(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】
(24)【登録日】2024-09-25
(45)【発行日】2024-10-03
(54)【発明の名称】予混合装置
(51)【国際特許分類】
F23D 14/62 20060101AFI20240926BHJP
F23N 5/24 20060101ALI20240926BHJP
【ＦＩ】
F23D14/62
F23N5/24 101A
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2021052665
(22)【出願日】2021-03-26
(65)【公開番号】P2022150178
(43)【公開日】2022-10-07
【審査請求日】2023-11-22
(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】弁理士法人青莪
(72)【発明者】
【氏名】則竹 克哉
(72)【発明者】
【氏名】三浦 卓也
【審査官】礒部 賢
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２１－０２５７２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１３０３３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０４８９６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０３９６４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２９３８６５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２３Ｄ １／００ － ９９／００
Ｆ２３Ｎ １／００ － ５／２６
(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、ファンの上流側の空気供給路の部分に設けられたガス吸引部に下流端が接続されたガス供給路に介設された、二次ガス圧を大気圧に調圧するゼロガバナと、ゼロガバナの下流側のガス供給路の部分に介設されたモータ駆動式の流量調節弁と、混合気の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段と、制御手段とを備え、制御手段は、空気過剰率検出手段で検出される混合気の空気過剰率が所定値になるように流量調節弁の開度を調節する制御を行うように構成されるものにおいて、流量調節弁に、流量調節弁の弁体の移動を検知する検知手段が付設され、
制御手段は、バーナに点火する際に、流量調節弁のモータを閉弁方向と開弁方向との一方と他方に順に回転させ、この回転による流量調節弁の弁体の移動が検知手段で検知されたときにのみ点火制御を行うように構成され、
流量調節弁の弁体は、流量調節弁の弁座に形成した弁孔に挿入可能なニードル部を有し、
流量調節弁に、弁座の下流側に位置させて、ニードル部に対向するダイヤフラムが設けられ、流量調節弁の弁体の閉弁方向への移動でダイヤフラムが弁体に押されて変位するようにし、検知手段は、ダイヤフラムの変位を検出するように構成されることを特徴とする予混合装置。
【請求項2】
前記バーナに点火する際に、前記流量調節弁のモータを閉弁方向に回転させてから開弁方向に回転させて、流量調節弁の前記弁体を所定の点火位置まで移動させ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、ファンの上流側の空気供給路の部分に設けられたガス吸引部に下流端が接続されたガス供給路に、二次ガス圧を大気圧に調圧するゼロガバナを介設したものが知られている。ここで、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、空気の供給量に比例して変化する。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混合気がバーナに供給され、混合気の空気過剰率（一次空気量／理論空燃比の空気量）は一定になる。
【0003】
ところで、外国では、燃料ガスとして同じガス種を使用していても、時間により燃料ガスの発熱量（ウォッベ指数）が変動することがある。上記従来例のものでは、燃料ガスの発熱量が変動しても、空気の供給量に対する燃料ガスの供給量の比は一定であるため、燃料ガスの発熱量の変動で混合気の空気過剰率が変動して、燃焼不良が発生してしまう。
【0004】
そこで、従来、特許文献１により、ゼロガバナの下流側のガス供給路の部分に介設されたモータ駆動式の流量調節弁と、混合気の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段と、制御手段とを備え、制御手段により、空気過剰率検出手段で検出される混合気の空気過剰率が所定値になるように流量調節弁の開度を調節する制御を行うようにした予混合装置も知られている。これによれば、燃料ガスの発熱量が変動しても、流量調節弁の制御により混合気の空気過剰率が一定に保たれ、燃焼不良の発生を防止できる。
【0005】
然し、特許文献１に記載のものでは、流量調節弁の故障を生じても、点火後に空気過剰率検出手段で混合気の空気過剰率を検出できるようになるまでは、流量調節弁の異常を検知できない。そのため、流量調節弁の開故障や閉故障により、混合気の空気過剰率が過少になったり過大になったりした状態で点火動作が行われて、点火不良を生ずる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０２１－２５７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、以上の点に鑑み、流量調節弁の故障を点火前に検知できるようにして安全性を高め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】
【0008】
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、ファンの上流側の空気供給路の部分に設けられたガス吸引部に下流端が接続されたガス供給路に介設された、二次ガス圧を大気圧に調圧するゼロガバナと、ゼロガバナの下流側のガス供給路の部分に介設されたモータ駆動式の流量調節弁と、混合気の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段と、制御手段とを備え、制御手段は、空気過剰率検出手段で検出される混合気の空気過剰率が所定値になるように流量調節弁の開度を調節する制御を行うように構成されるものにおいて、流量調節弁に、流量調節弁の弁体の移動を検知する検知手段が付設され、制御手段は、バーナに点火する際に、流量調節弁のモータを閉弁方向と開弁方向との一方と他方に順に回転させ、この回転による流量調節弁の弁体の移動が検知手段で検知されたときにのみ点火制御を行うように構成され、流量調節弁の弁体は、流量調節弁の弁座に形成した弁孔に挿入可能なニードル部を有し、流量調節弁に、弁座の下流側に位置させて、ニードル部に対向するダイヤフラムが設けられ、流量調節弁の弁体の閉弁方向への移動でダイヤフラムが弁体に押されて変位するようにし、検知手段は、ダイヤフラムの変位を検出するように構成されることを特徴とする。
【0009】
本発明によれば、流量調節弁の開故障や閉故障でモータを回転させても弁体が移動しない場合、検知手段が弁体の移動を検知しないため、点火制御が行われない。従って、流量調節弁の開故障や閉故障による点火不良を未然に防止することができ、安全である。また、ゼロガバナの故障で二次ガス圧が大気圧よりも高くなった場合、流量調節弁の弁体の移動に拘わらず、ダイヤフラムが大気圧より高い二次ガス圧に押されて変位して、これを検知手段が検知する。従って、ゼロガバナの故障も検知でき、より安全である。
【0010】
また、本発明においては、バーナに点火する際に、流量調節弁のモータを閉弁方向に回転させてから開弁方向に回転させて、流量調節弁の弁体を所定の点火位置まで移動させることが望ましい。これによれば、流量調節弁の故障検知のための制御開始から点火制御までの待ち時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
図１に示す燃焼装置は、全一次燃焼式のバーナ１と、バーナ１の燃焼面１ａから噴出する混合気の燃焼空間を囲う燃焼筐２と、燃焼筐２内に配置した熱交換器３とを備える熱源機である。熱交換器３には、上流側の給水管３１と、下流側の出湯管３２とが接続されている。混合気の燃焼で生ずる燃焼ガスは、熱交換器３を加熱した後に燃焼筐２の端部に接続される排気筒４を介して外部に排出される。また、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、混合気をファン５を介してバーナ１に供給している。
【0014】
予混合装置Ａは、ファン５の上流側の空気供給路６と、燃料ガスを供給するガス供給路７と、制御手段たるコントローラ８とを備えている。ガス供給路７の下流端は、空気供給路６に設けられたガス吸引部６１に接続されている。ガス吸引部６１の上流側に隣接する空気供給路６の部分には、後述するバタフライ弁６２を配置した部分よりも小径なベンチュリ部６３が設けられている。ベンチュリ部６３の下流側に隣接する空気供給路６の部分は、ベンチュリ部６３より大径の筒部６４で囲われている。そして、ベンチュリ部６３の下流端部を筒部６４の上流端部に環状の隙間を存して挿入し、この隙間でガス吸引部６１を構成している。ガス供給路７の下流端には、筒部６４を囲うようにして、ガス吸引部６１に連通するガス室７１が設けられている。また、ガス供給路７には、上流側から順に、元弁７２と、二次ガス圧を大気圧に調圧するゼロガバナ７３と、流量調節弁７４とが介設されている。
【0015】
ガス吸引部６１を介して供給される燃料ガスの量は、二次ガス圧である大気圧と空気供給路６内の負圧との差圧に応じて変化する。ここで、空気供給路６内の負圧は、ファン５の回転数に応じて変化する。そのため、燃料ガスの供給量はファン５の回転数、即ち、空気の供給量に比例して変化する。また、燃料ガスの供給量と空気の供給量との比率は、流量調節弁７４の開度によって変化する。流量調節弁７４の開度を使用するガス種に応じた所定の基準開度にすることで、混合気の空気過剰率が所定の適正値（例えば、１．３）になる。そして、要求燃焼量（設定湯温の温水を出湯するために必要な燃焼量）に応じてファン５の回転数を制御することにより、空気過剰率が適正値で要求燃焼量に応じた量の混合気がバーナ１に供給される。
【0016】
尚、排気筒４への風の侵入で排気不良を生じないようにするため、即ち、耐風性能を確保するため、ファン５の下限回転数をあまり低く設定することはできない。そして、要求燃焼量がファン５の下限回転数に対応する所定値以下になった場合には、要求燃焼量に対応する量の空気を供給できなくなる。
【0017】
そこで、ガス吸引部６１より上流側の空気供給路６の部分に、当該部分の通気抵抗を大小２段に切換えるために、図１に実線で示す閉じ姿勢と仮想線で示す開き姿勢とにモータ６２１（図２参照）により切換えられるバタフライ弁６２を配置している。そして、要求燃焼量が上記所定値以下になった場合には、バタフライ弁６２を閉じ姿勢にして、空気供給路６の通気抵抗を大きくし、ファン５の回転数を下限回転数以下にせずに、所定値以下の要求燃焼量に対応する量の空気を供給できるようにしている。
【0018】
但し、バタフライ弁６２を閉じ姿勢にして、空気供給路６の通気抵抗を大きくするだけでは、空気供給路６内の負圧が増加して、燃料ガスの供給量が過大となり、バーナ１に供給される混合気の空気過剰率が適正値を下回ってしまう。そのため、要求燃焼量が比較的小さな場合には、バタフライ弁６２を閉じ姿勢にすると共に、流量調節弁７４の開度を基準開度よりも小さな所定の小能力開度にすることで、燃焼能力を小能力に切換えて、空気過剰率が適正値で比較的小さな要求燃焼量に対応する量の混合気がバーナ１に供給されるようにし、要求燃焼量が比較的大きな場合には、バタフライ弁６２を開き姿勢にすると共に、流量調節弁７４の開度を基準開度たる大能力開度にすることで、燃焼能力を大能力に切換えて、空気過剰率が適正値で比較的大きな要求燃焼量に対応する量の混合気がバーナ１に供給されるようにしている。
【0019】
ところで、燃料ガスとして同じガス種を使用していても、時間により燃料ガスの発熱量（ウォッベ指数）が変動することがある。この場合、空気の供給量に対する燃料ガスの供給量の比が一定であると、燃料ガスの発熱量の変動で混合気の空気過剰率が変動して、燃焼不良が発生してしまう。
【0020】
そこで、混合気の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段９を設けている。本実施形態では、バーナ１の燃焼面１ａに臨ませて設けたフレームロッドで空気過剰率検出手段９を構成し、フレームロッドに流れるフレーム電流から混合気の空気過剰率を検出するようにしている。尚、混合気の空気過剰率に応じて火炎が燃焼面１ａに近づいたり離れたりするため、燃焼面１ａの裏面温度が混合気の空気過剰率に応じて変化する。従って、燃焼面１ａの裏面温度を検出する温度センサで空気過剰率検出手段９を構成することも可能である。
【0021】
そして、コントローラ８は、空気過剰率検出手段９で検出される混合気の空気過剰率が一定になるように、即ち、所定の適正値に保たれるように流量調節弁７４の開度を調節するフィードバック制御を行う。具体的には、燃料ガスの発熱量の増加で混合気の空気過剰率が減少したときは、流量調節弁７４の開度を減少させて、空気の供給量に対する燃料ガスの供給量の比を空気過剰率が適正値になるように減少させ、また、燃料ガスの発熱量の減少で混合気の空気過剰率が増加したときは、流量調節弁７４の開度を増加させて、空気の供給量に対する燃料ガスの供給量の比を空気過剰率が適正値になるように増加させる。これによれば、燃料ガスの発熱量が変動しても、混合気の空気過剰率が適正値に保たれ、燃焼不良の発生を防止できる。
【0022】
次に、流量調節弁７４の構造について説明する。図２、図３を参照して、流量調節弁７４は、モータ駆動式であって、弁筐７４１内の弁座７４１１に向けて軸方向に接近、離間する弁体７４２と、ステッピングモータから成るモータ７４３と、モータ７４３の回転で弁体７４２を軸方向に移動させる運動変換機構とを備えている。弁筐７４１内には、ガス流入口７４１２ａを有する一次側ガス室７４１２と、上記ガス室７１に連通するガス流出口７４１３ａを有する二次側ガス室７４１３とが設けられている。そして、二次側ガス室７４１３に、一次側ガス室７４１２と二次側ガス室７４１３とを仕切る弁座７４１１が形成された部材７４４を装着している。
【0023】
運動変換機構は、弁体７４２に固定のカムピン７４２１と、カムピン７４２１が摺動自在に係合する、軸方向にのびる長孔７４５１が形成されたガイド筒７４５と、カムピン７４２１が長孔７４５１を通して係合する螺旋状のカム部７４６１を有する筒状のカム体７４６とを備えている。そして、モータ７４３の出力軸７４３１に連結される連結子７４３２の断面非円形の軸部をガイド筒７４５の端部に嵌合させ、モータ７４３の回転でガイド筒７４５が回転するようにしている。
【0024】
また、弁体７４２は、弁座７４１１に形成した弁孔７４１１ａに挿入可能なニードル部７４２ａを有すると共に、ガイド筒７４５内に挿入される筒部７４２２を有している。そして、この筒部７４２２の端部に、径方向外方に突出するようにカムピン７４２１が突設されている。また、カムピン７４２１の基端部をガイド筒７４５に形成した長孔７４５１に摺動自在に係合させている。そのため、弁体７４２は、ガイド筒７４５に対し軸方向に移動自在で、且つ、一緒に回転するように連結される。
【0025】
カム体７４６は、弁筐７４１に対し回り止めされている。具体的には、カム体７４６の外周面に突設したリブ７４６２を弁筐７４１の内周面に形成した溝７４１４に係合することで、カム体７４６を弁筐７４１に対し回り止めしている。また、部品点数を削減するため、カム体７４６は、弁座７４１１を形成した部材７４４に一体に形成されている。カム体７４６に設けられるカム部７４６１は、カムピン７４２１が当接可能な螺旋状の傾斜辺で構成されている。また、カムピン７４２１をカム部７４６１に向けて付勢するバネ部材７４２３を設けている。そして、モータ７４３の正逆転により、カムピン７４２１が回転しつつカム部７４６１に案内されて軸方向一方と他方に動き、弁体７４２が弁座７４１１に接近する閉弁方向と弁座７４１１から離隔する開弁方向とに動く。
【0026】
バーナ１への点火は、燃焼能力を小能力（バタフライ弁６２を閉じ姿勢、流量調節弁７４の開度を小能力開度）にし、ファン５の回転数を所定の点火回転数にして行う。ここで、流量調節弁７４の故障を生じても、点火後に空気過剰率検出手段９で混合気の空気過剰率を検出できるようになるまでは、流量調節弁７４の異常を検知できない。そのため、流量調節弁７４の開故障や閉故障により、混合気の空気過剰率が過少になったり過大になったりした状態で点火動作が行われて、点火不良を生ずる恐れがある。
【0027】
そこで、本実施形態では、流量調節弁７４に、流量調節弁７４の弁体７４２の移動を検知する検知手段７４７を付設している。具体的に説明すれば、流量調節弁７４に、弁座７４１１の下流側に位置させて、弁体７４２のニードル部７４２ａに対向するダイヤフラム７４８を設け、弁体７４２の閉弁方向への移動でダイヤフラム７４８が弁体７４２（ニードル部７４２ａ）に押されて閉弁方向に変位するようにしている。そして、検知手段７４７は、ダイヤフラム７４８の変位を検出できるように、ダイヤフラム７４８に連結されたドグ７４８ａと協働するマイクロスイッチ７４７ａで構成されている。マイクロスイッチ７４７ａは、弁体７４２が小能力位置（流量調節弁７４の開度が小能力開度となる弁体７４２の位置）よりも閉弁方向に移動して、閉弁方向のストローク端位置（図２に示す位置）の近傍に到達したところでオンするように設定されている。
【0028】
次に、図４を参照して、コントローラ８が行う制御について説明する。コントローラ８は、出湯管３２の下流端の出湯栓（図示せず）が開かれて、熱交換器３への通水が給水管３１に介設した水量センサ（図示せず）で検知されたとき（ＳＴＥＰ１）、プリパージのためにファン５を駆動すると共に（ＳＴＥＰ２）、流量調節弁７４のモータ７４３を閉弁方向（弁体７４２が閉弁方向に移動する回転方向）に規定角度回転させる（ＳＴＥＰ３）。この規定角度は、弁体７４２を大能力位置（流量調節弁７４の開度が大能力開度となる弁体７４２の位置）から閉弁方向のストローク端位置まで移動させるのに必要な角度より若干大きな角度に設定されており、弁体７４２が閉弁方向のストローク端位置に到達した後にモータ７４３が脱調回転して、原点出しが行われる。次に、マイクロスイッチ７４７ａがオンしたか否かを判別する（ＳＴＥＰ４）。流量調節弁７４が正常であれば、マイクロスイッチ７４７ａはオンするが、流量調節弁７４の開故障を生じていれば、マイクロスイッチ７４７ａはオンせず、この場合はエラー停止する（ＳＴＥＰ７）。
【0029】
マイクロスイッチ７４７ａがオンしたときは、流量調節弁７４のモータ７４３を開弁方向に回転させて、弁体７４２を点火位置たる小能力位置に移動させ（ＳＴＥＰ５）、この状態でマイクロスイッチ７４７ａがオフしたか否かを判別する（ＳＴＥＰ６）。流量調節弁７４が正常であれば、マイクロスイッチ７４７ａはオフするが、流量調節弁７４が閉故障を生じていれば、マイクロスイッチ７４７ａはオフせず、この場合はエラー停止する（ＳＴＥＰ７）。
【0030】
マイクロスイッチ７４７ａがオフしたときは、ファン５を点火回転数で駆動し、更に、元弁７２を開弁させると共にスパーカ（図示せず）をオンする点火制御を行う（ＳＴＥＰ８）。本実施形態によれば、流量調節弁７４の開故障や閉故障でモータ７４３を回転させても弁体７４２が移動しない場合、点火制御が行われない。従って、流量調節弁７４の開故障や閉故障による点火不良を未然に防止することができ、安全である。
【0031】
尚、流量調節弁７４のモータ７４３を先ず開弁方向に回転させて、マイクロスイッチ７４７ａがオフしたか否かを判別し、次に、モータ７４３を閉弁方向に回転させて、マイクロスイッチ７４７ａがオンしたか否かを判別し、その後、モータ７４３を再び開弁方向に回転させて、弁体７４２を小能力位置に移動させることも可能である。然し、これでは、流量調節弁７４の故障検知のための制御開始から点火制御までの待ち時間が長くなってしまう。これに対し、本実施形態では、流量調節弁７４の故障検知のための制御として、モータ７４３の最初の開弁方向の回転が不要となり、流量調節弁７４の故障検知のための制御開始から点火制御までの待ち時間を短くすることができる。
【0032】
上記の如く点火制御を行うと、次に、マイクロスイッチ７４７ａがオフしているか否かを判別する（ＳＴＥＰ９）。ここで、ゼロガバナ７３の故障で二次ガス圧が大気圧よりも高くなった場合、ダイヤフラム７４８が大気圧より高い二次ガス圧に押されて閉弁方向に変位して、マイクロスイッチ７４７ａがオンする。そこで、マイクロスイッチ７４７ａがオンしたときは、元弁７２の閉弁を含むエラー停止を行う（ＳＴＥＰ１０）。このように本実施形態では、ゼロガバナ７３の故障も検知でき、安全性が一層向上する。
【0033】
マイクロスイッチ７４７ａがオフしたままであれば、次に、設定湯温の温水を出湯するために燃焼能力の切換えを含む温調制御を行う（ＳＴＥＰ１１）。その後、通水が停止されたときは（ＳＴＥＰ１２）、元弁７２を閉弁させると共に（ＳＴＥＰ１３）、流量調節弁７４のモータ７４３を閉弁方向に上記規定角度回転させ（ＳＴＥＰ１４）、その後、マイクロスイッチ７４７ａがオンしたか否かを判別する（ＳＴＥＰ１５）。そして、マイクロスイッチ７４７ａがオンした場合は、ファン５を停止し（ＳＴＥＰ１７）、マイクロスイッチ７４７ａがオンしない場合は、流量調節弁７４の開故障を生じたと判断して、エラー表示を行った後（ＳＴＥＰ１６）、ファン５を停止する（ＳＴＥＰ１７）。
【0034】
次に、図５を参照して、流量調節弁７４の弁体７４２の移動を検知する検知手段７４７の構成を変更した他の実施形態について説明する。この実施形態では、弁体７４２のニードル部７４２ａに永久磁石７４９を内蔵させ、検知手段７４７を、二次側ガス室７４１３の外面のニードル部７４２ａに対向する位置に設けたリードスイッチ７４７ｂで構成している。そして、弁体７４２が小能力位置よりも閉弁方向に移動して、閉弁方向のストローク端位置（図５に示す位置）の近傍に到達したところで、リードスイッチ７４７ｂが永久磁石７４９の磁力を受けてオンするように設定している。
【0035】
このものでも、バーナ１に点火する際に、流量調節弁７４のモータ７４３を閉弁方向と開弁方向との一方と他方に順に回転させ、この回転による流量調節弁７４の弁体７４２の移動がリードスイッチ７４７ｂのオンオフで検知されたときにのみ点火制御を行う。これにより、流量調節弁７４の開故障や閉故障による点火不良を未然に防止することができる。
【0036】
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るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【0037】
Ａ…予混合装置、１…バーナ、５…ファン、６…空気供給路、６１…ガス吸引部、７…ガス供給路、７３…ゼロガバナ、７４…流量調節弁、７４１１…弁座、７４１１ａ…弁孔、７４２…弁体、７４２ａ…ニードル部、７４３…モータ、７４７…検知手段、７４８…ダイヤフラム、８…コントローラ（制御手段）、９…空気過剰率検出手段。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】