JP6610204B2 - 燃焼機器 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁安全弁や元ガス電磁弁などの電磁弁を備えるガスコンロやガス瞬間湯沸器などの燃焼機器に関し、特に電池を電源とする電池式燃焼機器に好適に採用可能なものに関する。
従来より、例えば下記の特許文献1に開示されているように、電池式ガスコンロなどの燃焼機器においては、動作制御を行うマイクロコンピュータの暴走時に電磁弁が自動的に閉じるように、マイクロコンピュータからパルス波形のウォッチドッグ信号を電磁弁駆動回路に出力させている。該駆動回路は、ウォッチドッグ信号をRC直列微分回路を介して半導体スイッチング素子の制御端子(バイポーラトランジスタの場合はベース)に出力することにより、ウォッチドッグ信号が正常に出力されている場合にのみ電磁弁を電源電池に導通させ、マイクロコンピュータの暴走によってウォッチドック信号がHigh固定、若しくは、Low固定となった場合には電磁弁を電源から遮断するよう構成されている。
特開平8−270822号公報
上記従来の技術では、微分回路を構成するカップリングコンデンサ(19)の短絡故障が考慮されておらず、該コンデンサが短絡故障した場合にマイクロコンピュータが暴走すると、電磁弁が電源に導通されて開弁された状態で制御不能となってしまう可能性がある。
図3は、微分回路を構成するコンデンサの短絡故障診断を行える燃焼機器における電磁弁Lの駆動回路の概略構成を示している。該燃焼機器は、ガスバーナなどの燃焼部への燃料供給路を開閉する電磁弁Lと、該電磁弁Lの開閉動作を制御する制御部としてのマイクロコンピュータ1と、該マイクロコンピュータ1からの制御指令に応じて電磁弁Lに駆動電圧を出力する駆動回路2とを備えている。
マイクロコンピュータ1は、パルス波形のウォッチドッグ信号を出力制御可能なウォッチドッグ信号出力端子(第1の出力端子)と、電磁弁オン指令を出力制御可能な電磁弁オン出力端子と、電磁弁Lに対して駆動電圧が出力されているか否かを確認するための電磁弁チェック入力端子とを備えている。
駆動回路2は、電磁弁Lを電源Vに導通させるべくオン動作可能であるとともにオフ動作時に電磁弁Lを電源から遮断する第1及び第2のスイッチング回路S1,S2を備えており、これら第1及び第2のスイッチング回路S1,S2は電源Vと電磁弁Lとの間で直列に接続され、両スイッチング回路S1,S2がオン動作した場合にのみ電磁弁Lが電源Vに導通されて電源電圧に基づく駆動電圧が電磁弁Lに供給され、いずれかのスイッチング回路S1,S2がオフ動作しているときは電磁弁Lが電源Vから遮断されて電磁弁Lに駆動電圧が出力されないように構成されている。
第1のスイッチング回路S1は、2つの半導体スイッチング素子Q1,Q2により主構成されており、一方のスイッチング素子Q1は電源Vから電磁弁Lへの電源供給路の途中に設けられたpnp型トランジスタにより構成されている。このスイッチング素子Q1のエミッタが電源V側に接続され、コレクタが電磁弁L側に接続されている。スイッチング素子Q1のエミッタとベースとは抵抗R1を介して接続されている。
別のスイッチング素子Q2は、そのコレクタがベース抵抗R2を介してスイッチング素子Q1のベースに接続されたnpn型トランジスタにより構成されている。このスイッチング素子Q2のエミッタ(接地端子)はグラウンドに接地されており、スイッチング素子Q2のベースが、第1のスイッチング回路S1の制御端子3となる。
この制御端子3には、スイッチング素子Q2をオン動作させるための制御電圧を保持可能な平滑コンデンサC1がベース抵抗R3を介して接続されており、該平滑コンデンサC1の負側端子はグラウンドに接地されている。平滑コンデンサC1とマイクロコンピュータ1のウォッチドッグ信号出力端子とは、RC直列微分回路4を介して接続されており、これによりウォッチドッグ信号出力端子からパルス波形のウォッチドッグ信号が出力されているときに微分回路4を介して平滑コンデンサC1にパルス状に電流供給を行うことにより平滑コンデンサC1が上記制御電圧以上に充電され、スイッチング素子Q2及びQ1が順次オン動作するようになっている。一方、ウォッチドッグ信号出力端子からパルス信号ではない直流信号が出力されているときは、微分回路4を構成するカップリングコンデンサC2によってウォッチドッグ信号出力端子から平滑コンデンサC1への電流供給が遮断され、平滑コンデンサC1の放電によってスイッチング素子Q2及びQ1が順次オフ動作するようになっている。
なお、微分回路4の出力部とグラウンドとの間には負電圧をカットするダイオードD1が設けられ、微分回路4の出力部と平滑コンデンサC1の間には逆流防止ダイオードD2が設けられている。
また、平滑コンデンサC1と、微分回路4のカップリングコンデンサC2とは、同程度の容量とされ、これらコンデンサC1,C2に電荷が蓄積されていない状態でウォッチドッグ信号出力端子から微分回路4に直流信号を出力されると、これらコンデンサC1,C2間の電荷の移動によって両コンデンサC1,C2がほぼ同電位まで充電されるようになっており、このとき、平滑コンデンサC1は、スイッチング素子Q2をオン動作させるに十分な電圧まで一時的に充電されるようになっている。直流信号の出力が継続されている間、微分回路4のカップリングコンデンサC2は満充電された状態が維持されるが、カップリングコンデンサC2が満充電されて以降は両コンデンサC1,C2間の電荷の移動が無くなるために、平滑コンデンサC1に蓄積された電荷が主としてスイッチング素子Q2のベース−エミッタ間抵抗成分を介して徐々に放電していき、数秒程度で平滑コンデンサC1の両端電圧がスイッチング素子Q2をオフ動作させる程度まで降下する。
上記第2のスイッチング回路S2は、一つの半導体スイッチング素子Q3により主構成されている。このスイッチング素子Q3は、pnp型トランジスタにより構成され、電源Vと電磁弁Lとの間で上記スイッチング素子Q1と直列に接続されている。すなわち、スイッチング素子Q3のエミッタがスイッチング素子Q1のコレクタに接続され、スイッチング素子Q3のコレクタが電磁弁L側に接続されている。スイッチング素子Q3のエミッタとベースとは抵抗R4を介して接続され、スイッチング素子Q3のベースはベース抵抗R5を介してマイクロコンピュータ1の電磁弁オン出力端子に接続されている。電磁弁オン出力端子は、図示例ではオープンコレクタ出力端子により構成され、オープン出力時はスイッチング素子Q3がオフ動作し、電磁弁Lを開動作させるときに電磁弁オン指令信号としてLow信号出力を行うことによってスイッチング素子Q3がオン動作する。
上記スイッチング素子Q1,Q2,Q3がすべてオン動作すると、電磁弁Lがスイッチング素子Q1,Q3を介して電源Vに導通されて、スイッチング素子Q3のコレクタ出力から電磁弁Lの駆動電圧が出力される。スイッチング素子Q3のスイッチングによる逆起電力をカットするために、スイッチング素子Q3のコレクタ出力には負電圧カット用のダイオードD3が接続されている。
また、スイッチング素子Q1,Q2,Q3が正常動作しているか否かを確認するために、スイッチング素子Q3のコレクタ出力(すなわち、上記駆動回路2の電磁弁駆動電圧出力部)には、駆動電圧監視回路5が設けられている。図示例の監視回路5は、エミッタ接地されたpnp型トランジスタからなる半導体スイッチング素子Q4によって主構成され、該スイッチング素子Q4のベースがベース抵抗R6を介してスイッチング素子Q3のコレクタ出力に接続され、スイッチング素子Q4のベースとエミッタとは抵抗R7を介して接続されている。スイッチング素子Q4のコレクタは負荷抵抗R8を介して電源Vに接続され、負荷抵抗R8とスイッチング素子Q4との接続点6がマイクロコンピュータ1の電磁弁チェック入力端子に接続されている。電磁弁Lに出力される駆動電圧が電磁弁Lを開動作させる(電磁弁Lが保持弁などの場合には開状態で保持させる)に十分な電圧である場合は、該駆動電圧によってスイッチング素子Q4がオン動作して接続点6を接地させ、電磁弁チェック入力端子にLow信号が入力される。一方、駆動電圧が不十分である場合には、スイッチング素子Q4がオフ動作して接続点6がプルアップされ、High信号が電磁弁チェック入力端子に入力されるようになっている。そして、マイクロコンピュータ1は、電磁弁Lを開動作させるためにウォッチドッグ信号としてパルス信号をウォッチドッグ信号出力端子から出力するとともに電磁弁オン出力端子から電磁弁オン指令信号としてLow信号出力を行っているにもかかわらず電磁弁チェック入力端子からHigh信号が入力されているときは、何らかの故障乃至不具合が生じたものと判定してウォッチドッグ信号並びに電磁弁オン指令信号の出力を停止し、所定のエラー処理を行うよう構成されている。
なお、スイッチング素子Q3のコレクタ出力を直接、若しくは、分圧回路によって分圧された電圧をマイクロコンピュータ1のA/D入力ポートに入力させることにより、電磁弁Lに出力される駆動電圧を監視させることもできる。
また、マイクロコンピュータ1は、電源断処理時に、微分回路4を構成するカップリングコンデンサC2の短絡故障診断を行うように構成されている。この短絡故障診断について以下説明すると、電源断処理前にウォッチドッグ信号出力端子の出力がLow状態を数秒程度継続していれば、図4に示すように、上記平滑コンデンサC1並びにカップリングコンデンサC2は自然放電によって殆ど電荷が帯電していない状態となる。
この状態でユーザーによる電源オフ操作がなされるか、或いは、所定時間放置による自己電源断制御により電源断処理が開始すると、マイクロコンピュータ1はウォッチドッグ信号出力端子からHigh信号、すなわち直流信号を出力する。
すると、微分回路4のカップリングコンデンサC2及び平滑コンデンサC1が数十ミリ秒程度で満充電され、これによりスイッチング素子Q2,Q1がいずれもオン動作して、スイッチング素子Q3をもオン動作制御することによって電磁弁チェック入力端子の入力信号がLow信号となる。なお、このとき電磁弁Lが開動作するが、電磁弁Lと直列に接続された他の電磁弁若しくは手動弁を閉じておくことによりガス漏れが生じることがないようにしている。
このままウォッチドッグ信号出力端子からHigh信号を持続的に出力すると、カップリングコンデンサC2に短絡故障が生じていなければ、カップリングコンデンサC2が満充電されていることからカップリングコンデンサC2から平滑コンデンサC1への電荷の移動が無い一方で、平滑コンデンサC1に充電された電荷はスイッチング素子Q2の抵抗成分を介して徐々に放電していき、数秒後には平滑コンデンサC1の両端電圧がスイッチング素子Q2の駆動必要電圧よりも低くなって、スイッチング素子Q2がオフ動作するとともに、スイッチング素子Q1がオフ動作することで、電磁弁チェック入力端子の入力信号がHigh信号となる。このHigh信号入力を検出することによりカップリングコンデンサC2の短絡故障は無いと診断して、短絡故障診断を正常終了し、その後電源をオフにする。
一方、カップリングコンデンサC2が短絡故障している場合は、図4に点線で示すように、ウォッチドッグ信号出力端子から平滑コンデンサC1への電荷の供給がなされることとなって、時間経過によっても平滑コンデンサC1の両端電圧が降下せず、したがって、スイッチング素子Q1,Q2がいつまでもオフ動作しないこととなる。この場合、正常であればスイッチング素子Q1,Q2がオフ動作するまでの判定規定時間を経過してもオフ動作しない場合に、カップリングコンデンサC2の短絡故障が発生したと判定して、所定のエラー報知を行うとともに、重大なエラー発生として不揮発性メモリに記憶するなどの所定の処理を行わせることができる。
以上の構成によればカップリングコンデンサC2の短絡故障診断を行うことができるが、短絡故障であると判定するまでに平滑コンデンサC1の放電を待つ必要があり、そのために短絡故障診断に数秒程度(例えば3〜5秒程度)の時間を要する。電源として電池を採用する電池式ガスコンロなどの燃焼機器においては、電源断処理の度ごとに数秒程度の上記短絡故障診断を行うと、診断終了まで電源をオフすることができず、その間マイクロコンピュータ1などにおいて待機電力を消耗するとともに、上記短絡故障診断処理自体も電力を消耗し、電池寿命に影響を生じていた。
そこで、本発明は、微分回路を介してウォッチドッグパルスによって平滑コンデンサを充電して、該平滑コンデンサが保持する制御電圧によって電磁弁を電源に導通させるスイッチング回路をオン動作させることでマイクロコンピュータの暴走時に電磁弁を自動的に閉動作させるように構成された燃焼機器において、上記微分回路のカップリングコンデンサの短絡故障診断処理を短時間で行うことのできる燃焼機器を提供することを目的とする。
本発明は、燃料供給路を開閉する電磁弁と、該電磁弁を電源に導通させるべくオン動作可能であるとともにオフ動作時に前記電磁弁を電源から遮断するスイッチング回路と、該スイッチング回路の制御端子に接続されるとともに前記スイッチング回路をオン動作させるための制御電圧を保持可能な平滑コンデンサと、第1及び第2の出力端子を有するとともに前記第1の出力端子からパルス信号を出力制御可能な制御部と、前記第1の出力端子と前記平滑コンデンサとの間に設けられた微分回路とを備え、該微分回路は前記平滑コンデンサに対して直列に接続されるカップリングコンデンサを有し、前記第1の出力端子からパルス信号が出力されているときは前記微分回路を介して前記平滑コンデンサにパルス状に電流供給を行うことにより前記平滑コンデンサが充電され、前記第1の出力端子からパルス信号が出力されていないときは前記微分回路の前記カップリングコンデンサによって前記第1の出力端子から前記平滑コンデンサへの電流供給が遮断される燃焼機器において、上記目的を達成するために次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明の燃焼機器は、前記制御部の前記第2の出力端子から強制オフ指令が出力されると前記平滑コンデンサを接地させる放電回路をさらに備え、前記制御部は、前記カップリングコンデンサの短絡故障診断処理を実行可能に構成され、該短絡故障診断処理は、前記第1の出力端子から直流信号を出力しつつ前記第2の出力端子から強制オフ指令を出力した後、前記第1の出力端子からの直流信号出力を維持しつつ前記第2の出力端子からの強制オフ指令出力を停止した場合に、前記スイッチング回路がオン動作すると前記カップリングコンデンサの短絡故障であると診断するよう構成されていることを特徴とするものである(請求項1)。
かかる本発明の燃焼機器によれば、放電回路によって平滑コンデンサを接地させることによって平滑コンデンサに充電された電荷を強制的に急速に放電させた後、強制オフ指令出力を停止すると、カップリングコンデンサが短絡故障していれば即座に平滑コンデンサが充電されてスイッチング回路がオン動作することで、極めて短時間の間(例えば数十ミリ秒〜数百ミリ秒)に短絡故障を検出可能となる。したがって、微分回路のカップリングコンデンサの短絡故障診断時間を大きく短縮することができ、電力消費の削減を図ることにより電池寿命の長期化を図ることができる。
上記本発明の燃焼機器において、前記制御部は、所定の電源断条件の成立により自らの電源断処理を行うよう構成され、前記短絡故障診断処理は、前記電源断処理中に実行されるよう構成されていてよい(請求項2)。これによれば、電源断処理に要する時間を大幅に短縮して、電池寿命の長期化を図ることができる。なお、電源断条件は適宜のものであってよく、例えば、ユーザーによる電源オフ操作がなされたことや、ユーザーによる未操作時間が所定の期間以上継続したことなどであってよい。
また、上記本発明の燃焼機器において、前記制御部は、電源投入時の起動処理中に前記短絡故障診断処理を実行するよう構成されていてもよい(請求項3)。これによれば、短絡故障診断時間の大幅な短縮によって、燃焼機器の電源投入時に行ってもユーザーに違和感を感じさせることなく故障診断を行うことができ、使用直前に故障診断を行うことによって機器の動作安定性をより一層向上できる。
本発明の一実施形態に係る燃焼機器の電磁弁駆動回路の概略回路図である。 同燃焼機器における微分回路のカップリングコンデンサの短絡故障診断のタイミングチャートである。 開発段階の燃焼機器の電磁弁駆動回路の概略回路図である。 同燃焼機器における微分回路のカップリングコンデンサの短絡故障診断のタイミングチャートである。
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、本発明の一実施形態に係る燃焼機器の電磁弁駆動回路の概略回路図を示しており、上述した本願出願人による開発段階の燃焼機器と同様の構成については同符号を付して詳細説明を省略し、異なる構成、並びに、動作について説明する。
本実施形態では、マイクロコンピュータ1(制御部)の出力端子として、オープンコレクタ出力端子からなる強制オフ出力端子(第2の出力端子)をさらに備えており、この強制オフ出力端子が第1のスイッチング回路S1の制御端子3に接続されることによって、強制オフ出力端子から強制オフ指令としてLow信号出力がなされると平滑コンデンサC1の正極側端子を接地させる放電回路7が構成されている。なお、マイクロコンピュータ1の外部に設けたトランジスタを用いて上記放電回路を構成することも可能である。
かかる回路構成の本実施形態の燃焼機器によれば、以下に説明するように数十ミリ秒程度でほぼ瞬時に微分回路4のカップリングコンデンサC2の短絡故障診断を行うことができる。
すなわち、本実施形態のマイクロコンピュータ1による故障診断処理は、次のシーケンスによって実行されるように構成されている。まず、図2に示すように、ウォッチドッグ信号出力端子からHigh信号(直流信号)を出力するとともに、強制オフ出力端子からの強制オフ指令出力をオンする。なお、図2の強制オフ信号の状態は、強制オフ指令オン時(すなわちLow信号出力時)を図形の山、強制オフ指令オフ時(すなわちオープン出力時)を図形の谷として図示している。
このとき、微分回路4のカップリングコンデンサC2はウォッチドッグ信号出力端子から出力されるHigh信号によって数ミリ秒〜数十ミリ秒程度で満充電される。一方、平滑コンデンサC1は、放電回路7によって接地されているために充電されることはない。
あらかじめ試験等によってカップリングコンデンサC2が満充電されるまでの時間を計測しておき、カップリングコンデンサC2が満充電されるのに十分な時間(例えば数十ミリ秒程度)、強制オフ指令出力を継続した後、ウォッチドッグ信号出力端子からHigh信号の出力させたまま、強制オフ指令出力を停止する。
このとき、カップリングコンデンサC2が短絡故障していないならば、カップリングコンデンサC2はすでに満充電されていることから、カップリングコンデンサC2から平滑コンデンサC1への電荷の移動は生じず、したがって、平滑コンデンサの電荷はほぼ0を維持し、スイッチング素子Q1,Q2がオン動作されることもなく、電磁弁チェック入力端子にHigh信号が継続して入力される。
一方、カップリングコンデンサC2が短絡故障している場合には、ウォッチドッグ信号出力端子から出力されるHigh信号がカップリングコンデンサC2を素通りして平滑コンデンサC1に印加されることから、平滑コンデンサC1が急速に充電され、即座にスイッチング素子Q1及びQ2がオン動作して、電磁弁チェック入力端子にLow信号が入力されることとなる。ウォッチドッグ出力端子からのHigh信号出力を介ししてから、上記のようにLow信号が電磁弁チェック入力端子の入力信号として現れるまでの時間はわずか数十ミリ秒、長くとも数百ミリ秒程度であり、きわめて短時間で瞬間的にカップリングコンデンサC2の短絡故障診断を終了することができる。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。
例えば、マイクロコンピュータ1はワンチップ上にすべての機能を実装したマイクロプロセッサによって構成することもできるし、CPU、メモリ、I/O処理部などの複数パーツを基板上に実装することによって構成することもできる。
また、燃焼機器は、電磁弁を複数備えるものであってよく、この場合、各電磁弁毎に上記スイッチング素子Q3並びにマイクロコンピュータ1の電磁弁オン出力端子をそれぞれ設けて、複数のスイッチング素子Q3をスイッチング素子Q1に対して並列に接続することによって、ウォッチドッグ信号による安全回路として機能する第1のスイッチング回路S1を共用しつつ、各電磁弁毎に個別に開閉動作制御を行うことができる。複数の電磁弁は、例えば、複数の燃焼部毎にそれぞれ設けられた複数の電磁安全弁であってもよいし、電磁安全弁と元ガス電磁弁などの異なる種類の電磁弁であってもよいし、また、一つの元ガス電磁弁に内蔵された吸着弁と保持弁などであってもよい。
また、スイッチング回路S1は、一つの半導体スイッチング素子によって主構成されるものであってもよいし、3以上の半導体スイッチング素子によって構成されるものであってもよい。
微分回路4は、上記実施形態ではRC直列回路によって例示したが、平滑コンデンサC1と直列に接続されるカップリングコンデンサC2を備えるものであれば、オペアンプを用いた微分回路などによって構成されていてもよい。
1 制御部(マイクロコンピュータ)
2 駆動回路
3 スイッチング回路の制御端子
4 微分回路
7 放電回路
L 電磁弁
V 電源(電池)
S1 スイッチング回路
C1 平滑コンデンサ
C2 カップリングコンデンサ

Claims (3)

  1. 燃料供給路を開閉する電磁弁と、該電磁弁を電源に導通させるべくオン動作可能であるとともにオフ動作時に前記電磁弁を電源から遮断するスイッチング回路と、該スイッチング回路の制御端子に接続されるとともに前記スイッチング回路をオン動作させるための制御電圧を保持可能な平滑コンデンサと、第1及び第2の出力端子を有するとともに前記第1の出力端子からパルス信号を出力制御可能な制御部と、前記第1の出力端子と前記平滑コンデンサとの間に設けられた微分回路とを備え、該微分回路は前記平滑コンデンサに対して直列に接続されるカップリングコンデンサを有し、前記第1の出力端子からパルス信号が出力されているときは前記微分回路を介して前記平滑コンデンサにパルス状に電流供給を行うことにより前記平滑コンデンサが充電され、前記第1の出力端子からパルス信号が出力されていないときは前記微分回路の前記カップリングコンデンサによって前記第1の出力端子から前記平滑コンデンサへの電流供給が遮断される燃焼機器において、
    前記制御部の前記第2の出力端子から強制オフ指令が出力されると前記平滑コンデンサを接地させる放電回路をさらに備え、前記制御部は、前記カップリングコンデンサの短絡故障診断処理を実行可能に構成され、
    該短絡故障診断処理は、前記第1の出力端子から直流信号を出力しつつ前記第2の出力端子から強制オフ指令を出力した後、前記第1の出力端子からの直流信号出力を維持しつつ前記第2の出力端子からの強制オフ指令出力を停止した場合に、前記スイッチング回路がオン動作すると前記カップリングコンデンサの短絡故障であると診断するよう構成されていることを特徴とする燃焼機器。
  2. 請求項1に記載の燃焼機器において、前記制御部は、所定の電源断条件の成立により自らの電源断処理を行うよう構成され、前記短絡故障診断処理は、前記電源断処理中に実行されるよう構成されていることを特徴とする燃焼機器。
  3. 請求項1又は2に記載の燃焼機器において、前記制御部は、電源投入時の起動処理中に前記短絡故障診断処理を実行するよう構成されていることを特徴とする燃焼機器。
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