JP6873004B2 - 予混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置に燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを送るファンの吸入側に接続されて、ファンに供給される燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置に関する。

燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを燃焼させる燃焼装置を搭載した給湯器などでは、混合ガスを燃焼装置に送るためのファンを備えたものが知られており、このファンの吸入側には、ファンに供給される燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置が接続されている。ファンを回転させると、予混合装置から燃料ガスおよび燃焼用空気が所定の比率でファンに吸い込まれ、ファンの吐出側に接続された燃焼装置に混合ガスが送り込まれる。

このような予混合装置は、ファンの吸入側に接合される混合通路を備えており、この混合通路には、燃焼用空気を流入させる空気流入口と、燃料ガスを流入させるガス流入口とが開口している。そして、ファンの回転による吸引で混合通路内が負圧になると、空気流入口から燃焼用空気が流入すると共に、ガス流入口から燃料ガスが流入して混合通路を通ってファンに供給される。このとき、混合通路に流入する燃焼用空気と燃料ガスとの比率（空燃比）は、空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積との開口面積比によって決まることから、燃焼装置で燃焼させる混合ガスの適切な空燃比に合わせて開口面積比が設定される。

また、こうした予混合装置では、空気流入口の開口面積およびガス流入口の開口面積を、開口面積比を維持しながら連動して変化させる機構が提案されており（例えば、特許文献１）、空燃比を一定に保ちつつ、燃焼装置に送る混合ガスの流量を調節することが可能となっている。

特表２０１４−５０２３３７号公報

しかし、特許文献１のような機構を採用した予混合装置では、開口面積比を維持したまま空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積とを連動して変化させることが可能であるものの、製造バラツキによって開口面積比が変動して目標値から外れることがあり、その場合にも開口面積比が維持されることから、混合ガスが適切な空燃比とならないことがあるという問題があった。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題に対応してなされたものであり、予混合装置の空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積とを、開口面積比を維持したまま連動して変化させることを可能としながら、混合ガスの空燃比を調整することが可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題を解決するために本発明の予混合装置は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼装置に燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを送るファンの吸入側に接続されて、該ファンに供給される前記燃料ガスと前記燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置において、
前記ファンの吸入側に接合される外周壁と、
前記外周壁の内部に前記燃焼用空気を流入させる空気流入口と、
前記空気流入口の開口面積を変化させることが可能な空気制御部と、
前記外周壁の内部に導入されると共に、該外周壁の中心線と平行に延設されて、前記燃料ガスを導く内周壁と、
前記内周壁の内部から前記燃料ガスを該内周壁と前記外周壁との間に流入させるガス流入口と、
前記空気制御部と連動し、前記ガス流入口の開口面積を、前記空気流入口の開口面積との開口面積比を維持しつつ変化させることが可能なガス制御部と、
前記外周壁における前記ファンとの接合側の端部に開口し、前記混合ガスを該ファンへと流出させる流出口と、
前記外周壁と前記内周壁との間に設置されて、前記空気流入口から流入する前記燃焼用空気と、前記ガス流入口から流入する前記燃料ガスとを隔てる仕切筒と
を備え、
前記仕切筒は、前記流出口側の端部に前記燃焼用空気と前記燃料ガスとを合流させる合流端を有し、該合流端の位置を前記外周壁の中心線の方向に移動可能に設けられ、
前記外周壁および前記内周壁は、前記仕切筒の移動に伴って前記合流端の位置における該外周壁と該内周壁との間隔を増減させる形状に形成されている
ことを特徴とする。

このような本発明の予混合装置では、ファンの回転によって内周壁の内部から吸引される燃料ガスは、ガス流入口を通って、まず仕切筒と内周壁とで囲まれた空間（ガス室）に流入し、下流の合流端の位置で燃焼用空気と合流する。燃料ガスの流量は、内周壁の内部の圧力（ほぼ大気圧）とガス室の圧力（負圧）との差によって変化する。このガス室は合流端まで繋がっていることから、ガス室の圧力は合流端における圧力と連動し、結果的に燃料ガスの流量は、合流端における負圧の度合に応じて変化する。そして、例えば、仕切筒の移動に伴って、合流端が外周壁と内周壁との間隔の広い側（外周壁と内周壁との隙間の面積が大きい側）に移動すると、合流端における負圧の度合が弱くなることから、燃料ガスの流量が相対的に減少する。その結果、混合ガス中の燃焼用空気の割合を高くするエアリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は大きくなる。

これとは逆に、仕切筒の移動に伴って、合流端が外周壁と内周壁との間隔の狭い側（外周壁と内周壁との隙間の面積が小さい側）に移動すると、合流端における負圧の度合が強くなることから、燃料ガスの流量が相対的に増加する。その結果、混合ガス中の燃料ガスの割合を高くするガスリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は小さくなる。

このように本発明の予混合装置では、仕切筒を移動させることにより、混合ガスの空燃比を変化させることができるため、たとえ製造バラツキによって空気流入口とガス流入口との開口面積比が目標値から外れたとしても、開口面積比を維持したまま空気流入口の開口面積とガス流入口の開口面積とを連動して変化させる構成（空気制御部やガス制御部など）に変更を加えることなく、仕切筒の移動によって混合ガスの空燃比を調整することが可能となる。

上述した本発明の予混合装置では、内周壁を、仕切筒の移動に伴って合流端との間隔を維持する形状に形成すると共に、外周壁を、仕切筒の移動に伴って合流端との間隔を増減させる形状に形成しておいてもよい。

このようにすれば、例えば、外周壁と合流端との間隔が広くなる側に仕切筒を移動させることで、外周壁と内周壁との隙間の面積が大きくなる側に合流端が移動することになり、合流端における負圧の度合が弱くなって燃料ガスの流量が相対的に減少するので、エアリッチ側への調整が可能となる。また、これとは逆に、外周壁と合流端との間隔が狭くなる側に仕切筒を移動させることで、外周壁と内周壁との隙間の面積が小さくなる側に合流端が移動することになり、合流端における負圧の度合が強くなって燃料ガスの流量が相対的に増加するので、ガスリッチ側への調整が可能となる。

本実施例の予混合装置１００を接続したファン２０が用いられる燃焼装置の例として給湯器１の構成を示した説明図である。 本実施例のファン２０を分解した状態を示した斜視図である。 本実施例の予混合装置１００を分解した状態を示した斜視図である。 本実施例の空気制御部１２０とガス制御部１１５とがカム１１７を介して連結された状態を示す斜視図である。 本実施例の予混合装置１００で回転軸１２２と連動した空気制御部１２０およびガス制御部１１５の動きを示す説明図である。 本実施例の予混合装置１００で可動筒１０６を設けていない場合を示した断面図である。 本実施例の予混合装置１００で可動筒１０６によって混合ガスの空燃比を調整する様子を示した説明図である。 変形例の予混合装置１００の構造を示した断面図である。 ガス制御部１４０を回転移動させる別例の予混合装置１００の構造を示した断面図である。

図１は、本実施例の予混合装置１００を接続したファン２０が用いられる燃焼装置の例として給湯器１の構成を示した説明図である。図示されるように給湯器１のハウジング２の内部には、燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを燃焼させるバーナーを内蔵した燃焼ユニット３や、燃焼ユニット３の下方に設置された熱交換器４や、燃焼ユニット３に混合ガスを送るファン２０などが設けられている。

ファン２０の吸入側には、ファン２０に供給される燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置１００が接続されており、ファン２０の吐出側には、燃焼ユニット３が接続されている。予混合装置１００には、燃料ガスを供給するガス供給通路１１が接続されており、このガス供給通路１１には、上流側から圧送される燃料ガスの圧力を大気圧に下げるゼロガバナ１２や、ガス供給通路１１を開閉する開閉弁（図示省略）などが設けられている。ファン２０を駆動すると、ハウジング２内に存在する燃焼用空気と、ガス供給通路１１のゼロガバナ１２よりも下流側の燃料ガスとが、予混合装置１００で所定の比率に混合されてファン２０に吸い込まれ、混合ガスが燃焼ユニット３に送り込まれる。尚、本実施例のファン２０の構造および予混合装置１００の構造については、後ほど別図を用いて説明する。

燃焼ユニット３では、内蔵のバーナー（図示省略）で混合ガスの燃焼が行われる。図示した例では、バーナーから下方に向けて混合ガスが噴出するようになっており、下向きに炎が形成されると共に、燃焼排気が下方の熱交換器４に送られる。熱交換器４の一端には給水通路５が接続されており、熱交換器４の他端には給湯通路６が接続されている。給水通路５を通じて供給された上水は、熱交換器４でバーナーの燃焼排気との熱交換によって加熱された後、湯となって給湯通路６に流出する。

熱交換器４を通過した燃焼排気は、排気ダクト７を通って、ハウジング２の上部に突出した排気口８から外部に排出される。また、排気口８の外周に給気口９が設けられた二重管構造になっており、給気口９からハウジング２内に取り入れられた燃焼用空気が、予混合装置１００を介してファン２０に吸い込まれる。

図２は、本実施例のファン２０を分解した状態を示した斜視図である。尚、図２では、ファン２０の上下の配置が図１に対して反転している。図示したファン２０は、遠心式のタイプであり、回転することで風を起こす羽根車３０や、羽根車３０を回転させる駆動モーター４０や、羽根車３０を収容するケーシング５０などを備えている。

羽根車３０は、複数の翼片３１が駆動モーター４０のシャフト４１に対して放射状に所定の間隔で配置されて円筒形状になっている。これらの翼片３１は、シャフト４１の軸方向の一端（図中の下端）が略円形の回転円板３２に取り付けられており、他端（図中の上端）が環状の支持板３３に取り付けられている。回転円板３２は、中央で駆動モーター４０のシャフト４１に固定されており、駆動モーター４０の駆動によってシャフト４１を中心に羽根車３０が回転する。

ケーシング５０は、駆動モーター４０が外側（図中の下面）に固定される凹形の本体５１と、この本体５１に対向する凹形の蓋体５２とを外縁部分で接合して形成される。本体５１と蓋体５２とは、間にパッキン（図示省略）を介在させることで気密性が保たれ、図示しないネジなどで固定される。

また、ケーシング５０は、シャフト４１に対する半径が羽根車３０の回転方向（図中の反時計回り）に大きくなる形状に周面が形成されている。この周面の半径が大きい側から接線方向に延設して送風路５４が形成されており、送風路５４の末端の吐出口５５に燃焼ユニット３が接続される。さらに、蓋体５２には、羽根車３０の内側に向けて開口した吸入口５３が設けられており、この吸入口５３に予混合装置１００が接続される。予混合装置１００は、図示しないネジなどで蓋体５２に固定され、間にパッキン（図示省略）を介在させることで気密性が保たれる。

周知のように遠心式のファン２０では、駆動モーター４０の駆動によって羽根車３０が回転すると、遠心力で羽根車３０の内側から外側に気体（燃焼用空気や燃料ガス）が吹き出す流れが生じる。羽根車３０の外側に吹き出した気体は、ケーシング５０の内周面に沿って進み、送風路５４を通って吐出口５５から燃焼ユニット３に送り込まれる。また、羽根車３０の外側に気体が吹き出すのに伴って、羽根車３０の内側には、予混合装置１００から気体が吸入口５３を通って吸い込まれる。

図２には、ファン２０とともに、蓋体５２に固定される前の予混合装置１００の外観が示されている。詳細には後述するが、本実施例の予混合装置１００は、蓋体５２の吸入口５３と接合される筒状の外周壁１０１を備えており、外周壁１０１の中心線は、駆動モーター４０のシャフト４１や吸入口５３の中心と同一直線上に位置している。この外周壁１０１には、ガス供給通路１１が接続される接続口１１０が設けられており、接続口１１０の中心は、外周壁１０１の中心線に直交する直線上に位置している。

また、本実施例の外周壁１０１には、外周壁１０１の内部に燃焼用空気を流入させる空気流入口１０２が開口している。さらに、予混合装置１００は、空気流入口１０２が開口した面に沿って回転移動することで、空気流入口１０２を開閉する（開口面積を変化させる）ことが可能な空気制御部１２０を備えている。この空気制御部１２０は、予混合装置１００にブラケット１３１を介して取り付けられた回動モーター１３０の駆動によって正逆両方向に回転する。

図３は、本実施例の予混合装置１００を分解した状態を示した斜視図である。尚、図３では、回動モーター１３０やブラケット１３１の図示を省略している。図示されるように、本実施例の予混合装置１００の外周壁１０１は、ファン２０の吸入口５３（図２参照）に接合される下流外周壁１０１ａに、吸入口５３とは反対側から上流外周壁１０１ｂをつなぎ合せて形成され、図示しないネジなどで固定される。円筒形状の上流外周壁１０１ｂには、矩形の空気流入口１０２が開口しており、本実施例の空気流入口１０２の周方向の辺は１６０度分の円弧になっている。

また、上流外周壁１０１ｂは、下流外周壁１０１ａとは反対側の端部（図中の上端）が中心線と垂直な略円形の蓋板１０３によって塞がれている。この蓋板１０３には、中央を貫通する挿通孔１０４が設けられると共に、その挿通孔１０４を囲んで円筒形状の固定筒１０５が下流外周壁１０１ａ側の面（図中の下面）から突出して設けられており、固定筒１０５の外周面には、雄ネジが形成されている。そして、本実施例の予混合装置１００には、固定筒１０５の雄ネジと嵌り合う雌ネジが内周面に形成された略円筒形状の可動筒１０６が設けられている。詳しくは後述するが、この可動筒１０６は、外周壁１０１の中心線まわりに回転させることで、固定筒１０５と螺合され、外周壁１０１の中心線の方向に移動可能になっている。

このような上流外周壁１０１ｂの外周を覆う円筒形状に形成された空気制御部１２０は、蓋板１０３に面する上面板１２１、および外周壁１０１の中心線と同一直線上に位置して回動モーター１３０の駆動で回転する回転軸１２２と一体に設けられている。また、空気制御部１２０の周面には、矩形に切り欠かれた切欠き部１２０ａが設けられている。本実施例の切欠き部１２０ａは、空気制御部１２０の周面の１６０度分に相当し、上流外周壁１０１ｂの空気流入口１０２と重複可能であって、切欠き部１２０ａと空気流入口１０２との重複部分を燃焼用空気が通過する。回転軸１２２が所定の回転範囲内（本実施例では１６０度の範囲内）で回転するのに伴い、空気制御部１２０が上流外周壁１０１ｂに沿って回転移動すると、切欠き部１２０ａが移動するので、空気流入口１０２の開口面積（切欠き部１２０ａと空気流入口１０２との重複部分の面積）が変化する。

一方、本実施例の下流外周壁１０１ａは、ファン２０の吸入口５３と接合される側（図中の下側）の端部に、混合ガスをファン２０へと流出させる流出口１０７が開口していると共に、この流出口１０７に向けて拡径するテーパー状に形成されている。また、下流外周壁１０１ａには、接続口１１０が設けられており、この接続口１１０は、外周壁１０１の内部に導入された導入通路壁１１１と通じている。本実施例の導入通路壁１１１は、Ｌ字状に屈曲しており、外周壁１０１と中心線が直交する円筒形状の直交通路壁１１１ａと、外周壁１０１と中心線が一致する円筒形状の内周壁１１１ｂとを備えている。内周壁１１１ｂは、可動筒１０６の内側に配置されるようになっており、内周壁１１１ｂの端部（図中の上端）の内側には嵌込部材１１２が嵌め込まれる。嵌込部材１１２の中央には、内周壁１１１ｂの内部（導入通路）から燃料ガスを内周壁１１１ｂと外周壁１０１との間（混合通路）に流入させるガス流入口１１３が開口している。

また、内周壁１１１ｂの内部には、ガス流入口１１３を開閉する（開口面積を変化させる）ことが可能なガス制御部１１５や、ガス制御部１１５をガス流入口１１３（嵌込部材１１２）に向けて付勢する付勢バネ１１６が設置されている。ガス制御部１１５は、ガス流入口１１３側に向けて縮径するテーパー部１１５ａや、ガス制御部１１５の外周面から径方向外向きに突出して内周壁１１１ｂの中心線と平行に延びた複数（本実施例では４つ）の突条１１５ｂを有している。

付勢バネ１１６によって付勢されたガス制御部１１５は、ガス流入口１１３にテーパー部１１５ａが挿入されると共に、細径の尖端部１１５ｃがガス流入口１１３から突出して上流外周壁１０１ｂの内部に位置する。また、円筒形状の嵌込部材１１２の内周面に突条１１５ｂが接することで、内周壁１１１ｂの中心線に沿ったガス制御部１１５の直線移動が案内される。このガス制御部１１５が付勢バネ１１６の付勢力に抗して流出口１０７側（図中の下側）に移動すると、ガス流入口１１３へのテーパー部１１５ａの挿入量が減少するので、ガス流入口１１３の開口面積（ガス流入口１１３とテーパー部１１５ａとの隙間の面積）が増加し、燃料ガスがガス流入口１１３とテーパー部１１５ａとの隙間を通過する。

そして、本実施例の予混合装置１００には、空気制御部１２０（回転軸１２２）の回転運動を直線運動に変換してガス制御部１１５に伝達する円筒形状のカム１１７が設けられている。本実施例のカム１１７は、上面板１２１（回転軸１２２と垂直な平面）に対して傾斜したカム面１１７ａや、径方向外向きに突出した突出部１１７ｂを有し、回転軸１２２の軸線まわりに１８０度回転させても元の形体と一致する２回回転対称になっている。このカム１１７は、蓋板１０３の挿通孔１０４に挿通された状態で、挿通孔１０４の内周面に形成されたガイド溝１０４ａに沿って突出部１１７ｂが移動することで、回転軸１２２の軸線まわりに回転不能に回転軸１２２の軸方向の直線移動が案内される。

図４は、本実施例の空気制御部１２０とガス制御部１１５とがカム１１７を介して連結された状態を示す斜視図である。図では、ガス制御部１１５側から空気制御部１２０の内部を見た状態を表しており、上流外周壁１０１ｂ、蓋板１０３、固定筒１０５、可動筒１０６、内周壁１１１ｂ、嵌込部材１１２などの図示を省略している。図示されるように空気制御部１２０と一体の上面板１２１には、回転軸１２２とは反対側の面（図中の下面）から突出してカム面１１７ａに接触可能な一対の接触部１２１ｂが、回転軸１２２の軸線まわりに１８０度位置をずらして設けられている。

カム１１７には、ガス制御部１１５側を向いた面（図中の下面）の中央に凹部１１７ｃが形成されており、この凹部１１７ｃにガス制御部１１５の尖端部１１５ｃが挿入されている。前述したようにガス制御部１１５は、付勢バネ１１６によってカム１１７側に付勢されており、その付勢力がカム１１７に伝わってカム面１１７ａと接触部１２１ｂとの接触が維持される。

図示した例では、カム面１１７ａの傾斜の高い側に接触部１２１ｂが接触しており、回転軸１２２を反時計回り（図中に白抜きの矢印で示す回転方向）に回転させることにより、接触部１２１ｂがカム面１１７ａに沿って傾斜の低い側に向けて移動する。すると、上面板１２１とカム１１７との間隔が狭まるので、付勢バネ１１６で付勢されたガス制御部１１５は、回転軸１２２の軸方向（内周壁１１１ｂの中心線）に沿って上面板１２１に近付く方向（図中の上方）に移動する。

その後、回転軸１２２を逆回り（時計回り）に回転させると、接触部１２１ｂがカム面１１７ａに沿って傾斜の高い側に向けて移動するのに伴い、上面板１２１とカム１１７との間隔が広がるので、付勢バネ１１６の付勢力に抗してガス制御部１１５は、回転軸１２２の軸方向に沿って上面板１２１から離れる方向（図中の下方）に移動する。

図５は、本実施例の予混合装置１００で回転軸１２２と連動した空気制御部１２０およびガス制御部１１５の動きを示す説明図である。図では、外周壁１０１の中心線を含むと共に、直交通路壁１１１ａの中心線に垂直な平面で切断した予混合装置１００の断面を表している。まず、図５（ａ）には、空気流入口１０２およびガス流入口１１３が閉じられた状態が示されている。前述したように本実施例の空気流入口１０２は、上流外周壁１０１ｂに矩形に形成されており、周方向の辺が１６０度分の円弧になっている。そして、上流外周壁１０１ｂの外周を覆う空気制御部１２０の周面には矩形の切欠き部１２０ａが形成されており、この切欠き部１２０ａの周方向の辺も１６０度分の円弧になっているものの、切欠き部１２０ａと空気流入口１０２とが重複していないので、空気制御部１２０によって空気流入口１０２の全体を被覆することで、空気流入口１０２が閉塞されている。

また、本実施例のガス流入口１１３は、外周壁１０１内に導入された内周壁１１１ｂの端部に開口しており、このガス流入口１１３にガス制御部１１５のテーパー部１１５ａが挿入されている。そして、空気流入口１０２が空気制御部１２０で閉塞された状態では、上面板１２１の接触部１２１ｂがカム面１１７ａの傾斜の低い側に接触しており（図４参照）、カム１１７が上面板１２１に近接していることから、付勢バネ１１６で付勢力されたガス制御部１１５のテーパー部１１５ａの大径側がガス流入口１１３の内周に押し付けられることで、ガス流入口１１３が閉塞されている。

尚、空気制御部１２０およびガス制御部１１５は、それぞれ対応する空気流入口１０２およびガス流入口１１３の開口面積を変更可能であれば、必ずしも全閉する必要はない。ガス流入口１１３を全閉しない場合でも、ガス供給通路１１に設けた開閉弁（図示省略）によって燃料ガスの供給を遮断することが可能である。

そして、図５（ａ）の状態から回転軸１２２を上面板１２１に向かって時計回りに回転させると、空気制御部１２０が上流外周壁１０１ｂに沿って回転移動することで、切欠き部１２０ａと空気流入口１０２との重複部分の面積（空気流入口１０２の開口面積）が増加していき、重複部分を通って燃焼用空気が外周壁１０１の内部に流入する。図５（ｂ）には、回転軸１２２を１６０度回転させることで、空気流入口１０２の全体が切欠き部１２０ａと重複し、空気流入口１０２の開口面積が最大となった状態が示されている。尚、図中の太線の矢印は、燃焼用空気の流れを表している。

また、回転軸１２２が時計回りに回転するのに伴い、上面板１２１の接触部１２１ｂがカム面１１７ａに沿って傾斜の高い側に向けて移動すると（図４参照）、カム１１７が上面板１２１から離れていき、付勢バネ１１６の付勢力に抗してガス制御部１１５が押し戻されることから、ガス流入口１１３へのテーパー部１１５ａの挿入量が減少する。これにより、ガス流入口１１３とテーパー部１１５ａとの隙間の面積（ガス流入口１１３の開口面積）が増加していき、隙間を通って内周壁１１１ｂの内部から燃料ガスが内周壁１１１ｂと外周壁１０１との間に流入する。尚、図中の破線の矢印は、燃料ガスの流れを表している。

前述したように蓋板１０３には、下流外周壁１０１ａ側の面（図中の下面）から突出して円筒形状の固定筒１０５が設けられており、可動筒１０６は、固定筒１０５の外周の雄ネジと、可動筒１０６の内周の雌ネジとのネジ構造で固定筒１０５に螺合され、外周壁１０１の中心線まわりに回転可能になっている。図５には、固定筒１０５に可動筒１０６をネジ構造の最大限まで嵌め合わせることで、可動筒１０６が蓋板１０３に近接した状態が示されている。この可動筒１０６は、外周壁１０１（下流外周壁１０１ａおよび上流外周壁１０１ｂ）と内周壁１１１ｂとの間に配置されている。空気流入口１０２から流入する燃焼用空気と、ガス流入口１１３から流入する燃料ガスとは、固定筒１０５および可動筒１０６によって一旦は隔てられ、可動筒１０６における流出口１０７側（図中の下側）の端部（以下、合流端）１０６ａまで移動して合流するようになっている。

本実施例の予混合装置１００では、固定筒１０５および可動筒１０６と外周壁１０１との隙間の面積よりも空気流入口１０２の最大開口面積が小さく設定されていることから、燃焼用空気の流路の中で空気流入口１０２が最も絞られた部分（最も圧力損失の大きい箇所）となっている。また、固定筒１０５および可動筒１０６と内周壁１１１ｂとの隙間の面積よりもガス流入口１１３の最大開口面積が小さく設定されていることから、燃料ガスの流路の中でガス流入口１１３が最も絞られた部分となっている。尚、本実施例の固定筒１０５および可動筒１０６は、本発明の「仕切筒」に相当している。

以上のように本実施例の予混合装置１００では、回転軸１２２を回転させることによって、空気流入口１０２の開口面積（空気開口面積）およびガス流入口１１３の開口面積（ガス開口面積）を連動して変化させることが可能である。そして、ファン２０の吸引によって外周壁１０１と内周壁１１１ｂとの間（混合通路）を通って混合される燃焼用空気と燃料ガスとの比率（空燃比）は、空気開口面積とガス開口面積との面積比（開口面積比）によって決まることから、燃焼ユニット３で燃焼させる混合ガスの適切な空燃比に合わせて開口面積比を設定する必要がある。そこで、本実施例のカム１１７は、空気制御部１２０の回転移動とガス制御部１１５の直線移動とを連動させつつ、開口面積比を所定値に維持するようにカム面１１７ａの傾斜が形成されている。

また、給湯器１では、ユーザーによって設定された出力（給湯能力）に応じて燃焼ユニット３に送る混合ガスの流量を調節する必要がある。こうした混合ガスの流量調節は、設定された出力値に比例してファン２０の回転数（吸引力）を変化させることで可能である。これに加えて、本実施例の予混合装置１００では、ファン２０の回転数を固定したままでも、回転軸１２２を回転させることで、空気開口面積およびガス開口面積が開口面積比を維持しながら連動して変化することから、空燃比を一定に保ちつつ、燃焼ユニット３に送る混合ガスの流量を調節することができる。

ただし、こうした予混合装置１００では、部品精度などに起因する製造バラツキによって開口面積比が変動して目標値から外れてしまうことがあり、その場合でも開口面積比を維持しながら空気開口面積とガス開口面積とが連動して変化することから、混合ガスが適切な空燃比とならないことがある。そこで、本実施例の予混合装置１００では、可動筒１０６を設けると共に、下流外周壁１０１ａをテーパー状に形成しており、こうすることで、以下のように混合ガスの空燃比を調整することができる。

まず、図６は、本実施例の予混合装置１００で可動筒１０６を設けていない場合を示した断面図である。図示した例では、図５（ｂ）と同様に空気流入口１０２の開口面積およびガス流入口１１３の開口面積が最大となっている。ここでは、モデルを単純化するために、ガス供給通路１１に設けた開閉弁（図示省略）によって燃料ガスの供給を遮断しておき、ファン２０を一定の回転数で回転させて吸引することにより、空気流入口１０２から流入する燃焼用空気の流量をＱとする。

そして、テーパー状に形成された下流外周壁１０１ａの小径側の端部（図中の上端部）の位置Ｌ１における下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの隙間の面積をＳ１、燃焼用空気の流速をＶ１、圧力をＰ１とする。また、位置Ｌ１よりも下流外周壁１０１ａの大径側（図中の下側）の位置Ｌ２における下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの隙間の面積をＳ２、燃焼用空気の流速をＶ２、圧力をＰ２とする。

すると、非圧縮性流体における連続の式より、
Ｑ＝Ｓ１Ｖ１＝Ｓ２Ｖ２…式（１）
と表すことができる。また、燃焼用空気の密度ρを一定として、ベルヌーイの定理より、
Ｖ１^２／２＋Ｐ１／ρ＝Ｖ２^２／２＋Ｐ２／ρ…式（２）
と表すことができ、式（１），（２）を変形すると、
Ｐ２＝Ｐ１＋ρＱ^２（１／Ｓ１^２−１／Ｓ２^２）／２…式（３）
となる。

前述したように本実施例の予混合装置１００では、下流外周壁１０１ａが流出口１０７側に向けて拡径するテーパー状であるのに対し、内周壁１１１ｂが円筒形状であって、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの隙間の面積はＳ２＞Ｓ１であるため、式（３）より圧力はＰ２＞Ｐ１となる。また、ファン２０で吸引しているので、大気圧＞Ｐ２＞Ｐ１である。つまり、位置Ｌ１の方が位置Ｌ２よりも負圧の度合が強くなる。

そして、こうした傾向は、燃料ガスの供給を遮断している場合に限られるわけではなく、ガス供給通路１１の開閉弁を開いて燃料ガスを供給する（ガス流入口１１３から燃料ガスが流入する）場合でも同様に、位置Ｌ２に比べて下流外周壁１０１ａの大径側の位置Ｌ１における負圧の度合が強くなる傾向にある。

図７は、本実施例の予混合装置１００で可動筒１０６によって混合ガスの空燃比を調整する様子を示した説明図である。図７では、図５や図６と同様に予混合装置１００の断面を表しており、空気流入口１０２の開口面積およびガス流入口１１３の開口面積が最大となっている。まず、図７（ａ）には、固定筒１０５に可動筒１０６をネジ構造の最大限まで嵌め合わせることで、可動筒１０６が蓋板１０３に近接しており、合流端１０６ａが図６の位置Ｌ１にある状態が示されている。

図７（ａ）の状態から可動筒１０６を蓋板１０３に向かって反時計回りに回転させると、ネジ構造によって、可動筒１０６は外周壁１０１の中心線に沿って蓋板１０３から離れる方向（図中の下方）に移動する。これにより、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量が増加し、図７（ｂ）には、合流端１０６ａが図６の位置Ｌ２にある状態が示されている。尚、本実施例の予混合装置１００では、空気流入口１０２から可動筒１０６を操作して回転させることが可能となっており、可動筒１０６を逆回り（時計回り）に回転させることで、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量が減少し、図７（ｂ）の状態から図７（ａ）の状態に戻すことができる。

ファン２０の回転によって内周壁１１１ｂの内部（導入通路）から吸引される燃料ガスは、ガス流入口１１３を通って、まず固定筒１０５および可動筒１０６と内周壁１１１ｂとで囲まれた空間（以下、ガス室）Ｇに流入し、下流の合流端１０６ａの位置で燃焼用空気と合流する。燃料ガスの流量は、流路の中で最も絞られたガス流入口１１３の通過前後の圧力差、すなわち、内周壁１１１ｂの内部の圧力（ほぼ大気圧）とガス室Ｇの圧力（負圧）との差によって変化する。このガス室Ｇは合流端１０６ａまで繋がっていることから、ガス室Ｇの圧力は合流端１０６ａにおける圧力と連動し、ガス流入口１１３から合流端１０６ａまでの圧力損失が無視できるとすると、合流端１０６ａにおける圧力をガス室Ｇの圧力とみなせる。従って、燃料ガスの流量は、合流端１０６ａにおける負圧の度合に応じて変化する。

そして、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量を増加させることで、合流端１０６ａが図７（ａ）の位置から図７（ｂ）の位置に移動する（テーパー状の下流外周壁１０１ａの大径側に移動する）と、合流端１０６ａにおける負圧の度合が弱くなることから、燃料ガスの流量が相対的に減少する。尚、合流端１０６ａの移動に伴い、燃焼用空気の流量も変化し得るものの、燃焼用空気の流量は燃料ガスの流量よりも遥かに多い（空気流入口１０２がガス流入口１１３よりも巨大である）ため、燃焼用空気の流量の変化率は、燃料ガスの流量の変化率に比べると微小である。従って、燃料ガスの流量の減少によって、混合ガス中の燃焼用空気の割合を高くするエアリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は大きくなる。

また、これとは逆に、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量を減少させることで、合流端１０６ａが図７（ｂ）の位置から図７（ａ）の位置に移動する（テーパー状の下流外周壁１０１ａの小径側に移動する）と、合流端１０６ａにおける負圧の度合が強くなることから、燃料ガスの流量が相対的に増加する。その結果、混合ガス中の燃料ガスの割合を高くするガスリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は小さくなる。

以上に説明したように本実施例の予混合装置１００では、外周壁１０１と内周壁１１１ｂとの間に可動筒１０６が設けられると共に、下流外周壁１０１ａがテーパー状に形成されており、可動筒１０６を外周壁１０１の中心線の方向に移動させることにより、混合ガスの空燃比を変化させることができる。そのため、製造バラツキによって空気流入口１０２とガス流入口１１３との開口面積比が目標値から外れた場合においても、開口面積比を維持しながら空気開口面積とガス開口面積とを連動して変化させる構成（空気制御部１２０や、ガス制御部１１５や、カム１１７など）に変更を加えることなく、可動筒１０６の移動によって混合ガスの空燃比を調整することが可能となる。

尚、上述した実施例の予混合装置１００では、下流外周壁１０１ａを流出口１０７側に向けて拡径するテーパー状に形成していたが、テーパーを反対にして、下流外周壁１０１ａを流出口１０７側に向けて縮径するテーパー状に形成しておいてもよく、この場合は、可動筒１０６の移動に伴う作用（混合ガスの空燃比の変化）が逆転する。すなわち、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量を増加させる方向に可動筒１０６を移動させると、合流端１０６ａにおける負圧の度合が強くなって燃料ガスの流量が相対的に増加するので、ガスリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は小さくなる。一方、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量を減少させる方向に可動筒１０６を移動させると、合流端１０６ａにおける負圧の度合が弱くなって燃料ガスの流量が相対的に減少するので、エアリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は大きくなる。

上述した本実施例の予混合装置１００には、次のような変形例も存在する。以下では、上述の実施例とは異なる点を中心に変形例について説明する。尚、変形例の説明では、上述の実施例と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。

図８は、変形例の予混合装置１００の構造を示した断面図である。図では、外周壁１０１の中心線を含むと共に、直交通路壁１１１ａの中心線に垂直な平面で切断した予混合装置１００の断面を表している。前述した実施例の予混合装置１００では、下流外周壁１０１ａがテーパー状に形成されていたのに対して、変形例の予混合装置１００では、下流外周壁１０１ａが円筒形状に形成されており、代わりに、内周壁１１１ｂが流出口１０７側（図中の下側）に向けて縮径するテーパー状に形成されている。図示した例では、固定筒１０５に可動筒１０６をネジ構造の最大限まで嵌め合わせることで、可動筒１０６が蓋板１０３に近接した状態にあり、可動筒１０６の合流端１０６ａが、内周壁１１１ｂのテーパーにおける大径側の端部に位置している。

図８に示した状態から、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量を増加させる方向（図中の下方）に可動筒１０６を移動させることで、合流端１０６ａが内周壁１１１ｂのテーパーの小径側（下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの隙間の面積が大きい側）に移動すると、合流端１０６ａにおける負圧の度合が弱くなることから、燃料ガスの流量が相対的に減少する。その結果、エアリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は大きくなる。

また、これとは逆に、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量を減少させる方向（図中の上方）に可動筒１０６を移動させることで、合流端１０６ａが内周壁１１１ｂのテーパーの大径側（下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの隙間の面積が小さい側）に移動すると、合流端１０６ａにおける負圧の度合が強くなることから、燃料ガスの流量が相対的に増加する。その結果、ガスリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は小さくなる。

以上に説明したように変形例の予混合装置１００では、下流外周壁１０１ａが円筒形状であるのに対して、内周壁１１１ｂがテーパー状に形成されており、外周壁１０１と内周壁１１１ｂとの間に設けられた可動筒１０６を外周壁１０１の中心線の方向に移動させることにより、前述した実施例と同様に、混合ガスの空燃比を変化させることができる。そのため、開口面積比を維持しながら空気開口面積とガス開口面積とを連動して変化させる構成（空気制御部１２０や、ガス制御部１１５や、カム１１７など）に変更を加えることなく、可動筒１０６の移動によって混合ガスの空燃比を調整することが可能となる。

尚、上述した変形例の予混合装置１００では、内周壁１１１ｂを流出口１０７側に向けて縮径するテーパー状に形成していたが、テーパーを反対にして、内周壁１１１ｂを流出口１０７側に向けて拡径するテーパー状に形成しておいてもよく、この場合は、可動筒１０６の移動に伴う作用（混合ガスの空燃比の変化）が逆転する。すなわち、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量を増加させる方向に可動筒１０６を移動させると、合流端１０６ａにおける負圧の度合が強くなって燃料ガスの流量が相対的に増加するので、ガスリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は小さくなる。一方、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間への可動筒１０６の挿入量を減少させる方向に可動筒１０６を移動させると、合流端１０６ａにおける負圧の度合が弱くなって燃料ガスの流量が相対的に減少するので、エアリッチ側への調整が可能となり、混合ガスの空燃比は大きくなる。

以上、本実施例および変形例の予混合装置１００について説明したが、本発明は上記の実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、前述した実施例および変形例では、カム１１７を介して空気制御部１２０の回転移動とガス制御部１１５の直線移動とを連動させることで、空気開口面積とガス開口面積とが開口面積比を維持しながら変化するようになっていた。しかし、空気開口面積とガス開口面積とを連動して変化させる機構は、開口面積比を維持可能であれば、これに限られない。例えば、図９に示されるように、内周壁１１１ｂに矩形のガス流入口１１４を設けると共に、内周壁１１１ｂの内側に、円筒形状のガス制御部１４０を内周壁１１１ｂに沿って回転移動が可能に設置してもよい。このガス制御部１４０は内周壁１１１ｂの端部を塞ぐ円形の蓋部１４１と一体に形成されており、この蓋部１４１の中央から突設された突起部１４２が回転軸１２２と連結されている。また、ガス制御部１４０の周面には、矩形のガス通過口１４０ａが開口している。このような予混合装置１００では、回転軸１２２の回転に伴い、空気制御部１２０の回転移動と連動して、ガス制御部１４０が回転移動することで、ガス通過口１４０ａとガス流入口１１４との重複部分の面積（ガス流入口１１４の開口面積）が変化し、重複部分を通って内周壁１１１ｂの内部から燃料ガスが内周壁１１１ｂと外周壁１０１との間に流入する。

そして、図９の予混合装置１００においても、前述した実施例と同様に、外周壁１０１と内周壁１１１ｂとの間に可動筒１０６を設けると共に、下流外周壁１０１ａをテーパー状に形成し、可動筒１０６を外周壁１０１の中心線の方向に移動させることにより、混合ガスの空燃比を変化させることができる。そのため、開口面積比を維持しながら空気開口面積とガス開口面積とを連動して変化させる構成（空気制御部１２０やガス制御部１４０など）に変更を加えることなく、可動筒１０６の移動によって混合ガスの空燃比を調整することが可能となる。

また、前述した実施例では、下流外周壁１０１ａが中心線の方向の全長に亘ってテーパー状に形成されていたが、必ずしも全長である必要はなく、少なくとも可動筒１０６の合流端１０６ａが移動可能な範囲でテーパー状に形成されていればよい。

また、前述した実施例では、下流外周壁１０１ａがテーパー状であるのに対し、内周壁１１１ｂが円筒形状であり、可動筒１０６の移動に伴って、合流端１０６ａと下流外周壁１０１ａとの間隔は増減し、合流端１０６ａと内周壁１１１ｂとの間隔は維持されるようになっていた。しかし、下流外周壁１０１ａおよび内周壁１１１ｂの形状は、可動筒１０６の移動に伴って合流端１０６ａの位置における下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの間隔を増減させる形状であればよく、下流外周壁１０１ａおよび内周壁１１１ｂの双方がテーパー状であってもよい。この場合、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとでテーパーの傾斜を反対にして、流出口１０７側に向けて下流外周壁１０１ａが拡径するテーパー状であれば、内周壁１１１ｂを縮径するテーパー状にし、下流外周壁１０１ａが縮径するテーパー状であれば、内周壁１１１ｂを拡径するテーパー状にすればよい。このようにすれば、前述した実施例に比べて、下流外周壁１０１ａと内周壁１１１ｂとの隙間の面積は、外周壁１０１の中心線の方向における変化量が大きくなる。これにより、可動筒１０６の移動に伴う合流端１０６ａにおける負圧の度合の変動量も大きくなるので、混合ガスの空燃比を調整可能な幅を確保することができる。

１…給湯器、 ２…ハウジング、 ３…燃焼ユニット、
４…熱交換器、 ５…給水通路、 ６…給湯通路、
７…排気ダクト、 ８…排気口、 ９…給気口、
１１…ガス供給通路、 １２…ゼロガバナ、 ２０…ファン、
３０…羽根車、 ３１…翼片、 ３２…回転円板、
３３…支持板、 ４０…駆動モーター、 ４１…シャフト、
５０…ケーシング、 ５１…本体、 ５２…蓋体、
５３…吸入口、 ５４…送風路、 ５５…吐出口、
１００…予混合装置、 １０１…外周壁、 １０１ａ…下流外周壁、
１０１ｂ…上流外周壁、 １０２…空気流入口、 １０３…蓋板、
１０４…挿通孔、 １０４ａ…ガイド溝、 １０５…固定筒（仕切筒）、
１０６…可動筒（仕切筒）、 １０６ａ…合流端、 １０７…流出口、
１１０…接続口、 １１１…導入通路壁、 １１１ａ…直交通路壁、
１１１ｂ…内周壁、 １１２…嵌込部材、 １１３…ガス流入口、
１１４…ガス流入口、 １１５…ガス制御部、 １１５ａ…テーパー部、
１１５ｂ…突条、 １１５ｃ…尖端部、 １１６…付勢バネ、
１１７…カム、 １１７ａ…カム面、 １１７ｂ…突出部、
１１７ｃ…凹部、 １２０…空気制御部、 １２０ａ…切欠き部、
１２１…上面板、 １２１ｂ…接触部、 １２２…回転軸、
１３０…回動モーター、 １３１…ブラケット、 １４０…ガス制御部、
１４０ａ…ガス通過口、 １４１…蓋部、 １４２…突起部。

Claims (2)

1. 燃焼装置に燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを送るファンの吸入側に接続されて、該ファンに供給される前記燃料ガスと前記燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置において、
   前記ファンの吸入側に接合される外周壁と、
   前記外周壁の内部に前記燃焼用空気を流入させる空気流入口と、
   前記空気流入口の開口面積を変化させることが可能な空気制御部と、
   前記外周壁の内部に導入されると共に、該外周壁の中心線と平行に延設されて、前記燃料ガスを導く内周壁と、
   前記内周壁の内部から前記燃料ガスを該内周壁と前記外周壁との間に流入させるガス流入口と、
   前記空気制御部と連動し、前記ガス流入口の開口面積を、前記空気流入口の開口面積との開口面積比を維持しつつ変化させることが可能なガス制御部と、
   前記外周壁における前記ファンとの接合側の端部に開口し、前記混合ガスを該ファンへと流出させる流出口と、
   前記外周壁と前記内周壁との間に設置されて、前記空気流入口から流入する前記燃焼用空気と、前記ガス流入口から流入する前記燃料ガスとを隔てる仕切筒と
   を備え、
   前記仕切筒は、前記流出口側の端部に前記燃焼用空気と前記燃料ガスとを合流させる合流端を有し、該合流端の位置を前記外周壁の中心線の方向に移動可能に設けられ、
   前記外周壁および前記内周壁は、前記仕切筒の移動に伴って前記合流端の位置における該外周壁と該内周壁との間隔を増減させる形状に形成されている
   ことを特徴とする予混合装置。
2. 請求項１に記載の予混合装置において、
   前記内周壁は、前記仕切筒の移動に伴って前記合流端との間隔を維持する形状に形成されており、
   前記外周壁は、前記仕切筒の移動に伴って前記合流端との間隔を増減させる形状に形成されている
   ことを特徴とする予混合装置。

Images