JP2008185318A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常の灯油に代わってＧＴＬ灯油等の別種類の灯油を使用しても炎の有無を誤検知する可能性が更に低い燃焼装置の開発を課題とする。
【解決手段】本発明の燃焼装置は灯油等の液体燃料を燃焼させるものであり、光学的センサを使用した炎検知手段を備えている。炎検知手段は、フォトトランジスタ等の光学的センサが一定の炎検知閾値を基準として炎の有無を判定する。燃焼装置が一定条件の下で燃焼している際の光学的センサの出力を検知し、当該出力が一定の感度変更閾値を基準とする所定範囲内にある場合に炎検知閾値を変更する閾値変更機能を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、給湯器その他に利用される燃焼装置に関するものであり、特に灯油等の液体燃料を使用し、且つ炎の有無を検知する機能を備えた燃焼装置に関するものである。

都市ガスが普及していない地域で使用される給湯器や暖房機等には、灯油等の液体燃料を使用した燃焼装置が採用される場合が多い。液体燃料を使用した燃焼装置は、気化式のものと噴霧式のものに分類される。気化式の燃焼装置は、液体燃料を加熱して気化し、この気化した燃料を燃焼させる。これに対して噴霧式の燃焼装置は、灯油等の液体燃料をノズルから噴霧し、これに直接着火する。
いずれの形式の燃焼装置にせよ、液体燃料を使用する燃焼装置では、使用可能な油種が限定されている。例えば家庭用の給湯器に使用する燃焼装置では、ＪＩＳ１号灯油が使用される。

またいずれの形式の燃焼装置にせよ、近年市販されている燃焼装置には、炎の有無を検知する炎検知手段を具備するものが多い。即ちこれらに使用される燃焼装置は、遠隔操作される場合が多く、使用者は直接的に火炎の有無を目視することができない。そのためこの種の燃焼装置では、着火や失火を確認するための炎検知手段を備えている。

炎検知手段にはイオン電流を検知するフレームロッドや、光学的センサを使用するものが多い。
特許文献１，２に開示されている燃焼装置は、光学的センサを使用するものであり、具体的にはフォトトランジスタを採用している。

フォトトランジスタを使用する炎検知手段は、火炎の有無によって周囲の照度が変化することを利用している。即ちＪＩＳ１号灯油等に着火すると、炎が発生し、光を発する。フォトトランジスタは、この光を検知して炎の発生を認識する。

特許文献１に開示されている燃焼装置では、炎検知手段の周囲環境の経年変化に対応するため、炎検知手段の検知値の変化度合いに応じて、失火後、失火判断のレベルを修正している。
特開平１０−５４５４９号公報 特開平８−２６１４４３号公報

前記したように、家庭で使用される燃焼装置は、使用可能な油種が決められている（例えばＪＩＳ１号灯油）から、これに着火した時の火炎は、所定の熱を発生する。また発生した火炎は、一定の光を放つこととなる。

ところで近年、天然ガスから製造されたＧＴＬ（Gas-to-Liquids）灯油が注目を集めており、すでに市販もされている。ＧＴＬ灯油は硫黄分・芳香族分等を含まないため、環境保護の観点から有用なものである。

ＧＴＬ灯油が燃焼して発生する火炎は、従来の灯油に比べて青みがかった色をしている。ところが、光学的センサの感度は受光する火炎の色によって違う。例えばフォトトランジスタは、赤色に強く反応し、青色側の色に対しては感度が低い。

炎検知手段は、単に火炎の有無を検知するものであるから、通常の灯油に代わってＧＴＬ灯油を使用しても誤検知する可能性は低い。しかしながら、燃焼装置を長期に渡って使用した場合、各部の経時変化や、煤、タール等の汚れの影響で、誤検知が生じる可能性は否定できない。

そこで本発明は、通常の灯油に代わってＧＴＬ灯油等の別種類の灯油を使用しても炎の有無を誤検知する可能性が更に低い燃焼装置の開発を課題とするものである。

上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、液体燃料を燃焼させる燃焼装置であって、光学的センサを使用した炎検知手段を備えた燃焼装置において、炎検知手段は、光学的センサが一定の炎検知閾値を基準として炎の有無を判定するものであり、さらに燃焼装置が一定条件の下で燃焼している際の前記光学的センサの出力を検知し、当該出力が一定の感度変更閾値を基準とする所定範囲内にある場合に前記炎検知閾値を変更する閾値変更機能を備えたことを特徴とする燃焼装置である。

前記した様に、通常の灯油とＧＴＬ灯油とでは燃焼させた時の火炎の色が異なる。そのため同じ条件で燃焼させても光学的センサの出力は相違する。そこで本発明では、一定条件の下で燃焼している際の光学的センサの出力が一定の感度変更閾値を基準とする所定範囲内にある場合に、炎検知閾値を変更することとした。即ち、本発明の燃焼装置は従来技術（特許文献１）の燃焼装置と異なり、燃料種類に応じた失火判断のレベルの設定にあたって、炎検知手段の周囲環境が経年変化する前の段階で、燃焼中における炎検知手段の検知値に基づいて失火判断のレベルを修正することができる。

請求項２に記載の発明は、感度変更閾値は、炎検知閾値よりも炎の照度が高い状態のときに光学的センサから出力される信号値であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置である。

炎検知閾値は、炎の有無を検知するための閾値であるから、低いレベルの閾値であることが望ましい（炎の照度が低い状態のときに検知可能な閾値）。これに対して感度変更閾値は、火炎のある状態を前提とするものであるから、炎検知閾値よりも高いレベルの閾値である（炎の照度が高い状態のときに検知可能な閾値）。

請求項３に記載の発明は、光学的センサは、フォトトランジスタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼装置である。

フォトトランジスタは、色による感度の相違が大きいので、本発明の燃焼装置に採用することが望ましいものである。

なお、閾値変更機能を動作させると、閾値が変更されることを禁止していない状態（許容する状態）となるが、閾値変更機能については、頻繁に動作させるべきではなく、その動作時期を燃料の種類が変わることが予想される場合に限定することが望ましい。
例えば、メインの電源を入れた後の最初の燃焼の際や、一定時間後に閾値変更機能を動作させる。これは燃焼装置が設置された最初の動作や、施工現場における試運転を終了した後を想定したものである。
即ち燃焼装置は日常的に使用されるが、メインの電源を切る機会は少ない。メインの電源を入れる場合としては、使用者の所に燃焼装置を設置し、運転を開始した場合が考えられる。この場合は、使用者が準備した燃料を使用して燃焼させる場合が多く、工場内で試運転した際の燃料と異なる燃料が使用されることが予想される。また使用者はその後もその燃料を使用するであろうと予想されるから、閾値変更機能を動作させる時期として適切である。
またメインの電源を入れた後から一定時間後に閾値変更機能を動作させるのは、施工現場における試運転を想定している。即ち施工現場においてもある程度の試運転がなされる場合が多いが、この時の燃料は、施工業者が持参する場合もある。そのため施工業者が持参した燃料を使い終え、使用者が自ら準備した燃料で運転する時期を見計らって閾値変更機能を動作させることも適切である。
即ち、閾値変更機能は、燃焼装置の初期設置段階で（即ち、炎検知手段による検知値が異なってしまう要因のうち、灯油種類以外の要因である、炎検知手段周辺の経年変化がなされる前の段階に限って）動作させることが特に望ましい。

また給油の度に閾値変更機能を動作させたり、燃料が増加したときに閾値変更機能を動作させてもよい。
もちろん、一定期間ごとや、定常燃焼が続いた場合といった一定の条件に至った時に繰り返し閾値変更機能を動作させてもよい。

また、停電等で燃焼装置のメインの電源が切れた場合に閾値変更機能を動作させることも適切である。即ち、漏電ブレーカが作動した場合や商用電源が停電した場合には、燃焼装置のメインの電源が切れることとなる。しかし、燃焼装置は一般にその制御部に電気的に不揮発性の記憶手段（ＥＥＰＲＯＭなど）を備えており、メインの電源が切れた場合であっても、その積算通電時間や積算運転時間などを不揮発性の記憶手段に記憶している。そこで、この不揮発性の記憶手段に記憶された積算通電時間などを元に、適当なタイミングで閾値変更機能を動作させることも適切である。

本発明の燃焼装置によれば、燃料の違いを検知して閾値を変更することが可能であり、通常の灯油に代わってＧＴＬ灯油等の別種類の灯油を使用しても炎の有無を誤検知する可能性が低い。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃焼装置の構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施形態に係る燃焼装置の動作を示すフローチャート図である。

図１に示す燃焼装置１は噴霧式の燃焼装置であり、給湯器等に使用されるものである。燃焼装置１は、燃料噴射ノズル２と、ノズル収納筒３と、燃焼筒５を備えている。燃料噴射ノズル２はノズル収納筒３内に収納されており、灯油等の液体燃料を燃焼筒５内に噴射するものである。ノズル収納筒３には、燃料噴射ノズル２から噴射された液体燃料に着火するためのイグナイタ７が装着されている。さらに、燃焼装置１には過熱防止用のハイリミット１２が設けられている。

ノズル収納筒３には、さらにフォトトランジスタ（光学的センサ）１０が装着されている。フォトトランジスタ１０は、液体燃料の燃焼状態を受光する光の強さをもって検知するために使用される。本実施形態では、フォトトランジスタ１０を含むフォトトランジスタ回路と後述する制御装置３５との組み合わせで、炎検知手段が構成されている。当該フォトトランジスタ回路ではフォトトランジスタ１０の検知信号がコレクタから取り出されており、受光する光が強い（照度が大きい、明るい）ほど検出される電圧値が低くなり、受光する光が弱い（照度が小さい、暗い）ほど検出される電圧値が大きくなるように構成されている。

燃料噴射ノズル２は燃料を噴射する噴霧開口を有し、さらに、噴霧開口に至る往き側流路と、噴霧開口から戻る戻り側流路をその内部に有する。燃料噴射ノズル２の入口側は燃料往路１６に、出口側は燃料復路１８に接続されている。燃料往路１６には電磁ポンプ１７が設けられている。燃料復路１８には液体燃料の温度を検知するオイルサーモ２０と、所定量の液体燃料を燃料往路１６側に供給するための入力制御弁２１が設けられている。
液体燃料は、燃料タンク１５から供給されて燃料往路１６に送られて、電磁ポンプ１７を経て燃焼噴射ノズル２の往き側流路に入る。往き側流路に入った液体燃料の一部は噴霧開口から噴射され、残余は戻り側流路を経て燃料復路１８へ戻される。戻された液体燃料は入力制御弁２１で所定の流量となるように調整されて、燃料タンク１５から補充される液体燃料とともに再び燃料往路１６へ送られる。

燃焼装置１は、燃焼に必要な空気を供給する送風手段をさらに備えている。送風手段はファンモータからなる送風機２５とダンパ２７を中心に構成されている。送風機２５から供給された空気は、ダンパ２７で分流されて、上流側送風通路３０と下流側送風通路３１へ送られる。上流側送風通路３０に送られた空気は１次空気、下流側送風通路３１に送られた空気は２次空気として液体燃料の燃焼時に利用される。送風機２５には送風量を制御するための回転数センサ２６が設けられている。ダンパ２７近傍には、ダンパの傾斜角度を制限するリミッタスイッチ２８が設けられている。

燃焼装置１は、制御装置３５をさらに備えている。制御装置３５は、フォトトランジスタ１０から出力される炎検知信号を受信可能であると共に、イグナイタ７、電磁ポンプ１７、入力制御弁２１等へ制御信号を送信可能である。

次に、燃焼装置１の動作について説明する。燃焼装置１の基本的な動作は従来技術の噴霧式燃焼装置の動作と同じであるが、燃焼中に炎検知閾値を変更する「炎検知閾値変更処理」を行うことができる点に特徴がある。燃焼装置１の動作について図２を参照しながら順次説明する。まず、ステップ１で燃焼装置１の運転を開始すると、各種センサ類に異常がないことの確認等や、給湯装置の場合には水量が最小作動水量（ＭＯＱ）に達しているかの確認等の、所定の条件が揃っていることの確認が行われた後、ステップ２に移行して点火動作が行われる。ステップ２に移行して点火動作が行われる。すなわち、燃料噴射ノズル２からの灯油等の噴射、イグナイタ７の作動、送風機２５による空気供給、等が行われる。

次に、ステップ３にて火炎状態の検知が行われる。具体的には、フォトトランジスタ（光学的センサ）１０によって火炎の照度が検知され、当該検知値（照度の大きさ、光の強さ）と予め設定された炎検知閾値とが比較される。ここで、検知値が炎検知閾値よりも大きい場合（照度が大きい場合）には、点火が正常に行われたと判断してステップ４へ移行し、定常運転が開始される。
一方、ステップ３で検知され検知値が炎検知閾値よりも小さい場合（照度が小さい場合）には、点火していないと判断し、ステップ１０へ移行する。その後、所定時間が経過するまでステップ１０，ステップ２，ステップ３を繰り返して点火を試みる。所定時間が経過してもステップ３で検知値が炎検知閾値よりも大きくならない場合には、点火に失敗したと判断し、ステップ１１へ移行して燃焼装置１の運転を終了する。

ステップ３からステップ４に移行して定常運転が開始されると、ステップ５へ移行する。ステップ５では、ステップ３と同様にフォトトランジスタ１０による火炎状態の検知が行われ、検知値と予め設定された炎検知閾値とが比較される。ここで、検知値が炎検知閾値よりも大きい場合（照度が大きい場合）には、燃焼が正常に行われていると判断し、ステップ６へ移行する。
一方、検知値が炎検知閾値よりも小さい場合（照度が小さい場合）には、燃焼が正常に行われていない（失火等）と判断し、ステップ２に戻って点火動作からやり直す。

ステップ５からステップ６へ移行すると、今度は、フォトトランジスタ１０の検知値が予め設定された感度変更閾値と比較される。感度変更閾値は、炎検知閾値の変更が必要か否かを判断するために設定されたものであり、炎検知閾値よりも光が強い側（電圧値が低い側）の値に設定されている。火炎の照度が感度変更閾値より小さい範囲内にある場合に、炎検知閾値の変更が必要と判断される。そして、ステップ６で検知値が感度変更閾値より小さい場合（照度が小さい場合）には、炎検知閾値の変更が必要と判断し、ステップ７へ移行する。
ステップ６で検知値が感度変更閾値より小さくなる場合の例としては、前述したように、使用する燃料の種類が変わった場合（例えば、ＧＴＬ灯油に変えた場合）が挙げられる。
一方、検知値が感度変更閾値より大きい場合（照度が大きい場合）には、炎検知閾値の変更は不要と判断し、ステップ４に戻って定常運転を続行する。

ステップ７へ移行すると、炎検知閾値がより照度が小さい側（電圧値が高い側）の値に変更される。これにより、フォトダイオード１０が受光する光が想定の範囲内で弱くなった場合でも、炎検知閾値を不必要に下回らないようにすることができる。ステップ７で炎検知閾値が変更されると、ステップ８へ移行し、炎検知閾値が変更された状態で定常運転が続行される。次に、フォトトランジスタ１０によって火炎の照度が検知され、当該検知値と予め設定された炎検知閾値とが比較される。ここで、検知値が炎検知閾値よりも大きい場合（照度が大きい場合）には、燃焼が正常に行われていると判断し、ステップ８へ戻って定常運転を続行する。その後、燃焼装置１は、変更された炎検知閾値の下で運転が行われる。
一方、検知値が炎検知閾値よりも小さい場合（照度が小さい場合）には、燃焼が正常に行われていない（失火等）と判断し、ステップ２に戻って点火動作からやり直す。

燃焼装置１の炎検知閾値変更処理を中心とした動作は以上のとおりである。なお、燃焼装置１の運転を終了させる場合の処理は従来技術と同様であり、制御装置３５が状況に応じて運転を終了するか否かの判断をし、運転を終了すると判断した場合に消火制御を行う。

以上説明したように、燃焼装置１においては、燃焼中の火炎の状態を光の照度をもって検知し、その検知値と予め設定した感度変更閾値とを比較する。そして、比較の結果、炎検知閾値の変更が必要と判断した場合には炎検知閾値を変更し、その後は変更された炎検知閾値の下で運転を継続する。

図２に示すフローでは、変更後の炎検知閾値を１つのみ設定しているが、２つ以上設定してもよい。例えば、ステップ８とステップ９とを繰り返して定常運転している間に、ステップ５と同様にしてフォトトランジスタ１０の検知値と感度変更閾値とを比較し、炎検知閾値をさらに変更する必要があると判断した場合には、さらに別の炎検知閾値に変更してもよい。

また、ステップ７で炎検知閾値を変更した後に、フォトトランジスタ１０の検知値が初期の値に復帰した場合には、変更した炎検知閾値を元の設定値に戻す構成としてもよい。

また、炎検知閾値と感度変更閾値については、燃焼モード毎に個別に設定してもよい。例えば、目標燃焼量に応じて、炎検知閾値や感度変更閾値を個別に設定してもよい。

本実施形態では光学的センサとしてフォトトランジスタを採用しているが、フォトダイオード、ＣｄＳ等を採用することもできる。

本発明の実施形態に係る燃焼装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃焼装置の動作を示すフローチャート図である。

符号の説明

１ 燃焼装置
１０ フォトトランジスタ（光学的センサ）

Claims (3)

1. 液体燃料を燃焼させる燃焼装置であって、光学的センサを使用した炎検知手段を備えた燃焼装置において、炎検知手段は、光学的センサが一定の炎検知閾値を基準として炎の有無を判定するものであり、さらに燃焼装置が一定条件の下で燃焼している際の前記光学的センサの出力を検知し、当該出力が一定の感度変更閾値を基準とする所定範囲内にある場合に前記炎検知閾値を変更する閾値変更機能を備えたことを特徴とする燃焼装置。
2. 感度変更閾値は、炎検知閾値よりも炎の照度が高い状態のときに光学的センサから出力される信号値であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
3. 光学的センサは、フォトトランジスタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼装置。

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