JP3534875B2

JP3534875B2 - 燃焼機器

Info

Publication number: JP3534875B2
Application number: JP02867295A
Authority: JP
Inventors: 正登近藤; 龍雄藤本
Original assignee: 株式会社ガスター
Priority date: 1995-01-25
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 2004-06-07
Anticipated expiration: 2019-06-07
Also published as: JPH08200660A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、給湯器や風呂釜等のバ
ーナ燃焼式の燃焼機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６には燃焼機器として一般的な給湯器
の模式構成が示されている。同図において、器具ケース
１内には器具本体２が収容されている。器具本体２の燃
焼室３の下方側にはバーナ４が設置されており、このバ
ーナ４の下方側には給排気用の燃焼ファン５が設置され
ている。バーナ４のガス導入口にはノズル６が対向配置
されており、このノズル６に、ガス供給通路７を介して
燃料ガスが供給されている。このガス供給通路７には通
路の開閉を行う電磁弁８と、バーナ４へのガス供給量を
開弁量によって制御する比例弁10が組み込まれている。

【０００３】バーナ４の下方側の空気室９とバーナの上
方側の燃焼室３との間には配管等を施して通路24が形成
されており、この通路24には、燃焼ファン５からバーナ
４に供給される風量を検出する風量検出センサ23が設け
られている。

【０００４】燃焼室３の上方側には給湯熱交換器11が設
置されており、この給湯熱交換器11の入側には給水管12
が接続され、また、給湯熱交換器11の出側には給湯管13
が接続されている。給水管12には給水温度を検出する入
水温度センサ14と、入水流量を検出する流量センサ15が
設けられており、給湯管13側には給湯温度を検出する出
湯温度センサ16が設けられている。

【０００５】この種の器具の燃焼運転は制御装置17によ
って行われており、この制御装置17には、通常、給湯温
度の設定や、この設定された温度の表示等を行うリモコ
ン（図示せず）が接続されている。

【０００６】なお、図中、18は燃料ガスの点火を行うイ
グナイタ電極、20はバーナ４の火炎を検出するフレーム
ロッド電極、21は燃焼ファン５の回転検出を行うホール
ＩＣ等のファン回転検出センサ、22は器具ケース１の壁
面に設けられる吸気口として機能するルーバ、19はバー
ナ４に向かう風圧を均圧化するパンチングメタル（必要
に応じ設けられる）である。

【０００７】この種の器具では、給湯管13の先端側に設
けられる出湯栓（図示せず）が開けられると、給水管12
から水が入り込み、この水の流れが流量センサ15により
検出されたときに、制御装置17は、燃焼ファン５を回転
し、電磁弁８と比例弁10を開け、イグナイタ電極18を駆
動して点火を行う。そして、フレームロッド電極20が炎
を検知したことを確認して、比例弁10の開弁駆動電流を
制御し、出湯温度が設定温度になるようにガス供給量
（比例弁10の開弁量）を制御し、かつ、このガス供給量
に見合う空気を供給すべく、燃焼ファン５の回転制御を
行う。

【０００８】図７は制御装置17の燃焼制御部25と風量制
御部26との関係を示すもので、燃焼制御部25は、流量セ
ンサ15から加えられる給水流量と、入水温度センサ14で
検出される給水温度と、出湯温度センサ16で検出される
給湯温度と、リモコン等から加えられる設定温度の情報
により、出湯温度が設定温度に一致するように、フィー
ドフォワードとフィードバックの制御により、要求燃焼
熱量（要求ガス供給量）を求め、この要求燃焼熱量が得
られるように比例弁10の開弁駆動電流を制御する。一
方、風量制御部26は、前記燃焼制御部25で求められた要
求燃焼熱量に見合う目標風量を求め、風量検出センサ23
で検出される検出風量が目標風量になるようにファン回
転検出センサ21のファン回転検出信号を利用して燃焼フ
ァン５を回転制御し、この風量制御部26の風量制御と燃
焼制御部25の燃焼制御をマッチングさせて器具の燃焼運
転を行う。

【０００９】湯の使用が終わって出湯栓が閉められる
と、給湯熱交換器11への通水が停止し、流量センサ15か
らの信号を受けて水の流れの停止が検出されたときに、
電磁弁８が閉じられ、その後、燃焼室３内の排気ガスの
排出がほぼ終了するポストパージ期間が経過したとき
に、燃焼ファン５の回転が停止され、次の出湯に備えら
れる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記のように、燃焼制
御部25により、比例弁10の開弁量（開弁駆動電流）が可
変制御されるが、比例弁10の開弁量を制御するというこ
とは、燃料ガスを噴出するノズル６のガス噴出圧力、よ
り詳しくは、比例弁10からノズル６に至る燃料ガスの圧
力と燃焼室３内の圧力との差圧を制御することと等価で
あり、燃焼熱量制御はガス圧制御体系によって行われて
おり、このガス圧制御体系に合わせて、風量検出センサ
23を差圧センサ（通路24の両端間の差圧を検出して風量
を計測するセンサ）とすることにより、周囲環境変化等
の影響が受けにくくなり、燃焼制御と風量制御が効果的
にマッチングし、良好な燃焼制御を行うことができる。

【００１１】しかしながら、差圧センサは、価格が高価
であり、装置コストが高くつくという問題がある。この
ようなコストの高価を抑えるために、最近においては、
風量検出センサ23として、質量流量センサ（具体例とし
ては熱線ヒータ式の風速センサ）が使用されている。質
量流量センサは差圧センサに比べ価格が遥かに安く、質
量流量センサを用いることにより、全体の装置コストを
安価にすることができる。

【００１２】図５は周囲温度（送風空気の温度）の変化
によって質量流量センサのセンサ出力がどのように変動
するかを発明者が実験により求めたグラフデータであ
る。この実験では、温度を−20℃と、25℃と、70℃とし
たときのセンサ出力を風量との関係で求めており、温度
が低くなる程センサ出力は高くなっている。したがっ
て、ある温度で風量が最適に設定されているときに、温
度が上昇すると、センサ出力が下がるため、風量制御部
26はセンサ出力が設定値となるように風量をアップする
方向に燃焼ファン５を回転制御するため、風量が過剰に
なってしまうという問題があり、逆に、温度が下がる
と、同じ風量になっていてもセンサ出力が高くなるた
め、風量制御部26はセンサ出力が高くなった分だけ減ら
すように燃焼ファン５の回転を減少する方向に制御する
結果、風量が不足気味になってしまうという問題が生
じ、燃焼熱量に見合う風量が得られなくなるために、燃
焼性能が悪くなるという問題が生じる。

【００１３】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、安価な質量流量センサを用
いるにもかかわらず、温度変化の影響を受けることなく
正確な風量制御を行うことができる燃焼機器を提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のように構成されている。すなわち、本
発明は、燃焼を行うバーナと、このバーナに空気を供給
する燃焼ファンと、バーナへの風量を検出する風量検出
センサと、前記風量検出センサの風量検出信号に基づき
燃焼ファンの回転を操作量によって制御する風量制御部
とを備えた燃焼機器において、燃焼ファンによる給気温
度を直接的又は間接的に検出する給気温度センサが設け
られ、前記風量検出センサは質量流量センサによって構
成され、前記燃焼ファン回転の操作量と給気温度センサ
の検出温度と予め与えられる演算データを用いて質量流
量センサの出力目標値を求める目標値演算部と、質量流
量センサのセンサ出力値と前記目標値演算部で求められ
た出力目標値とを比較しセンサ出力値が出力目標値に一
致するようにファン回転の操作量を可変調整する操作量
補正部とが設けられていることを特徴として構成されて
いる。

【００１５】さらに、バーナの火炎によって加熱される
熱交換器と、この熱交換器への給水を行う給水管と、こ
の給水管に設けられて給水温度を検出する入水温度セン
サとを備え、前記入水温度センサは給気温度センサを兼
用し、予め与えられる水温と気温の相関データに基づい
て入水温度センサの給水検出温度を給気温度に変換出力
する温度変換部が設けられていることも本発明の特徴的
な構成である。

【００１６】

【作用】上記構成の本発明において、燃焼ファンによっ
てバーナに供給される空気風量は質量流量センサによっ
て検出される。この検出風量は周囲の温度変化によって
変化するが、本発明では、検出温度と燃焼ファン回転の
操作量と予め与えられている演算データによって温度変
化の影響を受けないセンサ出力の目標値が求められ、こ
の出力目標値に一致するように操作量が補正されて風量
が制御されるので、温度変化を受けて風量が過剰になっ
たり不足状態になったりすることがなく、温度変化に影
響を受けない好適な風量制御が達成される。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一の
名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略す
る。本実施例の燃焼機器は前記図６に示すものと同様な
給湯器を対象としており、本実施例において特徴的なこ
とは、図１に示すように、制御装置17の燃焼量と風量の
制御部に目標値演算部27と操作量補正部31を設け、図６
に示す燃焼機器の器具ケース１内に周囲の空気温度（送
風空気温度）を検出するサーミスタ等の給気温度センサ
28を設けたことであり、それ以外の構成は従来例と同様
である。なお、燃焼ファン５からバーナ４に供給される
風量を検出する風量検出センサ23は質量流量センサ（熱
線ヒータ式風速センサ）によって構成してある。

【００１８】目標値演算部27にはメモリが内蔵されてお
り、このメモリには給気温度センサの検出温度と燃焼フ
ァン５の操作量（制御量）に基づいて質量流量センサの
出力目標値を求めるための演算データが与えられてい
る。本実施例では、この演算データは、質量流量センサ
の、温度をパラメータとする風量とセンサ出力の前記図
５に示す実験グラフデータに基づいて作成している。

【００１９】この実験グラフデータで、横軸の操作量範
囲の０％は燃焼機器の最小燃焼熱量（最小燃焼能力）時
の風量の値、換言すれば、最小燃焼熱量に対応する燃焼
ファン５の回転数を意味し、操作量範囲の100 ％は、燃
焼機器の最大燃焼熱量（最大燃焼能力）に対応する風量
（ファン回転数）を意味している。すなわち、燃焼制御
部25が最大燃焼熱量と最大燃焼熱量の範囲で燃焼量を制
御するに伴い、風量制御部26は操作量０％〜100 ％の範
囲内でファン回転数の操作量（制御量）を制御する。

【００２０】図５の実験グラフでは、25℃のデータを中
心にし、その上下に45℃の温度差がある−20℃と70℃の
データが得られており、操作量量100 ％では、25℃のデ
ータを基準にして、−20℃のデータと70℃のデータは共
にΔＶ₁（具体的には0.1 Ｖ）の同じ変動幅を有してお
り、操作量０％の位置では、25℃のデータを基準にして
−20℃と70℃のデータは共にΔＶ₂（具体的には0.2
Ｖ）の同じ変動幅を有しており、これらの変動幅は操作
量100 ％から操作量０％に向かうに連れ、25℃のデータ
を基準にして−20℃と70℃のデータは同じ変動幅だけ直
線的に増加している。

【００２１】この実験データにより、センサ出力の25℃
のデータを基準にしてその変動幅の絶対値を縦軸（Ｙ
軸）にとり、横軸（Ｘ軸）を操作量で表すと、図３に示
すような操作量に対するセンサ出力の変動量のグラフが
得られ、このグラフから、操作量Ｘに対するセンサ出力
変動幅Ｙの関係を求めると、次の（１）式が得られる。

【００２２】

【００２３】具体的には、上記（１）式で、ΔＶ₁は0.
1 であり、ΔＶ₂は0.2 の値である。このセンサ出力の
変動幅は、25℃の基準温度に対する45℃の温度差のデー
タであることから、25℃のデータを基準にして、単位温
度（１℃）変化したときのセンサ出力の変動幅は（１）
式を温度差の45で割ることにより得られる。したがっ
て、単位温度当たりのセンサ出力の変動幅に、基準の温
度25℃に対する温度差を乗じ、この値を25℃の基準温度
に対応するセンサ出力の目標値に加算すれば、任意の検
出温度におけるセンサ出力の目標値が得られる。これを
式に表すと、（２）式となる。

【００２４】Ｖ_P＝Ｖ₂₅＋｛ｆ（Ｘ）／45｝×（25−Ｔ）・・・・・（２）

【００２５】ただし、Ｖ_Pは−20℃〜70℃の温度範囲で
検出される任意の検出温度でのセンサ出力目標値、Ｖ₂₅
は25℃のときのセンサ出力の目標値、Ｘはファン回転制
御の操作量（％）、Ｔは検出温度（気温）℃である。こ
れをより具体的に示すと、（３）式となる。

【００２６】Ｖ_P＝Ｖ₂₅＋｛（（−0.1 ／100 ）Ｘ＋0.2 ）／45｝（25−Ｔ）・・・・・（３）

【００２７】本実施例ではこの（３）式が演算データと
して目標値演算部27のメモリに格納されており、目標値
演算部27は、給気温度センサで検出される検出温度Ｔと
風量制御部26のファン回転操作量Ｘを用いて、メモリに
記憶されている前記（３）式に基づき、質量流量センサ
が本来出力すべきセンサ出力の目標値Ｖ_Pを演算により
求め、この演算値Ｖ_Pを操作量補正部31に加える。

【００２８】操作量補正部31は質量流量センサのセンサ
出力値（実測風量値）Ｖ_P′と前記目標値演算部27で求
められたセンサ出力目標値Ｖ_Pとを比較し、両者が一致
していないときにはセンサ出力値が目標センサ出力値に
一致する方向に操作量の補正量を求める。つまり、
Ｖ_P′＞Ｖ_Pのときは操作量を小さくする方向に、
Ｖ_P′＜Ｖ_Pのときは操作量を大きくする方向に補正量
の正負の符号を定めるが、補正量の値（絶対値）は
Ｖ_P′とＶ_Pの大小にかかわらず一定の値で設定し、補
正を行う毎に段階的に操作量を可変するようにしてもよ
く、あるいは、Ｖ_P′とＶ_Pの差に応じた補正量を比例
演算により求めるようにしてもよい。この求められた補
正量は風量制御部26に加えられる。

【００２９】風量制御部26は操作量補正部31から加えら
れる補正量によって燃焼ファン制御の操作量を増減補正
し、燃焼熱量に見合う最適風量を供給すべく燃焼ファン
５の回転制御を行う。

【００３０】本実施例によれば、環境温度の変化によっ
て、質量流量センサの風量検出値が変動したとしても、
このセンサ出力変動によるファン回転制御の操作量のず
れは、操作量補正部31によって補正され、温度変化の有
無にかかわらず最適風量がバーナ４に供給されることと
なって、風量制御の精度が飛躍的にアップし、高価な差
圧センサを用いた場合と遜色のない良好な燃焼性能を得
ることができる。

【００３１】図２には本発明の他の実施例の主要構成の
ブロック図が示されている。この実施例は、入水温度セ
ンサ14に給気温度センサとしての役割を兼用させたもの
で、そのために、入水温度センサ14で検出される入水温
度を気温に変換する温度変換部30を設けている。温度変
換部30はメモリを内蔵しており、このメモリに図４に示
すような水温と気温の相関データが記憶されている。図
４のデータは、浄水場等の大きな容積のタンク内の水温
が気温によってどのように変化するかのデータを長期
（このデータの場合は１年間）に渡って求めたデータで
あり、そのグラフから明らかなように、水温と気温は直
線関係にあり、水温を気温に変換する直線の演算式を予
め求めて与えておくことにより、この演算式を用いて、
水温から気温を求めることができる。

【００３２】本実施例では、図４のデータに基づき、気
温Ｔと水温Ｔ_Wの関係を（４）式で与えている。

【００３３】Ｔ＝ＡＴ_W＋Ｂ・・・・・（４）

【００３４】この実施例では（４）の演算式を温度変換
部30のメモリに格納している。なお、（４）式で、Ａと
Ｂは定数であり、図４のグラフデータから、Ａ＝1.4 、
Ｂ＝−5.4 としている。

【００３５】温度変換部30は入水温度センサ14から検出
される給水温度を受け、この給水温度Ｔ_Wを用いてメモ
リに格納されている（４）式の演算式を用いて気温Ｔを
求め、この求めた値を目標値演算部27に加えている。目
標値演算部27はこの給水温度から得られた給気温度に基
づき、前記図１に示した実施例と同様に質量流量センサ
の温度による出力変動に伴う風量変動（操作量変動）を
補正することにより、前記図１に示す実施例と同様に精
度の高い風量制御が可能となり、良好な燃焼運転の制御
が達成される。

【００３６】また、この実施例では、給湯器に必須のセ
ンサとして用いられる入水温度センサ14を給水温度セン
サ28として兼用使用しているので、給気温度センサ28を
別途設ける必要がないので、その分、装置構成の簡易化
とコスト低減を図ることが可能となる。図４の試験デー
タによれば、水温を気温に変換したときの誤差は±２℃
という小さい範囲で収まっており、入水温度センサ14に
よって給気温度センサ28の機能を十分に代用することが
できることが実証されている。

【００３７】なお、本発明は上記各実施例に限定される
ことはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上
記各実施例では質量流量センサを熱線ヒータ式の風速セ
ンサで構成したが、それ以外の公知の各種の質量流量セ
ンサを用いてもよい。

【００３８】また、上記各実施例では、目標値演算部27
に与える演算データを演算式の形で与えたが、これを表
データの形態で与えてもよい。同様に、図２の実施例で
は、温度変換部30に与える温度変換データを演算式の形
態で与えたが、これも水温と気温の表データで与えても
よい。

【００３９】さらに、上記各実施例では、燃焼機器とし
て、単能給湯器（給湯機能のみの給湯器）を例にして説
明したが、本発明の燃焼機器は、給湯と追い焚きあるい
は給湯と温水暖房等の両機能を備えた複合給湯器や、そ
の他、バーナ燃焼式の、風呂釜、暖房機、冷房機、冷暖
房機、空調機等の様々なタイプの燃焼機器に適用される
ものである。

【００４０】

【発明の効果】本発明は質量流量センサの風量検出値の
温度特性に起因して生じる風量（ファン回転操作量）の
ずれを予め与えられる演算データを用いて給気温度セン
サの検出温度に基づき補正するように構成したものであ
るから、温度による風量検出のばらつき変動の影響をな
くして風量制御の精度を高めることができ、高価な差圧
式のセンサを用いたものと遜色のない良好な燃焼性能を
得ることが可能となる。

【００４１】さらに、燃焼機器の入水温度センサを給気
温度センサとして兼用させた構成のものにあっては、給
気温度センサを省略できる分、より一層の装置構成の簡
易化と装置コストの低減化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成を示すブロック図
である。

【図２】本発明の他の実施例を示す要部部分のブロック
構成図である。

【図３】燃焼ファンの操作量と質量流量センサの基準温
度データに対する変動幅の関係を示すグラフである。

【図４】水温と気温の変換データの説明図である。

【図５】質量流量センサの温度によるばらつき変動を示
すグラフである。

【図６】燃焼機器として一般的な給湯器の模式構成図で
ある。

【図７】従来の給湯器の燃焼制御部と風量制御部の制御
部分の関係構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

５燃焼ファン 25 燃焼制御部 26 風量制御部 27 目標値演算部 31 操作量補正部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23N 5/18 F23N 5/14 370

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼を行うバーナと、このバーナに空気
を供給する燃焼ファンと、バーナへの風量を検出する風
量検出センサと、前記風量検出センサの風量検出信号に
基づき燃焼ファンの回転を操作量によって制御する風量
制御部とを備えた燃焼機器において、燃焼ファンによる
給気温度を直接的又は間接的に検出する給気温度センサ
が設けられ、前記風量検出センサは質量流量センサによ
って構成され、前記燃焼ファン回転の操作量と給気温度
センサの検出温度と予め与えられる演算データを用いて
質量流量センサの出力目標値を求める目標値演算部と、
質量流量センサのセンサ出力値と前記目標値演算部で求
められた出力目標値とを比較しセンサ出力値が出力目標
値に一致するようにファン回転の操作量を可変調整する
操作量補正部とが設けられている燃焼機器。
【請求項２】バーナの火炎によって加熱される熱交換
器と、この熱交換器への給水を行う給水管と、この給水
管に設けられて給水温度を検出する入水温度センサとを
備え、前記入水温度センサは給気温度センサを兼用し、
予め与えられる水温と気温の相関データに基づいて入水
温度センサの給水検出温度を給気温度に変換出力する温
度変換部が設けられている請求項１記載の燃焼機器。