JPH05119018A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸素センサの実使用における寿命をできるだ
け長くする。 【構成】 排気中の酸素濃度を検出する限界電流型酸素
センサ１０を用いて燃焼部３への空気供給量を検出し、
且つ、大気中での限界電流型酸素センサ１０の出力値か
らその限界電流型酸素センサ１０の劣化判定を行う判定
手段９が設けられている燃焼装置において、判定手段９
が、燃焼時の排気中の酸素濃度を検出するときの限界電
流型酸素センサ１０の監視電圧Ｖ１より高い監視電圧Ｖ
２にて劣化判定を行うように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、排気中の酸素濃度を検
出する限界電流型酸素センサを用いて燃焼部への空気供
給量を検出し、且つ、大気中での前記限界電流型酸素セ
ンサの出力値からその限界電流型酸素センサの劣化判定
を行う判定手段が設けられている燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる燃焼装置に用いられる限界電流型
酸素センサ（以下、単に酸素センサという）は、ディス
ク状の安定化ジルコニアの両面に設けた電極間に直流電
圧を印加したときに、酸素イオンをキャリアとして流れ
る電流が酸素濃度によって変化することを利用して酸素
濃度を検出するものである。

【０００３】この電流Ｉは電圧Ｖが小さいときは電圧Ｖ
に比例して増加するが、やがて、電圧Ｖが高くなっても
増加しないフラット領域が観測される。このフラットな
電流が限界電流と称され、酸素濃度に比例する電流値と
なる。そこで、このフラット領域に電圧（以下、監視電
圧という）を設定しておけば、電流値から酸素濃度を検
出することができる。

【０００４】かかる酸素センサにはヒータが一体形成さ
れており、通電により加熱される。上記限界電流が５０
０℃程度の高温下で発生するからである。このヒータに
よる加熱等の影響で酸素センサの劣化がある程度以上進
行すると、酸素濃度を正しく検出することができなくな
る。

【０００５】そこで、燃焼制御に際して、酸素センサの
劣化が影響の無い範囲内か否かを判定すべく、大気中に
おける酸素センサの出力値が、大気中の酸素濃度（２１
％）に相当する値を中心とする所定範囲内にあるか否か
をチェックする劣化判定を行っている。

【０００６】前述の監視電圧は、余り高く設定すること
ができない。即ち、監視電圧が高すぎると、空気中の水
蒸気が分解されて酸素イオンが生じるので、乾燥空気に
比べて酸素センサの出力値（限界電流）が大きくなり、
その結果、酸素濃度を高めに検出してしまう。この水蒸
気の影響による誤検出を回避すべく、監視電圧は水蒸気
分解開始電圧より低い電圧に設定される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、酸素センサ
の監視電圧を低く設定するほど、高温劣化による影響が
早く生じるようになる。例えば図４に実線で示される初
期特性ＬＯが、劣化により一点鎖線で示される特性Ｌ２
まで変化したとすると、監視電圧がＶ１のときの酸素濃
度２１％の大気中における酸素センサの出力値は、初期
特性における限界電流値Ｉａを大きく下回る値Ｉｂとな
る。従って、前述の劣化判定により不良と判定される。

【０００８】実際には、劣化判定における前記所定範囲
が図４においてＩａを中心とするΔＩの範囲であるとす
れば、破線で示す特性Ｌ１まで劣化が進んだ時点で不良
と判定されることになる。換言すれば、特性Ｌ１に劣化
するまでの時間が酸素センサの実使用における寿命であ
る。この寿命が製品（燃焼装置）の寿命より短いと、酸
素センサの交換等のメンテナンスが必要になるので、好
ましくない。

【０００９】本発明は、かかる実情に鑑みて為されたも
のであって、その目的は、酸素センサの実使用における
寿命をできるだけ長くすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の燃焼装置は、排
気中の酸素濃度を検出する限界電流型酸素センサを用い
て燃焼部への空気供給量を検出し、且つ、大気中での前
記限界電流型酸素センサの出力値からその限界電流型酸
素センサの劣化判定を行う判定手段が設けられているも
のであって、第１の特徴構成は、前記判定手段が、燃焼
時の排気中の酸素濃度を検出するときの限界電流型酸素
センサの監視電圧Ｖ１より高い監視電圧Ｖ２にて前記劣
化判定を行うように構成されている点にある。

【００１１】第２の特徴構成は、前記判定手段が、前記
劣化判定において、大気中での前記出力値が所定範囲内
であれば良とするように構成され、且つ、前記所定範囲
の下限値が、燃焼制御において必要な酸素濃度検出範囲
の上限酸素濃度に相当する出力値にほぼ等しく設定され
ている燃焼装置。

【００１２】第３の特徴構成は、前記判定手段が、燃焼
時の排気中の酸素濃度を検出するときの限界電流型酸素
センサの監視電圧Ｖ１より高い監視電圧Ｖ２における前
記出力値が所定範囲内であり、且つ、前記監視電圧Ｖ１
における前記出力値が、燃焼制御において必要な酸素濃
度検出範囲の上限酸素濃度に相当する出力値以上である
ときに前記限界電流型酸素センサが正常であると判断す
るように構成されている

【作用】図４に示されるように、酸素センサの高温劣化
による影響は、酸素濃度が高い方から発生する。即ち、
高温劣化により一点鎖線で示される特性Ｌ２まで変化し
たとすると、監視電圧がＶ１のとき、酸素濃度２１％に
おける酸素センサの出力値は限界電流値Ｉａを大きく下
回る値Ｉｂとなり、酸素濃度を正しく検出することがで
きないが、酸素濃度１５％においては酸素センサの出力
値は限界電流値Ｉｃのままであり、酸素濃度を正しく検
出することができる。

【００１３】そして、実際の燃焼制御において必要な酸
素濃度検出範囲の上限、即ち排気中の酸素濃度の上限
は、２１％より低い値（例えば１５％）である。換言す
れば、これ以上の酸素濃度を検出することができなくて
も燃焼制御に影響はない。

【００１４】そこで、第１の特徴構成に示すように、実
際の燃焼制御における排気中の酸素濃度を検出するとき
の監視電圧Ｖ１より高い監視電圧Ｖ２にて前記劣化判定
を行うことにより、監視電圧Ｖ１において酸素濃度２１
％を正常に検出できなくなった後も監視電圧Ｖ２での劣
化判定においては正常に検出されるので良とされ、使用
を続行できる。つまり、実使用における寿命が延びるこ
とになる。

【００１５】例えば、図４のようにＶ２を設定した場合
は、二点鎖線で示される特性Ｌ３に劣化するまで使用で
きることになる。尚、排気中の酸素濃度を検出するとき
の監視電圧そのものをＶ２まで上げることはできない。
水蒸気の分解により発生する酸素イオンの影響が酸素濃
度が低い方から発生し、誤検出を生じてしまうからであ
る。

【００１６】第２の特徴構成では、第１の特徴構成と異
なり、大気中での劣化判定における監視電圧はＶ１のま
まである。その代わりに、良と判定するセンサ出力範囲
の下限値を酸素濃度２１％に相当する初期値の近傍（例
えば図４の（Ｉａ−ΔＩ／２））ではなく、必要な酸素
濃度検出範囲の上限酸素濃度（例えば１５％）に相当す
る出力値（例えば図４のＩｃ）にほぼ等しい値まで下げ
ることにより、酸素センサの実使用における寿命を延ば
す。

【００１７】第３の特徴構成では、第１の特徴構成と第
２の特徴構成を併用したものであって、いわばダブルチ
ェックによりその判定精度を高めている。これは、図４
に示す酸素センサの電流対電圧特性がモデル化されたも
のであって、実際の酸素センサの電流対電圧特性は必ず
しも原点を通らず、又、限界電流に達するまでの部分が
完全な直線にはならないことに鑑みたものである。

【００１８】つまり、第３の特徴構成によれば監視電圧
Ｖ２における出力値が所定範囲（例えば図４のΔＩ）内
であり、且つ、監視電圧Ｖ１における出力値が、燃焼制
御において必要な酸素濃度検出範囲の上限酸素濃度（例
えば１５％）に相当する出力値（例えば図４のＩｃ）以
上であるときに限界電流型酸素センサが正常であると判
断するのである。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、酸素セ
ンサの実使用における寿命を延ばすことができ、製品
（燃焼装置）の設計上、或いはメンテナンス上、好まし
いものとなった。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を給湯器に適用した実施例を図
面に基づいて説明する。本実施例の給湯器は図１に示す
ように構成されている。筒状ケース１内にバーナ２を備
える燃焼部３とその高温排気により水を加熱するフィン
チューブ型の熱交換器４が設けられている。筒状ケース
１の下端には燃焼部３に燃焼用空気を供給する通風手段
としてのファン５の吐出側が接続され、筒状ケース１の
上端には排気路６が接続されている。

【００２１】バーナ２への燃料供給路７には燃料供給量
を調節するためのガス比例弁８が設けられている。ガス
比例弁８は、燃焼コントローラ９によって、その開度が
制御される。燃焼コントローラ９は、設定手段Ｒによっ
て設定された設定湯温と、湯温検出手段Ｓによって検出
される湯温との偏差を小さくするようにガス比例弁８を
介して燃料供給量を制御する。つまり、設定湯温と検出
湯温との偏差に基づいて、ガス比例弁８の操作量が求め
られ、燃焼コントローラ９内のガス弁駆動回路９ａが、
その操作量に応じた励磁電流でガス比例弁８を駆動す
る。

【００２２】湯温を制御するには、バーナ２への燃料供
給量のみならず、燃焼部３への燃焼用空気の供給量をも
適切に制御する必要がある。従って、燃焼コントローラ
９は、ファン５の送風量、即ち回転数をも制御する。そ
して、燃焼部３への空気供給量を検出する手段として、
排気中の酸素濃度を検出する限界電流型酸素センサ１０
が排気路６に設けられている。

【００２３】限界電流型酸素センサ（以下、単に酸素セ
ンサという）１０は、燃焼後の排気中の酸素濃度を検出
することにより燃焼部への空気供給量を間接的に検出す
る。つまり、燃焼部への空気供給量が過剰気味であれ
ば、排気中の酸素濃度（残存量）は大きく、逆に空気供
給量が不足気味であれば、排気中の酸素濃度（残存量）
は小さくなるからである。

【００２４】酸素センサ１０は、図２に示すように、セ
ンサエレメント１１、端子１２、端子台１３、メッシュ
カバー１４からなる。センサエレメント１１は、図３に
示すように、ディスク状の安定化ジルコニア１１ａの両
側に白金電極１１ｂを形成し、その片側に小孔１１ｃが
設けられたキャップ１１ｄを接合して構成されている。
両電極１１ｂ間に電圧を印加すると、ポンピング作用に
より酸素イオンをキャリアとする電流が流れる。

【００２５】キャップ１１ｄ内への空気の流入が小孔１
１ｃによって制限されることから電圧の所定領域で電流
がほぼ一定（限界電流）になる。そして、この限界電流
は空気中の酸素濃度に比例して変化するので、一定電圧
（監視電圧）を両電極１１ｂ間に印加しておき、そのと
きの電流値から酸素濃度を検出することができる。又、
上記ポンピング作用は、高温（５００℃程度）において
発生するするので、キャップ１１ｄ上部にヒータ１１ｅ
を一体に形成し、ヒータ１１ｅへの通電によりセンサエ
レメント１１を加熱するように構成している。

【００２６】酸素センサ１０の検出値（電流値）は、燃
焼コントローラ９に入力され、燃焼コントローラ９は、
その検出値がバーナ２への燃料供給量に応じて決められ
る目標値に維持されるようにファン５の回転数を制御
し、燃焼部３への空気供給量を調節している。上記酸素
濃度の目標値は、実験により求められた適正値であっ
て、図５に示すように燃料供給量（ガス比例弁電流）に
応じて変化する。

【００２７】ファン５の回転数の制御は、ファンモータ
（ＤＣモータ）への印加電圧を変えることによって行
う。つまり、酸素センサ１０の検出値と上記目標値との
偏差に基づいてファン５の操作量が求められ、燃焼コン
トローラ９内のファン駆動回路９ｂが、その操作量に応
じた電圧でファン５を駆動する。

【００２８】次に、酸素センサ１０による酸素濃度検出
について説明を加える。酸素センサ１０の印加電圧Ｖと
電流Ｉ、酸素濃度との関係は図４に示すようになる。酸
素センサ１０には所定の監視電圧Ｖ１が印加され、その
ときの電流値から酸素濃度が検出される。この監視電圧
Ｖ１は、酸素濃度０％における水蒸気分解開始電圧にほ
ぼ等しい電圧に設定されている。

【００２９】これは、図４に示すように、電圧Ｖが水蒸
気分解開始電圧より高くなると、水蒸気が分解されて生
じる酸素イオンの影響で限界電流が大きくなり、酸素濃
度を高めに誤検出してしまう現象が生じるので、この誤
検出を回避できる最大電圧としているのである。

【００３０】監視電圧Ｖ１を水蒸気が分解しない範囲の
最大電圧に設定するのは、高温劣化により酸素センサ１
０の特性が変化しても、できるだけ長く使用できるよう
にするためである。又、燃焼開始時には、酸素センサ１
０の劣化が影響の無い範囲内か否かを判定すべく、大気
中における酸素センサ１０の出力値が、大気中の酸素濃
度（２１％）に相当する値（Ｉａ）を中心とする所定範
囲（ΔＩ）内にあるか否かをチェックする劣化判定を行
う。この劣化判定を行うのは、判定手段としての燃焼コ
ントローラ９である。

【００３１】次に、燃焼開始から停止までの燃焼コント
ローラ９による制御を図６の流れ図に基づいて説明す
る。給湯栓（図示せず）が開かれ、水流スイッチ１５が
オンになると、先ず、ファン５が駆動され、所定時間プ
リパージが行われる。このとき酸素センサ１０のヒータ
１１ｅへの通電が開始される。所定時間経過後に前述の
酸素センサ１０の劣化判定を行う。尚、このとき、酸素
センサ１０の雰囲気はほぼ大気状態になっている。

【００３２】劣化判定時の監視電圧は、燃焼コントロー
ラ９内の監視電圧設定回路９ｃにより、燃焼時の排気中
の酸素濃度を検出するときの監視電圧Ｖ１より高い電圧
Ｖ２に設定される。劣化判定は、酸素センサ１０の出力
値が大気中の酸素濃度２１％に相当する値Ｉａを中心と
する所定範囲（検出誤差を含む微小範囲ΔＩ）内か否か
を判定するものである（図４参照）。

【００３３】上記の電圧Ｖ２は、耐久試験等の実験から
下記のようにして予め求められている。つまり、燃焼制
御において必要な排気中の酸素濃度検出範囲の上限酸素
濃度を１５％とすれば、通常の監視電圧Ｖ１において１
５％以下の酸素濃度が正常に検出できるときに上記の大
気中における劣化判定で良となる最大電圧をＶ２として
いるのである。

【００３４】つまり、図４からは、 Ｖ２≒（２１／１５）・Ｖ１ なる関係が導き出せるが、実際の酸素センサ１０の特性
は必ずしも図４の如くモデル化された特性にはならない
ので、上記のように実験により求めているのである。こ
のように、通常の監視電圧Ｖ１より高い電圧Ｖ２にて劣
化判定を行うことにより酸素センサ１０の実使用上の寿
命を長くしている。

【００３５】劣化判定の結果、所定範囲内でなければ不
良と判定され、（イ）以降の処理が実行される。即ち、
設定手段Ｒに設けられた異常ランプ（燃焼ランプと兼
用）１６を点滅させ、器具の運転が停止された後インタ
ーロックがかけられる。尚、インターロックの解除は、
酸素センサ１０の交換等の所定のメンテナンスを行った
後、リセットスイッチ（図示せず）を押すことにより行
われる。

【００３６】劣化判定の結果、酸素センサ１０の出力値
が所定範囲内にあり、良とされたときは、（ロ）以降の
処理が行われる。即ち、監視電圧設定回路９ｃにより監
視電圧がＶ１に変更設定された後、ガス比例弁８等が開
成され、バーナ２が点火される。そして、前述のように
してガス比例弁８による燃料供給量の制御や酸素センサ
１０の検出値に基づくファン５の回転数制御（空気供給
量の制御）が行われる。

【００３７】給湯栓が閉じられ、水流スイッチ１５がオ
フになると、燃焼停止処理が行われて燃焼制御は終了す
る。即ちガス比例弁８等が閉じられて燃焼が停止し、酸
素センサ１０のヒータ１１ｅへの通電も停止される。フ
ァン５は、数分間のポストパージ終了後に停止される。

【００３８】以下別実施例について記す。 上記実施例における酸素センサの劣化判定とは少し
異なる、以下の方法により、酸素センサの実使用におけ
る寿命を延ばすことも可能である。即ち、劣化判定にお
ける監視電圧は通常の監視電圧Ｖ１のままで、劣化判定
における判定レベルを変更する。つまり、劣化判定にお
いて良とするセンサ出力範囲の下限値を、上記実施例の
ように酸素濃度２１％における限界電流値Ｉａの近傍
（Ｉａ−ΔＩ／２）とするのではなく、必要な酸素濃度
検出範囲の上限酸素濃度（例えば１５％）に相当する出
力値（例えば図４のＩｃ）にほぼ等しい値に設定すれば
よい。

【００３９】 上記実施例においては、劣化判定時の
監視電圧Ｖ２を設定するに際し、酸素センサの実使用に
おける寿命を最大限延ばすことができるように実験によ
り予め求めた電圧としたが、下記の劣化判定によればも
っとラフに設定することができる。即ち、通常の監視電
圧Ｖ１よりも大きい電圧Ｖ２を適当に設定して実施例と
同様の劣化判定を行い、その結果、良と判定されたとき
に、監視電圧Ｖ１における出力値が燃焼制御において必
要な酸素濃度検出範囲の上限酸素濃度（例えば１５％）
に相当する出力値（例えば図４のＩｃ）以上であれば正
常であると判断するのである。つまり、上記別実施例
に述べた劣化判定を併用したものである。

【００４０】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る湯沸器の構成図

【図２】限界電流型酸素センサの断面図

【図３】センサユニットの断面図

【図４】限界電流型酸素センサの特性図

【図５】燃料供給量と酸素濃度目標値との関係を示すグ
ラフ

【図６】判定手段（燃焼コントローラ）の処理を示す流
れ図

【符号の説明】

３ 燃焼部 ９ 判定手段 １０ 限界電流型酸素センサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気中の酸素濃度を検出する限界電流型
   酸素センサ（１０）を用いて燃焼部（３）への空気供給
   量を検出し、且つ、大気中での前記限界電流型酸素セン
   サ（１０）の出力値からその限界電流型酸素センサ（１
   ０）の劣化判定を行う判定手段（９）が設けられている
   燃焼装置であって、前記判定手段（９）は、燃焼時の排
   気中の酸素濃度を検出するときの限界電流型酸素センサ
   （１０）の監視電圧Ｖ１より高い監視電圧Ｖ２にて前記
   劣化判定を行うように構成されている燃焼装置。
2. 【請求項２】 排気中の酸素濃度を検出する限界電流型
   酸素センサ（１０）を用いて燃焼部（３）への空気供給
   量を検出し、且つ、大気中での前記限界電流型酸素セン
   サ（１０）の出力値からその限界電流型酸素センサ（１
   ０）の劣化判定を行う判定手段（９）が設けられている
   燃焼装置であって、前記判定手段（９）は、前記劣化判
   定において、大気中での前記出力値が所定範囲内であれ
   ば良とするように構成され、且つ、前記所定範囲の下限
   値が、燃焼制御において必要な酸素濃度検出範囲の上限
   酸素濃度に相当する出力値にほぼ等しく設定されている
   燃焼装置。
3. 【請求項３】 排気中の酸素濃度を検出する限界電流型
   酸素センサ（１０）を用いて燃焼部（３）への空気供給
   量を検出し、且つ、大気中での前記限界電流型酸素セン
   サ（１０）の出力値からその限界電流型酸素センサ（１
   ０）の劣化判定を行う判定手段（９）が設けられている
   燃焼装置であって、前記判定手段（９）は、燃焼時の排
   気中の酸素濃度を検出するときの限界電流型酸素センサ
   （１０）の監視電圧Ｖ１より高い監視電圧Ｖ２における
   前記出力値が所定範囲内であり、且つ、前記監視電圧Ｖ
   １における前記出力値が燃焼制御において必要な酸素濃
   度検出範囲の上限酸素濃度に相当する出力値以上である
   ときに前記限界電流型酸素センサ（１０）が正常である
   と判断するように構成されている燃焼装置。