JP6724025B2 - 点火が生じたか否かを決定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

出願人は、鋳造物内に一つ又は複数の熱交換器を埋め込むことにより効率的に製造可能な加熱器具を非常に首尾よく販売している。この既知の加熱器具には、ガス−空気混合物に点火するための点火ピンが設けられる。

本発明は、加熱器具において、流体燃料と空気の混合物の点火が起こったか否かを決定するための方法に関し、以下のステップを含む。すなわち、
電気点火信号を測定回路に加えるステップと、
点火信号から燃焼信号をフィルタリングするステップと、
検出した燃焼信号を所定のパターンと比較するステップと、
所定の時間中に予測した燃焼信号が生じたことを確証するステップとを含む。

本方法の結果として、点火が起こったか否か、又は、繰り返される点火が不要となり得るか、及び／又は、点火が生じなかった又は非常に遅く生じたかを確実に検出することが可能である。点火が生じなかったり、非常に遅く生じると、危険な量のガス−空気混合物が加熱器具の内外に存在することになる。ほとんどの現代のＣＨ器具は、サービス部又は製造業者と情報を交換するので、最初の点火で燃焼が常に生じないことを早期に突き止めることが可能である。

本発明は、加熱器具において流体燃料と空気の混合物の燃焼が生じたか否かを決定するための装置を更に提供する。該装置は、
電気点火信号が付加される測定手段と、
点火信号から燃焼信号をフィルタリングするためのフィルター手段と、
フィルタリングされた燃焼信号を所定のパターンと比較するための比較手段と、
所定の時間内に燃焼信号が生じたか否かを確証するための決定手段とを備える。

前記装置は、比較的高電圧での点火信号の比較的低い周波数をフィルターで除去するためのフィルター区域を好ましくは備える。

前記燃焼信号から二つのピークを認識するため、好ましくは、増幅区域で増幅及び整流が連続的に行われる。

燃焼信号の開始を正確に確証するため、トリガー区域が、好ましくは、フィルター区域及び増幅区域と平行に接続される。

第１論理部は、増幅区域の出力部に好ましくは接続され、また、第２論理部は第１論理部の出力部及びトリガー区域の出力部に接続され、これにより、点火が生じたことを単純な方形信号から検出することが可能となる。

本発明は、点火ピンが設けられた加熱器具を更に提供する。ここで、安全性はより強固となり、また、好ましくは直線状の点火ピンと、好ましくは鋳造物に具現化される熱交換器における突起との間の距離が確実なものとなる。

本発明の更なる利点、特徴及び詳細は、本発明の好ましい実施形態の以下の記述に基づいて説明される。ここで、参照は以下の図面に対してなされる。

図１は、本発明に従う加熱装置の好ましい実施形態の斜め三次元側面図を部分断面にて示す。 図２は、図１のII-II線に沿う断面を示す。 図３は、図２の詳細IIIの斜め側面図を示す。 図４は、図３の詳細IVの正面図を示す。 図５は、点火が生じたか否かを決定するために、信号が付加される点火ピンが接続される回路の好ましい実施形態の回路図を示す。 図６は、回路の第２実施形態の回路図を示す。 図７Ａは、図５及び６の回路図に従う電気信号の好ましい実施形態に生じる信号の概略図を示す。 図７Ｂは、図５及び６の回路図に従う電気信号の好ましい実施形態に生じる信号の概略図を示す。 図７Ｃは、図５及び６の回路図に従う電気信号の好ましい実施形態に生じる信号の概略図を示す。 図７Ｄは、図５及び６の回路図に従う電気信号の好ましい実施形態に生じる信号の概略図を示す。 図７Ｅは、図５及び６の回路図に従う電気信号の好ましい実施形態に生じる信号の概略図を示す。 図７Ｆは、図５及び６の回路図に従う電気信号の好ましい実施形態に生じる信号の概略図を示す。 図７Ｇは、図５及び６の回路図に従う電気信号の好ましい実施形態に生じる信号の概略図を示す。

以下に記述される加熱器具とそれに配列された回路の好ましい実施形態は、いくつかの顕著な利点を有する。

加熱器具が工場を出る前に点火の質は正確かつ容易にテストされ得る。これは、点火ピンの配列によって引き起こされる生産エラー又は他の誤りがほぼ確実に過去のものになることを意味する。

点火の良好な操作は、当該器具の寿命全体の間、十分に監視され得る。もし問題が生じたなら、その原因に関する情報、例えば、それにより点火信号に不整が生じる点火ピンのセラミック断熱（絶縁）材の漏出等、が容易に利用可能となる。点火ピンと器具の部品（対電極）との間隔が誤っている場合、信号は点火が遅れて生じるか又は全く起こらないことを示す。高電圧ケーブルにおいて起こる可能性のある（部分的）短絡と同様に、本出願の記述に従って検出可能な現象をもたらす。

実際にはスパーク（火花）の引き込みが２０ミリ秒（ｍｓ）毎に生じる。本発明の結果に基づいて、点火が検出されなかったらすぐにそのスパーキング（火花）を止めることが可能である。

そのような器具について観察される不利な点は、スパークの引き込みが繰り返し生じた後にのみ点火が生じることである。これにより爆発のような点火が起こり、これは望ましくない。これは、初期段階で問題のある点火の原因が検出される場合、防止可能であり、これにより、繰り返しのスパーキング及び／又は遅い点火、すなわち、ひとたび大量のガスが存在することが過去のものになる。

燃焼の質に関する情報は、将来、信号処理からも得られるが、繰り返しのスパーキングは将来もはや生じないと思われる。これは省エネであり、様々な部品の寿命を延ばす。

加熱器具２は、バーナー４と、熱交換器１０と、ファン８と、バーナー４と熱交換器１０との間の空間にガスと空気を供給するためのいわゆるガス弁制御ブロック９とを備える。ファン８には空気入口７を介して空気が供給される一方、燃焼ガスは、ここに概略的に示される管５を介して器具外部及び煙道ガスダクトへと案内される。点火ピン１７は、バーナー４と熱交換器１０との間の空間内のハウジングに配置される。

熱交換器１０（図２、３、４）は、鋳造物１１と、熱交換を高めるフィン１２とを備える。ここでは、二つの熱交換器が鋳造物に配列される。典型的な本実施形態において、第１熱交換器は、暖房のための比較的太い管１３を備え、他方、細い菅１４が蛇口から出るお湯のために鋳造物１１に埋め込まれる。

熱交換器の上方フランジ１６に点火ユニット１７が取り付けられ、点火ユニット１７は、例えばＦｅＣｒＡｌ材料からなる点火ピン２０と、絶縁シース１８と、電気接続部１９とを備える。典型的な本実施形態において、鋳造物１６には突起部２１が設けられる。点火ピン２０は、バーナー４に近い位置へと小角度で斜め下方に延びる。バーナー４からは、器具が暖房及び／又は蛇口からのお湯に対する要求に反応するや否や、ガス−空気混合物が図示しない態様で流れる。本実施形態において、これはストレートピン、すなわち曲がった外側端部を有しないが、熱交換器は面取りされ、突起部２１上方に点火ピンのための空間を提供する。

点火ユニット１７の取付時にある不正確さが生じ得る。これにより、点火ピンの外側端部と突起部２１との間の望ましい間隔が、実際には必ずしも保証されるとは思われず、その一方、決定した許容範囲が摩耗によって時間の経過により超えられ得る。ガス−空気混合物にとって迅速に点火しないことは望ましくなく、他方、点火にとってガス−空気混合物が既に点火されているのにその間継続することも好ましくない。

多くの既存のＣＨボイラーにおいて、点火ピンに約１０〜５０ｋＶの電圧を加えることにより、例えば、４秒間かつ２０Ｈｚ（又は５０Ｈｚ、又は他の周波数）にて、ブレークダウンが点火ピンと（多かれ少なかれ）接地部との間に強いられる。ここでは、６〜８ｍｍの間隔でかつ乾燥空気の場合、約６〜８ｋＶにて火花連絡（火花放電）がある。高電圧は、一次巻線、二次巻線及びコンデンサ（キャパシタ）を用いる既知の態様で生じる。

一旦４秒間ブレークダウンが起きると、ガス−空気混合物が燃焼したか否かについて例えば１秒間チェックが行われる。燃焼していない場合、ガス−空気混合物はまず、ファンを用いて放出される必要がある。その後、サイクルが再開され得る。既存の器具において、数サイクル後にもし点火が依然として検出されない場合、エラー信号が生じ、これは、問題がガス供給にあるのか、点火にあるのか又は他の別にあるのかを明らかにしない。

いくつかのケースでは、組立中に点火ピンが完全に正しくは調整されないことが起こり得る。これにより、点火も続行できない。短絡又は接地不良により点火スパークのパターンにも不整が生じ得、その一方、ガス弁制御ブロック又は点火機構におけるスイッチが不十分に機能したり、又は全く機能しないことも起こり得る。

本発明の好ましい実施形態は、検出した燃焼信号のパターンから次の点を立証することが可能であるという洞察に基づく。すなわち、ガス−空気混合物の非燃焼が、例えば不完全な点火によるということ、又は、このパターンが、点火スパークが規則的なパターンを形成することを示す、これにより、原因はガス供給におけるエラーでありそうであること、の立証である。

この情報は、そのような情報がサービス技術員によって遠隔的に取得可能であり、そのため問題の確度の高い原因が立証され得る場合、特に貴重である。更に、一度全体の信頼できる操作がより長い期間確認されたら、例えば４秒から２秒にスパーキングの期間を減らすことも十分にあり得る。これにより、空気−ガス混合物の長期の流出の機会が低減し、安全性が更に高まる。

回路３０（図５）の好ましい実施形態は、帯域通過フィルター３１と、増幅段３２と、トリガー部３３と、二つのそれぞれの論理部３４及び３５とを備える。帯域通過フィルター３１は、いくつかの抵抗器４１、４２、４３及びコンデンサ（キャパシタ）４４、４５、４６を備え、これらの値は、比較的低い周波数の信号、例えば３ｋＨｚ以下が入力部Ａに付加される信号へと通過するように選択される。

増幅部３２は、抵抗器５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７及び５８と、直列に接続された二つのトランジスタ６１、６２と、コンデンサ６６、６７、６８、６９と、ダイオード７１とを備える。

トリガー部３３は、比較器８１と抵抗器８２、８３、８４、８５とを備え、この区域は、一端側がアース（ＧＮＤ）に接続し、多端側が例えば５Ｖ（又は１０Ｖ）の電源電圧Ｖ_ccに接続する。

論理部３４は、抵抗器９０、９１と、ＩＣ９２、９３と、更なる抵抗器９４と、コンデンサ９５、９６とを備える。論理出力部３５は、二つのそれぞれの論理ポート１０１及び１０２を備える。

回路１３０（図６）の第２の好ましい実施形態では、構成部品の取得がより有利である。

回路１３０の第２の好ましい実施形態は、フィルター部１３１と、増幅部１３２と、トリガー部１３３と、二つのそれぞれの論理部１３４及び１３５とを備える。

増幅部１３２は、コンデンサ１４１、１４２、１４３、１４４と、抵抗器１４５、１４６及び１４７とを備える。増幅部１３２は、トランジスタ１５１、１５２、１５３と、ツェナーダイオード１５４、１５５と、コンデンサ１５６、１５７と、抵抗器１５８、１５９、１６０、１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６及び１６７と、コンデンサ１６９とを備える。

トリガー部１４３は、コンデンサ１７０、１７１、１７２と、演算増幅器１７３と、抵抗器１７４、１７５、１７６、１７７及び１７８とを備える。

第１論理部１３４は、ＩＣ１８０、コンデンサ１８１、１８２と、抵抗器１８３、１８４とを備える。第２論理部１３５は、ＩＣ１９０と、コンデンサ１９１と、抵抗器１９２とを備える。

例えば１５ｋＶの高電圧は、点火ピンに必要な場合、アースと電源電圧（Ｖ_g）間に印加された例えば２３０ボルトの交流電圧を用いて、一次巻線１０２及び二次巻返し線１０３を有する変圧器１０１を介して発生する。これにより、例えば１．５アンペア（Ａ）の電流１０５が、比較的低いオーム値、約１０Ωの抵抗器１０４及びＴＶＳ（過度電圧抑制）ダイオードを介して流れはじめる。図７Ａ参照。そのような１．５Ａの値ではブレークダウンが生じ、これは、主ピークに達する前に一つ又は二つのピークによって特徴付けられる。主ピークはブレークダウンが発生したことを示す。

時間ｔ₁の瞬間（図７Ａ）、点火ピンに加えられた交流信号にいくぶん構造化されていない燃焼信号が生じ、図５及び６の回路の入力部Ａにてこの交流信号に重畳される。

時間ｔ₁の瞬間までの期間は、点火間隔及び絶縁の基準である（図７Ｇも参照）。

概略的に示される信号Ｓ₂（図７Ｂ）が図５及び６の回路図におけるポイントＢで存在するようになるように、点火信号Ｓ₁は、帯域通過フィルター３１によってフィルター除去される。増幅段による増幅後、図７Ｃの信号Ｓ₃は、図５及び６の回路図のポイントＣで生じる。

論理部３４に続いて、図７Ｅの信号Ｓ₄はポイントＤで利用可能であり、その長さは、生じた電流ピーク（図７Ｃ）の数に依存する。これらの電流ピークは、それぞれの後に最大１００ｎｓ生じることができる。この立ち上がり端は、第１電流ピークの間に生じ、立ち下がり端は１５０ｎｓ（δｔ図７Ｄ）後にそれ以上ピークが検出されない場合に生じる。

図７Ｃに示すように、特徴は、第１ピーク後、約１００ナノ秒以内の間、第２ピークも利用可能であるという点である。図７Ｄの信号の立ち下がり端は、燃焼ピークの１５０ナノ秒後に生じる。

区域３３（図５）及び１３３（図６）が、ポイントＡで供給される交流の正側に関連する方形波を発生させるため、図７Ｄの信号Ｓ₅が図６のポイントＥで生じる。この信号が開始の瞬間を示すので、第１立ち上がり端のみが関連する。減衰交流信号の残部がマスキングされる。このマスキングは、全ての電流ピークが図６の信号Ｓ₆ポイントＦ（図７Ｆ）で生じた時にアクティブになる。信号がｔ₁までの時間に等しい時間残るように（図７Ｇ参照）、信号Ｓ₅及びＳ₆の合成が論理ポート３５（図５）又は１３６（図６）でなされる。

信号Ｓ₄の立ち下がり端と信号Ｓ₁の新しい立ち上がり端との間の時間は、総計で例えば約５ｍｓとなる。例えば１．２５ｍｓの時間の方形信号は、電源電圧Ｖ_ccまで増幅することにより毎回トリガー区域によってなされる。

図７Ｅの信号と図７Ｆの信号との論理結合は出力Ｆ（図７Ｇ）で信号をもたらす。これは、点火信号時間ｔ₁が生じたことを示し、続いて、１〜１．５ｍｓ以内の間、点火が再び生じていないことが分かる。

分かり易くするため、スパークオーバーの研究は、予備放電がしばし生じ、これに実際の主要な放電及びスパークオーバーが続くことを示した。回路は、その目的のため、電圧の増大の開始と主放電との間の時間間隔を決定しなければならない。これは、放電の検出後（図７Ｅも参照）にδｔの時間その後の放電を待つことによって実現される。そのため、スパークオーバーまでの時間間隔（図７Ｇ）は、主放電プラスδｔまでの時間である。

上述した好ましい実施形態により、不必要に繰り返される点火はほとんど生じず、その一方、現代の加熱器具が製造業者及び／又は保守サービス業者によって遠隔的に読み込まれることができるので、初期段階で点火に関する問題が発生していることを認識することが可能である。これは、しばらくした後、繰り返しの点火が行われる必要があるという事実を追跡することを可能にし、これにより、早期のメンテナンスが実行可能であり及び／又は危険な状況が回避可能である。

上述した装置及び方法により、コイルでの充電の増の開始からスパークオーバーの時間までの時間が測定される。そのようなスパーキング時間が総計２０ミリ秒になるなら、毎秒５０の測定スパーキング時間が存在する。

セラミック断熱材を介する漏洩電圧又は大きすぎる点火間隔が確認され得るように、ボイラーを始動する前、すなわちガス−空気混合物が導入される前に、スパーキング時間が測定され得る。

ボイラーがスタートした後の約１秒後、バーナーまでの全長にわたって混合物が流れた。この後、このスパーキング時間は約２０％大幅に低減する。

上記にて要点を述べたように、点火が本特許出願に従って監視される。ここで、エラーの起こり得る原因の検出が行われ、器具の始動中の燃焼の瞬間が規定される。また、燃焼品質に関する情報も、好ましくは遠隔的に同様に、長期的に取得可能である。

本発明は、以下の特許請求の範囲に限定されず、特許請求の範囲内で多くの変更が想定され得る。

２ 加熱器具
４ バーナー
７ 空気入口
８ ファン
９ ガス弁制御ブロック
１０ 熱交換器
１１ 鋳造物
１２ フィン
１３ 太い管
１４ 細い管
１６ 上方フランジ
１７ 点火ピン（点火ユニット）
１８ 絶縁シース
１９ 電気的接続部
２０ 点火ピン
２１ 突起部

Claims (14)

1. 加熱器具において流体燃料と空気の混合物の点火が生じたか否かを決定するための方法であって、
   電気点火信号を測定回路に付加するステップと、
   前記電気点火信号から燃焼信号をフィルタリングするステップと、
   検出した燃焼信号と所定のパターンとを比較するステップと、
   予測した燃焼信号が所定の時間内に生じたことを確証するステップとを含み、
   前記所定の時間は、前記燃焼信号から導き出されるトリガーモーメントにて始まる方法。
2. 前記フィルタリングした燃焼信号が増幅される請求項１に記載の方法。
3. 加熱器具において流体燃料と空気の混合物の点火が生じたか否かを決定するための装置であって、
   電気点火信号が付加される測定手段と、
   前記電気点火信号から燃焼信号をフィルタリングするためのフィルタ手段と、
   フィルタリングした燃焼信号と所定のパターンとを比較するための比較手段と、
   前記燃焼信号が所定の時間内に生じたか否かを確証するための決定手段とを備え、
   前記所定の時間は、前記燃焼信号から導き出されるトリガーモーメントにて始まる装置。
4. 入力部と前記入力部に接続するフィルタ部とを備える請求項３に記載の装置。
5. 前記フィルタ部に接続する増幅部が設けられる請求項４に記載の装置。
6. 前記フィルタ部及び増幅部に平行に接続するトリガ部が設けられる請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記増幅部の出力部に接続する第１論理部が設けられる請求項３〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 第２論理部が前記トリガ部の出力部及び第１論理部に接続する請求項３〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 流体燃料と空気の混合物を燃焼するための装置であって、
   ガスを供給するためのガス弁制御ブロックユニットと、
   空気を引き込むためにガス弁制御ブロックユニットに連結するファンと、
   熱交換機に近接配置されるバーナーと、
   燃焼した混合物を排出するための排出手段とを備え、
   点火ピンは熱交換器に近接配置され、
   請求項１又は２に記載の方法が適用される装置。
10. 前記点火ピンの外側端部は、前記熱交換器に近接する位置まで実質的に直線状に延び、前記熱交換器には突出した対電極が設けられる請求項９に記載の装置。
11. 流体燃料と空気の混合物を燃焼するための装置であって、
    ガスを供給するためのガス弁制御ブロックユニットと、
    空気を引き込むためにガス弁制御ブロックユニットに連結するファンと、
    熱交換機に近接配置されるバーナーと、
    燃焼した混合物を排出するための排出手段とを備え、
    点火ピンは熱交換器に近接配置され、
    前記熱交換器には突出した対電極が設けられ、
    請求項１又は２に記載の方法が適用される装置。
12. 前記点火ピンの外側端部は、前記熱交換器に近接する位置まで実質的に直線状に延びる請求項１１に記載の装置。
13. 前記熱交換器は鋳造物を備える請求項９〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 請求項１又は２に記載の方法が適用される請求項９〜１３のいずれか１項に記載の装置。

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