(57)【要約】【課題】ガス種の設定を必要とせずに理想的な空燃比で燃焼運転を行い得るガス燃焼装置を提供する。【解決手段】バーナに燃料ガスを供給するガス管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、熱交換器の入水温度Ｔｉと出湯温度Ｔｏの温度差と熱交換器への入水量Ｗとに基づいて被加熱水に与えられた発熱量Ｈｇを算出し、この発熱量Ｈｇと燃料ガスの流量Ｇとから使用ガスの単位質量あたりの発熱量ＨＧを算出し、この発熱量ＨＧと目標発熱量とに基づいてガス流量制御弁の弁開度を設定する。また、上記発熱量ＨＧに基づいて単位質量の使用ガスの燃焼に必要な空気量ＯＬを算出し、この空気量ＯＬと燃料ガスの流量Ｇとに基づいて送風ファンの回転数を設定する。【選択図】　図３
2004108600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を加熱するバーナに燃焼用空気を供給する送風ファンと、熱交換器を加熱するバーナへの燃料ガスの供給路に、バーナに供給される燃料ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、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の燃焼制御方法であって、
前記熱交換器の入水側と出湯側の温度差と、前記熱交換器に供給された被加熱水の入水量とに基づいて被加熱水に与えられた発熱量を算出し、
この被加熱水に与えられた発熱量を、前記バーナに供給される燃料ガスの流量で除算して使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を算出し、
この使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量と目標発熱量とに基づいて前記バーナに必要なガス流量を算出して前記ガス流量制御弁の弁開度を制御する
ことを特徴とするガス燃焼装置の燃焼制御方法。
【請求項２】
前記使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を算出するに際し、ガス燃焼装置を予め定めた所定の条件で運転させて行うことを特徴とする請求項１に記載のガス燃焼装置の燃焼制御方法。
【請求項３】
前記単位質量または単位体積の使用ガスの燃焼に必要な空気量を前記使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量に基づいて算出し、
この単位質量または単位体積の使用ガスの燃焼に必要な空気量と、前記バーナに供給する燃料ガスの流量とに基づいてバーナに供給すべき目標空気量を算出して、この目標空気量に応じて前記送風ファンの回転数を制御する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のガス燃焼装置の燃焼制御方法。
【請求項４】
バーナに供給される燃料ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、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の燃焼制御方法であって、
前記バーナに供給する燃料ガスを、制御の起点となる所定流量から制御の到達点となる目標流量に移行させるに際し、
前記ガス流量制御弁の一次側ガス圧と前記バーナのノズル出口側圧力とが変化しないと仮定して、この仮定の下に前記制御の起点におけるガス流量制御弁の断面積と、前記制御の起点における前記所定流量と、前記所定流量と目標流量の流量差とから、前記制御の起点と到達点における前記ガス流量制御弁の断面積の差を算出し、その算出結果に基づいて前記ガス流量制御弁の弁開度を制御する
ことを特徴とするガス燃焼装置の燃焼制御方法。
【請求項５】
熱交換器を加熱するバーナに燃焼用空気を供給する送風ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、熱交換器への入水量を検出する入水量検出手段と、熱交換器への入水温度を検出する入水温度検出手段と、熱交換器からの出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記バーナへの燃料ガスの供給路に、バーナに供給される燃料ガスの質量流量または体積流量を検出するガス流量検出手段と、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、前記熱交換器の入水側と出湯側の温度差と、前記熱交換器に供給された被加熱水の入水量とに基づいて被加熱水に与えられた発熱量を演算する第一のステップと、
この第一のステップで求められた発熱量を前記質量流量センサで検出された燃料ガスの質量流量または体積流量で除算して使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を演算する第二のステップとを有してなり、
この第二のステップで得られた使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量と目標発熱量とに基づいて必要燃料の流量を算出して前記ガス流量制御弁の弁開度を設定する制御構成を備えた
ことを特徴とするガス燃焼装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記第二のステップで得られた前記使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量に基づいて単位質量または単位体積の使用ガスを燃焼させるのに必要な空気量を演算する第三のステップと、
この第三のステップで得られた空気量と、前記ガス流量検出手段で検出された燃料ガスの質量流量または体積流量とに基づいて前記バーナに供給すべき目標空気量を演算する第四のステップとを有してなり、
この目標空気量に応じて前記送風ファンの回転数を設定する制御構成を備えたことを特徴とする請求項５に記載のガス燃焼装置。
【請求項７】
バーナに供給される燃料ガスの質量流量または体積流量を検出するガス流量検出手段と、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、前記バーナに供給される燃料ガスを、制御の起点となる所定流量から制御の到達点となる目標流量に移行させるに際して、前記制御の起点におけるガス流量制御弁の断面積と、前記制御の起点における前記所定流量と、前記所定流量と目標流量の流量差とから前記制御の起点と到達点における前記ガス流量制御弁の断面積の差を算出して、この算出結果に基づいて前記ガス流量制御弁の弁開度変化量を設定する制御構成を備えた
ことを特徴とするガス燃焼装置。
【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およびその燃焼制御方法に関し、より詳細には、流量制御弁によってバーナに供給する燃料ガスの流量を調節する構造を備えたガス燃焼装置とその制御技術に関する。
【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、バーナに供給する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ものが提案されている（たとえば実開平５−７９２４０号）。
【０００３】
このようなガス燃焼装置に使用される燃料ガスとしては、いわゆる都市ガス（１２Ａや１３Ａなど）やプロパンガスなど多種多様のガスが提供されている。これらの燃料ガスはそのガス種（ガスの種類）毎に成分が相違し、単位質量または単位体積あたりの発熱量も相違するため、この種の燃焼装置においては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い。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手作業（たとえばディップスイッチの操作など）で上記ガス種の設定を行ったり、あるいはガス種判別部を設けて自動的に判別させる等の構成が採用されている。
【０００４】
【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。
【０００５】
（１）　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。
【０００６】
（２）　また、自動判別させる場合でも、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）等によってその成分が微妙に異なっており、そのためガス種の選択を正しく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。殊に、このようなガス成分の微妙な相違によりバーナに供給する燃料と空気の比率（空燃比）が適切に設定されないという事態も生じていた。
【０００７】
（３）　さらに、バーナに供給する燃料ガスをガス流量制御弁で調節する構成では、当該ガス流量制御弁にはダイヤフラムが設けられていないため、流量制御弁の絞り面積（開口面積）が同じでも流量制御弁の一次側のガス圧力（一次側ガス圧）の変動によって流量が変化してしまうのでガス流量を正確に制御できないという問題もあった。
【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、ガス種の設定を必要とせずに理想的な空燃比での燃焼を実現し得るガス燃焼装置を提供することにある。また、それにともなって一次側ガス圧の変動にかかわりなく正確に流量制御をなし得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の燃焼制御方法は、熱交換器を加熱するバーナに燃焼用空気を供給する送風ファンと、熱交換器を加熱するバーナへの燃料ガスの供給路に、バーナに供給される燃料ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、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の燃焼制御方法であって、前記熱交換器の入水側と出湯側の温度差と、前記熱交換器に供給された被加熱水の入水量とに基づいて被加熱水に与えられた発熱量を算出し、この被加熱水に与えられた発熱量を、前記バーナに供給される燃料ガスの流量で除算して使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を算出し、この使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量と目標発熱量とに基づいて前記バーナに必要なガス流量を算出して前記ガス流量制御弁の弁開度を制御することを特徴とする。
【００１０】
この請求項１に記載の発明は、熱交換器で加熱される被加熱水に与えられた発熱量から燃料ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を逆算するとともに、その値を基にしてバーナで目標発熱量を得るのに必要なガス流量を算出してガス流量制御弁の弁開度を設定する。したがって、この請求項１に記載の発明によれば、バーナに供給されている燃料ガスのガス種特定を必要とせずに、使用ガスの発熱量に応じた燃焼制御を実現できる。
【００１１】
また、その好適な実施態様として、請求項１に記載の発明は、前記使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を算出するに際し、ガス燃焼装置を予め定めた所定の条件で運転させて行うことを特徴とする。つまり、使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量の算出は、その前提として、被加熱水に与えられた発熱量の算出が行われるが、この被加熱水に与えられた発熱量は、熱交換器の入水側と出湯側の温度差と前記熱交換器に供給された被加熱水の入水量とに基づいてこれらに熱交換器の熱交換効率などを加味して求められるところ、この熱交換効率はガス燃焼装置の燃焼状態によって変動する。そのため、この請求項２に記載の発明では、予めこの熱交換効率を特定できる所定の条件の下でガス燃焼装置を運転させることにより、燃料ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を正確に算出させることができる。
【００１２】
本発明の請求項３に記載のガス燃焼装置の制御方法は、請求項１または請求項２に記載のガス燃焼装置の制御方法において、前記単位質量または単位体積の使用ガスの燃焼に必要な空気量を前記使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量に基づいて算出し、この単位質量または単位体積の使用ガスの燃焼に必要な空気量と、前記バーナに供給する燃料ガスの流量とに基づいてバーナに供給すべき目標空気量を算出して、この目標空気量に応じて前記送風ファンの回転数を制御することを特徴とする。
【００１３】
この請求項３に記載の発明は、まず、使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量に基づいて当該単位質量または単位体積の使用ガスの燃焼に必要な空気量を算出する。この算出は、図４に示すように、燃料ガスの発熱量（ＨＧまたはＨＧ′）と燃焼に必要な空気量（ＯＬまたはＯＬ′）とがほぼ１対１で対応するという事実を基にして算出する。つまり、この関係を基に予め空気量を算出するための演算式（発熱量から空気量を１対１で算出するか、あるいは１対１に近似した空気量を算出する演算式）を設定しておき、この演算式に基づいて単位質量または単位体積あたりの使用ガスの燃焼に必要な空気量を算出する。そして、その結果に基づいて、バーナに供給される燃料ガスの流量に応じた目標空気量を算出し、この目標空気量に応じて前記送風ファンの回転数を設定する。したがって、この請求項３に記載の発明によれば、バーナに供給する空気量がバーナに実際に供給される燃料ガスの流量に応じて算出されるので、燃焼時の空燃比を最適な状態に保つことができる。
【００１４】
本発明の請求項４に記載のガス燃焼装置の制御方法は、バーナに供給される燃料ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、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の燃焼制御方法であって、前記バーナに供給する燃料ガスを、制御の起点となる所定流量から制御の到達点となる目標流量に移行させるに際し、前記ガス流量制御弁の一次側ガス圧と前記バーナのノズル出口側圧力とが変化しないと仮定して、この仮定の下に前記制御の起点におけるガス流量制御弁の断面積と、前記制御の起点における前記所定流量と、前記所定流量と目標流量の流量差とから、前記制御の起点と到達点における前記ガス流量制御弁の断面積の差を算出し、その算出結果に基づいて前記ガス流量制御弁の弁開度を制御することを特徴とする。
【００１５】
すなわち、この請求項４の発明は、ガス流量制御弁の弁開度を制御してバーナに供給される燃料ガスの流量を調節するにあたり、ガス流量制御弁の一次側ガス圧とバーナのノズル出口側圧力とが変化しないと仮定することにより、制御の起点と到達点におけるガス流量制御弁の断面積の差を、ガス流量制御弁の一次側ガス圧とバーナのノズル出口側圧力を計算要素として用いることなく演算により算出し、その算出結果に基づいてガス流量制御弁の弁開度を設定する。これにより上記一次側ガス圧の影響を受けずに弁開度の設定を行うことを可能にする。
【００１６】
本発明の請求項５に記載のガス燃焼装置は、熱交換器を加熱するバーナに燃焼用空気を供給する送風ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、熱交換器への入水量を検出する入水量検出手段と、熱交換器への入水温度を検出する入水温度検出手段と、熱交換器からの出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記バーナへの燃料ガスの供給路に、バーナに供給される燃料ガスの質量流量または体積流量を検出するガス流量検出手段と、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、前記熱交換器の入水側と出湯側の温度差と、前記熱交換器に供給された被加熱水の入水量とに基づいて被加熱水に与えられた発熱量を演算する第一のステップと、この第一のステップで求められた発熱量を前記質量流量センサで検出された燃料ガスの質量流量または体積流量で除算して使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を演算する第二のステップとを有してなり、この第二のステップで得られた使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量と目標発熱量とに基づいて必要燃料の流量を算出して前記ガス流量制御弁の弁開度を設定する制御構成を備えたことを特徴とする。
【００１７】
この請求項５に記載のガス燃焼装置は、請求項１または請求項２に記載の制御方法を具体化した装置であって、この請求項５に記載のガス燃焼装置では、ガス流量を燃料ガスの質量流量または体積流量で検出し、その検出結果に基づいて制御手段がガス流量制御弁の弁開度を設定するように構成されている。
【００１８】
本発明の請求項６に記載のガス燃焼装置は、請求項５に記載のガス燃焼装置において、前記制御手段は、前記第二のステップで得られた前記使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量に基づいて単位質量または単位体積の使用ガスを燃焼させるのに必要な空気量を演算する第三のステップと、この第三のステップで得られた空気量と、前記ガス流量検出手段で検出された燃料ガスの質量流量または体積流量とに基づいて前記バーナに供給すべき目標空気量を演算する第四のステップとを有してなり、この目標空気量に応じて前記送風ファンの回転数を設定する制御構成を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この請求項６に記載のガス燃焼装置は、請求項３に記載の制御方法を具体化した装置であって、燃料ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を基にして単位質量または単位体積あたりの当該燃料ガスの燃焼に必要な空気量を算出し、その算出結果に基づいて制御手段が送風ファンの回転数を設定するように構成されている。
【００２０】
本発明の請求項７に記載のガス燃焼装置は、バーナに供給される燃料ガスの質量流量または体積流量を検出するガス流量検出手段と、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、前記バーナに供給される燃料ガスを、制御の起点となる所定流量から制御の到達点となる目標流量に移行させるに際して、前記制御の起点におけるガス流量制御弁の断面積と、前記制御の起点における前記所定流量と、前記所定流量と目標流量の流量差とから前記制御の起点と到達点における前記ガス流量制御弁の断面積の差を算出して、この算出結果に基づいて前記ガス流量制御弁の弁開度変化量を設定する制御構成を備えたことを特徴とする。
【００２１】
この請求項７に記載のガス燃焼装置は、請求項４に記載の制御方法を具体化した装置であって、燃料ガスの流量を制御の起点となる所定流量から制御の到達点となる目標流量に移行させるに際して、その間における一次側ガス圧の変動がないものと仮定してガス流量制御弁の弁開度変化量を設定するように構成されている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明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によって加熱可能な熱交換器３が設けられ、下方にはバーナ２への給気を行うための送風ファン４が設けられている。この送風ファン４には、図示しない回転数検出手段が設けられており、回転数検出手段で検出された送風ファン４の回転数情報は後述するコントローラ（制御手段）１３に入力されている。なお、図中符号１５で示すのは燃焼排気用の排気集合筒である。
【００２４】
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。
【００２５】
バーナ２は、図示のように複数の燃焼管で構成され、図示しない能力切替弁によりその燃焼本数の切り替えが可能とされている。そして、このバーナ２には、燃料ガスを供給するためのガス管１０が接続されており、このガス管１０がガス供給源（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、上記バーナ２への燃料ガスの供給路を構成している。
【００２６】
そして、ガス管１０には、燃料ガスの流量を検出するガス流量検出手段（本実施形態で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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
このガス流量制御弁１２の選定にあたっては、給湯器１で使用が予想される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発熱量をコントローラ１３が測定して燃焼制御を実行するので、予め使用が予想されるガス種であればどのガスが供給されても最小燃焼から最大燃焼までの調節を行いうるようにガス流量制御弁１２が選定される。
【００３１】
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。
【００３２】
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、給湯運転開始時または給湯試運転時に、コントローラ１３が図３のフローチャートに示す手順に従ってバーナ２に供給される燃料ガスの単位質量あたりの発熱量ＨＧおよびこの単位質量の使用ガスの燃焼に必要な空気量（理論空気量）ＯＬを演算する。
【００３３】
すなわち、給湯運転または給湯試運転が開始されると、コントローラ１３は、まず、給湯器１内の入水温度センサ７、出湯温度センサ８および水量センサ９からそれぞれ入水温度Ｔｉ、出湯温度Ｔｏおよび入水量Ｗの各検出値を取得する（図３ステップＳ１参照）。また、その一方で上記コントローラ１３は、給湯器１の熱交換器３で加熱される被加熱水ならびに熱交換器３についての情報（条件値）を取得する（図３ステップＳ２参照）。ここで、これらの条件値は、被加熱水の密度ρおよび比熱Ｃと熱交換器３の熱交換効率αからなる。これらの条件値は予め特定できる数値で構成されるので、いずれの数値も予めコントローラ１３の記憶装置に記憶させてくものとし、図３ステップＳ２ではこの記憶装置に記憶されたデータを読み出して用いる。
【００３４】
このようにしてコントローラ１３が給湯器１の各種センサ情報および既定の条件値を取得すると、次にコントローラ１３は下記の数式（１）を用いて、熱交換器３の入水側と出湯側の温度差と、熱交換器３に供給された被加熱水の入水量とに基づいて被加熱水に与えられた熱量（瞬時発熱量）Ｈｇを算出する（図３ステップＳ３参照）。
記
Ｈｇ＝（Ｔｏ−Ｔｉ）・Ｃ・Ｗ・ρ・α　・・・（１）
【００３５】
そして、次にコントローラ１３は、流量センサ１１の検出値から燃料ガスの質量流量Ｇを取得し（図３ステップＳ４参照）、下記の数式（２）を用いて上記瞬時発熱量Ｈｇをバーナ２に供給される燃料ガスの質量流量Ｇで除算することによりバーナ２に供給されている使用ガスの単位質量あたりの発熱量（質量発熱量）ＨＧを算出する（図３ステップＳ５参照）。
記
ＨＧ＝Ｈｇ／Ｇ　・・・（２）
【００３６】
このようにして、使用ガスについての単位質量あたりの発熱量ＨＧが求められると、次にコントローラ１３は、この発熱量ＨＧを基にして、単位質量の使用ガスの燃焼に必要な空気量（理論空気量）ＯＬを、下記の数式（３）を用いて算出する（図３ステップＳ６参照）。
記
ＯＬ＝ＨＧ　・・・（３）
【００３７】
ここで、使用ガスの単位質量あたりの発熱量ＨＧと理論空気量ＯＬとの関係について図４を示して簡単に説明する。図４は代表的な燃料ガスについての成分表と発熱量などの性能を示したものであり、図４（ａ）　は一般に「１３Ａ−１」と称される都市ガスの成分表および性能を、図４（ｂ）　は「１３Ａ−３」と称される都市ガスの成分表および性能を、図４（ｃ）　はプロパンガスの成分表および性能を示している。
【００３８】
この図４からも明らかなように、代表的な燃料ガス（具体的には成分中にＨ２を多く含まないガス）においては、いずれも単位質量あたりの発熱量ＨＧと理論空気量ＯＬとは略同じ数値を示すことが知られている。本実施形態では、このような関係を利用して上記発熱量ＨＧと理論空気量ＯＬとを同一とみなして数式（３）を定立したものである。したがって、上記数式（３）　は図４に示すような発熱量ＨＧと理論空気量ＯＬの関係を前提に定立されておれば適宜設計変更可能である。つまり、理論空気量ＯＬが発熱量ＨＧに近似する値となるような数式であれば他の数式を用いることも可能である。
【００３９】
このようにして、給湯試運転時または給湯運転開始時に使用ガスの単位質量あたりの発熱量ＨＧおよび理論空気量ＯＬが算出されると、これらの値はいずれもコントローラ１３の記憶装置に記憶され、後述する通常の給湯運転時における燃焼制御用のデータとして用いられる。
【００４０】
そこで、次に通常の給湯運転時の動作について図５のフローチャートに基づいて説明する。
【００４１】
通常の給湯運転時においては、上記コントローラ１３は、図示しない給湯器１のリモートコントローラなどで設定された給湯設定温度Ｔｐと、上記入水温度センサ７で検出される入水温度Ｔｉと、上記水量センサ９で検出された入水量Ｗと、上記条件値（被加熱水の密度ρ，比熱Ｃ，熱交換器３の熱交換効率α）とを獲得して、数式（４）を用いて上記設定温度　　　　　　Ｔｐでの出湯に必要な目標発熱量（必要瞬時発熱量）Ｈｐを算出する（図５ステップＳ１参照）。
記
Ｈｐ＝（Ｔｐ−Ｔｉ）・Ｃ・Ｗ・ρ・α　・・・（４）
【００４２】
そして、必要瞬時発熱量Ｈｐが算出されると、コントローラ１３はこの必要瞬時発熱量Ｈｐ相当の発熱量がバーナ２で得られるように、バーナ２に供給すべき燃料ガス流量（必要瞬時ガス流量）Ｇｐと、必要瞬時ガス流量Ｇｐをバーナ２に供給した時に必要となる空気量（必要瞬時空気量）ＯＮとを算出する。
【００４３】
具体的には、上記必要瞬時ガス流量Ｇｐは、下記の数式（５）を用い、必要瞬時発熱量Ｈｐを上記単位質量あたりの発熱量ＨＧで除算することにより算出される（図５ステップＳ２参照）。
記
Ｇｐ＝Ｈｐ／ＨＧ　・・・（５）
【００４４】
また、上記必要瞬時空気量ＯＮは、下記の数式（６）　または数式（７）　のいずれかを用いて算出される。なお、以下の数式では給湯器毎の空気過剰率をｍとする。
記
ＯＮ＝ｍ・ＯＬ・Ｇ　・・・（６）
ＯＮ＝ｍ・Ｈｐ　・・・（７）
【００４５】
つまり、上記数式（６）では、実際に流量センサ１１で検出された検出値（現にバーナ２に供給されている燃料ガスの流量）を基に、この検出値に上記理論空気量ＯＬと空気過剰率ｍとを乗じることによって必要瞬時空気量ＯＮを演算する場合を示している。一方、上記数式（７）　では、上記図５ステップＳ２で求めた必要瞬時ガス流量Ｇｐに空気過剰率ｍを乗じることによって必要瞬時空気量ＯＮを算出する場合を示している（図５ステップＳ３参照）。
【００４６】
このように、図５ステップＳ２，Ｓ３において必要瞬時ガス流量Ｇｐと必要瞬時空気量ＯＮとが求められると、次にコントローラ１３は、上記必要瞬時ガス流量Ｇｐを目標流量とした燃料ガスのガス流量制御を実行する（図５ステップＳ４参照）。具体的には、後述する方法でガス流量制御弁１２の弁開度（フィードフォーワード値）を設定し、その後、流量センサ１１で検出される実際の流量Ｇを用いて燃料ガスの流量が目標流量と一致するようにフィードバック制御を実行する。なお、これらガス流量制御弁１２の弁開度の制御は、該流量制御弁１２の駆動部の電流値制御、電圧値制御またはステップ数制御のいずれを採用してもよいが、本実施形態では上述したようにステップ数制御によりガス流量制御弁１２の弁開度が設定される。
【００４７】
また、その一方で上記コントローラ１３は、上記必要瞬時空気量ＯＮを目標空気量としてバーナ２への送風量の制御を実行する（図５ステップＳ５参照）。具体的には、バーナ２に供給される空気量が上記必要瞬時空気量ＯＮとなるように送風ファン４の回転数を設定する。なお、この回転数制御は送風ファン４に設けられた回転数検出手段（図示せず）から得られる回転数情報を基にしたフィードバック制御により行われる。
【００４８】
このようにして、コントローラ１３においてガス流量制御弁１２および送風ファン４の動作制御が開始されると、その後、上記コントローラ１３は適宜または定期的に上記設定温度Ｔｐと出湯温度センサ８で検出される出湯温度Ｔｏとを比較してバーナ２の熱量補正を実行する（図５ステップＳ６参照）。
【００４９】
すなわち、この熱量補正において現在の出湯温度Ｔｏと設定温度Ｔｐとの温度差ΔＴを求め、この温度差ΔＴを解消するために必要な発熱量ΔＨを下記の数式（８）　を用いて演算する。そして、この数式（８）で得た発熱量ΔＨを用いて上記必要瞬時発熱量Ｈｐを修正し、再び上記図５ステップＳ２以降のステップを実行する。
記
ΔＨ＝ΔＴ・Ｃ・Ｗ・ρ・α　・・・（８）
【００５０】
このように本発明に係る給湯器１によれば、給湯運転開始時または給湯試運転時にコントローラ１３が使用ガスの単位質量あたりの発熱量ＨＧを演算によって求めるので、従来のようにバーナ２に供給される燃料ガスの種別を予め手動操作で設定しなくてよい。しかも、燃料ガスの成分にバラツキがあってもかかるバラツキに関係なく燃料ガスの発熱量を正確に測定できるので、安定した燃焼制御を実現することができる。
【００５１】
さらに、本発明に係る給湯器１では、送風ファン４の回転数がバーナ２に供給される燃料ガスの発熱量に応じて設定されるので理想的な空燃比での燃焼を実現することができる。
【００５２】
ところで、このようにバーナ２への燃料ガスの供給量を流量センサ１１とガス流量制御弁１２を用いて制御する構成を採用すると、バーナ２側で能力切替（バーナ２を構成する燃焼管の燃焼本数の切り替え）が行われても燃料ガスの流量とガス流量制御弁１２の絞り面積の関係は変化しないので制御が容易となるという利点がある一方で、ガス流量制御弁１２の一次側ガス圧が変動した場合にガス流量制御弁１２の絞り面積が同じでも流量が変化してしまうという問題を生じる。
【００５３】
そのため、本実施形態に示す給湯器１では、かかる一次側ガス圧の影響を受けずに燃料ガスの流量調整を行うために、ガス流量制御弁１２の弁開度を設定する際のフィードフォーワード値をコントローラ１３が以下のようにして決定するように構成されている。
【００５４】
すなわち、ガス流量制御弁１２の弁開度のフィードフォーワード値を決定するにあたり、本発明では、制御の起点となる時点（コントローラ１３で新たな目標流量が設定された時点）から制御の到達点となる時点（バーナ２に目標流量の燃料ガスが供給されるに至った時点）までにガス流量制御弁１２の一次側ガス圧Ｐ１と上記バーナ２のノズル出口側圧力Ｐ０とが変化しないと仮定して、この仮定の下に、上記コントローラ１３が下記の数式（９）　を用いてガス流量制御弁１２の弁開度の変化量ΔＳを算出し、この値をフィードフォーワード値としてガス流量制御弁１２の動作を制御する。つまり、制御の起点においてガス流量制御弁１２が全閉状態であれば上記ΔＳをフィードフォーワード値としてガス流量制御弁１２を開弁動作させ、また、ガス流量制御弁１２が既に開弁状態にあればその状態にΔＳを加算または減算した値をフィードフォーワード値として設定する。
記
ΔＳ＝（Ｓ１・ΔＧ）／Ｇ１　・・・（９）
【００５５】
ここで、Ｓ１は制御の起点となる時点におけるガス流量制御弁１２の有効断面積を、Ｇ１は制御の起点における燃料ガスの流量を、ΔＧは上記制御の起点における燃料ガスの流量と目標流量Ｇ２との流量差をそれぞれ示している。なお、上記一次側ガス圧Ｐ１およびノズル出口側圧力Ｐ０は図６（ａ）　に図示するものとし、また有効断面積Ｓについてはガス流量制御弁１２の実測開口面積Ｓｓではなく図６（ｂ）に図示するように流体の通過面積を実質的に見た実効開口面積Ｓを意味するものとする。
【００５６】
なお、この数式（９）は以下のようにして導かれている。すなわち、ここでバーナ２に供給される燃料ガスがある一定の流量（上記制御の起点となるＧ１に相当）で安定していると仮定すると、この状態では下記の数式（１０）　が成立する。
記
【００５７】
【数１】
2004108600.tif 000003
【００５８】
ここで、ｇは重力加速度を、γは流体の比重量を、Ｐ１は一次側ガス圧を、Ｐ０は、ノズル出口側圧力をそれぞれ示している（以下同様）。
【００５９】
そして、この状態で新たな目標流量Ｇ２が与えられると、この目標流量Ｇ２にも数式（１０）と同様に下記の数式（１１）が成立する。
記
【００６０】
【数２】
2004108600.tif 000004
【００６１】
そこで、ガス流量制御弁１２の弁開度変化量をΔＳとすると、このΔＳは下記の数式（１２）により求められる。
記
【００６２】
【数３】
2004108600.tif 000005
【００６３】
したがって、ガス流量制御弁１２の弁開度がΔＳだけ変化する間に一次側ガス圧Ｐ１とノズル出口側圧力Ｐ０が変化しないと仮定したら、上記ΔＳは下記数式（１３）で置き換えることができ、この数式（１３）を展開することにより、上記数式（９）　を得ることができる。
記
ΔＳ＝（Ｇ２・Ｓ１−Ｇ１・Ｓ１）／Ｇ１　・・・（１３）
【００６４】
つまり、本発明では、ガス流量制御弁１２の一次側ガス圧Ｐ１と上記バーナ２のノズル出口側圧力Ｐ０とが変化しないと仮定することにより、目標流量Ｇ２を得るのに必要な弁開度の変化量ΔＳを、制御の起点である元の流量Ｇ１と元の弁開度Ｓ１にのみ依存する数式（９）　として現し、この数式（９）　に基づいてガス流量制御弁１２のフィードフォーワード値を設定することから、一次側ガス圧の変動に影響されずにガス流量制御弁１２の制御量を決定できる。
【００６５】
なお、ここで、ガス流量制御弁１２の一次側ガス圧Ｐ１と上記バーナ２のノズル出口側圧力Ｐ０とが変化しないと仮定したのはガス流量制御弁１２の駆動部の応答性能が良ければ制御上これらを無視しても支障がないこと、またフィードフォーワード制御後にフィードバック制御を行うことで実使用上何ら問題なく給湯器１を動作させることができるからである。
【００６６】
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。
【００６７】
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流量検出が可能で、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。
【００６８】
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。
【００６９】
また、上述した実施形態では、流量センサ１１として燃料ガスの質量流量を測定するセンサを用いたが、本発明は体積流量を測定するセンサを用いて実施することも可能である。その場合、流量センサでは燃料ガスの体積流量が検出されるので、理論空気量の計算式も体積流量に合わせて変更が必要なるが、代表的な燃料ガスの単位体積流量あたりの発熱量ＨＧ′と当該単位体積流量あたりの燃料ガスを燃焼させるのに必要な理論空気量ＯＬ′は図４に示されるようにほぼ同じ値をとることが知られているので、本発明と同様の手法により制御することが可能である。
【００７０】
さらに、上述した実施形態では、被加熱水に与えられる熱量Ｈｇを算出する際に用いる熱交換効率αは、単に予め特定される数値として説明したが、この数値を特定するにあたっては以下のような手法を採用することができる。すなわち、出荷検査時などガス燃焼装置の施工前に、予め定めた所定の燃焼条件（たとえばバーナ２の全本を能力小および大）でバーナ２を燃焼させ、この時における熱交換器３の入水側と出湯側の温度差と、熱交換器３に供給された被加熱水の入水量とを入水温度センサ７、出湯温度センサ８および水量センサ９の検出値から測定するとともに、検査用に供給される燃料ガスの流量を流量センサ１１で測定する。この際、検査用としてバーナ２に供給した燃料ガスの発熱量や、被加熱水の密度ρならびに比熱Ｃは事前に知ることができるので、上記各センサの検出値とこれら事前に知り得る値とに基づいて、熱交換器３の熱交換効率αを上記数式（１）を用いて算出し、この値をコントローラ１３の記憶装置に記憶させておこくことができる。これにより、個々のガス燃焼装置についてそれぞれ熱交換器３の熱交換効率αが求められるので、固体間のバラツキや排気バリエーションの違い等による熱交換効率αの誤差の発生を抑制することができる。
【００７１】
また、このように出荷検査時などに装置毎に熱交換器３の熱交換効率αを算出しておく場合、算出した熱交換効率αとともに、上記出荷検査時の燃焼条件等（バーナ２の燃焼本数、燃焼能力、熱交換器３の入水側と出湯側の温度差、熱交換器３に供給される被加熱水の入水量）のデータをコントローラ１３の記憶装置に記憶させておくことにより、たとえばガス燃焼装置の設置後に行われる給湯試運転において、上記記憶装置に記憶されたデータを基に上記熱交換効率αを算出した際と同じ条件で（具体的には、入水側と出湯側の温度差および入水量が同一となるように）ガス燃焼装置を運転させ、この状態で上述した手順で、被加熱水に与えられた熱量Ｈｇを求め、さらにこの熱量Ｈｇと燃料ガスの質量流量Ｇとから使用ガスの単位質量あたりの発熱量ＨＧを算出することにより、燃焼条件の相違による熱交換効率αの変化による影響を受けずに単位質量あたりの発熱量を正確に測定することができる。また、この時にバーナ２に供給される燃料ガスの流量を流量センサ１１で検出してこの値を上記出荷検査時の燃料ガスの供給量と比較することにより、設置先で供給されている燃料ガスが出荷検査時に用いられた燃料ガスと同種のガスであるか否かや発熱量が相違するか否かなどを容易に確認することができる。つまり、設置先で本来的に使用が予定されていない規格外の燃料ガスが供給されたような場合には、かかる事態の発生をいち早く確認することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の第一の発明であるガス燃焼装置およびその燃焼制御方法によれば、熱交換器を加熱するバーナに燃焼用空気を供給する送風ファンと、熱交換器を加熱するバーナへの燃料ガスの供給路に、バーナに供給される燃料ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、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、熱交換器の入水側と出湯側の温度差と、熱交換器に供給された被加熱水の入水量とに基づいて被加熱水に与えられた発熱量を算出し、この被加熱水に与えられた発熱量とバーナに供給される燃料ガスの流量とから使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を算出し、この使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量と目標発熱量とに基づいてバーナに必要なガス流量を算出してガス流量制御弁の弁開度が設定されるので、従来のガス燃焼装置のような手動による事前のガス種設定操作が不要となり施工作業が容易なガス燃焼装置を提供できる。また、これに伴って、作業員の操作ミスによるガス燃焼装置の誤動作を防止することができる。さらに、使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量を基に燃焼制御が行われるので、同一ガス種内での成分のバラツキにかかわりなく安定した燃焼性能を得ることができる。
【００７３】
また、本発明の第二の発明によれば、単位質量または単位体積の使用ガスの燃焼に必要な空気量を使用ガスの単位質量または単位体積あたりの発熱量に基づいて算出し、この単位質量または単位体積の使用ガスの燃焼に必要な空気量と、バーナに供給する燃料ガスの流量とに基づいてバーナに供給すべき目標空気量を算出して、この目標空気量に応じて前記送風ファンの回転数が設定されるので、バーナには供給される燃料ガスの適正燃焼に必要な空気量を正確に供給でき、常に理想的な空燃比での燃焼を実現することができる。
【００７４】
また、本発明の第三の発明によれば、バーナに供給される燃料ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、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、バーナに供給する燃料ガスを、制御の起点となる所定流量から制御の到達点となる目標流量に移行させるに際し、ガス流量制御弁の一次側ガス圧と前記バーナのノズル出口側圧力とが変化しないと仮定して、この仮定の下に上記制御の起点におけるガス流量制御弁の断面積と、上記制御の起点における上記所定流量と、上記所定流量と目標流量の流量差とから、上記制御の起点と到達点における上記ガス流量制御弁の断面積の差を算出し、その算出結果に基づいて前記ガス流量制御弁の弁開度を制御するので、ダイヤフラムを使用することなく一次側ガス圧の変動に影響されずに燃焼制御を行うことができる。
【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における単位質量あたりの燃料ガスの発熱量の算出並びに理論空気量の算出手順を示すフローチャートである。
【図４】代表的な燃料ガスについての成分表と発熱量などの性能を示した説明図であり、図４（ａ）　は一般に「１３Ａ−１」と称される都市ガスの成分表および性能を、図４（ｂ）　は「１３Ａ−３」と称される都市ガスの成分表および性能を、図４（ｃ）　はプロパンガスの成分表および性能を示している。
【図５】本発明に係るガス燃焼装置のガス流量制御およびファン回転数制御の手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明に係るガス燃焼装置の動作を補足するための説明図であって、図６（ａ）はガス流量制御弁の一次側ガス圧およびノズル出口側圧力を示す説明図であって、図６（ｂ）　は断面積の内容を説明するための説明図である。
【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（ガス流量検出手段）
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】
2004108600.tif 000006
【図２】
2004108600.tif 000007
【図３】
2004108600.tif 000008
【図４】
2004108600.tif 000009
【図５】
2004108600.tif 000010
【図６】
2004108600.tif 000011