JP2002543362A - バーナーの供給管における酸化剤／燃料混合物の調節装置 - Google Patents

バーナーの供給管における酸化剤／燃料混合物の調節装置

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、バーナーの供給管（２２）において酸化剤／燃料の混合物を調節するための装置に関する。前記装置は酸化剤／燃料混合物の組成を変化させる手段（３２，１２）と、酸化剤／燃料混合物の状態を検出するための測定器具（２）と、測定器具により検出された状態に基づいて前記手段（３２，１２）を制御して組成を変化させるための回路（２８）とを備える。本発明は、測定器具が燃焼に先立って酸化剤／燃料混合物の少なくとも一部の混合物の状態を粘度またはその関数を介して検出すること、ならびにそれが流通方向に対して組成変化手段（３２，１２）の上流側に配置されていることによって特徴付けられる。さらにまた本発明は、測定器具が、検出された粘度の関数に応じて手段（３２，１２）の制御回路によって組成を制御すること、またはそれが組成変化手段（３２，１２）の下流側に配置されること、およびそれが手段（３２，１２）の制御回路によって酸化剤／燃料混合物の組成を制御することによって特徴付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、酸化剤／燃料混合物の組成を変化させる手段と、酸化剤／燃料混合
物の燃焼時の状態を検出する測定装置と、測定装置によって検出された状態に応
じて、組成変化手段を制御する回路とを備えた、バーナーの供給管（２２）にお
ける酸化剤／燃料混合物の調節装置に関する。
【０００２】 加熱技術分野においては、従来から、ガスバーナーの燃焼作用がそこに存在す
るガスの品質に大きく依存するという問題点があった。この品質は、「Buderus
Heiztechnik GmbH:Handbuch der Heizungstechnik（加熱技術ハンドブック）,Be
uth Verlag GmbH,Berlin,Vienna,Zurich,33rd Edition,1994」によれば、最大ウ
ォッベ指数（upper Wobbe index）Ｗ0によって特徴付けられ、これはＬタイプ天
然ガスでは１０．５〜１３ＫＷｈ／ｍ3の範囲となり、Ｈタイプ天然ガスでは１
２．０〜１５．７ＫＷｈ／ｍ3の範囲となる。一つのグループのガスだけでなく
両方のグループのガスを同時に用いて動作するバーナーを開発する努力もなされ
ている。ハイカロリーガスは酸化剤の必要性が高く、ローカロリーガスは低い。
以下において、酸化剤について述べられれているときは、一般に空気を意味する
が、特に酸素リッチの空気または全く異なる酸化剤を用いることができる。
【０００３】 従来のバーナー制御では、ガスの供給量はガスの品質に適合されていない。こ
のことは、空気過剰数（air excess number）の変動を招き、もって通常の場合
、好ましくない燃焼プロセスを招く。極端にハイカロリーのガスでは、可燃性ガ
ス混合物中の酸化剤を少量にすることができるが、それによって汚染物質生成が
増加し、反対にローカロリーガスの炎は過度に多量の酸化剤によって完全に吹き
消されてしまう。換言すればこのことは、効率の低さ及び単純な炎の消火によっ
て合法的に規定された排気規制値を超えてしまうおそれがあるために、バーナー
の動作範囲を制限する結果を招く。よって、可能なガスの品質または品質種類の
全てが低公害で安全に燃焼できるように、バーナーの調節を可能にするべきであ
る。
【０００４】 さらにこの問題は、第１〜第４ガスファミリー、アルカン、アルケン、アルキ
ン、ならびにメタン、高級炭化水素、水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素およ
び空気を大量に含むガス混合物気体燃料の燃焼においても同様である。この場合
、燃料または空気若しくは酸化剤の量は、燃料の種類に適合させるべきである。
【０００５】 同様のことは、液体または多相燃料にも当てはまる。液体燃料は、例えば高圧
ガス、液化可燃性ガス及び油、特にディーゼル油、暖房用オイル、菜種油を含む
。多相燃料は、例えば気体相中で輸送される固形燃料粒子、不活性ガスを含む液
体燃料または煮沸燃料を含む。
【０００６】 そしてさらに、燃料の品質若しくは一般的には燃料の状態に従って用いられる
技術が認められ、それに応じて空気比が制御されるようになっている。これは、
もちろん一定のカロリー値に応じて添加物を更に使用することによる燃料品質調
節の可能性を妨げるものではない。
【０００７】 一般には、バーナーのための組成は、バーナーが少なくとも最適な動作点の近
傍で動作するように制御される。このようにすると、バーナーの動作範囲は広が
る。あらゆる場合において、主にバーナーの動作の測定に基づいた、要求される
空気または酸化剤の量の正確な制御のための複合的な過程は、バーナーのコスト
が可能な限り低く保持されたとしても技術的には実現することができない。
【０００８】 可燃性ガスの組成に依存しない燃焼を実現するためのいくつかの発想をいかに
述べる。一つの可能性は、燃焼中のイオン流の測定に基づくものである。これに
関しては、M. Hears, R. Marker, Dr. R. Naumann, H. Nolte: "Optimierung vo
n Verbrennungsprozessen mittels eines Ionisations-Flammen-Managements" [
イオン炎管理による燃焼プロセスの最適化], Gas Warme International, 47 (19
98), Number 2; and "Signale aus der Flamme, Luftzahlerkennung aus dem Io
nisationstrom: Neue Molichkeiten fur die Kesseltechnik" [炎からの信号、
イオン流からの空気比の検出：ボイラーエンジニアリングの新たな可能性], Ruh
rgas Forum, Number 7, Essen, 1998という論文において言及されている。
【０００９】 イオン電極は、炎が消えたときにガス供給を遮断するバーナーの安全チェーン
の構成部品である。使用される測定プロセスは、炎の中のガス−空気混合物の分
子およびその高温での反応生成物が電気伝導性のあるイオンに分離する物理的作
用に基づくものである。バーナーとイオン電極との間に電圧が加われば、炎が燃
えている間は電極電流が流れる。
【００１０】 炎のオン／オフ状態の検出について付言すると、イオン流は、しかし燃焼状態
に関する更なる情報、中でも燃焼温度および従って間接的に空気比に関する情報
を含んでいる。較正によって、イオン流の最大値により特徴付けられる化学量論
的な動作に関する基準が作られる。化学量論のそれより傾いた動作点は、この基
準値に比例して成立し、制御の基準が形成される。
【００１１】 燃焼状態を改善するための他の可能性は、排気ガス中の酸化剤濃度の測定に基
づくものであり、これは例えば自動車工学と同様になされる。これを行うには、
いわゆるラムダプローブが使用される。これは、例えば企業Gasmodul (ハネウエ
ル)の製造物情報：“ボイラーコントロールMCBA1400およびGMS10Ｏ2センサ”に
説明されている。ラムダプローブは、固体電解質により相互に接続された実質的
に2本の電極からなるものである。固体電解質は、ここで酸化剤として用いられ
る酸素のイオンを導くことができる。電気的に直流の電圧が印加されると電気化
学的ポンピング作用が形成され、その結果、酸素イオンは固体電解質を通過する
ルートをとる。酸素イオンの選択的なポンピングによって、ネルンスト電圧を発
生する濃度勾配が生み出される。電位差を設定点に到達させるのに必要とされる
時間間隔は、周囲の部分的な酸化剤の圧力の測定に従って用いられる。
【００１２】 ガス組成の考慮を伴う他のガスバーナーの制御方法は、光ファイバー測定処理
を用いるものである。炎から放射され且つ混合物の組成に依存する放射光は、光
プローブによって検出され、光ファイバーを介して光電子増倍管に送られる。そ
して光電子増倍管の信号が可変のガス供給量制御に用いることができる。そのよ
うな制御システムの一つは、例えば「"Neuss Regelsystem fur Vormischbrenner
, Lichtleiter-Messtechnik erfasst Flammensignale," [予備混合バーナーの新
しい制御システム、光ファイバー測定技術が炎の信号を検出], Ruhrgas Forum,
Edition 4, Essen, December 1992.」という論文に説明されている。
【００１３】 供給される熱量の測定及び制御のためには、ドイツ特許公開公報DE 43 36 174 A1において請求された他の方法がある。これは、ガスの体積流量、圧力、温度
、密度、ならびに標準状態における音速および動作状態における音速の測定によ
って、燃料により輸送される熱量に関しては結論が導き出されている。
【００１４】 DE 29 28 739によれば、可燃性ガスの部分的な流れは分枝され、熱量計の管内
で反応される。可燃性ガスの組成は関数関係により放出された熱量から決定され
る。このようにして送られる測定値は、ガス流のウォッベ指数をガスの供給によ
って一定に保持するために若しくはガス流量の適切に変化させるために、プロセ
スを制御するための信号として用いることができる。これらのプロセスは、ガス
供給者によってガスの品質のチェック又は制御のために用いられ、或いはバーナ
ー調節のための更に大きな産業プラントにおいて用いられる。
【００１５】 原理的に、これらの全てのプロセスは、異なる物理量の測定装置による測定、
ならびに測定装置から送られる信号に応じて混合物を制御する組成変化手段をな
す回路によってオープンループ及びクローズドループの制御を伴うものである。
この場合、制御は燃料品質の変動に対し燃焼プロセスを適合させる目的で実行さ
れる。
【００１６】 最近では、それらのバーナーのプロセス、特に家庭用のバーナーのプロセスに
限っては、イオン流測定またはラムダプローブを介して燃焼中またはその後に測
定値を決定するものが技術的に優位を占めている。したがって、燃焼開始前のガ
ス品質の変化に対応することは不可能である。
【００１７】 他の決定的な技術的問題点は、ラムダプローブに関しては耐用年数が短いこと
であり、バーナーシステムの熱負荷のイオン流測定に関しては、化学量論的ポイ
ントに近づくにつれて汚染物質の発生が著しくなるという結果を伴うことである
。
【００１８】 さらに、イオン流測定においては、原理的に新たな出力の調節の度に再較正が
必要になるため誤測定が起きる。よって、連続的な調節を達成するのは技術的に
極めて困難である。例えば、動作における出力段数が限られるという制限がある
。
【００１９】 前述のガスの熱量決定は、確実にエネルギーロスがあることを意味する。コス
トを考慮すると、加熱設備のためのガス組成の熱量決定は推奨できない。
【００２０】 そこで、本発明の主たる課題は、先に述べたタイプのバーナーの供給管におい
て酸化剤／燃料比を調節するための、改良された、またコストが適当な限度内に
抑えられた装置を発明することにある。
【００２１】 この課題は、燃焼前に酸化剤/燃料混合物の少なくとも一部の混合物の状態を
粘度（または粘度の関数）を介して検出する測定装置を備えた装置を用いること
によって解決される。前述の装置において、この測定器具は流通方向において組
成変化手段の上流側に配置され、検出された粘度の関数に応じて手段を制御する
回路によって酸化剤/燃料混合物の組成を制御する。あるいは前述の装置におい
て、この測定装置は組成変化手段の下流側に配置され、手段を制御する回路を用
いて酸化剤／燃料混合物の組成を制御する。
【００２２】 そのようなある種の装置を用いて前述の課題が有利に解決されることは、何よ
りもまず予測できないことである。当業者であれば、イオン流測定若しくはラム
ダプローブによる公知のプロセスを、特殊な構造にするか又は改善された制御の
ための他のパラメータの測定によって最適化することを想到するであろう。しか
し本発明では、特にバーナーの上流の組成を測定するという、完全に異なるアプ
ローチが採られる。この点に関して一つ知られているプロセスは発熱量の熱量測
定であるが、確実にエネルギーのロスを伴い、またバーナーの制御に対しては現
在までに使われたことがない。
【００２３】 さらに、少なくとも一部の混合物の粘度は始めて規定されたものである。物理
量は、バーナーの制御においては現在まで考慮されたことがない。おそらく、後
により詳しく説明する粘度と発熱量との相関が、専門家の間でも少ししか知られ
ていなかったためであろう。
【００２４】 本発明の完成後、本発明が前述の課題の解決に加えて他の利点をもたらすこと
が確かめられた。すなわち、本発明において請求された装置は、炎の点火前に於
いても、変化した燃料の特性にバーナーを適合させるために使用することができ
る。このようにして、点火プロセスを容易にすることができる。特に低カロリー
ガスにおいて発生する点火の困難性は、通常の場合、バーナーの構成の最適化の
ための複合的な測定によってのみ解消することができる。さらに、これによって
始動時の排気を意図的に低レベルに制御することができる。
【００２５】 さらに、燃料供給が調節されたときには空気量事態も適切な形で調整されるた
め、連続的な動作が可能である。したがって、そのようなある種の装置を伴って
動作するバーナーは、異なる段階の加熱のためにオン・オフが必要ではない。つ
まり、従来の燃焼においてバーナーの排気物質に対して重大に寄与する点火プロ
セスを回避することができる。これは同様に環境保護の改善に対しても寄与する
。
【００２６】 しかし、全体としてみれば、この技術を用いることによって更に完全な燃料の
燃焼が可能であることが非常に重要であり、さらにこれはバーナーのランニング
コストに有益な効果がある。保全周期、例えば燃料残留物の除去は、略完全な燃
焼の結果として少なくなる。
【００２７】 この装置において用いられる全く新規なプロセスによれば、装置は多種多様な
タイプの燃料のバーナー制御に対しても用いることができる。さらに、測定装置
の配置によって決まるこの装置は、組成変化手段の上流側及び下流側のいずれに
おいても、オープンループまたはクローズドループで使用することができる。オ
ープンループ制御は、酸化剤の供給のない純粋な燃料混合物において粘度を検出
するときに、ウォッベ指数をより良く決定できることが判明しているため好まし
い。
【００２８】 物理的状態を考慮して本発明を説明するために、DE 29 28 739について言及す
ると、これには、多様な種類の天然ガスの燃料特性および組成が流体の動的粘度
の関数として非常に正確に定めることができるという発見が開示されている。こ
の開示においては、このプロセスが、輸送された燃料量の請求のための適当な計
測を発明するためにのみ推奨されている。しかし、そのプロセスはそこでは特に
評判が良くならず、特に熱量測定手法は請求のための使用まで至らなかった。
【００２９】 粘度からの発熱量またはウォッベ指数の決定の基本は、以下のように簡潔に説
明できる。
【００３０】 一般的な圧力及び温度状態における可燃性ガスのウォッベ指数最大値W0は、す
ぐに分かるほどに、気体燃料の燃料品質の重要な値であり、次の式で定義される
。
【００３１】
【数１】
【００３２】 ここで、H0は動作有効出力であり、ρは可燃性ガスの密度であり、かつρL,n
は空気の標準的な密度（273.15 K 及び 1013.25 hPa）である。ウォッベ指数最
小値Wuは、同様に定義され、有効出力H0に替えて発熱量Huが用いられる。
【００３３】 粘度は、例えば毛細管又はチューブ内の層状ガス流を仮定したときには、次の
物理的規則性（ハーゲン・ポアズイユの法則）を基本として決定される。
【００３４】
【数２】
【００３５】 層状領域において正確である等式(2)の代案として、不完全に形成された乱流
、すなわち層流及び完全な乱流の間の遷移領域におけるパイプの階層に依存する
、更に幾分複合的な関数を使用することが可能である。
【００３６】 他の案は非円形チューブ、特にそれらが矩形、環状または楕円形の横断面を有
するものを使用することにより成立する。しかしその場合、等式(2)から逸脱し
た他の関数関係を定めならない。等式(2)よりも複合的に表される、多相流体に
対する有効粘度と圧力降下との関係もまた用いることができる。
【００３７】 したがって、動的粘度ηを決定するためには、幾何学的データに加えてV及び
Δpを知らねばならない。バーナー制御のためには、一方では小さい毛細管を用
いることにより装置の要求スペースを小さく保つために、他方では流れの入口作
用を低く保つために、体積流量は少なくするべきである。これらは、体積流量が
大きいと非常に重大になり、大きな測定誤差をもたらす。さらに、小さい毛細管
を用いるとコストを抑えることにもなる。非常に少ない体積流量の測定は極めて
困難である。したがって、一定の非常に少ない体積流量を可能な限り利用可能な
ように作らなければならない。これは特に、マイクロポンプ、特に半導体マイク
ロポンプの手段による本発明のある形態により発生させることができる。圧力損
失は公知の手法（圧電式）によって計測できる。さらに、動的粘度ηの決定のた
めに、温度及び動的粘度の相関も考慮することができる。本発明において好適に
使用される、装備された粘度センサの動作形態について次に説明する。
【００３８】 ポンプは、圧力降下が測定される毛細管を通して既知の体積流量での一定の輸
送を行う。ガス温度を考慮した場合、粘度と対応する、したがってウォッベ指数
または他の品質値、特に最低でも空気を要求する加熱出力及び発熱量と対応する
、電気信号が定められる。選択的に、VおよびΔpの測定、またはΔpの制御調節
及びVの測定もまた行うことができる。もし定量ポンプの電力損失が将来的に低
くなり、圧力損失がポンプの電力消費量に基づいて決定できる程度になるならば
、特別な圧力信号の測定又は規定は省略することができる。本発明は理論的考察
を用い、ガス組成が変化したとき、仮に乱流の抑制により燃料の体積流量が燃料
の比重の平方根に対して反比例するようであれば、次式を適用する。
【００３９】
【数３】
【００４０】 空気比λ2は一般にウォッベ指数(W0=ウォッベ指数最大値；Wu=ウォッベ指数最
小値)と標準動作λ1における一次空気比（primary air ratio）との比に対して
いくらか比例するように変化する。ここに、 ρ1,2 可燃性ガス密度、及び Lmin1,2 最小空気必要量。
【００４１】 反対に、乱流の抑制が発生せず、しかし一定Δpの層状通過流が発生したとき
には、次式を適用する。
【００４２】
【数４】
【００４３】 プロセスが、可燃性ガスの体積流量が可燃性ガス密度に関係なく作用した状態
で使用あされるならば、次の単純な関係を適用する。
【００４４】
【数５】
【００４５】 前述の計算は、粘度を決定するための理想的なケースを示しており、発熱量お
よび必要な空気量を定めるのには十分である。あらゆるケースにおいて、現に普
及している状態は、先に検討した理想的な状態からは概ねはずれており、一般に
は単純な関係は予測できず、正確に計測された特性を信頼するべきである。
【００４６】 しかしながら、この発熱量及び従ってウォッベ指数の決定は、酸化剤／燃料混
合物の少なくとも一部の量の温度を検出するための少なくとも一つの測定部を備
えるという本発明の一つの特徴によればさらに改善できる。温度測定に基づくと
、発熱量及び従ってウォッベ指数は更に良く検出することができる。しかし、そ
の測定された温度は、一連の特性に基づいて、ウォッベ指数又は発熱量だけでな
く、要求される空気のより良い決定のための付加的なパラメータとして導入する
こともできる。
【００４７】 測定精度は主に、燃料の粘度単独または粘度の関数を検出するという本発明の
一つの有利な特徴によって高められる。
【００４８】 他方、もし空気／燃料混合物の粘度が決定されたならば、例えば追加空気のパ
ラメータは調節のために用いられる。これは装置を不必要に複雑にする。このた
め、既に上述したように、装置によるオープンループ制御はクローズドループ制
御よりも好ましい。
【００４９】 粘度決定のための他の公知の装置とは別に、本発明の一つの好ましい形態とし
て提案された測定装置は、チューブ全体の圧力降下と体積流量と及び必要に応じ
て更に温度との関係に基づいて動的粘度を決定することができる管粘度計である
。特にそのような一つの測定装置は、きわめて簡素で複雑な粘度決定がより少な
いという利点を有する。
【００５０】 他の好ましい本発明の形態では、流れが実質的に層状をなすか又は少なくとも
乱流と層流との間の遷移領域に存在するように、チューブの寸法が選択されたも
のが提供される。
【００５１】 この形態では、流れは実質的に層状に限定される。これは、前述の等式による
クローズドループ制御を非常に簡単に決定できるという利点を有する。反対に、
実質的に乱流の場合、各装置に対して粘度をより良く決定するために、それらの
各々について一連の特性を決定する。これは、本発明において請求された装置の
製造プロセス及び製造コストを増加させるであろう。
【００５２】 基本的にこれらの条件のもとで、直線状であろうと、またはあらゆる形に湾曲
若しくは屈曲したものであろうと、あらゆるチューブを使用できる。実際にはあ
らゆる横断面が可能である。特に、本発明の二つの好ましい特徴、すなわち（１
）チューブが直線状であること、及び（２）チューブはその長さ全体にわたり均
一な形状、特に円形横断面を有することによって、コストを著しく低減すること
ができる。
【００５３】 この点で、基本的にあらゆるチューブの直径を選択できる。しかし、粘度測定
において僅かなガスのみが測定に使用されるとともに圧力上昇が可能な限り高く
なり、それによって毛細管に対する遷移が発生すると、とりわけ有利である。こ
れは、チューブの直径が０．２ｍｍよりも小さく与えられた本発明の一つの好ま
しい特徴としてみなされる。とりわけこの寸法は、本発明の前述の特徴と組み合
わさると、圧力降下または流速に基づく粘度検出が特に良好となる。
【００５４】 粘度計を用いると、特にチューブを流通した後の圧力損失または一定の圧力差
における流速を測定することによって、明確に粘度を決定することができる。さ
らに、粘度を決定するための公知の流れに関する等式を通じて、流れの状態及び
圧力降下のあらゆる組み合わせを用いることが可能である。
【００５５】 しかし、特に本発明の一つの特徴によれば、チューブ全体または少なくとも部
分的なチューブ片の範囲における圧力降下は、流速を実質的に一定に保持した状
態で、測定技術によって検出できるため好ましい。
【００５６】 チューブ入口の圧力変化は、僅かに測定を不正確にする。このようなチューブ
入口において秩序が乱れる結果を無くすために、一つの有利な発展としてチュー
ブ入口が円形であるものを提案する。
【００５７】 特に、チューブの寸法の規定に関しては、寸法が１０００よりも小さいレイノ
ルズ数を考慮したものであると、特に有利となる。
【００５８】 チューブ内の体積流量の調節のための制御可能なポンプを備えていると、測定
処理の観点からは特に簡素となる。体積流量が一定に保持されると、粘度は圧力
測定に基づいて、また必要に応じて付加的な温度測定に基づく温度の考慮による
著しく変化する温度によって容易に決定できる。これは、主にポンプが、特に本
発明の一つの好ましい形態によるこの制御可能なポンプによって体積流量が一定
に調整されるように制御されたときに、容易に行うことができる。
【００５９】 他方、制御可能なポンプの他の可能性は、ポンプをチューブ全体における一定
の圧力降下を考慮して調整されることである。この場合、粘度は実質的にポンプ
の制御にのみ基づいて定めることのできる体積流量によって決定する。要求され
る測定精度に一致させるために、測定値は温度の測定を加えることによって更に
改善できる。ポンプは、特に定量ポンプ、回転式または振動式ポジティブ置換ポ
ンプ（positive- displacement pumps）及び回転式または振動式置換コンプレッ
サとすることができる。本発明の好ましい発展形態では、しかしマイクロポンプ
が備えられる。このポンプは微小な機械部品であり、経済的かつ簡素な構造のも
のである。特に、それは少ない輸送量に起因する気泡に対する耐久性もある。そ
のようなポンプの一つは、例えば“A self-priming and bubble-tolerant piezo
electric silicon micro pump for liquids and gases（液体またはガスのため
の自給及び気泡耐久性圧電シリコンマイクロポンプ）” Micro Electro Mechani
cal Systems MEMS, Jan. 25-29, 1999, Germany, by R. Lineman et alという論
文に説明されている。
【００６０】 本発明の第２の発展形態による装置は、半導体マイクロポンプならびに回路（
２８）の少なくとも一部のパーツ、特に圧力及び温度センサが共通の基板に統合
される点で、及び／又はチューブ全体の圧力降下がポンプの電力消費量に基づい
て決定できる点で、特にコンパクトで且つ複雑さの少ないものとなる。
【００６１】 特に、本発明の最後の発展形態では、圧力センサは、ポンプの電力消費量を圧
力の測定に用いることによって省略できる。
【００６２】 ポンプ、特にマイクロポンプの電力損失は、現在では電力を圧力または望まし
い粘度に対して容易に修正するようにして復元できる。
【００６３】 本発明の他の好ましい発展形態では、点火以前においても酸化剤／燃料混合物
の調節が作動し、かつ必要に応じて燃焼中に酸化剤／燃料混合物の組成を連続的
に制御するバーナー制御を備える。よって、連続的なバーナー作動の細かな利点
ならびに特に低公害な点火が容易に達成される。
【００６４】 特に一定の条件下、例えばガス供給者によるウォッベ指数の変動に対する保証
値においては、バーナー制御が点火の前に及び／又は点火中に作動していれば事
足りる。さらにその場合には、連続的な作動制御は省略することができる。
【００６５】 他方、特に非常に変動するガス供給に対しては、点火後においても連続的にま
たは一定の測定インターバルにおいて制御を作動させることを推奨する。この場
合、連続作動が好ましい。
【００６６】 装置は、バーナーを用いるガスユニットの一部として設計されるように小型化
されていると特に有利である。この利点は、装置が上述のように統合された固体
素子として作られるときにもたらされる。
【００６７】 測定される燃料または測定される燃料混合物は、もちろん単純なケースでは周
囲環境に分散させることもできる。しかしこれによって、たとえ少ない体積流量
しか伴わないマイクロポンプを使用したとしても不必要に環境が汚染される。
【００６８】 環境負荷を最小限にするために、測定された一部の混合物の初期圧力を実質的
に無影響にすることを可能とする、一部の混合物をバーナーの供給ラインに返送
するための手段、特にバーナーのファンを備えることにより、本発明は好ましく
改良される。
【００６９】 明らかなように、特にそのファンはこの目的のために適切なものとされる。か
くして、一部の混合物の初期圧力を大きく変化させずに保持することが簡単に可
能であり、測定処理における不正確さを容易に回避することが可能である。
【００７０】 ある好ましい発展形態では、基準ガスを測定装置に供給できるように構成され
る。粘度センサはこの基準ガスを用いて較正を行うことができる。
【００７１】 本発明の他の利点および特徴は、添付図面に表された次の具体例を参照するこ
とにより、さらに理解できるであろう。
【００７２】 ここで重要視する関係に対する重要な物理的概念はウォッベ指数最大値である
。これは、標準状態における空気の比重に対するガスの比重の比の平方根に基づ
く加熱出力として定義される。図１に示されるように、ウォッベ指数と動的粘度
との間には関数関係が経験則として存在する。
【００７３】 動的粘度とウォッベ指数との関係が図１に示されており、これらの２つの量の
ための種々の燃料の個別の測定点が加えられている。いくつかの燃料は、ヨーロ
ッパの国々の加熱技術の分野において受け入れられる指定レーベルである。
【００７４】 したがって、実線で示される動的粘度とウォッベ指数との関数関係に単純なも
のがあり、これは異なる燃料において±１０％の範囲に実質的に維持されている
。
【００７５】 図１は、１０℃、２０℃及び３０℃の異なる燃料温度における、主なデータを
プロットしたものである。さらにそこには、示されている。温度とは実質的に無
関係の適度の許容範囲内のウォッベ指数と粘度との関数関係が示されている。し
かし、同時に作用する温度を考慮した粘度の良好な決定によって、動的粘度に基
づく供給発熱量に関するバーナーの制御が著しく改善される。
【００７６】 発熱量が増加するにつれて、完全な燃焼のための酸化剤（例えば周囲空気から
供給することができる）の要求もまた増加する。図２から明らかなように、種々
の燃料に関する動的粘度（パスカル秒）が必要空気量に対してプロットされてお
り、僅かな偏差しか伴わない、必要空気量と動的粘度との相応に単純な関係が同
様に存在している。図２は、測定される動的粘度の１０％の限度内において適切
な必要空気量を最も望ましく設定できることを示している。特に、図３に見られ
るように、現行燃料の発熱量と動的粘度とにおいて同様の関係が存在する。
【００７７】 これらの３つの図は、供給される酸化剤または空気に関して殆どの多様なタイ
プの可燃性ガスの燃焼制御が、最適なバーナー動作に対して理想的に適したもの
となることを明らかにしている。
【００７８】 粘度センサ２を粘度測定装置とした一つの特に好適な具体例が図４に示されて
いる。さらに、そのようなある種のセンサは管粘度計として知られている。この
粘度センサ２は、主に測定対象の僅かな使用燃料にのみ注意を集中させる。この
ため、燃料がマイクロポンプ６によって供給される毛細管がチューブとして使用
される。
【００７９】 燃料はチューブ８を通じて供給され、チューブ１０を介して排出される。
【００８０】 要求される僅かな量によって、燃料は空気中に容易に逃げることができる。し
かし図５及び図６に示されるように、それは燃料に対して再びまた送られる。
【００８１】 図４の例におけるマイクロポンプ６は一定の体積流量のために始動される。体
積流量は、挿入される毛細管４において適切に大きな圧力増加が発生し、十分な
正確さで粘度を決定できるように選択される。毛細管４の入口及び出口に、圧力
差を決定するための圧力センサ１４が備え付けられる。さらに、特にガスの圧力
降下および更に温度の２つをより正確な粘度決定のために利用できるように、圧
力センサ１４は温度センサを備える。
【００８２】 圧力及び温度センサ１４により発生される電気信号は、ライン１６を介して評
価のための電子機器に送られる。この評価電子機器は、圧力差および温度の信号
をデジタル値に変換する２つのアナログ／デジタルコンバータから実質的に構成
される。評価電子機器は、プロセッサーユニットをさらに備えており、これがデ
ジタル値を読み込んで、変換値から粘度のデータ値を算出する。特に、プログラ
ムの実行はプロセッサーに対して与えられる。プロセッサーはデータ値を変換す
る。データ値は、適切な酸化剤／燃料混合物を生み出すための空気又は燃料の追
加量制御における特性を用い、粘度のためにかくして決定される。
【００８３】 この目的のために用いられる指数は、流れが毛細管４を通じて実質的に層状で
あると特に容易に形成される。さらに、流れは層流と乱流との間に存在させるこ
ともできるが、渦または類似にものの分離に起因する不正確な結果を少なくする
ため、乱流領域における動作を推奨する。
【００８４】 したがって、毛細管４はレイノルズ数が１０００よりも少なくなるように設計
される。特に、チューブの直径は２ｍｍよりも小さく、特に０．２ｍｍよりも小
さくするのが、実用例に対しては好適である。
【００８５】 特に図４の例では、微小な機械部品としてのマイクロポンプ及びさらに毛細管
の両方、圧力及び温度センサが単一の基板上に実装されることがありうる。これ
らの部品は半導体工学における一般的なプロセスによって製造することができ、
さらにアナログ／デジタルコンバータ及びプロセッサーを有する評価電子機器に
ついても同一の基板に統合し、実質的にあらゆるバーナー制御に使用できる全体
が著しく小さい部品とすることが可能である。
【００８６】 バーナー制御装置に対する温度センサー２の統合手法は、特に図４及び５に基
づく例に表されている。
【００８７】 図５及び６は実質的に異なり、図５では燃料供給が調整され、図６では反対に
空気供給が調整される。
【００８８】 簡略化のために、具体例では実際に実装する構成部品を省略している。研究所
における設置への対応においては、例えばライン８及び１０は、バルブ及び基準
ガス（例えば周囲の空気）により制御されるバーナーから切り離し、粘度センサ
を経由するように備え付けられる。したがって、圧力センサ、ポンプ等により変
化する機械的耐久性についても、バーナー制御における長いインターバルでの適
切な動作でさえも容易に可能となるように考慮されなければならない。
【００８９】 図５及び図６に基づく両例では、燃料は供給ライン２０を介して輸送され、粘
度に基づいて適切に混合された酸化剤／燃料混合物は供給管２２を介してバーナ
ーに供給される。
【００９０】 燃焼に必要とされる酸化剤は、図示された装置内に入口２４を介して入る周囲
空気の一部として供給される。両例の共通点は、燃料が供給ライン２０から供給
ライン２６を介して前述の粘度センサ２に供給され、そして測定された燃料の総
量がライン２７を介して主燃料流に再び供給されることである。供給位置は、実
際的には動作に対して臨界的ではない。しかし、ライン２７が図５及び図６に基
づく具体例に示されるように燃料ライン２０に戻るようになっておらず、空気を
供給するためのファン１２に戻るようになっていると、測定および調節は極端に
臨界的でなくなることは確かめられている。
【００９１】 ガス温度、圧力および体積流量の測定値は、入力ライン１６を通じて制御手段
２８に対して送られる。制御手段２８は、ガスのタイプの検出による付加機能の
実装だけでなく一般的なバーナー制御の全てのタスクの実行のためにも使用され
る。ライン３０を用いて電気信号は、燃料供給が一般的な態様で制御されるガス
ユニット３２に転送される。さらに、電気ガスユニットもまたデータ、特に夏季
及び冬季動作のための手動設定をライン３０を介して制御手段２８に転送する。
ガスユニット３２は電気式および空気圧式の双方で作ることができる。空気圧式
の組み合わせの場合、追加のアクチュエータが必要である。
【００９２】 さらに、例えば付加機能のために使用できる、コントロール手段２８に入る他
のライン３４が図５及び図６に示されている。具体例では、酸化剤／燃料混合物
の更に良い調節が可能となるように、空気温度の信号がこのライン３４によって
送信される。もちろん、周囲空気に関する他の物理的値を測定し、調節に用いる
こともできる。例えば、そのような一つの制御手段において、空気圧または大気
の湿度が他の一連の特性を介して適切な信号の形態を与えることができるならば
、さらにそれらを考慮することができる。
【００９３】 図５からも分かるように、本例の燃料量はガスユニット３２によって調整され
、バーナーの能力が調節されたときに、かくして形成された酸化剤燃料混合物が
バーナーに対する供給管２２を通る前に、ファン１２によって一定の空気がさら
に追加される。反対に図６においては、空気を供給するファン１２の後方に、空
気量を調整するアクチュエータ３６が存在する。加えてファン１２は、制御ライ
ン３８を介して制御手段２８によって輸送量を決定するために制御される。
【００９４】 上述の具体例は典型的なものである。先ず、いくつかの変形の可能性について
述べる。毛細管４を介しての一定の圧力差に関し、マイクロポンプ６の始動によ
り粘度センサ２における圧力を一定に保つことが特に可能である。マイクロポン
プ６を調節するための制御された変化、特にポンプの振動数は体積流量のために
直接に測定される。したがって、体積流量、温度および圧力は制御に用いること
ができる。
【００９５】 特に非常に単純なバーナーにおいて、制御の正確性が高度な要求に見合わなく
ても、特別な温度の測定は必要ないことが分かっている。図５及び図６の具体例
において制御される空気と燃料との混合比に加えて、供給燃料の発熱量に応じた
バーナーの制御のために他のガスを追加することができる。しかし、これらの変
形の可能性の全てにおいて、各々の応用のために必要となるのと同程度の正確さ
で粘度センサ２に基づいて粘度が決定される点は共通している。動的粘度または
その複合関数の信号は、バーナーの供給管２２における酸化剤／燃料混合物を、
適切な加熱又は更に低排気のための制御に使用される。
【００９６】 ここで提案したプロセスは、バーナーの状態とは関係なく完全に動作する。か
くしてそれは点火段階において使用することができ、この段階で可能な限り少な
い汚染物質の排気が達成でき、そして点火プロセスは容易になる。
【００９７】 他の利用可能性は、イオン流測定のために必要な操作モードを介する制御とは
正反対の、バーナーの調節態様にある。これは、参照されるイオン流が能力の変
化を伴って変化するため、特にイオン流測定手段によって酸化剤／燃料混合物の
組成を制御するには技術的な困難性を伴う。
【００９８】 この連続的な動作は加熱コストを著しく低減する。しかし、特により完全な燃
焼によって多くの従来のバーナーと比べて保全間隔は長くなるという利点がもた
らされる。これは、バーナーは高出力で非常に短時間で動作しさえすればよいか
らである。
【００９９】 特に、排気ガスの放出は、適切な酸化剤／燃料混合物の組成の結果として非常
に少なくなり、そして特に低カロリーガスにおいては、適切な酸化剤／燃料混合
物の組成によって、全体としてより高い燃焼効率が達成され、加熱コストもまた
低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃焼作用によって特徴付けられる、動的粘度と燃焼ガス特性との間の関係を示
すグラフである。
【図２】 燃焼作用によって特徴付けられる、動的粘度と燃焼ガス特性との間の関係を示
すグラフである。
【図３】 燃焼作用によって特徴付けられる、動的粘度と燃焼ガス特性との間の関係を示
すグラフである。
【図４】 図４は、粘度を検出するための、測定装置の可能な構造を示す図である。
【図５】 図５は、全体的なバーナー制御の組み合わせにおいて図４に示された測定装置
を使用するための具体例を示す図である。
【図６】 図６は、全体的なバーナー制御の組み合わせにおいて図４に示された測定装置
を使用するための他の具体例を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】酸化剤／燃料混合物の組成を変化させる手段（３２，１２）と
    、 酸化剤／燃料混合物の状態を検出する測定装置（２）と、 測定装置によって検出された状態に応じて、組成変化手段（３２，１２）を制
    御する回路（２８）とを備え、 測定装置は、燃焼前に酸化剤/燃料混合物の少なくとも一部の混合物の状態を
    粘度またはその関数を介して検出するように構成するとともに、 測定装置は、流通方向において組成変化手段（３２，１２）の上流側に配置し
    、手段（３２，１２）を制御する回路を用いて、検出された粘度の関数に応じて
    組成を制御するように構成するか；あるいは組成変化手段（３２，１２）の下流
    側に配置し、手段（３２，１２）を制御する回路手段を用いて酸化剤／燃料混合
    物の組成を制御するように構成した、 ことを特徴とするバーナーの供給管（２２）における酸化剤／燃料混合物の調
    節装置。
  2. 【請求項２】酸化剤／燃料混合物の少なくとも一部の量の温度を検出するた
    めの少なくとも一つの測定部（１４）を備えた、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】測定装置は、燃料単独の粘度またはその関数を検出するもので
    ある、請求項１または２記載の装置。
  4. 【請求項４】測定装置（２）は、チューブ（４）全体における圧力降下と体
    積流量と及び必要に応じて温度との関係に基づいて動的粘度を測定できる管粘度
    計である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
  5. 【請求項５】チューブ（４）の寸法は、流れが実質的に層状をなすか、或い
    は少なくとも乱流と層流との遷移領域に存在するように選択された、請求項４記
    載の装置。
  6. 【請求項６】チューブ（４）が直線状のものとされた、請求項４または５記
    載の装置。
  7. 【請求項７】チューブは、その長さ全体にわたり均一な形状、特に円形横断
    面を有するものとされた、請求項４〜６のいずれか１項に記載の装置。
  8. 【請求項８】チューブの直径が０．２ｍｍより小さいものとされた、請求項
    ４〜７のいずれか１項に記載の装置。
  9. 【請求項９】チューブ（４）全体またはチューブ（４）の範囲内の少なくと
    も一部における圧力降下を測定処理を用いて検出できるものとされた、請求項４
    〜８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】チューブの入口が円形をなしている、請求項４〜９のいずれ
    か１項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】チューブ（４）のレイノルズ数が１０００より小さいものと
    された、請求項４〜１０のいずれか１項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】チューブ（４）内の体積流量を調節する制御可能なポンプ（
    ６）を備えた、請求項４〜１１のいずれか１項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】体積流量が、特に制御可能なポンプ（６）によって一定に調
    整されるものとされた、請求項４〜１２のいずれか１項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】チューブ４全体の圧力降下が、ポンプ（６）の調節によって
    調整されるものとされた、請求項４〜１２のいずれか１項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】ポンプ（６）がマイクロポンプ、特に半導体ポンプとされた
    、請求項１２〜１４のいずれか１項記載の装置。
  16. 【請求項１６】半導体ポンプ及び回路（２８）の少なくとも一部、また特に
    圧力及び温度センサが、共通の基板上に統合された、請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】チューブ（４）全体の圧力降下が、ポンプの電力消費量に基
    づいて測定される、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の装置。
  18. 【請求項１８】点火以前においても酸化剤／燃料混合物の調節が作動し、か
    つ必要に応じて燃焼中に酸化剤／燃料混合物の組成を連続的に制御できる、バー
    ナー制御（２８）を特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
  19. 【請求項１９】バーナーの供給ラインに一部の混合物を返送するための手段
    （３２，１２）、特にバーナーのファン（１２）を備え、これが、測定された一
    部の混合物の初期圧力を実質的に無影響にすることを可能とする、請求項１〜１
    ８のいずれか１項に記載の装置。
  20. 【請求項２０】バーナーのガスユニット（３２）部分であり、この部分に統
    合されている、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の装置。
  21. 【請求項２１】基準ガスを測定装置に供給できるようになっている、請求項
    １〜２０のいずれか１項に記載の装置。
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