JP3117583B2 - 燃焼安全装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼用空気を強制的に
取り込んで燃焼する燃焼器（例えば、強制排気式燃焼
器）の不完全燃焼を防止するための安全装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一酸化炭素中毒の原因である不完全燃焼
は、主に燃焼器の給排気系不良や、排気の漏洩による室
内酸欠状態という２つの要因により生じる。そこで、従
来から燃焼器には不完全燃焼を検知して燃焼を停止させ
る安全装置が設けられている。こうした安全装置の技術
は、例えば特公昭５９−３９６４７号、特公昭６１−３
１７６８号などに示されている。

【０００３】前者は、図９に示すように、外筒５０内に
混合ガスが供給される内筒５１を設けて、各々の開口部
でブンゼン燃焼させ、一次空気口５２および補助空気口
５３から流入する空気の酸素濃度が低下したときに、内
筒５１側のブンゼン火炎がリフトすることから、このリ
フト現象による熱電対５４の起電力低下でガス流路を閉
じるものである。また、後者は、フィン閉塞等の排気系
不良により排出しきれない燃焼排気を、上記の空気口に
導入するようにして燃焼用空気の酸素濃度を低下させ、
ブンゼン火炎をリフトさせて異常を検出している。尚、
ここで用いるブンゼン燃焼とは、全一次燃焼に対比させ
たもので、周りから二次空気を取り入れて火炎を形成す
る燃焼を意味している。

【０００４】しかしながら、ファンにより強制的に燃焼
用空気を取り込む燃焼機器にこれらの安全装置を組み込
んでも、室内の酸欠による不完全燃焼は検出できるもの
の、給排気経路の閉塞やファンの能力低下による風量低
下に伴う不完全燃焼は検出できないという問題が生じて
いた。その理由について説明する。火炎の形成位置は、
燃焼速度とガス噴出速度とのバランスで決まる。一方、
燃焼速度は空気比（理論空気量に対する実際の空気量の
比）によって決まる。そこで、ファンから供給される風
量低下が生じると安全装置に供給される混合気の空気比
も低下することとなり、燃焼速度が低下する。従って、
火炎はリフトするはずであるが、ブンゼン燃焼の場合に
は、拡散燃焼であることから縦方向だけでなく横方向、
斜め方向にも広がるため、空気比の低下に対して敏感に
リフトしない。しかも、二次空気の流速が低下すること
も手伝って、かえってリフトを抑える側に働いてしま
う。この結果、熱電対で火炎の状態を検出していても、
風量低下による不完全燃焼は防止できないのである。

【０００５】そこで、本願の出願人は、室内の酸欠であ
っても給排気不良による風量低下であっても確実に不完
全燃焼を検知する燃焼安全装置を先に提案している（特
願平４ー３５８２１３）。この技術は、図１０に示すよ
うに、バーナプレートＰを筒状ガードＧで囲んで火炎の
二次空気の接触を妨げて全一次燃焼を行い、このときの
火炎の形成位置を熱電対ＴＣで検出するものである。こ
の安全装置によれば、二次空気に影響されずに、燃焼用
空気量の変動に対しても室内の酸欠に対しても火炎形成
位置が敏感に変化（リフト）して不完全燃焼を確実に防
止でき、非常に優れたものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この燃
焼安全装置は、風量不足や酸欠により燃焼装置が不完全
燃焼し始めると火炎がバーナプレートＰからリフトし始
め、所定の燃焼レベルに達すると筒状ガードＧの開口端
に保炎するものであるが、火炎が筒状ガードＧ開口端に
至るまでの弱い不完全燃焼レベルにおいて、熱電対ＴＣ
の出力が不安定となりやすい。

【０００７】ここで、不完全燃焼の進行に伴う火炎の状
態と熱電対ＴＣの出力とについて図１１を用いて説明す
る。完全燃焼中においては、同図（ア）に示すように、
火炎がバーナプレートＰに保炎されて熱電対ＴＣの出力
は安定している。そして、風量不足や酸欠が始まると、
同図（イ）に示すように、まずバーナプレートＰの中央
部の火炎がリフトし始めるが、この状態では熱電対ＴＣ
が外炎に加熱されているため出力は安定している。しか
し、もう少し不完全燃焼が進むと、同図（ウ）に示すよ
うに、バーナプレートＰ外周部の一部の火炎が中央の火
炎とつながってリフトする。このとき、バーナプレート
Ｐに保炎されている炎とリフトしている炎とが入り乱
れ、しかも、火炎が移動して熱電対ＴＣを外炎で加熱し
たり内炎で加熱したりする。従って、熱電対ＴＣの出力
は不安定となる。更に進むと、同図（エ）に示すよう
に、ほとんどの火炎がリフトしているものの一部の火炎
がバーナプレートＰ上で保炎している状態となり、熱電
対ＴＣの出力は不安定となるだけでなく、その保炎位置
により大きく異なってしまう。例えば、同図（エ）に破
線で示すように熱電対ＴＣ側のバーナプレートＰで保炎
されている状態と、実線で示すように熱電対ＴＣの反対
側で保炎されている場合とでは出力がかなり異なる。

【０００８】その後、所定の風量不足（あるいは酸欠）
レベルに達すると、同図（オ）に示すように、火炎がバ
ーナプレートＰから完全にリフトして筒状ガードＧ先端
に保炎され、熱電対ＴＣの出力が低い値に安定する。
尚、筒状ガードＧ先端に保炎されると周りから二次空気
を取り入れてブンゼン燃焼に切り替わり火炎は安定す
る。

【０００９】従って、最終的には不完全燃焼を検出でき
るものの、その検出途中において熱電対ＴＣの出力が不
安定となりやすく、この出力を用いて燃焼シーケンスを
組むにはやや問題が残っていた。本発明の燃焼安全装置
は上記課題を解決し、熱電対の出力を安定させて高精度
に不完全燃焼を検出することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１の燃焼安全装置は、燃焼用空気を強制
的に取り込んで燃焼するメインバーナに隣接して、該メ
インバーナの燃焼用空気供給路中に配設される安全装置
であって、複数の炎口を形成したバーナプレートを有す
る予混合バーナと、上記バーナプレートを囲んで、上記
バーナプレートに形成される火炎と上記予混合バーナの
周囲の燃焼用空気との接触を妨げて上記バーナプレート
上で全一次燃焼させると共に、燃焼用空気の供給量不足
により上記バーナプレートに形成される火炎がリフトし
たとき先端開口部でブンゼン燃焼に切り換えて保炎する
筒状ガードと、上記筒状ガード内に形成される火炎の位
置に応じた検知信号を出力する熱電対とを備えると共
に、上記熱電対に向かう混合気の圧力分布を高くする圧
力調整手段を備えたことを要旨とする。

【００１１】また、本発明の第２の燃焼安全装置は、上
記第１の燃焼安全装置において、上記熱電対は、その感
熱部が上記筒状ガードに囲まれるバーナプレートの外周
部の上方に配設され、上記圧力調整手段は、上記バーナ
プレートの外周部に沿って圧力分布を高くしていること
を要旨とする。

【００１２】

【作用】上記構成を有する本発明の燃焼安全装置は、バ
ーナプレート上に形成される火炎が筒状ガードにより二
次空気との接触を妨げられて全一次燃焼が行われ、この
火炎の形成位置に応じた検知信号を熱電対が出力する。
この火炎の形成位置は、燃焼速度と混合気の噴出速度と
のバランスで決まる。正常時には、バーナプレート上に
火炎が形成されるが、給排気系の不良により燃焼用空気
量が減少したときには予混合バーナの空気比が低下し燃
焼速度が遅くなる。この場合、全一次燃焼であることか
ら、火炎の状態は燃料噴出方向にのみ変化することとな
り火炎が敏感にリフトする。火炎は、混合気の圧力分布
が高いところほど敏感にリフトし、逆に、圧力分布の低
いところほど保炎性が高い。従って、熱電対に向かう圧
力の高い混合気の火炎は、圧力分布の低いところでの火
炎よりも早くリフトして、熱電対が内炎の中に収まった
状態に維持される。つまり、一部の火炎だけがリフトす
る弱い風量不足のときであっても、圧力分布を調整する
ことで火炎がリフトする領域とリフトしない領域とが区
分けされ、リフトする領域の火炎（内炎）により熱電対
が加熱される。従って、それ以後は熱電対に外炎が接し
にくくなり、熱電対の出力は安定する。そして、風量不
足が進むと、バーナプレートに保炎されていた火炎（圧
力分布の低い位置での火炎）もリフトして筒状ガードの
先端開口で保炎する。この結果、風量不足の状態を精度
良く検出することができる。

【００１３】また、室内が酸欠状態である場合には、予
混合バーナの空気比は一定であっても燃焼に寄与する酸
素量が実質的に低下していることから、燃焼速度が低下
して同様に火炎が変化し、安定した熱電対の出力変化が
得られる。これらの結果、高精度に不完全燃焼を検出す
ることができる。

【００１４】また、本発明の第２の燃焼安全装置では、
圧力分布をバーナプレート外周部に沿って高くしている
ため、上記の作用に加えて、火炎がリフトし始めてから
筒状ガードの先端開口に保炎されるまでの期間が短くな
る。つまり、火炎がバーナプレート上で不安定となりや
すい期間が短くなり、一層高い精度で不完全燃焼を検出
することができる。

【００１５】尚、圧力分布の調整は、バーナプレート上
流側の混合気流路内に分布板や旋回羽根を設けて混合気
の流れを変えたものや、バーナプレートの炎口配置分布
の粗密をつけることによって構成してもよい。

【００１６】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の燃焼安全装置の好適な実
施例について説明する。図１は、一実施例としての燃焼
安全装置の概略構成を表す。燃焼安全装置１は、後述す
る強制排気式（ＦＥ式）ガス給湯器の燃焼室内でメイン
バーナに隣合って設けられるもので、燃料ガスと燃焼用
空気とが吸入混合されるエルボ状の混合管２と、混合管
で混合された混合気が噴出する複数の炎口４形成したバ
ーナプレート５（本実施例では、セラミックプレートを
用いる）とで予混合バーナ６を形成する。また、バーナ
プレート５の周囲を囲んでプレート５上に形成される火
炎の二次空気の接触を妨げる円筒形の筒状ガード７が装
着される。また、混合管２内には、バーナプレート５の
やや上流側で円盤形状の分布板３が混合管２の中央部に
配設され、更にその上流側に混合気を中央側に集める絞
り部材８が設けられている。

【００１７】混合管２の開口部９には、ガスノズル２０
を臨ませて燃料ガスの噴出により、同時に燃焼用空気も
吸入されるようにしている。そして、混合管２での空気
比を正常時には０．９となるように開度が設定されてい
る。この混合比（０．９）は燃焼速度が最大となる設定
である。つまり、混合比がこの値から外れてくると燃焼
速度が遅くなるようになっている。また、図２（ア）に
示すように、分布板３を設けたことによりバーナプレー
ト５上での混合気の圧力分布は、外周部つまり筒状ガー
ド７内壁面側が高くなっている。尚、同図（イ）は分布
板３を設けない場合の圧力分布である。

【００１８】筒状ガード７には、横方向から熱電対１０
の先端である感熱部１０ａが挿入される。この熱電対１
０は、正常時に火炎の外炎に加熱されるようにバーナプ
レート５表面から所定距離あけて設けられるが、熱電対
１０の感熱部１０ａ以外は筒状ガード７の外に位置し、
筒状ガード７の周りを上方向に流れる二次空気が直接当
たって熱電対１０を冷却するため、耐久性が良好とな
り、しかも大きな起電力が得られる。尚、この熱電対１
０は、給湯器の燃焼コントローラ（図示略）に接続さ
れ、熱電対１０の起電力に応じてメインバーナのガス流
路に設けた電磁弁を開閉制御するように構成されてい
る。つまり、熱電対１０の起電力が所定レベル以下にな
ったときにガス流路を閉じるように動作する。尚、熱電
対１０の起電力でマグネット安全弁を吸着保持してガス
流路を開状態に維持する構成であってもよい。

【００１９】混合管２内で混合調圧された混合気は、バ
ーナプレート５の各炎口４から噴出し、給湯器のメイン
バーナ（図８に示す）から火移りしてプレート５表面上
で火炎を形成する。この場合、火炎の回りを囲む筒状ガ
ード７によって二次空気の供給が遮られ、全一次燃焼が
行われる。

【００２０】さて、図示しない熱交換器のフィン閉塞
や、燃焼室に燃焼用空気を送り込むファン能力低下によ
り燃焼用空気の風量が減少すると、図３（ア）に示す状
態から同図（イ）に示すようにバーナプレート５の外周
部の火炎が少しリフトし始める。これは、外周部の圧力
分布が高くなっているためである。この状態において
は、まだ熱電対１０は外炎に加熱されているため出力は
安定した高い値をとる。

【００２１】風量低下がもう少し進むと、図３（ウ）に
示すようにバーナプレート５の外周部の火炎が大きくリ
フトして、熱電対１０（感熱部１０ａ）がその炎の中に
収まる。この場合、圧力分布調整によりバーナプレート
５の中央部は保炎されている。つまり、外周部のリフト
領域と中央部の保炎領域とに分けられる。従って、熱電
対１０はリフト領域内に維持され、周りの火炎が安定し
ていることから、熱電対１０の出力も安定している。

【００２２】もう少し風量低下が進むと、図３（エ）に
示すようにバーナプレート５中央部の火炎もリフトし始
める。この場合でも、バーナプレート５に保炎される火
炎がみられるが、この保炎位置は、バーナプレート５中
央付近に限られ、先願（図１１（エ）に示す）のように
広範囲にはならない。従って、火炎がどの位置に保炎さ
れようと熱電対１０は常に内炎の中に収まり、出力が安
定している。つまり、火炎は、図中において破線で示す
形状や実線で示す形状などが考えられるが、何れであっ
ても保炎位置が中央付近であるため熱電対１０が内炎の
中に収まるのである。

【００２３】こうして、所定のレベルの風量不足になる
と、図３（オ）に示すように、火炎がバーナプレート５
から完全にリフトして、筒状ガード７開口部に保炎す
る。こうなると、周りから二次空気が供給されてブンゼ
ン燃焼に切り替わる。ブンゼン燃焼時には、拡散燃焼で
あることや、風量の低下により火炎を上方に持ち上げる
力が減ることから、風量の変化に対してほとんどリフト
しなくなる。

【００２４】図４は、給湯器に燃焼安全装置を組み込ん
だときの、メインバーナの空気比λに対する熱電対１０
の起電力および一酸化炭素濃度を表す。上述したよう
に、空気比が減少すると熱電対１０の起電力は急減し、
一酸化炭素濃度が高くなる前に設定値以下になりガス流
路を閉じることができる。しかも、点Ａから点Ｂにかけ
ての火炎のリフト途中において、熱電対１０の出力が先
願のものに比べて安定しているため、不完全燃焼判定レ
ベル（しきい値）の設定を任意にとることができる。ま
た、バーナプレート５の外周部の圧力分布を高くしてい
るため、早く筒状ガード７先端に保炎されやすくリフト
途中期間（点Ａから点Ｂ）が短くなる。このため、空気
比に対する熱電対１０の出力特性が急勾配となり風量不
足の状態を的確に捉えることができる。

【００２５】一方、室内の酸素濃度が低下した場合に
は、風量（空気比）が同じであっても燃焼に寄与する酸
素量が減少するために、燃焼速度が遅くなる。この結
果、上述したように火炎が敏感にリフトする。この結
果、一酸化炭素濃度が上昇する前に熱電対１０の起電力
が十分に低下して、安全レベルで確実にガス流路を閉じ
ることができる。尚、酸欠の場合は筒状ガード７で保炎
された後は早めに失火する。

【００２６】次に、燃焼安全装置の他の実施例について
説明する。図５に示す燃焼安全装置は、先の実施例で示
した分布板３，絞り部材８に代えて旋回羽根３ａを混合
管２内に固着したものである。従って、旋回羽根３ａを
通過した混合気は、破線矢印に示すように旋回してバー
ナプレート５外周部の圧力分布が高くなる。

【００２７】また、図６に示す燃焼安全装置は、混合管
２内で圧力分布を調整せずに、バーナプレート５に形成
される炎口４の配置を中央部で粗に、外周部で密にした
ことにより、熱電対１０が設けられる筒状ガード７内壁
面側の圧力分布を高くしたものである。

【００２８】また、図７に示す燃焼安全装置は、先の実
施例で示した分布板３，絞り部材８に代えて、熱電対１
０先端の真下に開口部を有する絞り部材３ｂを設けたも
のである。従って、熱電対１０に向かう混合気の圧力分
布が高くなる。

【００２９】次に、燃焼安全装置１をガス給湯器内に組
み込んだ構成の一例を示す。図８は、ＦＥ式ガス給湯器
の燃焼室３０内を上方から視た概略構成図である。燃焼
室３０内には、偏平な複数のメインバーナ３１が並設さ
れ、それらのスロート３２先端に一次空気量調整用のダ
ンパ３３が設けられ、ノズル台３４に設けられた各ガス
ノズル３５から燃料ガスが供給される。このノズル台３
４へのガス流路には能力（燃焼量）を調整するための比
例制御弁やガス流路を開閉する電磁弁（以上図示略）が
設けられる。また、燃焼室３０の下部にはシロッコファ
ン（図示略）が設けられ、燃焼用空気を燃焼室３０に供
給しメインバーナ３１でブンゼン燃焼を行い、この燃焼
熱で熱交換器（図示略）を加熱して出湯するよう構成さ
れている。

【００３０】燃焼安全装置１は、このメインバーナ３１
に並設され、共通のノズル台３４に設けたガスノズル３
６から燃料ガスが供給される。従って、別個にガス流路
を設けることなく簡易な構造となっている。また、能力
が大の場合と小の場合とでは、メインバーナ３１の空気
比の設定が異なるが、燃焼安全装置１においてもそれに
応じて空気比が変更され、実際のメインバーナ３１の燃
焼状態にそくした不完全燃焼検出を実施することができ
る。

【００３１】以上説明した実施例においては、熱電対１
０の起電力が所定値以下に減少したときにガス流路を閉
じるものであったが、さらに、ガス流路を閉じる前にフ
ァンの回転数を調整するようにしてもよい。つまり、排
気ダクト（図示略）からの逆風やフィン閉塞等により空
気比が低下したときには、ファンの回転数を増大させれ
ば燃焼器を停止させることなく使用できるケースがあ
る。そこで、熱電対１０の起電力が予め設定したレベル
にまで低下したときに、ファンの回転数を増大すると共
に所定の回転数に達しても起電力の回復が得られないと
き、つまり空気比が増大しないときにガス流路を閉じて
器具を停止させるのである。また、ファンの回転数を増
大させてから所定期間経過しても起電力が回復しない場
合にガス流路を閉じるようにしてもよい。

【００３２】また、熱電対１０の起電力が常に一定値に
なるようにファン回転数を制御してもよい。つまり熱電
対１０の起電力をフィードバック制御因子としてファン
の回転数を制御するのである。この場合、ファンの回転
数が所定範囲内に収まらない場合にはガス流路を閉じて
不完全燃焼を防止する。こうした熱電対１０の起電力に
基づく制御は、燃焼安全装置１が風量不足や酸欠状態を
非常に精度よく検出するがゆえに可能であり、従来のよ
うなブンゼン燃焼のリフト検出では精度の良い制御を望
んでも無理である。尚、燃焼開始時においては熱電対１
０の起電力が安定するまで制御動作を行わないようにす
る。

【００３３】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる
態様で実施し得ることは勿論である。例えば、給湯器に
限らずファンヒータ等の燃焼器にも適用できる。また、
酸欠が心配されない外置きタイプの器具においても、風
量低下を検知するセンサとして用いることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の燃焼安全
装置によれば、筒状ガードでバーナプレートを囲むこと
により、燃焼用空気の供給が正常であればバーナプレー
ト上で全一次燃焼させ、空気供給量不足時には火炎をリ
フトさせて先端開口部でブンゼン燃焼に切り換えて保炎
するため、空気供給量不足に対して火炎位置を敏感に且
つ大きく変化させることができ、空気供給量不足か否か
を明確に区別できる。しかも、熱電対に向かう混合気の
圧力分布を高くしているため、一部の火炎がリフトする
弱い空気供給量不足の時においては、火炎がリフトする
領域とリフトしない領域とに区分けされ、リフトする領
域の火炎に熱電対が加熱されることとなり、熱電対に外
炎が当たったり内炎が当たったりするといった不安定な
状態が回避され、熱電対の出力は安定する。この結果、
空気供給量不足の検知を高精度に行うことができる。ま
た、本願請求項２の発明の燃焼安全装置によれば、圧力
分布をバーナプレート外周部に沿って高くしているた
め、火炎がリフトし始めてから筒状ガードの先端開口部
に保炎されるまでの期間が短くなり、熱電対の出力特性
が急勾配となり空気供給量不足を一層的確に捉らえるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例としての燃焼安全装置の概略構成図で
ある。

【図２】燃焼安全装置の圧力分布を示す説明図である。

【図３】風量低下時における火炎の状態および熱電対の
出力を表す説明図である。

【図４】空気比の変動に対する熱電対の起電力、ＣＯ濃
度特性を表すグラフである。

【図５】他の実施例としての燃焼安全装置の概略構成図
である。

【図６】他の実施例としての燃焼安全装置の概略構成図
である。

【図７】他の実施例としての燃焼安全装置の概略構成図
である。

【図８】ガス給湯器に燃焼安全装置を組み込んだ状態の
燃焼室を表す説明図である。

【図９】従来の燃焼安全装置の概略構成図である。

【図１０】先に提案した燃焼安全装置の概略構成図であ
る。

【図１１】先に提案した燃焼安全装置の風量低下時にお
ける火炎の状態および熱電対の出力を表す説明図であ
る。

【符号の説明】

１…燃焼安全装置、 ３…分布板、 ３ａ…旋回羽根、
３ｂ…絞り部材、４…炎口、 ５…バーナプレート、
６…予混合バーナ、 ７…筒状ガード、１０…熱電
対、 １０ａ…感熱部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23N 5/10 310 F23N 5/24 108 F23N 5/12 F23D 14/02 - 14/18

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼用空気を強制的に取り込んで燃焼す
   るメインバーナに隣接して、該メインバーナの燃焼用空
   気供給路中に配設される安全装置であって、 複数の炎口を形成したバーナプレートを有する予混合バ
   ーナと、 上記バーナプレートを囲んで、上記バーナプレートに形
   成される火炎と上記予混合バーナの周囲の燃焼用空気と
   の接触を妨げて上記バーナプレート上で全一次燃焼させ
   ると共に、燃焼用空気の供給量不足により上記バーナプ
   レートに形成される火炎がリフトしたとき先端開口部で
   ブンゼン燃焼に切り換えて保炎する筒状ガードと、上記筒状ガード内に形成される 火炎の位置に応じた検知
   信号を出力する熱電対とを備えると共に、 上記熱電対に向かう混合気の圧力分布を高くする圧力調
   整手段を備えたことを特徴とする燃焼安全装置。
2. 【請求項２】 上記熱電対は、その感熱部が上記筒状ガ
   ードに囲まれるバーナプレートの外周部の上方に配設さ
   れ、 上記圧力調整手段は、上記バーナプレートの外周部に沿
   って圧力分布を高くしていることを特徴とする請求項１
   記載の燃焼安全装置。