JP2006284445A - 燃焼機における火炎検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 青火燃焼等の低照度の燃焼火炎についても確実に火炎検知し得る火炎検知装置を提供する。
【解決手段】 光センサ６に対し着脱可能に結合し得るキャップ部材７の前面部分を集光部７１とする。集光部７の外表面７１２を、燃焼火炎の側である前方に向けて半球状に膨出させ、かつ、多数のランダムな方向に向いた平面７１３，７１３，…で構成されるようにカットして多面体形状とする。これにより、前方のほぼ全体から受光して光センサ６に集光させ得るようにする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃焼機の燃焼火炎の状態を検知するために用いられる燃焼機における火炎検知装置に関する。

従来、火炎検知装置として図８に例示するような光センサ６を用いたものが知られている。この光センサ６は、円筒状の支持枠６１の基端側に受光素子（センサ本体）６２を設置する一方、支持枠６１先端側に曲面をなしたガラスもしくはレンズからなる集光部６３を設置し、この集光部６３により集光された燃焼火炎の光を上記センサ本体６２に入射させてこの入射光に応じた電気信号を生じさせるようにしたものである。なお、符号６２１はセンサ端子である。そして、センサ本体６２から出力される電気信号に基づいて着火もしくは消火等の燃焼火炎の状態を検知するようになっている。このような光センサの構造は例えば特許文献１で開示されている。かかる光センサ６を用いた火炎検知装置は、図１にも例示するように、燃焼ノズル１から前方に延びる燃焼火炎Ｒの斜め後方位置において、燃焼火炎Ｒに対し斜め前方で交差するような向き上記集光部が向けられて配設されている。このような向きに配置する点が例えば特許文献２で提案されている。

特開平７−１１３６８５号公報 実開昭５９−１４４３２４号公報

ところで、上記の如き燃焼ノズル先端からの燃焼火炎に対し集光部が向くように配設される火炎検知装置の光センサは燃焼火炎に対し良好な指向性を発揮するようになっており、燃焼火炎の照度に応じた電気信号（光起電電流）を得るようになっている。これにより、赤火燃焼等の比較的高い照度の燃焼火炎から十分な電気信号が得られることになる。

しかしながら、例えば、近年、低ＮＯx燃焼における火炎のブルーフレーム化や、又は、実用化を目指し開発が行われている合成液体燃料（ＧＴＬ；Gas To Liquid：天然ガスを原料にして合成された石油等）を用いて燃焼させた場合には、その燃焼が青火燃焼となって燃焼火炎の照度がかなり低いものとなる。このような低照度の燃焼火炎の場合には着火検知等を判定するための電気信号が得難くなるという不都合が考えられる。その上に、特に上記の如く燃焼火炎に対し斜め位置から臨ませて燃焼火炎の光を一定方向から入射させるという指向性を発揮させているため、全体からの入射が阻害されることになり、低照度の燃焼火炎の光をより一層受光し難くなってしまうという不都合が考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、青火燃焼等の低照度の燃焼火炎についても確実に火炎検知し得る、燃焼機における火炎検知装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明では、燃焼機の燃焼火炎の状態を検知する燃焼機における火炎検知装置を対象として、上記燃焼火炎からの入射光を受けて電気信号に変換する受光素子と、この受光素子の前面側に配設され外表面に受光した光を上記受光素子に対し集光する集光部とを備えることとし、上記集光部を、上記外表面が全体として前方に向けて半球状に膨出しかつその外表面が多数の平面で囲まれた多面体形状に形成された構成とした（請求項１）。

この発明の場合、集光部の外表面が前方に半球状に膨出しかつ多面体形状に形成されているため、前方のみならずその周囲をも含めた広範な範囲からの入射光を受光することが可能となる。このため、従来の前方の一定方向からの入射光を受光させるようにしたものと比較して、より低照度の燃焼火炎の光を効率よく集光し得るようになる。これにより、低照度の燃焼火炎についても確実に火炎検知することが可能となる。

第２の発明では、燃焼機の燃焼火炎の状態を検知する燃焼機における火炎検知装置を対象として、上記燃焼火炎からの入射光を受けて電気信号に変換する受光素子を有する光センサと、この光センサに対し結合可能なキャップ部材とを備えて構成する。そして、上記キャップ部材として、上記光センサに結合された状態で上記受光素子の前面側に位置して外表面に受光した光を上記受光素子に対し集光する集光部を備えるものとし、上記集光部を、上記外表面が全体として前方に向けて半球状に膨出しかつその外表面が多数の平面で囲まれた多面体形状に形成された構成とした（請求項２）。

この発明の場合、キャップ部材を光センサに対し結合した状態では、キャップ部材の集光部の外表面が前方に半球状に膨出しかつ多面体形状に形成されているため、前方のみならずその周囲をも含めた広範な範囲からの入射光を受光することが可能となる。このため、従来の前方の一定方向からの入射光を受光させるようにした光センサだけのものと比較して、より低照度の燃焼火炎の光を効率よく集光し得るようになる。これにより、低照度の燃焼火炎についても確実に火炎検知することが可能となる。その上に、従来ある光センサに対し上記のキャップ部材を結合させるだけで、上記の如き作用を得ることが可能となり、既存の燃焼機に対しても、又、新たに燃焼機に設置するにしても、従来用いられている光センサの有効活用が図られる。

上記のキャップ部材を用いる場合には、さらに、上記キャップ部材に紫外線透過フィルタを内蔵させるようにし、その紫外線透過フィルタを、集光部の内表面側位置を横切るように配設するようにすることもできる（請求項３）。このようにすることにより、集光部で受光・集光された光から赤外線部分をカットして紫外線領域の光だけを受光素子に入射させることが可能となって青火燃焼による火炎検知をより効果的に行い得ることになる。これにより、青火でかつ低照度の燃焼火炎の火炎検知をより一層確実に行い得るようになる。

以上、説明したように、請求項１の燃焼機における火炎検知装置によれば、外表面が前方に半球状に膨出しかつ多面体形状に形成された集光部によって、前方のみならずその周囲をも含めた広範な範囲からの入射光を受光することができるようになり、従来の前方の一定方向からの入射光を受光させるようにしたものと比較して、より低照度の燃焼火炎の光を効率よく集光して受光素子に入射させることができるようになる。これにより、低照度の燃焼火炎についても確実に火炎検知することができるようになる。

請求項２又は請求項３の燃焼機における火炎検知装置によれば、光センサに対し結合させたキャップ部材に備えられ、外表面が前方に半球状に膨出しかつ多面体形状に形成された集光部によって、前方のみならずその周囲をも含めた広範な範囲からの入射光を受光することができるようになり、従来の前方の一定方向からの入射光を受光させるようにしたものと比較して、より低照度の燃焼火炎の光を効率よく集光して受光素子に入射させることができるようになる。これにより、請求項１の場合と同様に、低照度の燃焼火炎についても確実に火炎検知することができるようになる。さらに、その上に、従来ある光センサに対し上記のキャップ部材を結合させるだけで、上記の如き効果を得ることができ、既存の燃焼機に対しても、又、新たに燃焼機に対しても、火炎検知装置を設置する場合に、従来用いられている光センサの有効活用を図ることができる。

特に、請求項３によれば、紫外線透過フィルタをさらに付加することにより、集光部で受光・集光された光から赤外線部分をカットして紫外線領域の光だけを受光素子に入射させることができるようになって、青火燃焼による火炎検知をより効果的に行うことができることになる。これにより、青火でかつ低照度の燃焼火炎の火炎検知をより一層確実に行うことができるようになる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は以下の各実施形態の火炎検知装置を適用した燃焼機の例を示している。この燃焼機は、液体燃料を噴射して下向きに燃焼火炎Ｒを形成するガンタイプの燃焼ノズル１を有するものであり、燃焼ノズル１の近傍には点火器としてのイグナイタ２と、火炎検知装置の一部を構成する受光要素３が設置されている。なお、燃焼火炎が下向きに形成される点は本発明が対象とする燃焼機にとって必須のものではなく、形成される燃焼火炎が上向きもしくは横向きであろうが本発明の対象足り得るものである。

上記受光要素３は上記燃焼火炎Ｒの斜め後方位置（燃焼ノズル１の一側位置）に位置し、その燃焼火炎Ｒが延びる方向に対し斜めに交差する向きに配向するように配置されている。つまり、燃焼火炎Ｒが中心軸Ｘ方向に延びているのに対し、この中心軸Ｘに対し受光中心軸Ｙが斜め後方から交差するように受光要素３が配置されているのである。なお同図中の符号４はその先端に上記受光要素３を所定配置になるように支持して内部に出力ライン等が配置される管状の支持杆である。

そして、火炎検知装置は、上記の受光要素３と、この受光要素から出力される電気信号に基づいて燃焼火炎Ｒの状態（例えば着火もしくは消火）を検知・判定する制御部とから構成されている。

以下、上記の受光要素３についての各実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図２は上記受光要素３の第１実施形態を示し、この第１実施形態は受光要素３が光センサ５により構成されたものである。第１実施形態の光センサ５は、円筒状の支持枠５１と、この支持枠５１の基部位置に配設された受光素子としてのセンサ本体５２と、上記支持枠５１の先端位置に配設されたガラス製の集光部５３とを備えて構成されている。なお、同図中の符号５２１，５２１はセンサ端子である。

上記センサ本体５２は入射した光に応じて電流信号を出力するものであり、その電流信号又は電流信号から変換された電圧信号を図示省略のコントローラに出力するようになっている。コントローラではかかる出力信号に基づいて火炎検知を行うようになっている。

上記集光部５３は、その内表面５３１が上記センサ本体５２の前面と相対向し、外表面５３２がセンサ本体５２の前方（図２の下方）に向くように上記支持枠５１により支持されており、外表面５３２から受光した光を上記センサ本体５２に向けて集光する役割を果たすものである。上記集光部５３は、上記外表面５３２が全体として前方に向けて半球状に膨出しかつその外表面５３２が多数の平面５３３，５３３，…で囲まれた多面体形状に形成されている。

上記の「多面体形状」における「多面体」とは、４つ以上の平面で囲まれた立体のことである。上記集光部５３の外表面５３２としては、全方位からの光を効率よく受光し得るように上記の平面５３３の数が多いほど好ましい。すなわち、集光部５３の外表面５３２を全体として前方に向けて半球状に膨出させかつその外表面５３２を多数の平面５３３，５３３，…で囲まれた多面体形状に形成することで、センサ本体５２よりも前方のほぼ全ての方向からの光を受光し得るようになっている。つまり、従来は受光中心軸Ｙを中心とする比較的狭い受光角度の範囲からの光を狙って受光させているのに対し、本発明では上記受光中心軸Ｙに沿った前方から受光中心軸Ｙに直交する側までのほぼ全ての方向からの光を受光し得るようにしている。このため、燃焼火炎Ｒが青火燃焼の如き低照度の火炎であっても、その低照度の光を広く効率よく受光してセンサ本体５２に集光させることができ、これにより、低照度の燃焼火炎であってもその火炎検知を確実に行うことができるようになる。

ここで、「多面体」としては、正多面体（全ての平面が正多角形で隣り合う平面のなす角度が互いに等しい多面体）、準正多面体、星形多面体（正多面体の各面に正多角錐を貼りつけたような多面体）、菱形多面体（合同な菱形のみで構成されている多面体）等があり、これらの全ての形状を適用し得る。適用する際には、これらを例えば赤道ラインにて切断してこの切断面により上記の内表面５３１を構成させるようにすればよい。

以下、例示すると、図３には外表面５３２が凸多面体に類似する形状を有する集光部５３ａを示している。ここで、「凸多面体」とは、多面体を構成するどの平面を延長してもその延長面が多面体を切ることがないような形状の多面体のことをいう。つまり、外表面５３２を構成するどの平面５３３を延長させても外表面５３２を切ることがないように、外向きに凸とされているものである。このような外表面５３２は様々な方向からカット面を形成することにより上記の個々の平面５３３を形成するようにすればよい。

図４（ａ）には外表面５３２が星形多面体（例えばステラ・オクタンギュラ）に類似する形状を有する集光部５３ｂを示している。この集光部５３ｂの例のように外向きに凹と凸とが混在するような多面体形状を有するように外表面５３２を形成してもよいのである。又、図４（ｂ）には凸多面体と星形多面体とのそれぞれの外表面形状を混在させたような外表面５３２を構成した集光部５３ｃを示している。

＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る受光要素３を示し、この第２実施形態は受光要素３が光センサ６と、これに着脱可能に結合されるキャップ部材７とにより構成されたものである。上記の光センサ６は、従来用いられているもの（図８参照）と同様構成のもの用いられ、この従来から用いられている光センサ６に対し上記のキャップ部材７を結合させることにより本発明の火炎検知装置の主要部である受光要素３を構成するようにしている。なお、光センサ６の詳細構成については、図８の説明と同様であるため、図８に付した符号と同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

上記キャップ部材７は、先端側に配設された集光部７１と、この集光部７１を支持して集光部７１を上記光センサ６に対し着脱可能に結合させる支持部７２とを備えて構成されている。

上記集光部７１は、第１実施形態の集光部５３と同様の構成を備えたものである。すなわち、平面状に形成された内表面７１１を有し、この内表面７１１から外表面７１２が受光中心軸Ｙに沿って前方（図５の下方）に向けて全体として半球状に膨出しかつその外表面７１２が多数の平面７１３，７１３…で囲まれた多面体形状に形成されている。そして、上記の外表面７１２から受光した光を上記光センサ６のセンサ本体６２に向けて集光する役割を果たすようになっている。なお、上記の「多面体形状」における「多面体」の定義、適用し得る多面体の種類、あるいは、平面７１３の数が多いほど好ましい点などは、第１実施形態において説明した事項と同じである。又、上記の外表面７１２の具体形状として、凸多面体に類似した形状（図３参照）、星形多面体に類似した形状（図４（ａ）参照）、混在した形状（図４（ａ）参照）を採用し得る点も、第１実施形態と同様である。

上記支持部７２はその先端面が集光部７１の内表面７１１に密着した状態で結合され、基端部側に光センサ６を内嵌させるための凹部７２１が形成されたものである。このような支持部７２は図例の如くガラスにより密実に構成してもよいし、支持枠６１（図８参照）の如く金属等で円筒状のもので構成してもよい。そして、支持杆４等に対しビス止め、クリップ止め等の手段により着脱可能に固定し得るようにすればよい。

以上のキャップ部材７を光センサ６に結合させると、キャップ部材７の集光部７１によって前方のほぼ全ての方向からの光を受光して光センサ６に対し入射させ得るようになる。つまり、第１実施形態において説明した如く、従来は受光中心軸Ｙを中心とする比較的狭い受光角度の範囲からの光を狙って受光させているのに対し、上記受光中心軸Ｙに沿った前方から受光中心軸Ｙに直交する側までのほぼ全ての方向からの光を受光して光センサ６に入射させ得るようになる。このため、燃焼火炎Ｒが青火燃焼の如き低照度の火炎であっても、その低照度の光を広く効率よく受光してセンサ本体５２に集光させることができ、これにより、低照度の燃焼火炎であってもその火炎検知を確実に行うことができるようになる。その上、既に使用中の燃焼機に設置されている既存の光センサ６や、新規に製造された燃焼機に設置される光センサ６をそのまま活用しつつも、本実施形態のキャップ部材７を結合させるだけで上記の如き作用効果を得ることができるようになる。

図６には、上記のキャップ部材７に紫外線透過フィルタ８を付設した例を示す。具体的には凹部７２１の奥底に装着して光センサ６よりも前面側位置において受光中心軸Ｙを横切るように配設されている。このように紫外線透過フィルタ８を付設することにより、青火燃焼の火炎からの光を効果的に捉えてその火炎検知をより一層確実に行うことができるようになる。具体的には、例えば青火燃焼の青火波長に基づいて、紫外線透過フィルタ８の透過後の波長と、センサ本体６２の感度波長とが互いにマッチングするように設定すればよい。

＜第３実施形態＞
図７は、本発明の第３実施形態に係る受光要素３を示し、この第３実施形態は第２実施形態と同様に受光要素３として光センサ６と、これに着脱可能に結合されるキャップ部材９とにより構成されたものである。

このキャップ部材９は、前方に膨出する凸レンズ状の集光部９１と、この集光部９１を前面に支持して基端側に光センサ６を孔部９２１内に内嵌させて着脱可能に結合させえる支持部９２とを備えて構成されたものである。上記の集光部９１はその外表面９１１の全面が多数の平面にカットされたカット面９１２の集合として形成されており、そのカット面９１２はそれぞれランダムな向きに配向されている。

かかる本実施形態のキャップ部材９によっても、その集光部９１から第２実施形態と同様に前方のほぼ全ての方向からの光を受光して光センサ６に対し入射させ得るようになる上に、第２実施形態と同様に既設置又は既製の光センサ６を活用することができる。

本発明の実施形態が適用される燃焼機の例を示す模式図である。 第１実施形態の受光要素である光センサを示す断面説明図である。 第１実施形態の光センサの例を示す図であり、図３（ａ）は断面模式図、図３（ｂ）は天地を逆転させた状態の斜視図である。 第１実施形態の光センサの例として図３とは異なる例を示す図であり、図４（ａ）及び図４（ｂ）はそれぞれ斜視図を示す。 第２実施形態の受光要素を示す断面説明図である。 図５のものに紫外線透過フィルタを付設した例を示す図５相当図である。 第３実施形態の受光要素を示す図であり、図７（ａ）は断面説明図、図７（ｂ）斜視図である。 従来用いられている光センサの例を示す断面説明図である。

符号の説明

６ 光センサ
７，９ キャップ部材
８ 紫外線透過フィルタ
５２ センサ本体（受光素子）
５３，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ 集光部
７１，９１ 集光部
５３２，７１２，９１１ 外表面
５３３，７１３， 平面
９１２ カット面（平面）

Claims (3)

1. 燃焼機の燃焼火炎の状態を検知する燃焼機における火炎検知装置であって、
   上記燃焼火炎からの入射光を受けて電気信号に変換する受光素子と、この受光素子の前面側に配設され外表面に受光した光を上記受光素子に対し集光する集光部とを備え、
   上記集光部は、上記外表面が全体として前方に向けて半球状に膨出しかつその外表面が多数の平面で囲まれた多面体形状に形成されている
   ことを特徴とする燃焼機における火炎検知装置。
2. 燃焼機の燃焼火炎の状態を検知する燃焼機における火炎検知装置であって、
   上記燃焼火炎からの入射光を受けて電気信号に変換する受光素子を有する光センサと、この光センサに対し結合可能なキャップ部材とからなり、
   上記キャップ部材は、上記光センサに結合された状態で上記受光素子の前面側に位置して外表面に受光した光を上記受光素子に対し集光する集光部を備え、
   上記集光部は、上記外表面が全体として前方に向けて半球状に膨出しかつその外表面が多数の平面で囲まれた多面体形状に形成されている
   ことを特徴とする燃焼機における火炎検知装置。
3. 請求項２記載の燃焼機における火炎検知装置であって、
   上記キャップ部材には紫外線透過フィルタが内蔵され、この紫外線透過フィルタは集光部の内表面側位置を横切るように配設されている、燃焼機における火炎検知装置。

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