JPH07190344A - 燃焼安全装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガス種が異なっても、同じ仕様のままで、燃
焼器の給排気不良や室内の酸欠を確実に検知できる燃焼
安全装置。 【構成】 筒体２に濃淡バーナ４を挿入し、筒状ガード
６で囲まれたその炎口４ａ，４ｂで全一次燃焼を行い、
この火炎の状態を熱電対９で検出する。給排気不良や酸
欠時には、火炎がリフトして熱電対９の起電力が変化
し、不完全燃焼を確実に検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼用空気を強制的に
取り込んで燃焼する燃焼器（例えば、強制排気式燃焼
器）の不完全燃焼を防止するための安全装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一酸化炭素中毒の原因である不完全燃焼
は、主に燃焼器の給排気系不良や、排気の漏洩による室
内酸欠状態という２つの要因により生じる。そこで、従
来から燃焼器には不完全燃焼を検知して燃焼を停止させ
る安全装置が設けられている。こうした安全装置の技術
に関して、本出願人は先に特願平４−３５８２１３にお
いて、給排気系不良であっても室内酸欠であっても高精
度に不完全燃焼を検出する技術を出願している。

【０００３】これは、図１１に示すように多数の炎口１
４が形成されたバーナプレート１５の周りを筒状ガード
１７で囲んで、バーナプレート１５上で全一次燃焼を行
ない、この火炎の状態を熱電対１９で検出するのである
が、不完全燃焼時には、バーナプレート１５は、最初は
筒状ガード１７により二次空気の影響を受けないので、
火炎が安定した状態で素早くリフトが行なわれ、その結
果室内の酸欠であっても給排気系不良による風量低下で
あっても確実に不完全燃焼が検知できるという特徴を有
するものである。給湯器にこの燃焼安全装置１０を組み
込んだ時の、空気比（理論空気量に対する実際の空気量
の比）λに対する熱電対１９の起電力および一酸化炭素
濃度の関係は、図１２に示すように、空気比λ（図１２
ではファン回転数）が減少すると一酸化炭素濃度は急増
し、火炎はリフトして熱電対１９はリフト炎を検出する
ようになるため、熱電対１９の起電力は急減するという
特性を示す。そのため、この燃焼安全装置１０は、一酸
化炭素濃度が高くなる前に熱電対１９の起電力が設定値
以下になりガス流路を閉じることができるという優れた
ものである。（なお、後の説明の都合上、図１２では２
種類のガスについて特性を記載した） 給湯器燃焼時の空気比λは燃焼用空気を供給するファン
の回転数に比例するので、図１２の横軸はファンの回転
数に置き換えてあり、またこのことにより、燃焼安全装
置１０は風量低下を検知するセンサとしても利用するこ
とができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ファン
により強制的に燃焼用空気を取り込む燃焼機器にこれら
の安全装置を組み込んでも、ガス種の違いにより、同一
仕様の場合には不完全燃焼を判定できにくいという問題
が生じていた。その内容および理由について説明する。
燃焼機器等に使用されるガスグループには、一般的に大
別してプロパンガスと都市ガスの２種類が、産業用や家
庭用として供給利用されている。そして都市ガスは、さ
らに様々なガス種があり、１３Ａとか６Ｃ等の呼称で呼
ばれるとともに、それらのガス種に対応した燃焼機器が
販売され、その燃焼機器は違うガス種間においては仕様
が異なるためそのままでは使用できない。１０種類に及
ぶこうしたガス種全てについて、仕様が異なる構成部品
の供給および調整は、多大の手間とコストを要するの
で、燃焼機器の販売業者にあっては、常に構成部品の共
通化および仕様の共通化が問題となっている。上記の理
由により、例えばプロパンガスと１３Ａガスとにおい
て、同一仕様で従来の燃焼安全装置１０を使用すると、
空気比λに対する熱電対検出起電力特性に大きな差がで
る。図１２にその一例を示す。図１２は、実験により得
られたグラフで、横軸に燃焼用空気を供給するファンの
回転数を表し、縦軸に熱電対起電力を表す。燃焼時の空
気比λは前述したようにファンの回転数に比例するの
で、横軸は空気比λと置き換えても同じである。これに
よれば、１３Ａガスより得られた熱電対起電力特性は、
プロパンガスより得られた熱電対起電力特性に比べて１
０ｍＶの地点で約１３００回転高回転側へずれた特性と
なっている。ところが同じように１３Ａガスとプロパン
ガスとにおいて一酸化炭素濃度の特性を比較すると約１
０００回転のずれしかない。従って、この燃焼安全装置
１０を組み込んだ燃焼機器のプロパンガス仕様の決定に
おいて、１３Ａガスの仕様のままで燃焼制御の設定値を
決定しようとしても（具体的には、一酸化炭素濃度が高
くなる前に、熱電対起電力が急激に変化して不完全燃焼
判定のしきい値が大きく変化するようになる領域すなわ
ち熱電対起電力で約１０ｍＶ付近を利用する）、その差
が大きいために両ガスで同一設定値を決定することがで
きない。すなわち、１３Ａガスの熱電対起電力変化が大
きくなる１０ｍＶ付近では、プロパンガスの一酸化炭素
濃度が危険濃度を超えており、安全装置としての機能を
はたせないのである。本発明の燃焼安全装置は上記課題
を解決し、燃料ガスがプロパンガスであっても１３Ａガ
スであっても、ガス種に対してその仕様を変更すること
なく確実に不完全燃焼を検知することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の燃焼安全装置は、燃焼用空気を強制的に取り込んで
燃焼する燃焼器に組み込まれる安全装置であって、燃料
ガスと燃焼用空気との濃混合気が導かれる複数の濃側炎
口と上記濃側炎口に隣接して設けられ上記濃混合気より
空気比の高い淡混合気が導かれる複数の淡側炎口とを備
え、上記濃側炎口および上記淡側炎口からそれぞれの混
合気を噴出して燃焼する濃淡バーナと、この濃淡バーナ
を囲んで火炎の二次空気の接触を妨げる筒状ガードと、
上記火炎の形成位置に応じた検知信号を出力する炎検知
素子とを備えたことを要旨とする。

【０００６】

【作用】上記構成を有する本発明の燃焼安全装置におい
ては、濃混合気から濃火炎が形成され、一方淡混合気か
らは濃火炎の熱の影響を受けて淡火炎が形成され、全体
として濃淡バーナの炎口付近に非常に安定した火炎が形
成される。また、その火炎は筒状ガードにより二次空気
との接触を妨げられて燃焼が行なわれ、この火炎の形成
位置に応じた検知信号を炎検知素子が出力する。給排気
系の不良により燃焼用空気量が減少したときには濃淡バ
ーナの空気比が低下し燃焼速度が変化する。この場合、
筒状ガードにより新たなる二次空気との接触を妨げられ
た燃焼であることから、火炎の燃焼速度が低下する。一
方、混合気の噴出速度は、あまり変化しないため、いま
まで炎口付近で燃焼していた火炎が燃料噴出方向にリフ
トすることとなり、火炎形成位置が大きく変化する。火
炎のリフトは、まず濃火炎の燃焼速度と噴出速度とのバ
ランスにより濃火炎がリフトし、濃火炎の熱で火炎を形
成している淡火炎もそれに追随してリフトする。また、
火炎は、筒状ガードの働きにより二次空気の流速にも影
響されない（もし筒状ガードがないと、二次空気の拡散
により、かえって火炎のリフトを抑えるがわに働いてし
まう）。この結果、燃焼用空気量の変動に対して火炎形
成位置が確実に変化してリフトが行なわれ、炎検知素子
の出力が変化して異常が検出される。燃焼の安定と火炎
形成位置の変化が確実であることから、ガス種が異なっ
ても炎検知素子の出力特性の変化が少なくなり、同一仕
様が可能になる。また、室内が酸欠状態である場合に
は、濃淡バーナの空気比は一定であっても燃焼に寄与す
る酸素量が実質的に低下していることから、燃焼速度が
低下して火炎形成位置が上記したと同じように確実に変
化する。これらの結果、この燃焼安全装置は、炎検知素
子の出力に基づけばガス種が異なっても、ガス種に対し
て同一仕様のまま不完全燃焼を確実に防止することがで
きる。

【０００７】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の燃焼安全装置の好適な実
施例について説明する。図１は、一実施例としての燃焼
安全装置の概略構成を表す。燃焼安全装置１は、後述す
る強制排気式（ＦＥ式）ガス給湯器の燃焼室内でメイン
バーナに隣り合って設けられるもので、縦方向に配置さ
れて上端を開口した筒体２と、この筒体２の中央部まで
挿入され交互に濃淡炎口４ａ，４ｂを持つ濃淡バーナ４
とで構成されると共に、筒体２の上部が二次空気の接触
を妨げる筒状ガード６となっている。

【０００８】濃淡バーナ４は、燃料ガスと燃焼用一次空
気との濃混合気が噴出される濃側炎口４ａと濃混合気よ
り空気比の高い淡混合気が噴出される淡側炎口４ｂとを
交互に備える。そして、各炎口４ａ，４ｂより同時に噴
出された混合気は、給湯器のメインバーナ３１（図９に
示す）から火移りして同時に燃焼させられ、炎口に火炎
を形成する。この火炎は、濃混合気から濃火炎が形成さ
れ、一方淡混合気は濃火炎の熱の影響を受けて淡火炎が
形成され、全体として濃淡バーナの炎口付近に非常に安
定した状態で形成される。また、詳しくは後述するが、
この火炎は火炎の回りを囲む筒状ガード６によって新た
なる二次空気の供給が遮られて燃焼が行われるので、不
完全燃焼時においても二次空気の影響を受けることなく
確実にリフトする。筒状ガード６には、横方向から熱電
対９が装着され、その受熱部９ａが火炎内に位置付けら
れている。この熱電対９は、給湯器の燃焼コントローラ
（図示略）に接続され、熱電対９の起電力に応じてメイ
ンバーナのガス流路に設けた電磁弁を開閉制御するよう
に構成されている。つまり、熱電対９の起電力が所定レ
ベル以下になったときにガス流路を閉じるように動作す
る。なお、熱電対９の起電力でマグネット安全弁を吸着
保持してガス流路を開状態に維持する構成であってもよ
い。

【０００９】さて、図示しない熱交換器のフィン閉塞
や、燃焼室に燃焼用空気を送り込むファン能力低下によ
り燃焼用空気の風量が減少すると、濃淡バーナ４内の混
合気の空気比が減少し燃焼速度が低下する。このため、
炎口に形成されていた火炎はリフトしていき、図２に示
すように、ついには筒状ガード６先端開口部に火炎を形
成する。つまり、風量低下の始まる初期の燃焼中におい
ては、風量の低下（空気比の低下）に対して火炎が二次
空気の流速の影響を受けることなく確実にリフトし、筒
状ガード６先端開口部に達すると、その周りから二次空
気が供給されてブンゼン燃焼が行われる。また、ブンゼ
ン燃焼時には、拡散燃焼であることや、風量の低下によ
り火炎を上方に持ち上げる力が減ることから、風量の変
化に対してほとんどリフトしなくなる。

【００１０】このように風量が減少すると火炎の形状変
化が起こり、熱電対９の起電力は図３に示すように、急
激に減少するが、反対に一酸化炭素濃度は急激に増加す
る。この特性図は実験により得られたもので、横軸は燃
焼室に燃焼用空気を送り込むファンの回転数（ｒｐｍ）
を、実線と一点鎖線は熱電対の起電力（ｍＶ）を、破線
は器具排気中の一酸化炭素濃度（ｐｐｍ）を表す。ガス
種はプロパンガスと１３Ａガスの異なるガス種について
実験を行ない、比較のため従来例（一点鎖線）と本実施
例（実線）とを並べて記載している（従来例は図１２と
同じ特性図である）。なお、この器具は従来例と同じよ
うに、風量および空気比λがファンの回転数に比例する
構成になっている。特性図から分かるように、熱電対の
起電力特性は、１３Ａガスにおいては従来例とあまり変
化がみられないのに対して、プロパンガスにおいては本
実施例の起電力特性が高回転数側へ移動している。従っ
て、例えばこの燃焼安全装置１を熱電対起電力が１０ｍ
Ｖにて作動する（熱電対起電力が急激に変化する領域を
利用してガス流路を閉じる）ように設定すると、従来は
前述したように一酸化炭素濃度がプロパンガスにおいて
は既に危険量に達しておりこの設定は使用できなかった
が、本実施例では安全量となっている。つまり、１３Ａ
ガスばかりでなくプロパンガスにおいても、この燃焼安
全装置１は、一酸化炭素濃度が高くなる前に熱電対９の
起電力が設定値以下になりガス流路を閉じることができ
るのである。

【００１１】なお、従来とは違うこのような特性を示す
理由については、おおむね下記のように考えられる。プ
ロパンガスは１３Ａガスと比較して燃焼速度が速く、ま
た混合気が炎口より噴出する際に渦ができるとさらに燃
焼速度が速くなる。従って、炎口に渦ができる様な従来
の構成では、プロパンガスと１３Ａガスとの特性の差が
大きい。一方、濃淡燃焼の場合には、濃火炎の燃焼速度
と噴出速度とのバランスによりまず濃火炎が形成され、
その熱の影響により淡火炎が形成されている。淡火炎か
らは燃焼に必要な空気量より余分の空気が濃火炎の方へ
拡散してくる。このような機構により安定した燃焼状態
を保つ火炎は、燃焼速度がばらつくことが少ない。その
ため、燃焼速度の違う両ガスであっても、その特性の差
は目立たないのである。

【００１２】次に、室内の酸素濃度の低下による不完全
燃焼を防止する作動について説明する。室内の酸素濃度
が低下すると、風量（空気比）が同じであっても燃焼に
寄与する酸素量が減少するために、燃焼速度が遅くな
る。この結果、図４に示すように全一次燃焼中の火炎が
リフトし始め、筒状ガード６先端開口部に達したのちは
失火してしまう。この場合の熱電対９の起電力および器
具排気中の一酸化炭素濃度の特性を図５に示す。この特
性図は実験により得られたもので、横軸を酸素濃度とし
ている。特性図から分かるように、一酸化炭素濃度は室
内酸素濃度が１８．５％以下にまで低下して急激に上昇
するのに対し、熱電対９の起電力は酸素濃度低下に対し
てなだらかに減少する。従って、この場合においてはガ
ス種における設定値の違いはあまり問題とならない。つ
まり、どのガス種においても、一酸化炭素濃度が上昇す
るまでに熱電対９の起電力は十分低下しているため、安
全レベルで確実にガス流路を閉じることができる。

【００１３】次に、熱電対９の装着位置の変形例につい
て説明する。先の実施例では、熱電対９を筒状ガード６
に横方向から装着したが、図６に示すように濃淡バーナ
４の中央の淡炎口４ｂに貫通させて受熱部９ａを火炎内
に位置させた構成であってもよい。

【００１４】また、濃淡バーナ４の形状も様々なものが
考えられる。例えば、図７に示すように、Ｕ字状に形成
されたスロート１１を中継して横向きに配置すること
で、熱交換器からのドレン等による落下物詰まりを防止
するようにしてもよい。さらに、図８に示すように、Ｖ
字状に形成されたスロート１２を中継して傾斜させて配
置すると共に、筒状ガード６先端に落下物防止板１３を
設けるようにしてもよい。また、この落下物防止板１３
はメインバーナからの火移りを補助する火移り板として
も作用する。

【００１５】次に、燃焼安全装置１をガス給湯器内に組
み込んだ構成の一例を示す。図９は、ＦＥ式ガス給湯器
の燃焼室３０内を上方から視た概略構成図である。燃焼
室３０内には、偏平な複数のメインバーナ３１が並設さ
れ、それらのスロート３２先端に一次空気量調整用のダ
ンパ３３が設けられ、ノズル台３４に設けられた各ガス
ノズル３５から燃料ガスが供給される。このノズル台３
４へのガス流路には能力（燃焼量）を調整するための比
例制御弁やガス流路を開閉する電磁弁（以上図示略）が
設けられる。また、燃焼室３０の下部にはシロッコファ
ン（図示略）が設けられ、燃焼用空気を燃焼室３０に供
給しメインバーナ３１でブンゼン燃焼を行い、この燃焼
熱で熱交換器（図示略）を加熱して出湯するよう構成さ
れている。

【００１６】燃焼安全装置１は、このメインバーナ３１
に並設され、図１０にその拡大図を示すが共通のノズル
台３４に設けたガスノズル３６，３７から燃料ガスが供
給される。従って、別個にガス流路を設けることなく簡
易な構造となっている。なお、ガスノズル３６からは濃
炎口４ａへ、ガスノズル３７からは淡炎口４ｂへ、それ
ぞれ違う分量の燃料ガスが供給され、筒状ガード６内で
濃淡燃焼が行なわれる。また、能力が大の場合と小の場
合とでは、メインバーナ３１の空気比の設定が異なる
が、燃焼安全装置１においてもそれに応じて空気比が変
更され、実際のメインバーナ３１の燃焼状態に即した不
完全燃焼検出を実施することができる。

【００１７】以上説明した実施例においては、熱電対９
の起電力が所定値以下に減少したときにガス流路を閉じ
るものであったが、さらに、ガス流路を閉じる前にファ
ンの回転数を調整するようにしてもよい。つまり、排気
ダクト（図示略）からの逆風やフィン閉塞等により空気
比が低下したときには、ファンの回転数を増大させれば
燃焼器を停止させることなく使用できるケースがある。
そこで、熱電対９の起電力が予め設定したレベルにまで
低下したときに、ファンの回転数を増大すると共に所定
の回転数に達しても起電力の回復が得られないとき、つ
まり空気比が増大しないときにガス流路を閉じて器具を
停止させるのである。また、ファンの回転数を増大させ
てから所定期間経過しても起電力が回復しない場合にガ
ス流路を閉じるようにしてもよい。

【００１８】また、熱電対９の起電力が常に一定値にな
るようにファン回転数を制御してもよい。つまり熱電対
９の起電力をフィードバック制御因子としてファンの回
転数を制御するのである。この場合、ファンの回転数が
所定範囲内に収まらない場合にはガス流路を閉じて不完
全燃焼を防止する。こうした熱電対９の起電力に基づく
制御は、燃焼安全装置１が風量不足や酸欠状態を、ガス
種によらず確実に検出するがゆえに（特性図参照）可能
である。なお、燃焼開始時においては熱電対９の起電力
が安定するまで制御動作を行わないようにする。

【００１９】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものでなく、
例えば、熱電対１に代えて火炎電流を検出するフレーム
ロッド等の素子を用いてもよく、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿
論である。また、給湯器に限らずファンヒータ等の燃焼
器にも適用できる。さらに、酸欠が心配されない外置き
タイプの器具においても、風量低下を検知するセンサと
して用いることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の燃焼安全
装置によれば、ガス種が異なっても同一仕様のままで、
燃焼器の給排気不良や室内の酸欠からくる不完全燃焼を
確実に検知することができるという優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例としての燃焼安全装置の概略構成図で
ある。

【図２】風量低下時における火炎の状態を表す説明図で
ある。

【図３】風量の変動に対する熱電対の起電力、ＣＯ濃度
特性を表すグラフである。

【図４】酸欠時における火炎の状態を表す説明図であ
る。

【図５】酸素濃度の変動に対する熱電対の起電力、ＣＯ
濃度特性を表すグラフである。

【図６】熱電対の装着位置の変形例を表す概略構成図で
ある。

【図７】他の実施例の燃焼安全装置の概略構成図であ
る。

【図８】他の実施例の燃焼安全装置の概略構成図であ
る。

【図９】ガス給湯器に燃焼安全装置を組み込んだ状態の
燃焼室を表す説明図である。

【図１０】一実施例としての燃焼安全装置の上面図であ
る。

【図１１】従来の燃焼安全装置の概略構成図である。

【図１２】従来の燃焼安全装置の風量の変動に対する熱
電対の起電力、ＣＯ濃度特性を表すグラフである。

【符号の説明】

１，１０ 燃焼安全装置 ４ 濃淡バーナ ６，１７ 筒状ガード ９，１９ 熱電対

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼用空気を強制的に取り込んで燃焼す
   る燃焼器に組み込まれる安全装置であって、 燃料ガスと燃焼用空気との濃混合気が導かれる複数の濃
   側炎口と上記濃側炎口に隣接して設けられ上記濃混合気
   より空気比の高い淡混合気が導かれる複数の淡側炎口と
   を備え、上記濃側炎口および上記淡側炎口からそれぞれ
   の混合気を噴出して燃焼する濃淡バーナと、 この濃淡バーナを囲んで火炎の二次空気の接触を妨げる
   筒状ガードと、 上記火炎の形成位置に応じた検知信号を出力する炎検知
   素子とを備えてなる燃焼安全装置。