JPS5960124A - 不完全燃焼検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はガスや石油等を燃焼させ、給湯や暖房調理等を
行なう燃焼機器を使用時に、バーナの不完全燃焼を検知
して燃焼を自動的に停止する構成の安全装置に関するも
のである。

従来例の構成とその問題点 近年、燃焼機器の安全性を向上させるためにバーナの失
火検出や空気不足による不完全燃焼を検出する機構を内
蔵したものが市販されている。特に室内空気を使用して
燃焼するストーブやファンヒータ等は室内の酸素欠乏に
よる不完全燃焼は死亡事故に結びつき非常に危険である
。従来この酸素濃度検出センサとして二酸化ジルコニウ
ムを使用したセンサが広く用いられている。第１２図に
その一例を示す。第１２図はセンサの断面図を示し先端
部を封止した円筒状に焼結したジルコニア（’Ｚｒ○２
）１の外壁、内壁を多孔質の白金（ｐｔ）２．３で覆っ
た構造になっている。このセ／すは円筒の内外の酸素濃
度差に応じて起電力が発生する酸素濃淡電池を構成して
いる。

次に第１３図を用いてこの動作の説明をする。

円筒の内側４には外気が接しており、円筒の外側６は酸
素の少ない空気が供給されている。このとき陰極３ては
電極とジルコニアで電気化学的に反応するため、電子を
受取って酸素イオンとなりジルコニアの一部に取り込ま
れる。とり込まれた酸素イオンは、ジルコニア電解質の
中を移動して陽極側２で酸化反応により電子を放出して
酸素に戻る０つまり円筒の内側４と外側５に酸素分圧の
差があるとその差に応じて起電力が発生ずる。この動作
は高温（４００〜８００℃）で安定して行なわれる。

ジルコニア素子は円筒以外に平板とし、その両面の酸素
濃度差を利用するものもある。

第３図にこのセンサをバーナ排ガスに挿入した時の特性
を示す。図で横軸λは空気と燃料の比（空燃比）を示し
、縦軸ｅｉはセンサ起電力を示す。

センサ出力ｅ４はλ＝１を境にして大きく変化する。こ
こでλ＝１とは使用している燃料が燃焼するのに必要な
空気量（理論空気量）を供給している状態を言い、λ〉
１のときは理論空気量以」二供給した場合で燃焼後の排
ガス中に酸素が残る。このため第１２図の筒の内外の酸
素濃度に大きな差が発生しないためｅｉ　も低い。（ｏ
、１Ｖ以下）λく１となると酸素量が不足し、排ガス中
の酸素がほとんどなくなり大きな起電力（約ｏ、ｓＶ）
を発生ずる。

燃焼機器は一般にλ＝１．２〜１．３程度で使用するこ
とが多く、例えば酸素濃度不足によシλく１になったと
きに不完全燃焼となり一酸化炭素（Ｃｏ）が発生し危険
となる。このためセンサ起電力が大きくなった点を検出
して燃焼を停止させるようにしていた。

第１４図に従来の制御回路をブロック図にして示す。酸
素濃度センサ（以下０２センサと呼ぶ）６の信号を増幅
回路７で増幅し、設定値８と比較回路９で比較し、セン
サ６の出力が設定値８よす大きくなったときに安全回路
１０に信号を出力する。安全回路１０ではこの信号に応
じて燃焼を停止する信号を出力する。

ここで燃焼はλく１となシ酸欠状態になった時に不完全
燃焼となることは前に述べたが、λ）１となったとき、
つまシ空気過剰になったときには炎のリフト現象が発生
し、失火の原因となる事もある。このため従来のように
酸素不足を検知するだけでなく酸素過剰時にも燃焼を停
止させる装置が必要となる。１だジルコニア素子の動作
はその雰囲気温度に大きく影響されるため、雰囲気温度
の管理も重要であった。

発明の目的 本発明は以上のような従来の欠点を除去するもので、酸
素不足による不完全燃焼および酸素過剰時の異常燃焼を
検知して燃焼を自動的に停止させる不完全燃焼検知装置
を提供することを目的とするＯ 発明の構成 この目的を達成するために本発明は、設定レベルを２点
設け０２センサ起電力がこれ等の点から外れたときに燃
焼を停止する構成とし、酸素不足。

酸素過剰いずれの場合でも検知可能とした。また０２セ
ンザの起電力が小さく不安定になることを防ぐ目的で０
２センサに外部電源より電流を流す構成とした。

また０２センザの温度を同時に検知可能な構成とするこ
とにより０２センサが安定して動作する温度範囲にはい
っているときにのみ不完全燃焼の検知をすることを可能
としたものである。

同様に燃焼停止後０２センサ温度が高い状態で再点火動
作を行ない不着火となったときに未燃ガスにより０２セ
ンサが動作して正常燃焼レベルと　。

同程度の出力となる場合がある。この場合は０２センサ
を一度冷却した後に再点火することにより防げるため、
０２センサの温度検知によりバーナの点火動作は０２セ
ンサの温度がある値以下になった時にのみ働く構成とし
た。

また０２センサの温度検出によりバーナの点火検出、失
火検出も可能としたものである。

実施例の説明 以下本発明の実施例を図に従って説明していく。

第１図は本発明を応用したシステム図を示し、ガスバー
ナ１１に応用した例である。ガスは入口１２から流入し
バルブ１３を通りバーナ１４で燃焼する。６は第１２図
で説明したジルコニア酸素濃度センサでこの信号を増幅
器７で増幅し、第１の比較回路９により第１の設定値８
と比較し、Ｑ２センサ６の信号が第１の設定値８以上に
なったことを検出する。

また第２の比較回路１４はＱ２センザ出力が第２の設定
値１５以下になったことを検出するもので、安全回路１
０は前記各々の比較回路９，１４の出力が発生したとき
にバルブ１３を閉止する信号を出力し、バーナ１１を消
火する。つまり０２センサ６の出力が設定値８と１５の
中間にあるときは正常燃焼と判断し燃焼を継続する。

第２図にこの具体回路例を示す。直流電源１６を抵抗１
７．１８，１９．２０により分圧電位ｅｓ、ｅ８．ｅ１
５　を得ている。０２センサ６はその動作から図のよう
に抵抗Ｒｉ　と電源ｅｉで等価される。演算増幅器（以
下オペアンプと呼ぶ）２１と抵抗２２．２３により増幅
回路７を構成しており、電位ｅｓと０２センサの＋側端
子の接合点およびｏ２センサの一側端子ｅＯがオペアン
プ２１の負、正合々の入力端子に接続されている。この
ためｏ２センサの起電力ｅｉ＝ｏのときは抵抗Ｒｉだけ
となり、またオペアンプ２１の各々の入力端子の入力イ
ンピーダンスは非常に高いため抵抗Ｒｉ　に流れる電流
はほとんど零である。このため電位ｅＯ＝ｅｓとなりオ
ペアンプの出力電位ｅａもまたｅｓ　と等しくなる。次
に０２センサ６に起電力ｅｉが発生したときは電位ｅＯ
はｅｓ−ｅｉとなり出力ｅａはオペアンプの一般的な特
性よシと２３の比の倍率で電位ｅｉ　を増幅することに
なる。第１の比較器９および第２の比較器１４によりウ
ィンドコンパレータを構成している。各々の比較器９，
１４はここではオペアンプにより構成しているがオープ
ンコレクタ出力のコンパレータを使用してもよい。第１
の比較器９は、第１の設定レベルｅ８を正入力端子に、
増幅回路７の出力電位ｅａ　を負入力端子に接続されて
いる。捷だ比較器１４は第２の設定レベルｅ１５を負入
力端子に、電位ｅａを正入力端子に接続されている。各
々の比較器９，１４の出力はＮＯＲ論理ゲート回路２４
に入力され、その出力は抵抗２５を通してトランジスタ
２６ベースに接続されている。トランジスタ２６のエミ
ッタは電源１６のアースに、コレクタはバルブ１３（こ
こでは電磁弁を使用）を通して電源１６の十電位に接続
されている。

正常燃焼時には第３図に示すように、λ−１〜１．３で
燃焼しているものとする。以上から起電力がｅｉ１〜ｅ
ｉ２である場合は正常燃焼と判断をする。

起電力がｅｉ１〜ｅｉ２にあるときのオペアンプ２１の
出力ｅａは第４図、第５図のＸ部のように電位ｅ８とｅ
ｉ５の間にある。このため比較器９はロー出力、比較器
１４もロー出力となりＮＯＲゲート２４の出力はハイ出
力となるためトランジスタ泌は導通しバルブ１３に通電
してガスを流通している。

ここで酸素欠乏等による不完全燃焼が発生した場合は第
３図のようにλが１より小さな値となり出力ｅｉはｅｉ
ｌを越えてしまう。ここで前述のように電位ｅａはｅｉ
に反比例するためｅｉが大きくなるとｅａは小さな値に
なり、ｅａよりも低下する。（第４図Ｙ部） 以上から比較器９の出力はノ・イ、比較器１４はロー出
力となりＮＯＲゲート２４の出力はローとなリトランジ
スタ２６は遮断しバルブ１３を閉止して燃焼を停止させ
る。反対に何等かの原因により空気過剰になった場合も
炎のリフト現象等が発生するため危険である。このとき
はλは１．３以上となり第３図Ｚ域に入りｅｉはｅｉ２
以下になってしまう。以上からｅａはｅｉ５よりも高い
値となる（第５図２部）。これによシ第２図比較器１４
がハイ出ノＪ１比較器９はロー出力となりＮＯＲＯＲゲ
ルトー出力となり、バルブ１３を閉止する。

以上のように第２図の回路構成にすることにより酸素欠
乏による不完全燃焼と空気過剰による異常燃焼のどちら
が発生しても検知して燃焼を停止することかり能となる
。

第６図は他の実施例を示し、センサ６の起電力ｅ１が最
高でも０．８ｖと小さな値で第３図Ｚ域では約ｍＶとな
り不安定になることを解決したものである。電源１６か
らバイアス抵抗１７を介し７てセンサ６に電流ｉｓを供
給している。また第２図と同様に抵抗２８．２９．３１
により基準電位ｅｓ　と第１．第２の比較電位ｅ８　、
　ｅｉ５と得ている。

オペアンプ２１の正入力端子には抵抗２７とセンサ６の
分圧型（’ｌｅｄ’が入力され、負入力端子には基準電
位ｅｓを抵抗２２を介して入力されており、抵抗２３と
で増幅回路７を構成している。出力ｅａ’はｅａ’＝ｅ
Ｏ’＋（ｅｓ−ｅＯ／）　（１＋−！−乏一く子−）と
なる０２２２ 以上からｅＯ’とｅａ’は比例して変化する。このため
起電力ｅｉが大きくなるとｅａ’も大きくなるため第２
図とは電位ｅ８．ｅ１５のレベルが逆転している。

また電流１６によりセンサ６の起電力としてはｅｉ＋Ｒ
ｉ・ｉｓとなり、第３図のＺ域においてもある程度の出
力電位が得られる構成となっている。

またセンサの内部抵抗Ｒｉは負の温度係数を有している
ため着火前にセンサ６の温度が低い場合はＲ１−１ａ１
０〜数１００ＭＱと大きな値となり、炎が着火してセン
サ温度が３００〜４００’ＣＫ、力ｌ熱されると１（ｉ
−数Ｋｚ　と低下する。このため電位ｅＯ′は第７図の
ようになる。横軸に時間、縦軸にｅ　Ｏ／を示す。着火
前は前述のようにセンサ６の温度が低ぐＨｉが抵抗２７
よシも充分に大きな値となるためそのｅｏ’はほぼ電源
１６と同電位となっている。時間ｔｏで着火するとＲｉ
が低下してｅＯ′もこれに応じて低下していく。炎が安
定に燃焼するとそのときの温度により決定されるＲｉ　
とＩＳの積とｅｉの和の値で安定する。ここで第３図の
λ低下によりｅｉが増加したときｅｏ’は増加し、λ増
加によるｅｉの低下の場合はｅＯ’は低下し、出力ｅａ
’が電位ｅ８と０１ろから外れたときは第２図と同様比
較回路９，１４が動作し、バルブ１３を閉じる動作をす
る。

第８図は他の実施例を示すシステム図であり、安全回路
１０内に温度検知回路３１を有し、この信号によりセン
サ６の温度が低いときには安全回路１０が動作しない構
成としている。また温度検知回路３２の温度信号は第６
図、第７図で説明したセンサ６の内部抵抗Ｒｉの変化を
検出する構成としている。

第９図にこの具体回路例を示す。図で増幅回路７、比較
器９，１４は第２図、第６図と同じ動作であるため説明
は省く。

抵抗２７とセンサ６の分圧電位ｅＯ′はオペアンプ２１
に入力すると同時に温度検知回路３２の比較器３３（オ
ペアンプで構成）の正入力端子に入力されている。また
比較器３３の負入力端子は抵抗３４．３５の分圧電位ｅ
Ｔ１（第１の温度設定値）が入力されている。出力はダ
イオード３６抵抗３７ヲ通してトランジスタ２６のベー
スに接続されている。前述のように第６図の回路では第
７図の特性に示すように着火後センサ６の温度が上昇す
るまでは電位ｅＯ’は高い値となり、電位ｅ　Ｂ　／以
上で検出してバルブを閉じてし１うことがあった。この
ため着火後にタイマを動作させ一定時ｍｍＪ安全回路の
動作を殺す方法がある。しかしこの方法ではセンサ６の
温度上昇時間のバラツキが犬きく安全のためにタイマ時
間を長く設定する必要がある。

しかしタイマ時間が長いとタイマ動作中に不完全燃焼に
なった場合検知されなく危険であるという問題がある。

（尚第７図のｅ８’、ｅｉ５は第６図ｅ８゜ｅｉ５を増
幅回路７のゲインで入力電位ｅＱ’に対応するように換
算した値である。） 以上の問題点を解決するためにセンサ６の内部抵抗Ｒｉ
の温度特性を利用し、センサ６の温度が一定温度以上に
なった後に安全回路１ｏを動作可能とする構成としてい
る。抵抗２７とセンサ６の分圧′磁位ｅ　Ｏ／はセンサ
６の温度が低いとほとんど電源１６の電圧となっている
。このときに比較器の入力電位はｅＴｌす０′となシ出
力はハイレベルとなる。このためダイオード３６．抵抗
３７を通してトランジスタ２６にベース電位を供給する
ため、ＮｏＲゲート２４の出力がローレベルになっても
トランジスタ２６は遮断されない。次にセンサ６の温度
上昇と共にＲｉが低下し　ｅＯ／も第７図のように低下
してくる。これにより電位ｅＴ１≦Ｒｏ’となったとき
比較器３３の出力はローレベルとなりダイオード３６が
逆バイアスとなりトランジスタＶｉＮＯＲゲート２４の
出力レベルに応じてオンオフされる。以上のようにセン
サ６自身の温度を計測しているため加熱時間にバラツキ
があっても最適なタイミングで動作する。また第９図で
、ヰ温度検知回路の信号をｅ　□／で検出する構成とし
ながら破線で示すようにｅａ’により検出することも可
能であり、また別の温度センサを設ける事も自由である
。

第９図では省いたがこの構成に加えて点火動作後乾動作
するタイマ回路を設は一定時間後にセンサ６の温度が上
昇していなければ不着火とみなしバルブ１３を停止する
回路を付加することも公知である。

第１０図は他の実施例を示すシステム図であり、温度検
知回路３２により駆動される点火信号回路３８を有して
いる。これはバーナ消火後センサ６の温度が高い状態で
再度点火動作を行なうとセンサ６内で触媒燃焼を行ない
、バーナ１１に着火していなくても正常レベルの起電力
ｅｉが発生して誤検出を防止するためのもので、センサ
６の温度が一定温度（第２の設定温度）以下になるまで
は再点火動作をさせない構成としている。

第１１図にこの具体回路例を示す。ここでは第１０図の
点火信号回路３８を駆動する第２の設定温、簾の他にバ
ーナ１１の失火を検出してバルブ１３を閉じる第３の設
定温度も設けた構成としている。

抵抗３９，４０．４１により第２の設定温度ｅＴ２およ
び第３の温度設定値ｅＴ３を設けている０ｅＴ２および
ｅＴ３は各々比較回路４２の負入力端子および比較回路
４３の正入力端子に接続されている。また温度信号ｅ　
Ｏ／は図のように比較器４２゜４３に入力され、比較器
４３は失火検知回路を構成しその出力はダイオード４４
を通してトランジスタ２６のベース電位に、またトラン
ジスタ２６のエミッタはダイオード４５を通して電源１
６の一端子にアースされている。同様に比較器４２の出
力は点火信号回路３８に駆動信号を出力する。

今、正常燃焼時にはセンサ６の温度が高く電位ｅＯ′〈
ｅＴ３〈ｅＴ２となっているため比較器４３の出力は・
・イとなりダイオード４４が逆・くイアスされ、トラン
ジスタ２６はＮＯＲゲート２４の出力に応じて動作する
。捷だ比較器４２はロー出力となり点火信号回路３８も
駆動されない。ここで何等かの理由でバーナ１１が失火
した場合はセンサ６の温度が低下するため電位ｅＯ’は
上昇していく。

これによシミ位ｅ・ｒ３くｅＯ′〈ｅＴ２となり比較器
４３はロー出力となる。以上からトランジスタ２６０ベ
ース電位はダイオード４４を通して電源１６にアースさ
れるため遮断されバルブ１３を閉じる。

しかしこのときはまだ比較器４２はロー出力であり点火
動作は行なわない。

センサ６の温度がさらに低下して電位”ｒｓりｅＴ２く
ｅＯ′吉なったときに比較器４２がハイ出力となり点火
信号回路を駆動する。これにより図示していないが点火
器が動作してバーナ１１に再点火を行なう。また点火信
号回路はバルブ１３を開くと同時に比較器４３の回路を
リセットする構成も内蔵されている。

また第１１図の構成に加えて第９図で説明した構成も付
加する事も可能であるし、第１１図の比較器４２．４３
を各々単独で実用する事も容易である。

尚、本実施例ではガスバーナを例にして説明してきたが
これが石油バーナであっても全く同様のことが言える。

またバルブ１３は石油の場合は給油ポンプであっても問
題ない。さらに燃焼方式も各種のものに応用してもさし
つかえない。

発明の詳細 な説明したように本発明の不完全燃焼検知装置は次のよ
うな効果を有する。

１　燃焼検知センサの検知レベルを２点設け、正常時こ
の２レベル内にセンサ出力がある構成としたため酸素不
足による不完全燃焼、および酸素過剰による異常燃焼の
いずれも検知可能とし燃焼を停止する構成であるため安
全性が高い。

２　センサに外部よりバイアス電流を流す構成とするこ
とによりセンサ出力の安定性を向上し誤検知や検知ミス
が防げる。

３　上述のバイアス電流を流す構成とすることによりセ
ンサ温度も計測可能となり、燃焼初期の不安定時に不完
全燃焼によりバーナを停止する安全回路の動作を禁止す
る回路と設けることにより、センサ温度が七分に上昇し
てから動作するため誤動作を防げる。

祿　同様にセンサ温度が七分に冷えてから再点火動作に
移行する構成にすることで、高温センサで未燃ガスが触
媒燃焼を行ない誤検知する事を外＜シ信頼性を向上した
。

５　さらにセンサ温度によりバーナの失火の検知も可能
となり他に火炎センサを付加する必要がなく構成が簡単
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す制御システム図、第２
図は同具体回路図、第３図はジルコニア酸素濃度センサ
の特性図、第４図、第５図は第２図の回路の動作説明図
、第６図は他の具体回路例を示す回路図、第７図はその
動作説明図、第８図は他の実施例を示すシステム図、第
９図はその具体回路図、第１０図はさらに他の実施例を
示すシステム図、第１１図はその具体回路図、第１２図
はジルコニア酸素濃度センサの一例を示す断面図、第１
３図はその動作説明図、第１４図は従来の制御システム
を示すブロック図である。 ６・・・・・・燃焼検知センサ、８．ｅ８・・・・・・
第１の設定レベル、９・・・・・・第１の比較回路、１
ｏ・・・・・・安全回路、１４・・・・・第２の比較回
路、１５　、　ｅ１５・・・・・・第２の設定レベノペ
１６・・・・・外部電源、２７・・・・・・ノくイアス
抵抗（バイアス回路）、３２・・・・・温度検知回路、
３８・・・・・点火信号回路、４３・・・・・・比較器
（失火検知回路）、”ＴＩ・・・・・第１の設定温度、
ｅＴ２・・・・・・第２の設定温度、ｅＴ３・・・・・
・第３の設定塩度。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 〆 ／ 第３図 入 第４図　　　第５図 第６図 第７図 ０ ｉｍｅ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）バーナの燃焼状態を検知して起電力を発生する燃
   焼検知センサと、前記燃焼検知センサの出力が予め定め
   られ／ζ第１の設定レベル以上になったことを検出する
   第１の比較回路と、第２の設定レベル以下になったこと
   を検出する第２の比較回路とを有し、前記第１および第
   ２の比較回路のいずれかの出力を検出して燃焼を停止す
   る信号を出力する安全回路を有する不完全燃焼検知装置
   。
2. （２）燃焼検知センサには、外部電源よシミ流を通電す
   るバイアス回路を有する特許請求の範囲第１項記載の不
   完全燃焼検知装置。
3. （３）安全回路は、燃焼検知センサの温度を検出する温
   度検知回路を有し、前記温度検知回路の出力により燃焼
   検知センサの温度が第１の設定温度以上にあるときに動
   作する構成とした特許請求の範囲第２項記載の不完全燃
   焼検知装置。
4. （４）安全回路は、燃焼検知センサの温度を検出する温
   度検知回路を有し、前記温度検知回路の出力により燃焼
   検知センサの温度が第２の設定温度以下にあるときにバ
   ーナの燃焼を開始させる信号を出力する点火信号回路を
   有する構成とした特許請求の範囲第２項記載の不完全燃
   焼検知装置。
5. （５）安全回路は、燃焼検知センサの温度を検出する温
   度検知回路を有し、前記温度検知回路の出力により燃焼
   検知センサの温度が第３の設定温度以下になったときに
   燃焼を停止する信号を出力する失火検知回路を有する構
   成とした特許請求の範囲第２項、第３項、又は第４項記
   載の不完全燃焼検知装置。