JP4069844B2

JP4069844B2 - ガス燃焼装置

Info

Publication number: JP4069844B2
Application number: JP2003369849A
Authority: JP
Inventors: 秀典畑; 明太田
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: JP2005134023A

Description

この発明はガス燃焼装置に関し、より詳細には、燃料ガスの供給量を流量制御弁により調整するガス燃焼装置において、バーナに燃料ガスを供給するためのガスノズルの改良に関する。

従来のガス燃焼装置（たとえば、給湯器や風呂釜など）では、バーナへの燃料ガスの供給量は、ガスの供給路に設けられた圧力制御弁によってバーナへの燃料ガスの供給ガス圧を調整することにより制御されていた。

このような圧力制御による場合、使用するガス種に応じて制御圧力レンジを変更する必要があるので、そのための手段として、上記圧力制御弁の下流側にガスホルダが設けられ、ガス種に応じてこのガスホルダが交換されている。

上記ガスホルダは、バーナに臨む貫通孔を有するガスノズルを備え構成され、上記圧力制御弁を経て所定のガス圧で供給される燃料ガスをそのガス圧によってガスノズルからバーナに向けて噴射・供給させるもので、ガス種を変更する際には、変更後のガス種（ガスの発熱量）に合ったノズル径（上記貫通孔の開口面積）を有するガスノズルを備えたガスホルダに交換される。

つまり、発熱量の高いガス種を使用する場合には、上記ノズル径の小さいガスノズルを備えたガスホルダに交換し、反対に発熱量の低いガス種を使用する場合には、ノズル径の大きいガスノズルを備えたガスホルダに交換することで、圧力制御弁を交換することなく一つの圧力制御弁によって異なるガス種にも対応できるようにされていた。

実開平０６−０４６１３３号公報

しかしながら、このような従来の構成では以下の問題があり、その改善が望まれていた。

すなわち、従来の構成では、燃料ガスのガス種を変更するにはガスホルダの交換が必要となるので、ガスホルダの交換に伴う作業負担（人的・経済的負担）が大きかった。

また、ガス種毎にノズル径の異なるガスホルダを用意しておかなければならないので、ガスホルダの共用化ができず、そのためにガスホルダの製造コストを安価に抑えることができなかった。

さらに、このようにガスノズルのノズル径に依存するかたちで燃料ガスの供給量を調整する方式では、ガスノズルのノズル径の寸法にバラツキがあるなどガスノズルの製作精度が悪いと正確な燃焼制御が行えなくなるので、ガスノズルの製作精度を高める必要があり、そのためにガスホルダの製作コストの上昇を招くという問題もあった。

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ガス種変更によるガスノズルの交換が不要で、かつ高精度なガスノズルでなくても正確な燃焼制御を行い得るガス燃焼装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るガス燃焼装置は、バーナと、このバーナに燃料ガスを供給するガスノズルと、このガスノズルに燃料ガスを供給するガス供給路と、前記ガス供給路にあって燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えたガス燃焼装置において、前記ガスノズルの通路面積の総和が前記ガス流量制御弁の最大開口面積と同一または前記最大開口面積よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする。

そして、その好適な実施態様として、前記ガス供給路にガス流量を測定するガス流量測定手段を備えるとともに、このガス流量測定の測定結果に基づいて前記ガス流量制御弁の開口面積を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、他の好適な実施態様として、前記ガス流量制御弁の上流側にガス圧を一定にする圧力調整手段を備え、燃料ガスのガス流量と前記ガス流量制御弁の開口面積が比例の関係になることを特徴とする。

本発明によれば、バーナへの燃料ガスの供給量の調整がガス流量制御弁により行われるとともに、バーナに燃料ガスを供給するガスノズルの通路面積の総和が、上記ガス流量制御弁の最大開口面積と同一か、またはそれよりも大きくなるように設定されているので、ガス流量制御弁の開口面積を最大（ガス供給量を最大）にした場合でもバーナへの燃料ガスの供給がガスノズルによって阻害されることがない。したがって、ガス流量制御弁で調整したとおりの流量の燃料ガスをバーナに供給でき、常に、最適な燃焼制御を実現できる。

また、ガスノズルのノズル径は、ガス種とは関係なく設定される（ガスノズルの通路面積の総和がガス流量制御弁の最大開口面積と同一かまたはそれよりも大きく設定される）ので、ガス種に応じてガスノズルのノズル径を変更する必要がなくなり、上記条件を満たすガスホルダを少なくとも一種類用意しておけば、それで全てのガス種に対応できる。したがって、各ガス種間でガスホルダを共用でき、製造コストを低く抑えることができる。

さらに、上記条件さえ満たしていれば、ガスノズルの製作精度は従来の圧力制御方式の場合のように高くなくともよいので、ガスノズルの製作コストそのものも安価に抑えることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明のガス燃焼装置を給湯器に適用した場合を示している。図示のように、給湯器１はその本体内にガスを燃料とするバーナ２を備えており、このバーナ２の上方にはバーナ２によって加熱可能に構成された熱交換器３が設けられている。また、バーナ２の下方には、該バーナ２への給気を行うための送風ファン４が設けられている。

そして、熱交換器３の入水側には給水管５が接続されるとともに、出湯側には出湯管６が接続されており、上記給水管５には、入水量を検出する水量センサ７と図示しない入水温度センサとが設けられている。また、出湯管６には、図示しないが上記熱交換器３で加熱された温水の出湯温度を検出する出湯温度センサが設けられている。

一方、バーナ２には該バーナ２に燃料ガスを供給するためのガス管８が接続されている。具体的には、上記バーナ２は複数（図示例では５本）のガスバーナ２１から構成される。そして、上記ガス管８の先端側には上記ガスバーナ２１のガス入力側に臨んでガスホルダ９が設けられ、このガスホルダ９のバーナ側壁面に上記各ガスバーナ２１のそれぞれに対向してガスノズル１０が上記ガスバーナ２１に臨んで複数（図示例では５個）設けられている。

ここで、上記ガスホルダ９は、上記ガス管８に連通して形成された箱状の容体であって、その先端が図示のように密閉されている。一方、図２は上記ガスノズル１０の一例を示す概略構成図であり、図２(a) はガスノズル１０の平面拡大図を、図２(b)は図２(a) のII-II線に沿った断面図をそれぞれ示している。図示のように上記ガスノズル１０は、その先端が截断された略円錐状の形状の部材で構成され、その中央に先端側（頭頂面１０ａ）から基端側（底面１０ｂ）に貫通する貫通孔１０１が形成されている。

そして、このガスノズル１０が、上記ガスホルダ９のバーナ側壁面に上記ガスバーナ２１に対向して配置されることにより、ガス管８から上記ガスホルダ９に導かれた燃料ガスが上記貫通孔１０１を介してガスバーナ２１に向けて噴射・供給される。

なお、本実施形態では上記貫通孔１０１としてガスノズル１０には断面略円形の貫通孔を形成した場合を示したが、この貫通孔１０１の形状はこれに限定されることなく適宜設計変更可能である。なお、以下の説明ではこの貫通孔１０１の断面積（通路面積）には符号Ｓを付すものとする。また、この通路面積Ｓは、本実施形態に示すように、貫通孔１０１のどの位置でも同一であれば（換言すれば、貫通孔が筒状に設けられている場合であれば）貫通孔１０１の実際の開口面積（実測値）を用いるが、たとえば上記貫通孔１０１において燃料ガスが通過方向に広狭があるような場合には、燃料ガスの通過に実質的に寄与する実効面積（計算値または実験値）を指すものとする。

一方、上記ガス管８の基端側はガス供給源（たとえば都市ガスであれば都市ガス供給用のガス配管、プロパンガスであればガスボンベなど）と接続されており、上記バーナ２への燃料ガスの供給路を構成している。

このガス管８には、燃料ガスの流量を検出するガス流量センサ（ガス流量測定手段）１１と、バーナ２に供給される燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁１２とが設けられている。なお、図示しないが、ガス管８の上流側（基端側）には燃料ガスの供給を遮断可能に構成された元ガス電磁弁が設けられている。

ここで、本実施形態では、上記ガス流量センサ１１として、ガス管８内を流れる流体の質量流量を検出する熱式の質量流量センサが好適に用いられるが、このガス流量センサ１１としては、燃料ガスの流量を測定可能な測定装置であれば他のセンサ（たとえば超音波式流量センサ等の体積流量を測定するセンサ等）を用いてもよい。

上記ガス流量制御弁１２は、たとえばニードル弁などのように弁体を作動させて弁座の開口面積を変化させることにより燃料ガスの流量を制御する比例弁で構成される。つまり、弁の開度を調節することによって燃料ガス供給路の断面積（通路面積）を変化させてバーナへのガス供給量を調節可能に構成される。なお、以下の説明においては、このガス流量制御弁１２の開口面積（通路面積）をＳgとし、また、このガス流量制御弁１２の制御上の弁開度最大時における開口面積（最大開口面積）をＳｇmaxとする。

また符号１３は、給湯器各部の動作を制御する制御手段を構成するコントローラを示しており、具体的にはこのコントローラ１３により上記ガス流量制御弁１２の弁開度（開口面積Ｓｇ）の制御や、送風ファン４におけるファンモータの回転数制御等の燃焼制御が実現される。つまり、コントローラ１３は、出湯管６からの出湯温度を図示しないリモコン等によって設定される給湯設定温度と一致させるように、このガス流量センサ１１で測定されるガス流量に基づいてガス流量制御弁１２の弁開度を制御するとともに、バーナ２で最適な燃焼が行えるように上記ファンモータの回転数を制御するものとされている。

なお、これらの制御に関連して、コントローラ１３には、図１に示すように、水量センサ７やガス流量センサ１１の他、図示しない入水温度センサや出湯温度センサ、フレームロッド等の各種センサのセンサ出力が接続（図中の破線参照）されるとともに、上記送風ファン４やガス流量制御弁１２などとも接続され、これらに対して動作制御用の制御信号を出力できるように構成されている点は通常の給湯器と同様である。

ところで、このように構成されてなる給湯器１において、本発明では上記ガスノズル１０とガス流量制御弁１２とが以下のような関係を有するように選択・設定される。

すなわち、上記ガスノズル１０とガス流量制御弁１２は、図３に示すように、ガスノズル１０の通路面積の総和が、上記ガス流量制御弁１２の最大開口面積と少なくとも同一か、あるいはガスノズル１０の通路面積の総和が上記ガス流量制御弁１２の最大開口面積よりも大きくなるように選択・設定される。なお、その際、上記ガス流量制御弁１２の下流側のガス管８およびガスホルダ９の各通路面積（断面積）は、少なくとも上記ガス流量制御弁１２の最大開口面積と同一か、もしくはそれよりも大きくなるように設定される。

具体的には、本実施形態では上記ガスノズル１０としてガスホルダ９に５個のノズルが設けられているので、これら五つのガスノズル１０，１０，…のそれぞれ通路面積Ｓの合計（総和）ＳΣｎと上記ガス流量制御弁１２の最大開口面積Ｓｇmaxとが、以下の数式（１）に示す関係を有するようにガスノズル１０とガス流量制御弁１２とが選択・設定される。

Ｓｇmax≦ＳΣｎ・・・（１）

つまり、ガスノズル１０の通路面積Ｓの総和ＳΣｎを、上記ガス流量制御弁１２の最大開口面積Ｓｇmaxと少なくとも同一か、あるいはそれ以上に選択・設定することで、ガス流量制御弁１２の下流側の圧力（ガスホルダ９内の圧力）Ｐ２をバーナ２の周囲の圧力（大気圧）Ｐ３に近い状態にする。これにより、ガス流量制御弁１２の弁開度（開口面積Ｓ）とガスノズル１０から噴射される燃料ガスの流量との関係は図４の実線に示すような線形の（リニアな）特性となる。

すなわち、従来の圧力制御方式の場合、ガスノズル１０のノズル径（通路面積）によって制御圧力レンジを調整していたため、単に圧力調整弁を流量制御弁に交換するだけでは、ガス流量制御弁１２の弁開度を上げると、ガスノズル１０の通路面積Ｓの総和ＳΣｎがガス流量制御弁１２の最大開口面積Ｓｇmaxより小さくなる場合が起こり得る。そのような場合、図４の破線で示すように、ガス流量制御弁１２の弁開度を上げてもガスホルダ９内の圧力Ｐ２がバーナ２の周囲の圧力Ｐ３よりも大きくなり、その結果、ガス流量制御弁１２の弁開度に応じたガス流量が得られない不具合が生じる。

これに対して、本発明では、燃料ガスの制御方式としてガス流量制御弁１２による流量制御を用いるとともに、上記ガスノズル１０の通路面積の総和ＳΣnが上記ガス流量制御弁１２の最大開口面積Ｓｇmaxと少なくとも同一か、または上記最大開口面積Ｓｇmaxよりも大きくなるように設定されているので、図４に示すようにガス流量制御弁１２の弁開度に応じて所望のガス流量を供給することができる。また、流量制御方式によるので、使用するガス種に関係なくガスノズル１０を共用でき、さらには、ガスノズル１０の製作に関して圧力制御方式ほどに高い製作精度は要求されないので、ガスノズル１０の製作コストを安価に抑えることができる。

なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、ガスホルダ９とガスノズル１０とが別体に構成された場合を示したが、本発明によれば上述したようにガスノズル１０の製作精度はそれほど高くなくても良いので、たとえば両者を一体に形成することもできる。また、上述した実施形態では、上記ガスノズル１０として略円錐上の形状を示したが、ガスノズル１０には貫通孔１０１が形成されていればよく、その外観形状は適宜設計変更可能であることはいうまでもない。

また、上述した実施態様では、ガス流量センサ１１を備えた給湯器に本発明を適用した場合を示したが、本発明はこのようなガス流量センサ１１を備えない給湯器やコンロにも適用可能である。要は、燃料ガスの供給量の調整にガス流量制御弁１２が用いられ、かつこの流量センサ１２の弁開度とガスノズル１０の通路面積の総和ＳΣnとの関係が上述した関係にあれば、ガス流量センサ１１の有無に関係なく本発明は適用可能である。

また、上記のように本発明をガス流量センサを備えない給湯器やコンロに適用する場合、好ましくは、上記ガス流量制御弁１２の上流側に、たとえばガバナ機構のようなガス圧を一定にする圧力調整手段を備えておくことが好ましく、これにより燃料ガスのガス流量とガス流量制御弁の開口面積とが比例関係になり、ガスノズル１０の通路面積（ノズル径）を統一することが可能となる。

本発明に係るガス燃焼装置を適用した給湯器の概略構成を示す説明図である。同給湯器に用いられるガスノズルの概略構成図であって、図２(a)は同ガスノズルの平面拡大図を、図２(b)は図２(a) のII-II線に沿った断面図を示している。同給湯器におけるガスノズルの開口面積の総和とガス流量制御弁の最大開口面積Ｓｇmaxとの関係を説明する説明図である。同給湯器におけるガス流量制御弁の弁開度とバーナに供給される燃料ガスの流量の関係を示す特性図である。

符号の説明

１給湯器
２バーナ
３熱交換器
４送風ファン
５給水管
６出湯管
７水量センサ
８ガス管
９ガスホルダ
１０ガスノズル
１１ガス流量センサ（ガス流量測定手段）
１２ガス流量制御弁
１３コントローラ（制御手段）
１０１貫通孔
Ｓガスノズルの貫通孔の通路面積
Ｓｇガス流量制御弁の開口面積（通路面積）

Claims

バーナと、このバーナに燃料ガスを供給するガスノズルと、このガスノズルに燃料ガスを供給するガス供給路と、前記ガス供給路にあって燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えたガス燃焼装置において、
前記ガスノズルの通路面積の総和が前記ガス流量制御弁の最大開口面積と同一または前記最大開口面積よりも大きくなるように設定されている
ことを特徴とするガス燃焼装置。
前記ガス供給路にガス流量を測定するガス流量測定手段を備えるとともに、このガス流量測定の測定結果に基づいて前記ガス流量制御弁の開口面積を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載にガス燃焼装置。
前記ガス流量制御弁の上流側にガス圧を一定にする圧力調整手段を備え、燃料ガスのガス流量と前記ガス流量制御弁の開口面積が比例の関係になることを特徴とする請求項１に記載のガス燃焼装置。