JPH0745930B2 - ガス燃焼機器の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスバーナに供給されるガス供給量と燃焼用
空気供給量の比率（以下単に空燃比という）をほぼ一定
に保つようにしたガス燃焼機器の空燃比制御装置に関す
る。

〔従来技術〕

ガス燃焼機器をコンパクト化するために空燃比を適当な
比率に設定し、あるいは燃焼に必要な空気の全部を一次
空気としてガスに混合するようにした完全予混合式のガ
ス燃焼機器においては、炎のリフトやバックファイアの
ない安定した燃焼を得るために、空燃比を常にほぼ一定
の適正な値に保つ必要がある。このような必要性を満す
技術としては、例えば特開昭60−80018号公報に示すガ
ス燃焼制御装置があり、この技術においては燃焼量調節
信号によりガス量調節手段を制御し、また同燃焼量調節
信号により演算した空気量信号を補正した信号で空気量
調節手段を制御している。安定した燃焼を得るために空
燃比を常にほゞ一定の適正な値に保つ必要性は、前述の
ような完全予混合式の燃焼機器に限らず、電動ファンに
より燃焼室内に燃焼用空気を送り込んでその一部を一次
空気としてガスに混合し残りを二次空気として使用する
強制通風式燃焼機器においても存在する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ガス燃焼機器はその設置地域により異なるガス種のガス
が供給され、ガス種により単位発熱量，ガス圧，燃焼特
性等が相違している。従って、同一のガス燃焼機器で
も、ガス供給量を制御する電磁弁への印加電流と燃焼用
空気供給量を制御する電動ファンへの印加電圧との間の
特性は、第６図のA,B,Cに示す如くガス種に応じて異な
ったものとする必要があり、さもなければガス種に応じ
た適切な空燃比を与えて安定した燃焼を得ることはでき
ず、あるいは機器の最大燃焼能力をオーバーして耐久性
を低下させたり最小燃焼能力以下となって燃焼が不安定
になるという問題が生じる。このために前記電磁弁への
印加電流と電動ファンへ印加電圧の間の特性を与える特
性マップあるいは演算式はガス種毎に異なったものにす
る必要があるが、これにより同一のガス燃焼機器でも使
用する地域により仕様が異なったものとなるので、総在
庫数が増大して経費が増大し、また在庫管理や出庫管理
の手間が増大するという問題がある。本発明は、適切な
空燃比を得るための電磁弁の開度と電動ファンの回転数
の間の特性は、定量的にはガス種により大幅に変化する
が定性的には類似していることに着目して、上記問題を
解決したものである。

〔問題点を解決するための手段〕

このために、本発明によるガス燃焼機器の空燃比制御装
置は、第１図に例示する如く、熱交換器20内を通る給水
を加熱するガスバーナ10と、印加電流に応じて開度が連
続的に変化して前記ガスバーナ10へのガス供給量を制御
する電磁弁11と、印加電圧に応じて回転数が連続的に変
化して前記ガスバーナへ10への燃焼用空気供給量を制御
す電動ファン12を備えてなるガス燃焼機器の空燃比制御
装置において、出湯温度を設定する湯温設定装置40と、
前記熱交換器20からの出湯温度を検出する湯温センサ43
と、前記電磁弁11の最大及び最小開度を予め所定の値に
設定する開度範囲設定手段１と、前記電動ファン12の最
大及び最小回転速度を予め所定の値に設定する回転速度
範囲設定手段２と、前記最大及び最小開度に対応する最
大及び最小印加電流を基準とする前記電磁弁11への印加
電流の比率と前記最大及び最小回転速度に対応する最大
及び最小印加電圧を基準とする前記電動ファン12への印
加電圧の比率との間の予め設定された特性を記憶する記
憶手段３と、前記湯温設定装置40により設定された設定
温度と前記湯温センサ43により検出された出湯温度を対
比して前記最大及び最小印加電流の範囲内において前記
出湯温度と設定温度の差が減少するように前記電磁弁11
の開度を変化させる印加電流を演算する第１演算手段４
と、この第１演算手段により演算された印加電流を前記
電磁弁11に印加する電磁弁駆動装置45と、前記第１演算
手段４により演算された印加電流の前記最大及び最小電
流を基準とする比率を演算する第２演算手段５と、この
第２演算手段により演算された比率に基づき前記記憶手
段３に記憶された前記特性から前記電動ファン12への印
加電圧の比率を演算する第３演算手段６と、この第３演
算手段により演算された比率と前記最大及び最小印加電
圧に基づき前記電動ファン12への印加電圧を演算する第
４演算手段７と、この第４演算手段により演算された印
加電圧を前記電動ファン12に印加するモータ駆動装置46
を備えたことを特徴とするものである。

〔作用〕

予め使用するガス種に応じて、開度範囲設定手段１を調
節してガス量が機器の最大燃焼能力以上とならないよう
に、また最小燃焼能力以下とならないように電磁弁11の
最大及び最小開度を設定し、また回転速度範囲設定手段
２を調節して前記最大及び最小開度の際の空燃比がガス
種に応じた適切な値となるように電動ファン12の最大及
び最小回転速度を設定しておく、ガス燃焼機器が作動す
れば、第１演算手段１は湯温センサ43により検出された
出湯温度を湯温設定装置40により予め設定された設定温
度と対比して電磁弁11への印加電流を演算し、電磁弁駆
動装置45はこの値の印加電流を電磁弁11に印加し、前記
両出湯温度に差があれば電磁弁11の開度を変化させてガ
スバーナ10へのガス供給量を変化させ、熱交換器20から
の出湯温度を湯温設定装置40により設定された値に近付
ける。前記印加電流は、電磁弁11の最大及び最小開度に
対応する最大及び最小印加電流の範囲内となるように演
算される。

第２演算手段５は、第１演算手段４により演算された印
加電流の前記最大及び最小印加電流を基準とする比率を
演算し、第３演算手段６はこの比率に基づいて記憶手段
３に記憶された特性から電動ファン12に印加する電圧の
比率を演算する。第４演算手段７は、第３演算手段６に
より演算された比率と電動ファン12の最大及び最小回転
速度に対応する最大及び最小印加電圧に基づき、電動フ
ァン12への印加電圧を演算し、モータ駆動装置46はこの
値の印加電圧を電動ファン12に印加する。これにより電
動ファン12の回転速度は電磁弁11の開度に応じた値とな
り、ガス供給量に応じた量の燃焼用空気がガスバーナ10
に供給される。

適切な空燃比を得るための電磁弁11の開度と電動ファン
12の回転速度との間の特性は定量的にはガス種により大
幅に変化するが定性的には類似しているので、記憶手段
３に記憶される電磁弁へ印加電流の比率と電動ファンへ
の印加電圧の比率の間の特性は、ガス種が異なっても実
質的に同一のものとなる。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、使用するガス種に応じて
予め開度範囲設定手段と回転速度範囲設定手段を調節す
ることにより、同一仕様のガス燃焼機器を種々の異なる
ガス種に適応させて適切なガス供給量及び空燃比を得ら
れるようにすることができ、機器の燃焼能力以上または
以下の量のガス供給や不適な空燃比による耐久性の低下
や燃焼の不安定を防止することができる。また、ガス種
による調節は電磁弁の最大及び最小開度とこれに対応す
る電動ファンの最大及び最小回転速度の位置において行
われるが、適切な空燃比を得るための電磁弁の開度と電
動ファンの回転速度の間の特性はガス種が異なっても定
性的に同一であるので、前記各最大及び最小値以外の値
においても空燃比はガス種に応じた所定値に保たれる。

〔実施例〕

先ず第２図〜第４図に示す完全予混合式ガス燃焼器にお
ける実施例の説明をする。

第２図に示す如く、熱交換器20の一端には給水管21が接
続され、他端には先端部に給湯栓23を有する給湯管22が
接続されている。給湯栓23が開いた状態において給水管
21より供給される給水は熱交換器20を通過する際にガス
バーナ10により加熱されて所定の出湯温度となり、給湯
栓23より出湯される。ガスバーナ10に接続された混合室
15には、印加電流に応じて開度が変化する電磁弁11を設
けたガス供給管13と、印加電圧に応じて回転速度が変化
する電動ファン12からの空気供給管14が接続されてい
る。電磁弁11の開度と電動ファン12の回転速度は後述す
る電子制御装置30により連動して制御され、ガス供給管
13からのガスの燃焼に必要な空気は全量が一次空気とし
て空気供給管14から供給され、混合室15で混合されてガ
スバーナ10に供給される。

電子制御装置30は、マイクロプロセッサ（以下単にCPU
という）31と、読出し専用メモリ（以下単にROMとい
う）32と、書込み可能メモリ（以下単にRAMという）33
を主要な構成要素とし、CPU31には、それぞれ電磁弁駆
動装置45及びモータ駆動装置46を介して電磁弁11及び電
動ファン12が接続されている。本実施例においては、電
磁弁11は印加電流に比例してそれより後流側のガス圧を
変化させる比例電磁弁であり、電動ファン12のモータは
印加電圧に比例して回転速度が変化するブラシレス直流
モータである。

熱交換器20の直後に位置して出湯管22には出湯温度を検
出するサーミスタ等の湯温センサ43が設けられ、また電
動ファン12にはその回転速度に比例した数のパルスを発
生する回転速度センサ44が設けられ、両センサ43,44は
図略のインターフェイスを介してCPU31に接続さてい
る。CPU31には、また、出湯温度の目標値（設定温度）
を設定する湯温設定装置40と、開度範囲設定手段１のた
めの開度入力装置41と、回転速度範囲設定手段２のため
の回転速度入力装置42が図略のインターフェイスを介し
て接続されている。本実施例においては、湯温設定装置
40は外部に設けたつまみにより調節可能な１個の可変抵
抗器を主体とし、また各入力装置41,42はガス種に応じ
て最大値及び最小値を設定するそれぞれ２個の半固定式
の可変抵抗器を主体としている。開度入力装置41の各可
変抵抗器は、その調節により電磁弁11への最大印加電流
と最小印加電流を制限して、ガス燃焼機器へのガス供給
量が最大燃焼能力以上とならないように、また最小燃焼
能力以下とならないように、電磁弁11の最大及び最小開
度を制限するものである。また回転速度入力装置42の各
可変抵抗器は、その調節により電磁弁11の最大及び最小
開度に対応する電動モータ12への最大印加電圧及び最小
印加電圧を設定して、その際の空燃比がガス種に応じた
所定の適切な値となるように電動ファン12の最大及び最
小回転速度を設定するものである。両入力装置41,42の
各可変抵抗器の調節は、工場又は販売店等からの出荷の
際に出荷地域のガス種に合せて行い、その後は調節がで
きないように封印するものである。

ROM32には、電磁弁11への印加電流の、その最大印加電
流（第６図のAImax,BImax,CImax等）を100％とし、その
最小印加電流（第６図のAImin,BImin,CImin等）を０％
とする比率Riと、電動ファン12への印加電圧の、その最
大印加電圧（第６図のAVmax,BVmax,CVmax等）を100％と
し、その最小印加電圧（第６図のAVmin,BVmin,CVmin
等）を０％とする比率Rvの間の特性が特性マップとして
記憶されている。第３図はこのような特性マップを図形
化して示したもので、電磁弁11及び電動ファン12のモー
タとして前述の如き比例電磁弁及びブラシレス直流モー
タを使用した本実施例においては、空燃比を一定とする
ために、理論的には印加電圧の比率Rvは印加電流の比率
Riの平方根に比例して増大する特性Ｐとすればよい。

その理由は次の通りである。混合室15へのガス供給量は
ガス供給管13の先端に設けられて混合室15内に位置する
小さい開口面積のガスノズル（図示省略）の前後の圧力
差の平方根に比例する。一方、電磁弁11から混合室15ま
でのガス供給管13は断面積が前述のガスノズルの開口面
積に比して相当大きくまた距離も短かく、従ってこのガ
ス供給管13におけるガス圧の損失は無視できるので、ガ
ス供給管13先端のガスノズル前後の圧力差は電磁弁11の
二次側圧力と混合室15内の圧力の圧力差と同じになる。
そして混合室15内の圧力はほゞ大気圧（ゲージ圧で０気
圧）に等しいので、ガスバーナ10へのガス供給量は電磁
弁11の二次側圧力の平方根に比例することになる。そし
てこの二次側圧力は電磁弁11への印加電流に比例し、一
方燃焼用空気量は電動ファン12の回転速度に比例するの
で、空燃比を一定にするためには、電動ファン12への印
加電圧の比率Rvを電磁弁11への印加電流の比率Riの平方
根に比例して増大する特性Ｐとすればよい。なお、本実
施例においては、上記比率Ri及びRvは何れも255ビット
にデジタル化された値をとっているので上記特性マップ
はＰに示す如く連続したものではなくｐに示す如くＰに
沿った階段状のものとなる。ROM32には、また、第４図
のフローチャートに示す制御動作を実行するための制御
プログラムが記憶されている。

次に、主として第４図に示すフローチャートにより本発
明の制御動作を説明する。

ガス燃焼機器を作動させるための電源を投入すれば、電
子制御装置30は、先ず各変数を０または所定の初期値に
セットした後、図略の制御フローにより給水管21に通水
がなされているか否かを判断する。給湯栓23が開かれて
給水管21に通水されていれば、電子制御装置30は図略の
計時フローを作動させて0.3秒毎に割込信号を発生さ
せ、その都度第４図のフローチャートによる制御動作の
実行を開始させる。

CPU31は、先ずステップ101において湯温設定装置40によ
り設定された設定温度T1をデジタル化された信号として
読み込み、ステップ102において湯温センサ43により検
出された出湯温度T2を同様に読み込む。次いでステップ
103において回転速度センサ44により検出された電動フ
ァン12の回転速度N2を同様に読み込み、続くステップ10
4において前回の制御動作のステップ117において電動フ
ァン12に出力された印加電圧Ｖから、ROM32に記憶され
た電動ファン12の印加電圧と回転速度の特性に基づい
て、電動ファン12の設定回転速度N1を演算した後、ステ
ップ105において次式 β＝（N1−2N）/N2 により電動ファン12の回転速度誤差比率βを演算する。
次いで、CPU31は、ステップ106において、この回転速度
誤差比率βの絶対値を所定の誤差比率限界値Ｋ（＝0.1
〜0.2）と比較し、｜β｜＞Ｋでなければ次のステップ1
07に進み、｜β｜＞Ｋならば、ステップ119において電
磁弁11を全閉とすると共に電動ファン12を停止させるこ
とによりガスバーナ10の燃焼を停止させた後、前記計時
フローを含む全ての制御フローを停止させる。この回転
速度誤差比率βは、電動ファン12への印加電圧を補正し
て電動ファン12の回転数を電磁弁11の開度に応じた設定
回転数に近付けるために後述のステップ117において使
用するものであるが、｜β｜＞Ｋであるということは電
動ファン12またはこれに関連する部分に何等かの異常が
生じたことを意味し、ステップ106及び119はこのような
場合の緊急停止を行うためのものである。

ステップ107において、CPU31は次式 ΔＩ＝α（T1−T2） α：作動条件により定まる比例定数 により電磁弁11への印加電流Ｉの増加率ΔＩを演算し、
続くステップ108において次式 Ｉ＝Ｉ＋ΔＩ（Imax−Imin） Imax,Imin:開度入力装置41により設定された電磁弁11の
最大及び最小開度に対応する最大及び最小印加電流 により印加電流Ｉを演算する。続くステップ109〜112に
おいて、印加電流Ｉにその値が最大値Imaxと最小値Imin
の範囲内となるように制限を加えた後、CPU31はステッ
プ113において、この印加電流Ｉを電磁弁駆動装置45を
介して電磁弁11に印加する出力を行う。

次いでCPU31はステップ114において次式 Ri（Ｉ−Imin）／（Imax−Imin） により印加電流Ｉの前記比率Riを演算した後、ステップ
115において、ROM32に記憶された第３図の特性マップか
ら、この比率Riに対応する電動ファン12への印加電圧の
比率Rvを演算する。CPU31は続くステップ116において次
式 Ｖ＝Rv（Vmax−Vmin）＋Vmin Vmax,Vmin:回転速度入力装置42により設定された電動フ
ァン12の最大及び最小回転速度に対応する最大及び最小
印加電圧 により電動ファン12への印加電圧Ｖを演算し、ステップ
117においてこの印加電圧Ｖを次式 Ｖ＝Ｖ（１＋β） により補正した後、ステップ118においてこの印加電圧
Ｖをモータ駆動装置46を介して電動ファン12に印加する
出力を行い、第４図のフローチャートによる制御動作を
停止させる。ステップ117は、電動ファン12の印加電圧
を回転速度の間の特性が製品毎にばらついたり経時変化
したりした場合でも、電動ファン12の回転速度が電磁弁
11の開度に応じた所定の値となるように補正して空燃比
に誤差が生ずるののを防ぐためである。

第４図のフローチャートによる制御動作は、前述の如く
0.3秒毎に繰り返して実行され、これにより電子制御装
置30は、T2＜T1の場合は電磁弁11の開度を最大開度以下
の範囲内において増加させ、T2＞T1の場合は電磁弁11の
開度を最小開度以上の範囲内において減少させて、熱交
換器20からの出湯温度T2を湯温設定装置40により設定さ
れた設定温度T1に近付けて両温度T1,T2を一致させる。
出荷時におけるガス種による空燃比の調節は、電磁弁11
の最大及び最小開度と、これに対応する電動ファン12の
最大及び最小回転速度の位置においてのみ行われるが、
適切な空燃比を得るための電磁弁11の開度と電動ファン
12の回転速度との間の特性は、第６図に示す如く、定性
的にはガス種が異なっても同一であるので、第３図に示
す１つの特性マップを用いて前記各最大及び最小値以外
の値においても空燃比をガス種に応じた所定の値に保つ
ことができる。

上記実施例においては、前述の如く印加電流の比率Riと
印加電圧の比率Rvの間の特性マップは、理論的には第３
図に示す如く平方根のカーブＰであるが、両比率Ri,Rv
は何れも255ビットにデジタル化された値としているの
で、実際にはｐに示す如く階段状となっている。このよ
うな特性マップの場合には印加電流の比率Riが小さく
（電磁弁11の開度が小さく）従ってカーブＰの勾配が大
なる範囲においては、印加電圧の比率Rvは１ビットを越
える単位で変化することになるので、出力される印加電
圧の比率Rvの理論的な値に対する誤差は２ビット以上と
なり、これにより供給される一次空気量の理論値からの
誤差が増大する。この状態においては一次空気量の絶対
値も小さいので相対誤差は一層増大し、空燃比の誤差が
増大するので燃焼が不安定あるいは不完全になり易い。
この問題は、第５図に図形化して示す如く、ROM32に記
憶される特性マップの横軸を印加電流の比率Riの２乗を
デジタル化した値とし、縦軸を印加電圧の比率Rvをデジ
タル化した値とすることにより解決することができる。
このようにすれば比率Riの２乗と比率Rvの間の特性マッ
プは、理論的には第５図の直線Ｑに示す通りとなり、こ
れをデジタル化すれば直線Ｑに沿った段階状のものｑと
なる。第５図に示す特性マップによれば、印加電流の比
率Riの２乗の全範囲において印加電流Rvの比率は殆どの
場合１ビットずつ変化することになるので、出力される
印加電圧の比率Rvの理論的な値に対する誤差は１ビット
以上となることは殆どなくなる。これにより供給される
一次空気量の誤差は減少するので、空燃比の誤差も減少
し、燃焼は安定したものとなる。なおこの場合は、第４
図のフローチャートはステップ115が前述の説明とは相
違したものとなり、ステップ114で演算した印加電流の
比率Riを自乗した後、この比率Riの自乗に基づいて第５
図に示す特性マップから印加電圧の比率Rvを演算するこ
とになる。

上記実施例及びその変形例においては、ROM32には予め
演算しあるいは実験により求めた多数の数値の組よりな
る、印加電流の比率Riと印加電圧の比率Rvの間の特性マ
ップを記憶させたが、このような特性マップの代りに演
算式を記憶させ、印加電流の比率Riまたはその自乗が演
算される都度、この演算式により印加電圧の比率Rvを演
算するようにしてもよい。

また上記実施例及びその変形例では、電動ファンにより
送り込んだ燃焼用空気の全部を一次空気としてガスに混
合する完全予混合式のガス燃焼機器について説明した
が、本発明はこれに限られるものではなく、電動ファン
により燃焼室内に送り込んだ燃焼用空気の一部を一次空
気としてガスに混合し残りを二次空気として使用する強
制通風式燃焼機器においても実施でき、同様な効果を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガス燃焼機器の空燃比制御装置の
構成の一例を示す図、第２図〜第４図は本発明の一実施
例を示し、第２図は全体構成図、第３図は電磁弁への印
加電流の比率と電動ファンへの印加電圧の比率の関係を
示す特性マップを図形化して示す図、第４図は制御プロ
グラムを示すフローチャート、第５図は変形実施例の第
３図相当図、第６図はガス種毎の電磁弁への印加電流と
電動ファンへ印加電圧との間の特性を示す図である。 符号の説明 １……開度範囲設定手段、２……回転速度範囲設定手
段、３……記憶手段、４……第１演算手段、５……第２
演算手段、６……第３演算手段、７……第４演算手段、
10……バーナ、11……電磁弁、12……電動ファン、20…
…熱交換器、40……湯温設定装置、43……湯温センサ、
45……電磁弁駆動装置、46……モータ駆動装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱交換器内を通る給水を加熱するガスバー
   ナと、印加電流に応じて開度が連続的に変化して前記ガ
   スバーナへのガス供給量を制御する電磁弁と、印加電圧
   に応じて回転数が連続的に変化して前記ガスバーナへの
   燃焼用空気供給量を制御する電動ファンを備えてなるガ
   ス燃焼機器の空燃比制御装置において、出湯温度を設定
   する湯温設定装置と、前記熱交換器からの出湯温度を検
   出する湯温センサと、前記電磁弁の最大及び最小開度を
   予め所定の値に設定する開度範囲設定手段と、前記電動
   ファンの最大及び最小回転速度を予め所定の値に設定す
   る回転速度範囲設定手段と、前記最大及び最小開度に対
   応する最大及び最小印加電流を基準とする前記電磁弁へ
   の印加電流の比率と前記最大及び最小回転速度に対応す
   る最大及び最小印加電圧を基準とする前記電動ファンへ
   の印加電圧の比率との間の予め設定された特性を記憶す
   る記憶手段と、前記湯温設定装置により設定された設定
   温度と前記湯温センサにより検出された出湯温度を対比
   して前記最大及び最小印加電流の範囲内において前記出
   湯温度と設定温度の差が減少するように前記電磁弁の開
   度を変化させる印加電流を演算する第１演算手段と、こ
   の第１演算手段により演算された印加電流を前記電磁弁
   に印加する電磁弁駆動装置と、前記第１演算手段により
   演算された印加電流の前記最大及び最小電流を基準とす
   る比率を演算する第２演算手段と、この第２演算手段に
   より演算された比率に基づき前記記憶手段に記憶された
   前記特性から前記電動ファンへの印加電圧の比率を演算
   する第３演算手段と、この第３演算手段により演算され
   た比率と前記最大及び最小印加電圧に基づき前記電動フ
   ァンへの印加電圧を演算する第４演算手段と、この第４
   演算手段により演算された印加電圧を前記電動ファンに
   印加するモータ駆動装置を備えたことを特徴とするガス
   燃焼機器の空燃比制御装置。
2. 【請求項２】前記記憶手段により記憶される特性は、前
   記印加電流の比率の２乗をデジタル化した値とこれに対
   応する前記印加電圧の比率をデジタル化した値よりなる
   特性マップであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のガス燃焼機器の空燃比制御装置。