JP3138367B2 - 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１１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（燃料ガ
ス＋燃焼用空気）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４−３５８２１３）。この技術は、図１２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ない、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の開口部
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。これは、バーナプレート
Ｐの炎口Ｈの配列が、図７に示すように全面において均
等に配置されているため、バーナプレートＰより噴出す
る混合気の圧力分布が、中央部において高くなるからで
ある。以下、この理由について、不完全燃焼の進行に伴
う火炎の状態と熱電対ＴＣの出力との関連において、図
１３を用いて詳しく説明する。

【０００７】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Ｔ
Ｃ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
開口部に保炎され、熱電対ＴＣの出力が低い値に安定す
る。尚、筒状ガードＧ先端開口部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
本発明の第一の燃焼安全装置は、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
記バーナプレートは、複数の炎口を多角形の頂点上に配
置させて炎口群とし、該炎口群を複数組設けることによ
り、燃焼用空気の供給量不足時に一定パターンの火炎群
を形成することを要旨とする。

【００１１】

【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（燃料ガス＋
燃焼用空気）の噴出速度とのバランスで決まる。正常時
には、各炎口毎に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
は燃料ガス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。このリフト開始時においては、火炎は
不安定になりやすいが、本発明の燃焼安全装置において
は、バーナプレートに複数の炎口を多角形の頂点上に配
置させて炎口群とし、その炎口群を複数組設けることに
より火炎群を発生させるため、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、リフトしている火
炎群と他のリフトしない領域（保炎部分）とが明確に区
分けされて、全体として非常に安定した燃焼状態が作ら
れる。そのため従来にみられた火炎のバタつきが小さく
なり、熱電対は非常に安定した状態で加熱される。従っ
て、熱電対の出力は安定する。そして、風量不足がさら
に進むと、バーナプレートに保炎されてリフトしていな
かった領域（火炎群以外）の火炎もリフトして筒状ガー
ドの先端開口部でブンゼン燃焼により保炎する。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】

【００１５】尚、火炎群を発生させるための炎口の配列
は種々のパターンがあり、実施例にて具体的に後述す
る。

【００１６】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明確
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
ーナに隣り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を形成した
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。ここで、本実施例のバーナプレート５は、
例えば図２（ア）に示すように正六角形の頂点に合計６
個の炎口４を設けて一つの炎口群１８とし、それらの複
数の炎口群１８をハチの巣状に規則正しく配置して全体
の炎口を構成している。燃焼時には、そのパターン化さ
れた炎口群により確実に火炎群が生じるように工夫がさ
れていることが、従来技術と大きく異なる。尚、前述し
たように（図７参照）従来のバーナプレートＰの炎口Ｈ
の配列は全面に均等に配置されている。

【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。

【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
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１０
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１０に示す）から火移りしてバーナプレート
５表面上で火炎を形成する。この場合、火炎の周りを囲
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、バーナプレート５の
火炎は、図８（ア）に示すように各炎口毎に短い火炎が
生じた状態から、同図（イ）に示すように火炎群が形成
されて各々の火炎群が長くなった状態に変化する。これ
は、バーナプレート５の炎口群に生じた火炎群が、それ
ぞれ燃焼速度が遅くなることによりリフトするからであ
る。尚、図２（イ）に示す様に、火炎群１９はバーナプ
レート５を平面にしてながめると、正六角形の炎口群１
８（炎口６個）を一単位として形成されるが、燃料ガス
の条件等によっては図２（ウ）に示す様に、その炎口群
１８間にも火炎群１９が形成される場合がある。火炎群
が形成される理由は、例えば図２（イ）に示す様な正六
角形の炎口群１８に生ずる火炎群１９については、次の
様に考えられる。正六角形の各炎口群１８の炎口６個の
うち筒状ガード７の近傍にある各３個の炎口２４は、こ
れに沿うように混合気が噴出する。このため、その３個
を含む炎口群１８（炎口６個）の中心は、燃焼気が循環
しにくく保炎しにくいと考えられる。その結果、そのま
わりの無炎口部が反対に保炎部となり、上記箇所を中心
に火炎群１９が形成されることになる。即ち、筒状ガー
ド７周辺の炎口２４が引金になり、火炎−保炎−火炎と
いう一定のパターンが繰り返されて、安定した火炎群１
９が形成されると思われる。さて図８（イ）に示す様な
状態になると、熱電対１０は内炎に加熱されるようにな
るため出力は安定した低い値に変化する。

【００２１】風量低下がもう少し進んで所定のレベル以
下になると、図８（ウ）に示す様に、火炎がバーナプレ
ート５から筒状ガード開口部８にリフトして保炎する。
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。従って、熱電対１０の出力も低いレベルで非常
に安定することとなる。

【００２２】図９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λ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。つまり、バーナプレート
５の火炎群の形成による燃焼のため、不完全燃焼初期の
リフト炎の形成が素早く、しかも火炎形状及び燃焼が従
来の燃焼安全装置に比較して、非常に安定している。即
ち、本発明の燃焼安全装置は、リフトし始めてからは筒
状ガード開口部８に容易に保炎されやすく、しかもリフ
ト途中期間（点Ａから点Ｂ）が短くなるばかりでなくそ
の間の火炎変化が安定しているので、空気比λ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のである。

【００２３】一方、室内の酸素濃度が低下した場合に
は、風量（空気比λ）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。即ち、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開口部８で保炎
された後は早めに失火する。

【００２４】次に、燃焼安全装置の他の実施例について
説明する。第２実施例は、これも従来技術とはバーナプ
レートの炎口に違いがあり、図４（ア）に示す様にバー
ナプレート４０は、先の実施例で示した正六角形の頂点
の６個の炎口に加えてその中心にもう１個炎口を設け合
計７個で一つの炎口群４８とし、それらの複数の炎口群
４８を規則正しく配列したものである。他の構成は、第
１実施例と同様である。従って、これも同様に図４
（イ）に示す様に、その炎口群４８（炎口７個）毎に火
炎群４９が形成される。

【００２５】第３実施例は第１実施例の変形で、図３に
示す様にバーナプレート５（図２参照）の配列違いであ
る。中央部に炎口があって、それを中心にハチの巣状に
炎口群が配列されているが、この場合も 不完全燃焼初
期時から形成された火炎群がリフトして安定した火炎を
形成する。第４実施例は第２実施例の変形で、図５に示
す様にバーナプレート４０（図４（ア）参照）の炎口群
４８どうしの間隔を大きくしたものである。この場合も
第２実施例と同様に火炎群が形成される。さらに第５実
施例として、例えば図６に示す様に炎口群を形成する多
角形が六角形ではなく平行四辺形であって、その頂点と
頂点間に炎口を設け合計９個の炎口で炎口群６８とし
て、その複数個を規則正しく配列した例もある。同様に
火炎群が形成される。（図４（イ）参照）

【００２６】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１０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
３４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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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
基ずく制御は、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。

【００３０】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なく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々なる態様
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。

【００３１】

【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、一部の火炎がリフトする
弱い空気供給量不足のときであっても、バーナプレート
上に一定パターンの火炎群が形成されることにより、全
体の火炎はリフトする領域（火炎群）とリフトしない領
域とに区分けされて火炎のバタつきが小さくなり、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、熱電対の出力が安定する。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。

【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】第１実施例のバーナプレートの形状及び火炎の
説明図（平面図）である。

【図３】第３実施例のバーナプレートの形状図（平面
図）である。

【図４】第２実施例のバーナプレートの形状及び火炎の
説明図（平面図）である。

【図５】第４実施例のバーナプレートの形状図（平面
図）である。

【図６】第５実施例のバーナプレートの形状図（平面
図）である。

【図７】従来のバーナプレートの形状図（平面図及び断
面図）である。

【図８】風量低下時における火炎の状態及び熱電対の出
力を表す説明図である。

【図９】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１０】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１１】従来の燃焼安全装置の概略構成図である。

【図１２】先に提案した燃焼安全装置の概略構成図であ
る。

【図１３】先に提案した燃焼安全装置の風量低下時にお
ける火炎の状態及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 ４，Ｈ 炎口 ５，４０，Ｐ 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 5/24 104 F23N 5/24 108

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、 上記バーナプレートは、複数の炎口を多角形の頂点上に
   配置させて炎口群とし、該炎口群を複数組設けることに
   より、燃焼用空気の供給量不足時に一定パターンの火炎
   群を形成することを特徴とする燃焼安全装置。