JP4071215B2 - 複合燃焼装置における不完全燃焼検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、横方向に並べて配置した、バーナを内蔵する２つの燃焼部を備える給湯暖房熱源機のような複合燃焼装置における不完全燃焼検出装置に関する。

従来、給湯器等の燃焼装置では、バーナの不完全燃焼対策として、燃焼排気中の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素検出手段を設け、検出された一酸化炭素濃度が所定の基準値を超えたとき、不完全燃焼状態になったと判断して、燃焼を停止するようにしている。２つの燃焼部を有する複合燃焼装置においては、各燃焼部の燃焼排気中の一酸化炭素濃度を個々に検出できるように２個の一酸化炭素検出手段を設けることがベストであるが、これではコストが高くなる。

そこで、従来、複合燃焼装置において、２つの燃焼部からの燃焼排気を排気集合室を介して排気筒に排出するようにし、排気集合室に、燃焼排気を旋回させて撹拌する撹拌部を設け、排気集合室の撹拌部の下流側の部分に単一の一酸化炭素検出手段を配置したものが知られている(例えば、特許文献１参照)。このものでは、２つの燃焼部からの燃焼排気が撹拌部で混合され、混合後の燃焼排気中の一酸化炭素濃度が一酸化炭素検出手段で検出されるため、何れの燃焼部での不完全燃焼を生じても、これを検出できる。

然し、２つの燃焼部からの燃焼排気を良好に混合するには、撹拌部の流路断面積を小さくすると共に流路長を長く取る必要があり、排気抵抗が増加してしまう。そのため、燃焼部に燃焼用空気を供給する燃焼ファンの能力を高くすることが必要になり、送風音による騒音の増加を招く。
実開昭６２−１３３５０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、排気抵抗を左程増加させることなく、複合燃焼装置の何れの燃焼部での不完全燃焼を生じてもこれを単一の一酸化炭素検出手段で確実に検出できるようにした複合燃焼装置における不完全燃焼検出装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明では、横方向に並べて配置した、バーナを内蔵する２つの燃焼部を備える複合燃焼装置における不完全燃焼検出装置であって、両燃焼部からの燃焼排気を排気集合室を介して排気筒に排出するようにし、排気集合室に燃焼排気中の一酸化炭素濃度を検出する単一の一酸化炭素検出手段を配置するものにおいて、排気集合室の底面に、排気集合室の上面に開設される排気筒への流出口に対し横方向に離隔させて、両燃焼部からの燃焼排気を合流させて排気集合室に流入させる流入口を開設すると共に、排気集合室内に、排気集合室を下室と上室との２室に仕切る仕切り板を設け、仕切り板の前後一方の部分に、下室と上室とを連通する横方向に延在する連通口を設けて、連通口の上下方向への投影面に流出口と流入口の夫々の一部分が重なるようにし、仕切り板の上方への投影面内で、且つ、流出口の近傍に位置する上室内の部分に流れる燃焼排気中の一酸化炭素濃度を検出するように一酸化炭素検出手段を配置している。

上記の構成によれば、連通口の投影面に重ならない流入口の部分から流入する燃焼排気は仕切り板の下方への投影面内の下室の部分を通って連通口に導かれ、殆どが連通口の上方への投影面内の空間を通って流出口に流れる。一方、連通口の投影面に重なる流入口の部分から流入する燃焼排気は連通口を通って上昇する。ここで、流出口は流入口から横方向に離れており、更に、連通口の上方への投影面内の空間の流出口寄りの部分には、下室から連通口を介して流出口に向かう、連通口の投影面に重ならない流入口の部分から流入した燃焼排気の流れが形成されるため、連通口の投影面に重なる流入口の部分から流入した燃焼排気の流出口への直接的な流れが抑制される。また、仕切り板の上方への投影面内の上室の部分は、連通口の投影面に重ならない流入口の部分から流入した燃焼排気が殆ど流れないため、連通口の上方への投影面内の空間に比し内圧が低くなる。その結果、連通口の投影面に重なる流入口の部分から流入し、連通口を通って上昇した燃焼排気は、仕切り板の上方への投影面内の上室の部分に引き込まれ、仕切り板の上方への投影面に重なる流出口の部分に向けて流れる。そして、仕切り板の上方への投影面内の上室の部分に引き込まれる燃焼排気の流れは乱流になる。

ここで、２つの燃焼部からの燃焼排気は流入口から合流して流入するものの、うまく混合されず、特に、排気抵抗を減少させるために流入口の横幅を広く取ると、流入口の横方向一方の半部では横方向一方に配置した燃焼部の燃焼排気が濃く分布し、流入口の横方向他方の半部では横方向他方に配置した燃焼部の燃焼排気が濃く分布することになる。然し、連通口の投影面に重なる流入口の部分から流入した燃焼排気は上記の如く仕切り板の上方への投影面内の上室の部分に引き込まれて乱流を生ずるため、仕切り板の上方への投影面内の上室の部分で２つの燃焼部からの燃焼排気が良好に混合されつつ流出口に向けて流れる。そして、本発明では、仕切り板の上方への投影面内で、且つ、流出口の近傍に位置する上室の部分に流れる燃焼排気中の一酸化炭素濃度を検出するように一酸化炭素検出手段を配置しているため、一酸化炭素検出手段の検出対象となる燃焼排気は２つの燃焼部からの燃焼排気が均一に混合されたものになり、何れの燃焼部での不完全燃焼を生じても、これを確実に検出できる。

ところで、２つの燃焼部からの全ての燃焼排気を排気集合室で均一に混合するには、流入口、流出口及び連通口の開口面積をかなり狭める必要がある。然し、本発明は、上記の如く、２つの燃焼部からの全ての燃焼排気を均一に混合することを意図するものではなく、流入口、流出口及び連通口のレイアウトを工夫して、連通口の投影面に重なる流入口の部分から流入する燃焼排気の均一混合化を図り、この燃焼排気を一酸化炭素検出手段の検出対象とするものであり、流入口、流出口及び連通口の開口面積自体は左程狭めなくても各燃焼部の不完全燃焼を確実に検出できる。従って、排気抵抗の増加を可及的に抑制できる。

図１は給湯暖房熱源機を示しており、外装ケース１内に、給湯用燃焼部２と暖房用燃焼部３とが横方向に並べて配置されている。各燃焼部２，３は、燃焼筐２１，３１と、燃焼筐２１，３１に収納したバーナ２２，３２と、燃焼筐２１，３１の上方に配置した熱交換器２３，３３とで構成されている。また、各燃焼部２，３の燃焼筐２１，３１には、夫々送風機２４，３４を介して燃焼用空気が供給される。尚、給湯用燃焼部２は、大きな加熱能力が要求されるため、暖房用燃焼部３より大型になっている。

外装ケース１内の上部には、両燃焼部２，３に跨る排気フード４と、排気フード４の上側の排気集合室５とが設けられ、排気集合室５に屋外にのびる排気筒６が接続されている。排気フード４内には、図２に示す如く、給湯用燃焼部２に対応する排気ガイド４１と、暖房用燃焼部３に対応する排気ガイド４２とが設けられており、各排気ガイド４１，４２により各燃焼部２，３毎に燃焼排気を横方向片側に一旦寄せ集めてから排気フード４の中間部の空間に導くようにしている。各燃焼部２，３のバーナ２２，３２の一部分で不完全燃焼を生じた場合、燃焼排気の一部分に一酸化炭素が偏在し易くなるが、上記の如く燃焼排気を横方向片側に寄せ集めると、一酸化炭素が偏在する燃焼排気の部分が他の部分と混合され、燃焼排気中の一酸化炭素の分布が均一化される。

両燃焼部２，３からの燃焼排気は排気フード４の中間部の空間から排気集合室５に合流して流入する。排気集合室５は、図２乃至図４に示す如く、排気フード４の上面に取付けた平面視方形の箱体５０で構成されている。そして、排気集合室５の底面となる排気フード４の上壁部に流入口５１を開設すると共に、排気集合室５の上面となる箱体５０の上壁部に排気筒６に連通する流出口５２を開設している。流入口５１と流出口５２は互いに横方向に離隔しており、また、流入口５１は、前後方向に長手の矩形形状に形成されている。

排気集合室５内には、排気集合室５を下室５ａと上室５ｂとの２室に仕切る仕切り板５３が設けられており、仕切り板５３の前後一方の部分、例えば、後方部分に、下室５ａと上室５ｂとを連通する横方向に延在する連通口５４を設けている。そして、連通口５４の上下方向への投影面に流入口５１と流出口５２の夫々の一部分が重なるようにしている。尚、仕切り板５３を排気集合室５の前後方向全幅に亘る大きさとし、仕切り板５３に穴明けで連通口５４を形成するようにしても良いが、本実施形態では、箱体５０の後壁と仕切り板５３との間に隙間を明け、この隙間で連通口５４を構成している。

また、仕切り板５３の上方への投影面内の上室５ｂの部分には、流出口５２の近傍に位置させて、燃焼排気中の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素検出手段７が配置されている。一酸化炭素検出手段７は、排気採取パイプ７１と、排気採取パイプ７１に連設された排気貯留ボックス７２と、排気貯留ボックス７２に収納した一酸化炭素の検出器(以下、ＣＯセンサという)７３とで構成されている。排気採取パイプ７１には、複数の通気孔７１ａが形成されており、通気孔７１ａから流入した燃焼排気が排気貯留ボックス７２に流れ、この燃焼排気中の一酸化炭素濃度がＣＯセンサ７３で検出される。そして、ＣＯセンサ７３で検出された一酸化炭素濃度が所定値以上になったとき、各燃焼部２，３のバーナ２２，３２の燃焼を停止するようにしている。

ＣＯセンサ７３は、図示しないが少なくとも一対の抵抗素子を備え、一方の抵抗素子に一酸化炭素の酸化触媒を担持させて、一酸化炭素の酸化で発生する熱により当該一方の抵抗素子の抵抗値が変化するようにし、両抵抗素子の抵抗値の差に基づいて一酸化炭素濃度を検出するように構成されている。ＣＯセンサ７３に気流が当たると、気流による抵抗素子の温度変化で一酸化炭素濃度を正確に検出できなくなる。そして、給湯用燃焼部２と暖房用燃焼部３との同時運転時には、燃焼排気の流量が増加して、排気貯留ボックス７２内にＣＯセンサ７３を収納しても、燃焼排気の気流がＣＯセンサ７３に及び易くなる。そこで、本実施形態では、排気貯留ボックス７２内に、ＣＯセンサ７３の配置部を仕切る遮風板７４を設け、遮風板７４の中央部に上下一対の小孔７４ａを形成して、小孔７４ａからＣＯセンサ７３に向けて燃焼排気を拡散させ、ＣＯセンサ７３に気流が直接的に当たらないようにしている。尚、小孔７４ａは上方の１個だけでも良いが、これでは、遮風板７４により仕切られるＣＯセンサ７３の配置空間で燃焼排気中の水分が凝縮すると、この凝縮水をＣＯセンサ７３の配置空間からうまく排水できなくなる。これに対し、本実施形態では、下方の小孔７４ａが凝縮水の排出孔として有効に機能するため、ＣＯセンサ７３の配置空間で水分が凝縮しても特に問題はない。

次に、流入口５１から流入する燃焼排気の流れ方について、図５を参照して説明する。尚、図５は排気集合室５を斜め後上方から見た斜視図であり、図２、図３とは左右が逆になっている。ここで、給湯用燃焼部２と暖房用燃焼部３との同時運転時には、給湯用燃焼部２の方が大型で燃焼排気の量が多いため、流入口５１の広い範囲に亘って給湯用燃焼部２の燃焼排気が流入するが、流入口５１の横幅は左程狭められていないため、流入口５１の暖房用燃焼部３寄りの側部（図２の左側部）には、暖房用燃焼部３の燃焼排気が濃く分布する。尚、流入口５１の後方寄りの部分は、連通口５４の下方への投影面に重なる部分(以下、連通口重合部分という)５１ａになり、流入口５１の残りの部分は、仕切り板５３の下方への投影面に重なる部分(以下、仕切り板重合部分という)５１ｂになる。同様に、流出口５２の後方寄りの部分は、連通口５４の上方への投影面に重なる部分(以下、連通口重合部分という)５２ａになり、流出口５２の残りの部分は、仕切り板５３の上方への投影面に重なる部分(以下、仕切り板重合部分という)５２ｂになる。

流入口５１の仕切り板重合部分５１ｂから流入する燃焼排気は、図５に矢印Ａで示すように、仕切り板５３の下方への投影面内の下室５ａの部分を通って連通口５４に導かれ、殆どが連通口５４の上方への投影面内の空間を通って流出口５２の連通口重合部分５２ａに流れる。一方、流入口５１の連通口重合部分５１ａから流入する燃焼排気は連通口５４を通って上昇する。ここで、流出口５２は流入口５１から横方向に離れており、更に、連通口５４の上方への投影面内の空間の流出口５２寄りの部分には、下室５ａから連通口５４を介して流出口５２の連通口重合部分５２ａに向かう流入口５１の仕切り板重合部分５１ｂから流入した燃焼排気の流れが形成されるため、流入口５１の連通口重合部分５１ａから流入した燃焼排気の流出口５２への直接的な流れが抑制される。但し、流入口５１の後縁近傍から流入する燃焼排気は、図５に矢印Ｃで示す如く、排気集合室５の後壁に沿って流出口５２の連通口重合部分５２ａに流れる。また、仕切り板５３の上方への投影面内の上室５ｂの部分は、流入口５１の仕切り板重合部分５１ｂから流入した燃焼排気が殆ど流れないため、連通口５４の上方への投影面内の空間に比し内圧が低くなる。その結果、流入口５１の連通口重合部分５１ａから流入し、連通口５４を通って上昇した燃焼排気の大部分は、図５に矢印Ｂで示すように、仕切り板５３の上方への投影面内の上室５ｂの部分に引き込まれ、前後方向に蛇行、旋回しながら乱流となって流出口５２の仕切り板重合部分５２ｂに向けて流れる。かくして、流入口５１の連通口重合部分５１ａの暖房用燃焼部３寄りの側部から流入した暖房用燃焼部３の燃焼排気が高い割合で分布する燃焼排気の部分と、流入口５１の連通口重合部分５１ａの他の部分から流入した給湯用燃焼部２の燃焼排気が高い割合で分布する燃焼排気の部分とが、仕切り板５３の上方への投影面内の上室５ｂの部分で良好に混合されつつ流出口５２の仕切り板重合部分５２ｂに向けて流れる。そして、この燃焼排気が、仕切り板５３の上方への投影面内で、且つ、流出口５２の近傍に位置する上室５ｂの部分において、排気採取パイプ７１により採取され、この燃焼排気中の一酸化炭素濃度が検出される。従って、一酸化炭素検出手段７の検出対象となる燃焼排気は給湯用と暖房用の両燃焼部２，３からの燃焼排気が均一に混合されたものになり、両燃焼部２，３の何れで不完全燃焼を生じても、これを確実に検出できる。

尚、本実施形態では、排気採取パイプ７１として比較的長い既存のものを用いており、その関係で、排気採取パイプ７１の先端部が連通口５４の上方への投影面内に張り出しているが、排気採取パイプ７１にその先端側の通気孔７１ａから燃焼排気が流入しても、排気採取パイプ７１の基端側の通気孔７１ａから流入する燃焼排気により遮られて、先端側の通気孔７１ａからの燃焼排気がＣＯセンサ７３にまで達することはない。従って、ＣＯセンサ７３の検出対象になるのは、仕切り板５３の上方への投影面内の上室５ｂの部分で良好に混合された燃焼排気になる。

ここで、流入口５１や連通口５４の開口面積が広くても、流入口５１の全面積に対する流入口５１の連通口重合部分５１ａの面積の割合が適切に設定されていれば、流入口５１の連通口重合部分５１ａから流入する燃焼排気が仕切り板５３の上方への投影面内の上室５ｂの部分に引き込まれ、給湯用と暖房用の両燃焼部２，３の燃焼排気を均一に混合させた状態で一酸化炭素濃度を検出することができる。従って、両燃焼部２，３の不完全燃焼の検出の確実性を損なうことなく、排気抵抗の増加を可及的に抑制できる。

次に、流入口５１の全面積に対する流入口５１の連通口重合部分５１ａの面積の割合の適切な範囲を見出すために行った実験について説明する。実験は、図３、図４に示す各部の寸法が夫々Ｌ１（排気集合室５の横幅）＝１８０ｍｍ、Ｌ２＝６ｍｍ、Ｌ３（流入口５１の横幅）＝６０ｍｍ、Ｌ４＝５ｍｍ、Ｌ５（流出口５２の直径）＝１００ｍｍ、Ｌ６＝９ｍｍ、Ｌ７（排気集合室５の前後方向幅）＝１３７ｍｍ、Ｌ８＝２７ｍｍ、Ｌ９(流入口５１の前後方向幅)＝１０５ｍｍ、Ｌ１０＝５ｍｍ、Ｌ１１＝１３ｍｍ、Ｌ１２(排気集合室５の高さ)＝６７ｍｍ、Ｌ１３(仕切り板５３の高さ)＝２４ｍｍの排気集合室５であって、連通口５４の前後方向幅Ｌｘを５７ｍｍにしたもの(第１試験品)と、Ｌｘを７７ｍｍにしたもの(第２試験品)と、Ｌｘを３７ｍｍにしたもの(第３試験品)とを用い、給湯用と暖房用の両燃焼部２，３を同時運転すると共に、排気筒６を種々の閉塞率で閉塞して、給湯用と暖房用の両燃焼部２，３のバーナ２２，３２を意図的に不完全燃焼させ、一酸化炭素検出手段７による一酸化炭素濃度の検出値を記録することで行った。尚、給湯用燃焼部２のバーナ２２のインプットは４３０００ｋｃａｌ／ｈ、暖房用燃焼部３のバーナ３２のインプットは１５０００ｋｃａｌ／ｈとした。給湯用燃焼部２の燃焼排気中の一酸化炭素濃度は、排気筒６の閉塞率を７４％にしたとき１６０ｐｐｍ、７９％にしたとき２００ｐｐｍ、８２％にしたとき２４０ｐｐｍ、８４％にしたとき２８０ｐｐｍになり、暖房用燃焼部３の燃焼排気中の一酸化炭素濃度は、排気筒６の閉塞率を７４％にしたとき１５００ｐｐｍ、７９％にしたとき３３００ｐｐｍ、８２％にしたとき５０００ｐｐｍ、８４％にしたとき６０００ｐｐｍ超になり、両燃焼部２，３の燃焼排気を完全に混合させたときの一酸化炭素濃度は、排気筒６の閉塞率を７４％にしたとき５００ｐｐｍ、７９％にしたとき１０００ｐｐｍ、８２％にしたとき１５００ｐｐｍ、８４％にしたとき２０００ｐｐｍになった。

図６は、両燃焼部２，３の燃焼排気を完全に混合させたときの一酸化炭素濃度(実ＣＯ濃度)と、一酸化炭素検出手段７による一酸化炭素濃度の検出値(センサ検出ＣＯ濃度)との関係を表しており、ａ線はセンサ検出ＣＯ濃度が実ＣＯ濃度に一致した理想線、ｂ線は第１試験品を用いた場合の測定結果、ｃ線は第２試験品を用いた場合の測定結果、ｄ線は第３試験品を用いた場合の測定結果を示している。図６から明らかなように、センサ検出ＣＯ濃度と実ＣＯ濃度との差が一番小さいのは第１試験品を用いた場合である。流入口５１の全面積に対する流入口５１の連通口重合部分５１ａの面積の割合は、第１試験品では２８．５％、第２試験品では４７．５％、第３試験品では９．５％になっている。流入口５１の連通口重合部分５１ａの面積を第２試験品のように広くすると、センサ検出ＣＯ濃度が実ＣＯ濃度より低くなるが、これは、流入口５１の連通口重合部分５１ａから流入した燃焼排気が流出口５２に直接的に流れ易くなって、図５の矢印Ｂの燃焼排気の流れが生成されにくくなり、燃焼排気の採取部(排気採取パイプ７１の配置部)に達する燃焼排気中の暖房用燃焼部３からの燃焼排気の割合が少なくなるためと考えられる。

また、流入口５１の連通口重合部分５１ａの面積を第３試験品のように狭くした場合も、センサ検出ＣＯ濃度が実ＣＯ濃度より低くなるが、これは、流入口５１から流入する燃焼排気の多くを占める給湯用燃焼部２からの燃焼排気が仕切り板５３の下方への投影面内の下室５ａの部分に充満して、暖房用燃焼部３からの燃焼排気が図５の矢印Ｃのように排気集合室５の後壁に沿って流出口５２に流れやすくなり、燃焼排気の採取部に達する燃焼排気中の暖房用燃焼部３からの燃焼排気の割合が少なくなるためと考えられる。更に、流入口５１の連通口重合部分５１ａの面積を狭くすると、流入口５１の仕切り板重合部分５１ｂから流入する燃焼排気の流量に対し連通口５４が狭くなり過ぎて、排気抵抗が増加する。

以上のことから、流入口５１の全面積に対する流入口５１の連通口重合部分５１ａの面積の割合は、２３〜３５％程度に設定することが望ましい。また、流出口５２の全面積に対する流出口５２の連通口重合部分５２ａの割合は、３０〜５０％程度に設定することが望ましい。因みに、第１試験品において、流出口５２の全面積に対する流出口５２の連通口重合部分５２ａの割合は４０％になっている。

尚、上記実施形態では、一酸化炭素検出手段７全体を仕切り板５３の上方への投影面内で、且つ、流出口５２の近傍に位置する上室５ｂの部分に配置しているが、上室５ｂのこの部分に排気採取パイプ７１が配置されていれば、ＣＯセンサ７３を内蔵する排気貯留ボックス７２はどの位置に配置されていても良い。要は、仕切り板５３の上方への投影面内で、且つ、流出口５２の近傍に位置する上室５ｂの部分に流れる燃焼排気を採取して、この燃焼排気中の一酸化炭素濃度を検出できれば良い。

以上、給湯暖房熱源機の不完全燃焼検出装置に本発明を適用した実施形態について説明したが、給湯用燃焼部と風呂の追焚き用燃焼部とを備える風呂給湯熱源機といった他の複合燃焼装置の不完全燃焼検出装置にも同様に本発明を適用できる。

本発明の実施形態の不完全燃焼検出装置を具備する複合燃焼装置の一例を示す正面図。 図１の複合燃焼装置の排気フード及び排気集合室を示す部分切断正面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した切断平面図。 図２のＩＶ−ＩＶ線で切断した切断側面図。 排気集合室内の燃焼排気の流れを示す斜視図。 連通口の前後方向幅を変えて行った実験での一酸化炭素検出手段による一酸化炭素濃度の検出値(センサ検出ＣＯ濃度)を示すグラフ。

符号の説明

２…給湯用燃焼部、３…暖房用燃焼部、２２，３２…バーナ、５…排気集合室、５ａ…下室、５ｂ…上室、５１…流入口、５２…流出口、５３…仕切り板、５４…連通口、６…排気筒、７…一酸化炭素検出手段。

Claims (1)

1. 横方向に並べて配置した、バーナを内蔵する２つの燃焼部を備える複合燃焼装置における不完全燃焼検出装置であって、両燃焼部からの燃焼排気を排気集合室を介して排気筒に排出するようにし、排気集合室に燃焼排気中の一酸化炭素濃度を検出する単一の一酸化炭素検出手段を配置するものにおいて、
   排気集合室の底面に、排気集合室の上面に開設される排気筒への流出口に対し横方向に離隔させて、両燃焼部からの燃焼排気を合流させて排気集合室に流入させる流入口を開設すると共に、
   排気集合室内に、排気集合室を下室と上室との２室に仕切る仕切り板を設け、仕切り板の前後一方の部分に、下室と上室とを連通する横方向に延在する連通口を設けて、連通口の上下方向への投影面に流出口と流入口の夫々の一部分が重なるようにし、
   仕切り板の上方への投影面内で、且つ、流出口の近傍に位置する上室の部分に流れる燃焼排気中の一酸化炭素濃度を検出するように一酸化炭素検出手段を配置することを特徴とする複合燃焼装置における不完全燃焼検出装置。

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