JPS587892B2 - 燃焼量制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は燃焼量を連続的に制御する比例電磁弁を有する
湯沸器などの燃焼量制御装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来の燃焼装置、例えば湯沸器において、負荷変動に対
するバーナの燃焼量制御手段としては、１つに湯温と応
動して燃料路に設けた弁装置を全開、全閉させるものが
あり、他の１つに湯温と応動して弁装置の開口度を電気
的、或いは物理的に比例制御するものがあった。

しかしながら、前者の全開、全閉型、いわゆるＯＮ−Ｏ
ＦＦ式弁装置では、湯温か一定範囲で周期的変動し、ま
た頻繁なるＯＮ−ＯＦＦ作動によって弁の寿命特性が低
下するとともに、点火、消火騒音面でも問題があった。

この点後者の比例弁装置を用いたものでは、その時々の
負荷に応じてバーナへの燃焼供給量が比例制御されるた
め、上記のような湯温のばらつきの問題および弁の寿命
、騒音面での問題はないが反面燃焼量を比例制御する上
からバーナの燃焼性で新たな制御上の問題が提起された
。

すなわち、ガスに限らず石油などの液体燃料を用いるバ
ーナでは、その燃焼特性と関連して安定燃焼範囲が存在
し、特に上記範囲の下限を越えると不用意に消火したり
、ＣＯ発生量が多くなるものである。

そこで、これまでの比例弁装置を用いた燃焼量制御手段
では第１図に示すような燃焼量制御特性を採用していた
。

すなわち、第１図で、Ｘで示す領域が被加熱体の温度に
応じてバーナの燃焼量を比例的に制御する比例燃焼量制
御領域である。

上記比例燃焼量制御領域Ｘは燃焼量の最大とゼロの全域
に設定されておらず、バーナの最低安定燃焼量ＱＬに達
すると瞬時に燃焼を遮断するようにしてある。

このような燃焼量制御特性によればバーナの比例燃焼量
制御が安定燃焼範囲で行われるため、消火、ＣＯ量の増
大などの問題はなくなる。

さらに第２図は第１図の比例燃焼量制御領域Ｘで被加熱
体の温度をＴｓに設定した場合の立上がり特性を示すも
のである。

例えば湯沸器において温度検知器を出湯路に設けた場合
、加熱部より出た湯の温度を上記温度検知器が検知する
までには時間がかかる。

また温度検知器の検知信号（電流、圧力）で弁が動作す
るまでにも時間がかかるものである。

このような応答時間の遅れによって被加熱体の温度は最
初から安定せず、設定温度Ｔｓを基準として上下に波う
ちながら次第にＴｓにおちつくものである。

上記波うち現象は被加熱体の負荷が小さければ小さいほ
ど著しいものである。

しかるに第１図において、今、被加熱体の温度をＴｓに
設定すべくバーナの燃焼量をＱ１とした場合先の温度の
波うちにより当初被加熱体の温度が燃焼ＯＦＦ点Ｔ１を
越えＴ２まで上昇することがあり、そのためバーナの燃
焼が停止され、またバーナの燃焼停止で被加熱体の温度
が低下すると再度バーナが燃焼を再開して同じく燃焼量
の波うちによって被加熱体温度がＴ１より上昇してしま
う３このようなことから特に負荷が小さい場合に比例燃
焼量制御領域Ｘに燃焼量を設定しておいても実際にはバ
ーナが永久に燃焼一消火（ＯＮ−ＯＦＦ燃焼）の繰返動
作をしてしまい、従来のＯＮ−ＯＦＦ制御と同様に湯温
の変動、点火消火音の発生、弁の寿命の低下をまねくと
ともに、比例燃焼量制御領域の実際範囲が狭くなる欠点
を有していた。

発明の目的 本発明は、かかる従来の欠点を解消するもので、比例電
磁弁として従来のものを用い、新にＯＮ−ＯＦＦ式電磁
弁を付加することなく、制御回路の改良によって、被加
熱体の温度が変動した場合でも容易に安定な制御状態に
復帰させることを目的とするものである。

発明の構成 この目的を達成するために本発明は、被加熱体の温度な
どの物理量を検知する１つの検知部からの電気信号を増
幅しその信号に応じて比例的に電気的出力を変化する比
例出力領域とその信号の変化に対してその出力を変化さ
せない一定出力領域とこの一定出力領域に出力の遮断点
を有する制御回路を設け、この制御回路の出力で比例電
磁弁を制御する構成を有するものである。

上記構成により、バーナの最低安定燃焼量ＱＬに近い比
例燃焼量制御領域で制御していて被加熱体の温度に変動
を生じ、燃焼量が絞られた場合でも、制御回路は比例電
磁弁がバーナの最低安定燃焼量ＱＬ以下に絞られるのを
防止して安全な燃焼状態を保つとともに、上記の温度変
動がある大きさ以内であれば即座に燃焼を遮断すること
なく一定出力によって最低安定燃焼量を保持し、温度変
動がなくなったときに安定な状態に復帰し易い状態を確
保し、かつ温度変化が大きい場合には燃焼を遮断し確実
な温度制御をも達成するものである。

実施例の説明 以■その実施例を添付図面とともに説明する。

まず第３図は本発明の燃焼量制御特性で、例えば湯沸器
などの燃焼装置における被加熱体の温度とバーナ燃焼量
との関係を示すものである。

すなわち、本発明は比例燃焼量制御領域Ｘがあり、１個
の温度検知部によって検知された被加熱体の温度が上昇
して上記Ｘ領域の下限を越えてもバーナの最低燃焼量が
変化しない一定燃焼量領域Ｙを設定し、さらに被加熱体
の温度がＴａまで上昇すればバーナの燃焼遮断を行うこ
とを最大の特徴とするものである。

上記燃焼量制御特性によれば、先に述べた第２図の温度
立上がり時における被加熱体温度の波うち現象に対して
一定燃焼領域Ｙが緩衝域となるものである。

例えば前記被加熱体温度の波うち現象に対して、被加熱
体の温度が設定値Ｔｓよりオーバシュートして比例燃焼
量制御領域Ｘの下限値ＱＬにおける温度Ｔ３を越えＴ４
になってもバーナは最低燃焼量ＱＬて燃焼動作を継続し
、したがって被加熱体の温度はこのバーナの最低燃焼量
によって急激に降下せず、その温度降下の勢いで設定値
Ｔｓを大きく下まわることがなく、ついには設定値Ｔｓ
設定燃焼量Ｑ２で安定するものである。

このことから第３図の特性によれば被加熱体の温度立上
がり時における波うち現象が小さく、また比例燃焼量制
御領域Ｘの下限近くで設定温度を求めるようにしてあっ
てもバーナのＯＮ−ＯＦＦ燃焼を防止することができ、
実際の比例燃焼量制御領域を理論値まで拡大できるもの
である。

なお、第１図と第３図における比例燃焼量制御領域Ｘは
、その燃焼量を無限に増大し得るものでなく、当然のこ
とながら比例電磁弁の全開点で制限される燃焼量上限値
が存在する。

次に第４図には湯沸器を示すもので、給水管１を流れる
水はバーナ２で加熱されている熱交換器３を通って湯と
なり、出湯管４から出湯栓５へ出るものである。

上記バーナ２への燃料供給路６には安全弁７および比例
電磁弁８が接続され、また前記両弁間からはパイ口ット
バーナ９への燃料供給路１０が分岐してある。

また第５図は上記比例電磁弁８の具体構成例を示してお
り、すなわち、１１はボビン１２に巻装された励磁コイ
ル、１３．１３は上記ボビン１２の両端にスペーサ１４
．１４’を介して設けたヨークで、それぞれ支持片１
５ ． １ ５’を折曲および切起により形成している
。

１６は小径な非磁性材よりなる突起１７を上方へ突設し
たプランジャーで上記励磁コイル１１内に小間隙をおい
て進退自在に挿入されている。

１８は上記励磁コイル１１などを収納するケースである
。

また１ ９，１９は上記支持片１ ５ ． １ ５’に
それぞれの一端を固定した板ばねを示し、これらの遊端
はプランジャー１６と突起１７の周面より突設したピン
２０，２０′に枢着されている。

すなわち、上記より明らかなようにプランジャー１６は
一対の板はね１ ９ ． １ ９’により支持されるも
のであって、これより摩擦などが生じないように設宝さ
れている１また板ばね１ ９ ， １ ９’は励磁コイ
ル１１に電流を印加した場合に生じるプランジャー１６
の軸方向作動の反挨用としても兼ねている。

２１はケース１８の下方開口を閉じる仕切板、２２は上
記仕切板２１に対するプランジャー１６先端の貫通部に
シール用として設けられたダイアフラム、２３は燃料供
給路６に接続される燃焼流入口２４と燃料流出口２５を
有し、かつこれら流入、流出口２４．２５を結ぶ燃料通
路２６の途中に弁座２７を形成した弁装置本体で、上記
弁座２７と対向してプランジャー１６の先端に取付けた
弁体２８が位置しているものである。

２９は仕切板２１と本体２３との間に設けたパッキング
である。

このような比例電磁弁は、モータなどによつて駆動され
る弁と異り、励磁コイル１１に印加される電流値に応じ
て即座に弁体２８の位置が決まるために応答が速く、従
ってＯＮ−ＯＦＦ燃焼の過渡時に燃焼量がバーナの最低
燃焼量以下に存在する期間を極めて短くすることができ
、従って本発明と結合することにより本発明の１つの目
的である安定燃焼の効果を顕著ならしめるものである。

さらに第４図において３０は出湯管４内に流れる湯の温
度を検知するサーミスタなどの感熱抵抗素子、３１はこ
の素子３０の信号により動作して上記比例電磁弁８にお
ける励磁コイル１１の電流を制御する電気的制御器であ
る。

上記構成で、今、給湯動作を開始するに当って出湯栓５
を開いた場合、出湯管４を流れる水はまだ加熱されてい
ないため感熱抵抗素子３０の抵抗が最も大きく、したが
って制御器３１を介して比例電磁弁８の励磁コイル１１
に最大電流が流れる。

これよりプランジャ−１６は板ばね１ ９ ． １ ９
’に抗し、かつこの板はね１ ９ ． １ ９’との反
挨力とバランスするまで最大限上昇し弁座２７より弁体
２８を大きく離反させるもので、ここで、バーナ２には
最大量の燃料が供給されるため、その燃焼量も最大とな
る。

次に上記より出湯量を減少すると、すなわち給湯負荷が
小さくなると出湯管４を通る湯の温度が上昇過程をとる
ところから、感熱抵抗素子３０の抵抗が減少し、その分
だけ制御器３１を介して比例電磁弁８における励磁コイ
ル１１の電流が減少するとともに、板ばね１ ９ ，
１ ９’の反挨力でプランジャー１６が下降する。

その結果弁体２８は弁座２７と接近して燃料量を絞り、
バーナ２の燃焼量を規制するものである。

上記から明らかなように第４図に示す湯沸器では給湯負
荷の変動に応動して比例電磁弁８がバーナ２への燃料量
を比例制御するところから、給湯負荷の変動にもかかわ
らす湯温は略一定に保たれるものである。

また本発明では先に述べたようにバーナ２の燃焼量、す
なわち、燃料量の絞り度が一定以下にならないように比
例電磁弁８を閉成して不完全燃焼の防止を図り、また、
点火時には前記一定量以上の給湯負荷に応じた燃焼量で
着火することによって制御温度の変動を抑え、さらに点
火時には燃料量を限られた短い時間内ではあるが増大さ
せてバーナの火移り性を更に向上しているが、この点に
ついては後述する制御器３１の説明で明白となるであろ
う。

上記制御器３１は感熱抵抗素子３０の検知温度変動に対
して第３図のように励磁コイル１１の電流を制御するも
のである。

すなわち、Ｘ領域では温度変動に対し励磁コイル１１の
電流を比例制御し、Ｙ領域ではＴ３＝Ｔｃ間の温度変動
に対して一定電流を保ってバーナの最低燃焼量を確保す
るものであり、また温＋ｑｃを越えると電流をカットす
るものである。

さらにこの状態で温度が降下しＴ，以下に達したときバ
ーナの再点火を行うものである。

上記制御方式によれば、必らずＹ領域以下の電流でバー
ナの燃焼が遮断されるので不完全燃焼の発生がなく、ま
た励磁コイル１１の電流を検知してＯＮ−ＯＦＦするも
のでなく、１個の感温抵抗素子３０からの温度を検知し
てＯＮ−ＯＦＦするので、ＯＮ−ＯＦＦ状態でも確実な
温度制御ができる。

また、比例制御とＯＮ−ＯＦＦ制御との結合においても
バラツキが少なく安定な温度制御ができる。

次に制御器３１の具体回路構成を第６図を参照して説明
する。

図において、Ｓは比例電磁弁駆動用直流電源回路であり
ＡＣ電源３２、降圧トランス３３、全波整流用ダイオー
ドブリッジ３４，３５、平滑用コンデンサ３６で構成さ
れている。

Ｕは前記Ｙ領域における一定電流を流す回路であり、抵
抗３７，３８，３９，４０および４１でフリツジを組み
、差動トランジスタ４２．４３で前記ブリッジの電圧を
検知し、その信号をトランジスタ４４．４５で増幅し、
前記比例電磁弁の励磁コイル１１に電流を供給するもの
である。

４６は差動トランジスタ４２．４３のエミツタ抵抗、４
７はトランジスタ４４のエミツタ抵抗、４８はトランジ
スタ４５のエミツタ抵抗である。

４９は負帰還用抵抗であり、回路ゲインの安定化を図っ
ている。

ダイオード５０は励磁コイル１１の逆起電力吸収用であ
る。

電流増加回路Ｖに設けたトランジスタ５１は比例領域Ｘ
の電流を供給する信号を与えるものであり、抵抗５２、
感熱抵抗素子３０、抵抗３７，３８，３９でブリッジを
形成し、電位ａ−ｄを比較している。

今、感熱抵抗素子３０の検知温度が第３図Ｔｓより低く
なった場合は、感熱抵抗素子３０の抵抗値が大きいため
にａ点ｍ位がｂ点電位より高くなりトランジスタ５１が
附勢される。

ところがエミツタフオロア回路であるため、ｂ点電位は
ａ点電位とほとんど同じ値となり、ａ点電位の変化に応
じてｂ点電位が変化する。

その電位の変化がそのまま差動トランジスタ４２，４３
の信号になり、励磁コイル１１の電流を増減するもので
ある。

感熱抵抗素子３０の検出温度が設定温度より低い場合は
トランジスタ５１のベース、エミツタが逆バイアスされ
、励磁コイル１１には一定電流となる。

ＯＮ−ＯＦＦ回路Ｗのトランジスタ５３ ．５４は第３
図Ｙ領域での動作を行うものであり、抵抗５２、感熱抵
抗素子３０、抵抗３７，３８，３９でブリッジを形成し
電位ｃ − ｄを比較している。

今、感熱抵抗素子３０の検知温度が第３図ＴＯより高く
なった場合は感熱抵抗素子３０の抵抗が小さいために、
Ｃ点電位がｄ点電位より低くなりトランジスタ５３が附
勢し、トランジスタ５４を駆動させることによりトラン
ジスタ４２のコレクタ電流をダイオード５５を通してバ
イパスし、励磁コイル１１の電流を遮断するものである
。

温度が下がって感熱抵抗素子３０の抵抗値が大きくなり
第３図の温度Ｔ５でＣ点ｍ位がｄ点電位より高くなった
場合はトランジスタ５３のベース、エミツタ間が逆バイ
アスされ、トランジスタ５３，５４がＯＦＦすることに
より励磁コイル１１に再度一定電流が供給される。

５６はトランジスタ５３がＯＮする温度（第３図におけ
るＴｓ）とＯＦＦする温度（第３図におけるＴｏ）との
間に差を設け、頻繁に弁がＯＮ−ＯＦＦされるのを防ぐ
ためと、スイッチング動作を確実に行わせるための正帰
還用抵抗である。

ダイオード５７．５８はトランジスタ５１．５３の温度
補償用であり、周囲温度の変化によってＯＮ−ＯＦＦ点
および比例電流の流れる点がずれるのを防止するもので
ある。

抵抗３９は定電流域の温度巾（第３図におけるＴ３−Ｔ
ｃ）を決定するものである。

設定温度は抵抗５２の値を変えることにより自由に選ぶ
ことができる。

コンデンサ５９は比例電磁弁ＯＦＦ時、つまりトランジ
スタ５４がＯＮ時に電荷を蓄積し、比例電磁弁ＯＮ時、
つまりトランジスタ５４がＯＦＦ ｔ，た時に前記電荷
を放出し、ａ点電位を一時的に上昇させ、励磁コイル１
１に弁がバーナの着火を安定に行える開度となるような
電流を流すものである。

この動作によってバーナの火移り性が高まり、点火失敗
による燃料流出事故の発生を防止することができるとと
もに、時限的に行っているため、前記時限終了後は感温
抵抗素子３０の抵抗値に応じた燃焼量にすみやかに戻り
、従って制御温度への影響を極めて少なくすることがで
きる。

なお、第６図において６０は抵抗である。

第７図において上記電気的制御手段により得られる湯沸
器の温度特性であって、給湯量がＬ１以下の領域Ｆでは
燃料要求量がバーナの最低燃焼量以下となるので、温度
Ｔ５−’ｒｅ間でＯＮ−ＯＦＦ制御を行う。

給湯量がＬ１以上の領域Ｇでは比例制御が行われ、略設
定温度に保たれる。

最大許容給湯量Ｌ２以上では最大燃焼量であっても制御
できなくなるので温度は急激に降下する。

発明の効果 以上のように本発明の燃焼量制御装置によれば次の効果
が得られる。

（１）制御回路として、１の検知部からの電気信号を増
幅しその信号に応じて比例的に電気的出力を変化する比
例出力領域とその信号の変化に対してその出力を変化さ
せない一定出力領域を有し、その出力で比例電磁弁を制
御する構成であるため、バーナの最低安定燃焼量に近い
比例燃焼量制御領域で制御していて被加熱体の温度に変
動を生じ燃焼量が絞られた場合でも、制御回路は比例電
磁弁がバーナの最低安定燃焼量以下に絞られるのを防止
して安定な制御状態を保つとともに上記温度変動がある
大きさ以内であれば一定出力によって最低安定燃焼量を
保持し、温度変動がなくなったときに安定な状態に復帰
し易い状態を確保するものである。

従って従来の比例電磁弁をそのまま用いて安全な燃焼と
安定な燃焼量制御状態とを得ることができ、実際の比例
燃焼量制御領域を理論領域まで拡大し、バーナの燃焼特
性を最大限有効に活用できる効果を有する。

（２）上記制御回路の出力遮断点を一定出力領域に有す
るので、被加熱体の温度変化が大きい場合には最低安定
燃焼量で燃焼を遮断し、確実な温度制御を行うことがで
きるとともに、１つの検知部からの信号に応じて制御回
路が比例出力領域と一定出力領域と出力遮断点とを造り
出し、比例電磁弁を駆動する構成であるため、比例燃焼
量制御領域と最低安定燃焼量における遮断制御領域とが
反転することなく検知部信号に応じて整然と定まり、装
置の量産時においても常に安定な燃焼量制御特性を得る
ことが可能になるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃焼量制御特性図、第２図は被加熱体の
温度立上り特性図、第３図は本発明の燃焼量制御特性図
、第４図は燃焼装置として湯沸器を用い、その燃焼量制
御のための１つの形態を示す図、第５図は比例電磁弁の
断面図、第６図は上記比例電磁弁の電気制御回路の一例
を示す図、第７図は湯沸器の湯温特性図である。 ２・・・・・・バーナ、３・・・・・・熱交換器、８・
・・・・・比例電磁弁、３０・・・・・・検知部（湯温
抵抗素子）、３１・・・・・・制御器、Ｓ・・・・・・
比例電磁弁駆動用直流電源回路、Ｕ・・・・・・一定電
流を流す回路、■・・・・・・電流増加回路、Ｗ・・・
・・・ＯＮ−ＯＦＦ回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ バーナと、それにより加熱される被加熱体とその被
   加熱体の温度など物理量を検知する１つの検知部と、こ
   の検知部からの電気信号を増幅しその信号に応じて比例
   的に電気的出力を変化する比例出力領域とその信号の変
   化に対してその出力を変化させない一定出力領域とを有
   し、かつこの一定出力領域に出力の遮断点を有する制御
   回路と、その制御回路の出力により制御されバーナへの
   燃料供給路に設けた比例電磁弁とで構成した燃焼量制御
   装置。