JP5355732B2 - バーナーシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載されたバーナーシステムに関する。

燃焼の質に影響する外部要因、たとえば、燃料品質の変化、温度変動または圧力変動が補正可能であるためには、空気燃料混合比、いわゆる空気比またはλが調整できなければならない。このような構成は燃料／空気相互接続として知られている。特に高価なλ測定用センサはイオン化電極である。ＡＣ電圧が印加されると、電極および火炎を通して、バーナーの各出力に応じて、特定された設定値に調整されたイオン化電流が流れる。イオン化電流は各出力レベルにおける空気比に依存するので、このような構成を用いて空気比を制御することができる。ＡＣ電圧源は電圧レギュレータにより電圧設定値に調整される。

冒頭に述べた種類のバーナーシステムのための信号処理の構成は、ＤＥ−Ｃ２−１９６３２９８３に示されている。この公報には、ＤＥ−Ａ１−４４３３４２５にしたがう信号検出回路を有する燃料／空気接続が記載されており、この構成では、明らかに、イオン化電極に印加されるＡＣ電圧のための付加的な補償回路が必要である。このＡＣ電圧は常に、一定に維持されるか、または、測定されかつ数学的に補償されなければならない。一定の大きさのＡＣ電圧の発生は、たとえマイクロプロセッサを用いたデジタル回路のような回路を用いた場合であっても、回路に関して複雑であり、それをさらに処理することができるように最初のアナログ信号のデジタル化がさらに必要であるといわれている。このことから、異なる解決策がＤＥ−Ｃ２−１９６３２９８３に開示されている。

一定のＲＭＳ値に調整するＡＣ電圧レギュレータが、たとえば、ＤＥ−Ａ１−１００２１３９９に記載されている。このＡＣ電圧は、閉ループの形で実現されている制御された位相角制御により制御される。

ＥＰ−Ａ１−２１５４４３０には、ガスバーナーの火炎領域に設けられ、トランスの二次側回路により供給されるＡＣ電圧に接続されたイオン化電極を用いてイオン化電流を検出する火炎増幅器が開示されている。この二次側回路は一次側回路から電気的に絶縁されている。二次側回路において、火炎により生じるＤＣ成分を含むイオン化電流が増幅器に流れる。直流電流がＡＣ電圧源を介してイオン化電極へと流れ、火炎を含む閉ループを形成する。信号処理回路は、イオン化電流に応じた制御変数を制御装置に送り、制御装置はこの実際の値を設定値と比較する。結果に応じて、制御装置は、最終制御要素のため、たとえば、空気の量を調整するブロワのための動作信号、および、燃焼用のガスの量を調整するガスバルブのための動作信号を生成する。回線異常の結果としてイオン化電極に存在するＡＣ電圧を補正することについての提案はされていない。また、多くの構成部品、特にトランスはかなりのトレランスを含み、したがって、システム的な測定エラーが生じ、調整されたλ値にシステム的な変動が生じることに注意が払われていない。

ＷＯ−Ａ１−２００９／１１００１５には火炎の監視方法が開示されており、この方法では、動作中に生じる寄生要素が検出、補償可能である。この目的のため、正および負の振幅の間で明らかに異なるデューティ比を持つＡＣ電圧信号が異なる振幅値をもって生成され、イオン化電極に印加されるように、ＡＣ電圧源はイオン化電流に基づいて制御される。ＷＯ−Ａ１−１１００１５には、イオン化電極および火炎における高いＡＣ電圧により、従ってＡＣ電圧源の同様に高い振幅によっても、バーナーおよびイオン化電極に形成可能な層のイオン化信号への依存性が低くなることが開示されている。火炎の非線形の挙動のため、ＤＥ−Ｃ２−１９６３２９８３におけるような線形の補償は、目標とされる高いＡＣ電圧においては不適当である。印加されるＡＣ電圧は、構成要素の変動による系統的なエラーを除くために、十分正確でなければならない。

ＤＥ−Ｃ２−１９６３２９８３ ＤＥ−Ａ１−４４３３４２５ ＤＥ−Ａ１−１００２１３９９ ＥＰ−Ａ１−２１５４４３０ ＷＯ−Ａ１−２００９／１１００１５

本発明の課題は、ＡＣ電圧の予め定めた電圧設定値への閉ループ制御であって、これにより、燃料／空気の相互接続制御のために、イオン化電流の測定に用いられるＡＣ電圧が、廉価、簡便かつ信頼性のあるやり方で十分一定に維持可能である制御を提案することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴部により実現される。

イオン化電極と、火炎領域と、バーナーと、イオン化電流増幅器の入力とをこの順で含む直列回路に、電圧計が並列に接続されている。イオン化電流増幅器の入力は、バーナーの接地部に接続された端子に接続されている。これにより、他の能動的回路要素により共有されるイオン化電流増幅器の電源が利用可能となる。他方の端子はイオン化電流増幅器によりバーナーの接地電位に実質的に接続され、ＡＣ電圧源に接続されている。

別の回路としては、イオン化電流増幅器の入力はイオン化電極に接続された端子に接続されており、イオン化電流増幅器への特別な供給が必要である。なぜなら、最終制御装置およびアクチュエータなどの能動的回路要素がバーナーとともに同様に接地されて有利だからである。同じことが、制限抵抗を介してバーナーにイオン化電流増幅器が間接的に接続される場合にもあてはまる場合がある。

ＤＥ−Ａ１−４４３３４２５には、一見魅力的な代替物、すなわち、イオン化電流増幅器を、イオン化電極と火炎領域とバーナーとを含む回路部分に並列に接続することが開示されている。上述のように、イオン化増幅器の入力からの端子接続および同様にＡＣ電圧源への接続は、接地されたバーナーに何ら問題なく接続可能である。接地されたバーナーは同様に電圧制御ループの他の能動的なブロックのための基準電位として容易に選択可能であり、これは一つの共通の電源が全てのもののために用いることができることを意味する。しかし、このような構成は、火炎に並列に接続された高精度抵抗の存在により、イオン化電流に応じたイオン化電極にかかる電圧を減少させてしまう。一方、本発明に係る回路構成を用いれば、最大の可能な安定電圧がイオン化電極において発生し、これは火炎の抵抗が高い場合、または、バーナーおよびイオン化電極にコーティングがされている場合に特に有利である。

電圧レギュレータは、電圧計に必ず接続されている。電圧レギュレータは、設定値信号を受信し、その出力はＡＣ電圧源に接続されており、ＡＣ電圧の振幅は電圧レギュレータの出力信号により定められる。設定値信号と、電圧レギュレータと、ＡＣ電圧源の入力とが基準電位としてのグランドに接続される場合、別の独立した供給源が必要でなくなるので非常に有利である。本発明は次のような考えに基づいている。上記の理由により、電圧計の電圧レギュレータへの接続によってイオン化増幅器の入力を通るグランドを介した電圧レギュレータからの寄生電流が生じてしまうが、しかし、この寄生電流は、その平均値が火炎を介したイオン化電流の平均値の５％未満である場合、空気比制御にほとんど影響しない。これは、火炎増幅器を非常により高価なものとするものではなく、その効果を損なうものでもない。実際、空気比の安定な、調整された状態で、寄生電流とイオン化電流との比を０．１％未満とすることができる。

記載された手段により、イオン化信号設定値および電圧制御のための制御ループを用いた空気比制御のための制御ループは、非常に良く分離され、２つの制御プロセスは互いに影響しない。

印加されたＡＣ電圧を測定する回路は、非常に正確に実現可能である。したがって、ＡＣ電圧源の構成要素の変化および温度依存性は、電圧制御を介して補正可能である。

好ましい実施形態では、イオン化電極の前のまたはイオン化電流増幅器の入力の後の回路に、さらに、制限抵抗が組み入れられ、そして電圧計は、直列接続された抵抗と、電位制御モードにおいて、上記２つの抵抗の間の電圧を取り出す測定ユニットと、を備える。電圧計の測定ユニットの有効抵抗および電圧計の入力における電圧レギュレータの有効抵抗は、全体で、上記制限抵抗の少なくとも最低１０倍である。したがって、寄生電流は許容可能な制限値未満に簡単かつ信頼性をもって維持可能である。電圧計の測定ユニットは好ましくは抵抗と直列接続された整流手段と、これらの抵抗の間で取り出される電圧を平滑化する手段とを備える。

好ましい実施形態では、ＡＣ電圧源は電圧発生器と、電圧発生器の出力電圧に電圧レギュレータの出力における信号を乗ずる乗算器とを有する。電圧発生器は、振幅および周波数がＡＣラインに依存しない電圧信号を生成する。これは、空気比制御がライン電圧の速い変化に影響されないので、電圧制御回路に必要な応答時間を低減する。ＡＣ電圧源は有利にはトランスを備え、トランスの出力側と、イオン化電極、火炎領域、バーナーおよびイオン化電流増幅器からなる回路とは並列に接続される。これは、イオン化電流増幅器の入力において、ＡＣ電圧源に接続された端子を、実質的にかつ間接的にバーナーの接地電位に接続する簡便な手段を提供する。

本発明の種々の例示的実施形態について、添付図面を参照して以下説明する。

イオン化信号により空気比が制御される、本発明に係るバーナーシステムを概略的に例示する。 本発明に係る第１の火炎増幅器を示す。 本発明に係る第２の火炎増幅器を示す。

図１は、燃料／空気相互接続制御を用いるバーナーシステムを例示する。バーナーにより生成される火炎１を通るイオン化電流は、イオン化電極２を介して火炎増幅器３により検出される。この回路は、火炎増幅器３をバーナーのグランドへ接続することにより完結される。火炎増幅器３により処理されるイオン化信号４は最終制御装置５に送られ、最終制御装置５は通常動作においてこのイオン化信号４を制御ループのための入力信号として用いる。イオン化信号４は、アナログ電気信号として実現されるが、代わりに、デジタル信号すなわち２つのソフトウェアモジュールユニットの変数であってもよい。

最終制御装置５は、熱出力を特定する外部要求信号１１を受信する。制御回路は、また、要求信号１１によりスイッチオンおよびスイッチオフされる。たとえば、熱要求は、上位の温度制御回路（図示せず）によって生成される。このような出力要求は、勿論、別の外部負荷により生成され、あるいは、たとえばポテンショメータにより直接マニュアルで指定される。

通常、要求信号１１は、最終制御部５に保存されたデータを用いて、２つのアクチュエータ６、７の１つに適用される。要求信号１１は好ましくは、第１のアクチュエータとしてのブロワのための速度設定値に適用される。速度設定値は、ブロワ６からフィードバックされた速度信号９と比較される。最終制御部５に含まれる速度制御部により、ブロワ６は第１の動作信号８に基づいて、特定の需要信号１１のために必要とされる空気１２の供給速度に調整される。あるいは、要求信号１１は勿論ブロワ６の第１の動作信号８に直接適用される。逆に、要求信号１１は、第１の電力搬送アクチュエータ６としての燃料バルブに適用されてもよい。

第２のアクチュエータ７を用いて、好ましくは燃料バルブを用いて、空気比は、燃料１３の供給により補正される。これは、最終制御部５内のイオン化信号設定値に応じて特定の要求信号１１を適用することにより行われる。イオン化信号設定値は、イオン化信号４と比較される。エラー信号を用いて、空気比補正燃料バルブ７が、最終制御部５に設けられた制御ユニットにより制御される。第２の動作信号１０を介して、イオン化信号４における変化が、燃料バルブ設定７の変化を、したがって、燃料１３の量の流速に変化を生じさせる。所定量の空気に対して、イオン化信号の実際値が再び所定のイオン化信号の設定値と等しくなるまで、燃料量の変化が、火炎１およびイオン化電極２を通るイオン化電流の変化を生じさせ、したがって、イオン化信号４における変化も生じさせることにより、制御ループが完結する。

図２は、本発明に係る第１の火炎増幅器の構成および動作を示すブロック図である。ＡＣ電圧源１４は、電圧発生器１５と、乗算器１６と、場合により増幅器と一体化されるフィルタ１７と、トランス１８とを備える。電圧制御動作において、電圧発生器１５は、乗算器１６の入力に印加される方形波電圧信号を生成する。乗算器１６の他方の入力には、電圧レギュレータ１９より供給される信号が供給され、この信号により、乗算器１６が生成される方形波信号の振幅が調整可能となる。

乗算器１６はたとえばスイッチングトランジスタおよび抵抗を有するインバータ段からなる簡単な設計であってもよく、供給レベルおよび出力レベル、したがって乗算器１６の出力において得られる方形波信号の振幅は電圧レギュレータ１９により求められる。乗算器１６の振幅変調された方形波電圧信号は、フィルタ１７に供給され、フィルタ１７により正弦波状のＡＣ電圧信号に変換され、これはさらに必要に応じてアナログ的に増幅される。あるいは、異なる信号形状のＡＣ電圧が生成されてもよく、その振幅は電圧調整部１９により求められる。

トランス１８は一次側においてフィルタ１７から得られたＡＣ電圧信号を、一次側とは電気的に絶縁された二次側に送る。トランスの変圧比は、好ましくは、トランスの二次側で得られたＡＣ電圧の振幅が一次側のＡＣ電圧の振幅よりもはるかに大きくなるように選択され、これにより望ましい高いレベルの信号が提供される。フィルタ１７の出力における信号レベルが十分である場合でかつ、接地されたバーナーが分離されたままならば、代わりにトランス１８を不要とすることができ、イオン化回路はフィルタ１７の出力から別のやり方で供給される。

二次側でトランス１８により得られたＡＣ電圧は、電圧計２０により測定され、そこで有利には整流され、平滑化される。本明細書中に存在する実施形態では、電圧計２０は電圧デバイダと、ダイオードと、コンデンサとを備える。ダイオードは半波整流を行い、電圧デバイダおよびコンデンサは整流された信号を平滑化するローパスフィルタとして機能する。したがって、ダイオードおよびコンデンサは測定ユニットを構成する。電圧計２０のための出力信号は、コンデンサにおいて直接取り出される。出力信号はＤＣ電圧信号であり、整流率により、トランス１８の出力におけるＡＣ電圧源の振幅に比例する。

電圧計２０により生成されるＤＣ電圧信号は、電圧レギュレータ１９の入力における実際値として存在する。この例示的実施形態では、電圧レギュレータ１９は、ＰＩＤコントローラ２１を備え、かつ、実際値を電圧設定値２３と比較する、入力段としてのコンパレータ２２を備える。コンパレータ２２は、偏差に依存したアナログ信号を生成し、当該信号はＰＩＤコントローラ２１の入力に送られる。入力インピーダンスは１０ＭΩよりも大きい。ＰＩＤコントローラ２１は、次いで、乗算器１７の入力に送られる信号を生成し、これにより閉じた電圧制御ループを提供し、これにより検出された実際値は電圧設定値２３に正確に調整される。

変形例では、電圧制御は空気比制御が行われている間だけでなく、火炎の点火過程の間などの空気比制御が行われていない間、または、空気比制御の校正過程の間にも行われる。別の変形例では、電圧制御は、構成要素のトレランスの影響を除くために、システムの試運転の短期間にのみ行われる。ＡＣ電圧源１４はいずれの場合にもライン電圧の変動に影響を受けない。電圧調整は校正を目的として、定期的に繰り返される。

６００ｋΩ制限抵抗２４と、イオン化電極２と、火炎１と、２つの接続端子を有するイオン化電流増幅器２５の入力とを含む直列回路には、電圧計２０が並列に接続されている。この直接回路は、イオン化電流を検出するための測定経路を構成する。火炎１は、図２中、火炎抵抗および火炎ダイオードを含む電気的な等価回路図の形態で示されている。

イオン化電流はまず制限抵抗２４、イオン化電極２（図２中図示せず）、火炎１、バーナー、次いで、イオン化電流増幅器２５の入力を流れる。制限抵抗２４は実質的に相互干渉しないやり方でイオン化電流増幅器２５により増幅されるイオン化電流を制限する。イオン化電流増幅器２５の入力は一つの接続端子においてバーナーに接続される。他方の入力端はトランス１８に接続され、その端子はイオン化増幅器により実質的に接地電位に調整される。この電流はトランス１８を介して完結している。イオン化電流増幅器２５の出力には、最終制御装置５により分析される平均化されたイオン化信号４が供給される。

図３は本発明による別の火炎増幅器の構成および動作を示すブロック図である。図２と比べ、電圧発生器１５は正弦波状のＡＣ電圧信号を生成し、これにより図２に示すフィルタ１７の必要がなくなる。イオン化電極２のためのＡＣ電圧を生成するＡＣ電圧源１４は、電圧発生器１５と、乗算器１６と、トランス１８とを有する。

例示的実施形態では、整流電流の代わりにＡＣ電圧のピーク値が検出される。このため、電圧計２０はその測定ユニットとしてのピークフィルタ２６を有する電圧デバイダを有する。別の例として、ＡＣ電圧のＲＭＳ値も当然測定可能である。ピークフィルタはその入力において１０ＭΩ超の値の高いインピーダンスで設計され、これにより、イオン化電流増幅器を通る寄生イオン化電流は十分に小さい。

図２および３において、電圧計２０は電圧レギュレータ１９に導電的に接続されており、電圧レギュレータの入力は高インピーダンスに設計されている。勿論、電圧計２０の電圧レギュレータとの接続が、たとえば光学データ伝送により電気的に絶縁されていてよく、その場合は、イオン化増幅器を介する寄生電流はもはや発生しない。

ＡＣ電圧源１４、電圧計２０および電圧レギュレータ１９の能動的構成要素、すなわち、電圧発生器１５、乗算器１６およびフィルタ１７、ピークフィルタ２６、コンパレータ２２およびＰＩＤコントローラ２１は、実用的な理由から、有利には、他の回路ブロックと共通の電圧源を用いるため、基準電位としてのグランドに接続されている。

図２および３に示すブロック図は、一例として、受動的構成要素および能動的構成要素を有するアナログ回路の形で実現されている。有利には、電圧発生器１５、乗算器１６、フィルタ１７、コンパレータ２２、電圧計２０のフィルタおよびＰＩＤコントローラ２１が、マイクロプロセッサのプログラムシーケンスとして実現され、他のブロックもアナログ回路として実現されていてもよい。

１ フレーム、 ２ イオン化電極、 ３ 火炎増幅器、 ４ イオン化信号、 ５ 最終制御装置、 ６ 第１のアクチュエータ、 ７ 第２のアクチュエータ、 ８ 第１の動作信号、 ９ 速度信号、 １０ 第２の動作信号、 １１ 要求信号、 １２ 空気、 １３ 燃料、 １４ ＡＣ電圧源、 １５ 電圧発生器、 １６ 乗算器、 １７ フィルタ、 １８ トランス、 １９ 電圧レギュレータ、 ２０ 電圧計、 ２１ ＰＩＤコントローラ、 ２２ コンパレータ、 ２３ 電圧設定値、 ２４ 制限抵抗、 ２５ イオン化電流増幅器、 ２６ ピークフィルタ

Claims (5)

1. 接地されたバーナーと、前記バーナーへの燃料および空気の供給を調節するアクチュエータと、火炎領域に設けられたイオン化電極と、前記イオン化電極に設けられ、イオン化信号を生成する火炎増幅器と、空気比制御モードにおいて第１のアクチュエータを設定し、前記イオン化信号およびイオン化信号設定値に基づいて第２のアクチュエータを設定する最終制御装置と、を少なくとも備えるバーナーシステムであって、
   前記火炎増幅器は、前記イオン化電極のためのＡＣ電圧を生成するＡＣ電圧源と、電圧計と、電圧制御モードにおいて、前記電圧計により測定されたＡＣ電圧および電圧設定値に基づいて前記ＡＣ電圧源を制御する電圧レギュレータと、イオン化電流増幅器とを備えており、
   前記電圧計（２０）は、前記イオン化電極（２）と、前記火炎領域と、前記バーナーと、前記イオン化電流増幅器（２５）の入力とを含む回路に並列に接続されており、
   前記電圧レギュレータ（１９）と前記電圧計（２０）との接続は、電圧制御モードにおいて、前記接続を介して前記電圧計（２０）により生じる時間平均電流が、前記イオン化電極（２）を通る時間平均電流の５％未満であるように構成されている、
   ことを特徴とする、バーナーシステム。
2. 前記イオン化電極（２）の前の回路、または、前記イオン化電流増幅器（２５）の入力の後の回路には、制限抵抗がさらに設けられており、
   前記電圧計（２０）は、直列接続された抵抗と、測定ユニットとを備え、前記測定ユニットは、電圧制御モードにおいて、前記２つの抵抗の間の電圧を取り出し、
   前記電圧計（２０）の測定ユニットの実効抵抗、および、前記電圧レギュレータ（１９）の前記電圧計（２０）に対する入力における実効抵抗は、全体で、前記制限抵抗（２４）の値の最低１０倍である、
   請求項１記載のバーナーシステム。
3. 前記電圧計（２０）は、直列接続された抵抗と、測定ユニットとを備え、前記測定ユニットは、電圧制御モードにおいて、２つの前記抵抗の間の電圧を取り出し、
   前記電圧計（２０）の測定ユニットは、前記抵抗と直列接続された整流手段と、前記直列接続された抵抗の間で取り出された電圧を平滑化する手段と、を備える、
   請求項１または２記載のバーナーシステム。
4. 前記ＡＣ電圧源（１４）は、電圧発生器（１５）と、前記電圧発生器（１５）の出力電圧に前記電圧レギュレータ（１９）の出力の信号を乗ずる乗算器（１６）と、を備える、請求項１〜３のいずれか１項記載のバーナーシステム。
5. 前記ＡＣ電圧源（１４）はトランス（１８）を備え、前記イオン化電極（２）と、火炎領域と、バーナーと、イオン化電流増幅器（２５）とを含む回路に、前記トランス（１８）の出力側が並列に接続されている、請求項１〜４のいずれか１項記載のバーナーシステム。