JP3534865B2 - 燃焼器の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バーナと、給排気を行
う燃焼ファンとを備え、バーナへ供給される空気量およ
びガス量をそれぞれ調整可能にして、空燃比が所定の数
値になるようにした燃焼器の空燃比制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃焼器の空燃比制御装置として
は、ガス用配管に設けられた比例弁が電流値制御されて
おり、その電流値を検出し、バーナへの空気量を風量セ
ンサで検出し、電流値と風量センサの出力値とに基づ
き、ガス量と空気量とを調整し、ガス量と空気量との比
である空燃比を制御するようにしたものが一般的であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の燃焼器の空燃比制御装置では、比例弁の電流
値とガス量との間に比例関係がなく、線形性が得られな
いめ、電流値に基づいてガス量を調整したのでは、空気
量に対してガス量が不足したり、反対に過剰になったり
して、理想的な空燃比が得られないで、不燃になるとい
う問題点があった。また、これを解決する手法として、
特開昭６１−７２９２０号公報で、ガス量および空気量
をガス量センサおよび風量センサの各出力値に基づきそ
れぞれの制御弁が作動して各流量制御するものが示され
ているが、それぞれの制御弁の上流側にガス量センサお
よび風量センサがそれぞれ配されており、燃焼に供され
る直前のガス量および空気量の各状況を正確に各センサ
がとらえることができないため、理想的な空燃比を得る
ことができなかった。本発明は、このような従来の問題
点に着目してなされたもので、バーナへ供給されるガス
量を正確に調整可能にして、理想的な空燃比を得ること
ができるようにした燃焼器の空燃比制御装置を提供する
ことを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めの本発明の要旨とするところは、 １ バーナ（１３）と、給排気を行う燃焼ファン（１
２）とを備え、バーナ（１３）へ供給される空気量およ
びガス量をそれぞれ調整可能にして、空燃比が所定の数
値になるようにした燃焼器の空燃比制御装置において、
ガスをバーナ（１３）へ供給するためのガス供給流路
（２６）の、ガス流を制御する弁（２４，２５）の後流
の整流中にガス量センサ（２８）を設け、該ガス量セン
サ（２８）の出力値に基づきガス量を調整するようにし
た燃焼器の空燃比制御装置。

【０００５】２ バーナ（１３）と、給排気を行う燃焼
ファン（１２）とを備え、バーナ（１３）へ供給される
空気量およびガス量をそれぞれ調整可能にして、空燃比
が所定の数値になるようにした燃焼器の空燃比制御装置
において、ガスをバーナへ供給するためのノズルホルダ
（２３）の整流中にガス量センサ（２８）を設け、該ガ
ス量センサ（２８）の出力値に基づきガス量を調整する
ようにした燃焼器の空燃比制御装置。

【０００６】３ バーナ（１３）と、給排気を行う燃焼
ファンとを備え、バーナ（１３）へ供給される空気量お
よびガス量をそれぞれ調整可能にして、空燃比が所定の
数値になるようにした燃焼器の空燃比制御装置におい
て、空気をバーナ（１３）へ供給するための空気供給流
路に沿って空気用のバイパス通路（１７）が形成され、
該空気用のバイパス通路（１７）に設けられた空気量セ
ンサ（１８）と、ガスをバーナ（１３）へ供給するため
のガス用配管（２６）の先端部にノズルホルダ（２３）
を介してガスノズル（２２）が連結され、該ノズルホル
ダ（２３）内に設けられたガス量センサ（２８）と、空
気量とガス量との理想的な比である理想空燃比が記録さ
れた記憶部（３１）と、前記空気量センサ（１８）の出
力値と前記ガス量センサ（２８）の出力値とが読み出さ
れたときに、前記両方の出力値の一方を基準にし、他方
の出力値に対応する前記理想空燃比における空気量また
はガス量の一方と、前記他方の量とを比較するととも
に、該比較した両者の差を算出する演算部（３２）と、
該演算部（３２）から前記両者の差信号が出力される
と、該差信号に基づく電気値を、空気量またはガス量の
一方の供給量調整部（２７，３７）に出力する駆動回路
（３３，３４）とを備えたことを特徴とする燃焼器の空
燃比制御装置に存する。

【０００７】

【作用】ガスをバーナ（１３）へ供給するためのガス供
給流路（２６）の整流中にガス量センサ（２８）を設け
たので、ガス量センサ（２８）の出力値とガス量との間
に比例関係が成立し、該ガス量センサ（２８）の出力値
に基づきガス量を正確に調整することができ、それによ
り、理想の空燃比を得ることができる。

【０００８】ガスをバーナ（１３）へ供給するためのガ
ス供給流路（２６）に沿ってガス用のバイパス通路（２
９）が形成され、該ガス用のバイパス通路（２９）に設
けられたガス量センサ（２８）と、空気量とガス量との
理想的な比である理想空燃比が記録された記憶部（３
１）と、前記空気量センサ（１８）の出力値と前記ガス
量センサ（２８）の出力値とが読み出されたときに、前
記両方の出力値の一方を基準にし、他方の出力値に対応
する前記理想空燃比における空気量またはガス量の一方
と、前記他方の量とを比較するとともに、該比較した両
者の差を算出する演算部（３２）と、該演算部（３２）
から前記両者の差信号が出力されると、該差信号に基づ
く電気値を、空気量またはガス量の一方の供給量調整部
（２７，３７）に出力する駆動回路（３３，３４）とを
備えたものでは、空気用のバイパス通路（１７）に設け
られた空気量センサ（１８）の出力値およびガス用のバ
イパス通路（２９）に設けられたガス量センサ（２８）
の出力値が、演算部（３２）に読み出される。

【０００９】空気量センサ（１８）の出力値と前記ガス
量センサ（２８）の出力値とが読み出されると、演算部
（３２）は、前記両方の出力値の一方を基準にし、他方
の出力値と、該他方の出力値に対応する前記理想空燃比
における空気量またはガス量の一方とを比較するととも
に、該比較した両者の差を算出する。

【００１０】駆動回路（３３，３４）は、該演算部（３
２）から前記両者の差信号が出力されると、該差信号に
基づく電気値を、空気量またはガス量の一方の供給量調
整部（２７，３７）に出力する。空気量センサ（１８）
の出力値と空気量との間には比例関係が成立し、同じ
く、ガス量センサ（２８）とガス量との間には比例関係
が成立し、空気量センサ（１８）により正確に把握され
た空気量およびガス量センサ（２８）により同じく正確
に把握されたガス量に基づいて、供給量調整部（２７，
３７）が制御されるため、空燃比を所定の数値に調整す
ることができる。

【００１１】空気をバーナ（１３）へ供給するための空
気供給流路に沿って空気用のバイパス通路（１７）が形
成され、該空気用のバイパス通路（１７）に設けられた
空気量センサ（１８）と、ガスをバーナ（１３）へ供給
するためのガス用配管（２６）の先端部にノズルホルダ
（２３）を介してガスノズル（２２）が連結され、該ノ
ズルホルダ（２３）内に設けられたガス量センサ（２
８）とを備えたものでは、同じく、空気量およびガス量
を正確な数値の下でそれぞれバーナ（１３）へ供給する
ことができ、空燃比を所定の数値に調整することができ
る。

【００１２】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の一実施例を説明
する。各図は本発明の一実施例を示している。図１に示
すように、燃焼室１１の下方側にはバーナ１３が設置さ
れ、そのバーナ１３の下方には、給排気を行う燃焼ファ
ン１２が設けられている。燃焼ファン１２には図示省略
した回転検出センサが設けられている。燃焼室１１の上
方側には給湯熱交換器１４が設けられ、給湯熱交換器１
４の入口側には図示省略した給水管が接続され、給湯熱
交換器の出口側には同じく図示省略した給湯管が接続さ
れている。

【００１３】バーナ１３には、ガスノズル２２、ノズル
ホルダ２３、比例弁２４および電磁弁２５を介してガス
用配管２６が接続されている。バーナ１３のガス取込口
にはガスノズル２２の先端が向けられ、バーナ１３のガ
ス取込口とガスノズル２２の先端との間には、燃焼用の
空気を取込み可能な隙間が形成されている。比例弁２４
は供給量調整部であるアクチュエータ２７によりその弁
開度が調節可能なものである。バーナ１３の下方側とバ
ーナ１３の上方側とがバイパス通路１７により連通して
いる。バイパス通路１７の中間部には、空気量センサ１
８が設けられている。空気量センサ１８としては、熱線
式の風速センサ、または、ダイアフラム式の差圧センサ
が用いられている。熱線流速計は、流速が電流変化とな
って出力されるもので、通常、白金線などのワイヤから
奪われる熱量により風速を測定するものであり、シリコ
ン基板上にこれを設けたものもある。ダイアフラム式の
差圧センサはバーナ１３の燃焼ファン１２側の圧力と燃
焼室１１側の圧力の差が電流変化となって出力されるも
のである。一般的に、空気量と圧力の差との関係は、空
気量Ｑａ、圧力の差Δｐおよび係数Ｆａとすると、Ｑａ
＝Ｆａ・√（Δｐ）で表すことができる。

【００１４】ノズルホルダ２３の内部には、ガス量セン
サ２８が設けられている。ガス量センサ２８と空気量セ
ンサ１８とは同じタイプのセンサが採用されており、例
えば、空気量センサ１８が熱線式の風速センサであれ
ば、ガス量センサ２８も熱線式の風速センサであり、空
気量センサ１８がダイアフラム式の差圧センサであれば
ガス量センサ２８もダイアフラム式の差圧センサであ
る。空気量の計算式と同じく、一般的に、ガス量と圧力
の差との関係は、ガス量Ｑｇ、圧力の差Δｐおよび係数
Ｆｇとすると、Ｑｇ＝Ｆｇ・√（Δｐ）で表すことがで
きる。ガス量センサ２８は、これに限らず、例えば、図
２に示すように、ガス用配管２６に沿って形成されたバ
イパス通路２９の途中に設けてもよい。

【００１５】図３は、本制御装置のブロック図を示して
いる。制御装置は、ＭＰＵである制御部３０を備えてい
る。制御部３０には、図示省略した電源回路、並びに、
空気量センサ１８の出力信号を取り入れるタイミングを
とるための図示省略したクロックが接続されている。空
気量センサ１８の出力信号は、図示省略したサンプルホ
ールド回路、Ａ−Ｄ変換回路および制御部３０を介し
て、デジタル値として後述のメモリ３１に入力される。
同じく、ガス量センサ２８の出力信号は、図示省略した
サンプルホールド回路、Ａ−Ｄ変換回路および制御部３
０を介して、デジタル値として後述のメモリ３１に入力
される。

【００１６】本制御装置には、内部記憶部としてＲＡＭ
または記録書き換え可能なＥＥＰＲＯＭから構成される
記憶部メモリ３１が設けられている。メモリ３１には、
制御プログラム、空気量とガス量との相関係数、ガス量
と比例弁制御用の出力信号との相関係数などが記録され
ている。

【００１７】演算部３２は、制御部３０の制御信号によ
り、メモリ３１に記録された空気量センサ１８の出力値
が読み出され、該読み出された空気量センサ１８の出力
値からガス量の数値を算出し、該算出されたガス量の数
値と、メモリ３１から取り込まれたガス量の出力値とを
比較して、両者の差を算出するものである。該両者の差
信号は駆動回路であるパワーアンプ３３に出力され、パ
ワーアンプ３３は前記両者の差信号を電流値などの電気
値に変換してアクチュエータ２７出力し、アクチュエー
タ２７は、該電気値に基づき比例弁２４を駆動して、そ
の弁開度を調節するように構成されている。比例弁２４
の弁開度調節後において、ガス量センサ２８が検出した
ガス量に基づき、前述した同様の方法により、メモリ３
１から取り込まれたガス量の出力値とを比較して、両者
の差を算出し、両者の差が無ければ、比例弁２４の弁開
度は調節されず、両者の差があれば、同じように比例弁
２４の弁開度は調節される。すなわち、ガス量の供給量
は、ガス量センサ２８の検出値に基づき調整され、比例
弁２４を駆動するための電気値に基づいては調整されな
いように構成されている。

【００１８】また、制御部３０は、空気量センサ１８の
出力値に基づいて、ファン制御信号を駆動回路であるパ
ワーアンプ３４に出力し、パワーアンプ３４はファン制
御信号に対応する電流値を供給量調整部であるアクチュ
エータ３７に送出するものであり、アクチュエータ３７
は、前記電流値に基づき燃焼ファン１２に必要電流を供
給するものである。

【００１９】次に作用を説明する。制御部３０は空気量
センサ１８の出力値を取り入れるタイミングを図示省略
した発振回路から得る。制御部３０の制御信号により、
図示省略したサンプルホールド回路およびＡ−Ｄ変換回
路を介して、空気量センサ１８の出力値がデジタル値と
して制御部３０に出力される。空気量センサ１８の出力
値はメモリ３１に書き込まれる。

【００２０】同じように、ガス量センサ２８の出力値が
デジタル値として制御部３０に出力され、ガス量センサ
２８の出力値がメモリ３１に書き込まれる。空気量に基
づいて、ガス量を調整して、所定の空燃比を得るために
は、次のような手法による。

【００２１】すなわち、制御部３０の制御信号により、
メモリ３１に書き込まれた空気量センサ１８の出力値が
演算部３２に読み出され、演算部３２は、メモリ３１に
記録された空気量とガス量との相関係数、並びに、前記
読み出された空気量センサ１８の出力値からガス量の数
値を算出する。さらに、演算部３２は、前記算出された
ガス量の数値と、メモリ３１から読み出されたガス量の
出力値とを比較して、両者の差を算出する。該両者の差
信号は、制御部３０の制御信号により、パワーアンプ３
３に出力され、パワーアンプ３３は前記両者の差信号を
電流値などの電気値に変換してアクチュエータ２７出力
し、アクチュエータ２７は、該電気値に基づき比例弁２
４を駆動して、その弁開度を調節する。

【００２２】前記手法は、空気量とガス量との空燃比が
所定の数値に成るまで続行される。これに対して、ガス
量に基づいて、空気量を調整して、所定の空燃比を得る
ためには、次のような手法による。

【００２３】すなわち、制御部３０の制御信号により、
メモリ３１に書き込まれたガス量センサ２８の出力値が
演算部３２に読み出され、演算部３２は、メモリ３１に
記録された空気量とガス量との相関係数、並びに、前記
読み出されたガス量センサ２８の出力値から空気量の数
値を算出する。さらに、演算部３２は、前記算出された
空気量の数値と、メモリ３１から読み出された空気量の
出力値とを比較して、両者の差を算出する。該両者の差
信号は、制御部３０の制御信号により、パワーアンプ３
４に出力され、パワーアンプ３４は前記両者の差信号を
電流値などの電気値に変換してアクチュエータ３７出力
し、アクチュエータ３７は、該電気値に基づき燃焼ファ
ン１２の、例えば、直流モータを駆動して、その回転数
を調節する。

【００２４】この手法についても、空気量とガス量との
空燃比が所定の数値に成るまで続行される。なお、前記
実施例においては、空気量からガス量を制御する方法を
示したが、ガス量から空気量を制御する方法であっても
よい。

【００２５】すなわち、使用者がお湯を使い始めた際
に、お湯の流量［Ｘ（ｌ／ｍｉｎ）］を器具内のフロー
センサで測定するとともに、給水温（ｔ１℃）をサーミ
スタで測定し、所望の湯温（ｔ２℃）から必要熱量
［（ｔ２−ｔ１）・６０Ｘ／０．８（ｋｃａｌ／ｈ）］
を算出する。必要熱量から要求されるガス量を算出し、
そのガス量にガス量センサの測定値がなるように比例弁
の開度を制御し、次にそのガス量に基づいて空気量を調
整する。一方、空気量に基づいてガス量を調整する場合
としては、点火時や能力変化時など、ガス量が大きく変
化するとき、ガス量はその最低値と最大値との間でほぼ
瞬時に変化可能であるが、空気量はファンの回転速度が
最低速度と最高速度との間で比較的緩く変化するため、
瞬時に変化不能であり、ガス量と空気量との調整する速
度に差があり、そのままでは空燃比がくずれてしまう。
空燃比のくずれを防止するために、調整速度の遅い空気
量の変化に対応させ、すなわち、空気量センサの出力値
に応じて、ガス量の数値を算出し、ガス量を調整するも
のがある。

【００２６】また、前記実施例においては、供給する空
気およびガスの各温度が空気量などを調整する際に補正
データとして取り込まれることについて示していない
が、風量を質量センサ（熱線風速計）の測定値を用いて
制御する場合、その測定される量は、例えば、０℃に換
算した数値として出力される。この数値に対して、ガス
量も同様に、流速ではなく０℃換算した数値にして正確
な空燃比を算出する必要がある。そのために、ガス温に
よる補正をする必要があるが、バーナーの燃焼量によっ
て、燃焼室からの熱（輻射伝熱）でノズルから出るガス
の温度は影響を受けてしまう。そこで、ノズルホルダに
センサを配設することにより、ノズルから出るガスの温
度に近いデータを与えることができ、これによって、質
量流量として非常に近い数値を得ることができる。ダイ
ヤフラム式の差圧センサを用いた場合は、質量流量とな
らないので、別にサーミスタなどを用いて温度補正する
必要がある。また、正確に温度補正するために圧力によ
る補正を行なってもよい。

【００２７】さらに、具体的に説明する。Ａ点では、そ
の温度が０℃、１リットル／単位時間のガス流量が流れ
ている。ガス流路途中のＢ点では、その温度が８２℃に
なっているため、ガス流量は、１．３リットル／単位時
間のガス流量となり、体積が増える。それによりノズル
先端のＣ点では、温度８２℃で、１．３リットル／単位
時間のガスが流れる。

【００２８】このような状況の下、Ｂ点で伝熱温度が８
２℃から４１℃に低下したとすると、Ａ点において１．
３リットル／単位時間のガスが流出しているため、Ｂ点
では、温度４１℃で、１．３リットルのガスが移動する
ようになり、Ａ点では、温度０℃で、１．１５リットル
／単位時間のガスが移動し、質量流量で１５％の差異が
生じるようになる。実際には、Ｃ点とＢ点とは非常に近
くにあり、かつ、伝熱による体積変化により、ガス比重
が変化し、ノズル先端からのガス量が変化するので、前
述した顕著な変化は生じないが、伝熱量の変化時は、Ｃ
点とＡ点との測定値に差異が生じることは、明らかであ
り、正確に空燃比制御を行なうためにはＡ点でなく、Ｃ
点での測定結果に基づいて温度補正をする必要がある。
前記実施例においては、ノズルホルダの整流中にガス量
センサを設けたので、正確に質量流量を測定することが
できる。一方、ガス流路中に、単にガス量センサを設
け、設けた場所が乱流の場合には、正確に流量を測定す
ることができずに、特に、低カロリーガス（６Ｂ４Ｃな
ど）では、発熱量に対して流量が多いため測定場所によ
りその測定値が大きく異なるようになる。また、バイパ
ス流路を設けて、乱流が生じにくい整流路を形成し、整
流路中の比例弁の下流側にガス量センサを設けることに
より、同じく、正確に質量流量を測定することができ
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明にかかる燃焼器の空燃比制御装置
によれば、バーナにガスを供給するためのガス供給流路
の整流中にガス量センサを設けたので、ガス量センサの
出力値とバーナに供給されるガス量との間に成立する比
例関係から、ガス量センサの出力値に基づき、所定量の
ガスをバーナへ供給することが可能になり、不燃防止や
炎の吹き飛び防止やＮＯＸの制御等を行なうのに必要な
理想的な空燃比を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す燃焼器の概念図であ
る。

【図２】本発明の変形例を示す燃焼器の部分概念図であ
る。

【図３】本発明の一実施例を示す燃焼器の空燃比制御装
置のブロック図である。

【符号の説明】

１０…燃焼器 １１…燃焼室 １２…燃焼ファン １３…バーナ １４…給湯熱交換器 １７…空気用のバイパス通路 １８…空気量センサ ２２…ガスノズル ２３…ノズルホルダ ２４…比例弁 ２６…ガス用配管 ２７…アクチュエータ（供給量調整部） ２８…ガス量センサ ２９…ガス用のバイパス通路 ３０…制御部 ３１…メモリ（記憶部） ３２…演算部 ３３，３４…パワーアンプ（駆動回路） ３７…アクチュエータ（供給量調整部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23N 1/02 F23N 1/02 101 F23N 5/20

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バーナと、給排気を行う燃焼ファンとを備
   え、バーナへ供給される空気量およびガス量をそれぞれ
   調整可能にして、空燃比が所定の数値になるようにした
   燃焼器の空燃比制御装置において、 ガスをバーナへ供給するためのガス供給流路の、ガス流
   を制御する弁の後流の整流中にガス量センサを設け、該
   ガス量センサの出力値に基づきガス量を調整するように
   した燃焼器の空燃比制御装置。
2. 【請求項２】バーナと、給排気を行う燃焼ファンとを備
   え、バーナへ供給される空気量およびガス量をそれぞれ
   調整可能にして、空燃比が所定の数値になるようにした
   燃焼器の空燃比制御装置において、 ガスをバーナへ供給するためのノズルホルダの整流中に
   ガス量センサを設け、該ガス量センサの出力値に基づき
   ガス量を調整するようにした燃焼器の空燃比制御装置。
3. 【請求項３】バーナと、給排気を行う燃焼ファンとを備
   え、バーナへ供給される空気量およびガス量をそれぞれ
   調整可能にして、空燃比が所定の数値になるようにした
   燃焼器の空燃比制御装置において、 空気をバーナへ供給するための空気供給流路に沿って空
   気用のバイパス通路が形成され、該空気用のバイパス通
   路に設けられた空気量センサと、 ガスをバーナへ供給するためのガス用配管の先端部にノ
   ズルホルダを介してガスノズルが連結され、該ノズルホ
   ルダ内に設けられたガス量センサと、 空気量とガス量との理想的な比である理想空燃比が記録
   された記憶部と、 前記空気量センサの出力値と前記ガス量センサの出力値
   とが読み出されたときに、前記両方の出力値の一方を基
   準にし、他方の出力値に対応する前記理想空燃比におけ
   る空気量またはガス量の一方と、前記他方の量とを比較
   するとともに、該比較した両者の差を算出する演算部
   と、 該演算部から前記両者の差信号が出力されると、該差信
   号に基づく電気値を、空気量またはガス量の一方の供給
   量調整部に出力する駆動回路とを備えたことを特徴とす
   る燃焼器の空燃比制御装置。