JP2016118336A - 点火装置および燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパークロッドとフレームロッドとを兼用した一本ロッド方式の燃焼制御装置において感電や火炎検出回路の故障を防止する。【解決手段】本発明に係る点火装置（２）は、互いに磁気結合した一次側コイルと二次側コイルとを有する点火トランス（２０）と、一次側コイル（Ｌ１）の両端に夫々接続された第１端子（Ｐ１）および第２端子（Ｐ２）と、二次側コイル（Ｌ２）の一端に接続された第３端子（Ｐ３）と、電極棒に流れる電流を出力するための第４端子（Ｐ４）と、基準電位に接続するための第５端子（Ｐ５）と、点火トランスの二次側コイルの他端と第５端子との間に接続され、二次側コイルの他端の電圧を制限する電圧制限素子（２１）と、二次側コイルの他端と第４端子との間に接続され、第４端子に流れる電流を制限する電流制限回路（２２）とを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、点火装置および燃焼制御装置に関し、特にスパークロッドとフレームロッドとを兼用する電極棒を接続する点火装置、および当該点火装置を備えた燃焼制御装置に関する。

燃焼炉、乾燥炉、およびボイラ等の燃焼装置は、燃焼室内の燃焼をコントロールするための燃焼制御装置として、バーナを点火するための点火装置と、点火装置を介したバーナの点火制御、バーナの燃焼監視、およびバーナへの燃料の供給と停止を制御する安全遮断弁の制御を行うためのバーナコントローラ（プロテクトリレー）とを備えている。

点火装置は、点火用のトランス（以下、「点火トランス」と称する。）を有し、点火トランスの二次側配線の一端を点火用の電極棒（以下、「スパークロッド」と称する。）に接続することにより、例えば数ｋＶ〜十数ｋＶの高電圧をスパークロッドに発生させる。また、バーナコントローラは、バーナの燃焼を監視するための火炎検出回路を有している。火炎検出回路は、火炎検出用の電極棒（以下、「フレームロッド」と称する。）と電気的に接続され、フレームロッドから出力される火炎検出信号を入力し、その火炎検出信号に基づいて火炎の有無を判定する。

従来から、一般的な燃焼制御装置は、スパークロッドとフレームロッドとを別個に備えているものが多かった。しかしながら、小型の燃焼装置では、スパークロッドとフレームロッドのスペースを確保することが構造的に困難である場合が多く、より小さい燃焼制御装置に対する市場要求があった。

例えば、特許文献１には、着火回路（点火回路）と火炎検知回路とを、着火プラグの電極棒（ロッド）に切り替えリレーを介して夫々接続することにより、一本のロッドによって着火と火炎検知を行う一本ロッド方式の燃焼制御装置が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示された燃焼制御装置では、一本のロッドの接続先を点火回路と火炎検知回路との間で切り替えるための切り替えリレーが必要となる。

一方、本願発明者らは、本願発明に先立って、上記特許文献１に開示されたものとは別の一本ロッド方式の燃焼制御装置を開発した（非特許文献１参照）。この燃焼制御装置は、スパークロッドとフレームロッドとを兼用する一本のロッドを点火トランスの二次側コイルの一端に接続し、点火トランスの二次側コイルの他端を信号線（ケーブル）を介してバーナコントローラ内の火炎検出回路に接続した構成を有するものである。この燃料制御装置によれば、上記特許文献１に記載の燃焼制御装置のようにロッドの接続先を切り替える必要がないため、切り替え用のリレーが不要となる。

本願発明者が開発した燃焼制御装置では、点火トランスの二次側コイルの他端を信号線を介してバーナコントローラ内の火炎検出回路に接続していることから、高電圧による火炎検出回路の故障や誤動作を防止するために、点火装置と火炎検出回路とを接続する信号線に保護素子（アレスタ）を接続している。

また、本願発明者が開発した燃焼制御装置では、点火装置の容量（発生させる高電圧スパークのエネルギー）を可能な限り小さくし、且つ火炎検出回路を有するバーナコントローラと点火装置とを一つの筐体内にパッケージングすることで、感電や周辺機器の誤動作が起こらないようにしている。

特開２００２−２９５８２９号公報

「バーナコントローラ イグナイタ付きプロテクトリレー ＦＲＬ１００Ｂ，ＦＲＬ１０１Ｂ 取扱説明書」、２０１０年９月 改訂９版、アズビル株式会社。

しかしながら、本願発明者が開発した燃焼制御装置では、点火装置と火炎検出回路とを接続する信号線に接続された上記保護素子が開放故障したり、点火トランスの二次側配線が接地不良を起こしたりした場合、点火トランスの二次側の高電圧が上記信号線に印加され、感電や火炎検出回路の故障が発生するおそれがある。

また、安全確保の観点から、上記のように点火装置とバーナコントローラとを一体化した場合、従来のように、点火装置のみをバーナの近傍に設置し、バーナコントローラを点火装置から離れた場所に設置された制御盤に取り付ける、というような機器配置を採用することができず、燃焼制御装置内の機器配置の自由度が低下するという問題もあった。

本発明の目的は、スパークロッドとフレームロッドとを兼用した一本ロッド方式の燃焼制御装置において感電や火炎検出回路の故障を防止することにある。

また、本発明の別の目的は、燃焼制御装置を構成する機器の配置の自由度を高めることにある。

本発明に係る点火装置（２）は、互いに磁気結合した一次側コイルと二次側コイルとを有する点火トランス（２０）と、一次側コイル（Ｌ１）の両端に夫々接続された第１端子（Ｐ１）および第２端子（Ｐ２）と、二次側コイル（Ｌ２）の一端に接続された第３端子（Ｐ３）と、電極棒に流れる電流を出力するための第４端子（Ｐ４）と、基準電位に接続するための第５端子（Ｐ５）と、二次側コイルの他端と第５端子との間に接続され、二次側コイルの他端の電圧を制限する電圧制限素子（２１）と、二次側コイルの他端と第４端子との間に接続され、第４端子に流れる電流を制限する電流制限回路（２２）と、を有することを特徴とする。

上記点火装置において、電流制限回路は、二次側コイルの他端と第４端子との間に接続された抵抗（Ｒ）を含んでもよい。

上記点火装置において、電流制限回路は、二次側コイルの他端と第４端子との間に、並列に接続された複数の抵抗（Ｒ１、Ｒ２）を含んでもよい。

上記点火装置において、点火トランスと、保護素子と、電流制限回路とが、一つのパッケージ（１０）で覆われていてもよい。

本発明に係る燃焼制御装置（１）は、上記点火装置（２）と、上記点火装置の第３端子に接続された電極棒（４）と、電極棒の近傍に配置されるバーナの燃焼を制御するバーナコントローラ（５）とを備え、バーナコントローラは、バーナを点火するために点火装置の第１端子および第２端子に電圧を印加する点火回路（３０）と、点火装置の第４端子と信号線（６）によって接続され、信号線を流れる電流に基づいて火炎検出を行う火炎検出回路（３１）とを有してもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって表している。

以上説明したことにより、本発明によれば、スパークロッドとフレームロッドとを兼用した一本ロッド方式の燃焼制御装置において、感電や火炎検出回路の故障を防止することができる。
また、本発明によれば、燃焼制御装置を構成する機器の配置の自由度が高まる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る点火装置を備えた燃焼制御装置の構成を示す図である。 図２は、電流制限回路として抵抗を用いた点火装置の構成を示す図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る点火装置の実現例を示す図である。 図４は、本発明に係る点火装置の保護素子等が開放故障した場合における燃焼制御装置の動作を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

〈本発明に係る点火装置を備えた燃焼制御装置の構成〉
図１は、本発明の一実施の形態に係る点火装置を備えた燃焼制御装置の構成を示す図である。
同図に示される燃焼制御装置１は、例えば、燃焼炉や乾燥炉、ボイラ等の燃焼装置において、燃焼室内のバーナによる燃焼を制御するための装置である。
燃焼制御装置１は、燃焼装置の燃焼室内に配置されたバーナを点火するためのスパークロッドと、燃焼室内のバーナによる火炎を検出するためのフレームロッドとを一本の電極棒で兼用した構造を有している。具体的に、燃焼制御装置１は、点火装置２、バーナコントローラ３、および電極棒（ロッド）４を備えている。点火装置２とバーナコントローラ３とは、例えば、別個にパッケージングされた別々の装置であり、信号線を介して互いに接続されている。

電極棒４は、スパークロッドとしての機能とフレームロッドとしての機能を有している。電極棒４の一端は、後述する点火装置２内の点火トランスの二次側コイルＬ２の一端に接続されている。また、電極棒４の他端は、燃焼制御装置１が燃焼炉等の燃焼装置に組み込まれた場合に、燃焼装置の燃焼室内におけるバーナ５の近傍に配設される。

点火装置（イグナイタ）２は、スパークロッドとフレームロッドとを一本の電極棒４で兼用する一本ロッド方式の点火装置であり、スパークを発生させることによって電極棒４を介してバーナ５を点火するとともに、火炎発生時に電極棒４（フレームロッド）に流れる火炎電流を外部に出力する機能を有している。具体的に、点火装置２は、外部端子Ｐ１〜Ｐ５と、点火トランス２０と、電圧制限素子２１、電流制限回路２２とを備えている。

点火トランス２０は、一次側コイルＬ１に印加された電圧に基づいて、二次側コイルＬ２に、一次側コイルＬ１と二次側コイルＬ２の巻き数比に応じた電圧（例えば数ｋＶ〜十数ｋＶの高電圧）を発生させる部品である。

外部端子Ｐ１、Ｐ２は、点火トランス２０の一次側コイルＬ１の両端に電圧を供給するための入力端子である。外部端子Ｐ１は、点火トランス２０の一次側コイルＬ１の一端に接続され、外部端子Ｐ２は、一次側コイルＬ１の他端に接続されている。

外部端子Ｐ３は、点火トランス２０の二次側コイルＬ２で発生した高電圧を出力するための出力端子である。外部端子Ｐ３は、電極棒４の一端に接続されるとともに、点火トランス２０の二次側コイルＬ２の一端に接続されている。

外部端子Ｐ４は、電極棒４（フレームロッド）に流れる電流を出力するための端子であり、信号線６によって後述するバーナコントローラ３の外部端子Ｆと接続されている。例えば、バーナ５の燃焼時に、後述するバーナコントローラ３の火炎検出回路３１から外部端子Ｆ、Ｇ間に電圧を印加することにより、外部端子Ｆ、信号線６、外部端子Ｐ４、電流制限回路２２、点火トランス２０の二次側コイルＬ２、外部端子Ｐ３、電極棒４を経由し、バーナ５の火炎を通って火炎電流Ｉｆが流れる。

外部端子Ｐ５は、基準電位（例えばグラウンド電位（アース））に接続するための端子である。

電圧制限素子２１は、点火トランス２０の二次側コイルＬ２の他端、すなわち二次側コイルＬ２の外部端子Ｐ３に接続される端子と反対側の端子と、外部端子Ｐ５との間に接続される。電圧制限素子２１は、点火トランス２０の二次側コイルＬ２で発生する電圧を所定の電圧（例えば６００Ｖ）に制限する（クランプする）素子である。電圧制限素子２１としては、例えばガスアレスタを例示することができる。これにより、電流制限回路２２、外部端子Ｐ４、信号線６、外部端子Ｆを介して火炎検出回路３１に印加される電圧を制限し、火炎検出回路３１を保護することができる。

電流制限回路２２は、点火トランス２０の二次側コイルの他端、すなわち二次側コイルの外部端子Ｐ３に接続される端子と反対側の端子と、外部端子Ｐ４との間に接続され、外部端子Ｐ４に流れる電流を制限する。
具体的に、電流制限回路２２は、点火トランス２０の二次側コイルの他端と外部端子Ｐ４との間に流れる電流を制限する高インピーダンスの回路である。電流制限回路２２としては、図２に示されるように、点火トランス２０の二次側コイルＬ２の他端と外部端子Ｐ４との間に接続される抵抗Ｒを例示することができる。ここで、抵抗Ｒは、複数の抵抗素子を並列に接続した構成としてもよい。

図３に、本発明に係る点火装置の具体的な実現例を示す。
同図に示されるように、点火装置２の構成部品としての点火トランス２０、保護素子２１、および電流制限回路２２を一つのパッケージ１０で覆う。なお、図３では、電流制限回路２２としての抵抗Ｒを、抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２とを並列接続することによって実現した場合が例示されている。

ここで、パッケージ１０としては、絶縁性、耐衝撃性、および耐熱性に優れたポリカーボネイト等の材料からなるケースを例示することができる。上記のように、点火装置２の各構成部品を一つのパッケージ１０で覆うことにより、電極棒４が接続される部位を除いた高電圧が発生する箇所が、パッケージ１０の外部に露出しないようにすることができる。

次に、バーナコントローラ３について説明する。
バーナコントローラ（プロテクトリレー）３は、バーナ５の点火制御、バーナ５の燃焼監視、およびバーナへの燃料の供給と停止を制御する安全遮断弁の制御を行う装置である。具体的に、バーナコントローラ３は、図１に示すように、複数の外部端子ＩＧｐ、ＩＧｎ、Ｆ、およびＧと、点火回路３０と、火炎点火回路３１と、制御部３２と、その他の図示されていないインターフェース回路等を有している。

点火回路３０は、バーナ５を点火させるとき、外部端子ＩＧｐと外部端子ＩＧｎとの間から交流電圧を出力することにより、点火装置２における点火トランス２０の二次側コイルＬ２に高電圧を発生させ、電極棒４とバーナ５との間にスパークを発生させる。上記交流電圧は、例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用交流電源に基づく交流電圧である。

火炎検出回路３１は、外部端子Ｆ，Ｇ間に電圧を印加することにより、外部端子Ｆから信号線６に流れる火炎電流を検出して火炎検出を行う。例えば、バーナ５が点火し、火炎が発生している状態において、外部端子Ｆ，Ｇ間に電圧を印加すると、火炎電流Ｉｆが、グラウンド電位から外部端子Ｇ、火炎検出回路３１、外部端子Ｆ、信号線６、外部端子Ｐ４、電流制限回路２２、点火トランス２０の二次側コイルＬ２、外部端子Ｐ３、電極棒４、およびバーナ５の火炎を通り、グラウンド電位（アース）を介して外部端子Ｇから抵抗Ｒ０に流れ込む。火炎検出回路３１は、例えば内部に火炎電流の検出用の容量（図示せず）を有しており、その容量に信号線６を流れる火炎電流に応じた電荷を充電する。火炎検出回路３１は、その容量の電荷量に応じて火炎検出信号Ｖｆを出力する。例えば、その容量の電荷量が閾値を超えている場合には、火炎があることを示す火炎検出信号Ｖｆ（例えばハイレベルの信号）を出力し、その電荷量が閾値を超えていない場合には、火炎がないことを示す火炎検出信号Ｖｆ（例えばローレベルの信号）を出力する。

ここで、火炎検出回路３１は、信号線６を流れる電流が、例えば数μＡ以上であれば、正常に火炎検出を行うことができるように設計されている。例えば、火炎検出回路３１の入力インピーダンスが数ＭΩに設計されている。

制御部３２は、バーナコントローラ３の統括的な制御を行う機能部であり、例えば、マイクロコントローラ等のプログラム処理装置で構成されている。
具体的に、制御部３２は、点火回路３０および火炎検出回路３１を制御する。
例えば、制御部３２は、点火回路３０を制御することにより、点火装置２を動作させて電極棒４からスパークを発生させる。
また、制御部３２は、火炎検出回路３１による火炎検出信号Ｖｆに基づいて、バーナ５による火炎の有無を判定する（火炎判定）。具体的には、制御部３２は、火炎検出信号Ｖｆが例えばハイレベルである場合に、バーナ５によって火炎が発生していると判定し、火炎検出信号Ｖｆが例えばローレベルである場合に、火炎が発生していないと判定する。
更に、制御部３２は、バーナ５を点火する場合に、バーナ５への燃料８の供給と停止を制御する安全遮断弁（ガスバルブ）７を制御して燃料８をバーナ５に供給するとともに、バーナ５による燃焼を停止する場合に、安全遮断弁７を制御し、バーナ５への燃料８の供給を停止する。

〈本発明に係る点火装置を備えた燃焼制御装置の動作〉
先ず、通常動作時について説明する。
例えば、バーナ５を点火させる場合、バーナコントローラ３の点火回路３０が、外部端子ＩＧｐと外部端子ＩＧｎとの間に交流電圧を供給することにより、外部端子ＩＧｐ、ＩＧｎから交流電圧を出力する。出力された交流電圧は点火トランス２０の一次側コイルの両端に印加される。点火トランス２０は、一次側コイルの両端に印加された電圧と一次側コイルと二次コイルの巻き数比に応じた高電圧を二次側コイルの両端に発生させ、その高電圧が電極棒４に供給される。これにより、電極棒４とバーナ５との間の空間（以下、「スパークギャップ」と称する。）にスパークが発生し、燃焼炉内に供給されている燃料と空気の混合ガスが着火する。

着火後は、火炎検出回路３１が、外部端子Ｆ、Ｇ間に電圧を印加することにより、火炎検出を行う。例えば、バーナ５が点火して火炎が発生している場合には、前述したように火炎電流が信号線６を流れるので、火炎検出回路３１内の容量が充電され、充電量に応じて火炎検出信号Ｖｆが出力される。そして、制御部３２は、例えば点火動作が終了するタイミングにおいて、火炎検出信号Ｖｆに基づいて火炎の有無を判定する。

次に、保護素子２１や外部端子Ｐ５が開放故障した場合について説明する。
図４は、本発明に係る点火装置の保護素子等が開放故障した場合における燃焼制御装置の動作を説明するための図である。
前述したように、従来の一本ロッド方式の燃焼制御装置では、保護素子２１が故障した場合や外部端子Ｐ５が開放故障した場合に、人体Ｍが信号線６に触れると感電する虞があり、また、人体Ｍが信号線６に触れない場合であっても、バーナコントローラ３の外部端子Ｆに高電圧が印加され、火炎検出回路３１が故障する虞があった。

これに対し、点火装置２を備えた燃焼制御装置１では、図４に示すように、保護素子２１や外部端子Ｐ５が開放故障し、点火装置２の二次側コイルに高電圧が発生した状態において人体Ｍが信号線６に触れた場合、上記電流制限回路を介して人体Ｍに電流が流れる。しかしながら、電流制限回路２２のインピーダンス、すなわち抵抗Ｒを適切な抵抗値（例えば１ＭΩ以上の抵抗値）に設定しておくことにより、人体Ｍに流れる電流を小さくすることができ、人体への生理学的なダメージを小さくすることができる。

また、点火装置２を備えた燃焼制御装置１では、抵抗Ｒを例えば抵抗１ＭΩ以上の高インピーダンスに設定することにより、保護素子２１や外部端子Ｐ５が開放故障し、点火装置２の二次側コイルＬ２に高電圧が発生した場合であっても、火炎検出回路３１に高電圧が印加されることを防止することができる。なお、火炎検出回路３１は数μＡ程度の電流で火炎検出を行うことができることから、１ＭΩ以上の抵抗Ｒを挿入したとしても、火炎検出動作への影響は小さい。

また、点火装置２を備えた燃焼制御装置１では、抵抗Ｒを抵抗ＭΩ以上の高インピーダンスに設定することにより、保護素子２１や外部端子Ｐ５が開放故障した状態で点火トランス２０の二次側コイルＬ２に高電圧が発生した場合でも、その高電圧がスパークギャップの抵抗と抵抗Ｒとによって抵抗分圧され、スパークギャップに印加される電圧が小さくなる。これにより、保護素子２１や外部端子Ｐ５が開放故障した状態においてバーナ５が誤って点火することを防止できる。

〈本発明に係る点火装置を備えた燃焼制御装置による効果〉
以上、本発明に係る点火装置によれば、スパークロッドとフレームロッドとを兼用した一本ロッド方式の点火装置において、点火トランスの二次側トランスの一端と当該二次側トランスに流れる電流を出力する外部端子との間に電流制限回路を設けることにより、点火装置とバーナコントローラの火炎検出回路とを結ぶ信号線に接続された保護素子等が開放故障した場合であっても、感電や火炎検出回路の故障を防止することが可能となる。
具体的には、前述したように、電流制限回路２２として適切な抵抗値の抵抗Ｒを用いることにより、火炎検出回路３１への火炎検出動作に悪影響を及ぼすことなく、感電と火炎検出回路３１の故障を防止することができ、且つバーナ５が誤って点火することを防止できる。

また、本発明に係る点火装置によれば、電流制限回路としての抵抗を、並列に接続した複数の抵抗素子によって実現することにより、抵抗素子を一つだけ設ける場合に比べて、抵抗素子一個当たりの消費電力を小さくすることができ、抵抗Ｒとして定格電力の小さい抵抗素子を用いることが可能となる。

また、本発明に係る点火装置によれば、点火装置を構成する点火トランス２０、保護素子２１、および電流制限回路２２を一つのパッケージ１０で覆うことにより、感電の防止効果を更に高めることができる。

更に、本発明に係る点火装置を備えた燃焼制御装置によれば、点火装置２とバーナコントローラ３とを別個にパッケージングし、別装置とすることができるので、例えば、点火装置２のみをバーナ５の近傍に設置し、バーナコントローラ３を点火装置２から離れた場所に設置された制御盤に取り付けるというような機器配置を採用することができ、燃焼制御装置内の機器配置の自由度が高くなる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施の形態では、電流制限回路２２として、点火トランス２０の二次側コイルの他端と外部端子Ｐ４との間に接続される抵抗Ｒを例示したが、外部端子Ｐ４に流れる電流を制限する高インピーダンス回路であれば、他の回路構成であってもよい。例えば、コイルやキャパシタを組み合わせた回路であってもよい。

１…燃焼制御装置、２…点火装置、３…バーナコントローラ、４…電極棒、５…バーナ、６…信号線、Ｐ１〜Ｐ５…外部電極、１０…パッケージ（ケース）、２０…点火トランス、Ｌ１…一次側コイル、Ｌ２…二次側コイル、２１…保護素子、２２…電流制限回路、３０…点火回路、３１…火炎検出回路、ＩＧｐ、ＩＧｎ、Ｆ、Ｇ…外部端子。

Claims (5)

1. 互いに磁気結合した一次側コイルと二次側コイルとを有する点火トランスと、
   前記一次側コイルの両端に夫々接続された第１端子および第２端子と、
   前記二次側コイルの一端に接続された第３端子と、
   電極棒に流れる電流を出力するための第４端子と、
   基準電位に接続するための第５端子と、
   前記二次側コイルの他端と前記第５端子との間に接続され、前記二次側コイルの他端の電圧を制限する電圧制限素子と、
   前記二次側コイルの他端と前記第４端子との間に接続され、前記第４端子に流れる電流を制限する電流制限回路と、
   を有することを特徴とする点火装置。
2. 請求項１に記載の点火装置において、
   前記電流制限回路は、前記二次側コイルの他端と前記第４端子との間に接続された抵抗を含む
   ことを特徴とする点火装置。
3. 請求項１に記載の点火装置において、
   前記電流制限回路は、前記二次側コイルの他端と前記第４端子との間に、並列に接続された複数の抵抗を含む
   ことを特徴とする点火装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の点火装置において、
   前記点火トランスと、前記保護素子と、前記電流制限回路とが、一つのパッケージで覆われている
   ことを特徴とする点火装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の点火装置と、
   前記点火装置の前記第３端子に接続された電極棒と、
   前記電極棒の近傍に配置されるバーナの燃焼を制御するバーナコントローラと、を備え、
   前記バーナコントローラは、
   前記バーナを点火するために、前記点火装置の前記第１端子および前記第２端子に電圧を印加する点火回路と、
   前記点火装置の前記第４端子と信号線によって接続され、前記信号線を流れる電流に基づいて火炎検出を行う火炎検出回路と、を有する
   ことを特徴とする燃焼制御装置。

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