JP3138362B2 - 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７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。

【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８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
焼安全装置では、バーナプレートＰの各炎口Ｈから噴出
する混合気の濃度および圧力分布が不均一になりやす
い。そのため、ファンの風量が減少してくると、バーナ
プレートＰ上で空気比の高い部分と低い部分とができ、
火炎が筒上ガードＧから完全にリフトする前にガードＧ
内でバタついてしまう。この結果、熱電対の出力が不安
定となる。つまり、安全装置として風量（空気比）が減
少したときには火炎を素早くリフトさせて熱電対の起電
力の大きな変化を得たいのであるが、空気比の不均一に
より火炎がバタついて敏感にリフトしないことから、熱
電対の起電力変化がゆるやかとなり、異常を早くキャッ
チすることができないのである。本発明の燃焼安全装置
は上記課題を解決し、室内の酸欠だけでなく、特に風量
低下を素早く検出して確実に不完全燃焼を防止すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の燃焼安全装置は、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
予混合バーナの混合気流路は、燃料ガスと燃焼用空気と
が吸入される第１混合流路と、上記第１混合流路より大
径で上記第１混合流路からの混合気流の向きを変えて混
合気をバーナプレートの炎口へ送り出す第２混合流路と
を備えたことを要旨とする。

【０００８】

【作用】上記構成を有する本発明の燃焼安全装置は、予
混合バーナの第１混合流路で燃料ガスと燃焼用空気とが
吸入混合され、次に、第１混合流路より大径の第２混合
流路に送らて混合気の向きが変えられ、混合気をバーナ
プレートの炎口から噴出する。混合気は、第１混合流路
で混合されるが、第２混合流路に送られるときに流路が
大径となるため急に減圧されて巻き込みが生じ混合が促
進される。しかも、混合気流の方向を変えているため、
混合気が第２混合流路の壁面に衝突して一層混合度合が
良好となる。また、第２混合流路を大径としているた
め、混合後の容積を大きくとることができ圧力分布が均
一となる。こうして、圧力分布が均一となり良好に混合
された混合気がバーナプレートの炎口から噴出して着火
する。混合気が着火するとバーナプレート上に火炎が形
成され、この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、火炎の形成位置に応
じた検知信号を熱電対が出力する。

【０００９】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
変化する。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形
成位置が大きく変化する。また、二次空気の流速にも影
響されない。この結果、燃焼用空気量の変動に対して火
炎形成位置が敏感に変化する。しかも、空気供給量不足
によりリフトした火炎は、筒状ガードの先端開口部に達
すると周囲の燃焼用空気と接触して保炎されるため、筒
状ガード内で火炎が不安定にリフトするといった異常燃
焼までの過渡状態の期間を短くすることができ、給気不
足か否かを明確に区別できるものとなる。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火炎形成位置が変化す
る。これらの結果、熱電対の起電力の十分な変化が得ら
れ、確実に不完全燃焼を検出できる。

【００１０】

【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、縦方向に配置され
て下端を閉口した筒体２（円筒形であっても角筒形であ
ってもよい）と、この筒体２の途中に装着され複数の炎
口３を形成するバーナプレート４（本実施例ではセラミ
ックプレートを用いる）と、筒体２の側壁に接続され燃
料ガスと燃焼用空気とが横方向から吸入される細い混合
部１０（本発明の第１混合流路）とで予混合バーナ５を
構成すると共に、筒体２の上部（バーナプレート４より
上部）が二次空気の接触を妨げる筒状ガード６となって
いる。また、バーナプレート４より下側の筒体４内が調
圧室（本発明の第２混合流路）８となっている。また、
混合部１０の開口部７にガスノズル２０を臨ませて燃料
ガスを噴出させ、これに伴って燃焼用空気を吸入するよ
うにしている。そして、混合部１０での空気比を正常時
には０．９となるように開口部７の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。

【００１１】混合部１０では、吸入された燃料ガスと燃
焼用空気とが細い流路を通過することで良好に混合され
て調圧室８に送られる。調圧室８は、混合部１０よりも
大径であり、混合気の流れ方向が直交する。従って、混
合部１０から送られてきた混合気は、調圧室８に入ると
急に減圧されて巻き込みが生じると共に、混合気が調圧
室８の壁面に衝突して混合が促進される。また、調圧室
８を大径として容積を大きくしているため混合気の圧力
分布が均一となる。

【００１２】こうして濃度および圧力が均一化されてバ
ーナプレート４の各炎口３から混合気が噴出すると、給
湯器のメインバーナ（図６に示す）から火移りしてプレ
ート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６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。筒状ガード６には、横方向から熱
電対９の先端である感熱部９ａが挿入される。また、熱
電対９の感熱部９ａ以外は筒状ガード６の外に位置し、
筒状ガード６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９を冷却するよう構成されている。つま
り、熱電対の熱劣化を低減させている。尚、この熱電対
９は、給湯器の燃焼コントローラ（図示略）に接続さ
れ、熱電対９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９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。また、熱電対９
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。

【００１３】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、調圧室８内の空気比
が減少し燃焼速度が低下する。このため、バーナプレー
ト４上に形成されていた火炎はリフトしていき、図２に
示すようについには筒状ガード６先端開口部に火炎を形
成する。つまり、全一次燃焼中においては風量の低下
（空気比の低下）に対して火炎が敏感にリフトし、筒状
ガード６先端開口部に達すると、その周りから二次空気
が供給されてブンゼン燃焼が行われる。また、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。

【００１４】このように風量が減少すると、熱電対９の
起電力は図３に示すように、急激に減少する。この特性
図は実験により得られたもので、横軸は給湯器のメイン
バーナの空気比λを、実線は熱電対の起電力（mV）を、
破線は器具排気中の一酸化炭素濃度（ppm ）を表す。特
性図から分かるように、熱電対９の起電力は空気比の低
下に対して急激に減少する。従って、一酸化炭素濃度が
高くなる前に熱電対９の起電力が設定値以下になりガス
流路を閉じることができる。

【００１５】次に、室内の酸素濃度の低下による不完全
燃焼を防止する作動について説明する。室内の酸素濃度
が低下すると、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、図４に示すように全一次燃焼中の火炎が
リフトし始め、筒状ガード６先端開口部に達したのちは
失火してしまう。この場合の熱電対９の起電力および器
具排気中の一酸化炭素濃度の特性を図５に示す。この特
性図は実験により得られたもので、横軸を酸素濃度
（％）としている。特性図から分かるように、一酸化炭
素濃度は室内酸素濃度が１８．５％以下にまで低下して
急激に上昇するのに対し、熱電対９の起電力は酸素濃度
低下に対してリニアに減少する。従って、一酸化炭素濃
度が上昇するまでに熱電対９の起電力は十分低下してい
るため、安全レベルで確実にガス流路を閉じることがで
きる。

【００１６】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６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。

【００１７】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。

【００１８】以上説明した実施例においては、熱電対９
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９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。

【００１９】また、熱電対９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
９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９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
敏感に検出するがゆえに（図の特性図参照）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９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。

【００２０】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。

【００２１】

【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、室内の酸欠だけでなく、特に風量低下を
素早く検出して確実に不完全燃焼を防止することができ
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】風量低下時における火炎の状態を表す説明図で
ある。

【図３】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４】酸欠時における火炎の状態を表す説明図であ
る。

【図５】酸素濃度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６】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７】従来の燃焼安全装置の概略構成図である。

【図８】先に提案した燃焼安全装置の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１…燃焼安全装置、 ４…バーナプレート、 ５…予混
合バーナ、６…筒状ガード、 ９…熱電対、 ８…調圧
室（第２混合流路）、１０…混合部（第１混合流路）。

Claims (1)

(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、 上記予混合バーナの混合気流路は、燃料ガスと燃焼用空
   気とが吸入される第１混合流路と、上記第１混合流路よ
   り大径で上記第１混合流路からの混合気流の向きを変え
   て混合気をバーナプレートの炎口へ送り出す第２混合流
   路とを備えたことを特徴とする燃焼安全装置。