JP6638425B2 - 燃焼機器 - Google Patents

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給湯器などの燃焼機器に関する。

ガスコンロやガス給湯器などの燃焼機器においては、燃焼制御を行う制御コントローラの制御中枢としてマイコンを用いることが一般的である。マイコンは、マイコン内蔵若しくは外部の発振回路が生成するクロックによって動作するとともに、炎検出確定時間その他の種々のタイマーの計時や、各種操作スイッチのダイナミックスキャンによる検出などにもクロックが用いられ、クロック周波数に基づく制御によって燃焼の安定性を担保するとともにガス漏れや高温出湯の回避などを行っているため、クロック周波数の精度並びに安定性が高いレベルで求められる。

例えば、クロック周波数が高くなると炎検出確定時間が早くなり、十分に熱電対の電圧が立ち上がらないままの確定となって、不着火エラーが多発する可能性があるという懸念がある。一方、クロック周波数が低くなった場合には、燃焼停止操作を行うためのスイッチの受付感度が悪くなってユーザー操作によって的確かつ速やかに燃焼停止させることに支障が出るケースや、タイマーにより計測される実時間が長くなることで例えば安全動作に入るまでの時間が長くなってしまうことも想定される。

クロック周波数の精度並びに安定性を担保する方法としては、２以上の発振回路を実装して、各発振回路が生成するクロック同士で相互に監視乃至補償する方法もあるが（例えば特許文献１参照）、コスト増の要因となる。

また、オンチップオシレータ（クロック発生回路）を内蔵するマイコンを制御部の制御中枢として採用して、水晶振動子を用いたマイコン外部の水晶発振回路を設けないことにより、燃焼機器の制御部の部品点数や実装面積の削減による小型化とコスト低減とを図ることができるが、燃焼機器における採用実績が少なく、高熱の燃焼部に近い位置に配置され毎日燃焼運転がなされる環境下では、周波数異常に対する一層の対策を行っておく必要がある。

一方、例えば下記の特許文献２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、燃焼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ウォッチドッグパルスを電磁弁駆動回路に出力させている。該駆動回路は、ウォッチドッグパルスを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、ウォッチドッグパルス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パルスが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。

特許第５１７１３７９号公報 特開平８−２７０８２２号公報

ウォッチドッグパルスも発振回路が生成するクロックに基づいて生成されているため、クロック周波数の変動に伴いウォッチドッグパルスの周波数も変動するが、上記従来の駆動回路の回路構成では、ウォッチドッグパルスの周波数が異常に高くなっても電源を遮断できない。

そこで、本発明は、ウォッチドッグパルスの周波数異常時にも電源供給を自動的に遮断できるようにすることを目的とする。

本発明は、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、本発明は、燃焼部を燃焼動作させるために設けられた電気負荷への電源供給路に設けられたスイッチング回路と、該スイッチング回路をオン動作させるオン信号電圧を保持可能な制御電圧保持用コンデンサと、パルス信号を生成するパルス信号生成部と、カップリングコンデンサとを備え、前記パルス信号が前記カップリングコンデンサを介して前記制御電圧保持用コンデンサに供給されることで前記制御電圧保持用コンデンサが充電され、前記パルス信号が供給されないと前記制御電圧保持用コンデンサの充電電圧が前記オン信号電圧未満に低下することで前記スイッチング回路がオフ動作する燃焼機器の安全停止装置において、前記パルス信号生成部と前記カップリングコンデンサとの間に、前記パルス信号の立ち上がり波形をなだらかにする高域遮断フィルターが設けられ、これにより前記パルス信号のパルス周期が正常範囲よりも短くなると前記カップリングコンデンサを介して前記制御電圧保持用コンデンサに供給される電流量が減少して前記制御電圧保持用コンデンサの充電電圧が前記オン信号電圧未満まで低下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の安全停止装置によれば、前記パルス信号生成部と前記カップリングコンデンサとの間に高域遮断フィルターを追加することによって、パルス信号がＨＩＧＨ固定若しくはＬＯＷ固定となったときのみならず、パルス周期が短くなったとき（周波数が高くなったとき）においても電磁弁などの電気負荷への電源供給を自動的に遮断することができる。

より好ましくは、パルス信号のパルス周期が正常範囲よりも短くなるほどカップリングコンデンサの出力電圧信号の直流成分の比率が大きくなるよう高域遮断フィルターを構成することができる。

また、前記高域遮断フィルターは積分回路であってよく、より好ましくはＣＲ積分回路であってよい（請求項２）。これによれば低コストで上述の機能を実現できる。

また、前記電気負荷は、前記燃焼部への燃料供給路に設けられた電磁弁、若しくは、前記燃焼部の燃焼動作を制御するための制御部であってよい（請求項３）。これによれば、パルス信号の異常時に電磁弁若しくは制御部への電源供給を自動的に遮断させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、パルス信号のパルス周期の異常時に電源供給を自動的に遮断することができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼機器の安全停止装置の概略回路図である。 同安全停止装置のウォッチドッグパルス信号のパルス周期が、１０ｍｓのとき（正常時）、８ｍｓのとき（異常時）、５ｍｓのとき（異常時）、２ｍｓのとき（異常時）のそれぞれの回路所定部位（ａ点〜ｄ点）の電圧波形、並びに、逆流防止ダイオードの導通電流波形を示す波形図である。

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、ガスコンロやガス給湯器などのガス燃焼機器における元ガス電磁弁や安全弁などの電磁弁の駆動回路１、並びに、制御部として機能するマイコン２の自己電源保持回路３の概略構成を示している。本実施形態では、駆動回路１及び自己電源保持回路３のいずれもが本発明の安全停止装置として機能する。

以下具体的に説明すると、燃焼機器は、ガスバーナにより主構成される燃焼部４と、燃焼部４への燃料供給路５を開閉する電磁弁６と、該電磁弁６の開閉動作の制御により燃焼部４の燃焼動作を制御する制御部としてのマイコン２と、該マイコン２が出力する電磁弁駆動指令信号およびウォッチドッグパルス信号を入力すると電磁弁６に駆動電圧を出力する駆動回路１と、電池７と、電池電圧に基づいてマイコン２及び電磁弁６の電源電圧を生成する電源回路８と、分圧回路により構成された電池電圧監視回路９と、マイコン２自身が出力するパルス信号からなる自己保持出力信号によってマイコン２自身への電源供給を保持する自己電源保持回路３とを備えている。

なお、電源回路８は、例えば電池電圧に基づいて所定の電圧（例えば３Ｖ）を出力するＤＣ／ＤＣコンバータなどにより構成できる。

マイコン２は、例えばオンチップオシレータ（クロック発振回路）を内蔵するものを採用してもよいし、外付けの水晶発振子を備えるクロック発振回路を別途設けることもできる。かかる内蔵若しくは外付けのクロック発振回路が生成するクロックによりマイコン２は駆動される。ガス燃焼機器においてはクロック周波数は数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ程度のものが一般的に用いられている。

また、マイコン２（パルス信号生成部）は、駆動クロックに基づいて生成される矩形波パルス信号であるウォッチドッグパルス信号を出力可能なＷＤ信号出力端子と、電磁弁駆動指令を出力可能な電磁弁駆動指令出力端子と、ウォッチドッグパルス信号と同様のパルス信号からなる自己保持出力信号を出力可能な自己保持出力端子とを備えている。

駆動回路１は、電磁弁６を電源回路８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６を電源回路８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は電源回路８と電磁弁６との間で直列に接続され、両スイッチング回路Ｓ１，Ｓ２がともにオン動作した場合にのみ電磁弁６が電源回路８に導通されて電源電圧に基づく駆動電圧が電磁弁６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６が電源回路８から遮断されて電磁弁６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は電源回路８から電磁弁６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のエミッタが電源回路８側に接続され、コレクタが電磁弁６側に接続されている。

別のスイッチング素子Ｑ２は、そのコレクタがベース抵抗Ｒ１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（図示例では電池７の負極）に接地されている。このスイッチング素子Ｑ２のベースは、第１のスイッチング回路Ｓ１の制御端子となる。

第１のスイッチング回路Ｓ１の制御端子には、マイコン２のＷＤ信号出力端子から正常な周期（例えば９ｍｓ以上）のウォッチドッグパルス信号が出力されているときにのみ第１のスイッチング回路Ｓ１をオン動作させるオン動作信号を出力する安全回路Ｓが接続されている。

安全回路Ｓは、スイッチング素子Ｑ２をオン動作させるに必要なオン信号電圧を保持可能な制御電圧保持用コンデンサＣ１を備え、該コンデンサＣ１がベース抵抗Ｒ２を介してスイッチング素子Ｑ２のベースに接続されている。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。

制御電圧保持用コンデンサＣ１とマイコン２のＷＤ信号出力端子とは、ＣＲ積分回路により構成される高域遮断フィルター１０、抵抗器ＲａとカップリングコンデンサＣａとにより構成されるＲＣ直列回路（微分回路）１１、並びに、逆流防止ダイオードＤ１を介して接続されている。これら高域遮断フィルター１０、ＲＣ直列回路１１、逆流防止ダイオードＤ１は、ＷＤ信号出力端子側から上記記載順に直列に接続されている。また、ＲＣ直列回路１１の出力部には、ダイオードＤ２からなるクランプ回路（本実施形態では負クランプ回路）が設けられている。

これにより、図２のパルス周期１０ｍｓ時の波形図に示すように、ＷＤ信号出力端子から正常なウォッチドッグパルス信号が継続的に出力されると、ウォッチドッグパルス信号はまず高域遮断フィルター１０によって高周波成分がカットされて立ち上がり電圧波形がなだらかになり（ａ点波形参照）、次にＲＣ直列回路１１を通過して、図１に示すｂ点に供給される。ｂ点の電圧波形もなだらかな交流波形となり、該交流波形の頂点のときにコンデンサＣ１の充電電圧（ｃ点の電圧）とｂ点の電圧との差がダイオードＤ１の順方向電圧よりも大きくなって、これによりダイオードＤ２が導通してコンデンサＣ１に電荷が供給される。

パルス周期の正常時（１０ｍｓ時）は、ｂ点の電圧波形の頂点付近（最大電位付近）の傾斜が小さくなっているためにダイオードＤ１の導通時間が比較的長く、これによりダイオードＤ１及びカップリングコンデンサＣａの導通電流波形の山の高さ並びに幅が比較的大きくなり、制御電圧保持用コンデンサＣ１の充電電圧がオン信号電圧以上に安定的に保持され、ｄ点波形に示すように電磁弁６への駆動電圧の出力が維持される。

一方、ウォッチドッグパルス信号のパルス周期が８ｍｓになると、ダイオードＤ１の導通時間が短くなる結果、ダイオードＤ１の導通電流波形の山の高さ並びに幅が正常時よりも小さくなってコンデンサＣ１に供給される電流量がコンデンサＣ１からの放電量（主にスイッチング素子Ｑ２のベース−エミッタ間抵抗成分を介する放電量）よりも少なくなって、一時的にスイッチング素子Ｑ１がオン動作することが過渡現象として生じることがあるが、図２に示すシミュレーションでは数百ミリ秒程度でスイッチング素子Ｑ１がオフ動作した。

また、ウォッチドッグパルス信号のパルス周期が５ｍｓになると、さらにダイオードＤ１の導通時間が短くなる結果、ダイオードＤ１の導通電流波形の山の高さ並びに幅が一層小さくなり、コンデンサＣ１はオン信号電圧まで充電されることがなく、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態を維持する。

また、ウォッチドッグパルス信号のパルス周期が２ｍｓになると、ＣＲ直列回路１１の出力信号は最小値約０．６Ｖ，最大値約１．１Ｖ程度の高周波リップル成分を含む直流信号となりるようＣＲ積分回路１０の時定数が設定されており、交流波リップル成分によって僅かな電流がダイオードＤ１を導通するもののコンデンサＣ１は充電されないように構成されている。

このように、本実施形態の電磁弁駆動回路１によれば、従来の安全停止回路にＣＲ積分回路１０を設けるという簡単な構成で、ウォッチドッグパルス信号のバルス周期が正常範囲（例えば９ｍｓ以上）よりも短くなったときもスイッチング回路Ｓ１をオフ動作させることで電磁弁６への電源供給を自動的に強制遮断することができる。

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、電源回路８と電磁弁６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。スイッチング素子Ｑ３のベースはベース抵抗Ｒ３を介してマイコン２の電磁弁駆動指令出力端子に接続されている。電磁弁駆動指令出力端子は、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６を開動作させるときに電磁弁駆動指令信号として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。

上記第１及び第２のスイッチング回路Ｓ１，Ｓ２がいずれもオン動作すると、電磁弁６がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３を介して電源回路８に導通されて、電磁弁６に対して駆動電圧が出力される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３のスイッチングによる逆起電力をカットするために、電磁弁６には負電圧カット用のダイオードＤ３が接続されている。

自己電源保持回路３は、上記駆動回路３の安全回路Ｓと同様の安全回路Ｓを備えており、ウォッチドッグパルス信号と同様のパルス信号からなる自己保持出力信号が正常なパルス周期で出力されているときにのみマイコン２自身への電源供給を保持し、自己保持出力信号がＨＩＧＨ固定、ＬＯＷ固定若しくは所定のパルス周期未満となった場合にはマイコン２自身への電源供給を遮断するものである。

すなわち、自己電源保持回路３は、電池７から電源回路８への電源供給ラインの途中に設けられたｐチャンネル型ＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ４を備えている。該スイッチング素子Ｑ４の制御端子（ゲート）は、並列に設けられた２つのスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６を介してグラウンドに接続されている。

一方のスイッチング素子Ｑ５の制御端子は、安全回路Ｓのオン信号電圧出力部に接続されており、マイコン２から正常なパルス周期の自己保持信号が出力されている間、スイッチング素子Ｑ５がオンしてスイッチング素子Ｑ４の制御端子がグラウンドに接地され、これによりスイッチング素子Ｑ４がオン動作を保持して電源電圧がマイクロプロセッサ１００に供給され続ける。なお、安全回路Ｓについては上記駆動回路と同様であるので詳細説明を省略する。而して、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５によって、スイッチング回路Ｓ３が構成されている。

他方のスイッチング素子Ｑ６の制御端子は、電源スイッチＳＷを介して電池７の正極に接続されており、電源スイッチＳＷが操作されて導通するとスイッチング素子Ｑ６がオンしてスイッチング素子Ｑ４がオンし、電池電圧が電源回路８に供給されて、該電源回路８の出力電圧がマイコン２に電源として供給される。

マイコン２は、電源スイッチＳＷの操作により電源電圧が供給されることにより起動し、起動直後から上記自己保持信号を出力することにより自らへの電源供給を維持し、所定の電源断条件を満たすことにより自己保持信号の出力を停止することで自動的に電源断状態となるよう構成されている。

また、電池７の正極には、スイッチング素子Ｑ４を介して電池電圧監視回路９が接続されており、該電池電圧監視回路９が出力する電池電圧監視信号がマイコン２の電池電圧監視信号入力端子に入力されている。マイコン２は、起動中、電池電圧監視信号入力端子に入力された電池電圧監視信号に基づいて電池７の出力電圧値を検出可能に構成されている。

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、パルス周期の正常範囲は、ＣＲ積分回路１０の時定数によって適宜の範囲として設計できる。

２ 制御部（パルス信号生成部）
４ 燃焼部
６ 電気負荷（電磁弁）
１０ 高域遮断フィルター（積分回路）
Ｓ１ スイッチング回路
Ｓ３ スイッチング回路
Ｃａ カップリングコンデンサ
Ｃ１ 制御電圧保持用コンデンサ

Claims (3)

1. 燃焼部を燃焼動作させるために設けられた電気負荷への電源供給路に設けられたスイッチング回路と、該スイッチング回路をオン動作させるオン信号電圧を保持可能な制御電圧保持用コンデンサと、パルス信号を生成するパルス信号生成部と、カップリングコンデンサとを備え、前記パルス信号が前記カップリングコンデンサを介して前記制御電圧保持用コンデンサに供給されることで前記制御電圧保持用コンデンサが充電され、前記パルス信号が供給されないと前記制御電圧保持用コンデンサの充電電圧が前記オン信号電圧未満に低下することで前記スイッチング回路がオフ動作する燃焼機器の安全停止装置において、
   前記パルス信号生成部と前記カップリングコンデンサとの間に、前記パルス信号の立ち上がり波形をなだらかにする高域遮断フィルターが設けられ、これにより前記パルス信号のパルス周期が正常範囲よりも短くなると前記カップリングコンデンサを介して前記制御電圧保持用コンデンサに供給される電流量が減少して前記制御電圧保持用コンデンサの充電電圧が前記オン信号電圧未満まで低下するよう構成されていることを特徴とする燃焼機器の安全停止装置。
2. 請求項１に記載の燃焼機器の安全停止装置において、前記高域遮断フィルターは積分回路であることを特徴とする燃焼機器の安全停止装置。
3. 請求項１又は２に記載の燃焼機器の安全停止装置において、前記電気負荷は、前記燃焼部への燃料供給路に設けられた電磁弁、若しくは、前記燃焼部の燃焼動作を制御するための制御部であることを特徴とする燃焼機器の安全停止装置。

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