JP4117479B2 - 燃焼器の点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、石油バーナーやガスバーナーなどの燃焼器に供せられる点火装置で、特に点火放電の間隔が電源周波数に同期するいわゆる電源同期式の点火装置に関するものである。

従来、この種の点火装置は、電源に交流電源を用いコンデンサに充電しておいた電荷をサイリスタなどのスイッチ素子で昇圧トランスの１次巻線に流して２次側の電極に高電圧火花を得るもので、通常半波整流回路でコンデンサを充電し逆位相の半波時にサイリスタをトリガーして充電電荷を放電するいわゆる電源同期式のものが、構成が単純で安価なため広く利用されている。しかし、火花放電が連続するため放電音を高く感じるという課題があった。そこで、その課題を解決するため、サイリスタのゲート部にＣＲ時定数回路と印加電圧が所定以上になるとオンするダイアックで構成されるトリガー回路を設け約５〜１００ｍ秒間隔に１回サイリスタをオンする電源非同期式のものがある。しかし、電源非同期式のものは回路が複雑で大きくなり高価となるため、マイクロコンピュータを用いて電源同期式の点火回路のトリガー制御信号をゼロクロス電源信号に同期して間欠制御することで火花放電回数を減らし放電音の低減を図っているものもある（例えば、特許文献１）。

図４は、上記文献１に記載された従来の燃焼器の点火装置の回路構成を示すものである。図４において、１は交流電源、２は点火電極、３は点火装置で、交流電源１のＳ側が正の半サイクルでダイオード４と抵抗５を経由しコンデンサ６に電荷が充電され、次のＲ側が正になる半サイクルで抵抗７と抵抗８とでの分圧点にゲート端子を接続されたサイリスタ９がオンするので、コンデンサ６の電荷が昇圧トランス１０、サイリスタ９、コンデンサ６と流れ、点火電極２間に火花放電が発生する。１１はホトカップラのホトトランジスタ側１１ａ端子が前記サイリスタ９のゲート−カソード間に接続されたトリガー回路である。１２はゼロクロス検出回路で双方向ＬＥＤとホトトランジスタを配したホトカップラのＬＥＤ側を交流電源１に接続し、ホトトランジスタ側の出力端子１２ａにはゼロクロス電源に同期したパルス信号が出力される。１３はマイクロコンピュータで少なくとも前記ゼロクロス検出回路１２、トリガー回路１１が接続されている。

各部の波形を図５に示す。図５（ａ）の（１）は交流電源１の波形、同（２）はサイリスタ９のカソードＫを基準にした交流電源１のＲ側の電圧（放電がない状態の波形を記載、放電サイクルではコンデンサ６の充電電圧分低下する）で、抵抗７と抵抗８とで分圧されサイリスタ９のゲートトリガー電圧としてサイリスタ９をオンする。サイリスタ９のトリガータイミングが交流電源１のＳ側からＲ側に切換わり（ア）からＲ側が最大（イ）となるまでの間（ウ）となるように抵抗７と抵抗８とを選択する。（３−ａ）はゼロクロス信号波形、（４−ａ）はマイクロコンピュータ１３がゼロクロス信号に基づき制御する出力信号波形である。マイクロコンピュータ１３はゼロクロス信号の６個を１周期として計数し、１〜２個目のゼロクロス信号で出力信号をＨとし、３〜６個目のゼロクロス信号で出力信号をＬとする。（５−ａ）はサイリスタ９のカソード−ゲート電圧波形であり、出力信号がＨの時、トリガー回路１１のＬＥＤ１１ｂの電流が遮断されホトトランジスタ１１ａがオフすることで（２）に示すＲ〜Ｋ電圧が（５−ａ）に示すＧ−Ｋ電圧としてサイリスタ９のゲートに伝達される。出力信号が間欠してＨとなりサイリスタ９をオンするので、点火装置の火花放電（６−ａ）は電源周期を３分周したタイミングで発生する。図５（ａ）は交流電源１のＳ側が正となる時のゼロクロス信号（添え数字１）を基点に計数した場合の波形である。また図５（ｂ）は交流電源１のＲ側が正となる時のゼロクロス信号（添え数字１）を基点に計数した場合の波形であり、同様に火花放電は交流電源１の周期を３分周したものとなっている。このように点火装置を間欠動作させることで火花放電回数を減らし火花放電音を軽減させている。
特公平６−５４１７２号公報

しかしながら上記従来の構成では、サイリスタ９のゲート電圧となる図５（２）のＲ〜Ｋ電圧は、交流電源１のＳ側が正の時にコンデンサ６に充電した電圧を基準にＲ側を整流して加算されていくため、交流電源１すなわちゼロクロス信号と位相のずれが生じ、出力信号を電源周波数１サイクルの間Ｈとすると、（５−ａ）または（５−ｂ）のＧ〜Ｋ電圧は２つの立ち上がりａ波形とｂ波形、またはｃ波形とｄ波形を持つようになる。抵抗７と抵抗８は（２）Ｒ〜Ｋ電圧の（ウ）の時期に放電するように設計してあるので、通常は（５−ａ）または（５−ｂ）のＧ〜Ｋ電圧のｂ波形またはｃ波形でサイリスタ９は動作する。しかし、サイリスタ９のゲートトリガー電圧の素子間のばらつき、ゲートトリガー電圧の温度特性、交流電源１の電圧変動、抵抗７や抵抗８のばらつきなどの変動要因により、交流電源１のＳ＞Ｒ領域すなわち（５−ａ）または（５−ｂ）のＧ〜Ｋ電圧のａ波形またはｄ波形でサイリスタ９が動作する可能性がある。例えば、ａ波形でサイリスタ９が誤動作すると、コンデンサ６をＳ側のＡ波形で充電した電荷で放電し、更にその後のＳ側のＢ波形での充電電荷をｂ波形で再放電することとなる。図５（ｂ）における交流電源１のＣ波形とＧ−Ｋ電圧のｃ波形、交流電源１のＤ波形とＧ−Ｋ電圧のｄ波形の関係についても同様でありる。このように、点火装置３の各種変動要因によって連続放電による誤放電が生じる可能性があり、火花放電音が不規則に聞こえ使用者に不安感を与えてしまう欠点がある。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、単純な構造で安価の電源同期式の点火装置を用い間欠放電して放電音を軽減するとともに、誤放電のない安定した放電で放電音を均一化することで安心感のある燃焼器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の燃焼器の点火装置は、交流電源の半サイクル期間に充電されたコンデンサの電荷をスイッチ素子で放電させる構成の点火回路と、ゼロクロス電源に同期したゼロクロス信号をｎ回分周し、分周信号から交流電源の位相角の概π／２相当時間後に概π相当時間だけスイッチ素子のトリガー信号を出力するようにしたものである。

上記発明によれば、電源同期式の点火装置を用いて、ゼロクロス信号のｎ回分周の周期でトリガー信号を出力して間欠放電し、サイリスタのトリガー信号をゼロクロス信号より位相角で概π／２遅らせて概πの間出力するので、１回のトリガー信号出力期間においてトリガー電圧波形の立ち上がりが１回となる。

以上のように本発明によれば、構成が簡素で安価な電源同期式の点火装置を利用し、間欠放電動作で火花放電音を軽減するとともに、放電タイミングでの連続的な誤放電を防ぎ放電音を均一に安定させることができる。

請求項１に記載の発明は、交流電源の半サイクル期間に充電されたコンデンサの電荷をサイリスタ等のスイッチ素子で放電させることにより、該放電電流を昇圧トランスの１次巻線に流して前記昇圧トランスの二次巻線側に高電圧を得る点火回路と、交流電源の逆側の半サイクルを整流して前記コンデンサの充電電圧に加算して分圧した電圧により前記点火装置のスイッチ素子を動作させるトリガー回路と、前記スイッチ素子へのトリガー信号をゼロクロス電源に同期させるための信号を出力するゼロクロス検出回路と、少なくとも前記ゼロクロス信号を受けて前記トリガー回路に動作タイミングを指示するマイクロコンピュータを備えた燃焼器の点火装置であって、該マイクロコンピュータは前記ゼロクロス信号をｎ回分周する分周手段と、前記分周信号に同期して起動する第１のタイマ手段と、この第１のタイマがタイマアップすると起動する第２のタイマ手段と、前記点火回路動作時は第２のタイマ手段がカウント動作中のみ前記トリガー回路を動作させるトリガー信号とを備え、前記第１のタイマは交流電源の位相角の概π／２相当時間とし、前記第２のタイマは交流電源の位相角の概π相当時間としたことを特徴とするものである。

そして、電源同期式の点火装置を用いて、マイクロコンピュータでゼロクロス信号のｎ回分周の周期でサイリスタのトリガー信号を出力し間欠放電することができるので、簡単な構成で安価に火花放電音を軽減することができる。

また、サイリスタのトリガー信号をゼロクロス信号より位相角で概π／２遅らせて概πの間出力するので、１回のトリガー信号出力期間においてトリガー電圧波形の立ち上がりが１回となり、誤放電がなくなり安定した均一の火花放電音となり、使用者に不安感を与えないようにすることができる。

請求項２に記載の発明は、ゼロクロス信号の分周手段はゼロクロス信号を６から１０分周することを特徴とするものである。

そして、火花放電回数が電源周期式の１／３〜１／５となり、火花放電音を軽減させると共に、供給される燃料に点火するために必要な放電エネルギーが確保され安定した点火動作を行うことができる。

以下、本発明の一実施例をガスファンヒーターに適応した場合について図面を参照しながら説明する。なお、従来例と同じ構成のものは同一符号を付して説明を省略する。

図１は、本発明の一実施例における燃焼器の点火装置の回路構成を示すものである。図において、１９はバーナー、２０はバーナー１９にガスを供給するガス導管、２１はガスの供給を開閉する電磁弁、２２はガス量を調節する電磁比例弁、２３は炎２４を検出する熱電対からなる炎センサーである。バーナー１９への点火は、電磁弁２１と電磁比例弁２２を開放しガス導管２０よりバーナー１９にガスを供給した状態で点火電極２で火花放電するよう点火装置３を動作させ、炎センサー２３が炎２４を検出した時点で点火装置３を停止する。１４はマイクロコンピュータで少なくとも交流電源１のゼロクロス信号を検出するゼロクロス検出回路１２が端子Ｉ０に、点火装置３のサイリスタ９へトリガー電圧を与えるトリガー回路１１が端子Ｏｉに接続されている。１５は前記ゼロクロス信号をｎ回分周しゼロクロスの分周信号を出力する分周手段、１６は前記分周信号により起動しＴ１時間をカウントする第１のタイマ手段、１７は第１のタイマ手段のカウントアップにより起動しＴ２時間をカウントする第２のタイマ手段、１８は第２のタイマ手段がカウント中に前記トリガー回路をオンしサイリスタ９にトリガーゲート電圧を与えるトリガー信号制御手段であり、これらはマイクロコンピュータ１４の内部処理にて構成される。トリガー信号出力手段１８がＨ（例えば５Ｖ）を出力した時、トリガー回路１１のＬＥＤ１１ｂは電流が遮断されホトトランジスタ１１ａがオフしてサイリスタ９のゲート〜カソード間にＲ〜Ｋ電圧を抵抗７と抵抗８とで分圧した電圧が印加されサイリスタ９はスイッチングし、コンデンサ６の充電電荷が昇圧トランス１０の一次巻線に流れ２次側に高電圧（１４〜１８ｋＶ）を誘起し点火電極２で火花放電を行う。また、Ｌ（例えば０Ｖ）を出力した時、ＬＥＤ１１ｂに電流流れホトトランジスタ１１ａがオンしてサイリスタ９のゲート〜カソード間がショートされサイリスタ９はオフを継続しコンデンサ６の放電経路が形成されず火花放電は発生しない。第１のタイマＴ１は交流電源１の位相角で概π／２に相当する時間であり、５０Ｈｚ電源の場合は約５ｍ秒、６０Ｈｚの場合は約４．２秒とし、また、第１のタイマＴ１は交流電源１の位相角で概πに相当する時間であり、５０Ｈｚ電源の場合は約１０ｍ秒、６０Ｈｚの場合は約８．３秒とする。

図２にマイクロコンピュータ１４の内部処理を示すフローチャートを示す。図２（ａ）は電源周波数判定の処理で、最初のゼロクロス信号を検出（Ｓ１）したら、次のゼロクロス信号を検出（Ｓ３）するまで内部タイマをカウント（Ｓ２）し、内部タイマ値が概１０秒（Ｓ４）ならば電源周波数を５０Ｈｚ（Ｓ５）とし、内部タイマ値が概８．３秒（Ｓ６）ならば電源周波数を６０Ｈｚ（Ｓ７）とする。図２（ｂ）はゼロクロス信号の分周判定の処理で、まず分周カウンタに分周値ｎを設定（Ｓ８）し、ゼロクロス信号を検出（Ｓ９）したら分周カウンタに１を加算（Ｓ１０）する。加算後、分周カウンタ値と分周値ｎとを比較（Ｓ１１）し、カウンタ値がｎ以下ならば次のゼロクロス信号の検出（Ｓ９）をし、ｎより大きければ分周カウンタに１を設定（Ｓ１２）し、ゼロクロスｎ分周信号を出力（Ｓ１３）し、次のゼロクロス信号の検出（Ｓ９）をする。図２（ｃ）はタイマの処理で、前記のゼロクロスｎ分周信号を検出（Ｓ１４）したら、前記電源周波数判定で確定した電源周波数（Ｓ１５）に従い第１タイマを設定する。５０ＨｚならばＴ１＝約５ｍ秒（Ｓ１６）、６０ＨｚならばＴ１＝４．２ｍ秒（Ｓ１７）とし、第１タイマのカウントを開始（Ｓ１８）する。その後、第１タイマのカウントアップを判定（Ｓ１９）したら第１タイマを停止（Ｓ２０）し、電源周波数（Ｓ２１）に従い第２タイマを設定する。５０ＨｚならばＴ２＝約１０ｍ秒（Ｓ２２）、６０ＨｚならばＴ２＝約８．３ｍ秒（Ｓ２３）とし、第２タイマのカウントを開始（Ｓ２４）する。その後、第２タイマのカウントアップを判定（Ｓ２５）したら第２タイマを停止（Ｓ２０）し、ゼロクロスｎ分周信号の検出（Ｓ１４）にもどる。図２（ｄ）はトリガー信号制御の処理で、点火指示から炎センサー２３が炎２４を検出するまでの点火回路動作時（Ｓ２７）であり、且つ前記タイマ処理における第２タイマカウント中（Ｓ２４〜Ｓ２５）は、トリガー信号をＨ（Ｓ２９）とし、それ以外はＬ（Ｓ３０）とする。

図３に本発明の実施例における点火装置の各部波形図を示す。図３（ａ）の（１）は交流電源１の波形、同（２）はサイリスタ９のカソードを基準にしたＲ〜Ｋ電圧（放電がない状態の波形を記載、放電サイクルではコンデンサ６の充電電圧分低下する）で抵抗７と抵抗８とで分圧されサイリスタ９のゲートトリガー電圧としてサイリスタ９をオンする。（３−ａ）はゼロクロス信号波形であり、（４−ａ）は分周手段１５が出力するゼロクロス信号の６分周信号であり、交流電源１のＳ側が正となるタイミングのゼロクロス信号（添え数字１）で分周した場合を示している。（５−ａ）はトリガ信号制御手段１８の出力信号であり、６分周信号からＴ１（位相角９０°相当時間）後、Ｔ２（位相角１８０°相当時間）間Ｈを出力し、トリガ回路１１であるホトトランジスタ１１ａをオフし（２）Ｒ〜Ｋ電圧（斜線部分）をサイリスタ９のゲートに伝達する。（６−ａ）に示すトリガー電圧（Ｇ〜Ｋ電圧）がサイリスタ９のゲートに印加されコンデンサ６の充電電荷が放出され、（７−ａ）のようにゼロクロス信号を６分周したタイミングで火花放電が発生する。出力信号がＨ出力においては、（１）交流電源１はＳ側の最大値からＲ側の最大値へ変化し、（２）Ｒ〜Ｋ電圧は最小値から最大値に変化する。（１）交流電源１のＳ側のＡ波形が充電したコンデンサ６の電荷を（６−ａ）Ｇ〜Ｋ電圧のａ波形が交流電源１のＲ側が正に立ち上がるタイミング（１８０°以降）で放電する。Ｇ〜Ｋ電圧波形はコンデンサ６の電荷が放電直後コンデンサ充電電圧分低下し交流電源１のＲ側が最大となる（２７０°）まで上昇する。ここで（５−ａ）出力信号がＬとなり、（１）交流電源１の次のＳ側のＢ波形がコンデンサ６を充電する前にトリガー信号が無くなる。出力信号Ｈ出力中には１度の放電機会しか与えられない構成となり、誤トリガーによる連続放電が生じるような誤放電の可能性をなくすことができる。

次に、図３（ｂ）の（４−ｂ）は分周手段１５が出力するゼロクロス信号の６分周信号であり、交流電源１のＲ側が正となるタイミングのゼロクロス信号（添え数字１）で分周した場合を示している。（５−ｂ）はトリガ信号制御手段１８の出力信号であり、６分周信号からＴ１（位相角９０°相当時間）後、Ｔ２（位相角１８０°相当時間）間Ｈを出力し、（２）Ｒ〜Ｋ電圧（斜線部分）をサイリスタ９のゲートに伝達する。出力信号がＨ出力においては、（１）交流電源１はＲ側の最大値からＳ側の最大値へ変化し、（２）Ｒ〜Ｋ電圧は最大値から最小値に変化する。（１）交流電源１のＳ側のＣ波形が充電したコンデンサ６の電荷を（６−ｂ）Ｇ〜Ｋ電圧のｃ波形が出力信号がＨとなったタイミング（９０°）で放電する。Ｇ〜Ｋ電圧波形はコンデンサ６の電荷が放電直後コンデンサ充電電圧分低下し交流電源１のＲ側が最小となる（１８０°）まで減少する。その後、交流電源１の次のＳ側のＤ波形が立ち上がりコンデンサ６が充電を開始するが、Ｄ波形が最大値となる（２７０°）までは（６−ｂ）Ｇ〜Ｋ電圧はゼロを継続し、Ｄ波形が最大となったタイミングで出力信号はＬとなり、 充電を開始したＤ波形を放電することはない。この場合も図３（ａ）同様に、出力信号Ｈ出力中には１度の放電機会しか与えられない構成となり、誤トリガーによる連続放電が生じるような誤放電の可能性をなくすことができる。

また、Ｔ１およびＴ２のタイマ分解能が大きく位相角π／２およびπ相当の時間が厳密に実現できなくても、（６−ａまたはｂ）Ｇ〜Ｋ電圧は正弦波の緩やかな変化に従うため、サイリスタ９のゲートトリガー電圧を超えるほどの波形の立ち上がりは生じない。そのため、Ｔ１、Ｔ２を位相角に対し概ねの時間としても誤放電には至らない。

このようにトリガー回路１１の動作期間をトリガー電圧が最小値から最大値へまたは最大値から最小値へ変化する位相角１８０°相当の期間に限定しトリガ電圧のピークを１にすることで、従来例であった部品の特性ばらつきや温度特性や電源電圧変動などによる誤放電がなくなり、均一で安定したな放電を繰り返すことができる。

また、分周値ｎは、ゼロクロスｎ分周信号の周期＝位相角：ｎπがＴ１＋Ｔ２＝位相角：１．５πより大きくなる必要があり、分周値ｎの取り得る最小値は２であり、その際は電源周波数同期で放電することになる。本実施例では分周値ｎを６として実現しており、電源周波数の１／３の放電回数としてある。これは、間欠放電による放電音の低減に配慮する一方、確実に安定した点火をするための放電エネルギーを確保する必要があり、実験的に６から１０分周した電源周波数の１／３から１／５の点火回数が必要となっている。

本発明の一実施例における点火装置の回路構成図 同点火装置のマイクロコンピュータの内部処理を示すフローチャート 同点火装置の各部波形図 従来の点火装置の回路構成図 従来の点火装置の各部波形図

符号の説明

１ 交流電源
３ 点火装置
４ ダイオード（整流素子）
６ コンデンサ
７ 抵抗器
８ 抵抗器
９ サイリスタ（スイッチ素子）
１０ 昇圧トランス
１１ トリガー回路
１２ ゼロクロス検出回路
１４ マイクロコンピュータ
１５ 分周手段
１６ 第１のタイマ手段
１７ 第２のタイマ手段
１８ トリガ信号（トリガ信号制御手段）

Claims (2)

1. 交流電源の半サイクル期間に充電されたコンデンサの電荷をサイリスタ等のスイッチ素子で放電させることにより、放電電流を昇圧トランスの１次巻線に流して前記昇圧トランスの二次巻線側に高電圧を得る点火回路と、交流電源の逆側の半サイクルを整流して前記コンデンサの充電電圧に加算して分圧した電圧により前記点火装置のスイッチ素子を動作させるトリガー回路と、前記スイッチ素子へのトリガー信号をゼロクロス電源に同期させるための信号を出力するゼロクロス検出回路と、少なくとも前記ゼロクロス信号を受けて前記トリガー回路に動作タイミングを指示するマイクロコンピュータを備えた燃焼器の点火装置であって、該マイクロコンピュータは前記ゼロクロス信号をｎ分周する分周手段と、前記分周信号に同期して起動する第１のタイマ手段と、この第１のタイマがタイムアップすると起動する第２のタイマ手段と、前記点火回路動作時は第２のタイマ手段がカウント動作中のみ前記トリガー回路を動作させるトリガー信号とを有し、前記第１のタイマは交流電源の位相角の概π／２相当時間とし、前記第２のタイマは交流電源の位相角の概π相当時間とした燃焼器の点火装置。
2. 分周手段はゼロクロス信号を６から１０分周する請求項１記載の燃焼器の点火装置。

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