JP2011163627A - ガスバーナ及び燃焼機器 - Google Patents

Abstract

【課題】低ＮＯｘ化を図った上で、燃焼部における燃焼不良を未然に検知することもできるガスバーナ、及び当該ガスバーナを使用した燃焼機器を提供する。
【解決手段】空気比λ＝１．３となる希薄混合ガスを燃焼させて火炎Ｆ１を形成する一方、火炎Ｆ１の形成に用いる混合ガスよりも一次空気の混合率が低い全一次混合ガスを燃焼させ、火炎Ｆ１とは別に検知用火炎Ｆ２を形成し、当該検知用火炎Ｆ２を熱電対１４により監視することで燃焼不良を検知するように構成した。つまり、フィルター詰まり等による空気不足により燃料ガスへ混合する一次空気の酸素が不足した際、その影響が早期に現れる検知用火炎Ｆ２を別途形成して監視する。したがって、低ＮＯｘ化を実現した上で、酸欠による燃焼不良は勿論のこと、空気不足による燃焼不良をも未然且つ確実に検知することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、ガスバーナ、及び当該ガスバーナを使用したファンヒータ等の燃焼機器に関する。

従来、ファンヒータ等の燃焼機器に使用するガスバーナとしては、たとえば特許文献１に記載されているようなものが知られている。このガスバーナは、混合管を有するバーナ本体部と、バーナ本体に溶接される炎孔板を有する燃焼部とからなる。そして、混合管へ予め空気が混入され一次空気比λ＝０．５〜０．７とされた混合ガスを送り込み、炎孔板の上面で燃焼させるようになっている。
一方、燃焼機器においては、燃焼に伴い生じるＮＯｘの発生量の低減が求められており、特許文献１に記載のガスバーナでは、上面に二次炎孔が開設された箱体をバーナ本体に設置し、炎孔板の表面で燃焼されなかった未燃成分については、二次炎孔から噴出した時点で二次炎孔の周りから吸引される二次空気を利用して二次燃焼させるとした所謂二段燃焼構造とすることで、火炎温度を低下させて、ＮＯｘの発生量の低減を図っている。

ここで、ファンヒータ等の特に室内で利用する燃焼機器への上記ガスバーナの適用を想定すると、窓等を閉め切ったままで燃焼機器を作動させ続けることによる室内の空気の酸欠や、一次空気の取り込み部に設置されたフィルター等に埃や塵等が詰まることによる空気不足により、燃焼不良が生じるおそれがある。そこで、供給される空気中の酸素が減少すると、火炎が炎孔板の上面から浮き上がる性質を利用し、熱電対等の熱電素子を炎孔板の表面近傍に臨ませることによって燃焼不良を未然に検知可能とした構成が考案されている。

特開２００３−４２０９号公報

近年、ファンヒータ等の室内で利用する燃焼機器においては、更なる低ＮＯｘ化が求められている。そこで、一般的に知られている火炎温度とＮＯｘの発生量との間の相関関係にもとづき、空気比λが１．０よりも大きい混合ガス（すなわち空気を過剰に混合した希薄混合ガス）を供給することにより、上記特許文献１よりも火炎温度を一層低下させ、ＮＯｘの発生量の一層の低減を図るとした構成が考えられる。

しかしながら、希薄混合ガスを燃焼させた場合、熱電対の起電力は、図８のＢのラインが示すように変化する。すなわち、室内の空気に酸欠が生じた場合（図８（ａ））には、比較的早い段階で熱電対の起電力がカットレベル以下へと低下し、一酸化炭素（ＣＯ）の排出量が規格値を超える前に燃焼不良を検知することができるものの、フィルター詰まり等による空気不足が生じた場合（図８（ｂ））、熱電対の起電力は空気の減少につれ一旦増加し、その後減少するため、カットレベルに到達するより前に、一酸化炭素が発生し、燃焼不良を検知できないというおそれがある。尚、図８（ｂ）中のＤ開度とは、ダンパ開度を意味し、フィルター詰まり等を再現するためにダンパの開度を調整した。

そこで、本発明は、低ＮＯｘ化を図った上で、酸欠による燃焼不良は勿論、空気不足による燃焼不良をも未然に検知することもできるガスバーナ、及び当該ガスバーナを使用した燃焼機器を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、燃料ガスと一次空気とを混合し、空気比λ＝１．１以上となる希薄混合ガスを生成する第１混合管が設置された主バーナ本体部と、希薄混合ガスを燃焼させる主燃焼部とを備えたガスバーナであって、燃料ガスと一次空気とを混合し、希薄混合ガスよりも空気比の小さい検知用混合ガスを生成する第２混合管が設置された検知用バーナ本体部と、検知用混合ガスを燃焼させる検知用燃焼部とを設けるとともに、検知用燃焼部に火炎を検知する熱電素子を設置し、当該熱電素子の検出状態にもとづいて燃焼部全体における燃焼不良を検知可能としたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、主燃焼部と検知用燃焼部とが複数の炎孔を備えた同一の炎孔板を共用しており、当該炎孔板の表面に、希薄混合ガスを燃焼させることによる火炎と、検知用混合ガスを燃焼させることによる火炎との両方を形成させることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、炎孔板の表面の１０％が検知用混合ガスを燃焼させる検知エリアであり、残りの９０％が希薄混合ガスを燃焼させる主燃焼エリアであることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、箱状の本体部材の内部空間を仕切部材によって仕切り、一方の内部空間に第１混合管を、他方の内部空間に第２混合管を夫々設置することにより、主バーナ本体部と検知用バーナ本体部とを構成したことを特徴とする。
一方、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項５に記載の発明は、燃焼機器において、請求項１〜４の何れかに記載のガスバーナと、熱電素子が接続され、熱電素子の検出状態に応じて燃焼部全体における燃焼不良を検知すると所定の動作を実行する制御部とが設置されていることを特徴とする。

本発明によれば、室内の暖房等、空気の加熱については、空気比λ＝１．１以上の希薄混合ガスを燃焼させることによって行う一方、燃焼不良の検知については、希薄混合ガスよりも空気比の小さい検知用混合ガスを希薄混合ガスとは別の燃焼部において燃焼させ、この検知用混合ガスを燃焼させることにより形成した火炎を熱電素子により検知することによって行う。つまり、加熱のための火炎とは別に、フィルター詰まり等による空気不足により燃料ガスに混合する一次空気の酸素が不足した際に、その影響がより早期に現れる火炎を形成し、熱電素子により監視する。したがって、低ＮＯｘ化を実現した上で、酸欠による燃焼不良は勿論、空気不足による燃焼不良をも未然検知することができる。
請求項２に記載の発明によれば、主燃焼部と検知用燃焼部とが複数の炎孔を備えた同一の炎孔板を共用しており、当該炎孔板の表面に、希薄混合ガスを燃焼させることによる火炎と、検知用混合ガスを燃焼させることによる火炎との両方を形成させるため、部材点数を削減することができ、低コスト化、省スペース化を図ることができる。
請求項３に記載の発明によれば、炎孔板の表面の１０％を検知用混合ガスを燃焼させる検知エリアとし、残りの９０％を希薄混合ガスを燃焼させる主燃焼エリアとしているため、検知エリアに無駄がなく、燃焼不良の確実な検知を可能とした上で、加熱効率が最も良い構成とすることができる。
請求項４に記載の発明によれば、箱状の本体部材の内部空間を仕切部材によって仕切り、一方の内部空間に第１混合管を、他方の内部空間に第２混合管を夫々設置しているため、主バーナ本体部と検知用バーナ本体部とを別の箱状部材を用いて構成するものと比較して部品点数を削減することができ、一層の低コスト化、省スペース化を図ることができる。

ファンヒータの外観を示した説明図である。 ファンヒータの断面を示した説明図である。 ガスバーナ（箱体を除く）を上方から示した説明図である。 ガスバーナの縦断面を示した説明図である。 通常の燃焼時における火炎を示した説明図である。 酸欠時における火炎を示した説明図である。 ガスバーナの変更例を示した説明図である。 熱電対の起電力及び一酸化炭素の排出量の変化を示したグラフであり、（ａ）は酸欠が生じた場合を、（ｂ）はフィルター詰まり等により空気不足が生じた場合を夫々示している。

以下、本発明の一実施形態となるファンヒータ及びガスバーナについて、図面にもとづき詳細に説明する。

ファンヒータ１は、本体ケース２の内部に燃焼室３を形成し、当該燃焼室３の内部に空気を暖めるためのガスバーナ４を設置するとともに、燃焼室３の下方に空気を流動させるためのファン５を設置してなる。そして、当該ファンヒータ１では、本体ケース２の背面に設けられた給気口６から燃焼室３内へ空気を取り込み、その一部を燃焼用一次空気として使用するとともに、残りをガスバーナ４から排出される熱気と混合した後、本体ケース２の前面下部に開設された吹出口７、７・・から送り出す。尚、８は、ファンヒータ１を操作するためのトップパネルであり、ファンヒータ１の作動を制御する図示しない制御装置に接続されている。また、給気口６には、図示しない除塵用のフィルターが設置されている。

ここで、本発明の要部となるガスバーナ４について詳細に説明する。
ガスバーナ４は、バーナ本体１１と、バーナ本体１１の上面に取り付けられる炎孔板１２と、炎孔板１２の上方を覆うようにバーナ本体１１に固着される箱体１３と、熱電対１４と、図示しない点火用電極と、上記制御装置とを備えてなる。バーナ本体１１は、上面にのみ開口する箱状の本体部３１と、本体部３１に対して左側（図３における左側）から差し込まれた希薄混合管３２と、本体部３１に対して右側（図３における右側）から差し込まれた全一次混合管３３と、両混合管３２、３３間で本体部３１の内部空間を仕切る仕切り壁３４とを備えている。希薄混合管３２は、空気比λ＝１．３となる希薄混合ガスを生成し、本体部３１の内部空間で希薄混合管３２が位置する第１空間３１ａへ希薄混合ガスを供給するようになっている。一方、全一次混合管３３は、空気比λ＝１．０の全一次混合ガス（検知用混合ガス）を生成し、本体部３１の内部空間で全一次混合管３３が位置する第２空間３１ｂへ全一次混合ガスを供給するようになっている。さらに、仕切り板３４は、本体部３１の開口において、第１空間３１ａの開口と第２空間３１ｂの開口との面積比が９０：１０となるような位置に設けられており、第１空間３１ａと第２空間３１ｂとで混合ガスが行き来することを阻止している。尚、本体部３１の外側に位置する各混合管３２、３３の基端部には、燃料ガスを供給するためのガス供給管のノズル３５が接続されているとともに、一次空気を吸引するための吸引口３６が設けられている。

また、炎孔板１２は、左右方向（図３における左右方向）へ長いセラミック製の略長方形板状部材に、多数の小孔状の炎孔２１、２１・・を規則的に並設してなるもので、バーナ本体１１の本体部３１に設けられた開口部に設置される。各炎孔２１の直径は１．０ｍｍであり、該炎孔２１、２１・・は、炎孔板１１の長手方向については間隔Ａ＝１．４ｍｍ〜１．５ｍｍで、短手方向については間隔Ｂ＝１．２ｍｍ〜１．３ｍｍで夫々設けられている。そして、炎孔板１２の片端部（図３における右端部）で、バーナ本体１１に設置した際に第２空間３１ｂの上方に位置する領域（全体面積の略１０％となる領域）が後述する検知エリア２２となっている。一方、残りの９０％にわたる領域で、第１空間３１ａの上方に位置する領域が主燃焼エリア２３となっている。

さらに、熱電対１４は、炎孔板１２の検知エリア２２の表面近傍に臨むような姿勢で取り付けられており、検知エリア２２の表面に形成される火炎を検知可能となっている。尚、熱電対１４は、上記制御装置に接続されており、制御装置は、熱電対１４を用いて検知エリア２２の表面における火炎の有無を検知するとともに、当該検知結果に応じて後述するような制御を実行する。
加えて、箱体１３は、炎孔板１２の上方を覆うようにバーナ本体１１の上面に固着されており、当該箱板１３によって炎孔板１２の上方に副燃焼室１５が形成されている。また、箱板１３の上面には、燃焼により加熱された空気を送り出すための開口１６が設けられている。

以上のような構成を有するガスバーナ４における通常時の燃焼、及び酸欠や空気不足による燃焼不良時の燃焼について説明する。
ファンヒータ１を作動させるべくトップパネル８が操作されると、ファン５が回転するとともに、各混合管３２、３３へガス供給管３５から燃料ガスが噴出され、その噴出に伴い吸引口３６から各混合管３２、３３へ一次空気が取り込まれ、希薄混合管３２では空気比λ＝１．３となる希薄混合ガスが、全一次混合管３３では空気比λ＝１．０となる全一次混合ガスが夫々生成される。生成された希薄混合ガスは、第１空間３１ａへ供給された後、炎孔２１を通って副燃焼室１５へ噴出する。そして、点火用電極によって着火されると、炎孔板１２の主燃焼エリア２３の表面に、図５に示すような火炎Ｆ１が形成される。この燃焼は、燃料ガスに予め燃焼に必要な空気以上の空気が混合された希薄混合ガスによる燃焼であるため、従来の一次空気比λ＝０．５〜０．７とされた混合ガスを燃焼させるタイプのものと比較して、火炎温度が低くなっており、ＮＯｘの発生量を従来以上に低減するようになっている。尚、箱体１３を炎孔板１２を加工用にバーナ本体１１に固着しているため、希薄混合ガスを炎孔板１２の表面で燃焼させる際に外部から二次空気が供給されることはない。
一方、全一次混合ガスは、第２空間３１ｂに供給された後、炎孔２１を通って副燃焼室１５へ噴出する。そして、上記加熱用火炎Ｆ１からの火移りによって着火されると、炎孔板１２の検知エリア２２の表面に、図５に示すような検知用火炎Ｆ２が形成される。この検知用火炎Ｆ２は、上記希薄混合ガスよりも空気比λの低い全一次混合ガスの燃焼により形成されるものであるため、火炎Ｆ１と比較して上下方向（混合ガスの噴出方向）に短い。そして、当該検知用火炎Ｆ２が熱電対１４によって検知されることになる。

ここで、たとえばファンヒータ１を室内で長期間連続して作動させる等することにより、周囲の空気に酸欠が生じたり、給気口６に設置されたフィルター等に埃や塵等が詰まって空気不足が生じることがある。そして、この場合の火炎Ｆ１及び検知用火炎Ｆ２は、それぞれ図６に示すような形状をとる。すなわち、火炎が、混合ガスに含まれる酸素の不足によって上下方向（混合ガスの噴出方向）へ長くなり、炎孔板１２の表面から上方へ浮かび上がろうとする。しかしながら、火炎Ｆ１については、上述したように予め理論空気量以上の空気が混合された希薄混合ガスを燃焼させたものであるため、空気不足の影響が現れにくく、火炎が炎孔板１２の表面から浮かび上がるまでには中々至らない。一方、検知用火炎Ｆ２については、希薄混合ガスよりも一次空気の混合率が低い全一次混合ガスを燃焼させたものであるため、特に空気不足が生じた場合に、火炎Ｆ１よりも早いタイミングで火炎が炎孔板１２の表面から浮き上がるため、熱電対１４の起電力が低下する。

また、周囲の空気に酸欠が生じた場合、及びフィルター等が詰まって空気不足が生じた場合に、熱電対１４の起電力は、それぞれ図８のＡのラインが示すように変化する。すなわち、酸欠が生じた場合は勿論、空気不足が生じた場合にも一酸化炭素の排出量が規格値へ到達する以前に、熱電対１４の起電力がカットレベル以下へと低下する。したがって、熱電対１４が接続された制御装置は、当該事態（すなわち熱電対１４における起電力の低下）の検知により燃焼不良を未然に検知する。そして、燃焼不良を検知すると、各混合管３２、３３への燃料ガスの供給を停止してガスバーナ４を消火するとともに、ファン５の回転を停止して、ファンヒータ１の作動を停止する。

以上、上記構成を有するファンヒータ１及びガスバーナ４によれば、空気比λ＝１．３となる希薄混合ガスを燃焼させて火炎Ｆ１を形成する一方、火炎Ｆ１の形成に用いる混合ガスよりも一次空気の混合率が低い全一次混合ガスを燃焼させ、火炎Ｆ１とは別に検知用火炎Ｆ２を形成し、当該検知用火炎Ｆ２を熱電対１４により監視することで燃焼不良を未然に検知する。つまり、フィルター詰まり等による空気不足により燃料ガスに混合する一次空気の酸素が不足した際、その影響がより早期に現れる検知用火炎Ｆ２を別途形成して監視する。したがって、低ＮＯｘ化を実現した上で、酸欠による燃焼不良は勿論のこと、空気不足による燃焼不良をも未然に且つ確実に検知することができる。

また、炎孔板１２の表面に主燃焼エリア２３と検知エリア２２との両方を設けており、炎孔板１２の表面に火炎Ｆ１と検知用火炎Ｆ２との両方を形成させているため、炎孔板については勿論のこと、点火用電極等の部材点数を削減することができ、低コスト化や省スペース化を図ることができる。
さらに、炎孔板１２の表面の１０％を検知エリア２２とし、残りの９０％を主燃焼エリア２３としているため、検知エリア２２に無駄がなく、燃焼不良の未然且つ確実な検知を可能とした上で、加熱効率が最も良い構成となっている。
加えて、バーナ本体１１の本体部３１の内部空間を仕切り壁３４によって第１空間３１ａと第２空間３１ｂとに仕切り、第１空間３１ａには希薄混合管３２を、第２空間３１ｂには全一次混合管３３を夫々設置している。したがって、第１空間３１ａを有する本体部と第２空間３１ｂを有する本体部とを別途設ける構成と比較して、構造の簡素化、省スペース化を図ることができる。

なお、本発明のガスバーナ及び燃焼機器に係る構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、バーナ本体に係る構成や燃焼機器の種類等を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記ガスバーナ４に代えて、図７に示すようなガスバーナ４０を採用してもよい。当該ガスバーナ４０では、バーナ本体の本体部４１に対し、希薄混合管３２と全一次混合管３３とを同一方向から差し込んで設置し、Ｌ字型の仕切り壁４２によって両混合管３２、３３の設置空間（第１空間４１ａと第２空間４１ｂ）を仕切っている。当該構成を採用しても、上記同様、燃焼不良を確実に検知することができるし、部材点数の共用により、部材点数の削減や省スペース化を図ることができる。さらに、当該構成によれば、希薄混合管３２及び全一次混合管３３の吸引口３６が同一方向に開口するため、一次空気を吸引口３６、３６まで導くための構造や燃料ガスの配管等が簡易となるといった効果もある。

また、上記実施形態では、加熱用に燃焼させる混合ガスとして空気比λ＝１．３の希薄混合ガスを、燃焼不良の検知用に燃焼させる検知用混合ガスとして空気比λ＝１．０の全一次混合ガスを夫々用いているが、両混合ガス共に空気比λについては適宜変更可能であって、加熱用に燃焼させる混合ガスの空気比λを１．１以上とし、検知用混合ガスの空気比λを、加熱用に燃焼させる混合ガスの空気比λよりも小さくしさえすれば、低ＮＯｘ化や燃焼不良の検知に係り十分な効果を奏することができる。尚、検知用混合ガスとして空気比λ＝０．９〜１．０の全一次混合ガスを、希薄混合ガスとして空気比λ＝１．３〜１．５の混合ガスを用いた場合がベストモードとなる。
さらに、主燃焼エリア２３と検知エリア２２との割合についても設計変更可能であって、上記実施形態では９０：１０としているが、炎孔板１２の表面の略８０％以上が主燃焼エリア２３となっていれば効率の良い加熱が可能であるし、炎孔板１２の表面の略５％以上が検知エリア２２となっていれば燃焼不良の確実な検知が可能となる。

さらにまた、上記実施形態では熱電素子として熱電対１４を用いているが、フレームロッド等の他の熱電素子を採用することも可能である。
また、炎孔板を主燃焼用と燃焼不良の検知用とで別体にすることも可能であるし、第１空間３１ａを構成する本体部と第２空間３１ｂを構成する本体部とを別体に設けてもよい。さらに、上記実施形態では、点火用電極を主燃焼エリア２３に臨ませており、火炎Ｆ１の形成後に検知用火炎Ｆ２を火移りによって形成させるとしているが、検知エリア２２に点火用電極を臨ませ、検知用火炎Ｆ２を形成した後に火移りによって火炎Ｆ１を形成させるように構成する等、適宜変更可能である。さらにまた、混合ガスを燃焼させる燃焼部についての構成は、上記実施形態の如く炎孔板の表面に火炎を形成させるとした所謂表面燃焼の構成に何ら限定されることはない。
加えて、上記実施形態では燃焼機器の一実施例であるファンヒータ１について説明しているが、ガスバーナ４をガスストーブ等の他の燃焼機器に適用しても何ら問題はない。

１・・ファンヒータ（燃焼機器）、２・・本体ケース、４、４０・・ガスバーナ、１１・・バーナ本体、１２・・炎孔板（主燃焼部、検知用燃焼部）、１３・・箱体、１４・・熱電対（熱電素子）、１５・・副燃焼室、１６・・開口、２１・・炎孔、２２・・検知エリア（検知用燃焼部）、２３・・主燃焼エリア（主燃焼部）、３１、４１・・本体部（本体部材）、３１ａ、４１ａ・・第１空間（主バーナ本体部）、３１ｂ、４１ｂ・・第２空間（検知用バーナ本体部）、３２・・希薄混合管（第１混合管）、３３・・全一次混合管（第２混合管）、３４、４２・・仕切り壁（仕切部材）、３５・・ノズル、３６・・吸引口。

Claims (5)

1. 燃料ガスと一次空気とを混合し、空気比λ＝１．１以上となる希薄混合ガスを生成する第１混合管が設置された主バーナ本体部と、前記希薄混合ガスを燃焼させる主燃焼部とを備えたガスバーナであって、
   燃料ガスと一次空気とを混合し、前記希薄混合ガスよりも空気比の小さい検知用混合ガスを生成する第２混合管が設置された検知用バーナ本体部と、前記検知用混合ガスを燃焼させる検知用燃焼部とを設けるとともに、
   前記検知用燃焼部に火炎を検知する熱電素子を設置し、当該熱電素子の検出状態にもとづいて燃焼部全体における燃焼不良を検知可能としたことを特徴とするガスバーナ。
2. 前記主燃焼部と前記検知用燃焼部とが複数の炎孔を備えた同一の炎孔板を共用しており、当該炎孔板の表面に、前記希薄混合ガスを燃焼させることによる火炎と、前記検知用混合ガスを燃焼させることによる火炎との両方を形成させることを特徴とする請求項１に記載のガスバーナ。
3. 前記炎孔板の表面の１０％が前記検知用混合ガスを燃焼させる検知エリアであり、残りの９０％が前記希薄混合ガスを燃焼させる主燃焼エリアであることを特徴とする請求項２に記載のガスバーナ。
4. 箱状の本体部材の内部空間を仕切部材によって仕切り、一方の内部空間に前記第１混合管を、他方の内部空間に前記第２混合管を夫々設置することにより、前記主バーナ本体部と前記検知用バーナ本体部とを構成したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のガスバーナ。
5. 請求項１〜４の何れかに記載のガスバーナと、前記熱電素子が接続され、前記熱電素子の検出状態に応じて燃焼部全体における燃焼不良を検知すると所定の動作を実行する制御部とが設置されていることを特徴とする燃焼機器。

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