JP4054988B2 - 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、湯水加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術では、湯水加熱装置における湯温を精度よく調整すべく、様々な方策が講じられている。その一例として、下記の特許文献１に示されているような方法がある。特許文献１に開示されている制御方法では、要求燃焼量が、バーナが安定して発熱可能な発熱量の下限よりも低い場合にフィードフォワード制御によりバーナの燃焼を間欠的にオン・オフさせると共に、要求燃焼量が大きい場合にフィードフォワード制御とフィードバック制御とにより燃焼動作を制御するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−４８１４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来技術の湯水加熱装置では、比例制御およびオン・オフ制御を適宜組み合わせるなどして加熱手段の燃焼動作を制御し、出湯温度の安定化を図っている。従来技術の湯水加熱装置では、通常の使用条件の下では出湯温度が所定の温度以下に維持されるが、加熱された湯水の温度がある一定の温度を越えた状態で通常の燃焼動作を継続すると湯水が沸騰し、これに伴って異音が発生したり湯水加熱装置自身が損傷してしまうという問題が発生する。
【０００５】
また、従来技術の湯水加熱装置のうち、特に燃料を噴霧して燃焼する噴霧式の加熱手段を備えたものでは、比例制御によって制御可能な燃焼量の下限値、即ち最小燃焼量が大きく、要求燃焼量がこの最小燃焼量より小さい場合はオン・オフ制御によって燃焼量が制御されている。従って、噴霧式の加熱手段を採用した湯水加熱装置では、オン・オフ制御によって燃焼量制御される頻度が高く、オン・オフ制御の制御安定性がより一層重要となる。
【０００６】
そこで本発明者らは、常時は比例制御によって加熱手段の動作を制御して湯温を調整し、この湯温が所定の温度を越える場合に加熱手段を一定の燃焼量でオン・オフ制御する湯水加熱装置を作成し、研究を重ねた。そしてその結果、湯水加熱装置を上記した構成とすることによって、通常の使用条件の下では出湯温度をある一定の温度以下に維持できることが判明した。しかし、本発明者らがさらに研究を重ねたところ、出湯流量が少なく湯水を設定温度に加熱するために要求される燃焼量が高い条件下や、太陽熱温水器等の外部に配置された加熱装置で予熱された湯水が入水する場合のように加熱手段への入水温度と設定温度との差が小さい条件下では、加熱手段を一定の燃焼量でオン・オフ制御するだけでは湯水が必要以上に加熱され、沸騰してしまうという事態が発生した。
【０００７】
さらに具体的に説明すると、本発明者らは、比例燃焼制御により湯水を加熱し、所定の温度を越えた時にオン・オフ燃焼制御を行う構成について研究を重ねた。その結果、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に燃焼状態が移行する直前の要求燃焼量Ｑが、オンオフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量Ｈに近いと、燃焼状態がオン・オフ燃焼領域に移行しても引き続き湯温が上昇してしまい、熱交換器内の湯水が沸騰するという事態が発生した。ここで、湯水の沸騰を防止する機能のみを考慮すれば、上記した条件下において加熱手段における燃焼を停止すればよいが、この場合、出湯温度を要求される設定温度に正確に調整できず、出湯特性が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
そこで本発明では、出湯流量が少ない場合や、入水温度と設定温度との差が小さい場合等であっても湯水の沸騰や出湯特性の低下が起らない湯水加熱装置の提供を目的とした。
【０００９】
【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、燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段に要求される要求燃焼量が所定の燃焼量以上である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記要求燃焼量が所定の燃焼量未満である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により加熱手段の燃焼量が制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて調整可能であり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置である。
【００１０】
また同様の課題を解決すべく提供される請求項２に記載の発明は、燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段に要求される要求燃焼量が所定の燃焼量以上である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記要求燃焼量が所定の燃焼量未満である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて複数段階に切り替え可能であり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置である。
【００１１】
本発明の湯水加熱装置では、例えば請求項５に記載のように燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に応じて、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を決定することが可能である。かかる構成によれば、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行しても、湯温の急激な変化が起らず、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。
【００１２】
本発明の給湯装置は、要求燃焼量の大小によらず、燃焼状態がオン・オフ燃焼領域にある場合の湯温が安定している。そのため、出湯量の変動がある状況下や、予めある程度加熱された湯水が外部から供給される可能性がある状況下で使用されても、湯温の急激な変化が起らず、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。また、上記した構成によれば、燃料を噴霧して燃焼する噴霧式の加熱手段のように、比例制御によって制御可能な燃焼量の下限値が大きく、オン・オフ制御の制御安定性が要求される加熱部を備えている場合であっても、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段において加熱された湯水の温度が所定温度未満である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記出湯温度が所定の温度以上である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、当該オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて切り替え可能であり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置である。
【００１４】
本発明の湯水加熱装置では、加熱手段において加熱された湯水の温度が所定の温度以上の高温になると、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行する。オン・オフ燃焼領域では湯温が比較的高温であるため、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量が、オン時の燃焼量に近いと、燃料の噴霧量の変動等によって湯温の調整精度が低下してしまう。また、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に対して小さいと、湯温が急激に低下し出湯特性が低下してしまうおそれがある。
【００１５】
本発明の湯水加熱装置では、上記請求項１，２の場合と同様に、例えばオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に基づいて決定することが可能である。かかる構成によれば、湯温が所定温度以上となり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ状態へと移行しても、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下を防止することができる。
【００１６】
本発明の給湯装置は、加熱手段において加熱された湯水の温度に応じて燃焼状態が切り替わるものであるため、外部から供給される湯水の温度によらず出湯温度を精度よく調整することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、当該加熱手段において加熱された湯水を貯留する貯留部と、前記加熱手段において加熱された湯水が前記加熱手段を介して循環する熱源循環回路とを具備し、前記加熱手段において加熱された湯水の温度が所定の温度未満である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、加熱手段において加熱された湯水の温度が所定の温度以上である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、当該オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて切り替え可能であり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置である。
【００１８】
本発明の湯水加熱装置は、加熱手段において加熱された湯水が循環する熱源循環回路を有している。そのため、本発明の湯水加熱装置では、出湯量が少ない場合や、外部から供給される湯水が高温である場合には、熱源循環回路内を流れる湯水が直ちに高温となる。この状態で燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行したとき、何らかの外乱によって燃焼量が増加すると、湯温が目標温度を越え、沸騰してしまう場合がある。また、外乱によって燃焼量が増加するのを見越してオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を低く設定すると、出湯量が多い場合等に燃焼量が不足して湯温が急激に低下してしまうおそれがある。
【００１９】
本発明の湯水供給装置についても、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に基づいてオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を決定する。かかる構成によれば、オン・オフ燃焼領域において何らかの外乱によって燃焼量が増減しても、湯温の急激な変化が起らず、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。
【００２０】
上記したように、請求項１乃至４のいずれかに記載の湯水加熱装置では、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に応じて切り替え可能である。
【００２１】
また、上記請求項４に記載の湯水加熱装置は、複数の加熱手段が、湯水供給回路に対して直列あるいは並列に接続されていることを特徴とするものであってもよい。
【００２２】
上記したように、複数の加熱手段を湯水供給回路に対して直列あるいは並列に接続すると、各加熱手段における入水温度が比較的高温になり、オン・オフ燃焼領域何らかの外乱によって湯温が不安定になることが懸念される。しかし、上記請求項４に記載の湯水加熱装置では、例えば各加熱手段における燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に基づいて、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が決定することが可能であるため、何らかの外乱を受けて燃焼量が増減しても、湯温の急激な変化が起らない。よって上記した構成によれば、湯水の沸騰による異音の発生や湯水加熱装置の損傷、並びに、湯温の低下に伴う出湯特性の低下を抑制できる。
【００２３】
また、請求項１乃至４のいずれかに記載の湯水加熱装置において、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量は、外部から供給される湯水の入水温度、入水量、あるいは外部に供給する湯水の設定温度のうち少なくとも一つの情報を基にして調整されてもよい。（請求項５）
【００２４】
本発明の湯水加熱装置では、例えば外部から供給される湯水の入水量が極端に多い場合にオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を大きく調整したり、湯水の入水温度が高い場合にオン時の燃焼量を小さく調整することが可能である。この様に、外部から供給される湯水の入水温度、入水量、あるいは外部に供給する湯水の設定温度を検知し、これに基づいてオン時の燃焼量を調整することにより、湯水の沸騰による異音の発生や湯水加熱装置の損傷、並びに、湯温の低下に伴う出湯特性の低下をより一層確実に抑制できる。
【００２５】
上記各湯水加熱装置においては、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が、加熱手段の燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に応じて調整される。そのため、湯水加熱装置を上記したような構成とすると、何らかの外乱を受けて燃焼量が増減しても、湯温の急激な変化が殆ど起らない。しかし、オン・オフ燃焼領域において、外乱等によって予想を越えて燃料の供給量が増加すると、その結果湯水が沸騰してしまう場合がある。
【００２６】
そのため、上記した湯水加熱装置は、予想を超える外乱等に備え、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量は、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量に代えて、当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて切り替え可能な構成とすることも可能である。かかる構成によれば、万一、外乱の影響を受けて燃料の供給量が大きく変動しても、湯水の沸騰が起らない。
【００２７】
上記した各湯水加熱装置は、オン・オフ燃焼領域において、オン時の燃焼量で加熱動作を継続させると湯水が沸騰状態になると想定される加熱限界温度を越える場合に加熱手段をオフ状態にし、湯水の温度が所定の温度未満となると加熱手段の燃焼状態を比例燃焼領域に戻す構成であってもよい。
【００２８】
上記した構成とした場合、湯水加熱装置は、加熱限界温度を境界として燃焼状態がオフ状態に切り替わる。上記したように、加熱限界温度とはオン時の燃焼量で加熱動作を継続させると湯水が沸騰状態になると想定される温度であるため、湯水は沸騰しない程度に高温に維持される。よって、上記した構成によれば、湯水の沸騰による異音の発生や湯水加熱装置の損傷が起らず、湯温の低下に伴う出湯特性の低下も起こらない。
【００２９】
上記した各湯水加熱装置は、燃料の燃焼に必要な空気を導入する送風手段を有し、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に移行した際に、前記送風手段による空気の導入量を増加させる構成であってもよい。
【００３０】
上記したように、オン・オフ燃焼領域では、オン時の燃焼量が一定に維持されるが、外乱等によって燃料の供給量が増加する場合がある。湯水加熱装置を上記した構成とした場合、オン・オフ燃焼領域に移行した際に、前記送風手段による空気の導入量が増加するため、外乱等によって燃料の供給量が増加しても、燃焼不良が起らない。
【００３１】
上記した湯水供給装置では、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量、あるいは要求燃焼量に基づいて算出される推定要求燃焼量に基づいてオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が決定されるため、何らかの外乱によって燃焼量が増減しても、湯温の急激な変化が起らない。したがって、上記した各湯水加熱装置は、加熱手段に外部において加熱された湯水が供給される場合であっても湯水の沸騰やこれに伴う異音の発生が起らない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明の一実施形態である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給湯装置を示す正面図である。図２は、図１に示す給湯装置が備える燃焼装置の燃料流路図である。図３は、図１に示す給湯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に示す給湯装置の作動原理図である。図５は、図１に示す給湯装置の動作を示すフローチャート図である。また、図６は、本発明の一実施形態である給湯ユニットの作動原理図である。図７は、図１に示す給湯装置の変形実施例を示す正面図である。
【００３３】
図１において、１は本実施形態の給湯装置（湯水加熱装置）である。給湯装置１は、後述する給湯ユニットＵを構成するものであり、熱源として燃焼装置２を備えており、燃焼装置２の下方に燃焼ケース３と熱交換器５（熱交換部）とを備えている。図１に示すように、燃焼ケース３は、燃焼装置２における燃焼動作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、内部を流れる高温の燃焼ガスにより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。
【００３４】
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。
【００３５】
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（送風手段）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。
【００３６】
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、いわゆるリターン型ノズルである。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。
【００３７】
図２に示すように、燃料噴射ノズル１２は燃料流路１３に接続されている。燃料流路は、燃料が貯留されている燃料タンク１５から燃料噴射ノズル１２に向けて燃料を供給する燃料往路１６と、燃料噴射ノズル１２側から燃料タンク１５に向けて燃料を戻す燃料復路１７とにより構成されている。
【００３８】
燃料往路１６の中途には、電磁ポンプ１８（圧送手段）、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、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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（着火調整手段）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。
【００４３】
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。
【００４４】
燃焼装置２が燃焼動作中である場合、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から単位時間当たりに噴霧される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。
【００４５】
制御手段４０の制御信号に基づき接続端子３８にパルス電流ｉ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３６から燃料が噴霧される。ここで、燃料の噴射量にかかわらず電磁ポンプ１８によって弁体３３に作用する圧力が一定であれば、弁体３３が開いた際にインジェクター弁２５の燃料流出口３６から流れ出る燃料の圧力は常時一定である。そのため、弁体３３が開くと、燃料は燃料噴射ノズル１２からほぼ一定の軌跡を描くように噴霧される。従って、本実施形態の給湯装置１では、燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量を、制御手段４０によるデューティー比制御によって調整することができる。
【００４６】
燃料噴射ノズル１２は、図１に示すようにノズル収納筒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。
【００４７】
ノズル収納内筒５０は、内部に燃料噴射ノズル１２と、燃料噴射ノズル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。
【００４８】
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１０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１０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１０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。
【００４９】
燃料噴射ノズル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に燃焼し、高温の燃焼ガスを発生する。この燃焼ガスは、燃焼ケース３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。
【００５０】
図４に示すように、熱交換器５には流水回路６０が接続されている。流水回路６０は、熱交換器５に外部から湯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を水量調整弁６５によって調整し、さらに給湯回路６２に流れる高温の湯水の量を水量調整弁６４によって調節する。そして、外部から導入された冷水と熱交換器５において加熱された湯水とを、給湯回路６２とバイパス回路６３との接続部にある湯水攪拌機構６６において混合して湯水の温度を調節する。なお、バイパス回路６３には、バイパス水量を検知するバイパス水量センサ６４が設けられている。
【００５１】
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、出湯センサ６７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。給湯回路６２には、熱交換器５において加熱された湯水の温度を検知する湯温検知センサ５９が設けられている。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、温度センサ６９および出湯センサ６７の検知信号に基づいて燃焼装置２の動作を制御し、出湯温度が８０℃程度となるように調整する。以下、この際の給湯装置１および燃焼装置２の動作を図５のフローチャート図に則って詳細に説明する。
【００５２】
給湯装置１は、主電源（図示せず）の投入後、制御手段４０がステップ１において燃焼要求の有無を検知する。即ち、流水回路６０に接続されたカランを開栓するなどした結果、外部から湯水が供給され、水量センサ６８により検知される給水量が最小作動水量（Minimam Operation Quantity）を越えると、制御手段４０は燃焼装置２に対して燃焼要求があったものと判断する。
【００５３】
制御手段４０は、ステップ１において燃焼要求を検知すると、制御フローをステップ２へと進める。制御手段４０は、ステップ２において燃料噴射ノズル１２から燃料を噴霧し、この燃料に着火する。さらに詳細に説明すると、制御手段４０は、燃焼要求を検知すると、電磁ポンプ１８の電源をＯＮにして燃料噴射ノズル１２から第１燃焼筒５３および第２燃焼筒５５内に燃料を噴霧させると共に、点火プラグ５２により着火動作を行う。
【００５４】
ステップ２において燃料噴射ノズル１２から噴霧された燃料が着火されると、制御手段４０はステップ３において燃焼状態を比例燃焼運転へと移行させる。さらに具体的には、ステップ３において、制御手段４０は、インジェクター弁２５のデューティー比ｒを外部から供給された湯水を所望の温度まで加熱するに必要な要求燃焼量Ｑに見合った燃焼量を得るために必要な値に調整し、これにより燃料の噴霧量を調整する。即ち、制御手段４０は、温度センサ６９によって検知される入水温度と設定温度との差や給湯量等の関数として算出される要求燃焼量Ｑに基づいて、デューティー比ｒを決定する。さらに具体的には、要求燃焼量Ｑは、温度センサ６９によって検知される入水温度Ｔ１と、水量センサ６８によって検知される入水量Ｒと、給湯装置１の出湯設定温度Ｔ２とに基づいて決定されるものであり、Ｑ＝（Ｔ２−Ｔ１）・Ｒという数式で算出される。
【００５５】
ここで制御手段４０は、湯温検知センサ５９によって検知された湯温Ｔが所定の温度（本実施形態では９０℃）以上であるか否かを確認する（ステップ４）。即ち、制御手段４０は、湯温Ｔが加熱許容温度を越えたか否かを検知する。ここで、湯温Ｔが９０℃未満である場合、制御手段４０は引き続きインジェクター弁２５のデューティー比ｒを調整して比例制御運転を行う。即ち、湯温Ｔが加熱許容温度に満たない場合、燃焼装置２の動作状態は、制御手段４０によって要求燃焼量Ｑに応じてインジェクター弁２５のデューティー比ｒが調整され、燃焼量が調整される比例燃焼領域にある。
【００５６】
一方、比例燃焼制御による燃焼動作中に熱交換器５内の湯温Ｔが９０℃以上になると、制御手段４０は、ステップ５以降においてインジェクター弁２５のデューティー比ｒを一定にした状態で、電磁ポンプ１８を起動、停止させ、燃焼動作を間欠させるオン・オフ燃焼制御を行う。即ち、湯温Ｔが９０℃以上になると、燃焼装置２の動作状態は、制御手段４０によってオン時に所定の燃焼量で燃焼動作を行い、オフ時に燃焼動作を停止するオン・オフ燃焼領域へと移行する。
【００５７】
上記したように、燃焼装置２の燃焼状態がオン・オフ燃焼領域に移行すると、制御手段４０は、ステップ５において比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑがある一定の燃焼量Ａを越えるか否かを確認する。ここで、要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａ未満である場合は制御フローがステップ６へ移行し、燃焼量Ａ以上である場合は制御フローがステップ１１へと移行する。即ち、制御手段４０は、ステップ５において燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑを確認し、この大小に応じてそれぞれの制御フローへと振り分ける。さらに具体的に説明すると、制御手段４０は、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａよりも小さい場合は、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が大きいと湯温Ｔが急激に上昇し、沸騰状態になると判断し、制御フローをオン時の燃焼量が比較的小さいステップ６へと移行させる。これとは逆に、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａより大きい場合、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が小さいと湯温Ｔが急激に低下し、出湯特性が悪化すると判断し、制御フローをオン時の燃焼量が比較的大きなステップ１１へと移行させる。
【００５８】
ここで、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑとして、例えば比例燃焼領域において湯温Ｔを所定の温度（９０℃）に維持するために燃焼動作を行っている際の要求燃焼量Ｑや、比例燃焼領域における燃焼動作中に、何らかの外乱に起因して湯温Ｔが湯温Ｔが所定の温度を越えた際の要求燃焼量Ｑや、湯温Ｔが所定の温度を超える瞬間より一定時間前の要求燃焼量Ｑ等を採用することが可能である。
【００５９】
要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａ未満である場合、制御手段４０はステップ６以降においてオン動作時のデューティー比ｒをＢに固定した状態で燃焼動作を行う低燃焼量オン・オフ制御を行う。即ち、制御手段４０は、ステップ６においてインジェクター弁２５のデューティー比ｒをステップ７において、湯温Ｔが加熱限界温度（本実施形態では９５℃に設定）を越えていないかを検知する。ここで、加熱限界温度とは、デューティー比ｒをある一定値（ここではＢ）に固定した状態で燃焼動作を行うと熱交換器５内の湯水が沸騰状態となると想定される温度を指す。ステップ７において湯温Ｔが加熱限界温度以下である場合、制御手段４０は、ステップ６における燃焼動作を継続させる。
【００６０】
一方、ステップ７において湯温Ｔが加熱限界温度である９５℃を越えると、制御手段４０はステップ８において燃料の燃焼を停止させ、湯温検知センサ５９によって検知される湯温Ｔが９０℃を下回るまで、燃焼装置２をオフ状態とする。ステップ９において制御手段４０が、熱交換器５内の湯温Ｔが加熱許容温度、即ち９０℃を下回ったものと判断すると、制御フローはステップ２に戻り、燃焼装置２は、比例燃焼領域における燃焼動作を再開する。
【００６１】
一方、ステップ５において要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａ以上である場合、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が小さいと湯温Ｔが急激に低下してしまうと判断し、インジェクター弁２５のデューティー比ｒを上記したＢよりも小さなＣに固定してオン・オフ制御の下、燃焼動作を行う。即ち、要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａ以上である場合、制御手段４０は、上記した低燃焼量オン・オフ制御の場合よりも燃料タンク１５側に戻る燃料を減少させ、燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量を増加させた状態で燃焼動作を行う高燃焼量オン・オフ制御によって燃焼制御を行う。
【００６２】
制御手段４０はステップ１０において、オン動作時のデューティー比ｒをＢよりも小さなＣに固定した状態での燃焼動作を開始する。制御手段４０は、ステップ１０以降、上記した低燃焼量オン・オフ制御におけるステップ７〜９と同様のステップ１１〜１３に則って燃焼装置２の動作を制御する。さらに具体的には、制御手段４０は、ステップ１１，１２においてデューティー比ｒをＣに固定した状態（オン状態）で燃焼動作を継続し、湯温Ｔが加熱限界温度である９５℃を越えると燃焼動作を停止させ、オフ状態を維持する。そして、制御手段４０がステップ１３において湯温Ｔが加熱許容温度たる９０℃を下回ると、制御フローは、ステップ２へと戻り、比例燃焼領域における燃焼動作を再開する。
【００６３】
上記したように、本実施形態の給湯装置１において、燃焼装置２は、燃焼状態が要求燃焼量Ｑに応じて燃焼量を比例制御する比例燃焼領域から、燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量Ｑに応じて、オン・オフ制御領域におけるオン時の燃焼量を２段階に切り替え可能である。そのため、給湯装置１では、湯温Ｔの急激な変化が起こらず、熱交換器５における湯水の沸騰や、出湯特性の低下が起こらない。
【００６４】
また、本実施形態の給湯装置１は、燃料を噴霧して燃料噴射ノズル１２から燃料を噴霧して燃焼する噴霧式の燃焼装置２を備えているため、比例制御によって制御可能な燃焼量の下限値である最小燃焼量が大きく、オン・オフ制御によって燃焼量制御される頻度が高い。上記したように、給湯装置１は、オン・オフ制御の制御安定性が高いため、湯水の沸騰が起らず、出湯特性が安定している。
【００６５】
上記した給湯装置１では、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ制御領域に移行した時の要求燃焼量Ｑに応じてオン時の燃焼量を切り替えるものであったが、オン時の燃焼量は他の情報を基にして調整されてもよい。さらに具体的には、オン時の燃焼量は、例えば温度センサ６９によって検知される入水温度Ｔ１、水量センサ６８によって検知される入水量Ｒ、あるいは給湯装置１の出湯設定温度Ｔ２のうちの少なくとも一つの情報を基にして調整してもよい。より詳細には、例えば入水温度Ｔ１が低い場合、設定温度Ｔ２となるように湯水を加熱するのに必要な燃焼量が大きいと判断して燃焼量を調整してもよい。また、例えば設定温度Ｔ２が高い場合、要求燃焼量Ｑが大きいものと判断して燃焼量を調整してもよい。
【００６６】
給湯装置１は、要求燃焼量Ｑの大小によらず、熱交換器５における湯温Ｔが安定している。そのため、出湯量の変動がある状況下や、予めある程度加熱された湯水が外部から供給される可能性がある状況下での使用に向くものであり、例えば図６に示すような給湯ユニットＵ等に好適に採用することができる。以下、給湯ユニットＵについて、図６を参照しながら詳細に説明する。
【００６７】
図６に示すように、給湯装置１は、給湯ユニットＵにおいて３台並列に接続されている。給湯ユニットＵは、３台の給湯装置１からなる加熱部８０と、加熱部８０において加熱された湯水を貯留する貯留タンク８１と、加熱部８０と貯留タンク８１とを繋ぐ熱源循環回路８２と、貯留タンク８１に貯留された湯水を外部に供給する給湯回路８３とを備えている。また、加熱部８０を構成する３台の給湯装置１は、外部から燃料を供給する燃料供給管８５に対して直列に接続されている。
【００６８】
３台の給湯装置１は、貯留タンク８１に接続された湯水循環回路８２に対して並列に接続されている。さらに具体的には、湯水循環回路８３は、外部の給水源（図示せず）に接続される給水流路８６あるいは貯留タンク８１側から各給湯装置１側に湯水を供給する低温側流路８７と、各給湯装置１において加熱された湯水を貯留タンク８１に供給する高温側流路８８とから構成されている。
【００６９】
低温側流路８７は、貯留タンク８１の下端側に接続されており、この中途に加熱部８０を構成する各給湯装置１の給水回路６１に繋がる配管８４ａが接続されている。また、低温側流路８７の中途には、各給湯装置１に向けて湯水を圧送するための給水ポンプ９０と、この給水ポンプ９０の上流側と下流側とをバイパスするバイパス流路９１とが設けられている。一方、高温側流路８８は、貯留タンク８１の上端側に接続されており、この中途に各給湯装置１の熱交換器５において加熱された湯水が流れる給湯回路６２に繋がる配管８４ｂが接続されている。そのため、給水流路８６を介して外部から供給された湯水や、貯留タンク８１内に貯留されている湯水は、３台の給湯装置１からなる加熱部８０を介して熱源循環回路８２内を循環する。
【００７０】
貯留タンク８１には、加熱部８０において加熱され、貯留されている湯水を外部に供給する給湯回路８３が接続されている。給湯回路８３は、貯留タンク８１の上端側に接続され、カラン９２に向けて湯水を供給する給湯往き側流路９３と、貯留タンク８１の下端側に接続され、カラン９２において排出されずに貯留タンク８１側に戻る湯水が流れる給湯戻り側流路９５とを有する。給湯戻り側流路９５の中途には、給湯回路８３内に湯水を循環させるための給湯ポンプ９６と、この給湯ポンプ９６の上流側と下流側とをバイパスするバイパス流路９７とが設けられている。
【００７１】
上記給湯ユニットＵでは、給水流路８６を介して外部から流入した湯水が貯留タンク８１の下端側から流入すると共に、低温側流路８７を介して加熱部８０を構成する各給湯装置１に供給される。そして、各給湯装置１において加熱され高温となった湯水は、高温側流路８８を介して貯留タンク８１の上端側から流入し、貯留される。そのため、貯留タンク８１内には、下端側から上端側に向けて次第に高温となる湯温の分布が発生する。
【００７２】
給湯ユニットＵの起動直後や、カラン９２から多量の湯水を排出する場合は、貯留タンク８１内に貯留されている湯水の大半は比較的低温である。しかし、カラン９２から排出される湯水の量が少ない場合や給水流路８６を介して外部から供給される湯水が比較的高温である場合は、貯留タンク８１から排出される湯水の量が少ないため、貯留タンク８１内の湯水は熱源循環回路８２内を循環するうちにすぐに高温となる。そのため、図６に示す給湯ユニットＵでは、湯水の使用量が少ない場合や、入水温度が高い場合に各給湯装置１の動作状態が直ちにオン・オフ燃焼領域に移行する。従って、給湯ユニットＵでは、各給湯装置１の燃焼状態が頻繁にオン・オフ燃焼領域に移行する。
【００７３】
給湯ユニットＵでは、上記したように燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量Ｑに応じてオン時の燃焼量が調整される燃焼装置２を備えた給湯装置１が加熱部８０に採用されている。そのため、給湯ユニットＵは、湯水の使用量が少ない場合や、入水温度が高い場合のように、オン・オフ燃焼制御による燃焼量制御が頻繁に行われる場合であっても、熱交換器５における湯温Ｔの急激な変化が起こらず、熱交換器５における湯水の沸騰や、出湯特性の低下が起こらない。
【００７４】
給湯ユニットＵは、熱源循環回路８２に対して３台の給湯装置１が並列に接続されたものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の給湯装置１が熱源循環回路８２に対して直列に接続されたものであってもよい。また、給湯ユニットＵは、熱源循環回路８２に対して一又は複数の給湯装置１を並列に接続し、さらに一又は複数の給湯装置１を直列に接続した構成としてもよい。即ち、給湯ユニットＵは、熱源循環回路８２と給湯装置１との接続方法は、必要に応じて適宜変更可能である。また、本実施形態では、３台の給湯装置１を備えた給湯ユニットＵを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、加熱部８０を構成する給湯装置１は何台であってもよく、給湯装置１以外の熱源を備えたものであってもよい。
【００７５】
上記実施形態において、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。
【００７６】
図７は、本発明の一実施形態である給湯装置７０（湯水加熱装置）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。
【００７７】
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。
【００７８】
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８と燃焼筒１０と送風機１１とを有し、燃焼筒１０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。
【００７９】
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。
【００８０】
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７６ａ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７６ｂには、貯留部７６において加熱された湯水が流出する給湯回路６２が接続されている。また、貯留部７６には、内部に貯留されている湯水の温度を検知する湯温検知センサ７９が設けられている。
【００８１】
本実施形態の給湯装置７０についても、上記した給湯装置１と同様にして燃焼動作を制御できる。さらに具体的には、給湯装置７０では、上記した給湯装置１において湯温検知センサ５９により湯温Ｔを検知する代わりに、貯留部７６に設置された湯温検知センサ７９による検知信号に基づいて、制御手段４０が燃焼動作を制御する構成とすることができる。そのため、給湯装置７０は、湯水の使用量が少ない状況下や、入水温度が高い状況下で使用され、オン・オフ燃焼制御による燃焼量制御が頻繁に行われる場合であっても、貯留部７６内の湯温Ｔの急激な変化が起こらない。よって、給湯装置７０では、湯水の沸騰に伴う貯留部７６をはじめとする各部の損傷や異音の発生、並びに、湯温Ｔの急激な低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。
【００８２】
本実施形態の給湯装置１では、燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量を的確に調整すべく、インジェクター弁２５を採用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、インジェクター弁２５の代わりに従来技術の給湯装置や燃焼装置において一般的に採用されている比例弁等を採用すると共に、デューティー比ｒを調整する代わりに比例弁等の開度を調整する構成することも可能である。
【００８３】
上記実施形態の給湯装置１および給湯ユニットＵは、外部から低温の湯水が供給されることを前提としたものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば外部に設けられた別の給湯装置や太陽熱温水器等のように、湯水を加熱しうる公知の加熱装置に接続され、この加熱装置から湯水が供給される構成とすることも可能である。かかる構成の場合、給湯装置１に供給される湯水が予め外部の加熱装置において加熱されているため、給湯装置１あるいは給湯ユニットＵの設定温度と入水温度との差が小さく、燃焼状態が頻繁にオン・オフ燃焼領域へと移行することが想定される。
【００８４】
上記したように、給湯装置１ではオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量Ｑに応じて切り替え可能であるため、熱交換器５内の湯水や、貯留部７６内に貯留されている湯水の湯温Ｔが急激には変化しない。そのため、上記した給湯装置１や給湯ユニットＵは、外部において加熱された湯水が供給されたとしても、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起らない。
【００８５】
上記した給湯装置１において、燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域では、電磁ポンプ１８の内圧の脈動などの外乱により燃料の噴霧量が変動し、必要以上に多くの燃料が噴霧されるおそれがある。この場合、燃料噴射ノズル１２から噴霧される燃料の噴霧量に対して送風量が不足し、燃焼状態が不安定になるおそれがある。そのため、上記した給湯装置１は、燃焼状態がオン・オフ燃焼領域に移行した際に、オン時の燃焼量に対して供給されるべき風量よりも多くの外気を導入する構成とすることも可能である。かかる構成によれば、オン・オフ燃焼領域における燃焼装置２の燃焼状態がより一層安定する。
【００８６】
また、燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域では、電磁ポンプ１８の内圧の脈動などの外乱により燃料の噴霧量が変動し、必要以上に多くの燃料が噴霧されると、オン・オフ燃焼領域における燃焼量が想定されているよりも大きくなってしまい、湯温Ｔの安定性が損なわれるおそれがある。そのため、上記した給湯装置１は、燃焼状態がオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量Ｑに代えて、要求燃焼量Ｑよりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量Ｇに基づいてオン時の燃焼量を切り替える構成としてもよい。かかる構成によれば、電磁ポンプ１８の内圧の脈動などの外乱を受けても、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起らない。
【００８７】
上記実施形態において、給湯装置１は、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行した際の要求燃焼量Ｑに応じて燃焼装置２のオン時の燃焼量が２段階に切り替わるものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、オン時の燃焼量がさらに多数の段階に切り替わるものであってもよい。また、給湯装置１は、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行した際の要求燃焼量Ｑに応じて関数的に調整する構成であってもよい。即ち、本実施形態の給湯装置１では、インジェクター弁２５のデューティー比ｒを調整することによってオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を要求燃焼量Ｑに応じて多段階あるいは関数的に調整することが可能である。そのため上記した構成によれば、オン・オフ燃焼領域における湯温Ｔをより一層精度よく調整することが可能であり、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下を確実に防止できる。
【００８８】
また、上記実施形態において、給湯装置１は、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行した際の要求燃焼量Ｑに限らず、あらゆる条件基づいてオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が調整することが可能である。さらに具体的には、給湯装置１は、例えばオン・オフ燃焼領域へ移行した際の要求燃焼量Ｑに所定の比例定数等を乗じたものや、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行するまでの発熱量の積分値（例えば境界領域での積分値）や、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行する際の温度上昇傾向等のように、ある一定の時間幅で燃焼量の推移を検知した結果等に基づいてオン時の燃焼量を調整してもよい。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の湯水加熱装置によれば、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行しても、湯温の急激な変化が起らず、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下を確実に防止できる。
【００９０】
特に、請求項３に記載の発明によれば、外部から供給される湯水の温度によらず出湯温度を精度よく調整することができる。
【００９１】
また、請求項４に記載の発明によれば、加熱手段において加熱された湯水が循環する熱源循環回路を具備した湯水加熱装置においても、外部から供給される湯水の温度によらず出湯温度を精度よく調整することができる。
【００９２】
また、請求項５に記載の発明によれば、外部から供給される湯水の入水温度や入水量あるいは出湯設定温度によらず、湯水の沸騰や出湯温度の急激な変化を防止することができる。
【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の燃料流路図である。
【図３】 図１に示す給湯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に示す給湯装置の作動原理図である。
【図５】 図１に示す給湯装置の動作を示すフローチャート図である。
【図６】 本発明の一実施形態である給湯ユニットの作動原理図である。
【図７】 図１に示す給湯装置の変形実施例を示す正面図である。
【符号の説明】
１，７０ 給湯装置（湯水加熱装置）
２ 燃焼装置
５９，７９ 湯温検知センサ
１１ 送風機（送風手段）
２５ インジェクタ弁
４０ 制御手段
８０ 加熱部
８１ 貯留タンク
８２ 熱源循環回路
Ｕ 給湯ユニット（湯水加熱装置）
【発明の属する技術分野】
本発明は、湯水加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術では、湯水加熱装置における湯温を精度よく調整すべく、様々な方策が講じられている。その一例として、下記の特許文献１に示されているような方法がある。特許文献１に開示されている制御方法では、要求燃焼量が、バーナが安定して発熱可能な発熱量の下限よりも低い場合にフィードフォワード制御によりバーナの燃焼を間欠的にオン・オフさせると共に、要求燃焼量が大きい場合にフィードフォワード制御とフィードバック制御とにより燃焼動作を制御するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−４８１４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来技術の湯水加熱装置では、比例制御およびオン・オフ制御を適宜組み合わせるなどして加熱手段の燃焼動作を制御し、出湯温度の安定化を図っている。従来技術の湯水加熱装置では、通常の使用条件の下では出湯温度が所定の温度以下に維持されるが、加熱された湯水の温度がある一定の温度を越えた状態で通常の燃焼動作を継続すると湯水が沸騰し、これに伴って異音が発生したり湯水加熱装置自身が損傷してしまうという問題が発生する。
【０００５】
また、従来技術の湯水加熱装置のうち、特に燃料を噴霧して燃焼する噴霧式の加熱手段を備えたものでは、比例制御によって制御可能な燃焼量の下限値、即ち最小燃焼量が大きく、要求燃焼量がこの最小燃焼量より小さい場合はオン・オフ制御によって燃焼量が制御されている。従って、噴霧式の加熱手段を採用した湯水加熱装置では、オン・オフ制御によって燃焼量制御される頻度が高く、オン・オフ制御の制御安定性がより一層重要となる。
【０００６】
そこで本発明者らは、常時は比例制御によって加熱手段の動作を制御して湯温を調整し、この湯温が所定の温度を越える場合に加熱手段を一定の燃焼量でオン・オフ制御する湯水加熱装置を作成し、研究を重ねた。そしてその結果、湯水加熱装置を上記した構成とすることによって、通常の使用条件の下では出湯温度をある一定の温度以下に維持できることが判明した。しかし、本発明者らがさらに研究を重ねたところ、出湯流量が少なく湯水を設定温度に加熱するために要求される燃焼量が高い条件下や、太陽熱温水器等の外部に配置された加熱装置で予熱された湯水が入水する場合のように加熱手段への入水温度と設定温度との差が小さい条件下では、加熱手段を一定の燃焼量でオン・オフ制御するだけでは湯水が必要以上に加熱され、沸騰してしまうという事態が発生した。
【０００７】
さらに具体的に説明すると、本発明者らは、比例燃焼制御により湯水を加熱し、所定の温度を越えた時にオン・オフ燃焼制御を行う構成について研究を重ねた。その結果、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に燃焼状態が移行する直前の要求燃焼量Ｑが、オンオフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量Ｈに近いと、燃焼状態がオン・オフ燃焼領域に移行しても引き続き湯温が上昇してしまい、熱交換器内の湯水が沸騰するという事態が発生した。ここで、湯水の沸騰を防止する機能のみを考慮すれば、上記した条件下において加熱手段における燃焼を停止すればよいが、この場合、出湯温度を要求される設定温度に正確に調整できず、出湯特性が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
そこで本発明では、出湯流量が少ない場合や、入水温度と設定温度との差が小さい場合等であっても湯水の沸騰や出湯特性の低下が起らない湯水加熱装置の提供を目的とした。
【０００９】
【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、燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段に要求される要求燃焼量が所定の燃焼量以上である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記要求燃焼量が所定の燃焼量未満である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により加熱手段の燃焼量が制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて調整可能であり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置である。
【００１０】
また同様の課題を解決すべく提供される請求項２に記載の発明は、燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段に要求される要求燃焼量が所定の燃焼量以上である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記要求燃焼量が所定の燃焼量未満である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて複数段階に切り替え可能であり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置である。
【００１１】
本発明の湯水加熱装置では、例えば請求項５に記載のように燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に応じて、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を決定することが可能である。かかる構成によれば、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行しても、湯温の急激な変化が起らず、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。
【００１２】
本発明の給湯装置は、要求燃焼量の大小によらず、燃焼状態がオン・オフ燃焼領域にある場合の湯温が安定している。そのため、出湯量の変動がある状況下や、予めある程度加熱された湯水が外部から供給される可能性がある状況下で使用されても、湯温の急激な変化が起らず、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。また、上記した構成によれば、燃料を噴霧して燃焼する噴霧式の加熱手段のように、比例制御によって制御可能な燃焼量の下限値が大きく、オン・オフ制御の制御安定性が要求される加熱部を備えている場合であっても、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段において加熱された湯水の温度が所定温度未満である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記出湯温度が所定の温度以上である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、当該オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて切り替え可能であり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置である。
【００１４】
本発明の湯水加熱装置では、加熱手段において加熱された湯水の温度が所定の温度以上の高温になると、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行する。オン・オフ燃焼領域では湯温が比較的高温であるため、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量が、オン時の燃焼量に近いと、燃料の噴霧量の変動等によって湯温の調整精度が低下してしまう。また、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に対して小さいと、湯温が急激に低下し出湯特性が低下してしまうおそれがある。
【００１５】
本発明の湯水加熱装置では、上記請求項１，２の場合と同様に、例えばオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に基づいて決定することが可能である。かかる構成によれば、湯温が所定温度以上となり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ状態へと移行しても、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下を防止することができる。
【００１６】
本発明の給湯装置は、加熱手段において加熱された湯水の温度に応じて燃焼状態が切り替わるものであるため、外部から供給される湯水の温度によらず出湯温度を精度よく調整することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、当該加熱手段において加熱された湯水を貯留する貯留部と、前記加熱手段において加熱された湯水が前記加熱手段を介して循環する熱源循環回路とを具備し、前記加熱手段において加熱された湯水の温度が所定の温度未満である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、加熱手段において加熱された湯水の温度が所定の温度以上である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、当該オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて切り替え可能であり、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置である。
【００１８】
本発明の湯水加熱装置は、加熱手段において加熱された湯水が循環する熱源循環回路を有している。そのため、本発明の湯水加熱装置では、出湯量が少ない場合や、外部から供給される湯水が高温である場合には、熱源循環回路内を流れる湯水が直ちに高温となる。この状態で燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行したとき、何らかの外乱によって燃焼量が増加すると、湯温が目標温度を越え、沸騰してしまう場合がある。また、外乱によって燃焼量が増加するのを見越してオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を低く設定すると、出湯量が多い場合等に燃焼量が不足して湯温が急激に低下してしまうおそれがある。
【００１９】
本発明の湯水供給装置についても、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に基づいてオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を決定する。かかる構成によれば、オン・オフ燃焼領域において何らかの外乱によって燃焼量が増減しても、湯温の急激な変化が起らず、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。
【００２０】
上記したように、請求項１乃至４のいずれかに記載の湯水加熱装置では、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に応じて切り替え可能である。
【００２１】
また、上記請求項４に記載の湯水加熱装置は、複数の加熱手段が、湯水供給回路に対して直列あるいは並列に接続されていることを特徴とするものであってもよい。
【００２２】
上記したように、複数の加熱手段を湯水供給回路に対して直列あるいは並列に接続すると、各加熱手段における入水温度が比較的高温になり、オン・オフ燃焼領域何らかの外乱によって湯温が不安定になることが懸念される。しかし、上記請求項４に記載の湯水加熱装置では、例えば各加熱手段における燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に基づいて、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が決定することが可能であるため、何らかの外乱を受けて燃焼量が増減しても、湯温の急激な変化が起らない。よって上記した構成によれば、湯水の沸騰による異音の発生や湯水加熱装置の損傷、並びに、湯温の低下に伴う出湯特性の低下を抑制できる。
【００２３】
また、請求項１乃至４のいずれかに記載の湯水加熱装置において、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量は、外部から供給される湯水の入水温度、入水量、あるいは外部に供給する湯水の設定温度のうち少なくとも一つの情報を基にして調整されてもよい。（請求項５）
【００２４】
本発明の湯水加熱装置では、例えば外部から供給される湯水の入水量が極端に多い場合にオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を大きく調整したり、湯水の入水温度が高い場合にオン時の燃焼量を小さく調整することが可能である。この様に、外部から供給される湯水の入水温度、入水量、あるいは外部に供給する湯水の設定温度を検知し、これに基づいてオン時の燃焼量を調整することにより、湯水の沸騰による異音の発生や湯水加熱装置の損傷、並びに、湯温の低下に伴う出湯特性の低下をより一層確実に抑制できる。
【００２５】
上記各湯水加熱装置においては、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が、加熱手段の燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量に応じて調整される。そのため、湯水加熱装置を上記したような構成とすると、何らかの外乱を受けて燃焼量が増減しても、湯温の急激な変化が殆ど起らない。しかし、オン・オフ燃焼領域において、外乱等によって予想を越えて燃料の供給量が増加すると、その結果湯水が沸騰してしまう場合がある。
【００２６】
そのため、上記した湯水加熱装置は、予想を超える外乱等に備え、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量は、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量に代えて、当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて切り替え可能な構成とすることも可能である。かかる構成によれば、万一、外乱の影響を受けて燃料の供給量が大きく変動しても、湯水の沸騰が起らない。
【００２７】
上記した各湯水加熱装置は、オン・オフ燃焼領域において、オン時の燃焼量で加熱動作を継続させると湯水が沸騰状態になると想定される加熱限界温度を越える場合に加熱手段をオフ状態にし、湯水の温度が所定の温度未満となると加熱手段の燃焼状態を比例燃焼領域に戻す構成であってもよい。
【００２８】
上記した構成とした場合、湯水加熱装置は、加熱限界温度を境界として燃焼状態がオフ状態に切り替わる。上記したように、加熱限界温度とはオン時の燃焼量で加熱動作を継続させると湯水が沸騰状態になると想定される温度であるため、湯水は沸騰しない程度に高温に維持される。よって、上記した構成によれば、湯水の沸騰による異音の発生や湯水加熱装置の損傷が起らず、湯温の低下に伴う出湯特性の低下も起こらない。
【００２９】
上記した各湯水加熱装置は、燃料の燃焼に必要な空気を導入する送風手段を有し、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に移行した際に、前記送風手段による空気の導入量を増加させる構成であってもよい。
【００３０】
上記したように、オン・オフ燃焼領域では、オン時の燃焼量が一定に維持されるが、外乱等によって燃料の供給量が増加する場合がある。湯水加熱装置を上記した構成とした場合、オン・オフ燃焼領域に移行した際に、前記送風手段による空気の導入量が増加するため、外乱等によって燃料の供給量が増加しても、燃焼不良が起らない。
【００３１】
上記した湯水供給装置では、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量、あるいは要求燃焼量に基づいて算出される推定要求燃焼量に基づいてオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が決定されるため、何らかの外乱によって燃焼量が増減しても、湯温の急激な変化が起らない。したがって、上記した各湯水加熱装置は、加熱手段に外部において加熱された湯水が供給される場合であっても湯水の沸騰やこれに伴う異音の発生が起らない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明の一実施形態である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給湯装置を示す正面図である。図２は、図１に示す給湯装置が備える燃焼装置の燃料流路図である。図３は、図１に示す給湯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に示す給湯装置の作動原理図である。図５は、図１に示す給湯装置の動作を示すフローチャート図である。また、図６は、本発明の一実施形態である給湯ユニットの作動原理図である。図７は、図１に示す給湯装置の変形実施例を示す正面図である。
【００３３】
図１において、１は本実施形態の給湯装置（湯水加熱装置）である。給湯装置１は、後述する給湯ユニットＵを構成するものであり、熱源として燃焼装置２を備えており、燃焼装置２の下方に燃焼ケース３と熱交換器５（熱交換部）とを備えている。図１に示すように、燃焼ケース３は、燃焼装置２における燃焼動作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、内部を流れる高温の燃焼ガスにより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。
【００３４】
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。
【００３５】
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（送風手段）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。
【００３６】
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、いわゆるリターン型ノズルである。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。
【００３７】
図２に示すように、燃料噴射ノズル１２は燃料流路１３に接続されている。燃料流路は、燃料が貯留されている燃料タンク１５から燃料噴射ノズル１２に向けて燃料を供給する燃料往路１６と、燃料噴射ノズル１２側から燃料タンク１５に向けて燃料を戻す燃料復路１７とにより構成されている。
【００３８】
燃料往路１６の中途には、電磁ポンプ１８（圧送手段）、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、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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（着火調整手段）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。
【００４３】
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。
【００４４】
燃焼装置２が燃焼動作中である場合、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から単位時間当たりに噴霧される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。
【００４５】
制御手段４０の制御信号に基づき接続端子３８にパルス電流ｉ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３６から燃料が噴霧される。ここで、燃料の噴射量にかかわらず電磁ポンプ１８によって弁体３３に作用する圧力が一定であれば、弁体３３が開いた際にインジェクター弁２５の燃料流出口３６から流れ出る燃料の圧力は常時一定である。そのため、弁体３３が開くと、燃料は燃料噴射ノズル１２からほぼ一定の軌跡を描くように噴霧される。従って、本実施形態の給湯装置１では、燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量を、制御手段４０によるデューティー比制御によって調整することができる。
【００４６】
燃料噴射ノズル１２は、図１に示すようにノズル収納筒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。
【００４７】
ノズル収納内筒５０は、内部に燃料噴射ノズル１２と、燃料噴射ノズル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。
【００４８】
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１０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１０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１０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。
【００４９】
燃料噴射ノズル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に燃焼し、高温の燃焼ガスを発生する。この燃焼ガスは、燃焼ケース３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。
【００５０】
図４に示すように、熱交換器５には流水回路６０が接続されている。流水回路６０は、熱交換器５に外部から湯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を水量調整弁６５によって調整し、さらに給湯回路６２に流れる高温の湯水の量を水量調整弁６４によって調節する。そして、外部から導入された冷水と熱交換器５において加熱された湯水とを、給湯回路６２とバイパス回路６３との接続部にある湯水攪拌機構６６において混合して湯水の温度を調節する。なお、バイパス回路６３には、バイパス水量を検知するバイパス水量センサ６４が設けられている。
【００５１】
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、出湯センサ６７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。給湯回路６２には、熱交換器５において加熱された湯水の温度を検知する湯温検知センサ５９が設けられている。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、温度センサ６９および出湯センサ６７の検知信号に基づいて燃焼装置２の動作を制御し、出湯温度が８０℃程度となるように調整する。以下、この際の給湯装置１および燃焼装置２の動作を図５のフローチャート図に則って詳細に説明する。
【００５２】
給湯装置１は、主電源（図示せず）の投入後、制御手段４０がステップ１において燃焼要求の有無を検知する。即ち、流水回路６０に接続されたカランを開栓するなどした結果、外部から湯水が供給され、水量センサ６８により検知される給水量が最小作動水量（Minimam Operation Quantity）を越えると、制御手段４０は燃焼装置２に対して燃焼要求があったものと判断する。
【００５３】
制御手段４０は、ステップ１において燃焼要求を検知すると、制御フローをステップ２へと進める。制御手段４０は、ステップ２において燃料噴射ノズル１２から燃料を噴霧し、この燃料に着火する。さらに詳細に説明すると、制御手段４０は、燃焼要求を検知すると、電磁ポンプ１８の電源をＯＮにして燃料噴射ノズル１２から第１燃焼筒５３および第２燃焼筒５５内に燃料を噴霧させると共に、点火プラグ５２により着火動作を行う。
【００５４】
ステップ２において燃料噴射ノズル１２から噴霧された燃料が着火されると、制御手段４０はステップ３において燃焼状態を比例燃焼運転へと移行させる。さらに具体的には、ステップ３において、制御手段４０は、インジェクター弁２５のデューティー比ｒを外部から供給された湯水を所望の温度まで加熱するに必要な要求燃焼量Ｑに見合った燃焼量を得るために必要な値に調整し、これにより燃料の噴霧量を調整する。即ち、制御手段４０は、温度センサ６９によって検知される入水温度と設定温度との差や給湯量等の関数として算出される要求燃焼量Ｑに基づいて、デューティー比ｒを決定する。さらに具体的には、要求燃焼量Ｑは、温度センサ６９によって検知される入水温度Ｔ１と、水量センサ６８によって検知される入水量Ｒと、給湯装置１の出湯設定温度Ｔ２とに基づいて決定されるものであり、Ｑ＝（Ｔ２−Ｔ１）・Ｒという数式で算出される。
【００５５】
ここで制御手段４０は、湯温検知センサ５９によって検知された湯温Ｔが所定の温度（本実施形態では９０℃）以上であるか否かを確認する（ステップ４）。即ち、制御手段４０は、湯温Ｔが加熱許容温度を越えたか否かを検知する。ここで、湯温Ｔが９０℃未満である場合、制御手段４０は引き続きインジェクター弁２５のデューティー比ｒを調整して比例制御運転を行う。即ち、湯温Ｔが加熱許容温度に満たない場合、燃焼装置２の動作状態は、制御手段４０によって要求燃焼量Ｑに応じてインジェクター弁２５のデューティー比ｒが調整され、燃焼量が調整される比例燃焼領域にある。
【００５６】
一方、比例燃焼制御による燃焼動作中に熱交換器５内の湯温Ｔが９０℃以上になると、制御手段４０は、ステップ５以降においてインジェクター弁２５のデューティー比ｒを一定にした状態で、電磁ポンプ１８を起動、停止させ、燃焼動作を間欠させるオン・オフ燃焼制御を行う。即ち、湯温Ｔが９０℃以上になると、燃焼装置２の動作状態は、制御手段４０によってオン時に所定の燃焼量で燃焼動作を行い、オフ時に燃焼動作を停止するオン・オフ燃焼領域へと移行する。
【００５７】
上記したように、燃焼装置２の燃焼状態がオン・オフ燃焼領域に移行すると、制御手段４０は、ステップ５において比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑがある一定の燃焼量Ａを越えるか否かを確認する。ここで、要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａ未満である場合は制御フローがステップ６へ移行し、燃焼量Ａ以上である場合は制御フローがステップ１１へと移行する。即ち、制御手段４０は、ステップ５において燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑを確認し、この大小に応じてそれぞれの制御フローへと振り分ける。さらに具体的に説明すると、制御手段４０は、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａよりも小さい場合は、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が大きいと湯温Ｔが急激に上昇し、沸騰状態になると判断し、制御フローをオン時の燃焼量が比較的小さいステップ６へと移行させる。これとは逆に、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａより大きい場合、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が小さいと湯温Ｔが急激に低下し、出湯特性が悪化すると判断し、制御フローをオン時の燃焼量が比較的大きなステップ１１へと移行させる。
【００５８】
ここで、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量Ｑとして、例えば比例燃焼領域において湯温Ｔを所定の温度（９０℃）に維持するために燃焼動作を行っている際の要求燃焼量Ｑや、比例燃焼領域における燃焼動作中に、何らかの外乱に起因して湯温Ｔが湯温Ｔが所定の温度を越えた際の要求燃焼量Ｑや、湯温Ｔが所定の温度を超える瞬間より一定時間前の要求燃焼量Ｑ等を採用することが可能である。
【００５９】
要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａ未満である場合、制御手段４０はステップ６以降においてオン動作時のデューティー比ｒをＢに固定した状態で燃焼動作を行う低燃焼量オン・オフ制御を行う。即ち、制御手段４０は、ステップ６においてインジェクター弁２５のデューティー比ｒをステップ７において、湯温Ｔが加熱限界温度（本実施形態では９５℃に設定）を越えていないかを検知する。ここで、加熱限界温度とは、デューティー比ｒをある一定値（ここではＢ）に固定した状態で燃焼動作を行うと熱交換器５内の湯水が沸騰状態となると想定される温度を指す。ステップ７において湯温Ｔが加熱限界温度以下である場合、制御手段４０は、ステップ６における燃焼動作を継続させる。
【００６０】
一方、ステップ７において湯温Ｔが加熱限界温度である９５℃を越えると、制御手段４０はステップ８において燃料の燃焼を停止させ、湯温検知センサ５９によって検知される湯温Ｔが９０℃を下回るまで、燃焼装置２をオフ状態とする。ステップ９において制御手段４０が、熱交換器５内の湯温Ｔが加熱許容温度、即ち９０℃を下回ったものと判断すると、制御フローはステップ２に戻り、燃焼装置２は、比例燃焼領域における燃焼動作を再開する。
【００６１】
一方、ステップ５において要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａ以上である場合、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が小さいと湯温Ｔが急激に低下してしまうと判断し、インジェクター弁２５のデューティー比ｒを上記したＢよりも小さなＣに固定してオン・オフ制御の下、燃焼動作を行う。即ち、要求燃焼量Ｑが燃焼量Ａ以上である場合、制御手段４０は、上記した低燃焼量オン・オフ制御の場合よりも燃料タンク１５側に戻る燃料を減少させ、燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量を増加させた状態で燃焼動作を行う高燃焼量オン・オフ制御によって燃焼制御を行う。
【００６２】
制御手段４０はステップ１０において、オン動作時のデューティー比ｒをＢよりも小さなＣに固定した状態での燃焼動作を開始する。制御手段４０は、ステップ１０以降、上記した低燃焼量オン・オフ制御におけるステップ７〜９と同様のステップ１１〜１３に則って燃焼装置２の動作を制御する。さらに具体的には、制御手段４０は、ステップ１１，１２においてデューティー比ｒをＣに固定した状態（オン状態）で燃焼動作を継続し、湯温Ｔが加熱限界温度である９５℃を越えると燃焼動作を停止させ、オフ状態を維持する。そして、制御手段４０がステップ１３において湯温Ｔが加熱許容温度たる９０℃を下回ると、制御フローは、ステップ２へと戻り、比例燃焼領域における燃焼動作を再開する。
【００６３】
上記したように、本実施形態の給湯装置１において、燃焼装置２は、燃焼状態が要求燃焼量Ｑに応じて燃焼量を比例制御する比例燃焼領域から、燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量Ｑに応じて、オン・オフ制御領域におけるオン時の燃焼量を２段階に切り替え可能である。そのため、給湯装置１では、湯温Ｔの急激な変化が起こらず、熱交換器５における湯水の沸騰や、出湯特性の低下が起こらない。
【００６４】
また、本実施形態の給湯装置１は、燃料を噴霧して燃料噴射ノズル１２から燃料を噴霧して燃焼する噴霧式の燃焼装置２を備えているため、比例制御によって制御可能な燃焼量の下限値である最小燃焼量が大きく、オン・オフ制御によって燃焼量制御される頻度が高い。上記したように、給湯装置１は、オン・オフ制御の制御安定性が高いため、湯水の沸騰が起らず、出湯特性が安定している。
【００６５】
上記した給湯装置１では、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ制御領域に移行した時の要求燃焼量Ｑに応じてオン時の燃焼量を切り替えるものであったが、オン時の燃焼量は他の情報を基にして調整されてもよい。さらに具体的には、オン時の燃焼量は、例えば温度センサ６９によって検知される入水温度Ｔ１、水量センサ６８によって検知される入水量Ｒ、あるいは給湯装置１の出湯設定温度Ｔ２のうちの少なくとも一つの情報を基にして調整してもよい。より詳細には、例えば入水温度Ｔ１が低い場合、設定温度Ｔ２となるように湯水を加熱するのに必要な燃焼量が大きいと判断して燃焼量を調整してもよい。また、例えば設定温度Ｔ２が高い場合、要求燃焼量Ｑが大きいものと判断して燃焼量を調整してもよい。
【００６６】
給湯装置１は、要求燃焼量Ｑの大小によらず、熱交換器５における湯温Ｔが安定している。そのため、出湯量の変動がある状況下や、予めある程度加熱された湯水が外部から供給される可能性がある状況下での使用に向くものであり、例えば図６に示すような給湯ユニットＵ等に好適に採用することができる。以下、給湯ユニットＵについて、図６を参照しながら詳細に説明する。
【００６７】
図６に示すように、給湯装置１は、給湯ユニットＵにおいて３台並列に接続されている。給湯ユニットＵは、３台の給湯装置１からなる加熱部８０と、加熱部８０において加熱された湯水を貯留する貯留タンク８１と、加熱部８０と貯留タンク８１とを繋ぐ熱源循環回路８２と、貯留タンク８１に貯留された湯水を外部に供給する給湯回路８３とを備えている。また、加熱部８０を構成する３台の給湯装置１は、外部から燃料を供給する燃料供給管８５に対して直列に接続されている。
【００６８】
３台の給湯装置１は、貯留タンク８１に接続された湯水循環回路８２に対して並列に接続されている。さらに具体的には、湯水循環回路８３は、外部の給水源（図示せず）に接続される給水流路８６あるいは貯留タンク８１側から各給湯装置１側に湯水を供給する低温側流路８７と、各給湯装置１において加熱された湯水を貯留タンク８１に供給する高温側流路８８とから構成されている。
【００６９】
低温側流路８７は、貯留タンク８１の下端側に接続されており、この中途に加熱部８０を構成する各給湯装置１の給水回路６１に繋がる配管８４ａが接続されている。また、低温側流路８７の中途には、各給湯装置１に向けて湯水を圧送するための給水ポンプ９０と、この給水ポンプ９０の上流側と下流側とをバイパスするバイパス流路９１とが設けられている。一方、高温側流路８８は、貯留タンク８１の上端側に接続されており、この中途に各給湯装置１の熱交換器５において加熱された湯水が流れる給湯回路６２に繋がる配管８４ｂが接続されている。そのため、給水流路８６を介して外部から供給された湯水や、貯留タンク８１内に貯留されている湯水は、３台の給湯装置１からなる加熱部８０を介して熱源循環回路８２内を循環する。
【００７０】
貯留タンク８１には、加熱部８０において加熱され、貯留されている湯水を外部に供給する給湯回路８３が接続されている。給湯回路８３は、貯留タンク８１の上端側に接続され、カラン９２に向けて湯水を供給する給湯往き側流路９３と、貯留タンク８１の下端側に接続され、カラン９２において排出されずに貯留タンク８１側に戻る湯水が流れる給湯戻り側流路９５とを有する。給湯戻り側流路９５の中途には、給湯回路８３内に湯水を循環させるための給湯ポンプ９６と、この給湯ポンプ９６の上流側と下流側とをバイパスするバイパス流路９７とが設けられている。
【００７１】
上記給湯ユニットＵでは、給水流路８６を介して外部から流入した湯水が貯留タンク８１の下端側から流入すると共に、低温側流路８７を介して加熱部８０を構成する各給湯装置１に供給される。そして、各給湯装置１において加熱され高温となった湯水は、高温側流路８８を介して貯留タンク８１の上端側から流入し、貯留される。そのため、貯留タンク８１内には、下端側から上端側に向けて次第に高温となる湯温の分布が発生する。
【００７２】
給湯ユニットＵの起動直後や、カラン９２から多量の湯水を排出する場合は、貯留タンク８１内に貯留されている湯水の大半は比較的低温である。しかし、カラン９２から排出される湯水の量が少ない場合や給水流路８６を介して外部から供給される湯水が比較的高温である場合は、貯留タンク８１から排出される湯水の量が少ないため、貯留タンク８１内の湯水は熱源循環回路８２内を循環するうちにすぐに高温となる。そのため、図６に示す給湯ユニットＵでは、湯水の使用量が少ない場合や、入水温度が高い場合に各給湯装置１の動作状態が直ちにオン・オフ燃焼領域に移行する。従って、給湯ユニットＵでは、各給湯装置１の燃焼状態が頻繁にオン・オフ燃焼領域に移行する。
【００７３】
給湯ユニットＵでは、上記したように燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量Ｑに応じてオン時の燃焼量が調整される燃焼装置２を備えた給湯装置１が加熱部８０に採用されている。そのため、給湯ユニットＵは、湯水の使用量が少ない場合や、入水温度が高い場合のように、オン・オフ燃焼制御による燃焼量制御が頻繁に行われる場合であっても、熱交換器５における湯温Ｔの急激な変化が起こらず、熱交換器５における湯水の沸騰や、出湯特性の低下が起こらない。
【００７４】
給湯ユニットＵは、熱源循環回路８２に対して３台の給湯装置１が並列に接続されたものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の給湯装置１が熱源循環回路８２に対して直列に接続されたものであってもよい。また、給湯ユニットＵは、熱源循環回路８２に対して一又は複数の給湯装置１を並列に接続し、さらに一又は複数の給湯装置１を直列に接続した構成としてもよい。即ち、給湯ユニットＵは、熱源循環回路８２と給湯装置１との接続方法は、必要に応じて適宜変更可能である。また、本実施形態では、３台の給湯装置１を備えた給湯ユニットＵを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、加熱部８０を構成する給湯装置１は何台であってもよく、給湯装置１以外の熱源を備えたものであってもよい。
【００７５】
上記実施形態において、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。
【００７６】
図７は、本発明の一実施形態である給湯装置７０（湯水加熱装置）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。
【００７７】
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。
【００７８】
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８と燃焼筒１０と送風機１１とを有し、燃焼筒１０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。
【００７９】
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。
【００８０】
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７６ａ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７６ｂには、貯留部７６において加熱された湯水が流出する給湯回路６２が接続されている。また、貯留部７６には、内部に貯留されている湯水の温度を検知する湯温検知センサ７９が設けられている。
【００８１】
本実施形態の給湯装置７０についても、上記した給湯装置１と同様にして燃焼動作を制御できる。さらに具体的には、給湯装置７０では、上記した給湯装置１において湯温検知センサ５９により湯温Ｔを検知する代わりに、貯留部７６に設置された湯温検知センサ７９による検知信号に基づいて、制御手段４０が燃焼動作を制御する構成とすることができる。そのため、給湯装置７０は、湯水の使用量が少ない状況下や、入水温度が高い状況下で使用され、オン・オフ燃焼制御による燃焼量制御が頻繁に行われる場合であっても、貯留部７６内の湯温Ｔの急激な変化が起こらない。よって、給湯装置７０では、湯水の沸騰に伴う貯留部７６をはじめとする各部の損傷や異音の発生、並びに、湯温Ｔの急激な低下に伴う出湯特性の低下が起こらない。
【００８２】
本実施形態の給湯装置１では、燃料噴射ノズル１２における燃料の噴霧量を的確に調整すべく、インジェクター弁２５を採用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、インジェクター弁２５の代わりに従来技術の給湯装置や燃焼装置において一般的に採用されている比例弁等を採用すると共に、デューティー比ｒを調整する代わりに比例弁等の開度を調整する構成することも可能である。
【００８３】
上記実施形態の給湯装置１および給湯ユニットＵは、外部から低温の湯水が供給されることを前提としたものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば外部に設けられた別の給湯装置や太陽熱温水器等のように、湯水を加熱しうる公知の加熱装置に接続され、この加熱装置から湯水が供給される構成とすることも可能である。かかる構成の場合、給湯装置１に供給される湯水が予め外部の加熱装置において加熱されているため、給湯装置１あるいは給湯ユニットＵの設定温度と入水温度との差が小さく、燃焼状態が頻繁にオン・オフ燃焼領域へと移行することが想定される。
【００８４】
上記したように、給湯装置１ではオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量Ｑに応じて切り替え可能であるため、熱交換器５内の湯水や、貯留部７６内に貯留されている湯水の湯温Ｔが急激には変化しない。そのため、上記した給湯装置１や給湯ユニットＵは、外部において加熱された湯水が供給されたとしても、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起らない。
【００８５】
上記した給湯装置１において、燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域では、電磁ポンプ１８の内圧の脈動などの外乱により燃料の噴霧量が変動し、必要以上に多くの燃料が噴霧されるおそれがある。この場合、燃料噴射ノズル１２から噴霧される燃料の噴霧量に対して送風量が不足し、燃焼状態が不安定になるおそれがある。そのため、上記した給湯装置１は、燃焼状態がオン・オフ燃焼領域に移行した際に、オン時の燃焼量に対して供給されるべき風量よりも多くの外気を導入する構成とすることも可能である。かかる構成によれば、オン・オフ燃焼領域における燃焼装置２の燃焼状態がより一層安定する。
【００８６】
また、燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域では、電磁ポンプ１８の内圧の脈動などの外乱により燃料の噴霧量が変動し、必要以上に多くの燃料が噴霧されると、オン・オフ燃焼領域における燃焼量が想定されているよりも大きくなってしまい、湯温Ｔの安定性が損なわれるおそれがある。そのため、上記した給湯装置１は、燃焼状態がオン・オフ燃焼領域に移行した際の要求燃焼量Ｑに代えて、要求燃焼量Ｑよりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量Ｇに基づいてオン時の燃焼量を切り替える構成としてもよい。かかる構成によれば、電磁ポンプ１８の内圧の脈動などの外乱を受けても、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下が起らない。
【００８７】
上記実施形態において、給湯装置１は、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行した際の要求燃焼量Ｑに応じて燃焼装置２のオン時の燃焼量が２段階に切り替わるものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、オン時の燃焼量がさらに多数の段階に切り替わるものであってもよい。また、給湯装置１は、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が、比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行した際の要求燃焼量Ｑに応じて関数的に調整する構成であってもよい。即ち、本実施形態の給湯装置１では、インジェクター弁２５のデューティー比ｒを調整することによってオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を要求燃焼量Ｑに応じて多段階あるいは関数的に調整することが可能である。そのため上記した構成によれば、オン・オフ燃焼領域における湯温Ｔをより一層精度よく調整することが可能であり、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下を確実に防止できる。
【００８８】
また、上記実施形態において、給湯装置１は、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行した際の要求燃焼量Ｑに限らず、あらゆる条件基づいてオン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量が調整することが可能である。さらに具体的には、給湯装置１は、例えばオン・オフ燃焼領域へ移行した際の要求燃焼量Ｑに所定の比例定数等を乗じたものや、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行するまでの発熱量の積分値（例えば境界領域での積分値）や、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へ移行する際の温度上昇傾向等のように、ある一定の時間幅で燃焼量の推移を検知した結果等に基づいてオン時の燃焼量を調整してもよい。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の湯水加熱装置によれば、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行しても、湯温の急激な変化が起らず、湯水の沸騰や、湯温の低下に伴う出湯特性の低下を確実に防止できる。
【００９０】
特に、請求項３に記載の発明によれば、外部から供給される湯水の温度によらず出湯温度を精度よく調整することができる。
【００９１】
また、請求項４に記載の発明によれば、加熱手段において加熱された湯水が循環する熱源循環回路を具備した湯水加熱装置においても、外部から供給される湯水の温度によらず出湯温度を精度よく調整することができる。
【００９２】
また、請求項５に記載の発明によれば、外部から供給される湯水の入水温度や入水量あるいは出湯設定温度によらず、湯水の沸騰や出湯温度の急激な変化を防止することができる。
【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の燃料流路図である。
【図３】 図１に示す給湯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に示す給湯装置の作動原理図である。
【図５】 図１に示す給湯装置の動作を示すフローチャート図である。
【図６】 本発明の一実施形態である給湯ユニットの作動原理図である。
【図７】 図１に示す給湯装置の変形実施例を示す正面図である。
【符号の説明】
１，７０ 給湯装置（湯水加熱装置）
２ 燃焼装置
５９，７９ 湯温検知センサ
１１ 送風機（送風手段）
２５ インジェクタ弁
４０ 制御手段
８０ 加熱部
８１ 貯留タンク
８２ 熱源循環回路
Ｕ 給湯ユニット（湯水加熱装置）
Claims (5)
- 燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段に要求される要求燃焼量が所定の燃焼量以上である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記要求燃焼量が所定の燃焼量未満である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により加熱手段の燃焼量が制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて調整可能であり、
燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、
燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置。 - 燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段に要求される要求燃焼量が所定の燃焼量以上である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記要求燃焼量が所定の燃焼量未満である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて複数段階に切り替え可能であり、
燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、
燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置。 - 燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、燃料の噴霧量をデューティー比制御によって調整することができ、加熱手段において加熱された湯水の温度が所定温度未満である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、前記出湯温度が所定の温度以上である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、当該オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて切り替え可能であり、
燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、
燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置。 - 燃料を噴霧して燃焼し、燃焼に伴って発生した熱により湯水を加熱する加熱手段を一又は複数有し、当該加熱手段において加熱された湯水を貯留する貯留部と、前記加熱手段において加熱された湯水が前記加熱手段を介して循環する熱源循環回路とを具備し、前記加熱手段において加熱された湯水の温度が所定の温度未満である場合に前記加熱手段の燃焼量が比例制御される比例燃焼領域と、加熱手段において加熱された湯水の温度が所定の温度以上である場合にデューティー比を一定にした状態で燃焼動作を間欠させるオン・オフ制御により前記加熱手段の燃焼量がオン・オフ制御されるオン・オフ燃焼領域とを有し、当該オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量を、燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは当該要求燃焼量よりも所定量だけ小さな推定要求燃焼量に応じて切り替え可能であり、
燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａより小さい場合に、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行い、
燃焼状態が比例燃焼領域からオン・オフ燃焼領域へと移行した際の要求燃焼量あるいは推定要求燃焼量が一定の燃焼量Ａ以上である場合に、デューティー比を上記一定値Ｂよりも小さな一定値Ｃにした状態とし、デューティー比をある一定値Ｂにした状態でオン・オフ制御を行う場合よりも前記オン時の燃焼量が大きくなるようにオン・オフ制御を行うことを特徴とする湯水加熱装置。 - オン・オフ燃焼領域におけるオン時の燃焼量は、外部から供給される湯水の入水温度、入水量、あるいは外部に供給する湯水の設定温度のうち少なくとも一つの情報を基にして調整されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の湯水加熱装置。
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