JP2794488B2 - 回転再生式熱交換器のホットスポット検出 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、回転再生式空気予熱器のホットスポット検
出、特に、改善した温度制御を有する赤外線検出器を使
用する熱映像システムに関する。

回転再生式空気予熱器は、一般に、入来する燃焼用空
気に炉を出る煙道ガスから熱を伝達するのに用いられて
いる。このような空気予熱器内の火災は、しばしば、コ
ールドスタートアップ又はスタートアップに続く高温待
機（Start−up Following Hot Standby）中に発生す
る。これらの火災は、燃料の燃焼が乏しく、その結果未
燃焼又は部分的に燃焼した燃料が濃縮して空気予熱器の
要素に堆積することによって、発生するものである。す
なわち、空気予熱器に入る温度が増大すると、堆積物は
硬質ワニスの様な物質に焼付けられる。この焼付けは20
5〜260℃（400〜500゜F）の温度範囲で生じ、温度が315
〜370℃（600〜700゜F）に増大すると、これらの堆積物
が発火してしまう。発火は通常堆積物の小さい区域で始
まるので、オペレータはしばしば火災が発生しているこ
とに気づかないでいる。すなわち、火災の初期段階の間
は、外部への影響はあらわれないものである。そいて、
堆積物はガス又は空気の流れを制限するので、発生した
少しの過剰熱がこれら流体により下流に持ち去られ、こ
れら流体による熱の持ち去りにより外部へあらわれる影
響は少なくされ、火災の存在がおおい隠されてしまう。
発生した熱は、火災の局部において金属製熱伝達要素に
よって吸収される。実際の温度増大は、比較的ゆっくり
である。もしホットスポットを早く検出することができ
れば、消化するのに必要とされる水の量は過剰にならな
いようにすることができる。しかしながら、もしホット
スポットを早く検出することができない場合には、金属
製熱伝達要素の表面の温度が該金属自体が発火する温度
まで増大し続ける。この金属の発火は約705℃（1300゜
F）で生じ、それから温度はものの数分もすると1650℃
（3000゜F）にまで急速に増大する。このような金属の火
災は自己持続（self−sustaining）であり、温度を過度
のレベルにまで降下させるのに大量の水は必要とされな
い。なお、水以外の消化剤例えば二酸化炭素、ハロン
（halon）及び他の消化剤は、それらの冷却効果が十分
でないことから、役に立たないものである。

しかして、火災が発生するのを防止するために、過熱
状態（ホットスポット）を検出して警報器をトリガする
システムが開発されている。このようなシステムにおい
て、例えば熱電対、種々のサーミスタ及び紫外線検出器
のような装置が用いられているけれども、好適なシステ
ムは赤外線検出器を用いている。その理由は、赤外線検
出器は応答時間が速いこと及び背景温度の小さい変化に
対して感度があることである。すなわち、空気予熱器に
おける回転熱伝達表面の15.24cm（６インチ）直径のホ
ットスポットは150ミリ秒から1000ミリ秒で所定点を通
過するが、赤外線検出器の応答時間は現在の高速半導体
電子工学でもって100ミリ秒よりも速くすることができ
る。また、感度は、調整可能であるが、しかし、煙道ガ
スの入口温度よりも高い90〜150℃（200〜300゜F）のホ
ットスポットが検出されたときに警報器をトリガするよ
うに設定されねばならない。

しかして、現在の赤外線検出器を用いての問題のひと
つとして、検出器の温度制御がある。すなわち、検出器
からの出力信号の安定性及び正確度は検出器の温度に直
接関係する。ところが、現在のシステムでは、検出器は
開放環境中のヒートシンクに取付けられて、水分及び汚
染物にさらされ、装置の性能低下及びその結果として性
能の損失が生じている。更に、ヒートシンクは、温度が
著しく変化する入口水を用いて、水冷されている。した
がって、これによって、システム性能のために重要であ
る検出器の出力信号の安定性が影響を受ける。また、も
し入口冷却水の温度が非常に高くなったときには、熱除
去が不十分となり、これによって検出器に永久的な損傷
が生じる。

発明の概要 本発明の目的は、検出器の温度を設定限度内に維持す
るシステム、特に、回転再生式空気予熱器におけるホッ
トスポット検出装置の赤外線検出器を所要の温度に維持
するシステムを提供することにある。本発明は、熱電冷
却器と、サーミスタと、ヒートシンクと、冷却水とを使
用するものである。

図面の簡単な説明 図１は、本発明は具体化する回転再生式空気予熱器の
断面図である。

図２は、図１の空気予熱器の底面図であって、ロータ
を走査するように取付けられた複数の赤外線検出器を示
す。

図３は、検出器駆動装置の断面図である。

図４は、検出器ヘッドの断面図である。

図５は、本発明による検出器モジュールの断面図であ
る。

図６は、ヒートシンクに取付けられた検出器モジュー
ルを示す図である。

好適な実施例の説明 図１及び図２に例示した典型的な回転再生式空気予熱
器10は、円筒形のケーシング12と、通常の熱交換表面を
収容してシャフト16に取付けられているロータ14と、空
気入口ダクト18と、空気出口ダクト20と、煙道ガス入口
ダクト22と、煙道ガス出口ダクト24とを包含する。そし
て、ロータ14の上面及び下面に隣接してケーシング12を
横切って延びているセクター板26及び28が、空気予熱器
を空気側と煙道ガス側とに分割している。矢印は、空気
及び煙道ガス流れの方向を示す。ダクト22に入った煙道
ガスは、熱をロータの熱交換表面に伝達する。そして、
ロータが連続して回転するにつれて、熱を伝達された熱
い熱交換表面は空気側に回転させられ、ここで熱が空気
に伝達される。

しかして、本発明のホットスポット検査装置が、図１
に示されるように、空気予熱器の空気入口ダクト18内に
設置されている。図２に示されるように、４つほどの検
出器がロータの直径に依存して必要とされる。検出器ヘ
ッド30は揺動アーム32に取付けられ、これにより検出器
は約180°の弧にわたって揺動できる。検出器の経路
は、図２に点線の弧によって示されている。すべての検
出器の揺動によって、ロータの半径の全範囲を走査でき
ることを見ることができよう。通常の空気予熱器の作動
状態の下では、ロータの完全な横走査は約10分で成し遂
げられる。

空気入口ダクト18の壁を介して取付けられる検出器駆
動装置の詳細が、図３に示されている。揺動アーム32
は、中空シャフト36に取付けられている。このシャフト
36は、回転可能であると共に、シャフト36に取付けられ
ているギヤ38を有する。このギヤ38と噛み合うギヤ40
が、シャフト42に取付けられている。また、このシャフ
ト40にはレバーアーム44の一端が取付けられ、このレバ
ーアーム44の他端はリンケージバー46に接続されてい
る。そして、このリンケージバー46は、図２に示される
ように、他の検出器駆動装置のレバーアーム44と、駆動
モータ48とに接続されている。駆動モータ48は、公知の
適当な方法によってリンケージバー46を往復動させ、こ
れによりレバーアーム44及び揺動アーム32を180°の弧
にわたって前後に回転させる。

検出器ヘッド30は、図４に一層詳細に示されている。
各検出器ヘッド30は絶縁ハウジング50を包含し、この絶
縁ハウジング50内に好適にはアルミニウムで形成されて
いるヒートシンク52が取付けられている。また、ヒート
シンク52を囲む冷却水循環用空間54が設けられており、
冷却水は複数の水管56（そのひとつが図４に示されてい
る）によって空間54に導入され、その後空間54から排出
される。これらの水管56は、電線58と同じようにアーム
32及びシャフト36を通過して出る。更に、ヒートシンク
53には検出器モジュール60が取付けられており、この検
出器モジュール60については後で詳細に説明する。ま
た、検出器ヘッド30を覆うカバー62が設けられており、
このカバー62は赤外線放射エネルギを図４に矢印で示さ
れる放射エネルギ線によって表わされているように検出
器モジュール60に集合せしめるレンズから成る。

検出器モジュール60は、図５に示されるように、ハウ
ジングカン62を包含し、このハウジングカン62はハウジ
ングベース64に取付けられている。そして、ハウジング
カン62の頂部には窓開口66が形成されており、この窓開
口66はエポキシ樹脂接着剤によってハウジングカン62の
内側に密封して取付けられたサファイア窓68を有してい
る。また、可視紫外線をフィルタするためのガラスフィ
ルタ70がエポキシ樹脂接着剤によって窓開口66の上に取
付けられている。ハウジングカン62は、ハウジングベー
ス64が円筒形の銅製ヒートシンク72にはんだ付けされる
ことによって、ヒートシンク72に取付けられている。ハ
ウジングカン62とハウジングベース64とから成る密封ハ
ウジングは、検出器の性能低下及び性能損失を生じさせ
る水分及び汚染物から検出器を保護する。ハウジング
は、好適には、排気され、その後イナートガスで充填さ
れる。そして、赤外線検出器を冷却する目的のために、
熱電冷却器74がハウジングカン62の内側でハウジングベ
ース64にはんだ付けによって取付けられている。この熱
電冷却器74は、コールドプレート76とホットプレート78
とから成る。熱電冷却器74は、また、加熱するのに用い
ることもできるが、ここでは冷却器と称されている。更
に、熱電冷却器74の頂部には、サーミスタ80と硫化鉛製
の赤外線検出器板82とが取付けられている。このサーミ
スタ80と検出器板82とは、エポキシ樹脂接着剤によって
一緒に結合されている。サーミスタ80は、公知の適当な
方法によって検出器の温度を監視し、電線Ｃ−Ｃによ
り、公知の熱電冷却器用二極温度制御回路に接続されて
検出器の温度を設定限度内に維持する。

このサーミスタ80の頂部には、前述した如く、硫化鉛
製の赤外線検出器板82が取付けられている。空気予熱器
内の火災からの赤外線放射によりこの検出器板82から電
気出力を生じ、この電気出力は出力電線Ａ−Ａにわたっ
てあらわれる。電線Ｂ−Ｂが、熱電冷却器74に接続され
ていると共に、検出器板82用温度制御回路にも接続され
ている。電線のすべてはハウジングカン62の底部すなわ
ちベース64に形成された穴を通過し、これらの穴はそれ
からガラスで密封される。

以上述べた検出器モジュール60は、前述した如くアル
ミニウム製のヒートシンク52に取付けられる。図６は図
５に示した検出器モジュール60の一部分、すなわち、そ
のハウジングカン62を取外し、ハウジングベース64及び
赤外線検出器板82がヒートシンク52に形成した穴84に取
付けられている状態を示し、ハウジングベース64の下面
がヒートシンク52の上面に載り、円筒形の銅製ヒートシ
ンク72（図６には示されていないので、図５を参照）が
穴84に収容されるものである。そして、非導電性である
熱グリースの薄いコーティング85が穴84の壁及び底部に
施される。穴84と銅製ヒートシンク72との間の隙間は小
さく、0.00635cm（0.0025インチ）程度であり、その結
果グリースは検出器モジュールを適所に保持して、熱を
効率よく伝導する。電線Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃは穴
84の逃がし区域88を通して検出器モジュールを出ると共
に、電線保持ストラップ90によって適所に保持される。
このストラップ90は、また、検出器モジュールを適所に
固定するのにも有用である。

作用において、サーミスタ80は検出器板82の温度を検
出し、熱電冷却器74の作動を制御して、検出器板82を所
要の温度範囲内に維持する。この検出器板82の出力は、
公知の適当な警報システム又はグラフィックディスプレ
イに接続されている。検出器の作動温度の変化は、例え
ば目標値の２％と等しくないようにされる。これによっ
て、検出器がその最適温度範囲で作動することを許容
し、長い寿命を与えることができる。また、これによっ
て、正確さのために重要である検出器出力信号の安定性
及び感度を提供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F28D 19/04 F28F 27/00 511 G01J 1/02 G01J 5/00 G01J 5/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転再生式空気予熱器（10）用の赤外線ホ
   ットスポット検出装置であって、前記空気予熱器（10）
   内に移動可能に取付けられて、前記空気予熱器（10）の
   ロータ（14）の少なくとも一部分を走査することができ
   る少なくともひとつの赤外線検出器モジュール（60）を
   包含する赤外線ホットスポット検出装置において、前記
   赤外線検出器モジュール（60）が、 a.ヒートシンク（72）と、 b.このヒートシンク（72）に取付けられ、該ヒートシン
   ク（72）に接続されたホットプレート（78）と該ヒート
   シンク（72）から離れているコールドプレート（76）と
   を有し、このコールドプレート（76）から熱を取り除く
   よう配線されている熱電冷却器（74）と、 c.この熱電冷却器（74）に熱伝達関係で取付けられてい
   る赤外線検出器板（82）と、 d.この赤外線検出器板（82）と前記熱電冷却器（74）の
   コールドプレート（76）との間に取付けられ、前記赤外
   線検出器板（82）の温度を監視し、前記熱電冷却器（7
   4）の作動を制御して前記赤外線検出器板（82）を選択
   温度範囲内に維持するように配線されているサーミスタ
   （80）と、 を包含してなる、赤外線ホットスポット検出装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の赤外線ホットスポット検出
   装置において、前記赤外線検出器モジュール（60）が、
   更に、前記熱電冷却器（74）、前記赤外線検出器板（8
   2）及び前記サーミスタ（80）を収容する密封ハウジン
   グ（62,64）を包含し、この密封ハウジング（62,64）が
   前記ヒートシンク（72）に取付けられていると共に可視
   紫外線用フィルタ（70）を包含してなる、赤外線ホット
   スポット検出装置。