JP7088794B2

JP7088794B2 - 予混合装置

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Publication number: JP7088794B2
Application number: JP2018173255A
Authority: JP
Inventors: 克哉則竹
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: JP2020046096A

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、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。

また、従来、特許文献１により、空気抵抗切換手段を、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自在なバタフライ弁で構成し、ガス抵抗切換手段を、ガス供給路内に設けられた弁座と、弁座に形成した弁孔の孔軸方向に移動自在な弁体とを有する切換弁で構成し、バタフライ弁の回動に連動して切換弁の弁体を移動させる連動機構と、バタフライ弁を回動制御する制御手段とを設けた予混合装置が知られている。尚、ガス供給路には、切換弁に並列のバイパス路が設けられており、切換弁の弁体が弁孔を閉塞する全閉状態になったときもバイパス路を介して燃料ガスが流れる。但し、このものでは、空気供給路の寸法誤差等により、バタフライ弁を閉じ姿勢に回動させた小能力状態において、混合気の空気過剰率が適正値からずれてしまうことがあり、同様に、バタフライ弁を開き姿勢に回動させた大能力状態において、混合気の空気過剰率が適正値からずれてしまうことがある。

そこで、従来、特許文献２により、連動機構を、バタフライ弁が閉じ姿勢を含む所定の第１回動角度範囲内に存するときに切換弁の弁体を全閉状態に維持し、バタフライ弁が開き姿勢を含む所定の第２回動角度範囲内に存するときに切換弁の弁体を全開状態に維持するように構成したものも知られている。このものでは、第１回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を閉じ側停止角度に設定すると共に、第２回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を開き側停止角度に設定し、バタフライ弁を閉じ側停止角度と開き側停止角度とに回動制御するようにしている。これによれば、空気供給路の通気抵抗を大きくすると共にガス供給路の通気抵抗を大きくする小能力状態に切換える際に、バタフライ弁を閉じ側停止角度まで回動させ、また、空気供給路の通気抵抗を小さくすると共にガス供給路の通気抵抗を小さくする大能力状態に切換える際に、バタフライ弁を開き側停止角度まで回動させることにより、小能力状態と大能力状態との何れにおいても、混合気の空気過剰率が適正値になるように調節できる。

然し、供給される燃料ガスの成分が変化した場合（ヨーロッパ等では同じガス種でも地域によって成分にばらつきがある）には、発熱量が変化するため、特許文献２に記載の従来技術の如く空気過剰率を適正値に調節できても、バーナでの燃焼で得られる熱量（燃焼量）は要求燃焼量からずれてしまう。

特開２０１５－２３０１１３号公報特開２０１７－１８７１７７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、燃料ガスの成分変化により発熱量が変化しても、燃焼量が要求燃焼量からずれることを防止できる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、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自在なバタフライ弁で構成され、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に設けられた弁座と、弁座に形成した弁孔の孔軸方向に移動自在な弁体とを有する切換弁で構成され、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の弁体を移動させる連動機構と、バタフライ弁を回動制御する制御手段とを備えるものにおいて、バタフライ弁は、閉じ姿勢を含む所定の第１回動角度範囲内に存するときに、バタフライ弁を配置した空気供給路の部分の通気抵抗を閉じ姿勢での抵抗値と同等の値に維持し、開き姿勢を含む所定の第２回動角度範囲内に存するときに、バタフライ弁を配置した空気供給路の部分の通気抵抗を開き姿勢での抵抗値と同等の値に維持するように構成され、切換弁の弁体は、バタフライ弁が第１回動角度範囲内で回動するときに、弁孔の通気抵抗を所定の第１範囲内で可変する第１のテーパー部と、バタフライ弁が第２回動角度範囲内で回動するときに、弁孔の通気抵抗を第１範囲よりも抵抗値が小さく設定される所定の第２範囲内で可変する第２のテーパー部とを有し、第１回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を閉じ側停止角度に設定すると共に、第２回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を開き側停止角度に設定し、バタフライ弁を閉じ側停止角度と開き側停止角度とに回動制御することを特徴とする。
尚、上述した「閉じ姿勢での抵抗値と同等の値」「開き姿勢での抵抗値と同等の値」は、閉じ姿勢での抵抗値や開き姿勢での抵抗値から僅かに異なる値も含む用語である。

ここで、バタフライ弁を配置した空気供給路の部分の通気抵抗が一定で、且つ、切換弁の弁孔の通気抵抗が一定である場合、燃料ガスの成分変化で発熱量が減少すると、混合気の空気過剰率は増加し、発熱量が増加すると、混合気の空気過剰率は減少する。本発明によれば、バタフライ弁が第１と第２の各回動角度範囲内に存するときは、バタフライ弁を配置した空気供給路の部分の通気抵抗が閉じと開きの各姿勢での抵抗値と同等の値に維持されて、切換弁の弁孔の通気抵抗のみが第１と第２の各範囲内で変化するため、この変化で混合気の空気過剰率も変化する。従って、燃料ガスの成分変化で発熱量が減少しても、切換弁の弁孔の通気抵抗を第１と第２の各範囲内で減少させて、弁孔を通過するガス量を増加させることにより、混合気の空気過剰率を適正値にすることができ、また、発熱量が増加しても、切換弁の弁孔の通気抵抗を第１と第２の各範囲内で増加させて、弁孔を通過するガス量を減少させることにより、混合気の空気過剰率を適正値にすることができる。そして、空気過剰率が適正値になるバタフライ弁の回動角度が閉じ側と開き側の各停止角度に設定されるため、燃料ガスの成分変化で発熱量が減少した場合、閉じ側と開き側の各停止角度では、切換弁の弁孔の通気抵抗が第１と第２の各範囲内で比較的小さくなる。従って、弁孔を通過するガス量が増加し、発熱量の減少がガス量の増加で補償されて、燃焼量が要求燃焼量からずれることを防止できる。また、燃料ガスの成分変化で発熱量が減少した場合、閉じ側と開き側の各停止角度では、切換弁の弁孔の通気抵抗が第１と第２の各範囲内で比較的大きくなる。従って、弁孔を通過するガス量が減少し、発熱量の増加がガス量の減少で補償されて、燃焼量が要求燃焼量からずれることを防止できる。

ところで、設置業者が混合気の空気過剰率を測定して、閉じ側と開き側の各停止角度を手動で設定することも可能である。然し、これでは、燃料ガスの成分が経時的に変化した場合、各停止角度で混合気の空気過剰率が適正値からずれてしまう。そのため、本発明においては、混合気の空気過剰率を検出する検出手段を備え、この検出手段で検出された空気過剰率に基づいて閉じ側停止角度と開き側停止角度とを自動的に設定するように制御手段が構成されることが望ましい。これによれば、燃料ガスの成分が経時的に変化しても、閉じ側と開き側の各停止角度を空気過剰率が適正値になるように設定し直すことができ、利便性が向上する。

本発明の実施形態の予混合装置を示す切断側面図。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。実施形態の予混合装置のバタフライ弁を開き姿勢にした状態での図２に対応する断面図。実施形態の予混合装置のバタフライ弁を開き姿勢にした状態での図３に対応する断面図。

図１を参照して、Ｂは、混合気が噴出して燃焼する燃焼面Ｂａ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ＢにはファンＦ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Ｆを介してバーナＢに供給するようにしている。バーナＢには、燃焼面Ｂａに臨ませて、高電圧印加電極と接地電極とから成る点火プラグＢｂと、フレームロッドＢｃとが付設されている。

予混合装置Ａは、ファンＦの上流側の空気供給路１と、燃料ガスを供給するガス供給路２とを備えている。ガス供給路２の上流部には、図３に示す如く開閉弁３と比例弁やゼロガバナから成る流量調節弁４とが介設されている。更に、ガス供給路２の下流端は、空気供給路１に設けられたガス吸引部１１に接続されている。

また、予混合装置Ａは、ガス吸引部１１よりも上流側の空気供給路１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４よりも下流側のガス供給路２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１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２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１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２の通気抵抗を小さくした大能力状態に復帰させている。

ガス吸引部１１よりも上流側の空気供給路１の部分には、空気供給路１の周壁面１２との間に間隙を存して内筒１３が設けられている。そして、空気供給路１の周壁面１２と内筒１３の外周面との間の間隙により、内筒１３内の主通路１ａに並列な副通路１ｂが構成される。内筒１３の下流端（図１、図２で上端）のフランジ部１３ａには、副通路１ｂの出口となる円弧状の透孔１３ｂが複数形成されている。

また、内筒１３内には、軸５１を中心にして回動自在な円板から成るバタフライ弁５が設けられており、このバタフライ弁５により空気抵抗切換手段が構成される。バタフライ弁５の軸５１には、制御手段たるコントローラ６で制御されるステッピングモータ等のアクチュエータ５２が連結されている。そして、小能力状態への切換時に、コントローラ６によりアクチュエータ５２を介してバタフライ弁５を、空気供給路１の長手方向に平行な図４に示す開き姿勢側から空気供給路１の長手方向に直交する図２に示す閉じ姿勢側に回動させ、大能力状態への切換時に、コントローラ６によりアクチュエータ５２を介してバタフライ弁５を、閉じ姿勢側から開き姿勢側に回動させるようにしている。バタフライ弁５を閉じ姿勢側に回動させると、主通路１ａがほぼ閉じられ、空気が流れるのは実質的に副通路１ｂに制限され、空気供給路１の通気抵抗が大きくなる。

ガス吸引部１１の上流側に隣接する空気供給路１の部分には、内筒１３が配置された空気供給路１の部分よりも小径なベンチュリ部１４が設けられている。ベンチュリ部１４の下流側に隣接する空気供給路１の部分は、ベンチュリ部１４よりも大径の筒部１５で囲われている。そして、ベンチュリ部１４の下流端部を筒部１５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１１が構成されるようにしている。また、副通路１ｂとベンチュリ部１４との間の空気供給路１の部分の周壁面は、ベンチュリ部１４に向けて縮径するテーパー面１６に形成されている。

ガス供給路２には、ガス吸引部１１に連通する、下流端のガス室２１の上流側に位置して、ガス抵抗切換手段たる切換弁７が設けられている。この切換弁７は、流量調節弁４の下流側に接続される弁室７１の下端の弁座７２と、弁座７２に形成した弁室７１とガス室２１とを連通する弁孔７３の孔軸方向（図１乃至図３の上下方向）に移動自在な弁体７４とを有している。

また、バタフライ弁５の回動に連動して切換弁７の弁体７４を移動させる連動機構８が設けられている。この連動機構８は、図１、図３に示す如く、バタフライ弁５の軸５１に連結したカム８１と、カム８１に下端が当接する、上方にのびて弁体７４に連結されるロッド８２とで構成され、バタフライ弁５の回動でカム８１を介してロッド８２が上下動して弁体７４が移動する。即ち、バタフライ弁５を開き姿勢側に回動させると、カム８１によりロッド８２が押し上げられ、弁体７４が弁バネ７５の付勢力に抗して上方の開き側に移動し、また、バタフライ弁５を閉じ姿勢側に回動させると、カム８１によるロッド８２の押し上げが解除され、弁体７４が弁バネ７５の付勢力で下方の閉じ側に移動する。

ここで、本実施形態では、バタフライ弁５の軸５１に直交する方向の外周部に、外縁が軸５１と同心の円弧状となる扇状部５ａを設けている。そして、バタフライ弁５が閉じ姿勢を含む所定の第１回動角度範囲（例えば、閉じ姿勢を中心とした±１０°の範囲）内に存するときに、バタフライ弁５を配置した空気供給路１の部分の通気抵抗が閉じ姿勢での抵抗値と同等の値に維持され、また、バタフライ弁５が開き姿勢を含む所定の第２回動角度範囲（例えば、開き姿勢を中心とした±１０°の範囲）内に存するときに、バタフライ弁５を配置した空気供給路１の部分の通気抵抗が開き姿勢での抵抗値と同等の値に維持されるようにしている。尚、上述した「閉じ姿勢での抵抗値と同等の値」「開き姿勢での抵抗値と同等の値」には、閉じ姿勢での抵抗値や開き姿勢での抵抗値との差が僅かな値、例えば、これら抵抗値の±３％以下となる値も含まれる。

また、図３、図５を参照して、切換弁７の弁体７４は、バタフライ弁５が第１回動角度範囲内で回動するときに、弁孔７３の通気抵抗を比較的大きな所定の第１範囲内で可変する、上部に位置する比較的大径の第１テーパー部７４ａと、バタフライ弁５が第２回動角度範囲内で回動するときに、弁孔７３の通気抵抗を比較的小さな所定の第２範囲内で可変する、下部に位置する比較的小径の第２テーパー部７４ｂとを有している。尚、本実施形態では、第１と第２の両テーパー部７４ａ，７４ｂ間に円柱部７４ｃが存在しているが、円柱部７４ｃを省略して、第１と第２の両テーパー部７４ａ，７４ｂが連続するように弁体７４を形成することも可能である。

以上の構成によれば、バタフライ弁５が第１と第２の各回動角度範囲内に存するときは、バタフライ弁５を配置した空気供給路１の部分の通気抵抗が閉じと開きの各姿勢での抵抗値と同等の値に維持されて、切換弁７の弁孔７３の通気抵抗のみが第１と第２の各範囲内で変化する。そのため、この変化で混合気の空気過剰率も変化する。従って、燃料ガスの成分変化で発熱量が減少しても、切換弁７の弁孔７３の通気抵抗を第１と第２の各範囲内で減少させて、弁孔７３を通過するガス量を増加させることにより、混合気の空気過剰率を適正値にすることができ、また、発熱量が増加しても、切換弁７の弁孔７３の通気抵抗を第１と第２の各範囲内で増加させて、弁孔７３を通過するガス量を減少させることにより、混合気の空気過剰率を適正値にすることができる。

そこで、本実施形態では、第１回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁５の回動角度を閉じ側停止角度に設定し、また、第２回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁５の回動角度を開き側停止角度に設定している。そして、小能力状態への切換え時は、バタフライ弁５を閉じ側停止角度まで回動させ、また、大能力状態への切換え時は、バタフライ弁５を開き側停止角度まで回動させるようにしている。

これによれば、燃料ガスの成分変化で発熱量が減少した場合、上記の如く設定される閉じ側と開き側の各停止角度では、切換弁７の弁孔７３の通気抵抗が第１と第２の各範囲内で比較的小さくなる。従って、弁孔７３を通過するガス量が増加し、発熱量の減少がガス量の増加で補償されて、燃焼量が要求燃焼量からずれることを防止できる。また、燃料ガスの成分変化で発熱量が減少した場合、閉じ側と開き側の各停止角度では、切換弁７の弁孔７３の通気抵抗が第１と第２の各範囲内で比較的大きくなる。従って、弁孔７３を通過するガス量が減少し、発熱量の増加がガス量の減少で補償されて、燃焼量が要求燃焼量からずれることを防止できる。

また、本実施形態では、混合気の空気過剰率を検出する検出手段６１を設けて、この検出手段６１で検出された空気過剰率に基づいて閉じ側停止角度と開き側停止角度とを自動的に設定するようにコントローラ６を構成している。ここで、検出手段６１は、フレームロッドＢｃに流れるフレーム電流（混合気の燃焼で形成される火炎中のイオン化電流）の大きさから混合気の空気過剰率を検出するように構成されている。

ここで、設置業者が混合気の空気過剰率を測定して、閉じ側と開き側の各停止角度を手動で設定することも可能である。然し、これでは、燃料ガスの成分が経時的に変化した場合、各停止角度で混合気の空気過剰率が適正値からずれてしまう。これに対し、本実施形態の如く検出手段６１で検出した混合気の空気過剰率に基づいて閉じ側と開き側の各停止角度を自動的に設定するようにすれば、燃料ガスの成分が経時的に変化しても、閉じ側と開き側の各停止角度を空気過剰率が適正値になるように設定し直すことができ、利便性が向上する。

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ない、例えば、上記実施形態では、混合気の空気過剰率用の検出手段６１として、フレーム電流の大きさから空気過剰率を検出するものを用いているが、カメラで撮像した燃焼炎の画像から取得される燃焼炎の赤色成分画像の明度に基づいて空気過剰率を検出するもの（特開２０１８－１７４１３号公報参照）を用いることも可能である。

Ａ…予混合装置、Ｂ…バーナ、Ｆ…ファン、１…空気供給路、１１…ガス吸引部、２…ガス供給路、４…流量調節弁、５…バタフライ弁、６…コントローラ（制御手段）、６１…検出手段、７…切換弁、７２…弁座、７３…弁孔、７４…弁体、７４ａ…第１テーパー部、７４ｂ…第２テーパー部、８…連動機構。

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、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自在なバタフライ弁で構成され、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に設けられた弁座と、弁座に形成した弁孔の孔軸方向に移動自在な弁体とを有する切換弁で構成され、
バタフライ弁の回動に連動して切換弁の弁体を移動させる連動機構と、バタフライ弁を回動制御する制御手段とを備えるものにおいて、
バタフライ弁は、閉じ姿勢を含む所定の第１回動角度範囲内に存するときに、バタフライ弁を配置した空気供給路の部分の通気抵抗を閉じ姿勢での抵抗値と同等の値に維持し、開き姿勢を含む所定の第２回動角度範囲内に存するときに、バタフライ弁を配置した空気供給路の部分の通気抵抗を開き姿勢での抵抗値と同等の値に維持するように構成され、
切換弁の弁体は、バタフライ弁が第１回動角度範囲内で回動するときに、弁孔の通気抵抗を所定の第１範囲内で可変する第１のテーパー部と、バタフライ弁が第２回動角度範囲内で回動するときに、弁孔の通気抵抗を第１範囲よりも抵抗値が小さく設定される所定の第２範囲内で可変する第２のテーパー部とを有し、
第１回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を閉じ側停止角度に設定すると共に、第２回動角度範囲内で混合気の空気過剰率が所定の適正値になるバタフライ弁の回動角度を開き側停止角度に設定し、バタフライ弁を閉じ側停止角度と開き側停止角度とに回動制御することを特徴とする予混合装置。
混合気の空気過剰率を検出する検出手段を備え、この検出手段で検出された空気過剰率に基づいて前記閉じ側停止角度と前記開き側停止角度とを自動的に設定するように前記制御手段が構成されることを特徴とする請求項１記載の予混合装置。