JP3843909B2 - 燃焼装置、並びに、湯水加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼装置に関するものであり、特に、周期的に開閉可能な間欠開閉弁を備えた燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、給湯装置等に代表される湯水加熱装置には、石油等の液体燃料を噴霧して燃焼させる燃焼装置が多用されている。図８は、燃料を噴霧して燃焼させる燃焼装置を内蔵した給湯装置の断面図である。図８において、１００は給湯装置であり、１０１は燃焼装置である。図８に示す燃焼装置１０１は、燃焼ケース１０２を有し、燃焼ケース１０２の下方に、熱交換器１０３が設けられている。熱交換器１０３は、燃焼ケース１０２内に水管が挿通されたものである。
【０００３】
燃焼装置１０１は、燃料噴射ノズル１０５とノズル収納筒１０６と燃焼筒１０７と送風機１０８とを具備している。燃料噴射ノズル１０５は、ノズル収納筒１０６内に収納され、外部から供給された燃料を燃焼筒１０７内に噴霧するものである。
【０００４】
図９は、燃焼装置１０１における燃料系統を示す概念図である。燃料噴射ノズル１０５は、燃料を噴霧する噴霧開口（図示せず）を有し、内部に噴霧開口に至る往き側流路と、噴霧開口から戻る戻り側流路とが設けられている。燃料噴射ノズル１０５の入り側には、第１ポンプ１１０及び第２ポンプ１１１が直列的に接続されており、電磁弁１１２を介して燃料タンク１１３に接続されている。ここで第１ポンプ１１０は吐出量を任意に変更できる電磁ポンプであり、第２ポンプ１１１は定差圧ポンプである。
【０００５】
一方、燃料噴射ノズル１０５の戻り側には、逆止弁１１５及び比例弁１１６が直列的に接続されており、往き側流路の第１ポンプ１１０よりも上流側に接続されている。比例弁１１６は、図１０に示すように電磁コイル１１７を内蔵しており、電磁コイル１１７に供給する電力を変化させることでプランジャ１１８を進退させ、弁体１２０と燃料流路１２１との隙間を微調整し、燃料の流量を調整するものである。そのため、従来の燃焼装置１０１では、比例弁１１６に供給する電力量を調整することにより、戻り側流路を流れる燃料の流量を調整し、燃料噴射ノズル１０５における燃料の噴霧量をすることができる。
【０００６】
しかし、従来の燃焼装置１０１では、燃焼作動に伴う雰囲気温度の変化などにより次第に比例弁１１６の温度が変化し、比例弁１１６に内蔵されている電磁コイル１１７の温度も変化する。電磁コイル１１７は、温度変化によりその抵抗値が増減する。そのため、従来の燃焼装置１０１では、燃焼作動に伴う雰囲気温度の変化により、比例弁１１６の開度を調整する電磁コイルに流れる電流量が不安定となり、燃料噴射ノズル１０５における燃料の噴霧量の調整が困難であるという問題を有していた。そこで、従来の燃焼装置１０１では、定電流回路を別途設けることにより電磁弁１１６に供給する電流値を安定化し、燃料の噴霧量を安定化させる必要があった。
【０００７】
また、比例弁１１６は、弁体１２０と燃料流路１２１との隙間を微調整し、燃料の流量を調整するものである。そのため、比例弁１１６は、燃料流路１２１や弁体１２０の形状などの機械的バラツキにより、燃料の流量が大きく変化してしまう。そのため、従来の燃焼装置１０１では、燃料を安定燃焼させるために、コイル１２８に接続された電力調整手段に上記した機械的バラツキを調整するための調整手段を別途設ける必要があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は、上記した問題を解決すべく燃焼装置１０１が備える燃料系統を図１１に示すように改良し、実験を行った。図１１に示す燃料系統は、大部分が上記した従来の燃料系統と同様の構成であるが、比例弁１１６に代わって図３に示すインジェクター弁２５を採用している点が大きく異なる。
【０００９】
ここで、インジェクター弁２５とは、極めて短い時間で断続的に弁体３３を開閉できるものであり、通常は自動車等において燃料の噴霧用として採用されているいるものである。さらに詳細には、インジェクター弁２５は、ケーシング３０の内部にアクチュエーター３１と、電磁コイル３２と、弁体３３とを備えている。インジェクター弁２５は、電磁コイル３２に電流が流れると、アクチュエーター３１が駆動し、弁体３３が開く。
【００１０】
上記したインジェクター弁２５を流量制御弁として用いて実験を行った結果、比例弁１１６等を流量制御弁として採用する場合に比べて、より一層精度よく燃焼量を調整できることが判明した。しかし、燃料の温度が高温であったり、燃焼量の多い状態において実験を行うと、燃焼量の調整が比較的不安定となる虞があった。さらに詳細には、燃料の温度が高温である場合、燃料自体の粘度が低くなり、燃料噴射ノズル１０５内における燃料の旋回力が向上し、燃料噴射ノズル１０５の噴霧開口近傍における燃料の流れ抵抗が増大する。その結果、通常よりも多くの燃料が燃料流路１２１の戻り側流路に戻ってしまい、燃料噴射ノズル１０５における燃料の噴霧量が減少してしまう虞があった。
【００１１】
そこで、燃料の温度が高い場合は、燃料噴射ノズル１０５から燃料流路１２１の戻り側に流出するために、インジェクター弁２５のオンタイムｔを通常よりも短縮する必要がある。また、燃焼量が多い場合、燃料タンク１１３から供給される燃料の大部分が燃料噴射ノズル１０５において噴射されるため、インジェクター弁２５のオンタイムｔは極めて短くなる傾向にある。
【００１２】
インジェクター弁２５の開閉に要する開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF はインジェクター弁２５の機械的特性によるものであり、インジェクター弁２５のオンタイムによらず略一定である。そのため、図１２に示すように燃料の温度が高い場合や、燃焼装置１０１に対して要求される燃焼量が大きい場合のように、インジェクター弁２５のオンタイムｔが所定時間（最低開弁時間）よりも短い場合は、インジェクター弁２５の開閉に要する開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF が無視できない。即ち、オンタイムｔが極めて短く、インジェクター弁２５の開閉を安定して行える最低開弁時間よりも短い場合、オンタイムｔに対して開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF が占める割合が大きく、インジェクター弁２５が完全に開状態である完全開弁時間ｔOPが極めて短い。
【００１３】
開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF は、インジェクター弁２５の弁体３３が完全に開状態あるいは閉状態となる過渡期であり、弁体３３の開度が不安定である。そのため、オンタイムｔが開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF を無視できない程度まで短い状態では、インジェクター弁２５を通過する燃料の流量が安定せず、燃焼装置１０１の燃焼状態が不安定となる虞がある。
【００１４】
そこで本発明は、上記した問題に鑑み、燃料系統に間欠開閉弁を備え、燃焼量が安定した燃焼装置、並びに、当該燃焼装置を具備した湯水加熱装置の提供を目的とした。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記した問題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、前記燃料の温度を検知する温度検知手段を有し、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁と、前記温度検知手段とが設けられており、当該間欠開閉弁は、電磁コイルと、弁体とを備えており、電磁コイルに電流が流れると弁体が開くものであり、燃焼量に応じて弁体の開閉周期に対して前記電磁コイルにパルス電流を印加する時間の比率がデューティー比制御されるものであり、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源の１周期分に相当する周期Ｌ 1 がデューティー比制御の単位時間として認識され、間欠開閉弁の駆動周波数がｆ 1 とされると共に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源のゼロクロス信号の立ち上がりから前記周期Ｌ 1 とデューティー比とを乗じて導出されたオンタイムｔ 1 に相当する時間だけパルス電流が間欠開閉弁の電磁コイルに流され、燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源の２周期分に相当する周期Ｌ 2 がデューティー比制御の単位時間として認識され、間欠開閉弁の駆動周波数が前記ｆ 1 の１／２に相当するｆ 2 とされると共に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源のゼロクロス信号のうち、前記周期Ｌ 2 中における最初のゼロクロス信号の立ち上がりから前記周期Ｌ 2 とデューティー比とを乗じて導出されたオンタイムｔ 2 に相当する時間だけパルス電流が間欠開閉弁の電磁コイルに流されることを特徴とする燃焼装置である。
【００１６】
本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、燃焼能力は複数の領域に区分され、間欠開閉弁の駆動周波数は、前記燃焼能力の区分毎に異なる構成とされている。
【００１７】
かかる構成によれば、デューティー比制御されている間欠開閉弁の駆動周波数を燃焼能力の区分に応じて変動させることにより、間欠開閉弁のオンタイムを延長あるいは短縮することができる。そのため、デューティー比が小さい場合に間欠開閉弁の駆動周波数を低減させることにより、間欠開閉弁のオンタイムを間欠開閉弁の開閉に要する機械的要因等によるタイムラグが無視できる程度にまで長く設定することができる。よって、上記した構成によれば、デューティー比の大小に拘わらず、間欠開閉弁を通過する燃料の流量を安定化することができる。即ち、上記した構成によれば、噴霧手段における燃料の噴霧量を精度良く調整し、燃焼状態を安定化することができる。
【００１８】
本発明の燃焼装置に採用されている間欠開閉弁は、デューティー比制御により単位時間当たりの燃料の流量を変更するものである。そのため、間欠開閉弁が開状態となった時に燃料復路内を流れる燃料の流量は、間欠開閉弁自身や、その近傍の雰囲気温度によらず常に安定している。よって、上記した構成によれば、噴霧手段から噴霧される燃料の量を精度良く調整することができ、要求される燃焼量に応じた量の燃料を噴霧し、完全燃焼することができる。そのため、本発明の燃焼装置は、エネルギー効率が高く、環境に調和した燃焼作動を行うことができる。
【００１９】
上記したように、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススなどの発生量が極めて少なくなる。よって、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００２０】
また、本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、燃焼能力は複数の領域に区分され、要求される燃焼量が燃焼能力の高い区分に属する場合に、前記間欠開閉弁の駆動周波数を低周波数側に切り替える構成とされている。
【００２１】
本発明の燃焼装置は、燃料復路に間欠開閉弁を設けたものであり、要求される燃焼量が大きい場合、燃料復路に設けられた間欠開閉弁のデューティー比を小さくし、オンタイムを短縮する必要がある。上記したように、間欠開閉弁は瞬時に弁体を開閉することができるものではあるが、オンタイムが極めて短い場合、当該オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が大きくなり、燃料の流量が不安定となる虞がある。
【００２２】
上記したように、本発明の燃焼装置は、要求される燃焼量が燃焼能力の高い区分に属する場合に、デューティー比制御されている間欠開閉弁の駆動周波数が低周波側に切り替わり、間欠開閉弁のオンタイムが延長される。そのため、要求される燃焼量の変動に伴い、間欠開閉弁のデューティー比が小さくなっても、前記オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が小さく、燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。従って、本発明の燃焼装置は、燃焼量の大小に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００２３】
また、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量を最低限に抑制できる。よって、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００２４】
本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、当該間欠開閉弁の開弁時間が、最低開弁時間以下である場合に、駆動周波数を低周波数側に切り替える構成とすることも可能である。
【００２５】
上記構成の燃焼装置は、燃料復路に間欠開閉弁を設けたものであり、要求される燃焼量が大きい場合、燃料復路に設けられた間欠開閉弁のデューティー比を小さくし、開弁時間を短縮する必要がある。間欠開閉弁の開弁時間が最低開弁時間以下であると、当該開弁時間に対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が大きくなり、燃料の流量が不安定となってしまう。
【００２６】
上記構成の燃焼装置は、間欠開閉弁の開弁時間が最低開弁時間以下である場合に、デューティー比制御されている間欠開閉弁の駆動周波数が低周波側に切り替わる。そのため、要求される燃焼量の変動に伴い、間欠開閉弁のデューティー比が小さくなっても、前記開弁時間全体に対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が小さく、燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。従って、上記構成の燃焼装置は、燃焼量の大小に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００２７】
また、上記構成の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量を最低限に抑制できる。よって、上記構成の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００２８】
本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、前記燃料の温度を検知する温度検知手段を有し、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、間欠開閉弁の駆動周波数は、前記温度検知手段の検知信号に基づいて切り替えられる構成とされている。
【００２９】
上記したように、燃料の温度が高い場合には、燃料の粘度が低く、噴霧手段における燃料の噴霧量が減少する傾向にあることが本発明者等によって見いだされている。そのため、本発明者等が試作した燃焼装置では、燃料の温度が高い場合に間欠開閉弁のデューティー比を通常よりも小さくし、オンタイムを短縮する必要がある。上記したように、間欠開閉弁のオンタイムが極めて短い場合はオンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が大きくなり、燃料の流量が不安定となる虞がある。
【００３０】
しかし、本発明の燃焼装置では、間欠開閉弁の駆動周波数が、燃料の温度を検知する温度検知手段の検知信号に基づいて切り替えられ、間欠開閉弁のオンタイムが延長あるいは短縮される。そのため、本発明の燃焼装置では、燃料の温度が高く、間欠開閉弁のデューティー比を小さくすべき場合であっても、間欠開閉弁の駆動周期を切り替え、オンタイムを延長することにより、オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合を抑制することができる。従って、上記構成の燃焼装置は、燃料の温度の高低に拘わらず、燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００３１】
また、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量が極めて少ない。そのため、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００３２】
本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、前記燃料の温度を検知する温度検知手段を有し、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、前記温度検知手段の検知温度が所定温度以上である場合に前記間欠開閉弁の駆動周波数を低周波数側に切り替える構成とされている。
【００３３】
本発明の燃焼装置は、燃料の温度が所定温度以上である場合に間欠開閉弁の駆動周波数を低周波数側に切り替えることにより、間欠開閉弁のオンタイムを延長するものである。そのため、本発明の燃焼装置は、燃料の温度が高い場合であっても、間欠開閉弁のデューティー比を小さくして燃料の粘度の影響による燃料の噴霧量の減少を抑制すると共に、間欠開閉弁の駆動周期を低周波数側に切り替えることにより燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。即ち、本発明の燃焼装置は、燃料の温度が高い場合に間欠開閉弁の駆動周期を低周波数側に切り替えることにより、デューティー比を維持しつつオンタイムを延長することができる。そのため、本発明の燃焼装置では、燃料の温度が高く、間欠開閉弁のデューティー比が小さい場合であっても、オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が小さく、燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。従って、本発明の燃焼装置は、燃料の温度に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００３４】
また、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量が極めて少ない。そのため、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００３５】
本発明の燃焼装置は、燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合における間欠開閉弁の駆動周波数が、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合における間欠開閉弁の駆動周波数よりも低い。
【００３６】
燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合における間欠開閉弁のデューティー比は、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合よりも小さく、間欠開閉弁のオンタイムの大部分が間欠開閉弁の開閉に費やされ、燃料の流量が不安定となる虞がある。しかし、上記したように、本発明の燃焼装置においては、燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合における間欠開閉弁の駆動周波数が、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合における間欠開閉弁の駆動周波数よりも低く、オンタイムが長い。そのため、本発明の燃焼装置では、オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が小さく、燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。従って、本発明の燃焼装置は、燃焼量の大小や燃料の温度の高低に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００３７】
また、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量が極めて少ない。そのため、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００３８】
本発明の燃焼装置は、間欠開閉弁が、燃料ポンプを駆動する交流電源のゼロクロス信号のタイミングに基づいて開閉する構成とされている。
【００３９】
かかる構成によれば、弁体をポンプの交流電源に同期した一定の周期で開閉することができるため、噴霧手段に供給される燃料の圧力変動が最小限に抑制される。そのため、本発明の燃焼装置は、燃料を常にほぼ一定の圧力およびタイミングで噴霧することができる。よって、本発明の燃焼装置は、燃料を安定燃焼することができ、燃焼騒音を最小限に抑制することができる。
【００４０】
また、本発明の燃焼装置において、噴霧手段から噴霧される燃料は、燃焼量によらずほぼ一定の噴霧圧で噴霧される。噴霧手段から噴霧された燃料は、噴霧量に関わらずほぼ一定のパターンで拡散され、空気と混合される。そのため、本発明の燃焼装置は、燃料の噴霧量によらず燃料と空気との混合状態がほぼ一定であり、燃料を安定燃焼することが可能である。
【００４１】
本発明の燃焼装置は、燃焼量に関わらず燃焼駆動が安定しているため、一酸化炭素などの有害ガスや、ススなどの発生量が極めて少ない。そのため、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススなどの堆積に伴う装置の故障を最小限に抑制することができる。
【００４２】
請求項２に記載の発明は、燃焼部と、水を加熱する熱交換部を有し、燃焼部で発生した燃焼ガスを熱交換部に送り、熱交換部で水を加熱する湯水加熱装置において、燃焼部には請求項１に記載の燃焼装置を具備していることを特徴とする湯水加熱装置である。
【００４３】
また、請求項２に記載の湯水加熱装置は、湯水が溜められる貯留部と、貯留部を貫通する燃焼ガス通路部を有し、燃焼部で発生した燃焼ガスを燃焼ガス通路部に導入して貯留部内の水を加熱することを特徴とするものであってもよい。（請求項３）
【００４４】
上記した各湯水加熱装置において採用されている燃焼装置は、燃料の温度の高低や、要求される燃焼量の大小に拘わらず安定した燃焼駆動が可能であり、要求される燃焼量に相応した熱エネルギーを放出することができる。即ち、上記した燃焼装置は、燃焼量が変化しても、要求に応じて的確に熱エネルギーを熱交換部に付与することができる。よって、かかる燃焼装置を備えた本発明の湯水加熱装置は、燃焼部における燃焼可能範囲が広く、湯水を幅広い温度範囲で精度よく加熱できる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明の一実施形態である燃焼装置および当該燃焼装置を備えた湯水加熱装置について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である燃焼装置を備えた給湯装置（湯水加熱装置）を示す正面図である。また、図２は、図１に示す給湯装置において、燃焼装置が備えている燃料流路を示す図である。図３は、図１に示す燃焼装置が具備しているインジェクター弁を示す断面図である。図４は、図１に示す給湯装置における配管系統を示す図である。図５（ａ）は、図１に示す燃焼装置が備える電磁ポンプに印加される電源の周期変動を示すグラフであり、同（ｂ）は同（ａ）に基づき発信されるゼロクロス信号を示すグラフである。また、同（ｃ）は同（ａ）に示す電源を整流した場合の周期変動を示すグラフであり、同（ｄ）は同（ｃ）に示す電源が印加された際におけるポンプの圧力変動を示すグラフである。また、同（ｅ），（ｆ）は、インジェクター弁に印加されるパルス信号を示すグラフである。図６は、本実施形態の燃焼装置におけるインジェクター弁のオンタイムと燃料噴射ノズルにおける燃料の噴霧量の関係を示すグラフである。図７は、本発明の別の実施形態である給湯装置における配管系統を示す模式図である。
【００４６】
図１において、１は給湯装置（湯水加熱装置）であり、給湯装置１は燃焼装置２を備えている。給湯装置１は、燃焼装置２の下方に燃焼ケース３と熱交換器５とを備えている。燃焼ケース３は、燃焼装置２における燃焼作動に伴い発生する高温の燃焼ガスが流れる部分である。燃焼ケース３の周囲には、燃焼ケース３内を流れる高温の燃焼ガスにより燃焼ケース３が過度に高温となるのを防止すべく、水管６が巻き付けられている。
【００４７】
熱交換器５は、燃焼ケース３の下方にあり、燃焼ケース３内に水管９を挿通したものである。熱交換器５は、燃焼ケース３内を流れる高温の燃焼ガスとの熱交換により、水管９内の湯水を加熱するものである。
【００４８】
燃焼装置２は、空気ケース７の内部に端部が開放したノズル収納筒８と、ノズル収納筒８の端部に接続された燃焼筒１０とを具備している。空気ケース７には、燃焼筒１０内に空気を送り込むための送風機１１が接続されている。また、ノズル収納筒８の内側には、燃料を燃焼筒１０側に向けて噴霧するための燃料噴射ノズル１２（噴霧手段）が収納されている。
【００４９】
燃料噴射ノズル１２は、燃料を噴霧するための噴霧開口（図示せず）を有する。燃料噴射ノズル１２は、内部に噴霧開口に至る燃料往路（図示せず）と燃料復路（図示せず）とを具備した、いわゆる戻り型ノズルである。即ち、燃料噴射ノズル１２は、燃料往路を介して燃料噴射ノズル１２の外部から供給された燃料を噴霧開口から噴霧し、噴霧されずに残った燃料を燃料復路を通じて排出する構成を有する。
【００５０】
燃料噴射ノズル１２は、図２に示すように燃料流路１３を介して燃料が貯留されている燃料タンク１５に接続されている。燃料流路１３は、大別して前記した燃料噴射ノズル１２の燃料往路と連通する燃料往路１６と、燃料噴射ノズル１２の燃料復路と連通する燃料復路１７とにより構成されている。
【００５１】
燃料往路１６は、燃料タンク１５内に貯留されている燃料を燃料噴射ノズル１２に供給するための流路である。燃料往路１６は、燃料タンク１５と燃料噴射ノズル１２とを直列的に接続したものである。燃料往路１６の中途には、電磁ポンプ１８、電磁弁２０および、逆止弁２１が設けられている。逆止弁２１は常時は閉成されており、開成とするのに必要な圧力（最低作動圧）は、燃料往路１６に接続された燃料タンク１５内に貯留されている燃料の位置水頭よりも大きい。即ち、逆止弁２１は、燃料タンク１５内に貯留されている燃料の影響で逆止弁２１に作用する圧力は、逆止弁２１を開成するのに必要な最低作動圧に満たない。そのため、燃料タンク１５内に貯留されている燃料は、電磁ポンプ１８によって加圧しない限り燃料噴射ノズル１２側には流れ出さない。
【００５２】
上記したように、逆止弁２１は、常時は閉成されており、燃料タンク１５内に貯留されている燃料の影響で逆止弁２１に作用する圧力が作用するだけでは開成されないものである。そのため、燃焼装置２が燃焼停止中であるなどして、燃料噴射ノズル１２への燃料の供給を防止すべき場合は、例え何らかの理由で電磁弁２０が開状態となってしまっても、逆止弁２１において燃料の流れが食い止められ、燃料の漏出を確実に防止することができる。また逆に燃料を噴霧すべき時は、燃料タンク１５から供給される燃料は、電磁ポンプ１８によって加圧される。そのため、電磁ポンプ１８で加圧された燃料は、逆止弁２１を通過し、燃料噴射ノズル１２から噴射される。
【００５３】
燃料復路１７は、燃料噴射ノズル１２において噴霧されずに残った燃料を燃料タンク１５側に戻すものである。燃料復路１７の下流端側は、燃料往路１６の中途であって、電磁ポンプ１８よりも上流側（燃料タンク１５側）に接続されている。燃料復路１７の中途には、燃料復路１７内を流れる燃料の温度を検知する温度センサ２２（温度検知手段）が設けられている。また、温度センサ２２の下流側には燃料噴射ノズル１２側から燃料タンク１５側へ燃料を流し、燃料の逆流を阻止すべく逆止弁２３が設けられている。逆止弁２３の下流側には、断続的又は周期的に開閉するインジェクター弁２５（間欠開閉弁）が設けられている。また、インジェクター弁２５と逆止弁２３との間には、燃料復路１７内を流れる燃料の圧力を緩衝すべく、アキュムレータ２６が設けられている。
【００５４】
インジェクター弁２５は、極めて短い時間で断続的あるいは周期的に開閉する機能を備えたものである。インジェクター弁２５は、図３に示すようにケーシング３０内にアクチュエータ３１と、アクチュエータ３１を駆動させるための電磁コイル３２と、アクチュエータ３１に連動する弁体３３とを備えている。ケーシング３０の両端部には、ケーシング３０内に燃料を供給するための燃料流入口３５と、燃料を流出する燃料流出口３６とが設けられている。また、ケーシング３０の内部には、燃料流入口３５から流入した燃料が流通する流路３７が設けられている。
【００５５】
ケーシング３０には、接続端子３８が設けられている。接続端子３８は、電磁コイル３２に接続されており、接続端子３８を介して電流を供給すると電磁コイル３２が励磁される。その結果、ケーシング３０内のアクチュエータ３１が駆動し、アクチュエータ３１と連動して弁体３３が開く。即ち、本実施形態で採用するインジェクター弁２５は、電磁コイル３２に電流が供給されている間、弁体３３が開き、電流が停止すると弁体３３が閉じる。弁体３３は、極めて鋭敏に反応し、瞬間的に開閉される。また、インジェクター弁２５は、電磁コイル３２への通電の停止中は、弁体３３が完全に閉止している。即ち、インジェクター弁１２は、電磁コイル３２への通電を停止することにより、燃料復路１７を完全に閉止することができる。
【００５６】
接続端子３８は、図２，３に示すように燃料噴射ノズル１２から噴霧される燃料の噴霧量や送風機１１の駆動を制御する制御手段４０に接続されている。制御手段４０は、電磁コイル３２への通電を周期的あるいは断続的に行わせることにより弁体３３の開閉を制御し、燃料噴射ノズル３から噴霧される燃料の噴霧量を調整し、燃焼量を制御する。
【００５７】
温度センサ２２は、燃料噴射ノズル１２から燃料復路１７に戻された燃料の温度を検知するものであり、制御手段４０に接続されている。
【００５８】
燃焼装置２が燃焼作動中である場合、制御手段４０は、弁体３３の開閉周期Ｌと、当該開閉周期Ｌ中に占めるオンタイムｔとをデューティー比制御することにより、弁体３３の開閉を制御し、燃料噴射ノズル１２からの燃料の噴霧量を調整する。即ち、制御手段４０は、燃焼装置２に要求される燃焼量に応じて弁体の開閉周期Ｌと、開閉周期Ｌに対する燃料噴射ノズル１２の電磁コイル３２へパルス電流ｉを印加する時間の比率（デューティー比ｒ）を制御し、燃料復路１７内を流れる燃料の流量を調整することにより燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量を調整する。
【００５９】
制御手段４０は、電磁ポンプ１８の電源に同期したパルス電流ｉをインジェクター弁２５の電磁コイル３２に供給し、弁体３３の開閉を行う。以下において、燃焼装置２が燃焼作動中である間に、制御手段４０から発信されるパルス信号について説明する。
【００６０】
電磁ポンプ１８には、図５（ａ）に示すように一定周期で位相変化する交流電源が供給されており、この交流電源が図５（ｃ）に示すように整流された後に印加されている。そのため、電磁ポンプ１８が燃料を送り出す圧力は、図５（ｄ）に示すように、電磁ポンプ１８に印加される電源の位相変化に追従して、一定の周期で変化する。制御手段４０は、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源の電流がゼロとなる点（ゼロクロス点）を検出し、図５（ｂ）に示すようなゼロクロス信号を検知する。
【００６１】
制御手段４０は、燃焼装置２に要求される燃焼量（要求燃焼量Ｑ）に応じてデューティー比ｒを決定する。制御手段４０は、温度センサ２２の検知温度ｋあるいは要求燃焼量Ｑに基づきデューティー比制御の単位時間、即ちインジェクター弁２５の弁体３３の開閉を行う電磁コイル３２に印加する電源の周波数を決定する。
【００６２】
さらに詳細には、制御手段４０は、温度センサ２２により、燃料復路１７内を流れる燃料の温度を検知し、この検知温度ｋが所定の温度（境界温度Ｋ）以下である場合には、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源の１周期分に相当する時間（周期Ｌ1 ）をデューティー比制御の単位時間として認識し、電磁コイル３２に印加する電源周波数をｆ1 とする。一方、温度センサ２２の検知温度ｋが境界温度Ｋよりも高い場合は、周期Ｌの２倍に相当する周期Ｌ2 （Ｌ2 ＝２Ｌ1 ）をデューティー比制御の単位時間として認識し、電磁コイル３２に印加する電源周波数をｆ2 （ｆ2 ＝ｆ1 ／２）とする。
【００６３】
また同様に、制御装置４０は、燃焼装置２に要求される要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源の周期Ｌ1 をデューティー比制御の単位時間として認識し、電磁コイル３２に印加する電源周波数をｆ1 とする。一方、燃焼装置２に要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源の２周期分に相当する周期Ｌ2 （Ｌ2 ＝２Ｌ1 ）をデューティー比制御の単位時間として認識し、電磁コイル３２に印加する電源周波数をｆ2 （ｆ2 ＝ｆ1 ／２）とする。
【００６４】
制御手段４０は、周期Ｌ1 ，Ｌ2 およびデューティー比ｒに基づきオンタイムｔを決定する。さらに具体的には、制御手段４０は、周期Ｌ1 ，Ｌ2 とデューティー比ｒとを乗じることによりオンタイムｔ1 およびｔ2 を決定する。温度センサ２２の検知温度ｋが境界温度Ｋ以下である場合、あるいは、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合、制御手段４０は、図５（ｅ）に示すように、ゼロクロス信号の立ち上がりからオンタイムｔ1 に相当する時間だけパルス電流ｉを接続端子３８に向けて発信する。換言すれば、制御手段４０は、燃料の温度が境界温度Ｋ以下である場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合のように、単位時間当たりにおけるインジェクター弁２５の開弁時間がインジェクター弁２５を安定して開閉できる最低開弁時間よりも長い場合、インジェクター弁２５の駆動周波数をｆ1 とする。
【００６５】
また逆に、温度センサ２２の検知温度ｋが境界温度Ｋよりも高い場合、あるいは、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合、制御手段４０は、図５（ｆ）に示すように周期Ｌ2 中における最初のゼロクロス信号の立ち上がりからオンタイムｔ2 に相当する時間、即ち上記したオンタイムｔ1 の２倍に相当する時間だけパルス信号ｉを発信する。換言すれば、制御手段４０は、燃料の温度が境界温度Ｋよりも高い場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合のように、単位時間当たりにおけるインジェクター弁２５の開弁時間が上記した最低開弁時間よりも短く、インジェクター弁２５の開閉による燃料の流量が不安定である場合にインジェクター弁２５の駆動周波数をｆ1 よりも小さなｆ2 に切り替え、インジェクター弁２５の開閉および燃料の噴霧量の安定化を図る。
【００６６】
上記したように、温度センサ２２の検知温度ｋが境界温度Ｋよりも高い場合のオンタイムｔ2 は、図６に示すようにオンタイムｔ1 の略２倍であり、オンタイムｔ1 よりも十分長い。そのため、検知温度ｋが境界温度Ｋを超える場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合のように、デューティー比ｒが極めて小さい場合であっても、オンタイムｔ2 が通常時のオンタイムｔ1 の２倍であるため、インジェクター弁２５の開閉に要する開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF が、オンタイムｔ全体に対して無視できる程度に小さい。従って、上記した燃焼装置２では、オンタイムｔ2 中にインジェクター弁２５を通過する燃料の流量が安定しており、燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量が安定している。
【００６７】
本実施形態の燃焼装置２において、燃料噴霧ノズル１２には、電磁ポンプ１８により加圧された燃料が供給されている。ここで、電磁ポンプ１８は、燃料の流量にかかわらず常にほぼ一定の吐出圧を付している。そのため、燃焼装置２において、インジェクター弁２５の弁体３３には常時一定の圧力が作用している。
【００６８】
接続端子３８にパルス電流が流れると、弁体３３が開きインジェクター弁２５の燃料流出口から燃料が噴霧される。ここで上記したように、燃料の噴射量に係わらず、弁体３３には常時一定の圧力が掛かっているため、接続端子３８にパルス電流が流れ、弁体３３が開いた際にインジェクター弁２５の燃料流出口から流れ出る燃料の圧力は常時一定である。そのため接続端子３８に供給されるパルス電流ｉがＯＮになると、常に単位時間当たりに一定量の燃料が一定圧力で流出される。従って、インジェクター弁２５から流出する燃料の流量は、単位時間当たりに弁体３３が開いている時間の長短、即ちデューティー比ｒによって調整できる。よって、インジェクター弁２５からの燃料の流出量は、制御手段４０によりデューティー比制御することにより調整することができる。
【００６９】
上記した燃料噴霧ノズル１２は、図１に示すように従来の燃焼装置１０１と同様のノズル収納筒８内に収納されている。ノズル収納筒８は、燃料噴射ノズル１２を直接内蔵するノズル収納内筒５０と、その外側に設けられたノズル収納外筒５１とによる２重構造となっている。
【００７０】
ノズル収納内筒５０は、内部に燃料噴霧ノズル１２と、燃料噴霧ノズル１２から噴霧された燃料を点火するための点火プラグ５２とを収納している。ノズル収納筒８は、燃焼筒１０と接続されて一体化されている。ノズル収納内筒５０およびノズル収納外筒５１の側面には、燃焼筒１０の内部に空気を導入するための空気導入孔（図示せず）が設けられている。
【００７１】
燃焼筒１０は、図１に示す様に二段形状の筒体であり、ノズル収納筒８に接続された第１燃焼筒５３と、当該第１燃焼筒５３に連続し、第１燃焼筒５３よりも大径の第２燃焼筒５５とから構成されている。第１燃焼筒５３の周部には、燃焼筒６内に空気を導入するための空気導入口５６が複数設けられている。また同様に、第２燃焼筒５５の周部にも、燃焼筒６内に空気を導入するための空気導入口５７が複数設けられている。また、第２燃焼筒５５の下方には、燃焼筒８内における燃料の攪拌を促進するための燃料拡散部材５８が取り付けられている。
【００７２】
燃料噴霧ノズル１２から噴霧された燃料は、燃焼筒１０および燃焼ケース３内において所定のパターンで拡散した後燃焼し、高温の燃焼ガスを発生する。この燃焼ガスは、燃焼ケース４の下方に配置された熱交換器５において熱交換を行い、水管９内の水を加熱する。
【００７３】
熱交換器５には、図４に示すように流水回路６０が接続されている。流水回路６０は、カランなどに接続され外部に湯水を流出する、いわゆる給湯回路である。流水回路６０は、熱交換器５に外部から水を給水する給水回路６１と、熱交換器５において加熱された湯水が流れる給湯回路６２と、給水回路６１から分岐されたバイパス回路６３とを有し、要求に応じて外部に湯水を供給するものである。そしてバイパス回路６３を流れる冷水のバイパス水量と給湯回路２０に流れる高温の湯水の量とをバイパス水量調節弁６５によって調節し、これらの湯水を混合して湯水の温度を調節する。
【００７４】
給湯回路６２とバイパス回路６３との混合部分の下流側には、水量調節弁６６と出湯センサ６７とが設けられている。出湯センサ６７によって検知された温度が前記したバイパス水量調節弁６５等にフィードバックされると共に、水量調節弁６６によって総水量が調節される。給水回路６１には、水量センサ６８と、温度センサ６９が設けられている。制御手段４０は、水量センサ６８および温度センサ６９の検知信号に基づき、高温湯の温度が８０℃程度となるように燃焼装置２における燃焼量を調節する。
【００７５】
上記したように、本実施形態の給湯装置１が備える燃焼装置２は、燃料流路１３内を流れる燃料の温度ｋあるいは燃焼装置２に対する要求燃焼量Ｑに応じてインジェクター弁２５の電磁コイル３２に印加される電源の周波数を調整するものである。
【００７６】
上記したように、本実施形態の燃焼装置２は、燃料の温度ｋや要求燃焼量Ｑに拘わらず燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量が安定している。また、燃料往路１６の中途に設けられている電磁ポンプは一定の圧力で燃料を吐出するものであるため、燃料は燃料噴射ノズル１２から燃焼筒１０に向けて一定のパターンで噴霧される。即ち、本実施形態の燃焼装置２は、燃料の噴霧状態が極めて安定している。そのため、燃焼筒１０内に噴霧された燃料は、燃焼筒１０内において空気と十分混合された後、完全燃焼される。従って、上記した燃焼装置２は、燃焼状態が安定しており、エネルギー効率が高い。
【００７７】
上記した燃焼装置２は、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源に同期してインジェクター弁２５の開閉を行うものであるため、電磁ポンプ１８の圧力変動が小さい。そのため、燃焼装置２は、燃料噴射ノズル１２から噴霧される燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００７８】
また、燃焼装置２は、燃焼状態が安定しているため、一酸化炭素などの有毒ガスやススのような燃料の不完全燃焼によって発生する有害物質の発生量を最低限に抑制できる。よって、燃焼装置２は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置２の故障も少ない。
【００７９】
また、本実施形態の給湯装置１では、燃焼装置２が燃料の供給量に見合った燃焼量を得ることができるため、熱交換器５の水管９内を流れる湯水を所望の温度まで精度良く加熱することができる。
【００８０】
また、本実施形態の燃焼装置２において、燃料の温度ｋが境界温度Ｋ以下である場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合、インジェクター弁２５は、電磁ポンプ１８に印加されている電源の周期変動に同期した周波数ｆ1 で開弁されるため、燃料復路１７内の燃料の流量が脈動せずスムーズに流れる。従って、燃焼装置２において、燃料噴射ノズル１２に供給される燃料の圧力変動が極めて小さく、常に一定の圧力およびタイミングで燃料が噴霧される。そのため、燃料の温度ｋが境界温度Ｋ以下である場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合、燃焼装置２は、燃料を安定燃焼する共に、燃焼作動に伴い発生する燃焼騒音も最小限に抑制することができる。
【００８１】
またさらに、燃料の温度ｋが境界温度Ｋを超える場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合において、インジェクター弁２５は、上記した周波数ｆ1 の半分の周波数であるｆ2 で開弁される。そのため、燃料復路１７内の燃料の流量がほとんど脈動することなくスムーズに流れる。従って、燃焼装置２において、燃料噴射ノズル１２に供給される燃料の圧力変動が小さく、常にほぼ一定の圧力およびタイミングで燃料が噴霧される。そのため、燃料の温度ｋが境界温度Ｋを超える場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合であっても、燃焼装置２は、燃料を安定燃焼することができ、燃焼作動に伴い発生する燃焼騒音についても最小限に抑制することができる。
【００８２】
上記した実施形態において、給湯装置１は、燃焼装置２と、湯水を加熱する熱交換器５とを有し、燃焼装置２において発生した高温の燃焼ガスを熱交換器５側に送ることによって水管９内の湯水を加熱するものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図７に示すようなものとすることが可能である。
【００８３】
図７は、本発明の一実施形態である給湯装置７０を示す模式図である。給湯装置７０は、大別して本体部７１と燃焼部７２と消音器７３により構成されている。
【００８４】
本体部７１は、大きく燃焼空間部７５と貯留部７６とに分かれている。燃焼部７２と燃焼空間部７５とは、貯留部７６内に貯留される熱媒体を加熱する加熱手段７７として機能する。本体部７１は、全体形状が円筒形であり、２重構造となっており、その内部に湯水を貯留するための貯留部７６が形成されている。貯留部７６には、複数の燃焼ガス通路７８が形成されている。燃焼ガス通路７８は、貯留部７６を軸方向に貫通する貫通孔である。
【００８５】
燃焼部７２には、上記実施形態におけるものと同一の燃焼装置２が採用されており、本体部７１の下方に位置する燃焼空間部７５に接続されている。燃焼装置２は、ノズル収納筒７と燃焼筒８と送風機９とを有し、燃焼筒８の開口端が燃焼空間部７５側を向くように配置されている。
【００８６】
一方、本体部７１の上部には、消音器７３が設けられている。消音器７３は、内部がラビリンス構造となっており、燃焼音を低減させるものである。なお、図７において、消音器７３のラビリンス構造は図示せず省略している。
【００８７】
貯留部７６には、上記第１実施形態の給湯装置１におけるのと同様の流水回路６０が接続されている。即ち、貯留部７６の入水口８１には、外部から水を給水する給水回路６１が接続され、貯留部７６の出湯口８３には、貯留部７６において加熱された湯水が流れ出る給湯回路６２が接続されている。
【００８８】
燃焼装置２は、貯留部７６内の湯水の温度が８０℃程度となる様に燃焼量が調整される。即ち、貯留部７６内の湯水の温度に基づき、制御手段４０により、インジェクター弁２５の電磁コイル３２に流す電流が調整され、弁体３３が断続的あるいは周期的に開閉する。
【００８９】
本実施形態の給湯装置７０は、燃焼装置２の燃料復路１７にインジェクター弁２５を設けているため、燃料の噴霧量を的確に調整し、燃焼することができる。また、燃焼装置２において、燃料噴射ノズル１２から噴霧される燃料は、常時ほぼ一定の噴霧圧で噴霧される。そのため、燃料は、燃焼筒８内に一定のパターンで拡散し、空気と十分混合される。よって、本実施形態の給湯装置７０は、燃料を完全燃焼し、湯水を所望の温度まで的確に昇温させることができる。
【００９０】
上記したように、燃焼装置２は、燃料流路１３内を流れる燃料の温度ｋが境界温度Ｋよりも高い場合、あるいは、要求燃焼量Ｑが大きい場合に、インジェクター弁２５の電磁コイル３２に印加される電源の周波数を小さくしている。そのため、インジェクター弁２５の開閉に要する開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF は、オンタイムｔ全体に対して無視できる程度に短い。即ち、インジェクター弁２５が完全に開状態となっている完全開弁時間ｔOPは、オンタイムｔとほぼ同一である。従って、燃焼装置２によれば、燃料復路１７内を流れる燃料の流量を精度良く調整することができ、燃料噴射ノズル２５からほぼ所定量の燃料を噴霧することができる。そのため、燃焼装置２によれば、要求燃焼量Ｑに見合った燃焼量を確実に得ることができ、熱交換器５の水管９内の湯水を所定温度まで加熱することができる。
【００９１】
また、燃焼装置２は、要求燃焼量Ｑや燃料の温度ｋに拘わらず燃焼状態が安定しているため、一酸化炭素などの有害ガスや、ススなどの発生量が極めて少ない。そのため、燃焼装置２は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、燃焼駆動時に発生するススなどの堆積に伴う装置の故障もほとんどない。
【００９２】
また、給湯装置７０は、上記した給湯装置１と同様に、２個の逆止弁２１，２３と、電磁弁２０と、インジェクター弁２５とにより、燃料往路１６および燃料復路１７をそれぞれ２重に閉止するものであるため、燃料タンク１５に対する燃料漏れを確実に防止することができる。
【００９３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、噴霧手段における燃料の噴霧量を精度良く調整し、燃焼状態を安定化することができる。
【００９４】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼量の大小に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態を安定することができる。
【００９５】
請求項１に記載の発明によれば、燃料の温度の高低に拘わらず、燃料の噴霧量を精度良く調整し、燃焼状態の安定化を図ることができる。
【００９６】
請求項１に記載の発明によれば、燃料の温度が高い場合であっても、間欠開閉弁のデューティー比を小さして燃料の粘度の影響による燃料の噴霧量の減少を抑制すると共に、間欠開閉弁の駆動周期を低周波数側に切り替えることにより燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。
【００９７】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼量の大小や燃料温度の高低に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態を安定化できる。
【００９８】
請求項１に記載の発明によれば、弁体をポンプの交流電源に同期した一定の周期で開閉させ、噴霧手段から燃料を常にほぼ一定の圧力およびタイミングで噴霧することができる。
【００９９】
請求項２，３に記載の湯水加熱装置は、燃焼部における燃焼可能範囲が広く、湯水を幅広い温度範囲で精度よく加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態である燃焼装置を備えた給湯装置を示す正面図である。
【図２】 図１に示す給湯装置が備える燃焼装置に採用されている燃料流路を示す図である。
【図３】 図１に示す燃焼装置が具備しているインジェクター弁を示す断面図である。
【図４】 図１に示す給湯装置における配管系統を示す図である。
【図５】 （ａ）は、図１に示す燃焼装置が備える電磁ポンプに印加される電源の周期変動を示すグラフであり、同（ｂ）は同（ａ）に基づき発信されるゼロクロス信号を示すグラフである。また、同（ｃ）は同（ａ）に示す電源を整流した場合の周期変動を示すグラフであり、同（ｄ）は同（ｃ）に示す電源が印加された際におけるポンプの圧力変動を示すグラフである。また、同（ｅ），（ｆ）は、インジェクター弁に印加されるパルス信号を示すグラフである。
【図６】 図１に示す燃焼装置におけるインジェクター弁のオンタイムと燃料噴射ノズルにおける燃料の噴霧量の関係を示すグラフである。
【図７】 本発明の別の実施形態である給湯装置における配管系統を示す模式図である。
【図８】 従来の給湯装置および燃焼装置の要部を示す模式図である。
【図９】 従来の燃焼装置において採用されている燃料系統を示す図である。
【図１０】 従来の燃焼装置が備える比例弁の断面図である。
【図１１】 従来の燃焼装置において採用されている燃料系統を示す図である。
【図１２】 インジェクター弁の開度とオンタイムとの関係を示す模式図である。
【符号の説明】
１，７０ 給湯装置
２ 燃焼装置
３ 燃焼ケース
５ 熱交換器
９ 水管
１２ 燃料噴射ノズル（噴霧手段）
１６ 燃料往路
１７ 燃料復路
１８ 電磁ポンプ
２２ 温度センサ
２５ インジェクター弁（間欠開閉弁）
４０ 制御手段
７２ 燃焼部
７６ 貯留部
７８ 燃焼ガス通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼装置に関するものであり、特に、周期的に開閉可能な間欠開閉弁を備えた燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、給湯装置等に代表される湯水加熱装置には、石油等の液体燃料を噴霧して燃焼させる燃焼装置が多用されている。図８は、燃料を噴霧して燃焼させる燃焼装置を内蔵した給湯装置の断面図である。図８において、１００は給湯装置であり、１０１は燃焼装置である。図８に示す燃焼装置１０１は、燃焼ケース１０２を有し、燃焼ケース１０２の下方に、熱交換器１０３が設けられている。熱交換器１０３は、燃焼ケース１０２内に水管が挿通されたものである。
【０００３】
燃焼装置１０１は、燃料噴射ノズル１０５とノズル収納筒１０６と燃焼筒１０７と送風機１０８とを具備している。燃料噴射ノズル１０５は、ノズル収納筒１０６内に収納され、外部から供給された燃料を燃焼筒１０７内に噴霧するものである。
【０００４】
図９は、燃焼装置１０１における燃料系統を示す概念図である。燃料噴射ノズル１０５は、燃料を噴霧する噴霧開口（図示せず）を有し、内部に噴霧開口に至る往き側流路と、噴霧開口から戻る戻り側流路とが設けられている。燃料噴射ノズル１０５の入り側には、第１ポンプ１１０及び第２ポンプ１１１が直列的に接続されており、電磁弁１１２を介して燃料タンク１１３に接続されている。ここで第１ポンプ１１０は吐出量を任意に変更できる電磁ポンプであり、第２ポンプ１１１は定差圧ポンプである。
【０００５】
一方、燃料噴射ノズル１０５の戻り側には、逆止弁１１５及び比例弁１１６が直列的に接続されており、往き側流路の第１ポンプ１１０よりも上流側に接続されている。比例弁１１６は、図１０に示すように電磁コイル１１７を内蔵しており、電磁コイル１１７に供給する電力を変化させることでプランジャ１１８を進退させ、弁体１２０と燃料流路１２１との隙間を微調整し、燃料の流量を調整するものである。そのため、従来の燃焼装置１０１では、比例弁１１６に供給する電力量を調整することにより、戻り側流路を流れる燃料の流量を調整し、燃料噴射ノズル１０５における燃料の噴霧量をすることができる。
【０００６】
しかし、従来の燃焼装置１０１では、燃焼作動に伴う雰囲気温度の変化などにより次第に比例弁１１６の温度が変化し、比例弁１１６に内蔵されている電磁コイル１１７の温度も変化する。電磁コイル１１７は、温度変化によりその抵抗値が増減する。そのため、従来の燃焼装置１０１では、燃焼作動に伴う雰囲気温度の変化により、比例弁１１６の開度を調整する電磁コイルに流れる電流量が不安定となり、燃料噴射ノズル１０５における燃料の噴霧量の調整が困難であるという問題を有していた。そこで、従来の燃焼装置１０１では、定電流回路を別途設けることにより電磁弁１１６に供給する電流値を安定化し、燃料の噴霧量を安定化させる必要があった。
【０００７】
また、比例弁１１６は、弁体１２０と燃料流路１２１との隙間を微調整し、燃料の流量を調整するものである。そのため、比例弁１１６は、燃料流路１２１や弁体１２０の形状などの機械的バラツキにより、燃料の流量が大きく変化してしまう。そのため、従来の燃焼装置１０１では、燃料を安定燃焼させるために、コイル１２８に接続された電力調整手段に上記した機械的バラツキを調整するための調整手段を別途設ける必要があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は、上記した問題を解決すべく燃焼装置１０１が備える燃料系統を図１１に示すように改良し、実験を行った。図１１に示す燃料系統は、大部分が上記した従来の燃料系統と同様の構成であるが、比例弁１１６に代わって図３に示すインジェクター弁２５を採用している点が大きく異なる。
【０００９】
ここで、インジェクター弁２５とは、極めて短い時間で断続的に弁体３３を開閉できるものであり、通常は自動車等において燃料の噴霧用として採用されているいるものである。さらに詳細には、インジェクター弁２５は、ケーシング３０の内部にアクチュエーター３１と、電磁コイル３２と、弁体３３とを備えている。インジェクター弁２５は、電磁コイル３２に電流が流れると、アクチュエーター３１が駆動し、弁体３３が開く。
【００１０】
上記したインジェクター弁２５を流量制御弁として用いて実験を行った結果、比例弁１１６等を流量制御弁として採用する場合に比べて、より一層精度よく燃焼量を調整できることが判明した。しかし、燃料の温度が高温であったり、燃焼量の多い状態において実験を行うと、燃焼量の調整が比較的不安定となる虞があった。さらに詳細には、燃料の温度が高温である場合、燃料自体の粘度が低くなり、燃料噴射ノズル１０５内における燃料の旋回力が向上し、燃料噴射ノズル１０５の噴霧開口近傍における燃料の流れ抵抗が増大する。その結果、通常よりも多くの燃料が燃料流路１２１の戻り側流路に戻ってしまい、燃料噴射ノズル１０５における燃料の噴霧量が減少してしまう虞があった。
【００１１】
そこで、燃料の温度が高い場合は、燃料噴射ノズル１０５から燃料流路１２１の戻り側に流出するために、インジェクター弁２５のオンタイムｔを通常よりも短縮する必要がある。また、燃焼量が多い場合、燃料タンク１１３から供給される燃料の大部分が燃料噴射ノズル１０５において噴射されるため、インジェクター弁２５のオンタイムｔは極めて短くなる傾向にある。
【００１２】
インジェクター弁２５の開閉に要する開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF はインジェクター弁２５の機械的特性によるものであり、インジェクター弁２５のオンタイムによらず略一定である。そのため、図１２に示すように燃料の温度が高い場合や、燃焼装置１０１に対して要求される燃焼量が大きい場合のように、インジェクター弁２５のオンタイムｔが所定時間（最低開弁時間）よりも短い場合は、インジェクター弁２５の開閉に要する開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF が無視できない。即ち、オンタイムｔが極めて短く、インジェクター弁２５の開閉を安定して行える最低開弁時間よりも短い場合、オンタイムｔに対して開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF が占める割合が大きく、インジェクター弁２５が完全に開状態である完全開弁時間ｔOPが極めて短い。
【００１３】
開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF は、インジェクター弁２５の弁体３３が完全に開状態あるいは閉状態となる過渡期であり、弁体３３の開度が不安定である。そのため、オンタイムｔが開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF を無視できない程度まで短い状態では、インジェクター弁２５を通過する燃料の流量が安定せず、燃焼装置１０１の燃焼状態が不安定となる虞がある。
【００１４】
そこで本発明は、上記した問題に鑑み、燃料系統に間欠開閉弁を備え、燃焼量が安定した燃焼装置、並びに、当該燃焼装置を具備した湯水加熱装置の提供を目的とした。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記した問題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、前記燃料の温度を検知する温度検知手段を有し、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁と、前記温度検知手段とが設けられており、当該間欠開閉弁は、電磁コイルと、弁体とを備えており、電磁コイルに電流が流れると弁体が開くものであり、燃焼量に応じて弁体の開閉周期に対して前記電磁コイルにパルス電流を印加する時間の比率がデューティー比制御されるものであり、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源の１周期分に相当する周期Ｌ 1 がデューティー比制御の単位時間として認識され、間欠開閉弁の駆動周波数がｆ 1 とされると共に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源のゼロクロス信号の立ち上がりから前記周期Ｌ 1 とデューティー比とを乗じて導出されたオンタイムｔ 1 に相当する時間だけパルス電流が間欠開閉弁の電磁コイルに流され、燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源の２周期分に相当する周期Ｌ 2 がデューティー比制御の単位時間として認識され、間欠開閉弁の駆動周波数が前記ｆ 1 の１／２に相当するｆ 2 とされると共に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源のゼロクロス信号のうち、前記周期Ｌ 2 中における最初のゼロクロス信号の立ち上がりから前記周期Ｌ 2 とデューティー比とを乗じて導出されたオンタイムｔ 2 に相当する時間だけパルス電流が間欠開閉弁の電磁コイルに流されることを特徴とする燃焼装置である。
【００１６】
本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、燃焼能力は複数の領域に区分され、間欠開閉弁の駆動周波数は、前記燃焼能力の区分毎に異なる構成とされている。
【００１７】
かかる構成によれば、デューティー比制御されている間欠開閉弁の駆動周波数を燃焼能力の区分に応じて変動させることにより、間欠開閉弁のオンタイムを延長あるいは短縮することができる。そのため、デューティー比が小さい場合に間欠開閉弁の駆動周波数を低減させることにより、間欠開閉弁のオンタイムを間欠開閉弁の開閉に要する機械的要因等によるタイムラグが無視できる程度にまで長く設定することができる。よって、上記した構成によれば、デューティー比の大小に拘わらず、間欠開閉弁を通過する燃料の流量を安定化することができる。即ち、上記した構成によれば、噴霧手段における燃料の噴霧量を精度良く調整し、燃焼状態を安定化することができる。
【００１８】
本発明の燃焼装置に採用されている間欠開閉弁は、デューティー比制御により単位時間当たりの燃料の流量を変更するものである。そのため、間欠開閉弁が開状態となった時に燃料復路内を流れる燃料の流量は、間欠開閉弁自身や、その近傍の雰囲気温度によらず常に安定している。よって、上記した構成によれば、噴霧手段から噴霧される燃料の量を精度良く調整することができ、要求される燃焼量に応じた量の燃料を噴霧し、完全燃焼することができる。そのため、本発明の燃焼装置は、エネルギー効率が高く、環境に調和した燃焼作動を行うことができる。
【００１９】
上記したように、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススなどの発生量が極めて少なくなる。よって、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００２０】
また、本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、燃焼能力は複数の領域に区分され、要求される燃焼量が燃焼能力の高い区分に属する場合に、前記間欠開閉弁の駆動周波数を低周波数側に切り替える構成とされている。
【００２１】
本発明の燃焼装置は、燃料復路に間欠開閉弁を設けたものであり、要求される燃焼量が大きい場合、燃料復路に設けられた間欠開閉弁のデューティー比を小さくし、オンタイムを短縮する必要がある。上記したように、間欠開閉弁は瞬時に弁体を開閉することができるものではあるが、オンタイムが極めて短い場合、当該オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が大きくなり、燃料の流量が不安定となる虞がある。
【００２２】
上記したように、本発明の燃焼装置は、要求される燃焼量が燃焼能力の高い区分に属する場合に、デューティー比制御されている間欠開閉弁の駆動周波数が低周波側に切り替わり、間欠開閉弁のオンタイムが延長される。そのため、要求される燃焼量の変動に伴い、間欠開閉弁のデューティー比が小さくなっても、前記オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が小さく、燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。従って、本発明の燃焼装置は、燃焼量の大小に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００２３】
また、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量を最低限に抑制できる。よって、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００２４】
本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、当該間欠開閉弁の開弁時間が、最低開弁時間以下である場合に、駆動周波数を低周波数側に切り替える構成とすることも可能である。
【００２５】
上記構成の燃焼装置は、燃料復路に間欠開閉弁を設けたものであり、要求される燃焼量が大きい場合、燃料復路に設けられた間欠開閉弁のデューティー比を小さくし、開弁時間を短縮する必要がある。間欠開閉弁の開弁時間が最低開弁時間以下であると、当該開弁時間に対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が大きくなり、燃料の流量が不安定となってしまう。
【００２６】
上記構成の燃焼装置は、間欠開閉弁の開弁時間が最低開弁時間以下である場合に、デューティー比制御されている間欠開閉弁の駆動周波数が低周波側に切り替わる。そのため、要求される燃焼量の変動に伴い、間欠開閉弁のデューティー比が小さくなっても、前記開弁時間全体に対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が小さく、燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。従って、上記構成の燃焼装置は、燃焼量の大小に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００２７】
また、上記構成の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量を最低限に抑制できる。よって、上記構成の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００２８】
本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、前記燃料の温度を検知する温度検知手段を有し、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、間欠開閉弁の駆動周波数は、前記温度検知手段の検知信号に基づいて切り替えられる構成とされている。
【００２９】
上記したように、燃料の温度が高い場合には、燃料の粘度が低く、噴霧手段における燃料の噴霧量が減少する傾向にあることが本発明者等によって見いだされている。そのため、本発明者等が試作した燃焼装置では、燃料の温度が高い場合に間欠開閉弁のデューティー比を通常よりも小さくし、オンタイムを短縮する必要がある。上記したように、間欠開閉弁のオンタイムが極めて短い場合はオンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が大きくなり、燃料の流量が不安定となる虞がある。
【００３０】
しかし、本発明の燃焼装置では、間欠開閉弁の駆動周波数が、燃料の温度を検知する温度検知手段の検知信号に基づいて切り替えられ、間欠開閉弁のオンタイムが延長あるいは短縮される。そのため、本発明の燃焼装置では、燃料の温度が高く、間欠開閉弁のデューティー比を小さくすべき場合であっても、間欠開閉弁の駆動周期を切り替え、オンタイムを延長することにより、オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合を抑制することができる。従って、上記構成の燃焼装置は、燃料の温度の高低に拘わらず、燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００３１】
また、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量が極めて少ない。そのため、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００３２】
本発明の燃焼装置は、燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、前記燃料の温度を検知する温度検知手段を有し、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁が設けられており、当該間欠開閉弁はデューティー比制御により開閉されるものであり、前記温度検知手段の検知温度が所定温度以上である場合に前記間欠開閉弁の駆動周波数を低周波数側に切り替える構成とされている。
【００３３】
本発明の燃焼装置は、燃料の温度が所定温度以上である場合に間欠開閉弁の駆動周波数を低周波数側に切り替えることにより、間欠開閉弁のオンタイムを延長するものである。そのため、本発明の燃焼装置は、燃料の温度が高い場合であっても、間欠開閉弁のデューティー比を小さくして燃料の粘度の影響による燃料の噴霧量の減少を抑制すると共に、間欠開閉弁の駆動周期を低周波数側に切り替えることにより燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。即ち、本発明の燃焼装置は、燃料の温度が高い場合に間欠開閉弁の駆動周期を低周波数側に切り替えることにより、デューティー比を維持しつつオンタイムを延長することができる。そのため、本発明の燃焼装置では、燃料の温度が高く、間欠開閉弁のデューティー比が小さい場合であっても、オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が小さく、燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。従って、本発明の燃焼装置は、燃料の温度に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００３４】
また、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量が極めて少ない。そのため、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００３５】
本発明の燃焼装置は、燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合における間欠開閉弁の駆動周波数が、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合における間欠開閉弁の駆動周波数よりも低い。
【００３６】
燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合における間欠開閉弁のデューティー比は、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合よりも小さく、間欠開閉弁のオンタイムの大部分が間欠開閉弁の開閉に費やされ、燃料の流量が不安定となる虞がある。しかし、上記したように、本発明の燃焼装置においては、燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合における間欠開閉弁の駆動周波数が、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合における間欠開閉弁の駆動周波数よりも低く、オンタイムが長い。そのため、本発明の燃焼装置では、オンタイムに対して間欠開閉弁の開閉等に要する時間が占める割合が小さく、燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。従って、本発明の燃焼装置は、燃焼量の大小や燃料の温度の高低に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００３７】
また、本発明の燃焼装置は、燃焼状態が安定しているため、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素などの有毒ガスやススの発生量が極めて少ない。そのため、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置の故障も少ない。
【００３８】
本発明の燃焼装置は、間欠開閉弁が、燃料ポンプを駆動する交流電源のゼロクロス信号のタイミングに基づいて開閉する構成とされている。
【００３９】
かかる構成によれば、弁体をポンプの交流電源に同期した一定の周期で開閉することができるため、噴霧手段に供給される燃料の圧力変動が最小限に抑制される。そのため、本発明の燃焼装置は、燃料を常にほぼ一定の圧力およびタイミングで噴霧することができる。よって、本発明の燃焼装置は、燃料を安定燃焼することができ、燃焼騒音を最小限に抑制することができる。
【００４０】
また、本発明の燃焼装置において、噴霧手段から噴霧される燃料は、燃焼量によらずほぼ一定の噴霧圧で噴霧される。噴霧手段から噴霧された燃料は、噴霧量に関わらずほぼ一定のパターンで拡散され、空気と混合される。そのため、本発明の燃焼装置は、燃料の噴霧量によらず燃料と空気との混合状態がほぼ一定であり、燃料を安定燃焼することが可能である。
【００４１】
本発明の燃焼装置は、燃焼量に関わらず燃焼駆動が安定しているため、一酸化炭素などの有害ガスや、ススなどの発生量が極めて少ない。そのため、本発明の燃焼装置は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススなどの堆積に伴う装置の故障を最小限に抑制することができる。
【００４２】
請求項２に記載の発明は、燃焼部と、水を加熱する熱交換部を有し、燃焼部で発生した燃焼ガスを熱交換部に送り、熱交換部で水を加熱する湯水加熱装置において、燃焼部には請求項１に記載の燃焼装置を具備していることを特徴とする湯水加熱装置である。
【００４３】
また、請求項２に記載の湯水加熱装置は、湯水が溜められる貯留部と、貯留部を貫通する燃焼ガス通路部を有し、燃焼部で発生した燃焼ガスを燃焼ガス通路部に導入して貯留部内の水を加熱することを特徴とするものであってもよい。（請求項３）
【００４４】
上記した各湯水加熱装置において採用されている燃焼装置は、燃料の温度の高低や、要求される燃焼量の大小に拘わらず安定した燃焼駆動が可能であり、要求される燃焼量に相応した熱エネルギーを放出することができる。即ち、上記した燃焼装置は、燃焼量が変化しても、要求に応じて的確に熱エネルギーを熱交換部に付与することができる。よって、かかる燃焼装置を備えた本発明の湯水加熱装置は、燃焼部における燃焼可能範囲が広く、湯水を幅広い温度範囲で精度よく加熱できる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明の一実施形態である燃焼装置および当該燃焼装置を備えた湯水加熱装置について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である燃焼装置を備えた給湯装置（湯水加熱装置）を示す正面図である。また、図２は、図１に示す給湯装置において、燃焼装置が備えている燃料流路を示す図である。図３は、図１に示す燃焼装置が具備しているインジェクター弁を示す断面図である。図４は、図１に示す給湯装置における配管系統を示す図である。図５（ａ）は、図１に示す燃焼装置が備える電磁ポンプに印加される電源の周期変動を示すグラフであり、同（ｂ）は同（ａ）に基づき発信されるゼロクロス信号を示すグラフである。また、同（ｃ）は同（ａ）に示す電源を整流した場合の周期変動を示すグラフであり、同（ｄ）は同（ｃ）に示す電源が印加された際におけるポンプの圧力変動を示すグラフである。また、同（ｅ），（ｆ）は、インジェクター弁に印加されるパルス信号を示すグラフである。図６は、本実施形態の燃焼装置におけるインジェクター弁のオンタイムと燃料噴射ノズルにおける燃料の噴霧量の関係を示すグラフである。図７は、本発明の別の実施形態である給湯装置における配管系統を示す模式図である。
【００４６】
図１において、１は給湯装置（湯水加熱装置）であり、給湯装置１は燃焼装置２を備えている。給湯装置１は、燃焼装置２の下方に燃焼ケース３と熱交換器５とを備えている。燃焼ケース３は、燃焼装置２における燃焼作動に伴い発生する高温の燃焼ガスが流れる部分である。燃焼ケース３の周囲には、燃焼ケース３内を流れる高温の燃焼ガスにより燃焼ケース３が過度に高温となるのを防止すべく、水管６が巻き付けられている。
【００４７】
熱交換器５は、燃焼ケース３の下方にあり、燃焼ケース３内に水管９を挿通したものである。熱交換器５は、燃焼ケース３内を流れる高温の燃焼ガスとの熱交換により、水管９内の湯水を加熱するものである。
【００４８】
燃焼装置２は、空気ケース７の内部に端部が開放したノズル収納筒８と、ノズル収納筒８の端部に接続された燃焼筒１０とを具備している。空気ケース７には、燃焼筒１０内に空気を送り込むための送風機１１が接続されている。また、ノズル収納筒８の内側には、燃料を燃焼筒１０側に向けて噴霧するための燃料噴射ノズル１２（噴霧手段）が収納されている。
【００４９】
燃料噴射ノズル１２は、燃料を噴霧するための噴霧開口（図示せず）を有する。燃料噴射ノズル１２は、内部に噴霧開口に至る燃料往路（図示せず）と燃料復路（図示せず）とを具備した、いわゆる戻り型ノズルである。即ち、燃料噴射ノズル１２は、燃料往路を介して燃料噴射ノズル１２の外部から供給された燃料を噴霧開口から噴霧し、噴霧されずに残った燃料を燃料復路を通じて排出する構成を有する。
【００５０】
燃料噴射ノズル１２は、図２に示すように燃料流路１３を介して燃料が貯留されている燃料タンク１５に接続されている。燃料流路１３は、大別して前記した燃料噴射ノズル１２の燃料往路と連通する燃料往路１６と、燃料噴射ノズル１２の燃料復路と連通する燃料復路１７とにより構成されている。
【００５１】
燃料往路１６は、燃料タンク１５内に貯留されている燃料を燃料噴射ノズル１２に供給するための流路である。燃料往路１６は、燃料タンク１５と燃料噴射ノズル１２とを直列的に接続したものである。燃料往路１６の中途には、電磁ポンプ１８、電磁弁２０および、逆止弁２１が設けられている。逆止弁２１は常時は閉成されており、開成とするのに必要な圧力（最低作動圧）は、燃料往路１６に接続された燃料タンク１５内に貯留されている燃料の位置水頭よりも大きい。即ち、逆止弁２１は、燃料タンク１５内に貯留されている燃料の影響で逆止弁２１に作用する圧力は、逆止弁２１を開成するのに必要な最低作動圧に満たない。そのため、燃料タンク１５内に貯留されている燃料は、電磁ポンプ１８によって加圧しない限り燃料噴射ノズル１２側には流れ出さない。
【００５２】
上記したように、逆止弁２１は、常時は閉成されており、燃料タンク１５内に貯留されている燃料の影響で逆止弁２１に作用する圧力が作用するだけでは開成されないものである。そのため、燃焼装置２が燃焼停止中であるなどして、燃料噴射ノズル１２への燃料の供給を防止すべき場合は、例え何らかの理由で電磁弁２０が開状態となってしまっても、逆止弁２１において燃料の流れが食い止められ、燃料の漏出を確実に防止することができる。また逆に燃料を噴霧すべき時は、燃料タンク１５から供給される燃料は、電磁ポンプ１８によって加圧される。そのため、電磁ポンプ１８で加圧された燃料は、逆止弁２１を通過し、燃料噴射ノズル１２から噴射される。
【００５３】
燃料復路１７は、燃料噴射ノズル１２において噴霧されずに残った燃料を燃料タンク１５側に戻すものである。燃料復路１７の下流端側は、燃料往路１６の中途であって、電磁ポンプ１８よりも上流側（燃料タンク１５側）に接続されている。燃料復路１７の中途には、燃料復路１７内を流れる燃料の温度を検知する温度センサ２２（温度検知手段）が設けられている。また、温度センサ２２の下流側には燃料噴射ノズル１２側から燃料タンク１５側へ燃料を流し、燃料の逆流を阻止すべく逆止弁２３が設けられている。逆止弁２３の下流側には、断続的又は周期的に開閉するインジェクター弁２５（間欠開閉弁）が設けられている。また、インジェクター弁２５と逆止弁２３との間には、燃料復路１７内を流れる燃料の圧力を緩衝すべく、アキュムレータ２６が設けられている。
【００５４】
インジェクター弁２５は、極めて短い時間で断続的あるいは周期的に開閉する機能を備えたものである。インジェクター弁２５は、図３に示すようにケーシング３０内にアクチュエータ３１と、アクチュエータ３１を駆動させるための電磁コイル３２と、アクチュエータ３１に連動する弁体３３とを備えている。ケーシング３０の両端部には、ケーシング３０内に燃料を供給するための燃料流入口３５と、燃料を流出する燃料流出口３６とが設けられている。また、ケーシング３０の内部には、燃料流入口３５から流入した燃料が流通する流路３７が設けられている。
【００５５】
ケーシング３０には、接続端子３８が設けられている。接続端子３８は、電磁コイル３２に接続されており、接続端子３８を介して電流を供給すると電磁コイル３２が励磁される。その結果、ケーシング３０内のアクチュエータ３１が駆動し、アクチュエータ３１と連動して弁体３３が開く。即ち、本実施形態で採用するインジェクター弁２５は、電磁コイル３２に電流が供給されている間、弁体３３が開き、電流が停止すると弁体３３が閉じる。弁体３３は、極めて鋭敏に反応し、瞬間的に開閉される。また、インジェクター弁２５は、電磁コイル３２への通電の停止中は、弁体３３が完全に閉止している。即ち、インジェクター弁１２は、電磁コイル３２への通電を停止することにより、燃料復路１７を完全に閉止することができる。
【００５６】
接続端子３８は、図２，３に示すように燃料噴射ノズル１２から噴霧される燃料の噴霧量や送風機１１の駆動を制御する制御手段４０に接続されている。制御手段４０は、電磁コイル３２への通電を周期的あるいは断続的に行わせることにより弁体３３の開閉を制御し、燃料噴射ノズル３から噴霧される燃料の噴霧量を調整し、燃焼量を制御する。
【００５７】
温度センサ２２は、燃料噴射ノズル１２から燃料復路１７に戻された燃料の温度を検知するものであり、制御手段４０に接続されている。
【００５８】
燃焼装置２が燃焼作動中である場合、制御手段４０は、弁体３３の開閉周期Ｌと、当該開閉周期Ｌ中に占めるオンタイムｔとをデューティー比制御することにより、弁体３３の開閉を制御し、燃料噴射ノズル１２からの燃料の噴霧量を調整する。即ち、制御手段４０は、燃焼装置２に要求される燃焼量に応じて弁体の開閉周期Ｌと、開閉周期Ｌに対する燃料噴射ノズル１２の電磁コイル３２へパルス電流ｉを印加する時間の比率（デューティー比ｒ）を制御し、燃料復路１７内を流れる燃料の流量を調整することにより燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量を調整する。
【００５９】
制御手段４０は、電磁ポンプ１８の電源に同期したパルス電流ｉをインジェクター弁２５の電磁コイル３２に供給し、弁体３３の開閉を行う。以下において、燃焼装置２が燃焼作動中である間に、制御手段４０から発信されるパルス信号について説明する。
【００６０】
電磁ポンプ１８には、図５（ａ）に示すように一定周期で位相変化する交流電源が供給されており、この交流電源が図５（ｃ）に示すように整流された後に印加されている。そのため、電磁ポンプ１８が燃料を送り出す圧力は、図５（ｄ）に示すように、電磁ポンプ１８に印加される電源の位相変化に追従して、一定の周期で変化する。制御手段４０は、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源の電流がゼロとなる点（ゼロクロス点）を検出し、図５（ｂ）に示すようなゼロクロス信号を検知する。
【００６１】
制御手段４０は、燃焼装置２に要求される燃焼量（要求燃焼量Ｑ）に応じてデューティー比ｒを決定する。制御手段４０は、温度センサ２２の検知温度ｋあるいは要求燃焼量Ｑに基づきデューティー比制御の単位時間、即ちインジェクター弁２５の弁体３３の開閉を行う電磁コイル３２に印加する電源の周波数を決定する。
【００６２】
さらに詳細には、制御手段４０は、温度センサ２２により、燃料復路１７内を流れる燃料の温度を検知し、この検知温度ｋが所定の温度（境界温度Ｋ）以下である場合には、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源の１周期分に相当する時間（周期Ｌ1 ）をデューティー比制御の単位時間として認識し、電磁コイル３２に印加する電源周波数をｆ1 とする。一方、温度センサ２２の検知温度ｋが境界温度Ｋよりも高い場合は、周期Ｌの２倍に相当する周期Ｌ2 （Ｌ2 ＝２Ｌ1 ）をデューティー比制御の単位時間として認識し、電磁コイル３２に印加する電源周波数をｆ2 （ｆ2 ＝ｆ1 ／２）とする。
【００６３】
また同様に、制御装置４０は、燃焼装置２に要求される要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源の周期Ｌ1 をデューティー比制御の単位時間として認識し、電磁コイル３２に印加する電源周波数をｆ1 とする。一方、燃焼装置２に要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源の２周期分に相当する周期Ｌ2 （Ｌ2 ＝２Ｌ1 ）をデューティー比制御の単位時間として認識し、電磁コイル３２に印加する電源周波数をｆ2 （ｆ2 ＝ｆ1 ／２）とする。
【００６４】
制御手段４０は、周期Ｌ1 ，Ｌ2 およびデューティー比ｒに基づきオンタイムｔを決定する。さらに具体的には、制御手段４０は、周期Ｌ1 ，Ｌ2 とデューティー比ｒとを乗じることによりオンタイムｔ1 およびｔ2 を決定する。温度センサ２２の検知温度ｋが境界温度Ｋ以下である場合、あるいは、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合、制御手段４０は、図５（ｅ）に示すように、ゼロクロス信号の立ち上がりからオンタイムｔ1 に相当する時間だけパルス電流ｉを接続端子３８に向けて発信する。換言すれば、制御手段４０は、燃料の温度が境界温度Ｋ以下である場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合のように、単位時間当たりにおけるインジェクター弁２５の開弁時間がインジェクター弁２５を安定して開閉できる最低開弁時間よりも長い場合、インジェクター弁２５の駆動周波数をｆ1 とする。
【００６５】
また逆に、温度センサ２２の検知温度ｋが境界温度Ｋよりも高い場合、あるいは、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合、制御手段４０は、図５（ｆ）に示すように周期Ｌ2 中における最初のゼロクロス信号の立ち上がりからオンタイムｔ2 に相当する時間、即ち上記したオンタイムｔ1 の２倍に相当する時間だけパルス信号ｉを発信する。換言すれば、制御手段４０は、燃料の温度が境界温度Ｋよりも高い場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合のように、単位時間当たりにおけるインジェクター弁２５の開弁時間が上記した最低開弁時間よりも短く、インジェクター弁２５の開閉による燃料の流量が不安定である場合にインジェクター弁２５の駆動周波数をｆ1 よりも小さなｆ2 に切り替え、インジェクター弁２５の開閉および燃料の噴霧量の安定化を図る。
【００６６】
上記したように、温度センサ２２の検知温度ｋが境界温度Ｋよりも高い場合のオンタイムｔ2 は、図６に示すようにオンタイムｔ1 の略２倍であり、オンタイムｔ1 よりも十分長い。そのため、検知温度ｋが境界温度Ｋを超える場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合のように、デューティー比ｒが極めて小さい場合であっても、オンタイムｔ2 が通常時のオンタイムｔ1 の２倍であるため、インジェクター弁２５の開閉に要する開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF が、オンタイムｔ全体に対して無視できる程度に小さい。従って、上記した燃焼装置２では、オンタイムｔ2 中にインジェクター弁２５を通過する燃料の流量が安定しており、燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量が安定している。
【００６７】
本実施形態の燃焼装置２において、燃料噴霧ノズル１２には、電磁ポンプ１８により加圧された燃料が供給されている。ここで、電磁ポンプ１８は、燃料の流量にかかわらず常にほぼ一定の吐出圧を付している。そのため、燃焼装置２において、インジェクター弁２５の弁体３３には常時一定の圧力が作用している。
【００６８】
接続端子３８にパルス電流が流れると、弁体３３が開きインジェクター弁２５の燃料流出口から燃料が噴霧される。ここで上記したように、燃料の噴射量に係わらず、弁体３３には常時一定の圧力が掛かっているため、接続端子３８にパルス電流が流れ、弁体３３が開いた際にインジェクター弁２５の燃料流出口から流れ出る燃料の圧力は常時一定である。そのため接続端子３８に供給されるパルス電流ｉがＯＮになると、常に単位時間当たりに一定量の燃料が一定圧力で流出される。従って、インジェクター弁２５から流出する燃料の流量は、単位時間当たりに弁体３３が開いている時間の長短、即ちデューティー比ｒによって調整できる。よって、インジェクター弁２５からの燃料の流出量は、制御手段４０によりデューティー比制御することにより調整することができる。
【００６９】
上記した燃料噴霧ノズル１２は、図１に示すように従来の燃焼装置１０１と同様のノズル収納筒８内に収納されている。ノズル収納筒８は、燃料噴射ノズル１２を直接内蔵するノズル収納内筒５０と、その外側に設けられたノズル収納外筒５１とによる２重構造となっている。
【００７０】
ノズル収納内筒５０は、内部に燃料噴霧ノズル１２と、燃料噴霧ノズル１２から噴霧された燃料を点火するための点火プラグ５２とを収納している。ノズル収納筒８は、燃焼筒１０と接続されて一体化されている。ノズル収納内筒５０およびノズル収納外筒５１の側面には、燃焼筒１０の内部に空気を導入するための空気導入孔（図示せず）が設けられている。
【００７１】
燃焼筒１０は、図１に示す様に二段形状の筒体であり、ノズル収納筒８に接続された第１燃焼筒５３と、当該第１燃焼筒５３に連続し、第１燃焼筒５３よりも大径の第２燃焼筒５５とから構成されている。第１燃焼筒５３の周部には、燃焼筒６内に空気を導入するための空気導入口５６が複数設けられている。また同様に、第２燃焼筒５５の周部にも、燃焼筒６内に空気を導入するための空気導入口５７が複数設けられている。また、第２燃焼筒５５の下方には、燃焼筒８内における燃料の攪拌を促進するための燃料拡散部材５８が取り付けられている。
【００７２】
燃料噴霧ノズル１２から噴霧された燃料は、燃焼筒１０および燃焼ケース３内において所定のパターンで拡散した後燃焼し、高温の燃焼ガスを発生する。この燃焼ガスは、燃焼ケース４の下方に配置された熱交換器５において熱交換を行い、水管９内の水を加熱する。
【００７３】
熱交換器５には、図４に示すように流水回路６０が接続されている。流水回路６０は、カランなどに接続され外部に湯水を流出する、いわゆる給湯回路である。流水回路６０は、熱交換器５に外部から水を給水する給水回路６１と、熱交換器５において加熱された湯水が流れる給湯回路６２と、給水回路６１から分岐されたバイパス回路６３とを有し、要求に応じて外部に湯水を供給するものである。そしてバイパス回路６３を流れる冷水のバイパス水量と給湯回路２０に流れる高温の湯水の量とをバイパス水量調節弁６５によって調節し、これらの湯水を混合して湯水の温度を調節する。
【００７４】
給湯回路６２とバイパス回路６３との混合部分の下流側には、水量調節弁６６と出湯センサ６７とが設けられている。出湯センサ６７によって検知された温度が前記したバイパス水量調節弁６５等にフィードバックされると共に、水量調節弁６６によって総水量が調節される。給水回路６１には、水量センサ６８と、温度センサ６９が設けられている。制御手段４０は、水量センサ６８および温度センサ６９の検知信号に基づき、高温湯の温度が８０℃程度となるように燃焼装置２における燃焼量を調節する。
【００７５】
上記したように、本実施形態の給湯装置１が備える燃焼装置２は、燃料流路１３内を流れる燃料の温度ｋあるいは燃焼装置２に対する要求燃焼量Ｑに応じてインジェクター弁２５の電磁コイル３２に印加される電源の周波数を調整するものである。
【００７６】
上記したように、本実施形態の燃焼装置２は、燃料の温度ｋや要求燃焼量Ｑに拘わらず燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量が安定している。また、燃料往路１６の中途に設けられている電磁ポンプは一定の圧力で燃料を吐出するものであるため、燃料は燃料噴射ノズル１２から燃焼筒１０に向けて一定のパターンで噴霧される。即ち、本実施形態の燃焼装置２は、燃料の噴霧状態が極めて安定している。そのため、燃焼筒１０内に噴霧された燃料は、燃焼筒１０内において空気と十分混合された後、完全燃焼される。従って、上記した燃焼装置２は、燃焼状態が安定しており、エネルギー効率が高い。
【００７７】
上記した燃焼装置２は、電磁ポンプ１８に印加されている交流電源に同期してインジェクター弁２５の開閉を行うものであるため、電磁ポンプ１８の圧力変動が小さい。そのため、燃焼装置２は、燃料噴射ノズル１２から噴霧される燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態が安定している。
【００７８】
また、燃焼装置２は、燃焼状態が安定しているため、一酸化炭素などの有毒ガスやススのような燃料の不完全燃焼によって発生する有害物質の発生量を最低限に抑制できる。よって、燃焼装置２は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、ススの堆積などによる燃焼装置２の故障も少ない。
【００７９】
また、本実施形態の給湯装置１では、燃焼装置２が燃料の供給量に見合った燃焼量を得ることができるため、熱交換器５の水管９内を流れる湯水を所望の温度まで精度良く加熱することができる。
【００８０】
また、本実施形態の燃焼装置２において、燃料の温度ｋが境界温度Ｋ以下である場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合、インジェクター弁２５は、電磁ポンプ１８に印加されている電源の周期変動に同期した周波数ｆ1 で開弁されるため、燃料復路１７内の燃料の流量が脈動せずスムーズに流れる。従って、燃焼装置２において、燃料噴射ノズル１２に供給される燃料の圧力変動が極めて小さく、常に一定の圧力およびタイミングで燃料が噴霧される。そのため、燃料の温度ｋが境界温度Ｋ以下である場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb 以下である場合、燃焼装置２は、燃料を安定燃焼する共に、燃焼作動に伴い発生する燃焼騒音も最小限に抑制することができる。
【００８１】
またさらに、燃料の温度ｋが境界温度Ｋを超える場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合において、インジェクター弁２５は、上記した周波数ｆ1 の半分の周波数であるｆ2 で開弁される。そのため、燃料復路１７内の燃料の流量がほとんど脈動することなくスムーズに流れる。従って、燃焼装置２において、燃料噴射ノズル１２に供給される燃料の圧力変動が小さく、常にほぼ一定の圧力およびタイミングで燃料が噴霧される。そのため、燃料の温度ｋが境界温度Ｋを超える場合や、要求燃焼量Ｑが境界燃焼量Ｑb を超える場合であっても、燃焼装置２は、燃料を安定燃焼することができ、燃焼作動に伴い発生する燃焼騒音についても最小限に抑制することができる。
【００８２】
上記した実施形態において、給湯装置１は、燃焼装置２と、湯水を加熱する熱交換器５とを有し、燃焼装置２において発生した高温の燃焼ガスを熱交換器５側に送ることによって水管９内の湯水を加熱するものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図７に示すようなものとすることが可能である。
【００８３】
図７は、本発明の一実施形態である給湯装置７０を示す模式図である。給湯装置７０は、大別して本体部７１と燃焼部７２と消音器７３により構成されている。
【００８４】
本体部７１は、大きく燃焼空間部７５と貯留部７６とに分かれている。燃焼部７２と燃焼空間部７５とは、貯留部７６内に貯留される熱媒体を加熱する加熱手段７７として機能する。本体部７１は、全体形状が円筒形であり、２重構造となっており、その内部に湯水を貯留するための貯留部７６が形成されている。貯留部７６には、複数の燃焼ガス通路７８が形成されている。燃焼ガス通路７８は、貯留部７６を軸方向に貫通する貫通孔である。
【００８５】
燃焼部７２には、上記実施形態におけるものと同一の燃焼装置２が採用されており、本体部７１の下方に位置する燃焼空間部７５に接続されている。燃焼装置２は、ノズル収納筒７と燃焼筒８と送風機９とを有し、燃焼筒８の開口端が燃焼空間部７５側を向くように配置されている。
【００８６】
一方、本体部７１の上部には、消音器７３が設けられている。消音器７３は、内部がラビリンス構造となっており、燃焼音を低減させるものである。なお、図７において、消音器７３のラビリンス構造は図示せず省略している。
【００８７】
貯留部７６には、上記第１実施形態の給湯装置１におけるのと同様の流水回路６０が接続されている。即ち、貯留部７６の入水口８１には、外部から水を給水する給水回路６１が接続され、貯留部７６の出湯口８３には、貯留部７６において加熱された湯水が流れ出る給湯回路６２が接続されている。
【００８８】
燃焼装置２は、貯留部７６内の湯水の温度が８０℃程度となる様に燃焼量が調整される。即ち、貯留部７６内の湯水の温度に基づき、制御手段４０により、インジェクター弁２５の電磁コイル３２に流す電流が調整され、弁体３３が断続的あるいは周期的に開閉する。
【００８９】
本実施形態の給湯装置７０は、燃焼装置２の燃料復路１７にインジェクター弁２５を設けているため、燃料の噴霧量を的確に調整し、燃焼することができる。また、燃焼装置２において、燃料噴射ノズル１２から噴霧される燃料は、常時ほぼ一定の噴霧圧で噴霧される。そのため、燃料は、燃焼筒８内に一定のパターンで拡散し、空気と十分混合される。よって、本実施形態の給湯装置７０は、燃料を完全燃焼し、湯水を所望の温度まで的確に昇温させることができる。
【００９０】
上記したように、燃焼装置２は、燃料流路１３内を流れる燃料の温度ｋが境界温度Ｋよりも高い場合、あるいは、要求燃焼量Ｑが大きい場合に、インジェクター弁２５の電磁コイル３２に印加される電源の周波数を小さくしている。そのため、インジェクター弁２５の開閉に要する開弁所要時間ｔONおよび閉弁所要時間ｔOFF は、オンタイムｔ全体に対して無視できる程度に短い。即ち、インジェクター弁２５が完全に開状態となっている完全開弁時間ｔOPは、オンタイムｔとほぼ同一である。従って、燃焼装置２によれば、燃料復路１７内を流れる燃料の流量を精度良く調整することができ、燃料噴射ノズル２５からほぼ所定量の燃料を噴霧することができる。そのため、燃焼装置２によれば、要求燃焼量Ｑに見合った燃焼量を確実に得ることができ、熱交換器５の水管９内の湯水を所定温度まで加熱することができる。
【００９１】
また、燃焼装置２は、要求燃焼量Ｑや燃料の温度ｋに拘わらず燃焼状態が安定しているため、一酸化炭素などの有害ガスや、ススなどの発生量が極めて少ない。そのため、燃焼装置２は、環境に調和した燃焼駆動が可能であり、燃焼駆動時に発生するススなどの堆積に伴う装置の故障もほとんどない。
【００９２】
また、給湯装置７０は、上記した給湯装置１と同様に、２個の逆止弁２１，２３と、電磁弁２０と、インジェクター弁２５とにより、燃料往路１６および燃料復路１７をそれぞれ２重に閉止するものであるため、燃料タンク１５に対する燃料漏れを確実に防止することができる。
【００９３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、噴霧手段における燃料の噴霧量を精度良く調整し、燃焼状態を安定化することができる。
【００９４】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼量の大小に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態を安定することができる。
【００９５】
請求項１に記載の発明によれば、燃料の温度の高低に拘わらず、燃料の噴霧量を精度良く調整し、燃焼状態の安定化を図ることができる。
【００９６】
請求項１に記載の発明によれば、燃料の温度が高い場合であっても、間欠開閉弁のデューティー比を小さして燃料の粘度の影響による燃料の噴霧量の減少を抑制すると共に、間欠開閉弁の駆動周期を低周波数側に切り替えることにより燃料の噴霧量を精度良く調整することができる。
【００９７】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼量の大小や燃料温度の高低に拘わらず燃料の噴霧量を精度良く調整することができ、燃焼状態を安定化できる。
【００９８】
請求項１に記載の発明によれば、弁体をポンプの交流電源に同期した一定の周期で開閉させ、噴霧手段から燃料を常にほぼ一定の圧力およびタイミングで噴霧することができる。
【００９９】
請求項２，３に記載の湯水加熱装置は、燃焼部における燃焼可能範囲が広く、湯水を幅広い温度範囲で精度よく加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態である燃焼装置を備えた給湯装置を示す正面図である。
【図２】 図１に示す給湯装置が備える燃焼装置に採用されている燃料流路を示す図である。
【図３】 図１に示す燃焼装置が具備しているインジェクター弁を示す断面図である。
【図４】 図１に示す給湯装置における配管系統を示す図である。
【図５】 （ａ）は、図１に示す燃焼装置が備える電磁ポンプに印加される電源の周期変動を示すグラフであり、同（ｂ）は同（ａ）に基づき発信されるゼロクロス信号を示すグラフである。また、同（ｃ）は同（ａ）に示す電源を整流した場合の周期変動を示すグラフであり、同（ｄ）は同（ｃ）に示す電源が印加された際におけるポンプの圧力変動を示すグラフである。また、同（ｅ），（ｆ）は、インジェクター弁に印加されるパルス信号を示すグラフである。
【図６】 図１に示す燃焼装置におけるインジェクター弁のオンタイムと燃料噴射ノズルにおける燃料の噴霧量の関係を示すグラフである。
【図７】 本発明の別の実施形態である給湯装置における配管系統を示す模式図である。
【図８】 従来の給湯装置および燃焼装置の要部を示す模式図である。
【図９】 従来の燃焼装置において採用されている燃料系統を示す図である。
【図１０】 従来の燃焼装置が備える比例弁の断面図である。
【図１１】 従来の燃焼装置において採用されている燃料系統を示す図である。
【図１２】 インジェクター弁の開度とオンタイムとの関係を示す模式図である。
【符号の説明】
１，７０ 給湯装置
２ 燃焼装置
３ 燃焼ケース
５ 熱交換器
９ 水管
１２ 燃料噴射ノズル（噴霧手段）
１６ 燃料往路
１７ 燃料復路
１８ 電磁ポンプ
２２ 温度センサ
２５ インジェクター弁（間欠開閉弁）
４０ 制御手段
７２ 燃焼部
７６ 貯留部
７８ 燃焼ガス通路
Claims (3)
- 燃料を噴霧する噴霧手段と、当該噴霧手段に燃料を供給する燃料往路と、当該燃料往路の中途に設けられ、燃料を前記噴霧手段に送る燃料ポンプと、前記燃料往路を介して噴霧手段に供給された燃料の一部を、前記燃料往路に設けられた燃料ポンプよりも上流側に戻す燃料復路とを備えた燃焼装置において、前記燃料の温度を検知する温度検知手段を有し、燃料復路の中途には、周期的に開閉可能な間欠開閉弁と、前記温度検知手段とが設けられており、当該間欠開閉弁は、電磁コイルと、弁体とを備えており、電磁コイルに電流が流れると弁体が開くものであり、燃焼量に応じて弁体の開閉周期に対して前記電磁コイルにパルス電流を印加する時間の比率がデューティー比制御されるものであり、燃焼量が少ない場合及び／又は燃料の温度が低い場合に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源の１周期分に相当する周期Ｌ 1 がデューティー比制御の単位時間として認識され、間欠開閉弁の駆動周波数がｆ 1 とされると共に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源のゼロクロス信号の立ち上がりから前記周期Ｌ 1 とデューティー比とを乗じて導出されたオンタイムｔ 1 に相当する時間だけパルス電流が間欠開閉弁の電磁コイルに流され、燃焼量が多い場合及び／又は燃料の温度が高い場合に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源の２周期分に相当する周期Ｌ 2 がデューティー比制御の単位時間として認識され、間欠開閉弁の駆動周波数が前記ｆ 1 の１／２に相当するｆ 2 とされると共に、前記燃料ポンプに印加されている交流電源のゼロクロス信号のうち、前記周期Ｌ 2 中における最初のゼロクロス信号の立ち上がりから前記周期Ｌ 2 とデューティー比とを乗じて導出されたオンタイムｔ 2 に相当する時間だけパルス電流が間欠開閉弁の電磁コイルに流されることを特徴とする燃焼装置。
- 燃焼部と、水を加熱する熱交換部を有し、燃焼部で発生した燃焼ガスを熱交換部に送り、熱交換部で水を加熱する湯水加熱装置において、燃焼部には請求項１に記載の燃焼装置を具備していることを特徴とする湯水加熱装置。
- 湯水が溜められる貯留部と、貯留部を貫通する燃焼ガス通路部を有し、燃焼部で発生した燃焼ガスを燃焼ガス通路部に導入して貯留部内の水を加熱することを特徴とする請求項２に記載の湯水加熱装置。
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