(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの燃焼を行う燃焼室と、この燃焼室に燃料ガスを噴出するガスノズルと、この燃焼室に燃焼用空気を圧送する送風ファンと、燃焼生成ガスを排出する排気管とを備えた強制給気式燃焼装置において、
前記送風ファンが、
Ｑ＝（Ｐ０−Ｐ）１／２／ν
（Ｑは送風量、Ｐは燃焼室圧力、νは正の定数
Ｐ０は前記排気管を完全に閉塞したときの燃焼室圧力）
なる送風特性を有し、かつ、
この燃焼室圧力Ｐ０が、前記ガスノズルの最大能力時における供給ガス圧と一致するように設定され、前記排気管の排気抵抗の上昇に伴う前記送風ファンによる燃焼用空気の圧送量の減少に応じて一定の空燃比が保たれるよう前記ガスノズルより噴出される燃料ガスの噴出量（インプット量）が減少制御されるように構成したことを特徴とする強制給気式燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスバーナに強制的に燃焼用空気を供給する送風ファンを備えた強制給気式燃焼装置に関し、さらに詳しくは、排気系の詰まりにより燃焼用空気の供給量が減少した場合に燃料ガス供給量もそれに合わせて減少するようにして不完全燃焼を防止する強制給気式燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、風呂や台所への給湯又は暖房のための熱源として、ガス燃料を用いるとともに燃焼用空気を送風ファンの回転により強制的にガスバーナへ送るようにした強制給気式燃焼装置が使用されている。
【０００３】
強制給気式燃焼装置は基本的に、内部に燃焼室が画成された機枠に、ガスバーナと熱交換器とを配し、ガスバーナに燃料ガスを供給する給ガス管と、燃焼室に燃焼用空気を供給する送風ファンと、燃焼生成ガスを外部に排出する排気管と、を設けたものである。かかる構成により、送風ファンから強制的に燃焼用空気を供給しつつ、給ガス管から供給される燃料ガスをガスバーナで燃焼し、燃焼熱により熱交換器で水等の熱媒体を加熱し、燃焼生成ガスを排気管を通じて外部に排出するものである。
ここで、熱出力を大きくするために燃料ガスのインプットを最大近くに増やした場合でも良好な燃焼状態が維持され不完全燃焼が起こらない空燃比となるように、送風ファンの送風量が定められる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の強制給気式燃焼装置では、使用により排気管に詰まりが生じて排気抵抗が上昇した場合まで考慮した空燃比設定はしていなかった。このため、排気管が清浄であるうちは正常な燃焼が維持されても、長時間使用すると空燃比にくるいが生じて不完全燃焼が起こることがあった。
これを図３のグラフにより説明する。このグラフでは横軸に送風量Ｑを、縦軸に圧力Ｐをとっている。
【０００５】
カーブｆは、従来の一般的な強制給気式燃焼装置における送風ファンの送風特性を示すものである。
即ち、排気管が清浄で排気抵抗が小さいときには、送風量Ｑが大きく燃焼室圧力（背圧）Ｐは小さい。一方、排気管が詰まって排気抵抗が大きくなると、送風量Ｑが減り背圧Ｐは上昇する。ゆえにカーブｆは右下がりとなる。このカーブｆの形状は、送風ファンの特性による。
次に、燃料ガスのインプット量ｑについては、次の経験式が知られている。
ｑ ＝ ｋ（ＰN−Ｐ）1/2                                        （１）
ここに、ＰN は給ガス管のノズルへの燃料ガスの供給圧力である。ｋは、ノズル開口形状により定まる固有の定数である。
【０００６】
図３で、排気管が清浄なときの状態を点Ｓで示す。このときのファン送風量及び背圧を、Ｑ3、Ｐ3とする。そしてガスインプットｑ3は、（１）式のＰにＰ3を代入して、次式により求められる。
ｑ3 ＝ ｋ（ＰN−Ｐ3）1/2
このときの空燃比λ3 は、次式で求められる。
λ3 ＝ Ｑ3／ｑ3 ＝ Ｑ3／｛ｋ（ＰN−Ｐ3）1/2｝
一般的にはこの値が約１．５程度になるように送風量Ｑ及びガスインプットｑが設定される。
【０００７】
排気管の詰まりによりファン送風量が半分に減少した状態を点Ｔで示す。このときのファン送風量及び背圧は、Ｑ4（＝Ｑ3／２）、Ｐ4 である。そしてガスインプットｑ4は、（１）式のＰにＰ4を代入して次式のようになる。
ｑ4 ＝ ｋ（ＰN−Ｐ4）1/2
このときの空燃比λ4 は次式で与えられる。
λ4 ＝ Ｑ4／ｑ4 ＝ Ｑ3／｛２ｋ（ＰN−Ｐ4）1/2｝               （２）
【０００８】
そしてグラフから、
ＰN−Ｐ4 ＝ （３／４）（ＰN−Ｐ3）
と読み取られるので、（２）式は次のようになる。
0003769657.tif 000002
即ち、グラフ中点Ｓの排気管清浄時とは空燃比が異なり空気不足の状態となっている。
【０００９】
このため、このまま使用を続けると不完全燃焼が発生する。かかる不完全燃焼を避けるためには、多数のセンサ類を装備して詰まり度を測定するとともに、燃料ガスの供給量や送風ファンの駆動について詰まり度に応じて綿密な制御を行う必要があり、コスト的にみて現実的でなかった。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、予め送風ファンの送風特性をガス供給ノズルの圧力特性と合致させておくことにより、排気管の詰まりの進行により排気抵抗が変化しても、送風量の変化がガスインプット量の変化と一致して空燃比が変化せず、従ってそのまま使用しても不完全燃焼の起きない強制給気式燃焼装置を高価なセンサ類や制御システムを用いずに提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明の強制給気式燃焼装置は、燃料ガスの燃焼を行う燃焼室と、この燃焼室に燃料ガスを噴出するガスノズルと、この燃焼室に燃焼用空気を圧送する送風ファンと、燃焼生成ガスを排出する排気管とを備えた強制給気式燃焼装置であって、
前記送風ファンが、
Ｑ＝（Ｐ０−Ｐ）１／２／ν
（Ｑは送風量、Ｐは燃焼室圧力、νは正の定数
Ｐ０は前記排気管を完全に閉塞したときの燃焼室圧力）
なる送風特性を有し、かつ、
この燃焼室圧力Ｐ０が、前記ガスノズルの最大能力時における供給ガス圧と一致するように設定され、前記排気管の排気抵抗の上昇に伴う前記送風ファンによる燃焼用空気の圧送量の減少に応じて一定の空燃比が保たれるよう前記ガスノズルより噴出される燃料ガスの噴出量（インプット量）が減少制御されるように構成したことを要旨とするものである。
【００１２】
【作用】
このように構成された本発明の強制給気式燃焼装置によれば、送風ファンにより燃焼用空気が強制的に燃焼室に送られ、この燃焼用空気によりガスノズルから噴出される燃料ガスが燃焼される。そして燃焼により生じた燃焼生成ガスは排気管を通じて外部に排出される。
そして、排気管の詰まり具合いにより排気抵抗が増加しても、送風ファンの送風特性により燃焼用空気送風量と燃料ガス噴出量との比が一定に保たれるので、不完全燃焼が起こることがない。
【００１３】
【実施例】
以下に、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して詳細に説明する。
強制給気式燃焼装置の概略構成を図１に示す。この強制給気式燃焼装置１は基本的に、機枠５の内部に燃焼室６を画成すると共に、ガスバーナ７と熱交換器１０とを配してなるものである。
【００１４】
機枠５の下部には、ガスバーナ７に燃料ガスＧを供給する給ガス管１３と、燃焼室６に燃焼用空気Ａを供給する送風ファン３とが備え付けられている。そして給ガス管１３には、ガスインプットを調整するガスガバナ８がその途中に、燃料ガスＧをガスバーナ７の内部に向けて噴出するガスノズル２がその先端に、それぞれ設けられている。また、送風ファン３は駆動源である電動モータ４を有している。そして、機枠５の上部には排気管９が設けられている。また、熱交換器１０には入管１１と出管１２とが配されており、水、空気等の熱媒体を通すようにされている。
【００１５】
かかる基本構成を有する強制給気式燃焼装置１は、送風ファン３から強制的に燃焼用空気Ａを供給しつつ、給ガス管１３から供給される燃料ガスＧをガスバーナ７で燃焼し、燃焼熱により熱交換器１０で水、空気等の熱媒体を加熱して給湯や暖房等の用途に供するものである。そして、燃焼生成ガスＥは排気管９を通じて外部に排出される。
【００１６】
そして強制給気式燃焼装置１では、排気管９の詰まり具合いによる排気抵抗の変化に拘らず、供給される燃焼用空気Ａと燃料ガスＧとの比（空燃比）が一定に保たれるように、送風ファン３の送風特性とガスノズル２の噴出特性とが設定されている。排気管９の詰まり度が進行してもガスバーナ７での燃料ガスＧの燃焼状態が良好に維持され不完全燃焼を起こさないようにするためである。
【００１７】
まず、ガスノズル２の噴出特性について説明する。
ガスノズル２からの燃料ガスＧのインプット量ｑは、ノズル内外の圧力差に依存し、次の式で与えられる。
ｑ ＝ ｋ（ＰN−Ｐ）1/2                                        （３）
ここにＰN は、ガスノズル２の内部の燃料ガスＧの圧力であり、給ガス管１３への供給元圧からガスガバナ８により減圧された２次圧である。Ｐは、ガスノズル２の外部の背圧、即ち燃焼室６の圧力である。ｋは、ノズル開口径により定まる固有の定数である。
【００１８】
（３）式から、燃焼室圧力Ｐが低いほどインプット量が多く、燃焼室圧力Ｐが高まるにつれてインプット量が減少し、ノズル内圧ＰN に一致すると０となることが理解される。ノズル内圧ＰN の最大値、即ちガスガバナ８を調節して能力を最大にしたときの値を、以下ＰM と記す。
【００１９】
次に、送風ファン３の送風特性について図２のグラフにより説明する。このグラフでは横軸に送風量（燃焼用空気Ａの供給量）Ｑを、縦軸に圧力Ｐをとっている。
送風ファン３の送風特性はカーブｇで示される。カーブｇは送風量Ｑを燃焼室圧力Ｐの関数として表したものでありその形状は次式で与えられる。
Ｑ ＝ （Ｐ0−Ｐ）1/2／ν                                      （４）
ここに、Ｐ0 は排気管９が完全に閉塞されたときの燃焼室６内の圧力（全閉圧）、νは正の比例定数であり、ともに送風ファン３の特性による。
【００２０】
この種類の送風ファンは、排気管９が清掃で排気抵抗が小さいときには送風量Ｑが大きい一方燃焼室圧力が小さく、排気管９が詰まって排気抵抗が大きくなると送風量Ｑが減り燃焼室圧力Ｐは上昇することから一般的に右下がりの送風特性を示すが、ファンの羽径、羽厚、吸気口径を選ぶことにより、（４）式のような特性を与えることができる。
更に強制給気式燃焼装置１では、（４）式の全閉圧Ｐ０とノズル内圧の最大値ＰMとが一致するように送風ファン３の送風特性が設定されている。従って（４）式は次のようになる。
Ｑ＝（Ｐ０−Ｐ）１／２／ν
例えば、ターボファンの例で羽径  １０５ｍｍφ、羽厚  １７．５ｍｍｔ、吸気口径  ３３ｍｍφの条件で図２に示した関係式、すなわち上記の式が得られる。その他、図２のグラブに示した曲線になるようにファンの羽径、羽厚、吸気口径を選択し、かつ排気管９が完全密閉状態のときの燃焼圧力Ｐ０をガスノズルの最大圧力時における供給ガス圧と一致させることで本願の目的が達成される。
【００２１】
これより強制給気式燃焼装置１における空燃比λを求めると、（３）式及び（５）式により、次式が得られる。
0003769657.tif 000003
強制給気式燃焼装置１では、この値が約１．５程度になるように送風量Ｑ及びガスインプットｑが設定されている。
また、この（６）式が排気管９の排気抵抗による変数を含まないことから、詰まり度の進行如何に拘らず空燃比λが変化しないことが示されている。
【００２２】
このことを、排気管９の詰まり度の進行に応じた燃焼状況により説明する。
まず、排気管９が清浄で排気抵抗が低い状態を説明する。この状態を図２のグラフ中に点Ｕで示す。このときのファン送風量及び背圧は、Ｑ1、Ｐ1である。（５）式のＰにＰ1 を代入することにより、次式を用いてこのＱ1をＰ1で表すことができる。
Ｑ1 ＝ （ＰM−Ｐ1）1/2／ν                                    （７）
【００２３】
そしてガスインプットｑ1は、（３）式のＰにＰ1を代入して、次式により求められる。
ｑ1 ＝ ｋ（ＰM−Ｐ1）1/2                                      （８）
従ってこのときの空燃比λ1 は、次式で求められ（６）式と一致する。
λ1 ＝ Ｑ1／ｑ1 ＝ １／νｋ
【００２４】
次に、排気管９の詰まりによりファン送風量が半分に減少した状態を点Ｔで示す。このときのファン送風量及び背圧は、Ｑ2（＝Ｑ1／２）、Ｐ2である。Ｐ2をＰ1 で表すと、（５）式から得られる、
Ｑ2 ＝ （ＰM−Ｐ2）1/2／ν
を変形して、
Ｐ2 ＝ ＰM−（νＱ2）2
が得られるので、
Ｐ2 ＝ ＰM−（νＱ1）2／４
となり、これに（７）式を代入して次式のようになる。
Ｐ2 ＝ （３ＰM＋Ｐ1）／４                                     （９）
【００２５】
そしてガスインプットｑ2は、（３）式のＰに（９）式のＰ2を代入し、更に（８）式により次式のようになる。
0003769657.tif 000004
従ってこのときの空燃比λ2 は、Ｑ2＝Ｑ1／２と（１０）式とから次式で与えられ、点Ｕの状態と変化しないことが確認される。
λ2 ＝ Ｑ2／ｑ2 ＝ Ｑ1／ｑ1 ＝ λ1
このことは、排気管９の詰まりによりファン送風量が半分に減少した状態で最大能力の燃焼をしても不完全燃焼が発生しないことを意味し、ファン送風量の減少の程度の如何を問わずに成立するものである。
【００２６】
以上詳細に説明したように強制給気式燃焼装置１では、送風ファン３により燃焼用空気Ａを圧送するとともに、送風ファン３に（４）式で示される送風特性を与え、そしてその全閉圧Ｐ0をガスノズル２の内圧ＰNと一致させ、排気管９の排気抵抗の変化に拘らず、空燃比が一定に保たれるようにしたので、排気管９の詰まり度の如何によらず不完全燃焼が発生することはない。
なお本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲にて種々の変形・改良が可能であることはもちろんである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したことから明かなように、本発明の強制給気式燃焼装置では、予め送風ファンの送風特性をガス供給ノズルの圧力特性と合致させておくことにより、排気管の詰まりの進行により排気抵抗が変化しても、送風量の変化がガスインプット量の変化と一致して空燃比が変化せず、従ってそのまま使用しても不完全燃焼の起きない強制給気式燃焼装置を高価なセンサ類や制御システムを用いずに提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る強制給気式燃焼装置の概略構成を示した図である。
【図２】この強制給気式燃焼装置における送風ファンの送風特性を説明するグラフである。
【図３】従来の強制給気式燃焼装置における送風ファンの送風特性を説明するグラフである。
【符号の説明】
１    強制給気式燃焼装置
２    ガスノズル
３    送風ファン
６    燃焼室
９    排気管
【図１】
0003769657.tif 000005
【図２】
0003769657.tif 000006
【図３】
0003769657.tif 000007