JP2012255730A

JP2012255730A - 火炎センサ

Info

Publication number: JP2012255730A
Application number: JP2011129400A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Nakajima; 裕一中島; Koji Seki; 宏治關
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: JP5751938B2

Abstract

【課題】ＵＶチューブのガラス管内の放電によって発生する熱の影響を抑え、感度良く紫外線を検出することが可能な火炎センサを提供する。
【解決手段】一対の電極（１１，１２）を有するガラス管１０を備えたＵＶチューブを用いた火炎センサにおいて、ガラス管の外側の表面にペルチェ素子１５を備えるようにしたので、火炎センサ自身が温調機能を備えるようになるため、ガラス管内のガス圧の大幅な上昇を防ぐことができ、放電開始電圧も設計通りの範囲の値とすることができるので、感度良く紫外線を検出することができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、火炎中に含まれる紫外線を検出する火炎センサに関するものである。

火炎センサの一種として、ユニット化した紫外線検出用放電管（ＵＶチューブ）を用いて火炎中に含まれる紫外線を検出する火炎センサがある。このＵＶチューブは、紫外線を受けて放電を生起する一対の放電電極を円筒形のガラス管内に封止し、上記一対の放電電極それぞれのリード線をガラス管の一端部から導出したものである。
このような構造のＵＶチューブは、火がついていることを確実に検知するための安全確保の役割を担っており、例えばボイラ内の燃焼状態をモニタするための火炎センサとして用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、図１は、従来のＵＶチューブの構造を示す構成図である。ガラス管５の中に、網目状のアノード電極１と、カソード電極２とが、リード線３，４によってそれぞれ支持されており、ガラス管５には例えば水素とネオンを成分とする混合ガスが封入されている。このアノード電極１とカソード電極２とは、平行平面構造であり、両電極間は約０．５ｍｍの距離を保って配置されている。そして、ガラス管５の端部（図１の上部）及び側部から入射した紫外線が、アノード電極１の網目を抜けてカソード電極２に当たることにより放電する（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−１２５８１号公報特公昭４４−１０３９号公報

しかしながら、ＵＶチューブが継続して紫外線を検出する場合、継続する放電に伴って発生する熱によってガラス管５内の温度が大幅に上昇し、それに伴って封入された混合ガスのガス圧もまた大幅に上昇する。パッシェンの法則によれば、平行な電極間で放電の生じる放電開始電圧は、ガス圧と電極間隔の積の関数（Ｖ＝ρｄ、ρ：ガス圧、ｄ：電極間隔）であるとされている。すなわち、ガス圧の大幅な上昇に伴って放電開始電圧も大幅に上昇するため、紫外線がカソード電極２にぶつかってもアノード電極１とカソード電極２の間において放電が起こりにくくなり、故障していない正常なＵＶセンサでありながら、設計通りに紫外線を検出することができなくなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＵＶチューブのガラス管内の放電によって発生する熱の影響を抑え、感度良く紫外線を検出することが可能な火炎センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明に係る火炎センサは、一対の電極を有するガラス管を備えたＵＶチューブを用いた火炎センサにおいて、ガラス管の外側の表面にペルチェ素子を備える。

また、この発明に係る火炎センサは、温度センサを備え、温度センサで測定した温度に基づいてペルチェ素子に流す電流を制御する。

また、この発明に係る火炎センサは、一対の電極間で起こる放電によって発生した放電電流によってペルチェ素子が動作する。

この発明によれば、火炎センサがペルチェ素子を備えることにより、火炎センサ自身が温調機能を備えるようになるため、ガラス管内のガス圧の大幅な上昇を防ぐことができ、放電開始電圧も設計通りの範囲の値とすることができるので、感度良く紫外線を検出することができる。

従来のＵＶチューブの構造を示す模式図である。従来のＵＶチューブと、この発明におけるＵＶチューブとの外観を比較する模式図である。この発明の実施の形態１に係る火炎センサのＵＶチューブの外観構成を示す。この発明の実施の形態１に係る火炎センサの断面図を示す。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図２は、従来のＵＶチューブ（図２左側）と、この発明におけるＵＶチューブ（図２右側）との概観を比較する模式図である。
従来の火炎センサに用いられるＵＶチューブは、図１のガラス管５の上下方向の長さが４．３ｃｍ前後の比較的大きなものであるため、振動に弱く、ガスタービンや発電所等の特殊な市場では使えないという問題があった。
そこで、ＵＶチューブを小型化することが考えられる。この発明におけるＵＶチューブは、大幅な小型化を図ったものであり、ガラス管１０の上下方向の長さは１．７ｃｍ前後である。このように小型化されたＵＶチューブは、対振動性、耐衝撃性を向上できるため、このＵＶチューブを用いた火炎センサは、ガスタービンの燃焼検出など、従来では安定した火炎検出が困難であった過酷な環境での使用が可能となる。

図３は、この発明の実施の形態１に係る火炎センサのＵＶチューブの外観構成を示す図であり、図３（ｃ）はこのＵＶチューブ全体の構成を、図３（ｂ）は図３（ｃ）の構成からガラス管１０とアノード電極１１を外した構成を、図３（ａ）は図３（ｂ）の構成からカソード電極１２を外した構成を、それぞれ示している。

ここで、この発明における火炎センサのＵＶチューブの製造工程について、図３を参照しながら詳細に説明する。まず初めに、図３（ａ）に示すように、排気管１６、ボタンガラス１７、各３本のコバール線１３，１４を同時に封着して、ボタンステム１８を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、カソード電極１２用の３本のコバール線（リード線）１４にカソード電極１２を配置して溶接する。なお、カソード電極１２は、アノード電極１１用の３本のコバール線１３に接触しないように配置されるとともに、カソード電極１２には、アノード電極用の３本のコバール線１３に対応する箇所にそれぞれ切欠きが設けられている。

その後、網目状の面電極であるアノード電極１１と、それに向かい合う面電極であるカソード電極１２との間の距離が所定の距離（ここでは、０．４ｍｍ）保たれるようにするために、スペーサ（図示せず）を一時的に配置する。なお、スペーサは必須ではなく、アノード電極１１とカソード電極１２との間の距離を所定の距離に保つことができるものであれば、他の代替方法を用いても構わない。

そして、アノード電極１１を３本のコバール線（リード線）１３に溶接する。なお、網目状のアノード電極１１には、３本のコバール線１３を接続するための穴が、その３本のコバール線１３に対応する箇所にそれぞれ設けられている。また、３本のコバール線１３は、カソード電極１２用の３本のコバール線１４よりも長くボタンステムから上方向に突き出されており、アノード電極１１をコバール線１３と溶接した際に、アノード電極１１とカソード電極１２とが接触しないように設定されている。

その後、前記スペーサを取り除き、最後に、図３（ｃ）に示すように、ガラス管１０をかぶせてボタンステム１８と溶接し、内部に例えば水素とネオンを成分とする混合ガスを封入してから密閉する。

図４は、この発明の実施の形態１に係る火炎センサの断面図であり、図４（ａ）は本発明の火炎センサのＵＶチューブ（図３（ｃ））の断面図を示しており、上述したようにガラス管１０内において、アノード電極１１とカソード電極１２が向かい合っている。

この火炎センサは、このガラス管１０内のアノード電極１１とカソード電極１２の間に直流電圧を印加し、紫外線がカソード電極１２にぶつかることでアノード電極１１とカソード電極１２の間で起きる放電を検出することにより紫外線の有無（火炎の有無）を検出する。

ここで、背景技術においても説明したように、ＵＶチューブのアノード電極１１とカソード電極１２間において継続して放電が起こる場合、放電に伴って発生する熱によってガラス管１０内の温度が大幅に上昇してしまうと、ガラス管１０内に封入された混合ガスのガス圧が大幅に上昇する。パッシェンの法則によると、平行な電極間において放電の生じる放電開始電圧は、ガス圧と電極間隔の積の関数であるとされており、この発明の火炎センサにおいて電極間隔に相当する、アノード電極１１とカソード電極１２間の距離は一定であるため、ガス圧が大幅に上昇すると放電開始電圧もまた大幅に上昇することが分かる。そして、放電開始電圧が大幅に上昇して設計の範囲外の値となると、紫外線がカソード電極１２にぶつかってもアノード電極１１とカソード電極１２の間において放電が起こりにくくなり、紫外線を検出できなくなってしまうという課題があった。
そこで、この発明は、放電に伴ってＵＶチューブのガラス管１０内に発生する熱の影響を抑えるために、火炎センサ自身が温調機能を備えるようにする。

この温調機能について詳細に説明する。まず、ＵＶチューブのガラス管１０内に発生する熱の影響を抑えるために、図４（ｂ）に示すように、ガラス管１０内の温度を調節する（冷却する）手段として、ガラス管１０の外側の表面にペルチェ素子１５を貼り付ける。

この際、放電が起きて発熱するのはアノード電極１１とカソード電極１２間であるため、ペルチェ素子１５はこれらの電極の高さ付近に配置するとよい。また、図４（ｂ）では２箇所にペルチェ素子１５を貼り付けているが、ペルチェ素子１５を貼り付ける数は１箇所であっても４箇所であっても良いことは言うまでもない。

さらに、図４（ｃ）に示すように、ペルチェ素子１５が貼り付けられたＵＶチューブがケース１９に収められて、火炎センサを構成する。この際、ペルチェ素子１５は両面がガラス管１０とケース１９に接触する大きさ（厚み）とし、ガラス管１０とケース１９の両方に接着剤で貼り付ければよい。

ペルチェ素子１５は、直流電流を流されると一方の面で吸熱を生じさせ、他方の面で発熱を生じさせる、異種金属の接続により形成される半導体素子である。この発明では、ペルチェ素子１５を用いて、放電によって発生する熱をＵＶチューブのガラス管１０内から外へ移動させることによってガラス管１０内の温度が上昇することを防ぐ。

ペルチェ素子１５を図４に示すようにガラス管１０とケース１９の間に設置し、継続した放電が起こることによりＵＶチューブのガラス管１０内の温度が上昇し始めると、ペルチェ素子１５の両面間に温度差が生じる。このようにペルチェ素子１５の両面間に温度差が生じた状態において、このペルチェ素子１５に直流電流が流れると、ペルチェ素子１５は高温なガラス管１０側のペルチェ素子１５の吸熱面Ａの熱を低温なケース１９側のペルチェ素子１５の放熱面Ｂに移動させる。なお、ペルチェ素子１５による熱の移動は、ペルチェ素子１５の両面間の温度差がなくなるか、ペルチェ素子１５に電流が流れなくなるまで続く。また、ペルチェ素子１５に電流を流すには、図示していない電源及び配線を別途設けるものとする。

この際、さらに温度センサを設け、その温度センサの値に応じて、ペルチェ素子１５に印加する電圧を可変にすることにより、ペルチェ素子１５に流す電流を制御するようにしてもよい。具体的には、ガラス管１０内部の温度は約４００度くらいまで上昇することがあり、その際にはガラス管１０外部の温度も１００度くらいまで上昇するため、ガラス管１０外部の温度が１００度近くまで上昇している場合には電流を流し、例えば２０度付近の常温である場合には、電圧を印加させないようにする等の制御を行うことにより、省エネルギーでの動作を実現することが可能となる。

また、ケース１９は、アルミニウムや銅など放熱しやすい素材にしておく。なお、ケース１９の外側の表面に冷却フィンなどのヒートシンク機能を付加することによって、ペルチェ素子１５によってガラス管１０内から移動された熱をケース１９が放熱しやすくなるため、ペルチェ素子１５の両面に温度差が生じやすくなり、熱の移動の効果を高めることができる。

このように、ペルチェ素子１５をガラス管１０の表面に設置することにより、ガラス管１０内の熱をケース１９に移動させることができるので、ガラス管１０内の温度が大幅に上昇することを防ぐことができる。そして、ガラス管１０内の温度が大幅に上昇しなければ、ガラス管１０内の混合ガスのガス圧も大幅には上昇しない。したがって、放電開始電圧が大幅に上昇することはなく、放電開始電圧が大幅に上昇して放電が起こりにくくなることで紫外線を検出できなくなることを防ぐことができる。

以上のように、この発明の火炎センサによれば、ガラス管１０の外側の表面にペルチェ素子１５を備えるようにしたので、放電が継続している状況において、ガラス管１０内の温度が大幅に上昇するのを防ぐことができるため、ガラス管１０内の混合ガスのガス圧が大幅に上昇することを防ぐことができ、放電開始電圧を設計通りの値とすることができるため、放電によって発生する熱の影響を抑え、感度よく紫外線を検出することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ペルチェ素子１５に電流を流すために、別途電源及び配線を設けるものとしたが、この実施の形態２では、ＵＶチューブの放電電流を測定する接続端子に、ペルチェ素子１５への配線を接続するものとする。

この場合、ＵＶチューブの一対の電極アノード電極１１とカソード電極１２間において放電が起こると、放電によって発生した放電電流がペルチェ素子１５に流れ、ペルチェ素子が動作してガラス管１０内の熱を放熱する。すなわち、放電が起きてガラス管１０内において発熱しているときはペルチェ素子１５に電流が流れて動作するので、ペルチェ素子１５に電源及び配線を別途設ける必要がない。また、放電が起きておらず発熱していないときはペルチェ素子１５に電流は流れず、無駄な電流を流すことがなく、省エネルギーである。

以上のように、この発明の実施の形態２に係る火炎センサによれば、一対の電極（１１，１２）間で起こる放電によって発生した放電電流によってペルチェ素子１５が動作するようにしたので、放電が起こっているときだけ、すなわち、温調機能が必要な時にのみペルチェ素子１５が動作するため省エネルギーで実現することができる。また、ペルチェ素子１５は放電電流によって動作するため、別途電源を設けなくてもよいので、部品点数も少なくてすみ、電源を配置するスペースも確保しなくてよいので非常に小型にすることができる。

１，１１アノード電極
２，１２カソード電極
３，４，１３，１４コバール線（リード線）
５，１０ガラス管
１５ペルチェ素子
１６排気管
１７ボタンガラス
１８ボタンステム
１９ケース
Ａ高温なガラス管側のペルチェ素子の吸熱面
Ｂ低温なケース側のペルチェ素子の放熱面

Claims

一対の電極を有するガラス管を備えたＵＶチューブを用いた火炎センサにおいて、
前記ガラス管の外側の表面にペルチェ素子を備える
ことを特徴とする火炎センサ。
前記火炎センサは温度センサを備え、
前記温度センサで測定した温度に基づいて前記ペルチェ素子に流す電流を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の火炎センサ。
前記ペルチェ素子が前記一対の電極間で起こる放電によって発生した放電電流によって動作する
ことを特徴とする請求項１記載の火炎センサ。