JP4488741B2 - 家庭用の加熱・動力結合型のシステム、並びに第１及び第２のバーナーへの燃料／空気の混合気を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱装置に関する。特に、本発明は、家庭用の加熱・動力結合型（Domestic Combined Heat and Power: ＤＣＨＰ）ユニットに関する。

この種のＤＣＨＰユニットとしては、電気を発生する交流発電機に接続されたスターリングエンジンが組み込まれたものが提案されてきた。通常は無駄となるであろうこのエンジンにより生じた熱は、家庭用の給水装置及び中央暖房装置に供給される水を加熱するのに利用されている。それゆえに、この熱は、ＤＣＨＰシステムの有用な生産物であった。このユニットは、約１ｋＷの電気を発生するように設計された場合に、最も経済的に好ましいことが示されている。しかしながら、この水準では、約５ｋＷの熱しか供給することができず、これは、２０ｋＷを超えるような一般的な家庭内の熱負荷を大きく下回っている。

このＤＣＨＰユニットが、家庭用ボイラーの現行の仕様に対抗できるようにするため、残りの熱を供給するためには、補助ガスバーナーが必要となる。両方のバーナーは、共通の煙道に排気することが望ましい。これにより、これらは、両方が家庭用に供給される水を加熱することができるようになるとともに、外部につながる一つの煙道のみが必要とされるようになる。しかし、このような状況においては、それぞれのバーナーに対して別々のファンを用いると、これらのファンの一つが動かなくなった場合に問題が生じ得る。かかる状況では、高温のガスが、点火されていないバーナー及び関連のガス器具列を通って戻され、それによって、これらの部品が損傷を受けるとともに、このユニットが燃焼生成物で満たされるおそれがある。この問題を回避するための一つの方法が、先にした同時係属中の英国特許出願第０１２４９８５．３号明細書に開示されている。この方法においては、バーナーを通る高温のガスの逆流が検出されて、点火されていないバーナーのファンの動作を開始することによる改善措置がとられる。本発明は、余分なファンによる寄生的な動力の消費、及び、余分な冷たい空気が加熱システムを通ることによって引き起こされる不都合な冷却効果に関係する効率低下を避けるための、他の解決方法を提供する。

本発明の第１の態様によれば、加熱装置は、第１及び第２のバーナー、空気の供給源、空気の供給を、第１のバーナーに供給する気流、及び、第２のバーナーに供給する気流に分離する分離弁、空気と混合すべく可燃性燃料を供給する手段、並びに、当該装置の要求に応じて、可燃性燃料の流量、及び、バーナーのそれぞれに供給される空気の比率を制御するようになっているコントローラーからなる。

この構成は、単一のファン、及び、空気流を二つのバーナーに分離するための分離弁を用いているため、一つのバーナーからの高温の燃焼ガスが、他のバーナーを通って逆流するおそれがほとんどない。さらに、単一のファンに対して二つのバーナーが動作することによるコスト削減効果もある。

本発明は、単一のファンのみを必要としているため、全体的なコストを削減することができる。また、二つのファン装置に比べて、スペースを削減できる。

本発明は、ＤＣＨＰシステム以外にも応用できる。すなわち、二つの独立した加熱回路に投入される熱の制御を改良することが求められている二つの予混合バーナーを有するどのような装置にも適用することができる。これは、例えば家庭用中央暖房装置及び／又は温水装置に用いる水性家庭用ボイラーのような、水加熱装置が一般的であるが、他の作動流体（例えば空気や油）を用いる加熱システムにも同様に適用することができる。さらに、この装置は、調理用装置にもなり得る。このような装置としては、ピッツァ／バーガーのグリル装置がある。この装置においては、上部バーナー及び下部バーナーが、一つの調理スペース内で同時に点火する。

燃料と空気を混合する混合室を設けることもできる。この混合室は、分離弁の上流に設けられ、分離弁が燃料と空気の混合気流を分離できるようになっている。このような構成は、単一の燃料供給源を必要とするだけであるという利点を有している。しかし、この場合、分離弁は、複雑な設計・保証が必要な点火安全装置でなければならない。また、完全に閉鎖でき、ガス供給系を完全に封止することのできるものである必要がある。従って、可燃性燃料を供給する手段は、分離弁の下流において分離した空気流に燃料を供給するよう配置されることが好ましい。また、この構成は、各バーナーについて個々に空気／燃料の割合を設定することができるので、各バーナーに対する空気／燃料の混合気をフルコントロールすることができる。このような状況において、弁は、空気流を扱うように設計されればよく、点火されていないバーナーへの望ましくない燃料の流入を可能としない程度の漏洩を許容することができる。実際においては、分離弁のベーン（羽根）に穴が設けられ、ベーンを越えるあらゆる空気流に加え、抽気流を許容するようになっている。これによって、非動作のバーナーが十分に換気され、バーナー内の全箇所で可燃性ガスが一切蓄積しないようにする。さらに、この空気流は、バーナーの表面上に、それが低温である場合にも、凝結することを防止する。

本発明は、スターリンエンジンがバーナーを必要とするＤＣＨＰシステムであって、典型的な家庭内の熱負荷を提供する所要熱を発生させるべく温水器を加熱するよう第２のバーナーが配置されているＤＣＨＰシステムに特に適用可能である。これらのバーナーからの出力を調整することによって、熱要求の全範囲を満足することができ、システムのフレキシビリティをより向上させることができる。

分離弁は、２つの気流を制御可能に分離できる適当な弁であるならば、どのようなものであってもよい。最も簡単なものとしては、分離弁はフラップ弁である。

また、本発明の第２の態様は、第１と第２のバーナーへの燃料／空気の混合気を制御する方法であって、一つの空気の供給を、第１のバーナーに供給される第１の気流と、第２のバーナーに供給される第２の気流とに分離すること、空気と混合すべく可燃性燃料を供給すること、及び、装置の要求に応じて、バーナーのそれぞれに供給する混合気流の比率を制御すること、を含む方法として規定されている。

この制御は、ファンの速度及び分離弁の位置を制御することによって実行されることが好ましい。これは、最小の構成要素だけでよい簡単な流れ制御の方法である。

さらに、２つのバーナーの燃料必要量はそれぞれ独立して満足される。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１に示す装置は、スターリングエンジンのヘッドに熱を供給するためのバーナー２を備えるものである。このバーナーに用いられるガスは、ガス供給ライン４から送り込まれる。このガスは、多機能コントローラー５（ハネウェル１０００シリーズ、ダイレクトバーナーイグニッションコントローラー（Honeywell 1000 series direct burner ignition controller））に供給される。この多機能ガスコントローラーは、標準圧調整器及びゼロガス調整器を用いることによって、混合装置に送り込まれるガスの圧力を、入口空気流（雰囲気）の圧力に制御する。また、この多機能ガスコントローラーは、二重ソレノイド安全遮蔽弁、手動流量制御弁及び制御回路を内蔵している。調節されたガスは、可変速ＤＣファン８からなる混合器に供給される。この混合器は、空気流７をベンチュリ９に引き込む。ガスが空気流に引き込まれる割合は、ベンチュリ内へのこのガスの流量に依存している。所望とするガス：空気の比率は、弁からのガスの流れを調節することによって得ることができる。また、ＤＣファンの速度を変えることによって、混合気の流量を増加させることができる。ガス：空気の比率は、混合気の流量の制御範囲全体にわたって予め設定したレベルに維持され、ファンの速度のみによって、バーナーの動作が制御される。バーナーの動作制御には、単独のバーナーコントローラーが用いられている。このコントローラーは、バーナーの点火を制御するほか、バーナーにおける炎を検出して、炎が消失した場合にはガスの流れを遮断する。

補助バーナー１２への燃料及び空気の供給は、スターリングエンジン１に関して上述したのと同様にして行われる。この装置は、バーナー２と共通のガス供給ライン４（明確にするために、図１においては独立に示されている）、多機能コントローラー５Ａ、バーナーコントローラー、空気供給源７Ａ、ファン８Ａ、及び、ベンチュリ９Ａを備えている。

使用時には、スターリングエンジンバーナー２及び補助バーナー１２へのガス及び空気の供給は、家庭内における要求温度に基づいて個別に制御される。家庭内における要求が、スターリンエンジンバーナー２によって供給される温度よりも高い温度にある場合には、補助バーナー１２が、この不足分を補うために作動する。

以下、本発明に係る第１の構成について、図２を参照しつつ説明する。

スターリングエンジン１は、上述したものと同様な態様で、第１のヒーター１４によって加熱される。この熱は、先にした同時係属中の出願第００２００１２号明細書に記載されているように、フィン３のシステムによってヘッドに伝えられる。

図２の装置は、第２のバーナー（図１の補助バーナーに類似している）によって水流１６を加熱するように設けられた温水器１５を備えている。排気ガスは、煙道１８を通って排出される。

共通のガス供給ライン１９が、第１のバーナー１４及び第２のバーナー１７の両方につながっている。ガス流は、単一の多機能弁２０によって調節される。この多機能弁２０は、図１において述べた多機能弁５と同様に機能する。バーナーの火炎検出及び点火を行うバーナーコントローラーは、多機能コントローラーに内蔵されている。多機能弁２０から排出されたガスは、ベンチュリ多岐管２１の形式の混合室に入り、ファン（図示せず）によって吹き込まれた空気流と混合される。ここまで述べた燃料及び空気の供給装置は、図１を参照して示したものと同様である。

次に、ガス及び空気の混合気は、分離弁２３に供給される。ここでは、一つの入口２４が、第１のバーナー出口２５及び第２のバーナー出口２６に通じている。この分離弁２３は、単一の弁要素を有しており、その位置によって、入口２４における二つの出口２５，２６に供給される気流の割合が決まる。それぞれの出口に対する気流の相対的な量は、軸線２８を中心にして回転可能なフラップ弁２７によって調節される。このフラップ弁２７の位置は、多機能コントローラーによって設定され、例えば、サーボモーターによってその位置まで動かされる。

家庭用加熱回路からの水は、スターリングエンジン冷却器３１を通って流れる。この際、この水が熱を除去することによって、スターリングエンジン内部の所要の温度差が維持される。

スターリングエンジン１に供給される燃料／空気の混合気は、バーナー装置を囲む導風板２９に沿って流れるため、バーナーから排出される熱いガス流によって加熱される。入ってきた混合気に熱の一部を供給した排出ガスは、連結管３０を通って導風板から排出され、水流１６と接触する温水器１５に入る。この水流１６は、第２のバーナー１７の上流で水流１６が予熱されるように、スターリングエンジン冷却器３１から一部の熱を既に取り込んでいる。第２のバーナー１７は、必要に応じて点火され、水流１６に補助的に熱を供給する。そして、第１のバーナー１４からの排出ガスは、第２のバーナーからの排出ガスと混合される。混合されたガスは、温水器１５内部において、別のチャンバにおける次段の復水熱交換管を横切って流れる。この後、この混合されたガス流は、煙道１８を通って温水器１５から排出される。これにより、図１に定められているような、第１のバーナーのための別途の煙道は必要なくなる。

本発明に係る第２の構成を、図３及び図４に示す。

この構成においては、大部分の構成要素は図２に示されるものと同じであり、同一の構成要素は同一の参照番号により示してある。

図２と図３及び図４との間の主な相違は、図３及び図４において、可変速ＤＣファン２２からの空気流が、ガスが添加される前に、空気流分離弁２７によって分離されていることである。このため、二つのガス供給ライン１９が必要となる。これらのラインはそれぞれ、関連の調整器／弁２０によって制御される。そして、それぞれのガスが、ベンチュリ２１内で、空気流の一つと混合される。ファン２２の速度、分離弁２７′の位置及び調整器／弁２０′は、多機能コントローラーによって制御される。

本発明の一部を形成しないガス系列の配置を示す概略図である。 本発明の第１の例を示す概略図である。 本発明の第２の例を示す、図２と同様の概略図である。 図３の例のガス系列を示す、図１と同様の概略図である。

Claims (3)

1. 加熱装置が組み込まれた家庭用の加熱・動力結合型のシステムであって、
   前記加熱装置は、
   第１及び第２のバーナーと、
   空気を供給するファンと、
   空気の供給を、前記第１のバーナーに供給される気流、及び、前記第２のバーナーに供給される気流に分離する分離弁と、
   可燃性燃料を空気と混合して、前記第１のバーナーに供給される第１の混合気、及び前記第２のバーナーに供給される第２の混合気を生成すべく、前記分離弁の上流において、空気の気流に可燃性燃料を供給するか、又は前記分離弁の下流において、分離した空気の気流に可燃性燃料を供給する手段と、
   コントローラーと、
   を備えており、
   前記コントローラーは、当該装置の要求に応じて、可燃性燃料の流量、前記ファンの速度、及び、前記分離弁を調整して前記バーナーのそれぞれに供給される空気の比率を制御するようになっており、
   当該システムは、
   前記第１のバーナーにより加熱されるスターリングエンジンと、
   前記第２のバーナーにより加熱される温水器と、
   前記スターリングエンジンから延び、前記第１の混合気の前記第１のバーナーへの入口に接触して前記第１のバーナーに入る前記第１の混合気を予熱し、その後、前記温水器の上流で水と接触してこの水を予熱する排出ガスダクトと、をさらに備える、システム。
2. 前記分離弁は、フラップ弁である、請求項１に記載のシステム。
3. 加熱装置が組み込まれた家庭用の加熱・動力結合型のシステムにおいて、該加熱装置が備える第１及び第２のバーナーへの燃料／空気の混合気を制御する方法であって、
   ファンにより行われる空気の供給を、分離弁を用いて、前記第１のバーナーに供給される気流と、前記第２のバーナーに供給される気流とに分離することと、
   可燃性燃料を空気と混合して、前記第１のバーナーに供給される第１の混合気、及び前記第２のバーナーに供給される第２の混合気を生成すべく、前記分離弁の上流において、空気の気流に可燃性燃料を供給するか、又は前記分離弁の下流において、分離した空気の気流に可燃性燃料を供給することと、
   前記バーナーの要求に応じて、前記バーナーのそれぞれに供給する混合気の比率を制御することと、を含み、
   前記ファンの速度及び前記分離弁の位置を調整して、前記バーナーのそれぞれに供給される前記混合気の前記比率を制御することを更に含み、
   前記システムは、
   前記第１のバーナーにより加熱されるスターリングエンジンと、
   前記第２のバーナーにより加熱される温水器と、
   前記スターリングエンジンから延び、前記第１の混合気の前記第１のバーナーへの入口に接触して前記第１のバーナーに入る前記第１の混合気を予熱し、その後、前記温水器の上流で水と接触してこの水を予熱する排出ガスダクトとを備えている、方法。

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