JPH1194244A

JPH1194244A - 燃焼装置

Info

Publication number: JPH1194244A
Application number: JP27204297A
Authority: JP
Inventors: Masato Kondo; 正登近藤
Original assignee: Gastar Co Ltd
Current assignee: Gastar Co Ltd
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】最適の空燃比を、温度や気圧の影響を受けず
に、高精度で実現することができる燃焼装置を提供す
る。【解決手段】ガス配管系６に、流量制御弁１０ととも
にホットワイヤ式の流量センサ２０Ａが設けられてい
る。制御部５０は、この流量センサ２０Ａでのガスの検
出流量が、要求燃焼熱量に対応する目標ガス流量と一致
するように、流量制御弁１０を制御する。また、ファン
４による空気流量が、同じくホットワイヤ式の流量セン
サ２０Ｂで検出される。制御部５０は、この検出流量が
目標空気流量と一致するように、ファン４を回転制御す
る。この目標空気流量は、上記要求燃焼熱量または目標
ガス流量に応じて決定され、これにより、最適の空燃比
を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼制御を高精度
に行うことができる燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な給湯装置（燃焼装置）では、缶
内に熱交換器とガスバーナを収容し、ガスバーナにガス
配管系を介してガスを供給する一方、ファン駆動により
ガスバーナに燃焼用の空気を供給している。熱交換器に
は給湯配管系が通っており、上記ガスバーナでの燃焼熱
により熱交換器を加熱し、給湯配管系を通る水を加熱す
ることにより、湯を供給している。

【０００３】従来では、このガス供給を比例弁によって
制御している。この比例弁は、元圧の変化に影響される
ことなく、供給電流値に比例したガス圧を供給するもの
である。詳述すると、給湯配管系を通る水の量，入水温
度，出湯温度，設定温度等に基づいて演算された要求燃
焼熱量に応じて、比例弁への供給電流値が決定され、こ
の電流値に比例した圧のガスが供給される。しかし、こ
の制御方法は、ガス圧制御であり、燃焼熱量と１対１の
対応関係にある質量流量の制御ではない。そのため、気
圧やガス温度の影響により、制御の精度が変動する欠点
がある。また、従来では、上記供給ガス量に見合った空
気量を供給して最適空燃比が得られるように、ファンの
回転数が制御される。すなわち、ファンには回転センサ
が設置されており、この回転センサで検出される回転数
が、目標回転数に一致するように、ファン制御が行われ
る。この目標回転数は、供給ガス量に対して最適空燃比
になるような目標空気量に対応するものである。しか
し、この回転センサで検出される回転数と、供給空気の
質量流量との関係は、気圧やガス温度の影響を受けて変
動するため、最適の空燃比が高精度に得られない欠点が
ある。

【０００４】他方、実願平５−１４７０７号に開示され
た給湯装置では、上記ガス配管系にホットワイヤ式の流
量センサを設け、この流量センサでの検出信号に基づき
ガス種判別を行い、要求燃焼熱量とガス種に基づいて目
標ガス流量を演算し、流量センサでの検出流量がこの目
標流量に一致するように、比例弁を制御している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記公報のホットワイ
ヤ式の流量センサは、質量流量を検出でき、燃焼制御を
高精度に行える利点があるが、この利点を最大限に生か
すよう、さらなる工夫が望まれていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、バー
ナにガスを供給するガス配管系に設けられた流量センサ
および流量制御弁と、この流量センサで検出されるガス
流量が要求燃焼熱量に対応する目標ガス流量と一致する
ように、上記流量制御弁を制御する制御部とを備えた燃
焼装置において、上記流量センサとして、発熱体と温度
センサとを備えた質量流量を検出可能な流量センサが用
いられ、ファン駆動によりバーナへ供給される空気の流
量検出にも、発熱体と温度センサとを備えた質量流量を
検出可能な他の流量センサが用いられており、上記制御
部は、当該他の流量センサで検出される空気流量が、上
記要求燃焼熱量，目標ガス流量，検出ガス流量に対応し
た目標空気流量と一致するように、上記ファンの回転を
制御することを特徴とする。

【０００７】請求項２の発明は、バーナにガスを供給す
るガス配管系に設けられた流量センサおよび流量制御弁
と、この流量センサで検出されるガス流量が要求燃焼熱
量に対応する目標ガス流量と一致するように、上記流量
制御弁を制御する制御部とを備えた燃焼装置において、
上記流量センサとして、発熱体と温度センサとを備えた
質量流量を検出可能な流量センサが用いられ、上記流量
制御弁は、弁体と、この弁体を移動させるモータとを備
え、上記制御部は、上記流量制御弁の弁体の位置と上記
流量センサでの検出ガス流量との関係に基づいて、流量
制御弁より上流側のガスの元圧を検出することを特徴と
する。

【０００８】請求項３の発明は、請求項２に記載の燃焼
装置において、上記ガス配管系には開閉弁が設けられて
おり、上記制御部は上記ガスの元圧が閾値より低い時
に、この開閉弁を閉じることを特徴とする。請求項４の
発明は、請求項２または３に記載の燃焼装置において、
上記流量制御弁の弁体の移動量と、この流量制御弁を流
れるガス流量とが、ほぼリニアな関係を有していること
を特徴とする。請求項５の発明は、請求項４に記載の燃
焼装置において、上記流量制御弁の弁体が弁座に対して
直線的に移動するように構成され、上記弁体と弁座との
間の流通断面積が弁体のリフト量とほぼリニアな関係と
なるように、弁体の径が先端に向かって小さくなるとと
もに、その周面と弁体の軸線とのなす角が先端に向かっ
て大きくなっていることを特徴とする。請求項６の発明
は、請求項１〜５のいずれかに記載の燃焼装置におい
て、上記流量制御弁の弁ケースの継手部に上記ガス流量
検出のための流量センサが組み込まれていることを特徴
とする。請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに
記載の燃焼装置において、上記制御部は、上記ガス流量
検出のための流量センサからの検出信号に基づいてガス
種類を判別することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１に示すように、給湯
装置（燃焼装置）は、缶１の下部にバーナ２を収納し、
上部に熱交換器３を収納することにより、構成されてい
る。上記バーナ２の近傍には点火機構（図示しない）が
配置されている。バーナ２へガスを供給する手段は、ガ
ス配管系６と、このガス配管系６に設けられた電磁開閉
弁７（開閉弁）と流量制御弁１０と流量センサ２０Ａと
を有している。

【００１０】上記熱交換器３は、多数の薄肉のフィンプ
レート３ａを有しており、このフィンプレート３ａに、
給湯配管系３０の受熱管３１が貫通している。この受熱
管３１の入口端には、給水管３２が接続され、出口端に
は給湯管３３が接続されている。給湯管３３の末端には
開閉栓３４が設けられている。給水管３３にはフローセ
ンサ３５と、入水温度センサ３６が設けられ、給湯管３
３には出湯温度センサ３７が設けられている。

【００１１】上記缶１の底部には、燃焼空気を供給する
ためのファン４が設けられている。ファン４の吐出口近
傍には流量センサ２０Ｂが設置されている。さらに給湯
装置は、制御部５０とを有している。この制御部５０
は、電磁開閉弁７，流量制御弁１０、ファン４、点火機
構等を制御するものである。この制御部５０は、上記フ
ローセンサ３５，温度センサ３６，３７，流量センサ２
０Ａ，２０Ｂからの検出信号を受けて、上記制御を行
う。

【００１２】図２に示すように、流量制御弁１０は、弁
ケース１１と弁体１２とステッピングモータ１３とギア
機構１４（変換機構）を、基本構成要素として備えてい
る。弁ケース１１は、管形状をなす上流側継手部１１ａ
と下流側継手部１１ｂとを有しており、それぞれがガス
管に接続されることにより、ガス配管系６に組み込まれ
ている。

【００１３】上記弁ケース１１には弁座１５が形成され
ており、この弁座１５に対して上記弁体１２が直線的に
移動するようになっている。弁体１２はシャフト１６を
介して上記ギア機構１４に連なっている。ステッピング
モータ１３の出力軸１３ａもギア機構１４に連なってい
る。ステッピングモータ１３の回転は、ギア機構１４を
介してシャフト１６の軸方向への直線移動ないしはこの
直線移動を含む螺旋運動に転換され、これにより弁体１
２のリフト量が制御され、ひいては弁体１２と弁座１５
との間の流通断面積が制御される。

【００１４】上記弁体１２の形状について詳述する。こ
の弁体１２は、断面円形であり、その径が、先端に向か
って小さくなっており、その周面と弁体１２の軸線との
なす角が先端に向かって大きくなっている。換言すれ
ば、弁体１２の軸方向をＸ軸とし、径をＹ軸とした時、
弁体１２の径は、Ｘ座標（先端側をゼロ座標とする）の
５乗根で表わされる。これにより、弁体１２と弁座１５
との間の流通断面積は、弁体１２のリフト量（ストロー
ク量）とほぼリニアな関係になる。流通制御弁１５によ
り制御されるガス流量は、この流通断面積とほぼリニア
な関係にあるから、このガス流量は、弁体１２のリフト
量とほぼリニアな関係にあり、ひいては、制御部５０か
らステッピングモータ１３への制御値とほぼリニアな関
係となる。換言すれば、ステッピングモータ１３への供
給パルス数とほぼリニアにガス流量を調節することがで
きる。

【００１５】上記弁ケース１１の上流側継手１１ａには
バイパス通路１１ｘが形成されている。この継手１１ａ
には、このバイパス通路１１ｘの入口と出口の間に位置
して、流通抑制板１１ｙが配置されていて、バイパス通
路１１ｘへのガス流通を保証している。バイパス通路１
１ｘには、上記流量センサ２０Ａが配置されている。こ
の流量センサ２０Ａにより、バイパス通路１１ｘのガス
流量を検出し、ひいては、流量制御弁１０を通過するガ
スの流量を検出するようになっている。

【００１６】上記流量センサ２０Ａは、ホットワイヤ式
と称されているものであり、図３（ａ）に示すように、
シリコンチップ２１と、その中央にプリント印刷された
発熱体２２と、その両側に離れてプリント印刷された温
度センサ２３，２４とを有している。これら発熱体２
２，温度センサ２３，２４は、矢印で示すガスの流れ方
向に並んでいる。温度センサ２３，２４は、ブリッジ回
路に組み込まれている。

【００１７】上記流量センサ２０Ａの出力値Ｖ_OUTは、
次式で表される。Ｖｏｕｔ＝Ａ（Ｉｓ）^1/4＋Ｂ・・・（１）ここで、Ａ，Ｂは気体の物性例えばＣｐ：熱伝導率によ
る定数であり、Ｉｓは流量である。ガスが流れていない
時（流量Ｉｓ＝０の時）には、発熱体２２を中心とした
温度分布となり、温度センサ２３，２４の抵抗値は等し
い（検出温度は等しい）。そのため、上記出力値Ｖｏｕ
ｔは回路によって決まる定数Ｂと一致する。ガスが流れ
ると温度分布がくずれ、温度センサ２３，２４の抵抗値
が異なってくる（検出温度が異なる）。したがって、上
記出力Ｖｏｕｔは、この温度センサ２３，２４の抵抗差
に相当する値、すなわち、上記式（１）に示すように、
流量Ｉｓに対応する値を示すことになる。また、図３
（ｂ）に示されるように、発熱体２２から奪われる熱量
から流速を求めてもよい。図３（ｂ）は、チップ抵抗１
／２Ｗタイプに３００ｍＷかけて発熱させた例である。
なお、ファン４からの空気流量を検出する流量センサ２
０Ｂも同じ構成をなしている。

【００１８】次に、上記構成の給湯装置の作用について
説明する。給湯栓３４を開くと、給水管３２，受熱管３
１，給湯管３３の順に水が流れる。給水管３２に設けら
れたフローセンサ３５がこれを検出し、この検出信号に
応答して制御部５０が、電磁開閉弁７を開くとともに点
火動作を行うことにより、バーナ２での燃焼が開始され
る。その結果、フィンプレート３ａが加熱され、ひいて
は受熱管３１を通る水が加熱され、湯となって給湯栓３
４から吐出される。

【００１９】上記制御部５０は、次のようにして、流量
制御弁１０およびファン４を制御する。まず、フローセ
ンサ３５で検出された通水量と、入水温度センサ３６で
検出された入水温度と、設定温度に基づいて、出湯温度
を設定温度にするために必要とする推定必要燃焼熱量す
なわちフィードフォワード成分を演算する。また、出湯
温度センサ３７で検出された出湯温度と設定温度の偏差
に基づくＰＩＤ演算により、フィードバック成分を演算
する。そして、これらフィードフォワード成分とフィー
ドバック成分を加算して、要求燃焼熱量を演算する。

【００２０】上記制御部５０は、この要求燃焼熱量とガ
ス種により、供給すべきガスの目標流量を演算し、上記
流量センサ２０Ａによる検出流量と、この目標流量との
差に基づきＰＩ演算を行い、上記流量制御弁１０のステ
ッピングモータ１３の制御を行う。これにより、検出流
量が目標流量と一致し、ひいてはバーナ２で要求燃焼熱
量を得るための燃焼を実行でき、出湯温度を設定温度に
一致させることができる。

【００２１】上記燃焼制御において、流量センサ２０Ａ
は、ホットワイヤ式であり、質量流量を検出することが
できるので、気圧やガス温度（環境温度）に影響され
ず、ひいては、このガスの質量流量に基づいて、必要燃
焼熱量を高精度で実現することができる。また、上記ガ
ス流量は、弁体１２のリフト量とほぼリニアな関係を有
しているので、ガス流量の大小にかかわらず、同程度の
高精度な流量制御を実行することができ、ひいては、燃
焼熱量の大小にかかわらず、高精度な燃焼制御を実行す
ることができる。

【００２２】なお、本実施形態では、上記流量センサ２
０Ａによりガス種も判別している。すなわち、給湯装置
を現場に設置して最初の給湯燃焼を実行する際に、架空
のガス種を設定しておき、上記と同様に給湯燃焼制御を
行う。そして、出湯温度が設定温度に一致して安定した
時に、要求燃焼熱量と流量センサ２０Ａでの検出流量と
の比により、ガス種を判別する。ガス種判別後には、こ
の選択されたガス種と要求燃焼熱量により、上記目標ガ
ス流量を決定するのである。具体的には、入水温度セン
サ３６で検出される温度Ｔ_1N，出湯温度センサ３７で検
出される温度Ｔ_OUT，フローセンサ３５で検出される流
量Ｑから次式が成立する。Ｙ＝（Ｔ_OUT−Ｔ_IN）Ｑ×６０なお、Ｔ_OUT，Ｔ_IN＝°Ｃ，Ｑ＝ｃｃ／ｍｉｎである。
上記の式で、Ｙ（ｃａｌ／ｈすなわち１時間当たりのカ
ロリー）が求まる。この時のガス流量がＸｍ³Ｎである
場合、Ｙ／ＸＺを求めることにより、ガス種を特定する
（Ｚは０．８等、熱効率を表す値）。具体的には、出湯
温度４０°Ｃ，入水温度１５°Ｃ，流量１６リットル／
ｍｉｎとすると、Ｙ＝（４０−１５）×１６０００×６０＝２４０００Ｋ
ｃａｌ／ｈしたがって、Ｙ／Ｚ＝２４０００Kcal／h÷０．８＝３００００Kcal
＝１２５.７MJ この時のガス量が２.７３ｍ³Ｎとすると、Ｙ／ＸＺ＝１２５.７／２.７３＝４６.０ＭＪ／ｍ³Ｎこのようにして４６.０ＭＪ／ｍ³Ｎのガスが流れている
ことが分かる。これを図４に示す記憶データを参照する
ことにより、ガス種が「１３Ａ」であることが判別す
る。なお、このガス種判別は、定期的に行ってもよい
し、長期不使用の後に行ってもよい。

【００２３】上記制御部５０は、流量制御弁１０のみな
らず、ファン４の回転制御を同時に実行している。詳述
すると、上記要求燃焼熱量とガス種に基づき、または目
標ガス流量とガス種に基づき、または検出ガス流量とガ
ス種に基づき、最適空燃比が得られるように、目標空気
流量（目標風量）を演算する。そして、流量センサ２０
Ｂで検出された空気流量（検出風量）が、この目標風量
に一致するように、ファン４の回転数をフィードバック
制御する。

【００２４】上記のように、要求燃焼熱量に基づいて、
目標ガス流量と目標風量が演算され、それぞれに検出ガ
ス流量と検出風量が一致するように、流量制御弁１０と
ファン４とが制御される。したがって、空気供給量をガ
ス供給量に対して最適比率（ガス種によって異なるが、
例えばガス供給量の１．５倍またはその近傍）にするこ
とができ、最適空燃比で燃焼を行うことができる。しか
も、検出風量は検出ガス量と同じく質量流量であるた
め、供給空気量と供給ガス量の比を気圧や温度に影響さ
れずに高精度で最適比率にすることができ、良好な燃焼
を確保することができる。

【００２５】上記制御部５０は、ガス元圧（流量制御弁
１０の上流側の圧力）の低下に対して、安全を確保する
ことができる。詳述すると、上記制御の最中に、出湯温
度が設定温度に一致して安定した状態にある時、流量制
御弁１０の弁体１０のリフト量（位置）を、ステッピン
グモータ１３への制御値（供給パルス数）または、ギア
機構１４に設けたポテンショメータ（図２において符号
６０で示す）で検出し、これと目標ガス流量との比を演
算し、この比から元圧を演算する。この演算された元圧
が閾値を下回った時には、電磁開閉弁７を閉じて、ガス
供給を遮断する。この際、警報を発してもよい。なお、
閾値はガス種によって異なる。

【００２６】本発明は上記実施形態に制約されず、種々
の実施形態を採用可能である。例えば、上記流量制御弁
は、ステッピングモータではなく通常のモータを用いて
もよい。弁体を軸方向に直線移動させる代わりに、回動
させてもよい。この場合、弁ケースのポートと弁体の通
孔との重なり部が開度（流通断面積）を決定する。弁体
の回動量と開度との関係をリニアにしてもよい。ホット
ワイヤ式の流量センサとして、発熱体と温度センサを１
つずつ備えたものであってもよい。この場合、発熱体が
抵抗としてブリッジ回路に組み込まれ、温度センサが温
度補償に用いられる。ファンは熱交換器の下流側に配置
されていてもよい。この場合、ファンの吸気作用により
バーナに燃焼用空気が供給される。空気のための流量セ
ンサは、ファン出口でなく排気通路に設けてもよく、空
気の給，排気流路のいずれかの場所にあればよい。ま
た、直接流量を測定するのではなく、図１の想像線で示
すように、バイパス流路８０を設けて間接的に流量を測
定してもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、ファンにより供給される燃焼用空気の流量を流
量センサで検出し、この検出流量に基づきファンを回転
制御すること、および、検出される空気流量が検出ガス
流量と同じく質量流量であることにより、温度や気圧の
影響を受けずに、最適な空燃比を高精度で得ることがで
きる。請求項２の発明によれば、弁体位置と検出ガス流
量とにより、ガスの元圧を監視することができる。請求
項３の発明によれば、ガス元圧が閾値を下回った時にガ
ス供給を遮断することにより、安全を確保することがで
きる。請求項４の発明によれば、弁体の移動量とガス流
量との関係がほぼリニアであるので、ガス流量の多寡に
よらず、高精度でガス流量の制御を行うことができる。
請求項５の発明によれば、弁体の形状を工夫することに
より、弁体の移動量とガス流量とのほぼリニアな関係を
容易に得ることができる。請求項６の発明によれば、流
量センサが流量制御弁に組み込まれているので、構成の
簡略化，小型化を図ることができる。請求項７の発明に
よれば、流量センサをガス種の判別に用いることがで
き、ガス種に応じて請求項１〜７の作用効果を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる給湯装置の全体構
成を示す概略図である。

【図２】同給湯装置に組み込まれたガス流量制御弁の構
成を示す概略図である。

【図３】（ａ）はガス流量検出に用いられるホットワイ
ヤ式流量センサの平面図であり、（ｂ）は他の態様をな
す流量センサの回路図である。

【図４】ガス種を判別するためのデータを表す図であ
る。

【符号の説明】

２バーナ４ファン６ガス配管系７開閉弁１０流量制御弁１１弁ケース１１ａ継手部１２弁体１３モータ１４ギア機構１５弁座２０Ａ，２０Ｂ流量センサ２２発熱体２３，２４温度センサ５０制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナにガスを供給するガス配管系に設
けられた流量センサおよび流量制御弁と、この流量セン
サで検出されるガス流量が要求燃焼熱量に対応する目標
ガス流量と一致するように、上記流量制御弁を制御する
制御部とを備えた燃焼装置において、上記流量センサとして、発熱体と温度センサとを備えた
質量流量を検出可能な流量センサが用いられ、ファン駆
動によりバーナへ供給される空気の流量検出にも、発熱
体と温度センサとを備えた質量流量を検出可能な他の流
量センサが用いられており、上記制御部は、当該他の流量センサで検出される空気流
量が、上記要求燃焼熱量，目標ガス流量，検出ガス流量
のいずれかに対応した目標空気流量と一致するように、
上記ファンの回転を制御することを特徴とする燃焼装
置。
【請求項２】バーナにガスを供給するガス配管系に設
けられた流量センサおよび流量制御弁と、この流量セン
サで検出されるガス流量が要求燃焼熱量に対応する目標
ガス流量と一致するように、上記流量制御弁を制御する
制御部とを備えた燃焼装置において、上記流量センサとして、発熱体と温度センサとを備えた
質量流量を検出可能な流量センサが用いられ、上記流量制御弁は、弁体と、この弁体を移動させるモー
タとを備え、上記制御部は、上記流量制御弁の弁体の位置と上記流量
センサでの検出ガス流量との関係に基づいて、流量制御
弁より上流側のガスの元圧を検出することを特徴とする
燃焼装置。
【請求項３】上記ガス配管系には開閉弁が設けられてお
り、上記制御部は上記ガスの元圧が閾値より低い時に、
この開閉弁を閉じることを特徴とする請求項２に記載の
燃焼装置。
【請求項４】上記流量制御弁の弁体の移動量と、この
流量制御弁を流れるガス流量とが、ほぼリニアな関係を
有していることを特徴とする請求項２または３に記載の
燃焼装置。
【請求項５】上記流量制御弁の弁体が弁座に対して直
線的に移動するように構成され、上記弁体と弁座との間の流通断面積が弁体のリフト量と
ほぼリニアな関係となるように、弁体の径が先端に向か
って小さくなるとともに、その周面と弁体の軸線とのな
す角が先端に向かって大きくなっていることを特徴とす
る請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項６】上記流量制御弁の弁ケースの継手部に上
記ガス流量検出のための流量センサが組み込まれている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃焼
装置。
【請求項７】上記制御部は、上記ガス流量検出のため
の流量センサからの検出信号に基づいてガス種類を判別
することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の
燃焼装置。