JPH05126790A - 酸素濃度検出装置 - 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】 バーナ２を備える燃焼部３に燃焼用空気を供
給する送風手段５と、限界電流型酸素センサ１０によっ
て検出される排気中の酸素濃度が、バーナ２に供給され
る燃料供給量に応じて設定される目標値に維持されるよ
うに、送風手段５を制御する制御手段９とを備える燃焼
装置の酸素濃度検出装置において、燃料供給量又は目標
値に基づいて、目標値が高くなるほど限界電流型酸素セ
ンサ１０の監視電圧を高くするように、且つ、夫々の目
標値における水蒸気分解開始電圧以下にするように監視
電圧を変更設定する監視電圧設定手段９ｄが設けられて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、限界電流型酸素センサ
と、その限界電流型酸素センサが検出する酸素濃度の目
標値を設定する目標値設定手段とが設けられた酸素濃度
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる酸素濃度検出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場合
もある）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】図９に示すように、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であり、酸素濃度に
比例する電流値となる。そこで、電圧Ｖを上記フラット
領域のある電圧Ｖｋに固定しておけば、電流値Ｉから酸
素濃度を検出することができる。この電圧Ｖｋが監視電
圧である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この監視電圧Ｖｋは、
水蒸気分解開始電圧より低い値にする必要がある。水蒸
気分解開始電圧より高くなると、酸素センサの検出対象
であるガス中に含まれる水蒸気が分解されて酸素イオン
が生じ、この影響で限界電流が図８に示すように大きく
なる。このために、酸素濃度を高めに検出してしまうの
である。

【０００５】一方、次のような問題もある。前記限界電
流が５００℃程度の高温下で発生するため、酸素センサ
にはヒータが一体形成され、通電加熱されるが、この加
熱等に起因して酸素センサの劣化が生じる。すると、図
８に破線で示すようにような特性に変化し、限界電流に
達する電圧が高くなる。

【０００６】その結果、例えば酸素濃度２１％において
は酸素センサの検出値（電流）は限界電流に達しない値
Ｉｂとなり、劣化前の検出値Ｉａから大きく低下する。
これでは酸素濃度２１％を正しく検出することはできな
い。従って、一点鎖線で示す特性が、酸素濃度２１％に
おいても正しく検出できる劣化限界ということになる。
換言すれば、一点鎖線で示す特性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。この寿命は
監視電圧が低いほど短くなるが、酸素センサを用いた製
品の寿命より短いと、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。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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の酸素濃度検出装
置は、限界電流型酸素センサと、その限界電流型酸素セ
ンサが検出する酸素濃度の目標値を設定する目標値設定
手段とが設けられたものであって、第１の特徴構成は、
前記目標値が高くなるほど前記限界電流型酸素センサの
監視電圧を高くするように、且つ、夫々の目標値におけ
る水蒸気分解開始電圧以下にするように前記監視電圧を
変更設定する監視電圧設定手段が設けられている点にあ
る。

【０００８】第２の特徴構成は、バーナを備える燃焼部
に燃焼用空気を供給する送風手段と、限界電流型酸素セ
ンサによって検出される排気中の酸素濃度が、前記バー
ナに供給される燃料供給量に応じて設定される目標値に
維持されるように、前記送風手段を制御する制御手段と
を備える燃焼装置の酸素濃度検出装置に第１の特徴構成
を適用したものにおいて、燃料供給量又は前記目標値に
基づいて、第１の特徴構成と同様にして前記監視電圧を
変更設定する監視電圧設定手段が設けられている点にあ
る。

【０００９】

【作用】酸素センサの水蒸気分解開始電圧は、図８に示
したように、検出対象ガスの酸素濃度が高くなるほど高
くなる。又、劣化による影響、即ち酸素センサの検出値
が限界電流に達しなくなる現象は酸素濃度が高い方から
発生する。本発明では、かかる点に着目し、酸素濃度が
高いほど酸素センサの監視電圧を高くして劣化による影
響を回避し、できるだけ長く酸素センサを使用できるよ
うにする。

【００１０】しかし、実際に酸素センサにより検出され
る酸素濃度に応じて監視電圧を変化させることは、酸素
濃度検出値と監視電圧との関係が複雑になり、制御がむ
づかしいので、第１の特徴構成に示すように、目標値設
定手段により設定される酸素濃度の目標値に応じて監視
電圧設定手段が監視電圧を変化させる構成としている。

【００１１】ここで、酸素濃度の目標値とは、例えば第
２の特徴構成に示す燃焼装置の酸素濃度検出装置にあっ
ては、バーナに供給される燃料供給量に応じて設定され
る排気中の酸素濃度の目標値である。その他、検出対象
気体の酸素濃度の予測値を目標値と考え、予測値に応じ
て監視電圧を変化させる場合を含む。

【００１２】尚、目標値が高くなるほど酸素センサの監
視電圧を高く設定する際にも、夫々の目標値における水
蒸気分解開始電圧以下に設定する必要があることは前述
した通りである。又、第２の特徴構成の場合、目標値と
燃料供給量との関係が予め定まっているので、直接目標
値に基づいて監視電圧を設定する代わりに、燃料供給量
に基づいて監視電圧を設定するように構成してもよい。

【００１３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、酸素セ
ンサの監視電圧を酸素濃度の目標値に応じて変更設定す
ることにより、酸素センサの実使用における寿命を長く
することができるものとなった。

【００１４】

【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送風手段
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。

【００１５】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、マイクロコンピュータを利用した燃焼コン
トローラ９によって、その開度が制御される。つまり、
燃焼コントローラ９内の比例弁制御回路９ａが、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の励磁電流を制御し、もって燃料供給量を制御す
る。

【００１６】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。そこで、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への空気供給量が適正であるかどうかを
監視すべく、排気中の酸素濃度を検出する限界電流型酸
素センサ（以下、単に酸素センサという）１０が排気路
６に設けられている。つまり、排気中の酸素濃度が適正
値より大きければ、空気供給量が過剰気味であると判断
し、適正値より小さければ空気供給量が不足気味である
と判断することができる。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】酸素センサ１０の検出値（電流値）は、燃
焼コントローラ９に入力される。一方、良好な燃焼状態
における排気中の酸素濃度の適正値は、バーナ２への燃
料供給量、即ちガス比例弁電流に応じて変化することが
実験によりわかっている。そこで、燃焼コントローラ９
内の目標値設定手段９ｂが、酸素濃度の目標値を、例え
ば図４のような関係に基づいて燃料供給量から算出して
設定し、燃焼コントローラ９は、酸素センサ１０の検出
値がこの目標値に維持されるように燃焼用空気の供給量
を調節する。つまり、燃焼コントローラ９内のファン制
御回路９ｃがファン５に印加する電圧を制御することに
よりその回転数が変化し、空気の供給量が調節される。

【００２０】次に、酸素センサ１０の監視電圧の設定に
ついて説明する。前述したように、酸素センサ１０は、
一定の監視電圧を印加したときの電流（検出値）が酸素
濃度に応じて変化することを利用して酸素濃度を検出す
るものであるが、本装置においては、監視電圧を前述の
酸素濃度の目標値に応じて変化させている。つまり、燃
焼コントローラ９内の監視電圧設定手段９ｄが、図５に
示すように、目標値が高くなるほど監視電圧を高く設定
する。

【００２１】さらに、夫々の目標値における水蒸気分解
開始電圧以下になるように、監視電圧を設定している。
従って、酸素センサ１０の印加電圧と電流（検出値）と
の関係を示す図６において、監視電圧は例えば直線ｍで
示すように設定される。図中のＶ₂ ，Ｖ₇ ，Ｖ₁₅，Ｖ₂₁
は、夫々酸素濃度２％、７％、１５％、２１％における
水蒸気分解開始電圧である。これらの水蒸気分解開始電
圧は予め実験によりわかっている。

【００２２】このように、酸素濃度の目標値が高くなる
ほど監視電圧を高く設定するのは、低い酸素濃度におい
ては水蒸気分解開始電圧以下の監視電圧としながら、高
い酸素濃度においては酸素センサ１０が劣化して破線の
ような特性に変化しても、酸素濃度を正しく検出できる
ようにするためである。この結果、酸素センサ１０の実
使用上の寿命を長くすることができる。

【００２３】次に、燃焼開始から停止までの燃焼コント
ローラ９による制御について、図７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
間のプリパージが行われた後、燃焼が開始される。即
ち、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、以下のような定常燃焼制御が実行される。

【００２４】先ず、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検出湯温とを
読み込む。そして、設定湯温と検出湯温との偏差に基づ
いて燃料供給量（即ちガス比例弁８の操作量）を決定す
る（処理（イ））。この燃料供給量（操作量）に応じた
励磁電流でガス比例弁８が駆動される。

【００２５】次に、上記燃料供給量に応じて酸素濃度の
目標値が決定される（処理（ロ））と共に、酸素濃度の
目標値に応じた監視電圧が設定される。この監視電圧が
酸素センサ１０に印加され、その検出値が読み込まれる
（処理（ハ））。そして、目標値と検出値との偏差に基
づいて空気供給量（ファン５の操作量）が決定され、こ
の空気供給量に応じた電圧でファン５が駆動される。水
流スイッチ１５がオフになるまで処理（ハ）以降の上記
処理が繰り返される。

【００２６】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る。即ちガス比例弁
８等が閉じられて燃焼が停止し、ファン５は数分間のポ
ストパージ終了後に停止される。

【００２７】以下に別実施例について列記する。 上記実施例において、酸素濃度の目標値に基づいて
監視電圧を設定する代わりに、燃料供給量に基づいて監
視電圧を設定するように構成してもよい。酸素濃度の目
標値が燃料供給量に基づいて設定されるので同じことで
ある。

【００２８】 上記実施例の図５及び図６において
は、監視電圧が酸素濃度の目標値に応じて連続的に変化
しているが、酸素濃度の目標値を数段階に分けて、それ
に応じて監視電圧を階段状に変化させるように構成して
もよい。

【００２９】 酸素濃度の目標値に応じて監視電圧を
変更設定する監視電圧設定手段としては、ハードウェア
回路で構成してもよいし、マイクロコンピュータのプロ
グラムで構成してもよい。後者の場合は、上記のように
監視電圧を階段状に変化させるようにすれば簡単に構成
できる。

【００３０】 限界型酸素センサは、上記実施例の構
造に限らず、例えば図８に示すような構造のものを用い
てもよい。図８において１１ｆは多孔性セラミック材に
より構成され、空気（酸素）の通過を部分的に許容して
いる。又、ヒータ１１ｇも空気（酸素）の通過を許容す
べく多孔性セラミック材で形成されている。

【００３１】 本発明は、実施例のような給湯器に限
らず、限界電流型酸素センサを用いた各種の酸素濃度検
出装置に適用できる。

【００３２】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】燃料供給量と酸素濃度目標値との関係を示すグ
ラフ

【図５】限界電流型酸素センサの監視電圧と酸素濃度目
標値との関係を示すグラフ

【図６】限界電流型酸素センサの特性図

【図７】燃焼コントローラ（制御手段）の処理を示す流
れ図

【図８】別実施例の限界型酸素センサのセンサユニット
の断面図

【図９】従来例に係る限界電流型酸素センサの特性図

【符号の説明】

２ バーナ ３ 燃焼部 ５ 送風手段 ９ 制御手段 ９ｄ 監視電圧設定手段 ９ｂ 目標値設定手段 １０ 限界電流型酸素センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 限界電流型酸素センサ（１０）と、その
   限界電流型酸素センサ（１０）が検出する酸素濃度の目
   標値を設定する目標値設定手段（９ｂ）とが設けられた
   酸素濃度検出装置であって、前記目標値が高くなるほど
   前記限界電流型酸素センサ（１０）の監視電圧を高くす
   るように、且つ、夫々の目標値における水蒸気分解開始
   電圧以下にするように前記監視電圧を変更設定する監視
   電圧設定手段（９ｄ）が設けられている酸素濃度検出装
   置。
2. 【請求項２】 バーナ（２）を備える燃焼部（３）に燃
   焼用空気を供給する送風手段（５）と、限界電流型酸素
   センサ（１０）によって検出される排気中の酸素濃度
   が、前記バーナ（２）に供給される燃料供給量に応じて
   設定される目標値に維持されるように、前記送風手段
   （５）を制御する制御手段（９）とを備える燃焼装置の
   酸素濃度検出装置であって、前記燃料供給量又は前記目
   標値に基づいて、前記目標値が高くなるほど前記限界電
   流型酸素センサ（１０）の監視電圧を高くするように、
   且つ、夫々の目標値における水蒸気分解開始電圧以下に
   するように前記監視電圧を変更設定する監視電圧設定手
   段（９ｄ）が設けられている酸素濃度検出装置。