JP2008164309A - 燃焼器用ｃｏ検出装置及びｃｏ警報装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低湿度雰囲気中に放置されたプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を効果的に自己診断することができる燃焼器用ＣＯ検出装置を燃焼器用ＣＯ検出装置及びプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を効果的に自己診断することができる燃焼器用ＣＯ警報装置を提供する。
【解決手段】判交流電圧印加手段１０６が燃焼器着火されていないとき、交流インピーダンスがプロトン導電体の抵抗成分と見なせるようになる周波数の一定振幅の交流電圧をプロトン導電体ＣＯセンサに印加し、交流電圧印加手段が交流電圧を印加したときプロトン導電体の抵抗成分に応じた大きさの電圧を電圧測定手段１０１−３が測定し、電圧測定手段によって測定した電圧が劣化したプロトン導電体ＣＯセンサが呈するプロトン導電体の抵抗成分に対応する大きさとなったとき、劣化推定手段がプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃焼器用ＣＯ検出装置及びＣＯ警報装置に係り、より詳細には、給湯器やガス暖房機などの燃焼器の燃焼ガスを屋外に排気する排気口の燃焼ガスに晒される部位に配置さるＣＯセンサとして電気化学式ＣＯセンサと称されるプロトン導電体ＣＯセンサを使用した燃焼器用ＣＯ検出装置、及び、プロトン導電体ＣＯセンサにより検知したＣＯの濃度に基づいて検出した不完全燃焼を警報する燃焼器用ＣＯ警報装置に関するものである。

この種のＣＯ検出装置は、屋内設置型（ＦＥ型）給湯器のように、排気口を通じて燃焼ガスが屋外に排気される燃焼器に組み込まれ、排気口内の燃焼ガスに晒される部位に配した接触燃焼式のＣＯセンサが検知したＣＯ濃度が危険レベルを越えているときには、この検出したＣＯ濃度に基づいて不完全燃焼を検出し、室内に一酸化炭素が充満して中毒事故が起こるのを防ぐため、不完全燃焼を警報する燃焼器用ＣＯ警報装置を構成したり、所定の安全装置を作動させる監視装置を構成するため、これらの装置に組み込まれて使用される。この種のＣＯ検出装置では、一般に、ＣＯセンサとして接触燃焼式ＣＯセンサが使用されている（例えば特許文献１参照）。

一般に、ＣＯ検出装置では、ＣＯ濃度が異常であると判断する濃度レベル、すなわち検出感度は予め定められていて、常にこのレベルに基づいてＣＯ濃度が異常であるかどうかの判断を行う必要があるが、接触燃焼式のＣＯセンサの場合、温度依存性が大きく、３００ｐｐｍ以下の低濃度のＣＯを検知することは精度的に難しい。また、接触燃焼式センサは、約２００℃の燃焼ガスを利用して給水を二次熱交換器で予備加熱する、いわゆる、潜熱回収型給湯器のように燃焼ガスが結露される環境下での使用も難しい。

そこで、低濃度領域のＣＯを確実に検知することができ、ＣＯ濃度に対して、直線性の高い出力特性が得られ、湿度の影響を受けない電気化学式ＣＯセンサと称されるプロトン導電体ＣＯセンサをＣＯセンサとして使用することが考えられている。

また、ＣＯセンサの場合、その性格上、ＣＯセンサが正常に動作していることを確認する必要がある。設置時に所定の濃度のＣＯをＣＯセンサに実際に吹きかけることで動作確認を行うことができるが、この方法では、排気口内の燃焼ガスに晒される部位に配置さるＣＯセンサに対して実施することができず、設置時だけであると、長期的にＣＯセンサが正常に動作しているかを確認することは不可能である。

なお、電気化学式ＣＯセンサの場合、定期的にＣＯセンサに電圧を印加し、ＣＯセンサの充放電特性を確認することで、ＣＯセンサを間接的に診断することが考えられている（例えば特許文献２参照。）。しかしながら、この方法だと、プロトン導電体ガスセンサの内部抵抗はΩオーダーで低く、短時間の微弱なパルスとはいえ両極間に電圧を加えると、プロトン導電体やその電極に変化が生じたり、ヒステリシスが生じたりする恐れがあるほか、自己診断用にパルス電源が必要で、パルスを加えた後のヒステリシスが解消するまでの間、検出が不能になるので、プロトン導電体ガスセンサの電源を、短時間オフした後に電源をオンした際の出力波形と、長時間オフした後に電源をオンした際の出力波形とから、ガスセンサを自己診断することが考えられている（例えば特許文献３参照。）。
特願２００１−１５３３５５ 特願２０００−１４６９０８ 特願２００４−２７９２９３

しかしながら、特許文献３に記載された方法は、センサ本体と一体に水溜タンクを有し、ＣＯとの反応のための水分を水溜タンク内の水が蒸発して発生する水蒸気として供給する構成となっていて、水溜タンクを有せず、低湿度雰囲気中に放置されたときのＣＯセンサの劣化を推定するために適用できないものである。

よって本発明は、上述した現状に鑑み、低湿度雰囲気中に放置されたプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を効果的に自己診断することができる燃焼器用ＣＯ検出装置を提供することを課題としている。

本発明はまた、上述した現状に鑑み、低湿度雰囲気中に放置されたプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を効果的に自己診断してセンサ異常を警報することができる燃焼器用ＣＯ警報装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１に係る燃焼器用ＣＯ検出装置は、図１（ａ）のブロック図に符号１０で示すように、ガス燃焼器の燃焼ガスを排気する排気口に配置され、燃焼ガス中のＣＯを検知してＣＯ濃度に応じたＣＯ検知信号を出力するプロトン導電体ＣＯセンサ４と、該プロトン導電体ＣＯセンサが出力するＣＯ検知信号に基づいて不完全燃焼を検出する不完全燃焼検出手段１０１−１と、前記プロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定する劣化推定手段１０１−２とを備える燃焼器用ＣＯ検出装置であって、燃焼器着火されていないとき、交流インピーダンスがプロトン導電体の抵抗成分と見なせるようになる周波数の一定振幅の交流電圧を前記プロトン導電体ＣＯセンサに印加する交流電圧印加手段１０６と、該交流電圧印加手段が交流電圧を印加したとき前記プロトン導電体の抵抗成分に応じた大きさの電圧を測定する電圧測定手段１０１−３とをさら備え、前記劣化推定手段が、前記電圧測定手段によって測定した電圧が劣化したプロトン導電体ＣＯセンサが呈するプロトン導電体の抵抗成分に対応する大きさとなったとき、プロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、交流電圧印加手段１０６が燃焼器着火されていないとき、交流インピーダンスがプロトン導電体の抵抗成分と見なせるようになる周波数の一定振幅の交流電圧をプロトン導電体ＣＯセンサに印加し、交流電圧印加手段が交流電圧を印加したときプロトン導電体の抵抗成分に応じた大きさの電圧を電圧測定手段１０１−３が測定し、電圧測定手段によって測定した電圧が劣化したプロトン導電体ＣＯセンサが呈するプロトン導電体の抵抗成分に対応する大きさとなったとき、劣化推定手段がプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定するので、低湿度雰囲気に放置して劣化したプロトン導電体ＣＯセンサが呈するプロトン導電体の抵抗成分に対応する電圧を設定しておくことによって、燃焼器着火されていないときに特定の周波数の一定振幅の交流電圧をプロトン導電体ＣＯセンサに印加することによって、低湿度雰囲気に放置したプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定することができる。

請求項２に係る燃焼器用ＣＯ検出装置は、請求項１記載の燃焼器用ＣＯ検出装置において、前記プロトン導電体ＣＯセンサは、プロトン導電膜と該導電膜の表裏に設けられた検知極及び対極とにより構成され、前記検知極におけるＣＯと水によって二酸化炭素と水素イオンと電子を発生する反応と、前記対極における水素イオンと酸素と電子によって水を発生する反応により、前記プロトン導電体膜を通じて前記検知極から前記対極に流れる前記ＣＯの濃度に応じた大きさの電流をＣＯ検知信号として出力し、前記検知極においてＣＯと反応する水が、燃焼ガス中の水蒸気と前記の反応によって発生される水とによって供給されることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、プロトン導電体ＣＯセンサは検知極においてＣＯと反応する水が、燃焼ガス中の水蒸気と前記の反応によって発生される水とによって供給され、水溜めタンクを必要としない構成となっているので、高温雰囲気となる燃焼器の排気口に都合よく配置することができる。

請求項３に係る燃焼器用ＣＯ検出装置は、請求項１又は２記載の燃焼器用ＣＯ検出装置において、前記交流電圧印加手段が前記交流電圧の前記プロトン導電体ＣＯセンサに対する印加を周期的に行う周期を設定する周期設定手段１０１−４と、前記電圧測定手段が劣化推定のための複数の抵抗成分に対応した複数の判定電圧値を設定する電圧値設定手段１０１−５とをさらに備え、前記電圧測定手段によって測定した電圧が前記電圧値設定手段が設定している判定電圧値以上となったとき、前記周期設定手段が前記周期を短い周期に変更するとともに前記電圧設定手段が大きな抵抗成分に対応する判定電圧値に変更することを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、周期設定手段１０１−４が、交流電圧印加手段が前記交流電圧をプロトン導電体ＣＯセンサに対して周期的に印加する周期を設定し、電圧測定手段が劣化推定のため複数の抵抗成分に対応した複数の判定電圧値を電圧値設定手段１０１−５が設定し、電圧測定手段によって測定した電圧が電圧値設定手段が設定している判定電圧値以上となったとき、周期設定手段が周期を短い周期に変更するとともに電圧設定手段が大きな抵抗成分に対応する判定電圧値に変更するので、劣化の進行に伴って判定電圧値を徐々に大きくするとともに周期を短くして、劣化を推定できる。

請求項４に係る燃焼器用ＣＯ警報装置は、図１（ｂ）のブロック図に符号１１で示すように、請求項１〜３の何れかに記載の燃焼器用ＣＯ検出装置と、該燃焼器用ＣＯ検出装置の前記不完全燃焼検出手段による不完全燃焼の検出に基づいて警報を発する不完全燃焼警報手段１０１−６とを備える燃焼器用ＣＯ警報装置であって、前記劣化推定手段による劣化推定に基づいてセンサ劣化を警報するセンサ異常警報手段１０１−７をさらに備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明によれば、不完全燃焼警報手段１０１−６が燃焼器用ＣＯ検出装置の不完全燃焼検出手段による不完全燃焼の検出に基づいて警報を発するとともに、センサ異常警報手段１０１−７が劣化推定手段による劣化推定に基づいてセンサ異常を警報するので、プロトン導電体ＣＯセンサの劣化によるセンサ異常を警報することができる。

請求項１記載の発明によれば、低湿度雰囲気に放置して劣化したプロトン導電体ＣＯセンサが呈するプロトン導電体の抵抗成分に対応する電圧を設定しておくことによって、燃焼器着火されていないときに特定の周波数の一定振幅の交流電圧をプロトン導電体ＣＯセンサに印加することによって、低湿度雰囲気に放置したプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定することができるので、低湿度雰囲気中に放置されたプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を効果的に自己診断することができる燃焼器用ＣＯ検出装置を提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、高温雰囲気となる燃焼器の排気口に都合よく配置することができるので、燃焼器用のＣＯ検出装置として有効である。

請求項３記載の発明によれば、劣化の進行に伴って判定電圧値を徐々に大きくするとともに周期を短くして、劣化を推定でき、適切な劣化推定を行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、プロトン導電体ＣＯセンサの劣化によるセンサ異常を警報することができ、低湿度雰囲気中に放置されたプロトン導電体ＣＯセンサの劣化を効果的に自己診断してセンサ異常を警報することができる

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図２は本発明に係る燃焼器用ＣＯ検出装置及び燃焼器用ＣＯ警報装置の一実施形態を示し、給湯器監視装置１の一部として給湯器に組み込まれている。

給湯器監視装置１は、給湯器２に接続されている。給湯器２は駆動用電源ＡＣ１００Ｖを使用する屋内設置型（ＦＥ型）であり、給湯器監視装置１を介して給湯器２で必要な駆動用電源が供給されている。燃焼ガスが通過する排気口３の所定位置には排気中のＣＯを検知してＣＯ濃度に応じたＣＯ検知信号を出力する電気化学式ＣＯセンサ４と排気温度を検出する温度センサ５が設けられている。このＣＯセンサ４と温度センサ５の検出出力はそれぞれ給湯器監視装置に供給されている。

この給湯器２本体の下端部にはバーナ７に必要な空気を供給するファン８が設けられており、このファン８からの空気とガス供給管１０からのガスとが給湯器２本体内のバーナ７に送られて、ガスが燃焼するようになっている。そしてこのバーナ７の上方に配設された熱交換器６において、図示しない給水管から送られる水が所定温度の湯に沸きあげられるようになっている。上記バーナ７からのＣＯ、水蒸気などを含んだ燃焼ガスは、給湯器２の上端部に設けられた排気口３に排気される。

なお、上記電気化学式ＣＯセンサ４は、図３に示すように、プロトン導電体膜とその表裏の電極とからなる電極−膜接合体（ＭＥＡ）３１を有し、ＭＥＡ３１の底部が陰極を構成する金属缶３２の底部に接触され、上部が陽極を構成する金属製のキャップ３３に接触されている。キャップ３３は皿状部材３３ａを突き合わせて形成された内部空所に活性炭やシリカゲル、ゼオライトなどのフィルタ材料３４が封入され、開口３３ｂから周囲の雰囲気ガスがＭＥＡ３１の検知電極に供給されるようにしてある。

また、ＭＥＡ３１が金属缶３２の底部で下支えられ、上部のキャップ３３の外周と金属缶３２の内周との間に気密シールを兼ねた絶縁パッキン３５が介在され、金属缶３２の上部がかしめられて、上部のキャップ３３と金属缶３２とその間のＭＥＡ３１とが一体化され、電気化学式ＣＯセンサ３を構成している。ＭＥＡ３１は、例えば図４に示すように、プロトン導電体膜３１ａの両面に検知電極３１ｂと対極３１ｃとが設けられたものである。プロトン導電体膜３１ａにはＮＡＦＩＯＮなどのプロトン導電体ポリマーが用いられ、検知電極３１ｂや対極３１ｃにはＰｔやＰｔ−ＲｕＯ２などの膜が用いられる。検知電極３１ｂの表面には導電性ガス流路を形成する、例えば、カーボンフィルムをフッ素樹脂で表面処理して撥水性を持たせた多孔質の導電性のシート３１ｄが配置されている。

ＭＥＡ３１におけるＣＯ検出は次のようにして行われる。キャップ３３を通過した周囲の雰囲気ガスは、シート３１ｄを通過して検知電極３１ｂに達して、周囲雰囲気中のＣＯや水蒸気が検知電極３１ｂに吸収され、
ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
の反応により、プロトンが発生する。発生したプロトンはプロトン導電体膜３１ａを拡散する。この反応に水が必要であるが、これは燃焼ガス中の水蒸気や、後述する反応によって発生される水による水蒸気が多孔質の導電性のシート３１ｄを介して検知電極３１ｂに供給される。

周囲雰囲気中の酸素濃度はＣＯ濃度に比べてはるかに高く、酸素はシート３１ｄに沿って拡散し、プロトン導電体膜３１ａを介して対極３１ｃに達する。酸素の消費量はごく僅かなので、対極３１ｃには常にプロトンを酸化できるだけの酸素があることになる。そして対極３１ｃでは、
２Ｈ⁺ ＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- →Ｈ₂ Ｏ
の反応が生じ、プロトン導電体膜３１ａを通じて検知極３１ｂから対極３１ｃにＣＯ濃度に応じた大きさの電流が流れ、電流の大きさに応じた電圧が両極間にＣＯ検知信号として出力される。

上述のような構成において、給湯器２の着火時には、給湯器監視装置１は図示しないフローセンサにて給湯器２が使用状態になったことを判定し、バーナ７を着火させると共にファン８を回転させる。これによりファン８からの空気とガス供給管１０からのガスとがバーナ７で燃焼状態になり、熱交換器６において吸水管からの水を所定温度に沸きあげる。

また、給湯器監視装置１は温度センサ５からの検出排気温度から得られる情報とここでは図示しないディップスイッチにより指定された基準温度値又は基準温度変化率とを比較し、給湯器２が燃焼状態になったと判断すると、電気化学式ＣＯセンサ４からのＣＯ濃度のＣＯ検知信号を取り込む。ＣＯセンサ４からのＣＯ検知信号は、所定の基準濃度値と比較され、基準濃度を上回った場合、給湯器監視装置１は不完全燃焼であることを検出して図示しない警報ブザーを作動させると共に、ガス供給管に設けた電磁弁９を遮断してバーナ７を消火する。さらに給湯器２への電源供給も停止する。

次に、給湯器に接続されたガス燃焼装置用監視装置１の構成を図５のブロック図を参照して説明する。

図５において、給湯器監視装置１は、給湯器の監視制御、給湯器の不完全燃焼検出、電気化学式ＣＯセンサの異常診断ＣＯの検出及び警報の制御を司る制御部１０１、電源回路１０２、給湯器電源制御回路１０３、警報回路１０４、インタフェース回路１０５、交流電圧印加回路１０６を有する。制御部１０１は、制御プログラムや後述する基準温度情報、第１及び第２の警報ＣＯ濃度情報、診断ＣＯ濃度情報等が格納されたメモリ１０１ａ、ここに格納されたプログラムに従って動作する中央演算装置（ＣＰＵ）、このＣＰＵの処理動作の過程で発生するデータを格納する読み出し書き込み自在のメモリ（ＲＡＭ）を内蔵しているマイクロコンピュータによって構成されている。制御部１０１は、さらに、ＲＡＭの所定エリアを利用して形成されたカレンダ手段を有している。なお、カレンダ手段、ＣＰＵ及びＲＡＭは図示していない。

制御部１０１は、インタフェース回路１０５を介して接続されたディップスイッチ、フローセンサ、電気化学式ＣＯセンサ４、温度センサ５からの信号を入力し、バーナ７、ファン８、電磁弁９に対してインタフェース回路１０５を介して駆動制御信号を出力するとともに、警報回路１０４及び交流電圧印加回路１０６に直接駆動信号を出力する。

電源回路１０２は、外部からのＡＣ１００Ｖを安定化直流電圧に変換して給湯器監視装置１内の各部に供給する。給湯器電源制御回路１０３は、電源回路からの供給電源を給湯器電源として出力し、異常時には制御部１０１の制御により安全のため給湯器への電源供給を停止する。警報回路１０４は、ＣＯセンサ４からのＣＯ検知信号から不完全燃焼による危険な事態やセンサ異常を制御部１０１が検出した際に警報を発し、警報手段としてはブザーやインジケータを有する。

制御部１０１は、給水管の水量を検知し給湯器が使用状態になったことを示す信号をフローセンサから入力すると、インタフェース回路１０５を介してガス電磁弁９を開させてバーナ７を着火させる制御信号を出力して燃焼を開始させるとともにファン８を回転させる制御信号を出力する。

制御部１０１はまた、給湯器が未使用状態になったことを示す信号をフローセンサから入力すると、インタフェース回路１０５を介してガス電磁弁９を閉させてバーナ７を消火させる制御信号を出力して燃焼を終了させるとともに、ファン８の回転を停止させる制御信号を出力する。燃焼を開始させた後、制御部１０１は、温度センサ５から入力した排気温度検出信号により燃焼開始を確認する。燃焼の開始を確認すると、制御部１０１は、ＣＯセンサ４から出力される電圧信号からなるＣＯ検知信号をインタフェース回路１０５内の電圧増幅器１０５ａによって増幅した後、予め定めたサンプリング周期でディジタル値に変換して入力する。このために、制御部１０１は増幅後のＣＯ検知信号の電圧値をＡＤ変換するＡＤ変換機能を有する。

燃焼器が着火した後、ＣＯセンサ４からＣＯ検知信号を入力する制御部１０１は、給湯器のバーナ７が燃焼している間、ＣＯ検知信号に基づいてＣＯ濃度が例えば２００ｐｐｍの第１のＣＯ濃度警報レベル又は例えば５５０ｐｐｍの第２のＣＯ濃度警報レベル以上となったとき、不完全燃焼であることを検出し、この不完全燃焼の状態がそれぞれに定めた一定時間継続したとき不完全燃焼の危険を回避するためバーナ７を消火するとともに危険を警報によって知らせるため、警報回路１０４内のブザーを鳴動させたり、インジケータを点灯する警報駆動信号をインタフェース回路１０５を介して警報回路１０４に対して出力する。

制御部１０１はバーナ７が消火されているとき、予め設定した周期で交流電圧印加回路１０６からＣＯセンサ４に一定振幅の交流電圧を印加させ、このときのＣＯセンサ４の電極間の電圧を測定する。そして、測定した電圧がＣＯセンサ４のインピーダンスが所定の抵抗値を呈しているときの電圧に相当するものであるかを判定し、その電圧が劣化したＣＯセンサ４が呈する抵抗値、例えば２００Ωに相当するものとなったとき、ＣＯセンサ４が劣化したと推定し、正常なＣＯ濃度の検出ができない状態にあり、危険であるとして消火を行うとともにＣＯセンサ４の劣化によるセンサ異常を警報して知らせるため、警報回路１０４内のブザーを鳴動させたり、インジケータを点灯する警報駆動信号をインタフェース回路１０５を介して警報回路１０４に対して出力する。

以上概略説明した給湯器監視装置１の動作の特に、燃焼器用ＣＯ検出装置１０として、燃焼器としての給湯器の不完全燃焼を検出するほかセンサの劣化推定を行ってセンサ異常を自己診断し、燃焼器用ＣＯ警報装置１１として、不完全燃焼の発生とセンサ異常の発生を警報する動作を、制御部１０１のＣＰＵが予め定めたプログラムに従って行う処理を図６のフローチャートを参照して以下説明する。

制御部１０１のＣＰＵは、給湯器監視装置１にＡＣ電源が供給され、電源回路１０２から給湯器監視装置１の各部に電源が供給されるとともに電源回路１０２及び給湯器電源制御回路１０３を介して給湯器２本体にも電源が供給されると動作を開始して初期化処理を行う。この初期化処理においては、燃焼開始を確認するための排気温度、例えば２００ｐｐｍの第１のＣＯ濃度警報レベル、例えば５５０ｐｐｍの第２のＣＯ濃度警報レベルの他、劣化を推定するため交流電圧印加回路１０６に一定振幅の交流電圧を印加させて、ＣＯセンサ４が呈するインピーダンスの抵抗値に対応した電圧を測定する周期を１ヶ月に設定するとともに、抵抗値に対応して予め定めた電圧値をＲＡＭの一部に設けられている格納エリアに取り込んでから、着火によって燃焼が開始するのを待つ（ステップＳ１）。温度センサ５から入力した排気温度検出信号により燃焼開始、すなわち、着火を確認すると（ステップＳ１がＹのとき）、ＣＯセンサ４が出力しているＣＯ検知信号をＡＤ変換して取り込む（ステップＳ２）。

取り込んだＣＯ検知信号によるＣＯ濃度により不完全燃焼の有無を判定し（ステップＳ３）、不完全燃焼を検出したとき（ステップＳ３がＹのとき）消火処理（ステップＳ４）を行ってから警報回路１０４に警報信号を出力して警報を行わせる不完全燃焼処理（ステップＳ５）を行う。途中で燃焼器が消火されると（ステップＳ６がＹのとき）、ステップＳ１に戻って次の着火を待つ。

着火が確認されていないとき（ステップＳ１がＮのとき）には、初期化された測定周期の１ヶ月（ステップＳ７がＹのとき）が経過したかどうかを判定する（ステップＳ８）。１ヶ月が経過したとき（ステップＳ８がＹのとき）には、交流電圧印加回路１０６からＣＯセンサ４に交流電圧を印加させ（ステップＳ９）てからＣＯセンサ４の電圧を測定する（ステップＳ１０）。測定した電圧がＣＯセンサ４のインピーダンスの抵抗値２０Ωに相当するものであるかどうかを判定し（ステップＳ１１）、インピーダンスの抵抗値２０Ωに相当する電圧であるとき（ステップＳ１１がＹのとき）には、測定周期を現在の１ヶ月から２週間に変更する（ステップＳ１２）。２０Ωに相当しない電圧のときには、測定周期をそのままにして上述の動作を繰り返す。

この測定周期の変更後は、着火が行われていないとき（ステップＳ１がＮのとき）、２週間の周期の経過を待ち（ステップＳ１３及びＳ１４）、２週間の周期が経過したとき（ステップＳ１４がＹのとき）には、交流電圧を印加して電圧測定を行い（ステップＳ１５及びＳ１６）、測定した電圧が５０Ωに相当する電圧であるかどうかを判定する（Ｓ１７）。５０Ωに相当する電圧であるとき（ステップＳ１７がＹのとき）には、測定手記を１週間に変更し（Ｓ１８）、相当する電圧でないとき（ステップＳ１７がＮのとき）は、現在の周期をそのままにして上述の動作を繰り返す。その後、ステップＳ１９〜ステップＳ２４において、１ヶ月の数機の経過した時点での測定電圧が１００Ωに相当するものであるかを判定し、ステップＳ２３の判定がＹのときには、周期を２日に変更する（ステップＳ２４）。

２日に周期を設定した後は、その周期が経過した時点（ステップＳ２５がＹのとき）、ステップＳ２６〜Ｓ３０を実行し、測定した電圧が２００Ωに相当するものであるとき（ステップＳ２８がＹのとき）、ＣＯセンサの劣化が進んでいると推定して、消火処理を行ってからＣＯセンサ４の劣化を警報によって知らせる警報処理（ステップＳ３０）を行ってから元のステップＳ１に戻る。

ＣＯセンサ４のインピーダンスが劣化によって徐々に増大するに従って測定周期を短くしているので、劣化の進行速度が増大することがあっても、適切に対応することができるようになっている。

上述した処理によって制御部１０１のＣＰＵは、プロトン導電体ＣＯセンサが出力するＣＯ検知信号に基づいて不完全燃焼を検出する不完全燃焼検出手段１０１−１、プロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定する劣化推定手段１０１−２、交流電圧印加回路１０６が交流電圧を印加したときプロトン導電体の抵抗成分に応じた大きさの電圧を測定する電圧測定手段１０１−３として働くとともに、劣化推定手段として、電圧測定手段によって測定した電圧が劣化したプロトン導電体ＣＯセンサが呈するプロトン導電体の抵抗成分に対応する大きさとなったとき、プロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定する。

また、制御部１０１は、交流電圧印加手段が前記交流電圧のプロトン導電体ＣＯセンサに対する印加を周期的に行う周期を設定する周期設定手段１０１−４、電圧測定手段が劣化推定のための複数の抵抗成分に対応した複数の判定電圧値を設定する電圧値設定手段１０１−５として働き、電圧測定手段によって測定した電圧が電圧値設定手段が設定している判定電圧値以上となったとき、周期設定手段が前記周期を短い周期に変更するとともに電圧設定手段が大きな抵抗成分に対応する判定電圧値に変更する。

さらに、制御部１０１は、燃焼器用ＣＯ検出装置の不完全燃焼検出手段による不完全燃焼の検出に基づいて警報を発する不完全燃焼警報手段１０１−６、劣化推定手段による劣化推定に基づいてセンサ劣化を警報するセンサ異常警報手段１０１−７として働いている。

なお、上述した実施の形態では、本発明の燃焼器用ＣＯ検出装置及びＣＯ警報装置が適用される燃焼器として給湯器の場合を例示したが、ガス暖房機の燃焼器にも等しく適用することができる。

また、測定電圧が対応する抵抗値を例示しているが、これは図３に示した構造を持った特定の材料によって構成されたプロトン導電体ＣＯセンサについて得られた実験データに基づいて定められたもので、劣化時のインピーダンスが異なる値を呈するものでは、他の抵抗値を使用することになることは明らかである。

図３の構造を有し、正常時に図９のボード線図に示すようなインピーダンス特性をもっていた特定のプロトン導電体ＣＯセンサの場合、５℃のＣＯを含まない雰囲気中に４８時間放置した後には、図１０のボード線図に見られるように若干変化するが、７０℃の同様の雰囲気に７２時間放置すると、図１１のボード線図に示すように大きく特性が変化することが分かった。ボード線図は、交流電圧を印加して、周波数を変化させ（５０ｍＨｚ〜１ＭＨｚ）、プロトン導電膜や、電極接合部の抵抗とコンデンサ容量を測定する計測器であるインピーダンスアナライザにて測定した結果得られるものである。プロトン導電体ＣＯセンサのＭＥＡは、図１２に示す等価回路で表され、図中、Ｒｂはプロトン導電膜の抵抗、Ｒ１はプロトン導電膜と検出極、対極間の抵抗、Ｃ１はプロトン導電膜と検出極、対極間の静電容量である。図９のボード線図のものでは、Ｒｂ＝１０Ω、Ｃ１＝３１５０μＦ、Ｒ１＝６０００Ωとなっている。Ｒｂは図９のボード線図の１０００Ｈｚ以上の値から１０Ωと読み取れ、図１０では１６Ω、図１１では１４８０Ωと読み取れる。

そして、図９〜図１１のボード線図のインピーダンス特性を有するＣＯセンサについて、グラフ中の５つのセグメントを、Ｏ２＝７．５％、Ｎ２＝８２％、ＣＯ２＝１０００ｐｐｍの雰囲気中において、左から順に、（ＣＯ＝０ｐｐｍ）→（ＣＯ＝１０００ｐｐｍ＋Ｈ２＝５００ｐｐｍ）→（ＣＯ＝１０００ｐｐｍ＋Ｈ２＝５００ｐｐｍ＋Ｈ２Ｏ＝３％）→（ＣＯ＝１０００ｐｐｍ＋Ｈ２＝５００ｐｐｍ）→（ＣＯ＝０ｐｐｍ）のガス組成となるように変化して、湿度過渡特性を測定すると、図９及び図１０の場合には、図１３のようになり、図１１の場合には、図１４のように出力電圧が約半分になるが、抵抗が増大し始める初期段階で劣化が進行し、ある程度進んだ２００Ωのところで劣化していると推定するようにしている。

本発明による燃焼器用ＣＯ検出装置及びＣＯ警報装置の構成を示すブロック図であり、（ａ）は燃焼器用ＣＯ検出装置を、（ｂ）は燃焼器用ＣＯ警報装置をそれぞれ示す。 給湯器監視装置の一部として給湯器に組み込まれた、本発明による燃焼器用ＣＯ検出装置及びＣＯ警報装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図１中のプロトン導電体ＣＯセンサを構成を示す断面図である。 図３中のガス燃焼装置用監視装置の構成を示すブロック図である。 正常燃焼時に排気される燃焼ガスに含まれるＣＯの濃度変化を示すグラフである。 図４中の制御部のＣＰＵが予め定めたプログラムに従って行う処理の一部を示すフローチャート図である。 図４中の制御部のＣＰＵが予め定めたプログラムに従って行う処理の他の部分を示すフローチャート図である。 図４中の制御部のＣＰＵが予め定めたプログラムに従って行う処理のさらに他の部分を示すフローチャート図である。 正常なプロトン導電体ＣＯセンサのボード線図である。 ５℃のＣＯを含まない雰囲気中に４８時間放置した後のプロトン導電体ＣＯセンサのボード線図である。 ７０℃の図１０の場合と同様の雰囲気に７２時間放置した後のプロトン導電体ＣＯセンサのボード線図である。 プロトン導電体ＣＯセンサを構成するＭＥＡの等価回路である。 図９及び図１０のボード線図で示す特性を有するプロトン導電体ＣＯセンサの出力特性を示すグラフである。 図１１のボード線図で示す特性を有するプロトン導電体ＣＯセンサの出力特性を示すグラフである。

符号の説明

４ プロトン導電体ＣＯセンサ
１０ 燃焼器用ＣＯ検出装置
１１ 燃焼器用ＣＯ警報装置
１０１−１ 不完全燃焼検出手段（制御部）
１０１−２ 劣化推定手段（制御部）
１０１−３ 電圧測定手段（制御部）
１１０−４ 周期設定手段（制御部）
１０１−５ 電圧設定手段（制御部）
１０１−６ 不完全燃焼警報手段（制御部）
１０１−７ センサ異常警報手段（制御部）
１０６ 交流電圧印加手段（交流電圧印加回路）

Claims (4)

1. ガス燃焼器の燃焼ガスを排気する排気口に配置され、燃焼ガス中のＣＯを検知してＣＯ濃度に応じたＣＯ検知信号を出力するプロトン導電体ＣＯセンサと、該プロトン導電体ＣＯセンサが出力するＣＯ検知信号に基づいて不完全燃焼を検出する不完全燃焼検出手段と、前記プロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定する劣化推定手段とを備える燃焼器用ＣＯ検出装置であって、
   燃焼器着火されていないとき、交流インピーダンスがプロトン導電体の抵抗成分と見なせるようになる周波数の一定振幅の交流電圧を前記プロトン導電体ＣＯセンサに印加する交流電圧印加手段と、
   該交流電圧印加手段が交流電圧を印加したとき前記プロトン導電体の抵抗成分に応じた大きさの電圧を測定する電圧測定手段とをさら備え、
   前記劣化推定手段が、前記電圧測定手段によって測定した電圧が劣化したプロトン導電体ＣＯセンサが呈するプロトン導電体の抵抗成分に対応する大きさとなったとき、プロトン導電体ＣＯセンサの劣化を推定する
   ことを特徴とする燃焼器用ＣＯ検出装置。
2. 前記プロトン導電体ＣＯセンサは、プロトン導電膜と該導電膜の表裏に設けられた検知極及び対極とにより構成され、前記検知極におけるＣＯと水によって二酸化炭素と水素イオンと電子を発生する反応と、前記対極における水素イオンと酸素と電子によって水を発生する反応により、前記プロトン導電体膜を通じて前記検知極から前記対極に流れる前記ＣＯの濃度に応じた大きさの電流をＣＯ検知信号として出力し、前記検知極においてＣＯと反応する水が、燃焼ガス中の水蒸気と前記の反応によって発生される水とによって供給される
   ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器用ＣＯ検出装置。
3. 前記交流電圧印加手段が前記交流電圧を前記プロトン導電体ＣＯセンサに対して周期的に印加する周期を設定する周期設定手段と、
   前記電圧測定手段が複数の抵抗成分に対応した複数の判定電圧値を設定する電圧値設定手段とをさらに備え、
   前記電圧測定手段によって測定した電圧が、前記電圧値設定手段が設定している判定電圧値以上となったとき、前記周期設定手段が前記周期を短い周期に変更するとともに前記電圧設定手段が大きな抵抗成分に対応する判定電圧値に変更する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃焼器用ＣＯ検出装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の燃焼器用ＣＯ検出装置と、該燃焼器用ＣＯ検出装置の前記不完全燃焼検出手段による不完全燃焼の検出に基づいて警報を発する不完全燃焼警報手段とを備える燃焼器用ＣＯ警報装置であって、
   前記劣化推定手段による劣化推定に基づいてセンサ劣化を警報するセンサ異常警報手段をさらに備える
   ことを特徴とする燃焼器用ＣＯ警報装置。

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