JP2021043069A - 電極冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン電流検出用の一対の電極を局所的に効率良く冷却できる電極冷却構造を提供する。【解決手段】燃焼容器内に、相互に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用の一対の第１電極２１及び第２電極２２と、第１電極に接続され、燃焼容器２内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路１４と、第１電極の外周に設けられる第１電極冷却用金属層３１と、第２電極の外周に設けられる第２電極冷却用金属層３２と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は電極冷却構造に関し、より詳しくは、試験用の燃焼システム、高熱炉、エンジンの気筒、ガスバーナーあるいはバイオマス燃焼システム等において、燃焼状態を検出するためのイオン電流検出用の電極または点火するための点火放電用の電極を冷却する電極冷却構造に関する。

燃焼容器内の気体燃料が供給される空間内には該気体燃料を点火（着火）させるための一対の電極が備えられている。ここで、一方の電極は電圧発生部と電気的に接続されており、他方の電極は接地される。そして、一方の電極に電圧を印加することにより、一方の電極の先端と他方の電極の先端との間で火花を発生させて該空間内の気体燃料に点火される。

さらに、燃焼容器内の火炎帯領域内又はその近傍には、イオン電流検出用の一対の電極が備えられており、一方の電極に電圧を印加した時に流れる電流の大きさから、イオン電流を測定することにより、燃焼容器内の燃焼状態を把握することができる。

上述した点火用の電極やイオン電流検出用の電極はいずれも火炎帯又はその近傍に位置するため、高温環境下に晒されることが必須である。ところが、あまり高温になり過ぎると、電極の劣化が早まるため、電極自体には大きな耐熱性及び耐久性が要求される。

さらに、実用炉等の燃焼システムでは、イオン電流検出用の電極が高温になり過ぎると、電気的なノイズが大きくなり、精度の良いイオン電流検出が困難となる。

このため、近年では、イオン電流検出用の電極の周囲に、イオン電流検出用電極とは別体で、冷却水通路等を有する冷却部材を設けたイオン電流検出装置が開発されている（特許文献１）。

特開２００７−１９２７５７号公報。

しかしながら、特許文献１に記載されたイオン電流検出装置の冷却構造を、上述したイオン電流検出用の電極や点火用の電極に用いたとしても、イオン電流検出用の電極や点火用の電極とは別に、冷却水通路を有する冷却用部材を新たに取り付けているので、部品点数が増えると共に、コストが高くなるという問題があった。

本発明の目的は上記の問題点を解決し、新たに複雑な構造の冷却部材を追加することなしに、イオン電流検出用の電極や点火用の電極を効率良く冷却できる電極冷却構造を提供することにある。

本発明に係る電極冷却構造は、燃焼容器内に、相互に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用の一対の第１及び第２電極と、前記第１電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記第１電極の外周に設けられた第１電極冷却用金属層と、前記第２電極の外周に設けられた第２電極冷却用金属層と、
を備える。

この発明の電極冷却構造では、イオン電流検出用の第１及び第２電極の外周に、円筒状の簡単な形の冷却用金属層をそれぞれ設けることにより、イオン電流検出用の第１及び第２電極の高温化が防がれ、実質的にイオン電流検出用の第１及び第２電極が冷却される。また、各電極の全周が円筒状の金属層により保持されるため、電極の物理的な支持強度が向上する。

一実施形態の電極冷却構造では、前記第１電極冷却用金属層は、絶縁層を介して前記イオン電流検出用の第１電極の外周に設けられ、前記第２電極冷却用金属層は、前記第２電極に通電可能に接触すると共に、前記燃焼容器に通電可能に接続される。

この発明の電極冷却構造では、第２電極と電気的に接続する燃焼容器が、接地用の通電部材として有効利用される。

一実施形態の電極冷却構造では、燃焼容器内に、相互に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用の第１及び第２電極と、前記第１電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記第１電極の内部に設けられ、前記第１電極の基端部から先端部に至る冷却媒体流入通路と、前記第１電極の内部であって、前記冷却媒体流入通路の外周側に設けられ、前記先端部で前記冷却媒体流入通路に連通し、前記基端部に至る冷却媒体排出通路と、を備える。

この発明の電極冷却構造では、イオン電流検出用の第１及び第２電極の内部に、直接に、冷却媒体用の通路が形成されているので、冷却用に別途部材を用意する必要がなく、部品コストを抑えることができる。また、冷却媒体流入通路と冷却媒体排出通路とが設けられることにより、冷却媒体用の通路の全長が長くなり、冷却媒体の熱容量を有効に利用できる。

一実施形態の電極冷却構造では、燃焼容器内に、相互に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用の第１及び第２電極と、前記第１電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記第１電極の内部に設けられ、前記第１電極の基端部から先端部に至る冷却媒体流入兼排出通路と、を備える。

この発明の電極冷却構造では、イオン電流検出用の第１及び第２電極の内部に、直接に、冷却媒体用の通路が形成されているので、冷却用に別途部材を用意する必要がなく、部品コストを抑えることができる。また、冷却媒体用の通路として、単一の孔を明けるだけなので、加工が容易である。

一実施形態の電極冷却構造では、燃焼容器内に、相互に放電可能な隙間を隔てて配置される点火用放電極及び点火用接地電極と、前記点火用放電極及び点火用接地電極の内部或いは外部に配置され、直接に前記点火用放電極及び点火用接地電極を冷却する冷却部と、を備える。

この発明の電極冷却構造では、点火用放電極及び接地電極を、直接に冷却でき、冷却効率の向上が期待できる。

一実施形態の電極冷却構造では、燃焼容器内に、放電可能な隙間を隔てて配置される点火用放電極及び点火用接地電極と、前記点火用放電極とは別の位置で、前記点火用接地電極に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用電極と、前記点火用放電極に接続され、高電圧を印加する点火用回路と、前記イオン電流検出用電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出用電極の内部に設けられ、前記イオン電流検出用電極の基端部から先端部に至る冷却媒体流入通路と、前記イオン電流検出用電極の内部であって、前記冷却媒体流入通路の外周側に設けられ、前記先端部で前記冷却媒体流入通路に連通し、前記基端部に至る冷却媒体排出通路と、
を備える。

この発明の電極冷却構造では、イオン電流検出用電極内に直接に、冷却媒体用の通路が形成されているので、冷却用に別途部材を用意する必要がなく、部品コストを抑えることができる。また、点火用接地電極を、イオン電流検出装置の接地電極としても利用するので、イオン電流検出装置の部品点数が節約される。

一実施形態の電極冷却構造では、筒状の燃焼容器の内周面に、前記燃焼容器の筒心線方向に相互に間隔を隔てて配置されると共に、前記燃焼容器の周方向に延びるイオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極と、前記イオン電流検出用の第１円弧形電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出用の第１円弧形電極の内部に設けられ、前記イオン電流検出用の第１円弧形電極の一端部から他端部に至る第１冷却媒体通路と、前記イオン電流検出用の第２円弧形電極の内部に設けられ、前記イオン電流検出用の第２円弧形電極の一端部から他端部に至る第２冷却媒体通路と、を備える。

この発明の電極冷却構造では、イオン電流検出用電極内に、直接に、冷却媒体用の通路が形成されているので、冷却用に別途部材を用意する必要がなく、部品コストを抑えることができる。また、筒状の燃焼容器の周壁の内側に、完全円環に近い円弧状のイオン電流検出用電極及び接地電極が配置可能なので、広範囲に亘ってのイオン電流検出が可能になる。

一実施形態の電極冷却構造では、筒状の燃焼容器の直径方向に、前記燃焼容器を直線状に貫通すると共に、相互に平行に配置されるイオン電流検出用の第１及び第２直線形電極と、前記イオン電流検出用の第１直線形電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出用の第１直線形電極の内部に設けられ、前記イオン電流検出用の第１直線形電極の長さ方向の一端部から他端部に至る第１冷却媒体通路と、前記イオン電流検出用の第２直線形電極の内部に設けられ、前記接地電極の一端部から他端部に至る第２冷却媒体通路と、を備える。

この発明の電極冷却構造では、イオン電流検出用の第１及び第２直線形電極内に、直接に、冷却媒体用の通路が形成されているので、冷却用に別途部材を用意する必要がなく、部品コストを抑えることができる。また、直線状のイオン電流検出用の第１及び第２直線形電極内に、直線状の冷却媒体用の通路が形成されるので、通路の加工が容易である。

一実施形態の電極冷却構造では、冷却に供される前記各電極は、タングステン製である。

この発明の電極冷却構造では、白金のような高価な材料を利用する場合に比べ、イオン電流検出用電極の部品コストを下げることができる。

本発明によれば、単純な筒形状の電極冷却用金属層を設けたり、あるいは、イオン電流検出用の第１及び第２電極の内部に直接に冷却媒体通路等を設けたり、さらには、点火用放電極に、直接に、冷却構造を施したりすることにより、各電極を直接に冷却できるので、イオン電流検出用の第１及び第２電極、あるいは点火用放電極等を効率良く冷却できる。また、イオン電流検出用の第１及び第２電極では、別途冷却媒体通路用の部材を備える必要がなく、部品コスト及び加工コストを低く抑えることができる。

本発明の実施形態１に係る電極冷却構造を有するイオン電流検出装置を備えた燃焼システムの全体概略図である。 図１のイオン電流検出装置を一部断面で示す拡大図である。 図１のイオン電流検出装置のイオン電流検出回路を示す回路図である。 実施形態２に係る電極冷却構造を有するイオン電流検出装置のイオン電流検出用電極及び接地電極の縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 実施形態３に係る電極冷却構造を有するイオン電流検出装置のイオン電流検出用電極及び接地電極の縦断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 実施形態４に係る電極冷却構造を有するイオン電流検出装置を備えた燃焼システム全体が示された概念図である。 図８のイオン電流検出装置の縦断面拡大図である。 図８の別のイオン電流検出装置の斜視図である。 図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。 実施形態５に係る電極冷却構造を有するイオン電流検出装置の斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。

実施形態１．
図１は本発明の実施形態１に係る電極冷却構造を有するイオン電流検出装置７を備えた燃焼システムを示す概略図である。この実施形態１では、燃料投入用の投入口６が位置する側が、燃焼容器２の下側と規定して、説明される。図１の燃焼システムは、筒状の周壁３の上下端に上壁５及び底壁４を有する燃焼容器２と、底壁４の中央に形成された燃料投入用の投入口６の下側に配置された旋回気流形成用のスワラー（旋回羽根）１０と、スワラー１０の下側に接続されてアンモニアガス等の混合気体燃料をスワラー１０に供給する燃料供給部１１と、燃焼容器２内の燃焼状態、特に火炎の状態をイオン電流により検出する前述のイオン電流検出装置７と、を備えて構成されている。上壁５の中央部には火炎が噴出する出力口９が形成されている。なお、投入口６の範囲内又は範囲外には、二点鎖線で示すように、イオン電流検出装置７のイオン検出器１３とは別に、点火器（点火プラグ）１２が配置される場合もある。

スワラー１０は、複数の傾斜羽根を有しており、燃料供給部１１からのアンモニアガスを、燃焼容器２に旋回気流として送り込む。投入口６から燃焼容器２内に送り込まれる旋回気流Ｓ１は、旋回しながら周壁３の内周面に沿うように広がりつつ上方に進む。燃焼容器２の中央部分のアンモニアガスは、前述の周囲のアンモニアガスの旋回気流Ｓ１に引っ張られ、燃焼容器２の中央部分では、アンモニアガスは、渦巻き状となりながら、矢印Ｓ２のように下方から上方に流れる。

図２は図１のイオン電流検出装置７の一部縦断拡大図である。図２のイオン電流検出装置７は、燃焼容器２内に配置された前述のイオン検出器１３と、燃焼容器２の外部に配置されたイオン電流検出回路１４とを、備えて構成されている。イオン検出器１３は、細長い丸棒状に形成されたイオン電流検出用の第１電極（放電極又は印加電極）２１と、細長い丸棒状に形成されると共にイオン電流検出用の第１電極２１と同一軸心Ｏ１上に配置された第２電極（接地電極）２２と、底壁４から立ち上がり、前記第１及び第２電極２１、２２をそれぞれ支持する第１、第２支持脚２３、２４と、第１電極２１の外周面に、円筒状の絶縁層（絶縁体）２５を介して設けられた円筒状の第１冷却用金属層３１と、第２電極２２の外周面に、第２電極２２に通電可能に接触するように設けられた円筒状の第２冷却用金属層３２と、を備えて構成されている。前記第１冷却用金属層３１及び前記第２冷却用金属層３２は、それぞれ第１電極２１及び第２電極２２の電極冷却構造を供している。

印加用の第１電極２１は、金属中で高い溶融温度を有するタングステン製であり、先端部２１ａが半球状又は円錐状に形成されている。接地用の第２電極２２もタングステン製であり、先端部２２ａが半球状又は円錐状に形成されている。第１電極２１の先端部２１ａと接地用の第２電極２２の先端部２２ａとは、放電可能な隙間Ｃを隔てて対向している。

第１及び第２冷却用金属層３１、３２は、熱伝導率の高い金属、たとえば銅で形成されており、ステンレス鋼製の第１及び第２支持脚２３、２４にそれぞれ固定されている。

イオン電流検出用の第１電極２１の先端部２１ａは燃焼容器２内の雰囲気に露出しているが、先端部２１ａを除いた中間部から基端部２１ｂに亘っては、その全周が前述の絶縁層２５を介して第１冷却用金属層３１により覆われている。また、イオン電流検出用の第１電極２１の基端部２１ｂの端面は、絶縁層２５の端壁により、第１支持脚２３から電気的に絶縁されている。イオン電流検出用の第１電極２１の基端部２１ｂの端面には、電線３６が接続されており、この電線３６は、第１支持脚２３内を絶縁状態で通って燃焼容器２外に導き出され、イオン電流検出回路１４に接続されている。

一方、第２電極２２の先端部２２ａは、イオン電流検出用の第１電極２１の先端部２１ａと同様、燃焼容器２内の雰囲気に露出しているが、先端部２２ａを除いた中間部から基端部２２ｂに亘っては、その全周が第２冷却用金属層３２により直接覆われ、燃焼容器２内の雰囲気から遮断されている。接地される第２電極２２の基端部２２ｂの端面は、導電性を有する第２支持脚２４に通電可能に支持されている。第２支持脚２４の下面は通電性を有する底壁４を介して、接地用電線３７に接続されている。接地用電線３７は接地されている。

図３は、イオン電流検出回路１４の一例が示されている。この図３において、イオン電流検出回路１４は、電源４０、抵抗４１及び電圧計測部４２を備えて構成されている。電源４０は、抵抗４１を通して、イオン検出器１３のイオン電流検出用の第１電極２１に電圧を印加する。この実施形態では、負の電圧が印加されるように電源４０が配置されている。

この電源４０の電圧は、例えば、−２００Ｖである。イオン検出器１３の周辺にイオンが存在する時には、このイオンがイオン電流検出用の第１電極２１に引き寄せられ、電流（イオン電流）が流れる。存在するイオンが多い程、大きな電流が流れる。電圧計測部４２は、イオン電流により抵抗４１の両端部に発生した電位差を検知し、増幅する。電圧計測部４２は、イオン電流に比例した電圧を検出する。この電圧からイオン電流が得られる。このイオン電流検出回路１４では、イオンの検出結果としてイオン電流が得られる。

なお、電源４０は、イオン電流検出用の第１電極２１に、正の電圧を印加する構成とすることも可能である。たとえば、電源４０の電圧が、２００Ｖとされてもよい。イオン検出器１３の周辺にイオンと共に発生した電子が存在するとき、この電子がイオン電流検出用の第１電極２１に引き寄せられ、イオン電流は流れる。存在するイオンが多いほど、すなわち、電子が多いほど、大きなイオン電流が流れる、抵抗４１の両端の電圧を計測することにより、イオン電流が計測される。

イオンは電子よりも、重くて、動きにくい。イオン電流検出用の第１電極２１に負の電圧を印加したとき、イオン電流検出用の第１電極２１の近傍のイオンが引き寄せられる。この方法は、イオン電流検出用の第１電極２１のイオンの量を検出するのに適している。電子は、動きやすいため、イオン電流検出用電極２１に正の電圧を印加したとき、負の電圧を印加したときより、広い範囲から電子が引き寄せられる。この方法は、イオン電流検出用の第１電極２１の周辺の、より広い範囲のイオン量を検出するのに適している。イオン電流検出用の第１電極２１に正負のいずれの電圧は負荷するかは、燃焼システムの用途や設計により、適宜選択される。

イオン電流検出回路１４の構成は図３の構成に限らず、電圧計測部４２と抵抗４１とが、電源４０とイオン電流検出用の第１電極２１との間において、電源と並列に設けられてもよい。図３の電源４０の代わりに、容量とこの容量に電荷を充電する、充電回路を有していてもよい。この構成では、この容量とイオン電流検出用の第１電極２１との間で、イオン電流が流れる。イオン電流検出回路１４と、点火器１２の点火回路の電圧発生部とが、一体として構成されてもよい。

以上のように構成された燃料装置のイオン電流検出装置７の作用効果について以下に説明する。

燃料供給部１１からスワラー１０に供給されるアンモニアガス（混合気体燃料）は、スワラー１０の傾斜羽根にガイドされることにより旋回し、図１に符号Ｓ１で示すように、燃焼容器２内に旋回気流として送り込まれる。旋回気流Ｓ１は、旋回しながら外周側に広がり、周壁３の内周面に沿って旋回しながら上方へと移動している。一方、底壁４の中央部からは、前記旋回気流Ｓ１により上方に引き出され、縦向きの渦流状態となる中央気流Ｓ２が発生している。

点火器１２あるいはその他の点火手段により、アンモニアガスに点火され、燃焼容器２内で燃焼し、火炎が形成される。この燃焼及び火炎の形成により、燃焼容器２内にイオンが発生する。イオン電流検出用の第１電極２１の近傍のイオンが、たとえばイオン電流検出用の第１電極２１に引き寄せられ、イオン電流が発生する。

このイオン電流は、図３のイオン電流検出回路１４内を流れ、イオン電流により抵抗４１の両端で発生した電位差を検知し、増幅する。電圧計測部４２は、イオン電流に比例した電圧を計測し、この電圧からイオン電流の大きさの変化等が得られる。

前記イオン電流の検出結果に基づいて、図示しないが適宜の制御装置により、燃焼及び空気の空燃比等を制御し、安定した燃焼が得られるように制御される。

この実施形態１では、イオン電流検出用の第１電極２１の外周は、先端部２１ａを除いた基端部２２ｂ及び中間部が、絶縁層２５及び第１冷却用金属層３１により覆われているので、タングステン製のイオン電流検出用の第１電極２１に対して実質的に冷却作用を発揮し、イオン電流検出用の第１電極２１が過度に高温化するのを防ぐことができる。イオン電流検出用の第１電極２１の過度な高温化を防ぐことにより、イオン電流検出用電極２１の溶融も未然に防ぎ、安定したイオン電流検出動作を維持できる。

第２電極２２の外周も、先端部２２ａを除いた基端部２２ｂ及び中間部が、第２冷却用金属層３２により覆われているので、タングステン製の第２電極２２に対して冷却作用を発揮し、第２電極２２が過度に高温化するのを防ぐことができる。第２電極２２の過度な高温化を防ぐことにより、第２電極２２の溶融を未然に防ぎ、安定したイオン電流検出動作を維持できる。

また、イオン電流検出用の第１電極及２１及び第２電極２２は、金属製の第１及び第２冷却用金属層３１、３２により、機械的に保持されているので、各電極２１、２２を外部の異物から守ることができ、かつ、曲げ作用等の機械的な外力からも守ることができる。

この実施形態１において、図１に示す点火器１２の放電極及び接地電極に、それぞれイオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２と同様の冷却部、すなわち、前記第１冷却用金属層３１及び前記第２冷却用金属層３２と同様の冷却部を備えることができる。

また、この実施形態１において、第１電極２１を点火回路にも接続して、第１及び第２電極２１、２２を点火器として利用することも可能である。

実施形態２．
図４及び図５は実施形態２を示している。図１の実施形態１と異なる構成は、冷却用金属層の代わりに、イオン電流検出用の第１電極２１及び第２電極２２の内部に、冷却構造が備えられる点である。この冷却構造以外は、前記実施形態１と同様であり、重複する図及び説明は省略する。

図４は、イオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２からなるイオン検出器１３の縦面拡大図である。図４のイオン電流検出用の第１電極２１は、基端部２１ｂから先端部２１ａまで、軸心線Ｏ１方向に延びる冷却媒体流入通路４６及び冷却媒体排出通路４７を有している。イオン電流検出用の第１電極２１は中空状に形成され、基端部２１ｂが開口すると共に先端部２１ａが半球状に形成されている。イオン電流検出用の第１電極２１の内部に、筒状の隔壁部材４８が挿入されており、この隔壁部材４８の内側に前記冷却媒体流入通路４６が形成され、外側に冷却媒体排出通路４７が形成される。

隔壁部材４８の基端部には径方向に延びる複数のフランジ４８ａが形成され、これらフランジ４８ａが、イオン電流検出用の第１電極２１の基端部２１ｂに固定される。隔壁部材４８の先端部は、イオン電流検出用の第１電極２１の内面から離れており、これにより、冷却媒体流入通路４６の先端部と冷却媒体排出通路４７の先端部が連通している。冷却媒体流入通路４６の基端は、冷却水ポンプのような冷却媒体供給部５０に連通している。冷却媒体排出通路４７の基端部は外部に連通している。

冷却媒体供給部５０から圧送される冷却媒体は、冷却媒体流入通路４６の基端部から冷却媒体流入通路４６内に送り込まれ、冷却媒体流入通路４６の先端部まで流れた後、冷却媒体排出通路４７の先端部に入り、冷却媒体排出通路４７内をイオン電流検出用の第１電極２１の基端部２１ｂまで戻り、外部に排出される。これにより、イオン電流検出用の第１電極２１の内部及びその周囲が、積極的に冷却される。

図４の接地される第２電極２２も、イオン電流検出用の第１電極２１と同様の冷却構造を備えており、中空状の第２電極２２の空洞内に隔壁部材４８が挿入され、これにより、冷却媒体流入通路４６及び冷却媒体排出通路４７が形成されている。

図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図であり、冷却媒体流入通路４６の断面形状が円形であり、冷却媒体排出通路４７の断面形状が円環状でることを明確に示している。

この実施形態２によると、イオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２は、冷却媒体により積極的に冷却される。また、かつ、冷却媒体の量及び温度を制御することにより、イオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２の温度が制御される。

なお、図４に示すイオン電流検出用の第１電極２１の冷却媒体流入通路４６及び冷却媒体排出通路４７を、たとえば、図１の点火器１２の放電極及び接地電極に設け、点火用放電極等を直接に冷却する構成とすることもできる。

実施形態３．
図６及び図７は、実施形態３を示している。図４及び図５の実施形態２と異なる構成は、筒状の隔壁部材をイオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２の空洞内に挿入する代わりに、図６のイオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２の開口状の基端部２１ｂ、２２ｂに、入口孔５７及び出口孔５８を有する蓋部材５６を取り付けていることである。すなわち、イオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２の内部には、一本の冷却媒体流入兼排出通路５５が形成される。

図７は、図６のイオン電流検出用の第１電極２１のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。入口孔５７は蓋部材５６の中央部に形成され、複数の出口孔５８は、入口孔５７の周囲に、周方向に等間隔を隔てて配置される。

図６の第２電極２２の蓋部材５６の入口孔５７及び出口孔５８も、図７のイオン電流検出用の第１電極２１の入口孔５７及び出口孔５８と同様に形成される。

図６の冷却媒体供給部５０から圧送される冷却媒体は、入口孔５７から冷却媒体流入兼排出通路５５内に入り、まず、冷却媒体流入兼排出通路５５の径方向の中央部を、イオン電流検出用の第１電極２１の先端部２１ａ側に流れる。先端部２１ａにおいて、外方側に折り返し、冷却媒体流入兼排出通路５５の外周側部分をイオン電流検出用の第１電極２１の基端部２１ｂ側に流れ、複数の出口孔５８から外部に排出される。これにより、イオン電流検出用の第１電極２１及びその周囲が、積極的に冷却される。

図６の第２電極２２もイオン電流検出用の第１電極２１と同様に冷却される。

この実施形態３によると、イオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２は、冷却媒体により積極的に冷却され、かつ、冷却媒体の量及び温度を制御することにより、イオン電流検出用の第１及び第２電極２１、２２の温度を制御できる。また、筒状の隔壁部材を用いないので、実施形態２に比べると、構造が簡素化される。

なお、図４に示すイオン電流検出用の第１電極２１の冷却媒体流入通路４６及び冷却媒体排出通路４７を、たとえば、図１の点火器１２の放電極及び接地電極に設け、点火用放電極等を直接に冷却する構成とすることもできる。

実施形態４．
図８〜図１１は、実施形態４を示している。図８において、前述の実施形態１と同じ部品には、同じ符号を付してあり、重複する説明は、省略或いは簡素化される。前述の図１と異なる主たる構成は、イオン電流検出装置７として、点火器１２と一体的なイオン電流検出用電極２１−１と、燃焼容器２の周壁３の内周面に沿って周方向に延びるイオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２と、を備えており、前記イオン電流検出用電極２１−１並びに前記第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２に、それぞれ独自の冷却構造が設けられていることである。

図８は燃焼システムが示された概念図であり、図１の燃焼システムと同様、筒状の燃焼容器２及び燃料供給部１１を備えると共に、燃料混合器７０、点火器１２、イオン検出器１３及び制御器７４を備えている。

筒状の燃焼容器２は、周壁３、投入口６を有する底壁４、及び出力口９を有する上壁５を備えている。スワラー１０が底壁４の投入口６の下側に配置されており、アンモニアガス等の混合気体燃料がスワラー１０により旋回流とされ、投入口から燃焼容器２内に送り込まれる。

燃料混合器７０は、燃料タンク７３と、第一バルブ７１及び第ニバルブ７２を有している。燃料タンク７３には、難燃性の液化アンモニアが格納されている。この液化アンモニアは、気化されて燃料供給部１１に送られる。燃料タンク７３に接続された第一バルブ７１は、混合気体燃料中の燃料の量を調整する。第ニバルブ７２は、混合気体燃料中の空気の量を調整する。

複数の点火器１２は、点火プラグであり、投入口６に囲まれた底壁４の領域に配置されている。

図９は、燃焼容器２の底壁４に設けられた点火器１２及び第１イオン電流検出用電極２１−１の縦断面拡大図である。点火器１２は、Ｌ字形状の放電極６１及びＬ字形状の点火用接地電極６２を備えている。点火用接地電極６２は燃焼容器２の底壁４を介して接地されている。放電極６１は、点火回路６４内の電圧発生部６４ａと電気的に接続されている。放電極６１には、電圧発生部６４ａから高電圧が印加される。これにより、放電極６１の先端と点火用接地電極６２の先端との間に火花が発生し、混合気体燃料に点火される。

図９の点火器１２と一体的な第１イオン電流検出用電極２１−１は、Ｌ字形状に形成されると共に、点火用接地電極６２に対して、上方から間隔を隔てて対向するように配置されている。すなわち、点火用接地電極６２は、イオン電流検出用の第２電極（接地電極）としても利用される。

点火器１２と一体的なイオン電流検出用電極２１−１の冷却構造構に関し、イオン電流検出用電極２１−１内には、図４に示す実施形態２と同様、内側の冷却媒体流入通路４６と、外側の冷却媒体排出通路４７が形成されている。すなわち、イオン電流検出用電極２１の空洞部内に筒状の隔壁部材４８が挿入され、これにより、イオン電流検出用電極２１の先端部２１ａで連通する内側の冷却媒体流入通路４６及び外側の冷却媒体排出通路４７が形成されている。冷却媒体流入通路４６の基端部は冷却媒体供給部５０に接続され、冷却媒体排出通路４７の基端部は外部に連通している。

イオン電流検出用電極２１−１の冷却動作については、図４の実施形態２と同様であり、省略する。

図１０及び図１１は、イオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２を示している。図１０はイオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２の斜視図であり、イオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２は、円環の一ヶ所に割れ目を形成してなる形状、すなわち中心角の大きな円環に近い円弧形に形成されている。イオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２の内部には、周方向の一端部から他端部に至る冷却媒体通路８０がそれぞれ形成されている。

イオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２は、上下方向に隙間を隔てて対向配置されており、イオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２，２２−２の周方向の一端部と他端部には入口管８１と出口管８２がそれぞれ形成されている。

図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ線断面拡大図であり、イオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２の断面形状は、上下方向に長い矩形状に形成されており、また、内部の冷却媒体通路８０も上下方向に長い矩形状に形成されている。

下側の第２円弧形電極２２−２は、周壁３に通電可能に接触した状態で、周壁３に支持され、周壁３を介して接地されている。上側のイオン電流検出用の第１円弧形電極２１−２は、絶縁板８４を介して周壁３に支持され、周壁３からは電気的に遮断されている。上側のイオン電流検出用の第１円弧形電極２１−２は、電線８３を介して、図９と同様に、イオン電流検出回路１４に接続されている。

冷却媒体供給部５０から送られる冷却媒体は、上下の各入口管８１、８１からイオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２の各冷却媒体通路８０、８０の一端部に入り、周方向の略一周した後、上下の各出口管８２、８２から排出される。これにより、上下のイオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２の全体は、積極的に冷却される。

この実施形態４では、イオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２は、いずれも断面矩形状に形成され、冷却媒体通路８０も断面矩形状に形成されているが、イオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極２１−２、２２−２は、円形でもよく、また、冷却媒体通路８０の断面形状も円形とすることが可能である。

この実施形態４では、イオン検出器１３を、燃焼容器２の内周面の略全周に範囲に配置しているので、燃焼容器２内の広い範囲におけるイオン電流の状態を調べることができ、燃焼容器内の燃焼状態を、詳細に調べることができる。

また、この実施形態４において、点火器１２の放電極６１及び点火用接地電極６２に、図９と同様に、冷却媒体流入通路４６及び冷却媒体排出通路４７を設けて、放電極６１及び点火用接地電極６２を直接に冷却する構成とすることもできる。

実施形態５．
図１２は、実施形態５を示している。この図において、イオン検出器１３は、互いに平行に配置された直線状のイオン電流検出用の第１及び第２直線形電極２１−３、２２−３を備えて構成されている。イオン電流検出用の第１及び第２直線形電極２１−３、２２−３は、上下に間隔を隔てて配置されており、一対の円柱状の保持体８５により、燃焼容器２の周壁３に保持されると共に、周壁３を燃焼容器２の直径方向に貫通している。イオン電流検出用の第１直線形電極２１−３は、絶縁体（図示せず）を介して保持体８５に保持され、接地用の第２直線形電極２２は通電可能に周壁３に保持され、周壁３を介して接地される。

イオン電流検出用の第１及び第２直線形電極２１−３、２２−３は、いずれも管状に形成され、内部にはイオン電流検出用の第１及び第２直線形電極２１−３、２２−３をそれぞれ長さ方向に貫通する冷却媒体通路８９、８９が形成される。

イオン電流検出用の第１及び第２直線形電極２１−３、２２−３の長さ方向の一端部は、冷却水ポンプのような冷却媒体供給部５０に接続され、イオン電流検出用の第１及び第２直線形電極２１−３、２２−３の長さ方向の他端部は、排出通路を介して外部に連通している。なお、イオン電流検出用の第１及び第２直線形電極２１−３、２２−３の長さ方向の他端部を、たとえば、熱交換器（ラジエータ）に接続し、熱交換した冷却媒体を再利用する構成とすることもできる。

この実施形態５によると、イオン電流検出用の第１及び第２直線形電極２１−３、２２−３は直線状に形成され、冷却媒体通路８９も直線状に形成されるので、構造が簡素化され、コストを低減できる。また、燃焼容器２の周壁３及び底壁４から離れた箇所でも簡単にイオン検出できる。

ここまで、本発明の実施形態を説明したが、前記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の
様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２ 燃焼容器
３ 周壁
４ 底壁
５ 上壁
６ 投入口
７ イオン電流検出装置
１２ 点火器
１３ イオン検出器
１４ イオン電流検出回路
２１ イオン電流検出用の第１電極（放電極又は印加電極）
２１−１ イオン電流検出用電極（印加電極）
２１−２ イオン電流検出用の第１円弧形電極（印加電極）
２１−３ イオン電流検出用の第１直線形電極（印加電極）
２１ａ 先端部
２１ｂ 基端部
２２ａ 先端部
２２ｂ 基端部
２２ イオン電流検出用の第２電極（接地電極）
２２−２ イオン電流検出用の第２円弧形電極（接地電極）
２２−３ イオン電流検出用の第２直線形電極（接地電極）
２５ 絶縁層
３１ 第１冷却用金属層（冷却構造）
３２ 第２冷却用金属層（冷却構造）
４６ 冷却媒体流入通路（冷却構造）
４７ 冷却媒体流出通路（冷却構造）
４８ 隔壁部材
５０ 冷却媒体供給部
５５ 冷却媒体流入兼排出通路（冷却構造）
６１ 点火用放電極
６２ 点火用接地電極（兼イオン電流検出用接地電極）
８０，８９ 冷却媒体通路（冷却構造）

Claims (10)

1. 燃焼容器内に、相互に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用の一対の第１及び第２電極と、
   前記第１電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、
   前記第１電極の外周に設けられた第１電極冷却用金属層と、
   前記第２電極の外周に設けられた第２電極冷却用金属層と、
   を備える電極冷却構造。
2. 前記第１電極冷却用金属層は、絶縁層を介して前記イオン電流検出用の第１電極の外周に設けられ、
   前記第２電極冷却用金属層は、前記第２電極に通電可能に接触すると共に、前記燃焼容器に通電可能に接続される、請求項１記載の電極冷却構造。
3. 前記第１及び第２電極は、タングステン製である、請求項１または２記載の電極冷却構造。
4. 燃焼容器内に、相互に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用の第１及び第２電極と、
   前記第１電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、
   前記第１電極の内部に設けられ、前記第１電極の基端部から先端部に至る冷却媒体流入通路と、
   前記第１電極の内部であって、前記冷却媒体流入通路の外周側に設けられ、前記先端部で前記冷却媒体流入通路に連通し、前記基端部に至る冷却媒体排出通路と、
   を備える電極冷却構造。
5. 燃焼容器内に、相互に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用の第１及び第２電極と、
   前記第１電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、
   前記第１電極の内部に設けられ、前記第１電極の基端部から先端部に至る冷却媒体流入兼排出通路と、
   を備える電極冷却構造。
6. 燃焼容器内に、相互に放電可能な隙間を隔てて配置される点火用放電極及び点火用接地電極と、
   前記点火用放電極及び点火用接地電極の内部或いは外部に配置され、直接に前記点火用放電極及び点火用接地電極を冷却する冷却部と、を備える電極冷却構造。
7. 燃焼容器内に、放電可能な隙間を隔てて配置される点火用放電極及び点火用接地電極と、
   前記点火用放電極とは別の位置で、前記点火用接地電極に隙間を隔てて配置されるイオン電流検出用電極と、
   前記点火用放電極に接続され、高電圧を印加する点火用回路と、
   前記イオン電流検出用電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、
   前記イオン電流検出用電極の内部に設けられ、前記イオン電流検出用電極の基端部から先端部に至る冷却媒体流入通路と、
   前記イオン電流検出用電極の内部であって、前記冷却媒体流入通路の外周側に設けられ、前記先端部で前記冷却媒体流入通路に連通し、前記基端部に至る冷却媒体排出通路と、
   を備える電極冷却構造。
8. 筒状の燃焼容器の内周面に、前記燃焼容器の筒心線方向に相互に間隔を隔てて配置されると共に、前記燃焼容器の周方向に延びるイオン電流検出用の第１及び第２円弧形電極と、
   前記イオン電流検出用の第１円弧形電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、
   前記イオン電流検出用の第１円弧形電極の内部に設けられ、前記イオン電流検出用の第１円弧形電極の一端部から他端部に至る第１冷却媒体通路と、
   前記イオン電流検出用の第２円弧形電極の内部に設けられ、前記イオン電流検出用の第２円弧形電極の一端部から他端部に至る第２冷却媒体通路と、
   を備える電極冷却構造。
9. 筒状の燃焼容器の直径方向に、前記燃焼容器を直線状に貫通すると共に、相互に平行に
   配置されるイオン電流検出用の第１及び第２直線形電極と、
   前記イオン電流検出用の第１直線形電極に接続され、前記燃焼容器内の燃焼によるイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、
   前記イオン電流検出用の第１直線形電極の内部に設けられ、前記イオン電流検出用の第１直線形電極の長さ方向の一端部から他端部に至る第１冷却媒体通路と、
   前記イオン電流検出用の第２直線形電極の内部に設けられ、前記接地電極の一端部から他端部に至る第２冷却媒体通路と、
   を備える電極冷却構造。
10. 前記各電極は、タングステン製である、請求項４〜９のうちのいずれか１つに記載の電極冷却構造。

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