JPS58221315A - 燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はバーナの燃焼量を段階的に制御する燃焼制御装
置に関するものである。

従来、バーナの燃焼量を制御する方式の物はバーナの点
火、消火によるオンオフ制御を行なうもの、燃料を多段
階に制御する多段制御式のもの、あるいは燃料を連続的
に制御する比例制御弁を応用した比例制御式のもの等が
あった。オンオフ制御式ではバーナのオンオフによる負
荷温度の脈動が大きく特にガス瞬間給湯機等では実用に
ならなかった。多段制御式は段数が多い程高精度の制御
が可能であるが弁機構やその制御が複雑高価なものとな
り、段数が少ない場合はオンオフ式と同様の欠点がある
。比例制御式は制御精度が非常によくなるが比例制御弁
が複雑な構成でありまだ高価でもある。さらにこの方法
では次に説明する様な３ページ 問題点もある。第７図に従来の比例制御弁をガス瞬間給
湯機に使用した例を示す。図でガスは入口１からガスガ
バナ２、比例制御弁３を通りバーナ４で燃焼する。水は
入口５から熱交換器６を通り給湯栓７から給湯される。

熱交換器６の出口に温度センサ８を設けこれで検出した
温度に応じて制御回路９から比例制御弁３の駆動信号を
出力する。

１０は排気口、１１はバーナ４に点火するだめの種火を
示す。一般に比例制御弁３は第８図に示すように弁１２
と弁座１３の間隙を電磁力やモータにより制御して流通
するガス流量ｙを制御する構成となっている。第９図に
この特性を示し横軸工は比例制御弁３の駆動信号で例え
ば電磁コイル電流等である。縦軸θはガス流量を示す。

弁１２と弁座１３の間隙りが信号量に応じて直線的に変
化した場合は流量Ｇは図の様に直線にはならない。

これは自動制御を行なう場合の制御性能を低下させる原
因となる。まだ第９図の特性は電磁駆動形の比例制御弁
の例であるが図のように往きと帰りが同一線上にとない
。これは磁気ヒステリシスに１横昭５８−２２１３１５
　（２） よるもので同じ信号量ｉであっても流量０は２１〜ｇ２
　　とばらつきを発生する。このように比例制御弁自体
にも問題があり制御システムとしても次のような問題が
ある。

例えば設定温度Ｗ５で使用していた場合、給湯量が４以
上になるとＷ１線上を移動し温度が低下する。反対にｇ
ｌ　　以下になるとＷ２線上を移動して温度が上昇する
。ここでＷｌ　の曲線は給湯機の能力曲線であるためや
むを得ないがＷ２はバーナにより最大燃焼量の％〜％程
度であり知らずにこの線に達すると火傷等の危険があり
流量が絞れない点で非常に不便であった。

本発明は上記のような従来の欠点を除去するもので簡単
な構成によりバーナの燃焼量を多段に制御する事により
比例制御と同等の性能を得るものである。

この目的を達成するために本発明は、バーナに燃料を供
給する燃料通路を複数個に分割し各々の燃料通路からの
ガスの供給をステッピングモータの回転角により制御す
る構成としたものである。

５ベーン この構成により比例制御に劣らない細やかな多段制御を
可能とし、さらに流量が直線的に変化する事やヒステリ
ミス°がなくなる等比例制御弁を使用した各種の問題点
も解消する事が可能となり幅広い制御を実現する。

以下本発明の一実施例を第１図から第６図を用いて説明
する。

第１図は本発明をガス瞬間湯沸器に応用したシステム図
である。この図では燃料通路１４を６分割（１４ａ、１
４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ）にした例を示す。

ガスは入口１から流入し、ガスガバナ２を通り流量１４
ｅを流通するガス流量と、弁ユニ・ノド１５へ通じる。

弁ユニット１６はコントローラ１６の信号により燃料通
路１４ａ〜１４ｄに対応した弁１７ａ〜１７ｂを開閉し
た合計のガス流量をバーナ４に供給する。

ここで燃料通路１４８〜１４ｅは各々にオリフィス１８
８〜１８ｅを有し各々の通路に流通するガス量を制限し
ている。このオリフィス１４ａ〜６ベージ １４ｄによる流量の制限量は各々の流量が２進化１０進
法で重み付けされた燃焼量となるように設計されている
。まだオリフィス１４８による流量の制限量はバーナ４
が燃焼可能な最少燃焼量（逆火や不完全燃焼をしない燃
焼量）を流通可能なように設計されている。今、バーナ
４の最大燃焼量が２ｏｏｏｏＫｃａＩ／ｈであるとする
。

この場合最少燃焼量はバーナの性能により異なるが最大
燃焼量の約％〜Ｚとなる。ここでは最少燃焼量を５００
０Ｋｃ　ａ　Ｉ／ｈとする。つまりオリフィス１８ｅは
５０００　Ｋｃ　ａ　Ｉ／ｈ流通する。残りの１５００
０ＫｃａＩ／ｈをオリフィス１８ａ〜１８ｄで分離され
ている。ここでは２進化１０進法により重み付けするだ
めオリフィス１８ａは１０００ＫｃａＩ／ｈ　。

１８ｂは２０００ＫｃａＩ／ｈ、　１　ｓ　ｃは４００
０　Ｋａ　ａ　Ｉ／ｈ−。

１８ｄは８０００ＫｃａＩ／ｈの流量を流通するように
設計されている。この構成により弁ユニット１６の切替
により６０００−２００００ＫｃａＩ／ｈまでを１００
０ＫｃａＩ外のステップで１６段階に燃焼量を制御可能
となる。この状態を次表に示す。

友 表で１は弁が開、０は弁が閉の状態である。ステップ数
を増加させる場合は通路１４ａ〜１４ｄの分割数を多く
すればよい。また最大燃焼量はオリフィス１８の設計に
より任意ば設定可能である。

水は入口から流入して熱交換器６で加熱され給湯栓７か
ら給湯される。８は給湯温度検知器でユニットロー２１
６に温度信号を送り、コントローラ１６は給湯流量に関
係なく温度検知器８の温度が常に一定温度になるように
弁ユニット１６を制御する。１０は排気筒を示す。

第２図は第１図のシステムの給湯特性を示す。

横軸　は給湯栓７からの給湯量、縦軸Ｔは給湯温度を示
し、Ｗｏは入口５からの給水温度を示す。

曲線Ｗ１はバーナ４の最大燃焼量特性でここではＱ　ｘ
　Ｔ　＝　２００００　Ｘ　ηＫａａＩ／ｈ　　一定と
なる。

（η＝湯沸器の効率）Ｗ２は最少燃焼量曲線でＱ　Ｘ　
Ｔ　＝　５０００Ｘ　ηＫｃａＩ／ｈ　　一定となる。

（以後説明を簡略化するためη−１として説明してゆく
） Ｗ３〜Ｗ６はコントローラ１６の設定温度に応じて９ペ
ージ 燃焼量を制御している状態である。温度制御は曲線Ｗ１
とＷ２の間であれば任意の温度の給湯が任意の量ででき
る。

また第１図の各々の弁１７ａ〜１７ｄはステッピングモ
ータ１９０回転により動作するカム２０ａ〜２ｏｄによ
り開閉制御される。第３図、第４図にこの具体構成を示
す。弁１７はスプリング２１により常に弁座２２に押圧
されている。また弁１７は操作棒２３が装着され○リン
グ２４でガスシールされて外部に引出されている。操作
棒２３は先端にローラ２５を有しカム２ｏに接している
。各々のカム２０　ａ〜２ｏｄはステッピングモータ１
９のシャフト２６に装着されステッピングモータ１９の
回転に応じて回転する。

この構成でステッピングモータ１９の回転に応じてカム
２０も回転し必要な操作棒２３を押上げて弁１７を弁座
２２から離す。この弁１７の開閉はステッピングモータ
１９の開閉角度により第２図のように開閉される。これ
により入口２７から流入したガスは必要な通路ｉ　４　
ａ〜１４ｄに供給１ｏベージ される。

操作棒２３はカム２ｏの凹凸に応じて上下動し、カム２
０の凹部に接した時弁１７ａは弁座２２ａに押圧され通
路１４ａにガスは供給しない。ローラ２６ｂがカム２０
の凸部に接した時に操作棒２３ｂをスプリング２１ｂの
力に抗して押し上げられ、弁１７ｂを弁座２２ｂから離
しガスを入口２７から通路１４ｂに供給する。カム２０
はシャフト２６の回転角度に応じて凹凸が変化し、弁１
了を開閉する。

第６図にこの動作を説明する。横軸θはステッピングモ
ータ１９の回転角度、縦軸ＣＡＭ１〜ＣＡＭ４は第４図
カム２０　ａ〜２０ｄに対応しておりその凹凸の状態を
示す。今回転角度θ−０°Ｃの時はＣＡＭ１〜ＣＡＭ４
共凹部であり、弁１７は全て閉じバーナ４オリフイス１
８ｅの流量で燃焼する。

ステッピングモータ１９が回転し、θ＝１００°Ｃにな
った時はＣＡＭｌ、ＣＡＭ３が凸部になり弁１７ａと１
７０が開く。これに接続されたオリフィス’ｊ、　８　
ａ　、　１８　ｃは第３図に示す重み付けされてい１１
べ〜ジ るだめ、ステップ惠５の１００００Ｋｃａｌ／ｈ　（７
）燃焼量トナル。θカ３００　’Ｃの時は全てのカムが
凸となり全ての弁１７を開くだめ２００００ＫｃａＩ／
ｈ　ｔＤ燃焼量となる。

第１図のコントローラ１６はその内部で温度センサ８で
検出した温度と、設定温度を比較してその差に応じた燃
焼量となるようにステッピングモータ１９の回転角度を
制御するものである。例えばセンサ８の温度が設定温度
よりも十分に低けれはモータ１９はθ−３００″Ｃとな
り最大燃焼となる。

センサ８の温度が設定温度に近ずくに応じてθは少なく
なってゆき設定温度になった時の回転角θで安定する。

ここで給湯栓７を開き流量を増加するとその温度低下を
検出してθを増加し燃焼量を増加させることにより元の
設定温度に戻す。以上は比例式フィードバックループ制
御で説明したがこれ以外に微分、積分を応用したＰＩＤ
制御等もコントローラ１６の構成にょシ任意に実現でき
る。

第６図に燃焼量の変化特性図を示す。横軸Ｓはコントロ
ーラ１６の信号で、回転角度θに対応す特開昭５８−２
２１３１５　（４）−’る。縦軸Ｇは燃焼量を示す。こ
こでは通路１４を４ブロツクに分割したため１６ステソ
プの階段状になっている。Ｇｏはオリフィス１８ｅを流
れる燃焼量を示す。必要に応じてブロック数を増減可能
でありブロック数Ｎと制御ステップ数ＧＮの関係は、Ｇ
Ｎ＝２　　で求まる。以上から任意の制御ステップで使
用できる。また各々ガス通路１４ａ〜１４ｄはオンオフ
制御されるため第９図のようにヒステリミスが全くなく
また第６図からも判るように信号Ｓに対して燃焼量Ｇは
直線的に変化するだめ（図の破線）制御ゲインカニ一定
となり安定した制御ができる。

尚本明細書の実施例で説明した以外のカム形状例えば平
板カムやローラ状のもの等積々の構成が考えられる。さ
らに操作棒２０にょシ弁１７を押す以外の方法２例えば
テコを利用したもの板バネを利用したもの、磁石の反発
を利用したもの等各種考えられる。また瞬間湯沸器以外
の燃焼機器の制御にも各種応用できるものである。また
オリフィス１８は弁座２２で兼ねることも容易である。

１３ベージ ロックの精度はバーナの分割数Ｎにより自由に選べるだ
めラフな制御から高精度制御まで目的に応じて設計でき
る。同時に信号変化とガス量の関係は平均的には直線変
化するだめ従来の比例制御弁のように部分的に傾斜が変
化する事がないため制御システムのゲインが変化しない
ので安定した制御が可能となる。同時に各弁は常に開が
閉であり途中で停止する事がないので第１２図の比例制
御弁のようにヒステリミスが全くなくなり高精度の制御
が可能となるという効果を有する。

まだ特有の効果として燃焼量の変化が連続的になり急激
に変人させた時に発生する鴫」的な空気不足や空気過剰
による一時的な不完全燃焼や爆発音がなく安全である。

例えば第７図でθ−。°Ｃがら急激に３００°Ｃに変化
させる場合でもモータは必ず２０°Ｃ２４０°Ｃ，ｅ○
°Ｃ・・・・・・と変化してゆき３００′Ｃに至る構成
であるため燃焼量は徐々に増加してゆく。

またステッピングモータはディジタル制御信号１４ベー
ノ で駆動可能であるためコントローラをマイクロコンピュ
ータ等で構成する場合は従来の比例制御弁のように複雑
なり／Ａ変換回路を必要とせず、まだ燃焼量が安定時に
は電気を消費しないため省エネルギーとなる。

このように種々の有用な効果を有するものであり工業価
値大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における燃焼制御装置をガス
瞬間湯沸器に応用した例を示すシステム図、第２図は湯
沸器の制御特性図、第３図、第４図は弁ユニットの具体
構成例を示す要部断面図、正面図、第６図はカムの動作
特性図、第６図は燃焼制御特性図、第７図は従来の比例
制御式ガス瞬間湯沸器のシステム図、第８図は従来の比
例制御弁の要部正面図、第９図はその動作特性図である
。 ４・・・・・・バーナ、８・・・・・・温度検知器、１
４ａ。 １４ｂ　１４Ｃ１４ｄ　１４ｅ・・・・・・燃料通路、
１６ｍ＠＠＠＊＠コントローラ、１７ａ、１７ｂ、１７
ｃ。 １−ｒ　ｄ−−−−−−弁、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、
１８ｄ。 １８ｅ０１１・・・オリフィス、１９・・Ｑ■・ステッ
ピングモータ、２０・・・・・・カム、２３１Ｉ・拳拳
會・操作棒。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第２
図 □Ｏ ３図 第６図 □Ｓ 第８図 第９図 →Ｔ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料を燃焼するバーナと、前記バーナへ燃料を供
   給する複数個に分割された燃料通路と、前記各々の燃料
   通路を断続する弁と、前記弁の開閉を制御するカム機構
   と、前記カム機構を駆動するステッピングモータと、前
   記ステッピングモータの回転を制御するコントローラを
   有する燃焼制御装置。 （→　複数個に分割された燃料通路は、各々の燃料通路
   を流通する燃料流量が２進化１０進法による重み付けと
   なる構成のオリフィスを有する特許請求の範囲第１項記
   載の燃焼制御装置。 （曇　カム機構は、ステッピングモータの回転角に応じ
   て各々の弁を２進論理コードに従って開閉駆動する構成
   とした特許請求の範囲第２項記載の燃焼制御装置。 （４コントローラは、バーナにより加熱される被２ペー
   ジ 加熱物の温度を検出する温度検知器の信号に応じてステ
   ッピングモータを駆動する信号を出力する構成とした特
   許請求の範囲第１項あるいは特許請求の範囲第２項記載
   の燃焼制御装置。