特許 6085965 給湯装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6085965

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】給湯装置

(51)【国際特許分類】

   F23N 1/02 20060101AFI20170220BHJP

   F23N 3/08 20060101ALI20170220BHJP

【ＦＩ】

   F23N1/02 104Z

   F23N3/08

【請求項の数】2

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-279429(P2012-279429)

(22)【出願日】2012年12月21日

(65)【公開番号】特開2014-122763(P2014-122763A)

(43)【公開日】2014年7月3日

【審査請求日】2015年11月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004709

【氏名又は名称】株式会社ノーリツ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡本 真一

(72)【発明者】

【氏名】石角 正光

(72)【発明者】

【氏名】前嶋 佑輝

(72)【発明者】

【氏名】草地 玲奈

(72)【発明者】

【氏名】津田 直樹

(72)【発明者】

【氏名】矢野 由依子

【審査官】 藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−０５１３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３３３０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０５８５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０４４１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１３２８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１５３１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−１０１５５４（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｎ １／０２−１／０６

Ｆ２３Ｎ ３／０８

Ｆ２３Ｎ ５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス燃焼式の給湯装置であって、
燃料ガスおよび燃焼空気の混合気を燃焼するためのバーナと、
前記バーナに対する前記燃料ガスの供給圧を制御するための制御弁と、
回転数に応じた空気量で前記燃焼空気を供給するための燃焼ファンと、
前記バーナでの目標発生熱量に従って、当該目標発生熱量を発生するための供給圧に相当する目標ガス圧と、当該目標ガス圧によって供給された燃料ガスに対して所定の空燃比となる空気量を前記燃焼ファンが供給するための回転数に相当する目標回転数とを設定するための制御手段と、
前記目標回転数に従って前記燃焼ファンの回転数を制御するためのファン制御部と、
前記燃焼ファンの回転数を検出するための回転数検出器とを備え、
前記制御手段は、
前記回転数検出器による検出値に基づいて、当該検出値に従った回転数によって前記燃焼ファンが供給する空気量に対して所定の空燃比となる前記燃料ガスを供給するための供給圧である現在の理想ガス圧を決定する手段と、
前記目標ガス圧および前記理想ガス圧の偏差に応じて前記理想ガス圧を補正することによって前記制御弁への指令ガス圧を設定する手段と、
前記指令ガス圧に従って前記制御弁による前記供給圧を制御するための手段とを含み、
前記制御手段は、
前記指令ガス圧および前記理想ガス圧の差である補正ガス圧が、前記偏差に比例するように前記指令ガス圧を設定するための手段と、
前記目標ガス圧が前記理想ガス圧よりも高い場合には、前記目標ガス圧が前記理想ガス圧よりも低い場合と比較して、前記偏差に対する前記補正ガス圧の比例定数の絶対値を大きくするための手段とをさらに含む、給湯装置。

【請求項2】

前記制御手段は、
前記給湯装置の流量と、前記給湯装置の入水温および設定温度の温度差との積に基づいて、前記目標発生熱量を算出する手段をさらに含む、請求項１記載の給湯装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は給湯装置に関し、より特定的には給湯装置における燃焼制御に関する。

【背景技術】

【0002】

従来からガス燃焼式の給湯装置が用いられている。このような給湯装置では、給湯配管を流れる水を加熱するために必要なガス燃焼量を算出するとともに、所定の空燃比（たとえば、理論空燃比）を維持するように、空気量を適切に制御する空燃比制御が行なわれる必要がある。

【0003】

特許文献１〜４には、ガス比例弁の開度制御によってガスバーナに供給されるガス圧を調整するとともに、ファンの回転数制御によって空気量を制御するように構成された給湯装置における空燃比制御が記載されている。特許文献１（特開昭６２−１９０３２２号公報）および特許文献２（特開平１−２５２８１９号公報）には、応答の遅いファンモータの駆動状態を検出し、これに基づいて応答の速いガス比例弁を制御することが記載されている。

【0004】

さらに、特許文献３（特許第３６０３５５６号公報）には、燃焼ファンの実回転数と目標回転数との偏差に応じて、回転数調整過渡時にガス圧を補正することが記載されており、特に、偏差の大きさに応じてガス圧の補正の要否を切換える制御が記載されている。

【0005】

また、特許第３５３４８６５号公報（特許文献４）には、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空燃比制御装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開昭６２−１９０３２２号公報

【特許文献2】特開平１−２５２８１９号公報

【特許文献3】特許第３６０３５５６号公報

【特許文献4】特許第３５３４８６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１〜３には、ガスバーナの空燃比制御において、ファンとガス比例弁との間の応答性の差を考慮して、ファン回転数の検出値に基づいてバーナへ供給されるガス圧を調整することが記載されている。

【0008】

しかしながら、一般的には、ファン回転数は回転体に取り付けられた機構の回転数をカウントすることによって検出されるので、回転数が変化する過渡状態では、ファン回転数の検出値が遅れを含んだものとなる。この検出遅れの影響によって、ファン回転数の検出値に直接対応するガス量を供給する制御では、空燃比が変動する虞がある。特に、過渡状態期間を通じて空燃比を適切に維持することが困難となることが懸念される。また、特許文献３では、ガス圧の補正要否を切換えるため制御が複雑化する。

【0009】

なお、このような空燃比を維持するための燃焼制御は、給湯装置での燃焼制御のみならず、ガスおよび空気の混合気を燃焼させる燃焼装置全般において重要な課題となり得る。

【0010】

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ファンの回転数制御によって供給空気量が制御されるガスバーナの空燃比制御において、ファンの回転数制御によって空気量を制御する構成において、ファンの目標回転数の変更時の過渡状態期間を通じて空燃比を維持することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の給湯装置によれば、ガス燃焼式の給湯装置は、燃料ガスおよび燃焼空気の混合気を燃焼するためのバーナと、バーナに対する燃料ガスの供給圧を制御するための制御弁と、回転数に応じた空気量で燃焼空気を供給するための燃焼ファンと、制御手段と、目標回転数に従って燃焼ファンの回転数を制御するためのファン制御部と、燃焼ファンの回転数を検出するための回転数検出器とを備える。制御手段は、バーナでの目標発生熱量に従って、当該目標発生熱量を発生するための供給圧に相当する目標ガス圧と、当該目標ガス圧によって供給された燃料ガスに対して所定の空燃比となる空気量を燃焼ファンが供給するための回転数に相当する目標回転数とを設定する。さらに、制御手段は、回転数検出器による検出値に基づいて当該検出値に従った回転数によって燃焼ファンが供給する空気量に対して所定の空燃比となる燃料ガスを供給するための供給圧である現在の理想ガス圧を決定する手段と、目標ガス圧および理想ガス圧の偏差に応じて理想ガス圧を補正することによって制御弁への指令ガス圧を設定する手段と、指令ガス圧に従って制御弁による供給圧を制御するための手段とを含む。

【0012】

上記の給湯装置においては、燃焼ファンの回転数が目標発生熱量に対応する目標回転数に向かって変化している過渡状態において、応答性が低い燃焼ファンの実際の回転数に基づいて空燃比制御を実行する際に、ファン回転数の検出値に基づいて算出された理想ガス圧を、当該理想ガス圧および目標回転数に対応する目標ガス圧の偏差に応じた補正量で補正することができる。この結果、燃焼ファンの回転数の検出遅れを補償して、過渡状態期間の全体を通じて空燃比を適切に維持することができる。

【0013】

好ましくは、上記の給湯装置において、制御手段は、指令ガス圧および理想ガス圧の差である補正ガス圧が、偏差に比例するように指令ガス圧を設定するための手段をさらに含む。

【0014】

このようにすると、理想ガス圧および目標ガス圧の偏差に応じて補正ガス圧を設定できるとともに、燃焼ファンの回転数検出値と目標回転数とが一致している定常状態では補正ガス圧を零にできる。この結果、燃焼ファン回転数の検出遅れが発生する過渡状態と、当該検出遅れが発生しない定常状態との間で指令ガス圧の設定手法を共通とできるので、空燃比制御の制御処理を簡易化することができる。

【0015】

また好ましくは、上記の給湯装置においては、制御手段は、目標ガス圧が理想ガス圧よりも高い場合には、目標ガス圧が理想ガス圧よりも低い場合と比較して、比例定数（絶対値）を大きくするための手段をさらに含む。

【0016】

このようにすると、燃焼ファンの回転数の上昇時と低下時との間での回転数変化レートの差異に対応させて、燃焼ファンの回転数の検出遅れを適切に補償することが可能となるので、空燃比を適切に維持することができる。

【0017】

好ましくは、上記の給湯装置において、制御手段は、給湯装置の流量と、給湯装置の入水温および設定温度の温度差との積に基づいて、目標発生熱量を算出する手段をさらに含む。

【0018】

このようにすると、給湯装置での給湯負荷の変化を目標発生熱量に適切に反映することができる。

【発明の効果】

【0019】

以上説明したように、本発明によれば、ファンの回転数制御によって供給空気量が制御されるガスバーナの空燃比制御において、ファンの目標回転数の変更時の過渡状態期間を通じて空燃比を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施の形態に従う給湯装置の全体構成を示す概略図である。

【図2】図１に示した給湯制御部による燃焼制御を説明するためのフローチャートである。

【図3】過渡状態における燃焼ファンの回転数の挙動を説明するための概念的な波形図である。

【図4】過渡状態における燃焼ファンの回転数変化の検出遅れを説明するための概念的な波形図である。

【図5】ガス圧補正の比較例を説明する概念図である。

【図6】本実施の形態に従う給湯装置におけるファン回転数上昇時のガス圧補正を説明する概念図である。

【図7】本実施の形態に従う給湯装置におけるファン回転数低下時のガス圧補正を説明する概念図である。

【図8】本発明が適用される燃焼装置の一例であるガスファンヒータの全体構成を説明する概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて詳細に説明する。なお以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

【0022】

図１は、本発明の実施の形態に従う給湯装置１００の全体構成を示す概略図である。
図１を参照して、給湯装置１００は、缶体１１０と、燃焼ファン１６０と、給湯配管１８０と、ガス供給配管１９０と、給湯制御部３００とを含む。

【0023】

缶体１１０の内部には、給湯配管１８０を流れる水を加熱するための熱交換器１３０と、ガスバーナ１２０とが収容されている。ガスバーナ１２０は、ガス供給配管１９０から供給されたガスを燃焼することによって熱量を発生する。ガスバーナ１２０は熱交換器１３０に近接配置されており、ガスバーナ１２０が燃焼により発生した熱量は、熱交換器１３０を介して給湯配管１８０を流れる水に伝達される。

【0024】

缶体１１０には、排気口１４０および吸気口１５０が設けられる。燃焼ファン１６０は、吸気口１５０に接続されて、燃焼用空気を強制的に缶体１１０の内部へ供給する。排気口１４０は、燃焼後の排気を缶体１１０の外部へ排出する。

【0025】

ガス供給配管１９０には、ガス比例弁２００が介挿接続される。ガス比例弁２００は、たとえば比例電磁弁で構成される。給湯制御部３００からの指令に応じたガス比例弁２００の開度制御によって、ガスバーナ１２０へ供給されるガス圧が制御される。ガス圧の制御により、ガスバーナ１２０に対する単位時間あたりのガス供給量が制御される。

【0026】

ガスバーナ１２０には複数の燃焼管１２５が設けられる。バーナ制御部３２０は、給湯制御部３００からの指令に応じて、燃料供給の対象となる燃焼管１２５の数を制御する機能を有する。バーナ制御部３２０は、たとえば、ガス供給配管１９０と各燃焼管１２５との間に接続されて開閉制御される電磁弁（図示せず）を制御する機能を有する。燃料供給される燃焼管１２５の数とガス圧との組合せによって、ガスバーナ１２０から熱交換器１３０へ出力される熱量を制御することができる。

【0027】

燃焼ファン１６０は、直流モータ１７０によって駆動される。燃焼ファン１６０から缶体１１０へ供給される空気量は、燃焼ファン１６０の回転数に応じて変化する。燃焼ファン１６０の回転数は、図示しない電力変換器から直流モータ１７０に供給されるファン駆動電圧によって制御される。燃焼ファン１６０の回転数は、ファン回転数検出部２４０によって検出される。ファン回転数検出部２４０は、たとえば、燃焼ファン１６０または直流モータ１７０の回転体に取付けられた電磁ピックアップ式のセンサによって構成される。

【0028】

ファン制御部３１０は、給湯制御部３００から指示された目標ファン回転数Ｆｒに従って燃焼ファン１６０の回転数を制御する。具体的には、ファン回転数検出部２４０によって検出された検出ファン回転数Ｆｃと、目標ファン回転数Ｆｒとの比較に基づいて、ファン駆動電圧を増減するフィードバック制御が実行される。

【0029】

給湯配管１８０には、流量センサ２１０と、温度センサ２２０，２３０とが設けられる。給湯配管１８０の先には、図示しない給湯栓が接続される。給湯栓が開栓されると、流量Ｑ＞０となる。流量Ｑは、給湯栓の開度に応じて変化する。流量センサ２１０は、給湯配管１８０の流量Ｑを検出する。温度センサ２２０は、熱交換器１３０の下流側に設けられて、出湯温度Ｔｈを検出する。一方で、温度センサ２２０は、熱交換器１３０の上流側に設けられて、入水温度Ｔｃを検出する。

【0030】

給湯制御部３００には、給湯装置１００の設定温度Ｔｒ＊が入力される。さらに、流量センサ２１０、温度センサ２２０，２３０およびファン回転数検出部２４０による検出値が、給湯制御部３００に入力される。給湯制御部３００は、設定温度Ｔｒ＊に従って給湯配管１８０からの出湯温度が制御されるように、燃焼制御を実行する。給湯制御部３００は、ガス比例弁２００での開度を制御するための制御指令をガス比例弁２００へ出力するとともに、燃焼ファン１６０の目標ファン回転数Ｆｒをファン制御部３１０へ出力する。給湯制御部３００の機能は、たとえばマイクロコンピュータによって実現される。

【0031】

図２は、給湯制御部３００による給湯装置１００の燃焼制御を説明するためのフローチャートである。

【0032】

図２を参照して、給湯制御部３００は、ステップＳ１００により、給湯配管１８０の流量Ｑを最低作動流量（ＭＯＱ）と比較する。流量Ｑが小さ過ぎると、流量センサ２１０での検出が不正確になったり、熱交換器１３０内で沸騰が発生したりする不具合が生じる。最低作動流量（ＭＯＱ）は、これらの不具合を生じることなく、給湯装置１００が安定的に動作できる最小流量に設定される。

【0033】

Ｑ＜ＭＯＱのとき（Ｓ１００のＮＯ判定時）、給湯装置１００では燃焼が停止される。このため、給湯制御部３００は、燃焼制御のためのステップＳ１００〜Ｓ１６０を実行しない。

【0034】

給湯制御部３００は、Ｑ≧ＭＯＱのとき（Ｓ１００のＹＥＳ判定時）、一連の燃焼制御を実行するためのステップＳ１１０〜Ｓ１６０の処理を実行する。給湯制御部３００は、ステップＳ１１０では、設定温度Ｔｒ＊、入水温度Ｔｃおよび流量Ｑに基づいて目標発生熱量を算出する。給湯装置１００では、一般的に目標発生熱量は目標号数として算出される。目標号数は、下記（１）式で示される。

【0035】

目標号数＝（Ｔｒ＊−Ｔｃ）・Ｑ／２５ …（１）
（Ｔｒ＊−Ｔｃ）は、熱交換器１３０での目標昇温量に相当する。当該目標昇温量と流量Ｑとの積により、水温上昇に要する熱量が目標発生熱量として求められる。

【0036】

給湯制御部３００は、ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０で求められた目標号数に応じて、最終目標ガス圧Ｐｒおよび目標ファン回転数Ｆｒを決定する。たとえば、ガスバーナ１２０および熱交換器１３０での効率を加味して、目標号数に対応する熱量を発生するのに必要なガス圧を決定するためのテーブルが予め作成されている。したがって、当該テーブルの参照によって、ステップＳ１１０で求められた目標号数に対応するガス圧を読み出すことにより、最終目標ガス圧Ｐｒを決定することができる。すなわち、最終目標ガス圧Ｐｒは、目標発生熱量（目標号数）を発生するためのガス圧に相当する。

【0037】

目標ファン回転数Ｆｒは、最終目標ガス圧Ｐｒに応じたガス量がガスバーナ１２０に供給されたときに、当該ガス量との空燃比が所定値（たとえば、理想空燃比）となる空気量を燃焼ファン１６０が供給するときの回転数に相当する。すなわち、目標ファン回転数Ｆｒは、最終目標ガス圧Ｐｒに対応して定められる。したがって、最終目標ガス圧Ｐｒと同様に、目標号数に対応させて目標ファン回転数Ｆｒを決定するためのテーブルを予め作成することが可能である。

【0038】

ガス比例弁２００の開度が最終目標ガス圧Ｐｒに対応した開度に設定され、かつ、燃焼ファン１６０の回転数が目標ファン回転数Ｆｒと等しい状態のとき、ガスバーナ１２０での燃焼は所定の空燃比（理論空燃比）に従った理想的な状態となることが理解される。

【0039】

給湯制御部３００は、ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で決定された目標ファン回転数Ｆｒを、ファン制御部３１０へ出力する。ファン制御部３１０は、目標ファン回転数Ｆｒに従って、燃焼ファン１６０の回転数を制御する。

【0040】

設定温度Ｔｒ＊や流量Ｑの変化によって目標号数（目標発生熱量）が変化すると、これに対応して、最終目標ガス圧Ｐｒおよび目標ファン回転数Ｆｒが変化する。ファン制御部３１０は、目標ファン回転数Ｆｒの変化に追従するように、燃焼ファン１６０の回転数を制御する。しかしながら、燃焼ファン１６０の回転数制御の応答性は低いため、燃焼ファン１６０の回転数制御には、目標ファン回転数Ｆｒと実際の回転数とが一致しない過渡状態が生じる。

【0041】

図３を参照して、時刻ｔ１において、目標ファン回転数ＦｒがＦ１からＦ２に変化する。これに応じて、ファン制御部３１０は、ファン回転数を上昇させるように、直流モータ１７０に供給されるファン駆動電圧を制御する。

【0042】

しかしながら、実際の回転数Ｆｍ（以下、実回転数Ｆｍと表記する）は、目標ファン回転数Ｆｒの変化に対して一定の遅れを有するように変化する。特許文献１〜３でも指摘されるように、燃焼ファン１６０の回転数制御の応答性は、ガス比例弁２００の開度制御の応答性よりも低いため、上記過渡状態では、目標ファン回転数Ｆｒに対応する最終目標ガス圧Ｐｒに従ってガス圧、すなわち、ガス比例弁２００の開度を制御すると、空燃比が変化する虞がある。具体的には、図３に例示された、目標ファン回転数Ｆｒよりも実回転数Ｆｍが低い過渡状態では、ガス供給が過剰となる虞がある。反対に、目標ファン回転数Ｆｒよりも実回転数Ｆｍが高い過渡状態では、ガス供給が不足する虞がある。このような理論空燃比から外れた燃焼状態では、ガスの未燃による排気性状の悪化や、燃焼不良が発生することが懸念される。

【0043】

再び図２を参照して、給湯制御部３００は、ステップＳ１４０では、図３を用いて説明した問題に対処するために、ファン回転数検出部２４０による検出ファン回転数Ｆｃに基づいて、所定の空燃比を維持するための理想ガス圧Ｐｉを決定する。

【0044】

図４には、過渡状態における燃焼ファンの回転数変化の検出遅れを説明するための概念的な波形図が示される。

【0045】

図４を参照して、時刻ｔ１に燃焼ファン１６０の目標ファン回転数Ｆｒが変化すると、回転数制御によって、実回転数Ｆｍは、Ｆ１から目標ファン回転数Ｆｒに向かって変化する。そして、時刻ｔ２において、実回転数Ｆｍが目標ファン回転数Ｆｒまで上昇する。一方で、ファン回転数検出部２４０は、現時点までの一定期間内における回転体の回転数に基づいて、検出ファン回転数Ｆｃを出力する。このため、実回転数Ｆｍが目標ファン回転数Ｆｒへ向かって変化している過渡状態では、検出ファン回転数Ｆｃは、実回転数Ｆｍの変化に対して検出遅れを有する。

【0046】

実回転数Ｆｍが上昇している図４の例では、検出ファン回転数Ｆｃは、実回転数Ｆｍよりも低い値となる。このため、検出ファン回転数Ｆｃに基づいて設定された理想ガス圧Ｐｉに従って、ガス比例弁２００を制御すると、ガス圧が低すぎるため必要なガス量を供給できず、燃焼不良につながる虞がある。

【0047】

反対に、実回転数Ｆｍが低下している場面では、検出ファン回転数Ｆｃに基づいて設定された理想ガス圧Ｐｉに従って、ガス比例弁２００を制御すると、ガス圧が高すぎてガス量が過剰になってしまい、未燃ガスによる排気性状の悪化が懸念される。

【0048】

再び図２を参照して、給湯制御部３００は、ステップＳ１５０により、理想ガス圧Ｐｉに対して、ファン回転数の検出遅れを補償するためのガス圧補正を行って、ガス比例弁２００への指令ガス圧Ｐｃを決定する。さらに、給湯制御部３００は、ステップＳ１６０により、指令ガス圧Ｐｃに従ってガス比例弁２００を制御する。すなわち、ガスバーナ１２０からは、指令ガス圧Ｐｃに従ったガス量が供給される。

【0049】

まず図５を用いて、ガス圧補正の比較例を説明する。図５には、図４と同様のファン回転数挙動に対して、検出遅れに対応するためのガス圧補正が示される。

【0050】

図５を参照して、理想ガス圧Ｐｉは、検出ファン回転数Ｆｃに対応する空気量に対して、所定の空燃比を維持するためのガス圧である。理想ガス圧Ｐｉは、時刻ｔ１では、ファン回転数がＦ１（図４）のときに所定の空燃比となるガス圧に相当するＰ１である。時刻ｔ１以降では、図４に示した検出ファン回転数Ｆｃの上昇に対応して、理想ガス圧Ｐｉが上昇する。検出ファン回転数Ｆｃが目標ファン回転数Ｆｒに一致したタイミング（図４の時刻ｔ２）において、理想ガス圧Ｐｉは、最終目標ガス圧Ｐｒに到達する。

【0051】

比較例に従うガス圧補正では、理想ガス圧Ｐｉが最終目標ガス圧Ｐｒに到達するまでの過渡状態期間では、検出ファン回転数Ｆｃが実回転数Ｆｍよりも低くなる点を反映して、検出ファン回転数Ｆｃに基づく理想ガス圧Ｐｉをｋ倍（図４の例では、ｋ＞１．０）する補正により、指令ガス圧Ｐｃが設定される。すなわち、Ｐｃ＝ｋ・Ｐｉに設定される。

【0052】

このガス圧補正は、過渡状態における検出遅れを略一定とみなして、検出遅れに対応したガス圧の不足・過剰を補償するものである。一方で、図４に示されるように、実回転数Ｆｍおよび検出ファン回転数Ｆｃの差は、過渡状態期間の開始時および終了時には小さくなる一方で、それ以外の区間では略一定値となる。したがって、過渡状態期間（時刻ｔ１〜ｔ２）の全体を通じて、補正係数ｋの値を適切に設定することが困難である。また、定常状態ではガス圧補正をオフする必要があるので、特許文献３と同様に、定常状態および過渡状態の判別処理および制御の切換え処理が必要となる。

【0053】

図６には、本実施の形態による給湯装置におけるファン回転数上昇時のガス圧補正を説明する概念図である。

【0054】

図６を参照して、理想ガス圧Ｐｉは、図５と同様に、図４に示された検出ファン回転数Ｆｃに対応した空気量に基づいて設定される。図５と同様に、ファン回転数上昇時には、補正量ΔＰ＞０となる様にガス補正を実行する必要がある。

【0055】

本実施の形態に従うガス圧補正では、補正量ΔＰｃの大きさ（｜ΔＰｃ｜）が、現在の理想ガス圧Ｐｉと最終目標ガス圧Ｐｒとの偏差の大きさ（｜Ｐｒ−Ｐｉ｜）に応じて設定される。すなわち、偏差の絶対値（｜Ｐｒ−Ｐｉ｜）が大きいほど補正量の絶対値（｜ΔＰｃ｜）は大きく設定され、偏差の絶対値が小さいほど補正量の絶対値は小さく設定される。なお、補正量ΔＰｃを用いると、指令ガス圧Ｐｃは、式（２）で示される。

【0056】

Ｐｃ＝Ｐｉ＋ΔＰｃ …（２）
たとえば、補正量ΔＰｃは、最終目標ガス圧Ｐｒおよび理想ガス圧Ｐｉの偏差に比例するように、式（３）に従って算出される。

【0057】

ΔＰｃ＝ｋ・（Ｐｒ−Ｐｉ） …（３）
この結果、図５に示した補正のように、理想ガス圧Ｐｉが、最終目標ガス圧Ｐｒに近づいた時点で補正量が過大になることがなく、さらに、初期段階において、十分なガス圧補正を行なうことができる。

【0058】

図７には、本実施の形態による給湯装置におけるファン回転数低下時のガス圧補正を説明する概念図である。

【0059】

図７を参照して、理想ガス圧Ｐｉ＝Ｐ２の状態から最終目標ガス圧Ｐｒが低下すると、ファン回転数が目標ファン回転数に向かって低下するような過渡状態となる。このとき、ファン回転数の検出遅れの影響により、検出ファン回転数Ｆｃは実回転数Ｆｍよりも高くなる。したがって、検出ファン回転数Ｆｃに基づく理想ガス圧Ｐｉを用いてガス比例弁２００を制御すると、ガスが過剰に供給される虞がある。

【0060】

したがって、ファン回転数低下時には、式（２）における補正量ΔＰｃ＜０となる様にガス圧補正を行う必要がある。回転数低下時においても、補正量の絶対値（｜ΔＰｃ｜）は、現在の理想ガス圧Ｐｉと最終目標ガス圧Ｐｒとの偏差の絶対値（｜Ｐｒ−Ｐｉ｜）に応じて設定される。すなわち、偏差の絶対値が大きいほど補正量の絶対値は大きく設定され、偏差の絶対値が小さいほど補正量の絶対値は小さく設定される。

【0061】

たとえば、上記補正量ΔＰｃを回転数低下時も共通に用いることができる。この結果、現在の理想ガス圧Ｐｉと最終目標ガス圧Ｐｒとの偏差が大きい場面では、十分なガス圧補正を行うことができるとともに、偏差が小さい場面においてガス圧補正が過剰になることを防止できる。

【0062】

なお、式（３）における補正係数ｋは、ファン回転数上昇時（図６）と、ファン回転数低下時（図７）との間で異なる値としてもよい。一般的に、ファン回転数低下時における低下レートは、ファン回転数上昇時における上昇レートよりも緩やかである。したがって、補正係数ｋについても、ファン回転数上昇時（すなわち、ガス圧の上昇時）には、ファン回転数低下時（すなわち、ガス圧の低下時）と比較して、大きな値とすることが好ましい。

【0063】

あるいは、式（３）については、下記（４）式のように、偏差の絶対値に応じて補正量ΔＰｃを算出するように変形してもよい。

【0064】

ΔＰｃ＝ｋ・｜Ｐｒ−Ｐｉ｜ …（４）
この場合には、ファン回転数上昇時（すなわち、ガス圧の上昇時）にはｋ＞０とする一方で、ファン回転数低下時（すなわち、ガス圧の低下時）にはｋ＜０とする必要がある。この際にも、補正係数の絶対値（｜ｋ｜）について、ファン回転数上昇時には、ファン回転数低下時よりも大きくすることができる。

【0065】

以上説明したように、本発明の実施の形態による給湯装置によれば、燃焼ファンの回転数が目標発生熱量に対応する目標ファン回転数Ｆｒに向かって変化している過渡状態において、ガス比例弁２００と比較して応答性が低い燃焼ファン１６０の実際の回転数に基づいて空燃比制御を実行することができる。さらに、検出ファン回転数Ｆｃに基づいて算出された理想ガス圧Ｐｉを、当該理想ガス圧Ｐｉおよび目標ファン回転数Ｆｒに対応する最終目標ガス圧Ｐｒの偏差に応じた補正量ΔＰｃで補正することができる。この結果、ファン回転数の検出遅れを補償して、過渡状態期間の全体を通じて空燃比を適切に維持することが可能となる。

【0066】

また、式（３），（４）に従えば、定常状態、すなわち、検出ファン回転数Ｆｃが目標ファン回転数Ｆｒと等しい定常状態では、ΔＰｃ＝０となることにより、過渡状態と同様に式（３）または（４）を適用しても、ガス圧補正が自動的に非実行とされる。これにより、定常状態と過渡状態との間で、指令ガス圧Ｐｃの設定処理（図２）を共通化することも可能である。このようにすると、図５の比較例では過渡状態であるか否かに基づいてガス圧補正を実行するか否かを判断する必要があるのに対して、空燃比制御の処理を簡易化することが可能となる。

【0067】

本実施の形態では、ガス燃焼機構を備えた給湯装置を例示したが、本実施の形態による給湯装置に適用されるガス燃焼機構での空燃比制御は、給湯装置に限らず、燃料ガスの燃焼機構を有する燃焼装置に対して、共通に適用することができる。

【0068】

図８には、給湯装置の他に本発明が適用可能な燃焼装置の一例として、ガスファンヒータの構成例が示される。公知のように、ガスファンヒータは、ガスの燃焼熱によって得られた温風を出力することにより温風暖房を行なうものである。

【0069】

図８を参照して、ガスファンヒータ５００は、外装ケース５０６と、天板５１４と、底板５１５とで機器の外装を構成する。外装ケース５０６は、温風吹出口５０５および空気吸入口５０７を有する。温風吹出口５０５は、前面下部に当たる位置に設けられる。空気吸入口５０７は機器の背面上部に当たる位置に設けられる。空気吸入口５０７にはエアーフィルタ５０８が設けられている。空気吸入口５０７の近傍には、室温検出器５０９が設けられる。室温検出器５０９は空気吸入口５０７から取入れられる雰囲気温度を検出する。

【0070】

外装ケース５０６の内部には、ガスバーナ５０１、燃焼室５０２、送風ファン５０３、ファンモータ５０４および点火装置５１７が設けられる。燃焼室５０２は、外装ケース５０６の内部に設けられる。

【0071】

送風ファン５０３は、燃焼室５０２の下部に設けられる。ファンモータ５０４は送風ファン５０３を駆動する。ファンモータ５０４には回転数を検出するための回転数検出器５２０が設けられている。

【0072】

ガスバーナ５０１において燃料ガスと混合される空気量は、送風ファン５０３の回転数によって制御される。すなわち、送風ファン５０３は、図１に示された燃焼ファン１６０と同等の機能を有する。

【0073】

燃焼室５０２の上面および前面には、蓋板５１８が設けられている。ファンケース５１９は、送風ファン５０３からの温風を、温風吹出口５０５に導くように構成される。

【0074】

外装ケース５０６の背面下部にはガス接続口５２１が設けられる。ガス接続口５２１へ供給された燃焼ガスは、ガスを遮断するための電磁弁５２２、ガス圧（すなわち、単位時間あたりのガス量）を調整するためのガス比例弁５２３、および、ガス配管５２４を経由してガスバーナ５０１へ供給される。ガスバーナ５０１による発生熱量は、ガス供給量（ガス圧）によって制御される。

【0075】

ガスバーナ５０１へのガス供給量、すなわち、ガス圧は、ガス比例弁５２３によって制御される。すなわち、ガス比例弁５２３は、図１に示されたガス比例弁２００と同等の機能を有する。

【0076】

天板５１４の前方部には、操作表示部５１２が設けられる。操作表示部５１２によって、温風の供給条件たとえば温風温度等を設定することができる。

【0077】

操作表示部５１２の下部には、各スイッチや表示器を設置した操作表示回路５１３ａが設けられる。操作表示部５１２には、目詰まり表示器５１１が設けられる。温度検出器５１０は、燃焼室５０２の温度を検出するためのサーミスタによって構成される。温度検出器５１０によって検出された燃焼室温度に基づいて、エアーフィルタ５０８の目詰まりが検出される。目詰まりの発生は、目詰まり表示器５１１によって、ユーザに報知される。

【0078】

制御回路５１３は、操作表示部５１２に設けられたスイッチへのユーザ入力に応じて、ガスファンヒータ５００の動作を制御する。代表的には、設定温度に応じた温風が出力されるように、ガスバーナ５０１へのガス供給、ガスバーナ５０１の点火、消火、および送風ファン５０３の回転数等を制御する。電源コード５２６がコンセントに接続されることによって、制御回路５１３に電源が供給されると、ガスファンヒータ５００は運転可能な状態となる。

【0079】

ガスファンヒータ５００は、暖房運転を開始すると、制御回路５１３がファンモータ５０４を始動させるとともに、ガスバーナ５０１にガスを供給する。送風ファン５０３によって、室内空気が空気吸入口５０７から外装ケース５０６内部に吸入される。吸入された空気の一部は、燃焼室５０２に入りガスバーナ５０１でガス燃料と混合されて燃焼する。

【0080】

このとき制御回路５１３は、燃焼を継続させるように、ガス供給量とファンモータ５０４の回転数とを調整する。

【0081】

ガスバーナ５０１の燃焼ガスは、燃焼室５０２から排出された後、燃焼室５０２および蓋板５１８で形成される通路を流れる空気と合流して、送風ファン５０３に吸入される。そして、送風ファン５０３から吐出された温風は、ファンケース５１９によって、温風吹出口５０５へと誘導されて室内に放出される。

【0082】

制御回路５１３は、設定温度と、室温検出器５０９によって検出された室温との差に応じて、ガスバーナ５０１での目標発生熱量、すなわち、ガス燃焼量を設定する。制御回路５１３は、設定したガス燃焼量に応じて、ガス比例弁５２３の開度を制御する。

【0083】

さらに、制御回路５１３は、ファンモータ５０４による送風ファン５０３の回転数制御によって、ガスバーナ５０１への供給空気量を制御する。ガスバーナ５０１での空燃比を所定の空燃比（理論空燃比）に維持するための空燃比制御に従って、ガスバーナ５０１への供給ガス量（ガス圧）および送風ファン５０３の回転数は制御される。

【0084】

このように、図８に示したガスファンヒータ５００においても、ガスバーナ１２０へ供給されるガス圧および空気量は、図１に示した給湯装置１００と同様に、弁開度およびファン回転数によって制御されることが理解される。したがって、ガスファンヒータ５００における空燃比制御についても、本実施の形態に従う給湯装置１００と同様に実行することができる。

【0085】

具体的には、ガスファンヒータ５００では、操作表示部５１２へ入力されたユーザ設定に基づいて、図１に示した給湯装置１００と同様に、目標発生熱量および最終目標ガス圧Ｐｒを算出することができる。さらに、最終目標ガス圧Ｐｒでのガス供給時に、送風ファン５０３による供給空気量との比が、所定の空燃比（たとえば、理想空燃比）となるように、図１に示された給湯装置１００と同様に、最終目標ガス圧から送風ファン５０３の目標ファン回転数Ｆｒを設定することができる。

【0086】

送風ファン５０３の回転数は、図１に示された給湯装置１００での燃焼ファン１６０と同様に、回転数検出器５２０による検出値に基づいて、ファンモータ５０４によって制御される。したがって、制御回路５１３は、図１の給湯装置１００と同様に、回転数検出器５２０による検出値に基づく空燃比制御によって理想ガス圧Ｐｉを算出するとともに、理想ガス圧Ｐｉおよび最終目標ガス圧Ｐｒの偏差に応じて、理想ガス圧Ｐｉを補正することによって、図１に示された給湯装置１００と同様に、ガス比例弁５２３へのガス圧指令値を設定することができる。

【0087】

これにより、回転数検出器５２０による送風ファン５０３の回転数検出遅れを補償して、図１に示された給湯装置１００と同様の空燃比制御を行なうことができる。この結果、送風ファン５０３の回転数が変化する過渡状態時において、所定の空燃比（理想空燃比）を維持したガスバーナ５０１での燃焼を継続することができる。

【0088】

なお、ガスファンヒータ以外の他の機器についても、ガスおよび空気の混合気を燃焼するための燃焼機構を有する機器（燃焼装置）であれば、当該燃焼機構に対して、本実施の形態に従う空燃比制御を同様に適用できることは言うまでもない。

【0089】

給湯装置１００における、ファン制御部３１０、バーナ制御部３２０、およびファン回転数検出部２４０は、いずれも給湯制御部３００とは別体に構成してもよいし、その一部または全部を給湯制御部３００と一体的に構成してもよい。たとえば、１個のマイクロコンピュータによって、給湯制御部３００、ファン制御部３１０、バーナ制御部３２０、およびファン回転数検出部２４０の各機能を実現することができる。

【0090】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0091】

本発明は、給湯装置を始めとする、ガスおよび空気の混合気を燃焼する燃焼機構を有する機器に有利に適用され得る。

【符号の説明】

【0092】

１００ 給湯装置、１１０ 缶体、１２０ ガスバーナ、１２５ 燃焼管、１３０ 熱交換器、１４０ 排気口、１５０ 吸気口、１６０ 燃焼ファン、１７０ 直流モータ、１８０ 給湯配管、１９０ ガス供給配管、２００ ガス比例弁、２１０ 流量センサ、２２０，２３０ 温度センサ、２４０ ファン回転数検出部、３００ 給湯制御部、３１０ ファン制御部、３２０ バーナ制御部、５００ ガスファンヒータ、５０１ ガスバーナ、５０２ 燃焼室、５０３ 送風ファン、５０４ ファンモータ、５０５ 風吹出口、５０６ 外装ケース、５０７ 空気吸入口、５０８ エアーフィルタ、５０９ 室温検出器、５１０ 温度検出器、５１１ 目詰まり表示器、５１２ 操作表示部、５１３ 制御回路、５１３ａ 操作表示回路、５１４ 天板、５１５ 底板、５１７ 点火装置、５１８ 蓋板、５１９ ファンケース、５２０ 回転数検出器、５２１ ガス接続口、５２２ 電磁弁、５２３ ガス比例弁、５２４ ガス配管、５２６ 電源コード、Ｆｃ 検出ファン回転数、Ｆｍ ファン実回転数、Ｆｒ 目標ファン回転数、Ｐｃ 指令ガス圧、Ｐｉ 理想ガス圧、Ｐｒ 最終目標ガス圧、Ｑ 流量、Ｔｃ 入水温度、Ｔｈ 出湯温度、Ｔｒ 設定温度、ｋ 補正係数。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】