JP3757053B2

JP3757053B2 - ガス燃焼装置

Info

Publication number: JP3757053B2
Application number: JP06071198A
Authority: JP
Inventors: 義典田中; 正登近藤; 卓二重岡
Original assignee: 株式会社ガスター
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: JPH11241820A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサの検出情報から目詰まりを検出できる燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス給湯装置等のガス燃焼装置は、燃焼部と、この燃焼部での燃焼熱を受ける熱交換部と、この燃焼部に燃焼空気を供給するファンと、燃焼部とファンを制御する制御手段とを、主要構成要素として備えている。この制御手段は、熱交換部で要求される熱量に対応して、燃焼部への供給ガス量を制御し、この供給ガス量に見合った風量が得られるように上記ファンへの投入電力を制御している。
【０００３】
上記燃焼装置において、燃焼部の上流側における燃焼空気の通路や、燃焼部の下流側における排気ガスの通路に目詰まりがあると、燃焼が不完全になる欠点がある。そのため、例えばファン回転数を検出し、この検出回転数がファンへの投入電力に対応する値を示さないときには、目詰まりと判断して、必要な処置を講じるようにした装置が開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記燃焼装置では、ファン回転数を検出する高価なセンサを必要とし、コストアップの要因となる。
また、ＣＯセンサを排気経路に設置して、ＣＯ濃度を検出する装置も開発されている。このＣＯ濃度は通路の目詰まりに対応して発生することが多いので、目詰まり検出と考えることができるが、ＣＯ濃度は、目詰まり以外でも発生することがあり、目詰まりに厳密に対応するものではない。また、ガス供給量が少なく、それに対応してファンによる風量が少ない時には、ＣＯ濃度も低いので、ＣＯセンサの検出出力が不安定になり、目詰まり検出が実質的に不可能である。
さらに、燃焼空気や排気ガスの風量を検出する風量センサを用い、この検出風量とファンへの導入電力と比較することも考えられるが、この風量センサも比較的高価なものであり、コストアップの要因となる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃焼部と、この燃焼部での燃焼熱を受ける熱交換部と、この燃焼部に燃焼空気を供給するファンと、燃焼部に供給されるガス供給量を制御するとともに、このガス供給量に見合う風量を得るための電力でファンを駆動する制御手段とを備えたガス燃焼装置において、さらに、熱交換部の下流側に設置された温度センサと、検出手段を備え、この検出手段は、上記ガス供給量と熱交換部での消費熱量と上記温度センサで検出される排気温度に基づいて、供給ガスに対する空気の過剰率を演算し、この空気過剰率から燃焼空気および排気ガスの通路の目詰まりを検出することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のガス燃焼装置において、上記検出手段は、上記ガス供給量のガスが完全燃焼した時に発生する燃焼熱量と、上記消費熱量に基づいて、熱効率を演算し、この熱効率と排気温度に基づいて空気過剰率を演算することを特徴とする。
【０００６】
請求項３の発明は、燃焼部と、この燃焼部での燃焼熱を受ける熱交換部と、この燃焼部に燃焼空気を供給するファンと、燃焼部に供給されるガス供給量を制御するとともに、このガス供給量に見合う風量を得るための電力でファンを駆動する制御手段とを備えたガス燃焼装置において、さらに、熱交換部の下流側に設置された温度センサと、検出手段を備え、この検出手段は、上記ガス供給量と熱交換部での消費熱量とから、上記ファンへの投入電力に対応する風量で実現されるべき予想排気温度を演算し、この予想排気温度と上記温度センサで検出される排気温度との差に基づいて、燃焼空気および排気ガスの通路の目詰まりを検出することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載のガス燃焼装置において、上記検出手段は、上記ガス供給量のガスが完全燃焼した時に発生する燃焼熱量と、上記消費熱量に基づいて、熱効率を演算し、この熱効率と予め設定された目標空気過剰率とから、上記予想排気温度を演算することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のガス燃焼装置において、上記熱交換部には給湯用配管が通り、この配管にはフローセンサが設けられるとともに、熱交換部の上流側と下流側にそれぞれ温度センサが設けられ、これら温度センサで検出される温度情報とフローセンサで検出される流量とで、上記熱交換部での消費熱量を演算することを特徴とする。
【０００７】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のガス燃焼装置において、上記温度センサはＣＯセンサからなり、このＣＯセンサは、センサ素子と温度補償素子とを有し、このセンサ素子は、電流の供給を受けて発熱した状態で、触媒によりＣＯの接触燃焼を生じせしめ、その抵抗値がＣＯ濃度と上記排気ガス温度の情報を含んでおり、上記温度補償素子の抵抗値は排気ガス温度情報を含んでおり、上記検出手段は、上記センサ素子の抵抗値情報と上記温度補償素子の抵抗値情報に基づきＣＯ濃度を検出するとともに、温度補償素子の抵抗値情報に基づいて、上記目詰まりを検出することを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６に記載のガス燃焼装置において、上記ＣＯセンサは、空気の通過を許容するが、外部の空気の流れを内部空間に生じさせないようにその通過を制限するフードを有し、このフード内に上記センサ素子と温度補償素子が収容され、温度補償素子は、電流の供給を受けて発熱し、その抵抗値が排気ガス温度情報を含むことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。図１に示すように、燃焼装置は、装置本体１０と、この装置本体１０を収容するハウジング２０とを備えている。
装置本体１０は、ケーシング１１の下部に収容されたガスバーナ１２（燃焼部）と、その上部に収容された熱交換部１３と、ケーシング１１の底部に設けられたファン１４とを、主要構成要素として備えている。
【０００９】
ガスバーナ１２のガス導入口にはガスノズル１５が対峙しており、このガスノズル１５には、開閉弁１６ａと比例弁１６ｂとを設けたガス管１６が接続されている。したがって、ガスバーナ１２のガス導入口には、ガスノズル１５からのガスと、上記ファン１４からの燃焼空気が供給されるようになっている。
上記熱交換部１３には給湯用の配管１７が通っており、その末端には給湯栓（図示しない）が設けられている。この配管１７には、フローセンサ１８と、入水温度を検出する入水温度センサ１９ａと、出湯温度を検出する出湯温度センサ１９ｂが設けられている。
【００１０】
上記ケーシング１１の上部には排気部１１ａ（排気経路）が形成されている。この排気部１１ａはハウジング２０を貫通しており、ここに煙突２５が取り付けられている。
上記ハウジング２０の吸気口には、フィルタ２１が設けられている。また、ハウジング２０内には制御ユニット３０が収容されている。
【００１１】
上記燃焼装置の一般的な作用を説明する。給湯用配管１７の末端に設けられた給湯栓が開かれた時に、フローセンサ１８が水流を検出し、上記制御ユニット３０は、これに応答してファン１４を駆動するとともに、開閉弁１６ａを開いてガスを供給し、これと同時に点火動作を行う。これにより、バーナ１２での燃焼を実行し、この燃焼熱を受ける熱交換部１３で給湯用配管１７を通る水を加熱し、給湯栓から湯を吐出する。
【００１２】
上記給湯の際、制御ユニット３０は、出湯温度がリモートコントローラ（図示しない）で設定された温度になるように、燃焼制御を行う。詳述すると、フローセンサ１８で検出される流量と、入水温度センサ１９ａで検出される入水温度と設定温度とに基づき、フィードフォワード制御成分を演算し、出湯温度センサ１９ｂで検出される出湯温度と設定温度に基づきフィードバック制御成分を演算し、両者の和に基づき比例弁１６ｂへの供給電流（ガス供給量）を制御する。
【００１３】
また、制御ユニット３０は、上記ガス供給量に見合う風量を得るための電力でファン１４を制御する。燃焼用空気はハウジング２０の吸気用フィルタ２１を通る過程で塵埃を除去され、ファン１４によって吸い込まれ、バーナ１２での燃焼に供される。バーナ１２で発生した燃焼排気ガスは、熱交換部１３を通り排気部１１ａを通り、煙突２５から排出される。上記フィルタ２１や熱交換部１３での目詰まりがなく燃焼用空気および燃焼排気ガスの流通が正常であれば、上記投入電力で回転されるファン１４は、上記ガス供給量に見合う風量の燃焼空気を供給できるはずである。
【００１４】
上記燃焼装置の排気部１１ａには、ＣＯセンサ１（温度センサ）が設けられている。このＣＯセンサ１（温度センサ）は、図２に示すように、円盤形状のベース２と、このベース２の周面に固定され、ベース２の一方の平坦面を覆うフード３とを備えている。これらベース２とフード３とで、内部空間９が形成されている。フード３は例えばメッシュからなり、空気の通過を許容するが、外部の空気の流れを内部空間９に生じさせないようにその通過を制限することができる。
【００１５】
上記ベース２には、センサ素子４，温度補償素子５が設けられている。これら素子４，５は、それぞれ一対の支持ワイヤ４ａ，５ａによって支持されている。すなわち、これら支持ワイヤ４ａ，５ａがベース２に固定されており、素子４，５がベース２から浮いた状態で支持されている。
これら素子４，５は、同温で同一抵抗値となる白金抵抗体からなり、センサ素子４にはＣＯを接触燃焼させるための触媒が付着されている。
ベース２の中央には仕切り７が固定され、フード３の内部空間９を半分に区切っている。上記センサ素子４は、仕切り７で区切られた一方の空間部分に配置され、温度補償素子５は、他方の空間部分に配置されている。
上記ベース２が排気部１１ａの内壁に取り付けられ、排気ガスの流れを図２（Ａ），（Ｂ）の矢印で示す方向から受けるようになっている。
【００１６】
上記素子４，５は、電流の供給を受けて発熱する。上記温度補償素子５は、触媒をもたないのでＣＯの影響を受けない。また、フード３の内部に配置されているので、風量（空気の流速）の影響をも受けない。したがって、この温度補償素子５の抵抗値は、排気ガス温度の情報のみ含んでいる。
【００１７】
上記センサ素子４の抵抗値は、上記排気ガス温度の情報のみならず、ＣＯ濃度の情報を含んでいる。すなわち、排気部１１ａを通る燃焼排気ガスにＣＯが含まれていると、センサ素子４ではＣＯの接触燃焼が生じ、この接触燃焼による温度上昇に起因して、センサ素子４の抵抗値が増大する。なお、センサ素子４もフード３内に配置されているので、その抵抗値は排気部１１ａでの風量の影響を受けない。
【００１８】
図３に示すように、制御ユニット３０は、検出部３０Ａ（検出手段）と制御部３０Ｂ（制御手段）とを含んでいる。制御部３０Ｂの一般的な作用は、前述した通りである。
ここで検出部３０Ｂは、ブリッジ回路３１と信号処理部３８とを有している。ブリッジ回路３１は、上記ＣＯセンサ１の各素子４，５と、他の２つの抵抗３２，３３ととで構成されている。ブリッジ回路３１には定電圧が付与される。このブリッジ回路３１からの出力電圧がオペアンプ３４で増幅されて信号処理部３８に送られ、また温度補償素子５の両端間電圧がオペアンプ３５で増幅されて信号処理部３８に送られる。
【００１９】
上記ブリッジ回路３１からの出力電圧は、上記センサ素子４の抵抗値変化分のうち排気ガス温度に起因する抵抗値変化分を温度補償素子５の抵抗値変化分でキャンセルすることにより、ＣＯ濃度の情報を含んでいる。ただしＣＯ濃度とこのブリッジ回路３１の出力電圧の関係はリニアでなく排気ガス温度に伴って変わるので、上記信号処理部３８では、ブリッジ回路３１の出力電圧と排気ガス温度を表す温度補償素子５の出力電圧から、マップ等に基づき正確なＣＯ濃度の情報を得る。
【００２０】
さらに、上記信号処理部３８は、温度補償素子５の出力電圧によって得られる排気温度と、比例弁１６ｂへの供給電流値（ガス供給量）と、上記熱交換部１３で消費される熱量とに基づいて、燃焼空気の通路や排気ガスの通路の目詰まり、すなわち、フィルタ２１や熱交換部１３の目詰まりの度合いを検出する。
信号処理部３８は上記消費熱量Ｑ_OUTを次式に基づいて演算する。
Ｑ_OUT＝Ｆ（Ｔ_OUT−Ｔ_IN）
ここでＦはフローセンサ１８で検出される流量であり、Ｔ_IN，Ｔ_OUTは温度センサ１９ａ，１９ｂでそれぞれ検出される入水温度と出湯温度である。
【００２１】
上記目詰まり検出の説明に先立って、信号処理部３８の内蔵メモリに記憶される図４のデータを説明する。図４において縦軸は熱効率を示し横軸は排気温度を示す。熱効率は、上記供給量のガスが完全燃焼した時に発生する熱量Ｑ_INに対する、上記熱交換部１３で消費される熱量Ｑ_OUTの割合であり、Ｑ_OUT／Ｑ_INで表される。このＱ_INは、比例弁電流等から求める。
【００２２】
図４において複数の線は、空気過剰率毎の熱効率と排気温度との関係を示す。空気過剰率は、供給されるガスを完全燃焼させるのに理論上必要とされる風量に対する、実際の風量の割合を示す。実際にガスを完全燃焼させるための風量は、理論上必要とされる風量より多くする必要があり、したがって空気過剰率は１.０より高くなる。本実施形態では、制御部３０Ｂは、供給ガス量に見合う風量を得るために空気過剰率が１.４になるように、ファン１４への投入電力を決定している。
なお、熱効率と排気温度と空気過剰率との関係は、燃焼熱量Ｑ_INによって変わる。したがって、信号処理部３８は燃焼熱量Ｑ_IN毎に図４のデータを記憶している。
【００２３】
ここで、信号処理部３８での目詰まり検出に説明を戻す。燃焼熱量Ｑ_INと消費熱量Ｑ_OUTから熱効率Ｒを求め、この熱効率Ｒ（縦座標）と上記の検出排気温度Ｔ_D（横座標）とから、図４での座標点Ｘを求める。そして、この座標点Ｘが通る線に対応する空気過剰率を求める。この実際の空気過剰率がファンへの投入電力に対応した目標空気過剰率１.４であれば、目詰まりはゼロと判断する。図４に示すように、実際の空気過剰率が１.４未満であれば、目詰まりが生じたものと判断する。そして、空気過剰率が低いほど目詰まりの度合いが大きいと判断する。図４には、熱効率Ｒが８１％で、排気温度Ｔ_Dが２３２°Ｃの場合を示し、座標点Ｘは空気過剰率１.１７の線を通っている。なお、実際の空気過剰率そのもの、または実際の空気過剰率と目標空気過剰率との差あるいは比を、目詰まり度合を表す情報としてもよい。
また、図４での説明を簡単にする為、熱効率を一定としたが、実際に目詰まりが生じると熱効率が変化するので、熱効率と排気温度で空気過剰率の変化（目詰まり）を求める。
【００２４】
制御部３０Ｂでは、信号処理部３８からの空気過剰率（目詰まり度合）に関する情報を受け、空気過剰率が１.４未満で閾値１.２以上であればファン１４への投入電力を上記のようにして決定された投入電力より増大させる。この投入電力の増大によっても演算される実際の空気過剰率が上昇しない場合には、燃焼を停止する。また、空気過剰率が１.２未満であれば、即座に燃焼を停止する。
なお、上記目詰まり度合は、リモートコントローラの表示部に表示するのが好ましい。特に目詰まり度合が激しい場合には、フィルタ２１の交換や熱交換部１３の掃除を促す表示をするのが好ましい。
【００２５】
次に、目詰まり度合の他の検出方法について説明する。信号処理部３８は、上述と同様に、熱効率Ｒを求める。そして、この熱効率Ｒと目標空気過剰率１.４とから座標点Ｙ（図４）を求め、ひいては予想排気温度Ｔ_Iを求める。そして、この予想排気温度Ｔ_Iと検出された排気温度Ｔ_Dとの差ΔＴを求める。検出排気温度Ｔ_Dが予想排気温度Ｔ₁と一致すれば、目詰まりがゼロと判断する。検出排気温度Ｔ_Dが予想排気温度Ｔ₁より高い場合には、目詰まりと判断する。そして、温度差ΔＴが大きいほど目詰まりの度合が大きいと判断する。なお、この温度差ΔＴを、そのまま目詰まり度合を表す情報としてもよい。
図４に示すように、熱効率Ｒが８１％の場合には、予想排気温度Ｔ_Iが１９６°Ｃとなる。検出排気温度Ｔ_Dが２３２°Ｃであれば、温度差ΔＴは、３６°Ｃとなる。
【００２６】
上記他の検出方法を採用する場合に、制御部３０Ｂでは、信号処理部３８からの温度差ΔＴ（目詰まり度合）に関する情報を受け、温度差ΔＴが許容温度差例えば５°Ｃを越え３０°Ｃ（閾値）未満であればファン１４への投入電力を上記のようにして決定された投入電力より増大させる。この投入電力の増大によっても温度差ΔＴが許容温度差以下にならない場合には、燃焼を停止する。また、温度差が３０°Ｃ以上であれば、即座に燃焼を停止する。表示については前述の方法と同様である。
【００２７】
なお、燃焼実行中に、上記検出部３０Ａは、上記ＣＯセンサ１で得られるＣＯ濃度を監視し続けており、ＣＯ濃度またはＣＯ濃度の時間積分値が閾値を越えた時には、ガスバーナ１２またはガス供給系に重大な故障が生じたか、通路の目詰まりが生じたものとして即座に燃焼を停止する。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１，３の発明によれば、安価な温度センサを付加するだけで、この温度センサで検出される排気温度と、供給ガス量と消費熱量の情報から、通路の目詰まりを検出することができる。請求項１の発明によれば、上記３つの情報から空気過剰率を演算して目詰まり度合を求めることができる。請求項３の発明によれば、上記３つの情報から予想排気温度と検出排気温度との差を演算して、目詰まりを求めることができる。
請求項５の発明によれば、ガス燃焼装置を給湯に用いる場合に、消費熱量を正確に求めることができ、ひいては目詰まりを正確に検出することができる。
請求項６の発明によれば、ＣＯ濃度を検出するためのＣＯセンサを排気温度を検出するための温度センサとして用いたので、安価でありながら目詰まりとＣＯ濃度の検出を行うことができる。
請求項７の発明によれば、ＣＯセンサの構成を簡略化できるとともに、正確な検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態をなす給湯用ガス燃焼装置の概略図である。
【図２】ＣＯセンサをフードのみ断面にして示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は左側面図である。
【図３】同ＣＯセンサと制御ユニットを示す回路ブロック図である。
【図４】熱効率と排気ガスと空気過剰率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ＣＯセンサ（温度センサ）
３フード
４センサ素子
５温度補償素子
９内部空間
１１ａ排気部（熱交換部の上流側）
１２ガスバーナ（燃焼部）
１３熱交換部
１４ファン
１８フローセンサ
１９ａ，１９ｂ温度センサ
３０制御ユニット
３０Ａ検出部（検出手段）
３０Ｂ制御部（制御手段）

Claims

燃焼部と、この燃焼部での燃焼熱を受ける熱交換部と、この燃焼部に燃焼空気を供給するファンと、燃焼部に供給されるガス供給量を制御するとともに、このガス供給量に見合う風量を得るための電力でファンを駆動する制御手段とを備えたガス燃焼装置において、
さらに、熱交換部の下流側に設置された温度センサと、検出手段を備え、この検出手段は、上記ガス供給量と、熱交換部での消費熱量と、上記温度センサで検出される排気温度に基づいて、供給ガスに対する空気の過剰率を演算し、この空気過剰率から燃焼空気および排気ガスの通路の目詰まりを検出することを特徴とするガス燃焼装置。
上記検出手段は、上記ガス供給量のガスが完全燃焼した時に発生する燃焼熱量と、上記消費熱量に基づいて、熱効率を演算し、この熱効率と排気温度に基づいて空気過剰率を演算することを特徴とする請求項１に記載のガス燃焼装置。
燃焼部と、この燃焼部での燃焼熱を受ける熱交換部と、この燃焼部に燃焼空気を供給するファンと、燃焼部に供給されるガス供給量を制御するとともに、このガス供給量に見合う風量を得るための電力でファンを駆動する制御手段とを備えたガス燃焼装置において、
さらに、熱交換部の下流側に設置された温度センサと、検出手段を備え、この検出手段は、上記ガス供給量と熱交換部での消費熱量とから、上記ファンへの投入電力に対応する風量で実現されるべき予想排気温度を演算し、この予想排気温度と上記温度センサで検出される排気温度との差に基づいて、燃焼空気および排気ガスの通路の目詰まりを検出することを特徴とするガス燃焼装置。
上記検出手段は、上記ガス供給量のガスが完全燃焼した時に発生する燃焼熱量と、上記消費熱量に基づいて、熱効率を演算し、この熱効率と予め設定された目標空気過剰率とから、上記予想排気温度を演算することを特徴とする請求項３に記載のガス燃焼装置。
上記熱交換部には給湯用配管が通り、この配管にはフローセンサが設けられるとともに、熱交換部の上流側と下流側にそれぞれ温度センサが設けられ、これら温度センサで検出される温度情報とフローセンサで検出される流量とで、上記熱交換部での消費熱量を演算することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガス燃焼装置。
上記温度センサはＣＯセンサからなり、このＣＯセンサは、センサ素子と温度補償素子とを有し、このセンサ素子は、電流の供給を受けて発熱した状態で、触媒によりＣＯの接触燃焼を生じせしめ、その抵抗値がＣＯ濃度と上記排気ガス温度の情報を含んでおり、上記温度補償素子の抵抗値は排気ガス温度情報を含んでおり、
上記検出手段は、上記センサ素子の抵抗値情報と上記温度補償素子の抵抗値情報に基づきＣＯ濃度を検出するとともに、温度補償素子の抵抗値情報に基づいて、上記目詰まりを検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガス燃焼装置。
上記ＣＯセンサは、空気の通過を許容するが、外部の空気の流れを内部空間に生じさせないようにその通過を制限するフードを有し、このフード内に上記センサ素子と温度補償素子が収容され、温度補償素子は、電流の供給を受けて発熱し、その抵抗値が排気ガス温度情報を含むことを特徴とする請求項６に記載のガス燃焼装置。