(57)【要約】【課題】ガス種の設定を容易かつ正確に行うことができるガス燃焼装置を提供する。【解決手段】バーナ２に燃料ガスを供給するガス管１０に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサ１１と燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁１２とを備えたガス燃焼装置において、流量センサ１２の出力特性を、着火時発熱量の燃料ガスが得られたときには燃料ガスのガス種に関係なくほぼ同じセンサ出力となるように予め設定しておき、試運転時に流量センサ１２のセンサ出力が着火時発熱量を示すセンサ出力に到達するまでガス流量制御弁の開度を上げ、その時の弁開度から上記バーナ２に供給されている燃料ガスのガス種を判定する。【選択図】　図１
2004053051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと、燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えるとともに、前記ガス流量制御弁の弁開度を調節する制御手段を備えたガス燃焼装置において、
前記制御手段が、前記ガス流量制御弁を開弁させた際における前記流量センサのセンサ出力と前記ガス流量制御弁の弁開度とに基づいて前記バーナに供給されている燃料ガスのガス種を判別する制御構成を有する
ことを特徴とするガス燃焼装置。
【請求項２】
バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと、燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えるとともに、前記ガス流量制御弁の弁開度を調節する制御手段を備えたガス燃焼装置において、
前記流量センサが、前記バーナにおいて所定の発熱量の燃料ガスが得られたときには燃料ガスのガス種に関係なくほぼ同じ所定のセンサ出力が得られるように設定され、
前記制御手段は、所定のトリガを受け付けた際に、前記流量センサのセンサ出力が前記所定のセンサ出力に到達するまで前記ガス流量制御弁の開度を上げてゆき、流量センサのセンサ出力が前記所定のセンサ出力と一致した時の弁開度から前記バーナに供給されている燃料ガスのガス種を判別する制御構成を有する
ことを特徴とするガス燃焼装置。
【請求項３】
前記所定の発熱量として、前記バーナの着火時の発熱量を用いることを特徴とする請求項２に記載のガス燃焼装置。
【請求項４】
前記所定のトリガが、ガス燃焼装置に対して試運転の開始を指示する試運転開始要求信号であることを特徴とする請求項２または３に記載のガス燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はガス燃焼装置に関し、より詳細には、バーナへの燃料ガスの供給路に燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えたガス燃焼装置において、バーナに供給される燃料ガスのガス種や成分に応じた燃焼制御を行わせるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
給湯器や風呂釜などガスを燃料とするガス燃焼装置においては、バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えてなり、制御手段が上記ガス流量制御弁の弁開度を調節して燃焼運転（燃焼制御）を行うように構成されたガス燃焼装置が提案されている。
【０００３】
ところで、このようなガス燃焼装置に使用される燃料ガスには、いわゆる都市ガス（１２Ａや１３Ａなど）やプロパンガス等種類の異なるガスが複数あり、これらはガス種毎に成分が相違し、単位流量当たりの発熱量も相違するので、この種の燃焼装置では、当該装置に供給されるガス種を予め特定してやらなければ上記制御手段が適切な燃焼制御を行うことができなかった。
【０００４】
そのため、従来のガス燃焼装置においては、装置の設置に際して作業員が上記制御手段に対して手作業（ディップスイッチの操作など）でガス種の設定を行っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の構成よりなるガス燃焼装置では以下のような問題がありその改善が望まれていた。
【０００６】
すなわち、従来のガス燃焼装置のように、ガス種の設定を作業員の手作業で行う構成では装置設置時の作業が煩雑であるとともに、作業員の操作ミスによってガス種が誤って設定されるおそれがあった。
【０００７】
しかも、ガス燃焼装置に供給される燃料ガスは、同じガス種であっても当該燃料ガスを供給するガス供給源（ガス会社など）によってその成分が微妙に異なり、そのため設置時にガス種の設定操作を正確に行っても予定どおりの燃焼性能を得ることができない場合があった。つまり、たとえばガス種が１３Ａである場合、ガス燃焼装置の製造者側が予定した１３Ａガスと、実際にガス燃焼装置に供給される１３Ａガスの成分が相違すると単位流量当たりの発熱量が相違するため、制御手段が正常に作動しても予定どおりの燃焼性能を得ることができないという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ガス種の設定を容易かつ正確に行うことができるガス燃焼装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のガス燃焼装置は、バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと、燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えるとともに、前記ガス流量制御弁の弁開度を調節する制御手段を備えたガス燃焼装置において、前記制御手段が、前記ガス流量制御弁を開弁させた際における前記流量センサのセンサ出力と前記ガス流量制御弁の弁開度とに基づいて前記バーナに供給されている燃料ガスのガス種を判別する制御構成を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載のガス燃焼装置は、バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと、燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えるとともに、前記ガス流量制御弁の弁開度を調節する制御手段を備えたガス燃焼装置において、前記流量センサが、前記バーナにおいて所定の発熱量の燃料ガスが得られたときには燃料ガスのガス種に関係なくほぼ同じ所定のセンサ出力が得られるように設定され、前記制御手段は、所定のトリガを受け付けた際に、前記流量センサのセンサ出力が前記所定のセンサ出力に到達するまで前記ガス流量制御弁の開度を上げてゆき、流量センサのセンサ出力が前記所定のセンサ出力と一致した時の弁開度から前記バーナに供給されている燃料ガスのガス種を判別する制御構成を有することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載のガス燃焼装置は、請求項２に記載のガス燃焼装置において、前記所定の発熱量として、前記バーナの着火時の発熱量を用いることを特徴とする。
【００１２】
そして、請求項４に記載のガス燃焼装置は、前記請求項２または３に記載のガス燃焼装置において、前記所定のトリガが、ガス燃焼装置に対して試運転の開始を指示する試運転開始要求信号であることを特徴とする。
【００１３】
なお、ここで発熱量とは、特に示さない限りバーナに供給される燃料ガス自体の発熱量、つまりいわゆるインプット側の発熱量を意味するものとする。したがって、熱交換器等の熱交換手段で被加熱媒体に実際に与えられた熱量（アウトプット側）の発熱量とは相違する（以下においても同様とする）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明のガス燃焼装置を給湯器に適用した場合を示している。図示のように、給湯器１は本体内にガスを燃料とするバーナ２を備えてりおり、このバーナ２の上方にはバーナ２によって加熱可能とされた熱交換器３が設けられ、下方にはバーナ２への給排気を行うための送風ファン４が設けられている。図中符号１５で示すのは燃焼排気用の排気集合筒である。
【００１６】
熱交換器３の入水側には給水管５が接続されるとともに、出湯側には出湯管６が接続されている。上記給水管５には、熱交換器３への入水温度を検出する入水温度センサ（入水温度検出手段）７と、入水量を検出する水量センサ（入水量検出手段）９とが設けられており、また出湯管６には、上記熱交換器３で加熱された温水の出湯温度を検出する出湯温度センサ（出湯温度検出手段）８が設けられている。
【００１７】
一方、バーナ２には該バーナ２に燃料ガスを供給するためのガス管１０が接続されている。このガス管１０はガス供給源（たとえば都市ガスであれば都市ガス供給用のガス配管、プロパンガスであればガスボンベなど）と接続されており、上記バーナ２への燃料ガスの供給路を構成している。
【００１８】
このガス管１０には、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサ１１と、バーナ２に供給される燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁１２とが設けられている。
【００１９】
流量センサ１１は、ガス管１０内を流れる流体の質量流量を検出するセンサであって、この流量センサ１１としては、たとえばヒータを挟んだ上下両側に温度センサを搭載して該温度センサ間の出力値の差から流体の質量流速を測定する熱式質量センサが用いられる。
【００２０】
ガス流量制御弁１２は、たとえばニードル弁などのように弁体を作動させて弁座の開口面積を変化させることにより流量を制御する制御弁であって、具体的には図２に示すように、ガス管１０に弁座１００を設け、この弁座１００に対して駆動機構（図示例ではステッピングモータ１０１）によって進退動作可能な針状の弁体１０２を進退動作させることにより、弁座１００を通過するガスの流量を制御するように構成されている。
【００２１】
つまり、本実施形態では、上記ステッピングモータ１０１のステップ数（ステップ量）で弁体１０２の弁開度を設定し、これによりバーナ２に供給される燃料ガスの供給量の調節を行うように構成されている。なお、上記ステッピングモータ１０１は、後述する給湯器１のコントローラ（制御手段）１３から与えられる制御信号によって作動するよう構成されている。図中符号Ｇで示す矢符は、バーナ２に供給される燃料ガスの流れを模式的に示している。
【００２２】
このガス流量制御弁１２の選定にあたっては、給湯器１で使用可能なガス種のうち単位発熱量が最も低いガスを使用した場合でも、当該ガスでの最大燃焼に必要な弁開度が得られるステッピングモータ１０１を搭載した流量制御弁が用いられる。つまり、本発明のガス燃焼装置は、後述するようにバーナ２に供給される燃料ガスのガス種を機器自身が判別して燃焼制御を実行するように構成されており、ここで判別可能なガス種の範囲はコントローラ１３の設定によって予め定められるので、この判別可能なガス種が上記使用可能なガス種となり、この範囲に含まれるガス種であればどのガスが供給されてもガス流量制御弁１２が最小燃焼から最大燃焼までの調節を行いうるように構成される。
【００２３】
コントローラ１３は、給湯器１の各部の動作を制御するための制御手段であって、具体的には所定の記憶装置（記憶手段）を備えた制御用のマイクロコンピュータを有して構成されている。このコントローラ１３には、図１に示すように、上記入水温度センサ７、出湯温度センサ８、水量センサ９、流量センサ１１の各センサ出力が図中の破線で示す信号線を介して入力されている。また、このコントローラ１３からは同様に信号線を介して上記送風ファン４およびガス流量制御弁１２のステッピングモータ１０１に対して動作制御用の制御信号が出力可能とされている。
【００２４】
次に、このように構成されてなる給湯器１の動作について説明する。この給湯器１は、通常の燃焼運転時（燃焼制御時）には、図示しないリモートコントローラなどで設定される給湯設定温度で温水の出湯ができるように、上記コントローラ１３が、上記給湯設定温度と熱交換器３への入水温度および入水流量に基づいてバーナ２に供給する燃料ガスの目標流量（目標インプット）や送風ファン４の目標回転数を設定し、これら目標流量や目標回転数に応じて上記ガス流量制御弁１２や送風ファン４を制御するように構成されている。つまり、上記給湯設定温度での出湯を行うのに必要な発熱量がバーナ２で得られるように上記燃料ガス流量制御弁１２の弁開度を制御（ＦＦ制御およびＦＢ制御）するとともに、バーナ２で最適燃焼が行えるように送風ファンの回転数制御を行う。
【００２５】
ところで、このような構成の給湯器１においては、上述した燃焼制御を適切に行わせるには、バーナ２に供給される燃料ガスのガス種を予めコントローラ１３に設定してやる必要がある。そのため、本実施形態ではこのようなガス種の特定を給湯器１のコントローラ１３が行うように構成されている。以下、このコントローラ１３におけるガス種判別処理について説明する。
【００２６】
まず、説明の前提として、本実施形態に示す給湯器１では、ガス種判別処理が給湯器１の設置当初に行われる試運転時に行われるように設定されているものとする。つまり、本実施形態では、上記ガス種判別処理は、電源投入時またはガス種判別がされていないことを判断してコントローラ１３に入力される試運転開始要求信号をトリガとして実行されるように設定されている。そして、ガス種判別の結果は上記コントローラ１３のマイクロコンピュータが備える記憶装置にデータとして記憶され、その後の燃焼制御（ＦＦ制御）の制御用のデータとして用いられる。
【００２７】
また、本実施形態に示す給湯器１では、給湯器１の設置前、たとえば給湯器１の製造段階などにおいて、上記流量センサ１１が、上記バーナ２において所定の発熱量の燃料ガスが得られた時には燃料ガスのガス種に関係なくほぼ同じ一定のセンサ出力を出すように予め設定される。
【００２８】
具体的には、本実施形態に示す給湯器１では、たとえば図３（ａ）　に示すように、上記流量センサ１１の出力特性を、バーナ２に供給される燃料ガスの発熱量（インプット量）が着火時発熱量（通常６０００ｋｃａｌ／ｈ程度）に達した時にはどのガス種（図示例では破線で示すプロパンガスＬＰと太い実線で示す都市ガス１３Ａと細い実線で示すプロパンガスと都市ガス１３Ａの中間の特性を示すガスの三種類を例示する）でもセンサ出力が一致するよう（図示例では符号Ａで示す出力、以下においては説明の便宜上この出力をセンサ出力Ａと称する）に予め合わせ込んでおく。つまり、本実施形態では上述した上記所定の発熱量としてバーナ２の着火時発熱量が用いられる。
【００２９】
ここで上記所定の発熱量として着火時発熱量を用いたのは、ガス種によるセンサ出力のずれが少なく流量センサ１１の調整が容易であることや、後述するガス種判別のために未燃焼の生ガス（燃料ガス）を多く出すのは安全対策上好ましくないことなどを考慮したためである。
【００３０】
さらに、本実施形態では、上記コントローラ１３のマイクロコンピュータの記憶装置に、給湯器１で使用可能とするガス種に応じて、任意のガス種分だけ、弁開度（本実施形態ではステップ数）と発熱量（インプット）の相関関係（以下、ステップ−インプット特性と称する）を示す相関線のデータを予め記憶しておく（図３（ｂ）　参照）。
【００３１】
以上のような前提を基に給湯器１におけるガス種判別処理を説明すると、上記試運転スイッチ１４が操作され、コントローラ１３に試運転開始要求信号が与えられると、コントローラ１３はこの試運転開始要求信号をトリガとして、流量センサ１１のセンサ出力が上記所定のセンサ出力Ａに達するまでガス流量制御弁１２の弁開度を開く指令を出力する。つまり、上記ステッピングモータ１０１に対してステップ数を上げる旨の制御信号を出力する。
【００３２】
そして、ガス流量制御弁１２の弁開度が大きくなるに伴って上記流量センサ１１のセンサ出力が上記所定のセンサ出力Ａに到達すると、次にコントローラ１３は上記流量センサ１１のセンサ出力が上記所定のセンサ出力Ａと一致した時の弁開度を検出する。本実施形態では、弁開度はステッピングモータ１０１のステップ数によって制御されるので、ここでは、流量センサ１１のセンサ出力が上記所定のセンサ出力Ａと一致した際におけるステッピングモータ１０１のステップ数をマイクロコンピュータがソフトウェア上の処理によって取得する。
【００３３】
このようにして上記所定のセンサ出力Ａを得た時の弁開度（この時のステッピングモータ１０１のステップ数を説明の便宜上ステップ数Ｂとする）を検出すると、上記コントローラ１３は検出した弁開度に基づいてバーナ２に供給されている燃料ガスのガス種の判別を行う。具体的には、得られた弁開度（ステップ数Ｂ）とマイクロコンピュータが記憶している相関線のデータと比較して現在供給されている燃料ガスのガス種を特定する。
【００３４】
ここでコントローラ１３に記憶されるステップ−インプット特性の一例を図３（ｂ）　に示す。この図３（ｂ）　に示すステップ−インプット特性は、ガス種としてプロパンガス（図中点線で示す）と１３Ａの都市ガス（図中太い実線で示す）の二種類のデータを記憶させた場合を示しており、また各ガスの特性で傾きの高いのはガス供給源から供給されるガス圧（一次ガス圧）が高い場合を、また傾きが低い場合は一次ガス圧が低い場合を示している。
【００３５】
そして、上述したガス種判別処理においてマイクロコンピュータにセンサ出力Ａを得た時のステッピングモータ１０１のステップ数Ｂが獲得されると、コントローラ１３では、このステップ数Ｂがどのガス種の特性を示す範囲にあるかによってガス種の特定を行う。つまり、図示の場合、ステップ数Ｂがプロパンガスの特性を示すＬ１の範囲内にあればバーナ２に供給されているガス種をプロパンガスと判別し、１３Ａの都市ガスの特性を示すＬ２の範囲内にあれば１３Ａの都市ガスであると判別する。
【００３６】
そして、このガス種判別の結果は、上述したように上記マイクロコンピュータの記憶装置に記憶され、試運転終了後の通常の燃焼運転時にはこの記憶したデータに基づいて通常の燃焼制御が実行される。
【００３７】
このように、本実施形態に示す給湯器１では、給湯器１の試運転時に試運転スイッチ１４を操作するだけでバーナ２に供給される燃料ガスのガス種をコントローラ１３が自動的に判別してその後の燃焼制御を実行するので、従来のようなガス種の設定操作が不要となり、試運転時の操作の簡略化と人為的なガス種設定ミスを防止することができる。
【００３８】
なお、図３（ｂ）　に示す例では、コントローラ１３に記憶されるステップ−インプット特性としてプロパンガスと１３Ａの都市ガスの２種類しか示さなかったが、コントローラ１３に記憶されるガス種の種類や数は任意に設定変更可能である。したがって、２種以上のガス種についてのステップ−インプット特性の相関線データを記憶させておくこともできる。また、記憶するガス種としては既存のガス種（たとえば１２Ａ，１３Ａ，プロパンガスなど）の枠にとらわれずガスの成分に応じて任意にガス種を設定することも可能である。
【００３９】
その場合、記憶されるガス種によっては各ガスの特性を示す範囲（図示例のＬ１，Ｌ２参照）が重複（ラップ）する場合も考えられるが、上記ステップ数Ｂがこのような重複範囲に入った時には、重複するガス種のうちの一種をコントローラ１３に暫定的に選択させ、その上で予め設定しておいた上記センサ出力Ａよりも高い第二のセンサ出力（図示せず）が得られるまでガス流量制御弁１２の弁開度を上げてゆき、上記第二のセンサ出力を得た時の弁開度（ステップ数）からバーナ２に供給されている燃料ガスのガス種を特定するように構成しておくのが好ましい。
【００４０】
つまり、この場合も上述したセンサ出力Ａを得た時の判断手法と同様に、予め上記第二のセンサ出力に対応するステップ−インプット特性をコントローラ１３に記憶させておき、マイクロコンピュータで獲得したステップ数がどのガス種の範囲にあるかを判断してガス種の特定を行う。また、この第二のセンサ出力を得た時においてもなおガス種の特定ができないときには、ガス種の特定ができるまで同様の手法で第三、第四とより高い値に設定されたセンサ出力を得た時のステップ数からガス種の判別を行う。
【００４１】
その際、本実施形態においては、上記流量センサ１１は、上述したように使用可能な全てのガス種のいずれにおいても着火時発熱量のセンサ出力は同じとなるように設定されているため、試運転であっても着火モードはガス種に影響されず作動する。そのため、着火発熱量に到達した時点で通常の燃焼運転と同様にバーナ２が着火するので上述したように着火発熱量よりも高い発熱量を示す上記第二、第三等のセンサ出力を得るようにガス流量制御弁１２を開弁させても未燃焼の生ガスがバーナ２から放出されるこなく、安全にガス種を特定することができる。
【００４２】
以上、説明した内容を要約すれば、本実施形態に示す給湯器１は、ガス流量制御弁１２を開弁させた際における流量センサ１１のセンサ出力とガス流量制御弁１２の弁開度とに基づいてコントローラ１３がバーナ２に供給されている燃料ガスのガス種の判別を行う。そして、ガス種判別の結果に基づいて試運転後の燃焼制御が行われるので、本発明に係るガス燃焼装置では、予め全てのガス種についてのステップ−インプット特性をコントローラ１３に記憶させてさえおけば、ガス種の如何を問わずどのような場所にも設置可能になるという利点がある。
【００４３】
なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００４４】
たとえば、上述した実施形態では、本発明を給湯器に適用した場合を示したが、本発明は燃料ガスの質量流量の検出が可能で、かつ燃料ガスの供給が流量制御弁により行われるガス燃焼装置であれば、たとえば風呂釜など他の燃焼器具にも適用可能である。
【００４５】
また、上述した実施形態では、ガス流量制御弁１２の弁開度をステッピングモータ１０１のステップ数を用いて判断する構成を示したが、弁開度はステップ数以外の要素（たとえば弁の開口面積など）を用いて判断するように構成することも可能である。
【００４６】
また、上述した実施形態では、コントローラ１３でのガス種判別処理等がいずれも試運転開始要求信号をトリガとして実行される場合を示したが、トリガを変更することで、試運転以外の通常の燃焼運転時にも行うように構成することも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、バーナへの燃料ガスの供給路に、燃料ガスの質量流量を検出する流量センサと燃料ガスの流量を調節するガス流量制御弁とを備えるとともに、上記ガス流量制御弁の弁開度を調節する制御手段を備えたガス燃焼装置において、バーナに供給されるガス種の判別を上記流量センサのセンサ出力と上記ガス流量制御弁の弁開度とに基づいて制御手段が行うことから、たとえばガス燃焼装置の試運転時に上記制御手段にガス種判別を行わせることにより、試運転時のガス種設定操作が不要となり作業を簡略化できるとともに、人為的な設定ミスの発生を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス燃焼装置を給湯器に適用した場合の概略構成を示す説明図である。
【図２】同ガス燃焼装置に用いられるガス流量制御弁の概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明に係るガス燃焼装置を説明するための説明図であって、図３（ａ）　は、流量センサ出力と発熱量との相関関係を示す出力特性図であり、図３（ｂ）　は弁開度と発熱量の相関関係を示すステップ−インプット特性図である。
【符号の説明】
１　　　　　給湯器（ガス燃焼装置）
２　　　　　バーナ
３　　　　　熱交換器
４　　　　　送風ファン
５　　　　　給水管
６　　　　　出湯管
７　　　　　入水温度センサ（入水温度検出手段）
８　　　　　出湯温度センサ（出湯温度検出手段）
９　　　　　水量センサ（入水量検出手段）
１０　　　　ガス管（燃料ガスの供給路）
１１　　　　流量センサ
１２　　　　ガス流量制御弁
１３　　　　コントローラ（制御手段）
１５　　　　排気集合筒
【図１】
2004053051.tif 000003
【図２】
2004053051.tif 000004
【図３】
2004053051.tif 000005