JP6183641B2 - 排ガス測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼機器からの排ガス中に含まれる一酸化炭素などの濃度を検出する排ガス測定装置に関するものである。

出願人は、先に、下記特許文献１に開示される排ガス測定装置を提案している。この排ガス測定装置は、排ガスの流速、温度および結露によるセンサの故障や測定誤差を除去しようとするものである（段落００２１、００１０）。

特開２０１２−１４５５２３号公報

しかしながら、燃焼機器の設置環境温度が低い場合や、燃焼機器からの排ガス温度が低い場合にも、センサ部位において、排ガスが露点以下に冷却されることがないように、より確実な対策を施しておきたい。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、設置環境温度や排ガス温度に拘わらず、センサ部位において、排ガスが露点温度を下回ることなく、結露の発生を確実に防止し、それにより、排ガスセンサの出力特性を安定させ、また一酸化炭素などの濃度を正確に検出することができる排ガス測定装置を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、燃焼機器からの排ガス路の壁に斜め上方へ延出して設けられ、前記排ガス路を通る排ガスの一部を、取出し路を介して取り出し、この取出し路の端部で折り返して、戻し路を介して前記排ガス路へ戻す抽出パイプと、前記戻し路に設けられた上方への凹部に設置され、排ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、酸素または窒素酸化物の濃度を検出する排ガスセンサと、この排ガスセンサまたはそれへの排ガスを加温するヒータとを備え、前記ヒータは、前記排ガスセンサのセンサシースがはめ込まれる前記凹部を構成する筒部の内、前記戻し路を流れる排ガス流の上流側となる略半周面に設けられることを特徴とする排ガス測定装置である。

請求項１に記載の発明によれば、排ガスセンサまたはそれへの排ガスをヒータで加温することで、設置環境温度や排ガス温度に拘わらず、センサ部位において、排ガスが露点温度を下回ることなく、結露の発生を確実に防止することができる。それにより、排ガスセンサの出力特性を安定させ、また一酸化炭素などの濃度を正確に検出することができる。

請求項１に記載の発明によれば、排ガスセンサのセンサシースがはめ込まれる前記凹部に、ヒータを設けるので、ヒータの設置が容易である。また、仮にセンサシース内の検知素子を直接に加温した場合、素子構成部材を均一に加温しなければ出力に影響を与え、誤った検出をするおそれがあるが、本請求項に記載の発明のように、センサシースよりも外側の空間から間接的に加温することで、測定誤差を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、前記抽出パイプは、断面矩形の外パイプと、この外パイプの断面下半分にはめ込まれる断面矩形の内パイプとから構成され、前記外パイプは、一端部が端壁で閉塞される一方、他端部が前記排ガス路に開口するよう設けられ、前記内パイプは、一端部が前記端壁で閉塞されつつその一端部側の上壁に折返し開口が形成されるか、一端部が前記端壁と離隔して配置されることで折返し開口が形成される一方、他端部が前記外パイプよりも延出して前記排ガス路内に突入して開口するよう設けられ、前記外パイプには、前記折返し開口より下流側における上壁に、センサ取付筒が設けられることで前記凹部が形成され、前記センサ取付筒は、筒部の両端部に上フランジと下フランジとが設けられてなり、前記下フランジが前記外パイプの上壁に気密に取り付けられ、前記筒部に前記排ガスセンサのセンサシースが上方からはめ込まれて、前記上フランジに前記排ガスセンサのセンサフランジが気密に取り付けられ、前記センサ取付筒の筒部の外周面に、前記ヒータが設けられることを特徴とする請求項１に記載の排ガス測定装置である。

請求項２に記載の発明によれば、抽出パイプを外パイプと内パイプとの二重管構造とすることで、簡易で安価にしかも安定した品質で、抽出パイプを製作することができる。また、内パイプの先端部を排ガス路内に突入して設けることで、排ガス路の壁面に生じる境界層の影響を防止して、安定して排ガスを排ガス測定装置に通すことができる。さらに、外パイプの上壁に設けたセンサ取付筒に排ガスセンサのセンサシースをはめ込む一方、センサ取付筒の外周面にヒータを設けるので、排ガスセンサを周囲から間接的に加温して、排ガスセンサやその近辺における結露の発生や、排ガスセンサの測定誤差を防止することができる。

請求項３に記載の発明は、前記排ガスセンサと前記ヒータとが設けられた前記センサ取付筒は、カバーにて覆われることを特徴とする請求項２に記載の排ガス測定装置である。

請求項３に記載の発明によれば、カバーを設けることで、外気を遮断して、ヒータによる加温を安定して行うことができる。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記排ガスセンサ内の相対湿度が７０％±１０％になるように、前記ヒータによる加温を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス測定装置である。

結露を防止するためには、ヒータにより加温して相対湿度を下げるのがよいが、その反面、相対湿度を下げるのに伴い、ヒータ容量が増し、電源の確保や構成部品の耐熱性などに制約を生じる。ところが、請求項４に記載の発明によれば、相対湿度を７０％±１０％とするようにヒータで加温することで、そのような不都合を回避しつつ結露を防止することができる。

本発明によれば、設置環境温度や排ガス温度に拘わらず、センサ部位において、排ガスが露点温度を下回ることなく、結露の発生を確実に防止することができる。それにより、排ガスセンサの出力特性を安定させ、また一酸化炭素などの濃度を正確に検出することができる。

本発明の排ガス測定装置の一実施例を示す概略分解斜視図である。 図１の排ガス測定装置の組立状態の縦断面図である。 図１の排ガス測定装置のセンサ取付筒を示す概略図であり、ヒータが取り付けられた状態を示している。 図３のIV−IV面図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の排ガス測定装置１の一実施例を示す概略図であり、図１は分解斜視図、図２は組立状態の縦断面図である。

本実施例の排ガス測定装置１は、図２に示すように、燃焼機器からの排ガス路２の壁に、傾斜した状態で取り付けられる。燃焼機器は、油やガスなどの燃料を燃焼させる機器であり、その種類を特に問わないが、たとえばボイラまたは給湯器である。燃焼機器からの排ガスは、煙道や煙突などの排ガス路２を介して外部へ排出される。排ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、酸素または窒素酸化物の濃度を検出するために、排ガス路２には排ガス測定装置１が取り付けられる。

排ガス測定装置１は、排ガス路２に設けられる抽出パイプ３と、この抽出パイプ３に設けられる排ガスセンサ４と、この排ガスセンサ４またはそれへの排ガスを加温するヒータ５（図２，図４）とを備える。

抽出パイプ３は、先端部を排ガス路２内に開口させた状態で排ガス路２の壁に取り付けられ、基端側へ行くに従って（つまり排ガス路２の壁から離隔するに従って）上方へ傾斜して設けられる。

抽出パイプ３は、排ガス路２を通る排ガスの一部を、取出し路６を介して取り出し、この取出し路６の端部で折り返して、戻し路７を介して排ガス路２へ戻す構成とされる。より具体的には、本実施例の抽出パイプ３は、断面矩形の外パイプ８と、この外パイプ８の断面下半分にはめ込まれる断面矩形の内パイプ９とから構成される。本実施例では、外パイプ８および内パイプ９は、金属製である。

外パイプ８は、基端部が端壁１０で閉塞される一方、先端部は開口されている。一方、内パイプ９は、基端部が端壁１０で閉塞されつつその基端側の上壁に折返し開口１１が形成されるか、基端部が端壁１０と離隔して配置されることで折返し開口１１が形成される。そして、内パイプ９は、外パイプ８よりも先端側へ延出して設けられ、先端部は開口されている。内パイプ９の先端部には、排ガスを内パイプ９へ導くための切替口１２が設けられている。

このような構成であるから、外パイプ８および内パイプ９の各先端部を排ガス路２内に開口させれば、内パイプ９内が取出し路６、外パイプ８内で且つ内パイプ９外が戻し路７として機能する。つまり、排ガス路２の排ガスは、内パイプ９の先端部から導入され、内パイプ９の先端部から基端部へ移動し、折返し開口１１から内パイプ９外で外パイプ８内に導出され、外パイプ８の基端部から先端部へ移動し、外パイプ８の先端部から排ガス路２内へ戻される。

外パイプ８の基端側の上壁には、折返し開口１１より先端側（排ガス流の下流側）に、上方への凹部１３が設けられており、この凹部１３内に排ガスセンサ４が設けられる。本実施例では、外パイプ８の上壁にセンサ取付筒１４が設けられ、そのセンサ取付筒１４の中空穴１５が前記凹部１３とされ、その凹部１３に排ガスセンサ４の本体部（センサシース２４）が収容される。なお、本実施例のセンサ取付筒１４は、金属製である。

図３および図４は、本実施例のセンサ取付筒１４を示す概略図であり、図３は正面図、図４はIV−IV面図であり、ヒータ５を取り付けた状態を示している。

センサ取付筒１４は、円筒状の筒部１６の上下両端部に、上フランジ１７と下フランジ１８とが設けられている。上フランジ１７と下フランジ１８とは、本実施例ではそれぞれ矩形状とされ、その長手方向を９０度ずらして配置される。つまり、図１において、上フランジ１７は前後方向（抽出パイプ３の幅方向）へ延出して配置される一方、下フランジ１８は左右方向（抽出パイプ３の長手方向）へ沿って配置される。また、筒部１６の外周面には、前後両方へ延出して板状のリブ１９が一体形成されている。さらに、筒部１６は、図３に示すように、下フランジ１８の下面から、下方へ僅かに突出して形成されている。なお、筒部１６には、周側壁を貫通して検査口２０が設けられているが、この検査口２０は閉塞されて使用される。

センサ取付筒１４は、外パイプ８の上壁にガスケット２１を介して下フランジ１８が気密に重ね合わされて取り付けられる。外パイプ８の上壁およびガスケット２１には、センサ取付筒１４の中空穴１５と対応した位置に、それぞれ穴２２，２３が開けられている。このようにして、センサ取付筒１４は、外パイプ８の上壁に対し垂直に設けられ、センサ取付筒１４の中空穴１５にて前記凹部１３が形成される。

センサ取付筒１４の中空穴１５には、排ガスセンサ４が設けられる。排ガスセンサ４は、排ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、酸素または窒素酸化物の濃度を検出する。但し、排ガスセンサ４は、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および窒素酸化物の内、複数のものを検出可能であってもよい。排ガスセンサ４は、たとえば、燃焼機器からの排ガス中の一酸化炭素濃度を監視して、燃焼機器の不完全燃焼を検知するために、接触燃焼式のＣＯセンサとされる。

本実施例の排ガスセンサ４は、下方へのみ開口する円筒状のセンサシース２４内に検知素子などが内蔵されており、下部開口からセンサシース２４内に排ガスが出入りする。また、センサシース２４の上端部には、センサフランジ２５が設けられている。センサシース２４およびセンサフランジ２５は、金属製である。

排ガスセンサ４は、センサシース２４が、センサ取付筒１４の中空穴１５に上方からはめ込まれる。そして、センサ取付筒１４の上フランジ１７にガスケット２６を介してセンサフランジ２５が気密に重ね合わされて取り付けられる。センサシース２４は、ガスケット２６の穴２７を貫通する。また、センサ取付筒１４への排ガスセンサ４の取付状態において、排ガスセンサ４のセンサシース２４は、外パイプ８内へ突出しない。

抽出パイプ３の基端部には、図１に示すように、ケース取付板２８を介して、基板ケース２９が設けられ、この基板ケース２９内には、検出回路（図示省略）が収容されている。検出回路は、排ガスセンサ４と電気的に接続され、一酸化炭素などの濃度を検出する。また、ヒータ５には、基板ケース２９を介して電力が供給される。なお、ケース取付板２８は、抽出パイプ３からの熱が検出回路へ伝わるのを防止する遮熱板としても機能する。

ケース取付板２８は、外パイプ８の幅寸法よりも大きい幅寸法の板材を「く」の字形に屈曲したもので、上片３０と下片３１とが所定角度で連接されて構成される。下片３１に基板ケース２９が取り付けられ、上片３０は抽出パイプ３の基端部下面に重ね合わされて固定される。図２に示すように、排ガス測定装置１を排ガス路２の壁に取り付けた状態において、下片３１は上下方向へ沿って配置される。

一方、外パイプ８の基端部上面には、矩形状の平板３２が重ね合わされる。この平板３２は、外パイプ８の幅寸法よりも大きく、矩形穴３３が形成されている。この矩形穴３３の内側に、前記ガスケット２１が配置される。

上片３０と平板３２との間には、外パイプ８の幅方向両側において、パイプ状のスペーサ３４が配置される。そして、ケース取付板２８の下方からの通し雌ネジ３５と、センサフランジ２５の上方からの雄ネジ３６との間に、ケース取付板２８の上片３０、スペーサ３４、平板３２、センサ取付筒１４の上フランジ１７、ガスケット２６、および排ガスセンサ４のセンサフランジ２５を通して、これら部材が互いに位置決めされる。言い換えれば、ケース取付板２８の上片３０と排ガスセンサ４のセンサフランジ２５との間で、外パイプ８、平板３２およびガスケット２１、センサ取付筒１４およびガスケット２６が、互いに密着するよう挟み込まれる。

ところで、図１では図示省略しているが、図２から図４に示すように、センサ取付筒１４の筒部１６の外周部には、ヒータ５が設けられている。本実施例では、ヒータ５は、合成樹脂でモールドされて取り付けられている。ヒータ５は、センサ取付筒１４の筒部１６の外周面全体に設けてもよいが、本実施例では、リブ１９で仕切られた筒部１６の略半周面に設けている。この際、図２に示すように、外パイプ８を流れる排ガス流の上流側（外パイプ８の基端側）にヒータ５を設けるのが好ましい。

排ガスセンサ４やヒータ５が設けられたセンサ取付筒１４は、カバー３７で覆われる。このカバー３７は、下方へ開口する箱状であり、前記平板３２にネジ３８で取り付けられる。カバー３７を設けることで、外気を遮断して、ヒータ５による加温を安定して行うことができる。

排ガス路２の壁面への排ガス測定装置１の設置について説明すると、排ガス測定装置１には予め取付板３９が設けられている。取付板３９は、外パイプ８の先端部が通された状態で、外パイプ８の先端部に固定されている。この際、図２に示すように、抽出パイプ３を水平から設定角度αだけ傾斜させた状態で、取付板３９が垂直に配置されるよう設けられる。これにより、排ガス路２の壁に取付板３９を重ね合わせて取り付けた状態では、抽出パイプ３は、水平から設定角度αだけ傾斜した状態に配置される。この傾斜角度αは、特に問わないが、好ましくは数十度であり、且つ３０度以上に設定するのが好ましい。本実施例では、３０度に設定されている。水平状態に対し３０度以上の角度で排ガス路２の壁から離隔するに従って上方へ傾斜するよう設けることで、排ガス測定装置１の使用時、水滴が表面張力により各パイプ８，９内に残留するのを確実に防止することができる。なお、取付板３９は、ガスケット４０を介して、排ガス路２の外壁に取り付けられる。

このようにして、排ガス路２の壁に排ガス測定装置１を設置した状態では、外パイプ８および内パイプ９の双方が、排ガス路２内に連通する。外パイプ８および内パイプ９は、その先端部が排ガス路２内に連通すれば足り、それぞれ単に排ガス路２の壁面付近で開口させてもよいが、少なくとも内パイプ９は、その先端部を排ガス路２内に突入して設けるのが好ましい。これは、排ガス路２内を流れる排ガスの境界層の影響を受けないようにするためである。

排ガス測定装置１の使用時、排ガスは、内パイプ９（取出し路６）内に導かれる。そして、内パイプ９の端部における折返し開口１１にて、外パイプ８（戻し路７）へ導かれ、外パイプ８の先端部から排ガス路２へ戻される。この間、戻し路７の凹部１３に設けた排ガスセンサ４により、一酸化炭素などの濃度が検知される。

本実施例の排ガス測定装置１によれば、排ガスが通される抽出パイプ３の流路（取出し路６，戻し路７）そのものではなく、排ガスの戻し路７に設けた上方への凹部１３に排ガスセンサ４を下方へ向けて逆さに設置するので、排ガスセンサ４に排ガス流が直接に当たることを防止して、流速による故障や測定誤差を防止することができる。

また、排ガスセンサ４が設けられる抽出パイプ３は、排ガス路２の壁から斜め上方へ延出して設けられると共に、抽出パイプ３の戻し路７に設けた上方への凹部１３に排ガスセンサ４を逆さに設置するので、抽出パイプ３や凹部１３内への結露水の滞留を塞ぎ、排ガスの流路の閉塞を防止すると共に、排ガスセンサ４への浸水を防止することができる。

さらに、ヒータ５に通電することで、排ガスセンサ４またはそれへの排ガスを加温して、排ガスセンサ４の近辺において、排ガスが露点温度を下回るのが防止される。つまり、温度が下がれば相対湿度は上がって露点に近づくので、排ガスセンサ４付近をヒータ５で加温して、特にセンサ取付筒１４やセンサシース２４内での結露水の発生や付着を防止する。本実施例では、ヒータ５は、ＰＴＣサーミスタを用いて、センサ取付筒１４が所定温度を保つように加温する。

この際、排ガスセンサ４のセンサシース２４内の相対湿度が７０％±１０％になるように、ヒータ５による加温を行うのが好ましい。言い換えれば、設置環境温度や排ガス温度に拘わらず、排ガスセンサ４付近の相対湿度が７０％±１０％になるように、ヒータ５による加温目標温度が設定される。結露を防止するためには、ヒータ５により加温して相対湿度を下げるのがよいが、その反面、相対湿度を下げるのに伴い、ヒータ容量が増し、電源の確保や構成部品の耐熱性などに制約を生じる。ところが、相対湿度を７０％±１０％とするようにヒータ５で加温することで、そのような不都合を回避しつつ結露を防止することができる。

排ガスセンサ４またはそれへの排ガスをヒータ５で加温することで、設置環境温度や排ガス温度に拘わらず、センサ部位において、排ガスが露点温度を下回ることなく、結露の発生を確実に防止することができる。設置環境温度や排ガス温度に左右されないので、寒冷地や、排ガス温度が低い箇所においても、排ガス測定装置１を設置することが可能となる。

さらに、排ガスセンサ４の出力特性を安定させ、また一酸化炭素などの濃度を正確に検出することができる。また、仮にセンサシース２４内の検知素子を直接に加温した場合、素子構成部材を均一に加温しなければ出力に影響を与え、誤った検出をするおそれがあるが、センサシース２４よりも外側の空間から間接的に加温することで、測定誤差を防止することができる。

本発明の排ガス測定装置１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。特に、ヒータ５は、排ガスセンサ４またはそれへの排ガスを加温するのであれば、その構成、取付位置および取付方法を問わない。たとえば、前記実施例では、ヒータ５は、センサシース２４がはめ込まれるセンサ取付筒１４の外周部に設けたが、センサ取付筒１４の内周部に設けたり、センサシース２４の外周部に設けたり、あるいは、凹部１３の直前（たとえば外パイプ８の端壁１０からセンサ取付筒１４までの間）における抽出パイプ３に設けたりしてもよい。

１ 排ガス測定装置
２ 排ガス路
３ 抽出パイプ
４ 排ガスセンサ
５ ヒータ
６ 取出し路
７ 戻し路
８ 外パイプ
９ 内パイプ
１０ 端壁
１１ 折返し開口
１３ 凹部
１４ センサ取付筒
１５ 中空穴
１６ 筒部
１７ 上フランジ
１８ 下フランジ
２４ センサシース
２５ センサフランジ
３７ カバー

Claims (4)

1. 燃焼機器からの排ガス路の壁に斜め上方へ延出して設けられ、前記排ガス路を通る排ガスの一部を、取出し路を介して取り出し、この取出し路の端部で折り返して、戻し路を介して前記排ガス路へ戻す抽出パイプと、
   前記戻し路に設けられた上方への凹部に設置され、排ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、酸素または窒素酸化物の濃度を検出する排ガスセンサと、
   この排ガスセンサまたはそれへの排ガスを加温するヒータとを備え、
   前記ヒータは、前記排ガスセンサのセンサシースがはめ込まれる前記凹部を構成する筒部の内、前記戻し路を流れる排ガス流の上流側となる略半周面に設けられる
   ことを特徴とする排ガス測定装置。
2. 前記抽出パイプは、断面矩形の外パイプと、この外パイプの断面下半分にはめ込まれる断面矩形の内パイプとから構成され、
   前記外パイプは、一端部が端壁で閉塞される一方、他端部が前記排ガス路に開口するよう設けられ、
   前記内パイプは、一端部が前記端壁で閉塞されつつその一端部側の上壁に折返し開口が形成されるか、一端部が前記端壁と離隔して配置されることで折返し開口が形成される一方、他端部が前記外パイプよりも延出して前記排ガス路内に突入して開口するよう設けられ、
   前記外パイプには、前記折返し開口より下流側における上壁に、センサ取付筒が設けられることで前記凹部が形成され、
   前記センサ取付筒は、筒部の両端部に上フランジと下フランジとが設けられてなり、前記下フランジが前記外パイプの上壁に気密に取り付けられ、前記筒部に前記排ガスセンサのセンサシースが上方からはめ込まれて、前記上フランジに前記排ガスセンサのセンサフランジが気密に取り付けられ、
   前記センサ取付筒の筒部の外周面に、前記ヒータが設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の排ガス測定装置。
3. 前記排ガスセンサと前記ヒータとが設けられた前記センサ取付筒は、カバーにて覆われる
   ことを特徴とする請求項２に記載の排ガス測定装置。
4. 前記排ガスセンサ内の相対湿度が７０％±１０％になるように、前記ヒータによる加温を行う
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス測定装置。

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