JP7314734B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体を加熱するために燃料の燃焼を行う燃焼管を備えた流体加熱装置に関する。

流体である水を加熱して給湯を行うガス給湯器では、ガスを燃焼させる燃焼室に連通する燃焼管内の酸素濃度を検出するため、Ａ／Ｆセンサを用いている。Ａ／Ｆセンサにより酸素濃度を検出するには、ヒータを用いて当該センサを一定の温度に加熱して活性化させる必要がある。また、上記の環境下で使用されるＡ／Ｆセンサには、水分が付着していたり、寒気には水分が凍結していたりすることもある。そのような状態で、Ａ／Ｆセンサをヒータにより急速に加熱すると、センサが破壊されるおそれがある。そこで、Ａ／Ｆセンサを活性化させる際には、図１０に示すように、最初にセンサに付着している水分を飛ばすために緩やかに加熱する期間を設け、その後に活性化させる温度まで加熱している。

特開２０１８－１８０００２号公報

しかしながら、水分を完全に飛ばしたか否かの判断を行わない構成では、水分を飛ばす期間にマージンを持たせているため、電力を無駄に消費している。また、上記の判断を行う構成では、Ａ／Ｆセンサを活性化させる温度まで加熱する時間にばらつきが生じるため、Ａ／Ｆセンサの使用を開始できる時間がばらつくという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、常に予め定めた目標時間内にＡ／Ｆセンサの使用を開始できる流体加熱装置を提供することにある。

請求項１記載の流体加熱装置によれば、Ａ／Ｆセンサは、流体を加熱するために燃料の燃焼を行う燃焼管内の酸素濃度を検出する。制御部は、ヒータによりＡ／Ｆセンサの加熱を開始する際にタイマによる計時を開始し、当該センサに付着していた水分が蒸発したか否かをヒータに通電される電流の変化により判定する。そして、水分が蒸発したと判定すると、そこまでに要した時間を予め定められている目標時間より減じた値を加熱完了時間として設定し、その加熱完了時間内にＡ／Ｆセンサを目標温度まで加熱するようにヒータの駆動を制御する。

Ａ／Ｆセンサに付着していた水分が蒸発すると、温度の上昇に伴いヒータの抵抗値も上昇を開始するので、それに応じてヒータに通電される電流の値は低下を開始する。したがって、制御部は、ヒータに通電される電流の変化を監視することで水分が蒸発したか否かを判定できる。このように構成すれば、制御部は、Ａ／Ｆセンサに付着していた水分を蒸発させるのに要した時間に応じて、当該センサを加熱完了時間内に目標温度まで加熱させるようにヒータを駆動できる。これにより、ヒータを無駄に長い時間駆動して電力を消費することなく、Ａ／Ｆセンサを加熱完了時間内に目標温度まで加熱できる。

請求項２記載の流体加熱装置によれば、制御部は、加熱完了時間内にＡ／Ｆセンサを目標温度まで加熱するための温度変化の傾きを算出すると、その傾きに応じて加熱に必要な電力を算出し、算出した電力に応じてヒータに印加する電圧を設定する。このように構成すれば、ヒータに印加する電圧を制御することでＡ／Ｆセンサを加熱する電力を制御して、加熱完了時間内に目標温度まで加熱できる。

請求項３記載の流体加熱装置によれば、制御部は、目標温度におけるヒータの抵抗値に基づいて、Ａ／Ｆセンサを目標温度まで加熱したことを判定する。これにより、別途温度センサを設けずとも、ヒータの抵抗値の変化を示す演算を行うことでＡ／Ｆセンサを目標温度まで加熱したことを判定できる。

請求項４記載の流体加熱装置によれば、制御部は、Ａ／Ｆセンサを目標温度まで加熱する際に、ヒータの抵抗値が変化するのに応じてヒータに印加する駆動電圧を制御する。すなわち、ヒータの加熱温度が上昇するのに伴いヒータの抵抗値は低下するので、ヒータを駆動する電力量は時間の経過に伴い減少する傾向を示す。したがって、制御部が、抵抗値の変化に応じてヒータに印加する駆動電圧を制御することで、ヒータを駆動する電力量が低下することを防止して、Ａ／Ｆセンサをより確実に、加熱完了時間内に目標温度まで加熱できる。

請求項５記載の流体加熱装置によれば、制御部は、ヒータの抵抗値が変化する傾きより、ヒータに印加する電圧を制御する時点のヒータの抵抗値を推定し、その推定した値に基づいて電圧を制御する。すなわち、ヒータの抵抗値は略線形に変化するので、抵抗値が変化する傾きを求めれば、現時点よりも先の時点における抵抗値を妥当に推定できる。よってこのように構成すれば、推定したヒータの抵抗値を用いてヒータに印加する電圧をより正確に制御できる。

第１実施形態であり、センサ制御回路におけるＭＰＵを中心とする処理内容を示すフローチャート 図１に示す処理に対応した、センサ本体の温度変化を示すタイミングチャート ｔ_α＝ｔ１の場合の図２相当図 センサ本体に印加する駆動電圧を示す図 センサ本体に通電される電流の変化を示す図 Ａ／Ｆセンサの模式的な断面図 センサ制御回路の構成を示す機能ブロック図 ガス給湯器の構成を示す図 第２実施形態であり、図１の一部に相当するフローチャート 第３実施形態であり、図１の一部に相当するフローチャート 推定抵抗値Ｒ_ｖ＋を説明する図 従来技術を説明するＡ／Ｆセンサを加熱した際の温度変化を示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図６を参照して説明する。図６は、流体加熱装置の一例であるガス給湯器１の構成を示す。給湯タンク２の内部には、給水管３を介して図示しない水道より水が給水される。給湯タンク２は、燃焼管４を内蔵しており、燃焼管４の内部でガスの燃焼が行われることで流体としての水が加熱されて湯になる。湯は、排出管５を介して外部に供給される。

給湯タンク２には、吸気管６が接続されており、吸気管６の内部にはブロア７が配置されている。ブロア７は、吸気管６の外部にあるブロア制御部８により駆動制御され、外部より大気を吸気する。吸気管６の途中部位には、ガス供給管９が比例弁１０を介して接続されている。比例弁１０は、ガス供給管９の外部にある比例弁制御部１１により駆動制御される。これにより、気管６内へのガス供給量が調整される。

吸気管６内部のガスと大気との混合気体は、噴射部１２を介して燃焼管４に供給される。燃焼管４内の混合気体は、図示しないイグナイタにより点火されて燃焼される。燃焼管４は、給湯タンク２の図中上部において吸気管６に接続され、給湯タンク２の下方に延びる主部４ａと、給湯タンク２の下方から上方に延びる折返し部４ｂと、そこから主部４ａの周囲を螺旋状に囲んで再び下方に至る螺旋状部４ｃとを備えている。螺旋状部４ｃには排気管１３が接続されており、燃焼後の気体が給湯タンク２の外部に排気される。

燃焼管４の内部において噴射部１２の図中右側方には、Ａ／Ｆセンサ１４が配置されている。Ａ／Ｆセンサ１４には、給湯タンク２の外部にあるセンサ電流計測部１５が接続されている。センサ電流計測部１５は、Ａ／Ｆセンサ１４を駆動した状態で当該センサ１４に流れる電流値を計測することで、燃焼管４内部の酸素濃度を測定する。

図４に模式的な断面図を示すように、Ａ／Ｆセンサ１４は、ケース１６の内部にセンサ本体１７と、センサ本体１７を加熱するヒータ１８とを内蔵している。ケース１６には、外気を内部に取り込むための通風口１９が形成されている。

Ａ／Ｆセンサ１４は、図５に示すセンサ制御回路２１により駆動制御される。センサ制御回路２１は、直流電源回路２２，ＭＰＵ（Micro Processing Unit）２３，ＡＳＩＣ（Application Specific IC）２４，ヒータ制御部２５及びヒータ電流検出部２６を備えている。直流電源回路２２には、ＡＣ－ＤＣコンバータ２７が交流１００Ｖより生成した直流１２Ｖが入力されている。直流電源回路２２は、５Ｖの制御用電源を生成してＭＰＵ２３，ＡＳＩＣ２４及びヒータ制御部２５に供給する。また、直流１２Ｖは駆動用電源として、ＡＳＩＣ２４及びヒータ制御部２５に供給されている。

ＡＳＩＣ２４は、ＭＰＵ２３に接続されてＭＰＵ２３との間でデータの入出力を行うことで、ＭＰＵ２３より入力される指示に応じてセンサ本体１７の駆動制御を行う。ＡＳＩＣ２４には、前述したセンサ電流計測部１５の機能が内蔵されている。ヒータ制御部２５も、ＭＰＵ２３に接続されてＭＰＵ２３との間でデータの入出力を行うことで、ＭＰＵ２３より入力される指示に応じてヒータ１８の駆動制御を行う。ヒータ電流検出部２６は、ヒータ制御部２５とヒータ１８との間に挿入されており、ヒータ制御部２５がヒータ１８に印加する駆動電圧に応じてヒータ１８に通電される電流を検出する。その検出結果はＭＰＵ２３に入力される。

次に、本実施形態の作用について図１から図３を参照して説明する。図１は、センサ制御回路２１におけるＭＰＵ２３を中心とする処理内容を示すフローチャートである。制御部に相当するＭＰＵ２３は、この処理を、ガスに点火した直後の不完全燃焼による鎮火を防止するため、燃焼室内に酸素，大気を供給するためのパージ処理が行われた後に実行する。

尚、センサ本体１７を活性化するために加熱する目標温度は、例えば７５０℃とする。そして、以下のステップＳ２でヒータ１８による加熱を開始してからセンサ本体１７を目標温度まで加熱を完了させる目標時間は、ガス給湯器１の設計仕様として例えば９０ｓに設定されているものとする。

ＭＰＵ２３は、先ず初期電圧Ｅ_０を設定する（Ｓ１）。ヒータ１８への通電電流をＩ，温度Ｔにおけるヒータ１８の抵抗値をＲ（Ｔ）とすると、ヒータ１８を駆動する初期電力Ｗ_０は（１）式となる。
Ｗ_０＝Ｅ_０・Ｉ＝Ｅ_０ ^２／Ｒ（Ｔ） …（１）
初期電力Ｗ_０を、温度の上昇がセンサ本体１７を破壊しない傾きとなる値に定めることで、（１）式に基づき予め初期電圧Ｅ_０を定めておく。

次に、初期電圧Ｅ_０でヒータ１８への通電を開始すると（Ｓ２）、ＭＰＵ２３は、ソフトウェアタイマのカウント値をゼロクリアして（Ｓ３）ヒータ１８への通電電流を検出する（Ｓ４）。ステップＳ４での電流検出は、ステップＳ６で計時される一定時間として例えば１００ｍｓ毎に行われるが、今回と前回との検出電流値の差分をΔＩとし、上記の一定時間をΔｔとする。

続くステップＳ５では、Ａ／Ｆセンサ１４に付着している水分が蒸発したか否かを条件（ΔＩ／Δｔ＜β）により判断する。βは負の値であり、測定誤差を考慮して事前に決定しておく。ここで、検出電流が変化した傾き（ΔＩ／Δｔ）が負の所定値β以上であれば（ＮＯ）、ステップＳ６で一定時間を計時してタイマのカウント値をインクリメントしてから（Ｓ７）ステップＳ４に移行する。一方、傾き（ΔＩ／Δｔ）がβ未満になると（ＹＥＳ）、センサ本体１７に付着している水分が蒸発したと判断してステップＳ８に移行する。ここでの判断については後述する。

ステップＳ８では、この時点から目標時間までにＡ／Ｆセンサ１４を目標温度まで加熱するために必要な温度変化の傾きＴ_１を算出する。この時点での前記タイマのカウント値をｔ_αとすると、傾きＴ_１は（２）式により算出される。
Ｔ_１＝（目標温度－現在温度）／（目標時間－ｔα） …（２）
（目標時間－ｔ_α）は、加熱完了時間に相当する。尚、「現在温度」はステップＳ５で「ＹＥＳ」と判断した時点でのセンサ本体１７の温度であり、例えば前記時点におけるヒータ１８への通電電流値から抵抗値Ｒ（Ｔ）を求めて推定しても良い。

次に、傾きＴ_１より目標温度まで加熱するのに必要な電力Ｗ_１を算出し、電力Ｗ_１よりヒータ１８への印加電圧Ｅ_１を算出する（Ｓ９）。電力Ｗ_１は定数をγとすると（３）式で求められ、電圧Ｅ_１は（４）式で求められる。
Ｗ_１＝Ｔ_１・γ …（３）
Ｅ_１＝√｛Ｗ_１・Ｒ（Ｔ）｝ …（４）
尚、ここでのＲ（Ｔ）は、「現在温度」におけるヒータ１８の抵抗値である。

それから、ヒータ１８への印加電圧をＥ_１に設定し（Ｓ１０）、ヒータ１８への通電電流を検出する（Ｓ１１）。そして、検出した電流Ｉがσ_１未満か否かを判断する（Ｓ１２）。σ_１は、目標温度７５０℃におけるヒータ１８の抵抗値Ｒ（７５０℃）において、ヒータ１８に通電される電流値である。
σ_１＝Ｅ_１／Ｒ（７５０℃） …（５）
電流Ｉがσ_１未満であれば（ＮＯ）、ステップＳ６と同様に一定時間を計時してから（Ｓ１３）ステップＳ１１に戻り、電流Ｉがσ_１以上になると（ＹＥＳ）処理を終了する。

図２は、図１に示す処理に対応した、センサ本体１７の温度変化を示すタイミングチャートである。横軸に示す時間ｔ１～ｔ３は、ステップＳ２で加熱を開始してからステップＳ５で「ＹＥＳ」と判断するまでに要した時間，すなわちセンサ本体１７に付着している水分を蒸発させるまでに要した時間ｔ_αに対応する。時間ｔ_αが経過するまでは、センサ本体１７の温度は一定を維持する。そして、本実施形態によれば、時間ｔ_αがｔ１～ｔ３にばらついた何れの場合でも、ステップＳ８～Ｓ１３の処理によりセンサ本体１７を目標時間９０ｓで目標温度７５０℃まで加熱するように制御される。

また、図３に示すようにｔ_α＝ｔ１の場合、ヒータ１８に一定の初期電圧Ｅ_１を印加した状態でセンサ本体１７に付着している水分が全て蒸発すると、ヒータ１８の温度が上昇を開始して抵抗値も上昇するので、検出電流Ｉの値が低下し始める。ステップＳ５では、この事象を捉えるために上述した判断を行っている。

以上のように本実施形態によれば、ガス給湯器１に設けられたＡ／Ｆセンサ１４は、水を加熱するためにガスの燃焼を行う燃焼管４内の酸素濃度を検出する。ＭＰＵ２３は、ヒータ１８によりセンサ本体１７の加熱を開始する際にタイマによる計時を開始し、センサ本体１７に付着していた水分が蒸発したか否かをヒータ１８に通電される電流Ｉの変化により判定する。そして、水分が蒸発したと判定すると、そこまでに要した時間ｔ_αを目標時間より減じた値を加熱完了時間として設定し、その加熱完了時間内にセンサ本体１７を目標温度まで加熱するようにヒータ１８の駆動を制御する。

このように構成すれば、ＭＰＵ２３は、時間ｔ_αに応じて、センサ本体１７を加熱完了時間内に目標温度まで加熱させるようにヒータ１８を駆動できる。したがって、ヒータ１８を無駄に長い時間駆動して電力を消費することなく、センサ本体１７を加熱完了時間内に目標温度まで加熱できる。

具体的には、ＭＰＵ２３は、加熱完了時間内にセンサ本体１７を目標温度まで加熱するための温度変化の傾きＴ_１を算出すると、その傾きＴ_１に応じて加熱に必要な電力Ｗ_１を算出し、その電力Ｗ_１に応じてヒータに印加する電圧Ｅ_１を設定する。このように構成すれば、ヒータ１８に印加する電圧Ｅ_１を制御することでセンサ本体１７を加熱する電力を制御して、加熱完了時間内に目標温度まで加熱できる。

また、ＭＰＵ２３は、目標温度におけるヒータ１８の抵抗値Ｒ（７５０℃）に基づいて、センサ本体１７を目標温度まで加熱したことを判定する。これにより、別途温度センサを設けずとも、ヒータ１８の抵抗値の変化を示す演算を行うことで、センサ本体１７を目標温度まで加熱したことを判定できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図７に示すように、第２実施形態では、ステップＳ１２に替えてステップＳ１４の判断を行い、ステップＳ１４で「ＮＯ」と判断するとステップＳ１５を実行してからステップＳ１３に移行し、そこからステップＳ１０Ａに移行する。

第１実施形態では、ステップＳ１０でヒータ１８の印加する電圧は固定値Ｅ_１であった。これに対して第２実施形態では、ステップＳ１０Ａにおいてヒータ１８の印加する電圧を可変値Ｅ_ｖとする。そして、ステップＳ１１Ａで検出した電流値Ｉ_ｖを、電流値σ_ｖと比較する（Ｓ１４）。
σ_ｖ＝Ｅ_ｖ／Ｒ（７５０℃） …（６）
続くステップＳ１５では、次回のステップＳ１０Ａで設定する電圧Ｅ_ｖを、（７）式で算出する。
Ｅ_ｖ＝Ｗ_１／Ｉ_ｖ …（７）

すなわち、ヒータ１８による加熱温度が上昇するのに伴い、ヒータ１８の抵抗値Ｒ（Ｔ）も上昇するので、ステップＳ１１Ａで検出される電流値Ｉ_ｖも変化する。したがって、電圧Ｅ_ｖを（７）式で算出すれば、各時点の抵抗値Ｒ（Ｔ）に応じてヒータ１８における加熱電力が常時Ｗ_１となるように印加電圧Ｅ_ｖを設定できる。

以上のように第２実施形態によれば、ＭＰＵ２３は、センサ本体１７を目標温度まで加熱する際に、ヒータ１８の抵抗値Ｒ（Ｔ）が変化するのに応じてヒータ１８に印加する電圧Ｅ_ｖを制御する。これにより、ヒータ１８を駆動する電力量が低下することを防止して、センサ本体１７をより確実に、加熱完了時間内に目標温度まで加熱できる。

（第３実施形態）
図８に示す第３実施形態では、第２実施形態におけるステップＳ１４からステップＳ１３までの間に、ステップＳ１６～Ｓ１９を実行する。ステップＳ１６では、その時点の抵抗値Ｒ_ｖを（８）式により算出する。
Ｒ_ｖ＝Ｅ_ｖ／Ｉ_ｖ …（８）
次に、推定抵抗値Ｒ_ｖ＋を（９）式により算出する（Ｓ１７）。Ｒ_ｖ－は、前回にステップＳ１６で算出された抵抗値Ｒ_ｖである。
Ｒ_ｖ＋＝Ｒ_ｖ＋（Ｒ_ｖ－Ｒ_ｖ－） …（９）

図９に示すように、ある時点ｎのステップＳ１６で算出された抵抗値をＲ_ｖとすると、その前回の時点（ｎ－１）に算出された抵抗値がＲ_ｖ－であり、推定抵抗値Ｒ_ｖ＋は、次の時点（ｎ＋１）に変化していると推定される値である。

それから、今回のステップＳ１６で算出された抵抗値Ｒ_ｖを抵抗値Ｒ_ｖ－に代入すると（Ｓ１８）、次回のステップＳ１０Ａで設定する電圧Ｅ_ｖを（１０）式で算出する（Ｓ１９）。
Ｅ_ｖ＝√（Ｗ_１・Ｒ_ｖ＋） …（１０）

以上のように第３実施形態によれば、ＭＰＵ２３は、電圧Ｅ_ｖをステップＳ１９で算出する際に、次回に実行されるステップＳ１０Ａにて電圧Ｅ_ｖを設定する時点におけるヒータ１８の推定抵抗値Ｒ_ｖ＋を用いる。これにより、ヒータ１８に印加する電圧Ｅ_ｖをより正確に設定できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
Ａ／Ｆセンサ１４を配置する位置は燃焼管４の基端側に限らず、途中部位や先端側でも良く、燃焼管４に連通して外部に設けられる排気管１３に配置しても良い。
目標温度や目標時間，電源電圧やヒータ１８の通電電流を検出する間隔等の具体数値例は、個別の設計に応じて適宜設定すれば良い。
ヒータ又はＡ／Ｆセンサ１４の温度を、温度センサを用いて検出しても良い。
流体として空気を加熱する薪ストーブのような装置がＡ／Ｆセンサを用いる場合にも適用できる。
ヒータの電源はＰＷＭ制御により一定の間隔で一定の割り合いでＯＦＦしても良い。ただし、ヒータに流れる電流の計測は、ヒータの電源がＯＮしているタイミングで実施する。

図面中、１はガス給湯器、２は給湯タンク、４は燃焼管、１４はＡ／Ｆセンサ、１７はセンサ本体、１８はヒータ、２１はセンサ制御回路、２３はＭＰＵ、２４はＡＳＩＣ、２５はヒータ制御部、２６はヒータ電流検出部を示す。

Claims (5)

1. 流体を加熱するために燃料の燃焼を行う燃焼管と、
   前記燃焼管内の酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサと、
   このＡ／Ｆセンサを加熱するヒータと、
   このヒータに通電される電流を検出する電流検出部と、
   前記ヒータの駆動を制御する制御部とを備え、
   前記ヒータにより前記Ａ／Ｆセンサの加熱を開始してから、当該センサを目標温度まで加熱するための時間が予め目標時間として定められており、
   前記制御部は、前記ヒータにより前記Ａ／Ｆセンサの加熱を開始する際にタイマによる計時を開始し、当該センサに付着していた水分が蒸発したか否かを前記電流検出部により検出される電流の変化により判定し、
   前記水分が蒸発したと判定すると、そこまでに要した時間を前記目標時間より減じた値を加熱完了時間として設定し、
   前記加熱完了時間内に前記Ａ／Ｆセンサを前記目標温度まで加熱するように、前記ヒータの駆動を制御する流体加熱装置。
2. 前記制御部は、前記ヒータに印加する電圧を制御し、
   前記加熱完了時間内に前記Ａ／Ｆセンサを前記目標温度まで加熱するための温度変化の傾きを算出すると、前記傾きに応じて加熱に必要な電力を算出し、前記電力に応じて前記ヒータに印加する電圧を設定する請求項１記載の流体加熱装置。
3. 前記制御部は、前記目標温度における前記ヒータの抵抗値に基づいて、前記Ａ／Ｆセンサを前記目標温度まで加熱したことを判定する請求項１又は２記載の流体加熱装置。
4. 前記制御部は、前記Ａ／Ｆセンサを前記目標温度まで加熱する際に、前記ヒータの抵抗値が変化するのに応じて前記ヒータに印加する電圧を制御する請求項１から３の何れか一項に記載の流体加熱装置。
5. 前記制御部は、前記ヒータの抵抗値が変化する傾きより、前記ヒータに印加する電圧を制御する時点のヒータの抵抗値を推定し、その推定した値に基づいて前記電圧を制御する請求項４記載の流体加熱装置。
   

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