JP4281007B2

JP4281007B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP4281007B2
Application number: JP2005015428A
Authority: JP
Inventors: 修司亀山
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2025-01-24
Also published as: JP2006200867A

Description

本発明は、燃焼ガス中に含まれるガス成分の濃度を検知可能なガス濃度検知手段を備えた燃焼装置に関するものである。

従来より、下記特許文献１に開示されているように、燃焼動作に伴って発生する燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素ガス濃度を検知するためのガスセンサ（ガス濃度検知手段）を備えた燃焼装置が提供されている。

この種の燃焼装置に採用されているガスセンサの多くは、下記特許文献１に開示されているような、いわゆる「接触燃焼式ガスセンサ」と称されるものである。触媒燃焼式センサは、酸化触媒を担体に担持させたものを検知素子として具備している。触媒燃焼式センサは、この検知素子に燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスが接触し、燃焼して検知素子が温度上昇することによる検知素子の抵抗値変動に基づいてガス濃度を検知するものである。そのため、触媒燃焼式センサにより検知されるガス濃度は、検知素子に接触して燃焼可能なガスの濃度を合算したものとなる。

ここで、一般的に下記特許文献１に開示されているような燃焼装置において発生する燃焼ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）ガスが含まれている場合は、水素（Ｈ₂）ガス等の可燃性ガスも含まれている。そのため、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素ガス濃度の検出用に接触燃焼式ガスセンサを採用した場合、接触燃焼式ガスセンサによって検知されるガス濃度は、一酸化炭素ガスの濃度と、燃焼ガス中に含まれている他の可燃性ガスの濃度とを合算した値となり一酸化炭素ガスのみの濃度を検知している訳ではない。

しかし、通常は、燃焼により発生する燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素ガスやこれ以外の可燃性ガスの濃度が安定しているため、接触燃焼式ガスセンサのような可燃性ガスの濃度を検知するガス濃度検知手段によって検知されるガス濃度に基づいて一酸化炭素ガスの濃度をほぼ正確に把握することができる。
特開２００２−１３１２６３号公報

しかし、燃焼手段において火炎がリフトした場合は、燃焼ガス中に含まれる水素ガス濃度だけが低下する傾向にある。そのため、火炎がリフト状態になった場合は、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素ガスと水素ガス等の他の可燃性ガスとの組成比が変動する。従って、接触燃焼式ガスセンサのようなガス濃度検知手段を採用した場合は、一酸化炭素ガス濃度に対して火炎のリフトが起こるとガス濃度検知手段によって検知されるガスの検知濃度が低くなる傾向にあり、検知濃度を参照するだけでは一酸化炭素ガス濃度を正確に把握できなくなってしまうという問題があった。

かかる問題に鑑み、本発明は、燃焼手段において火炎がリフトしても燃焼ガス中に含まれる検知対象であるガスの濃度を的確に把握可能な燃焼装置の提供を目的とする。

上記した課題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、燃料を燃焼する燃焼手段と、当該燃焼手段において発生した燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を検知するガス濃度検知手段と、燃焼手段における火炎のリフトを検知するリフト判定手段と、前記燃焼ガスにおける可燃性ガスのガス濃度に基づいて燃焼ガス中に含まれる検知対象のガスの濃度を判定する濃度判定手段とを備えており、当該濃度判定手段が、前記リフト判定手段により火炎のリフトが検知されることを条件としてガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を補正した補正濃度に基づいて検知対象のガスの濃度を把握することを特徴とする燃焼装置である。

本発明の燃焼装置が備えているガス濃度検知手段は燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を検知するものであり、ある特定の検知対象のガスの濃度だけを検知するものではない。しかし、かかる構成であっても、燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスの組成比が安定していれば、ガス濃度検知手段により燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を検知することにより、検知対象となっているガスの濃度をほぼ正確に把握することができる。

一方、一般的に燃焼状態が不安定になり、燃焼手段に形成されている火炎がリフト状態になると、燃焼ガス中に含まれている可燃性ガスの組成比が変動し、検知対象となっているガスの濃度を的確に把握できなくなる可能性がある。

かかる事態を想定し、本発明の燃焼装置は、リフト判定手段により火炎がリフトしていることが検知されることを条件として、ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を補正した補正濃度に基づいて燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスのガス濃度を把握する構成としている。従って、本発明の燃焼装置は、燃焼手段において火炎がリフト状態になっても所定の検知対象であるガスの濃度を的確に把握することができる。

本発明は、燃焼手段において燃料ガスの燃焼における理論空気量よりも多い一次空気を用いて燃焼を行う、いわゆる「希薄燃焼」を実施する場合に好適である。

さらに詳細に説明すると、一般的に「希薄燃焼」を行うと窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量を抑制できる反面、燃焼手段に形成される火炎が比較的リフトしやすくなり、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素ガスや水素ガスのような可燃性ガスの組成比が変動する可能性がある。そのため、希薄燃焼を行う場合は、ガス濃度検知手段により燃焼ガス中の可燃性ガスの濃度を検知するだけでは検知対象のガスの濃度を精度良く把握することができない可能性がある。

しかし、本発明の燃焼装置は、火炎がリフトしたとしても、ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を補正した補正濃度に基づいて検知対象のガスの濃度を把握することができる。このため、本発明によれば、燃焼手段に希薄燃焼のような火炎が比較的リフトが起こりやすい形態での燃焼動作を行ったとしても、検知対象である所定のガスの濃度を的確に把握可能な燃焼装置を提供できる。

ここで、一般的に、燃料が燃焼されると一酸化炭素ガスや水素ガスといった可燃性ガスが発生する。また、一般的に、燃焼時に供給される空気量が過剰である場合に火炎がリフトしやすくなる傾向にある。そのため、火炎がリフトした状態で発生する燃焼ガス中に含まれる水素ガスの量は、火炎がリフトしない状態で発生する燃焼ガス中に含まれている水素ガスの量よりも少なくなる傾向にある。よって、火炎がリフトした場合、ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度は、燃焼ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度は変わらないにもかかわらず、水素ガスの濃度が低い分だけ低下してしまう傾向にある。従って、火炎がリフトした場合は、火炎がリフトしていない場合のように検知濃度から一酸化炭素ガス濃度を把握しようとすると、一酸化炭素ガスの濃度を実際の濃度よりも低く見積もってしまう可能性が高い。

そこで、かかる知見に基づいて提供される発明は、検知対象のガスが一酸化炭素ガスであり、リフト判定手段により火炎のリフトが検知されることを条件として、濃度判定手段が、ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を高濃度側に補正することを特徴とする燃焼装置である。

かかる構成によれば、火炎がリフトした場合であっても検知対象たる一酸化炭素ガスの濃度を的確に把握することができる。

請求項２に記載の発明は、リフト判定手段が、燃焼手段において発生する火炎の温度を判定する火炎温度検知装置によって構成されており、前記火炎温度検知手段によって検知された検知温度に基づいて燃焼手段において火炎がリフトしているか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置である。

かかる構成によれば、火炎がリフトしているか否かを確実に把握でき、検知対象であるガスの濃度を的確に把握することができる。

ここで、燃焼手段において火炎がリフトしている場合、燃焼手段に対して供給する風量を増減させると、これに連動して燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素濃度が増減する。そのため、ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度が所定の閾値を超えることを条件として燃焼手段に供給する風量を増減させることによって検知濃度がどのように変動するかを確認すれば、ガス濃度検知手段によって検知されるガスの発生原因が火炎のリフトに起因するものであるか否かを判定することができる。

そこで、かかる知見に基づいて提供される請求項３に記載の発明は、燃料の燃焼に要する空気を供給する空気供給手段を有し、ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度が所定の閾濃度を超えることを条件として空気供給手段による空気の供給量を減少させる給気量減少動作、あるいは、空気の供給量を増加させる給気量増加動作を実施可能であり、給気量減少動作を実施することにより検知濃度が減少すること、あるいは、給気量増加動作を実施することにより検知濃度が増加することを条件として、リフト判定手段が、燃焼手段において火炎がリフトしているものと判定することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置である。

かかる構成によれば、燃焼手段において火炎がリフトしているか否かを的確に判断できる。

上記請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼装置において採用されているガス濃度検知手段は、いわゆる「接触燃焼式ガスセンサ」であってもよい。また、上記した燃焼装置において、ガス濃度検知手段は、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素および水素の濃度を複合的に検知するものであってもよい。

また、上記請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼装置において、補正濃度は、ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を所定の関数やテーブル等に当てはめて導出したものであってもよい。

請求項４に記載の発明は、燃料を燃焼する燃焼手段と、当該燃焼手段において発生した燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を検知するガス濃度検知手段と、燃焼手段における火炎のリフトを検知するリフト判定手段と、前記燃焼ガスにおける可燃性ガスのガス濃度に基づいて燃焼ガス中に含まれる検知対象のガスの濃度を判定する濃度判定手段とを備えており、当該濃度判定手段が、前記リフト判定手段により火炎のリフトが検知されることを条件としてガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を補正した補正濃度に基づいて検知対象のガスの濃度を把握し、検知対象のガスが所定の閾濃度以上である時間を積算し、当該積算時間が所定の時間に達したことを条件として前記検知対象のガスの発生量を減少させるための燃焼改善動作を行うものであり、検知濃度の補正が行われる場合は、補正濃度が閾濃度以上である時間と、前記補正前の期間において検知対象のガスの濃度が閾濃度以上であると想定される時間とを合算した時間を前記積算時間とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼装置である。

かかる構成によれば、ガス濃度検知手段による補正濃度の導出が開始されるまでの期間に発生する一酸化炭素ガスの量を加味した上で燃焼改善動作を行うことができる。

また、本発明は、検知対象のガスの濃度が第１閾濃度以上である時間の積算値が所定の閾時間に達することを条件として前記検知対象のガスの発生量を減少させるための改善動作を行うものであり、補正動作を行うことにより第１閾濃度となる理論濃度を第２閾濃度として設定し、補正動作後に補正濃度が第１閾濃度以上である第１燃焼積算時間と、補正動作前に理論濃度が第２閾濃度以上である第２燃焼積算時間とを合算した合算燃焼時間が閾時間以上に到達することを条件として燃焼改善動作を行うことを特徴とするものであってもよい。

すなわち、請求項４に記載の燃焼装置は、検知対象のガスの濃度が第１閾濃度以上である時間を積算した第１積算時間が閾時間に達することを条件として、燃焼状態を改善するための燃焼改善動作を行うものであり、リフト判定手段によりリフトが検知されることを条件として、補正濃度を導出する補正動作が開始されるまでの期間において検知対象のガスの濃度が前記第１閾濃度よりも低い第２閾濃度以上である時間を積算した第２積算時間を導出し、前記閾時間を第２積算時間分だけ短縮することを特徴とするものであってもよい。

かかる構成とした場合についてもガス濃度検知手段による補正濃度の導出が開始されるまでの期間に発生する一酸化炭素ガスの量を加味した上で燃焼改善動作を行うことができる。

本発明によれば、燃焼ガスに含まれる検知対象であるガスの濃度を的確に把握可能な燃焼装置を提供できる。

続いて、本発明の一実施形態である燃焼装置について図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、１は本実施形態の給湯装置である。給湯装置１は、燃焼装置２を内蔵したものであり、外部の給水源から供給された湯水を燃焼装置２において加熱するものである。燃焼装置２は、缶体１０内に形成された燃焼ガス流路１１内に燃焼バーナー１３（燃焼手段）と熱交換器１５とを内蔵しており、缶体１０内に燃料の燃焼に要する空気を供給するための送風機１６（空気供給手段）を備えた構造となっている。

燃焼バーナー１３は、外部の燃料供給源から供給された天然ガスや都市ガス等の燃料を燃焼して火炎を形成し、高温の燃焼ガスを発生させるものである。燃焼バーナー１３は、いわゆる希薄燃焼を行うことができるものであり、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が少ない。燃焼ガス流路１１は、燃焼バーナー１３において発生した燃焼ガスが流れる流路である。

燃焼バーナー１３の近傍には、燃料に対して点火するための点火プラグ１８と、火炎検知手段１９とが設けられている。火炎検知手段１９には、例えば従来公知のもののように、熱電対等の温度検知装置により火炎の温度を検知するものが採用されている。火炎検知手段１９は、後述する制御手段３０の判定手段３２と組み合わせて使用することにより、燃焼バーナー１３に形成された火炎の有無の検知するための火炎検知手段として機能すると共に、火炎のリフトを検知するための火炎検知手段としても機能する。

熱交換器１５は、入水口１５ａと出湯口１５ｂとを備えており、燃焼ガス流路１１内を流れる高温の燃焼ガスとの熱交換によって外部の給水源から入水口１５ａを介して供給された湯水を加熱するものである。入水口１５ａには図示しない給水源から湯水を供給するための給水管が接続されており、出湯口１５ｂには図示しない暖房装置等の負荷端末や給湯栓に繋がる配管が接続されている。

燃焼ガス流路１１の下流端、すなわち熱交換器１５よりも燃焼ガスの流れ方向下流側には、排気部１７が設けられている。排気部１７は、熱交換器１５を通過した燃焼ガスを外部に排出する部分であり、内部にガスセンサ２０（ガス濃度検知手段）が設けられている。

ガスセンサ２０は、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素ガスの濃度を検知するために設置されたものである。ガスセンサ２０は、いわゆる接触燃焼式のガスセンサである。ガスセンサ２０は、図２（ａ）に示すように検知素子２１および補償素子２２を備えている。検知素子２１には、例えば白金（Ｐｔ）線２１ａをコイル状に巻き付けたものを酸化触媒をアルミナ（酸化アルミニウム）等の担体２１ｂと共に焼結したものが採用されている。そのため、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素ガスや水素が検知素子２１に晒されると、酸化触媒の作用によって一酸化炭素ガスや水素が燃焼する。

補償素子２２は、検知素子２１と同様に白金線をコイル状に巻き付けたものをアルミナ（酸化アルミニウム）等で焼結したものであるが、一酸化炭素ガスや水素ガスが接触しても燃焼しないように処理されている。補償素子２２の抵抗値Ｒ２は、検知素子２１の抵抗値Ｒ１と同一とされている。検知素子２１および補償素子２２は、いずれもガス濃度の検知動作時に高温になるため、焼結金属や金網等で囲むことにより火炎逸走を防止した耐圧防爆構造となっている。

ガスセンサ２０は、図２（ｃ）に示すように、検知素子２１、補償素子２２および電気抵抗２３，２４によってホイートストン−ブリッジ回路（以下、センサ駆動回路Ｗと称す）を構成している。すなわち、検知素子２１と電気抵抗２３との接続部Ｃ１と、補償素子２２と電気抵抗２４との接続部Ｃ２とが直流電源２６を介して電気的に接続されている。また、検知素子２１と補償素子２２との接続部Ｃ３および電気抵抗２３，２４の接続部Ｃ４には、信号取り出し線２７，２８が接続されている。信号取り出し線２７，２８は、それぞれ後述する制御手段３０に接続されている。

上記したように、検知素子２１の抵抗値Ｒ１と補償素子２２の抵抗値Ｒ２とが同一であるため、通常はセンサ駆動回路Ｗは平衡状態となり、制御手段３０側に電流が流れない。しかし、一酸化炭素ガスや水素ガスが検知素子２１に接触すると、これらのガスが燃焼し、この燃焼熱によって検知素子２１が加熱される。そのため、検知素子２１に一酸化炭素ガスや水素ガスが接触すると、検知素子２１の抵抗値Ｒ１が増加してセンサ駆動回路Ｗの平衡状態が崩れ、制御手段３０に向けて電流（不平衡電流）が流れる。

制御手段３０に向けて流れる電流は、燃焼熱、すなわち検知素子２１に接触した一酸化炭素ガスや水素ガスの量に応じて変化する。そのため、制御手段３０は、ガスセンサ２０から発信される不平衡電流の大きさに基づいて燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素ガスおよび水素ガスの濃度を複合的に検知する。すなわち、ガスセンサ２０は、検知素子２１に燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素や水素ガス等の可燃性ガスが接触して燃焼することに伴う検知素子２１の抵抗値変化を電気信号として出力するものであり、この電気信号の大きさを検知することにより、一酸化炭素や水素ガス等の可燃性ガスの濃度を合算した濃度を検知することができる。

制御手段３０は、図３に示すように、信号受信部３１、判定部３２および駆動制御部３３を備えている。信号受信部３１は、ガスセンサ２０を含むセンサ駆動回路Ｗの信号取り出し線２７，２８に加えて、火炎検知手段１９等のセンサ類、給湯装置１の運転操作用のリモートコントローラ（図示せず）等に接続されており、ガスセンサ２０を含むセンサ類から発信される信号を受信する部分である。

判定部３２は、信号受信部３１に入力された信号に基づいて燃焼バーナー１３に形成された火炎がリフトしているか否かの判定や、燃焼バーナー１３や送風機１６、点火プラグ１８等の動作をいかに制御すべきかを判定する部分である。駆動制御部３３は、判定部３２によって下された判定に基づき、燃焼バーナー１３や送風機１６、点火プラグ１８等の動作を制御する部分である。

本実施形態の給湯装置１および燃焼装置２の動作は、大部分が従来公知の給湯装置や燃焼装置とほぼ同様であるが、燃焼バーナー１３に形成される火炎がリフト状態になった状態における一酸化炭素濃度の検知方法に特徴を有する。

まず、給湯装置１および燃焼装置２の動作について具体的に説明すると、熱交換器１５の出湯口１５ｂに配管（図示せず）を介して接続された暖房装置等の負荷端末や給湯栓に対して湯水を供給すべき状態になると、制御手段３０に燃焼装置２に対する燃焼要求を示す信号が入力される。さらに具体的には、制御手段３０は、例えば信号受信部３１に負荷端末が起動したことを示す信号や、負荷端末や給湯栓に繋がる配管に設置された水流センサ（図示せず）が水流を検知したことを示す信号が入力されることを条件として燃焼要求が入力されたものと判断する。

信号受信部３１に燃焼要求を示す信号が入力されると、制御手段３０の判定部３２は、要求される燃焼量に応じて燃焼バーナー１３へのガスの供給量や送風機１６による給気量等の調整を行うと共に、点火プラグ１８を作動させて燃料への点火を行う。判定部３２は、点火動作を行った後も、要求される燃焼量に応じてガスの供給量や給気量を適宜調整する。燃焼バーナー１３が燃焼動作を行うと、火炎が形成されると共に高温の燃焼ガスが発生する。燃焼バーナー１３において発生した燃焼ガスは、燃焼ガス通路１１内を流れて熱交換器１５に至り、熱交換器１５内を流れる湯水を熱交換加熱する。熱交換器１５を通過した燃焼ガスは、排気部１７に流入し、燃焼装置２の外部に排出される。

一方、燃焼動作が開始されると、制御手段３０は、排気部１７に配されたガスセンサ２０から発信される検知信号（以下、必要に応じてガス検知信号と称す）を信号受信部３１において受信する。判定部３２は、火炎検知手段１９によって検知される火炎温度に基づいてリフト現象の有無を確認すると共に、リフト現象の有無と信号受信部３１に入力されたガス検知信号とを勘案して、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を把握する。

さらに具体的には、燃焼バーナー１３に供給された天然ガス等が燃焼すると、一酸化炭素ガスと共に水素ガスが発生する。一酸化炭素ガスおよび水素ガスは、共にガスセンサ２０によって検知可能な可燃性ガスである。そのため、ガスセンサ２０によって検知されるガス濃度は、一酸化炭素ガス濃度と水素ガス濃度とを合算した値となる。

ここで、火炎がリフトすることなく燃焼動作が行われる場合は、図４に示すように火炎の温度が高くなる。また、火炎がリフトすることなく燃焼動作が行われる場合は、一酸化炭素ガスと水素ガスとの組成比、すなわち濃度比が所定の理論比で安定した状態となる。さらに具体的には、例えば燃焼バーナー１３に供給される燃料がメタンガス（ＣＨ₄）を主成分とするガスである場合は、水素（Ｈ₂）ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスとの発生量の理論比（理論Ｈ₂／ＣＯ比）が約（１／２）になる。よって、火炎検知手段１９によって検知される火炎温度が高い場合、制御手段３０の判定部３２は、火炎がリフトすることなく燃焼動作が行われているものと判定し、ガスセンサ２０によって検知される可燃性ガスのガス濃度（検知濃度Ｄ）と理論Ｈ₂／ＣＯ比とに基づいて導出される一酸化炭素ガス濃度（理論濃度Ｔ）を一酸化炭素ガス濃度と把握する。

一方、上記したように、燃焼装置２は、いわゆる希薄燃焼を実施可能なものであり、燃料の完全燃焼に理論上必要とされる空気量を超える空気が供給され、火炎がリフトした状態になる可能性がある。ここで、火炎がリフトした状態で燃焼動作が行われると、図４に示すように一酸化炭素ガスの濃度が高くなっても、火炎の温度が高くならない。また、火炎がリフトした状態で燃焼動作が行われると、一酸化炭素ガスと水素ガスとの組成比（Ｈ₂／ＣＯ比）、すなわち濃度比が所定の理論比（理論Ｈ₂／ＣＯ比）からずれる傾向にある。

さらに具体的には、火炎がリフトした状態で発生する燃焼ガスは、水素ガスの組成比（濃度）が低下する傾向にある。例えば燃焼バーナー１３に供給される燃料がメタンガス（ＣＨ₄）を主成分とするガスである場合は、水素（Ｈ₂）ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスとの発生量の比（Ｈ₂／ＣＯ比）が約（０．５〜０．２／２）となる。そのため、ガスセンサ２０によって検知される可燃性ガスのガス濃度（検知濃度Ｄ）は、図５に示すように、水素ガスの組成比の低下分だけ低下する。よって、火炎がリフトしている場合は、ガスセンサ２０によって検知される可燃性ガスに関する検知濃度Ｄと、理論Ｈ₂／ＣＯ比とに基づいて導出される理論濃度Ｔは、実際の一酸化炭素ガスを正確に反映したものではない。従って、火炎がリフトしている場合に正確な一酸化炭素ガス濃度を把握するためには、前記した水素ガスの組成比の低下分を見込んで理論濃度Ｔを補正しなければならない。

そこで、本実施形態において、制御手段３０の判定部３２は、燃焼バーナー１３に形成された火炎がリフト状態にあること、すなわち理論濃度Ｔが高いにもかかわらず火炎検知手段１９によって検知される火炎温度が低温であることを条件として、火炎がリフトした状態で燃焼動作が行われているものと把握する。この場合、判定部３２は、理論濃度Ｔを補正することにより補正濃度Ｃを導出し、これを一酸化炭素ガスの濃度と把握する。

さらに詳細に説明すると、火炎のリフト時に発生するおける水素（Ｈ₂）ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスとの発生量の比（Ｈ₂／ＣＯ比）は、燃焼バーナー１３に供給される燃料ガスの種類や混合比によって異なる。すなわち、燃料ガスの燃焼に伴って発生する燃焼ガスにおけるＨ₂／ＣＯ比は、燃焼バーナー１３に供給される燃料ガスの種類や混合比によって異なる。

そこで、判定部３２は、燃料ガスに固有の補正係数αを決定し、火炎がリフトしていることを条件として上記した理論濃度Ｔに補正係数αを乗じて導出される濃度（補正濃度Ｃ：Ｃ＝α・Ｔ）を導出する補正動作を行い、この補正濃度Ｃを実際の一酸化炭素ガスの濃度であるものと把握する。さらに具体的には、燃焼バーナー１３に供給される燃料がメタンガスを主成分とするものである場合は、補正係数αは１．３に設定される。そのため、メタンガスを主成分とする燃料の燃焼中に火炎がリフトした場合、判定部３２は、ガスセンサ２０によって検知される検知濃度Ｄと、理論Ｈ₂／ＣＯ比（１／２）に基づいて導出される理論濃度Ｔ（Ｔ＝１／３・Ｄ）をα倍して導出される補正濃度Ｃ（Ｃ＝α・Ｔ）を一酸化炭素ガスの濃度として把握する。

制御手段３０は、上記したようにして火炎検知手段１９やガスセンサ２０から発信される信号を信号受信部３１において受信し、この信号に基づいて判定部３２において火炎のリフト状態や一酸化炭素ガス濃度を判定する。制御手段３０は、判定部３２において一酸化炭素ガス濃度が所定の濃度（以下、必要に応じて第１燃焼改善閾濃度Ｌ１と称す）以上である時間（以下、第１燃焼積算時間Ｐ１と称す）が所定の燃焼改善閾時間Ｐｔに達したものと判断されたことを条件として、燃焼バーナー１３における燃焼状態が異常であるものと判断する。そして、制御手段３０は、燃焼状態が異常と判断された場合に送風機１６のファン回転数を調整するなどして燃焼状態の改善を試みたり、燃焼運転を停止させる燃焼改善動作を行う。

上記したように、ガスセンサ２０を用いて一酸化炭素ガスの濃度を検出するためには、火炎のリフトを正確に把握する必要がある。上記実施形態では、燃焼バーナー１３に対して所定の距離だけ離れた位置に設置された火炎検知手段１９によって火炎の温度を検知し、この検知温度に基づいてリフトの有無を確認する構成であったが、本発明はこれに限定されるものではない。さらに具体的には、火炎検知手段１９として例えばフレームロッドのように炎電流を検知するもの等を採用することが可能である。また、燃焼ガス中に含まれる酸素濃度を検知したり、ガスセンサ２０によって検知されるガス濃度の変動を検討することによりリフトの有無を判断してもよく、前記したような様々な判定方法を組み合わせて火炎のリフトを判断する構成としてもよい。

また、燃焼装置２は、上記した方法の他に、燃焼バーナー１３に対する給気量を増減させることにより、ガスセンサ２０によって検知されるガス濃度の変動を確認する方法によっても火炎がリフト状態にあるか否かを判断することができる。さらに詳細に説明すると、一般的に、火炎がリフトした状態で不完全燃焼が起こった場合に発生する一酸化炭素ガスの濃度と空気量との関係は、図６に示すような関係にある。本実施形態の燃焼装置２のように空気量が過剰な領域（希薄燃焼領域）で燃焼動作を行う場合は、空気量が増加すると一酸化炭素ガスも増加し、空気量が減少すると一酸化炭素ガスも減少する傾向にある。そのため、燃焼装置２は、火炎がリフト状態になっている可能性がある場合に送風機１６による給気量を調整し、ガスセンサ２０によって検知されるガス濃度がどのように変化するかを確認する動作（リフト判定動作）を行うことによって火炎がリフトしているか否かを判断することができる。

さらに具体的に説明すると、燃焼装置２は、例えば、ガスセンサ２０の検知信号に基づいて導出される理論濃度Ｔが所定のリフト判定閾濃度Ｊｄ（Ｔ≧Ｊｄ）に達したことを条件として送風機１６の出力を増加させる給気量増加動作を行い、これにより理論濃度Ｔが増加することを条件として火炎がリフトしているものと判断する構成としてもよい。また逆に、前記した理論濃度Ｔがリフト判定閾濃度Ｊｄに達したことを条件として給気量を減少させる給気量減少動作を行い、これにより理論濃度Ｔが減少することを条件として火炎がリフトしているものと判断する構成としてもよい。この場合、送風機１６や制御手段３０の判定部３２が火炎のリフトを検知するためのリフト判定手段として機能する。また、燃焼装置２は、給気量増加動作や給気量減少動作による火炎のリフトの判定と、火炎検知手段１９等を用いたリフトの判定とを組み合わせて行う構成としてもよい。

上記したリフト判定閾濃度Ｊｄは、いかなる濃度に設定されてもよいが、燃焼バーナー１３に供給される燃料の種類に固有の補正係数αと、第１燃焼改善閾濃度Ｌ１とに基づいて導出した値とすることが望ましい。すなわち、リフト判定閾濃度Ｊｄは、第１燃焼改善閾濃度Ｌ１を補正係数αで割った（Ｊｄ／α）に設定されることが望ましい。

上記したように、燃焼装置２は、火炎がリフトしている場合に、一酸化炭素ガス濃度が第１燃焼改善閾濃度Ｌ１以上である期間の長さを積算した積算時間が第１燃焼積算時間Ｐ１が所定の燃焼改善閾時間Ｐｔに達したことを条件として燃焼改善動作を行う構成とされている。ここで、上記したように、燃焼装置２は、判定部３２によって火炎がリフトしているものと判断されたことを条件として理論濃度Ｔを補正する補正動作を行い、これにより導出された補正濃度Ｃが第１燃焼改善閾濃度Ｌ１に達している場合に、この時点から第１燃焼積算時間Ｐ１の積算を開始する構成となっている。しかし、かかる場合は、補正動作前から実際の一酸化炭素ガス濃度が第１燃焼改善閾濃度Ｌ１以上であった可能性があり、これに相当する期間分だけ燃焼改善動作への移行が遅れてしまう可能性がある。

そこで、かかる事態を想定し、上記した第１燃焼改善閾濃度Ｌ１よりも濃度の低い第２燃焼改善閾濃度Ｌ２を設定すると共に、補正動作前の時点でガスセンサ２０の検知信号に基づいて導出される理論濃度Ｔが第２燃焼改善閾濃度Ｌ２以上になっている期間の長さを積算して第２燃焼積算時間Ｐ２として記憶し、この分だけ燃焼改善閾時間Ｐｔを短縮する構成としてもよい。換言すれば、補正動作後に補正濃度Ｃが第１燃焼改善閾濃度Ｌ１以上である時間（第１燃焼積算時間Ｐ１）と、補正動作前に理論濃度Ｔが第２燃焼改善閾濃度Ｌ２以上である時間（第２燃焼積算時間Ｐ２）とを合算した時間Ｐ３（Ｐ３＝Ｐ１＋Ｐ２）と燃焼改善閾時間Ｐｔとを比較し、時間Ｐ３が燃焼改善閾時間Ｐｔ以上（Ｐ３≧Ｐｔ）であることを条件として燃焼改善動作を行う構成としてもよい。かかる構成によれば、ガスセンサ２０の検知信号に基づいて導出される理論濃度Ｔの補正動作が開始されるまでの期間に発生する一酸化炭素ガスの量を加味した上で燃焼改善動作を行うことができる。

上記したように、本実施形態の給湯装置１において採用されている燃焼装置２は、希薄燃焼方式により燃料を燃焼するものであるため、窒化酸化物の発生量が少ない反面、火炎がリフトし易い傾向にある。しかし、燃焼装置２は、燃焼バーナー１３に形成される火炎がリフト状態となった場合であっても補正動作を行うことにより一酸化炭素ガス濃度を的確に把握し、燃焼改善動作を行うことができる。従って、燃焼装置２によれば、窒素酸化物の発生量を抑制可能であると共に、一酸化炭素ガスの発生量を的確に捉え、燃焼改善動作を行うことにより一酸化炭素ガスの発生を抑制することができる。

上記実施形態では、ガスセンサ２０として、いわゆる接触燃焼式のガスセンサを採用した例を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の検出方式を採用した複数種の可燃性ガスの濃度を合算して検知するガスセンサを採用したものであってもよい。

また、上記したように、ガスセンサ２０によって検知される燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度と一酸化炭素ガス濃度との相関関係は、火炎がリフトした場合に崩れる傾向にある。そのため、リフト判定の閾値を燃焼バーナー１３に供給される燃料の種類や組成比によって変動させたり、比較的火炎がリフト状態になりにくいプロパン等のガスを含む燃料が供給された場合に上記したような一酸化炭素ガス濃度の補正を行わない構成としてもよい。かかる構成によれば、制御手段３０にかかる負担を最小限に抑制することができる。

上記実施形態では、ガスセンサ２０によって検知される可燃性ガスの濃度（検知濃度Ｄ）と、燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスである水素ガスと一酸化炭素ガスの濃度の理論比（理論Ｈ₂／ＣＯ比）とに基づいて理論濃度Ｔを導出し、この理論濃度Ｔに燃料ガスに固有の補正係数αを乗じて導出される補正濃度Ｃに基づいて火炎がリフト状態にある時の一酸化炭素濃度であるものと把握するものであった。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、上記以外の演算式や何らかのテーブル等に基づいて燃焼ガス中に含まれている一酸化炭素ガスの濃度を把握する構成としてもよい。

上記実施形態において採用されている燃焼バーナー１３は、いわゆる希薄燃焼を実施可能なものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、希薄燃焼を行わないものであってもよい。また、燃焼バーナー１３は、燃料の燃焼に理論上必要とされる空気量（理論空気量）を超える空気を含む希薄なガスを燃焼するものであるが、図７に示すように希薄なガスによって形成される淡火炎Ｆ１の側方に、これよりもガス濃度の高いガスを燃焼して形成される濃火炎Ｆ２を形成する、いわゆる濃淡燃焼と称される燃焼形式を採用したものであってもよい。かかる構成によれば、火炎のリフトを最小限に抑制でき、上記した補正動作等を行うことにより制御手段３０にかかる負担を低減することができる。

上記実施形態では、制御手段３０の判定部３２が火炎がリフト状態にあるか否かを判定するリフト判定手段としての機能と、ガスセンサ２０から受信したガス検知信号に基づいて一酸化炭素ガスの濃度を検知するガス検知手段としての機能の双方を果たすものであったが、リフト判定手段としての機能を果たす手段と、ガス検知手段としての機能を果たす手段とを別々に設けてもよい。

上記実施形態では、ガスセンサ２０の検知信号に基づいて一酸化炭素ガスの濃度を検知する例を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば燃焼ガス中に含まれる水素ガス等、他の可燃性ガスの濃度を検知する構成としてもよい。

本発明の一実施形態である燃焼装置を備えた給湯装置を示す作動原理図である。（ａ）は、図１に示す燃焼装置において採用されているガスセンサを概念的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すガスセンサに採用されている検知素子を概念的に示す斜視図、（ｃ）は（ａ）に示すガスセンサによって構成されるセンサ駆動回路を示す回路図である。制御手段の構成を示す概念図である。燃料が不完全燃焼した際に実際に発生する一酸化炭素ガスの濃度と火炎の温度との関係を示すグラフである。燃料が不完全燃焼した際に実際に発生する一酸化炭素ガスの濃度とガスセンサによって検知される検知濃度との関係を示すグラフである。燃料が燃焼する際における送風量と一酸化炭素ガスの発生量の関係を概念的に示すグラフである。燃焼バーナーの変形例を示す概念図である。

２燃焼装置
１３燃焼バーナー（燃焼手段）
１６送風機（空気供給手段）
１７排気部
１９火炎検知手段（リフト判定手段）
２０ガスセンサ（ガス濃度検知手段）
３０制御手段
３２判定部（リフト判定手段，ガス濃度判定手段）

Claims

燃料を燃焼する燃焼手段と、当該燃焼手段において発生した燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を検知するガス濃度検知手段と、燃焼手段における火炎のリフトを検知するリフト判定手段と、前記燃焼ガスにおける可燃性ガスのガス濃度に基づいて燃焼ガス中に含まれる検知対象のガスの濃度を判定する濃度判定手段とを備えており、
当該濃度判定手段が、前記リフト判定手段により火炎のリフトが検知されることを条件としてガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を補正した補正濃度に基づいて検知対象のガスの濃度を把握し、
検知対象のガスが一酸化炭素ガスであり、
リフト判定手段により火炎のリフトが検知されることを条件として、濃度判定手段が、ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を高濃度側に補正することを特徴とする燃焼装置。
リフト判定手段が、燃焼手段において発生する火炎の温度を判定する火炎温度検知装置によって構成されており、
前記火炎温度検知手段によって検知された検知温度に基づいて燃焼手段において火炎がリフトしているか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
燃料の燃焼に要する空気を供給する空気供給手段を有し、
ガス濃度検知手段によって検知される検知濃度が所定の閾濃度を超えることを条件として空気供給手段による空気の供給量を減少させる給気量減少動作、あるいは、空気の供給量を増加させる給気量増加動作を実施可能であり、
給気量減少動作を実施することにより検知濃度が減少すること、あるいは、給気量増加動作を実施することにより検知濃度が増加することを条件として、リフト判定手段が、燃焼手段において火炎がリフトしているものと判定することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
燃料を燃焼する燃焼手段と、当該燃焼手段において発生した燃焼ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を検知するガス濃度検知手段と、燃焼手段における火炎のリフトを検知するリフト判定手段と、前記燃焼ガスにおける可燃性ガスのガス濃度に基づいて燃焼ガス中に含まれる検知対象のガスの濃度を判定する濃度判定手段とを備えており、
当該濃度判定手段が、前記リフト判定手段により火炎のリフトが検知されることを条件としてガス濃度検知手段によって検知される検知濃度を補正した補正濃度に基づいて検知対象のガスの濃度を把握し、
検知対象のガスが所定の閾濃度以上である時間を積算し、当該積算時間が所定の時間に達したことを条件として前記検知対象のガスの発生量を減少させるための燃焼改善動作を行うものであり、
検知濃度の補正が行われる場合は、補正濃度が閾濃度以上である時間と、前記補正前の期間において検知対象のガスの濃度が閾濃度以上であると想定される時間とを合算した時間を前記積算時間とすることを特徴とする燃焼装置。