JP6831285B2

JP6831285B2 - 予混合装置

Info

Publication number: JP6831285B2
Application number: JP2017082635A
Authority: JP
Inventors: 拓也岩▲崎▼
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: JP2018179447A

Description

本発明は、空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置に関する。

従来、この種の予混合装置として、特許文献１により、燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端がファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、ガス吸引部より上流側の空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁よりも下流側のガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備えるものが知られている。

ところで、流量調節弁として比例弁を用いる場合は、要求燃焼量に応じた量の燃料ガスが供給されるように比例弁が制御され、更に、バーナに供給される混合気の空燃比が一定になるように、要求燃焼量に応じてファン回転数が制御される。但し、要求燃焼量が所定値以下になって、ファン回転数が送風量の比例特性を維持できる下限回転数以下になったり、比例弁電流（比例弁への通電電流）がガス供給量の比例特性を維持できる下限電流以下になった場合には、要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できなくなる。

また、流量調節弁として、二次ガス圧を大気圧に維持するゼロガバナを用いることもある。この場合、燃料ガスの供給量は、二次ガス圧である大気圧と空気供給路内の負圧との差圧に応じて変化する。そして、空気供給路内の負圧がファン回転数に応じて変化するため、燃料ガスの供給量はファン回転数即ち空気の供給量に応じて変化する。従って、要求燃焼量に応じてファン回転数を制御することにより、要求燃焼量に応じた量の空気及び燃料ガスがバーナに供給されることになる。

このものでも、ファン回転数が送風量の比例特性を維持できる下限回転数以下になると、要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できなくなる。そのため、要求燃焼量が所定値以下になったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を大きくして、ファン回転数を上記下限回転数以下にせずに、所定値以下の要求燃焼量に応じた量の空気を供給できるようにする必要がある。また、空気供給路の通気抵抗を大きくするだけでは、空気供給路内の負圧の増加で燃料ガスの供給量が要求燃焼量に応じた量を超えてしまうため、空気供給路の通気抵抗を大きくするのに合わせて、ガス供給路の通気抵抗も大きくする必要がある。

そこで、上記従来例では、要求燃焼量が所定値以下になったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を大きくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路の通気抵抗を大きくした小能力状態として、所定値以下の要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できるようにし、要求燃焼量が所定値を上回ったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を小さくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路の通気抵抗を小さくした大能力状態に復帰させている。

ここで、特許文献１に記載のものにおいて、空気抵抗切換手段は、ガス吸引部よりも上流側の空気供給路の部分に設けられ、空気供給路の長手方向に平行な開き姿勢と空気供給路の長手方向に直交する閉じ姿勢とに回動されるバタフライ弁で構成されている。また、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に開閉動作自在に設けられた切換弁で構成されている。そして、特許文献１に記載のものでは、バタフライ弁の開き姿勢と閉じ姿勢への回動に連動して切換弁を開閉動作させる連動機構が必要になる。そのため、構造が複雑でコストが高くなる。更に、切換弁の弁座と弁体との間にガス供給路に流れる異物が噛み込んで、切換弁の閉弁不良を生じ、小能力状態でガス量を適切に制御できなくなることがある。

特開２０１５−２３０１１３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、低コストで、且つ、異物の噛み込みによる制御不良も生じないようにした予混合装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置であって、燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端がファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、ガス吸引部より上流側の空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁よりも下流側のガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備え、空気抵抗切換手段は、空気供給路内に回動自在に設けられた空気用バタフライ弁で構成されるものにおいて、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に回動自在に設けられたガス用バタフライ弁で構成され、空気用バタフライ弁とガス用バタフライ弁は、単一のアクチュエータにより回転駆動される共通の弁軸に連結され、空気供給路の空気用バタフライ弁配置部の開口面積が最小となる弁軸の回動角度を最小角度、空気供給路の空気用バタフライ弁配置部の開口面積が最大となる弁軸の回動角度を最大角度、空気供給路の空気用バタフライ弁配置部の開口面積に対するガス供給路のガス用バタフライ弁配置部の開口面積の比を開口面積比として、弁軸の回動角度を最小角度にしたときの開口面積比と弁軸の回動角度を最大角度にしたときの開口面積比とは共に所定値と同等であり、弁軸の回動角度を最小角度と最大角度との間の所定の中間角度にしたときの開口面積比は所定値と異なることを特徴とする。

本発明によれば、ガス抵抗切換手段を空気用バタフライ弁と共通の弁軸に連結されるガス用バタフライ弁で構成するため、複雑な連動機構が不要になり、コストダウンを図ることができる。また、ガス用バタフライ弁は、上記従来例の切換弁と異なり、ガス供給路内に流れる異物の噛み込みによる閉弁不良を生じず、ガス量を適切に制御できる。

また、本発明においては、上記の如く、弁軸の回動角度を最小角度にしたときの開口面積比と弁軸の回動角度を最大角度にしたときの開口面積比とを共に所定値と同等にするが、弁軸の回動角度を最小角度と最大角度との間の所定の中間角度にしたときの開口面積比は所定値と異なるようにしている。例えば、弁軸の回動角度を中間角度にしたときの開口面積比を所定値より大きくしてもよく、この場合、弁軸の回動角度を中間角度にした状態でバーナに点火することが望ましい。これによれば、弁軸の回動角度を中間角度にする点火時は、弁軸の回動角度を最小角度や最大角度にしたときよりも混合気のガス濃度が濃くなり、点火動作が安定し、点火ミスを防止することができる。

本発明の第１実施形態の予混合装置の切断側面図。図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図。大小各能力状態でのファン回転数と燃焼量との関係を示すグラフ。第２実施形態の予混合装置の空気用バタフライ弁の配置部の断面図で、（ａ）は弁軸が最小角度のときの図、（ｂ）は弁軸が中間角度であるときの図、（ｃ）は弁軸が最大角度であるときの図。第２実施形態の予混合装置のガス用バタフライ弁の配置部の断面図で、（ａ）は弁軸が最小角度のときの図、（ｂ）は弁軸が中間角度であるときの図、（ｃ）は弁軸が最大角度であるときの図。第２実施形態の予混合装置における弁軸の回動角度と混合気の空気過剰率との関係を示すグラフ。

図１を参照して、１は、混合気が噴出して燃焼する燃焼面１ａを有する全一次燃焼式バーナ等から成るバーナである。バーナ１にはファン２が接続されており、本発明の実施形態の予混合装置Ａにより、空気に燃料ガスを混合して、混合気をファン２を介してバーナ１に供給するようにしている。

予混合装置Ａは、ファン２の上流側の空気供給路３と、燃料ガスを供給するガス供給路４とを備えている。ガス供給路４の上流部には、開閉弁５と比例弁やゼロガバナから成る流量調節弁６とが介設されている。更に、ガス供給路４の下流端は、空気供給路３に設けられたガス吸引部３１に接続されている。

また、予混合装置Ａは、ガス吸引部３１よりも上流側の空気供給路３の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁６よりも下流側のガス供給路４の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備えている。そして、要求燃焼量が比較的小さなときは、空気抵抗切換手段で空気供給路３の通気抵抗を大きくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路４の通気抵抗を大きくした小能力状態として、比較的小さな要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できるようにし、要求燃焼量が比較的大きくなったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路３の通気抵抗を小さくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路４の通気抵抗を小さくした大能力状態に復帰させている。

ファン２の回転数（以下、ファン回転数と記す）とバーナ１の燃焼量との関係は、小能力状態では図４のＬの特性線で示すようになり、大能力状態では図４のＨの特性線で示すようになる。そして、要求燃焼量が、大能力状態でファン回転数を送風量の比例特性を維持できる下限回転数Ｎｍｉｎにしたときに得られる燃焼量Ｑｈｍｉｎを下回ったときに、大能力状態から小能力状態に切換え、要求燃焼量が、小能力状態でファン回転数を所定の上限回転数Ｎｍａｘにしたときに得られる燃焼量Ｑｌｍａｘを上回ったときに、小能力状態から大能力状態に切換える。

ガス吸引部３１の上流側（図１で下側）に隣接する空気供給路３の部分には、後述する空気用バタフライ弁７を配置した空気供給路３の部分よりも小径なベンチュリ部３２が設けられている。ベンチュリ部３２の下流側に隣接する空気供給路３の部分は、ベンチュリ部３２よりも大径の筒部３３で囲われている。そして、ベンチュリ部３２の下流端部を筒部３３の上流端部に環状の間隙を存して挿入し、この間隙によりガス吸引部３１が構成されるようにしている。また、ベンチュリ部３２の上流側に隣接する空気供給路３の部分の周壁面は、ベンチュリ部３２に向けて縮径するテーパー面３４に形成されている。また、ガス供給路４の下流端には、筒部３３を囲うようにして、ガス吸引部３１に連通するガス室４１が設けられている。

ベンチュリ部３２の上流側の空気供給路３の部分には、回動自在な空気用バタフライ弁７が設けられており、このバタフライ弁７により空気抵抗切換手段を構成している。また、ガス室４１の上流側のガス供給路４の部分に、回動自在なガス用バタフライ弁８を設け、このバタフライ弁８によりガス抵抗切換手段を構成している。空気用バタフライ弁７とガス用バタフライ弁８は、ステッピングモータ等の単一のアクチュエータ９により回転駆動される共通の弁軸９１に連結されている。

ところで、空気供給路３の空気用バタフライ弁７の配置部の開口面積（空気供給路３の周壁面と空気用バタフライ弁７との間の隙間の空気供給路３の長手方向投影面積）が最小になって、当該配置部の通気抵抗が最大になるのは、空気用バタフライ弁７が空気供給路３の長手方向に直交する図２に実線で示す閉じ姿勢になるときであり、空気供給路３の空気用バタフライ弁７の配置部の開口面積が最大になって、当該配置部の通気抵抗が最小になるのは、空気用バタフライ弁７が空気供給路３の長手方向に平行な図２に仮想線で示す開き姿勢になるときである。空気供給路３の空気用バタフライ弁７の配置部の開口面積が最小となる弁軸９１の回動角度を最小角度、空気供給路３の空気用バタフライ弁７の配置部の開口面積が最大となる弁軸９１の回動角度を最大角度として、本実施形態では、最小角度と最大角度との角度差が９０°になっている。

また、ガス用バタフライ弁８は、弁軸９１の回動角度が最小角度であるときに、ガス供給路４の長手方向に直交する図３に実線で示す閉じ姿勢になり、弁軸９１の回動角度が最大角度であるときに、ガス供給路４の長手方向に平行な図３に仮想線で示す開き姿勢になる。そして、小能力状態にするときは、弁軸９１の回動角度を最小角度とし、大能力状態にするときは、弁軸９１の回動角度を最大角度とする。

ここで、空気供給路３の空気用バタフライ弁７の配置部の開口面積に対するガス供給路４のガス用バタフライ弁８の配置部の開口面積（ガス供給路４の周壁面とガス用バタフライ弁８との間の隙間のガス供給路４の長手方向投影面積）の比を開口面積比として、開口面積比が小さくなると、供給空気量に対する供給ガス量の割合が減少して、混合気の空気過剰率（供給空気量／供給ガス量の燃焼に必要な理論空気量）が増加し、開口面積比が大きくなると、供給空気量に対する供給ガス量の割合が増加して、混合気の空気過剰率が減少する。本実施形態では、弁軸９１の回動角度を最小角度にしたときの開口面積比と弁軸９１の回動角度を最大角度にしたときの開口面積比とが共に所定値と同等になるようにしている。そのため、混合気の空気過剰率は、小能力状態と大能力状態の何れにおいても上記所定値に対応する適正値（例えば、１．３）に維持される。尚、弁軸９１の回動角度を最小角度にしたときの開口面積比と弁軸９１の回動角度を最大角度にしたときの開口面積比とが若干相違しても、混合気の空気過剰率が実質的に相違しないのであれば、上記「所定値と同等」に含まれる。

本実施形態によれば、ガス抵抗切換手段を空気用バタフライ弁７と共通の弁軸９１に連結されるガス用バタフライ弁８で構成するため、複雑な連動機構が不要になり、コストダウンを図ることができる。また、ガス用バタフライ弁８は、上記従来例の切換弁と異なり、ガス供給路４内に流れる異物の噛み込みによる閉弁不良を生じず、ガス量を適切に制御できる。

ところで、本実施形態の空気用バタフライ弁７とガス用バタフライ弁８は、弁軸９１の回動角度を最小角度と最大角度との間の任意の角度にしたときにも開口面積比が上記所定値と同等に維持されるように構成されている。そのため、弁軸９１の回動角度を最小角度と最大角度との間の角度（例えば、４５°）にした中能力状態に切換えても、混合気の空気過剰率は上記所定値に対応する適正値に維持される。

中能力状態でのファン回転数と燃焼量との関係は、図４のＭの特性線で示すようになる。小能力状態と大能力状態との間での切換えのみを行う場合、Ｑｈｍｉｎ（大能力状態でファン回転数を下限回転数Ｎｍｉｎにしたときに得られる燃焼量）より小さな図４にＱａで示す燃焼量を得るには、小能力状態でファン回転数を図４のＮ１にする必要がある。これに対し、小能力状態と大能力状態に加えて中能力状態にも切換可能とすれば、中能力状態でファン回転数をＮ１より低い図４のＮ２にしてＱａの燃焼量を得られる。このように中能力状態に切換えることで、小能力状態に比しファン回転数を下げて、騒音の低減及び省電力化を図ることができる。

次に、図５、図６に示す第２実施形態について説明する。第２実施形態のものでは、弁軸９１の回動角度を最小角度にしたとき、空気用バタフライ弁７が図５（ａ）に示す姿勢、ガス用バタフライ弁８が図６（ａ）に示す姿勢になる。また弁軸９１の回動角度を最小角度から１２０°回転した最大角度にしたとき、空気用バタフライ弁７が図５（ｃ）に示す姿勢、ガス用バタフライ弁８が図６（ｃ）に示す姿勢になる。そして、弁軸９１の回動角度を最小角度にしたときの開口面積比と弁軸９１の回動角度を最大角度にしたときの開口面積比とが共に所定値と同等になる。一方、弁軸９１の回動角度を最小角度と最大角度との間の所定の中間角度（最小角度から６０°回転した角度）にすると、空気用バタフライ弁７が図５（ｂ）に示す姿勢、ガス用バタフライ弁８が図６（ｂ）に示す姿勢になり、開口面積比は上記所定値より大きくなる。これにより、弁軸９１の最小角度（０°）から最大角度（１２０°）までの回動で、混合気の空気過剰率は図７に示す如く変化する。即ち、混合気の空気過剰率は、弁軸９１の回動角度を最小角度（０°）や最大角度（１２０°）にしたときに適正値である１．３になるのに対し、弁軸９１の回動角度を中間角度（６０°）にしたときは１．２になる。

そこで、第２実施形態では、弁軸９１の回動角度を中間角度にした状態でバーナ１に点火するようにしている。これによれば、弁軸９１の回動角度を最小角度や最大角度にしたときよりも混合気のガス濃度が濃くなり、点火動作が安定し、点火ミスを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。例えば、上記第２実施形態では、弁軸９１の回動角度を中間角度にしたときの開口面積比が、弁軸９１の回動角度を最小角度や最大角度にしたときの開口面積比である所定値より大きいが、所定値より小さくなるようにすることも可能である。

１…バーナ、２…ファン、３…空気供給路、３１…ガス吸引部、４…ガス供給路、６…流量調節弁、７…空気用バタフライ弁、８…ガス用バタフライ弁、９…アクチュエータ、９１…弁軸。

Claims

空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置であって、燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端がファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、ガス吸引部より上流側の空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁よりも下流側のガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備え、空気抵抗切換手段は、空気供給路内に回動自在に設けられた空気用バタフライ弁で構成されるものにおいて、
ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に回動自在に設けられたガス用バタフライ弁で構成され、
空気用バタフライ弁とガス用バタフライ弁は、単一のアクチュエータにより回転駆動される共通の弁軸に連結され、
空気供給路の空気用バタフライ弁配置部の開口面積が最小となる弁軸の回動角度を最小角度、空気供給路の空気用バタフライ弁配置部の開口面積が最大となる弁軸の回動角度を最大角度、空気供給路の空気用バタフライ弁配置部の開口面積に対するガス供給路のガス用バタフライ弁配置部の開口面積の比を開口面積比として、弁軸の回動角度を最小角度にしたときの開口面積比と弁軸の回動角度を最大角度にしたときの開口面積比とは共に所定値と同等であり、弁軸の回動角度を最小角度と最大角度との間の所定の中間角度にしたときの開口面積比は所定値と異なることを特徴とする予混合装置。
弁軸の回動角度を前記中間角度にしたときの開口面積比は前記所定値より大きく、弁軸の回動角度を中間角度にした状態でバーナに点火することを特徴とする請求項１記載の予混合装置。