JP6550832B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、給湯器やファンヒータ等に用いられる燃焼装置に関し、特に、給排気口の閉塞度合を判定した上で着火動作に入るか着火動作を禁止するかを決定するための技術に係る。

下記の特許文献１には、燃焼装置において、排気口の閉塞状況を考慮したファンモータの制御手法が提案されている。すなわち、事前に３種類の基準マップを作成して記憶させ、これら３種類の基準マップから読み取って決定された値の電圧をファンモータに印加することが提案されている。そして、決定された印加電圧が所定の電圧値を超えた場合には、異常表示及び燃焼停止を行う一方、燃焼停止後の再着火の際にはまずファンモータを駆動させ、そのときの給排気系の閉塞率を前記と同様の基準マップから決定し、この閉塞率が所定値を超えていれば着火制御を停止することが提案されている。

特許第２９８２０６３号公報

しかしながら、閉塞率の推測に用いられる、例えば特許文献１で提案された基準マップの如き判定用の関係テーブル等は、予め試験等により定められて記憶設定されたものであるため、ファンやファンモータ等の機器自体のバラツキや経年劣化、又は、燃焼装置が用いられる給湯器等の設置態様の違い（例えば排気通路長の長短）等に基づき、閉塞発生と誤判定してしまうおそれも考えられる。又、比較的長期間にわたる経年変化ではなくて、給湯器設置後の比較的短期間の間に発生した不測の事態の影響を受けて、排気口の閉塞状況が極端に悪化してしまうことも考えられる。例えば、一時的な逆風や着雪等の自然現象、あるいは、給湯器の設置工事や給湯器近傍の何らかの工事の際に養生シートで排気口を遮蔽してしまう等の不注意事象の発生等の影響を受けることも考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、個々の燃焼装置毎に個別・固有の事情を反映させた閉塞状況の判定を行うことにより、燃焼要求が生じた際に的確な着火可否判定を行い得る燃焼装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、燃焼装置を対象にして次の技術的手段を講じた。

すなわち、燃焼用空気を供給するためのファンと、このファンを駆動するためのファンモータと、このファンモータを駆動制御するファン駆動制御部とを備えた燃焼装置において、前記ファンモータが駆動された際の電流値を検出するための電流値検出部と、前記ファンモータが駆動された際の電圧値を検出するための電圧値検出部と、これら電流値検出部による検出電流値と電圧値検出部による検出電圧値とに基づいて前記ファンモータの仕事率を演算により取得して出力する仕事率出力部と、燃焼要求を受けたときに着火の可否を判定する着火可否判定部とを備えることとする。そして、前記着火可否判定部として、過去の非燃焼時に前記ファンモータを駆動させてそのときのファンモータの仕事率を前記仕事率出力部から取得して判定対象仕事率として記憶更新する一方、燃焼要求を受けたときに着火前に前記ファンモータを駆動させてそのときのファンモータの仕事率を取得し、取得した現在の仕事率と前記判定対象仕事率との対比に基づいて着火の可否を決定する構成とした（請求項１）。

本発明の場合、ある目標回転数で駆動されたファンモータの検出電流値と検出電圧値とを乗じて得られる仕事率は、燃焼装置の給排気通路の閉塞状況と相関関係があり、過去と現在との双方の時点におけるファンモータの仕事率の対比によって、過去の時点から現時点までに閉塞がどの程度進行したかの目安を得ることが可能となる。そして、その目安に基づいて、現時点で着火を許可しても良いか、あるいは、着火を禁止すべきかの可否判定を行うようにしているため、給排気閉塞に係る誤判定の発生を回避して着火の可否判定を的確に行うことが可能となる。これにより、個々の燃焼装置毎にその時々の燃焼使用状況の違い等の個別・固有の事情が反映された状態で現時点の閉塞状況の変化を把握することが可能となり、それに基づいて的確な着火可否判定が可能となる。さらに、可否判定の基になる過去と現在との双方の仕事率として、非燃焼状態で取得するようにしているため、燃焼状態での仕事率を取得する場合に比して、燃焼に伴う内圧変動の影響を受けることなく、閉塞による影響が的確に反映されることになる。

本発明の燃焼装置において、着火可否判定部として、現在のファンモータの仕事率を取得する際、着火制御時のファンモータの目標回転数と同じ回転数を目標回転数として設定してファンモータを駆動させる構成とすることができる（請求項２）。このようにすることにより、着火制御時と同じファンモータ駆動条件で得られる仕事率に基づいて着火可否判定を行うことが可能となり、より現実に即した判定が可能となる。

又、本発明の燃焼装置において、判定対象仕事率として記憶更新する過去の非燃焼時におけるファンモータの仕事率を、前回燃焼が停止した後に引き続いて実行される掃気運転時に取得されるファンモータの仕事率とすることができる（請求項３）。このようにすることにより、今回の燃焼要求に基づく着火前において、直近のファンモータの仕事率を判定対象仕事率として設定し得ることになる。これにより、直近の過去の状況との対比に基づいて現時点で着火の可否判定をより的確に行うことが可能となる。

さらに、本発明の燃焼装置において、着火可否判定部として、現在の仕事率が過去の仕事率である判定対象仕事率から低下した低下量が設定値未満であれば着火を許可する一方、その低下量が設定値以上であれば着火を禁止する構成とすることができる（請求項４）。このようにすることにより、判定対象仕事率から現在の仕事率までの低下量によって、過去の時点から現時点までに閉塞がどの程度進行したかの目安を得ることが可能となる。このため、その目安が設定値未満か設定値以上かに基づいて、給排気閉塞に係る誤判定の発生を回避して着火の可否判定を的確に行い得ることになる。これにより、個々の燃焼装置毎にその時々の燃焼使用状況の違い等の個別・固有の事情が反映された低下量に基づいて、現時点の閉塞状況の変化をより的確に把握することができ、それに基づいて的確な着火可否判定を行うことが可能となる。

以上、説明したように、本発明の燃焼装置によれば、過去と現在との双方の時点におけるファンモータの仕事率の対比によって、過去の時点から現時点までに閉塞がどの程度進行したかの目安を得ることができるようになる。そして、その目安に基づいて、給排気閉塞に係る誤判定の発生を回避して着火の可否判定を的確に行うことができるようになる。これにより、個々の燃焼装置毎にその時々の燃焼使用状況の違い等の個別・固有の事情が反映された状態で現時点の閉塞状況の変化を把握することができ、それに基づいて的確な着火可否判定を行うことができるようになる。さらに、可否判定の基になる過去と現在との双方の仕事率として、非燃焼状態で取得するようにしているため、燃焼状態での仕事率を取得する場合に比して、燃焼に伴う内圧変動の影響を受けることなく、閉塞による影響が的確に反映された指標を得ることができるようになる。

特に請求項２の燃焼装置によれば、着火可否判定部として、現在のファンモータの仕事率を取得する際、着火制御時のファンモータの目標回転数と同じ回転数を目標回転数として設定してファンモータを駆動させる構成とすることにより、着火制御時と同じファンモータ駆動条件で得られる仕事率に基づいて着火可否判定を行うことができるようになり、より現実に即した判定を行うことができるようになる。

又、請求項３の燃焼装置によれば、判定対象仕事率として記憶更新する過去の非燃焼時におけるファンモータの仕事率を、前回燃焼が停止した後に引き続いて実行される掃気運転時に取得されるファンモータの仕事率とすることにより、今回の燃焼要求に基づく着火前において、直近のファンモータの仕事率を判定対象仕事率として設定することができるようになる。これにより、直近の過去の状況との対比に基づいて、現時点での着火の可否判定をより的確に行うことができるようになる。

さらに、請求項４の燃焼装置によれば、着火可否判定部として、現在の仕事率が過去の仕事率である判定対象仕事率から低下した低下量が設定値未満であれば着火を許可する一方、その低下量が設定値以上であれば着火を禁止する構成とすることで、判定対象仕事率から現在の仕事率までの低下量によって、過去の時点から現時点までに閉塞がどの程度進行したかの目安を得ることができるようになる。このため、その目安が設定値未満か設定値以上かに基づいて、給排気閉塞に係る誤判定の発生を回避して着火の可否判定を的確に行うことができる。これにより、個々の燃焼装置毎にその時々の燃焼使用状況の違い等の個別・固有の事情が反映された低下量に基づいて、現時点の閉塞状況の変化をより的確に把握することができ、それに基づいて的確な着火可否判定を行うことができるようになる。

本発明の一実施形態に係る燃焼装置の概略ブロック構成図である。 同燃焼装置のファンモータの仕事率の対比に基づく着火可否判定に係る制御フローチャートである。 同燃焼装置のファンモータの仕事率と閉塞率との関係を示すグラフ図である。 仕事率判定値として取得する過去のファンモータの仕事率と、燃焼要求を受けたときに着火前に取得する現在のファンモータの仕事率との組み合わせ例として、図４（ａ）は前回の燃焼停止後の掃気運転時の仕事率と今回燃焼の着火前の仕事率との組み合わせ例を示し、図４（ｂ）は過去の複数回の燃焼停止後の掃気運転時の仕事率の平均値と今回燃焼の着火前の仕事率との組み合わせ例を示し、図４（ｃ）は前回燃焼における着火前の仕事率と今回燃焼の着火前の仕事率との組み合わせ例を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態に係る燃焼装置１の概略構成図である。この燃焼装置１は給湯器用のものを示し、燃焼装置１の缶体２の燃焼室内にバーナ３及び熱交換器４が収容配置されている。缶体２の下部には給気部２ａが開口し、この給気部２ａに連設されたファンケース５の内部には、直流モータであるファンモータ６により回転駆動されるファン（例えばシロッコファン）７が配設されている。缶体２の上部には排気部２ｂが外部に向けて開口されている。ここで、前記給気部２ａは、缶体２を内蔵する給湯器ケースの内部空間から空気を取り込み給気部２ａを通して燃焼室に対し燃焼用空気として送風するように構成されている。又、排気部２ｂは、缶体２を内蔵する給湯器ケースから外部に露出する場合の他に、延長排気用の接続管を通して外部空間に露出する場合を含む。なお、本明細書においては給気部２ａと排気部２ｂとを合わせて「給排気部」と言う場合があり、「給排気閉塞率（単純に「閉塞率」とも言う）」とは、給湯器が適切に設置された段階（閉塞がないと見なし得る段階）の給気部２ａ及び排気部２ｂからなる給排気通路における閉塞率を０％とし、完全閉塞した状態の閉塞率を１００％とする。

バーナ３にはガスなどの燃料を供給するための燃料供給管８が接続され、燃料供給管８には開閉弁９等が介装され、この開閉弁９等は給湯制御部１０によって作動制御されるように構成されている。熱交換器４には、水道水等の水を供給するための給水管１１が入口側に接続され、加熱された湯を出湯するための出湯管１２が出口側に接続されている。給水管１１には給水流量を検出して給湯制御部１０に出力するための流量センサ１３が介装される一方、出湯管１２の下流端には給湯栓１４等が接続されている。バーナ３の上部炎孔の近傍にはイグナイタ１５により作動される点火プラグ１６が配設されており、これらイグナイタ１５や点火プラグ１６も給湯制御部１０によって作動制御される。

そして、給湯栓１４の開栓などにより給水管１１に通水されて流量センサ１３により通水（例えば最低作動流量以上の通水）が検知されると、給湯制御部１０は、ファン駆動制御部１７に燃焼要求信号を供給して、ファン駆動制御部１７から着火許可信号もしくは着火禁止信号が返信されるまで待機する。給湯制御部１０は、ファン駆動制御部１７から着火許可信号が供給されると、開閉弁９を開いてイグナイタ１５及び点火プラグ１６を作動させることによってバーナ３を着火制御する。逆に、ファン駆動制御部１７から着火中止制御信号を受け取ると、以後の着火制御を中断し、リモコン（図示せず）からアラーム等のエラー報知を出力するように構成されている。かかる給湯制御部１０の一部はマイコンにより構成されている。

次に、ファンモータ６を制御するための構成について説明すると、マイコンにより構成されるファン駆動制御部１７と、このファン駆動制御部１７からの制御信号に基づいてファンモータ６に駆動電力を供給して回転駆動させるファン駆動電力制御手段１８と、このファン駆動電力制御手段１８からの駆動電力の供給に基づいてファンモータ６に実際に流れる電流値を検出する電流値検出部１９と、前記ファン駆動電力制御手段１８からの駆動電力の供給に基づいてファンモータ６に実際に印加される電圧値を検出する電圧値検出部２０と、ファンモータ６の回転数を検出するファン回転数センサ２１と、を備えている。かかるファン駆動制御部１７としては、前記給湯制御部１０と共に共通のマイコンにより構成することもできる。

ファン駆動電力制御手段１８として、ファン駆動制御部１７からの制御信号に基づきファンモータ６への駆動電力をＰＷＭ制御する構成を採用することができるし、また、ファン駆動制御部１７からの制御信号に基づきファンモータ６に供給する直流電力をＰＡＭ制御する構成を採用することもできる。

ファン駆動制御部１７は、着火前にファンモータ６をプリパージ運転制御する一方、燃焼停止後にポストパージ（掃気）運転制御するように構成されている。プリパージ運転制御及びポストパージ運転制御は、いずれも着火回転数（例えば３４００ｒｐｍ）と同じ回転数を目標回転数として、ファン回転数センサ２１により検出されたファン回転数に基づいてファンモータ６の駆動電力をフィードバック制御するように構成されている。そして着火制御後の燃焼中の目標回転数は次のようにして定められる。すなわち、ファン７から缶体２の燃焼室に供給（送風）される空気量はファンモータ６の回転数に対応するため、着火後の目標回転数は、給湯制御部１０から出力される要求熱量に対応する燃焼量を、所定の空燃比（例えば最適空燃比）での燃焼により実現させるのに必要な空気量に基づいて定められることになる。

又、ファン駆動制御部１７はファンモータ６の仕事率を取得して出力する仕事率出力部２２と、着火可否判定部２３とを備えており、この着火可否判定部２３は給湯制御部１０から燃焼要求信号を受けた際に着火の可否を判定して、その判定が可であれば給湯制御部１０に着火許可信号を出力し、逆に判定が否であれば給湯制御部１０に着火禁止信号を出力するようになっている。この着火可否判定部２３による着火可否判定処理は、非燃焼状態におけるファンモータ６の過去と現在との双方の仕事率を比較することにより、着火の可否を判定するようになっている。つまり、過去の時点の非燃焼状態におけるファンモータ６の仕事率を取得して、判定対象仕事率として順次記憶更新（学習）する一方、燃焼要求指令を受けたとき、着火前のファンモータ６の仕事率を現在の仕事率として取得して、前記判定対象仕事率から現在の仕事率までの低下量が所定の設定値未満か設定値以上かによって着火可否の判定を行うようになっている。図２は、本実施形態における着火可否判定部２３による着火可否判定処理の制御フローを示し、この制御フローの各ステップを実行するためのプログラムがファン駆動制御部１７内の記憶手段に記憶されており、このプログラムによって各ステップの機能が実現されるようになっている。以下、主として、着火可否判定部２３による着火可否判定処理について、図２を参照しつつ説明する。

まず、燃焼が停止すれば（ステップＳ１でＹＥＳ）、ファンモータ６によるポストパージ運転（掃気運転）を行う（ステップＳ２）。このポストパージ運転は、ファン駆動電力制御手段１８に対し所定のポストパージ用の目標回転数（例えば３４００ｒｐｍ）を指示し、ファン駆動電力制御手段１８が前述の如くその目標回転数になるようにフィードバック制御によりファンモータ６に対し駆動電力を供給して回転駆動させることになる。このポストパージ運転中に、仕事率出力部２２により、電流値検出部１９から出力された検出電流値（単位：Ａ（アンペア））と、電圧値検出部２０から出力された検出電圧値（単位：Ｖ（ボルト））とを乗じて仕事率（単位：Ｗ（ワット））を演算し、演算により取得した仕事率を判定対象仕事率としてファン駆動制御部１７の記憶部に記憶更新する（ステップＳ３）。

次に、給湯制御部１０から出力された燃焼要求信号を受けると（ステップＳ４でＹＥＳ）、着火前の予備運転を行う（ステップＳ５）。この着火前の予備運転としては、前述のプリパージ運転とは別にプリパージ運転の前に行うことができるし、プリパージ運転により代用することもできる。この予備運転又はプリパージ運転も、前記のポストパージ運転と同様に、ファン駆動電力制御手段１８に対し予備運転用又はプリパージ用の所定の目標回転数（例えば３４００ｒｐｍ）を指示し、ファン駆動電力制御手段１８がその目標回転数になるようにフィードバック制御によりファンモータ６に対し駆動電力を供給して回転駆動させることになる。そして、この予備運転中又はプリパージ運転中に、仕事率出力部２２により、電流値検出部１９から出力された検出電流値と、電圧値検出部２０から出力された検出電圧値とを乗じて仕事率を演算し、演算により取得した仕事率を現在の着火前仕事率として仮記憶する（ステップＳ６）。

そして、過去の仕事率としての判定対象仕事率と、現在の着火前仕事率との対比に基づいて着火の可否判定を行う（ステップＳ７）。すなわち、現在の着火前仕事率が判定対象仕事率よりも下回っている量、つまり、その低下量が設定値未満か設定値以上かをチェックし、設定値未満であれば（ステップＳ７でＹＥＳ）、着火許可信号を給湯制御部１０に出力する一方（ステップＳ８）、設定値以上であれば（ステップＳ７でＮＯ）、着火禁止信号を給湯制御部１０に出力する（ステップＳ９）。この場合には、併せて、図示省略のリモコンに給排気通路に閉塞が生じているので着火することができない旨のエラー報知を行う（ステップＳ１０）。

ここで、着火可否の判定基準となる設定値は、現実のファンモータ６やファン７の機器構成並びにこれらが適用される燃焼装置１の給排気通路の構造等に応じて設定することができる。具体的には、現実の燃焼装置１を用い、給排気の閉塞率を０〜１００％の間で種々に変化させてそのときの仕事率を実際に試験により計測し、得られたファンモータの仕事率と、給排気通路の閉塞率との関係から定めることができる。例えば、図３に、特定の燃焼装置１を用いてファンモータの仕事率と給排気の閉塞率との間の関係を示す。ここで、閉塞率が例えば９０％を超すと着火は禁止すべきであるという条件にした場合、閉塞率が９０％未満に対応する仕事率の値の範囲から仕事量の値がどの程度低下すれば、必ず閉塞率９０％以上の範囲に対応する仕事率の値になるかという観点から考えると、閉塞率０％に対応する仕事率の値（１４．４Ｗ）と、閉塞率９０％に対応する仕事率の値（１２．１Ｗ）との差は２．３Ｗであり、又、閉塞率９０％に対応する仕事率の値（１２．１Ｗ）と、閉塞率１００％に対応する仕事率の値（１０．０Ｗ）との差は２．１Ｗである。従って、この図３の如き特性を有する燃焼装置の場合、最大で２．０Ｗまでの値を設定値として設定すれば、過去の判定対象仕事率からその設定値だけ低下すれば、低下後の仕事率はほぼ必ず前記の閉塞率９０％に対応する仕事率の値（１２．１Ｗ）よりも低い値となり、前記の条件の燃焼禁止範囲と良く合致することになる。一方、図３の例の場合、燃焼を許容し得る閉塞率０〜９０％の間の仕事率の変化は１４．４Ｗ〜１２．１Ｗであることから、その平均仕事率に一定割合（例えば１０％）を乗じた値（例えば１．３Ｗ）を設定値として設定することもできる。この手法の場合であると、前記の一定割合として１０〜２０％を採用し、燃焼を許容し得る閉塞率範囲における仕事率の変化量に対し０．１〜０．２を乗じた値を着火可否判定の設定値として用い得る。設定値として、前記の２．０Ｗ又は２０％に相当する値を採用した場合、現在の仕事率が過去の判定対象仕事率よりもその設定値を超える低下量を示せば、それが比較的短期間の間に極端な閉塞が生じたことを示すものとなる。

以上の実施形態の場合、過去と現在との双方の時点におけるファンモータ６の仕事率の対比によって、過去の時点から現時点までに閉塞がどの程度進行したかの目安（仕事率の低下量）を得ることができ、その目安が設定値よりも小さいか大きいかに基づいて、現時点で着火を許可しても良いか、あるいは、着火を禁止すべきかの可否判定を行うようにしているため、給排気閉塞に係る誤判定の発生を回避して着火の可否判定を的確に行うことができるようになる。これにより、個々の燃焼装置毎にその時々の燃焼使用状況の違い等の個別・固有の事情が反映された前記の低下量に基づいて現時点の閉塞状況の変化を把握することができ、それに基づいて的確な着火可否判定を行うことができるようになる。又、可否判定の基になる過去と現在との双方の仕事率として、非燃焼状態での仕事率を取得するようにしているため、燃焼状態での仕事率を取得する場合に比して、燃焼に伴う内圧変動の影響を受けることなく、閉塞による影響が的確に反映された仕事率を得ることができる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、記憶更新させる判定対象仕事率として、図４（ａ）に例示するように前回（過去）の燃焼停止後のポストパージ（掃気）時の仕事率を取得するようにしているが、これに限らず、図４（ｂ）に例示するように、過去にあった所定回数（複数回数）分のポストパージ（掃気）時の仕事率を取得し、それらの平均値を判定対象仕事率として記憶更新させるようにすることができる。さらに、図４（ｃ）に例示するように、判定対象仕事率として記憶更新させる過去の仕事率として、前回の燃焼前の着火前仕事率を取得するようにすることができる。この場合も、図４（ｂ）の例と同様に、現在の燃焼要求よりも以前の所定回数（複数回数）分の着火前仕事率を取得し、これらの平均値を判定対象仕事率として記憶更新させるようにすることができる。

以上の実施形態では、給湯器用の燃焼装置を例示したが、これに限らず、ガスファンヒータなどの暖房機器用の燃焼装置に本発明を適用することもできる。

１ 燃焼装置
３ バーナ
６ ファンモータ
７ ファン
１７ ファン駆動制御部
１９ 電流値検出部
２０ 電圧値検出部
２２ 仕事率出力部
２３ 着火可否判定部

Claims (4)

1. 燃焼用空気を供給するためのファンと、このファンを駆動するためのファンモータと、このファンモータを駆動制御するファン駆動制御部とを備えた燃焼装置において、
   前記ファンモータが駆動された際の電流値を検出するための電流値検出部と、前記ファンモータが駆動された際の電圧値を検出するための電圧値検出部と、これら電流値検出部による検出電流値と電圧値検出部による検出電圧値とに基づいて前記ファンモータの仕事率を演算により取得して出力する仕事率出力部と、燃焼要求を受けたときに着火の可否を判定する着火可否判定部とを備え、
   前記着火可否判定部は、過去の非燃焼時に前記ファンモータを駆動させてそのときのファンモータの仕事率を前記仕事率出力部から取得して判定対象仕事率として記憶更新する一方、燃焼要求を受けたときに着火前に前記ファンモータを駆動させてそのときのファンモータの仕事率を取得し、取得した現在の仕事率と前記判定対象仕事率との対比に基づいて着火の可否を決定するように構成されている、
   ことを特徴とする燃焼装置。
2. 請求項１に記載の燃焼装置であって、
   前記着火可否判定部は、前記現在のファンモータの仕事率を取得する際、着火制御時のファンモータの目標回転数と同じ回転数を目標回転数として設定して前記ファンモータを駆動させるように構成されている、燃焼装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置であって、
   前記判定対象仕事率として記憶更新する過去の非燃焼時におけるファンモータの仕事率は、前回燃焼が停止した後に引き続いて実行される掃気運転時に取得されるファンモータの仕事率である、燃焼装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃焼装置であって、
   前記着火可否判定部は、現在の仕事率が過去の仕事率である判定対象仕事率から低下した低下量が設定値未満であれば着火を許可する一方、前記低下量が設定値以上であれば着火を禁止するように構成されている、燃焼装置。

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