JP2022147445A - Gas combustor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス燃料を燃焼した際に排ガスを排出する排出管を備えるガス燃焼器に関する。
BACKGROUND OF THE
例えば給湯器やボイラー等のガス燃焼器については、NOxやCO2,CO等の排ガス規制が年々厳しくなっている。例えば、日本におけるボイラー製品には、排ガス中のNOx濃度を50ppm以下にすることが求められている。排ガス中に含まれるNOx等の濃度は、燃料の種類や供給量,空気の供給量や大気圧等といった種々のパラメータにより決まるため、様々な条件下において排ガス規制を満たすように燃焼を行うには、排ガス中に含まれているNOx等の濃度をセンシングして、センシングの結果に応じた燃焼制御を行うことが望ましい。ガスを検出するセンサとしては、例えばジルコニア式や定電位電解方式等のセンサがある。 For gas burners such as water heaters and boilers, for example, regulations on exhaust gases such as NOx, CO 2 , and CO are becoming stricter year by year. For example, boiler products in Japan are required to reduce the NOx concentration in the exhaust gas to 50 ppm or less. The concentration of NOx, etc. contained in the exhaust gas is determined by various parameters such as the type and amount of fuel supplied, the amount of air supplied, and atmospheric pressure. It is desirable to sense the concentration of NOx and the like contained in the exhaust gas and perform combustion control according to the sensing result. As a sensor for detecting gas, there are, for example, a zirconia sensor, a constant potential electrolysis sensor, and the like.
しかしながら、ジルコニア式センサは、測定態様以外のガス成分の影響を受けるため精度が悪く、比較的精度が良い定電位電解方式センサは、電解液を使用しているため高温環境下で使用できないといった問題がある。 However, the zirconia sensor has poor accuracy because it is affected by gas components other than the measurement mode, and the constant potential electrolysis sensor, which has relatively high accuracy, cannot be used in a high temperature environment because it uses an electrolytic solution. There is
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、精度が良いガスセンサを高温環境下に置くことなく使用できるガス燃焼器を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a gas combustor in which a highly accurate gas sensor can be used without placing it in a high-temperature environment.
請求項1記載のガス燃焼器によれば、排出管の主管より分岐し、排ガスの流量が主管よりも少なくなるように設定されるバイパス管を設け、このバイパス管に排ガス中のガスを検出するガスセンサを配置し、冷却機構によってバイパス管を冷却する。このように構成すれば、冷却機構は、排ガスの流量が比較的少ないバイパス管を冷却すれば良いので、小型で低コストのものを用いることができる。これにより、高温環境下では使用できない高精度のガスセンサを使用することが可能になる。
According to the gas combustor of
請求項2記載のガス燃焼器によれば、冷却機構を、バイパス管におけるガスセンサの少なくとも上流側に配置する。これにより、排ガスの温度を確実に低下させた状態で、ガスセンサによるセンシングを行わせることができる。
According to the gas combustor of
請求項3記載のガス燃焼器によれば、ガス燃料を燃焼することで給水タンク内の水を加熱する構成において、冷却機構を、給水タンクに給水される水を用いて冷却を行う構成とする。すなわち、給水タンクに給水される水を冷媒として用いるので、冷却機構を低コストで構成できる。
According to the gas combustor of
請求項4記載のガス燃焼器によれば、主管内において、バイパス管の入口と出口との間に対応する部位に逆止弁を配置する。排ガスの圧力は、ガス燃料の燃焼状態に応じて変化するが、排ガスの圧力が低い場合は主管内の逆止弁は閉じているので、排ガスは全てバイパス管内に流れる。排ガスの圧力が上昇して逆止弁が開くと、排ガスは主管とバイパス管との双方に流れる。したがって、排ガスの圧力が低い場合でも、ガスセンサによるセンシングを確実に行わせることができる。
According to the gas combustor of
請求項5記載のガス燃焼器によれば、逆止弁は、バイパス管を流れる排ガスの流量が一定値を超えると開放され、主管及びバイパス管を流れる排ガスの圧力を同一にするように調整されている。このように構成すれば、バイパス管への排ガスの流量を制限して冷却機構による冷却を容易に行うことができると共に、バイパス管の負担を低減できる。
According to the gas combustor of
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について図1から図6を参照して説明する。図1は、ガス燃焼器の一例である本実施形態のガス給湯器1の構成を示す。給湯タンク2の内部には、給水管3を介して図示しない水道より水が給水される。給湯タンク2は、燃焼管4を内蔵しており、燃焼管4の内部でガスの燃焼が行われることで水が加熱されて湯になる。湯は、排出管5を介して外部に供給される。排出管5には、湯の温度を検出するための図示しない温度センサが配置されている。
(First embodiment)
A first embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. FIG. 1 shows the configuration of a
給湯タンク2には、吸気管6が接続されており、吸気管6の内部にはブロア7が配置されている。ブロア7は、吸気管6の外部にあるコントローラ8により駆動制御され、外部より大気を吸気する。吸気管6の途中部位には、ガス供給管9が比例弁10を介して接続されている。比例弁10は、コントローラ8により駆動制御される。これにより、吸気管6内へのガス供給量が調整される。
An
吸気管6内部のガスと大気との混合気体は、噴射部12を介して燃焼管4に供給される。燃焼管4内の混合気体は、図示しないイグナイタにより点火されて燃焼される。燃焼管4は、給湯タンク2の図中上部において吸気管6に接続され、給湯タンク2の下方に延びる主部4aと、給湯タンク2の下方から上方に延びる折返し部4bと、そこから主部4aの周囲を螺旋状に囲んで再び下方に至る螺旋状部4cとを備えている。螺旋状部4cには排気管13が接続されており、燃焼後の気体が給湯タンク2の外部に排気される。
A mixture of the gas inside the
図2にも示すように、排気管13は、主管14及びバイパス管15からなる。バイパス管15は、主管14より分岐して排気ガスを流した後に、主管14に戻して排気させる。バイパス管15の径断面積は、主管14よりも小さく設定されている。図2に拡大して示すように、バイパス管15は、主管14の下方に接続されるコ字状の配管であり、主管14への接続箇所が入口15a,出口15bとなっている。そして、主管14内における入口15aと出口15bとの間には、逆止弁16が配置されている。
As also shown in FIG. 2 , the
バイパス管15には、排ガス中における例えばNOx等のガス濃度を検出する、例えば定電位電解方式のガスセンサ17が配置されている。ガスセンサ17の上流側には、冷却機構としての冷却器18が配置されている。冷却器18は、具体的には図示しないが、例えば冷媒が流れる冷却パイプをバイパス管15の外周に巻き付けて冷却し、バイパス管15に流れる排ガスの熱で上昇した冷媒の温度を低下させて、冷却パイプに送出する、という循環を行う構成である。
The
コントローラ8は、例えばマイクロコンピュータで構成され、入力部21,演算部22及び出力部23等を備えている。入力部21は、ガスセンサ17や温度センサが出力するセンサ信号やを受けて演算部22に出力する。演算部22は、入力されるセンサ信号に応じてブロワ7及び比例弁10を制御する信号を出力部23を介して出力する。これにより、コントローラ8は、燃焼管4に供給する空気量及びガス燃料の量を制御して、ガス給湯器1の燃焼状態を制御し、湯の温度をユーザにより設定された温度にする。
The
次に、本実施形態の作用について図3から図5を参照して説明する。図3は、ガス給湯器1の運転状態が低火力であり、排気管13に流れる排ガスの圧力が比較的低い場合を示している。この時、主管14にある逆止弁16は閉じているため、排ガスはバイパス管15のみに流れる。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 5. FIG. FIG. 3 shows a case where the operating state of the
一方、図4は、ガス給湯器1の運転状態が高火力であり、排気管13に流れる排ガスの圧力が比較的高い場合を示している。この時、逆止弁16は開くので、排ガスは主管14及びバイパス管15の双方に流れる。図5は、ガス給湯器1の運転状態が図3に示すものから図4に示すものに遷移する場合を示したタイムチャートである。火力が「低」から「高」に変化する間に、閉じていた逆止弁16が開き始める。すると、主管14における排ガスの流量は「0」から上昇を開始すると共に、バイパス管15における排ガスの流量も上昇する。そして、バイパス管15の流量は、逆止弁16が全開になる前に頭打ちとなるが、主管14の流量は逆止弁16が全開になった時点で一定となる。
On the other hand, FIG. 4 shows a case where the operating state of the
ここで、逆止弁16が開放された際に、主管14及びバイパス管15を流れる排ガスの圧力が同一となるように調整する手法について図6を参照して説明する。各パラメータを以下に示す。
A1:主管14の配管径
A2: バイパス管15の配管径
v1:逆止弁16を閉状態に維持できる最大流量
v2:バイパス管15に流すことができる最大流量
このとき、
v2=v1×A1/A2 …(0)
となる。
Here, a method for adjusting the pressure of the exhaust gas flowing through the
A1: Pipe diameter of the
v2=v1×A1/A2 (0)
becomes.
また、図中に示す配管損失(1)~(3)は、以下になる。
配管損失(1):主管14からバイパス管15への流路が直角に折れ曲がると共に
断面積が変化することによる損失
配管損失(2):バイパス管15内の流路が2か所で直角に折れ曲がる
ことによる損失
配管損失(3):バイパス管15から主管14への流路が直角に折れ曲がると共に
断面積が変化することによる損失
尚、バイパス管15の流路がストレートである部分でも損失は発生するが、僅かであるためここでは無視している。
Piping losses (1) to (3) shown in the figure are as follows.
Piping loss (1): When the flow path from the
Loss due to change in cross-sectional area Piping loss (2): The flow path in the
Loss due to this Piping loss (3): The flow path from the
Loss due to change in cross-sectional area Although loss also occurs in the portion where the flow path of the
配管損失(1)であるΔP1は、(1)式で表される。
ΔP1=0.946×ρv12/2+(1/CC-1)×ρv22/2 …(1)
尚、「ρ」は水の密度であり、「CC」は配管径比(A1/A2)で決まる定数である。
配管損失(2)であるΔP2は、(2)式で表される。
ΔP2=0.946×ρv22/2×2 …(2)
配管損失(3)であるΔP3は、(3)式で表される。
ΔP3=(1-A2/A1)×ρv22/2 …(3)
ΔP1, which is the pipe loss (1), is represented by the equation (1).
ΔP1=0.946×ρv1 2 /2+(1/C C −1)×ρv2 2 /2 (1)
"ρ" is the density of water, and "C C " is a constant determined by the pipe diameter ratio (A1/A2).
ΔP2, which is the pipe loss (2), is expressed by the equation (2).
ΔP2=0.946×ρv2 2 /2×2 (2)
ΔP3, which is the pipe loss (3), is expressed by the equation (3).
ΔP3=(1−A2/A1)×ρv2 2 /2 (3)
バイパス管15に流すことができる最大流量v2における圧力損失PLは、上記の損失(1)~(3)の合計となる。
PL=ΔP1+ΔP2+ΔP3 …(4)
従って、逆止弁16に、発生する損失が圧力損失PLに等しくなるものを選ぶことで、流量がv2を超えた際に逆止弁16の開放が開始されるようになる。これにより、主管14及びバイパス管15を流れる排ガスの圧力が同一となる。
The pressure loss P L at the maximum flow rate v2 that can flow through the
P L =ΔP1+ΔP2+ΔP3 (4)
Therefore, by selecting the
以上のように本実施形態によれば、ガス給湯器1において、排出管13の主管14より分岐し、排ガスの流量が主管14よりも少なくなるように設定されるバイパス管15を設け、バイパス管15にガスセンサ17を配置し、冷却器18によってバイパス管15を冷却する。このように構成すれば、冷却器18は、排ガスの流量が比較的少ないバイパス管156を冷却すれば良いので、小型で低コストのものを用いることができる。これにより、高温環境下では使用できない高精度のガスセンサ17を使用することが可能になる。
As described above, according to the present embodiment, in the
この場合、冷却器18を、バイパス管15におけるガスセンサ18の上流側に配置することで、排ガスの温度を確実に低下させた状態で、ガスセンサ18によるセンシングを行わせることができる。
In this case, by arranging the cooler 18 on the upstream side of the
また、主管14内において、バイパス管15の入口15aと出口15bとの間に対応する部位に逆止弁16を配置する。排ガスの圧力が低い場合は主管14内の逆止弁16は閉じているので、排ガスは全てバイパス管15に流れるので、ガスセンサ18によるセンシングを確実に行わせることができる。
In addition, a
更に、逆止弁16を、バイパス管15を流れる排ガスの流量が一定値を超えると開放され、主管14及びバイパス管15を流れる排ガスの圧力を同一にするように調整する。このように構成すれば、バイパス管への排ガスの流量を制限して冷却機構による冷却を容易に行うことができると共に、バイパス管の負担を低減できる。
Furthermore, the
(第2実施形態)
以下、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図7及び図8に示すように、第2実施形態のガス給湯器31は、給水管3に替わる給水管32を備えている。給水管32は、バイパス管15の下方側に、バイパス管15に沿うように配設されている。すなわち、第2実施形態では、給水管32を冷却機構として用いている。
(Second embodiment)
Hereinafter, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted, and different parts will be described. As shown in FIGS. 7 and 8, a
給水管32を流れる水を冷媒として、給水管32とバイパス管15との間で熱交換を行い、バイパス管15の熱を水により奪うことで冷却する。給水管32は、バイパス管15に接触するように配置しても良いし、バイパス管15と給水管32との間に放熱シートのようなものを介在させて熱交換を行っても良い。これにより、冷却機構を低コストで構成できる。
Using the water flowing through the
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
冷却器18を配置する位置は、適宜変更して良い。
ガス給湯器に限ることなく、ガスを燃焼させた際に発生する熱を利用するものであれば適用が可能である。
The present invention is not limited to the embodiments described above or illustrated in the drawings, but can be modified or expanded as follows.
The position where the cooler 18 is arranged may be changed as appropriate.
The present invention is not limited to gas water heaters, and can be applied to any device that utilizes heat generated when gas is burned.
図面中、1はガス給湯器、2は給湯タンク、13は排気管、14は主管、15はバイパス管、15aは入口,15bは出口、16は逆止弁、17はガスセンサ、18は冷却器、31はガス給湯器、32は給水管を示す。 In the drawing, 1 is a gas water heater, 2 is a hot water tank, 13 is an exhaust pipe, 14 is a main pipe, 15 is a bypass pipe, 15a is an inlet, 15b is an outlet, 16 is a check valve, 17 is a gas sensor, and 18 is a cooler. , 31 indicates a gas water heater, and 32 indicates a water supply pipe.
Claims (5)
この主管より分岐して形成され、排ガスの流量が当該排出管よりも少なくなるように設定されるバイパス管と、
このバイパス管に配置され、前記排ガス中のガスを検出するガスセンサと、
前記バイパス管を冷却する冷却機構とを備えるガス燃焼器。 a main pipe as an exhaust pipe for discharging exhaust gas when burning gas fuel;
a bypass pipe formed by branching from the main pipe and set so that the flow rate of the exhaust gas is lower than that of the discharge pipe;
a gas sensor arranged in the bypass pipe for detecting gas in the exhaust gas;
and a cooling mechanism for cooling the bypass pipe.
前記ガス燃料を燃焼することで前記給水タンク内の水を加熱する構成において、
前記冷却機構は、前記給水タンクに給水される水を用いて冷却を行う請求項2記載のガス燃焼器。 Equipped with a water supply tank to which water is supplied,
In the configuration for heating the water in the water supply tank by burning the gas fuel,
3. The gas combustor according to claim 2, wherein said cooling mechanism performs cooling using water supplied to said water supply tank.
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