JPH0118329B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃焼制御安全装置に関し、詳しくは石
油やガス等を用いる燃焼機器に装着される安全装
置であつて、燃焼状態を検知しこの検知出力を電
気的に処理することにより燃料供給経路を自動的
に開閉制御する燃焼制御安全装置に関する。

石油やガスの燃焼機器の安全装置において、不
完全燃焼及び失火検知のためにペロブスカイト型
酸化物を基体とするセンサが提供されている。こ
のセンサは酸素濃度に応じて抵抗値が変化するこ
とを応用した酸素センサであり、従来使用されて
きた酸化ジルコニア（ZrO₂）を基体とする酸素
センサの如く酸素分圧の差に基づく起電力を利用
するものでないので、構造を簡素化しうるととも
に、検知精度も良好で信頼性も高い。

しかしながら、従来提案されているペロブスカ
イト型酸化物を基体とする酸素センサでは、第１
図ｂの破線Ｃ１で示すように、酸素濃度の変化に
対しセンサの内部インピーダンスが当量点付近
（空燃比１付近）において急激に変化する特性を
用いるのみである。

ところがわれわれの研究によれば、ペロブスカ
イト型酸化物膜は、第１図ｂの実線Ｃ２で示すよ
うに空燃比が１付近で急激なインピーダンス変化
から生じる出力を示すとともに、空燃比が1.25付
近でも共に可逆的急激なインピーダンス変化から
生ずる出力を呈することを見い出した。例えばペ
ロブスカイト型酸化物膜の定着した上に更にペロ
ブスカイト型酸化物粉末と不活性ガラス粉末との
混合物膜とを焼結膜としたペロブスカイト構造を
有する金属酸化物Ｐ型半導体膜がこれである（以
下、これらの金属酸化物Ｐ型半導体を簡単のため
「MOSPセンサ」と略称する）。こゝでこの
MOSPセンサーの空燃比に対する抵抗基本特性
は第１図ａの様であり、この図に於て、ａゾーン
及びｂ点でその電気抵抗値は約３桁、可逆的に急
変化するものである。

一方、第２図における燃焼排ガスの空燃比対ガ
ス濃度（％）のグラフから明らかなように、空燃
比が１より小さい場合にはCO、CO₂が主たる構
成成分となり、空燃比が約1.4以上になるとNOx
が構成成分のほとんどを占める。第１図ｂと第２
図を対照すれば明らかなように、空燃比が1.4以
上の部分において曲線Ｃ２とNOxの濃度曲線と
は対応関係にある。この窒素酸化物NOxが人体
に有害であることは周知であり、このような空気
過剰の燃焼状態をも制御できうる安全装置が望ま
れる。

それゆえ、本発明の主たる目的は、前記したい
わゆるMOSPセンサを用いて不完全燃焼状態お
よびNOx発生状態を一つの素子をもつて検知し、
この検知出力を電気的に処理することにより自動
的に燃料供給経路を開閉制御する燃焼制御安全装
置を提供すること、及びMOSPセンサと高温用
サーミスタとを組合せて用いることにより燃焼初
期の燃焼制御を効率よく行なうことである。

そこで、本発明を要約すれば、火炎中に配置し
た酸素センサ抵抗値変化を電気回路によつて検出
し、この検出出力に基づいて燃料供給経路を制御
するようにした燃焼制御安全装置において、前記
酸素センサはペロブスカイト構造を有する金属酸
化物Ｐ型半導体であり、前記電気回路は火炎雰囲
気中における酸素量の過剰状態及び不足状態に対
する前記金属酸化物Ｐ型半導体の著しい抵抗値変
化の何れをも検出するようにして成ることを特徴
とする。

他の発明は前記第１の発明の構成を主要部とし
て含み、さらに前記金属酸化物Ｐ型半導体の支持
体としてのアルミナ基板に高温用のサーミスタを
設け、該サーミスタから導出される電気的信号と
前記金属酸化物Ｐ型半導体に基づく電気的信号と
の組合せに応じて燃料供給経路を制御するように
したことを特徴とするものである。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に
説明する。

第３図は第１の発明の一実施例を構成する
MOSPセンサ（NiLaO₃を主成分とするもの）を
ガス燃焼火炎中に配置した模式図を示し、第４図
はそのセンサ出力を処理する電気回路図を示す。
第３図において、アルミナ基板（又はセラミツク
基板）１に形成されたMOSPセンサ２のセンサ
部３を燃焼炎の外炎４中に配置される。５，５は
センサ部３から導出されたリード線であり第４図
の回路へ接続される。６はバーナ・ヘツドであ
る。このバーナはガスを用いるものであり外炎４
の温度は高く、350〜1000℃の範囲に保たれる。

NiLaO₃を主成分とするセンサ部３を備える
MOSPセンサ２の特性は、第５図に示すように
曲線Ｃ２′であらわされる。完全燃焼領域は空燃
比でほぼ1.0〜1.25の範囲でセンサ出力は正規化
した値でほぼ0.1V〜0.2Vである。不完全燃焼は
空燃比でほぼ1.0以下の範囲でありセンサ出力は
正規化した値でほぼ0.9〜1.0Vである。完全燃焼
から不完全燃焼へ移行する領域（空燃比で1.25〜
1.5）では火炎雰囲気中の酸素分圧の低下および
環元性ガスの存在に対して急激な抵抗値の増加を
示し、このことが不完全燃焼の検知に用いられ
る。一方、NOxの発生がみられる領域は空燃比
でほぼ1.4以上の領域であり、センサ出力は正規
化値0.1Vから0.9Vにまですみやかに変化する
（空燃比で1.25〜1.5では抵抗の急変化するゾーン
である）。すなわち、NOxの存在する様な燃焼状
態になる迄に著しく出力値を増加させるので、こ
の急変ゾーンを供給空気過剰状態における有害な
NOx発生の検知に用いるものである。又この空
燃比で1.0〜1.25の範囲即ち完全燃焼範囲になる
様に制御できる装置を作ることができる。

このセンサ２は交流でも直流でも印加できるの
で第４図の電気回路９において等価的に可変抵抗
１０で示される。この回路９において、端子１
１，１１間には電子回路用の電源Ｖが接続され、
端子１２，１２間には負荷用の商用電源が接続さ
れる。この商用電源には、リレーの接点１３と燃
料供給／遮断電磁弁１４との直列接続が接続され
ており、この例では電子回路９のリレーコイル１
５に流れる電流が遮断されたとき、前記接点１３
がOFFし、前記電磁弁１４を閉じ燃料（ガス）
の供給を停止するように構成されている。

電子回路９のコンパレータ２０には演算増幅器
が用いられる。コンパレータ２０の非反転入力に
は、抵抗２１と抵抗２２による分圧電圧が比較電
圧として与えられる。この比較電圧は第５図に示
す如く、正規化されたセンサ出力でほぼ0.8Vに
対応する電圧であり、予め設定した不完全燃焼・
NOx発生の判定レベルである。抵抗２３，２４
はコンパレータ２０に対する正帰還を与えるため
のもので比較入力の臨界値付近の変動に対して安
定的な出力を与える作用をする。なお、分圧電圧
を与える抵抗２１と抵抗２２のいずれか一方を可
変抵抗にしておくと好ましい。種々のセンサの特
性を考慮して予め設定レベルを可変できるので汎
用性を増すとともに調整の点で有利である。

コンパレータ２０の反転入力には抵抗２５と可
変抵抗１０とで分圧した電圧が与えられる。コン
パレータ２０は、センサ（可変抵抗１０）が不完
全燃焼又はNOx発生状態を検知する、すなわち
判定レベルを超えるとロウレベル（以下、「Ｌ」
と略記する）になり、判定レベル以下の場合はハ
イレベル（以下、「Ｈ」と略記する）を出力しつ
づける。コンパレータ２０の出力部は抵抗２６を
介してNPNトランジスタ２７のベースに接続さ
れ、トランジスタ２７のコレクタにはリレーのコ
イル１５が接続される。すなわち、コンパレータ
２０から「Ｈ」が出力されているときには抵抗２
６と抵抗２８の接続点は正にバイアスされトラン
ジスタ２７は導通し、コイル１５に電流が流れ、
スイツチ接点１３はON状態に保持される。電磁
弁１４は開いて燃料ガスの供給が継続される。一
方、コンパレータ２０の出力が「Ｌ」に反転する
と、トランジスタ２７はOFFされ、リレー接点
１３がOFFして電磁弁１４は急激に閉じられる。

着火以降、コンパレータ２０の出力レベルが
「Ｈ」となるため、抵抗２４，２６，２８を介し
てトランジスタ２７が導通状態となり、リレー１
５をONし、燃料供給用電磁弁１４が動作して燃
焼状態を維持する。そして、燃焼運転中にセンサ
出力が増加する原因が生じた場合（不完全燃焼あ
るいは、NOx発生の場合）センサー出力が不完
全燃焼及びNOx発生レベルに達するためコンパ
レータ２０の出力が「Ｌ」となり、トランジスタ
２７は遮断状態となり、リレー１５をOFFする。
よつて燃焼供給用電磁弁１４が停止し、燃焼を停
止する。こうして、燃焼制御装置が安全側に作動
する。

次に、MOSPセンサ２の広範囲な出力特性を
用いる変形例を第６図に示す。この変形例ではセ
ンサ出力を単に特定のレベルと比較するだけに用
いるのではなく、むしろアナログ信号として（後
にデイジタル化されてもよい）処理し、燃焼用空
気量の調節あるいは燃料供給量の調節の制御信号
として用いるものである。第６図に示す如く、
MOSPセンサ２からの信号は制御回路３０に入
力される。何らかの原因で火力変化が生じて第５
図で示す完全燃焼の状態でも最適な状態からはず
れるような場合（曲線Ｃ２′上の点Ｐ１又はＰ２）
には、燃焼状態が常に最適完全燃焼状態にいたる
ように（曲線Ｃ２′に沿つてＰ１又はＰ２から矢
印の方向へいたるように）燃焼送風機３１あるい
は燃料供給機３２に制御信号を与え、例えばこれ
らに備える弁をアナログ的ないしデイジタル的に
制御して供給量を変化させる。なお、３３，３４
は空気供給経路、燃料供給経路をそれぞれ示す。
また、燃焼状態が急激に変化して第５図に示した
判定レベルを超えるようなときは不完全燃焼又は
NOx発生と判断してただちに燃焼を停止するよ
うに制御回路３０が作用するものはもちろんであ
る。なお、MOSPセンサの主成分としては
NiLaO₃の他にCrLaO₃、La₂Cu₂O₄、GeTiO₃、
PrTiO₃、NdTiO₃等が有望である。

次に、前述の第１の発明と一定の関係を有する
第２の発明について、一実施例を掲げて説明す
る。この実施例では２つのセンサを同一基体に一
体複合的とする。すなわち、前記第１発明の実施
例におけるMOSPセンサ２の支持体としてのア
ルミナ基板にさらに高温用サーミスタ膜を焼結定
着して用いるものである。MOSPセンサ２の特
性は第１図曲線Ｃ２のような性質であり、高温サ
ーミスタ膜は第７図の片対数グラフで示すように
温度200〜1000℃において極めて大きな負極性の
抵抗変化を呈する燃焼炎内又は大気圧下の中に露
出しても、その経年変化はなく、又高温に於てガ
スに感応しない性質のものである。

アルミナ基板１の先端部にそれぞれ焼結定着さ
れた複合センサ膜は、第３図に示したのと同様な
態様で外炎４中に設置される。第８図はこの複合
センサを用いる場合の電気回路図である。この回
路図で可変抵抗１０は等価的にMOSPセンサ２
を示し、また高温用サーミスタ膜は等価的に抵抗
３５をもつて示している。なお、第４図と同一の
参照番号のものは同一ないし相当のものを示し、
リレーコイル１５のON／OFFに応じて第４図に
示したと同様の負荷電磁弁１４を制御する。

演算増幅器からなるコンパレータ４０の非反転
入力には抵抗４１，４２による分圧電圧を入力し
基準電圧とする。そして、反転入力には抵抗４５
とサーミスタの等価抵抗３５の分圧電圧が与えら
れる。抵抗４４，４３はコンパレータ４０へ正帰
還を与えるためのものであり、コンパレータ４０
の出力は抵抗４６を介してダイオード５０のアノ
ードに接続され、カソード側はトランジスタ２７
のベースと接続される。この同じベースには抵抗
２６を介してコンパレータ２０の出力部が接続さ
れている。

演算増幅器からなるコンパレータ６０は、
MOSPセンサ２のセンサ部３が動作温度に達す
るまでコンパレータ２０の出力を強制的に「Ｈ」
に保持させておくためのものであり、コンパレー
タ６０の反転入力には参照電圧として抵抗６１，
６２の分圧電圧が与えられる一方、非反転入力は
コンパレータ４０の反転入力と接続される。抵抗
６３，６４は正帰還を与えるためのものであり、
コンパレータ６０の出力部に接続された抵抗６６
と、抵抗６８との接続点はNPN型トランジスタ
６９のベースに接続される。そして、トランジス
タ６９のコレクタは抵抗６７を介してコンパレー
タ２０の反転入力に接続されている。

高温用サーミスタ３５は、着火を確認するため
のものである。バーナに着火されサーミスタ３５
の抵抗値が低下するとコンパレータ４０は「Ｈ」
を出力しトランジスタ２７をONし、リレー１５
を付勢して負荷電磁弁を作動させ、燃料供給弁を
開放する方向に動作させる。サーミスタ３５は
MOSPセンサのセンサ部３の動作温度（350〜
1000℃）以下にて炎の有無を検出し判断すること
から着火確認は従来のセンサよりは極めて高速度
となる利点がある。

MOSPセンサ２が動作温度に達するまではコ
ンパレータ６０並びにトランジスタ６９及び抵抗
６７によりコンパレータ２０の非反転入力レベル
よりも反転入力レベルを引き下げているのでコン
パレータ２０の出力は「Ｈ」に維持される。ま
た、MOSPセンサのセンサ部３が動作温度に達
するとコンパレータ６０の出力レベルは「Ｌ」と
なり、以降はセンサ１０の出力に従う。これによ
り燃焼初期において不完全燃焼等によつて安全装
置が作動するようなことはない。動作温度に達し
た後、センサ１０が燃焼状態を監視し、安全装置
を制御する態様は第４図の回路９の動作と同様で
ある。

ところで、前述の実施例ないし変形例では、セ
ンサはすべて直接火炎中に配置するようにしてい
た。しかし、より好ましい態様では、この酸素セ
ンサは火炎の放射部に対して固定的に設けるとと
もに、火炎の立ちのぼる方向に通気路を備えた筒
状ケースに収納して用いられる。このようにすれ
ば、火炎のゆらぎにより酸素センサの出力が変動
するのを防ぐことができる。第９図にセンサをケ
ースに収納した図を示し、第１０図にケース入り
センサの使用状態の模式図を示す。センサケース
７０の形状は、第９図（ａは正面図、ｂは平面
図、ｃは右側面図をあらわす）に示す如く、一方
端に閉塞部７１を備える筒状をなし、閉塞部７１
から少しの距離をおいて環状Ｕ溝７２が形成され
ている。ケース７０は取付体７４に固定的に設け
られるとともに、センサ２′のアルミナ基板部も
この取付体７４に固定的に取り着けられる。取付
体７４は図示しないバーナ本体の所定部位に取付
孔７４′を通してネジ止め等によつて固定される。
前記環状Ｕ溝７２には上下に円形孔７３，７３を
備え、ケースを火炎中に設置した場合は火炎から
立ちのぼる方向に通気路を形成する。センサ２′
のセンサ部３′は丁度この通気路に位置するよう
に固定される。センサ２′からはリード線５，７
６，７５が導出されている。リード線５は
MOSPセンサからのもので、リード線７５は高
温用サーミスタからのものである。リード線７６
はこれら両者の共通リード（いわゆるコモンリー
ド）である。このセンサ２′は前述した変形例の
複合センサを想定しているが、もちろんMOSP
センサ単独のものでもよい。

第１０図を参照すればよくわかるように、火炎
４は環状Ｕ溝７２をなめるように立ちのぼるとと
もに、通気路内では定常的状態を保つ。したがつ
て、センサ２′をこのようなケース７０に収納す
れば火炎のゆらぎに起因するセンサ出力の変動を
著しく低減することができる。

以上、詳述したように本発明によれば、火炎中
に配置する酸素センサがペロブスカイト構造を有
する金属酸化物Ｐ型半導体であり、この酸素セン
サから導出する電気信号は火炎雰囲気中における
酸素不足及び酸素過剰に対して抵抗値を著しく変
化させることに応じた信号であるので、一つの素
子をもつて不完全燃焼及びNOx発生状態を検出
しこの検出出力をもつて自動的に燃料供給経路を
開閉制御でき、燃焼に基づく環境の安全対策上大
きな効果がある。さらに、サーミスタ膜と組合せ
て用いるようにした場合は、特に燃焼初期の燃焼
制御に大きな効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは酸素センサーの特性図、第１図ｂは
酸素センサの変型出力特性図、第２図は燃焼排ガ
スの特性図、第３図は一実施例の使用状態の模式
図、第４図は一実施に係る電気回路図、第５図は
一実施に用いた酸素センサの変型出力特性図、第
６図は変形例のブロツク線図、第７図は高温用サ
ーミスタの特性図、第８図は複合センサを用いる
場合の電気回路図、第９図はセンサの収納ケース
を示す図、および第１０図はケース入りセンサの
使用状態の模式図である。 ２……MOSPセンサ、３……センサ部、４…
…外炎、９……電子回路、１０……可変抵抗、１
４……電磁弁、２０，４０，６０……コンパレー
タ、３５……高温用サーミスタ等価可変抵抗、７
０……筒状ケース、７３……通気路を形成する円
形孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 火炎中に配置した酸素センサの抵抗値変化を
   電気回路によつて検出し、この検出出力に基づい
   て燃料供給経路を制御するようにした燃焼制御安
   全装置において、 上記酸素センサとして、ペロブスカイト型酸化
   物膜上にペロブスカイト酸化物粉末と不活性ガラ
   ス粉末との混合物膜を焼結したペロブスカイト構
   造を有する金属酸化物Ｐ型半導体膜を用いるとと
   もに、該センサの出力に対して、酸素不足状態と
   酸素過剰状態とに対応する判定レベルを設定する
   判定レベル設定手段と、上記センサの出力と設定
   された判定レベルとを比較する比較手段とを設け
   て上記電気回路を構成したことを特徴とする燃焼
   制御安全装置。 ２ 前記酸素センサは、火炎の放射部に対して固
   定的に設けるとともに、火炎の立ちのぼる方向に
   通気路を備えた筒状ケースに収納しかつ該酸素セ
   ンサのセンサ部を前記通気路に位置するように配
   置して火炎のゆらぎを防止するようにしたもので
   ある特許請求の範囲第１項記載の燃焼制御安全装
   置。