JP7470021B2 - ボイラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のボイラ装置によって出湯温度を設定温度に制御するための技術に関するものである。

従来から、複数台のボイラを利用して、需要が生じた湯水を設定温度に加熱制御する技術は知られている。複数台のボイラを利用するメリットとしては、１つ１つのボイラの容量を小さくすることができるため、例えば、１台のボイラで全範囲の出湯量が賄える構成とした場合における、低出湯量時の効率低下を防止できる点が考えられる。

このような複数台のボイラを利用した技術としては、下記特許文献１記載のボイラ連系システムが例示できる。以下に、当該ボイラ連系システムの構成および動作について簡単に説明する。

特開２０１６－１２５６９０号

前記ボイラ連系システムは、給水管と出湯管、５つの熱源装置、および、コントローラを備える。給水管には、当該給水管に流れる水の流量を検知可能な流量センサが設置されている。

熱源装置はバーナーと、該バーナーの燃焼熱によって熱媒をバーナーによって加熱する第１熱交換器、第１熱交換器に熱媒を循環させるポンプ、第１熱交換器を通った熱媒をバイパスするバイパス管、バイパス管に取り付けられる第２熱交換器、第２熱交換器に接続される出湯管を備えて概略構成されている。

給湯用の水は、前記給水管から第２熱交換器に流入する。熱媒は、ポンプの作動によって第１熱交換器に流入する。バーナーが燃焼している場合には、第１熱交換器で加熱された熱媒がバイパス管に取り付けられた第２熱交換器に流入する。

第２熱交換器を流れる熱媒は、給水管から供給される水を加熱する。第２熱交換器で加熱された水は、出湯管に流出される。

５つの熱源装置は、いずれも上記構成となっている。通常時は、そのうちの２つが停止し、残りの３つを運転して給湯需要に応える構成である。

前記ボイラ連系システムにおいて、給湯要求が生じた場合、コントローラは流量センサによって、給水管における水の流量（流水量）を検知する。当該流水量が所定値未満であれば、前述したとおり、５つの熱源装置のうち３つを運転して出湯温度を設定温度に制御する。

一方、流量センサによって給水管に流れる流水量が所定値以上となったことを検知すると、停止している２つの熱源装置のポンプを作動させるとともに、バーナーを点火し燃焼させる。

これによって、熱媒は運転を開始した２つの熱源装置内で第１熱交換器へ流入した際に、バーナーの燃焼熱によって第１熱交換器を介して加熱され、その後、バイパス管に設けられた第２熱交換器へ流入する。

他方、給水管から供給される水は、第２熱交換器を流通するので、前述の如く、第２熱交換器に流入した加熱された熱媒によって加熱される。第２熱交換器によって加熱された水は出湯管に流出する。

このように、前記ボイラ連系システムによれば、所定値以上の給油需要が生じた場合、停止中の熱源装置の運転を開始することによって、５つの熱源装置の加熱能力のすべてを使って湯水を加熱する構成であるので、速やかに湯水を設定温度に加熱することが可能となる。

また、所定値以上の給湯需要が生じた場合、すべての熱源装置を運転することによって、出湯温度を設定温度に速やかに加熱することができるので、例えば、各熱源装置による出湯の加熱能力が限界に到達する都度、運転する熱源装置の台数を増やしていく方法に比べて、出湯温度を設定温度まで加熱するまでの時間を短縮できる利点も考えられる。

前述の如く、前記ボイラ連系システムはその構成要素として流量センサが必須である。然るに、流量センサは比較的高価であるので、これを必須要素として組み込むボイラ装置は、当然ながら、その装置コストが上昇してしまうデメリットがある。

そこで、本発明は、流量センサを構成要素とせず、出湯温度の設定温度までの加熱を短時間で実現できるボイラ装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、缶水を貯水する缶体と、前記缶水を加熱するバーナーと、缶水を前記缶体と缶体外部に連結される熱媒流通管との間で循環させるポンプと、前記熱媒流通管内を流れる缶水温度を測定する缶水温度測定用温度センサと、前記熱媒流通管の途中に取り付けられる熱交換器と、該熱交換器を介して接続される入水管および出湯管と、該出湯管内の水温を測定する出湯配管用温度測定用温度センサと、前記缶水温度測定用温度センサおよび出湯配管用温度測定用温度センサから測定温度情報を検出して、前記バーナーへの火力指令および前記ポンプの駆動／停止を制御するコントローラを備えて構成されるボイラを複数備え、前記出湯管内を流れる出湯を当該複数のボイラによって温度制御する構成であり、当該複数のボイラの１つがマスターボイラとして機能し、その他のボイラがスレーブボイラとして機能し、前記出湯管内を流れる出湯温度が設定温度になるよう、最初に、前記マスターボイラによって出湯温度が設定温度となるよう前記バーナーへの火力指令を制御し、当該マスターボイラの火力指令が上限に達したら、前記スレーブボイラの火力指令を同時に制御して、出湯管を流れる出湯温度を設定温度に早期に到達させることに特徴を有する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のボイラ装置において、前記出湯管内の出湯温度が設定温度に達した後は、前記スレーブボイラの運転台数を減少させて、出湯温度を設定温度に維持することに特徴を有する。

請求項1記載の発明によれば、高価な流量センサを使用することなく、出湯温度を設定温度に早期に到達させることが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、請求項1記載の効果に加え、出湯温度が設定温度に到達した後は、スレーブボイラの運転台数を減少させることによって、出湯温度を設定温度に維持することができる。

本発明のボイラ装置を構成するマスターボイラまたは各スレーブボイラの構成図である。 前記マスターボイラまたは各スレーブボイラの電気系統構成図である。 前記マスターボイラまたは各スレーブボイラの連結構成図である。 本発明に係るボイラ装置を構成するマスターボイラおよびスレーブボイラの火力指令制御と出湯温度の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図１乃至図４により説明する。図１は本発明のボイラ装置を構成する各ボイラ（マスターボイラまたはスレーブボイラ）Ａの構成を示している。

図１において、１は熱媒として利用するための水（缶水）を留めておく貯水缶であり、２は貯水缶１内に缶水を補給する補給管である。３は補給管２に設けられ、給水・止水を切り替える補給用電磁弁であり、後述する給水機能によって自動的に開閉制御され、貯水缶１内に一定量の水が常に貯められるよう制御される。

４は貯水缶１内部と連通し、貯水缶１内の缶水を、貯水缶１の外部で循環させる熱媒流通管であり、５は貯水缶１内と熱媒流通管４間で缶水を循環させるための循環用ポンプである。

６は熱媒流通管４に取り付けられた管水温度測定用の温度センサであり、７は熱媒流通管４上に設けられる熱交換器である。

８は貯水缶１の外部から、貯水缶１内の缶水を加熱するためのバーナーであり、９はバーナー８に燃料を供給するための燃料供給管を示している。１０は燃料供給管９に取り付けられ、バーナー８への燃料の供給と停止を切り換える燃料制御用電磁弁を示している。

１１はバーナー８に燃焼に必要とされる空気を供給する給気管であり、１２はバーナー８への空気の供給と停止を切り換えるための給気用電磁弁を示している。

１３は中途位置に前記熱交換器７を配置した入水配管であり、１４は入水配管１３に熱交換器７を介して接続される出湯配管を示している。１５は出湯配管１４に取り付けられ、出湯温度を測定する出湯配管温度測定用の温度センサを示している。

１６は後述する操作パネルからの指令信号や、温度センサ６，１５からの温度情報などを基に、ボイラ装置Ａを構成する電磁弁３，１０，１２や、貯水缶１内の水位を検出する図示しない水位センサ、バーナー８、循環用ポンプ５など、ボイラ装置Ａを構成する各種制御機器を制御するためのコントローラを示している。

なお、１７はコントローラ１６に指令信号を出力するリモコンであり、前記操作パネルと同様、ボイラ装置Ａを構成する各種制御機器を制御する目的で操作される。

図２は図１に示すコントローラ１６とその周辺機器の電気的な接続状態を説明する電気系統構成図である。図２に示すように、コントローラ１６は外部電源１８に接続される制御電源部１９と、該制御電源部１９から制御用電源の供給を受けて動作する制御部２０、および、制御部２０に指令信号を出力する操作パネル２１から概略構成されている。

操作パネル２１には、操作者が制御部２０に出力する指示情報を入力するための操作部をはじめ、各種表示部や設定部などが備えられている。

制御部２０は前記操作パネル２１以外にリモコン１７によっても制御指示されるものである。リモコン１７には別途、外部電源２２が供給されている。なお、リモコン１７の構成は、前述した操作パネル２１に具備される機能と概ね同様であるが、リモコン１７には、図２に示すように、複数台（図２では２台のみ表示）のボイラＡが接続されるため、１つのリモコンによって複数台のボイラＡの操作が可能となるスイッチ類などが別途具備されている。

操作パネル２１あるいはリモコン１７から指令信号や各種設定信号、あるいは、センサ接点２３に接続される温度センサ６，１５等の各種センサ情報が制御部２０に入力されると、制御部２０は、入力された設定情報に基づき各種設定を実行するとともに、入力された指令信号に従い制御機器２４を制御する。制御機器２４としては、図１に示す電磁弁３，１０，１２や、貯水缶１内の水位を検出する図示しない水位センサ、バーナー８、循環用ポンプ５などが挙げられる。

図３は、本発明のボイラ装置にかかる各ボイラ（マスターボイラ、スレーブボイラ）Ａが物理的にどのように接続されているかを図示したものである。図３に示すように、本発明のボイラ装置は、図１に示す構成のボイラＡが複数台（図３では４台）直列に接続されている。

つまり、図３に示すように、図１に示す出湯管１４に入水管１３を接続する図１に示すボイラＡと同構成のボイラ装置Ａが配置され、また、このように接続されたボイラ装置Ａの出湯管１４に入水管１３を接続した同構成のボイラ装置Ａがさらに接続されている。

このように、複数台のボイラＡを直列に接続することによって、複数台のボイラＡによって出湯温度が設定温度となるように制御されるのである。また、本発明では、複数台のボイラＡのうち一台をマスターボイラとし、その他をスレーブボイラとして機能させる。

どのボイラをマスターボイラまたはスレーブボイラとするかは様々な決定方法を取り得るが、例えば、最初に電源を入れたボイラをマスターボイラとして機能させても良い。このようにして一台のボイラがマスターボイラとして設定された場合、その他のボイラは自動的にスレーブボイラとして設定され機能する。

つづいて、本発明のボイラ装置の動作について説明する。まず、図３に示す各ボイラＡは、給湯需要に備えて、電源が入れられた段階で貯水缶１内に一定量の缶水を貯める。このとき、前述したとおり、例えば、最初に電源が入れられたボイラＡがマスターボイラＡ１として機能し、その他がスレーブボイラＡ２～Ａ４として機能する。

各ボイラＡ１～Ａ４の貯水缶１内の水位は、図示しない水位センサによって監視され、補給用電磁弁３の開閉を自動的に切り替える。缶水の水位レベルが基準水位より高水位となったときは補給用電磁弁３を閉じて止水し、低位置になったときに補給用電磁弁３を開いて貯水缶１内へ給水する（給水機能）。なお、当該給水機能に、水位の低位置を一定時間以上連続で検出した場合、給水弁異常と判定する機能を備えても良い。

また、各ボイラＡ１～Ａ４の貯水缶１内の缶水は、給湯需要に備えて、あらかじめ所定温度に温められる。具体的には、燃料制御用電磁弁１０が開放することにより、燃料供給管９を通して燃料をバーナー８へ送るとともに、給気用電磁弁１２を開くことにより燃焼用の空気をバーナー８へ送る。

その後、バーナー８を点火制御することによって、バーナー８の燃焼によって貯水缶１内の缶水を所定の温度まで温めておく。缶水温度が所定温度に達したか否かは、循環用ポンプ５を駆動させて、缶水は熱媒流通管４を通して循環させ、循環している缶水温度を、熱媒流通管４に取り付けた缶水温度測定用温度センサ６に検出し、検出結果をコントローラ１６の制御部２０へ送信することによって、制御部２０によって温度制御される。

以上の事前準備を給湯需要が生じる前段階で実施しておき、いざ給湯需要が生じた場合は、まず、マスターボイラＡ１一台で出湯温度を設定温度まで加熱する。出湯温度の制御としては、出湯温度制御機能と缶水温度制御機能の２つが存在する。

出湯温度制御機能は、循環ポンプ５の流量を制御し、出湯温度が設定温度になるように調整するものである。出湯温度は、出湯配管温度測定用温度センサ１５によって検出された測定温度情報をコントローラ１６の制御部２０に出力する。当該情報を受信した制御部２０は、さらに循環ポンプ５の流量を制御して出湯温度が設定温度に近づくよう制御する。以上の動作を繰り返すことによって、出湯温度を設定温度に調整する。

缶水温度制御機能は、バーナー８の火力を制御し、熱媒流通管４内を循環する缶水温度が設定温度より一定温度高い温度となるように調整するものである。熱媒流通管４内を循環する缶水温度は缶水温度測定用温度センサ６によって検出された測定温度情報をコントローラ１６の制御部２０に出力する。当該情報を受信した制御部２０は、さらにバーナー８の火力を制御して出湯温度が設定温度に近づくよう制御する。以上の動作を繰り返すことによって、缶水温度を設定温度に調整する。

以上の出湯温度制御を実行することによって、図１に示す入水管１３内の入水は熱交換器７によって設定温度まで加熱され出湯管１４から出湯される。このようにして設定温度に加熱された出湯は利用者の給湯需要に応える。

次に、以上の動作を実行している状況において給湯需要が増大した場合の動作について説明する。給湯需要が増大した場合、本発明のボイラ装置は、まず、マスターボイラＡ１単独で給湯需要に応えられる設定温度まで出湯温度を加熱する。

マスターボイラＡ１単独で設定温度まで出湯温度を加熱できた場合は、スレーブボイラＡ２～Ａ４は運転しない。然るに、マスターボイラＡ１の火力指令が上限に達っしてもなお出湯温度が設定温度に満たない場合、本発明では、図４に示すように、停止状態にあったスレーブボイラＡ２～Ａ４を同時に運転することで、出湯温度を設定温度まで一気に加熱する。

そして、出湯温度が設定温度に達した後は、スレーブボイラＡ２～Ａ４の運転台数を制御して、スレーブボイラＡ２～Ａ４の運転台数を減らし、出湯温度が設定温度に維持されるように制御する。

このとき、各ボイラＡ１～Ａ４の出湯温度制御は、前述した出湯温度制御機能および缶水温度制御機能によって実行される。当該機能を利用した出湯温度制御は、従来技術とは異なり、流量センサを必要とすることなく、給湯需要の増加に対応して出湯温度を設定温度まで加熱することができるので、装置コストを低減できる。

また、本発明においても、従来技術同様、マスターボイラＡ１の火力指令が上限に達した後、スレーブボイラＡ２～Ａ４を順番に運転開始して、運転状態のボイラ（熱源装置）の台数を増加していく方法と比較して、出湯温度を極めて短時間で設定温度まで加熱することができる。

なお、上記説明では、スレーブボイラの台数が３台の場合を例示して説明したが、本発明の範囲はこの台数に限定するものでないことは当然である。

以上説明したように、本発明のボイラ装置によれば、高価な流量センサを用いることなく、給湯需要が増大した場合においても、缶水用循環ポンプの流量を制御したり、バーナーの火力を制御したりすることによって、出湯温度を設定温度に調整することができ、さらに、設定温度までの調整時間を極めて短時間で行うことができる。

複数台のボイラから構成されるボイラ装置に適用可能である。

１ 貯水缶
２ 補給管
３ 補給用電磁弁
４ 熱媒流通管
５ 循環用ポンプ
６ 管水温度測定用温度センサ
７ 熱交換器
８ バーナー
９ 燃料供給管
１０ 燃料制御用電磁弁
１１ 給気管
１２ 給気用電磁弁
１３ 入水管
１４ 出湯管
１５ 出湯配管温度測定用の温度センサ
１６ コントローラ
１７ リモコン
１８，２２ 外部電源
１９ 制御電源部
２０ 制御部
２１ 操作パネル
２３ センサ接点
２４ 制御機器
Ａ ボイラ（マスターボイラＡ１，スレーブボイラＡ２）

Claims (2)

1. 缶水を貯水する缶体と、前記缶水を加熱するバーナーと、缶水を前記缶体と缶体外部に連結される熱媒流通管との間で循環させるポンプと、前記熱媒流通管内を流れる缶水温度を測定する缶水温度測定用温度センサと、前記熱媒流通管の途中に取り付けられる熱交換器と、該熱交換器を介して接続される入水管および出湯管と、該出湯管内の水温を測定する出湯配管用温度測定用温度センサと、前記缶水温度測定用温度センサおよび出湯配管用温度測定用温度センサから測定温度情報を検出して、前記バーナーへの火力指令および前記ポンプの駆動／停止を制御するコントローラを備えて構成されるボイラを複数備え、前記出湯管内を流れる出湯を当該複数のボイラによって温度制御する構成であり、当該複数のボイラの１つがマスタボイラとして機能し、その他のボイラがスレーブボイラとして機能し、前記出湯管内を流れる出湯温度が設定温度になるよう、最初に、前記マスタボイラによって出湯温度が設定温度となるよう前記バーナーへの火力指令を制御し、当該マスタボイラの火力指令が上限に達したら、前記スレーブボイラの火力指令を同時に制御して、出湯管を流れる出湯温度を設定温度に早期に到達させることを特徴とするボイラ装置。
2. 前記出湯管内の出湯温度が設定温度に達した後は、前記スレーブボイラを運転台数を減少させて、出湯温度を設定温度に維持することを特徴とする請求項１記載のボイラ装置。