JP4909049B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体燃料を加熱気化する気化器を備えた燃焼装置に関し、特には位相制御により気化器を加熱するヒータの通電を制御する燃焼装置に関するものである。

従来、液体燃料を加熱気化する気化器と、気化器を加熱するヒータと、気化器に灯油等の液体燃料を供給する燃料供給手段を備えた構成の燃焼装置が用いられており、気化器に供給された液体燃料は、加熱されることで気化して気化ガスとなり、この気化ガスを空気と混合させた混合ガスを燃焼させるようになっている。

また、このような燃焼装置では、気化器を加熱するためのヒータ通電方法の一つとして位相制御が用いられており、位相制御においては、ヒータを通電する位相量は気化器に供給される液体燃料の量に対応して予め設定されているので、気化器に供給される液体燃料の量を検知して位相量を変更することにより、気化器を一定の温度に保つようになっている。
特開平１１−２４８１５２号公報

つまり、上述の位相制御において、ヒータの通電量を決定して気化器の温度を一定に保つためには、気化器に供給される液体燃料の量を正確に検知する必要があることになる。言い換えれば、この液体燃料の供給量がわからないような場合は、ヒータの通電量を適切に変更することができないため、気化器の温度を一定に保つことができないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、気化器に供給される液体燃料の量を検知することができない場合にも、ヒータに通電する位相量を適切に決定し、気化器の温度を一定に保つことで、燃料状態を良好に維持することのできる燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料を気化する気化器と、前記気化器を加熱するヒータと、前記気化器の温度を検知する気化器温度検知手段と、前記気化器へ燃料を供給する燃料供給手段と、前記気化器温度検知手段の検知結果に基づき前記ヒータに通電する位相量を変更して気化器温度をフィードバック制御するヒータ制御手段と、前記ヒータ制御手段のフィードバック補正量を演算する演算手段と、前記ヒータ制御手段と前記演算手段を有する第一制御部と、前記燃料供給手段を制御する第二制御部を備え、前記第一制御部は前記気化器が所定温度に達すると前記第二制御部へ液体燃料の供給開始の指示をし、前記第二制御部は前記第一制御部からの指示により前記燃料供給手段を駆動するとともに燃料の供給を開始することを前記第一制御部に通知し、前記演算手段は前記気化器に燃料が供給されているときと供給されていないときでは異なるゲインを用いるとともに、ゲイン変更後のフィードバック補正量は変更前のフィードバック補正量を引き継ぐことを特徴とする燃焼装置である。

また、前記フィードバック制御はＰＩ制御であって、比例項をゲイン変更の前後において変えることなくフィードバック補正量を引き継ぐことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置である。

また、前記気化器に燃料が供給されているときと供給されていないときでは積分時間が異なることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼装置である。

また、積分処理中に燃料が供給された場合、当該積分処理が終了した後に積分時間を変更することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃焼装置である。

また、フィードバック制御量はベース位相量とフィードバック補正量からなり、ゲインを変更すると同時にベース位相量を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃焼装置である。

また、前記気化器に燃料が供給されているときは供給されていないときよりも小さいゲインを用いてフィードバック制御量が決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の燃焼装置である。

上述のように構成することにより、気化器に供給される液体燃料の量がわからなくても、フィードバック制御により適切なヒータの通電量を決定し、気化器の温度の変動が少なく安定した燃焼をすることが可能となる。

好適と考える本発明の最良の形態を、本発明の作用効果を示して簡単に説明する。

本発明は、気化器を加熱するヒータの通電を位相制御により行う燃焼装置に関し、ヒータに通電する位相量は気化器の温度をフィードバックすることによって制御するように構成されるものである。そのため、気化器に供給される液体燃料の供給量の変化がわからなくても、気化器温度を検知することで、ヒータを通電する位相量を適切に決定することができる。

そして、フィードバック制御を行う際のゲインは、気化器に液体燃料が供給されていない場合と供給されている場合とでは異なる値が選択されるようになっている。

つまり、気化器に液体燃料が供給されていない状態では、気化器自体の温度は雰囲気温度等の外的要因によって変化するため、必要とされるヒータの通電量はその都度変化し、素早く気化器を液体燃料を気化することのできる温度まで昇温させることが要求される。したがって、ゲインの値を大きくしてフィードバック補正量を決定することで、外的要因に対して気化器の温度を素早く所定の気化可能温度にまで昇温させることができるのである。

一方、気化器に液体燃料が供給されている状態では、燃焼量の変更要求によって液体燃料の供給量に変化が生じる。すると、気化器の温度はこの液体燃料の供給量の変化に伴って変化してしまうため、気化器の温度を所定値に維持するようにヒータの通電量を制御することが要求される。そこで、ゲインの値を小さくしてフィードバック補正量を決定することにより、気化器の温度は目標とする温度に対してハンチングすることなく、液体燃料の供給量の細かい変化に追随して一定の温度を保つことができるようになる。

このように気化器に液体燃料が供給されているか否かによってゲインの値は異なるが、ゲインが変更された後のフィードバック補正量は変更前のフィードバック補正量をそのまま引き継ぎ、引き継いだ補正量を基準にしてフィードバック制御が継続される。つまり液体燃料の供給前と後でのフィードバック補正量を同じとすることで、ヒータの通電量を最適な状態により早く近づけることができ、安定した燃焼を行うことが可能となる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

図１は本発明の燃焼装置の構成図であって、液体燃料を加熱気化する気化器１と、気化器１に液体燃料を供給する燃料供給手段２と、燃焼用空気を供給する送風機３と、気化器１により気化された気化ガスと燃焼用空気との混合気に点火する点火手段４と、図示しないバーナでの燃焼状態を検知する炎検知手段５とを備えている。

気化器１は、気化器１を加熱するヒータ６と、ヒータ６によって加熱された気化器１の温度を検知する気化器温度検知手段７とを備えていて、ヒータ６に加える通電量を変化させることによって、気化器１が液体燃料の気化に最適な温度に維持されるように制御されている。

なお、ここではヒータ６の通電量は位相制御と呼ばれる方法を用いて制御されているが、この位相制御においては、ヒータ６には常に一定の電力が供給されるので、電力のオン・オフを繰り返すオン・オフ制御に比べてより高い精度でヒータ６の温度を制御でき、気化器１の温度を一定に保持することができるものである。

また、この燃焼装置には第一制御部８と第二制御部９の二つの制御部が設けられており、第一制御部８と第二制御部９との間で通信を行うことにより、燃焼装置の運転は制御されている。

第一制御部８は、ヒータ６、気化器温度検知手段７、炎検知手段５を制御するとともに、内部に演算手段１０とヒータ制御手段１１を備えている。演算手段１０は気化器温度検知手段７が検知した気化器１の温度に基づいてフィードバック制御量を決定し、このフィードバック制御量に基づきヒータ制御手段１１はヒータ６への通電量を位相制御により制御して、気化器１の温度を一定に保持するようになっている。

演算手段１０が決定するフィードバック制御量とは、基本となる位相制御量（以下、ベース位相量）と、気化器温度検知手段７が検知した気化器１の温度を基にベース位相量に対しフィードバック制御する補正量（以下、フィードバック補正量）の和で次のように表されるものである。
フィードバック制御量＝ベース位相量＋フィードバック補正量
また、この際のフィードバック制御はＰＩ制御で行われ、フィードバック補正量は、比例ゲインをＫｐ、積分ゲインをＫｉ、実際の気化器温度と目標とする気化器温度との偏差をΔＶＴとして以下の式によって表される。
フィードバック補正量＝Ｋｐ・ΔＶＴ＋Ｋｉ・∫ΔＶＴ ・・・（１）
ここで、Ｋｉ＝Ｋｐ／Ｔｉ（Ｔｉは積分時間）とすると式（１）は
フィードバック補正量＝Ｋｐ（ΔＶＴ＋１／Ｔｉ・∫ΔＶＴ） ・・・（２）
と表され、第一項（ΔＶＴ）が比例項、第二項（１／Ｔｉ・∫ΔＶＴ）が積分項となる。

そして、気化器１に液体燃料が供給されているときと供給されていないときでは、ベース位相量とフィードバック補正量の比例ゲインＫｐに異なる値を用いてフィードバック制御量は決定されるようになっている。

また、ゲインＫｐが変更された際には、ゲイン変更前のフィードバック補正量はゲイン変更後のフィードバック補正量に引き継がれる。つまり、ゲインＫｐの変更前後においてフィードバック補正量を同じとして、ヒータ６の通電量を最適な状態により早く近づけるようになっている。

このとき、式（２）における比例項（ΔＶＴ）の値は変えることなく、積分項（１／Ｔｉ・∫ΔＶＴ）の値を変更することでフィードバック補正量が引き継がれる。

第二制御部９は、燃料供給手段２、送風機３、点火手段４を制御するようになっており、気化器１が液体燃料を気化可能な温度にまで昇温されると、第一制御部８から第二制御部９へ液体燃料の供給を開始するように指示がされる。すると第二制御部９は、燃料供給手段２を駆動して、気化器１への液体燃料の供給を開始し、第一制御部８には液体燃料の供給を開始することを情報として送るようになっている。したがって、第一制御部８では、液体燃料の供給の有無のみが検知され、流量については検知されない。

次に、前述した構成から成る本実施例に係る燃焼装置の動作について図２および図３を用いて説明する。

まず、燃焼装置の運転が指示されると、第一制御部８からの指示によってヒータ６への通電が行われ、気化器１の加熱が開始される。ヒータ６の通電開始時には、ヒータ制御手段１１は半波通電もしくは固定された位相量としてヒータ６への通電を制御する（区間ｔ１）。

そしてヒータ６の加熱により気化器１の温度が所定の温度（図３の温度Ａ）に達すると、ヒータ６への通電量は固定値からフィードバック制御に変更される（区間ｔ２）。フィードバック制御においては、気化器温度検知手段７が検知する気化器１の温度に基づいて演算手段１０がフィードバック制御量を決定し、このフィードバック制御量にしたがってヒータ制御手段１１はヒータ６への通電を制御し、気化器１が昇温される。

この時点ではまだ気化器１には液体燃料が供給されていない。このように気化器１に液体燃料が供給されていない状態のフィードバック制御量は、ベース位相量がＢ_１、フィードバック補正量のゲインをＫｐ_１として決定される。

ゲインＫｐが大きいと短時間で温度偏差の補正が行われるという利点があるが、一方で目標温度を行きすぎオーバーシュートしたり、目標温度の前後を気化器温度が振動（ハンチング）したりするおそれがある。しかし、気化器１に液体燃料が供給されていない状態では、気化器１の温度がオーバーシュートやハンチングしたとしても、燃焼状態に及ぼす影響はほとんどないため、ゲインＫｐを比較的大きい値に設定することで、短時間で気化器１を目標とする温度（図３の温度Ｃ）に近づけるようになっている。

その後、第二制御部９によって送風機３、点火手段４の動作が指示され、気化器１の温度が液体燃料を気化することのできる温度（図３の温度Ｂ）になると、燃料供給手段２を作動させて気化器１へ燃料を供給してもよいとの信号が第一制御部８から第二制御部９へ送られる。これを受けて第二制御部９は、燃焼装置の状態を判断し、燃料供給手段２を作動させる際に第一制御部８に対して液体燃料の供給を開始する信号を送る。したがって、第一制御部８においては液体燃料の供給の有無が検知されることになる。

そして、第一制御部８が第二制御部９から液体燃料の供給開始の信号を受けると、演算手段１０はベース位相量をＢ_２に変更するとともに、ゲインをＫｐ_２（Ｋｐ_１＞Ｋｐ_２）に変更してフィードバック制御量を決定する。

つまり、気化器１に液体燃料が供給されている状態では、気化器１の温度がオーバーシュートやハンチングしたりすると、噴出する気化ガスが一定ではなくなるため燃焼状態の悪化を招くことになってしまう。したがって、ゲインＫｐをＫｐ_１より小さいＫｐ_２に変更し、これにより、オーバーシュートやハンチングを引き起こすことなく、気化器１の温度を略一定に保つようにフィードバック補正量を決定するのである。

また、ゲインの変更前と変更後において、フィードバック補正量は同じ値を引き継ぐようになっており、引き継がれた値を基準としてフィードバック制御が継続される。これを図４の表を用いて説明する。

図４は、気化器温度検知手段７が検知した実際の気化器１の温度と、そのときのフィードバック補正量を算出するための表であって、比例項（ΔＶＴ）および積分項（１／Ｔｉ・∫ΔＶＴ）ともに実験により得られた定数として表されている。比例項とは、実際の気化器１の温度と目標温度との間に偏差が生じている場合に瞬時にかける補正量であり、積分項とは、気化器１の温度が目標温度との間に偏差を持ったままある値を所定時間（積分時間）継続したときに加算される補正量のことである。なお、本燃焼装置におけるゲインＫｐの値は、Ｋｐ_１＝２、Ｋｐ_２＝１と設定されているが、これらの値は適用される燃焼装置に従って適宜決められるものであって、これに限るものではない。

例えば、気化器１に液体燃料が供給されていない状態で、且つ、実際の気化器１の温度が図４に黒丸で示される値であった場合は、ゲイン＝２、比例項＝６が設定される。そして、この状態が所定時間（例えば３０秒）継続したとすると、フィードバック補正量には積分項として１が加算されることになる。したがって、気化器温度がこの状態を１２０秒（所定時間３０秒を４回）継続したときのフィードバック補正量は、式（２）より以下のように求められる。
フィードバック補正量＝２×｛６＋（１＋１＋１＋１）｝＝２０・・・（i）
そして（i）の状態で、気化器１へ液体燃料が供給されると、ゲインはＫｐ_１からＫｐ_２に変更されるとともに、ゲイン変更前のフィードバック補正量（i）が変更後にも引き継がれる。ただし、比例項は変更されないため６のままであるから、（i）の補正量を引き継ぐために積分項の値が変更されることになり、このときの積分項の値をｘとすると、
２０＝１×（６＋ｘ）
よってｘは１４となる。つまり、気化器１に液体燃料が供給された後のフィードバック補正量は式（２）においてゲイン＝１、比例項＝６、積分項＝１４として以下のように書き表される。
フィードバック補正量＝１×（６＋１４）・・・（ii）
そしてこの値を基準にしてフィードバック制御が継続されることとなる。

また、気化器１に液体燃料が供給されているときは、フィードバック制御の積分時間Ｔｉを短くするとよい。積分時間Ｔｉを短くすることにより、ヒータ６の通電量の補正に要する時間が短くなるため、液体燃料の供給量の変化に素早く対応することができる。本実施例では気化器１に液体燃料が供給されていないときの積分時間をＴｉ_１＝３０秒、気化器１に液体燃料が供給されているときの積分時間をＴｉ_２＝１０秒としている。

なお、積分処理中に気化器１に液体燃料が供給された場合には、当該積分処理が終了した後に積分時間が変更される。上述の例を用いると、仮に（i）で示される状態から２５秒が経過したときに気化器１に液体燃料が供給されたのであれば、まずフィードバック補正量を求める式は（ii）に変更される。そして、積分時間Ｔｉ_１＝３０秒が経過した後、つまり、（ii）に変更された５秒後に積分項に１が加算され、その後は、積分時間をＴｉ_２＝１０秒としてフィードバック制御が継続されることになる。

また、ヒータ６により加熱された気化器１に液体燃料が供給されると、気化器全体の熱容量が増加することにより気化器１の温度は急激に低下してしまうため、ベース位相量をＢ_２と変更することで気化器温度の変化を小さくするようになっている。

ここで、気化器１に液体燃料が供給されているときのベース位相量Ｂ_２は、液体燃料供給量が最小であった場合に気化器１を所定の温度に保つことのできる値とすることが望ましい。

そして、液体燃料が気化器１に供給されると、液体燃料は加熱されることで気化して気化ガスとなり、この気化ガスを送風機３からの空気と混合させた混合ガスを図示しないバーナで燃焼させるようになっており、バーナでの燃料状態は炎検知手段５によって常時監視される。

なお、この燃焼装置においては、燃焼量が変更されるなどして第二制御部９が制御する液体燃料の供給量が変化しても、第一制御部８では供給量の変動を検知することはできない。しかしながら、液体燃料の供給量の変化に伴う気化器１の温度を検知して、ヒータ６への通電量をフィードバック制御することで、液体燃料の供給量の変動を検知することができなくても気化器１の温度を略一定に保つことができるのである。またその際、ゲインＫｐをＫｐ_２（＜Ｋｐ_１）としているので、目標とする温度に対してオーバーシュートやハンチングすることなく、液体燃料の供給量の細かい変化に追随して一定に保つこととなる。

本発明の燃焼装置のブロック図である。 本発明の燃焼装置の動作を示すタイムチャートである。 本発明の気化器温度を示した図である。 本発明におけるフィードバック補正量の算出表である。

符号の説明

１ 気化器
６ ヒータ
７ 気化器温度検知手段
１０ 演算手段
１１ ヒータ制御手段

Claims (6)

1. 燃料を気化する気化器と、前記気化器を加熱するヒータと、前記気化器の温度を検知する気化器温度検知手段と、前記気化器へ燃料を供給する燃料供給手段と、前記気化器温度検知手段の検知結果に基づき前記ヒータに通電する位相量を変更して気化器温度をフィードバック制御するヒータ制御手段と、前記ヒータ制御手段のフィードバック補正量を演算する演算手段と、前記ヒータ制御手段と前記演算手段を有する第一制御部と、前記燃料供給手段を制御する第二制御部を備え、前記第一制御部は前記気化器が所定温度に達すると前記第二制御部へ液体燃料の供給開始の指示をし、前記第二制御部は前記第一制御部からの指示により前記燃料供給手段を駆動するとともに燃料の供給を開始することを前記第一制御部に通知し、前記演算手段は前記気化器に燃料が供給されているときと供給されていないときでは異なるゲインを用いるとともに、ゲイン変更後のフィードバック補正量は変更前のフィードバック補正量を引き継ぐことを特徴とする燃焼装置。
2. 前記フィードバック制御はＰＩ制御であって、比例項をゲイン変更の前後において変えることなくフィードバック補正量を引き継ぐことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. 前記気化器に燃料が供給されているときと供給されていないときでは積分時間が異なることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼装置。
4. 積分処理中に燃料が供給された場合、当該積分処理が終了した後に積分時間を変更することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃焼装置。
5. フィードバック制御量はベース位相量とフィードバック補正量からなり、ゲインを変更すると同時にベース位相量を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃焼装置。
6. 前記気化器に燃料が供給されているときは供給されていないときよりも小さいゲインを用いてフィードバック制御量が決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の燃焼装置。

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