JP4831582B2 - Ｃｏセンサ付き燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、バーナの燃焼排ガス中の顕熱を回収する主熱交換器と、主熱交換器を通過した燃焼排ガス中の潜熱を回収する副熱交換器と、燃焼排ガス中のＣＯ（一酸化炭素）濃度を検出するＣＯセンサとを備えるＣＯセンサ付き燃焼装置に関する。

従来、この種の燃焼装置として、ＣＯセンサにより副熱交換器の下流側の燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検出するようにしたものは知られている（例えば、特許文献１参照）。

ＣＯセンサは、ＣＯの検出部を内蔵する筒状のセンサ本体を備えており、センサ本体の軸方向一端面に燃焼排ガスを検出部に導く多孔材料で形成したガス導入部が設けられている。尚、ガス導入部を単純な開口ではなく多孔材料で形成するのは、検出部を保護するためである。検出部には、酸化触媒を担持する検出素子と、酸化触媒を担持しない比較素子とが設けられている。検出素子と比較素子は抵抗ブリッジ回路に組み込まれている。

ＣＯセンサの使用時には、検出素子及び比較素子が通電により所定の作動温度（約２００℃）に加熱される。この状態で検出素子にＣＯが接触すると、触媒によるＣＯの酸化反応を生ずる。そして、酸化反応熱による検出素子の温度上昇で電気抵抗が増加し、この抵抗変化により抵抗ブリッジ回路上での比較素子との抵抗バランスが崩れて、ＣＯセンサの出力電圧が変化し、この変化に基づいてＣＯ濃度が検出される。

但し、ＣＯセンサの感度は温度依存性を有しており、ＣＯ濃度が同じでも燃焼排ガスの温度によってセンサ出力は大きく変化する。副熱交換器の上流側の燃焼排ガスの温度は、バーナの燃焼量に応じて約６０〜２５０℃の広い範囲で変化するため、副熱交換器の上流側の燃焼排ガス中のＣＯ濃度をＣＯセンサで検出する場合には、温度補償を行うことが必要になる。一方、副熱交換器の下流側の燃焼排ガスの温度は副熱交換器での潜熱回収によりかなり低温になり、変化するとしても約３０〜６０℃の狭い範囲内に収まる。従って、上記従来例の如く副熱交換器の下流側の燃焼排ガス中のＣＯ濃度をＣＯセンサで検出する場合には、温度補償が不要になり、構造簡単なＣＯセンサでＣＯ濃度を精度良く検出できる。

然し、副熱交換器の下流側の燃焼排ガスは低温で相対湿度が１００％近くになる。そのため、上記従来例のものでは、ＣＯセンサに燃焼排ガス中の水分が結露しやすくなる。そして、結露水には燃焼生成物が溶け込むため、ＣＯセンサの結露とその後の乾燥との繰り返しで燃焼生成物が析出し、ＣＯセンサのガス導入部が析出物で目詰まりして、ＣＯ濃度を検出できなくなってしまうことがある。
特許第３７４４６２１号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ＣＯセンサへの結露を防止して、長期に亘りＣＯ濃度を精度良く検出できるようにしたＣＯセンサ付き燃焼装置を提供することをその課題としている。

本発明は、バーナの燃焼排ガス中の顕熱を回収する主熱交換器と、主熱交換器を通過した燃焼排ガス中の潜熱を回収する副熱交換器と、副熱交換器の下流側の燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検出するＣＯセンサとを備えるＣＯセンサ付き燃焼装置であって、ＣＯセンサは、ＣＯの検出部を内蔵する筒状のセンサ本体と、燃焼排ガスを検出部に導く多孔材料で形成したガス導入部とを備えるものにおいて、検出部から軸方向に離れたセンサ本体の部分に、燃焼排ガスが流入するガス流入口が形成されると共に、センサ本体のガス流入口を除く部分が閉塞され、センサ本体内に、センサ本体の内部空間を検出部を収納する内室とガス流入口に連通する外室とに区画するようにガス導入部が設けられ、副熱交換器の下流側の排気通路に、ガス流入口が下方または斜め下方を向く姿勢でＣＯセンサが配置されることを特徴とする。

本発明によれば、ガス流入口が下方または斜め下方を向くため、検出部の通電加熱で生じる熱気が内室及び外室に留まりやすくなる。そして、この熱気によりセンサ本体及びガス導入部が加温され、且つ、ガス流入口から流入する燃焼排ガスの相対湿度が外室内の熱気の混入で低下し、燃焼排ガス中の水分がセンサ本体の内面やガス導入部で結露することが防止される。その結果、燃焼生成物の析出によるガス導入部の目詰まりも防止され、長期に亘りＣＯ濃度を精度良く検出できるようになる。

ここで、ガス流入口は、センサ本体の軸方向一端面に形成しても、また、センサ本体の軸方向一端寄りの周面部分の周方向一側部に形成しても良い。センサ本体の軸方向一端面にガス流入口を形成する場合は、副熱交換器の下流側の排気通路に、ガス流入口を下側にした鉛直姿勢または傾斜姿勢でＣＯセンサを配置することにより上記の作用効果を得ることができる。また、センサ本体の軸方向一端寄りの周面部分の周方向一側部にガス流入口を形成する場合は、副熱交換器の下流側の排気通路に、ガス流入口を下方に向けた水平姿勢でＣＯセンサを配置することにより上記の作用効果を得ることができる。

図１は給湯用熱源機から成る燃焼装置を示している。この燃焼装置は、バーナ１を内蔵する燃焼筐２を備えている。燃焼筐２には、下方から燃焼ファン３により燃焼空気が供給される。燃焼筐２内の上部には、バーナ１の燃焼排ガス中の顕熱を回収する主熱交換器４が配置されている。主熱交換器４は、多数の吸熱フィン４ａとこれら吸熱フィン４ａを貫通する複数の吸熱管４ｂとを備えている。そして、これら吸熱管４ｂを直列に接続して一連の熱交換水路を構成し、この熱交換水路に流れる水が燃焼排ガス中の顕熱を吸収して加熱されるようにしている。

燃焼筐２の上方には、主熱交換器４を通過した燃焼排ガスが燃焼筐２の上面後部に設けた流出口２ａを介して流入する排気筐５が設けられている。そして、排気筐５内に燃焼排ガス中の潜熱を回収する副熱交換器６が配置されている。副熱交換器６は、排気筐５内に横設した複数の吸熱管６ａを備えている。そして、これら吸熱管６ａに冷水を流して、燃焼排ガス中の水分を吸熱管６ａの外面で凝縮させるようにしている。これにより、副熱交換器６に流れる水が潜熱を吸収して加熱される。副熱交換器６で加熱された水は主熱交換器４に送られる。

また、排気筐５をその前側から上側に亘って覆うように排気カバー７が設けられている。排気カバー７と排気筐５との間には、排気筐５の前側から上側にのびる排気通路８が画成されている。そして、副熱交換器６を通過した燃焼排ガスが排気筐５の前面下部の流出口５ａから排気通路８に流れ、排気カバー７の上面に開設した排気口７ａから機外に排出されるようにしている。

この排気通路８にはＣＯセンサ９が配置されている。ＣＯセンサ９は、図２に示す如く、ステンレス等の耐蝕性に優れた金属で形成される筒状のセンサ本体９１を備え、センサ本体９１にＣＯの検出部９２が内蔵されている。検出部９２には、抵抗ブリッジ回路に組み込まれる酸化触媒を担持する検出素子９２ａと、同じく抵抗ブリッジ回路に組み込まれる酸化触媒を担持しない比較素子９２ｂと、両素子９２ａ，９２ｂ間の仕切り９２ｃとが設けられている。尚、図中９２ｄは各素子９２ａ，９２ｂ用の端子ピンである。

検出素子９２ａと比較素子９２ｂには常時通電され、両素子９２ａ，９２ｂは所定の作動温度（約２００℃）に加熱される。この状態でＣＯを含む燃焼排ガスが検出素子９２ａに接触すると、検出素子９２ａ上でＣＯの酸化反応を生じ、この反応熱により検出素子９２ａの電気抵抗が変化する。この抵抗変化により抵抗ブリッジ回路における比較素子９２ｂとの抵抗バランスが崩れてＣＯセンサ９の出力電圧が変化し、この電圧変化に基づいて燃焼排ガス中のＣＯ濃度が検出される。そして、検出ＣＯ濃度が所定の基準値以上になったときは、バーナ１の燃焼量を減少させたり燃焼を停止する安全制御を実行する。

尚、ＣＯセンサ９の設置部はセンサカバー１０で囲われている。センサカバー１０は、図３に示す如く、一対の側板部１０ａ，１０ａと、両側板部１０ａ，１０ａ間の邪魔板部１０ｂとを備えており、邪魔板部１０ｂによりＣＯセンサ９の設置部への燃焼排ガスの流れを制限して、ＣＯセンサ９に燃焼排ガスが穏やかに流入するようにしている。

ところで、ＣＯセンサ９の感度は温度依存性を有し、燃焼排ガスの温度が広範囲に変化する場合には温度補償が必要になる。ここで、副熱交換器６の下流側の燃焼排ガスの温度は副熱交換器６での潜熱回収によりかなり低温になり、変化するとしても約３０〜６０℃の狭い範囲内に収まる。そのため、本実施形態の如く副熱交換器６の下流側の排気通路８にＣＯセンサ９を設ける場合には、温度補償を行うことなく燃焼排ガス中のＣＯ濃度を正確に検出できる利点がある。反面、副熱交換器６の下流側の燃焼排ガスは低温で相対湿度が１００％近くになり、燃焼排ガス中の水分がＣＯセンサ９に結露しやすくなる。

そこで、本実施形態では、検出部９２から軸方向に離れたセンサ本体９１の部分に、燃焼排ガスが流入するガス流入口９３を形成している。そして、センサ本体９１内に、センサ本体９１の内部空間を検出部９２を収納する内室９１ａとガス流入口９３に連通する外室９１ｂとに区画するように、メッシュ等の多孔材料で形成されるガス導入部９４を設け、ガス流入口９３から流入した燃焼排ガスが外室９１ｂとガス導入部９４とを介して検出部９２に導かれるようにしている。より具体的には、センサ本体９１の軸方向一端面を開口してこれをガス流入口９３とし、センサ本体９１内に、検出部９２とガス流入口９３との間に位置させてガス導入部９４を設けている。

ＣＯセンサ９は、副熱交換器６の下流側の排気通路８に、ガス流入口９３を下側にした鉛直姿勢で配置される。これによれば、ガス流入口９３が下方を向くため、検出素子９２ａ及び比較素子９２ｂの通電加熱で生じる熱気が内室９１ａ及び外室９１ｂに留まりやすくなる。そして、この熱気によりセンサ本体９１及びガス導入部９４が加温され、且つ、ガス流入口９３から流入する燃焼排ガスの相対湿度が外室９１ｂ内の熱気の混入で低下し、燃焼排ガス中の水分がセンサ本体９１の内面やガス導入部９４で結露することが防止される。その結果、燃焼排ガスに含まれる燃焼生成物の析出によるガス導入部９４の目詰まりも防止され、長期に亘りＣＯ濃度を精度良く検出できるようになる。

ところで、本実施形態では、ＣＯセンサ９が鉛直姿勢で配置されているが、ガス流入口９３が斜め下方を向く傾斜姿勢でＣＯセンサ９を配置しても、実用上十分な結露防止機能が得られる。然し、ＣＯセンサ９を水平姿勢で配置すると、ガス流入口９３から熱気が流出しやすくなり、十分な結露防止機能は得られなくなる。

次に、ＣＯセンサ９を水平姿勢で配置しても十分な結露防止機能を得られるようにした第２実施形態について、図４を参照して説明する。尚、第２実施形態のＣＯセンサ９の基本的な構造は上記第１実施形態のものと同様であり、第１実施形態のものと同様の部材、部位に上記と同一の符号を付している。

第２実施形態のＣＯセンサ９の第１実施形態のものとの相違点は、センサ本体９１の軸方向一端面を閉塞して、センサ本体９１の軸方向一端寄りの周面部分の周方向一側部にガス流入口９３を形成し、センサ本体９１内にガス流入口９３に隣接させてガス導入部９４を設けたことである。

第２実施形態のＣＯセンサ９は、副熱交換器６の下流側の排気通路８に、ガス流入口９３を下方に向けた水平姿勢で配置される。このものでも、上記第１実施形態と同様に検出素子９２ａ及び比較素子９２ｂの通電加熱で生じる熱気が内室９１ａ及び外室９１ｂに留まりやすくなる。そのため、上記第１実施形態のものと同様に、センサ本体９１の内面やガス導入部９４での結露を防止する機能が得られ、燃焼生成物の析出によるガス導入部９４の目詰まりが防止されて、長期に亘りＣＯ濃度を精度良く検出できるようになる。

尚、第２実施形態では、ガス流入口９３の形成範囲をセンサ本体９１の周面部分に限定しているが、センサ本体９の周面部分から軸方向一端面の一部に亘ってガス流入口９３を形成することも可能である。この場合、ＣＯセンサ９を水平姿勢で配置したときに、センサ本体９の軸端のガス流入口の開口部が検出素子９２ａより下方位置に収まるようにすることが望ましい。

また、第２実施形態では、ガス導入部９４をセンサ本体９１の軸線に直交する姿勢で配置しているが、これに限らない。即ち、図５に示す第３実施形態のように、ガス導入部９４を、ガス流入口９３に隣接する部分とセンサ本体９１の軸端とに跨るように、センサ本体９１の軸線に斜交する姿勢で配置することも可能である。

また、上記実施形態は給湯用の熱源機から成る燃焼装置に本発明を適用したものであるが、顕熱回収型の主熱交換器と潜熱回収型の副熱交換器とを備える熱源機以外のＣＯセンサ付き燃焼装置として本発明は広く適用できる。

本発明の第１実施形態の燃焼装置の断面図。 第１実施形態の燃焼装置の要部の拡大断面図。 第１実施形態の燃焼装置に備えるセンサカバーの斜視図。 第２実施形態の燃焼装置の要部の拡大断面図。 第３実施形態の燃焼装置の要部の拡大断面図。

符号の説明

１…バーナ、４…主熱交換器、６…副熱交換器、８…排気通路、９…ＣＯセンサ、９１…センサ本体、９２…検出部、９３…ガス流入口、９４…ガス導入部。

Claims (3)

1. バーナの燃焼排ガス中の顕熱を回収する主熱交換器と、主熱交換器を通過した燃焼排ガス中の潜熱を回収する副熱交換器と、副熱交換器の下流側の燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検出するＣＯセンサとを備えるＣＯセンサ付き燃焼装置であって、
   ＣＯセンサは、ＣＯの検出部を内蔵する筒状のセンサ本体と、燃焼排ガスを検出部に導く多孔材料で形成したガス導入部とを備えるものにおいて、
   検出部から軸方向に離れたセンサ本体の部分に、燃焼排ガスが流入するガス流入口が形成されると共に、センサ本体のガス流入口を除く部分が閉塞され、
   センサ本体内に、センサ本体の内部空間を検出部を収納する内室とガス流入口に連通する外室とに区画するようにガス導入部が設けられ、
   副熱交換器の下流側の排気通路に、ガス流入口が下方または斜め下方を向く姿勢でＣＯセンサが配置されることを特徴とするＣＯセンサ付き燃焼装置。
2. 前記センサ本体の軸方向一端面に前記ガス流入口が形成され、前記副熱交換器の下流側の排気通路に、ガス流入口を下側にした鉛直姿勢または傾斜姿勢で前記ＣＯセンサが配置されることを特徴とする請求項１記載のＣＯセンサ付き燃焼装置。
3. 前記センサ本体の軸方向一端寄りの周面部分の周方向一側部に前記ガス流入口が形成され、前記副熱交換器の下流側の排気通路に、ガス流入口を下方に向けた水平姿勢で前記ＣＯセンサが配置されることを特徴とする請求項１記載のＣＯセンサ付き燃焼装置。

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