JP7541244B2 - ガス燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガス燃料を燃焼した際に排ガスを排出する排出管を備えるガス燃焼器に関する。

例えば給湯器やボイラー等のガス燃焼器については、ＮＯｘやＣＯ_２，ＣＯ等の排ガス規制が年々厳しくなっている。例えば、日本におけるボイラー製品には、排ガス中のＮＯｘ濃度を５０ｐｐｍ以下にすることが求められている。排ガス中に含まれるＮＯｘ等の濃度は、燃料の種類や供給量，空気の供給量や大気圧等といった種々のパラメータにより決まるため、様々な条件下において排ガス規制を満たすように燃焼を行うには、排ガス中に含まれているＮＯｘ等の濃度をセンシングして、センシングの結果に応じた燃焼制御を行うことが望ましい。ガスを検出するセンサとしては、例えばジルコニア式や定電位電解方式等のセンサがある。

特開２００７－２６３９３３号公報 特開２０００－７４８７８号公報

しかしながら、ジルコニア式センサは、測定態様以外のガス成分の影響を受けるため精度が悪く、比較的精度が良い定電位電解方式センサは、電解液を使用しているため高温環境下で使用できないといった問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、精度が良いガスセンサを高温環境下に置くことなく使用できるガス燃焼器を提供することにある。

請求項１記載のガス燃焼器によれば、排出管の主管より分岐し、排ガスの流量が主管よりも少なくなるように設定されるバイパス管を設け、このバイパス管に排ガス中のガスを検出するガスセンサを配置し、冷却機構によってバイパス管を冷却する。このように構成すれば、冷却機構は、排ガスの流量が比較的少ないバイパス管を冷却すれば良いので、小型で低コストのものを用いることができる。これにより、高温環境下では使用できない高精度のガスセンサを使用することが可能になる。

加えて、冷却機構を、バイパス管におけるガスセンサの少なくとも上流側に配置する。これにより、排ガスの温度を確実に低下させた状態で、ガスセンサによるセンシングを行わせることができる。

請求項２記載のガス燃焼器によれば、ガス燃料を燃焼することで給水タンク内の水を加熱する構成において、冷却機構を、給水タンクに給水される水を用いて冷却を行う構成とする。すなわち、給水タンクに給水される水を冷媒として用いるので、冷却機構を低コストで構成できる。

請求項１記載のガス燃焼器によれば、主管内において、バイパス管の入口と出口との間に対応する部位に逆止弁を配置する。排ガスの圧力は、ガス燃料の燃焼状態に応じて変化するが、排ガスの圧力が低い場合は主管内の逆止弁は閉じているので、排ガスは全てバイパス管内に流れる。排ガスの圧力が上昇して逆止弁が開くと、排ガスは主管とバイパス管との双方に流れる。したがって、排ガスの圧力が低い場合でも、ガスセンサによるセンシングを確実に行わせることができる。

請求項３記載のガス燃焼器によれば、バイパス管は、排ガスの流量が排出管よりも少なくなるように径断面積が設定されている。そして、逆止弁は、バイパス管を流れる排ガスの流量が一定値を超えると開放され、主管及びバイパス管を流れる排ガスの圧力を同一にするように調整されている。このように構成すれば、バイパス管への排ガスの流量を制限して冷却機構による冷却を容易に行うことができると共に、バイパス管の負担を低減できる。

第１実施形態であり、ガス燃焼器の一例である本実施形態のガス給湯器の構成を示す図 図１の排気管部分を拡大して示す図 ガス給湯器が低火力で運転されている場合の図２相当図 ガス給湯器が高火力で運転されている場合の図２相当図 ガス給湯器の運転が停止している状態から開始した場合の各部の変化を示すタイミングチャート 逆止弁で生じる損失を調整する手法について説明する図 第２実施形態であり、ガス給湯器の構成を示す図 図７の排気管部分を拡大して示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図６を参照して説明する。図１は、ガス燃焼器の一例である本実施形態のガス給湯器１の構成を示す。給湯タンク２の内部には、給水管３を介して図示しない水道より水が給水される。給湯タンク２は、燃焼管４を内蔵しており、燃焼管４の内部でガスの燃焼が行われることで水が加熱されて湯になる。湯は、排出管５を介して外部に供給される。排出管５には、湯の温度を検出するための図示しない温度センサが配置されている。

給湯タンク２には、吸気管６が接続されており、吸気管６の内部にはブロア７が配置されている。ブロア７は、吸気管６の外部にあるコントローラ８により駆動制御され、外部より大気を吸気する。吸気管６の途中部位には、ガス供給管９が比例弁１０を介して接続されている。比例弁１０は、コントローラ８により駆動制御される。これにより、吸気管６内へのガス供給量が調整される。

吸気管６内部のガスと大気との混合気体は、噴射部１２を介して燃焼管４に供給される。燃焼管４内の混合気体は、図示しないイグナイタにより点火されて燃焼される。燃焼管４は、給湯タンク２の図中上部において吸気管６に接続され、給湯タンク２の下方に延びる主部４ａと、給湯タンク２の下方から上方に延びる折返し部４ｂと、そこから主部４ａの周囲を螺旋状に囲んで再び下方に至る螺旋状部４ｃとを備えている。螺旋状部４ｃには排気管１３が接続されており、燃焼後の気体が給湯タンク２の外部に排気される。

図２にも示すように、排気管１３は、主管１４及びバイパス管１５からなる。バイパス管１５は、主管１４より分岐して排気ガスを流した後に、主管１４に戻して排気させる。バイパス管１５の径断面積は、主管１４よりも小さく設定されている。図２に拡大して示すように、バイパス管１５は、主管１４の下方に接続されるコ字状の配管であり、主管１４への接続箇所が入口１５ａ，出口１５ｂとなっている。そして、主管１４内における入口１５ａと出口１５ｂとの間には、逆止弁１６が配置されている。

バイパス管１５には、排ガス中における例えばＮＯｘ等のガス濃度を検出する、例えば定電位電解方式のガスセンサ１７が配置されている。ガスセンサ１７の上流側には、冷却機構としての冷却器１８が配置されている。冷却器１８は、具体的には図示しないが、例えば冷媒が流れる冷却パイプをバイパス管１５の外周に巻き付けて冷却し、バイパス管１５に流れる排ガスの熱で上昇した冷媒の温度を低下させて、冷却パイプに送出する、という循環を行う構成である。

コントローラ８は、例えばマイクロコンピュータで構成され、入力部２１，演算部２２及び出力部２３等を備えている。入力部２１は、ガスセンサ１７や温度センサが出力するセンサ信号やを受けて演算部２２に出力する。演算部２２は、入力されるセンサ信号に応じてブロワ７及び比例弁１０を制御する信号を出力部２３を介して出力する。これにより、コントローラ８は、燃焼管４に供給する空気量及びガス燃料の量を制御して、ガス給湯器１の燃焼状態を制御し、湯の温度をユーザにより設定された温度にする。

次に、本実施形態の作用について図３から図５を参照して説明する。図３は、ガス給湯器１の運転状態が低火力であり、排気管１３に流れる排ガスの圧力が比較的低い場合を示している。この時、主管１４にある逆止弁１６は閉じているため、排ガスはバイパス管１５のみに流れる。

一方、図４は、ガス給湯器１の運転状態が高火力であり、排気管１３に流れる排ガスの圧力が比較的高い場合を示している。この時、逆止弁１６は開くので、排ガスは主管１４及びバイパス管１５の双方に流れる。図５は、ガス給湯器１の運転状態が図３に示すものから図４に示すものに遷移する場合を示したタイムチャートである。火力が「低」から「高」に変化する間に、閉じていた逆止弁１６が開き始める。すると、主管１４における排ガスの流量は「０」から上昇を開始すると共に、バイパス管１５における排ガスの流量も上昇する。そして、バイパス管１５の流量は、逆止弁１６が全開になる前に頭打ちとなるが、主管１４の流量は逆止弁１６が全開になった時点で一定となる。

ここで、逆止弁１６が開放された際に、主管１４及びバイパス管１５を流れる排ガスの圧力が同一となるように調整する手法について図６を参照して説明する。各パラメータを以下に示す。
Ａ１：主管１４の配管径
Ａ２: バイパス管１５の配管径
ｖ１：逆止弁１６を閉状態に維持できる最大流量
ｖ２：バイパス管１５に流すことができる最大流量
このとき、
ｖ２＝ｖ１×Ａ１／Ａ２ …（０）
となる。

また、図中に示す配管損失（１）～（３）は、以下になる。
配管損失（１）：主管１４からバイパス管１５への流路が直角に折れ曲がると共に
断面積が変化することによる損失
配管損失（２）：バイパス管１５内の流路が２か所で直角に折れ曲がる
ことによる損失
配管損失（３）：バイパス管１５から主管１４への流路が直角に折れ曲がると共に
断面積が変化することによる損失
尚、バイパス管１５の流路がストレートである部分でも損失は発生するが、僅かであるためここでは無視している。

配管損失（１）であるΔＰ１は、（１）式で表される。
ΔＰ１＝０．９４６×ρｖ１^２／２＋（１／Ｃ_Ｃ－１）×ρｖ２^２／２ …（１）
尚、「ρ」は水の密度であり、「Ｃ_Ｃ」は配管径比（Ａ１／Ａ２）で決まる定数である。
配管損失（２）であるΔＰ２は、（２）式で表される。
ΔＰ２＝０．９４６×ρｖ２^２／２×２ …（２）
配管損失（３）であるΔＰ３は、（３）式で表される。
ΔＰ３＝（１－Ａ２／Ａ１）×ρｖ２^２／２ …（３）

バイパス管１５に流すことができる最大流量ｖ２における圧力損失Ｐ_Ｌは、上記の損失（１）～（３）の合計となる。
Ｐ_Ｌ＝ΔＰ１＋ΔＰ２＋ΔＰ３ …（４）
従って、逆止弁１６に、発生する損失が圧力損失Ｐ_Ｌに等しくなるものを選ぶことで、流量がｖ２を超えた際に逆止弁１６の開放が開始されるようになる。これにより、主管１４及びバイパス管１５を流れる排ガスの圧力が同一となる。

以上のように本実施形態によれば、ガス給湯器１において、排出管１３の主管１４より分岐し、排ガスの流量が主管１４よりも少なくなるように設定されるバイパス管１５を設け、バイパス管１５にガスセンサ１７を配置し、冷却器１８によってバイパス管１５を冷却する。このように構成すれば、冷却器１８は、排ガスの流量が比較的少ないバイパス管１５６を冷却すれば良いので、小型で低コストのものを用いることができる。これにより、高温環境下では使用できない高精度のガスセンサ１７を使用することが可能になる。

この場合、冷却器１８を、バイパス管１５におけるガスセンサ１８の上流側に配置することで、排ガスの温度を確実に低下させた状態で、ガスセンサ１８によるセンシングを行わせることができる。

また、主管１４内において、バイパス管１５の入口１５ａと出口１５ｂとの間に対応する部位に逆止弁１６を配置する。排ガスの圧力が低い場合は主管１４内の逆止弁１６は閉じているので、排ガスは全てバイパス管１５に流れるので、ガスセンサ１８によるセンシングを確実に行わせることができる。

更に、逆止弁１６を、バイパス管１５を流れる排ガスの流量が一定値を超えると開放され、主管１４及びバイパス管１５を流れる排ガスの圧力を同一にするように調整する。このように構成すれば、バイパス管への排ガスの流量を制限して冷却機構による冷却を容易に行うことができると共に、バイパス管の負担を低減できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図７及び図８に示すように、第２実施形態のガス給湯器３１は、給水管３に替わる給水管３２を備えている。給水管３２は、バイパス管１５の下方側に、バイパス管１５に沿うように配設されている。すなわち、第２実施形態では、給水管３２を冷却機構として用いている。

給水管３２を流れる水を冷媒として、給水管３２とバイパス管１５との間で熱交換を行い、バイパス管１５の熱を水により奪うことで冷却する。給水管３２は、バイパス管１５に接触するように配置しても良いし、バイパス管１５と給水管３２との間に放熱シートのようなものを介在させて熱交換を行っても良い。これにより、冷却機構を低コストで構成できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
冷却器１８を配置する位置は、適宜変更して良い。
ガス給湯器に限ることなく、ガスを燃焼させた際に発生する熱を利用するものであれば適用が可能である。

図面中、１はガス給湯器、２は給湯タンク、１３は排気管、１４は主管、１５はバイパス管、１５ａは入口，１５ｂは出口、１６は逆止弁、１７はガスセンサ、１８は冷却器、３１はガス給湯器、３２は給水管を示す。

Claims (3)

1. ガス燃料を燃焼した際に排ガスを排出する排出管としての主管と、
   この主管より分岐して形成され、排ガスの流量が当該排出管よりも少なくなるように設定されるバイパス管と、
   このバイパス管に配置され、前記排ガス中のガスを検出するガスセンサと、
   前記バイパス管を冷却する冷却機構とを備え、
   前記冷却機構を、前記バイパス管における前記ガスセンサの少なくとも上流側に配置し、
   前記主管内において、前記バイパス管の入口と出口との間に対応する部位に配置される逆止弁を備えるガス燃焼器。
2. ガス燃料を燃焼した際に排ガスを排出する排出管としての主管と、
   この主管より分岐して形成され、排ガスの流量が当該排出管よりも少なくなるように設定されるバイパス管と、
   このバイパス管に配置され、前記排ガス中のガスを検出するガスセンサと、
   前記バイパス管を冷却する冷却機構とを備え、
   前記冷却機構を、前記バイパス管における前記ガスセンサの少なくとも上流側に配置し、
   水が給水される給水タンクを備え、
   前記ガス燃料を燃焼することで前記給水タンク内の水を加熱する構成において、
   前記冷却機構は、前記給水タンクに給水される水を用いて冷却を行うガス燃焼器。
3. 前記バイパス管は、排ガスの流量が前記排出管よりも少なくなるように径断面積が設定されており、
   前記逆止弁は、前記バイパス管を流れる排ガスの流量が一定値を超えると開放され、前記主管及び前記バイパス管を流れる排ガスの圧力を同一にするように調整されている請求項１記載のガス燃焼器。

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