JP3596795B2 - ガス湯沸器の不完全燃焼防止装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内胴スカートの上側に設けた熱交換器をバーナにより加熱するようにしたガス湯沸器に使用する不完全燃焼防止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス湯沸器の不完全燃焼防止装置としては、例えば実開昭５６−７２０５４号公報に開示されているように、口火バーナで加熱されることにより熱起電力を発生する正バイアス熱電対によりバーナに燃料ガスを供給する電磁ガス弁を開状態に維持するようにすると共に、燃焼室内の一部に設けた逆バイアス熱電対を正バイアス熱電対回路内に直列に接続し、また燃焼室の一部に形成した燃焼室内圧力の取出口に取り付けた圧力検出管他端の噴出口を正バイアス熱電対に望ませたものがある。
【０００３】
ガス湯沸器を室内に設置した場合には、換気不充分な状態で使用し続けて室内の酸素濃度が低下すると不完全燃焼状態となり、これに伴い口火バーナの炎にリフトを生じる。上述の不完全燃焼防止装置では、このリフトにより熱電対の温度が低下して熱起電力が減少する現象を利用して、電磁ガス弁を閉じバーナへの燃料ガスの供給を停止して酸欠による不完全燃焼を防止している。
【０００４】
また、内胴スカートの上側に設けた熱交換器などに詰まりが生じて燃焼用空気量が不足すると、設置環境内の酸素濃度が正常でも不完全燃焼を生じるが、この場合にはバーナの炎にリフトを生じないので、上述した正バイアス熱電対だけでは、このような原因による不完全燃焼を防止することはできない。しかしこのような詰まりが生じると内胴スカート内の圧力が上昇すると共に温度が上昇するので、上述の不完全燃焼防止装置では圧力検出管の噴出口から正バイアス熱電対に向けて排ガスが噴出し、正バイアス熱電対は冷却されまた口火から遠ざけられる。これにより正バイアス熱電対の熱起電力は低下し、同時に逆バイアス熱電対の逆起電力が増大して正バイアス熱電対の熱起電力を打ち消すので、電磁ガス弁を閉じて不完全燃焼を防止している。
【０００５】
上記技術は一応の機能を満足しているが、熱電対はある程度の熱容量を有しているので加熱及び冷却に遅れを生じ、このため応答に遅れを生じるという問題がある。またこの熱電対は口火バーナへの不着火を検出する機能も兼用させているが、熱電対による不着火の検出にはある程度（例えば１０秒）の時間遅れを伴うので、不着火の場合には未燃焼ガスの放出時間が長くなるという問題がある。これを解消するために、バーナへの不着火の検出を熱電対とは別に設けたフレームロッドにより炎電流を検出して行うことも行われているが、熱電対とフレームロッドの両方を用いているのでコスト高になる問題がある。
【０００６】
このような各問題を解決するために、出願人は先に特願平８−３２８５２２号に係る発明を提案した。これはメインバーナの一部の炎口の上方に炎を検出するフレームロッドを設けると共に、上端部が熱交換器の下側において内胴スカート内に開口され下部にフレームロッドを設けた炎口に向かって開口された戻し管部を備えた還流管を設けたものである。この技術によれば、室内の酸素濃度が低下した場合には不完全燃焼状態となって炎にリフトを生じ、また熱交換器に詰まりを生じた場合には内胴スカート内上部の圧力が上昇して燃焼廃ガスが還流管を通って炎口付近に戻されるので、その炎口に生じる炎にリフトを生じ、何れの場合にもフレームロッドを通る炎電流が減少する現象を利用してガス電磁弁を閉じて不完全燃焼を防止することができる。また時間遅れなしに不着火を検出することができる。
【０００７】
この特願平８−３２８５２２号の発明では、バーナへの着火の際に内胴スカート内の圧力が瞬間的に増大して還流管からフレームロッドを設けた炎口に戻される燃焼廃ガスの流れが急激に増大し、炎に一時的なリフトを生じさせてガス電磁弁を閉じるおそれがある。このような問題を解決するために、この技術では、図３に示すように、下方に延びる還流管１３の本体部１３ａの下端を外部に解放し、その途中からフレームロッドを設けた炎口に向かって開口される戻し管部１３ｂを分岐させ、着火直後の瞬間的な圧力増大により還流管１３内に生じる燃焼廃ガスの急激な流れを慣性により主として本体部１３ａの下端の開口から外部に排出させ、戻し管部１３ｂから炎口に向かう燃焼廃ガスの量が少なくなるようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
最後に述べた技術では、図５及び図６に示すように、戻し管部１３ｂへの分岐部から本体部１３ａ下端の開口までの距離Ｌ（図３参照）がその作用に大きな影響を及ぼす。図５及び図６の（ａ） は、コールドスタート時（ガス湯沸器を冷却状態から起動した場合）における点火開始からの経過時間に対する炎電流の変化を示し、図５及び図６の（ｂ） は、定常状態における燃焼廃ガス通路（例えば熱交換器のフィン部分）の通路面積の閉塞率に対する炎電流の変化を示すものである。前述の距離Ｌを大きく（例えば本体部１３ａの内径が１１．５ｍｍに対し距離Ｌが５５ｍｍ）すれば、定常状態では図５（ｂ） に示すように、この閉塞率が４０％弱のところで炎電流は判定値Ｉ_０迄低下してガス電磁弁を閉じ、この作動は適切である。しかしコールドスタート時の着火直後に生じる炎電流の極小値は、図５（ａ） に示すようにこの閉塞率が実用上まだ差し支えない２０％程度でも判定値Ｉ_０に接近し、ガス電磁弁を閉じてガス湯沸器の作動を停止させてしまう。
【０００９】
これは戻し管部１３ｂへの分岐部から下側となる本体部１３ａの抵抗が大きいため、着火直後における戻し管部１３ｂ側への燃焼廃ガスの流れが多くなるためと考えられる。そこでこのこの部分の抵抗を減少させるために距離Ｌを小さく（例えば上述の例で距離Ｌが１５ｍｍ）すれば、コールドスタート時の着火直後に生じる炎電流の極小値は、図６（ａ） に示すように燃焼廃ガス通路の通路面積の閉塞率が４０％弱のところで判定値Ｉ_０迄低下してガス電磁弁を閉じるようになり、この作動は適切である。しかし定常状態では図６（ｂ） に示すように、この閉塞率が４０％を遥か越えても炎電流は判定値Ｉ_０迄低下せず、従ってガス電磁弁は閉じられず、ガス湯沸器は不完全燃焼のまま作動を継続することになる。
【００１０】
本発明は、還流管の形状を工夫することにより、定常時には所定の閉塞率で炎電流を所定の判定値迄低下させてガス電磁弁を閉じ、またコールドスタート時に着火直後に生じる炎電流の極小値が低くなり過ぎないようにして、このような問題を解決することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるガス湯沸器の不完全燃焼防止装置は、内胴スカートと、この内胴スカートの上側に連続して設けた熱交換器と、内胴スカートの下部に設けたバーナを備えてなり、熱交換器内を通る給水をバーナにより加熱するようにしたガス湯沸器に関するものであり、バーナの炎口の一部の上方で正常な燃焼状態において同炎口に生成される炎内に位置するフレームロッドと、このフレームロッドに電圧を印加して同フレームロッドを通る炎電流を検出しこの炎電流が所定の判定値以下であればバーナに燃料ガスを供給するガス電磁弁を閉じるバーナコントローラと、上端部が熱交換器の下側において内胴スカート内に開口され下部にフレームロッドを設けた炎口に向かって開口された燃焼廃ガスの戻し管部を有する還流管を備え、この還流管はその上端部からほゞ真直に下方に延びる本体部と、この本体部の下端部に連続して設けられてその下端が内胴スカートの外側において解放された大径管部と、本体部と大径管部の連結部付近から分岐された戻し管部よりなることを特徴とするものである。
【００１２】
戻し管部は還流管の本体部と大径管部の連結部付近から分岐されており、この分岐部よりも下側となる還流管の抵抗は小さい。着火直後の瞬間的な圧力増大により還流管内に生じる燃焼廃ガスの流れは急激であり、慣性により本体部の下端から大径管部を通って外部に排出されるが、分岐部より下側では殆ど抵抗を受けることがないので、戻し管部からフレームロッドを設けた炎口に向かって流れる燃焼廃ガスの量は僅かである。従ってこの場合には、その炎口に生じる炎のリフトは僅かであり、検出される炎電流の減少も僅かである。一方、定常状態では、燃焼廃ガス通路の通路面積の閉塞率の増大に伴う内胴スカート内の圧力の増大による還流管の本体部から大径管部に向かう燃焼廃ガスの流れは穏やかであり、大径管部内に高温で密度が小さい燃焼廃ガスが溜まって戻し管部への分岐部付近の圧力を高め、戻し管部を通ってフレームロッドを設けた炎口に向かって流れる燃焼廃ガスの量は、閉塞率の増大に応じて増大する。従ってこの場合には、その炎口に生じる炎のリフトは閉塞率の増大に応じて増大し、検出される炎電流はこれに応じて減少する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
添付図面は、本発明をガス瞬間湯沸器に適用した場合の実施の形態を示す。
図１に示すように、ガス瞬間湯沸器の燃焼室１４を形成する内胴スカート１０の上側には、伝熱管１２ａとフィン１２ｂよりなる熱交換器１２が設けられ、下側にはメインバーナ２０が設けられている。伝熱管１２ａの入口側は内胴スカート１０の外側に巻き付けられた予熱管１１を介して給水管１５に接続され、出口側に接続された給湯管１６には給湯栓１７が設けられている。給水管１５には、給水量が所定量を越えればロッド１８ａを移動させて後述する水圧応動弁２８及び水流スイッチ３１を作動させるダイアフラムを使用した水側制御器１８が設けられている。図示は省略したが、水側制御器１８には給水管１５から熱交換器１２への流量を手動調節して出湯温度を調節する手動弁が設けられている。
【００１４】
図１に示すように、メインバーナ２０は３個のバーナユニット２１を連結したもので、ガス電磁弁２６、能力調整弁２７及び水圧応動弁２８を直列に設けたガス供給管２５を介して燃料ガスが供給されている。ガス電磁弁２６はバーナコントローラ３０から作動コイル２６ａに与えられる電流により開閉制御されるものであり、能力調整弁２７は手動により調整することによりメインバーナ２０へのガス供給量を調整して湯沸器の出湯能力を変えるものである。水圧応動弁２８は熱交換器１２に所定量以上の給水があれば開となるように前述した水側制御器１８のロッド１８ａにより開閉されるものである。水圧応動弁２８が開くとほゞ同時に、ロッド１８ａに設けたカム１８ｂは水流スイッチ３１をオンにする。
【００１５】
各バーナユニット２１は板金製で、図１及び図２に示すように、それぞれ２列に配置された多数の炎口２２を有しており、各炎口２２は仕切板２２ａにより仕切られている。熱交換器１２の下側において内胴スカート１０の側壁に設けた穴を介して上端部が燃焼室１４の上部に開口された還流管１３の本体部１３ａは内胴スカート１０の側壁の外側に沿って真直に下方に延び、その下端部に連結された大径管部１３ｃの下端の開口を介してガス湯沸器内の大気中に解放されている。大径管部１３ｃに連結される本体部１３ａの下端部から分岐された戻し管部１３ｂは内胴スカート１０の下部に形成した切欠きを通り抜けて、フレームロッド３８が挿入される炎を形成する炎口２２に向かって斜めに開口されている。このフレームロッド３８は、その先端部が正常な燃焼状態において炎口２２に生成される炎内に入る高さとなるように絶縁体３８ａにより支持されている。
【００１６】
戻し管部１３ｂは、本体部１３ａに連結される根元部を除き、断面形状が横長の長方形となるように変形され、その中心面の高さは炎口２２を形成するバーナユニット２１の上端と一致している。還流管１３の寸法の１例をあげれば、本体部１３ａは内径が１１．５ｍｍ、長さが１６６ｍｍであり、その下端部には内径が２３ｍｍで長さが４４ｍｍの大径管部１３ｃが同軸的に連結され、戻し管部１３ｂは本体部１３ａ下端部で大径管部１３ｃの上端から１２ｍｍほど上となる位置から分岐されている。
【００１７】
バーナコントローラ３０は、熱交換器１２に所定量以上の給水がなされて水流スイッチ３１がオンになれば、予め定められたシーケンスに基づいて作動コイル２６ａに電流を流してガス電磁弁２６を開き、点火装置（図示省略）を作動させてメインバーナ２０から噴出する燃料ガスに着火してガス湯沸器を作動させるものである。バーナコントローラ３０はまた、フレームロッド３８に所定の電圧を印加してフレームロッド３８を通る炎電流を検出し、この炎電流が所定の判定値以下であれば作動コイル２６ａへの電流を停止してガス電磁弁２６を閉じ、ガス湯沸器を停止させる。
【００１８】
次に上記実施の形態の作動の説明をする。給湯栓１７を開き給水管１５を通る給水が所定量を越えれば、水圧応動弁２８が開くと同時に水流スイッチ３１がオンとなってバーナコントローラ３０は作動を開始し、ガス電磁弁２６を開き、メインバーナ２０から噴出する燃料ガスに着火し、燃焼が安定する小時間経過後フレームロッド３８を通る炎電流を検出してから点火装置の作動を停止する。検出された炎電流が所定の判定値以下であれば着火ミスあるいは何らかの原因により燃焼状態が不良であると判断し、作動コイル２６ａに対する電流を停止してガス電磁弁２６を閉じ、メインバーナ２０への燃料ガスの供給を停止してガス湯沸器の作動を停止させる。
【００１９】
メインバーナ２０に正常に着火された場合は、フレームロッド３８を通る炎電流は所定の判定値以上であるので、ガス電磁弁２６は開かれたままでガス湯沸器は作動を継続し、熱交換器１２を通る給水はメインバーナ２０により加熱されて給湯栓１７から出湯される。給湯栓１７を閉じれば水圧応動弁２８が閉じると同時に水流スイッチ３１がオフとなって、ガス湯沸器は作動を停止する。作動状態において、ガス湯沸器が設置された環境の空気中の酸素濃度が低下したり、あるいは燃焼用空気の通路に詰まりを生じて燃焼用空気量が不足したりすると不完全燃焼を生じる。以下にそれぞれの場合の作動につき説明する。
【００２０】
先ず、燃焼用空気の通路に詰まりはないが、充分な換気をすることなくガス湯沸器の使用を続けるなどにより、周囲の空気中の酸素濃度が低下した場合における不完全燃焼防止作用の説明をする。周囲の酸素濃度が次第に減少するのに応じてメインバーナ２０の炎口２２に生成される炎にリフトが生じ、炎の根元部に生じる未燃焼ガス部分の長さが次第に増大する。これにより正常な燃焼状態では燃焼している炎内にあったフレームロッド３８の先端部が次第に未燃焼ガス部分内に移るので、炎電流は次第に減少し、その値が所定の判定値Ｉ_０以下となればバーナコントローラ３０は作動コイル２６ａに対する電流を停止してガス電磁弁２６を閉じ、メインバーナ２０への燃料ガスの供給を停止してガス湯沸器の作動を停止させる。この判定値Ｉ_０は例えば１μＡであり、そのときの比率ＣＯ／ＣＯ_２ の値は例えば０．０３５である。空気中の酸素濃度が低下した場合の不完全燃焼の防止はこのようにしてなされる。なおこの場合には、還流管１３を通る燃焼廃ガスの流れは実質的に生じない。
【００２１】
次に、空気中の酸素濃度は正常であるが、内胴スカート１０の上側に設けた熱交換器１２のフィン１２ｂに燃焼生成物などによる詰まりが生じ、空気の流れが悪くなって燃焼用空気量が不足した場合の不完全燃焼防止作用の説明をする。このような詰まりなどによる燃焼廃ガス通路の通路面積の閉塞率が増大するにつれて内胴スカート１０と熱交換器１２とメインバーナ２０の間に形成される燃焼室１４内の上部の圧力が次第に上昇するが、還流管１３を設けていない従来のものでは、熱交換器１２などの詰まりにより不完全燃焼が生じても、炎口２２に生じる炎は殆どリフトしない。しかし図１に示すような還流管１３を設けた上記実施の形態では、このような閉塞率が増大して燃焼室１４内上部の圧力が上昇するにつれて、実線の矢印に示すように還流管１３の本体部１３ａから戻し管部１３ｂを通ってフレームロッド３８を設けた炎口２２付近に戻される燃焼室１４内上部の燃焼廃ガスは、この閉塞率が増大するにつれて次第に増加する。これによりその炎口２２付近の燃焼用空気の酸素濃度が減少するので、その炎口２２に生成される炎は次第にリフトし、炎の根元部に生じる未燃焼ガス部分の長さが次第に増大する。これにより、前述の場合と同様、正常な燃焼状態では燃焼している炎内にあったフレームロッド３８の先端部が次第に未燃焼ガス部分内に移るので、図４（ｂ） に示すように、フレームロッド３８を通る炎電流は次第に減少する。バーナコントローラ３０はこの炎電流の値が所定の判定値Ｉ_０以下となれば作動コイル２６ａに対する電流を停止し、メインバーナ２０への燃料ガスの供給を停止してガス湯沸器の作動を停止させる。
【００２２】
この作用を更に詳しく説明すれば、このような定常状態においては、閉塞率の増大に伴う内胴スカート１０内の圧力の増大による還流管１３の本体部１３ａから大径管部１３ｃに向かう燃焼廃ガスの流れは穏やかであり、大径管部１３ｃ内には周囲の外気よりも高温で密度が小さい燃焼廃ガスが溜まる。これにより、外気に開口される大径管部１３ｃの下端から上に進むつれて大径管部１３ｃ及び本体部１３ａ内と外気との圧力差は増大する。この圧力差により、燃焼室から還流管１３の本体部１３ａに流れる燃焼廃ガスは、相当量が戻し管部１３ｂを通ってフレームロッド３８を設けた炎口２２に向かって流れ、残りが大径管部１３ｃの下端から外部に排出される。この戻し管部１３ｂを通る燃焼廃ガスの量は閉塞率の増大に応じて増大し、検出される炎電流はこれに応じて減少し、これが所定の判定値Ｉ_０以下となればバーナコントローラ３０がガス湯沸器の作動を停止させるものである。この判定値Ｉ０は本実施例では１μＡであるが、還流管１３の形状寸法、特に戻し管部１３ｂへの分岐部から大径管部１３ｃの下端までの寸法を調整することにより、ガス湯沸器の作動を停止させる熱交換器１２のフィン１２ｂの閉塞率を適当に選択することができる。熱交換器１２に詰まりを生じた場合の不完全燃焼の防止はこのようにしてなされる。
【００２３】
次に、バーナへの着火により内胴スカート１０内の圧力が瞬間的に増大することにより還流管１３に戻される燃焼廃ガスによる炎電流の変化の説明する。図４（ａ） は、燃焼廃ガス通路の通路面積の閉塞率がそれぞれ異なる場合における、コールドスタート時の炎電流の時間的変化を示す図であり、ガス湯沸器の作動開始時に燃料ガスに着火されれば急激に増加してから、閉塞率が０％の場合を除き一旦減少し、再び増加して定常状態の値に収れんする。図３の場合における同様な変化を示す図５（ａ） に比して、図４（ａ） では一旦減少する際の極小値が大きくなっており、閉塞率が３０％近くになるまでは、この極小値が判定値Ｉ_０に達してバーナコントローラ３０がガス湯沸器の作動を停止させることはない。
【００２４】
このように炎電流の極小値が大きくなるのは、戻し管部１３ｂは還流管１３の本体部１３ａ下端部の大径管部１３ｃへの連結部付近から分岐されており、この分岐部から下側となる還流管１３の抵抗は小さいためと考えられる。着火直後の瞬間的な圧力増大により還流管１３内に生じる燃焼廃ガスの流れは急激であり、慣性により本体部１３ａの下端から大径管部１３ｃを通って外部に排出されるが、分岐部より下側では殆ど抵抗を受けることがないので、戻し管部１３ｂからフレームロッド３８を設けた炎口２２に向かって流れる燃焼廃ガスの量は僅かである。従って、フレームロッド３８を設けた炎口２２に生じる炎の一時的リフトは少なくなり、炎電流が一時的に減少する際の極小値が大きくなるためと考えられる。
【００２５】
この極小値は、大径管部１３ｃの内径を大きくすることにより、あるいは大径管部１３ｃの上部から戻し管部１３ｂを分岐することにより更に大きくすることができる。一方、戻し管部１３ｂに流れる燃焼廃ガスの比率は、外気に開口される大径管部１３ｃの下端から戻し管部１３ｂへの分岐部までの距離が大きくなるほど多くなる。従ってこれらの寸法を変えることにより、定常状態及び着火直後のそれぞれにおいてガス湯沸器が作動を停止する際の閉塞率を調整することができる。
【００２６】
以上の実施の形態は、点火栓によりメインバーナに直接着火する方式のガス湯沸器に本発明を適用した例につき説明したが、本発明はパイロットバーナによりメインバーナに着火する方式のガス湯沸器に適用することも可能であり、その場合にはフレームロッドをパイロットバーナに設け、還流管１３の戻し管部１３ｂはこのパイロットバーナに向けるようにしてもよい。また本発明は、上記実施の形態のように先止め式のガス湯沸器にかぎらず、元止め式のガス湯沸器に適用することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、定常状態では、検出される炎電流は燃焼廃ガス通路の通路面積の閉塞率の増大に応じて減少し、これが所定の判定値以下となればガス電磁弁を閉じてバーナへの燃料ガスの供給を停止するので、ガス湯沸器の不完全燃焼を防止することができる。また着火直後には、内胴スカート内の瞬間的な圧力増大により生じる炎電流の減少は僅かであるので、着火直後の一時的な炎電流の減少によりガス電磁弁を閉じてガス湯沸器の作動を停止させることはなくなる。なおバーナへの着火がなされなかった場合には、直ちにこれに応答してバーナへの燃料ガスの供給を停止するので、不着火の場合の未燃焼ガスの放出時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス湯沸器の不完全燃焼防止装置の一実施形態の全体構造を示す図である。
【図２】図１の２−２線に示す部分拡大上面図である。
【図３】先願技術における還流管の下部構造の１例を示す図である。
【図４】図１に示す実施形態の、作動開始からの炎電流の時間的変化特性及び閉塞率に対する炎電流の変化特性を示すである。
【図５】図３に示す先願技術のある数値例における図４に対応する特性図である。
【図６】図３に示す先願技術の別の数値例における図４に対応する特性図である。
【符号の説明】
１０…内胴スカート、１２…熱交換器、１３…還流管、１３ａ…本体部、１３ｂ…戻し管部、１３ｃ…大径管部、２０…バーナ（メインバーナ）、２２…炎口、２６…ガス電磁弁２６、３０…バーナコントローラ、３８…フレームロッド。

Claims (1)

1. 内胴スカートと、この内胴スカートの上側に連続して設けた熱交換器と、前記内胴スカートの下部に設けたバーナを備えてなり、前記熱交換器内を通る給水を前記バーナにより加熱するようにしたガス湯沸器において、前記バーナの炎口の一部の上方で正常な燃焼状態において同炎口に生成される炎内に位置するフレームロッドと、このフレームロッドに電圧を印加して同フレームロッドを通る炎電流を検出しこの炎電流が所定の判定値以下であれば前記バーナに燃料ガスを供給するガス電磁弁を閉じるバーナコントローラと、上端部が前記熱交換器の下側において前記内胴スカート内に開口され下部に前記フレームロッドを設けた前記炎口に向かって開口された燃焼廃ガスの戻し管部を有する還流管を備え、この還流管は前記上端部からほゞ真直に下方に延びる本体部と、この本体部の下端部に連続して設けられてその下端が内胴スカートの外側において解放された大径管部と、前記本体部と大径管部の連結部付近から分岐された前記戻し管部よりなることを特徴とするガス湯沸器の不完全燃焼防止装置。

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