特許 6625925 予混合装置

(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】6625925

(24)【登録日】2019年12月6日

(45)【発行日】2019年12月25日

(54)【発明の名称】予混合装置

(51)【国際特許分類】

   F23N 1/02 20060101AFI20191216BHJP

   F23D 14/62 20060101ALI20191216BHJP

【ＦＩ】

   F23N1/02 D

   F23D14/62

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-76518(P2016-76518)

(22)【出願日】2016年4月6日

(65)【公開番号】特開2017-187229(P2017-187229A)

(43)【公開日】2017年10月12日

【審査請求日】2018年11月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000115854

【氏名又は名称】リンナイ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】特許業務法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】島津 智行

【審査官】 吉澤 伸幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−２３０１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２６７７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３１２９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１４７４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６２７９８７０（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｎ １／０２

Ｆ２３Ｄ １４／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置であって、
燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端が前記ファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、前記ガス吸引部より上流側の前記空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、前記流量調節弁よりも下流側の前記ガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備え、
前記空気抵抗切換手段は、前記ガス吸引部よりも上流側の前記空気供給路の部分に設けられ、前記空気供給路の長手方向に平行な開き姿勢と前記空気供給路の長手方向に直交する閉じ姿勢とにステッピングモータにより回動されるバタフライ弁で構成され、前記ガス抵抗切換手段は、前記ガス供給路内に開閉動作自在に設けられた切換弁で構成され、
前記バタフライ弁の開き姿勢と閉じ姿勢への回動に連動して前記切換弁を開閉動作させる連動機構を備え、前記連動機構は、前記バタフライ弁が閉じ姿勢から開き側に所定角度回動するまで前記切換弁を閉弁状態に維持するように構成されるものにおいて、
前記バタフライ弁を閉じ姿勢から開き姿勢に回動させる際、前記ステッピングモータの駆動周波数を、前記バタフライ弁が閉じ姿勢から開き側に所定の設定角度回動するまで、前記バタフライ弁が当該設定角度から開き姿勢に回動するまでの駆動周波数よりも高くすることを特徴とする予混合装置。

【請求項2】

前記設定角度は、前記切換弁が開き始めて混合気の空気過剰率が極小値になるポイントを越えた角度に設定されることを特徴とする請求項１記載の予混合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の予混合装置として、特許文献１により、燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端がファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、ガス吸引部より上流側の空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁よりも下流側のガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備えるものが知られている。

【0003】

ところで、流量調節弁として比例弁を用いる場合は、要求燃焼量に応じた量の燃料ガスが供給されるように比例弁が制御され、更に、バーナに供給される混合気の空燃比が一定になるように、要求燃焼量に応じてファン回転数が制御される。但し、要求燃焼量が所定値以下になって、ファン回転数が送風量の比例特性を維持できる下限回転数以下になったり、比例弁電流（比例弁への通電電流）がガス供給量の比例特性を維持できる下限電流以下になった場合には、要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できなくなる。

【0004】

また、流量調節弁として、二次ガス圧を大気圧に維持するゼロガバナを用いることもある。この場合、燃料ガスの供給量は、二次ガス圧である大気圧と空気供給路内の負圧との差圧に応じて変化する。そして、空気供給路内の負圧がファン回転数に応じて変化するため、燃料ガスの供給量はファン回転数即ち空気の供給量に応じて変化する。従って、要求燃焼量に応じてファン回転数を制御することにより、要求燃焼量に応じた量の空気及び燃料ガスがバーナに供給されることになる。

【0005】

このものでも、ファン回転数が送風量の比例特性を維持できる下限回転数以下になると、要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できなくなる。そのため、要求燃焼量が所定値以下になったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を大きくして、ファン回転数を上記下限回転数以下にせずに、所定値以下の要求燃焼量に応じた量の空気を供給できるようにする必要がある。また、空気供給路の通気抵抗を大きくするだけでは、空気供給路内の負圧の増加で燃料ガスの供給量が要求燃焼量に応じた量を超えてしまうため、空気供給路の通気抵抗を大きくするのに合わせて、ガス供給路の通気抵抗も大きくする必要がある。

【0006】

そこで、上記従来例では、要求燃焼量が所定値以下になったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を大きくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路の通気抵抗を大きくした小能力状態として、所定値以下の要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できるようにし、要求燃焼量が所定値を上回ったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路の通気抵抗を小さくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路の通気抵抗を小さくした大能力状態に復帰させている。

【0007】

ここで、特許文献１に記載のものにおいて、空気抵抗切換手段は、ガス吸引部よりも上流側の空気供給路の部分に設けられ、空気供給路の長手方向に平行な開き姿勢と空気供給路の長手方向に直交する閉じ姿勢とにステッピングモータにより回動されるバタフライ弁で構成され、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路内に開閉動作自在に設けられた切換弁で構成され、バタフライ弁の開き姿勢と閉じ姿勢への回動に連動して切換弁を開閉動作させる連動機構を備えている。

【0008】

尚、バタフライ弁が閉じ姿勢からある程度開き側に回動するまで、空気流量は然程増加しない。そのため、バタフライ弁が閉じ姿勢から開き側に回動し始めるのと同時に切換弁が開動作し始めると、空気流量が然程増加しないうちにガス流量が増加し、小能力状態から大能力状態への切換時に、混合気が一時的にガスリッチになって燃焼不良を生じやすくなる。

【0009】

そこで、特許文献１に記載のものでは、バタフライ弁が閉じ姿勢から開き側に所定角度回動するまで切換弁を閉弁状態に維持するように連動機構を構成し、小能力状態から大能力状態への切換時に、空気流量が増加する前にガス流量が増加することを防止できるようにしている。然し、このものでは、小能力状態から大能力状態への切換時に、混合気が過剰なエアリッチ状態になって失火する可能性があることが判明した。また、切換弁が開き始めた直後に混合気の空気過剰率が１．０に近い極小値になって、燃焼不良を生ずる可能性があることも判明した。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１５−２３０１４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、以上の点に鑑み、バタフライ弁が閉じ姿勢から開き側に所定角度回動するまで切換弁を閉弁状態に維持するよう連動機構を構成した場合の不具合である、小能力状態から大能力状態への切換時の失火や燃焼不良を防止できるようにした予混合装置を提供することをその課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するために、本発明は、空気に燃料ガスを混合し、混合気をファンを介してバーナに供給する予混合装置であって、燃料ガスを供給する流量調節弁を介設したガス供給路の下流端が前記ファンの上流側の空気供給路に設けられたガス吸引部に接続され、前記ガス吸引部より上流側の前記空気供給路の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、前記流量調節弁よりも下流側の前記ガス供給路の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備え、前記空気抵抗切換手段は、前記ガス吸引部よりも上流側の前記空気供給路の部分に設けられ、前記空気供給路の長手方向に平行な開き姿勢と前記空気供給路の長手方向に直交する閉じ姿勢とにステッピングモータにより回動されるバタフライ弁で構成され、前記ガス抵抗切換手段は、前記ガス供給路内に開閉動作自在に設けられた切換弁で構成され、前記バタフライ弁の開き姿勢と閉じ姿勢への回動に連動して前記切換弁を開閉動作させる連動機構を備え、前記連動機構は、前記バタフライ弁が閉じ姿勢から開き側に所定角度回動するまで前記切換弁を閉弁状態に維持するように構成されるものにおいて、前記バタフライ弁を閉じ姿勢から開き姿勢に回動させる際、前記ステッピングモータの駆動周波数を、前記バタフライ弁が閉じ姿勢から開き側に所定の設定角度回動するまで、前記バタフライ弁が当該設定角度から開き姿勢に回動するまでの駆動周波数よりも高くすることを特徴とする。

【0013】

本発明によれば、バタフライ弁が閉じ姿勢から開き側に所定の設定角度回動されるまでステッピングモータが比較的高速で駆動されることになる。そのため、混合気が過剰なエアリッチ状態なるポイントがあっても、このポイントをすばやく通過することができ、失火を生じない。また、バタフライ弁が設定角度回動した後は、駆動周波数の低下でステッピングモータの出力トルクが増加し、バタフライ弁及び切換弁を確実に開弁させることができる。

【0014】

また、本発明において、前記設定角度は、切換弁が開き始めて混合気の空気過剰率が極小値になるポイントを越えた角度に設定されることが望ましい。これによれば、混合気の空気過剰率が極小値になるポイントもすばやく通過し、空気過剰率の極小値が１．０近くになっても燃焼不良は生じない。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態の予混合装置を示す切断側面図。

【図2】図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した切断平面図。

【図3】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図。

【図4】バタフライ弁を閉じ姿勢に回動させたときの図３に対応する断面図。

【図5】バタフライ弁の回動角度に対する混合気の空気過剰率の変化を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１を参照して、１は、混合気が噴出して燃焼する燃焼面１ａを有する全一次燃焼式バーナ等から成るバーナである。バーナ１にはファン２が接続されており、本発明の実施形態の予混合装置Ａにより、空気に燃料ガスを混合して、混合気をファン２を介してバーナ１に供給するようにしている。

【0017】

予混合装置Ａは、ファン２の上流側の空気供給路３と、燃料ガスを供給するガス供給路４とを備えている。ガス供給路４の上流部には、開閉弁５と比例弁やゼロガバナから成る流量調節弁６とが介設されている。更に、ガス供給路４の下流端は、空気供給路３に設けられたガス吸引部３１に接続されている。

【0018】

また、予混合装置Ａは、ガス吸引部３１よりも上流側の空気供給路３の部分の通気抵抗を大小に切換える空気抵抗切換手段と、流量調節弁６よりも下流側のガス供給路４の部分の通気抵抗を大小に切換えるガス抵抗切換手段とを備えている。そして、要求燃焼量が所定値以下になったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路３の通気抵抗を大きくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路４の通気抵抗を大きくした小能力状態として、所定値以下の要求燃焼量に応じた量の空気や燃料ガスを供給できるようにし、要求燃焼量が所定値を上回ったときに、空気抵抗切換手段で空気供給路３の通気抵抗を小さくすると共にガス抵抗切換手段でガス供給路４の通気抵抗を小さくした大能力状態に復帰させている。

【0019】

図２も参照して、空気抵抗切換手段は、ガス吸引部３１よりも上流側の空気供給路３の部分に軸７１を中心にして回動自在に設けられた、空気供給路３の径よりもある程度小径の円板から成るバタフライ弁７で構成されている。バタフライ弁７の軸７１には、ステッピングモータ７２が連結されている。そして、小能力状態への切換時に、バタフライ弁７を、ステッピングモータ７２により、図１、図２に実線で示す空気供給路３の長手方向に平行な開き姿勢から、図２に仮想線で示す空気供給路３の長手方向に直交する閉じ姿勢になるように回動させる。閉じ姿勢では、空気供給路３の周面とバタフライ弁７の外周との間の隙間のみを介して空気が流れ、空気供給路３の通気抵抗が大きくなる。

【0020】

バタフライ弁７の下流側の空気供給路３の部分には、バタフライ弁７を配置した空気供給路３の部分と同心で、且つ、この部分よりも断面積が小さなベンチュリ部３２と、ベンチュリ部３２から下流側に向けて断面積が次第に増加する拡径部３３とが設けられている。そして、ガス供給路４の下流端に、ベンチュリ部３２及び拡径部３３を囲うガス室４１を設け、拡径部３３のベンチュリ部３２寄りの基端部に、ガス室４１に連通するガス吸引部３１を設けている。ガス吸引部３１は、拡径部３３の周壁３３ａを基端側の一部でベンチュリ部３２の周壁３２ａから切り離して径方向外方に張り出させることにより形成されている。そして、ガス吸引部３１を周方向に等間隔で複数形成し、拡径部３３の基端部に全周に亘りガス室４１から燃料ガスが吸引されるようにしている。

【0021】

また、ガス抵抗切換手段は、ガス供給路４内に設けた開閉動作自在な切換弁８で構成される。切換弁８は、ガス供給路４を横断するように設けた弁座８１の上方に対向配置される。弁座８１には、切換弁８で開閉される弁孔８２と、常時開通するバイパス孔８３とが形成されている。そして、切換弁８を下動させて弁座８１に着座させたとき、弁孔８２が閉塞され、燃料ガスがバイパス孔８３のみを介して流れる状態になって、ガス供給路４の通気抵抗が大きくなるようにしている。

【0022】

切換弁８は、バタフライ弁７の回動に伴い連動機構９を介して開閉動作される。この連動機構９は、図１、図３に示す如く、切換弁８の上方に連結された連結子９１と、連結子９１の切換弁８とは反対側、即ち、上方に対向配置された押圧子９２と、バタフライ弁７の軸７１の端部に取付けた、押圧子９２に当接するカム９３と、切換弁８を連結子９１を介して上方の開き側に付勢する戻しばね９４と、連結子９１と押圧子９２との間に介設した、戻しばね９４よりもばね定数の大きなクッションばね９５とで構成されている。押圧子９２の下端部には、連結子９１に一体の戻しばね９４用のばね受け部９１ａの下面に係合可能な突起９２ａが形成されている。

【0023】

バタフライ弁７を開き姿勢から閉じ姿勢側に回動すると、押圧子９２がカム９３に押されて下動し、クッションばね９５を介して伝達される押圧力により連結子９１が戻しばね９４の付勢力に抗して下方に移動し、バタフライ弁７が閉じ姿勢に到達する前に、切換弁８が弁座８１に着座して閉弁する。その後、バタフライ弁７が閉じ姿勢に達するまでの間、図４に示す如く、押圧子９２の下動に伴いクッションばね９５が圧縮される。バタフライ弁７を閉じ姿勢から開き姿勢側に回動する際は、バタフライ弁７が開き姿勢から開き側に所定角度θ１（図５参照）回動するまでクッションばね９５の付勢力で切換弁８は閉弁状態に維持され、バタフライ弁７が所定角度θ１回動したところで突起９２ａがばね受け部９１ａの下面に係合する位置まで押圧子９２が上動し、その後押圧子９２の上動に追従して連結子９１が上動して、切換弁８が開動作される。

【0024】

図５は、バタフライ弁７の回動角度と切換弁８の開度及び混合気の空気過剰率との関係を示している。バタフライ弁７が閉じ姿勢からある程度開き側に回動するまでは、空気流量は然程増加せず、切換弁８も閉弁状態に維持されるため、その間は混合気の空気過剰率は適正値である１．３０から殆ど変化しない。その後、バタフライ弁７の回動角が所定角度θ１に達するまでの間、空気過剰率が次第に増加する。バタフライ弁７の回動角が所定角度θ１を越えて切換弁８が開き始めると、空気過剰率は次第に減少し、バタフライ弁７の回動角がθ２に達したところで、空気過剰率が１．０近傍の極小値になる。その後バタフライ弁７の回動角の増加に伴い空気過剰率が適正値に向けて次第に増加する。

【0025】

バタフライ弁７の回動角がθ１付近にいる時間が長いと、混合気が過剰なエアリッチ状態になって失火する可能性がある。また、バタフライ弁７の回動角がθ２付近にいる時間が長いと、混合気がガスリッチ状態になって燃焼不良を生ずる可能性がある。

【0026】

そこで、本実施形態では、切換弁８が開き始めて混合気の空気過剰率が極小値になるポイントθ２を越えた角度である図５のθ３を所定の設定角度として、バタフライ弁７を閉じ姿勢から開き姿勢に回動させる際、ステッピングモータ７２の駆動周波数を、バタフライ弁７が閉じ姿勢から開き側に設定角度θ３回動するまで、バタフライ弁７が当該設定角度θ３から開き姿勢に回動するまでの駆動周波数よりも高くすることとした。例えば、ステッピングモータ７２の駆動周波数を、バタフライ弁７が閉じ姿勢から開き側に設定角度θ３回動するまでは５００ｐｐｓ、設定角度θ３から開き姿勢に回動するまでは２００ｐｐｓとする。

【0027】

これによれば、バタフライ弁７は閉じ姿勢から設定角度θ３まですばやく回動されることになる。従って、バタフライ弁７の回動角がθ１付近にいる時間及びθ２付近にいる時間が短くなり、失火や燃焼不良の発生を効果的に防止できる。また、バタフライ弁７が設定角度θ３まで回動した後は、駆動周波数の低下でステッピングモータ７２の出力トルクが増加し、バタフライ弁７及び切換弁８を確実に開弁させることができる。

【0028】

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、切換弁を、図１、図３、図４の弁座８１の下面に着座して閉弁するように配置し、連動機構を、バタフライ弁７の軸７１に連結されるカムと、上端がカムに当接し、弁孔８２を通して切換弁に連結されるロッドと、切換弁を閉じ側に付勢する弁ばねとで構成し、バタフライ弁７の閉じ姿勢からの回動でカムによりロッドが押し下げられて、切換弁が弁ばねに抗して開動作されるようにしてもよい。この場合、バタフライ弁７が閉じ姿勢から開き側に所定角度回動するまでロッドの押し下げが開始されないようにカムを形成することで、バタフライ弁７が閉じ姿勢から開き側に所定角度回動するまで切換弁を閉弁状態に維持することができる。

【符号の説明】

【0029】

Ａ…予混合装置、１…バーナ、２…ファン、３…空気供給路、３１…ガス吸引部、４…ガス供給路、６…流量調節弁、７…バタフライ弁、８…切換弁、９…連動機構、θ１…所定角度、θ２…混合気の空気過剰率が極小値になるポイント、θ３…設定角度。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】