JP3698252B2

JP3698252B2 - ガス燃焼機器の電磁弁駆動装置

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Publication number: JP3698252B2
Application number: JP2001224663A
Authority: JP
Inventors: 厚史安藤; 伸示安江; 伊藤　　公一; 幸治浅井; 裕章竹下; 紳一朗秦
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: JP2003042441A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス燃焼機器に組込まれており、オンオフすることでガスの供給をオンオフする電磁弁を駆動する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス燃焼機器に組込まれている電磁弁を駆動するために、電磁弁駆動コイルと直列に無接点スイッチ（例えば半導体スイッチ）を接続し、制御回路によってその無接点スイッチをオンオフ制御する電磁弁駆動装置が知られている。制御回路は、例えばガス燃焼機器の火力調整や被加熱物体の温度調整のために、無接点スイッチを断続的にオンオフさせる。半導体スイッチ等の無接点スイッチは、繰返してオンオフを切換えることに対する耐久性が高く、無接点スイッチを利用する電磁弁駆動回路は、ガスの供給を小刻みに断続的に多数回オンオフするのに適している。このために火力や温度を精度よく制御することができる。
【０００３】
しかしながら、無接点スイッチは一般に熱に弱く、高熱にさらされるとオン異常（制御回路の制御状態によらず、無接点スイッチが常時オンしてしまう状態をいう）が生じる可能性がある。無接点スイッチがオン異常となると、制御回路でガスの供給をオフする制御をしてもガスの供給が遮断されなくなってしまう。従って、何らかのフェイルセーフ対策が必要とされる。
特開平６−１７９６３号公報に記載の技術では、電磁弁駆動コイルに対して複数の無接点スイッチを直列に接続することによって、一つの無接点スイッチにオン異常が生じても、他の無接点スイッチで電磁弁をオフさせることができる駆動装置が開示されており、安全性が高められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した電磁弁駆動装置のように、電磁弁駆動コイルに複数の無接点スイッチを直列に接続することによって、ある程度の安全性を確保することができる。しかしながら、ガス燃焼機器に電磁弁駆動装置が組込まれる場合、複数の無接点スイッチが熱の影響を受けやすい位置に配置される場合もあり得る。従って、電磁弁駆動コイルに複数の無接点スイッチを直列に接続する方式では、複数の無接点スイッチが同時にオン異常することがないとはいえず、更なる安全性の向上が望まれている。
【０００５】
本発明は、より高い安全性を確保することができるガス燃焼機器のための電磁弁駆動装置を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用と効果】
本発明で実現されたガス燃焼機器の電磁弁駆動装置は、少なくとも一つの有接点スイッチと少なくとも一つの無接点スイッチと電磁弁駆動コイルが直列に接続された電磁弁の駆動回路と、ガス燃焼機器の運転開始時に有接点スイッチをオンさせ、ガス燃焼機器の運転終了時に有接点スイッチをオフさせ、ガス燃焼機器の運転中に無接点スイッチを断続的にオンオフさせる制御回路とを備える。
ここでいう「有接点スイッチ」とは、接点の機械的開閉によってスイッチ動作を実現するものをいい、典型的には有接点リレーが例示される。「無接点スイッチ」とは、可動部を有しないでスイッチ動作を実現するものをいい、典型的には半導体スイッチ（バイポーラトランジスタやＦＥＴ等）が例示される。
【０００７】
本発明の駆動回路では、有接点スイッチと無接点スイッチと電磁弁駆動コイルが直列に接続されている。有接点スイッチは、一般に熱に強く、高温にさらされても異常となりづらい。但し、有接点スイッチは無接点スイッチに比較して、オンオフの切換可能回数は少なく、無接点スイッチよりも少ない切換え回数で寿命が尽きてしまう。本発明の駆動装置では、有接点スイッチが、ガス燃焼機器の運転開始時にオンし、運転中はオンに維持され、運転終了時にオフする方式であるために、有接点スイッチのオンオフの切換回数は少なくて済む。ガス燃焼機器の運転中は、無接点スイッチが断続的にオンオフしてガス燃焼機器の火力調整や被加熱物体の温度調整をする。無接点スイッチに熱によるオン異常が生じても、よほどの高熱でなければ有接点スイッチまでオン異常が生じる可能性は低い。このため、無接点スイッチに熱によるオン異常が生じても、よほどの高熱でなければ有接点スイッチをオフさせることができるので、電磁弁をオフさせることができる。従って、本発明によると、従来よりも高い安全性を確保することができる。
【０００８】
本発明の駆動装置は、有接点スイッチと無接点スイッチの長所を活用して短所が現われないようにした装置であり、有接点スイッチは熱によるオン異常が生じにくく、無接点スイッチはオンオフの繰返し可能回数が多いという長所がガス燃焼機器の特性に生かされる。有接点スイッチはオンオフの繰返し可能回数が少なく、無接点スイッチは熱によるオン異常が生じやすいという短所がガス燃焼機器の特性に現われない。
【０００９】
上記した駆動装置の場合、その駆動回路が、電磁弁駆動コイルの通電時と非通電時とで異なる信号を出力する通電検出手段を備えており、制御回路が、所定条件成立時に、経時的に、有接点スイッチのみをオンさせ、または、無接点スイッチのみをオンさせ、または、有接点スイッチと無接点スイッチの両者をオンさせるスイッチ診断手順を実行するようにプログラムされていることが好ましい。
ここで、スイッチを「オンさせる」とは、制御回路からオン信号を出力するかあるいはオフ信号の出力を止めること等によってスイッチをオンさせるべく制御することを意味する。即ち、結果的にスイッチがオンすることを意味しない。また所定条件成立時とは、ガス燃焼機器の運転に影響しないときにスイッチ診断手順を実行できるものであればよく、例えばガス燃焼機器に電源が入れられた直後に短時間でスイッチ診断手順を実行することが例示される。
【００１０】
スイッチ診断手順が、経時的に、有接点スイッチのみをオンさせ、または、無接点スイッチのみをオンさせ、または、有接点スイッチと無接点スイッチの両者をオンさせる場合、それと連動して通電検出手段の出力信号を検出していくことによって、スイッチの異常が特定できる。例えば、有接点スイッチのみをオンさせているのに、通電検出手段によって通電状態が検出されれば、無接点スイッチがオン異常していることがわかる。無接点スイッチのみをオンさせているのに、通電状態が検出されれば、有接点スイッチがオン異常していることがわかる。スイッチの異常の中でも、特に異常の検出が必要なオン異常については、どのスイッチにオン異常が生じているかを特定することができる。
【００１１】
特に、駆動回路と制御回路が電気的に絶縁されていることが好ましい。この場合には、駆動回路と制御回路の間に、有接点スイッチをオンまたはオフさせる制御回路の信号を駆動回路に中継する第１中継手段と、無接点スイッチをオンまたはオフさせる制御回路の信号を駆動回路に中継する第２中継手段と、駆動回路の通電検出手段の検出信号を制御回路に中継する第３中継手段とを設ける。
【００１２】
この構成によると、駆動回路と制御回路が電気的に絶縁されているので、両回路の駆動電圧等を全く別に設定することができ、回路構成の自由度が向上する。第１中継手段と第２中継手段で中継することによって、制御回路によって有接点スイッチと無接点スイッチをオンまたはオフさせることができる。また、第３中継手段で中継することによって、駆動回路の有接点スイッチまたは無接点スイッチの異常を検出することができる。
従来の技術では、駆動回路と制御回路が電気的に絶縁されている場合に、駆動回路のスイッチの異常を直接的に検出するものは存在せず、制御回路が正常に信号を出力したかを検出することに留まっていた。本構成によると、制御回路からの信号によって駆動回路のスイッチがオンまたはオフしたかを直接的に検出するので、電磁弁駆動装置の信頼性を向上させることができる。
【００１３】
前記した第１中継手段から第３中継手段の少なくとも１つは、有接点リレーまたは無接点リレーで形成することが好ましい。なお、ここでいう「無接点リレー」にはフォトカプラも含まれる。
この構成によると、中継手段を簡単に構成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施例の電磁弁駆動装置２０の回路構成を示す。この電磁弁駆動装置２０は、ガスコンロ、ガスヒータ、ガスストーブ、ガス炊飯器等のガス燃焼機器（図示省略）に組込み、ガス燃焼機器の火力調整や被加熱物体の温度調整のために、ガスの供給・停止を断続的に切換えるのに好適に用いることができる。
【００１５】
図１に示す電磁弁駆動装置２０は、駆動回路（１次側の回路）３０と、制御回路（２次側の回路）５０を備えている。
駆動回路３０は、交流電源３２と、有接点スイッチ３４（リレー３３のスイッチ）と、ブリッジダイオード３６と、電磁弁３７の駆動コイル３８と、無接点スイッチ（この例ではトランジスタ）４４を備えている。有接点スイッチ３４がオンされると、ブリッジダイオード３６から整流された電源電圧が供給される。ブリッジダイオード３６に対して、電磁弁の駆動コイル３８と無接点スイッチ４４が直列に接続されている。従って、有接点スイッチ３４と無接点スイッチ４４が共にオンしたときに、電磁弁３７の駆動コイル３８に整流された電源電圧が供給される。図１の回路は、整流用ブリッジダイオード３６が挿入されているものの、基本的には、電磁弁３７の駆動コイル３８に、有接点スイッチ３４と無接点スイッチ４４が直列に接続されている回路ということになる。
【００１６】
電磁弁３７の駆動コイル３８に通電されると、電磁弁３７の可動部（図示省略）が動き、その可動部がガスの流路を開閉する。この場合、電磁弁３７の駆動コイル３８に通電されると可動部はガス流路を開き、駆動コイル３８に通電されないと可動部がガス流路を閉じる。電磁弁の駆動コイル３８に並列に発光ダイオード４２が接続されており、駆動コイル３８に通電されている間は発光ダイオード４２が光る。無接点スイッチ４４のベースにはフォトトランジスタ４６が接続され、フォトトランジスタ４６のコレクタ側には電圧Ｖ_ＣＣがかけられている。フォトトランジスタ４６がオンすると無接点スイッチ４４はオフされ、フォトトランジスタ４６がオフすると無接点スイッチ４４はオンされる。有接点スイッチ３４は、リレー３３の励磁コイル５４に通電されるとオンする。
【００１７】
制御回路５０は、制御手段（この例ではマイクロコンピュータ）７２を備えている。また、トランジスタ５６と、このトランジスタ５６のコレクタ端子に一端が接続されたリレー３３の励磁コイル５４を備えている。リレー３３の励磁コイル５４の他端には電圧Ｖ_ＣＣがかけられている。トランジスタ５６のベース端子は、制御手段７２の第１出力部７４に接続されており、制御手段７２が有接点スイッチ３４のオン信号を出力すると、トランジスタ５６が導通して励磁コイル５４が励磁されて有接点スイッチ３４が閉じる。
制御回路５０は、さらに、トランジスタ７０と、このトランジスタ７０のコレクタ端子にカソード側が接続された発光ダイオード６８を備えている。発光ダイオード６８とフォトトランジスタ４６は、フォトカプラ４５を構成している。発光ダイオード６８のアノード側には、電圧Ｖ_ＣＣがかけられている。トランジスタ７０のベース端子は、制御手段７２の第２出力部７８に接続されている。制御手段７２が無接点スイッチ４４のオフ信号を出力すると、トランジスタ７０が導通し、発光ダイオード６８が点灯し、フォトトランジスタ４６がオンする結果、無接点スイッチ４４がオフする。
【００１８】
制御回路５０は、また、フォトトランジスタ６４を備えている。フォトトランジスタ６４は発光ダイオード４２と組になってフォトカプラ４１を構成している。フォトトランジスタ６４のコレクタ側には抵抗６０を介して電圧Ｖ_ＣＣがかけられている。また、抵抗６２を介して制御手段７４の入力部（この例ではアンサー入力ポート）７６に接続されている。電磁弁３７の駆動コイル３８が通電していないときは発光ダイオード４２は点灯せず、フォトトランジスタ６４はオフとなり、アンサー入力ポート７６にはほぼＶ_ＣＣの電圧（Ｈｉ）が入力される。電磁弁３７の駆動コイル３８に通電されると発光ダイオード４２が点灯し、フォトトランジスタ６４はオンとなり、アンサー入力ポート７６にはほぼアース電位の電圧（Ｌｏ）が入力される。
【００１９】
励磁コイル５４と有接点スイッチ３４で構成されるリレー３３が第１中継手段を構成し、励磁コイル５４と有接点スイッチ３４は絶縁されている。発光ダイオード６８とフォトトランジスタ４６で構成されるフォトカプラ４５が第２中継手段を構成し、発光ダイオード６８とフォトトランジスタ４６は絶縁されている。発光ダイオード４２とフォトトランジスタ６４で構成されるフォトカプラ４１が第３中継手段を構成し、発光ダイオード４２とフォトトランジスタ６４は絶縁されている。
【００２０】
なお、本実施例では、有接点スイッチ３４で第１中継手段３３の一部を構成しているが、第１中継手段とは別に構成してもよい。一方、無接点スイッチ４４は、第２中継手段４５とは別に構成されているが、第２中継手段の一部に構成してもよい。また、電磁弁３７の駆動コイル３８と発光ダイオード４２は直列に接続されていてもよい。また、発光ダイオード４２に代えて、半導体レーザ素子や有機ＥＬ（Electro LumineＳcence）素子等を用いてもよい。フォトトランジスタ４６、６４に代えて、フォトダイオードやＣｄＳセル等を用いてもよい。
【００２１】
図２に電磁弁駆動装置２０のスイッチ診断用のフローチャートを示す。このスイッチ診断処理は、電磁弁駆動装置２０を組込んだガス燃焼機器の運転開始時に、燃焼運転開始前の短時間の間に実行される。
まず、Ｓ１０で制御手段７２によって無接点スイッチ４４のみをオンさせるはずの処理を行い、アンサー入力がＨｉ（電磁弁３７の駆動コイル３８が導通しない場合）か、Ｌｏ（電磁弁３７の駆動コイル３８が導通する場合）かを判別する（Ｓ２０）。Ｓ２０でアンサー入力がＬｏ（導通）の場合は、無接点スイッチ４４はオフ異常しておらず、かつ、有接点スイッチ３４はオン異常していることがわかる（図２の右側の表（１）の状態）。図２の右側に示す表は、図２の処理とアンサーから判別される各スイッチ４４、３４の状態を示しており、番号は図２の処理のアンサーによる分岐に対応している。
【００２２】
Ｓ２０でアンサー入力がＬｏ（導通）の場合は、有接点スイッチ３４のみをオンさせるはずの処理を行い（Ｓ３０）、アンサー入力がＨｉかＬｏかを判別する（Ｓ４０）。Ｓ４０でアンサー入力がＬｏ（導通）の場合は、無接点スイッチ４４までオン異常していることがわかる（図２の右側の表（２）の状態）。Ｓ４０でアンサー入力がＨｉ（非導通）の場合は、無接点スイッチ３４はオン異常していないことがわかる（図２の右側の表（３）の状態）。Ｓ２０でアンサー入力がＬｏ（導通）の場合は、無接点スイッチ３４はオフ異常でないことがわかっているので、Ｓ４０でアンサー入力がＨｉ（非導通）の場合は、無接点スイッチ３４は正常であることがわかる（オン異常でもオフ異常でもないので正常である）。
【００２３】
Ｓ１０の処理の結果、Ｓ２０でアンサー入力がＨｉ（非導通）の場合、「無接点スイッチ３４と有接点スイッチ４４の両方ともがオン異常していることはない」ことがわかる（図２の右側の表（４）の状態）。図２の右側の表（４）に示す記号は、「両方のスイッチがともにオン異常していることはない」ことを示す。しかしそれ以上に詳しいことはわからない。例えば、有接点スイッチ４４がオン異常でないということはできない。無接点スイッチ３４がオフ異常であれば、有接点スイッチ４４がオン異常であっても導通しないからである。
この場合には、Ｓ５０で有接点スイッチ３４のみをオンさせるはずの処理を行い、アンサー入力がＨｉかＬｏかを判別する（Ｓ６０）。Ｓ６０でアンサー入力がＬｏ（導通）の場合、有接点スイッチ３４はオフ異常しておらず、無接点スイッチ４４がオン異常していることがわかる（図２の右側の表（５）の状態）。無接点スイッチ４４がオン異常しているにもかかわらず、Ｓ２０で導通しなかったことから、有接点スイッチ３４はオン異常でなかったことがわかる。従って、有接点スイッチ３４は正常であることがわかる（オン異常でもオフ異常でもないので正常である）。
【００２４】
Ｓ６０でアンサー入力がＨｉ（非導通）の場合は、「無接点スイッチ４４と有接点スイッチ３４の両方ともがオン異常していることがない」ことが確認されるだけで、それ以上のことはわからない（図２の右側の表（６）の状態）。そこで、この場合には、無接点スイッチ４４と有接点スイッチ３４の両方をオンさせるはずの処理を行い（Ｓ７０）、アンサー入力がＨｉかＬｏかを判別する（Ｓ８０）。Ｓ８０でアンサー入力がＬｏ（導通）の場合は、無接点スイッチ４４と有接点スイッチ３４はいずれもオフ異常でないことがわかる（図２の右側の表（７）の状態）。無接点スイッチ４４がオフ異常でないのに、Ｓ２０でアンサー入力がＨｉ（非導通）であったことから、有接点スイッチ３４はオン異常でないことがわかる。また、有接点スイッチ３４がオフ異常でないのに、Ｓ６０でアンサー入力がＨｉ（非導通）であったことから、無接点スイッチ３４はオン異常でないことがわかる。このことから、無接点スイッチ４４と有接点スイッチ３４は共に正常であることがわかる。
【００２５】
Ｓ７０の処理の結果、Ｓ８０でアンサー入力がＨｉ（非導通）の場合は、無接点スイッチ４４と有接点スイッチ３４のうちの少なくとも一方がオフ異常であることがわかる（図２の右側の表（８）の状態）。この場合、両方ともにオフ異常している可能性がある。無接点スイッチ４４と有接点スイッチ３４のうちの少なくとも一方がオフ異常である場合には、それ以上に細かく分析することができない。
【００２６】
以上のスイッチ診断処理によって、いずれかのスイッチ４４，３４の異常を検出した場合は、制御手段７２によって、ガス燃焼機器の燃焼運転を開始させないとともに、スイッチ異常を報知する。ガス燃焼機器は、両方のスイッチ４４，３４が正常に作動することを確認できたときにのみ燃焼運転を開始する。
【００２７】
ガス燃焼機器は、燃焼運転の開始時に、有接点スイッチ４４と無接点スイッチ３４の両者をオンさせる。ガス燃焼機器の運転中は、有接点スイッチ３４はオン状態に維持される。有接点スイッチ３４は、ガス燃焼機器の運転終了時にオフされる。それに対して、無接点スイッチ４４は制御手段７２に制御によって、ガス燃焼機器の運転中に断続的にオンオフされる。制御手段７２が火力を調整する制御をしている場合には、火力が強すぎれば制御手段７２が無接点スイッチ４４をオフし、火力が弱すぎれば制御手段７２が無接点スイッチ４４をオンする。制御手段７２が被加熱物の温度を調整する制御をしている場合には、温度が高すぎれば制御手段７２が無接点スイッチ４４をオフし、温度が低すぎれば制御手段７２が無接点スイッチ４４をオンする。
無接点スイッチ４４は断続的にオンオフを繰返すが、無接点スイッチ４４のオンオフ切換回数寿命は長い。ガス燃焼機器の運転終了時には有接点スイッチ３４がオフして電磁弁３７をオフするために、ガス燃焼機器の運転中に無接点スイッチ４４がオン異常となっても、ガス燃焼機器の運転終了時にはガスの供給を確実に遮断することができる。
【００２８】
ガス燃焼機器の運転中に無接点スイッチ４４にオン異常が生じると、無接点スイッチ４４による小刻みな調整が行えなくなる。この場合、図示しない過熱センサで検出された温度が所定温度以上になると、電磁弁３７とは別の遮断弁によってガス燃焼機器の燃焼運転が停止される。このようにしてガス燃焼機器の安全性は確保される。
ガス燃焼機器が再度運転される場合、燃焼運転の再開前に上記した診断処理が実行される結果、無接点スイッチ４４のオン異常が発見されるために、スイッチ異常のままで運転が開始される事はない。ガス燃焼機器の安全性は確保される。
【００２９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の電磁弁駆動装置の回路構成を示す。
【図２】同装置のスイッチ診断処理のフローチャートを示す。
【符号の説明】
２０：電磁弁駆動装置
３０：駆動回路（１次側の回路）
３２：交流電源
３３：リレー（第１中継手段）
３４：有接点スイッチ
３６：ブリッジダイオード
３８：電磁弁駆動コイル
４１：フォトカプラ（第３中継手段）
４２：発光ダイオード
４４：無接点スイッチ（トランジスタスイッチ）
４５：フォトカプラ（第２中継手段）
４６：フォトトランジスタ
５０：制御回路（２次側の回路）
５４：リレーの励磁コイル
５６：トランジスタ
６４：フォトトランジスタ
６８：発光ダイオード
７０：トランジスタ
７２：制御手段（マイクロコンピュータ）

Claims

ガスの供給をオンオフするためにガス燃焼機器に組込まれている電磁弁の駆動装置であって、
少なくとも一つの有接点スイッチと少なくとも一つの無接点スイッチと電磁弁駆動コイルが直列に接続された電磁弁の駆動回路と、
ガス燃焼機器の運転開始時に有接点スイッチをオンさせ、ガス燃焼機器の運転終了時に有接点スイッチをオフさせ、ガス燃焼機器の運転中に無接点スイッチを断続的にオンオフさせる制御回路と、
を備えるガス燃焼機器の電磁弁駆動装置。
駆動回路は、電磁弁駆動コイルの通電時と非通電時とで異なる信号を出力する通電検出手段をさらに備え、
制御回路は、所定条件成立時に、経時的に、有接点スイッチのみをオンさせ、または、無接点スイッチのみをオンさせ、または、有接点スイッチと無接点スイッチの両者をオンさせるスイッチ診断手順を実行するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁駆動装置。
駆動回路と制御回路は電気的に絶縁されており、
駆動回路と制御回路の間には、有接点スイッチをオンまたはオフさせる制御回路の信号を駆動回路に中継する第１中継手段と、無接点スイッチをオンまたはオフさせる制御回路の信号を駆動回路に中継する第２中継手段と、駆動回路の通電検出手段の検出信号を制御回路に中継する第３中継手段とを有することを特徴とする請求項２に記載の電磁弁駆動装置。
第１中継手段から第３中継手段の少なくとも１つは、有接点リレーまたは無接点リレーを有することを特徴とする請求項３に記載の電磁弁駆動装置。