JP6770447B2 - 熱源装置 - Google Patents

Description

本発明は、強制給排気式の熱源装置に関する。

従来、例えば給湯装置のように、缶体内に水が流通する熱交換器と熱交換器を加熱するバーナとを備えて、燃焼ファンによりバーナに燃焼用空気を供給すると共に燃焼排ガスを排気路に送出する強制給排気式の熱源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

強制給排気式の熱源装置においては、排気路又は燃焼用空気の供給路の閉塞が生じると燃焼用空気の供給が妨げられる。そこで、特許文献１に記載された給湯装置においては、排気路又は供給路の閉塞率を検出して、閉塞率が大きくなるに従って最大能力（最大給湯能力）を下げてバーナの燃焼量を制限する処理を行っている。

特開２０１６−５７０４５号公報

熱源装置において、熱交換器で発生して滴下するドレンを回収して排出するドレン排出路と、ドレン排出路の途中に設けられてドレン排出路を経由した燃焼排ガスの流出を防止する水封トラップ（水を満たすことにより、燃焼排ガスの流通を阻止する構成）とを備えた構成が知られている。

そして、本願発明者らは、このように水封トラップを備えた熱源装置において、閉塞率の増大に応じて最大能力を次第に減少させる処理を行った場合でも、缶体内の圧力が十分に下がらず、水封トラップを突き破って燃焼排ガスがドレン排出路から流出する場合が生じ得ることを知見した。

また、燃焼排ガスが水封トラップを突き破ることで水封トラップが機能しなくなると、一時的に閉塞率が低下することにより、バーナの燃焼量が増加して水封トラップからの燃焼排ガスの流出が更に増加する場合が生じ得ることも知見した。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、水封トラップを突き破って燃焼排ガスが流出することを防止した熱源装置を提供することを目的とする。

本発明の熱源装置は、
排気路及び給気路に連通した缶体と、
前記缶体内に配置されて、内部を流体が流通する熱交換器と、
前記缶体内に配置されて、前記熱交換器を加熱するバーナと、
前記給気路を介して前記バーナに燃焼用空気を供給すると共に、前記バーナの燃焼排ガスを前記排気路に導くファンと、
前記バーナに燃料ガスを供給するガス供給手段と、
前記熱交換器から滴下するドレンを回収して排出するドレン排出路と、
前記ドレン排出路の途中に設けられ、前記ドレン排出路を介した燃焼排ガスの流出を防ぐための水封トラップと、
前記ファンにより供給される燃焼用空気の流量と、前記ガス供給手段により供給される燃料ガスの流量とを変更して、前記バーナの燃焼量を制御するバーナ燃焼運転を実行する燃焼制御部と
を備えた熱源装置に関する。

そして、本発明の熱源装置は、
前記ファンを作動させたときの前記缶体内の圧力を認識する圧力認識部と、
前記燃焼制御部により前記バーナ燃焼運転が実行されているときに、前記圧力認識部により認識される前記缶体内の圧力が第１閾値以上であるときには、前記バーナ燃焼運転における前記バーナの燃焼量の制御範囲の上限を、前記バーナの最大燃焼量よりも小さい上限燃焼量に制限する燃焼量制限部とを備え、
前記燃焼量制限部は、前記圧力認識部により認識される前記缶体内の圧力が前記第１閾値以上且つ第２閾値以下であるときは、該圧力が高いほど前記上限燃焼量を第１上限燃焼量まで次第に減少させて設定し、該圧力が前記第２閾値を超えたときには、前記上限燃焼量を前記第１上限燃焼量よりも小さい第２上限燃焼量に設定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、バーナを作動させたときの缶体内の圧力が圧力認識部により認識され、バーナ燃焼運転が実行されているときに、缶体内の圧力が第１閾値以上となってバーナへの燃焼用空気及び燃料ガスの供給負荷が増大した場合には、燃焼量制限部によりバーナの燃焼量の制御範囲の上限を小さくすることにより、バーナの目標燃焼量に対して燃焼用空気及び燃料ガスが不足することを防止している。

そして、燃焼量制限部は、缶体内の圧力が第１閾値以上且つ第２閾値以下であるときは、缶体内の圧力が高いほど上限燃焼量を第１上限燃焼量まで次第に減少させて設定することで、バーナの上限燃焼量の減少を極力抑えている。しかしながら、缶体内の圧力がさらに高まって第２閾値を超えてさらに増大する状況になると、水封トラップに加わる圧力が増大して水封トラップが燃焼排ガスにより突き破られて、燃焼排ガスがドレン排出路を介して流出するおそれがある。

そこで、燃焼量制限部は、缶体内の圧力が第２閾値を超えたときには、上限燃焼量を第１上限燃焼量よりも小さい第２燃焼量に切り替える。この場合、第２閾値を水封トラップが突き破られることがないレベル（このレベルは、例えば、実験やコンピュータシミュレーションにより決定される）に設定することにより、ドレン排出路側からの燃焼排ガスの流出を防止しつつ、バーナ燃焼運転を継続することができる。

また、前記燃焼量制限部は、前記上限燃焼量を前記第１上限燃焼量から前記第２上限燃焼量に切り替えて設定するときに、所定時間をかけて前記上限燃焼量を前記第１上限燃焼量から前記第２上限燃焼量まで漸減させることを特徴とする。

この構成によれば、第１上限燃焼量から第２上限燃焼量への切り替えを瞬時に行った場合に生じ得る、熱交換器から送出される流体温度の急激な変動による弊害（例えば、熱源装置が給湯装置であるときには給湯温度の急激な低下急変、熱源装置が暖房装置であるときには放熱量の急激な低下）を回避することができる。

給湯装置（熱源装置）の構成図。 給湯運転における一連のフローチャート。 最大給湯能力の切替え条件の説明図。図３Ａは本実施形態の仕様を示し、図３Ｂは従来の仕様を示している。

本発明の実施形態の一例について、図１〜図３を参照して説明する。

［１．給湯装置の構成］
図１を参照して、本発明の給湯装置１（本発明の熱源装置に相当する）は、本体１０に収容された缶体２０内に、上水道に接続された給水管４０及び出湯栓（図示しない）に接続された給湯管 ５０に接続された熱交換器２１、熱交換器２１を加熱するバーナ２２、バーナ２２の燃焼炎を検出するフレームロッド２３、及びバーナ２２に点火するための点火プラグ２４を備えている。点火プラグ２４は、イグナイタ２５と接続され、イグナイタ２５から高電圧が印加されたときに火花放電を発生する。

バーナ２２は、缶体２０の上部に設けられた逆止弁３０を介してファン３１に接続され、ノイズフィルタ３２及び切替弁付きベンチェリー３３を介して供給される燃焼用空気と、燃料ガス供給路３５、ゼロガバナ３６、及びオリフィス３７を介して供給される燃料ガスとが、ファン３１により混合されてバーナ２２に供給される。なお、燃料ガス供給路３５、ゼロガバナ３６、及びオリフィス３７により、本発明のガス供給手段が構成される。

給水管４０には、上流側から順に、水フィルタ兼用抜き栓４１、給水管４０を流通する水の流量を検出する流量センサ４２、給水管４０を流通する水の温度を検出する給水温度センサ４３、及び給水管４０と給湯管５０を連通したバイパス管４５の開度を変更するバイパスサーボ４４が設けられている。

給湯管５０には、上流側から順に、熱交換器２１から出湯される湯の温度を検出する熱交温度センサ５１、給湯管５０の開度を変更する湯量サーボ５２、及び給湯管５０から出湯される湯の温度を検出する出湯温度センサ５３が設けられている。湯量サーボ５２の付近には排水管５５が接続されており、排水管５５には過圧脱がし弁５６が設けられている。

熱交換器２１は、バーナ２２の燃焼排ガス中の顕熱を回収する主熱交換器２１ａと、燃焼排ガス中の潜熱を回収する副熱交換器２１ｂとにより構成されて、内部を流通する水を加熱する。主熱交換器２１ａには、過熱を検出する過熱センサ２６が設けられている。

バーナ２２の燃焼排ガスは、ファン３１による送風圧により、図中Ａ１，Ａ２の矢印で示したように、熱交換器２１を通過して排気口６０及び排気ダクト６１を経由して、排気管６２へと導かれる。排気ダクト６１と排気管６２との接続箇所の付近には、排気温度センサ６３が設けられている。

排気ダクト６１及び排気管６２は、本発明の排気路に相当する。排気管６２の外側には給気管６５が形成され、給気管６５、給気ダクト６６、及び給気フィルタ６７を経由して、外気が本体１０内に吸入される。給気管６５及び給気ダクト６６は、本発明の給気路に相当する。

缶体２０の下部には、熱交換器２１で生じて滴下するドレンを回収して排出するためのドレン排出路７０が接続され、ドレン排出路７０の途中には水封室７１が設けられている。缶体２０の下部と水封室７１との間には水（ドレン水）が満たされており、これにより、缶体２０からドレン排出路７０を経由した燃焼排ガスの流出を防ぐ水封トラップ７５が形成されている。

本体１０内には、給湯装置１の全体的な作動を制御するコントローラ９０が備えられている。コントローラ９０は、図示しないＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース回路等を備えて構成された電子回路ユニットであり、メモリに保持された給湯装置１の制御用プログラムをＣＰＵで実行することによって、バーナ２２の燃焼運転を実行する燃焼制御部９１、缶体２０内の圧力を認識する圧力認識部９２、及びバーナ２２の燃焼量を制限する燃焼量制限部９３として機能する。

コントローラ９０には、給湯装置１を遠隔操作するためのリモコン９５が接続され、リモコン９５に設けられた各種スイッチの操作信号が、リモコン９５からコントローラ９０に入力される。また、コントローラ９０からリモコン９５に出力される制御信号により、リモコン９５に設けられた表示部の状態が制御される。

コントローラ９０には、フレームロッド２３、過熱センサ２６、流量センサ４２、給水温度センサ４３、熱交温度センサ５１、出湯温度センサ５３、及び排気温度センサ６３による各検出信号が入力される。また、コントローラ９０から出力される制御信号により、イグナイタ２５、ファン３１、バイパスサーボ４４、及び湯量サーボ５２の作動が制御される。

コントローラ９０は、出湯栓が開栓されて、流量センサ４２により下限流量以上の通水が検出されているときに、給湯管５０から、リモコン９５により設定された目標給湯温度の湯が出湯されるように、バーナ２２の燃焼量を制御する給湯運転を実行する。

給湯運転において、コントローラ９０は、流量センサ４２の検出流量、給水温度センサ４３の検出温度、及びリモコン９５により設定された目標給湯温度に基づいて、バーナ２２の目標燃焼量を設定する。

そして、燃焼制御部９１は、目標燃焼量が得られるようにファン３１の回転速度を調節して、バーナ２２に供給する燃焼用空気と燃料ガスの供給流量を設定し、バーナ２２の燃焼運転を実行する。また、コントローラ９０は、出湯温度センサ５３の検出温度が目標給湯温度となるように、目標燃焼量を補正し、必要に応じて、バイパスサーボ４４及び湯量サーボ５２の開度を調節する。

［２．上限燃焼量の制限］
次に、図２に示したフローチャートに従って、給湯運転の実行中に、燃焼量制限部９３により実行されるバーナ２２の燃焼量の制御処理について説明する。

図２のＳＴＥＰ１で、燃焼量制限部９３は、圧力認識部９２により排気路（排気ダクト６１、排気管６２）の閉塞率を算出する。圧力認識部９２は、排気路の閉塞率を算出することによって、バーナ２２の燃焼中（ファン３１の作動中）における缶体２０内の圧力を間接的に認識し、缶体２０内の圧力のレベルを示す指標値として排気路の閉塞率を用いる。ここで、排気路の閉塞率が大きくなるに従って、ファン３１を所定回転速度で作動させたときの缶体２０内の圧力が増大するため、排気路の閉塞率からバーナ２２の燃焼時における缶体２０内の圧力を認識することができる。

圧力認識部９２は、例えば、上述した特開２０１６−５７０４５号公報に示された手法を用いて、ファン３１を基準目標回転速度で作動させるために必要となるファンの通電電流値に基づいて排気路の閉塞率を検知する。

続くＳＴＥＰ２で、燃焼量制限部９３は、排気路の閉塞率が第１閾値（例えば６０％）以上であるか否かを判断し、閉塞率が第１閾値以上であるときにはＳＴＥＰ３に進む。ここで、第１閾値は、排気路の閉塞率が高くなって缶体２０内の圧力が増大することにより、バーナ２２への燃焼用空気及び燃料ガスの供給が妨げられて、給湯装置１を最大能力（本実施形態では１６号）で作動させることが困難になる閉塞率を想定して、実験やコンピュータシミュレーションにより設定されたものである。

ＳＴＥＰ３で、燃焼量制限部９３は、排気路の閉塞率に応じて給湯装置１の最大能力（号数）を下げることにより、バーナ２２の燃焼量の制御範囲の上限（上限燃焼量）を制限してＳＴＥＰ４に進む。ここで、図３Ａは、給湯装置１の最大能力の設定テーブルを示しており、縦軸が給湯装置１の最大能力（号）に設定され、横軸が排気路の閉塞率（％）に設定されている。

コントローラ９０は、このように給湯装置１の最大能力が下げられたときには、目標給湯温度での給湯を維持するために、湯量サーボ５２により上水道から給水管４０への給水流量を減少させる処理を行う。

燃焼量制限部９３は、ＳＴＥＰ３の最大能力漸減処理において、図３Ａの設定テーブルに従って、排気路の閉塞率が増大するほど給湯装置１の最大能力を１６号から１２号までリニア（図３ＡのＡ１で示したパターン）又は段階的（図３ＡのＢ１で示したパターン）に次第に減少させる。この場合、１６号により規定されるバーナ２２の燃焼範囲の上限が本発明の最大燃焼量に相当する。また、１２号により規定されるバーナ２２の燃焼範囲の上限が本発明の第１上限燃焼量に相当する。

続くＳＴＥＰ４で、燃焼量制限部９３は、圧力認識部９２により排気路の閉塞率を算出し、次のＳＴＥＰ５で、排気路の閉塞率が第２閾値（例えば７０％）を超えているか否かを判断する。そして、排気路の閉塞率が第２閾値を超えているときにはＳＴＥＰ６に進む。

ここで、第２閾値は、排気路の閉塞の進行により缶体２０内の圧力がさらに増大することによって、図１のＥ１で示した経路により、水封トラップ７５が突き破られて、バーナ２２の燃焼排ガスがドレン排出路７０から排出される閉塞率を想定して、実験やコンピュータシミュレーションにより設定されたものである。

ＳＴＥＰ６で、燃焼量制限部９３は、給湯装置１の最大能力を下限に設定する。本実施形態では、図３Ａに示したように、最大能力の下限が８号に設定されており、排気路の閉塞率が７０％を超えると給湯装置１の最大能力が８号とされる。ここで、最大能力の下限である８号は、水封トラップ７５を突き破って燃焼排ガスがドレン排出路７０から排出されることを回避し得るバーナ２２の上限燃焼量（本発明の第２上限燃焼量に相当する）を設定するものであり、実験やコンピュータシミュレーションにより決定される。

このように、排気路の閉塞率が７０％を超えた段階で、給湯装置１の最大能力を８号まで直ちに低下させることによって、バーナ２２の燃焼排ガスが水封トラップ７５を突き破ってドレン排出路７０から排出されることを防止することができる。

また、ドレン排出路７０が詰まった場合には、バーナ２２の燃焼排ガスがドレン排出路から流出する状況は生じないが、水封トラップ７５を形成する水（ドレン水）が燃焼排ガスにより巻き上げられて、排気口６０から排気ダクト６１を経由するＥ２の経路により排気管６２に排出されるおそれがある。そこで、ＳＴＥＰ６の処理によって給湯装置１の最大能力を下限に設定することにより、このように水封トラップ７５を形成する水が排気管６２に排出されることも防止することができる。

ここで、図３Ｂは、従来の給湯装置で行われていた排気路の閉塞率に応じた最大能力の設定テーブルを示しており、図３Ａと同様に、縦軸が給湯装置の最大能力（号）に設定され、横軸が排気路の閉塞率（％）に設定されている。図３Ｂの設定テーブルでは、排気路の閉塞率が増大するに従って給湯装置の最大能力が減少するが、最大能力が下限（８号）に設定される前（例えば閉塞率７５％）の段階で、缶体内の圧力の上昇によって、燃焼排ガスが水封トラップを突き破ってドレン排出路から流出するおそれがある。

ＳＴＥＰ７で、燃焼量制限部９３は、圧力認識部９２により排気路の閉塞率を算出し、続くＳＴＥＰ８で、ＳＴＥＰ７及びＳＴＥＰ８の繰り返しの処理において、排気路の閉塞率が第２閾値を超えている状態がＴ秒（Ｔは例えば９０に設定される）以上継続したときにＳＴＥＰ９に進んで、給湯運転を停止する。

コントローラ９０は、ＳＴＥＰ９で給湯運転が停止されたときには、リモコン９５の表示部にエラーコードを表示する等の異常報知を行う。

［３．他の実施形態］
上記実施形態において、燃焼量制限部９３は、排気路の閉塞率が第２閾値を超えたときに、給湯装置１の最大能力を１２号から８号（下限能力）に直ちに切り替えたが（図２のＳＴＥＰ５からＳＴＥＰ６）、最大能力を下げることによって出湯温度が急激に低下する等の弊害が生じるときには、所定時間をかけて１２号から８号まで緩やかに減少させるようにしてもよい。

上記実施形態では、本発明の熱源装置として給湯装置１を示したが、本発明の熱源装置は、缶体内に流体が流通する熱交換器及び熱交換器を加熱するバーナを備えた強制給排気式の熱源装置であればよく、例えば、温水供給式の暖房装置、風呂の追焚き装置等であってもよい。また、上記実施形態では熱交換器内を流通する流体は水であるが、不凍液等の他の流体であってもよい。

上記実施形態において、圧力認識部９２は、バーナ２２を燃焼させるときの缶体２０内の圧力のレベルを排気路の閉塞率によって認識したが、缶体２０内に設けた圧力センサにより、缶体２０内の圧力を直接的に認識してもよい。

上記実施形態では、ファン３１はターボファンであるが、シロッコファン等の他の種類のファンを用いてもよい。

上記実施形態では、缶体２０の上部から燃焼用空気及び燃料ガスの混合気を供給して、缶体２０の下部からバーナ２２の燃焼排ガスを排出する給湯装置１を示したが、缶体の下部から燃焼用給気及び燃料ガスの混合気を供給して、缶体の上部からバーナの燃焼排ガスを排出する給湯装置に対しても、本発明の適用が可能である。

１…給湯装置（熱源装置）、１０…（給湯装置の）本体、２０…缶体、２１…熱交換器、２２…バーナ、３１…ファン、３５…燃料ガス供給路、４０…給水管、５０…給湯管、６０…排気口、６１…排気ダクト、６２…排気管、６５…給気管、７０…ドレン排出路、７１…水封室、７５…水封トラップ、９０…コントローラ、９１…燃焼制御部、９２…圧力認識部、９３…燃焼量制限部、９５…リモコン。

Claims (2)

1. 排気路及び給気路に連通した缶体と、
   前記缶体内に配置されて、内部を流体が流通する熱交換器と、
   前記缶体内に配置されて、前記熱交換器を加熱するバーナと、
   前記給気路を介して前記バーナに燃焼用空気を供給すると共に、前記バーナの燃焼排ガスを前記排気路に導くファンと、
   前記バーナに燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   前記熱交換器から滴下するドレンを回収して排出するドレン排出路と、
   前記ドレン排出路の途中に設けられ、前記ドレン排出路を介した燃焼排ガスの流出を防ぐための水封トラップと、
   前記ファンにより供給される燃焼用空気の流量と、前記ガス供給手段により供給される燃料ガスの流量とを変更して、前記バーナの燃焼量を制御するバーナ燃焼運転を実行する燃焼制御部と
   を備えた熱源装置であって
   前記ファンを作動させたときの前記缶体内の圧力を認識する圧力認識部と、
   前記燃焼制御部により前記バーナ燃焼運転が実行されているときに、前記圧力認識部により認識される前記缶体内の圧力が第１閾値以上であるときには、前記バーナ燃焼運転における前記バーナの燃焼量の制御範囲の上限を、前記バーナの最大燃焼量よりも小さい上限燃焼量に制限する燃焼量制限部とを備え、
   前記燃焼量制限部は、前記圧力認識部により認識される前記缶体内の圧力が前記第１閾値以上且つ第２閾値以下であるときは、該圧力が高いほど前記上限燃焼量を第１上限燃焼量まで次第に減少させて設定し、該圧力が前記第２閾値を超えたときには、前記上限燃焼量を前記第１上限燃焼量よりも小さい第２上限燃焼量に設定することを特徴とする熱源装置。
2. 請求項１に記載の熱源装置において、
   前記燃焼量制限部は、前記上限燃焼量を前記第１上限燃焼量から前記第２上限燃焼量に切り替えて設定するときに、所定時間をかけて前記上限燃焼量を前記第１上限燃焼量から前記第２上限燃焼量まで漸減させることを特徴とする熱源装置。