JP2007093065A

JP2007093065A - 石油焚き給湯器における火炎検出装置

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Publication number: JP2007093065A
Application number: JP2005281218A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Otomo; 一朗大友
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】燃焼火炎についてフォトダイオードを用いて火炎検出する場合に、一般灯油やＧＴＬ燃料等の石油燃料の種別が相違していても、青火〜赤火の火炎照度の異なるあらゆる燃焼火炎でも安定的かつ確実に火炎検出し得る火炎検出装置を提供する。
【解決手段】逆電圧をフォトダイオードのカソード側に印加し負荷抵抗を付設した火炎検知回路とする。フォトダイオードに印加される逆電圧を１５Ｖにし、負荷抵抗の抵抗値を２．０〜１０．０ｋΩの範囲に設定することにより、フォトダイオードに発生する光電流値を１．０〜５．０ｍＡの範囲に制限する。
【選択図】図７

Description

本発明は、灯油や後述のＧＴＬ燃料等の石油燃料を燃焼させることにより給湯用の水を加熱する石油焚き給湯器において、燃焼火炎の状態を検出するために用いられる石油焚き給湯器における火炎検出装置に関する。

火炎検出装置としては、燃焼火炎の光をフォトダイオード等の受光素子（光センサ）により電気信号に変換し、この電気信号出力に基づいて着火と消火とを検知するようにしたものが従来から知られている（例えば特許文献１参照）。このものでは、燃焼火炎からの入射光量をフォトダイオードにより電流信号に変換し、フォトダイオードから出力された電流信号を電流電圧変換回路により電圧信号に変換し、変換した電圧信号をＡＤ変換によりデジタル信号に変換した上で、このデジタル信号による出力値が予め設定された着火判定値よりも大であればＯＮ出力する一方、消火判定値よりも小であればＯＦＦ出力するようになっている。そして、ＯＦＦからＯＮへの変化により着火検知とする一方、ＯＮからＯＦＦへの変化により消火検知とするようになっている。

特開２００４−２３２９７１号公報

ところが、上記従来の火炎検出装置の如きフォトダイオードを光センサとして用いた場合に、燃焼火炎の検出を確実に行い得ないおそれが考えられる。

すなわち、低ＮＯx燃焼化等の如くよりクリーンな燃焼や効率的な燃焼の実現に向けて開発が進められているが、かかる開発を進めると燃焼火炎がより青火燃焼の傾向となり、燃焼火炎の照度がより低くなってその燃焼火炎の発する光量がより減少する結果、受光素子からの出力がより微弱化してしまい、正確なもしくは確実な着火検知や消火検知等が得難くなることが考えられる。特に近年、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低ＮＯx燃焼の実現は図られるものの、その燃焼が従来のものよりも青火燃焼の傾向となる。かかる青火燃焼火炎は照度が低く火炎の発光量が弱くなり、これに伴い光センサからの出力が極めて微弱化してしまう結果、着火検知等を正確に行い得ないおそれが考えられる。

ここで、図１１に示すように逆電圧接続方式のフォトダイオードＰＤを例にすると、フォトダイオードＰＤは電流素子であるため、光電流Ｉ_Ｃとしては受けた光の光量（あるいは燃焼火炎の照度）に比例した起電流が生じるものの、生じる光電流Ｉ_Ｃそのものは同じ照度であっても負荷抵抗Ｒ_Ｌの大小や、逆電圧（印加電圧）Ｖ_Ｒの大小によって変化する。すなわち、同じ照度であっても、負荷抵抗Ｒ_Ｌが小さいほど、あるいは、印加電圧Ｖ_Ｒが大きいほど、より大きい光電流Ｉ_Ｃが生じることになる。このため、フォトダイオードＰＤを火炎検出に用いる場合には、上記の如き低ＮＯx化火炎又はＧＴＬ燃料による燃焼火炎のような火炎照度の弱い青火燃焼火炎光を検出するために、負荷抵抗Ｒ_Ｌを小さくするか、あるいは、印加電圧Ｖ_Ｒを大きくすることにより、生じる光電流Ｉ_Ｃをより増加させるように回路を構成することが考えられる。

しかしながら、青火燃焼火炎（低照度の火炎）の検出に重きをおいて負荷抵抗Ｒ_Ｌをあまりに小さくすると検出ゲインの増大により例えば燃焼揺らぎ等によるノイズを拾ってしまい、誤検出防止の対策を考慮する必要が生じる一方、赤火燃焼火炎（高照度の火炎）の存在を考慮して上記とは逆に負荷抵抗Ｒ_Ｌをあまりに大きくして検出ゲインを低下させると上記の青火燃焼火炎の検出が困難となってしまう。その上に、フォトダイオードＰＤを用いた青火燃焼火炎の適切かつ確実な検出には、この負荷抵抗Ｒ_Ｌと印加電圧Ｖ_Ｒとを適切に組み合わせる必要があり、上記の負荷抵抗Ｒ_Ｌの値設定のみならず、印加電圧Ｖ_Ｒとの関係をも適切に設定する必要がある。

又、一般灯油や、上記のＧＴＬ燃料等の液体燃料を燃焼させる石油焚き給湯器における火炎検出装置において上記のフォトダイオードＰＤを用いて火炎検出する場合には、上記の負荷抵抗や印加電圧の他に、火炎検出装置のデバイス特性の如何、燃焼状態の如何、そして、燃料の如何を考慮する必要がある。すなわち、デバイス特性としては、フォトダイオードＰＤ自体の特性としてこれに流れる電流値を所定の最大電流よりも小さく制限して保護する必要があるが、これに対処するために負荷抵抗Ｒ_Ｌを所定のものよりも小さく調整する必要がある。又、燃焼状態としては、上記の低ＮＯx燃焼化や、大燃焼時における火炎照度の低下をも考慮する必要がある。さらに、燃料としては、一般灯油の場合にはＧＴＬ燃料の場合と比べ赤火傾向となって火炎照度も増化する一方、ＧＴＬ燃料の場合には青火傾向となって火炎照度も低下するため、双方の場合の燃焼火炎をも適切に検出し得るようにする必要がある。

本発明は、以上のような特性や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、一般灯油やＧＴＬ燃料等の石油燃料を燃焼させる石油焚き給湯器においてフォトダイオードを用いて火炎検出する場合に、青火燃焼火炎の如き火炎照度の低い燃焼火炎をも含んだあらゆる燃焼火炎についても、確実かつ安定的にその火炎検出を行い得る火炎検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、燃焼機の燃焼火炎からの入射光を受けて光電流を出力するフォトダイオードと、その光電流に基づく出力値の如何によって上記燃焼火炎の状態を検出する火炎検知処理手段とを備えた石油焚き給湯器における火炎検出装置を対象にして、上記フォトダイオードに対する印加電圧を１５ボルトに設定し、かつ、上記フォトダイオードに対する負荷抵抗を２キロオームから１０キロオームの範囲の値に設定することにより、上記フォトダイオードに流れる光電流を１ミリアンペアから５ミリアンペアの範囲の値になるように制限することとした（請求項１）。

請求項１に係る発明の場合、フォトダイオードに流れる光電流値が１〜５ミリアンペア(ｍＡ)の範囲になるように制限されているため、光電流値があまりに小さくなって外乱に弱くなる結果、安定的な火炎検知の実現が困難になる事態に陥ったり、あるいは、光電流値がかなり大きくなって火炎検知自体は十分に行い得るものの検出ゲインが高くなりすぎて燃焼揺らぎ等のノイズを拾い易くなる結果、確実な火炎検知の実現が困難になる事態に陥ったりという不都合を共に発生させることなく、青火燃焼火炎等の低火炎照度のものから赤火燃焼火炎等の高火炎照度のものまで安定的にかつ確実に火炎検出が行い得ることになる。

又、このような光電流値の範囲を実現させる手段として、上記フォトダイオードに対する印加電圧を１５ボルトに、負荷抵抗を２キロオームから１０キロオームの範囲の値にそれぞれ設定して組み合わせることにより、詳細を後述するように、上記フォトダイオードに流れる光電流を１〜５ｍＡの範囲の値に制限させることが可能となり、上記の作用を容易かつ確実に得られることになる。

なお、上記の各発明におけるフォトダイオードとして、光の入射側に集光レンズが付設されたレンズタイプのものを用いることができる（請求項２）。このようなレンズタイプフォトダイオードを用いることにより、燃焼火炎に対する指向特性を集光レンズのないものと比べ極狭い範囲に絞ることが可能となり、燃焼火炎の光をスポット的にかつ重点的に受光部に対し入射させることが可能になる。この結果、検知感度をより上げることができ、青火燃焼火炎等の火炎照度の低い燃焼火炎に対しても、その火炎検出の確実性をより増大させ得ることになる。

又、上記の石油焚き給湯器は、その燃焼機が灯油又は合成液体燃料(ＧＴＬ燃料)を燃料として燃焼されるものであり（請求項３）、いずれの石油燃料が使用される場合であっても、その燃焼機の燃焼火炎を確実に検出し得るようになる。

以上、説明したように、請求項１〜請求項３のいずれかの石油焚き給湯器における火炎検出装置によれば、大燃焼状態か否かの燃焼状態の如何、又は、一般灯油かＧＴＬ燃料かの石油燃料の如何によって、燃焼機における火炎照度が青火燃焼火炎等の比較的低いものから赤火燃焼火炎等の比較的高いものまで変化するようなあらゆる燃焼火炎を対象にしたとしても、それらの燃焼火炎の火炎検出を安定的にかつ確実に行うことができるようになる上に、かかる効果を容易な手段により確実に得ることができるようになる。特に、請求項２によれば、検知感度の増大化により火炎検出の確実性をより増大させることができ、請求項３によれば、石油焚き給湯器が一般灯油やＧＴＬ燃料等のいずれの石油燃料を燃料として使用される場合であっても、その燃焼機の燃焼火炎を確実に検出することができる。

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、本発明の実施形態に係る火炎検出装置を適用した石油焚き給湯器（以下、単に「給湯器」ともいう）の基本構成例を示す。この給湯器は、燃焼機１と、燃焼機１からの燃焼熱により熱交換加熱する熱交換器２と、水道管等と接続されて上記熱交換器２に対し水道水等を給水する給水路３と、上記熱交換器２により加熱された湯が出湯され図示省略の給湯路を通して下流側の給湯カラン等に対し給湯するための出湯路４とが、ケース５内に設置されたものである。なお、本発明を適用する上で、一般灯油又はGTL燃料等の石油燃料を燃焼させ、この燃焼熱で水を加熱して給湯の用に供する石油焚き給湯器であれば、その機構・構造等を問わずに本実施形態にて示す以外の石油焚き給湯器に対しても、本発明の火炎検出装置を適用することができる。

上記燃焼機１は、図示省略の燃料供給系から供給された一般灯油又はGTL燃料等の石油燃料を燃焼する燃焼バーナ６と、この燃焼バーナ６に対し燃焼用空気を供給する送風ファン７と、点火器としてのイグナイタ８とを備えている。上記燃焼バーナ６は、例えばガンタイプバーナにより構成され、上記の石油燃料を霧化させて燃焼させるように構成されている。そして、上記燃焼バーナ６の近傍には燃焼バーナ６に形成される燃焼火炎に基づく発光を入射させてその光量（照度）に比例した電流信号を出力するフォトダイオードＰＤにより構成された受光素子９が配設されている。

又、上記給水路３には流量調整のための電磁弁１０と、給水流量を検出する流量センサ１１とが介装される他、ケース５内の適所にコントローラ１２が配設されている。かかるコントローラ１２は、ＣＰＵ、メモリ、記憶装置等を備え、予め搭載されたプログラムに基づいて上記の燃焼機１の燃焼制御を含む給湯制御を行う給湯制御部等の他に、燃焼バーナ６の燃焼火炎の状態を検知する火炎検出装置の制御上の処理部分（例えば後述の火炎検知処理部等）の各制御を実行するようになっている。

上記給湯制御部は、例えば図示省略の給湯カランがユーザにより開かれて給水路３からの給水が入水し、この流量が所定の最低作動流量以上になったことを流量センサ１１からの検出情報により確認した上で、燃料供給系を作動（例えば燃料供給弁を開作動）させてイグナイタ８により燃焼バーナ６を着火させるようになっている。そして、図示省略の出湯温度センサからの検出温度に基づいて給湯温度が所定の給湯温度になるように燃焼バーナ６の燃焼量を調整しつつ給湯を継続させる。その際に、送風ファン７の作動制御により空気供給量を燃焼量等に応じて変化させる。給湯カランの閉作動に伴い流量センサ１１からの検出情報が最低作動流量を下回れば、燃焼供給系の燃料供給を停止し燃焼バーナ６を消火させ、消火後の一定時間だけ送風ファン７を作動させて燃焼排気ガスの掃気を行う。以上の処理を火炎検知処理部から出力される着火検知又は消火検知の出力に基づいて実行し、燃焼開始させたにも拘わらず着火検知が出力されない場合には燃焼不良発生と判定して燃焼の強制停止処理を実行するなどの安全処理を実行するようになっている。

図２〜図４は火炎検出装置を構成する回路例及びコントローラ１２を示し、同図中の符号１３は火炎検知回路、１４，１５，１６はいずれも電流−電圧変換した後にコントローラ１２の火炎検知処理部１２１に読み込むための読み込み回路である。第１の回路例(図２)、第２の回路例（図３）及び第３の回路例（図４）のいずれの回路例においても、火炎検知回路１３は受光素子９を構成するフォトダイオードＰＤのカソード側に対し逆電圧電源１７から逆電圧が印加されるように逆電圧接続方式に構成されるとともに、特定の抵抗値範囲に設定された負荷抵抗１８が付設されて回路構成されている。

第１〜第３の回路例について簡単に説明すると、第１の回路例（図２）はコンパレータ１４１を用いた読み込み回路１４を上記の火炎検知回路１３に対し組み合わせたものであり、第２の回路例（図３）はオペアンプ１５１を用いて光電流を増幅する読み込み回路１５を上記の火炎検知回路１３に組み合わせたものであり、第３の回路例（図４）はオペアンプ等を省略し電流−電圧変換のみにより読み込むようにした読み込み回路１６を上記の火炎検知回路１３に組み合わせたものである。

ここで、上記の火炎検知回路１３のフォトダイオードＰＤとしては、その入射部に集光レンズが付設されたレンズタイプのものを用いるのが好ましい。かかるレンズタイプのフォトダイオードＰＤを用いた場合の受光素子９は、図５に例示するように、円筒状の支持枠９１内に受光部９２を保持させる一方、その支持枠９１の先端側に集光レンズ９３を設置し、この集光レンズ９３により集光された燃焼火炎の光を上記受光部９２に入射させるようにすることにより、入射する光の指向特性を狭い範囲に絞るようにしたものである。なお、同図中の符号９４，９４は上記受光部９２に接続されたセンサ端子(電極)である。

又、上記の負荷抵抗１８は、その抵抗値が２ｋΩ〜１０ｋΩの範囲になるように設定されている。本実施形態では、フォトダイオードＰＤに印加される逆電圧値が１５Ｖに設定され、フォトダイオードＰＤはこれに流れる許容最大電流値（フォトダイオードの損傷回避のためにデバイス仕様上から要求されるもの）が１０ｍＡのものとされている。かかる条件下において、上記フォトダイオードＰＤに流れる光電流値として、上記の許容最大電流値よりも小さく、かつ、火炎検出を安定的かつ確実に行うことができるように１．０ｍＡ〜５．０ｍＡの範囲内に制限することとし、これを実現させるために負荷抵抗１８の抵抗値を上記範囲に設定したものである。

そして、上記の火炎検知処理部１２１は、上記フォトダイオード９からの光電流信号に基づく出力値の如何に応じて着火検知及び消火検知の各判定処理を行うようになっている。具体的には、上記出力値が予め設定された所定の着火判定値を境にして小値側から大値側へ変動すれば着火検知と判定する一方、着火検知後の出力値が上記と同様に予め設定された消火判定値を境にして大値側から小値側へ変動すれば消火検知と判定するようになっている。かかる火炎検出に用いられる上記出力値は、上記光電流信号を電流電圧変換回路（例えば抵抗を利用）による電圧信号への変換や、Ａ／Ｄ変換を経て上記火炎検知処理部１２１に取り込まれるようになっている。なお、アナログ信号として火炎検知処理部１２１に取り込んで連続的な変化を監視することにより、振動燃焼やその他の異常燃焼等が発生したことの判定・検出も可能となる。かかる火炎検知処理部１２１と、上記の読み込み回路１４，１５，１６のいずれかとによって、火炎検知処理手段が構成されている。

石油焚き給湯器に搭載されている実際の燃焼機を用いて、本発明の作用・効果を確認する確認試験を実施した。

図６に試験に用いた燃焼機１ａを示す。この燃焼機１ａに対し図４に示す最も基本的な構成を有する火炎検出装置を適用した。

上記の燃焼機１ａの構成について簡単に説明すると、図６の左右方向である横向きに延びるバーナケース２１の内部に、石油燃料を前方(同図の左方)に噴霧して燃焼筒２２内で燃焼させる噴霧ノズル２３と、この噴霧ノズル２３を同心状に囲む内側仕切筒２４と、外側仕切筒２５とが配設されている。上記バーナケース２１の上側には燃焼用の空気を供給するための送風筒２６が連結され、この送風筒２６からの空気が供給口２２１からバーナケース２１内に流され、この空気が供給口２５１を通して外側仕切筒２５と内側仕切筒２４との間に流される一方、供給口２４１，２４１，…を通して内側仕切筒２４内の噴霧ノズル２３側に流されるようになっている。上記噴霧ノズル２３の前端側には点火器２７が配設される一方、上記噴霧ノズル２３の外周側位置であってやや後側位置に火炎検出装置の火炎検知回路１３(図４参照)の受光素子９が噴霧ノズル２３のやや前方に臨んで配設されている。この受光素子９の周囲には、これを取り囲むように空冷ガイド２８が設置されており、この空冷ガイド２８と受光素子９との間の環状隙間に対し上記供給口２４１から導入される空気が燃焼筒２２側に向けて流されて、受光素子９の冷却を行うようになっている。

試験条件は次の通りとした。燃焼状態としては、上記燃焼機１ａを消火状態から着火してほぼ最大燃焼状態での同じ燃焼作動を行った。つまり、火炎照度の低い最大燃焼にして後述の石油燃料の如何に拘わらず同一燃焼作動を実施した。石油燃料としては、一般灯油と、ＧＴＬ燃料との２種類を個別に用いて燃焼させた。フォトダイオードＰＤに対する印加電圧として逆電圧電源１７から逆電圧として１５Ｖを印加し、負荷抵抗１８の抵抗値を種々に変化させて、生じる光電流値及びコントローラ１２での検知電圧値について測定した。

光電流値と負荷抵抗値との関係についての試験結果を図７に示す。図７においては、石油燃料として一般灯油を用いた場合を黒丸印にて示し、ＧＴＬ燃料を用いた場合を白丸印にて示している。この図７の試験結果について検知電圧値の測定結果と対応させて検討すると、負荷抵抗値に応じて図７にＡ，Ｂ，Ｃにて示す３つの領域に分けられることが判明した。すなわち、負荷抵抗値が２．０ｋΩ未満の領域Ａ(図７参照)では、光電流値がかなり大きくなって一見すると検知が容易に行い得るように見えるものの、図８に同領域Ａにおける検知電圧値の連続的な変化を示すように検出ゲインの増大によりノイズを非常に受け易くなり（検出波形の乱れ参照）、外乱に基づく燃焼揺らぎ等の影響を受け易く、安定的な火炎検出は困難になると考えられる。なお、図８は、その下半部に、上半部の時間ｔ１〜ｔ２間の検知電圧値の変化を拡大して示しており、以下の図９及び図１０についても同様である。

一方、負荷抵抗値が２．０〜１０．０ｋΩの領域Ｂ(図７参照)では、例として負荷抵抗値が５．０ｋΩ以下の場合の検知電圧値を図９に示すように、乱れのない安定した検知電圧に基づき火炎検知を安定的かつ確実に行い得るものと考えられる。つまり、一般灯油かＧＴＬ燃料かの石油燃料の如何に拘わらず、安定的かつ確実に火炎検出が可能となる。そして、負荷抵抗値が１０．０ｋΩよりも大の領域Ｃ(図７参照)では、検知電圧による検知は可能とはなるものの(図１０参照)、光電流値が０．５ｍＡ程度と低くて(図７参照)、外乱を受けた場合には確実な火炎検出は困難になるものと考えられる。

以上より、フォトダイオードＰＤに対する印加電圧と、負荷抵抗との組み合わせにおいて、逆電圧電源１７から印加される逆電圧として１５Ｖを、負荷抵抗１８の抵抗値として２．０〜１０．０ｋΩをそれぞれ選択して、フォトダイオードＰＤからの光電流値が１．０〜５．０ｍＡの範囲となるようにすることにより、火炎検出を安定的かつ確実に行い得ることが確認できた。

本発明の実施形態が適用される石油焚き給湯器の例を示す模式図である。火炎検出装置の回路例を示す図である。図２とは異なる火炎検出装置の回路例を示す図である。図２及び図３とは異なる火炎検出装置の回路例を示す図である。受光素子としてレンズタイプのフォトダイオードを示す一部切欠正面説明図である。実施例で用いた燃焼機の端面説明図である。負荷抵抗値と光電流値との関係についての試験結果を示す図である。図７の領域Ａにおいて検知電圧値の時間経過に伴う変化について測定結果を示す図である。図７の領域Ｂにおいて検知電圧値の時間経過に伴う変化について測定結果を示す図である。図７の領域Ｃにおいて検知電圧値の時間経過に伴う変化について測定結果を示す図である。フォトダイオードを用いた回路例を示す図である。

符号の説明

１燃焼機
９受光素子(フォトダイオード)
１３火炎検知回路
１４，１５，１６読み込み回路(火炎検知処理手段)
１８負荷抵抗
９３集光レンズ
１２１火炎検知処理部（火炎検知処理手段）
ＰＤフォトダイオード

Claims

燃焼機の燃焼火炎からの入射光を受けて光電流を出力するフォトダイオードと、その光電流に基づく出力値の如何によって上記燃焼火炎の状態を検出する火炎検知処理手段とを備えた石油焚き給湯器における火炎検出装置であって、
上記フォトダイオードに対する印加電圧を１５ボルトに設定し、かつ、上記フォトダイオードに対する負荷抵抗を２キロオームから１０キロオームの範囲の抵抗値に設定することにより、上記フォトダイオードに流れる光電流を１ミリアンペアから５ミリアンペアの範囲の値になるように制限してなる
ことを特徴とする石油焚き給湯器における火炎検出装置。
請求項１に記載の石油焚き給湯器における火炎検出装置であって、
上記フォトダイオードとして、光の入射側に集光レンズが付設されたレンズタイプのものを用いてなる、石油焚き給湯器における火炎検出装置。
請求項１又は請求項２に記載の石油焚き給湯器における火炎検出装置であって、
上記燃焼機は灯油又は合成液体燃料を燃料として燃焼されるものである、石油焚き給湯器における火炎検出装置。