(57)【要約】【課題】比例弁に駆動電流を供給するトランジスタを備えるガス燃焼機器において、トランジスタ周辺パーツの熱による経年劣化を低減させる。【解決手段】燃焼領域の大きさを複数の能力段数に切替制御可能な燃焼部１３と、燃焼部１３への燃料ガスの流量を調節する比例弁１６と、要求燃焼熱量が得られるように能力段数及び比例弁１６の駆動電流を制御する制御基板とを備え、該制御基板には、比例弁１６の駆動電流が流れるトランジスタＱ１が設けられたガス燃焼機器において、制御基板は、燃焼熱量を維持しつつ能力段数を切替可能な範囲内であって、トランジスタＱ１の損失が所定値以上となる範囲Ｘ内で駆動電流を制御している場合に、トランジスタＱ１の損失が所定値未満となるよう駆動電流の大きさを変更制御するとともに、その変更前後で燃焼熱量が維持されるように燃焼部１３の能力段数を変更制御する。【選択図】図２
2017116177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼領域の大きさを複数の能力段数に切替制御可能に構成された燃焼部と、該燃焼部への燃料ガス流路の中途部に設けられ且つ駆動電流に応じて開度が調整される比例弁と、要求燃焼熱量が得られるように前記燃焼部の能力段数を制御するとともに前記比例弁の駆動電流を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記比例弁の駆動電流が流れるトランジスタを有するガス燃焼機器において、
前記制御部は、燃焼熱量を維持しつつ前記能力段数を切替可能な範囲内であって、且つ、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している場合に、前記トランジスタの損失が所定値未満となるよう前記駆動電流の大きさを変更制御するとともに、その変更前後で燃焼熱量が維持されるように前記燃焼部の能力段数を変更制御することを特徴とするガス燃焼機器。
【請求項２】
燃焼部と、該燃焼部への燃料ガス流路の中途部に設けられ且つ駆動電流に応じて開度が調整される比例弁と、要求燃焼熱量が得られるように前記比例弁の駆動電流を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記比例弁の駆動電流が流れるトランジスタを有するガス燃焼機器において、
前記制御部は、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している場合に、前記トランジスタの損失が所定値未満となるよう、要求燃焼熱量が得られなくとも前記駆動電流の大きさを変更制御することを特徴とするガス燃焼機器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガス燃焼機器において、前記制御部は、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している場合の前記駆動電流の大きさの変更制御を、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している状態を所定時間継続するまで行わないように構成されていることを特徴とするガス燃焼機器。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のガス燃焼機器において、前記制御部は、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している場合の前記駆動電流の大きさの変更制御を、前記駆動電流と前記トランジスタの損失とに基づく前記トランジスタの発熱によって該トランジスタの周囲温度が所定温度以上になったと推定されるまで行わないように構成されていることを特徴とするガス燃焼機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暖房用ガス熱源機やガス給湯器などのガス燃焼機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、下記の特許文献１に開示されているように、ガス給湯器などのガス燃焼機器においては、制御開度指令に応じた駆動電流をガス比例弁に安定的に供給するために定電流回路を用いて駆動電流を制御しており、駆動電流は、直接的には定電流回路を構成するトランジスタ（Ｔｒ１）によって制御されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５７１８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記定電流回路のトランジスタには、比例弁の駆動電流がコレクタ−エミッタ間にそのまま流れることとなるが、比例弁の駆動電流は数１０ｍＡ〜１００数十ｍＡ程度と比較的大きいため、トランジスタの損失特性によって発熱量が比較的大きくなる場合がある。
【０００５】
トランジスタやその周辺回路の動作自体への影響が小さい発熱量であっても、基板上の樹脂ポッティング等の周辺パーツの経年劣化を促進させ、これにより製品寿命を縮めてしまうことが懸念されるため、可能な限り損失の少ないトランジスタを採用することが理想であるが、求められる特性に適合し且つ現実的な価格で入手可能なトランジスタの選択肢は限られており、比例弁の駆動電流制御における回路特性とコストとを優先してトランジスタを選定した場合に、周辺パーツにとっては好ましくない動作条件で長時間にわたり運転が継続されることがある。
【０００６】
たとえば、本願出願人は、特開２０１４−６６４９７号公報に、温水暖房端末の暖房負荷（要求燃焼能力）に応じて、燃焼領域の大きさを複数の能力段数のいずれかに切替制御するとともに、ガス比例弁の開度を制御する暖房用熱源機を開示しており、暖房負荷の状態によっては、小さい能力段数で比例弁の開度が比較的大きい状態で数十分間定常的に暖房運転が行われることがある。
【０００７】
比例弁の開度は、比例弁に供給される駆動電流の大きさに比例するため、比例弁の開度が大きい場合には駆動電流も大きくなり、例えば８０ｍＡ程度の駆動電流が数十分間流れ続ける場合がある。仮に、選定されるトランジスタのコレクタ−エミッタ間電流に対する損失の特性として、例えば８０ｍＡ前後に損失のピークがあると、上記のような場合にトランジスタの発熱量が最大となり、周辺パーツの劣化を促進させてしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、比例弁に駆動電流を供給するトランジスタを備えるガス燃焼機器において、トランジスタ周辺パーツの熱による経年劣化を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本願発明は、次の技術的手段を講じた。
【００１０】
すなわち、本発明は、燃焼領域の大きさを複数の能力段数に切替制御可能に構成された燃焼部と、該燃焼部への燃料ガス流路の中途部に設けられ且つ駆動電流に応じて開度が調整される比例弁と、要求燃焼熱量が得られるように前記燃焼部の能力段数を制御するとともに前記比例弁の駆動電流を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記比例弁の駆動電流が流れるトランジスタを有するガス燃焼機器において、前記制御部は、燃焼熱量を維持しつつ前記能力段数を切替可能な範囲内であって、且つ、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している場合に、前記トランジスタの損失が所定値未満となるよう前記駆動電流の大きさを変更制御するとともに、その変更前後で燃焼熱量が維持されるように前記燃焼部の能力段数を変更制御することを特徴とするものである（請求項１）。
【００１１】
かかる本発明のガス燃焼機器によれば、燃焼熱量を維持しつつトランジスタの発熱量を低減させることができるので、給湯能力や暖房能力を低下させることなくトランジスタの周辺パーツ、例えばポッティング剤などの経年劣化がトランジスタの発熱によって促進されることを回避できる。さらに、トランジスタの放熱器の削除若しくは簡素化を図ることもでき、これによりコスト削減を図ることもできる。
【００１２】
また、本発明は、燃焼部と、該燃焼部への燃料ガス流路の中途部に設けられ且つ駆動電流に応じて開度が調整される比例弁と、要求燃焼熱量が得られるように前記比例弁の駆動電流を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記比例弁の駆動電流が流れるトランジスタを有するガス燃焼機器において、前記制御部は、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している場合に、前記トランジスタの損失が所定値未満となるよう、要求燃焼熱量が得られなくとも前記駆動電流の大きさを変更制御することを特徴とするものである（請求項２）。
【００１３】
かかる本発明のガス燃焼機器によれば、トランジスタの発熱量を低減させることができるので、トランジスタの周辺パーツ、例えばポッティング剤などの経年劣化がトランジスタの発熱によって促進されることを回避できる。さらに、トランジスタの放熱器の削除若しくは簡素化を図ることもでき、これによりコスト削減を図ることもできる。なお、上記請求項２の構成は、特に暖房負荷に応じて要求燃焼熱量が決定される暖房用のガス燃焼機器において好適に実施でき、暖房運転の場合には一時的に要求燃焼熱量未満で動作制御を行っても即座に室温に影響が出るものではないため、トランジスタやその周辺パーツの温度が低下するまで駆動電流をトランジスタの損失が比較的低い範囲内で制御した後、要求燃焼熱量に基づく駆動電流の制御に復帰させれば良い。
【００１４】
上記本発明のガス燃焼機器において、前記制御部は、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している場合の前記駆動電流の大きさの変更制御を、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している状態を所定時間継続するまで行わないように構成されているものとすることができる（請求項３）。これによれば、トランジスタの損失が比較的高い範囲内で駆動電流が短時間流れても、トータルの発熱量としてはさほど周辺パーツに悪影響がないため、このような場合には駆動電流の変更制御を行わないことで、燃焼効率や騒音対策等を優先して要求燃焼熱量に応じた駆動電流制御を継続させることができる。
【００１５】
また、上記本発明のガス燃焼機器において、前記制御部は、前記トランジスタの損失が所定値以上となる範囲内で前記駆動電流を制御している場合の前記駆動電流の大きさの変更制御を、前記駆動電流と前記トランジスタの損失とに基づく前記トランジスタの発熱によって該トランジスタの周囲温度が所定温度以上になったと推定されるまで行わないように構成されているものとすることもできる（請求項４）。これによれば、トランジスタの周囲温度が所定温度以上になったと推定されない場合には周辺パーツに悪影響がないため、このような場合には駆動電流の変更制御を行わないことで、燃焼効率や騒音対策等を優先して要求燃焼熱量に応じた駆動電流制御を継続させることができる。
【００１６】
なお、上記推定は、具体的には、比例弁の駆動電流の制御履歴データ、若しくは、比例弁の実際の駆動電流の検出値の検出履歴データに基づいて行うことができる。例えば、駆動電流に対するトランジスタの損失に関するデータを予め制御部に記憶保持させておき、該データを用いて直近の所定時間内でのトランジスタの発熱量を算出するとともに、トランジスタ及びその周辺パーツの放熱量をも算出乃至推定して、発熱量と放熱量との差分によりトランジスタの周囲温度の推定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明のガス燃焼機器によれば、比例弁に駆動電流を供給するトランジスタの発熱に起因するトランジスタ周辺パーツの経年劣化を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス燃焼機器である暖房用ガス熱源機の概略構成図である。
【図２】同ガス燃焼機器における燃焼能力切替制御を説明するためのグラフである。
【図３】同ガス燃焼機器の比例弁駆動回路の概略回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係るガス燃焼機器としてのガス熱源機１を用いた温水循環式暖房装置を示しており、該暖房装置は、暖房運転機能を有するガス熱源機１と、低温暖房端末としての床暖房端末２と、高温暖房端末３とから主構成されている。図１においては、熱源機１の暖房運転機能の要部のみ図示しているが、熱源機１としては、給湯・暖房及び追焚きの機能を有する複合熱源機を好適に用いることができる。
【００２１】
熱源機１は、燃焼缶体１１と、暖房用温水循環回路１２とを備えている。缶体１１内部には、複数の燃焼領域１３ａ，１３ｂに区分された燃焼装置１３（燃焼部）が設けられている。なお、燃焼装置１３に対して燃焼用空気を供給する送風ファン（図示せず）が燃焼装置１３の下方に配設される。
【００２２】
該燃焼装置１３の各燃焼領域１３ａ，１３ｂは、それぞれ複数本のバーナによって形成されており、図示例では２つの燃焼領域を図示しているが、３以上の燃焼領域に区分されていてもよい。これらの各燃焼領域１３ａ，１３ｂには、燃料ガス供給源側から燃焼用燃料としてガスを供給するガス供給管１４が接続されている。このガス供給管１４には、燃料ガス供給源側から順に、元栓としての元ガス電磁弁１５と、ガス供給量を調整するガス比例弁１６とが設けられている。このガス比例弁１６の下流側でガス供給管１４が各燃焼領域１３ａ，１３ｂ毎に分岐され、第１の燃焼領域１３ａに対して第１能力切替弁１７ａを介してガスが供給され、第２の燃焼領域１３ｂに対して第２能力切替弁１７ｂを介してガスが供給されるようになっている。
【００２３】
これにより、図２に示すように、第１及び第２能力切替弁１７ａ，１７ｂの選択的開閉制御によって燃料領域の大きさを複数の能力段数（図示例では、第１の燃焼領域１３ａのみを燃焼させる１段、第２の燃焼領域１３ｂのみを燃焼させる２段、並びに、第１及び第２の燃焼領域１３ａ，１３ｂを燃焼させる３段）に切替制御可能に構成されているとともに、ガス比例弁１６の開度制御（駆動電流制御）により各能力段数における燃料ガスの供給量を調整することによって、各能力段数毎に燃焼熱量（給湯号数）を所定範囲で変更制御可能に構成されている。そして、隣接する段数の下段側の能力段数の大燃焼側の領域Ｘと上段側の能力段数の小燃焼側の領域とは燃焼熱量がオーバーラップされており、これにより燃焼装置１３全体の燃焼熱量を、第１燃焼領域１３ａのみをバーナの最小燃焼能力で燃焼させる最小燃焼熱量（例えば給湯号数換算で３号）から、複数の燃焼領域１３ａ，１３ｂのすべてを最大燃焼能力で燃焼させる最大燃焼熱量（例えば給湯号数換算で１０号）まで、連続的に変更調整可能としている。
【００２４】
缶体１１内の上部には熱交換器１８が配設されている。なお、図示していないが、燃焼装置１３で燃料を燃焼させることによる燃焼ガスの顕熱を回収する一次熱交換器と、該一次熱交換器において回収しきれなかった燃焼ガスの熱エネルギー、すなわち潜熱を回収する二次熱交換器とを設けた潜熱回収式高効率熱源機として構成することもできる。
【００２５】
暖房回路１２は、高温暖房端末３及び低温暖房端末２との間で熱媒となる温水の循環経路を形成するものであって、該循環経路を循環する温水を加熱する上記熱交換器１８と、該熱交換器１８で所定温度（例えば８０℃程度）に加熱された高温温水を高温暖房端末３へ供給するための高温暖房往き管路１２ａと、高温暖房端末３で放熱した後の温水を熱交換器１８へ戻すための暖房戻り管路１２ｂと、熱交換器１８の上流側で暖房戻り管路１２ｂから分岐して熱交換器１８で加熱される前の低温（例えば６０℃程度）の温水を低温暖房端末２へ供給するための低温暖房往き管路１２ｃと、熱交換器１８で加熱された高温の温水の一部を暖房戻り管路１２ｂにバイパスするバイパス管路１２ｄとから主構成されている。
【００２６】
さらに、暖房戻り管路１２ｂの途中には、膨張タンク１９と、該タンク１９の下流側に設けられた暖房循環ポンプＰとが介設されている。図示例では、低温暖房往き管路１２ｃは暖房循環ポンプＰの下流側で暖房戻り管路１２ｂから分岐されている。バイパス管路１２ｄは、高温暖房往き管路１２ａから分岐されているとともに、膨張タンク１９及び暖房循環ポンプＰの上流側で暖房戻り管路１２ｂに合流されている。なお、膨張タンク１９には、各暖房端２，３から戻ってきた低温水とバイパス管路１２ｄを介して流入する高温温水とが混合されてなる低温温水が流入する。
【００２７】
上記送風ファン、能力切替弁１７ａ，１７ｂ、元ガス電磁弁１５、ガス比例弁１６、暖房循環ポンプＰなどの各制御対象は、制御部（制御基板）によって制御され、暖房運転中、要求される暖房能力（給湯能力）に基づいて要求燃焼熱量を決定し、要求燃焼熱量が得られるように燃焼装置１３の能力段数及び比例弁１６の開度が制御される。比例弁１６は、供給される駆動電流に応じてその開度が調整されるものであり、本実施形態では制御部は比例弁に駆動電流を供給する定電流回路（比例弁駆動回路）を備えて、直接的には駆動電流を制御するように構成されている。
【００２８】
すなわち、制御部は、図３に示すように、制御中枢としてのマイクロプロセッサ２０と、マイクロプロセッサ２０の比例弁開度信号出力ポートから出力される開度信号に応じた駆動電流を比例弁１６に供給する定電流回路２１とを備えている。なお、図示例では、駆動電流の電流値に応じた監視電圧信号をマイクロプロセッサ２０の監視信号入力ポートに出力する駆動電流監視回路３０をも設けられている。
【００２９】
定電流回路２１は、開度信号のインピーダンス変換を行うボルテージフォロア２２と、変換後の開度信号を分圧して基準電圧を出力する分圧回路２３と、非反転入力端子に上記基準電圧が入力されるオペアンプ２４と、該オペアンプ２４の出力に接続されたｐｎｐ型トランジスタＱ１とを備えている。トランジスタＱ１のベースがオペアンプ２４の出力に接続され、トランジスタＱ１のコレクタは比例弁１６及びオペアンプ２４の反転入力端子に接続されて負帰還回路が構成されており、これによりオペアンプ２４のバーチャルショートによりコレクタ電圧が上記基準電圧と等しくなって、比例弁１６の両端電圧ＶＬとその抵抗成分ＲＬとに基づく定電流ＩＬ＝ＶＬ／ＲＬが駆動電流として比例弁１６に供給される。この定電流ＩＬは、トランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間電流となり、エミッタから出力される。
【００３０】
駆動電流監視回路３０は、トランジスタＱ１のエミッタに接続された負荷抵抗Ｒ１を備えており、該負荷抵抗Ｒ１に駆動電流ＩＬが供給されることによって、駆動電流ＩＬに応じた電圧（ＩＬ×Ｒ１）が負荷抵抗Ｒ１に生じる。この負荷抵抗Ｒ１の電圧は、分圧回路３１によって分圧されて監視電圧信号としてマイクロプロセッサ２０の監視信号入力ポートに入力され、監視電圧信号に基づいて比例弁１６の駆動電流の電流値を監視可能となっている。
【００３１】
なお、比例弁１の抵抗成分ＲＬは例えば数１０Ω〜数百Ωであり、負荷抵抗Ｒ１の抵抗値は例えば数１０Ω〜数百Ωであり、分圧回路３１を構成する抵抗Ｒ２，Ｒ３は例えば数百ｋΩとすることができる。また、上記トランジスタＱ１は、損失特性として、コレクタ−エミッタ間電流が６０〜１００ｍＡであるときに損失のピークがあり、発熱も最も大きくなるものが用いられている。
【００３２】
そして、本実施形態においては、制御部のマイクロプロセッサ２０は、要求燃焼熱量が得られるように燃焼装置１３の能力段数及び比例弁１６の駆動電流制御を行っているときに、比例弁１６の駆動電流が図２に領域Ｘで示す範囲内の例えばＡ点で所定時間（例えば１０〜２０分程度）継続して制御されていれば、駆動電流とトランジスタＱ１の損失とに基づくトランジスタＱ１の発熱によってトランジスタＱ１の周囲温度が所定温度以上になったと推定し、燃焼装置１３の能力段数を１段上げるとともに、その前後で燃焼熱量を維持するように駆動電流の大きさをＢ点まで変更制御するよう制御構成されている。すなわち、本実施形態では、駆動電流が６０ｍＡであるときのトランジスタＱ１の損失を所定値Ｌとすると、トランジスタＱ１の損失が所定値Ｌ以上となる範囲Ｘ内で駆動電流が所定時間継続して制御されていれば、トランジスタＱ１の損失が所定値Ｌ未満となるよう駆動電流の大きさが変更制御される。
【００３３】
また、各種状況に応じて、図２のＡ点からＣ点への遷移として示すように、能力段数の変更をせずに、比例弁１６の駆動電流のみをトランジスタＱ１の損失の小さい領域まで変更制御することで、燃焼熱量を一時的に低下させてトランジスタＱ１の発熱量を小さくすることもできる。
【００３４】
Ａ点からＢ点への変更制御と、Ａ点からＣ点への変更制御とは、いずれか一つのみをマイクロプロセッサ２０の制御方式として実装することもできるし、両方を実装した上で各種動作条件等に応じていずれの変更制御を行うかを選択するよう構成することもできる。
【００３５】
図２の領域Ｗで示す範囲は、燃焼熱量を維持しつつ能力段数を切替可能な範囲であって、且つ、トランジスタＱ１の損失が最も高くなる範囲であり、所定時間を超えて継続してこの領域Ｗ内の駆動電流がトランジスタＱ１を流れると、トランジスタの発熱によってその周囲の回路部品やポッティング等の周辺パーツの経年劣化を促進させてしまうが、本実施形態によれば、所定時間を超える長時間にわたってトランジスタＱ１の発熱量が大きい状態が継続されることを回避して、トランジスタＱ１の周辺パーツの熱による劣化促進を防止できるとともに、トランジスタＱ１の放熱板の削除乃至簡素化によってコスト低減を図ることもできる。
【００３６】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、上記実施形態では、駆動電流が領域Ｘで示す範囲内で所定時間継続して制御されていることによって、トランジスタＱ１の周囲温度が所定温度以上になったと推定したが、かかる推定は適宜のものであってよく、例えば、駆動電流に対するトランジスタＱ１の損失に関するデータを予めマイクロプロセッサ２０に記憶保持させておき、該データを用いて直近の所定時間内でのトランジスタＱ１の発熱量を算出するとともに、トランジスタＱ１及びその周辺パーツの放熱量をも算出乃至推定して、発熱量と放熱量との差分によりトランジスタの周囲温度の推定を行うこともできる。
【００３７】
また、上記実施形態では暖房運転中の制御として説明したが、給湯器の給湯運転中にも同様の制御を行うことができる。
【符号の説明】
【００３８】
１３  燃焼部
１６  比例弁
Ｑ１  トランジスタ
【図１】
2017116177.tif 000003
【図２】
2017116177.tif 000004
【図３】
2017116177.tif 000005