JP2010096428A

JP2010096428A - 燃焼装置

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Publication number: JP2010096428A
Application number: JP2008267589A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Takasu; 芳彦高須; Yoshiki Takeuchi; 誉樹竹内
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-16
Also published as: JP5019333B2

Abstract

【課題】バーナの燃焼炎の温度を検出するサーミスタの劣化による異常を検知する機能を有する燃焼装置を提供する。
【解決手段】バーナの燃焼炎の温度を検出する燃焼炎サーミスタ３６と、燃焼炎サーミスタ３６の検出温度に応じて、バーナ３の燃焼状態を検知する燃焼状態検知手段５１と、ファンから供給される燃焼用空気の温度を検出する供給空気サーミスタ１７と、バーナが消火状態にあるときの燃焼炎サーミスタ３６の検出温度と供給空気サーミスタ１７の検出温度との差が、所定の判定温度差以上となったときに、燃焼炎サーミスタ３６が異常であると判断する燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、バーナの燃焼炎の温度を検出するサーミスタの異常を検知する機能を備えた燃焼装置に関する。

従来より、例えばガス給湯装置において、バーナの燃焼炎の温度を検出する熱電対を備えて、該熱電対の起電力によりバーナの燃焼状態を検出するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたガス給湯装置では、熱電対の起電力が適正範囲外となったときに、バーナに燃焼用空気を供給するファンの回転速度を補正することにより、バーナの不完全燃焼を解消して、一酸化炭素やススの発生を防止している。
特許第３０６０７２８号公報

バーナの燃焼炎の温度を検出する素子として、上述した熱電対の他にサーミスタを用いることが考えられる。しかし、サーミスタは焼成した酸化物であるため、焼成温度以上の環境や還元雰囲気におかれると劣化が生じて、本来の温度／抵抗値特性を維持することができなくなる。

そのため、サーミスタを用いてバーナの燃焼炎の温度を検出するときには、バーナの異常燃焼によりサーミスタが高温に晒されたときやサーミスタ近傍の空気中の酸素濃度が低下したときに、サーミスタの劣化が生じる可能性がある。そして、このように、バーナの燃焼炎の温度を検出するサーミスタの劣化が生じると、それ以後はバーナの燃焼状態を精度良く検知することができなくなる。

そこで、本発明は、バーナの燃焼炎の温度を検出するサーミスタの劣化による異常を検知することができる燃焼装置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、バーナと、前記バーナの燃焼炎の温度を検出する燃焼炎サーミスタと、前記燃焼炎サーミスタの検出温度に応じて、前記バーナの燃焼状態を検知する燃焼状態検知手段と、前記バーナの周辺の雰囲気温度を検出する雰囲気温度センサと、前記バーナが消火状態にあるときの前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が、所定の判定温度差以上となったときに、前記燃焼炎サーミスタが異常であると判断する燃焼炎サーミスタ異常検知手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記バーナの異常燃焼等により前記燃焼炎サーミスタの劣化が生じた場合、前記燃焼炎サーミスタの温度／抵抗値特性は、高温側から低温側に亘って全体的にシフトする傾向がある。例えば、前記バーナの燃焼状態の検知に使用される高温側で、実温度７００℃に対して前記燃焼炎サーミスタの検出温度が５０℃低下した場合、前記バーナが消火状態にあるときの低温側の２０℃に対しても検出温度が５０℃低下する。

そのため、前記燃焼炎サーミスタの劣化が生じると、前記バーナが消火状態にあるときの前記燃焼炎サーミスタの検出温度と、正常状態にある前記雰囲気温度センサの検出温度との温度差が生じる。そこで、前記燃焼炎サーミスタ異常検知手段は、前記バーナが消火状態にあるときの前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が、前記判定温度差以上となったときに、前記燃焼炎サーミスタが異常であると判断することができる。

また、前記判定温度差は、組み付け時又は使用開始時における前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との温度差を基準として、該温度差よりも所定温度大きい値に設定されていることを特徴とする。

かかる本発明において、前記燃焼炎サーミスタは前記バーナの燃焼状態を検知するために高温域を検出対象とする仕様となっているため、前記雰囲気温度センサが検出対象とする常温域では、ある程度の温度検出誤差が生じる場合がある。そこで、組み付け時又は使用開始時における前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との温度差を基準として、該温度差よりも所定レベル大きな温度差を前記判定温度差に設定することにより、前記温度検出誤差の影響を回避して、前記燃焼炎サーミスタの異常をより精度良く検知することができる。

また、前記燃焼炎サーミスタ異常検知手段は、前記バーナが燃焼状態から消火状態に切り換わった時から、前記燃焼炎サーミスタ付近の温度と前記雰囲気温度センサ付近の温度とが同一となるまでの時間を想定して決定した安定時間が経過した後に、前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が、前記判定温度差以上であるか否かを判断することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記バーナが燃焼状態から消火状態に切り換わっても、前記燃焼炎サーミスタ付近の温度が低下して、前記雰囲気温度センサ付近の温度と同一になるまでには、ある程度の時間を要する。そこで、この時間を想定して決定した前記安定時間が経過した後に、前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が、前記判定温度差以上であるか否かを判断することによって、前記燃焼炎サーミスタの異常をより精度良く検知することができる。

また、前記燃焼炎サーミスタ異常検知手段は、所定の時間間隔で所定回数以上、前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が前記判定温度差以上となったときに、前記燃焼炎サーミスタが異常であると判断することを特徴とする。

かかる本発明によれば、燃焼装置の設置環境等により、前記判定温度差を小さい値に設定せざるを得ない場合に、前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が、電気的なノイズ等により瞬間的に前記判定温度差以上となったときに、前記燃焼炎サーミスタ異常検知手段により、前記燃焼炎サーミスタが異常であると誤って検知されることを防止することができる。

本発明の実施形態の一例を、図１〜図４を参照して説明する。図１は本発明の燃焼装置である屋内設置型のガス給湯器の構成図である。図１を参照して、本実施形態のガス給湯器は、屋内に設置される本体ハウジング１、本体ハウジング１内に収容された燃焼室２、燃焼室２内の下部に収容されたガスバーナ３（本発明のバーナに相当する）、ガスバーナ３に燃料ガスを供給するガス供給管４、台所や浴室等に湯水を供給する通水管５、ガスバーナ３の燃焼用空気ｘ（外気）を屋外から燃焼室２に吸入すると共に、ガスバーナ３の燃焼運転に伴って発生する燃焼排ガスｙを屋外に送出する給排気管６、ガス給湯器の全体的な作動を制御する制御ユニット７、及び制御ユニット７と接続されて給湯器を遠隔操作するリモコン８を備えている。

給排気管６は、排気路９を内部に形成する内管１０と、該内管１０に略同心に外挿されて該内管１０との間の空間に燃焼用空気の給気路１１を形成する外管１２とにより二重管構造に形成され、屋内の本体ハウジング１の上部箇所から屋外にかけて延設されている。

給排気管６の外管１２の屋内側の端部は、本体ハウジング１の上部に形成された開口１３に連接され、これにより、外管１２の内部の給気路１１は、上記開口１３を介して本体ハウジング１の内部に連通している。

本体ハウジング１は略密閉構造に形成されており、その内部は燃焼室２の下部に形成された給気口１４の箇所に設けられたファン１５（バーナ３に給気路１１を介して燃焼用空気を供給すると共にバーナ３の燃焼排ガスを排気路９を介して排出するファン）を介して燃焼室２の内部に連通している。

給排気管６の内管１０の屋内側の端部は、外管１２内から本体ハウジング１内に導入され、燃焼室２の上部に形成された排気口１６に接続されている。そのため、内管１０の内部の排気路９は、排気口１６を介して燃焼室２の内部に連通している。なお、給排気管６の内管１０及び外管１２の屋外側の端部は、大気中に開口している。

また、燃焼室２の給気口１４の付近には、給気路１１から本体ハウジング１の内部を介して燃焼室２内に供給される燃焼用空気の温度（供給空気温度）を検出する供給空気サーミスタ１７（本発明の雰囲気温度センサに相当する）が設けられている。

ガス供給管４はバーナ３と接続され、その上流側から順に主電磁弁１８、比例電磁弁１９及び副電磁弁２０が設けられている。主電磁弁１８と副電磁弁２０は、ガス供給管４を開閉してバーナ３への燃料ガスの供給／遮断を切換える。また、比例電磁弁１９は、ガス供給管４の開度を変更してバーナ３への燃料ガスの供給量を変更する。

通水管５は、入水管２１と、入水管２１から分岐した熱交換器管２２及びバイパス管２３と、熱交換器管２２及びバイパス管２３が合流した出湯管２４とからなり、出湯管２４の下流の端部は、台所、浴室、洗面所等に設置された給湯栓（図示しない）に接続されている。そして、入水管２１から熱交換器２５に流入した水は、熱交換器２５を流通する際にバーナ３で加熱され、該加熱された水とバイパス管２３側を流れる水とが合流して出湯管２４に供給される。

入水管２１には、入水管２１を流通する水の温度（入水温）を検出する入水サーミスタ２６と、入水管２１を流通する水の流量を検出する流量センサ２７と、入水管２１を流通する水の流量を調節する水量制御弁２８とが設けられている。また、出湯管２４には、出湯管２４を流通する水の温度（出湯温）を検出する出湯サーミスタ２９が設けられている。

燃焼室２には、バーナ３の燃焼炎を検知するフレームロッド３０と、火花放電を発生してバーナ３に点火する点火電極３１と、バーナ３の燃焼炎の温度を検出する燃焼炎サーミスタ３６とが備えられている。また、点火電極３１に高電圧を印加するイグナイタ３２が、本体ハウジング１内に設けられている。

リモコン８には、通信ケーブル３３を介して制御ユニット７と接続され、目標給湯温度を設定するための温度設定スイッチ３４や、ガス給湯器の運転状況等を表示する表示器３５が備えられている。

次に、図２は図１に示したガス給湯器の制御ブロック図であり、制御ユニット７には、リモコン８から目標給湯温度の設定データ等が通信ケーブル３３を介して送信されると共に、入水サーミスタ２６、出湯サーミスタ２９、流量センサ２７、供給空気サーミスタ１７、フレームロッド３０、及び燃焼炎サーミスタ３６の検出信号が入力される。

制御ユニット７は、マイクロコンピュータやメモリ（図示しない）等により構成された電子ユニットである。そして、メモリに保持された給湯器の制御用プログラムをマイクロコンピュータに実行させることにより、制御ユニット７は、ガスバーナ３の燃焼運転を制御する燃焼制御手段５０と、燃焼炎サーミスタ３６により検出されるバーナ３の燃焼炎の温度に基づいてバーナ３の燃焼状態を検知する燃焼状態検知手段５１と、燃焼炎サーミスタ３６の異常を検知する燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２として機能する。

そして、制御ユニット７から出力される制御信号によって、主電磁弁１８、副電磁弁２０、比例電磁弁１９、ファン１５、イグナイタ３２、及び水量制御弁２８の作動が制御される。

燃焼制御手段５０は、流量センサ２７の検出信号から通水管５への水の供給が開始されたことを検知したときに、バーナ３の点火処理を行ってバーナ３の燃焼運転を開始する。燃焼制御手段５０は、燃焼運転におけるバーナ３の目標燃焼量を、出湯サーミスタ２９の検出温度が目標給湯温度と一致するように決定する。

ここで、制御ユニット７のメモリには、目標燃焼量に対応したファン１５の目標回転速度と比例電磁弁１９の目標開度の設定データが予め記憶されており、燃焼制御手段５０は、該設定データによりファン１５の目標回転速度を取得する。そして、燃焼制御手段５０は、ファン１５の回転速度を目標回転速度に制御すると共に、比例電磁弁１９の開度を目標開度に制御する。

次に、図３に示したフローチャートに従って、燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２による燃焼炎サーミスタ３６の異常検知の処理について説明する。

燃焼炎サーミスタ３６の使用可能温度範囲は例えば−３０℃〜９００℃程度であり、通常は、燃焼炎サーミスタ３６が使用可能温度範囲を超える高温になることはない。しかし、バーナ３の異常燃焼により、燃焼炎サーミスタ３６が使用可能温度範囲を超える高温まで加熱されて、燃焼炎サーミスタ３６の劣化が生じる可能性がある。

ここで、燃焼炎サーミスタ３６の劣化が生じると、燃焼炎サーミスタ３６による検出温度は、低温域から高温域に亘ってほぼ一定の温度幅だけ低下する。例えば、劣化により、高温域の実温度７００℃に対して、燃焼炎サーミスタ３６の検出温度が実温度よりも５０℃低い６５０℃となった場合、低温域の実温度２０℃に対しても、燃焼炎サーミスタ３６の検出温度が実温度よりも５０℃低い−３０℃となる。

そして、燃焼炎サーミスタ３６の劣化の程度が大きくなると、燃焼炎サーミスタ３６の検出温度に基づいて、バーナ３の燃焼状態を精度良く検知することができなくなる。そこで、燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２は、燃焼炎サーミスタ３６の劣化による異常の有無を検知する処理を行う。

燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２は、図３のＳＴＥＰ１で、バーナ３が消火された時から１時間（本発明の安定時間に相当する）が経過したか否かを判断する。この１時間は、バーナ３が消火された時から、バーナ３付近の温度が低下して燃焼炎サーミスタ３６と供給空気サーミスタ１７の周囲温度が同一となるまでの時間を想定して決定されたものである。

そして、バーナ３が消火された時から１時間が経過しているときはＳＴＥＰ２に進み、１時間が経過していないときにはＳＴＥＰ１０に分岐する。ＳＴＥＰ１０で、燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２は、カウント用の変数ＣＮＴをリセット（ＣＮＴ＝０）し、ＳＴＥＰ１に戻る。

ＳＴＥＰ２で、燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２は、供給空気サーミスタ１７による検出温度ＴＨ1と、燃焼炎サーミスタ３６による検出温度ＴＨ2との温度差が５０℃（本発明の判定温度差に相当する）以上（５０℃≦｜ＴＨ1−ＴＨ2｜）であるか否かを判断する。そして、供給空気サーミスタ１７による検出温度ＴＨ1と、燃焼炎サーミスタ３６による検出温度ＴＨ2との温度差が５０℃以上であるときはＳＴＥＰ３に進み、５０℃未満であるときにはＳＴＥＰ１０に分岐する。

ＳＴＥＰ３で、燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２は、カウンタ変数ＣＮＴをカウントアップ（ＣＮＴ＋１→ＣＮＴ）し、ＳＴＥＰ４でカウンタ変数ＣＮＴの値が５以上となったか否かを判断する。

そして、カウンタ変数ＣＮＴの値が５以上となったとき、すなわち、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ４のループにおいて、ＳＴＥＰ４で連続して５回（本発明の所定回数に相当する）、供給空気サーミスタ１７による検出温度ＴＨ1と燃焼炎サーミスタ３６による検出温度ＴＨ2との温度差が、５０℃以上と判断されたときはＳＴＥＰ５に進み、カウント変数ＣＮＴの値が５未満であるときにはＳＴＥＰ１に分岐する。なお、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ４の実行時間が本発明の所定周期に相当する。

ＳＴＥＰ５で、燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２は燃焼制御手段５０によるバーナ３の燃焼運転を禁止し、これにより、バーナ３の燃焼状態を検知することができない状態で、バーナ３の燃焼運転が実行されることを回避している。また、続くＳＴＥＰ６で、燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２は、リモコン８の表示器３５にリモコン８の表示器３５（図１参照）に、燃焼炎サーミスタ３６が異常状態にあることを示すエラー表示を行う。そして、このエラー表示により、使用者に対して給湯器の修理・点検を行うことを促している。

ここで、燃焼炎サーミスタ３６が正常であれば、供給空気サーミスタ１７による検出温度ＴＨ1と燃焼炎サーミスタ３６による検出温度ＴＨ2はほぼ一致する。そのため、供給空気サーミスタ１７による検出温度ＴＨ1と、燃焼炎サーミスタ３６による検出温度ＴＨ2との温度差が５０℃以上となったときには、燃焼炎サーミスタ３６が異常状態にあると判断することができる。

そして、燃焼炎サーミスタ異常検知手段５２は、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ４のループにおいて、供給空気サーミスタ１７の検出温度ＴＨ1と燃焼炎サーミスタ３６の検出温度ＴＨ2との温度差が５０℃以上であると、５回連続してＳＴＥＰ２で判断されたときに、燃焼炎サーミスタ３６が異常であると検知して、ＳＴＥＰ５及びＳＴＥＰ６の処理を実行している。

このように、供給空気サーミスタ１７の検出温度ＴＨ1と燃焼炎サーミスタ３６の検出温度ＴＨ2との温度差が５０℃以上であると、５回連続して判断したときに、燃焼炎サーミスタ３６が異常であると検知することによって、電気的なノイズ等により、瞬間的に供給空気サーミスタ１７による検出温度ＴＨ1と燃焼炎サーミスタ３６による検出温度との差が５０℃以上となったときに、ＳＴＥＰ５及びＳＴＥＰ６の処理が実行されることを回避することができる。

なお、ＳＴＥＰ２における５０℃という判定温度差は、燃焼炎サーミスタ３６の劣化による検出温度の変化が、バーナ３の燃焼状態の検知に与える影響を考慮して決定される。ここで、図４は、左側の縦軸を空気中の１酸化炭素濃度（ppm）に設定し、右側の縦軸を燃焼炎サーミスタ３６による検出温度に設定し、横軸を空気過剰率（λ、燃料ガスの供給量に対する燃焼用空気の供給量の比率）に設定して、空気過剰率と燃焼炎サーミスタ３６の検出温度との関係をａで示し、空気過剰率と空気中の１酸化炭素濃度との関係をｂで示したものである。

図４を参照して、燃焼炎サーミスタ３６の劣化が生じて、燃焼炎サーミスタ３６による検出温度がΔＴ（Ｐ1a→Ｐ2a）だけ変化した場合、対応する空気中の１酸化炭素濃度の変化ΔＣo（Ｐ1b→Ｐ2bにおける変化）は、２８０ppm→４２０ppmとなる。そして、この程度の１酸化炭素の検出精度の悪化であれば、燃焼炎サーミスタ３６の検出温度によりバーナ３の燃焼状態を判断することが可能であるため、本実施の形態では、判定温度差を５０℃に設定している。

なお、本実施の形態では、本発明の燃焼装置としてガス給湯器を示したが、バーナの燃焼炎の温度をサーミスタにより検出して、バーナの燃焼状態を検知する燃焼装置であれば、本発明の適用が可能である。

また、判定温度差を決定するときに、工場における給湯器の組み立て時又は給湯器の設置時に、供給空気サーミスタ１７の検出温度と燃焼炎サーミスタ３６の検出温度との温度差を測定し、この温度差よりも所定レベル（例えば上述した５０℃）大きい温度差を、判定温度差として決定してもよい。この場合には、初期における供給空気サーミスタ１７の検出温度と燃焼炎サーミスタ３６の検出温度との差（温度検出誤差）の影響を排除して、燃焼炎サーミスタ３６の異常を検知することができる。

また、本実施の形態では、図２に示したように、供給空気サーミスタ１７による検出温度と燃焼炎サーミスタ３６による検出温度との温度差が、判定温度差以上であると５回以上連続して判断されたときに、燃焼炎サーミスタ３６が異常であると検知したが、１回判断された時点で燃焼炎サーミスタ３６が異常であると検知してもよい。

また、本実施の形態では、供給空気サーミスタ１７を、本発明の雰囲気温度センサとして用いたが、例えば、屋外に設置される給湯器においては、凍結防止運転を行なうために設けられる外気温サーミスタを、本発明の雰囲気温度センサとして用いてもよい。また、雰囲気温度センサを専用に設けてもよい。

本発明の燃焼装置であるガス給湯器の全体構成図。図１に示したガス給湯器の制御ブロック図。燃焼炎サーミスタの異常検知処理のフローチャート。判定温度差の決定についての説明図。

符号の説明

１…本体ハウジング、２…燃焼室、３…バーナ、７…制御ユニット、１７…供給空気サーミスタ（雰囲気温度センサ）、３６…燃焼炎サーミスタ、５０…燃焼制御手段、５１…燃焼状態検知手段、５２…燃焼炎サーミスタ異常検知手段

Claims

バーナと、
前記バーナの燃焼炎の温度を検出する燃焼炎サーミスタと、
前記燃焼炎サーミスタの検出温度に応じて、前記バーナの燃焼状態を検知する燃焼状態検知手段と、
前記バーナの周辺の雰囲気温度を検出する雰囲気温度センサと、
前記バーナが消火状態にあるときの前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が、所定の判定温度差以上となったときに、前記燃焼炎サーミスタが異常であると判断する燃焼炎サーミスタ異常検知手段とを備えたことを特徴とする燃焼装置。
請求項１記載の燃焼装置において、
前記判定温度差は、組み付け時又は使用開始時における前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との温度差を基準として、該温度差よりも所定温度大きい値に設定されていることを特徴とする燃焼装置。
請求項１または請求項２記載の燃焼装置において、
前記燃焼炎サーミスタ異常検知手段は、前記バーナが燃焼状態から消火状態に切り換わった時から、前記燃焼炎サーミスタ付近の温度と前記雰囲気温度センサ付近の温度とが同一となるまでの時間を想定して決定した安定時間が経過した後に、前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が、前記判定温度差以上であるか否かを判断することを特徴とする燃焼装置。
請求項１から請求項３のうちいずれか１項記載の燃焼装置において、
前記燃焼炎サーミスタ異常検知手段は、所定の時間間隔で所定回数以上、前記燃焼炎サーミスタの検出温度と前記雰囲気温度センサの検出温度との差が前記判定温度差以上となったときに、前記燃焼炎サーミスタが異常であると判断することを特徴とする燃焼装置。