JP6005998B2

JP6005998B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP6005998B2
Application number: JP2012120918A
Authority: JP
Inventors: 木村　遇; 遇木村; 政一清水
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: JP2013245892A

Description

本発明は、複数のバーナを有するバーナユニットと、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を複数段に切換える能力切換弁と、比例弁及び能力切換弁を制御するコントローラとを備える燃焼装置に関する。

この種の燃焼装置において、コントローラは、比例弁に通電する比例弁電流を要求燃焼量に応じて可変する制御を行うと共に、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を上回ったときに、燃焼能力を１段高くする能力アップ制御を行い、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を下回ったときに、燃焼能力を１段低くする能力ダウン制御を行うように構成される。

ここで、比例弁電流の下限値と上限値は、各段の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量がそれより１段高い燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量を上回るように設定されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、能力順位で隣接する燃焼能力の一方で得られる燃焼量の範囲と他方で得られる燃焼量の範囲とが一部重なる（以下、この重なる燃焼量の範囲を重ね代と記す）。そして、一旦能力ダウン制御が行われると、要求燃焼量が重ね代以上増加しない限り能力アップ制御は行われず、また、一旦能力アップ制御が行われると、要求燃焼量が重ね代以上減少しない限り能力ダウン制御は行われず、要求燃焼量の微小変化で能力アップ制御と能力ダウン制御が短時間で繰り返される現象（ハンチング）が防止される。尚、ハンチングが発生すると、出湯温が不安定になったり、能力切換弁の頻繁な開閉による騒音を生ずるため、ハンチングはできるだけ防止することが望ましい。

但し、燃焼能力が低くなるほど重ね代も小さくなり、能力順位が比較的低い燃焼能力間でのハンチングを生ずる可能性がある。このようなハンチングを防止するために、比例弁電流の上限値を可及的に高くし、下限値を可及的に低くすることも考えられる。然し、最大の燃焼能力で燃焼量を増加させたときの被加熱物の過熱を防止する上で、比例弁電流の上限値を高くするにも限度があり、また、最大の燃焼能力で燃焼量を減少させたときの逆火を防止する上で、比例弁電流の下限値を低くするにも限度があり、能力順位が比較的低い燃焼能力間の重ね代をあまり大きく確保することはできない。

そして、排気閉塞等で燃焼装置の熱効率が低下すると、熱負荷の変化に対する要求燃焼量の変化幅が大きくなるため、能力順位が比較的低い燃焼能力間でのハンチングが発生することがある。

特許第３５５６４８１号公報

本発明は、以上の点に鑑み、能力順位が比較的低い燃焼能力間でのハンチングの発生を効果的に抑制できるようにした燃焼装置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、複数のバーナを有するバーナユニットと、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を複数段に切換える能力切換弁と、比例弁及び能力切換弁を制御するコントローラとを備える燃焼装置であって、比例弁に通電する比例弁電流の下限値と上限値は、各段の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量がそれより１段高い燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量を上回るように設定され、コントローラは、比例弁電流を要求燃焼量に応じて可変する制御を行うと共に、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を上回ったときに、燃焼能力を１段高くする能力アップ制御を行い、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を下回ったときに、燃焼能力を１段低くする能力ダウン制御を行うように構成されるものにおいて、コントローラは、最大の燃焼能力以外の所定の燃焼能力とそれより１段低い燃焼能力との間での能力ダウン制御から能力アップ制御までの経過時間を第１経過時間、前記所定の燃焼能力と前記１段低い燃焼能力との間での能力アップ制御から能力ダウン制御までの経過時間を第２経過時間として、第１経過時間が所定時間以下になったときに、前記所定の燃焼能力における比例弁電流の下限値を下げる下限値変更制御と、前記１段低い燃焼能力における比例弁電流の上限値を上げる上限値変更制御とのうち下限値変更制御のみを行い、第２経過時間が所定時間以下になったときに、下限値変更制御と上限値変更制御とのうち上限値変更制御のみを行うように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、第１経過時間が所定時間以下になったとき、即ち、能力ダウン制御から所定時間内に能力アップ制御が行われたときは、下限値変更制御で次の能力ダウン制御が行われにくくなり、更に、第２経過時間が所定時間以下になったとき、即ち、能力アップ制御から所定時間内に能力ダウン制御が行われたときは、上限値変更制御で次の能力アップ制御が行われにくくなり、所定の燃焼能力と１段低い燃焼能力との間でのハンチングの発生を効果的に抑制できる。

尚、最大の燃焼能力における比例弁電流の下限値を下げると、逆火を生ずる可能性があるが、本発明において、比例弁電流の下限値を下げる可能性があるのは、最大の燃焼能力以外の比較的低い燃焼能力に対してだけであり、逆火を生ずることはない。

本発明の実施形態の燃焼装置の構成を示す模式図。実施形態の燃焼装置のコントローラが行うハンチング防止制御の内容を示すフロー図。バーナユニット全体の燃焼量と比例弁電流との関係を表す燃焼特性ラインを各段の燃焼能力について示したグラフ。

図１は、給湯用熱源機から成る本発明の実施形態の燃焼装置を示している。この燃焼装置は、燃焼筐１を備えている。燃焼筐１の下部と上部には、夫々バーナユニット２と給湯用の熱交換器３とが収納されており、更に、燃焼筐１の下面には、バーナユニット２に燃焼用空気を供給する燃焼ファン４が接続されている。そして、バーナユニット２からの燃焼ガスにより熱交換器３の上流側の給水管３ａからの水を加熱し、熱交換器３の下流側の出湯管３ｂに所定の設定温度に加熱された温水が出湯されるようにしている。熱交換器３を通過した燃焼ガスは、燃焼筐１の上部に開設した排気口１ａから外部に排出される。

バーナユニット２は、第１乃至第３の３個のバーナ２_１，２_２，２_３を有している。本実施形態では、計１５本の単位バーナ２ａを並設して、３本の単位バーナ２ａで第１バーナ２_１、５本の単位バーナ２ａで第２バーナ２_２、残りの７本の単位バーナ２ａで第３バーナ２_３を構成している。尚、各バーナ２_１，２_２，２_３を各所定本数の単位バーナ２ａで構成せずに、所定本数の単位バーナ２ａと同様の燃焼能力を持つ各一個のバーナで各バーナ２_１，２_２，２_３を構成することも可能である。

バーナユニット２に燃料ガスを供給するガス供給路５には、電磁開閉弁から成る元弁６と、その下流側の比例弁７とが介設されている。また、比例弁７の下流側のガス供給路５の部分は、第１バーナ２_１に連なる第１分岐路５_１と、第２バーナ２_２に連なる第２分岐路５_２と、第３バーナ２_３に連なる第３分岐路５_３とに分岐されている。これら第１乃至第３分岐路５_１，５_２，５_３には、夫々電磁開閉弁から成る第１乃至第３能力切換弁８_１，８_２，８_３が介設されている。そして、第１乃至第３能力切換弁８_１，８_２，８_３の開閉で燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更して、バーナユニット２全体の燃焼能力を複数段に切換えるようにしている。

具体的に説明すれば、第１能力切換弁８_１を開弁して第１バーナ２_１のみに燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を最も低い第１段の能力（単位バーナ３本分の能力）に切換え、第２能力切換弁８_２を開弁して第２バーナ２_２のみに燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第２段の能力（単位バーナ５本分の能力）に切換え、第１と第２の両能力切換弁８_１，８_２を開弁して第１と第２の両バーナ２_１，２_２に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第３段の能力（単位バーナ８本分の能力）に切換え、第１と第３の両能力切換弁８_１，８_３を開弁して第１と第３の両バーナ２_１，２_３に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第４段の能力（単位バーナ１０本分の能力）に切換え、第１乃至第３能力切換弁８_１，８_２，８_３を開弁して第１乃至第３バーナ２_１，２_２，２_３に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット１全体の燃焼能力を最も高い第５段の能力（単位バーナ１５本分の能力）に切換えるようにしている。

燃焼装置は、更に、燃焼ファン４、元弁６、比例弁７及び能力切換弁８_１，８_２，８_３を制御するマイクロコンピュータから成るコントローラ９を備えている。コントローラ９は、給湯負荷に応じた要求燃焼量（設定温度の温水を出湯するのに必要な燃焼量）を演算し、この要求燃焼量に合わせて第１乃至第３の能力切換弁８_１，８_２，８_３を開閉制御して、バーナユニット２全体の燃焼能力を切換え、この燃焼能力で要求燃焼量に等しい燃焼量が得られるように比例弁電流を制御する。また、バーナユニット２の燃焼量に応じた適切な量の空気が供給されるように、燃焼ファン４の回転数を比例弁電流と相関性を持って制御する。

図３は、各段の燃焼能力で得られる燃焼量と比例弁電流との関係を表す燃焼特性ラインを示しており、この燃焼特性ラインは、第１段の能力ではラインＬ１、第２段の能力ではラインＬ２、第３段の能力ではラインＬ３、第４段の能力ではラインＬ４，第５段の能力ではラインＬ５になる。ここで、比例弁電流の下限値Ｉｍｉｎと上限値Ｉｍａｘは、各段の燃焼能力で比例弁電流を上限値Ｉｍａｘにしたときのバーナユニット２全体の燃焼量がそれより１段高い燃焼能力で比例弁電流を下限値Ｉｍｉｎにしたときのバーナユニット２全体の燃焼量を上回るように設定され、能力順位で隣接する燃焼能力間で重ね代Ｗを持つことになる。

そして、コントローラ９は、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を上限値Ｉｍａｘにしたときに得られるバーナユニット２全体の燃焼量を上回ったときに、燃焼能力を１段高くする能力アップ制御を行い、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を下限値Ｉｍｉｎにしたときに得られるバーナユニット２全体の燃焼量を下回ったときに、燃焼能力を１段低くする能力ダウン制御を行う。これによれば、一旦能力ダウン制御が行われると、要求燃焼量が重ね代Ｗ以上増加しない限り能力アップ制御は行われず、また、一旦能力アップ制御が行われると、要求燃焼量が重ね代Ｗ以上減少しない限り能力ダウン制御は行われず、要求燃焼量の微小変化で能力アップ制御と能力ダウン制御が短時間で繰り返される現象（ハンチング）が防止される。

然し、重ね代Ｗは燃焼能力が低くなるほど小さくなり、能力順位が比較的低い燃焼能力間、特に、第１段と第２段の燃焼能力間でのハンチングを生ずる可能性がある。このようなハンチングを防止するために、比例弁電流の上限値Ｉｍａｘを可及的に高くし、下限値Ｉｍｉｎを可及的に低くすることも考えられるが、第５段の燃焼能力で燃焼量を増加させたときの熱交換器３の過熱を防止する上で、上限値Ｉｍａｘを高くするにも限度があり、また、第５段の燃焼能力で燃焼量を減少させたときの逆火を防止する上で、下限値Ｉｍｉｎを低くするにも限度があり、第１段と第２段の燃焼能力間の重ね代Ｗをあまり大きく確保することはできない。そして、排気閉塞等で燃焼装置の熱効率（熱交換器３での熱交換効率）が低下すると、給湯負荷の変化に対する要求燃焼量の変化幅が大きくなるため、第１段と第２段の燃焼能力間でのハンチングが発生することがある。

そこで、本実施形態では、コントローラ９により図２に示すハンチング防止制御を行うようにしている。尚、図２でＴ１は、第１段と第２段の燃焼能力間での能力ダウン制御（第２段から第１段への能力ダウン制御）から能力アップ制御（第１段から第２段への能力アップ制御）までの経過時間（以下、第１経過時間という）であり、Ｔ２は、第１段と第２段の燃焼能力間での能力アップ制御から能力ダウン制御までの経過時間（以下、第２経過時間という）である。

ハンチング防止制御では、先ず、ＳＴＥＰ１で第１フラグＦ１が「１」にセットされているか否かを判別する。尚、第１フラグＦ１は、バーナユニット２の消火時に「０」にリセットされる。そして、Ｆ１＝０であれば、ＳＴＥＰ２に進んで、第１経過時間Ｔ１が所定時間（例えば、１分）ＹＴ以下になったか否かを判別する。

Ｔ１≦ＹＴになったときは、ＳＴＥＰ３で第１フラグＦ１を「１」にセットすると共に、ＳＴＥＰ４で第２段の燃焼能力における比例弁電流の下限値Ｉｍｉnを所定量下げる下限値変更制御を行い、その後にＳＴＥＰ５に進む。

Ｔ１＞ＹＴであれば、ＳＴＥＰ２から直接ＳＴＥＰ５に進む。また、Ｔ１≦ＹＴになって、ＳＴＥＰ３で第１フラグＦ１が「１」にセットされると、以後ＳＴＥＰ１から直接ＳＴＥＰ５に進む。

ＳＴＥＰ５では、第２フラグＦ２が「１」にセットされているか否かが判別される。尚、第２フラグＦ２は、バーナユニット２の消火時に「０」にリセットされる。そして、Ｆ２＝０であれば、ＳＴＥＰ６に進んで、第２経過時間Ｔ２が所定時間ＹＴ以下になったか否かを判別する。

Ｔ２≦ＹＴになったときは、ＳＴＥＰ７で第２フラグＦ２を「１」にセットすると共に、ＳＴＥＰ８で第１段の燃焼能力における比例弁電流の上限値Ｉｍａｘを所定量上げる上限値変更制御を行い、その後にＳＴＥＰ９に進む。

Ｔ２＞ＹＴであれば、ＳＴＥＰ６から直接ＳＴＥＰ９に進む。また、Ｔ２≦ＹＴになって、ＳＴＥＰ７で第２フラグＦ２が「１」にセットされると、以後ＳＴＥＰ５から直接ＳＴＥＰ９に進む。

ＳＴＥＰ９では、給湯停止でバーナユニット２の消火指令が出されたか否かを判別し、消火指令が出されるまでは、ＳＴＥＰ９からＳＴＥＰ１に戻って、上記の処理を繰り返す。消火指令が出されたときは、ＳＴＥＰ１０に進んで第１と第２の両フラグＦ１，F２を「０」にリセットし、一連の処理を終了する。

ここで、上限値変更制御を行うと、図３のラインＬ１の上限が点Ａから点Ａ´に変位し、第１段と第２段の燃焼能力間の重ね代がΔＷＡだけ増加する。同様に、下限値変更制御を行うと、図３のラインＬ２の下限が点Ｂから点Ｂ´に変位し、第１段と第２段の燃焼能力間の重ね代がΔＷＢだけ増加する。

そして、上記ハンチング防止制御によれば、第１経過時間Ｔ１が所定時間ＹＴ以下になったとき、即ち、第２段から第１段への能力ダウン制御から所定時間ＹＴ内に第１段から第２段への能力アップ制御が行われたときは、要求燃焼量が通常時よりもΔＷＢだけ余分に減少しない限り次の能力ダウン制御が行われなくなる。また、第２経過時間Ｔ２が所定ＹＴ時間以下になったとき、即ち、第１段から第２段への能力アップ制御から所定時間ＹＴ内に第２段から第１段への能力ダウン制御が行われたときは、要求燃焼量が通常時よりもΔＷＡだけ余分に増加しない限り次の能力アップ制御が行われなくなる。そのため、第１段と第２段の燃焼能力間でのハンチングの発生を効果的に抑制できる。

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、第１経過時間Ｔ１が所定時間ＹＴ以下になったときに下限値変更制御を行うと共に、第２経過時間Ｔ２が所定時間ＹＴ以下になったときに上限値変更制御を行っているが、第１経過時間Ｔ１と第２経過時間Ｔ２との一方が所定時間ＹＴ以下になったときに、下限値変更制御と上限値変更制御との何れか一方を行い、或いは、下限値変更制御と上限値変更制御との両方を行うようにしてもよい。

また、上記実施形態では、重ね代Ｗがハンチングを生ずる可能性があるほど小さくなるのは、第１段と第２段の燃焼能力間だけであるため、第１段と第２段の燃焼能力においてのみ上限値変更制御と下限値変更制御を行っているが、第２段と第３段の燃焼能力においても上限値変更制御と下限値変更制御を行い、更には、第３段と第４段の燃焼能力においても上限値変更制御と下限値変更制御を行うようにしてもよい。但し、能力最高の第５段の燃焼能力で比例弁電流の下限値Ｉｍｉｎを下げると、逆火を生ずるおそれがあり、また、第５段に近い第４段の燃焼能力で比例弁電流の上限値Ｉｍａｘを上げると、熱交換器３の過熱を生ずるおそれがある。そのため、第４段と第５段の燃焼能力においては上限値変更制御と下限値変更制御を行うべきでない。

また、上記実施形態は、給湯用の熱交換器３を有する給湯用熱源機から成る燃焼装置に本発明を適用したものであるが、暖房用といった給湯以外の用途の燃焼装置であっても、燃料ガスを供給するバーナの組合せにより燃焼能力を切換えるものであれば、同様に本発明を適用できる。

２…バーナユニット、２_１，２_２，２_３…バーナ、５…ガス供給路、７…比例弁、８_１，８_２，８_３…能力切換弁、９…コントローラ、Ｉｍａｘ…比例弁電流の上限値、Ｉｍｉｎ…比例弁電流の下限値、Ｔ１…第１経過時間、Ｔ２…第２経過時間、ＹＴ…所定時間。

Claims

複数のバーナを有するバーナユニットと、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を複数段に切換える能力切換弁と、比例弁及び能力切換弁を制御するコントローラとを備える燃焼装置であって、
比例弁に通電する比例弁電流の下限値と上限値は、各段の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量がそれより１段高い燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときのバーナユニット全体の燃焼量を上回るように設定され、
コントローラは、比例弁電流を要求燃焼量に応じて可変する制御を行うと共に、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を上限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を上回ったときに、燃焼能力を１段高くする能力アップ制御を行い、要求燃焼量が現時点の燃焼能力で比例弁電流を下限値にしたときに得られるバーナユニット全体の燃焼量を下回ったときに、燃焼能力を１段低くする能力ダウン制御を行うように構成されるものにおいて、
コントローラは、最大の燃焼能力以外の所定の燃焼能力とそれより１段低い燃焼能力との間での能力ダウン制御から能力アップ制御までの経過時間を第１経過時間、前記所定の燃焼能力と前記１段低い燃焼能力との間での能力アップ制御から能力ダウン制御までの経過時間を第２経過時間として、第１経過時間が所定時間以下になったときに、前記所定の燃焼能力における比例弁電流の下限値を下げる下限値変更制御と、前記１段低い燃焼能力における比例弁電流の上限値を上げる上限値変更制御とのうち下限値変更制御のみを行い、第２経過時間が所定時間以下になったときに、下限値変更制御と上限値変更制御とのうち上限値変更制御のみを行うように構成されることを特徴とする燃焼装置。