JP2004353951A

JP2004353951A - 全一次空気燃焼式バーナにおける燃焼状態検出装置

Info

Publication number: JP2004353951A
Application number: JP2003152129A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sofue; 務祖父江; Takayuki Tamura; 孝之田村
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】混合気の空気過剰率を、バーナの燃焼面での表面燃焼が行われるように設定した、１より大きな所定の設定値λｓ，λｓ´に維持した状態で定常燃焼させる全一次空気燃焼式バーナにおいて、給気系のごみ詰まり等により空気過剰率の実際値が減少して１に近づいたとき（不良燃焼時）に、これを使用ガス種の発熱量の差に影響されずに正確に検出できるようにする。
【解決手段】空気過剰率を一時的に所定量増加させ、空気過剰率の実際値が設定値に近いとき（正常燃焼時）には、過剰率増加により表面燃焼状態からリフト燃焼状態に移行して、バーナの燃焼面の温度を検出する熱電対の出力が大幅に減少されるようにする。過剰率増加後の熱電対出力が所定の閾値Ｖｓ以上であれば、燃焼状態が不良と判断する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強制給気される一次空気と燃料ガスとの混合気を供給する全一次空気燃焼式バーナにおける燃焼状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブンゼン式バーナにおいては、バーナ炎に挿入されるように熱電対を配置しておくと、不完全燃焼時にバーナ炎が熱電対の上方にリフトして、熱電対の出力が低下し、これにより不完全燃焼を検出することができる。そのため、従来、熱電対を用いたブンゼンバーナの燃焼状態検出装置は種々知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
ところで、強制給気される一次空気と燃料ガスとの混合気を供給する全一次空気燃焼式バーナであって、混合気の一次空気量と理論空気量との比率である空気過剰率を、バーナの燃焼面での表面燃焼が行われるように設定した、「１」より大きな所定の設定値に維持した状態で定常燃焼させるものにおいては、給気系のごみ詰まり等による一次空気の実供給量の減少で空気過剰率λの実際値が設定値より減少すると、混合気の流速が遅くなると共に、過剰空気による冷却作用の減退で燃焼温度が高くなって燃焼速度が速くなり、そのため、空気過剰率λが「１」に近づくのに従って燃焼面の温度が高くなる。そして、λ＜１になると不完全燃焼を起こす。従って、原理的には、燃焼面の温度を検出する熱電対等の温度センサを設け、温度センサの出力がλ＝１のときの値又はそれより若干低く設定する所定の閾値以上になったときに、燃焼状態が不良であると判断して、燃焼を停止することにより不完全燃焼の発生を未然に防止できる。
【０００４】
然し、実際には、燃焼面の温度を検出する温度センサの出力に基づいて燃焼状態を検出することは困難である。その理由は、燃料ガスのガス成分のばらつきによる発熱量の差異でバーナの燃焼面温度が変化するため、燃焼不良を判定するための閾値をうまく設定することができないことにある。例えば、ガスノズル等を交換せずに同一条件で燃焼可能なガス種である１３Ａ−１と１２Ａ−３とを使用した場合、温度センサたる熱電対の出力（燃焼面温度）の空気過剰率λに対する変化特性は、発熱量の比較的大きな１３Ａ−１では図２のａ線で示すようになり、発熱量の比較的小さな１２Ａ−３では同図のｂ線で示すようになる。そして、１３Ａ−１におけるλ＝１のときの熱電対出力に合わせて燃焼不良の判定閾値を設定すると、１２Ａ−３ではλ＝１になっても熱電対出力が閾値以下になって、燃焼不良と判定されなくなり、一方、１２Ａ−３におけるλ＝１のときの熱電対出力に合わせて燃焼不良の判定閾値を設定すると、１３Ａ−１では空気過剰率の実際値が設定値であっても熱電対出力が閾値以上になって、燃焼不良と誤判定されてしまう。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−９４２２３号公報（段落００１４、図１、図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑み、使用ガス種の発熱量の差に影響されずに燃焼状態を正確に検出できるようにした全一次空気燃焼式バーナにおける燃焼状態検出装置を提供することをその課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、強制給気される一次空気と燃料ガスとの混合気を供給する全一次空気燃焼式バーナの燃焼面の温度を検出する温度センサの出力に基づいて燃焼状態を検出する装置であって、混合気の一次空気量と理論空気量との比率である空気過剰率を、バーナの燃焼面での表面燃焼が行われるように設定した、１より大きな所定の設定値に維持した状態で定常燃焼させるものにおいて、定常燃焼中に空気過剰率を一時的に所定量増加させる過剰率増加手段と、空気過剰率を増加させたときの温度センサの出力に基づいて燃焼状態が良好であるか否かを判別する判別手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
空気過剰率が設定値より増加すると、混合気の流速が速くなると共に、過剰空気による冷却作用で燃焼温度が低くなって燃焼速度が遅くなり、遂には燃焼面からリフトした状態で燃焼するようになる。そして、空気過剰率に対する温度センサの出力（燃焼面温度）の変化率は、燃焼面で表面燃焼する表面燃焼領域では小さいが、リフト状態で燃焼するリフト燃焼領域では大きくなる。
【０００９】
ここで、前記所定量を、空気過剰率の実際値が設定値に近い値であれば、所定量の増加でリフト燃焼領域に移行するような値に設定しておくことにより、空気過剰率を所定量増加させたときの温度センサの出力に基づいて燃焼状態が良好であるか否かを使用ガス種の発熱量の差に影響されずに正確に判別できる。
【００１０】
即ち、定常燃焼時の空気過剰率の実際値が「１」に近い値まで減少しているとき（不良燃焼時）には、空気過剰率を所定量増加しても表面燃焼領域に留まるか、リフト燃焼領域に若干入る程度のため、温度センサの出力は左程低下せず、一方、定常燃焼時の空気過剰率の実際値が設定値に近い値であるとき（正常燃焼時）には、空気過剰率を所定量増加することでリフト燃焼領域に移行して、温度センサの出力が比較的大きく低下する。そのため、空気過剰率を所定量増加したときの温度センサの出力は、使用ガスの発熱量が比較的小さい場合における不良燃焼時の方が、使用ガスの発熱量が比較的大きい場合における正常燃焼時より高くなる。従って、空気過剰率を所定量増加させたときの温度センサの出力に基づく判別閾値を、使用ガスの発熱量が比較的小さい場合における不良燃焼時の出力より低く、使用ガスの発熱量が比較的大きい場合における正常燃焼時の出力より高くなるように設定しておけば、空気過剰率を所定量増加させたときの温度センサの出力が閾値以上であるか否かで、燃焼状態が不良であるか否かを使用ガス種の発熱量の差に影響されずに正確に判別することができる。
【００１１】
また、空気過剰率を所定量増加させる前と後とでの温度センサの出力の変化量は、正常燃焼時には空気過剰率の増加で表面燃焼領域からリフト燃焼領域に移行するため大きくなり、不良燃焼時には空気過剰率を増加しても表面燃焼領域に留まるか、リフト燃焼領域に若干入る程度のため小さくなる。従って、空気過剰率を所定量増加させる前と後とでの熱電対の出力の変化量が所定の閾値以下であるときに燃焼状態が不良であると判別することも可能である。
【００１２】
尚、後記する実施形態において、上記過剰率増加手段に相当するのは、図３のＳ２及び図４のＳ１３のステップであり、上記判別手段に相当するのは、図３のＳ４及び図４のＳ１６のステップである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、１は全一次空気燃焼式のバーナであり、通気性を有する燃焼板で構成される燃焼面２を備える。尚、燃焼板は、セラミック繊維等の耐火物繊維をフェルト状に積層したものや耐火物多孔体で構成される。
【００１４】
バーナ１には、ファン３に連なる給気通路４が接続されており、この給気通路４の途中にガスノズル５を装着している。かくして、ファン３により強制給気される一次空気とガスノズル５から噴出される燃料ガスとの混合気がバーナ１に供給される。
【００１５】
ガスノズル５に連なるガス供給路６には、電磁比例弁７が介設されている。そして、ファン３の回転数と電磁比例弁７の開度とをコントローラ８により制御し、バーナ１に供給する混合気の空気過剰率λ （一次空気量／燃料ガス量に対応する理論空気量）を燃焼面２での表面燃焼が行われるように設定した、「１」より大きな所定の設定値λｓ（例えば、１．３）に維持した状態で定常燃焼させるようにしている。尚、設定値λｓを「１」より大きな値に設定するのは、ファン３の吸込み口や給気通路４やバーナ１内に少量の塵埃が堆積して一次空気量が減少しても、空気過剰率λが「１」以上に維持されて、不完全燃焼の発生が防止されるように、余裕代を持たせるためである。
【００１６】
また、燃焼面２の温度を検出するために、燃焼面２に接するように温度センサたる熱電対９を設け、熱電対９の出力（熱起電力）に基づき、コントローラ８による燃焼状態の検出処理を行うようにしている。以下、この検出処理について説明する。
【００１７】
先ず、空気過剰率λに対する熱電対９の出力の変化特性について、図２を参照して説明する。図２のａ線は燃料ガスとして１３Ａ−１を使用した場合の変化特性、ｂ線は１２Ａ−３を使用した場合の変化特性を示している。１３Ａ−１と１２Ａ−３はガスノズル５等を交換せずに同一の条件で使用できるガス種であるが、１２Ａ−３は、発熱量が１３Ａ−１より低く、熱電対９の出力も１３Ａ−１に比し全体的に低くなっている。また、１３Ａ−１と１２Ａ−３とで一次空気の供給量に差は付けておらず、この供給量を１３Ａ−１での空気過剰率λが設定値λｓになるように制御すると、理論空気量が１３Ａ−１より少ない１２Ａ−３での空気過剰率λの設定値は、λｓより若干大きなλｓ´になる。
【００１８】
使用ガス種が１３Ａ−１と１２Ａ−３の何れであっても、ファン３の吸込み口のごみ詰まり等による一次空気の実供給量の減少で、空気過剰率λの実際値が設定値λｓ，λｓ´より減少して「１」に近づくのに従って燃焼面の温度が高くなり、熱電対９の出力も増加する。これは、空気過剰率λの減少で混合気の流速が遅くなると共に、過剰空気による冷却作用の減退で燃焼温度が高くなって燃焼速度が速くなるためである。一方、空気過剰率λを増加させると、混合気の流速が速くなると共に、過剰空気による冷却作用で燃焼温度が低くなって燃焼速度が遅くなり、空気過剰率λが設定値λｓ，λｓ´を若干上回ったところでバーナ１の燃焼面２からリフトした状態で燃焼し始める。そして、空気過剰率λに対する熱電対９の出力の変化率は、表面燃焼が行われる領域（以下、表面燃焼領域と記す）では小さいが、リフト状態での燃焼が行われる領域（以下、リフト燃焼領域と記す）では大きくなる。
【００１９】
そこで、本実施形態では、空気過剰率λを定常燃焼中に一時的に設定値λｓ，λｓ´から所定量Δλだけ増加させ、このときの熱電対９の出力に基づいて燃焼状態が不良であるか否かを判別している。前記所定量Δλは、定常燃焼時の空気過剰率λの実際値が設定値λｓ，λｓ´に近い値のとき（正常燃焼時）には、増加後の空気過剰率がリフト燃焼領域に入り、空気過剰率λの実際値が「１」に近い値のとき（不良燃焼時）には、増加後の空気過剰率が表面燃焼領域に留まるような値に設定されている。
【００２０】
空気過剰率を上記の如く増加すると、熱電対９の出力と空気過剰率との関係を示す図２上の特性点は、使用ガス種が１３Ａ−１である場合、正常燃焼時にはＡ１からＡ１´、不良燃焼時には同図のＡ２からＡ２´に変化し、使用ガス種が１２Ａ−３である場合、正常燃焼時には同図のＢ１からＢ１´、不良燃焼時には同図のＢ２からＢ２´に変化する。そして、空気過剰率増加後の熱電対９の出力は、使用ガス種が１３Ａ−１である場合の正常燃焼時における値（Ａ１´での熱電対出力値）よりも使用ガス種が１２Ａ−３である場合の不良燃焼時における値（Ｂ２´での熱電対出力値）の方が大きくなる。従って、熱電対９の出力に基づく閾値Ｖｓを、Ａ１´での出力値より大きく、且つ、Ｂ２´での出力値より小さくなるように設定しておけば、空気過剰率λを所定量Δλだけ増加させたときの熱電対９の出力が閾値Ｖｓ以上であるか否かで、燃焼状態が不良であるか否かを使用ガス種の発熱量の差に影響されずに正確に判別することができる。
【００２１】
コントローラ８が行う燃焼状態検出処理の具体的内容は、図３に示す通りであり、所定の設定時間（例えば、１０分）が経過する度に（Ｓ１）、一時的に空気過剰率λを所定量Δλだけ増加する（Ｓ２）。尚、空気過剰率λの増加は、電磁比例弁７の開度減少による燃料ガスの減量またはファン３の回転数増加による一次空気の増量で行う。そして、空気過剰率λを増加した後の熱電対９の出力Ｖを読み込み（Ｓ３）、この出力Ｖが閾値Ｖｓ以上であるか否かを判別する（Ｓ４）。Ｖ≧Ｖｓであれば、燃焼状態が不良であると判断してその旨を表示すると共に（Ｓ５）、バーナ１の燃焼を停止する（Ｓ６）。これにより、使用ガス種が１３Ａ−１と１２Ａ−３との何れであっても、空気過剰率λが「１」未満になって不完全燃焼を生ずることを未然に防止できる。
【００２２】
ところで、空気過剰率λを上記所定量Δλだけ増加させる前と後とでの熱電対９の出力の変化量は、正常燃焼時には空気過剰率λの増加で表面燃焼領域からリフト燃焼領域に移行するため大きくなり、不良燃焼時には空気過剰率λを増加しても表面燃焼領域に留まるため小さくなる。従って、空気過剰率λを増加させる前と後とでの熱電対９の出力の変化量ΔＶが所定の閾値ΔＶｓ以下であるときに燃焼状態が不良であると判別することも可能である。
【００２３】
即ち、図４に示す如く、所定の設定時間が経過する度に（Ｓ１１）、その時点での熱電対９の出力Ｖｂｆを読み込んで記憶させ（Ｓ１２）、次に、空気過剰率λを所定量Δλだけ一時的に増加する（Ｓ１３）。そして、空気過剰率λを増加した後の熱電対９の出力Ｖａｆを読み込み（Ｓ１４）、空気過剰率λを増加させる前と後とでの熱電対９の出力の変化量ΔＶ（＝Ｖｂｆ−Ｖａｆ）を算出する（Ｓ１５）。次に、熱電対９の出力の変化量ΔＶが閾値ΔＶｓ以下であるか否かを判別し（Ｓ１６）、ΔＶ≦ΔＶｓであれば、燃焼状態が不良であると判断してその旨を表示すると共に（Ｓ１７）、バーナ１の燃焼を停止する（Ｓ１８）。これにより、使用ガス種が１３Ａ−１と１２Ａ−３との何れであっても、空気過剰率λがλ＜１になって不完全燃焼を生ずることを未然に防止できる。
【００２４】
尚、上記所定量Δλは、空気過剰率の実際値が「１」近傍になる燃焼不良時に、所定量Δλの増加で空気過剰率が表面燃焼領域を超えてリフト燃焼領域に若干入るような値に設定しても良い。
【００２５】
また、上記実施形態では、燃焼面２の温度を熱電対９で検出しているが、熱電対９以外の他の温度センサで燃焼面２の温度を検出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成図。
【図２】空気過剰率に対する熱電対の出力の変化特性を示すグラフ。
【図３】燃焼状態の検出処理の第１実施形態を示すフロー図。
【図４】燃焼状態の検出処理の第２実施形態を示すフロー図。
【符号の説明】
１…全一次空気燃焼式バーナ、２…燃焼面、３…一次空気供給用のファン、７…燃料ガス用の電磁比例弁、８…コントローラ、９…熱電対（温度センサ）

Claims

強制給気される一次空気と燃料ガスとの混合気を供給する全一次空気燃焼式バーナの燃焼面の温度を検出する温度センサの出力に基づいて燃焼状態を検出する装置であって、混合気の一次空気量と理論空気量との比率である空気過剰率を、バーナの燃焼面での表面燃焼が行われるように設定した、１より大きな所定の設定値に維持した状態で定常燃焼させるものにおいて、
定常燃焼中に空気過剰率を一時的に所定量増加させる過剰率増加手段と、
空気過剰率を所定量増加させたときの温度センサの出力に基づいて燃焼状態が良好であるか否かを判別する判別手段とを備えることを特徴とする全一次空気燃焼式バーナにおける燃焼状態検出装置。
判別手段は、空気過剰率を所定量増加させたときの温度センサの出力が所定の閾値以上であるときに燃焼状態が不良であると判別するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の全一次空気燃焼式バーナにおける燃焼状態検出装置。
判別手段は、空気過剰率を所定量増加させる前と後とでの温度センサの出力の変化量が所定の閾値以下であるときに燃焼状態が不良であると判別するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の全一次空気燃焼式バーナにおける燃焼状態検出装置。