使用する。

「開ループ」条件の下で予定の流量比が達成される
と、コントロールボックス26のプログラムは「閉ルー
プ」制御段階用のタイマをスタートさせ、次にｔ^＊秒間
一時停止し、その間に、燃焼センサ30における条件を安
定させた状態で、定期安全点検が行われる。もしこの過
程において危険が発見されず、しかももし熱要求が持続
している場合には、時間ｔ^＊秒の終了時に、コントロー
ルボックス26はライン31の電圧V_csを抽出し、コード化
して、その結果を参照表の列６及び７のそれぞれのコー
ド化基準電圧（Ｖ^＊ _cs）_Ｌ、（Ｖ^＊ _cs）_Ｕの実効値Ｎ＝
Ｎ″_Ｇの行の値と比較する。３つの代替的な可能性が考
えられる。

もしライン31の電圧が記憶された２つの電圧の低い方
よりも低いことが分かった場合には、これは空気／ガス
流量比が適正な比よりも小さいことを意味している。こ
の場合には、コントロールボックス26はN_cpを検索し、N
_maxの値を参照し、差［N₂］＝（N_max−N_cp）を推定す
る。もしこれが少なくとも２の場合には、コントロール
ボックス26はパラメータN_cp＝（N_cp＋２）の新しい値を
RAMに記憶させ、参照表から対応する制御パルス持続時
間L_CPの値を確認し、ファン18の速度を高めるためにこ
の持続期間のパルスを発生させ、ライン27に沿って急送
する。しかしながら、もし（N_max−N_cp）が２未満の場
合には、コントロールボックス26はＮ″_Ｇを検索し、２
だけ低減された新しい値に改訂し、その値をRAMに記憶
させ、さらには、燃料ガス流量を減らすために、対応す
るV_mgvの値を参照表から確認し、設定する。L_CPの値は
不変である。いずれの場合にも、以降の整定時間ｔ^＊が
何の危険の発生もなしに経過した後に、コントロールボ
ックス26は再びライン31の電圧を燃焼センサ30から抽出
し、コード化して、その結果を参照表の列６及び７に記
憶された基準電圧の運転設定Ｎ＝Ｎ″_Ｇの行の値と比較
する。もし抽出された電圧が記憶された２つの電圧の低
い方よりもまだ低い場合には、ライン31の抽出された電
圧が、２つの基準電圧の低い方に等しくなるか、又はこ
れらの電圧の間になるまで、コントロールボックス26は
上記の手順を繰り返す。第２の可能性として、もし抽出
され、コード化された時に、ライン31の電圧が記憶され
た２つの電圧の高い方よりも高いことが分かった場合に
は、これは空気／ガス流量比が適正な比よりも大きいこ
とを意味している。この場合には、コントロールボック
ス26は既存の制御パルス段階番号N_cpをRAMから検索し、
その値が３未満であるかどうかを確認する。

もしそうではない場合には、コントロールボックス26
は新しい値N_cp＝（N_cp＋２）推定し、をRAMに記憶させ
る。参照表からコントロールボックス26は対応するL_CP
の値を確認し、ファン18の速度を下げるためにこの持続
期間のパルスを発生させ、ライン27に沿って急送する。
整定時間ｔ^＊が何の危険な状態の発生もなしに経過した
場合には、コントロールボックス26は再びライン31の電
圧を燃焼センサ30から抽出し、コード化して、その結果
を参照表の列６及び７に記憶された基準電圧のＮ＝Ｎ″
_Ｇの行の値と比較する。もし抽出された電圧が記憶され
た２つの基準電圧の高い方よりもまだ高い場合には、N
_cpの値が３未満になるか、あるいは、ライン31の抽出さ
れた電圧が、２つの基準電圧の高い方に等しくなるか、
又はこれらの電圧の間になるまで、コントロールボック
ス26はN_cpの変更された値をRAMから抽出し、上記の手順
を繰り返す。

もしN_cpの値が３未満であるか、又は３未満になる場
合には、コントロールボックス26はパラメータＮ″_Ｇを
RAMから検索し、変更された値Ｎ″_Ｇ＝（Ｎ″_Ｇ−２）
を推定し、RAMに記憶させる。コントロールボックス26
は次に参照表から調整バルブ20用の駆動電圧V_mgvの対応
する値を発見し、設定する。L_CPの値は不変である。整
定時間ｔ^＊が安全に経過した後に、コントロールボック
ス26は再びライン31の電圧を燃焼センサ30から抽出し、
コード化して、その結果を参照表の列６及び７に記憶さ
れた基準基準電圧のＮ＝Ｎ″_Ｇの行の値と比較する。も
し抽出された電圧が記憶された２つの基準電圧の高い方
よりもまだ高い場合には、ライン31の抽出された電圧
が、２つの基準電圧の高い方に等しくなるか、又はこれ
らの電圧の間になるまで、コントロールボックス26はN
_cpの変更された値をRAMから抽出し、上記の手順を繰り
返す。

もしライン31の電圧の値が、２つの電圧を上下限とす
る範囲内にあることが分かった場合には、コントロール
ボックス26は、「開ループ」モードにおいて設定された
空気／ガス流量比には調節を行わない。

もし、上記の状況のいずれかにおいて、ライン31の抽
出された電圧が「閉ループ」運転の開始から所定の時間
ｔ^＊＊（例えば60秒）以内に予定の範囲にならなかった
場合には、ユーザーがプログラムをそのスタート地点に
戻すために「リセット」スイッチを押すまでは、コント
ロールボックス26は燃焼システムを「ロックアウト」に
おいて停止させる。しかしながら、通常は、ライン31の
抽出された電圧は、２つの基準電圧の１つ又はその間の
電圧に等しいか、すぐに等しくなる。もしそうなった場
合には、コントロールボックス26は「閉ループ」タイマ
を停止させ、ファン18の速度センサから連続するパルス
の間の時間間隔を測定し、実際ファン速度Ｆを推定し、
コード化する。この実際ファン速度が参照表の列３のコ
ード化値と比較され、挙げられた直近値に対応する段階
番号（N_F）_CLがRAMに記憶される。最後に、（N_F）_CL、
Ｎ″_Ｇ及びC_FSをRAMから検索した後に、コントロールボ
ックス26は、後に運転の「開ループ」段階での使用のた
めに、以下の式によって与えられる更新「閉ループ」フ
ァン速度補正率C_CLを評価し、RAMに記憶させる。

C_CL＝（N_F）_CL−Ｎ″_Ｇ−C_FS （７）「閉ループ」運転を終了した後に、コントロールボッ
クス26のプログラムは、点火器が切られた後に炎が装置
34の検出器のところに存在し続けているかどうかを確認
した上記の地点に戻る。そこから、上記の全ての段階が
上記の方式で再び行われる。

万一この時点における安全点検によって、熱要求がな
くなっていること、又はパイプ部23のセンサ32における
温度が超過していることが分かった場合には、コントロ
ールボックス26のプログラムはガス遮断バルブ21への電
源を切り、炎を消して、「待機」に移行するためにパラ
メータV_mgv及びL_CPの両方をゼロに設定し、外部源39か
らの新しい熱要求を待つ。

これを受け取ると、コントロールボックス26は上記の
バーナ始動の手順を再び実行し、その際に補正率C_FSを
再評価する。新しいC_FSの値は、すでに説明したよう
に、前の値の代替としてではなく、RAMの別のアドレス
に記憶される。コントロールボックス26は次に新しい値
と前の値との差［C_FS］を推定し、万一この差がゼロで
はない場合には、「閉ループ」補正率C_CLの値ゼロが、
前に記憶されたC_CLの値の代替としてRAMに記憶される。
改訂されたC_FS及びC_CLの値は、式（２）〜（４）が次に
採用される時に、指数Ｂの値とともに採用される。これ
は、制御システムが、バーナの点火の前に、（燃料ガス
特性の潜在的な変動を含めた）運転上嫌の変化を考慮に
入れるが、しかし、バーナ４の運転の直前の期間中に生
じた可能性があり、補正率C_CLの適当な変更によって
「閉ループ」モードにおいてその時点で補正されるファ
ン性能又はシステム流抵抗体特性の持続的変化の「閉ル
ープ」における過補償の可能性を避けることができる、
ということを意味している。

ライン31の抽出された電圧の高さに応じて、後にL_CP
を、もし必要な場合には、V_mgvを調節することによっ
て、希望酸素濃度をセンサ30の近くにおいて維持するこ
とが必要な場合には、コントロールボックス26は「開ル
ープ」モードにおいて前に設定された空気／ガス流量比
を修正することができる。かかる作用が必要となるの
は、燃料ガスの理論的空気必要量が参照表の作成時又は
指数Ｂの割当時に仮定された数字と異なっている場合、
あるいは、バーナ４の長期間の連続的な運転時に、ファ
ン18の性能又は燃焼システムの流体抵抗特性が、始動時
に確定された補正率C_FSの値に反映されたものから変化
した場合である。

さらに重要なことには、この発明によれば、「閉ルー
プ」モードにおいて行われたあらゆる調整が、連続運転
においては、再計算された補正率C_CLによって自動的に
取り入れられるので、制御サイクルの次の「開ループ」
部分においては、通常は「開ループ」に設定された流量
比を後続の「閉ループ」段階において修正する必要がほ
とんどなくなる。その結果、流体抵抗、ファン性能及び
燃料ガス特性の変化にもかかわらず、バーナ４は、その
運転時間のほとんど大部分において、設計者が予定した
空気混入率に近いか又は同一の空気混入率で機能を発揮
することになる。これによって、燃焼過程の望ましくな
い副産物の発生が最小限に抑えられ、バーナの寿命及び
バーナを利用する装置の性能が最大限まで高められる。
さらに、仮定された熱量値の燃料ガスの場合には、もし
最終設定Ｎ″_Ｇが必要な設定Ｎ″_Ｇよりも低い時には、
熱供給に若干の減少があるとはいえ、ユーザーの立場か
らは、この発明のアプローチは従来の考え方よりも効果
的である。従来の考え方においては、もし所定の定格フ
ァン速度において、ファン18が、工場設定によってバル
ブ20に許容された最大燃料ガス流量を予定の空気／ガス
流量比で支援することができなくなった場合には、バー
ナ４の運転が完全に停止される。かかる故障は、典型的
には、アセンブリ36の場合のような切換スイッチに圧力
接点における電圧の非出現によって示される。

実際には、加熱及び燃焼の制御における大部分の作業
が、絶対値の変更よりはむしろ変数の百分率変更への対
応又は百分率変更の実施を伴うことが高く評価されるで
あろう。かかる目的に等比級数ベースの制御方式が完全
に適しているのは、等比級数は級数の連続する項の間の
固定比という特徴を有するからである。つまり、かかる
項の間に固定率差があるからである。従って、例えば、
変数をＸ％増加させるためには、級数をほぼ（X/100r）
前進することが必要である。ここに、ｒは級数の連続す
る項の間の百分率差、又は、正確には、以下の式によっ
て与えられる項の数Ｃだけの百分率差である。

Ｒは等比級数の公比である。

Logは、任意の希望の底に対する、示された数量の対
数である。

百分率変更はもちろん値がマイナスでもよく、その場
合には、数量Ｃは、既存の項から級数の始まりまで戻る
べき項の数を定義する。

従って、数字Ｃは、Ｘ％の変更を行うべき既存の絶対
値を示す項に対する代数的加算補正率であると見なすこ
とができる。これが、上記の式（１）〜（７）の使用の
基本となっている原則である。このアプローチによっ
て、本質的には乗算である推定作業が、参照表からのデ
ータとの併用によって行う方が簡単な加算作業に変換さ
れる。必要な計算は、例えば、制御の基礎として等差級
数を使用した場合に必要となるよりもずっと小さなメモ
リ容量で行うことができる。これによって、制御システ
ムの柔軟性と分解を損なうことなしに、コスト削減が実
現することになる。

現実には、Ｘの選択はＣの整数値から得られる値に限
定される。というのも、Ｃの非整数値には実用的な意味
がないからである。公比Ｒに十分に小さな値を採用する
ことによって、連続する項に対応する制御された変数の
値の間の分解の程度を、制御ハードウエアの不備による
限界という観点から望ましい又は必要又は有益な程度ま
で細かくすることができる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料を可変流量でバーナに供給するための
手段と、燃料に可変流量で空気を供給して、混合物を作るための
手段と、燃料生成物の空気混入を感知するための手段と、燃料流量を熱出力要求応じて制御し、燃料流量と感知さ
れた空気混入の両方に応じて空気流量を制御するための
制御手段とからなり、前記制御手段が燃料流量を多数の異なる所定の値の１つ
において制御し、空気流量を所定の空気混入値を提供す
るのと矛盾しない多数の異なる所定の値の対応する１つ
において制御することからなる、空気／燃料混合物を完
全予燃焼バーナに供給するための装置において、所定の値の各セットが、連続する値の間の比の一定の値
によって特徴付けられる等比級数を形成することを特徴
とする装置。
【請求項２】前記等比級数の各々が、所定の数の項N_max
を含み、その各項が以下の関係に従い、 Q_N＝Q₁xR^(N-1) ここに、 Q_Nは、所定の級数の段階におけるＮ番目の段階のガス流
量又はファン速度であり、 Q₁は、所定の級数の段階１におけるガス流量又はファン
速度であり、Ｒは、等比級数の公比に等しい定数項であり、Ｒの値
は、燃料又はファン速度流量の連続的な段階の間で希望
される分解に応じて選択され、また、その２つの級数に
おいてて同一であり、Ｎは、個々の段階を全て一意的に識別し且つ１の最小値
及びN_maxの最大値を有する数であり、最大値N_maxは、定
数Ｒの選択値と、供給すべき燃料の最大流量と燃料の最
小流量又はファンの速度の間の絶対値の比とによって決
定される、請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項３】前記定数Ｒに、1.025の値が割り当てられ
ている、請求の範囲第２項に記載の装置。
【請求項４】前記所定の空気混入の値が、燃料の流量に
よって決められる、請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項５】前記燃料を可変流量で供給するための手段
が、燃料流量を変えるための可変開口を有する燃料調整
バルブからなる、請求の範囲第１項又は第２項に記載の
装置。
【請求項６】前記空気を可変流量で供給するための手段
が、可変速ファンからなる、請求の範囲第１項ないし第
５項のいずれかに記載の装置。
【請求項７】前記空気混入を感知するための手段が、燃
料燃焼生成物の酸素含有量を感知し、該酸素含有量を示
す信号を供給するためのセンサからなる、請求の範囲第
１項ないし第６項のいずれかに記載の装置。
【請求項８】燃料ガス流量の所定の値と関連付けられた
ファン速度の所定の値が、流体抵抗又はファンの性能が
変化したときに、空気流量及びガス流量を実質的に所定
の比に保つために自動的に変化する、請求の範囲第１項
ないし第７項のいずれかに記載の装置。
【請求項９】前記燃料ガス流量の所定の値と関連付けら
れたファン速度の所定の値が、予想される燃料特性の変
動が起こった場合には、燃料／空気混合物の空気混入の
変化を最小限に抑えるために、燃料ガスの特性の予想変
動度に従って事前に手動調節可能である、請求の範囲第
１項ないし第８項のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】前記ファン速度の所定の値が、所定の運
転プログラムによって事前に手動調節可能である、請求
の範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載の装置。