JP4614078B2

JP4614078B2 - 燃焼機における火炎検知装置

Info

Publication number: JP4614078B2
Application number: JP2005101869A
Authority: JP
Inventors: 一朗大友
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006284028A

Description

本発明は、燃焼機の燃焼火炎の状態を検知するために用いられる燃焼機における火炎検知装置に関する。

火炎検知装置としては、燃焼火炎の光をフォトダイオード等の受光素子により電気信号に変換し、この電気信号出力を基づいて着火と消火とを検知するようにしたものが従来から知られている（例えば特許文献１参照）。このものでは、燃焼火炎からの入射光量をフォトダイオードにより電流信号に変換し、フォトダイオードから出力された電流信号を電流電圧変換回路により電圧信号に変換し、変換した電圧信号をＡＤ変換によりデジタル信号に変換した上で、このデジタル信号による出力値が予め設定された着火判定値よりも大であればＯＮ出力する一方、消火判定値よりも小であればＯＦＦ出力するようになっている。そして、ＯＦＦからＯＮへの変化により着火検知とする一方、ＯＮからＯＦＦへの変化により消火検知とするようになっている。

特開２００４−２３２９７１号公報

ところが、上記従来の火炎検知装置の如く受光素子からの出力値と予め設定した判定値との対比だけに基づく画一的な着火検知又は消火検知では燃焼機の燃焼状態の検知を確実に行い得ないおそれがある。

すなわち、低ＮＯx燃焼化等の如くよりクリーンな燃焼や効率的な燃焼の実現に向けて開発が進められているが、かかる開発を進めると燃焼火炎の発する光量がより減少したりする結果、受光素子からの出力がより微弱化してしまい、正確なもしくは確実な着火検知や消火検知等が得難くなることが考えられる。特に近年、実用化を目指し開発が行われている合成液体燃料（ＧＴＬ；Gas To Liquid：天然ガスを原料にして合成された石油等）を用いて燃焼させた場合には低ＮＯx燃焼の実現は図られるものの、その燃焼が青火燃焼となるために燃焼火炎の発光量が弱くなり、これに伴い受光素子からの出力が極めて微弱化してしまう結果、着火検知等を正確に行い得ないおそれが考えられる。又、着火検知においては、雰囲気温度（外気温）が通常よりも低温であると、着火時の燃焼火炎の発する光量も少なくなる傾向にあり、同一の着火判定値を用いて画一的な着火検知のための判定を行うと確実性に欠ける結果をも引き起こすことにもなる。さらに、消火検知においては、燃焼状態から消火されて燃焼火炎が消えたとしても、それまでの燃焼継続により炎口付近の燃焼管等のバーナ部分が赤熱しており、この赤熱に起因する光が受光素子に入射し続けることになる。この赤熱の程度はそれまでの燃焼の強弱や継続時間により変動するため、上記の判定値との大小比較だけでの画一的な消火検知では検知遅れの発生が考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、着火検知及び消火検知等の燃焼状態の検知を確実に行い得る火炎検知装置を提供することにある。特に、雰囲気温度や使用燃料等の燃焼環境の如何に拘わらず着火検知等を確実に行い得るようにすること、それまでの燃焼に基づく赤熱の影響を排除して検知の時間遅れをなくして消火検知を確実に行い得るようにすること、を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、燃焼機の燃焼火炎の状態を検知する燃焼機における火炎検知装置として、上記燃焼火炎からの入射光を受けて電気信号に変換する受光素子と、この受光素子からの電気信号に基づく出力を取り込んでその出力値の変動を連続的に監視することにより燃焼火炎の状態を検知する火炎検知処理手段を備え、上記火炎検知処理手段として、上記出力値が予め定めた着火判定値を境にして小値側から大値側に変化するとき着火検知と判定する一方、上記出力値が予め定めた消火判定値を境にして大値側から小値側に変化するとき消火検知と判定する判定処理部と、上記着火判定値及び／又は消火判定値を変更設定する判定値変更部とを備えるものを対象とする。

この火炎検知装置の場合、着火判定値及び／又は消火判定値を判定値変更部により変更設定し得るため、燃焼機で用いられる燃料の如何に応じて、あるいは、後述の雰囲気温度の如何に応じて、着火判定値等を変更設定することにより、着火検知及び／又は消火検知を確実に行い得るようになる。すなわち、例えば青火燃焼（又は低ＮＯx燃焼）の如く燃焼火炎の発光量が小さくなるような燃料を用いて燃焼が行われる場合には着火判定値をより低値側に変更設定すれば着火検知の確実化が図られる。なお、受光素子からの電気信号に基づく出力としては、例えば電流信号を電圧信号に変換し、かかる電圧信号をそのままアナログ信号（デジタル変換せずに）として取り込むことにより、その変動を連続的に監視し得る。

加えて、本発明の燃焼機における火炎検知装置として、雰囲気温度を検出する気温センサをさらに備え、上記判定値変更部として、着火判定値として少なくとも常温用と、この常温用よりも低い値に設定された低温用との２種類を備え、上記気温センサにより検出された雰囲気温度が設定温度よりも高温側であれば上記着火判定値として常温用を設定する一方、雰囲気温度が低温側であれば着火判定値として低温用を設定するよう着火判定値の変更設定を実行するように構成されたものを対象とする。このような火炎検知装置の場合、雰囲気温度が設定温度よりも低温であれば、着火判定値がより低い値の低温用のものに変更設定されるため、雰囲気温度が低温であるため着火時の燃焼火炎の発光量が弱くなる場合であっても、その着火を確実に検知し得ることになる。すなわち、雰囲気温度が低温状態になれば、単位体積当たりの空気の質量がより増加してエアリッチ傾向となるため、燃焼火炎は本来の燃焼状態（常温の燃焼状態）よりも青火燃焼傾向となり、この結果、燃焼火炎の発光量が弱くなるところ、上記の如き判定値として常温用よりも低い値の低温用のそれに変更設定することにより、発光量が弱くなったとしてもその着火等の検知を確実に行い得るようになる。

そして、本発明の燃焼機における火炎検知装置では、このような常温用と低温用とに着火判定値を変更設定（切換設定）する場合において、さらに判定時間値だけの持続を条件に付加することとした。すなわち、上記判定処理部として、着火検知と判定するときに、上記出力値が着火判定値を境にして小値側から大値側に変化しかつ判定時間値が経過するまで大値側を持続することを条件にする構成とし、上記判定値変更部として、常温用及び低温用として着火判定値と判定時間値との組み合わせをそれぞれ備え、上記低温用判定時間値が常温用判定時間値よりも長く設定され、上記気温センサにより検出された雰囲気温度が設定温度よりも高温側であれば上記着火判定値と判定時間値の組み合わせとして常温用を設定する一方、雰囲気温度が低温側であれば上記着火判定値と判定時間値の組み合わせとして低温用を設定するよう着火判定値及び判定時間値の組み合わせの変更設定を実行する構成とした（請求項１）。このように低温時の着火検知を、常温用の着火判定値よりも低い着火判定値を用い、かつ、出力値がその低温用着火判定値を超えた状態を常温用のときよりも長い判定時間値だけ持続することという条件成立により判定するようにしているため、低温時の着火検知をより一層確実に行うことが可能になる。

なお、特許請求の範囲には含まれないが、上記発明における判定処理部として、所定経過時間あたりにおける上記出力値の低減側へ変動量である出力降下率が予め定めた設定出力降下率よりも大、又は、出力値が予め定めた消火判定値を境に大値側から小値側に変化したことのいずれかの条件が成立するときに消火検知と判定する構成も考えられる。このようにすることにより、消火検知を時間遅れなくより迅速にかつ確実に判定することが可能になる。すなわち、燃焼火炎が消火されてもそれまでの燃焼継続によりバーナ部分が赤熱していて受光素子がこの赤熱光を捉えてしまい出力値が消火判定値までなかなか降下・低減しないような場合であっても、出力値の低減を出力降下率によって把握し設定出力降下率よりも大になったことを条件として消火検知と判定することで、出力値が消火判定値を下回るまで待たずに迅速に消火検知を得ることが可能になる。

以上の請求項１に記載の燃焼機における火炎検知装置においては、上記受光素子からの電気信号に基づく出力を増幅した上で上記火炎検知処理手段に送出する増幅回路をさらに備え、この増幅回路としてその増幅倍率を変更可能な構成とすることもできる（請求項２）。このような火炎検知装置を燃焼機に搭載することにより、同一の燃焼機であっても、工場からの出荷時において、使用する燃料等の使用環境の違いに応じて最適な増幅倍率に変更すれば、着火検知等の判定のより一層の確実化が図り得る。

以上、説明したように、請求項１又は請求項２の、燃焼機における火炎検知装置によれば、着火判定値及び／又は消火判定値を判定値変更部により変更設定し得るため、燃焼機で用いられる燃料の如何（燃焼火炎の発光量の如何）に応じて、あるいは、雰囲気温度の如何に応じて、着火判定値等を変更設定することにより、着火検知及び／又は消火検知を確実に行うことができるようになり、例えば青火燃焼（又は低ＮＯx燃焼）の如き場合であってもその着火検知等の確実化を図ることができる。

又、雰囲気温度の如何に応じて着火判定値の変更設定が可能であり、雰囲気温度が設定温度よりも低温であれば、着火判定値がより低い値の低温用のものに変更設定されるため、雰囲気温度が低温であるため着火時の燃焼火炎の発光量が弱くなる場合であっても、その着火を確実に検知することができるようになる。さらに、低温時の着火検知を、常温用の着火判定値よりも低い着火判定値を用い、かつ、出力値がその低温用着火判定値を超えた状態を常温用のときよりも長い判定時間値だけ持続することという条件成立により判定するようにしているため、低温時の着火検知をより一層確実に行うことができるようになる。

請求項２によれば、同一の燃焼機であっても、工場からの出荷時において、使用する燃料等の使用環境に違いに応じて最適な増幅倍率に変更すれば、その燃焼機に搭載された火炎検知装置による着火検知等の判定のより一層の確実化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る火炎検知装置を適用した燃焼機の例として給湯器のそれを示す。この給湯器は、燃焼機１と、燃焼機１からの燃焼熱により熱交換加熱する熱交換器２と、水道管等と接続されて上記熱交換器２に対し水道水等を給水する給水路３と、上記熱交換器２により加熱された湯が出湯され図示省略の給湯路を通して下流側の給湯カラン等に対し給湯するための出湯路４とが、ケース５内に設置されたものである。

上記燃焼機１は、図示省略の燃料供給系から供給された燃料を燃焼する燃焼バーナ６と、この燃料バーナ６に対し燃焼用空気を供給する送風ファン７と、点火器としてのイグナイタ８とを備えている。上記燃焼バーナ６は、例えばガンタイプバーナにより構成され、液体燃料を霧化させて燃焼させるように構成されている。そして、上記燃焼バーナ６の近傍には燃焼バーナ６に形成される燃焼火炎に基づく発光を入射させてその光量に比例した電流信号を出力する受光素子９が配設されている。

又、上記給水路３には流量調整のための電磁弁１０と、給水流量を検出する流量センサ１１とが介装される他、ケース５内の適所には雰囲気温度（外気温）を検出する気温センサ１２と、コントローラ１３とが配設されている。かかるコントローラ１３は、ＣＰＵ、メモリ、記憶装置等を備え、予め搭載されたプログラムに基づいて上記の燃焼機１の燃焼制御に基づく給湯制御等の他に、燃焼バーナ６の燃焼火炎の状態を検知する火炎検知装置の制御上の処理部分（後述の火炎検知処理手段）を実行するようになっている。

上記コントローラ１３は、給湯制御手段１４と、火炎検知処理手段１５とを備えている。上記給湯制御手段１４は、例えば図示省略の給湯カランがユーザにより開かれて給水路３からの給水が入水し、この流量が所定の最低作動流量以上になったことを流量センサ１１からの検出情報により確認した上で、燃料供給系２０を作動（例えば燃料供給弁を開作動）させてイグナイタ８により燃焼バーナ６を着火させるようになっている。そして、図示省略の出湯温度センサからの検出温度に基づいて給湯温度が所定の給湯温度になるように燃焼バーナ６の燃焼量を調整しつつ給湯を継続させる。その際に、送風ファン７の作動制御により空気供給量を燃焼量等に応じて変化させる。給湯カランの閉作動に伴い流量センサ１１からの検出情報が最低作動流量を下回れば、燃焼供給系２０の燃料供給を停止し燃焼バーナ６を消火させ、消火後の一定時間だけ送風ファン７を作動させて燃焼排気ガスの掃気を行う。以上の処理を火炎検知処理手段１５から出力される着火検知又は消火検知の出力に基づいて実行し、燃焼開始させたにも拘わらず着火検知が出力されない場合には燃焼不良発生と判定して燃焼の強制停止処理を実行するなどの安全処理を実行するようになっている。

又、上記火炎検知処理手段１５は、上記受光素子９からの電流信号に基づく出力値の如何に応じて着火検知及び消火検知の各判定処理を行う判定処理部１６と、気温センサ１２により検出された雰囲気温度の如何に基づいて上記判定処理に用いる着火判定値を変更設定する判定値変更部１７とを備えて構成されている。上記受光素子９からの電流信号に基づく出力値は次のようにして火炎検知処理手段１５に取り込まれる。すなわち、上記受光素子９から出力される電流信号を電流電圧変換回路１８により電圧信号に変換し、変換された電圧信号を増幅回路１９により所定の増幅倍率に増幅した上で、この増幅された出力値が火炎検知処理手段１５に連続して取り込まれる。つまり、ＡＤ変換処理を経ずにアナログ信号のままで電圧信号が取り込まれ、この電圧信号（出力電圧）の変動が連続的に監視されることになる。図３は、上記の受光素子９からの電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路１８や増幅回路１９等の回路例を示している。図中の符号９がフォトダイオードにより構成された受光素子を示すが、受光素子としてフォトトランジスタを用いて構成することもできる。

上記判定処理部１６には、雰囲気温度が常温時における着火検知の判定のために上記出力値に対応する着火判定値（着火判定用の閾値）と、消火検知の判定のために消火判定値（消火判定用の閾値）とが予め設定されている。そして、判定処理部１６は出力値（出力電圧値）の変動を監視し、その出力値が図４に示すように着火判定値Vaを境にして小値側から大値側へ変動すれば着火検知と判定する一方、着火検知後の出力値が消火判定値Vbを境にして大値側から小値側へ変動すれば消火検知と判定するようになっている。

これらの基本判定の際に、さらに判定条件を追加することもできる。すなわち、着火検知の場合には図５（ａ）に示すように出力値が着火判定値Vaを境にして小値側から大値側へ変動し、かつ、判定時間値Ａ（sec）が経過するまで大値側を持続することを条件に着火検知の判定を行うようにする。又、消火検知の場合には、図５（ｂ）に示すように所定の経過時間Ｂ（sec）の間に出力値の低減側へ変動量（降下量）である出力降下率ΔＶが予め定めた設定出力降下率ΔＶtよりも大、又は、出力値が予め定めた消火判定値Ｖbを境に大値側から小値側に変化したことのいずれかの条件が成立するとき消火検知と判定するようにする。以上の判定条件の追加により、着火検知の判定をより確実に行うことができる一方、消火検知の判定を、赤熱の影響に起因する検知の時間遅れを廃して迅速に行うことができるようになる。

さらに、着火検知の判定においては、外気温（雰囲気温度）の高低如何に応じて着火判定値の値や判定条件を変更又は切換するようにしてもよい。すなわち、判定値変更部１７に対し、低温用の着火判定値Ｖa1及び判定時間値Ａ1（sec）と、常温用の着火判定値Ｖa2及び判定時間値Ａ2（sec）との２組の判定条件（図６参照）の組み合わせを予め記憶設定しておく。ここで、Ｖa1，Ｖa2、Ａ1，Ａ2は次のように設定されている。
Ｖa1＜Ｖa2、Ａ1＞Ａ2
そして、気温センサ１１により検出される雰囲気温度Ｔdが設定温度Ｔsよりも低ければ、現在の雰囲気は低温環境にあると判断して判定値変更部１７から判定処理部１６に対し着火検知用の判定条件を低温用のものを出力し、それまでの常温用のものから低温用のものに変更設定する。上記雰囲気温度Ｔdが設定温度Ｔsよりも高ければ、現在の雰囲気は常温環境にあると判断して判定処理部１６に通常設定されている常温用の上記判定条件のままで判定を継続する。このように雰囲気温度の如何に応じて判定条件を変更設定することにより、雰囲気温度に応じて着火時の燃焼火炎からの発光量が変化して受光素子９からの出力が変化したとしても、着火検知の判定を正確に行うことができるようになる。その際、低温用の着火判定値を常温用のそれよりも小値側に設定したとしても判定時間値を常温用のそれよりも長く設定しているため、発光量に比較的変動のある燃焼火炎であっても、低温環境時の着火検知を正確かつ確実に行うことができる。

上記の低温用と常温用との２組の判定条件を用いて雰囲気温度の高低如何により判定条件を切換設定する場合の火炎検知手段１５による処理について図７を参照しつつ説明する。まず、流量センサ１１からの検出情報に基づいて給水流量が最低作動流量（MOQ）を超えたこと、すなわち、下流端の給湯カラン等が開操作されて開状態になったことを確認する（ステップＳ１でＹＥＳ）。なお、この確認に基づき給湯制御手段１４では燃焼バーナ６の燃焼を開始させる。次に、気温センサ１２から出力された現在の雰囲気温度Ｔdが設定温度Ｔsよりも高ければ、常温用の判定条件が設定されたままの判定処理部１６での判定処理に進む（ステップＳ２でＹＥＳ）。そして、受光素子９から電流電圧変換回路１８及び増幅回路１９を経て取り込まれる出力が着火判定値Ｖa2のレベルを超え、かつ、超えた状態を判定時間値Ａ2（sec）以上持続すれば着火検知と判定し（ステップＳ３でＹＥＳ，ステップＳ４）、上記出力が着火判定値Ｖa2のレベルを超えない、あるいは、着火判定値Ｖa2のレベルを超えたとしてもその状態を判定時間値Ａ2（sec）の間に亘り持続しないのであれば再度ステップＳ２の判定に戻って繰り返す（ステップＳ３でＮＯ）。

一方、上記のステップＳ２の判定において、気温センサ１２から出力された現在の雰囲気温度Ｔdが設定温度Ｔsよりも低ければ、判定値変更部１７から判定処理部１６に対し低温用の判定条件を出力して常温用の判定条件から低温用の判定条件に変更し、判定処理部１６での判定処理を実行する（ステップＳ２でＮＯ）。そして、受光素子９からの上記出力が着火判定値Ｖa1のレベルを超え、かつ、超えた状態を判定時間値Ａ1（sec）以上持続すれば着火検知と判定し（ステップＳ５でＹＥＳ，ステップＳ４）、上記出力が着火判定値Ｖa1のレベルを超えない、あるいは、着火判定値Ｖa1のレベルを超えたとしてもその状態を判定時間値Ａ1（sec）の間に亘り持続しないのであれば再度ステップＳ２の判定に戻って繰り返す（ステップＳ５でＮＯ）。

次に、判定処理部１６における消火検知の判定処理について図８を参照しつつ説明すると、まず、流量センサ１１からの検出情報に基づいて給水流量が最低作動流量（MOQ）を下回るまで待機し（ステップＳ１１でＮＯ）、MOQよりも少なくなれば消火検知の判定処理に進む（ステップＳ１１でＹＥＳ）。ここで、給水流量がMOQよりも少なくなるということは下流端側の給湯カランが閉じられたことを意味し、このため、給水流量がMOQよりも少なくなれば給湯制御手段１４では燃料供給を停止させて燃焼バーナ６の燃焼を停止、つまり消火する処理を実行する。

そして、受光素子９からの上記出力変動状況を監視し、その出力が消火判定値Ｖbを境に大値側から小値側に変化したか、あるいは、経過時間Ｂ（sec）当たりの出力降下率が設定出力降下率ΔＶtよりも大きく降下したかのいずれかの条件が成立すれば、消火検知と判定する（ステップＳ１２でＹＥＳ，ステップＳ１３）。逆に、上記の２つの条件のいずれもが成立しないときには、いずれかの条件が成立するまでステップＳ１２の判定を繰り返す（ステップＳ１２でＮＯ）。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、判定値変更部１７での判定条件の変更を雰囲気温度が常温か低温かの二通りで実行させているが、さらに細かい温度範囲を設定して判定条件の変更設定を行うようにしてもよい。さらに、雰囲気温度の検出に基づく自動変更設定のみならず、例えばディップスイッチ等の手動入力手段を用いこれらの手動操作により、予め設定した複数段階の判定条件（着火判定値として小値側から大値側へかけて複数レベル分を設定）から選択して設定変更し得るようにしてもよい。これにより、使用燃料（例えばGTL）等の燃焼機１の燃焼環境に応じて適切な判定条件に変更設定することができ、青火燃焼（低ＮＯx燃焼）等の燃焼火炎であってもその着火検知を確実に行うことができるようになる。

また、上記実施形態で説明した増幅回路１９は必須ではないが、その増幅倍率を変更し得るようにすることにより、例えば工場出荷時に出荷先での給湯器の使用条件（例えば使用燃料の種別）等に応じて着火検知等の判定に適した増幅倍率に変更設定することが可能となり、着火検知等のより一層の確実化が図られる。

本発明の実施形態が適用される燃焼機の例を示す模式図である。コントローラ等を示すブロック図である。受光素子からの出力をコントローラに取り込むための回路例を示す図である。コントローラに取り込まれる出力（出力電圧）と時間経過との関係図である。図４の部分拡大図であり、図５（ａ）は着火時の状況を、図５（ｂ）は消火時の状況をそれぞれ示す。図４の着火時の状況を示す部分拡大図である。着火検知の判定処理を示すフローチャートである。消火検知の判定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃焼機
９受光素子
１２気温センサ
１５火炎検知処理手段
１６判定処理部
１７判定値変更部
１９増幅回路

Claims

燃焼機の燃焼火炎の状態を検知する燃焼機における火炎検知装置として、
上記燃焼火炎からの入射光を受けて電気信号に変換する受光素子と、この受光素子からの電気信号に基づく出力を取り込んでその出力値の変動を連続的に監視することにより燃焼火炎の状態を検知する火炎検知処理手段とを備え、
上記火炎検知処理手段は、上記出力値が予め定めた着火判定値を境にして小値側から大値側に変化するとき着火検知と判定する一方、上記出力値が予め定めた消火判定値を境にして大値側から小値側に変化するとき消火検知と判定する判定処理部と、上記着火判定値及び／又は消火判定値を変更設定する判定値変更部とを備えており、
加えて、雰囲気温度を検出する気温センサをさらに備え、
上記判定値変更部は、着火判定値として少なくとも常温用と、この常温用よりも低い値に設定された低温用との２種類を備え、上記気温センサにより検出された雰囲気温度が設定温度よりも高温側であれば上記着火判定値として常温用を設定する一方、雰囲気温度が低温側であれば着火判定値として低温用を設定するよう着火判定値の変更設定を実行するように構成されている、燃焼機における火炎検知装置であって、
上記判定処理部は、着火検知と判定するときに、上記出力値が着火判定値を境にして小値側から大値側に変化しかつ判定時間値が経過するまで大値側を持続することを条件にするように構成され、
上記判定値変更部は、常温用及び低温用として着火判定値と判定時間値との組み合わせをそれぞれ備え、上記低温用判定時間値は常温用判定時間値よりも長く設定され、上記気温センサにより検出された雰囲気温度が設定温度よりも高温側であれば上記着火判定値と判定時間値の組み合わせとして常温用を設定する一方、雰囲気温度が低温側であれば上記着火判定値と判定時間値の組み合わせとして低温用を設定するよう着火判定値及び判定時間値の組み合わせの変更設定を実行するように構成されている、
ことを特徴とする燃焼機における火炎検知装置。
請求項１に記載の燃焼機における火炎検知装置であって、
上記受光素子からの電気信号に基づく出力を増幅した上で上記火炎検知処理手段に送出する増幅回路を備え、この増幅回路はその増幅倍率が変更可能に構成されている、燃焼機における火炎検知装置。