CN1195094A - 燃气热水器的防止不完全燃烧装置 - Google Patents

Abstract

一种防止燃气热水器不完全燃烧的装置,在热交换器等发生堵塞时,无论是启动时还是稳定使用状态时都能恰当响应。燃烧控制器给火焰探针加电压,当检出的火焰电流在规定阀值以下时关闭向燃烧器供给燃气的燃气电磁阀。内筒裙上设有上端部在热交换器下方正对燃烧室开口并向下延伸的主管道、与主管道的下端相连其下端在内筒裙外侧敞开的大径管道和从主管道与大径管道的连接处附近分支、正对设有火焰探针的火焰口处开口的回流管所构成的环流管。

Description

燃气热水器的防止不完全燃烧装置

本发明涉及一种防止不完全燃烧装置，该装置用于在由燃烧器加热并设置在内筒裙上方的热交换器的燃气热水器。

作为这种燃气热水器的防止不完全燃烧装置，有如实开昭56-72054号公报所公开的装置，采用了当使用导引式燃烧器(pilot burner)加热时产生热电势的正偏置热电偶以保持向燃烧器供给燃气的燃气电磁阀处于开启状态，同时将设置在燃烧室内一部的负偏置热电偶与正偏置热电偶电路串联连接，并且在燃烧室内一部形成的燃烧室内压力的取出口处安装有压力检测管，其另一端的喷出口正对着正偏置热电偶。

当燃气热水器安装在室内并在换气不充分的状态下连续使用造成室内氧气浓度降低时就会处于不完全燃烧状态，由此伴随造成导引式燃烧器的火焰升高。在上述防止不完全燃烧装置中，利用由于火焰升高引起热电偶温度降低热电势减少的现象，关闭燃气电磁阀，停止向燃烧器供给燃气，防止缺氧造成的不完全燃烧。

而且，当设置在内筒裙上方的热交换器等发生堵塞、燃烧用空气量不足时，即使放置燃气热水器的室内的氧气浓度正常，也会发生不完全燃烧。这种情况下因为燃烧器的火焰不会升高，仅用上述的正偏置热电偶就不能防止这一原因引起的不完全燃烧。但是发生这样的堵塞时，内筒裙内的压力上升同时温度上升，在上述防止不完全燃烧装置中从压力检测管的喷出口向正偏置热电偶喷出废气，因而使正偏置热电偶冷却并远离导引式燃烧器。由此正偏置热电偶的热电势降低，同时负偏置热电偶的负电势增大并抵消正偏置热电偶的热电势，从而关闭燃气电磁阀，防止不完全燃烧。

虽然上述技术能满足大致的功能，但因热电偶具有一定程度的热容量，加热及冷却时都会产生延迟，因而存在响应滞后的问题。并且热电偶也兼作检测导引式燃烧器是否着火的功能，因此用热电偶检测不着火时伴有几秒钟(例如10秒)的时间滞后，不着火时存在着未燃烧气体放出时间过长的问题。为了解决这一问题，燃烧器不着火的检测也可由热电偶之外另设的火焰探针进行火焰电流的检测来完成，但同时使用热电偶和火焰探针，将出现成本高的问题。

为解决这些问题，申请人先前已经提交了有关特愿平8-328522号的发明。该发明是在主燃烧器的一火焰口的上方设置检测火焰的火焰探针，同时设有上端在热交换器下方的内筒裙内开口而下部有正对放置火焰探针的火焰口处开口的燃烧废气回流管所形成的环流管。依据该技术，当安装燃气热水器的室内的氧气浓度降低时出现不完全燃烧状态产生火焰升高，或者当热交换器发生堵塞时内筒裙内上部压力上升燃烧废气通过环流管回流到火焰口附近，使在火焰口产生的火焰升高。这样，无论什麽情况都将减少流过火焰探针的火焰电流，利用这一点可以关闭燃气电磁阀防止不完全燃烧。并且可以无时间滞后检测出没有着火的状况。

在特愿平8-328522号的发明中，给燃烧器点火的时候，内筒裙内的压力瞬间增大，从环流管向设有火焰探针的火焰口回流的燃烧废气的流量急剧增大，火焰一度升高使得火焰电流减少，从而有可能引起关闭燃气电磁阀26，使燃气热水器停止工作。为解决这一问题，在该技术中，如图3所示，采用了向下延伸的环流管13的主管道13a的下端对外敞开，而从中途分支出正对设有火焰探针的火焰口开口的回流管13b的方法，紧随着火后瞬间增大的压力使得在环流管13内形成急剧增大的燃烧废气流量，燃烧废气依据惯性主要从主管道13a的下端开口处向外排出，从而减少了从回流管13b流向火焰口22的燃烧废气量。

在最后所述的技术中，如图5和图6所示，从回流管13b的分支处到主管道13a下端开口处的距离L(参见图3)对其作用有很大的影响。图5和图6中的(a)图为表示冷启动时(即燃气热水器从冷却状态开始启动的情况)火焰电流从点火开始后随时间变化的曲线图，图5和图6中的(b)图为表示稳定状态时燃烧废气通路(例如热交换器的散热片部分)的通路面积的闭塞率对火焰电流变化的曲线图。当上述距离L较大时(例如相对于主管道13a的内径11.5mm距离L为55mm时)，在稳定状态时，如图5(b)所示，其闭塞率在不到40％处火焰电流就开始低于阀值I₀而使燃气电磁阀关闭，这样动作是恰当的。但是在冷启动时，紧随着火产生的火焰电流的极小值，如图5(a)所示，其闭塞率即使才达到并无妨碍使用的20％的程度就已经接近了阀值I₀，而使燃气电磁阀关闭，停止了燃气热水器的工作。

可以认为这是由于从回流管13b的分支处以下部分的主管道13a的阻力大，紧随着火之后流入回流管13b的燃烧废气量增多的缘故。为了减少这部分阻力，在此如果缩短距离L(例如在上述例中距离L为15mm)，冷启动时紧随着火之后产生的火焰电流的极小值，如图6(a)所示，燃烧废气通路的通路面积的闭塞率在不到40％处就开始低于阀值I₀而使燃气电磁阀关闭，这样动作是恰当的。但是，在稳定状态时，如图6(b)所示，其闭塞率即使已经远远超过了40％，火焰电流也不会低于阀值I₀，从而不会关闭燃气电磁阀，燃气热水器就在不完全燃烧的状态下继续工作。

本发明的目的正是为了解决这样的问题，通过在环流管的形状上下工夫，稳定状态时在规定的闭塞率时使火焰电流在规定阀值以下，关闭电磁燃气阀，而且在冷启动时使紧随着火之后产生的火焰电流的极小值也不会变得过低。

依据本发明的燃气热水器的防止不完全燃烧装置，其燃气热水器由内筒裙、在内筒裙的上方连续设置的热交换器和在内筒裙的下方设置的燃烧器所构成，并由燃烧器加热流过热交换器的供水，其特征是该装置由下列部分构成：设置在燃烧器一部分火焰口的上方、正常燃烧状态时位于在火焰口形成的火焰内的火焰探针；给火焰探针加电压并检测流过该火焰探针的火焰电流、当火焰电流在规定阀值以下时关闭向燃烧器供给燃气的燃气电磁阀的燃烧控制器；和上端在热交换器下方的内筒裙内开口而下部有正对放置火焰探针的火焰口处开口的燃烧废气回流管的环流管，其环流管是由从上端几乎垂直向下延伸的主管道；与主管道的下端相连并在内筒裙外侧对外敞开的大径管道和从主管道与大径管道的连接处附近分支出去的回流管。

回流管是从主管道与大径管道的连接处附近分支出去的，分支处以下部分的环流管的阻力小。紧随着火之后瞬间的压力增大使得环流管内的燃烧废气流量激增，由于惯性废气从主管道的下端并通过大径管道向外排出，由于分支处以下的部分几乎不受到阻力，从回流管流向设有火焰探针的火焰口的燃烧废气流量很少。因此，这时在火焰口产生的火焰升高很少，检测出的火焰电流的减少也很小。另一方面，稳定状态时，随着燃烧废气通路的通路面积的闭塞率增大，内筒裙内的压力增大，从环流管的主管道流向大径管道的燃烧废气流量平稳，大径管道内因高温而密度小，燃烧废气滞留，回流管的分支处附近的压力增大，因此通过回流管流向设有火焰探针的火焰口的燃烧废气量随闭塞率的增大而增大。这时在火焰口产生的火焰升高随闭塞率的增大而增大，检测出的火焰电流由此也随着减少。

下面对附图作简单说明。

图1为表示本发明的燃气热水器的防止不完全燃烧装置实施方案的整体结构图。

图2为表示图1中2-2剖面部分扩大的俯视图。

图3为表示先前申请的技术中环流管的下部构造的一例的图。

图4为表示图1所示实施方案的、从开始工作后火焰电流与时间变化的特性曲线和闭塞率与火焰电流变化的特性曲线图。

图5为表示图3所示先前申请的技术的某一数值例的情况下与图4相对应的特性曲线图。

图6为表示图3所示先前申请的技术的另一数值例的情况下与图4相对应的特性曲线图。

下面是符号说明。

10——内筒裙，12——热交换器，13——环流管，13a——主管道，13b——回流管，13c——大径管道，20——燃烧器(主燃烧器)，22——火焰口，26——电磁燃气阀，30——燃烧控制器，38——火焰探针。

下面，参照附图，说明适用于本发明的瞬间燃气热水器的实施方案。

如图1所示，在形成瞬间燃气热水器燃烧室14的内筒裙10的上方设置由传热管12a及散热片12b构成的热交换器12，下方设置主燃烧器20。传热管12a的入口侧通过缠绕在内筒裙10外侧的预热管11与给水管15相连接，与传热管出口连接的热水管16上安装有供热水龙头17。给水管15上安装有使用当给水量超过规定量时就会移动导杆18a使后述的水压响应阀28及水流开关31动作的流量孔板的水流控制器18。水流控制器18上设有用手动调节从给水管15至热交换器12流量的调节热水温度的手动阀，图示作了省略。

如图1所示，主燃烧器20是由3个燃烧器单元21连接而构成，通过与燃气电磁阀26、能力调整阀27及水压响应阀28串在一起的供气管25供给燃烧气体。燃气电磁阀26受燃烧控制器30输出的流向工作线圈26a的电流来控制开闭，能力调整阀27由手动调节供给主燃烧器20的燃气量来改变热水器的供热水能力。水压响应阀28是由上述的水流控制器18的导杆18a控制开闭，当给水量超过热交换器12规定量时处于打开状态。几乎在水压响应阀28开启的同时，设置在导杆18a上的凸轮18b使水流开关31接通。

各燃烧器单元21用金属板制成，如图1及图2所示，分别有排成两列的多个火焰口22组成，各个火焰口22被隔板22a隔开。环流管13由主管道13a、回流管13b和大径管道13c组成，沿着内筒裙10的侧壁的外侧垂直向下延伸的主管道13a，其上端穿过在内筒裙10侧壁的上部(紧靠在热交换器12的下方的部分)设置的孔穴在燃烧室14的上部开口，其下端与大径管道13c一体相连，并通过大径管道13c的下端的开口敞开在燃气热水器内的大气中。从与大径管道13c连接的主管道13a的下端分支出去的回流管13b穿过在内筒裙10下部形成的切口，正对产生插入有火焰探针38的火焰的火焰口22斜向开口。此火焰探针38的前端部由绝缘体38a支撑，在正常燃烧状态下设置成正好能进入火焰口22产生的火焰内的高度。

回流管13b除去与主管道13a连接的根部以外，其截面形状变形为横长的长方形，其中心面的高度与形成火焰口22的燃烧器单元21的上端一致。在此举一例说明环流管13的尺寸，主管道13a的内径为11.5mm，长度为166mm，其下端与内径为23mm、长为44mm的大径管道13c同轴相连，回流管13b在主管道13a的下端离大径管道13c上端12mm的位置分支。

如果给热交换器12提供规定量以上的供水使水流开关31接通，燃烧控制器30按照预先设定的顺序给工作线圈26a输出电流打开燃气电磁阀26，启动点火装置(图中省略了)点燃从主燃烧器20喷出的燃气，燃气热水器开始工作。而且，燃烧控制器30给火焰探针38加规定的电压，通过火焰探针38检测火焰电流，当火焰电流在规定阀值以下时，停止向工作线圈26a提供电流，关闭燃气电磁阀26，燃气热水器停止工作。

下面说明上述实施方案的动作。开启热水龙头17，流过给水管15的水量超过规定量时，水压响应阀28开启，同时水流开关31接通，燃烧控制器30开始工作，打开燃气电磁阀26，点燃从主燃烧器20喷出的燃气，在燃烧达到稳定的短时间以后开始检测通过火焰探针38的火焰电流并停止点火装置动作。若检测出的火焰电流在规定阀值以下，则判断为由于点火失误或某种原因使燃烧状态不良，停止给工作线圈26a输出电流，关闭电磁燃气阀26，停止向主燃烧器20供给燃气，使燃气热水器停止工作。

主燃烧器20正常着火时，因流过火焰探针38的火焰电流在规定阀值以上，电磁燃气阀26一直开启，燃气热水器持续工作，流过热交换器12的供水被主燃烧器20加热，从热水龙头17流出热水。若关闭热水龙头17，水压响应阀28关闭，同时水流开关31也断开，燃气热水器停止工作。工作状态下，安装燃气热水器的室内空气中氧气浓度降低，或供燃烧用空气通路发生堵塞，燃烧用空气量不足时就会发生不完全燃烧。下面分别说明各种情况下的动作。

首先说明燃烧用空气的通路虽然没有堵塞，但没有进行充分换气又连续使用时，周围空气中的氧气浓度较低时防止不完全燃烧的作用。随着周围空气中的氧气浓度逐渐减少，主燃烧器20的火焰口22产生的火焰升高，火焰根部产生的未燃烧气段的长度逐渐增大，因此正常燃烧状态下，在燃烧的火焰内的火焰探针38的前端部逐渐移至未燃烧燃气段内，火焰电流逐渐减少，其值若在规定阀值I₀以下时燃烧控制器30停止给工作线圈26a输出电流，关闭燃气电磁阀26，停止向主燃烧器20供给燃气并使燃气热水器停止工作。此阀值I₀，例如规定为1μA，这时的CO/CO₂比率例如为0.035。空气中氧气浓度降低时，防止不完全燃烧就是这样工作的。并且在这种情况下实际上不会产生通过环流管13的燃烧废气的流通。

下面说明周围空气中的氧气浓度正常，但设置在内筒裙10上方的热交换器12的散热片12b因燃烧生成物等发生堵塞，空气流通不畅，燃烧用空气量不足时防止不完全燃烧的作用。这种堵塞引起燃烧废气通路的通路面积的闭塞率增大，会使由内筒裙10、热交换器12及主燃烧器20间形成的燃烧室14内上部的压力逐渐上升，没有安装环流管13的现有产品，即使热交换器12等堵塞引起不完全燃烧，火焰口22产生的火焰几乎不会升高。而如图1所示安装有环流管13的上述实施方案中，随着闭塞率的增大燃烧室14内的上部压力上升，燃烧室14内上部的燃烧废气如实线箭头所示从环流管13的主管道13a通过回流管13b返回到设置有火焰探针38的火焰口22附近，其量随着闭塞率的增大逐渐增加。由于火焰口22附近的燃烧用空气的氧气浓度减少，火焰口22产生的火焰逐渐升高，火焰根部未燃烧气段的长度逐渐增大。因此与前面所述情况一样，正常燃烧状态下位于燃烧着的火焰中的火焰探针38的端头部被逐渐移至未燃烧气段内，如图4(b)所示，流过火焰探针38的火焰电流逐渐减少。当火焰电流的值在规定阀值I₀以下时，燃烧控制器30停止给工作线圈26a输出电流，停止向主燃烧器20供给燃气并使燃气热水器停止工作。

再更详细地说明这种作用，在这样的稳定状态下，随着闭塞率的增大，内筒裙内的压力增大，从环流管13的主管道13a流向大径管道13c的燃烧废气的流量平稳，大径管道13c内的密度由于高温比周围的外界气体要小，燃烧废气滞留。为此，从向外敞开的大径管道13c的下端起越往上大径管道13c及主管道13a内与外界气体的压力差就越大。由于此压力差，从燃烧室流向环流管13的主管道13a的燃烧废气，有相当数量通过回流管13b流向设有火焰探针38的火焰口22，其余部分从大径管道13c的下端向外排出。通过回流管13b的燃烧废气量随着闭塞率的增大而增大，检测的火焰电流随此而减少，在规定阀值I₀以下时，燃烧控制器30使燃气热水器停止工作。本实施例中其阀值也是1μA，通过调整环流管13的形状尺寸，特别是调整从回流管13b的分支处至大径管道13c的下端的尺寸，可以适当地选择使燃气热水器停止工作的热交换器12的散热片12b的闭塞率。当热交换器12发生堵塞时就是这样实现防止不完全燃烧的。

下面说明给燃烧器点火时由于内筒裙10内的压力瞬间增大内筒裙10内的燃烧废气回流到环流管13，其燃烧废气引起的火焰电流的变化。图4(a)为表示燃烧废气通路的通路面积的闭塞率分别不同时，冷启动时火焰电流随时间变化的曲线图，当燃气热水器开始工作时燃气一旦着火，火焰电流先急增，除闭塞率为0％的情况以外，然后一度减少，再次增加并收敛至稳定状态的值。与图3的例中呈同样变化的图5(a)相比较，图4(a)中一旦减少后的极小值要大，直到闭塞率接近30％以下时，不会出现其极小值达到规定阀值I₀，燃烧控制器30使燃气热水器停止工作的情况。

可以认为这是因为回流管13b从环流管13的主管道13a的下端与大径管道13c的连接处附近分支，分支处以下的环流管13部分的阻力较小，使得火焰电流的极小值增大的缘故。即紧随着火之后瞬间的压力增大使得环流管13内的燃烧废气流量激增，由于惯性燃烧废气从主管道13a的下端并通过大径管道13c向外部排出，由于分支处以下的部分几乎不受到阻力，从回流管13b流向设有火焰探针38的火焰口22的燃烧废气流量很少。因此，设有火焰探针38的火焰口22产生的火焰升高变小，火焰电流一度减少时的极小值就变大了。

其极小值可以随着大径管道13c的内径的增大，或者采用从大径管道13c的上段分支处回流管13b的方法变得更大。另一方面，稳定状态时流向回流管13b的燃烧废气的比率，随着从向外敞开的大径管道13c的下端到回流管13b分支处的距离越大而变多。因此，改变这些尺寸，可以调整稳定状态以及紧随着火之后的各个情况下使燃气热水器停止工作的闭塞率。

以上所述实施方案是以点火栓直接点燃主燃烧器方式的燃气热水器为例说明本发明的。本发明也适用于用导引式燃烧器点燃主燃烧器方式的燃气热水器，这时只要将火焰探针安设在导引式燃烧器上，并将环流管13的回流管13b对着导引式燃烧器即可。并且本发明如上述实施方案那样不仅适用于在热水管16的前面设置热水龙头17的出水阀式燃气热水器，而且适用于在预热管11前的进水管上设置水龙头的进水阀式燃气热水器。

如上所述，采用本发明时，稳定状态下，检测的火焰电流随着燃烧废气通路的通路面积的闭塞率的增大而减小，在规定阀值以下时停止向主燃烧器供给燃气，可以防止燃气热水器的不完全燃烧。另外，紧随着火之后，由于内筒裙内的瞬间压力增大使得产生的火焰电流的减少很小，不会出现由于火焰电流的减少而关闭燃气电磁阀使燃气热水器停止工作的情况。而且，当燃烧器未着火的情况下，火焰探针立即响应并停止向燃烧器供给燃气，因而能缩短未着火时未燃烧气的放出时间。

Claims (1)

1.一种燃气热水器的防止不完全燃烧装置，其燃气热水器由内筒裙、在所述内筒裙的上方连续设置的热交换器和在所述内筒裙的下方设置的燃烧器所构成，并由所述燃烧器加热流过所述热交换器的供水，其特征是该装置由下列部分构成：设置在所述燃烧器的一部分火焰口的上方、正常燃烧状态时位于在该火焰口产生的火焰内的火焰探针；给火焰探针加电压并检测流过该火焰探针的火焰电流、当火焰电流在规定阀值以下时关闭向所述燃烧器供给燃气的燃气电磁阀的燃烧控制器；和上端在所述热交换器下方的所述内筒裙上开口而下部有正对放置所述火焰探针的所述火焰口处开口的燃烧废气回流管的环流管，其环流管是由从所述上端几乎垂直向下延伸的主管道；与该主管道的下端相连、其下端在内筒裙外侧并敞开的大径管道；和从所述主管道与大径管道的连接处附近分支出去的所述回流管。

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