JP2014055851A - 火炎検出器およびこれを備えたバーナ用点火トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却用空気の流通通路の工夫改善で採光の視野範囲拡大による検出性能の向上と、外筒スリットを通した火炎への冷却用空気の供給により火炎の安定化と、を可能とする火炎検出器。
【解決手段】採光用光ファイバ６を有する採光部と、採光用光ファイバ６と接続して光情報を伝達する伝送用光ファイバ３６を有する伝送部と、採光部と伝送部を収容する外筒１と、ヘッドボックスから冷却用空気を導入して流通させる空気通路４０，４１と、を備えた火炎検出器であって、採光部は、採光ヘッド２と、外筒１との間で採光ヘッド２を支持する支持部材３と、採光を確保するための開口部４６を形成した採光確保部材４と、を有し、外筒１は、外筒周方向にスリット５が形成されて冷却用空気をスリット５を通して外部に噴出し、空気通路４１は採光ヘッド２の外側長手方向に沿って採光確保部材４まで形成され、冷却用空気が採光確保部材４から外部に噴出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、業務用ボイラなどの燃焼装置に用いられる、複数の光ファイバを用いた多視野型の火炎検出器およびこれを備えたバーナ用点火トーチに関するものである。

火炎検出器は、燃焼装置における燃焼制御に大きな影響を及ぼすものであり、火炎の有無、燃焼程度、燃焼状態を正確に判定・診断できるものであることが求められる。複数の光ファイバを用いた多視野型の非接触式火炎検出器は、燃焼制御用の火炎検出器として主バーナ用に広く用いられてきたが、点火トーチ用の火炎検出器としては、簡易な接触式火炎検出器も多く用いられている。接触式火炎検出器はクリンカによる電極損傷や、灰付着による誤動作等のため度々交換が必要となるなど信頼性において劣る。

一方、発電所用大型ボイラでは、中間負荷の運用化に伴うバーナ点火・消火回数の増加、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する燃焼方法の実施、さらには燃料の多様化に伴う燃焼挙動の変化等により、火炎検出器の信頼性向上が望まれている。

そして、複数の光ファイバを用いた火炎検出器（以下、単に火炎検出器とも称する）の従来技術は、例えば特許文献１にも開示されているが、その詳細について図５と図４を用いて説明する。図５は従来技術に関する火炎検出器を用いた火炎検出器システムの全体系統を示す図であり、図４は従来技術に関する火炎検出器本体の断面構造を示す図である。

図５と図４に示す火炎検出器システムは、主としてバーナ３１の火炎光１６を採光部先端部２８において光ファイバ６ａ〜６ｃにより検知する従来型採光ヘッド１２、採光部先端部２８で採光された光を伝送する光ファイバ６、フェルール１３、外筒１５等からなる火炎検知本体３０と、光ファイバ６の火炎情報を外部に伝送する光ファイバーケーブル２３と、伝送用の光ファイバケーブル２３を介して連結された分析装置２４と、から構成される。

光ファイバ６は火炎検出器本体３０内に挿入されており、光ファイバ６の先端部が採光部先端部２８に位置している。また、分析装置２４は、光信号を電気信号に変換する光電交換器２５と、この電気信号を増幅する増幅器２６と、この電気信号に基づき火炎の有無の検知等を行う演算回路２７と、からなり、火炎の有無等を出力するように構成されている。

図４は火炎検出器本体３０の断面構造を示しており、採光部先端部２８における光ファイバは、広角度での採光が可能なように、１本の曲げの無い光ファイバを基準としてθ１、θ２と順次角度を持つように折り曲げ加工された光ファイバ６ｃ，６ｂ，６ａから構成されている。光ファイバ６は図４に示された配置のフェルール１３にまず接着され、従来型採光ヘッド１２に取り付けられている。

また、特許文献２に示されているように、採光部先端部２８と従来型採光ヘッド１２で使用されている光ファイバの径は異なっており、採光部先端部２８において、より火炎光を入射させるため、径の大きい光ファイバを使用し、光伝送部では径の小さい光ファイバを使用している。このように、従来の火炎検出器は光の伝達方向に対して、順に光ファイバの径を小さくするように、複数の光ファイバの接続箇所にコネクタを用いて連接した構成となっている。

特公平３−７４７７５号公報 特公平６−９７１８７号公報

ところで、複数の光ファイバを用いた火炎検出器は、耐熱性の観点から各部の温度が許容値以下となるように冷却空気を流す必要がある。特に、採光ヘッド１２内の採光用ファイバ６とフェルール１３以降の伝送用ファイバとの接合部近傍における温度を１５０℃程度以下にする必要がある。冷却効果が不十分であると、フェルール１３（光ファイバの芯線端面の位置合わせをするための接続具）と光ファイバ６ａ，６ｂ，６ｃの接着が不安定となり、熱膨張により引っ張られることによって光ファイバ６がフェルール１３から抜け出るおそれがある。

一方、点火トーチに用いられる火炎検出器は小径化が必要であるが寸法的な制約が存在する。ななわち、採光の観点から採光用光ファイバの径はある程度以上のもの、例えば直径０．８ｍｍ程度は必要であり、また、複数の採光用光ファイバ６ａ〜６ｃを用いる場合にはこれらのファイバを安定して保持するため、採光ヘッド１２の径もある程度の大きさが必要となる。そうすると、冷却空気用の流路断面積を十分に確保し難く（相対的に流路が狭まる）、冷却効果が十分に得ることができなくなる。

上記の特許文献１，２を含む従来の火炎検出器が点火トーチの火炎検出に用いられる場合に、小径化の必要性から、冷却空気の流路断面積が狭くならざるを得ず、必要な冷却空気流量を流通させようとすると、火炎検出器先端からの冷却空気の噴流を強くすることにつながってしまう。

ところが、点火トーチの火炎は、主バーナの火炎に比べて小さく、デリケートな火勢である。したがって、火炎検知器先端からの冷却空気噴流が強すぎると、点火トーチの火炎に揺らぎを生じさせる等の懸念がある。

本発明の目的は、採光用光ファイバを保持する採光ヘッドに設けられていたフェルールを無くし、冷却用空気の流通通路に工夫改善を加えることによって、採光の視野範囲拡大による検出性能の向上と、火炎への冷却用空気の供給により火炎の安定化と、を可能とする火炎検出器を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
燃焼装置の火炎光を採光する複数本の採光用光ファイバを有する採光部と、前記採光用光ファイバと接続して前記採光用光ファイバからの光情報を分析装置側に伝送する伝送用光ファイバを有する伝送部と、前記採光部と前記伝送部を収容する外筒と、前記外筒の後方部に設けたヘッドボックスから冷却用空気を導入して流通させる空気通路と、を備えた火炎検出器であって、
前記採光部は、前記採光用光ファイバを保持する採光ヘッドと、前記外筒と前記採光ヘッドとの間に設けられ、前記外筒の前方側で前記採光ヘッドを支持する支持部材と、前記外筒の最前方側に設けられ、前記採光用光ファイバへの採光を確保するための開口部を形成した採光確保部材と、を有し、 前記外筒は、前記支持部材の設置位置よりも後方側において外筒周方向にスリットが形成され、前記冷却用空気が前記スリットを通って外部に噴出し、前記空気通路は、前記採光ヘッドの外側長手方向に沿って前記採光確保部材まで形成され、冷却用空気が前記採光確保部材から外部に噴出する構成とする。

本発明によれば、冷却用空気を十分に流通できる構造であるので、採光ヘッド並びに光ファイバの冷却効果を増進させることができ、また、火炎揺らぎを生じさせないことにより、採光の視野範囲拡大による検出性能の向上を図ることができる。

さらに、スリットからの冷却用空気の噴出により、火炎への空気供給が広範囲に渡り可能となって火炎安定に繋げることができる。

また、火炎検出器における外筒の径縮小により、既設の接炎式の点火トーチ用火炎検出器の取付座に火炎検知器を挿入することが可能となり、他のバーナ構造物を改造する必要がなくなり、コスト低減につながる。

本発明の実施形態に係る火炎検出器本体の断面構造を示す図である。 本実施形態に係る火炎検出器に用いる採光用光ファイバの断面図である。 本実施形態に係る火炎検出器を用いた火炎検出器システムの全体系統を示す図である。 従来技術に関する火炎検出器本体の断面構造を示す図である。 従来技術に関する火炎検出器を用いた火炎検出器システムの全体系統を示す図である。 本実施形態に係る火炎検出器の外筒に形成されたスリットの構成例と冷却用空気の流れを示す図である。

本発明の実施形態に係る火炎検出器について図１を参照しながら以下説明する。図１において、１は外筒、２は採光ヘッド、３は第１の支持部材（支持部材）、４は第２の支持部材（採光確保部材）、５はスリット、６，６ａ，６ｂ，６ｃは採光用光ファイバ、７ａ〜７ｃは火炎光、８はフェルール、９はスリーブ、１０はコネクタナット、２８は採光部先端部、２９は火炎検出器本体、３６は伝送用光ファイバ、４０，４１は冷却空気通路、４３，４７はビス、４５は光ファイバ案内部、４６はＵ字状開口部 、をそれぞれ表す。

本実施形態に係る火炎検出器本体２９は、燃焼装置の火炎光を採光する複数本の採光用光ファイバ６を有する採光部と、採光用光ファイバ６と接続し、採光用光ファイバ６からの光情報を分析装置２４（図３を参照）側に伝送する伝送用光ファイバ３６を有する伝送部と、採光部を支持し構成する支持部材３及び支持部材４と、採光部と伝送部を収容する外筒１と、外筒１の後方部に設けたヘッドボックス２１（図３を参照）からの冷却用空気を導入し、採光部先端部２８側から冷却用空気を噴出させる冷却用空気を通す空気通路４０，４１と、を備えている。

ここで、採光用光ファイバ６を有する採光部は、採光用光ファイバ６を接着保持する採光ヘッド２と、採光ヘッド２と外筒１との間に設けられ、外筒１の前方側で外筒１に採光ヘッド２をビス固定し、外筒１から採光ヘッド２への熱を遮断する第１の支持部材３（単に、支持部材とも称する）と、外筒１の最前方側に設けられ、採光用光ファイバ６ａ，６ｂ，６ｃへの輻射を遮断しつつ採光すべき視野を確保するための略Ｕ字状開口部４６を形成した第２の支持部材４（採光確保部材とも称する）と、を備えている。

火炎検出器本体２９の外筒１は、内部に収容する各種部材をバーナ火炎による高熱から保持するのに十分な耐熱性を備えたステンレス等の耐食性、耐熱性のある材料より構成される。外筒１には、第１の支持部材３（単に、支持部材とも称する）の設置位置よりも後方側において周方向の複数箇所に開口部であるスリット５が設けられており、空気通路４０を通して供給された冷却用空気がスリット５から外部に吹き出すようになっている。

また、採光ヘッド２は、ビス４７によって第１の支持部材３を介して外筒１に取り付けられている。第２の支持部材４（採光確保部材とも称する）は外筒１に取り付けられている。第１の支持部材３と第２の支持部材４は、採光ヘッド２並びに採光用光ファイバ６を高熱から保護する役割をも担っており、耐熱性の見地からはセラミック等により構成される。

採光ヘッド２の先端部には光ファイバ案内部４５がビス４３で取り付けられ、光ファイバ案内部４５は、第２の支持部材４に対面して、異なる角度で３本の溝が形成され、各々の溝に３本の採光用光ファイバ（６ａ、６ｂ、６ｃ）が、０°，θ１，θ２を保ち、一定の視野範囲を確保するように配置されている。すなわち、採光部先端部２８に配置された各採光用光ファイバ（６ａ，６ｂ，６ｃ）は、曲げのない０°の光ファイバ６ｃを基準として、θ１、θ２（＞θ１）と角度を持つように曲げを行った光ファイバ６ｂ，６ａを配置することにより、広角度の火炎検出を可能としている。なお、７ａ、７ｂ、７ｃはバーナの火炎光を模式的に示したものである。

各採光用光ファイバ６は同一又は異径のケーブルより構成され、図２に示すように、先端採光部のみ保護被覆材１１ａを備えていない。図２には本実施形態に係る火炎検出器に用いる採光用光ファイバの断面を示している。保護被覆材１１ａは光ファイバの曲げや引っ張り強度を保持するための被覆層で、ポリイミド等で構成される。この保護被覆材１１ａは耐熱性の高いものでも３００℃前後であるため、４００〜５００℃以上の耐熱性が必要とされる採光部においては、図２に示すように、その保護被覆材１１ａを除去し、１０００℃以上の温度に耐えうる光ファイバコア部１１ｂ、光ファイバクラッド部１１ｃのみでの構成が望まれる。

図１に示すように採光用光ファイバ６は採光ヘッド２に直接接着される。因みに、従来技術において、採光用光ファイバ６は、図４に示すようにフェルール１３（光ファイバの芯線端面同士の位置合わせをするための接続具）に接着したのち、フェルール１３を採光ヘッド１２右端のくり抜き内周側に接着して固定していた。これに対して、本実施形態では、フェルール１３を使用しないことにより、採光ヘッド２の径を縮小でき、その分だけ火炎検出器本体２９の径が小型化される。

伝送用光ファイバ３６は、コネクタナット１０側に設けたフェルール８に接着固定されて採光用光ファイバ６と芯合わせされ、外筒１の基部に取り付けたウインドボックス２１（図３を参照）に至り、光ケーブル２３へと接続され、後続の光電変換器２５、増幅器２６、分析器２７からなる分析装置２４へと火炎情報が送られる構造となっている。図３には本実施形態に係る火炎検出器を用いた火炎検出器システムの全体系統を示している。

また、ヘッドボックス２１は冷却空気供給用に利用され、ヘッドボックス２１に入った冷却用空気Ａは、外筒１内の空気通路４０を経て、一部はスリット６から外部に吹き出す構造となっており、空気通路４０への冷却用空気の流通によって、コネクタナット１０側のフェルール８及び伝送用光ファイバを冷却するとともに、採光ヘッド２及び採光用光ファイバ６を冷却する。また、空気通路４０を経た冷却用空気の一部は、採光ヘッド２の前方側で空気通路４１を通って第２の支持部材４の周囲から吹き出す構造となっている。さらに、冷却用空気を供給する冷却ファンが停止した際に、火炉内から冷却用空気が逆流するのを防ぐために、逆止弁２２が設置されている。

以上述べたような構造を備えることによって、冷却用空気Ａが外筒１のスリット５と第２の支持部材４とから外部に吹き出すようになっており、冷却の効率を向上させることができる。すなわち、冷却に十分な空気流量を確保しても、火炎検出器先端からの冷却用空気の噴流が強すぎることがないので、点火トーチの火炎に揺らぎを生じさせる等の影響を及ぼすことがない。

また、スリット５から噴出する冷却用空気は、採光用光ファイバ６と伝送用光ファイバ３６の冷却に用いられた後、点火トーチの燃焼にも利用される（火炎への空気供給が広範囲に渡り可能となる）ので、未燃分の生成を抑制でき、火炎の安定化にも寄与することができる。さらに、スリット５から噴出する冷却用空気により、外筒１の周囲に空気流動層が形成され、粉塵等からの外筒１の保護にも寄与する。

次に、本実施形態に係る火炎検出器の外筒に形成されたスリットの構成例と冷却用空気の流れについて、図６を参照しながら説明する。図６（１）は、図１に示すスリットに対応した斜視図であり、ヘッドボックス２１から送給されてきた冷却用空気がスリット５（火炎検出器の長手方向に沿ったスリット形状）の長手方向に噴出し外筒１の外周部に沿って採光部先端部２８に向かって流れる。図６（１）では、スリットは円周方向の２箇所の例を示すが、冷却上必要な空気を噴出させられれば良いのであって、その数は限定されない。また、円周方向の位置も特に限定されるものではない。

図６（２）は、外筒１の長手方向に対して斜めにスリット５（火炎検出器の長手方向に傾斜したスリット形状）が形成された構成例である。これによると、スリット５から噴出した空気流を外筒１の周囲を旋回させつつ前進させて冷却促進を図っている。また、図６（３）は、図６（１）のスリット形状と同様な形状であるが、異なる点は火炎検出器の中心軸に対して放射状に外筒に孔を開ける（外筒の外周の接線方向に対して垂直方向に孔を開ける）のではなくて、外筒の外周の接線方向に空気流れの速度成分が生じるように放射状線に対して傾斜をもたせた構成例である。これによると、スリット５から噴出した空気流を、図示するように外筒１の周囲を旋回させて冷却促進を図っている。

このように、十分な冷却効果が確保できることにより、採光部先端部２８への輻射熱が緩和できるため、図４に示す従来技術における支持部材４８の構造を見直すことができ、採光部先端部２８の視野領域を拡大することが可能となり検出性能の向上を実現することができる。換言すると、上述した冷却効果による採光部先端部２８への輻射熱緩和によって、第２の支持部材４の開口部（図１に示すＵ字状開口部４６の大きさは図４に示す開口部５１よりも拡大している）、すなわち視野領域を拡大することできるのである。さらに、図４に示す従来技術では、採光ヘッド２は支持部材４８にビス４９（外筒１６の内周側に配置）で固定され、且つ支持部材４８はビス５０で外筒１５に固定されていた。これに対して、図１に示す本実施形態では、第１の支持部材３と採光ヘッド２がビス４７によって外筒１に固定されている。

また、本実施形態では、従来、採光ヘッド２に設けられていたフェルール１３を無くすることで採光ヘッド２の径減少につなげることができ、冷却用空気の通路断面積の拡大が可能になって冷却効果を向上させることが可能となり、また、熱膨張により引っ張られることによって光ファイバ６がフェルール１３から抜け出るおそれがなくなる。

図３に示すように、バーナ用点火トーチは、点火トーチ用スリーブ１７の内部に、火炎検出器本体２９と、イグナイタ１８（Ｉｇｎｉｔｅｒ）と、アトマイザ（Ａｔｏｍｉｚｅｒ）１９と、を一括して収容し、アトマイザ１９から噴出させた燃料にイグナイタ１８で点火して生じた火炎を火炎検出器２９で検出するように構成されている。

以上説明したように、図１〜図３に示す本実施形態に係る火炎検出器が、図４に示す従来技術の火炎検出器と異なる点は、採光部における採光用光ファイバ６と採光ヘッド２との保持にフェルール１３を使用しないこと、外筒にスリット５を施していること、支持部材３と支持形状４の形状が異なること、にあり、これらの構造上の相違が上述したような顕著な作用効果を奏するのである。

１ 外筒
２ 採光ヘッド
３ 第１の支持部材（支持部材）
４ 第２の支持部材（採光確保部材）
５ スリット
６，６ａ，６ｂ，６ｃ 採光用光ファイバ
７ａ〜７ｃ 火炎光
８ フェルール
９ スリーブ
１０ コネクタナット
１１ａ 光ファイバ保護被覆材
１１ｂ 光ファイバコア部
１１ｃ 光ファイバクラッド部
１２ 従来型採光ヘッド
１３ フェルール
１４ コネクタナット
１５ 外筒
１６ 火炎
１７ 点火トーチ用スリーブ
１８ イグナイタ
１９ アトマイザ
２０ 火炎検出器用スリーブ
２１ ヘッドボックス
２２ 逆止弁
２３ 光ケーブル
２４ 分析装置
２５ 光電交換器
２６ 増幅器
２７ 演算回路
２８ 採光部先端部
２９ 火炎検出器本体（本実施形態）
３０ 火炎検出器本体（従来型）
３１ バーナ
３６ 伝送用光ファイバ
４０，４１，４２ 冷却空気通路
４３，４７，４９，５０ ビス
４５ 光ファイバ案内部
４６ Ｕ字状開口部
４８ 支持部材
５１ 開口部
Ａ 冷却用空気

Claims (4)

1. 燃焼装置の火炎光を採光する複数本の採光用光ファイバを有する採光部と、
   前記採光用光ファイバと接続して前記採光用光ファイバからの光情報を分析装置側に伝送する伝送用光ファイバを有する伝送部と、
   前記採光部と前記伝送部を収容する外筒と、
   前記外筒の後方部に設けたヘッドボックスから冷却用空気を導入して流通させる空気通路と、を備えた火炎検出器であって、
   前記採光部は、前記採光用光ファイバを保持する採光ヘッドと、前記外筒と前記採光ヘッドとの間に設けられ、前記外筒の前方側で前記採光ヘッドを支持する支持部材と、前記外筒の最前方側に設けられ、前記採光用光ファイバへの採光を確保するための開口部を形成した採光確保部材と、を有し、
   前記外筒は、前記支持部材の設置位置よりも後方側において外筒周方向にスリットが形成され、前記冷却用空気が前記スリットを通って外部に噴出し、
   前記空気通路は、前記採光ヘッドの外側長手方向に沿って前記採光確保部材まで形成され、冷却用空気が前記採光確保部材から外部に噴出する
   ことを特徴とする火炎検出器。
2. 請求項１において、
   前記採光用光ファイバと前記伝送用光ファイバとの接続部は、前記採光ヘッドに接着保持された前記採光用光ファイバの端面が露出した前記採光ヘッドの端面と、フェルールの貫通孔に固定された前記伝送用光ファイバの端面が露出した前記フェルールの端面と、を互いに接触させて両光ファイバを接続する
   ことを特徴とする火炎検出器。
3. 請求項１又は２において、
   前記ヘッドボックスから導入された冷却用空気は、その一部が前記スリットから前記外筒の外方に噴出するとともに、その他部が前記採光確保部材の開口部から外方に噴出し、
   前記火炎光の火炎揺らぎを生じさせず且つ火炎光の採光の視野領域を拡大させるように、前記冷却用空気の前記一部と前記他部の空気通路が形成される
   ことを特徴とする火炎検出器。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の火炎検出器と、イグナイタと、アトマイザと、を筒状の点火トーチ用スリーブの内部に収容し、
   前記アトマイザから噴出させた燃料に前記イグナイタで点火して生じた火炎を前記火炎検出器で検出する
   ことを特徴とするバーナ用点火トーチ。