JP3786061B2 - ガス燃焼装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はガス燃焼装置に関し、より詳細には、バーナへの燃料ガスの供給路に燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えたガス燃焼装置において、バーナに供給される燃料ガスのガス種や成分などに応じた燃焼制御を行わせるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
給湯器や風呂釜などガスを燃料とするガス燃焼装置においては、バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えてなり、制御手段が上記ガス流量制御弁の弁開度を調節して燃焼運転（燃焼制御）を行うように構成されたガス燃焼装置が提案されている。
【０００３】
ところで、このようなガス燃焼装置に使用される燃料ガスには、いわゆる都市ガス（１２Ａや１３Ａなど）やプロパンガス等種類の異なるガスが複数あり、これらはガス種毎に成分が相違し、単位流量当たりの発熱量も相違する。
【０００４】
そのため、この種の燃焼装置では、当該装置に供給されるガス種を予め特定してやらなければ上記制御手段が適切な燃焼制御を行うことができないので、従来のガス燃焼装置においては、装置の設置に際して作業員が上記制御手段に対して手作業（ディップスイッチの操作など）でガス種の設定を行っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の構成よりなるガス燃焼装置では以下のような問題がありその改善が望まれていた。
【０００６】
すなわち、従来のガス燃焼装置のように、ガス種の設定を作業員の手作業で行う構成では装置設置時の作業が煩雑であるとともに、作業員の操作ミスによってガス種が誤って設定されるおそれがあった。
【０００７】
しかも、ガス燃焼装置に供給される燃料ガスは、同じガス種であっても当該燃料ガスを供給するガス供給源（ガス会社）によってその成分が微妙に異なり、そのため設置時にガス種の設定操作を正確に行っても予定どおりの燃焼性能を得ることができない場合があった。つまり、たとえばガス種が１３Ａである場合、ガス燃焼装置の製造者側が予定した１３Ａガスと、実際にガス燃焼装置に供給される１３Ａガスの成分が相違すると単位流量当たりの発熱量が相違するため、制御手段が正常に作動しても予定どおりの燃焼性能を得ることができないという問題があった。
【０００８】
その上、バーナに供給する燃料ガスをガス流量制御弁で調節する構成では、バーナに与えられる燃料ガスの供給量がガス流量制御弁の一次側のガス圧（一次ガス圧）の変動によって左右されるため、安定した燃焼運転を行わせるのが困難であるという問題もあった。
【０００９】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ガス種の設定を容易かつ正確に行うことができ、さらには使用するガスの発熱量や一次ガス圧に応じた適切な燃焼制御を実現し得るガス燃焼装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のガス燃焼装置は、バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと、燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えるとともに、前記ガス流量制御弁の弁開度を調節する制御手段を備えたガス燃焼装置において、バーナに供給される燃料ガスの発熱量を測定する発熱量測定手段を備え、前記制御手段が、所定のトリガを受け付けた際に、前記ガス流量制御弁を所定の開度となるよう開弁させ、その時のガス発熱量を前記発熱量測定手段で獲得するステップと、前記発熱量測定手段で獲得したガス発熱量と弁開度とを基にして、ソフトウェア上の処理によって、これらの相関関係を示す特性図中に基準点を置き、この基準点と前記特性図の原点とを結んだ相関線を作成して、そのデータを記憶手段に記憶させるステップとを実行する制御構成を有することを特徴とする。
【００１１】
そして、請求項２に記載のガス燃焼装置は、前記請求項１に記載のガス燃焼装置がガス給湯器であって、前記バーナによって加熱される熱交換器への入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記熱交換器で加熱された温水の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記熱交換器への入水量を検出する入水量検出手段とを備えてなり、前記発熱量測定手段は、これら各検出手段の検出値と前記熱交換器の熱交換効率とに基づいてバーナに供給される燃料ガスの発熱量を演算することを特徴とする。
【００１２】
そして、請求項３に記載のガス燃焼装置は、前記請求項１または２に記載のガス燃焼装置において、前記所定のトリガが、ガス燃焼装置に対して試運転の開始を指示する試運転開始要求信号であることを特徴とする。
【００１３】
なお、ここで発熱量とは、特に示さない限りバーナに供給される燃料ガス自体の発熱量、つまりいわゆるインプット側の発熱量を意味するものとする。したがって、熱交換器等の熱交換手段で被加熱媒体に実際に与えられた熱量（アウトプット側）の発熱量とは相違する（以下においても同様とする）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明のガス燃焼装置を給湯器に適用した場合を示している。図示のように、給湯器１は本体内にガスを燃料とするバーナ２を備えてりおり、このバーナ２の上方にはバーナ２によって加熱可能とされた熱交換器３が設けられ、下方にはバーナ２への給排気を行うための送風ファン４が設けられている。図中符号１５で示すのは燃焼排気用の排気集合筒である。
【００１６】
熱交換器３の入水側には給水管５が接続されるとともに、出湯側には出湯管６が接続されている。上記給水管５には、熱交換器３への入水温度を検出する入水温度センサ（入水温度検出手段）７と、入水量を検出する水量センサ（入水量検出手段）９とが設けられており、また出湯管６には、上記熱交換器３で加熱された温水の出湯温度を検出する出湯温度センサ（出湯温度検出手段）８が設けられている。
【００１７】
一方、バーナ２には該バーナ２に燃料ガスを供給するためのガス管１０が接続されている。このガス管１０はガス供給源（たとえば都市ガスであれば都市ガス供給用のガス配管、プロパンガスであればガスボンベなど）と接続されており、上記バーナ２への燃料ガスの供給路を構成している。
【００１８】
このガス管１０には、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサ１１と、バーナ２に供給される燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁１２とが設けられている。
【００１９】
流量センサ１１は、ガス管１０内を流れる流体の質量流量を検出するセンサであって、この流量センサ１１としては、たとえばヒータを挟んだ上下両側に温度センサを搭載して該温度センサ間の出力値の差から流体の質量流速を測定する熱式質量センサが用いられる。
【００２０】
ガス流量制御弁１２は、たとえばニードル弁などのように弁体を作動させて弁座の開口面積を変化させることにより流量を制御する制御弁であって、具体的には図２に示すように、ガス管１０に弁座１００を設け、この弁座１００に対して駆動機構（図示例ではステッピングモータ１０１）によって進退動作可能な針状の弁体１０２を進退動作させることにより、弁座１００を通過するガスの流量を制御するように構成されている。
【００２１】
つまり、本実施形態では、上記ステッピングモータ１０１のステップ数（ステップ量）で弁体１０２の弁開度を設定し、これによりバーナ２に供給される燃料ガスの供給量の調節を行うように構成されている。なお、上記ステッピングモータ１０１は、後述する給湯器１のコントローラ（制御手段）１３から与えられる制御信号によって作動するよう構成されている。図中符号Ｇで示す矢符は、バーナ２に供給される燃料ガスの流れを模式的に示している。
【００２２】
このガス流量制御弁１２の選定にあたっては、給湯器１で使用が予想されるガス種のうち単位発熱量が最も低いガスを使用した場合でも、当該ガスでの最大燃焼に必要な弁開度が得られるステッピングモータ１０１を搭載した流量制御弁が用いられる。つまり、本発明のガス燃焼装置は、後述するようにバーナ２供給される燃料ガスの特性を機器自身が判別して燃焼制御を実行するように構成されているので、使用が予想されるガス種であればどのガスが供給されても最小燃焼から最大燃焼までの調節を行いうるようにガス流量制御弁１２が選定される。
【００２３】
コントローラ１３は、給湯器１の各部の動作を制御するための制御手段であって、具体的には所定の記憶装置（記憶手段）を備えた制御用のマイクロコンピュータを有して構成されている。このコントローラ１３には、図１に示すように、上記入水温度センサ７、出湯温度センサ８、水量センサ９、流量センサ１１の各センサ出力が図中の破線で示す信号線を介して入力されている。また、このコントローラ１３からは同様に信号線を介して上記送風ファン４およびガス流量制御弁１２のステッピングモータ１０１に対して動作制御用の制御信号が出力可能とされている。
【００２４】
次に、このように構成されてなる給湯器１の動作について説明する。この給湯器１は、通常の燃焼運転時（燃焼制御時）には、図示しないリモートコントローラなどで設定される給湯設定温度で温水の出湯ができるように、上記コントローラ１３が、上記給湯設定温度と熱交換器３への入水温度および入水流量に基づいてバーナ２に供給する燃料ガスの目標流量（目標インプット）や送風ファン４の目標回転数を設定し、これらの目標流量や目標回転数に応じて上記ガス流量制御弁１２や送風ファン４を制御するように構成されている。つまり、上記給湯設定温度での出湯を行うのに必要な発熱量がバーナ２で得られるように上記燃料ガス流量制御弁１２の弁開度を制御（ＦＦ制御およびＦＢ制御）するとともに、バーナ２で最適燃焼が行えるように送風ファンの回転数制御を行う。
【００２５】
ところで、このような構成の給湯器１においては、上述した燃焼制御を適切に行わせるには、バーナ２に供給される燃料ガスについての弁開度（本実施形態ではステッピングモータ１０１のステップ数）と発熱量（インプット）の相関関係（以下、ステップ−インプット特性と称する）を予めコントローラ１３が知っておく必要がある。そのため、本実施形態では、バーナ２に供給されている燃料ガスについてのステップ−インプット特性の検出を給湯器１のコントローラ１３が行うように構成されている。以下、このコントローラ１３における特性判定処理について説明する。
【００２６】
まず、説明の前提として、本実施形態に示す給湯器１では、上記特性判定処理が給湯器１の設置当初に行われる試運転時に行われるように設定されている。つまり、本実施形態では、上記ガス種判定処理は、電源投入時またはガス種判別がされていないことを判断して、コントローラ１３に入力される試運転開始要求信号をトリガとして実行されるように設定されている。そして、特性判定の結果は上記コントローラ１３のマイクロコンピュータが備える記憶装置にデータとして記憶され、その後の燃焼制御（ＦＦ制御）の制御用のデータとして用いられる。
【００２７】
このような前提を基に給湯器１における特性判定処理を説明すると、電源投入時またはガス種判別がされていないことを判断してコントローラ１３に試運転開始要求信号が与えられると、コントローラ１３はこの試運転開始要求信号をトリガとして、まず、コントローラ１３が流量制御弁１２に対して予め定めた所定の弁開度で弁を開くように指令を行う。具体的には、本実施形態でも流量制御弁１２の弁開度はステッピングモータ１０１のステップ数によって設定されているので、コントローラ１３からステッピングモータ１０１に対して所定のステップ数（以下、説明の便宜上この所定のステップ数をｘとする）を指示する制御信号が出力される。
【００２８】
そして、ガス流量制御弁１２が所定の弁開度になると、次にコントローラ１３はこの時の燃料ガスの発熱量を獲得する（以下、説明の便宜上この発熱量をｙとする）。ここで、この燃料ガスの発熱量ｙは、上記コントローラ１３が、上記出湯温度センサ８で得られる出湯温度Ｔｏと、入水温度センサ７で得られる入水温度Ｔｉと、水量センサ９で得られる入水流量Ｑｉと、熱交換器３の熱交換効率として予めコントローラ１３に記憶させておいた補正値αを基に下記の数式(1) を用いて演算される。
ｙ＝（Ｔｏ−Ｔｉ）×Ｑｉ／α・・・・(1)
【００２９】
すなわち、本実施形態においては、熱交換器３で加熱される温水が実際に得た熱量から燃料ガスの発熱量ｙを計算によって求め、この計算によって求めた値を燃料ガスの発熱量として用いる。つまり、本実施形態では上記コントローラ１３が発熱量測定手段として機能して燃料ガスの発熱量ｙを算出する。
【００３０】
このようにして燃料ガスの発熱量ｙが得られると、次にコントローラ１３は、ソフトウェア上の処理で、図３(a) に示すようなステップ−インプット特性図の中に上記ステップ数ｘと数式(1)で求めた発熱量yとを基にして基準点Ｐを置く。そして次にこの基準点Ｐと上記特性図の原点０とを結んだ直線を描き（図３(b) 参照）、この直線をバーナ２に現在供給されている燃料ガスのステップ−インプット特性を示す相関線Ｓとし、そのデータをマイクロコンピュータの記憶装置に記憶させて試運転動作を終了する。
【００３１】
なお、ここで描かれるステップ−インプット特性の相関線Ｓは、器具が設置された場所での一次ガス圧や供給されている燃料ガスのガス種（具体的にはガスの成分）を取り込んだ相関線になるので、装置の設置場所による一次ガス圧の差やガス供給源によって微妙に相違するガス成分などに応じた相関線を得ることができる。
【００３２】
そして、試運転後に通常の燃焼運転が開始されると、コントローラ１３はマイクロコンピュータに記憶された相関線Ｓのデータを読み出して、この相関線Ｓに基づいて給湯設定温度での出湯が行えるように目標発熱量（目標インプット）を求めるとともに、この目標インプットからステッピングモータ１０１のステップ数ｘ１を求めてステッピングモータ１０１に対して制御信号を出力する（図３(c) 参照）。
【００３３】
なおその際、一次ガス圧の変動等によってガス流量制御弁１２の開度を目標開度にしてもなお目標インプットが得られない（または目標インプットを超えてしまう）場合には、その時点で再び上述した特性判定処理を繰り返して相関線Ｓを再度設定する。つまり、上記数式(1)による演算を行い実際のインプット量を演算し、その演算結果と弁開度とから上記基準点Ｐを再度取り直して相関線Ｓを再設定する。
【００３４】
このように本実施形態に示す給湯器１によれば、給湯器１の試運転時に試運転スイッチ１４を操作するだけでバーナ２に供給される燃料ガスのガス種（ガスの成分）に応じたステップ−インプット特性の相関線をコントローラ１３が自動的に取得してその後の燃焼制御を実行するので、従来のようなガス種の設定操作が不要となり、試運転時の操作の簡略化と人為的なガス種設定ミスを防止することができる。
【００３５】
しかも、その際に得られる相関線Ｓは、装置の設置場所による一次ガス圧による影響を含んだ相関線となるので、一次ガス圧の影響を受けない給湯器１を提供できる。具体的には、一次ガス圧の変動に対しては、上述した特性判定処理を改めて行うことでその時々の一次ガス圧に応じたススップ−インプット特性が取得できるので、一次ガス圧の変動に影響を受けない安定した燃焼性能を得ることができる。
【００３６】
なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００３７】
たとえば、上述した実施形態では、本発明を給湯器に適用した場合を示したが、本発明は燃料ガスの質量流量の検出が可能で、かつ燃料ガスの供給が流量制御弁により行われるガス燃焼装置であれば、たとえば風呂釜など他の燃焼器具にも適用可能である。
【００３８】
また、上述した実施形態では、ガス流量制御弁１２の弁開度をステッピングモータ１０１のステップ数を用いて判断する構成を示したが、弁開度はステップ数以外の要素（たとえば弁の開口面積など）を用いて判断するように構成することも可能である。
【００３９】
また、上述した実施形態では、コントローラ１３でのガス種判別処理等がいずれも試運転開始要求信号をトリガとして実行される場合を示したが、トリガを変更することで、試運転以外の通常の燃焼運転時にも行うように構成することも可能である。
【００４０】
また、上述した実施形態では、相関線Ｓを作成する際にコントローラ１３が基準点Ｐと原点０とを直線で結ぶ場合を示したが、たとえば二次関数や三次関数などを用いて原点０と基準点Ｐとを曲線で結ぶように構成することも可能である。つまり、燃料ガスのステップ−インプット特性を示す相関線を描くための演算式を予め経験的に作成しておくなどして、この演算式を用いてコントローラ１３に相関線を描かせるように構成することも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと、燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えるとともに、上記ガス流量制御弁の弁開度を調節する制御手段を備えたガス燃焼装置において、バーナに供給される燃料ガスの発熱量を測定する発熱量測定手段を備え、上記制御手段が、所定のトリガを受け付けた際に、上記ガス流量制御弁を所定の開度となるよう開弁させ、その時のガス発熱量を上記発熱量測定手段で獲得するステップと、上記発熱量測定手段で獲得したガス発熱量と弁開度とを基にして、ソフトウェア上の処理によって、これらの相関関係を示す特性図中に基準点を置き、この基準点と上記特性図の原点とを結んだ相関線を作成して、そのデータを記憶手段に記憶させるステップとを実行する制御構成を有することから、たとえばガス燃焼装置の試運転時に上記制御手段に発熱量−弁開度特性の相関線を演算させることにより、試運転時のガス種設定操作が不要となり作業を簡略化できるとともに、人為的な設定ミスの発生を回避することができる。
【００４２】
しかも、発熱量−弁開度特性の演算が、実際にバーナに供給されている燃料ガスの状態に基づいて行われるので、器具設置場所による一次ガス圧の変動やガス供給源によって微妙に相違するガス成分などに応じた相関線を得ることができ、一次ガス圧の変動やガス成分の相違による影響を受けないガス燃焼装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス燃焼装置を給湯器に適用した場合の概略構成を示す説明図である。
【図２】同ガス燃焼装置に用いられるガス流量制御弁の概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明に係るガス燃焼装置を説明するための説明図であって、図３(a) はステップ−インプット特性図の中の基準点Ｐを示し、図３(b)は基準点Ｐと原点０とを結ぶ相関線Ｓを示している。また、図３(c) は上記相関線Ｓを用いた燃焼制御の一例を示している。
【符号の説明】
１ 給湯器（ガス燃焼装置）
２ バーナ
３ 熱交換器
４ 送風ファン
５ 給水管
６ 出湯管
７ 入水温度センサ（入水温度検出手段）
８ 出湯温度センサ（出湯温度検出手段）
９ 水量センサ（入水量検出手段）
１０ ガス管（燃料ガスの供給路）
１１ 流量センサ
１２ ガス流量制御弁
１３ コントローラ（制御手段）
１５ 排気集合筒

Claims (3)

1. バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと、燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えるとともに、前記ガス流量制御弁の弁開度を調節する制御手段を備えたガス燃焼装置において、
   バーナに供給される燃料ガスの発熱量を測定する発熱量測定手段を備え、
   前記制御手段が、所定のトリガを受け付けた際に、
   前記ガス流量制御弁を所定の開度となるよう開弁させ、その時のガス発熱量を前記発熱量測定手段で獲得するステップと、
   前記発熱量測定手段で獲得したガス発熱量と弁開度とを基にして、ソフトウェア上の処理によって、これらの相関関係を示す特性図中に基準点を置き、この基準点と前記特性図の原点とを結んだ相関線を作成して、そのデータを記憶手段に記憶させるステップと
   を実行する制御構成を有することを特徴とするガス燃焼装置。
2. 前記請求項１に記載のガス燃焼装置がガス給湯器であって、前記バーナによって加熱される熱交換器への入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記熱交換器で加熱された温水の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記熱交換器への入水量を検出する入水量検出手段とを備えてなり、
   前記発熱量測定手段は、これら各検出手段の検出値と前記熱交換器の熱交換効率とに基づいてバーナに供給される燃料ガスの発熱量を演算する
   ことを特徴とする請求項1に記載のガス燃焼装置。
3. 前記所定のトリガが、ガス燃焼装置に対して試運転の開始を指示する試運転開始要求信号であることを特徴とする請求項１または２に記載のガス燃焼装置。

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