(57)【要約】【課題】継続的に使用される環境下で、Ａ／Ｆセンサを用いて燃焼管内の酸素濃度を検出する構成においても信号出力の線形性を大気中で補正できるガス給湯器を提供する。【解決手段】ガス供給管９を介して供給されるガスは吸気された大気と共に、噴射部１２を介して給湯タンク２に内蔵される燃焼管４内に噴射される。比例弁制御部１１は、ガス供給管９の先端に配置される比例弁１０を制御すると共に、Ａ／Ｆセンサ１４により検出される酸素濃度に基づいて燃焼管４内の燃焼状態を制御して給湯タンク２内に給水された水を加熱する。ブロア制御部８は、燃焼管４内の混合気体に点火した後の消火から再点火するまでの間に当該燃焼管４内に大気を供給するパージ処理を行い、電流計測部１５は、そのパージ処理が終了した後にＡ／Ｆセンサ１４の信号出力特性の線形性をキャリブレーションする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給湯タンクと、
この給湯タンク内に配置され、ガスの燃焼を行う燃焼管と、
大気を吸気するための吸気管と、
ガス供給管を介して供給されるガスを前記吸気管の内部に供給する比例弁と、
前記吸気管の先端に配置され、ガスと大気との混合気体を前記燃焼管内に噴射させる噴射部と、
前記燃焼管内の酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサと、
前記比例弁を制御すると共に、前記Ａ／Ｆセンサにより検出される酸素濃度に基づいて前記燃焼管内の燃焼状態を制御して給湯タンク内に給水された水を加熱する制御部と、
前記Ａ／Ｆセンサの線形性を補正するセンサ補正部とを備え、
前記制御部は、前記燃焼管内の混合気体に点火した後の消火から再点火するまでの間に、当該燃焼管内に大気を供給するパージ処理を行い、
前記センサ補正部は、前記パージ処理が終了した後に、前記Ａ／Ｆセンサにより検出される酸素濃度に基づいて、当該センサの信号出力の線形性を補正するガス給湯器。
【請求項２】
前記Ａ／Ｆセンサに流れる電流を検出する電流検出部を備え、
前記センサ補正部は、前記制御部がパージ処理の実行を開始すると、電流検出部により検出された電流値に基づき前記燃焼管内の酸素濃度の検出を開始し、前記酸素濃度が閾値以上に上昇していると判断すると前記補正を開始する請求項１記載のガス給湯器。
【請求項３】
前記センサ補正部は、前記パージ処理の実行が開始されてから一定時間が経過しても前記酸素濃度が前記閾値に達していなければ、前記制御部に対して前記パージ処理の実行期間の延長を指示する請求項２記載のガス給湯器。
【請求項４】
前記センサ補正部は、前記一定時間が経過する前に前記酸素濃度が前記閾値以上になると、前記制御部に対して前記パージ処理の実行期間の短縮を指示する請求項３記載のガス給湯器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサを備えたガス給湯器に関する。
【背景技術】
【０００２】
主に北米等で使用されているガス給湯器には、ベンチュリ管を用いてガスを燃焼室に供給するものがある。この場合、大気圧等によりベンチュリ管の前後における圧力差が変化すると、燃焼効率が悪化してガス給湯器の省エネルギー性能が低下する問題がある。特許文献１は、ガスの供給系統に対してではないが、ベンチュリ管を用いたガス給湯器の一例である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−６６５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の問題に対して、ガスの供給系統に比例弁を用いると共に、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサを用いてガス噴射制御を行うことで、燃焼効率の最適化を図る技術が考案されている。しかしながら、図１０に示すように、Ａ／Ｆセンサの精度は、経年劣化により信号出力の線形性がドリフトすることを主要因として悪化する。そのため、大気中において、Ａ／Ｆセンサの線形性を補正する必要がある。
【０００５】
ところが、給湯器は継続的に燃焼を行うことで湯を保温するため、燃焼室の酸素濃度は低下している状態にある。したがって、Ａ／Ｆセンサの線形性を大気中において補正することが困難であるという事情がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、継続的に使用される環境下で、Ａ／Ｆセンサを用いて燃焼管内の酸素濃度を検出する構成においても、信号出力の線形性を精度よく補正できるガス給湯器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載のガス給湯器によれば、ガス供給管を介して供給されるガスは吸気された大気と共に、噴射部を介して給湯タンクに内蔵される燃焼管内に噴射される。制御部は、ガス供給管の先端に配置される比例弁を制御すると共に、Ａ／Ｆセンサにより検出される酸素濃度に基づいて燃焼管内の燃焼状態を制御して給湯タンク内に給水された水を加熱する。そして、制御部は、燃焼管内の混合気体に点火した後の消火から再点火するまでの間に大気を供給するパージ処理を行い、センサ補正部は、そのパージ処理が終了した後に、Ａ／Ｆセンサにより検出される酸素濃度に基づいて、当該センサの信号出力特性の線形性を補正する。このように構成すれば、センサ補正部は、パージ処理により燃焼管内に酸素が供給された状態でＡ／Ｆセンサの線形性を補正できるので、精度の高い補正を行うことが可能になる。
【０００８】
請求項２記載のガス給湯器によれば、電流検出部は、Ａ／Ｆセンサに流れる電流を検出する。そして、センサ補正部は、パージ処理が開始されると、電流検出部により検出された電流値に基づき燃焼管内の酸素濃度の検出を開始し、その酸素濃度が閾値以上に上昇していると判断すると補正を開始する。これにより、センサ補正部は、燃焼管内の酸素濃度が確実に上昇した状態で補正を行うことができる。
【０００９】
請求項３記載のガス給湯器によれば、センサ補正部は、パージ処理の実行が開始されてから一定時間が経過しても酸素濃度が閾値に達していなければ、制御部に対してパージ処理の実行期間の延長を指示する。これにより、制御部は、センサ補正部からの指示を受けて不足しているパージ処理の実行期間を延長することができる。
【００１０】
請求項４記載のガス給湯器によれば、センサ補正部は、前記一定時間が経過する前に酸素濃度が閾値以上になると、制御部に対してパージ処理の実行期間の短縮を指示する。これにより、制御部は、センサ補正部からの指示を受けて過剰なパージ処理の実行期間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態のガス給湯器の構成を示す図
【図２】統括制御部を中心に実行される燃焼制御を示すフローチャート
【図３】図２の処理に伴い水の温度が変化する状態を示す図
【図４】Ａ／Ｆセンサのキャリブレーションを実施する際に行うパージ処理を中心に示すフローチャート
【図５】パージ処理の実行に伴い燃焼管内の酸素濃度が変化する状態を示す図
【図６】パージ処理の実行時間の初期値を決定する一例を示す図
【図７】Ａ／Ｆセンサの吸気管側と燃焼管側との酸素濃度が等しくなっている状態でキャリブレーションが実行されるイメージを示す図
【図８】パージ時間延長処理の詳細を示すフローチャート
【図９】パージ時間短縮処理の詳細を示すフローチャート
【図１０】Ａ／Ｆセンサの線形性について行うキャリブレーションを説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、一実施形態について図１から図９を参照して説明する。図１は、本実施形態のガス給湯器１の構成を示す。給湯タンク２の内部には、給水管３を介して図示しない水道より水が給水される。給湯タンク２は、燃焼管４を内蔵しており、燃焼管４の内部でガスの燃焼が行われることで水が加熱されて湯になる。湯は、排出管５を介して外部に供給される。排出管５には、湯の温度を検出するための温度センサ１６が配置されている。
【００１３】
給湯タンク２には、吸気管６が接続されており、吸気管６の内部にはブロア７が配置されている。ブロア７は、吸気管６の外部にあるブロア制御部８により駆動制御され、外部より大気を吸気する。吸気管６の途中部位には、ガス供給管９が比例弁１０を介して接続されている。比例弁１０は、ガス供給管９の外部にある比例弁制御部１１により駆動制御される。これにより、吸気管６内へのガス供給量が調整される。
【００１４】
吸気管６内部のガスと大気との混合気体は、噴射部１２を介して燃焼管４に供給される。燃焼管４内の混合気体は、図示しないイグナイタにより点火されて燃焼される。燃焼管４は、給湯タンク２の図中上部において吸気管６に接続され、給湯タンク２の下方に延びる主部４ａと、給湯タンク２の下方から上方に延びる折返し部４ｂと、そこから主部４ａの周囲を螺旋状に囲んで再び下方に至る螺旋状部４ｃとを備えている。螺旋状部４ｃには排気管１３が接続されており、燃焼後の気体が給湯タンク２の外部に排気される。
【００１５】
燃焼管４の内部において噴射部１２の図中右側方には、Ａ／Ｆセンサ１４が配置されている。Ａ／Ｆセンサ１４には、給湯タンク２の外部にある電流計測部１５が接続されている。電流計測部１５は、図５に示すように、Ａ／Ｆセンサ１４を駆動した状態で当該センサ１４に流れる電流値を計測することで、燃焼管４内部の酸素濃度を測定する。また、制御部に相当する電流計測部１５は、Ａ／Ｆセンサ１４の信号出力特性の線形性を補正する処理も行う。電流計測部１５は、電流検出部に相当する。
【００１６】
統括制御部１７は、ブロア制御部８，比例弁制御部１１及び電流計測部１８と通信を行い、各制御部等を統括的に制御する。また、温度センサ１６が検出した温度は、統括制御部１７に入力される。電流計測部１５及び統括制御部１７は、センサ補正部に相当する。尚、以降において「パージ処理」とは、一般的なガス給湯器において行われる、ガスに点火した直後の不完全燃焼による鎮火を防止するため、燃焼室内に酸素，大気を供給する処理を言う。
【００１７】
次に、本実施形態の作用について図２から図９を参照して説明する。図２は、統括制御部１７を中心に実行される燃焼制御を示すフローチャートである。統括制御部１７は、イグナイタによりガスに点火すると（Ｓ４０）、温度センサ１６により水の温度を計測する（Ｓ４１）。そして、計測した温度が設定温度未満か否かを判断して（Ｓ４２）、設定温度未満であれば（ＹＥＳ）ガスの燃焼状態を継続し（Ｓ４３）、設定温度以上であれば（ＮＯ）消火を行う（Ｓ４４）。
【００１８】
それから、パージ処理を実行する条件が成立しているか否かを判断し（Ｓ４５）、条件が成立していれば（ＹＥＳ）パージ処理を実行し（Ｓ４６）、条件が成立してなければ（ＮＯ）ステップＳ４１に戻る。ここで、「パージ処理を実行する条件」とは、各製品の仕様や、製品の運転状況運転環境等に応じて静的又は動的に設定される。尚、「毎回消火する度に実行する」という条件でも良い。ステップＳ４４の実行後に、ステップＳ４２で「ＹＥＳ」と判断した際には、ステップＳ４３にてイグナイタによるガスの点火が行われる。以上のように制御される結果、イグナイタの消火，点火が繰り返されて、給湯タンク２内の水の温度は、図３に示すように、設定温度を間に挟んで上下に変動する。
【００１９】
このように温度が上下に変動する期間において、消火から次回の点火までの間にパージ処理を開始し、前記次回の点火までにパージ処理を完了する構成としても良い。また、上記の温度変動期間では、例えば５〜１０秒間隔で温度センサ１６が湯の温度を測定することで、消火・点火を実施している。したがって、上記の間隔に相当する一定期間の経過後に、消火されている状態であればパージ処理を実行する構成としても良い。
【００２０】
図４は、ステップＳ４６におけるパージ処理を示すフローチャートである。電流計測部１５は、パージ処理の実施時間を計測するためのカウンタをゼロクリアする（Ｓ２）。このとき、比例弁制御部１１は、比例弁１０を全閉してガスの供給を停止し、ブロア制御部８はブロア７を駆動する。これにより、燃焼管４内には大気のみが供給されてパージ処理が開始される。それから、例えば数秒〜数１０秒程度の一定時間の経過待ちをする（Ｓ３）。
【００２１】
一定時間が経過するとカウンタをインクリメントして（Ｓ４）、そのカウンタの値が「１０」を超えたか否かを判断する（Ｓ５）。カウンタ値が「１０」以下であれば（ＮＯ）、Ａ／Ｆセンサ１４に流れている電流値を検出して燃焼管４内の酸素濃度を計測する（Ｓ６）。そして、前回に計測した酸素濃度と今回計測した酸素濃度との差の絶対値が、閾値である０．３％未満か否かを判断する（Ｓ７）。酸素濃度の差が０．３％以上であれば（ＮＯ）、前回の酸素濃度に今回計測した酸素濃度を代入してから（Ｓ８）ステップＳ３に移行する。
【００２２】
ステップＳ３〜Ｓ８のループを実行している間にカウンタ値が「１０」を超えると（Ｓ５；ＹＥＳ）、既定の時間でパージ処理を実行しても燃焼管４内の酸素濃度の差が０．３％以上にならないことを示す。そこで、電流計測部１５は、ブロア制御部８と協働して次回に実施するパージ処理時間の延長処理を行う（Ｓ９）。その詳細については後述する。
【００２３】
また、ステップＳ３〜Ｓ８のループを実行している間に酸素濃度の差が０．３％未満に低下すると（Ｓ７；ＹＥＳ）、既定時間のパージ処理を終了する前に燃焼管４内の酸素濃度の差が０．３％未満になったことを示す。そこで、電流計測部１５は、次回に実施するパージ処理の時間の短縮処理を行う（Ｓ１０）。その詳細についても後述する。それから、キャリブレーションの実施条件が成立していれば（Ｓ１１；ＹＥＳ）Ａ／Ｆセンサ１４のキャリブレーションを実行する（Ｓ１２）。キャリブレーションの実施条件も各製品の仕様等に応じて異なるが、例えば数日が経過した後ユーザにより最初にガス給湯器１が使用され、点火が行われたこと等を条件とする。
【００２４】
図５は、パージ処理の実行に伴い燃焼管４内の酸素濃度が変化する状態を示す。横軸は酸素濃度のサンプル数を示し、縦軸は酸素濃度のパーセンテージである。サンプリング間隔は、例えば０．３秒程度である。尚、酸素濃度のサンプリングは、図４に示すパージ処理に並行して常時実施されている。
【００２５】
また、図６は、パージ処理の実行時間の初期値を決定する一例を示しており、測定済みの酸素濃度のサンプルについて濃度差の変化割合を参照し、どれだけの長さでパージ処理を実行すれば酸素濃度の差が十分小さくなるかにより決定する。図７は、Ａ／Ｆセンサ１４の吸気管６側と燃焼管４側との酸素濃度が等しくなっている状態でキャリブレーションが実行されるイメージを示している。
【００２６】
図８は、ステップＳ９におけるパージ時間延長処理の詳細を示すフローチャートである。ここで、ステップＳ９の実行を開始する時点までにサンプリングしていた酸素濃度のサンプルをｄ１，ｄ２，ｄ３，…，ｄＮとし、各サンプルの差分ｄＳ１，ｄＳ２，…，ｄ（Ｎ−１）を
ｄＳ１＝ｄ２−ｄ１，ｄＳ２＝ｄ３−ｄ２，…，ｄＳ（Ｎ−１）＝ｄＮ−ｄ（Ｎ−１）
と定義する。更に、ｄＲａｔｅを、
ｄＳ１／ｄＳ２，ｄＳ２／ｄＳ３，…，ｄＳ（Ｎ−２）／ｄＳ（Ｎ−１）
これらの平均値と定義する。
【００２７】
次回パージ延長処理では、カウンタＣ，ｎをゼロに設定し（Ｓ２０）、差分の予測値をｒＤｉｆｆとすると、
ｒＤｉｆｆ＝ｄｎ−ｄ（ｎ−１）
を求める（Ｓ２１）。次に、予測値ｒＤｉｆｆが０．３未満となったか否かを判断し（Ｓ２２）、０，３以上であれば（ＮＯ）、予測値ｒＤｉｆｆを
ｒＤｉｆｆ＝ｒＤｉｆｆ＊ｄＲａｔｅ
により更新し、カウンタＣ，ｎをそれぞれインクリメントする（Ｓ２３）。それから、ステップＳ２１に戻る。
【００２８】
ステップＳ２１〜Ｓ２３のループを実行している間に予測値ｒＤｉｆｆが０．３未満になると（Ｓ２２；ＹＥＳ）、その時点のカウンタＣの値にサンプリング間隔を乗じた分だけパージ処理時間を延長する指示をブロア制御部８に通知する（Ｓ２４）。
【００２９】
図９は、ステップＳ１０におけるパージ時間短縮処理の詳細を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１０に移行した時点におけるカウンタの値が「１０」未満か否かを判断する（Ｓ３１）。「１０」未満であれば（ＹＥＳ）、その値「１０」とカウンタ値との差にサンプリング間隔を乗じた時間をブロア制御部８に送信する（Ｓ３２）。これに基づいて、ブロア制御部８は次回のパージ処理の実行時間を短縮する。それから、Ａ／Ｆセンサ１４のキャリブレーションを実行する（Ｓ３３）。一方、ステップＳ３１においてカウンタの値が「１０」以上であれば（ＮＯ）、実行時間は短縮できないので（Ｓ３４）そのままステップＳ３３に移行する。
【００３０】
以上のように本実施形態のガス給湯器１によれば、ガス供給管９を介して供給されるガスは吸気された大気と共に、噴射部１２を介して給湯タンク２に内蔵される燃焼管４内に噴射される。比例弁制御部１１は、ガス供給管９の先端に配置される比例弁１０を制御すると共に、Ａ／Ｆセンサ１４により検出される酸素濃度に基づいて燃焼管４内の燃焼状態を制御して給湯タンク２内に給水された水を加熱する。
【００３１】
そして、ブロア制御部８は、燃焼管４内の混合気体に点火した後の消火から再点火するまでの間に当該燃焼管４内に大気を供給するパージ処理を行い、電流計測部１５は、そのパージ処理が終了した後にＡ／Ｆセンサ１４の信号出力特性の線形性をキャリブレーションする。このように構成すれば、電流計測部１５は、パージ処理により燃焼管内に酸素が供給された状態でＡ／Ｆセンサ１４の線形性を補正できるので、精度の高い補正を行うことが可能になる。また、パージ処理の実行に伴ってキャリブレーションを効率的に実行できる。
【００３２】
また、電流計測部１５は、Ａ／Ｆセンサ１４に流れる電流を検出し、パージ処理が開始されると、検出した電流値に基づき燃焼管４内の酸素濃度の検出を開始し、その酸素濃度が閾値以上に上昇していると判断するとキャリブレーションを開始する。これにより、燃焼管４内の酸素濃度が確実に上昇した状態でキャリブレーションを行うことができる。
【００３３】
また、電流計測部１５は、パージ処理の実行が開始されてから一定時間が経過しても酸素濃度が閾値に達していなければ、ブロア制御部８に対してパージ処理の実行期間の延長を指示する。これにより、ブロア制御部８は、電流計測部１５からの指示を受けて不足しているパージ処理の実行期間を延長することができる。
【００３４】
更に、電流計測部１５は、前記一定時間が経過する前に酸素濃度が閾値以上になると、ブロア制御部８に対してパージ処理の実行期間の短縮を指示する。これにより、ブロア制御部８は、電流計測部１５からの指示を受けて過剰なパージ処理の実行期間を短縮することができる。
【００３５】
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
酸素濃度の閾値は０．３％に限ることなく、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
パージ時間の延長処理や短縮処理については、必要に応じて行えば良い。
【符号の説明】
【００３６】
図面中、１はガス給湯器、２は給湯タンク、４は燃焼管、６は吸気管、８はブロア制御部、１２は噴射部、１４はＡ／Ｆセンサ、１５は電流計測部を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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