JP3669171B2 - 燃焼装置ならびにそれを備える給湯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼部に空気を供給して燃焼運転を行う燃焼装置ならびにこの燃焼装置を備える給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば液体燃料気化式の燃焼装置においては、灯油等の液体燃料を気化器でガス状に気化し、空気と混合させてバーナで燃焼させるようになっている。前記液体燃料は、定流量ポンプを用い、前記空気は、送風機を用いている。
【０００３】
なお、前述の定流量ポンプは、パルス幅制御によりオン・オフ制御される。このパルス幅制御では、必要燃焼能力に応じて、オン・オフ動作周期を変えずにオン時間とオフ時間との比率を可変するようになっている。通常、必要燃焼能力が大きくなると、オン時間を長くしてオフ時間を短くし、必要燃焼能力が小さくなると、オン時間を短くしてオフ時間を長くする。但し、オン・オフ動作周期は、実験により求めた所要値に固定している。
【０００４】
このような燃焼装置を利用した給湯装置では、給湯要求されたとき、要求給湯流量、要求給湯温度および入水温度などに基づき、必要燃焼能力つまり必要出力号数を演算し、この必要出力号数に応じて、送風機ならびに定流量ポンプを制御して燃焼装置を燃焼動作させるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来例では、定流量ポンプのオン・オフ動作周期を固定していたために、次のような不具合が発生する。
【０００６】
すなわち、定流量ポンプは、プランジャ等の機械的部分を有しているために、製品ごとの動作特性にばらつきが生じる。この特性ばらつきは、特に燃焼能力を小とする場合のようにオン時間を短くする場合に影響を受けやすく、燃料供給量が不正確になって、燃焼状態が不安定になる場合が起こり得る。
【０００７】
ここで、仮に、オン・オフ動作周期を短くする側に決定すると、上述した不具合が顕著に発生する。これとは逆に、オン・オフ動作周期を長くする側に決定すると、燃焼能力を大とする場合に、オン時間を長くするもののそれ以上にオフ時間つまり燃料供給停止時間が長くなってしまうために、バーナの燃焼炎にちらつきが発生しやすくなる。
【０００８】
このような事情に鑑み、本発明では、燃焼装置において、定流量ポンプごとの特性ばらつきに伴う燃料供給量のばらつきを抑制するとともに、燃焼炎のちらつき防止を図り、燃焼状態を安定化できるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、定流量ポンプのオン・オフ動作周期を従来のように固定とせずに、必要燃焼能力が大側のとき通風量制御用の弁体を開側に動作するとともにその開動作に同期して定流量ポンプのオン・オフ動作周期を短く設定する一方、必要燃焼能力が小側のとき前記弁体を閉側に動作するとともにその閉動作に同期して前記定流量ポンプのオン・オフ動作周期を長く設定することによって上述の課題を解決する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細について図面に示す実施形態に基づいて説明する。ここでは、燃焼装置単体ではなく、燃焼装置を備えた給湯装置を例示する。
【００１１】
図１および図２において、Ａは燃焼装置の全体を示し、この燃焼装置Ａは、熱交換缶体１０と、気化器２０と、燃焼部に相当するバーナ３０と、燃料供給手段４０と、空気供給手段に相当する送風機５０と、通風量制御体に相当するダンパ６０とを備えている。この燃焼装置Ａに対し、給湯回路７０と、風呂追い炊き回路８０と、コントローラ９０とが付設されており、これによって給湯装置が構成される。
【００１２】
熱交換缶体１０の下部には、気化器２０とバーナ３０とが配置されていて、この熱交換缶体１０の上部には、給湯回路７０および風呂追い炊き回路８０の各熱交換管路７２，８２が貫通されている。
【００１３】
気化器２０は、燃料供給手段４０から供給される灯油などの液体燃料を気化するものであり、拡散羽根２１、気化ヒータ２２、気化器温度センサ２３、気化壁面２４、混合室２５、混合室ヒータ２６、モータ２７、給気温度センサ２８、モータ回転数センサ２９などを備えている。この気化器２０では、供給されてきた液体燃料を拡散羽根２１をモータ２７で回転させることによってその周囲の気化壁面２４に飛散させるとともに、気化ヒータ２２および混合室ヒータ２６での熱によって気化させるようになっている。なお、給気温度センサ２８は、気化器２０やバーナ３０に送る空気の温度を検出するものである。
【００１４】
バーナ３０は、気化器２０から供給される気化燃料と送風機５０から供給される空気とを点火燃焼させるもので、点火器３１と炎検出器３２とから構成されている。
【００１５】
燃料供給手段４０は、不図示の液体燃料タンクからの液体燃料を気化器２０に供給するものであり、汲み上げポンプ４１、サブタンク４２、定流量ポンプ４３などを備えている。なお、定流量ポンプ４３の詳細な構造は周知であるので図示を省略している。
【００１６】
送風機５０は、気化器２０およびバーナ３０に対して空気を供給するものであり、送風ファン５１、駆動モータ５２、回転数センサ５３などを備えている。
【００１７】
ダンパ６０は、気化器２０と送風機５０とを連通する通風路の途中に設けられており、該通風路の開度を制御して前記燃焼部であるバーナ３０への通風量を制御するものである。このダンパ６０は、不図示のモータ等の駆動手段によって通風路を閉止する位置（図２実線参照）と、通風路を開放する位置（図２破線参照）との２状態に変位させられる。ここでのダンパ６０は、閉止位置において通風路を完全に閉塞せずに所要の通風を可能とする状態になり、開放位置において通風路を開放して最大の通風を可能とする状態になる。そして、このダンパ６０の開閉位置を検知するためにダンパ６０の閉止位置側に、リミットスイッチ６２が設けられている。このリミットスイッチ６２は、ダンパ６０が閉止位置に位置するときには接点が閉じてオン状態となり、開放位置に位置するときには接点が開いてオフ状態となる。
【００１８】
このような構成要素１０〜６０を有する燃焼装置Ａでは、燃料供給手段４０から供給される灯油等の液体燃料を気化器２０で気化し、この気化燃料を送風機５０から供給される空気と所要比率で混合してバーナ３０に送って燃焼させるようになっている。
【００１９】
この燃焼熱によって熱交換缶体１０内の給湯回路７０および風呂追い炊き回路８０の各熱交換管路７２，８２を通る水が加熱される。なお、送風機５０から供給されてダンパ６０を通過した空気は、一次空気として気化器２０側に送られる他、二次空気としてバーナ３０に直接的に供給され、二次空気の一部は無効空気となって熱交換缶体１０内を通過する。
【００２０】
給湯回路７０は、例えば水道水などを燃焼装置Ａで加熱された湯と水道水の一部とを混合して給湯カラン（破線参照）などから出湯させるバイパスミキシング構造である。この給湯回路７０は、入水管路７１、熱交換管路７２、出湯管路７３、バイパス管路７４、給湯管路７５、入水流量センサ７６、入水温度センサ７７、出湯温度センサ７８、給湯温度センサ７９などを備えている。給湯管路７５は途中で一般給湯管路７５ａと風呂落とし込み給湯管路７５ｂとに分岐されている。
【００２１】
風呂追い炊き回路８０は、不図示の浴槽の浴槽水を取り出して燃焼装置Ａで所要温度に加熱して浴槽に戻すもので、給湯回路７０から所要温度の湯を混合させることもできるような構造となっている。この風呂追い炊き回路８０は、風呂戻り管路８１、熱交換管路８２、風呂往き管路８３、バイパス管路８４、循環ポンプ８６などを備えている。
【００２２】
コントローラ９０は、給湯運転を実行する。この給湯運転では、例えば給湯カランが開放されるなどして入水量センサ７６で最低動作水量ＭＯＱ以上を検出したときに、前記各センサから入力される要求給湯流量、要求給湯温度、入水温度のデータに基づき必要出力号数つまり必要燃焼熱量を演算し、その必要出力号数に対応した燃焼制御を行う。この燃焼制御では、ＦＦ（フィードフォワード）制御による燃焼熱量にＦＢ（フィードバック）制御による燃焼熱量を加えることで実際の燃焼熱量が必要燃焼熱量（必要出力号数）に近付くように、ダンパ６０の開閉動作と、送風機５０による空気供給量（送風ファン５１による回転数）と、定流量ポンプ４３による燃料供給量とを制御する。
【００２３】
この実施形態では、演算した必要出力号数つまり総燃焼熱量（ＦＦ燃焼号数＋ＦＢ燃焼号数）を、予め決定した第１基準値と第２基準値（第１基準値＋所要値）とに対してそれぞれ比較し、ダンパ６０を開放位置と閉止位置とのどちらにするかを決定する。このように２つの基準値を用いる理由は、図３に示すように、必要出力号数が第１基準値（例えば１０号）以上になっても第２基準値（例えば１２号）以上とならない場合はダンパ６０を閉止位置に保持し、また、必要出力号数が第２基準値（例えば１２号）以下となっても第１基準値（例えば１０号）以下になるまでは開放状態を保持することでダンパ６０の切り換えにおけるヒステリシスを実質的に大きくし、ダンパ６０が頻繁に開閉するハンチング現象の発生を防止するためである。
【００２４】
また、この実施形態では、定流量ポンプ４３をオン・オフ制御するとともに必要出力号数（必要燃焼能力）に応じてオン時間とオフ時間との比率を可変するパルス幅制御方式としている。
【００２５】
ここで、本発明の特徴は、必要出力号数に応じてダンパ６０を開放状態と閉止状態とに切り換えることに関連して、この状態別に定流量ポンプ４３のオン・オフ動作周期の長さを変更するようにしていることである。以下において詳細に説明する。
【００２６】
すなわち、コントローラ９０は、図４の制御フローで示すように、ステップｎ１で必要出力号数を演算し、ステップｎ２で前記演算結果によりダンパ６０を開放するか否かを判定し、開放するときは、ステップｎ３で定流量ポンプ４３を第１パルス幅制御モードで制御する一方、閉止するときは、ステップｎ４で定流量ポンプ４３を第２パルス幅制御モードで制御する。
【００２７】
第１パルス幅制御モードでは、定流量ポンプ４３のオン・オフ動作周期を、図５（ａ），（ｂ）に示すように、周波数２４Ｈｚと短い第１周期Ｔ₂₄とし、第２パルス幅制御モードでは、図６（ａ），（ｂ）に示すように、周波数１２Ｈｚと長い第２周期Ｔ₁₂とする。
【００２８】
これらいずれのモードでも、必要出力号数が大つまりダンパ６０を開放するときには、図５（ａ）および図６（ａ）に示すように、定流量ポンプ４３を駆動するオン時間Ｔｏｎを長くし、必要出力号数が小つまりダンパ６０を閉止するときには、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、定流量ポンプ４３を駆動するオン時間Ｔｏｎを短くする。
【００２９】
このように、ダンパ６０の閉止状態では定流量ポンプ４３のオン・オフ動作周期を１２Ｈｚと低周波にし、ダンパ６０の開放状態では２４Ｈｚと高周波にするから、図３の縦軸で示すオン時間のパルス幅をダンパ６０の閉止状態と開放状態とで同一に設定していても、燃料供給量はダンパ６０の閉止状態のときに開放状態のときの半分となる。但し、図３は単なる一例であって、ダンパ６０が開放状態における必要出力号数とパルス幅との関係と、閉止状態における必要出力号数とパルス幅との関係を異ならせていても構わない。
【００３０】
このようにした本実施形態での優位性について、図７および図８を参照して説明する。
【００３１】
まず、従来例１として、図７（ａ）で示すように定流量ポンプ４３を例えば２４Ｈｚに固定したオン・オフ動作周期Ｔ₂₄でのみパルス幅制御すると仮定する。このようにオン・オフ動作周期Ｔ₂₄を２４Ｈｚと短く固定していると、ダンパ６０が閉止状態で必要出力号数が下限側となる場合に、それに見合う定流量ポンプ４３のオン時間Ｔｏｎ₂₄が非常に短くなるために、定流量ポンプ４３がそのオン時間Ｔｏｎ₂₄に合わせて正確に動作できなくなる場合があって、燃料供給量が不正確かつ不安定になることが起こり得る。
【００３２】
また、従来例２として、図８（ａ）で示すように定流量ポンプ４３を例えば１２Ｈｚに固定したオン・オフ動作周期Ｔ₁₂でのみパルス幅制御すると仮定する。このようにオン・オフ動作周期Ｔ₁₂を１２Ｈｚと長く固定していると、ダンパ６０が開放状態で必要出力号数が上限側となる場合に、それに見合う定流量ポンプ４３のオン時間Ｔｏｎ₁₂が長くなるものの、オフ時間Ｔｏｆｆ₁₂つまりバーナ３０への燃料供給停止時間が非常に長くなるために、バーナ３０の燃焼炎にちらつきが発生しやすくなることが起こり得る。
【００３３】
但し、従来例１の場合、従来例２の不具合を解消でき、従来例２の場合だと、従来例１の不具合を解消できる。このような事象に着目し、本実施形態では、従来例１と２を組み合わせるようにしている。
【００３４】
本実施形態では、ダンパ６０を閉止状態とする場合に、図７（ｂ）で示すように、オン・オフ動作周期を１２Ｈｚの第１周期Ｔ₁₂にと長くするから、必要出力号数が下限側となる場合でも、オン・オフ動作周期を長くした分だけ必要出力号数に見合う定流量ポンプ４３のオン時間Ｔｏｎ₁₂が長くなる。つまり、図７（ａ）の２×Ｔｏｎ₂₄＝図７（ｂ）のＴｏｎ₁₂となり、本実施の形態における１回のオン時間Ｔｏｎが従来例１の２倍となるために、定流量ポンプ４３の動作特性ばらつきの影響を無くせるようになり、燃料供給量を正確かつ安定にできる結果となる。
【００３５】
また、本実施形態では、ダンパ６０を開放状態とする場合に、図８（ｂ）で示すように、オン・オフ動作周期を２４Ｈｚの第２周期Ｔ₂₄にと短くするから、必要出力号数が上限側となる場合でも、周期が短くなった分だけ必要出力号数に見合う定流量ポンプ４３のオフ時間Ｔｏｆｆ₂₄が短くなる。つまり、図８（ａ）のＴｏｆｆ₁₂＝図８（ｂ）のＴｏｆｆ₂₄×２となり、本実施の形態における１回のＴｏｆｆ時間が従来例２の半分となり、したがって、バーナ３０の燃料供給停止時間が短くなるから、燃焼炎のちらつきの発生が防止される。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態では、必要出力号数が大でダンパ６０を開放状態とするときの定流量ポンプ４３のオン・オフ動作周期を短くし、必要出力号数が小でダンパ６０を閉止状態とするときのオン・オフ動作周期を長くすることにより、常に燃焼動作を安定化できるようになる。
【００３７】
この他、上記実施の形態では、定流量ポンプ４３のオン・オフ動作周期の長さを切り換えるタイミングと、ダンパ６０による送風風量を切り換えるタイミングとを同期させているので、ダンパ６０の切り換え時に過渡的に空燃比が一時的に崩れる現象と、定流量ポンプ４３のオン・オフ動作周期の切り換え時に過渡的に燃料供給量が変化して空燃比が一時的に崩れる現象とが同時に発生することになり、これらの切り換えタイミングを無関係にする場合に比べて、空燃比の一時的な崩れ現象の発生回数を少なくできるようになる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
【００４０】
（２） 上記実施形態では、ダンパ６０の開閉が必要出力号数との関係で図３で示すようにヒステリシス特性を有しているが、このようなヒステリシス特性を有しないダンパ６０であっても上記実施形態と同様に本発明を適用することができる。
【００４１】
（３） 上記実施形態では、第１パルス幅制御モードでのオン・オフ動作周期の上限を２４Ｈｚ、第２パルス幅制御モードでのオン・オフ動作周期の下限を１２Ｈｚとしているが、これに限定されるものではない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明にかかる燃焼装置では、定流量ポンプのオン・オフ動作周期を従来のように固定とせずに、必要燃焼能力に応じて可変するようにしているから、必要燃焼能力小側における定流量ポンプごとの動作特性ばらつきの影響を無視できるとともに、必要燃焼能力大側における燃料供給停止時間を必要以上に長引かせることを防止することができる。したがって、必要燃焼能力に応じて燃焼部に対して最適な量の燃料供給が可能となるとともに、燃料途切れによる燃焼炎のちらつきの発生を防止できるようになるなど、常に燃焼状態を安定化できるようになる。
【００４３】
しかも、本発明では、必要燃焼能力に応じて弁体を開閉して燃焼部への通風量を変更するとともに、その開閉動作に同期して定流量ポンプのオン・オフ動作周期を変更するようにしており、それらの変更タイミングを同期させるようにしているから、通風量変更に伴い過渡的に空燃比が一時的に崩れる現象と、燃料供給量変更に伴い空燃比が一時的に崩れる現象とを同時に発生させることができ、これらの変更タイミングを無関係にする場合に比べて、空燃比の一時的な崩れ現象の発生回数を少なくできるようになる。
【００４４】
請求項２の発明にかかる給湯装置では、上記のような燃焼装置を有しているから、安定した温度の給湯が可能になるなど、信頼性の向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃焼装置を備えた給湯装置の全体を示す図
【図２】図１中の燃焼装置を示す図
【図３】パルス幅制御と出力号数とにおいてダンパの開閉状態との関係を示す図
【図４】給湯装置の動作説明用の制御フローを示す図
【図５】第１パルス幅制御モードでの定流量ポンプの動作説明に供する図
【図６】第２パルス幅制御モードでの定流量ポンプの動作説明に供する図
【図７】従来と本実施の形態とのパルス幅制御の比較の説明に供する図
【図８】従来と本実施の形態とのパルス幅制御の比較の説明に供する図
【符号の説明】
３０ バーナ
４３ 定流量ポンプ
５０ 送風機
６０ ダンパ
９０ コントローラ

Claims (2)

1. 燃焼部に対して空気を供給する空気供給手段と、空気供給手段と燃焼部との間に設けられて燃焼部への空気通風量を制御する弁体と、燃焼部に対して燃料を供給する定流量ポンプと、燃焼動作時に定流量ポンプをオン・オフ制御するとともに弁体の開度を制御する他、必要燃焼能力に応じてオン時間とオフ時間との比率を可変する管理手段とを含み、
   前記管理手段は、必要燃焼能力が大側のとき前記弁体を開側に動作するとともにその開動作に同期して定流量ポンプのオン・オフ動作周期を短く設定する一方、必要燃焼能力が小側のとき前記弁体を閉側に動作するとともにその閉動作に同期して前記定流量ポンプのオン・オフ動作周期を長く設定するものである、ことを特徴とする燃焼装置。
2. 請求項１の燃焼装置と、一端側から他端側へ水が通過させられかつ途中部が前記燃焼装置の燃焼部に対して貫通される熱交換管路とを備える、ことを特徴とする給湯装置。

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