JP5483049B2 - 燃焼装置 - Google Patents
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Description
そのため家庭用の給湯器に内蔵される燃焼装置では、燃焼量を変化させるために、ガス比例弁を備えている。即ち燃焼装置の燃料供給路に比例弁を設け、必要とされる発熱量に応じて比例弁の開度を調節し、燃料たるガス量を制御することによって燃焼量を変化させている。
特許文献1には、燃料ガス供給路に比例弁を有した全一次空気式の燃焼装置が開示されている。
そのため従来技術の燃焼装置においては、空燃比を許容範囲内に収めるために、燃料ガス比例弁の開度の目標値と、送風機の回転数の目標値を設定し、燃料ガス比例弁の実際の開度等が目標値と一致する様に電気的に制御している。
即ち、従来技術においては、燃料ガス比例弁の開度を、その目標開度と一致する様に制御し、同時に送風機の回転数が目標回転数と一致する様に制御している。
そして要求される燃焼量が変化した場合は、それぞれの目標値を演算し直し、燃料ガス比例弁の開度が新たな目標値と一致する様に制御し、同時に送風機の回転数が新たな目標値と一致する様に制御する。
ここでゼロガバナは、一次圧をもって供給されたガスを二次圧に減圧して排出する調圧装置であって、圧力を信号として導入する信号圧導入口を有し、信号圧導入口から導入される圧力に応じた二次圧に減圧して排出する調圧装置である。
本発明者らが試作した燃焼装置では、圧力信号を送風機から取り出しているので、送風量の増減に追従して燃料ガスの供給圧力が変化する。そのため燃焼量を変化させる際の過渡期に、燃焼状態が不安定になるという技術的課題が解決される。また試作した燃焼装置では、送風機の送風量を変化させることによって燃焼量を変化させることができるので、燃料ガス比例弁は必ずしも必要ではない。
そして本発明の燃焼装置についても、調圧装置の信号圧は送風機又は送風機の下流側から検知されているから、調圧装置の二次側の圧力は、送風機の送風圧に追従して変化する。本発明では、調圧装置により二次圧に調整された燃料ガスが流路形成部材の混合部に導入される。即ち混合部には、送風圧に応じて変化する圧力で燃料ガスが供給される。
また、混合部に供給される燃料ガスの量は、送風機の送風圧に追従するから、燃焼量を変化させる際の過渡期にも安定した燃焼状態を維持する。
本発明の燃焼装置は、二次圧に調整された燃料ガスと空気とが混合部に導入されて空気と混合され、その混合ガスが分岐流路を通過するものである。また、一部又は全部の分岐流路には開閉弁が配されており、一部の燃焼を停止する場合、該当する開閉弁が閉状態とされ、当該開閉弁の下流に位置する炎孔への混合ガスの供給が停止される。即ち、一部の燃焼を停止した場合、開閉弁が開状態である分岐流路のみに混合ガスが流れるため、送風機からの無効空気や混合ガスが燃焼空間に放出されることがない。これにより、給湯器等に備えられた熱交換器が無効空気等により冷却されることが防止されるため、熱交換器の熱交換効率を低下させることがない。
即ち、本発明によれば、冷却用空気流路を流れる空気により流路形成部等の温度を低下させることが可能であるため、燃焼時であっても、燃焼空間が高温となり過ぎることを防止できる。これにより、本発明の燃焼装置では、燃焼空間が高温状態となることで生成されやすい窒素酸化物(NOx)が生成されることを抑制できるため、酸化物を含んだドレンの酸化作用で燃焼装置の内壁等が腐食されることを抑制することができる。
図1は、本発明の実施形態の燃焼装置の構成図である。
図1に示す燃焼装置1は、給湯器に内蔵されるものであり、燃焼装置本体2と、送風機3と、調圧装置5によって構成されている。
なお本実施形態の燃焼装置1は、燃焼に必要な空気の全てが流路形成部材6の混合部7で混合される全一次空気式を採用している。
調圧装置5は、具体的にはゼロガバナであり、一次圧をもって供給されたガスを二次圧に減圧して排出する調圧装置であって、圧力を信号として導入する信号圧導入口21を有し、信号圧導入口21から導入される圧力に応じた二次圧に減圧して排出する調圧装置である。
即ち調圧装置5は、図1の様にガス導入口22とガス吐出口23及び信号圧導入口21を備え、ガス導入口22から導入されたガスを減圧してガス吐出口23から排出するものであるが、ガス吐出口23から排出される燃料ガスの圧力が、信号圧導入口21の圧力に依存して変化する。
即ちダイヤフラム5bは、外殻5hの内部で信号圧室5iを形成する。そして信号圧室5iに信号圧導入口21が開いている。そのため信号圧室5iには信号圧導入口21から導入される信号圧が掛かる。従ってダイヤフラム5bの一方には、信号圧が掛かる。
またダイヤフラム5bの他方側には、二次側連通室5jが設けられている。二次側連通室5jは、二次側連通路5kを介して二次側のガス通路(弁体5aの下流側)と連通している。従ってダイヤフラム5bは、信号圧Ptと調圧装置5の出口圧力P2の圧力差を受ける。
またスプリング5cはダイヤフラム5bを支えるものであり、スプリング5cの強さは調節機構5dによって調節される。
そして、例えば、調圧装置5に導入されるガスの圧力P1が上昇側に圧力変動したときには、その圧力変動に伴って二次圧(調圧装置5の出口圧力)P2も上昇側に圧力変動するが、二次圧P2の圧力変動に伴って、弁体5aが下方移動し、二次圧P2を下降側に圧力変動させて、二次圧P2が信号圧Ptになるように調整する。また、大気圧Ptが上昇側に圧力変動したときには、その圧力変動に伴って弁体5aが上方移動し、二次圧P2が上昇側に変動して信号圧Ptになるように調整する。このようにして、調圧装置5の燃料供給圧力P1や信号圧Ptが変動した場合においても、調圧装置5の吐出圧P2が信号圧Ptになるように調整される。
本実施形態の燃焼装置1では、送風機3を回転させると共に開閉弁13,18を開き、混合部7に燃料と空気を導入し、混合部7内で両者の混合を促進させ、その混合ガスを分岐流路12を介して拡散部8に供給し、その際に拡散部8内の空間に均一に拡散させて、炎孔10から燃料ガスと空気の混合ガスを放出させ、燃焼空間11で火炎を発生させる。
即ち、送風機3を回転させることによって流路形成部材6内に送風を行う。送風機3から吐出された送風は、一旦混合部7内に入る。そして、混合部7で燃料ガスと混合された空気は、各分岐流路12a,12bを通過し、拡散部8a,8bに至り、炎孔10から放出される。
ここで混合部7の開口面積は燃焼中に変化しない。また、混合部7の内部抵抗は一定である。さらに混合部7の下流側の抵抗(流入損失)と大気圧についても、略一定であると見なすことができる。
即ち、混合部7に接続された分離流路部材14の端部近傍の圧力は、混合部7の圧力損失等を無視するならば、送風機3の吐出圧力によって決定されると言える。
そして燃料供給流路17を通過するガスの量は、燃料供給流路17の上流側のガス圧と、燃料供給流路17の開口面積、燃料供給流路17の内部抵抗、燃料導入口19の開口径、燃料導入口19の吐出側の雰囲気圧力によっての関数となる。
ここで燃料供給流路17の開口面積と燃料供給流路17の内部抵抗、及び燃料導入口19の開口径は一定であって燃焼中に変化することはない。また燃料導入口19の吐出側の雰囲気圧力についても変化は小さい。
また本実施形態では、調圧装置5のガス吐出口23が直接的に燃料供給流路17の開口端(他方の端部)に接続されているから、燃料供給流路17を流れるガスの量は、調圧装置5の吐出圧に応じて変化し、混合部7に導入されるガスの量は、調圧装置5の吐出圧だけによって決まると考えても、実用上差し支えないと言える。
即ち、本実施形態の燃焼装置1では、混合部7に導入される空気の量と、燃料ガスの量は、共に送風機3の吐出圧によって変化する。即ち、送風機3の吐出圧が増加して混合部7に導入される空気の量が増大すると、調圧装置5の信号圧が上昇して調圧装置5からのガスの吐出圧が上昇し、燃料供給流路17を流れるガス量が増大して混合部7に導入されるガスの量が増加する。言い換えると、本実施形態の燃焼装置1では、混合部7に導入される空気の量が増減すると、これに応じて混合部7に導入されるガスの量も増減する。従って本実施形態では、混合部7に導入される空気量とガス量の比率は常に一定である。
本実施形態では、燃料ガスを燃焼させるに足る空気量が混合部7で混合されるように、燃料ガス及び空気が混合部7に放出される開口面積(分離流路部材14の開口面積)と、燃料導入口19の開口径等が設計されている。
また燃焼量の増減は、送風機3の送風量を変化させることによって行うことができる。即ち本実施形態では、混合部7に導入される空気量とガス量の比率は常に一定である。
そのため送風機3の回転数を増加し、送風量を増加させると混合部7に導入される空気量が増大すると共にガス量も増加し、燃焼量が増加する。
逆に送風機3の回転数を減少し、送風量を減少させると混合部7に導入される空気量が減少すると共にガス量も減少し、燃焼量が減少する。
例えば、図1の2個の開閉弁13a,13bの内、開閉弁13bを1つ閉じると、図1の右側の拡散部8bに対する混合ガスの供給が停止し、左側の拡散部8aだけに混合ガスが供給され、その拡散部8aの下流側の炎孔10のみに混合ガスが放出されて燃焼空間11で燃焼する。
なお1個の開閉弁13bを閉じて開閉弁13aだけを開き、左側の炎孔10だけを燃焼空間11で燃焼させても、混合部7に導入される空気量とガス量の比率は変わらない。
従って調圧装置5の信号圧は変化せず、調圧装置5から吐出される燃料ガスの圧力にも変化がない。
そして開閉弁13bが閉じられているので、閉じられた流路たる分岐流路12bには燃料ガスが流れないものの、開閉弁13aが開かれた流路たる分岐流路12aには燃料ガスが流れる。そして燃料供給流路17を流れる流量は、調圧装置5から吐出される燃料ガスの圧力にも変化がないため、変化しない。即ち、開閉弁13bの開閉に関わらず、開閉弁13aが開かれた流路たる分岐流路12aには同一量の燃料ガスが流れる。
本実施形態の燃焼装置1では、ステップ1で燃焼要求を待つ。例えば給湯器に燃焼装置1が採用されている場合であれば、カランを開く等の操作によって給湯要求が生じ、燃焼要求が発生する。
ここで要求されている発熱量が、2個の拡散部8a,8bの全てに点火すべき熱量であるならばステップ4以降に進み、点火前の予備送風を行う。即ち、プレパージを実行する。
具体的には、ステップ4でタイマを起動し、送風機3を回転して送風を開始する。ここで前記した様にステップ2で分岐流路12の開閉弁13を開いているので、全ての拡散部8a,8bに送風がなされる。
そしてステップ8で図示しないイグナイタ等で点火する。その後は、ステップ9に移行し、送風量を増減することによって所望の燃焼量に調整する。
具体的には、ステップ10でタイマを起動し、ステップ11で送風機3を回転して送風を開始しプレパージを行う。ここで、要求されている発熱量が小さく、右側の拡散部8bあるいは左側の拡散部8aを使用すべきでない場合であっても、本実施係形態では、全ての拡散部8a,8bに対してプレパージを行う。
即ち、本実施形態では、前記した様にステップ2で開閉弁13を開いているので、全ての拡散部8a,8bに送風がなされる。
その後、開閉弁18を開き、混合部7に燃料ガスを供給する(ステップ14)。
そしてステップ15で図示しないイグナイタ等で点火する。その後は、ステップ16に移行し、送風量を増減することによって所望の燃焼量に調整する。
即ち、2つの分岐流路を1つの拡散部に接続させたものを混在させた構成であってもよい。
図3は、本発明の他の実施形態の燃焼装置の構成図であり、1個の拡散部に2本の分岐流路を接続したものを混在させた構成を示すものである。
なお、以下に示す実施形態の燃焼装置31の構成部品中、先の実施形態の構成部品と同一の部品は、先の実施形態と同一の番号を付して重複した説明を省略する。
そして本実施形態では、3本の分岐流路42a,42b,42cが採用され、各分岐流路42a,42b,42cにはそれぞれ開閉弁43a,43b,43cが配されている。分岐流路42a,42bは第一拡散部38aに接続され、分岐流路42cは第二拡散部38bに接続されている。なお、各分岐流路42a,42b,42cの開口の断面積は、それぞれ略等しい大きさである。
ここで混合部7の開口面積は燃焼中に変化しない。また、混合部7の内部抵抗は一定である。さらに混合部7の下流側の抵抗(流入損失)と大気圧についても、略一定であると見なすことができる。
即ち、混合部7に接続された分離流路部材14の端部近傍の圧力は、混合部7の圧力損失等を無視するならば、送風機3の吐出圧力によって決定されると言える。
即ち、混合部7に導入されるガス量の変化は、前記した燃焼装置と同様に、燃料供給流路17の上流側のガスの圧力変化と最も高い相関関係がある。そして混合部7に導入されるガスの量は、燃料供給流路17の上流側のガスの圧力だけによって決まると考えても、実用上差し支えないと言える。
また本実施形態では、図3に示すように、調圧装置5のガス吐出口23が直接的に燃料供給流路17の開口端(一方の端部)に接続されているから、燃料供給流路17を流れるガスの量は、調圧装置5の吐出圧に応じて変化し、混合部7に導入されるガスの量は、調圧装置5の吐出圧だけによって決まると考えても、実用上差し支えないと言える。
図4は、本発明のさらに他の実施形態の燃焼装置の構成図であり、冷却用空気流路が備えられた構成を示すものである。
図5は、本発明の燃焼装置の実際的構成を示す斜視図である。図6は、図5の燃焼装置の分解斜視図である。図7は、図5の燃焼装置の配管系統図である。図8は、図6の拡散流路部材のA方向から見た斜視図である。図9は、図5の燃焼装置のB−B断面図である。
図5に示す燃焼装置51についても給湯器に内蔵されるものであり、燃焼装置本体52と、送風機53と、調圧装置55によって構成されている。
以下本実施形態で採用するゼロガバナ55について説明する。
本実施形態で採用するゼロガバナ55は、減圧弁の一種であり、ガス供給源から供給されるガスの圧力(一次圧)を所定の圧力(二次圧)に減圧する装置である。ただし、一般の減圧弁は、設定された一定の圧力に二次圧を調圧するのに対し、本実施形態で採用するゼロガバナ55は、信号圧に応じて吐出圧が変動する点で異なる。
即ち一般の減圧弁では、二次圧が一定であるのに対し、本実施形態で採用するゼロガバナ55は信号圧によって二次圧が変動する。より具体的には、本実施形態で採用するゼロガバナ55は信号圧導入口71を有し、当該信号圧導入口71から導入される気体の圧力に応じて二次圧が変動する。特に本実施形態では、信号圧導入口71から導入される気体の圧力(信号圧)に等しくなる様に二次圧が調圧される。
本実施形態で採用するゼロガバナ55は、パイロット式のゼロガバナ55であり、主弁Aと補助弁(パイロット弁)Bとを備えている。またゼロガバナ55内には、主流路Dと補助流路Eが設けられており、主弁Aは主流路Dに設けられ、補助弁Bは、補助流路Eに設けられている。
即ち補助流路Eは、分岐室m、調圧室nを経て作動圧室jに至る流路である。
より具体的には、主流路Dの平行路fに設けられた開口oを介して分岐室mが連通し、分岐室m内の開口pと調圧室n内の開口qとが一点鎖線の導通路で連通している。また調圧室n内の開口rと作動圧室jの開口sが他の一点鎖線の導通路で連通している。
その結果、平行路f、開口o、分岐室m、開口p、開口q、調圧室n、開口r、開口s、作動圧室jに至る一連の補助流路Eが形成されている。
また調圧室nの一部にリーク用開口tが設けられており、リーク用開口tはリーク流路kを経て主流路Dの排出路gに連通している。なおリーク用開口tは、極めて小さい孔である。
即ちダイアフラムbを境としてその一方側には、ダイアフラムbを構成壁の一つとする信号圧室vがある。そして信号圧室vは、信号圧導入口71と連通している。
またダイアフラムbの他方側は二次側連通室wが設けられている。ここで二次側連通室wは、二次側連通路xを介して主流路Dの排出路gと連通している。二次側連通室wには、ゼロガバナ55の二次圧が掛かる。
第二電磁弁Zは、開口oに設けられており、補助流路Eを開閉するものである。
ゼロガバナ55は、ガス導入口cがガス供給源に接続され、ガス吐出口dが負荷側に接続されて使用される。
また信号圧導入口71は、所望の信号供給源に接続される。
第一電磁弁zと第二電磁弁Zはいずれも開いた状態で使用される。そのため主流路D及び補助流路Eはいずれも開かれている。
ここで第二開口iには、主弁Aが設けられているので、排出路gを流れるガスは、主弁Aによって流量が制御されることとなる。即ち第二開口iよりも上流側のガス圧は、一次圧であり、ガス供給源と同一の圧力となるが、第二開口iよりも下流側は、減圧されて低圧となる。
しかしながら、調圧室nにはリーク用開口tが設けられているから、作動圧室j内の圧力は、リーク用開口tの開度に依存することとなる。
即ち、リーク用開口tが閉じられると、補助流路Eは主流路Dの高圧側(第二開口iよりも上流側)の圧力と同一の圧力(一次圧)となる。一方、リーク用開口tが開くと、調圧室n内のガスが、リーク用開口tから漏れてリーク流路kを流れ、主流路Dの排出路g側に排出されるから、調圧室n内の圧力は低下する。
そしてリーク用開口tには補助弁Bが設けられており、補助弁Bはダイアフラムbによって動作し、当該ダイアフラムbは、前記した様に信号圧室vと二次側連通室wの間にあり、信号圧室v内の圧力と二次側連通室w内の圧力とが調和する様に移動する。即ちダイアフラムbは、信号圧と二次圧とが調和する様に移動する。
本実施形態の燃焼装置51では、送風機53を回転させると共に開閉弁63,68を開き、図9に示すように、混合部57に燃料ガスと空気を導入し、混合部57内で両者を混合し、分岐流路62を介して拡散部58に放出され、炎孔60から燃料ガスと空気の混合ガスを放出させ、燃焼空間61で火炎を発生させる。
そして燃料供給流路67を通過するガスの量は、燃料供給流路67の上流側のガス圧と、燃料供給流路67の開口面積、燃料供給流路67の内部抵抗、燃料導入口19の開口径、燃料導入口19の吐出側の雰囲気圧力によっての関数となる。
即ち、本実施形態の燃焼装置51では、混合部57に導入される空気の量と、燃料ガスの量は、共に送風機53の吐出圧によって変化する。即ち、送風機53の吐出圧が増加して混合部57に導入される空気の量が増大すると、調圧装置55の信号圧が上昇して調圧装置55からのガスの吐出圧が上昇し、燃料供給流路67を流れるガス量が増大して混合部57に導入されるガスの量が増加する。言い換えると、本実施形態の燃焼装置51では、混合部57に導入される空気の量が増減すると、これに応じて混合部57に導入されるガスの量も増減する。従って本実施形態では、混合部57に導入される空気量とガス量の比率は常に一定である。
本実施形態では、燃料ガスを燃焼させるに足る空気量が混合部57で混合されるように、燃料ガス及び空気が混合部57に放出される混合補助部64の開口面積と、燃料導入口19の開口径等が設計されている。
また燃焼量の増減は、送風機53の送風量を変化させることによって行うことができる。即ち本実施形態では、混合部57に導入される空気量とガス量の比率は常に一定である。
そのため送風機53の回転数を増加し、送風量を増加させると混合部57に導入される空気量が増大すると共にガス量も増加し、燃焼量が増加する。
逆に送風機53の回転数を減少し、送風量を減少させると混合部57に導入される空気量が減少すると共にガス量も減少し、燃焼量が減少する。
3,53 送風機
5,,55 調圧装置
6,39,56 流路形成部材
7,37,57 混合部
8,38,58 拡散部
10,60 炎孔
11,61 燃焼空間
12,42,62 分岐流路
13,43,63 開閉弁
40 内壁
41 外壁
45 冷却用空気流路
46 開口部
Pt 信号圧
Claims (3)
- 流路形成部材と、燃焼空間と、送風機と、調圧装置を有し、
前記流路形成部材は、1つの混合部と、当該混合部よりも下流側に設けられた複数の分岐流路を有し、当該分岐流路は、前記1つの混合部を通過した気体が流通する部分であり、
前記分岐流路の全部には、開閉弁が設けられ、
前記分岐流路の下流側に炎孔を有し、
前記調圧装置は、一次圧をもって供給された燃料ガスを所定の信号圧に応じた二次圧に調整して排出するものであり、当該調圧装置の信号圧は送風機又は送風機の下流側から検知され、
当該二次圧に調整された燃料ガスと、空気は前記混合部に導入されて混合され、前記分岐流路を介して前記炎孔に供給されて燃焼空間で燃焼するものであって、
前記開閉弁を開閉させることによって、燃焼領域を増減させることが可能であることを特徴とする燃焼装置。 - 前記流路形成部材は、外壁と内壁とを備えた二重構造であって当該外壁と当該内壁との間に冷却用空気流路を有し、
前記内壁内には混合部が配され、
前記送風機からの送風は前記流路形成部材内で前記混合部と前記冷却用空気流路に分流され、送風の一部が冷却用空気流路を流れることを特徴とする請求項1に記載の燃焼装置。 - 前記内壁は開口部を有し、当該開口部は燃料ガスが導入される位置より上流側に配され、
当該開口部から前記冷却用空気流路に空気が導入されることを特徴とする請求項2に記載の燃焼装置。
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