JP2004156895A - Burner, hydrogen generating device and fuel battery power generating system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はバーナに関し、具体的には、水素の含有量が高く炭化水素系物質の含有量が低い燃料ガスを用いて燃焼を行うバーナに関する。特に、天然ガス、LPG、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物である炭化水素系物質を主として含む燃料ガスから燃料電池等の水素利用機器に供給する水素ガスを発生させる水素発生装置に用いるバーナ、あるいは、燃料電池から送出されるオフガスのような水素を主成分とする燃料ガスを燃焼させてその燃焼熱を利用し暖房や給湯などを行う場合に用いるバーナに関する。 The present invention relates to a burner, and more particularly, to a burner that performs combustion using a fuel gas having a high hydrogen content and a low hydrocarbon-based material content. In particular, hydrogen gas supplied to hydrogen-using equipment such as a fuel cell from a fuel gas mainly containing a hydrocarbon-based substance that is a compound composed of at least carbon and hydrogen, such as natural gas, LPG, gasoline, naphtha, kerosene, and methanol. Or a burner used for burning a fuel gas containing hydrogen as a main component, such as off-gas sent from a fuel cell, and utilizing the heat of combustion for heating or hot water supply. About.
燃料電池発電システムでは、燃料電池に供給する水素を発生させる水素発生装置において、例えば、天然ガス、LPG、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素系物質を主として含む燃料ガスに水を加えて650〜700℃で加熱し、それにより、前記燃料ガスを改質させて水素を取り出す(改質反応)。改質反応により得られた水素含有量の高い改質ガスは、燃料電池に供給されて発電に利用される。改質反応における前記加熱は、バーナを用いて行われる。バーナにおいて燃料ガスと空気とを燃焼させて火炎を形成し、それにより、熱を発生させる。水素発生装置では、バーナで発生した前記熱を利用して、前記改質反応における加熱を行う。バーナの燃料ガスとしては、供給ガスの有効利用のために、例えば、燃料電池から送出されたオフガスが利用される。オフガスは、燃料電池において利用されなかった水素を多く含むため水素含有量が高く、反応性が高い。このため、燃料ガスたるオフガスと空気とをあらかじめ混合した状態で燃焼空間に供給する構成とすると、火炎が供給系を逆流する等のおそれがあり、安全性に問題がある。そこで、バーナは、オフガスと空気とを燃焼空間にそれぞれ別々に供給する構成となっている。 In a fuel cell power generation system, in a hydrogen generator that generates hydrogen to be supplied to a fuel cell, for example, water is added to a fuel gas mainly containing a hydrocarbon-based substance such as natural gas, LPG, gasoline, naphtha, kerosene, and methanol. Heating is performed at 650 to 700 ° C., whereby the fuel gas is reformed to extract hydrogen (reforming reaction). The reformed gas having a high hydrogen content obtained by the reforming reaction is supplied to the fuel cell and used for power generation. The heating in the reforming reaction is performed using a burner. The burner burns the fuel gas and air to form a flame, thereby generating heat. In the hydrogen generator, heating in the reforming reaction is performed using the heat generated by the burner. As the fuel gas for the burner, for example, off-gas sent from a fuel cell is used for effective use of the supplied gas. The offgas contains a large amount of hydrogen that has not been used in the fuel cell, and thus has a high hydrogen content and high reactivity. For this reason, if a configuration is used in which the off-gas, which is the fuel gas, and the air are supplied to the combustion space in a state of being mixed in advance, there is a risk that the flame may flow backward in the supply system, and there is a problem in safety. Therefore, the burner is configured to separately supply the off gas and the air to the combustion space.
上記構成のバーナでは、着火ミス、失火、異常燃焼等を検知して安全かつ効率よく燃焼を行うために、燃焼空間の外側から燃焼空間内にわたってフレームロッドを配設し、該フレームロッドにより火炎検知を行っている(例えば特許文献1参照。)。また、燃焼空間の上部空間に設置されたイグナイタにより着火を行っている(例えば特許文献2参照。)。
フレームロッドによる火炎検知方法では、燃焼空間に形成された火炎と接触するフレームロッドとバーナ本体との間に電圧を印加し、火炎中に存在するイオンによって生じる電流を検出して、該電流に基づいて火炎検知を行うものである。このようなフレームロッドによる火炎検知方法は、火炎を形成する燃焼反応において、反応の過程でイオンが多く発生する場合、例えば、炭化水素系可燃性物質を多く含む燃料ガスを燃焼させる場合に有効である。しかしながら、上記のように水素含有量が高く炭化水素系可燃性物質の含有量が少ない燃料ガスを燃焼させる場合には、火炎を形成する燃焼反応において、イオンの生成が起こらない。このため、フレームロッドとバーナ本体との間に電圧を印加しても電流が流れず、よって、火炎を検知することが困難である。 In the flame detection method using a flame rod, a voltage is applied between the flame rod and the burner main body that come into contact with the flame formed in the combustion space, and a current generated by ions present in the flame is detected. To perform flame detection. Such a flame detection method using a flame rod is effective when a combustion reaction that forms a flame generates a large amount of ions in the course of the reaction, for example, when burning a fuel gas containing a large amount of a hydrocarbon-based combustible substance. is there. However, when fuel gas having a high hydrogen content and a low hydrocarbon-based combustible material content is burned as described above, ions are not generated in a combustion reaction for forming a flame. For this reason, even if a voltage is applied between the frame rod and the burner body, no current flows, and it is difficult to detect a flame.
一方、水素発生装置では、起動時に発生するH2を主成分とする水素リッチガスは、H2以外にCOを多く含む。このようなCOを多く含む水素リッチガス(以下、生成ガスと呼ぶ)は、COが燃料電池の電極を劣化させるため、燃料電池に供給することができない。そこで、該生成ガスも、前記オフガスと同様に、有効利用のためにバーナの燃料ガスに用いられる。ここで、前述のように、水素発生装置では、供給された燃料ガス中に含まれる炭化水素系物質(CH4等)が改質反応によってH2及びCO2に転化されるため、生成ガス中に含まれる未転化の炭化水素系可燃性物質は少ない。このため、このような生成ガスを燃料ガスとして用いる燃焼反応においては、オフガスを用いた場合同様、生成するイオンが少ない。したがって、フレームロッドによる火炎検知方法を適用すると、フレームロッドとバーナ本体との間に電圧を印加した際に検出される電流が小さく、よって、オフガスを用いた場合と同様、火炎を検知することが困難である。 On the other hand, in the hydrogen generator, the hydrogen-rich gas mainly composed of H 2 generated at the time of startup contains a large amount of CO in addition to H 2 . Such a hydrogen-rich gas containing a large amount of CO (hereinafter referred to as product gas) cannot be supplied to the fuel cell because the CO deteriorates the electrode of the fuel cell. Therefore, the generated gas is also used as the fuel gas of the burner for effective use, like the off-gas. Here, as described above, in the hydrogen generator, the hydrocarbon-based material (such as CH 4 ) contained in the supplied fuel gas is converted into H 2 and CO 2 by a reforming reaction. Is low in unconverted hydrocarbon combustibles. For this reason, in the combustion reaction using such a generated gas as a fuel gas, as in the case of using the off-gas, the generated ions are small. Therefore, when the flame detection method using the flame rod is applied, the current detected when a voltage is applied between the flame rod and the burner main body is small, and therefore, it is possible to detect the flame as in the case of using off-gas. Have difficulty.
燃料電池発電システムにおける水素発生装置のバーナでは、フレームロッドで検知された電流値が電圧値に置き換えられ、該電圧値が、失火判定のしきい値電圧よりも小さいか否かで失火判定が行われる。該電圧値がしきい値電圧を下回った場合には、失火と判断して運転停止動作を行う。ここで、前述のように、オフガスや生成ガスが燃料ガスとして供給されるバーナでは、火炎中に存在するイオンの量が少ないため、フレームロッドで検知される電流値が小さく、よって、検知により得られた電圧値が小さくなる。このため、失火判定のしきい値電圧を高めに設定すると、検知により得られた電圧値が前記しきい値を下回ってしまい、火炎を形成しているにもかかわらず失火と判断してしまうことがある。それゆえ、前記しきい値は小さく設定する必要があるが、この場合には、システム機部材としてのノイズによる値のばらつきにより、誤判定が行われる可能性がある。以上のことから、オフガスや生成ガスを燃料ガスとして燃焼を行う場合には、フレームロッドによる火炎検知方法では精度良く火炎検知を行うことが困難である。 In a burner of a hydrogen generator in a fuel cell power generation system, a current value detected by a flame rod is replaced with a voltage value, and a misfire determination is made based on whether the voltage value is smaller than a threshold voltage for misfire determination. Is If the voltage value falls below the threshold voltage, it is determined that a misfire has occurred and an operation stop operation is performed. Here, as described above, in the burner in which the off gas or the generated gas is supplied as the fuel gas, the amount of ions present in the flame is small, so that the current value detected by the flame rod is small, and thus the current value obtained by the detection is obtained. The applied voltage value becomes smaller. For this reason, if the threshold voltage for misfire determination is set to a high value, the voltage value obtained by the detection falls below the threshold value, and it is determined that a misfire has occurred even though a flame is formed. There is. Therefore, the threshold value needs to be set small, but in this case, there is a possibility that an erroneous determination may be made due to a variation in the value due to noise as a system device member. From the above, when performing combustion using off-gas or generated gas as fuel gas, it is difficult to perform flame detection accurately with the flame detection method using the flame rod.
また、上記のバーナの構成では、燃焼空間の近傍に、フレームロッドを配置するための空間や、着火用の放電電極を配置する空間が必要となる。しかしながら、このような設置空間を設けた構成とすると、加熱対象ではない該空間にもバーナからの燃焼熱が伝達されるため、該設置空間からの放熱が生じる。したがって、加熱対象である水素発生装置への伝熱効率が低下する。さらに、該設置空間の分だけバーナの装置規模が大きくなるため、バーナの周囲が狭くなり、よって、バーナの周囲構成の自由度が低下する。 Further, in the above-described burner configuration, a space for disposing the frame rod and a space for disposing the discharge electrode for ignition are required near the combustion space. However, when such an installation space is provided, the combustion heat from the burner is transmitted to the space that is not the object to be heated, so that heat is radiated from the installation space. Therefore, the heat transfer efficiency to the hydrogen generator to be heated is reduced. Further, since the device scale of the burner is increased by an amount corresponding to the installation space, the periphery of the burner is narrowed, and the degree of freedom of the configuration around the burner is reduced.
本発明はこれらの課題を解決するものであり、炭化水素系可燃性物質の含有量が少ない燃料ガスの燃焼においても、精度の高い火炎検知を実現することが可能なバーナを提供することを目的とするものである。また、本発明の他の目的は、加熱対象以外への放熱を抑制して効率よく加熱対象を加熱することができ、かつ、コンパクト化が図られて周囲構成の自由度が高められたバーナを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a burner capable of realizing highly accurate flame detection even when burning a fuel gas having a small content of a hydrocarbon-based combustible substance. It is assumed that. Another object of the present invention is to provide a burner that can efficiently heat a heating target by suppressing heat radiation to a target other than the heating target, and is reduced in size to increase the degree of freedom of a surrounding configuration. It is intended to provide.
上記課題を解決するために、本発明に係るバーナは、燃料供給装置から供給された燃料を噴出する燃料ディストリビュータと、空気供給装置から供給された空気を噴出する空気噴出孔を有し、前記燃料ディストリビュータを含み前記燃料ディストリビュータの周囲に前記空気噴出孔から噴出する空気と前記ディストリビュータから噴出する燃料とが燃焼して火炎を形成する燃焼空間を形成するように前記ディストリビュータを囲むように配置された空気噴出部材とを備えたバーナにおいて、温度検知点が前記空気噴出孔内または前記燃焼空間の空気流路となる部分に位置し、前記燃焼空間の温度を検知する温度検知部材と、前記温度検知部材で検知された前記温度に基づいて前記燃焼空間の前記火炎の状態を検知する火炎検知手段とを備えたものである。 In order to solve the above problems, a burner according to the present invention has a fuel distributor that ejects fuel supplied from a fuel supply device, and an air ejection hole that ejects air supplied from an air supply device. Air disposed around the fuel distributor and surrounding the fuel distributor such that air jetted from the air jet holes and fuel jetted from the distributor are burned to form a combustion space forming a flame. A temperature detection member for detecting a temperature of the combustion space, wherein a temperature detection point is located in the air ejection hole or a portion serving as an air flow path of the combustion space, and the temperature detection member. Flame detecting means for detecting the state of the flame in the combustion space based on the temperature detected in Than it is.
かかる構成によれば、温度検知部材によって燃焼空間内の温度を検知することによって火炎の状態を検知するため、従来では火炎検知が困難であった、炭化水素系可燃性物質の含有量の少ない燃料ガスを用いた燃焼においても、燃料ガスの種類に関係なく精度良く正確に火炎検知を行うことが可能となる。 According to this configuration, since the state of the flame is detected by detecting the temperature in the combustion space by the temperature detecting member, the fuel having a low content of the hydrocarbon-based combustible material, which has conventionally been difficult to detect the flame, is used. Also in combustion using gas, flame detection can be performed accurately and accurately regardless of the type of fuel gas.
前記温度検知部材は、前記温度検知点が前記空気噴出孔内または前記燃焼空間の前記空気噴出孔近傍に位置するように配置されてもよい。 The temperature detection member may be arranged such that the temperature detection point is located inside the air ejection hole or near the air ejection hole in the combustion space.
かかる構成によれば、温度検知点が空気噴出孔内または燃焼空間の空気噴出孔近傍に位置するため、温度検知点が燃焼空間と同じ温度まで高温加熱されることはない。したがって、温度検知部材は、耐熱限界内で温度を検知することができ、熱による劣化を防止することができる。また、燃焼空間への突出が少なく温度検部材が配置されるため、燃焼空間内に形成される火炎を乱すことなく燃焼空間内の温度を検知することが可能となる。このような効果は、空気噴出孔内に温度検知点が位置するように温度検知部材を配置する構成において、特に顕著に実現される。 According to this configuration, since the temperature detection point is located in the air ejection hole or near the air ejection hole in the combustion space, the temperature detection point is not heated to the same temperature as the combustion space. Therefore, the temperature detecting member can detect the temperature within the heat resistance limit, and can prevent deterioration due to heat. Further, since the temperature detection member is disposed with little projection into the combustion space, the temperature in the combustion space can be detected without disturbing the flame formed in the combustion space. Such an effect is particularly remarkably realized in a configuration in which the temperature detection member is arranged such that the temperature detection point is located in the air ejection hole.
前記温度検知部材が、前記空気噴出部材を貫通して配置されてもよい。 The temperature detection member may be arranged to penetrate the air ejection member.
前記温度検知部材の前記温度検知点は、前記空気噴出孔の内面から断熱されることが好ましい。 It is preferable that the temperature detection point of the temperature detection member is insulated from the inner surface of the air ejection hole.
かかる構成によれば、温度検知部材の温度検知点が空気噴出孔から断熱されて配置されているため、空気噴出部材の影響を受けることなく、速やかに燃焼空間における温度変化を検知することが可能である。 According to this configuration, since the temperature detection point of the temperature detection member is disposed insulated from the air ejection hole, it is possible to quickly detect a temperature change in the combustion space without being affected by the air ejection member. It is.
前記温度検知部材と前記空気噴出孔の内面との間に隙間が形成されることが好ましく、前記隙間の幅が前記温度検知部材の外周にわたって略均一であってもよい。 Preferably, a gap is formed between the temperature detecting member and the inner surface of the air ejection hole, and the width of the gap may be substantially uniform over the outer periphery of the temperature detecting member.
かかる構成によれば、該隙間に存在する空気層によって、温度検知部材が空気噴出孔から断熱される。また、該空気層では燃焼空間へ向かう供給空気の流れが形成されているため、失火した際には、温度検知部材の温度検知点が該空気の流れによって、速やかに冷却される。したがって、失火検知を素早く行うことが可能となる。特に、この空気層の幅が温度検知部材の外周全体にわたって略均一であると、空気層に均一な供給空気の流れが形成されるため、安定した空気の供給が可能となり燃焼状態が安定する。 According to this configuration, the temperature detection member is insulated from the air ejection holes by the air layer existing in the gap. Further, since a flow of the supply air toward the combustion space is formed in the air layer, when a misfire occurs, the temperature detection point of the temperature detection member is rapidly cooled by the flow of the air. Therefore, misfire detection can be performed quickly. In particular, if the width of the air layer is substantially uniform over the entire outer periphery of the temperature detecting member, a uniform flow of supply air is formed in the air layer, so that stable air supply is possible and the combustion state is stabilized.
前記空気噴出部材は複数の前記空気噴出孔を有し、前記温度検知部材が配置された前記空気噴出孔では、前記温度検知部材との間の前記隙間の断面積が、前記温度検知部材が配置されていない前記空気噴出孔の断面積とほぼ同等であることが好ましい。 The air ejection member has a plurality of the air ejection holes, and in the air ejection hole where the temperature detection member is disposed, a cross-sectional area of the gap between the air ejection hole and the temperature detection member is such that the temperature detection member is disposed. It is preferable that the cross-sectional area of the air ejection hole is not substantially equal.
かかる構成によれば、温度検知部材が配置された空気噴出孔において、温度検知部材の配設による空気の噴出状態の乱れを抑制することができ、他の空気噴出孔と同様に空気を噴出することが可能となる。それにより、バランスよく安定した火炎を形成することが可能となる。 According to such a configuration, in the air ejection hole in which the temperature detection member is arranged, it is possible to suppress disturbance of the air ejection state due to the provision of the temperature detection member, and to eject air in the same manner as other air ejection holes. It becomes possible. This makes it possible to form a well-balanced and stable flame.
前記温度検知部材は、前記温度検知点を一端部に有するとともに、本体が前記空気噴出部材内に収納されてもよい。 The temperature detection member may have the temperature detection point at one end, and a main body may be housed in the air ejection member.
かかる構成によれば、温度検知部材を配置するための空間を設ける必要がなくなるため、余分な設置空間が不要となる。それにより、余分な空間への放熱を抑制することが可能となり、加熱対象を効率よく加熱することが可能となる。また、バーナの小型化が図られるとともに、バーナ周辺の構成の自由度を向上させることが可能となる。 According to such a configuration, it is not necessary to provide a space for disposing the temperature detecting member, so that an extra installation space is not required. Thereby, it is possible to suppress heat radiation to an extra space, and it is possible to efficiently heat the object to be heated. In addition, the size of the burner can be reduced, and the degree of freedom in the configuration around the burner can be improved.
前記温度検知部材の前記温度検知点側の先端が、酸化皮膜で実質的に覆われていてもよい。 The tip of the temperature detection member on the temperature detection point side may be substantially covered with an oxide film.
該一端部が予め酸化被膜で覆われていない温度検知部材を用いた場合では、燃焼に伴って酸化被膜が形成されるため、酸化被膜が形成される前と後とでは検知温度に変化が生じる。これに対して、該一端部が予め酸化被膜で覆われた温度検知部材を用いると、このような酸化皮膜形成前後での検知温度の変化が生じないため、検知の精度が向上する。 In the case where the temperature detecting member whose one end is not previously covered with the oxide film is used, an oxide film is formed along with the combustion, so that the detected temperature changes before and after the oxide film is formed. . On the other hand, if a temperature detecting member whose one end is previously covered with an oxide film is used, the detection temperature does not change before and after the formation of the oxide film, so that the detection accuracy is improved.
前記温度検知部材の前記温度検知点側の先端が、略半球形状を有してもよい。 The tip of the temperature detection member on the temperature detection point side may have a substantially hemispherical shape.
かかる構成によれば、該先端の外周に沿って滑らかな空気の流れが形成されるため、バーナでの燃焼を停止した際に速やかに温度検知部材が冷却される。また、燃焼の際には、輻射熱を受けやすくなるため、温度上昇が検知しやすくなる。したがって、検知の精度が向上する。 According to such a configuration, a smooth air flow is formed along the outer periphery of the tip, so that the temperature detection member is quickly cooled when the combustion in the burner is stopped. In addition, during combustion, radiant heat is easily received, so that a temperature rise can be easily detected. Therefore, the accuracy of detection is improved.
前記温度検知部材が、シース状の熱電対であってもよい。 The temperature detecting member may be a sheath-shaped thermocouple.
かかる構成によれば、本発明の構成を容易に実現することが可能となる。 According to such a configuration, the configuration of the present invention can be easily realized.
前記温度検知部材が複数設けられ、前記燃焼空間の異なる領域の温度を検知するように前記温度検知部材がそれぞれ異なる位置に配設されてもよい。 A plurality of the temperature detecting members may be provided, and the temperature detecting members may be provided at different positions so as to detect temperatures in different regions of the combustion space.
かかる構成によれば、複数の温度検知部材によって、燃焼空間の異なる領域の温度をそれぞれ検知することが可能となるため、より正確かつ精度良く火炎検知を行うことが可能となる。さらに、ここでは特に、燃焼空間の各領域における火炎状態を比べることにより、異常燃焼の検知を容易にかつ精度良く速やかに行うことが可能となる。このため、異常燃焼時には速やかに燃焼を停止することができ、よって、COの排出や異常高温下を防止することが可能となる。 According to this configuration, it is possible to detect the temperatures of the different regions of the combustion space with the plurality of temperature detecting members, and thus it is possible to perform the flame detection more accurately and accurately. Furthermore, particularly, by comparing the flame state in each region of the combustion space, it is possible to detect abnormal combustion quickly and easily and accurately. Therefore, when abnormal combustion occurs, combustion can be stopped immediately, and CO emission and abnormally high temperature can be prevented.
前記燃焼空間は、火炎放出方向に向かって断面積が大きくなっていてもよい。 The combustion space may have a larger sectional area in the flame emission direction.
かかる構成によれば、燃焼量に応じた燃焼空間の各領域で燃焼が行われるため、低燃焼量から高燃焼量までの広い燃料量において、安定して燃焼を行うことが可能となる。 According to such a configuration, since combustion is performed in each region of the combustion space according to the amount of combustion, it is possible to stably perform combustion with a wide fuel amount from a low combustion amount to a high combustion amount.
前記燃料ディストリビュータ内に収納され、かつ、一端部が前記燃焼空間に突出する電極と、前記電極と電気的に接続され、前記燃焼空間内で前記電極から放電するように前記電極に電圧を与える着火回路とをさらに備えてもよい。 An electrode housed in the fuel distributor, one end of which protrudes into the combustion space; and an ignition device that is electrically connected to the electrode and applies a voltage to the electrode so as to discharge from the electrode in the combustion space. And a circuit.
かかる構成によれば、電極に電圧を与え、例えば燃料ディストリビュータまたは空気噴出部材と電極との間で放電を生じさせることにより、着火を行うことが可能となる。かかる構成では、電極が燃料ディストリビュータ内に収納されているため、着火手段を配置するため空間が不要となる。このように余分な設置空間が不要となることから、余分な空間への放熱を抑制することが可能となり、加熱対象を効率よく加熱することが可能となる。また、バーナの小型化が図られるとともに、バーナ周辺の構成の自由度を向上させることが可能となる。 According to such a configuration, it is possible to perform ignition by applying a voltage to the electrode and causing a discharge between the electrode and the fuel distributor or the air ejection member, for example. In such a configuration, since the electrodes are housed in the fuel distributor, no space is required for disposing the ignition means. Since no extra installation space is required, heat radiation to the extra space can be suppressed, and the object to be heated can be efficiently heated. In addition, the size of the burner can be reduced, and the degree of freedom in the configuration around the burner can be improved.
着火時には、前記電極と前記着火回路とが接続され、前記温度検知部材からの前記燃焼空間の温度情報に基づいて前記火炎検知手段が着火判定を行った後には、前記電極と前記火炎検知手段とが接続されるように切替を行う切替手段がさらに設けられ、前記火炎検知手段は、前記温度検知部材からの前記温度情報に基づいて火炎検知を行うとともに、前記電極からの出力電流に基づいて火炎検知を行ってもよい。 At the time of ignition, the electrode and the ignition circuit are connected, and after the flame detection means makes an ignition determination based on the temperature information of the combustion space from the temperature detection member, the electrode and the flame detection means Switching means for switching so as to be connected, the flame detection means performs flame detection based on the temperature information from the temperature detection member, and performs flame detection based on an output current from the electrode. Detection may be performed.
かかる構成によれば、温度検知部材による火炎検知と並行して、従来のような電極による火炎検知が行われるため、より精度良く正確に火炎検知を行うことが可能となる。また、かかる構成では、着火手段である電極を火炎検知に利用できるため、構成が容易であり、大幅な変更なく構成を実現できる。 According to this configuration, the flame detection is performed by the conventional electrode in parallel with the flame detection by the temperature detection member, so that the flame detection can be performed more accurately and accurately. Further, in such a configuration, since the electrode serving as the ignition means can be used for flame detection, the configuration is easy and the configuration can be realized without significant change.
前記温度検知部材によって火炎検知が行われる前記燃焼空間内の領域とは異なる領域の火炎検知を行うように、前記燃焼空間内に突出した前記電極の先端部を、前記温度検知部材が配置された前記燃焼空間の領域とは異なる領域に配置してもよい。 The temperature detection member is disposed at the tip of the electrode protruding into the combustion space so as to perform flame detection in a region different from the region in the combustion space in which flame detection is performed by the temperature detection member. It may be arranged in an area different from the area of the combustion space.
かかる構成によれば、温度検知部材及び電極によって、燃焼空間の異なる領域の温度をそれぞれ検知することが可能となるため、より正確かつ精度良く火炎検知を行うことが可能となる。さらに、ここでは特に、燃焼空間の各領域における火炎状態を比べることにより、異常燃焼の検知を容易にかつ精度良く速やかに行うことが可能となる。このため、異常燃焼時には速やかに燃焼を停止することができ、よって、COの排出や異常高温下を防止することが可能となる。 According to this configuration, it is possible to detect the temperatures of the different regions of the combustion space by the temperature detection member and the electrodes, respectively, so that the flame detection can be performed more accurately and accurately. Furthermore, particularly, by comparing the flame state in each region of the combustion space, it is possible to detect abnormal combustion quickly and easily and accurately. Therefore, when abnormal combustion occurs, combustion can be stopped immediately, and CO emission and abnormally high temperature can be prevented.
前記温度検知部材によって前記燃焼空間の火炎放出方向における上部領域の火炎検知を行い、前記電極によって前記燃焼空間の前記方向における下部領域の火炎検知を行ってもよい。 The temperature detection member may detect a flame in an upper region of the combustion space in the flame emission direction, and the electrode may detect a flame of a lower region in the combustion space in the direction.
かかる構成によれば、燃焼空間の上部領域と下部領域とで火炎検知を行うことができるため、上部領域では着火が検知されるが下部領域では着火が検知されない状態、及び、上部領域では着火が検知されないが下部領域では着火が検知される状態を、異常燃焼状態として検知することが可能となる。 According to such a configuration, flame detection can be performed in the upper region and the lower region of the combustion space, so that ignition is detected in the upper region but no ignition is detected in the lower region, and ignition is detected in the upper region. A state in which ignition is not detected but ignition is detected in the lower region can be detected as an abnormal combustion state.
本発明に係る水素発生装置は、上記構成を有するバーナと、炭化水素系原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備え、前記バーナを用いて前記改質器を加熱するものである。 A hydrogen generator according to the present invention includes a burner having the above-described configuration, and a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction of a hydrocarbon-based raw material, and includes the reformer using the burner. Is to be heated.
かかる構成によれば、上記構成を有するバーナが用いられているため、バーナの燃料ガスとして、炭化水素系可燃性物質の含有量が少ないガスを利用した場合にも、精度良く正確に火炎検知を行うことが可能となる。したがって、かかる構成の水素発生装置では、燃料ガスの種類に関係なく、火炎検知を行いながら安全に火炎を形成することが可能となる。 According to this configuration, since the burner having the above configuration is used, even when a gas containing a small amount of a hydrocarbon-based flammable substance is used as the fuel gas for the burner, flame detection can be performed accurately and accurately. It is possible to do. Therefore, in the hydrogen generator having such a configuration, it is possible to form a flame safely while performing flame detection regardless of the type of fuel gas.
本発明に係る燃料電池発電システムは、上記構成を有する水素発生装置と、前記水素発生装置から得られる水素が主成分であるガスが燃料極側に供給されるとともに酸化剤ガスが酸化剤極側に供給されて発電が行われる燃料電池とを備えたものである。 A fuel cell power generation system according to the present invention includes a hydrogen generator having the above configuration, and a gas containing hydrogen as a main component obtained from the hydrogen generator being supplied to a fuel electrode side and an oxidant gas being supplied to an oxidant electrode side. And a fuel cell that is supplied to the power generator to generate power.
かかる構成によれば、水素発生装置において上記効果が得られることから、水素が主成分であるオフガスや生成ガスを燃料ガスとしてバーナで燃焼させて改質反応時の加熱を行うことが可能となるため、発電効率が高く、かつ、環境への負荷が小さいシステムを実現することが可能となる。
According to this configuration, since the above-described effect is obtained in the hydrogen generator, it is possible to perform heating during the reforming reaction by burning off gas or product gas containing hydrogen as a main component with a burner as a fuel gas. Therefore, it is possible to realize a system with high power generation efficiency and low environmental load.
本発明によれば、炭化水素系可燃性物質の含有量が少ないガス、例えば、水素主成分のガスを燃料ガスとする燃焼において、正確な火炎検知を実現することが可能となる。また、燃焼空間を、火炎放出方向に広がっていく逆円錐台状とすることで、低燃焼量から高燃焼量まで幅広い燃焼を実現することが可能となる。また、燃料ディストリビュータ内に着火装置たる電極を設置するとともに、温度検知部材を空気噴出孔内に設置することで、燃焼空間以外で電極や火炎検知部材を設置する設置空間が不要となるため、加熱対象以外への放熱を抑制するとともに、バーナの小型化を図り、また、バーナ周辺の構成の自由度を向上させることができる。また、前記電極を着火時には放電部として使用し、一方、温度検知部材により着火を確認した後には、従来のように電極を火炎内の電流を検知する火炎検知部材として使用することで、より正確な火炎検知を行うものである。また、燃焼空間内の複数の異なる領域の火炎状態を検知することにより、異常燃焼を検知することができるため、異常燃焼時には燃速やかに燃焼を停止して、COの排出や異常高温の防止を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to implement | achieve accurate flame detection in the combustion which uses the gas with a small content of hydrocarbon type combustible substance, for example, the gas of hydrogen main component as a fuel gas. Further, by making the combustion space in the shape of an inverted truncated cone expanding in the flame emission direction, it is possible to realize a wide range of combustion from a low combustion amount to a high combustion amount. In addition, by installing an electrode as an ignition device in the fuel distributor and installing a temperature detection member in the air outlet, there is no need to install an electrode or flame detection member outside the combustion space, so heating is not required. In addition to suppressing heat radiation to the target, the burner can be reduced in size, and the degree of freedom in the configuration around the burner can be improved. In addition, the electrode is used as a discharge part at the time of ignition, and after ignition is confirmed by the temperature detection member, the electrode is used as a flame detection member for detecting a current in the flame as in the related art, so that more accurate detection is possible. This is to perform a simple flame detection. In addition, abnormal combustion can be detected by detecting the flame state in a plurality of different areas in the combustion space. In the case of abnormal combustion, combustion is stopped immediately to prevent CO emission and abnormal high temperature. Can be realized.
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるバーナの構成を模式的に示す断面図である。また、図2及び図3は、図1の温度検知部材の配置を詳細に説明するための図であり、図2は部分拡大断面図、また、図3は部分拡大平面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a burner according to
図1に示すように、バーナは、複数の燃料噴出孔8を有する燃料ディストリビュータ1と、複数の空気噴出孔9を有する空気噴出部材2と、空気噴出部材2内に収納されて配置された温度検知部材6とを有する。空気噴出部材2の内壁2Bで囲まれて形成された空間が、燃焼空間(燃焼室)3であり、温度検知部材6は、該燃焼空間3の温度を検知する。
As shown in FIG. 1, the burner includes a
空気噴出部材2は、両端部が開口した円筒状であり、円筒の内部は、以下のような形状で中空となっている。すなわち、空気噴出部材2の内周壁2Bは傾斜しており、それにより、円筒の内孔が、上端の開口(火炎の放出出口)に向かって断面積が大きくなる逆円錐台状の空間となっている。つまり、内周壁2Bはカップ形状をなしている。空気噴出部材2の内孔たる該カップ状の空間が、火炎が形成されて燃焼が行われる燃焼空間3となる。また、空気噴出部材2では、円筒の周壁部が中空に形成されている。すなわち、該周壁部は、外周壁2A、内周壁2B、上端壁2C、及び、下端壁2Dの間に内部空間20が形成されており、該内部空間20が前記燃焼空間3を周方向に囲んだ構成となっている。空気噴出部材2の該内部空間20は、内周壁2Bの周方向及び上下方向にわたって複数設けられた空気噴出孔9を通じて、前記燃焼空間3に連通している。また、該内部空間20は、外周壁2Aに設けられた空気供給口31を有し、該空気供給口31に、外部に設けられた空気供給装置5が接続されている。該空気供給装置5は、ポンプやファン等の送風器(図示せず)を備え、燃焼用の空気を、流量を調整しながら空気噴出部材2に供給する。空気の供給流量の調整方法としては、前記送風器の動作を制御して調整を行う方法や、あるいは、供給系において、前記送風器の下流側にバルブ等の流量調整部材を配設しこれを制御して調整を行う方法等がある。
The
空気噴出部材2は、例えば金属等から構成される。このような空気噴出部材2は、容積が大きいために、後述の温度検知部材6に比べて大きな熱容量を有する。図2に示すように、燃焼空間3を形成する内周壁2Bには、所定の間隔で所定の径を有する円形の空気噴出孔9(9A,9B)が形成されている。ここでは、空気噴出孔9は、2.0mmの直径D1を有する1つの空気噴出孔9Aと、1.2mmの直径D2を有する多数の空気噴出孔9Bとで構成されている。そして、該空気噴出孔9A内には、温度検知部材6が配設されている。この温度検知部材6は、先端に設けられた温度検知点(図示せず)が燃焼空間3内に僅かに突出して該燃焼空間3に面し、空気の流れの中に位置する構成となっている。そして、温度検知部材6の本体は、空気噴出部材2の内部空間20及び下端壁2Dに設けられた貫通孔32を通って外部に突出するように配設されている。温度検知部材6は、図示されない支持部材によって支持されており、空気噴出部材2の貫通孔32と温度検知部材6との間は、シール部材(図示せず)によって空気が漏れないようにシールされている。ここでは、温度検知部材6として、直径1.6mmのシース状の熱電対が用いられており、温度検知点(図示せず)を含む先端部分は、酸化皮膜16で覆われている。このように酸化皮膜で覆われることにより、後述するように、燃焼空間3内の温度を精度良く検知することが可能となる。温度検知部材6は、空気噴出孔9Aの内面と直接接触しないように配置され、空気噴出孔9Aの内面との間に隙間を有する。図3に示すように、ここでは、例えば円形の空気噴出孔9A内に温度検知部材6が同心状に配置され、それにより、温度検知部材6の外周に形成された環状の空気層17の幅L(すなわち、空気噴出孔9Aの内面と温度検知部材6の外周面との距離)は、温度検知部材6の外周全体において、ほぼ均一となっている。このような構成により、後述するように、温度検知部材6が配置された空気噴出孔9Aにおいては、空気流路となる部分(すなわち空気層17)の断面積が、他の空気噴出孔9Bの場合とほぼ同等となっており、かつ、温度検知部材6の外周に、均一な幅Lの空気流路が形成されている。なお、ここでは、温度検知部材6として熱電対を用いているが、熱電対以外にも、例えばサーミスタ等を用いてもよい。該温度検知部材6は、バーナの外部に配設された火炎検知装置7に接続されている。
The
上部(火炎放出出口側)に比べて断面積が小さくなっている燃焼空間3の下部には、先端が閉塞された管状の燃料ディストリビュータ3が嵌合されている。燃料ディストリビュータ3は、周方向に複数の燃料噴出孔8が設けられた先端部が、円形断面の燃焼空間3の中心部分に突出するように配置され、また、基端は、外部に配設された燃料ガス供給装置4に接続されている。該燃料ガス供給装置4は、可燃性ガスを含む燃料ガスを、流量を調整しながら燃料ディストリビュータ1に供給するものであり、ポンプやファン等の送風器(図示せず)を備える。燃料ガスの供給流量の調整方法としては、前記送風器の動作を制御して調整を行う方法や、あるいは、供給系において、前記送風器の下流側にバルブ等の流量調整部材を配設しこれを制御して調整を行う方法等がある。
A
次に、上記のバーナの燃焼時の動作について説明する。 Next, the operation of the above-described burner during combustion will be described.
図1中の矢印で示すように、燃料ガス供給装置4から燃料ガスが燃料ディストリビュータ1に供給される。さらに、燃料ガスは、燃料噴出孔8を通じて、燃料ディストリビュータ1から燃焼空間3に噴出される。ここで、燃料ガス供給装置4から供給される燃料ガスとは、水素を主成分とする可燃性ガスのことである。このような燃料ガスとしては、例えば、後述の実施の形態5(図8)で説明するように、燃料電池発電システムの水素発生装置の起動時に生成する生成ガスを用いてもよく、あるいは、燃料電池のオフガスを用いてもよい。
As shown by arrows in FIG. 1, fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 4 to the
一方、空気供給装置5からは、空気が空気噴出部材2に供給される。図中の矢印で示すように、空気は、空気噴出部材2の内部空間20に導入され、さらに、空気噴出孔9を通じて燃焼空間3に噴出される。この時、空気噴出孔9Aと空気噴出孔9Bとでは、空気流路の断面積がほぼ同等となっているため、両者から噴出する空気の流量はほぼ同等となっている。したがって、空気噴出孔9Aに温度検知部材6を配置したことによる空気の噴出状態の乱れを最小限に抑えることができ、燃焼状態の乱れを抑制することができる。また、空気噴出孔9Aにおいては、前述のように温度検知部材6の外周に均等な幅Lの空気流路が形成されているので、空気噴出孔9Aでは、温度検知部材6の外周において、ほぼ均等に空気が噴出される。したがって、空気の噴出状態の乱れがさらに抑えられ、燃焼状態の乱れをさらに抑制することができる。
On the other hand, air is supplied from the
このようにして燃焼空間3に供給された燃料ガス及び空気は、該燃焼空間3で混合される。そして、種火やヒータ等の着火装置(図示せず)により着火を行い、燃焼空間3において燃料ガスと空気とを反応させて燃焼させ、火炎10を形成する。ここで、前述のように、空気噴出孔9A,9Bからはほぼ等しい流量で空気が供給されるため、安定したバランスのよい火炎10を形成することができる。そして、図中の矢印で示すように、形成された火炎から放出された熱を加熱対象に伝達して加熱を行う。このように燃料ガスと空気とを別々に供給して燃焼空間3で混合する構成とすれば、可燃性の燃料ガスと空気とをあらかじめ混合して燃焼空間3に供給して燃焼させる従来の構成のように火炎が供給系を逆流する等のおそれがないため、より安全に燃焼を行うことが可能となる。
The fuel gas and the air thus supplied to the
ここで、上記燃焼時においては、着火、失火及び異常燃焼の把握のために、温度検知部材6を用いて火炎の状態を検知する。以下に、火炎の検知方法について説明する。
Here, at the time of the combustion, the state of the flame is detected using the
燃焼空間3内に火炎10が形成されると、それまで常温を示していた燃焼空間3内の温度が上昇するため、温度検知部材6による検知温度が上昇する。ここで、温度検知部材6は、先端の温度検知点(図示せず)が空気噴出部材2の空気噴出孔9A内に位置し、かつ、本体部が空気噴出部材2の内部空間20内に収納されるように配設されているため、温度検知部材6は、燃焼空間3の火炎に直接さらされない。このため、温度検知部材6は、燃焼時に燃焼空間3の温度と同様に高温(1000℃程度)になることはなく、よって、温度検知部材6は耐熱限界内の温度下に置かれ、劣化が防止される。また、温度検知部材6は、燃焼空間3内に僅かしか突出しないため、燃焼空間3に形成された火炎を乱すことなく燃焼空間3の温度を検知することが可能となる。
When the
一方、温度検知部材6の先端の温度検知点(図示せず)は、燃焼空間3に面しているため、燃焼空間3内の温度を精度良く速やかに検知することが可能となる。ここで、温度検知部材6は、温度検知点が設けられた先端が、空気噴出孔9Aの内面とは直接接触せず、周囲に空気層17が形成されて空気噴出部材2から断熱されている。このため、空気噴出部材2の内周壁2Bの温度変化の影響を受けることなく燃焼空間3の温度変化を検知することが可能となる。すなわち、熱容量が大きい空気噴出部材2の内周壁2Bの温度上昇よりも、温度検知部材6の温度検知点は速く温度が上昇するため、速やかに精度良く正確に着火を検知することが可能となる。
On the other hand, since the temperature detection point (not shown) at the tip of the
温度検知部材6で検知された燃焼空間3の温度情報は、電気信号として火炎検知装置7に伝達される。火炎検知装置7は、伝達された電気信号から、燃焼空間3の温度変化に基づいて、燃焼空間3内に火炎10が形成された(着火した)か否かを判定する。着火の判定方法としては、例えば、検知された燃焼空間3の温度が、所定の温度より高いか否かを判定する方法であってもよく、あるいは、単位時間における温度の上昇速度が所定の温度上昇速度よりも大きいか否かを判定する方法等であってもよい。
The temperature information of the
一方、何らかの要因により失火すれば、それまで高温状態であった燃焼空間3の温度が急激に低下する。それに伴って、温度検知部材6の検知温度も低下する。このようにして検知された燃焼空間3の温度情報は、上記と同様にして火炎検知装置7に伝達される。火炎検知装置7は、伝達された電気信号から、燃焼空間3の温度変化に基づいて、燃焼空間3内の火炎10が失火したか否かを判定する。失火の判定方法としては、例えば、検知された燃焼空間3の温度が、所定の温度より低いか否かを判定する方法であってもよく、あるいは、単位時間における温度の低下速度が所定の温度低下速度よりも大きいか否かを判定する方法であってもよい。ここで、前述のように、温度検知部材6の温度検知点と、空気噴出孔9Aの内面との間には、隙間が形成されて空気層17が存在するため、温度検知部材6は、前記空気噴出部材2の影響を受けることなく、失火に伴って速やかに温度が低下する。特に、空気噴出孔9Aの内面との間の空気層17では、通常、空気の供給に伴って、燃焼空間3に向かう流れが形成されており、温度検知部材6はこの空気の流れの中に位置している。それゆえ、この空気の流れによって、温度検知部材6が速やかに冷却され、失火により加熱が行われなくなれば温度検知部材6の温度検知点では急激に温度が低下する。したがって、失火後、短時間で失火検知を行うことが可能となる。
On the other hand, if a misfire occurs for some reason, the temperature of the
上記のような火炎検知方法によれば、従来のような燃焼時の電流値に関係なく、燃焼空間3内の温度変化により火炎10の検知を行うことが可能となるため、フレームロッド等による従来の火炎検知方法では検知が困難である燃料ガス、すなわち、炭化水素系可燃性物質の含有量が少ない燃料ガスを用いた燃焼においても、火炎状態を精度良く正確に検知することが可能となる。
According to the above-described flame detection method, the
また、ここでは、前述のように、温度検知部材6の温度検知点(図示せず)側の先端が酸化皮膜16によって覆われているため、酸化被膜が予め形成されていない温度検知部材を用いた場合に比べて、以下の理由により、精度良く燃焼空間3内の温度を検知することが可能となる。すなわち、予め酸化被膜で覆われていない温度検知部材を用いると、燃焼空間3での燃焼に伴ってこの温度検知部材の先端が酸化され、やがて酸化被膜が形成されるが、この場合、酸化被膜が形成される前と後とで、温度検知部材での検知温度に変化が生じる。これに対して、本実施の形態のように温度検知部材6の先端に予め酸化被膜16が形成されていると、このような検知温度の変化の発生を防止することが可能となる。したがって、火炎検知をさらに精度良く行うことが可能となる。
Here, as described above, since the tip of the
さらに、上記の構成では、燃焼空間3がカップ形状、すなわち、上部(火炎放出出口)にむかって断面が大きくなる逆円錐台状であるため、広い燃焼量の範囲で、燃焼量に応じてバランスよく安定した火炎10を形成することができる。具体的には、燃焼源たる燃料ガスと空気との混合ガスの供給流量が少なく低燃焼量である時には、断面積の小さな燃焼空間3の領域で、該混合ガスの流速と燃焼速度とがバランスする。すなわち、火炎の大きさは、燃焼源たる混合ガスの流速と、燃焼速度(燃焼反応の反応速度)とのバランスによって決まることから、このように低燃焼量である場合には、燃焼速度が一定であれば、その燃焼速度に等しい混合ガス流速となる混合ガス供給流量が小さい燃料空間3の下部を中心に火炎10Aが形成される。一方、該混合ガスの流量が大きく高燃焼量の時には、断面積が大きい燃焼空間3の領域で混合ガス流速と燃焼速度とがバランスする。したがって、この場合には、燃焼空間3の上部で火炎10Bが形成される。このように、燃焼空間3をカップ状とすることで、広い燃焼量の範囲で安定した燃焼を実現できる。このようなカップ状の燃焼空間3を有する空気噴出部材2は、プレスや絞り加工により一部品で構成することができるので、加工面でも容易である。なお、ここでは、燃焼が行われている部分と、燃焼が行われていない部分との境目の最も高温の部分を火炎と定義している。すなわち、火炎とは、形成された炎の最外輪郭部分のことをさす。
Further, in the above configuration, since the
また、温度検知部材6が空気噴出部材2内に収納されるように配置されるため、温度検知部材としてフレームロッド等を用いる従来の場合のような温度検知部材設置のための空間が不要となる。このため、バーナの周囲に余分な設置空間を設ける必要がなくなり、該空間からの無駄な放熱を抑制して効率よく加熱対象を加熱することができる。また、余分な設置空間が不要となる分だけ、バーナとしての大きさを小さくすることができ、バーナの周囲構成の自由度を大幅に向上させることができる。
Further, since the
なお、上記の空気噴出孔9A,9Bの孔径、温度検知部材6の径、及び、これらの形状は一例であり、これに限定されるものではない。また、空気噴出孔9A,9Bでは、必ずしも前述のように空気流路の断面積が同等でなければならないということはなく、温度検知部材6の周囲に空気層17が形成されるのであれば、空気噴出孔9A,9Bにおける空気流路の断面がそれぞれ異なってもよい。また、空気層17の幅Lは、均一でなくてもよい。また、本実施の形態の変形例として、空気噴出部材2によって囲まれて形成される前記燃焼空間3が、図1のようなカップ状ではなく、断面積が均一な円柱状である構成であってもよい。
The hole diameters of the air ejection holes 9A and 9B, the diameter of the
図4は、実施の形態1の変形例における特徴部分の構成を模式的に示す部分拡大断面図である。図4に示すように、本例のバーナは、図1のバーナと同様の構成を有するが、以下の点が、図1のバーナとは異なっている。 FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view schematically showing a configuration of a characteristic portion in a modification of the first embodiment. As shown in FIG. 4, the burner of this example has the same configuration as the burner of FIG. 1, but differs from the burner of FIG.
すなわち、本例のバーナでは、空気噴出孔9Aに配置された温度検知部材6の温度検知点(図示せず)側の先端が、半球形状を有している。かかる形状の先端では、角部を有する先端に比べて輻射熱を受けやすく、よって、燃焼に伴う温度上昇を精度よく検知することができる。また、かかる形状の先端では、半球状の滑らかな表面に沿って滑らかな空気の流れが形成されるため、冷却されやすく、失火すると急激に温度が低下する。よって、失火を精度良く検知することができる。以上のことから、本例の構成によれば、上述の効果がより有効に奏される。
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2におけるバーナの構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態のバーナは、実施の形態1と同様の構成を有するが、複数の温度検知部材が燃焼空間の異なる位置にそれぞれ配設された点が、実施の形態1と異なっている。
That is, in the burner of the present example, the tip of the
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a burner according to the second embodiment of the present invention. The burner of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, but differs from the first embodiment in that a plurality of temperature detecting members are disposed at different positions in the combustion space.
すなわち、本実施の形態では、実施の形態1と同様に設けられた温度検知部材6の他に、さらに温度検知部材60が、温度検知部材6よりも下側に位置するように配置されている。温度検知部材60は火炎検知装置7に接続されており、温度検知部材60で得られた燃焼空間3の下部領域の温度情報が、電気信号となって火炎検知装置7に伝達される。ここで、温度検知部材60は、温度検知部材6と同様、温度検知点(図示せず)側の先端が酸化皮膜16で覆われた構成を有している。また、温度検知部材6と同様に、空気噴出孔9内に温度検知点(図示せず)が位置して空気の流れの中に位置するように配置され、かつ、温度検知部材60の外周に均一な幅の空気層が形成されている。したがって、この温度検知部材60によれば、温度検知部材6と同様に、精度良く正確に燃焼空間3の下部領域の温度を検知することが可能となる。また、ここでは、実施の形態1と同様に、燃焼空間3の上部領域の温度を温度検知部材6により精度良く正確に検知することが可能となる。このように、燃焼空間3の異なる領域、すなわち、上部領域及び下部領域の温度をそれぞれ検知し、各領域における着火状態を比較することにより、特に、異常燃焼の検知を容易にかつ正確に行うことが可能となる。異常燃焼と判断した時には、例えば、燃料ガス供給装置4からの燃料ガスの供給を止めて燃焼を停止する。それにより、異常燃焼によるCOの排出や、高温化によるバーナを含む機器の劣化を防止することができる。以下に、異常燃焼の検知方法を詳細に説明する。
That is, in the present embodiment, in addition to the
まず、正常に燃焼が行われて火炎11Cが形成された場合には、燃焼空間3の温度がほぼ均一になるため、燃焼空間3の上部(燃焼空間3の出口近傍)に設けられた温度検知部材6による検知温度と、該燃焼空間3の下部(燃料ディストリビュータ1近傍)に設けられた温度検知部材60による検知温度とが、ほぼ等しくなり、火炎検知装置7は燃焼空間3の上部及び下部が着火状態であると判定する。したがって、この場合には、燃焼空間3において、正常に燃焼が行われていることが確認できる。
First, when the combustion is performed normally and the
一方、例えば、何らかの要因で燃焼量が大きくなりすぎたり、あるいは、空気供給量が少なくなって火炎がリフト気味になった時には、異常燃焼状態となり、燃焼空間3の上部を基部とした火炎11Bが形成される。このような火炎11Bが形成されると、燃焼空間3の上部は著しく加熱されて通常より高い温度となる。このため、燃焼空間3の上部に設けられた温度検知部材6で検知される温度が高くなる。これに対して、この場合、燃焼空間3の下部には火炎が全く存在しない。それゆえ、燃焼空間3の下部に設けられた温度検知部材60で検知される温度は低くなる。このように温度検知部材6から得られた燃焼空間3の上部の温度情報と、温度検知部材60から得られた燃焼空間3の下部の温度情報とが火炎検知装置7に伝達されると、火炎検知装置7は、各情報に基づいて、火炎状態を判定する。この場合、温度検知部材6からの情報に基づいて、燃焼空間3上部の検知温度が所定値よりも高いことから、燃焼空間3上部が着火状態であると判定する。一方、温度検知部材60からの情報に基づいて、燃焼空間3下部の検知温度が該所定値よりも小さいことから、燃焼空間3下部は失火状態であると判定する。その結果、火炎11Bが異常であることが確認できる。
On the other hand, for example, when the combustion amount becomes excessively large for some reason or when the air supply amount decreases and the flame tends to be lifted, an abnormal combustion state occurs, and the
また、何らかの要因で燃焼量が小さくなりすぎたり、空気供給量が多くなった時には、異常燃焼状態となり、燃焼空間3の下部に小さな火炎11Aが形成される。このような火炎11Aが形成されると、燃焼空間3の下部は著しく加熱されて通常より高い温度となる。このため、燃焼空間3の下部に設けられた温度検知部材60で検知される温度が高くなる。これに対して、燃焼空間3の上部には火炎が形成されず、それゆえ、燃焼空間3の上部に設けられた温度検知部材6で検知される温度は低くなる。このように温度検知部材6から得られた燃焼空間3上部の温度情報と、温度検知部材60から得られた燃焼空間3下部の温度の温度情報とに基づいて、火炎検知装置7が燃焼空間3の火炎11Aの状態を検知する。この場合、温度検知部材6からの情報に基づいて、燃焼空間3上部の検知温度が所定値よりも小さいことから、燃焼空間3上部が失火状態であると判定する。一方、温度検知部材60からの情報に基づいて、燃焼空間3下部の検知温度が該所定値よりも大きいことから、燃焼空間3下部は着火状態であると判定する。その結果、火炎11Aが異常であると確認できる。
When the combustion amount becomes too small or the air supply amount increases for some reason, an abnormal combustion state occurs, and a
なお、複数の温度検知部材を配設する場合の温度検知部材の個数や、燃焼空間3における配置位置は、上記に限定されるものではなく、これ以外の構成であってもよい。
(実施の形態3)
図6は、本発明の実施の形態3におけるバーナの構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態のバーナは、実施の形態1と同様の構成を有するが、燃料ディストリビュータ1内に着火手段たる電極12が配設された点が、実施の形態1と異なっている。
In addition, the number of the temperature detecting members when the plurality of temperature detecting members are provided and the arrangement position in the
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a sectional view schematically showing a configuration of a burner according to the third embodiment of the present invention. The burner of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, but differs from the first embodiment in that an
すなわち、本実施の形態では、二重構造の管状の燃料ディストリビュータ1の内孔の中央に、電極12が配設されている。電極12は、燃焼ディストリビュータ1の内孔に嵌め込まれた支持部材15によって支持されており、電極12の先端部は、燃焼空間3内に突出している。支持部材15は、例えば、耐熱性及び絶縁性を有するセラミック等から構成される。電極12の前記突出した先端部は、弧を描くように空気噴出部材2の内壁に向かって屈曲している。また、電極12の基端は、燃料ディストリビュータ1の底壁を貫通して外部に突出しており、外部に設けられた着火回路13に電気的に接続されている。なお、電極12と支持部材15との間、及び、燃料ディストリビュータ1の内周壁と支持部材との間の隙間は、シール部材(図示せず)によって埋められている。
That is, in the present embodiment, the
上記構成では、着火時に、空気噴出部材2の空気噴出孔9から空気が燃焼空間3内に噴出されるとともに、燃料ディストリビュータ1の燃料噴出孔8から燃料ガスが燃焼空間3に噴出される。この時、燃料ディストリビュータ1は、二重構造となっているため、燃料ディストリビュータ1内に配設された電極12及び支持部材15は、燃料ガス供給装置4からディストリビュータ1への燃料ガスの供給及び燃料噴出孔8からの燃料ガス噴出を妨げるものではない。燃料ガスと空気とが燃焼空間3に供給されて混合されると、着火回路13から電極12に電圧が与えられる。それにより、電極12と空気噴出部材2の内壁との間で放電が生じ、その結果、着火が起こる。そして、燃焼空間3内で燃焼が行われて火炎が形成される。この時、実施の形態1と同様に、温度検知部材6により燃焼空間3内の温度が検知されて火炎検知装置7により火炎状態の検知が行われる。
In the above configuration, at the time of ignition, air is ejected from the air ejection holes 9 of the
本実施の形態に係る構成では、実施の形態1において前述した効果と同様の効果が得られ、さらに、以下の効果が得られる。すなわち、本実施の形態では、着火手段たる電極12が燃料ディストリビュータ1内に収納されて配置されるため、従来のように燃焼空間3の上方等のバーナ周囲部に、着火手段の設置のための空間を確保する必要がない。したがって、余分な設置空間を設けた場合に生じる該設置空間からの放熱を抑制することができ、よって、効率的に加熱対象を加熱することが可能となる。また、余分な設置空間を必要としない分だけバーナとしての大きさをより小さくすることができるため、バーナの周囲構成の自由度をさらに向上させることができる。
In the configuration according to the present embodiment, the same effects as those described above in the first embodiment are obtained, and further, the following effects are obtained. That is, in the present embodiment, since the
なお、上記においては、電極12と空気噴出部材2の内壁との間で放電させて着火する場合について説明したが、電極12と燃料ディストリビュータ1との間で放電させることにより着火を行ってもよい。この場合、電極12と燃料ディストリビュータ1との間で放電が起こりやすいように、燃焼空間3内に突出した電極12の先端を、燃料ディストリビュータ1に向けて屈曲させることが好ましい。なお、電極12の形状は上記に限定されるものではなく、必ずしも屈曲していなくてもよい。
(実施の形態4)
図7は本発明の実施の形態4におけるバーナの構成を模式的に示す断面図である。図7に示すように、本実施の形態のバーナは、実施の形態3のバーナと同様の構成を有するが、以下の点が実施の形態3と異なっている。すなわち、本実施の形態では、着火回路13と火炎検知装置7とが、切替スイッチ14を介して、並列に電極12に接続されている。かかる構成では、以下のように、着火時に電極12と着火回路13とを接続するように切替が行われ、着火検知後には、電極12と火炎検知装置7とが接続するように切替が行われる。
In the above description, a case has been described in which the discharge is performed between the
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a sectional view schematically showing a configuration of a burner according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the burner of the present embodiment has the same configuration as the burner of the third embodiment, but differs from the third embodiment in the following points. That is, in the present embodiment, the
すなわち、着火時には、電極12と着火回路13とが接続するように切替スイッチ14が切替わり、実施の形態3と同様にして着火が行われる。一方、着火して火炎が形成されると、温度検知部材6からの燃焼空間3の温度情報に基づいて、火炎検知装置7が着火を検知する。すると、切替スイッチ14が、電極12と火炎検知装置7とを接続するように切替を行う。それにより、温度検知部材6を用いた火炎検知方法と同時に、従来の火炎検知方法、すなわち、電極12から検出される出力電流に基づいて、火炎検知装置7が火炎検知を行うことができる。それにより、温度検知部材6及び電極12を用いた2つの方法により火炎検知を行うことができるため、より精度の高い火炎検知を実現することができる。
That is, at the time of ignition, the
また、ここでは、温度検知部材6により燃焼空間3の上部の火炎状態を検知するとともに、該温度検知部材6よりも燃焼空間3内の下部に先端部が配置された電極12により、燃焼空間3の下部の火炎状態を検知することが可能となる。そして、このように、燃焼空間3内の複数の異なる領域における火炎状態を検知することにより、実施の形態2と同様に、異常燃焼状態の検知を行うことが可能となる。
Here, the flame state of the upper part of the
まず、正常に燃焼が行われて火炎11Cが形成された場合には、燃焼空間3の上部(燃焼空間3の出口近傍)に設けられた温度検知部材6による検知温度をもとにして、燃焼空間3上部が着火状態であると火炎検知部材7が判定する。また、温度検知部材6による検知と並行して、該空間3の下部(燃料ディストリビュータ1近傍)に配置された電極12からの出力電流を検知し、該電流値を電圧値に換算する。そして、得られた電圧値が、しきい値電圧よりも大きいか否かで着火判定を行う。この場合には、燃焼空間3下部に火炎が形成されているので、前記出力電流は大きくなり、よって、検知電圧値がしきい値電圧よりも高くなる。したがって、燃焼空間3下部が着火状態であると火炎検知装置7が判定する。このように燃焼空間3の上部及び下部が着火状態であると判定されたことから、正常な燃焼が確認される。
First, when the combustion is performed normally and the
一方、例えば、何らかの要因で燃焼量が大きくなりすぎたり、あるいは、空気供給量が少なくなって火炎がリフト気味になった時には、異常燃焼となり、燃焼空間3の上部を基部とした火炎11Bが形成される。このような火炎11Bが形成されると、燃焼空間3の上部は著しく加熱されて通常より高い温度となる。このため、燃焼空間3の上部に設けられた温度検知部材6で検知される温度が高くなり、それに基づいて、火炎検知装置7が、燃焼空間3上部は着火状態であると判定する。これに対して、この場合、燃焼空間3の下部には火炎が全く存在しないため、燃焼空間3の下部に配置された電極12からの出力電流は検知されず、したがって、電流値を換算した電圧値がしきい値電圧よりも小さくなる。それゆえ、火炎検知装置7は、燃焼空間3の下部が失火状態であると判定する。そして、このようにして得られた燃焼空間3の上部及び下部の着火判定の結果から、異常燃焼状態が確認できる。
On the other hand, for example, when the combustion amount becomes excessively large for some reason or when the air supply amount decreases and the flame tends to be lifted, abnormal combustion occurs and a
また、何らかの要因で燃焼量が小さくなりすぎたり、空気供給量が多くなった時には、異常燃焼状態となり、燃焼空間3の下部に小さな火炎11Aが形成される。このような火炎11Aが形成されると、燃焼空間3の下部では、火炎が存在するため、電極12からの出力電流が検知される。この場合、検知した電流値を換算した電圧値がしきい値電圧よりも大きくなり、よって、火炎検知装置7は、燃焼空間3下部が着火状態であると判定する。これに対して、燃焼空間3の上部には火炎が形成されず、それゆえ、燃焼空間3の上部に設けられた温度検知部材6で検知される温度は低くなる。火炎検知装置7では、この温度情報に基づいて、燃焼空間3上部が失火状態であると判定する。そして、このようにして得られた燃焼空間3の上部及び下部の着火判定の結果から、異常燃焼状態が確認できる。
When the combustion amount becomes too small or the air supply amount increases for some reason, an abnormal combustion state occurs, and a
上記の実施の形態1〜4においては、温度検知部材の温度検知点が空気噴出孔内に配置される場合について説明したが、温度検知点の配置位置はこれに限定されるものではない。例えば、耐熱性が非常に高い材料から構成される温度検知部材を用いるのであれば、温度検知部材は、空気噴出孔からさらに燃焼空間まで延びるように配置された構成であってもよい。すなわち、温度検知部材は、周囲のバーナ構成部材から断熱され、かつ、空気噴出孔から噴出された空気流にさらされるように配置されていれば、前述の実施の形態1〜4以外の配置であってもよい。なお、温度検知部材の温度検知点が空気噴出孔内に入り込み過ぎた配置や、温度検知点が空気噴出部材の外壁と内壁との間の空間に位置する配置では、燃焼空間の温度を精度良く正確かつ速やかに検知することができない。このため、温度検知部材の温度検知点は、燃焼空間の温度変化に速やかに対応する位置、具体的には、少なくとも燃焼空間に面する位置に配置する必要がある。 In the above first to fourth embodiments, the case where the temperature detection points of the temperature detection member are arranged in the air ejection holes has been described, but the arrangement positions of the temperature detection points are not limited to this. For example, if a temperature detecting member made of a material having extremely high heat resistance is used, the temperature detecting member may be arranged so as to extend from the air ejection hole to the combustion space. That is, if the temperature detecting member is insulated from the surrounding burner constituent members and is arranged so as to be exposed to the air flow ejected from the air ejection holes, the temperature sensing member is arranged in a configuration other than the above-described first to fourth embodiments. There may be. In an arrangement in which the temperature detection point of the temperature detection member is too far into the air ejection hole or in an arrangement in which the temperature detection point is located in the space between the outer wall and the inner wall of the air ejection member, the temperature of the combustion space can be accurately determined. It cannot be detected accurately and quickly. For this reason, the temperature detection point of the temperature detection member needs to be arranged at a position corresponding to the temperature change of the combustion space promptly, specifically, at least a position facing the combustion space.
また、上記の実施の形態2〜4においては、温度検知部材の温度検知点側の先端が角部を有する場合について説明したが、実施の形態1の変形例のように、温度検知部材の該先端は半球状であってもよい。
(実施の形態5)
図8は、本発明に係るバーナを備えた水素発生装置を有する燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。図8に示すように、燃料電池発電システム100は、燃料電池53と、水素発生装置52とを主な構成要素として有する。なお、燃料電池53としては、従来構造のものが用いられている。
Further, in the above-described second to fourth embodiments, the case has been described where the tip of the temperature detection member on the temperature detection point side has a corner, but as in the modification of the first embodiment, the temperature detection member has The tip may be hemispherical.
(Embodiment 5)
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system having a hydrogen generator including a burner according to the present invention. As shown in FIG. 8, the fuel cell
水素発生装置52は、バーナ50と、改質器51と、CO変成器54とを有する。バーナ50には、実施の形態1〜4において前述したバーナが用いられている。また、改質器51及びCO変成器54としては、従来構造のものが用いられる。改質器51では、燃料ガスたるCH4が供給され、図中の反応式で示される改質反応が行われる。ここで、該改質反応は、650〜700℃の高温下で行う必要があるため、水素発生装置52では、バーナ50により改質器51を加熱する。該改質反応により改質器51で生成した改質ガスは、さらにCO変成器54に供給される。CO変成器54では、図中の反応式で示される反応により、改質ガスからのCOの除去が図られる。このように、改質器51及びCO変成器54によって、H2を主成分とする水素リッチガスが生成され、該水素リッチガスは、さらに燃料ガスとして燃料電池53に供給される。ここで、水素発生装置52では、装置の起動時に、COを多く含む水素リッチガス(生成ガス)が生成される。COは燃料電池53の電極を劣化させることから、該生成ガスを燃料電池53で利用することができない。このため、該生成ガスは、燃料ガスとして、水素発生装置52のバーナ50に供給される。なお、ここで、該生成ガスは、前述のようにCOを多く含んでいるが、改質反応におけるCH4のH2およびCO2への転化率が高くなるように改質器51の運転が制御されているため、生成ガス中に含まれる未転化の炭化水素系可燃性物質の割合は少なく、生成ガスはH2の含有量が高い。
The hydrogen generator 52 has a
水素発生装置52で得られた水素リッチガスが供給された燃料電池53では、水素リッチガスと空気中の酸素とを用いて図中の反応式で示される反応が行われる。それにより、発電が行われる。燃料電池53から得られた電気エネルギーは、種々の用途で用いられる。一方、燃料電池53に供給された水素リッチガスのうち反応に利用されなかったH2を含むオフガスは、水素発生装置52のバーナ50に供給され、バーナ50の燃料ガスとして利用される。
In the
以下においては、図7の実施の形態4のバーナ50を有する水素発生装置52を備えた燃料電池発電システム100(図8)における、水素発生装置52での火炎検知動作を図9を参照して説明する。
Hereinafter, the flame detection operation of the hydrogen generator 52 in the fuel cell power generation system 100 (FIG. 8) including the hydrogen generator 52 having the
図9は、本実施の形態に係る燃料電池発電システム100における水素発生装置52の運転データを示す図である。図9に示すように、図中のグラフAは、水素発生装置52の改質器51の温度の経時変化を示しており、グラフBは、温度検知部材6で検知された燃焼空間3の温度の経時変化を示しており、グラフCは、電極12(図7)からの出力電流値から換算した電圧値の経時変化を示している。
FIG. 9 is a diagram showing operation data of the hydrogen generator 52 in the fuel cell
グラフAに示すように、燃料電池発電システム100が起動してバーナ50が着火されると、改質器51は、熱容量が大きいので、着火から所定時間経過後に温度が上昇し始める。そして、十数分経過後に改質器51は所定温度(650〜700℃程度)に達し、該温度に保たれる。
As shown in the graph A, when the fuel cell
一方、グラフBに示すように、バーナ50に着火すると、燃焼空間3内の温度変化が温度検知部材6によって検知され、後述する電極12の電圧値の上昇直後から徐々に検知温度が上昇する。そして、時間が経過して所定の温度まで達すると、検知温度が一定となる。
On the other hand, as shown in the graph B, when the
また、グラフCに示すように、着火の際には、炭化水素系可燃性物質含有量の多い生成ガス(又はオフガス)がバーナ50に供給されるので、電極12からの出力電流値の換算電圧値が瞬時に上昇する。ところで、前述のように、この電圧値は生成ガスの組成に影響されるものであるため、運転時間の経過に伴って以下のように変化する。すなわち、改質器51が所定温度に達するまでの間は、改質反応における転化率が徐々に高くなっていき、それに伴って改質器51から得られる生成ガス中の水素濃度が徐々に増加するが、これに伴って生成ガス中の炭化水素系可燃性物質含有量が徐々に減少するため、改質器51の温度が上昇しても電極12の電圧値は低下する。そして、改質器51の温度が所定温度で一定となると、電圧値も下限値で一定となる。この場合、水素発生装置52において水素を多量に発生させるために改質器51における転化率を大きくすると、この電圧値はさらに小さくなる。
Further, as shown in the graph C, at the time of ignition, a generated gas (or off-gas) having a high hydrocarbon-based combustible substance content is supplied to the
以上のことから、水素発生装置52では、着火時及びその後の所定期間は電極12の電圧値に基づく従来の火炎検知方法によって検知を行うことが可能であり、特に、着火に対する応答性に優れることから、着火時には、温度検知部材6による検知よりも精度良く検知を行うことが可能であるが、改質器51の温度が上昇して改質反応における転化率が上昇していくと、電極12を用いた検知方法ではノイズの影響を受けやすくなり検知が困難となる。したがって、ここでは、着火の際には電極12を用いて火炎検知を行い、それ以降、特に、改質器51における転化率が高くなり炭化水素系可燃性物質含有量が少ないガスがバーナ50に供給される燃焼状態では、温度検知部材6で火炎検知を行う。それにより、着火時に瞬時に火炎の形成を検知することができるとともに、炭化水素系可燃性物質含有量が少ないガスが燃料ガスとして供給される燃焼において、正確に火炎状態を検知することができる。
From the above, in the hydrogen generator 52, at the time of ignition and for a predetermined period thereafter, detection can be performed by the conventional flame detection method based on the voltage value of the
このように、かかる構成によれば、燃料電池発電システム100の動作時に、バーナに供給される燃料ガスの組成に関わらず、ガス水素発生装置52において精度良く火炎検知を行うことが可能となる。それゆえ、オフガスや生成ガスを燃料ガスとしてバーナ50で燃焼させることが可能となり、その結果、オフガスや生成ガスを燃料として利用して、発電効率が高くかつ環境への負荷が小さく、安全性の高い発電システムを実現することが可能となる。
Thus, according to such a configuration, it is possible to perform flame detection with high accuracy in the gas hydrogen generator 52 regardless of the composition of the fuel gas supplied to the burner during the operation of the fuel cell
なお、本実施の形態では、本発明に係るバーナを燃料電池発電システムの水素発生装置の加熱に利用する場合について説明したが、本発明に係るバーナは、これ以外に、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物から構成される化合物を含む可燃性物質の含有量の少ないガスを燃料ガスとして利用するバーナ、例えば、給湯部材加熱用のバーナ等としても利用可能である。 In the present embodiment, the case where the burner according to the present invention is used for heating the hydrogen generator of the fuel cell power generation system has been described, but the burner according to the present invention is configured by at least carbon and hydrogen. The present invention can also be used as a burner that uses a gas containing a small amount of a combustible substance containing a compound composed of a compound to be used as a fuel gas, for example, a burner for heating a hot water supply member.
本発明に係るバーナ、それを備えた水素発生装置及び燃料電池発電システムは、例えば、コージェネレーション装置に利用される燃料電池システム等として有用である。 The burner according to the present invention, the hydrogen generator including the burner, and the fuel cell power generation system are useful, for example, as a fuel cell system used in a cogeneration system.
1 燃料ディストリビュータ
2 空気噴出部
3 燃焼空間
4 燃料ガス供給装置
5 空気供給装置
6 温度検知部材
7 火炎検知装置
8 燃料ガス噴出孔
9 空気噴出孔
12 電極
13 着火回路
14 切替えスイッチ
15 支持部材
DESCRIPTION OF
Claims (18)
温度検知点が前記空気噴出孔内または前記燃焼空間の空気の流路となる部分に位置し、前記燃焼空間の温度を検知する温度検知部材と、
前記温度検知部材で検知された前記温度に基づいて前記燃焼空間の前記火炎の状態を検知する火炎検知手段とを備えたことを特徴とするバーナ。 A fuel distributor for ejecting fuel supplied from a fuel supply device, and an air ejection hole for ejecting air supplied from an air supply device, the fuel ejection device including the fuel distributor and ejecting from the air ejection hole around the fuel distributor. A burner comprising: an air ejecting member arranged so as to surround the distributor so that air to be emitted and fuel ejected from the distributor are burned to form a combustion space in which a flame is formed.
A temperature detection point is located in the air ejection hole or in a portion that becomes a flow path of air in the combustion space, and a temperature detection member that detects a temperature of the combustion space,
And a flame detecting means for detecting a state of the flame in the combustion space based on the temperature detected by the temperature detecting member.
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