JP4252989B2

JP4252989B2 - 複合熱源機

Info

Publication number: JP4252989B2
Application number: JP2005347948A
Authority: JP
Inventors: 英男岡本; 遇木村
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: JP2007155163A

Description

本発明は、給湯機能と暖房機能との少なくとも２つの機能を有する複合熱源機に関する。

従来、この種の複合熱源機として、バーナの燃焼排気との熱交換により熱媒体を加熱する第１熱交換器と、液々熱交換器から成る給湯用の第２熱交換器とを備え、第１熱交換器で加熱された熱媒体を第２熱交換器と暖房端末とに選択的に供給して、給湯運転と暖房運転とを行うようにした複合熱源機は知られている(例えば、特許文献１参照)。

このもので、バーナは単一の缶体内に並設した複数本の単位バーナで構成されている。そして、これら単位バーナの燃焼本数を段階的に切換える能力切換え手段と、これら単位バーナに対する共通のガス供給路に介設したガス比例弁と、缶体内に燃焼用空気を供給する燃焼ファンとを備え、燃焼ファンの回転数をガス比例弁の開度に応じて可変すると共に、単位バーナの燃焼本数が最大になっていない状態で要求燃焼量がガス比例弁の最大開度で得られる燃焼量を上回ったときに、能力切換え手段により単位バーナの燃焼本数を１段階多くするようにしている。

尚、燃焼ファンからの空気は全ての単位バーナに分配されるため、単位バーナの燃焼本数が少ない小能力燃焼でトータルの燃焼量が燃焼本数の多い大能力燃焼時に比し小さくなったときに、トータル燃焼量に応じて燃焼ファンの回転数を低くしたのでは、燃焼中の各単位バーナにその燃焼量に見合った量の空気を供給できなくなる。ここで、燃焼中の各単位バーナの燃焼量はガス比例弁の開度に比例する。従って、燃焼中の各単位バーナにその燃焼量に見合った量の空気を供給するには、燃焼ファンの回転数をトータル燃焼量ではなくガス比例弁の開度に応じて可変する必要がある。

また、能力切換えのハンチングを防止するため、ガス比例弁の制御上の最大開度は、この開度で得られる燃焼量が単位バーナの燃焼本数を１段階多くした状態でガス比例弁を最小開度にしたときに得られる燃焼量より若干大きくなるように設定される。そして、従来、ガス比例弁の制御上の最大開度は給湯運転時と暖房運転時との別なく同一開度に設定されている。

ところで、ガス比例弁の開度が最大開度に近いと、燃焼ファンの回転数が高くなって、送風音による騒音を生ずる。特に、夜間長時間に亘って暖房運転が行われることがあるため、暖房運転時にガス比例弁の開度が最大開度に近い状態に維持されると、騒音で周囲に迷惑をかける。
特開２００３−２１３４４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、暖房運転時の送風音による騒音を低減できるようにした複合熱源機を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、バーナの燃焼排気との熱交換により熱媒体を加熱する第１熱交換器と、液々熱交換器から成る給湯用の第２熱交換器とを備え、第１熱交換器で加熱された熱媒体を第２熱交換器と暖房端末とに選択的に供給して、給湯運転と暖房運転とを行うようにした複合熱源機であって、バーナは単一の缶体内に並設した複数本の単位バーナで構成され、これら単位バーナの燃焼本数を段階的に切換える能力切換え手段と、これら単位バーナに対する共通のガス供給路に介設したガス比例弁と、缶体内に燃焼用空気を供給する燃焼ファンと、燃焼ファンの回転数をガス比例弁の開度に応じて可変する制御を行うと共に、単位バーナの燃焼本数が最大になっていない状態で要求燃焼量がガス比例弁の最大開度で得られる燃焼量を上回ったときに、能力切換え手段により単位バーナの燃焼本数を１段階多くする制御を行う制御手段とを備え、暖房運転時の要求燃焼量は暖房負荷に対応する燃焼量とするものにおいて、単位バーナの燃焼本数が最大になっていない状態の暖房運転時のみガス比例弁の制御上の最大開度が給湯運転時よりも小さく設定され、単位バーナの燃焼本数が最大になっている状態の暖房運転時のガス比例弁の制御上の最大開度は給湯運転時と同一であることを特徴とする。

本発明によれば、暖房運転時には、要求燃焼量が増加した際にガス比例弁の開度が比較的小さいうち、即ち、燃焼ファンの回転数が比較的低いうちに、単位バーナの燃焼本数を１段階多くする能力切換えが行われる。この能力切換えによりガス比例弁の開度が減少し、燃焼ファンの回転数も減少する。従って、暖房運転時の燃焼ファンの送風音による騒音が低減される。

また、燃焼ファンからの空気は全ての単位バーナに分配されるため、単位バーナの燃焼本数が少ない小能力での燃焼時に燃焼していない単位バーナに分配される空気は燃焼に寄与しないまま第１熱交換器に流れ、熱効率を低下させる要因になる。然し、本発明では、上記の如く暖房運転時に燃焼ファンの回転数が比較的低いうちに、単位バーナの燃焼本数を多くする能力切換えが行われるため、燃焼に寄与しない空気量が減少する。従って、本発明は、熱効率を向上させる上でも有利である。

ところで、給湯運転時のガス比例弁の制御上の最大開度は、この開度で得られる燃焼量が単位バーナの燃焼本数を１段階多くした状態でガス比例弁を最小開度にしたときに得られる燃焼量より所定のヒステリシス分大きくなるように設定され、単位バーナの燃焼本数が最大になっていない状態の暖房運転時のガス比例弁の制御上の最大開度は、この開度で得られる燃焼量が単位バーナの燃焼本数を１段階多くした状態でガス比例弁を最小開度にしたときに得られる燃焼量以上になる範囲で給湯運転時のガス比例弁の制御上の最大開度より小さく設定されることが望ましい。

これによれば、給湯運転時に給湯負荷の増加による要求燃焼量の増加で単位バーナの燃焼本数を１段階多くする能力切換えを行った後に要求燃焼量が減少しても、この減少量が上記ヒステリシス以内であれば、ガス比例弁の開度制御で燃焼量を要求燃焼量に合わせることができ、能力切換えの頻度を減少できる。そのため、能力切換え時におけるガス比例弁の制御の応答遅れにより出湯温度の変動を生ずる頻度も減少し、安定した給湯を行うことができる。

一方、暖房運転時にはヒステリシスが小さくなり、そのため、能力切換えの頻度が増加することが懸念される。然し、暖房負荷の変化は緩やかであって、暖房運転時の要求燃焼量の変化も緩やかになり、ヒステリシスが小さくても能力切換えの頻度は然程増加しない。また、能力切換え時におけるガス比例弁の制御の応答遅れにより熱媒体の温度が変動しても、暖房端末による暖房温度は然程変化せず、実用上不具合は生じない。

また、本発明では、暖房運転時に単位バーナの燃焼本数が最大になっている状態でのガス比例弁の制御上の最大開度は給湯運転時と同一であるため、暖房運転開始当初で暖房負荷が大きな場合に、バーナの燃焼量をかなり大きくし、暖房温度の立上りを早くすることが可能になる。尚、バーナがこのような大きな燃焼量で燃焼されるのは一時的であり、騒音は特に問題にならない。

図１を参照して、１は給湯機能と暖房機能とを有する複合熱源機のケーシングを示している。このケーシング１内には、単一の缶体２が設けられている。缶体２には、下部のバーナ３と上部の第１熱交換器４とが内蔵されている。第１熱交換器４には、往路５ａと復路５ｂとから成る熱媒循環路５が接続されている。そして、復路５ｂに介設した循環ポンプ６の作動により第１熱交換器４に熱媒体(水、不凍液等)が循環され、バーナ２の燃焼排気との熱交換により熱媒体が加熱される。燃焼排気は、第１熱交換器４との熱交換後に缶体１の上端に接続された排気筒７を介して屋外に排出される。

また、缶体１の下端には燃焼ファン８が接続されている。そして、排気筒７を囲う給気筒９と、給気筒９に連なるケーシング１内の給気ダクト１０とを設け、燃焼ファン８の回転により屋外空気が給気筒９と給気ダクト１０とを介して燃焼ファン８に吸い込まれ、燃焼用空気として缶体１内に供給されるようにしている。

ケーシング１内には、更に、液々熱交換器から成る給湯用の第２熱交換器１１が設けられている。第２熱交換器１１には、上流側の給水管１２と下流側の出湯管１３とが接続されている。また、複合熱源機には、往路１４ａと復路１４ｂとから成る暖房回路１４を介して温風暖房器や床暖房等の暖房端末１５が接続されている。そして、熱媒循環路５の往路５ａを三方弁１６を介して第２熱交換器１１の熱媒入口部１１ａと暖房回路１４の往路１４ａとに接続し、第１熱交換器４で加熱された熱媒体を三方弁１６の切換で第２熱交換器１１と暖房端末１５とに選択的に供給して、給湯運転と暖房運転とを行うようにしている。

尚、第２熱交換器１１の熱媒出口部１１ｂと暖房回路１４の復路１４ｂとは互いに合流して熱媒循環路５の復路５ｂに接続されている。また、暖房回路１４の復路１４ｂにはダイヤフラム１７ａを内蔵する密閉式の膨張タンク１７が接続され、熱媒循環路５の復路５ｂには、循環ポンプ６の下流側に位置させてエアベント５ｃが接続されている。更に、熱媒循環路５の往路５ａに暖房往き温センサ１８を設けると共に、熱媒循環路５の復路５ｂに暖房戻り温センサ１９を設けている。また、給水管１２には、水量センサ２０と水量調節弁２１と入水温センサ２２とが設けられ、出湯管１３には出湯温センサ２３が設けられている。

ここで、バーナ３は、缶体１内に並設した複数本、例えば１５本の単位バーナ３ａで構成されている。これら単位バーナ３ａに対する共通のガス供給路２４には、元弁２５とガス比例弁２６とが介設されている。また、ガス供給路２４は、ガス比例弁２６の下流側で、５本の単位バーナ３ａにガスを供給する第１分岐路２４_１と、１０本の単位バーナ３ａにガスを供給する第２分岐路２４_２とに分岐され、第１と第２の各分岐路２４_１，２４_２に能力切換え手段たる第１と第２の各能力切換え弁２７_１，２７_２が介設されている。かくして、単位バーナ３ａの燃焼本数は、第１能力切換え弁２７_１のみを開弁させる小能力燃焼時に５本になり、第２能力切換え弁２７_２のみを開弁させる中能力燃焼時に１０本になり、第１と第２の両能力切換え弁２７_１，２７_２を開弁させる大能力燃焼時に１５本になる。そして、能力切換え弁２７_１，２７_２による能力切換えとガス比例弁２６の開度変化とでバーナ３の燃焼量が広範囲に可変される。

上記した暖房往き温センサ１８、暖房戻り温センサ１９、水量センサ２０、入水温センサ２２及び出湯温センサ２３の検出信号はケーシング１内に設けた制御手段たるコントローラ２８に入力され、このコントローラ２８により上記した循環ポンプ６、燃焼ファン８、三方弁１６、水量調節弁２１、元弁２５、ガス比例弁２６及び第１と第２の両能力切換え弁２７_１，２７_２が制御される。以下、コントローラ２８による制御について詳述する。

出湯管１３の下流端の出湯栓(図示せず)が開かれて第２熱交換器１１に通水され、水量センサ２０からの信号でこの通水が確認されると、コントローラ２８は、熱媒循環路５の往路５ａを第２熱交換器１１の熱媒入口部１１ａに接続するように三方弁１６を切換えて循環ポンプ６を作動させ、この状態で燃焼ファン８を作動させると共に、元弁２５の開弁と点火器(図示せず)の作動とでバーナ３に点火させる。これにより、第１熱交換器４で加熱された熱媒体を第２熱交換器１１に供給する給湯運転が行われる。給湯運転中は、設定湯温と入水温センサ２２の検出温度との偏差と水量センサ２０の検出水量とから給湯負荷を求め、この給湯負荷に対応する燃焼量(要求燃焼量)を算出して、バーナ３の燃焼量が要求燃焼量になるように能力切換え弁２７_１，２７_２による能力切換え制御とガス比例弁２６の開度制御とを行い、更に、出湯温センサ２３の検出温度に基づく燃焼量のフィードバック補正を行って、出湯温センサ２３の検出温度が設定湯温に維持されるようにする。

ここで、燃焼中の各単位バーナ３ａの燃焼量はガス比例弁２６の開度に比例する。そして、燃焼中の各単位バーナ３ａにその燃焼量に見合った量の空気を供給するには、燃焼ファン８の回転数をガス比例弁２６の開度に応じて可変する必要がある。図２は小、中、大の各能力での燃焼時におけるガス比例弁２６の開度とバーナ３の燃焼量と燃焼ファン８の回転数との関係を示している。図２でθｍｉｎはガス比例弁２６の最小開度、θｋｍａｘは給湯運転時のガス比例弁２６の制御上の最大開度であり、ガス比例弁２６の開度がθｍｉｎとθｋｍａｘとの間の範囲で変化したとき、バーナ３の燃焼量は、小能力燃焼時にはθｍｉｎで得られるＳｍｉｎとθｋｍａｘで得られるＳｋｍａｘとの間でガス比例弁２６の開度に比例して変化し、中能力燃焼時にはθｍｉｎで得られるＭｍｉｎとθｋｍａｘで得られるＭｋｍａｘとの間でガス比例弁２６の開度に比例して変化し、大能力燃焼時にはθｍｉｎで得られるＬｍｉｎとθｋｍａｘで得られるＬｋｍａｘとの間でガス比例弁２６の開度に比例して変化する。一方、燃焼ファン８の回転数は、ガス比例弁２６の開度がθｍｉｎとθｋｍａｘとの間の範囲で変化したとき、小、中、大の何れの能力の燃焼時においても、θｍｉｎに対応する１２０Ｈｚとθｋｍａｘに対応する２４０Ｈｚとの間でガス比例弁２６の開度に比例して変化する。

給湯運転時に、小能力燃焼を行っている状態で要求燃焼量がＳｋｍａｘを上回ったときは中能力燃焼に切換え、中能力燃焼を行っているときに要求燃焼量がＭｍｉｎを下回ったときは小能力燃焼に切換える。同様に、中能力燃焼を行っている状態で要求燃焼量がＭｋｍａｘを上回ったときは大能力燃焼に切換え、大能力燃焼を行っているときに要求燃焼量がＬｍｉｎを下回ったときは中能力燃焼に切換える。ここで、θｋｍａｘは、ＳｋｍａｘとＭｋｍａｘとが夫々ＭｍｉｎとＬｍｉｎより所定のヒステリシス分だけ大きくなるように設定されている。

これによれば、給湯運転時に給湯負荷の増加による要求燃焼量の増加で小能力から中能力や中能力から大能力への能力切換えを行った後に要求燃焼量が減少しても、この減少量が上記ヒステリシス以内であれば、ガス比例弁２６の開度制御で燃焼量を要求燃焼量に合わせることができ、能力切換えの頻度を減少できる。ここで、能力切換え時には、ガス比例弁２６の開度をθｋｍａｘから大幅に減少させ、或いはθｍｉｎから大幅に増加させる必要があって、開度変化に時間がかかる。このようなガス比例弁２６の制御の応答遅れにより燃焼量が能力切換え時に一時的に変化して、出湯温度が変動する。上記の如く能力切換えの頻度を減少できれば、ガス比例弁２６の制御の応答遅れにより出湯温度の変動を生ずる頻度も減少し、安定した給湯を行うことができる。尚、要求燃焼量がＬｋｍａｘを上回ったときは、水量調節弁２１により通水量を減少させて、出湯温センサ２３の検出温度が設定湯温に維持されるようにする。

暖房端末１５の運転スイッチがオンされると、コントローラ２８は、熱媒循環路５の往路５ａを暖房回路１４の往路１４ａに接続するように三方弁１６を切換えて循環ポンプ６を作動させ、この状態で燃焼ファン８を作動させると共にバーナ３に点火させる。これにより、第１熱交換器４で加熱された熱媒体を暖房端末１５に供給する暖房運転が行われる。暖房運転中は、熱媒体の設定加熱温度と暖房戻り温センサ１９の検出温度との偏差から暖房負荷を求め、この暖房負荷に対応する要求燃焼量を算出して、バーナ３の燃焼量が要求燃焼量になるように給湯運転時と同様に能力切換え弁２７_１，２７_２による能力切換え制御とガス比例弁２６の開度制御とを行い、更に、暖房往き温センサ１８の検出温度に基づく燃焼量のフィードバック補正を行って、暖房往き温センサ１８の検出温度が設定加熱温度に維持されるようにする。

ここで、暖房運転時のガス比例弁２６の制御上の最大開度は、小、中の各能力での燃焼時にこの最大開度で得られるバーナ３の燃焼量が夫々Ｍｍｉｎ、Ｌｍｉｎ以上になる範囲でθｋｍａｘよりできるだけ小さな図２のθｄｍａｘに設定されており、小能力燃焼時の最大燃焼量はθｄｍａｘに対応するＳｄｍａｘになり、中能力燃焼時の最大燃焼量もθｄｍａｘに対応するＭｄｍａｘになる。そして、暖房運転時には、図３に示すように能力切換え制御を行う。即ち、小能力燃焼時に要求燃焼量がＳｄｍａｘを上回ったときに中能力に切換え(Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３)、中能力燃焼時に要求燃焼量がＭｍｉｎを下回ったとき小能力に切換え(Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６)、また、中能力燃焼時に要求燃焼量がＭｄｍａｘを上回ったときに大能力に切換え(Ｓ７，Ｓ８)、大能力燃焼時に要求燃焼量がＬｍｉｎを下回ったとき中能力に切換える(Ｓ９，Ｓ１０)。

これによれば、暖房運転時には、要求燃焼量が増加した際にガス比例弁２６の開度が比較的小さいうち、即ち、燃焼ファン８の回転数が比較的低いうちに、小能力から中能力や中能力から大能力への能力切換えが行われる。この能力切換えによりガス比例弁２６の開度が減少し、燃焼ファン８の回転数も減少する。従って、暖房運転時の燃焼ファン８の送風音による騒音が低減される。

また、燃焼ファン８からの空気は全ての単位バーナ３ａに分配されるため、小、中の各能力での燃焼時に燃焼していない単位バーナ３ａに分配される空気は燃焼に寄与しないまま第１熱交換器４に流れ、熱効率を低下させる要因になる。然し、本実施形態では、上記の如く暖房運転時に燃焼ファン８の回転数が比較的低いうちに、小能力から中能力や中能力から大能力への能力切換えが行われるため、燃焼に寄与しない空気量が減少し、熱効率が向上する。

尚、暖房運転時には、小、中の各能力での最大燃焼量Ｓｄｍａｘ，Ｍｄｍａｘと中、大の各能力での最小燃焼量Ｍｍｉｎ，Ｌｍｉｎとの差(ヒステリシス)が小さくなる。そのため、能力切換えの頻度が増加することが懸念される。然し、暖房負荷の変化は緩やかであって、暖房運転時の要求燃焼量の変化も緩やかになり、ヒステリシスが小さくても能力切換えの頻度は然程増加しない。また、能力切換え時におけるガス比例弁２６の制御の応答遅れにより熱媒体の温度が変動しても、暖房端末１５による暖房温度は然程変化せず、実用上不具合は生じない。

また、本実施形態では、暖房運転時に大能力で燃焼させているときは、ガス比例弁２６の制御上の最大開度を給湯運転時と同一のθｋｍａｘに設定変更している。これによれば、暖房運転開始当初で暖房負荷が大きな場合に、バーナ３の燃焼量をＬｋｍａｘにまで増加させて、暖房温度の立上りを早くすることが可能になる。尚、バーナ３がこのような大きな燃焼量で燃焼されるのは一時的であり、騒音は特に問題にならない。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、暖房運転時のガス比例弁２６の制御上の最大開度を小、中の何れの能力での燃焼時にも同一のθｄｍａｘに設定したが、中能力燃焼時にθｄｍａｘで得られる燃焼量ＭｄｍａｘとＬｍｉｎとの差は、小能力燃焼時にθｄｍａｘで得られる燃焼量ＳｄｍａｘとＭｍｉｎとの差よりかなり大きくなるため、暖房運転時のガス比例弁２６の制御上の最大開度を中能力燃焼時は小能力燃焼時より小さく設定しても良い。

また、上記実施形態では、要求燃焼量に応じてバーナ３の燃焼能力(単位バーナ３ａの燃焼本数)とガス比例弁２６の開度とを決定し、決定された開度になるようにガス比例弁２６を制御し、ガス比例弁２６の開度に応じて燃焼ファン８の回転数を可変するようにしたが、要求燃焼量に応じてバーナ３の燃焼能力を決定し、決定した能力での要求燃焼量に対応する燃焼ファン８の回転数を図３に示す特性から決定し、決定した回転数になるように燃焼ファン８を制御しつつ、燃焼ファン８の実回転数に対応する開度になるようにガス比例弁２６を制御する、所謂ファン先行制御を行うことも可能である。ファン先行制御においても、結果的にはガス比例弁２６の開度に応じて燃焼ファン８の回転数が可変されることになり、本発明に含まれる。

また、上記実施形態の複合熱源機は給湯と暖房の２つの機能を有するものであるが、第２熱交換器１１に加えて液々熱交換器から成る風呂追焚き用の第３熱交換器を設け、第１熱交換器４で加熱された熱媒体を第３熱交換器に供給して風呂追焚き運転も行うことができるようにした複合熱源機にも同様に本発明を適用できる。

本発明の実施形態の複合熱源機の構成を示す説明図。ガス比例弁の開度と各能力での燃焼量と燃焼ファンの回転数との関係を示すグラフ。暖房運転時の能力切換え制御の内容を示すフロー図。

符号の説明

２…缶体、３…バーナ、３ａ…単位バーナ、４…第１熱交換器、８…燃焼ファン、１１…第２熱交換器、１５…暖房端末、２４…ガス供給路、２６…ガス比例弁、２７_１，２７_２…能力切換え弁(能力切換え手段)、２８…コントローラ(制御手段)。

Claims

バーナの燃焼排気との熱交換により熱媒体を加熱する第１熱交換器と、液々熱交換器から成る給湯用の第２熱交換器とを備え、第１熱交換器で加熱された熱媒体を第２熱交換器と暖房端末とに選択的に供給して、給湯運転と暖房運転とを行うようにした複合熱源機であって、バーナは単一の缶体内に並設した複数本の単位バーナで構成され、これら単位バーナの燃焼本数を段階的に切換える能力切換え手段と、これら単位バーナに対する共通のガス供給路に介設したガス比例弁と、缶体内に燃焼用空気を供給する燃焼ファンと、燃焼ファンの回転数をガス比例弁の開度に応じて可変する制御を行うと共に、単位バーナの燃焼本数が最大になっていない状態で要求燃焼量がガス比例弁の最大開度で得られる燃焼量を上回ったときに、能力切換え手段により単位バーナの燃焼本数を１段階多くする制御を行う制御手段とを備え、暖房運転時の要求燃焼量は暖房負荷に対応する燃焼量とするものにおいて、
単位バーナの燃焼本数が最大になっていない状態の暖房運転時のみガス比例弁の制御上の最大開度が給湯運転時よりも小さく設定され、単位バーナの燃焼本数が最大になっている状態の暖房運転時のガス比例弁の制御上の最大開度は給湯運転時と同一であることを特徴とする複合熱源機。
給湯運転時のガス比例弁の制御上の最大開度は、この開度で得られる燃焼量が単位バーナの燃焼本数を１段階多くした状態でガス比例弁を最小開度にしたときに得られる燃焼量より所定のヒステリシス分大きくなるように設定され、単位バーナの燃焼本数が最大になっていない状態の暖房運転時のガス比例弁の制御上の最大開度は、この開度で得られる燃焼量が単位バーナの燃焼本数を１段階多くした状態でガス比例弁を最小開度にしたときに得られる燃焼量以上になる範囲で給湯運転時のガス比例弁の制御上の最大開度より小さく設定されることを特徴とする請求項１記載の複合熱源機。