JP6033175B2 - 温風暖房機 - Google Patents

Description

本発明は、温風暖房機、特に、強制給排気式温風暖房機に関する。

従来より、強制給排気（ＦＦ）式温風暖房機には、バーナに燃焼用空気を供給するために、給気通路に燃焼ファンが配設されている。そして、燃焼ファンは、バーナの目標燃焼量に応じた目標回転速度で駆動するように制御され、最適な空燃比となるように、バーナの目標燃焼量に応じた量の燃焼用空気を燃焼室に供給する。これにより、燃焼室の燃焼状態は良好となる。

室外から給気通路に取り込まれる空気の密度は、温風暖房機の設置場所の標高などによって相違する。そのため、燃焼ファンが同じ回転速度で駆動しても、給気通路を通って燃焼室に供給される燃焼用空気の量は変化する。そこで、設置場所の標高等に拘わらず、最適な量の燃焼用空気が燃焼室に供給されるようにするための方策が採られている。

例えば、特許文献１には、燃焼用空気の空気圧を感知する空気圧感知回路を設け、空気圧感知回路が感知した空気圧に応じてバーナモータの回転数を調整する石油ファンヒータが記載されている。

また、特許文献２には、温風暖房機の設置場所の標高や給気通路に応じて、温風暖房機の設置時に、給気通路にエアダンパを選択的に設置することが記載されている。エアダンパには燃焼用空気が通過する穴が形成されており、穴面積が段階的に異なる複数のエアダンパが用意されている。

また、特許文献３には、排気管の全長に応じて手動で選択されるスイッチと、設置場所の標高に応じて手動で選択されるスイッチとを備え、これらスイッチの設定状態に応じて、送風機の駆動又は燃焼ガス供給量を補正する燃焼装置が記載されている。

特開平４−２２７４０９号公報 特開２００４−１６３０４５号公報 特開２００２−３１７９２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものでは、燃焼用空気の空気圧を感知する空気圧感知回路を設ける必要がある。

特許文献２，３に記載されたものでは、設置場所の標高や給気通路に応じて、設置作業者等が、適切なエアダンパを選択して設置する、又は、適切にスイッチを設定する必要がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、新たな装置を設けることなく、設置場所の標高が変化しても、設置作業者等が設定作業等を行うことなく、燃焼室での燃焼状態を最適にすることが可能な温風暖房機を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明の温風暖房機は、燃焼室に配設されたバーナと、前記バーナに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃焼室と室外とを連通する給気通路と、前記給気通路に配設され、前記室外の空気を前記給気通路を通して前記燃焼室に燃焼用空気として供給する燃焼ファンと、前記給気通路に設けられたオリフィスと、前記給気通路内における前記オリフィス前後の差圧を検出する差圧検出手段と、前記バーナの目標燃焼量に基づき、前記燃焼ファンを回転させると共に、前記燃料供給手段により前記燃料ガスを供給して、前記バーナを燃焼させる燃焼制御手段と、前記差圧検出手段が検出した差圧に基づき、前記燃焼用空気の質量流量の相違を補正するために、前記燃焼ファンの回転速度を補正する補正手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、差圧検出手段は、給気通路に設けられたオリフィスの前後の差圧を検出する。発明を実施するための形態の欄で説明するように、この差圧に基づき、基準状態（例えば、設置場所の標高が海抜０ｍ）における給気通路内の基準空気密度と、本温風暖房機の現在の状態における給気通路内の空気密度との比である空気密度比を求めることができる。

この空気密度比に基づき補正手段により燃焼ファンの回転速度を補正したうえで、燃焼制御手段によって、燃焼ファンを作動させ、燃料ガスを供給することによって、温風暖房機の設置場所の標高に拘らず、燃焼室での燃焼状態を最適にすることが可能となる。そして、上記特許文献２，３に記載したように、設置時に、設置作業者等は設置場所の標高に応じた作業を行う必要がない。

また、本発明において、前記補正手段は、前記差圧検出手段が検出した差圧に基づき、前記燃焼用空気の質量流量の相違を補正するために、前記燃料供給手段により供給する前記燃料ガスの供給量を補正することが好ましい。

この場合、空気密度比と同様に標高に応じて変化する燃焼ガスの密度比に基づき、補正正手段により燃料供給手段により供給する燃料ガスの供給量を補正するので、温風暖房機の設置場所の標高に拘らず、バーナの目標燃焼量を確保したうえで、燃焼室での燃焼状態を最適にすることが可能となる。

なお、前記補正手段が前記燃焼ファンの回転速度を補正する際の補正値と、前記補正手段が前記燃料ガスの供給量を補正する際の補正値とは異なっていてもよい。

通常、温風暖房機においては、給気通路及び排気通路の閉塞や給気通路の穴空き等の異常が発生したとき、燃焼を停止させるために、差圧検出手段で検出した差圧に基づき、給気通路等の異常を検知している。そのため、通常の温風暖房機には、本発明の差圧検出手段に相当するものが元来から備えられている。よって、上記特許文献１に記載のように、新たな装置を設けることなく、燃焼室での燃焼状態を最適にすることが可能となる。

そこで、本発明において、前記差圧検出手段が検出した差圧に基づき、前記給気通路の異常の有無を検知する異常検知手段を備える。

本発明の実施形態に係る温風暖房機の構成図。 初期運転部分のフローチャート。 通常運転部分のフローチャート。

本発明の実施形態に係る温風暖房機１００について説明する。温風暖房機１００は、強制給排気（ＦＦ）式ガス温風暖房機である。

図１を参照して、温風暖房機１００は、室内に配置される本体ケース１内に、熱源部であるバーナ２を収容した燃焼室３と、該燃焼室３に連なる熱交換部３ａと、室内空気を熱交換部３ａを介して対流させる対流ファン４とを備えている。

なお、図１は、温風暖房機１００が装備する主要要素を網羅して図示するために、温風暖房機１００における実際の空間配置において下になる要素が上になる要素の下に隠れないように、配置を現実のものから少し変更して平面視的に示したものとなっている。

燃焼室３には、本体ケース１の外部に延設された給気筒５が接続され、また、同様に、本体ケース１の外部に延設された排気筒６が熱交換部３ａを介して接続されている。給気筒５と排気筒６とは、本体ケース１から遠い方の端部としての先端部において集合管７となり、集合管７は、外側が給気筒５で内側が排気筒６である同軸配列構造になっている。集合管７は、建物の壁を貫通して先端において屋外に達している。

給気筒５及び排気筒６は、燃焼室３へ給気側及び排気側から連通する給気通路５ａ及び排気通路６ａを内周側に形成し、給気通路５ａ及び排気通路６ａは集合管７の先端において屋外に開口している。

ノズル分配管１０は、燃焼室３の下部に配設され、複数のノズル１１を装備している。ガス供給管９は、本体ケース１の外部から内部へ導入され、ノズル分配管１０へ連通している。燃焼室３内のバーナ２は、複数のノズル１１にそれぞれ対向配置された複数の混合部１２により構成されている。各混合部１２は、各ノズル１１から噴出する燃料ガスと給気筒５から燃焼室３内に導入される燃焼用空気とを吸引して混合し、その混合気を先端から噴出し、それを燃焼させる。

燃焼室３内には、混合部１２の先端側に臨んで、バーナ２の点火を行う点火電極１３と、バーナ２の不着火や失火の有無を検知するためのフレームロッド１４とが設けられている。

ガス供給管９には、二つ開閉電磁弁１５，１６と、ガス比例弁１７とが介装されている。開閉電磁弁１５，１６は、ガス供給管９を開閉して、ガス供給管９における燃焼ガスの流れを許可又は遮断する。ガス比例弁１７は開度に応じてガス供給管９における燃焼ガスの流量を制御する。ガス供給管９及びガス比例弁１７は本発明における燃料供給手段に相当する。

対流ファン４は、本体ケース１の背面部に形成された吸引口１８に臨んで本体ケース１内に設けられ、これを回転駆動するための対流ファンモータ１９に連結されている。対流ファン４は、その回転により室内の空気を吸引口１８を介して吸引すると共に、その吸引した空気を、熱交換部３ａが形成された本体ケース１内の送風通路２０に送出する。

さらに、対流ファン４は、送風通路２０の熱交換部３ａでバーナ２の燃焼熱により加熱される空気を本体ケース１の前面部に形成された吹出口２１から室内に送風し、これにより室内空気を対流させる。吸引口１８には、フィルタ２２が装着され、また、吹出口２１には、温風の吹出方向を調整するためのルーバ２３が組付けられている。

給気通路５ａには燃焼ファン２４が配設されており、燃焼ファン２４はこれを回転駆動するための燃焼ファンモータ２５に連結されている。給気通路５ａにおける燃焼ファン２４の下流側には、オリフィス２６が形成されている。そして、給気通路５ａと並行に、オリフィス２６の前後の給気通路５ａと連通する通路２７が設けられており、通路２７には差圧センサ２８が配置されている。差圧センサ２８は、給気通路５ａ内におけるオリフィス２６前後の差圧を検出し、本発明の差圧検出手段に相当する。

室温センサ２９は、本体ケース１内の後部の吸引口１８に臨んで設けられ、対流ファン４により吸引される室内空気の温度（室温）を検出する。給気温度センサ３０は、給気通路５ａに配設され、給気通路５ａを介して燃焼室３へ導入される燃焼用空気の温度（給気温度）を検出する。

温風暖房機１００は、さらに、その暖房運転の制御を行うためのコントローラ３１と、暖房運転の作動及び停止を使用者が指示するための運転スイッチ３２や室温設定スイッチ３３等を備えた操作器３４とを備えている。コントローラ３１は、本発明の燃焼制御手段、補正手段、及び異常検知手段に相当する。

コントローラ３１は、フレームロッド１４、差圧センサ２８、室温センサ２９、給気温度センサ３０、並びに操作器３４の運転スイッチ３２及び室温設定スイッチ３３からそれぞれバーナ２の失火等の有無を示す信号、差圧Δｐを示す信号、検出室温を示す信号、並びに使用者による暖房運転の停止・指示を示す信号及び目標室温を示す信号等が与えられる。そして、コントローラ３１は、それらの信号に基づき、点火電極１３、開閉電磁弁１５，１６、ガス比例弁１７、対流ファンモータ１９及び燃焼ファンモータ２５を駆動する。

コントローラ３１のＲＯＭには、初期運転（図２）に関わる初期開度、初期回転速度等のデータが格納されている。ＲＯＭには、標準運転（図２）の各速数に関わる基準状態時における標準差圧Δｐf、標準開度等のデータが格納されている。また、ＲＯＭには、基準状態における燃焼用空気の密度ρ_O、差圧Δｐ_O等の基準値を示すデータや各種の閾値が格納されている。

ところで、燃焼ファンモータ２５の回転速度を一定として燃焼ファン２４を駆動回転させたとき、給気通路５ａ内を通過する単位時間当たりの燃焼用空気の容積は一定となる。しかし、温風暖房機１００の設置場所の標高が相違すると室外から給気通路５ａ内に取り込まれる空気の密度ρが相違する。

そのため、燃焼ファン２４の駆動回転数が同一であっても、給気通路５ａから燃焼室３に供給される燃焼用空気の単位時間当たりの質量流量Ｑ_Ｍが相違することがある。そこで、目標燃焼量に対応付けられた質量流量Ｑ_Ｍの燃焼用空気を供給するために、燃焼ファン２４の駆動回転数を調整する必要がある。

給気通路５ａ内にオリフィス２６が設けられているので、オリフィス２６の前後で給気通路５ａを通過する燃焼用空気に差圧Δｐが生じる。オリフィス２６の上流側の給気通路５ａ内の燃焼用空気の圧力をｐ₁、速度をｖ₁、オリフィス２６の下流側の給気通路５ａ内の燃焼用空気の圧力ｐ₂、速度をｖ₂、燃焼用空気の密度をρとする。給気通路５ａ内の燃焼用空気が定常流であると近似すれば、ベルヌーイの定理から式（１）が成立する。

そして、燃焼用空気の体積流量Ｑ_Ｖは、オリフィス２６の上流側の給気通路５ａの断面積をＳ₁、オリフィス２６の下流側の給気通路５ａの断面積をＳ₂とすると、連続の式から式（２）で表される。

式（１）、（２）から燃焼用空気の体積流量Ｑ_Ｖは式（３）で表され、差圧Δｐ（＝ｐ_１−ｐ₂）に依存することがわかる。

燃焼用空気の質量流量Ｑ_Ｍは、式（３）から、式（４）のように表される。

ここで、基準状態（例えば、海抜０ｍの標高に温風暖房機１００が設置された状態）と、実際に温風暖房機１００が設置された実際状態とを比較する。基準状態では、給気通路５ａ内の燃焼用空気の密度がρ_Oであって差圧がΔｐ_Oであり、実際状態では、給気通路５ａ内の燃焼用空気の密度がρ_aであって差圧がΔｐ_aであるとする。

燃焼ファン２４の回転速度が一定である場合、給気通路５ａから燃焼室３に供給される燃焼用空気の単位時間当りの体積流量Ｑ_Ｖは、上記の何れの状態でも同じであるので、式（３）から式（５）が導き出せる。

そして、燃焼ファン２４の回転速度が一定である場合、基準状態での燃焼用空気の単位時間当りの質量流量Ｑ_Ｍ0と、実際状態での燃焼用空気の単位時間当りの質量流量Ｑ_Ｍaとには、式（４）、（５）から、式（６）の関係が導かれる。式（６）から、実際状態での燃焼用空気の単位時間当りの質量流量Ｑ_Ｍaは、基準状態での燃焼用空気の単位時間当りの質量流量Ｑ_Ｍ0に空気密度比ｔを乗じたものとなっていることが理解される。

一方、ガス比例弁１７の開度を調整する制御圧は、標高に拘わらず一定である。ガス供給管９から供給される燃焼ガスは、基準状態では密度がρg_O、単位時間当りの質量流量がＱg_Ｍ0であり、実際状態では密度がρg_a、単位時間当りの質量流量がＱg_Ｍaであるとする。この場合、式（７）の関係が存在する。式（７）から、実際状態での燃焼ガスの単位時間当りの質量流量Ｑg_Ｍaは、基準状態での燃焼ガスの単位時間当りの質量流量がＱg_Ｍaに空気密度比ｔ^1/2を乗じたものとなっていることが理解される。

以下、図２を参照して、初期運転時の制御について説明する。この制御は、温風暖房機１００が設置されたときに、ＳＴＥＰ１０において運転スイッチ３２が初めてＯＮ（入）にされるのに伴い開始される。

ＳＴＥＰ１０で運転スイッチ３２がＯＮにされると、点火電極１３によるバーナ２の点火が行われ、ＳＴＥＰ１１ではフレームロッド１４が着火を検知する。

ＳＴＥＰ１２では、ガス比例弁１７が、初期燃焼量に対応する初期開度に調整されると共に、燃焼ファン２４が初期回転速度となるように、燃焼ファンモータ２５の給電電圧が制御される。なお、温風暖房機１００では、燃焼ファン２４の回転速度制御及びガス比例弁１７の開度制御は共にフィードフォワード方式になっているが、フィードバック方式も採用することができる。

ＳＴＥＰ１３では、ＳＴＥＰ１２の初期回転速度の設定から所定時間Ｔが経過したか否かを調べ、所定時間Ｔが経過しだい、ＳＴＥＰ１４へ進む。

ＳＴＥＰ１４では、差圧センサ２８によって、差圧Δｐ_ａを検出する。

ＳＴＥＰ１５では、ＲＯＭに格納済みの基準状態における基準差圧Δｐ₀を参照して、給気通路５ａから燃焼室３に供給される燃焼用空気の空気密度ρ_ａと、基準状態での燃焼用空気の空気密度ρ₀との空気密度比ｔを、上式（５）から求める。そして、求めた空気密度比ｔをフラッシュメモリに格納する。

ＳＴＥＰ１６では、各速数に関わる基準状態時における標準差圧、標準開度等のデータをＲＯＭを参照して取得する。

ＳＴＥＰ１７では、空気密度比ｔに基づいて、各速数に関わる標準差圧、標準開度のデータを補正した補正差圧、補正開度を求める。具体的には、各速数に関わる標準差圧Δｐf_Oは、式（５）を参照して、ｔ・Δｐf_aと補正する。そして、各速数に関わる標準開度は、式（７）を参照して、ガス比例弁１７が当該標準開度である場合に対して、燃焼ガス供給量がｔ^1/2倍となるように補正する。この補正は、例えば、ＲＯＭに格納されたマップ等を参照して行われる。このように、燃焼ファン２４の回転速度を補正する際の補正値はｔであり、燃料ガス供給量を補正する際の補正値はｔ^1/2であり、互いに異なる。

そして、これら補正した各速数に関する補正差圧、補正開度をフラッシュメモリに格納する。その後、図３に示す通常運転時の制御に移行する。

以下、図３を参照して、通常運転時の制御について説明する。この制御は、ＳＴＥＰ２０において運転スイッチ３２がＯＮ（入）にされるのに伴い開始される。

まず、ＳＴＥＰ２１で、差圧センサ２８によって、差圧Δｐ_ａを検出する。

そして、ＳＴＥＰ２２では、検出した差圧Δｐ_aがＲＯＭに格納された閾値Ｔｈ₁と閾値Ｔｈ₂との間の範囲である否か判定する。

ＳＴＥＰ２２の判定が否であれば、ＳＴＥＰ２３で運転を停止する。これは、差圧Δｐ_aが閾値Ｔｈ₁未満であれば、給気通路５ａ又は排気通路６ａが閉塞をしているおそれがあり、差圧Δｐ_aが閾値Ｔｈ₂を超えていれば、給気通路５ａに穴空きが存在するおそれがあるからである。このＳＴＥＰ２２，２３での作動を行うコントローラ３１が、本発明の異常検知手段に相当する。

ＳＴＥＰ２２の判定が正であれば、ＳＴＥＰ２４以下の温調制御に進む。

ＳＴＥＰ２４では、温風暖房機１００の運転中の各時点において、使用者が室温設定スイッチ３３を操作して設定した目標室温と現在の室温として室温センサ２９が検出した温度との差に基づいて、速数が選択される。

ＳＴＥＰ２５では、各速数に関わる補正差圧、補正開度のデータをフラッシュメモリを参照して取得する。

そして、ＳＴＥＰ２６では、ＳＴＥＰ２４で選択された速数に応じて、ＳＴＥＰ２５で取得した補正差圧、補正開度等のデータに基づいて、温風暖房機１００の温調制御が行われる。なお、ＳＴＥＰ２６の温調制御では、差圧センサ２８が検出する差圧Δｐ_aが補正差圧ｔ・Δｐ₀となるように、燃焼ファン２４を回転駆動させる燃焼ファンモータ２５の回転数を調整する。

以上説明したように、本実施形態によれば、温風暖房機１００を設置した初期運転時に、差圧センサ２８が検出した差圧Δｐ_ａに基づき、式（５）を参照して、基準状態における給気通路５ａ内の基準空気密度ρ₀と、温風暖房機１００の現在の状態における給気通路５ａ内の空気密度ρ_aとの比（空気密度比）ｔを求めている。そして、求めた空気密度比ｔに基づき、各速数に関わる標準差圧、標準開度のデータを補正して、補正差圧、補正開度を求めている。

よって、温風暖房機１００の設置場所の標高に拘らず、燃焼室３での燃焼状態を最適にすることが可能となる。そして、上記特許文献２，３に記載したように、設置時に、設置作業者等は設置場所の標高に応じた作業を行う必要がない。

そして、差圧センサ２８が検出した差圧Δｐ_ａに基づき、給気通路５ａ又は排気通路６ａの閉塞や給気通路５ａの穴空き等の異常を検知している。このように、差圧センサ２８は、給気通路５ａ等の異常検知のために通常の温風暖房機に備わるものである。よって、上記特許文献１に記載のように、新たな装置を設けることなく、温風暖房機１００の設置場所の標高に拘らず、燃焼室３での燃焼状態を最適にすることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上述した実施形態では、オリフィス２６を給気通路５ａにおける燃焼ファン２４の下流に設置したが、オリフィス２６を給気通路５ａにおける燃焼ファン２４の上流に設置してもよい。

また、ＳＴＥＰ１５で求めた空気密度比ｔに基づいて、ＳＴＥＰ１６において、各速数に関わる標準差圧Δｐf_Oを補正差圧ｔ・Δｐf_aに補正し、標準開度を燃焼ガス供給量がｔ^1/2倍となる補正開度に補正して、差圧センサ２８が検出する差圧Δｐ_aが補正差圧ｔ・Δｐ₀となるように燃焼ファン２４を回転駆動させる燃焼ファンモータ２５の回転数を調整し、ガス比例弁１７の開度を補正開度とする場合について説明した。しかし、これに限定されない。

例えば、差圧センサ２８が検出する差圧Δｐ_aが標準差圧Δｐf₀となるように燃焼ファン２４を回転駆動させる燃焼ファンモータ２５の回転数を調整し、ガス比例弁１７の開度を標準開度としてもよい。これにより、目標燃焼量は得られないが、燃焼室３での燃焼状態を最適にすることは可能である。そして、この場合、空気密度比ｔを求める必要がなくなり、制御が容易となる。

また、ＳＴＥＰ１５で求めた空気密度比ｔに基づいて、ＳＴＥＰ１６において、各速数に関わる標準差圧Δｐf_Oを補正する代わりに、各速数に関わる燃焼ファンモータ２５の標準回転数をＲＯＭに格納されたマップ等に基づいて補正して補正回転数を求め、燃焼ファンモータ２５が補正回転数で回転するように制御してもよい。

また、上記では、初期運転に関わる初期開度、初期回転速度等のデータがＲＯＭに格納されている場合について説明した。しかし、標準運転の特定の速数に関わる基準状態時における初期開度、初期回転速度等のデータを、初期開度、初期回転速度等のデータとして用いてもよい。さらに、初期運転に関わる初期開度、初期回転速度等のデータを複数組有し、各組での初期運転に基づき、平均値を求める等によって空気密度比ｔを求めてもよい。

さらに、給気通路５ａの長さや屈曲等が相違しても、給気通路５ａから燃焼室３に供給される燃焼用空気の質量流量Ｑ_Ｍは相違する。本発明では、温風暖房機１００の設置場所の標高の相違以外の要因による燃焼用空気の質量流量Ｑ_Ｍの相違に拘わらず、燃焼室３での燃焼状態を最適にすることも可能となる。

１…本体ケース、 ２…バーナ、 ３…燃焼室、 ３ａ…熱交換部、 ４…対流ファン、 ５…給気筒、 ５ａ…給気通路、 ６…排気筒、 ６ａ…排気通路、 ７…集合管、 ９…ガス供給管（燃料供給手段）、 １２…混合部、 １７…ガス比例弁（燃料供給手段）、 ２４…燃焼ファン、 ２５…燃焼ファンモータ、 ２６…オリフィス、 ２７…通路、 ２８…差圧センサ（差圧検出手段）、 ３１…コントローラ（燃焼制御手段、補正手段、異常検知手段）、 ３２…運転スイッチ、 １００…温風暖房機

Claims (3)

1. 燃焼室に配設されたバーナと、
   前記バーナに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
   前記燃焼室と室外とを連通する給気通路と、
   前記給気通路に配設され、前記室外の空気を前記給気通路を通して前記燃焼室に燃焼用空気として供給する燃焼ファンと、
   前記給気通路に設けられたオリフィスと、
   前記給気通路内における前記オリフィス前後の差圧を検出する差圧検出手段と、
   前記バーナの目標燃焼量に基づき、前記燃焼ファンを回転させると共に、前記燃料供給手段により前記燃料ガスを供給して、前記バーナを燃焼させる燃焼制御手段と、
   前記差圧検出手段が検出した差圧に基づき、前記給気通路の異常の有無を検知する異常検知手段と、
   前記差圧検出手段が検出した差圧に基づき、前記燃焼用空気の質量流量の相違を補正するために、前記燃焼ファンの回転速度を補正する補正手段とを備えることを特徴とする温風暖房機。
2. 前記補正手段は、前記差圧検出手段が検出した差圧に基づき、前記燃焼用空気の質量流量の相違を補正するために、前記燃料供給手段により供給する前記燃料ガスの供給量を補正することを特徴とする請求項１に記載の温風暖房機。
3. 前記補正手段が前記燃焼ファンの回転速度を補正する際の補正値と、前記補正手段が前記燃料ガスの供給量を補正する際の補正値とは異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の温風暖房機。