JP6170702B2 - 火炎検出センサ - Google Patents

Description

この発明は、燃焼装置の火炎に含まれる紫外線を検出する検出部において特定領域で放電することを特徴とする火炎検出センサに関するものである。

火炎検出センサの一種として、火炎中に含まれる紫外線を検出するＵＶチューブがある。前記ＵＶチューブは、紫外線を受けて放電を生起する一対の放電電極を、円筒形のガラス管内に封止し、上記一対の放電電極それぞれのリード線をガラス管の一端部から導出したものである。
かかる構造の前記ＵＶチューブは、燃焼装置内の火炎を確実に検知するための安全確保の役割を担っており、例えばボイラ内の燃焼状態をモニタするため用いられている（例えば、特許文献1参照）。
図１は、従来のＵＶチューブの構造を示す模式図である。ガスが封入されているガラス管１０の中に、網目状のアノード電極１１と、カソード電極１２とが、リード線１３，１４によってそれぞれ支持されている。この前記アノード電極１１と前記カソード電極１２とは、平行構造であり、両電極間は約０．５ｍｍの距離を保って配置されている。そして、前記ガラス管１０の端部（図１の上端部）から入射した紫外線が、前記アノード電極１１の網目を抜けて前記カソード電極１２に当たることにより、放電する。

従来のＵＶチューブに用いられるより小型化したＵＶチューブが開発されている（例えば、特許文献２参照）。図２は小型化したＵＶチューブの構造を示している。小型ＵＶチューブはガラス管２０の中にアノード電極２１及びカソード電極２２が互いに平行に配置しているＵＶチューブである。

特公昭４４−１０３９号公報 特開２０１１−１４３３０号公報

アノード電極とカソード電極につないだリード線に任意の電圧を印加すると、前記アノード電極と前記カソード電極の間で電界が発生する。前記アノード電極は網目状に穴を空けてあるので、穴がある部分の電界は、穴がない部分の電界より値が小さくなる。このことから前記アノード電極と前記カソード電極の間に発生する電界部分布は前記アノード電極の網目パターンに似た形状を示す。

前記アノード電極に穴を開けていた部分を通過して前記カソード電極に衝突する紫外線により、前記カソード電極から２次電子が放出される。前記２次電子が電界により加速されて前記アノード電極に進むとき、電極間に漂っている分子あるいはイオンに衝突して数多くの電子が発生する雪崩現象を起こす。雪崩現象により発生した多数の電子は、電界により前記アノード電極の方向に進み、前記アノード電極に衝突する。この現象が放電現象である。２次電子発生と前記電子雪崩が、前記紫外線が当たったとき前記アノード電極と前記カソード電極の間で生じる放電現象発生の機構である。前記放電現象が発生すると、前記アノード電極と前記カソード電極間の電圧が低下するとともに電流が電極から流れ出す。この電圧変化ないし電流の発生を、前記ＵＶチューブの前記リード線に接続した外部回路が検出して炎検出の信号を出力する。

従来のＵＶチューブと同様に、小型ＵＶチューブの組み立て製造時において、ガラスシール時の熱影響でリード線２３，２４が変動し、電極にゆがみが生じてアノード電極２１及びカソード電極２２は互いに平行に維持することは容易ではないこと、また振動などでＵＶチューブに外力が与えられた時、前記アノード電極２１及び前記カソード２２電極が平行にならない恐れがある。

この様に前記アノード電極と、前記カソード電極が平坦にならないことから２枚の電極間の距離が異なるので、電界の強さは電極の中心部と周辺部とは異なる。電極板の距離が近接すると当該部分の前記電界の強さが増す。電極版の周辺部で電極板の距離が近接する場合、前記紫外線が入射したとき、前記アノード電極と、前記カソード電極の間で発生する放電は、電極版の周辺部で発生する。前記リード線の近くの電極周辺端で前記放電が生じた場合、前記リード線と前記カソード電極との間で放電が継続して起こることになり、結果的に前記ＵＶチューブは炎検出で誤動作する恐れがある。前記放電は電極板の周辺部ではなく中心部付近で発生することが望ましい。前記紫外線検出部において放電が発生する領域を任意の箇所で起こさせる機構が望まれている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、紫外線検出時に電極間で発生する放電領域が中心部で発生する紫外線検出部を供えるＵＶチューブを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、ＵＶチューブの網目状にした前記アノード電極の中心部の網目パターンと、前記中心部を除いた残りの前記アノード電極の周辺部の網目パターンを異にすることで放電領域を限定する。

前記アノード電極において、穴である空隙部の大きさを表す指標として空隙率を使う。前記空隙率は、単位面積あたりの空隙部の面積の割合である。前記空隙率が０%とは、前記穴が無い場合であり、前記空隙率が５０％は、前記穴が半分開けている場合を示す。前記穴がある部分の電界は、前記穴がない部分の電界より値が小さい。電界が弱い領域は、前記穴の占める割合が多い領域なので、当該領域の空隙率の数値は小さい値になる。電界が大きい領域は、前記穴が占める割合が小さいので、当該領域の空隙率の数値は大きい値になる。

前記アノード電極の前記穴を通過した紫外線が前記カソード電極に当たり、前記カソード電極から生じた２次電子が雪崩現象を起こす可能性が大きい領域は、電界が強い領域である。紫外線検出部において電界の強さが小さい領域は、前記アノード電極で穴が開いている場所である。一方電界の強さを大きくするには、前記アノード電極において、穴の数が少ない、穴の径が小さい、または穴を塞ぐことで実現できる。よって前記電極間で発生させる電界の強さの分布は、前記空隙率を用いて制御できる。すなわち、前記アノード電極の前記空隙率を変更することで電界の強度分布を変更できる。

前記アノード電極の中心部において、当該領域の網目パターンの穴の数が少ない、あるいは穴の面積が小さい、または穴を空けないことで当該領域の電界の強さを、周囲の領域より大きくすることができる。前記空隙率が大きい前記網目パターンを前記アノード電極の中心部で持たせることで電界の強さが大きく出来るので、紫外線が当たったとき前記アノード電極の中心部で放電が起き易くなる。その結果、前記ＵＶチューブは正常に炎を検出できることになる。

前記アノード電極の中心部以外の任意の電極の領域の電界の強さを大きくするには、前記空隙率が小さい網目パターンにすることで実現できる。

前記アノード電極と前記カソード電極の平行度の精度を高く保つにため、前記紫外線検出部の製造と、前記アノード電極と前記カソード電極の平行度を修正に多大の手間を必要とする。このことは従来の電極の製造に製造コストが多く掛かることを意味する。しかし本発明を採用することで前記アノード電極と前記カソード電極の平行度の許容度を緩めて製造することができる。または修正工程を省くことが出来るので結果的に製造コストを低減出来る。

従来型のＵＶチューブの構造を示す模式図である。 小型化したＵＶチューブの比較を示す模式図である。 実施の形態１を採用しないＵＶチューブのアノード電極の網目パターンと周辺部で放電が発生することを説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るＵＶチューブのアノード電極の網目パターンと前記アノード電極の中心部で発生する放電を説明する図である。 実施の形態２を採用しないＵＶチューブのアノード電極の網目パターンにおいて前記アノード電極の周辺部で放電が発生することを説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るＵＶチューブの前記アノード電極の網目パターンと前記アノード電極の中心部で発生する放電を説明する図である。

以下、この発明の実施について説明する。

本発明の実施の形態１を図３と図４を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図３(a）は、アノード電極３１の平面図である。穴をあける網目パターンは、前記アノード電極３１の周辺部と中心部を含め同じパターンである。すなわち、前記アノード電極３１の周辺部の前記空隙率と、中心部の前記空隙率は同じ値である。本例の前記網目パターンはハニカム形状である。
前記アノード電極３１の周辺端部に穴を空けていないのは硬性を持たせるためである。硬性を弱めると曲がりやすくなるので前記アノード電極３１とカソード電極の平行度は保てなくなる。図３（ｂ）は入射した紫外線によりで放電が前記アノード電極３１の周辺部３２で発生していることを示す。前記アノード電極３１周辺端部を除いた網目パターンは、前記アノード電極３１で同じなので、前記アノード電極３１周辺部、特にリード線の近傍で前記放電の発生を防ぐことは困難である。なお放電領域を３箇所描いているが、前記放電は常に同じ箇所で発生することを意味するのではなく前記アノード電極３１のどの周辺部でも発生する。

一方、本発明にかかる図４（a）では、アノード電極４１の中心部の網目パターンを変えている。ここでは前記アノード電極４１の中心の穴を塞いでいることが図３（a）と異なる。前記中心部を除いた領域では前記アノード電極４１の網目パターンは図４（a）と図３（a）は同じである。一方、前記アノード電極４１中心部の前記空隙率は周辺部の前記空隙率より小さな値になっている。
紫外線が入射したとき前記中心部の電界強度は、他の領域より強いので２次電子による雪崩現象は前記アノード電極４１の中心部付近で起こし易い。その結果、前記放電が前記アノード電極４１の中心部で発生することを図４（b）が示す。

図３（a）に示す前記ハニカム形状の前記アノード電極３１を実測して求めた前記空隙率は６４％である。図３（a）を修正して前記アノード電極の中心部の前記空隙率の値と、前記中心部以外の領域の前記空隙率の値を変えて試作実験を行った。実験結果から、前記アノード電極の電界が強まる電極の領域の前記空隙率を４５％以下、前記中心部を除いた領域の前記空隙率を５０％以上にした場合、前記アノード電極の前記中心部で放電が発生することが判った。前記中心部の前記空隙率を３０％以下にすると、前記放電は常に前記中心部で発生する。

次に、この発明の実施の形態２を図５と図６を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態２．
図５（a）は、図３(a）と異なった網目パターンでアノード電極５１に穴を空けていることを示す図である。前記網目パターンは、同心円状のスリット形状である。図５（b）は、図３（b）と同様に、紫外線入射時、放電が前記アノード電極５１の周辺部５２に発生していることを示す。

一方、本発明にかかる図６（a)では、図５(a）と異なり、アノード電極６１の中心部に穴が無く、前記中心部の電界強度が高いことを表している。図６（b）は、紫外線が入射したとき、図４（ｂ)で記述しているのと同じ理由で前記アノード電極６１の前記中心部付近で前記放電が発生していることを表している。

図５（a）に示す前記スリット形状の前記アノード電極５１を修正して、前記アノード電極の中心部の前記空隙率の値と、前記中心部以外の領域の前記空隙率の値を変えて試作実験を行った。前記中心部を除く領域の前記空隙率を５０％以上にするとともに、前記中心部の前記空隙率を３０％以下にすると、前記放電は常に中心部で発生することを確認している。

１０，２０
ガラス管
１１，２１
アノード電極
１２，２２
カソード電極
１３，１４，２３, ２４ リード線
３１ 実施の形態１未実施のアノード電極
３２ 放電箇所の例（周辺部で放電している）
４１ 実施の形態１を採用したアノード電極
４２ 中心部放電箇所
５１ 実施の形態２未実施のアノード電極
５２ 放電箇所例（周辺部で放電している）
６１ 実施の形態２を採用したアノード電極
６２ 中心部放電箇所

Claims (1)

1. 少なくとも一部が紫外線透過物質からなるガラス管と、
   網目状の平板アノード電極と、前記アノード電極と互いに対向して設置した平板カソード電極とを備えた紫外線検出部を持つ火炎検出センサにおいて、
   単位面積当たりの空隙部の面積の割合を空隙率としたとき、前記紫外線検出部の前記アノード電極の中心部の前記空隙率を３０％以下とすることで前記中心部は電界が強まる領域とし、
   その他の前記アノード電極の領域の前記空隙率を５０％以上とすることで電界が弱まる電極の領域とすることを特徴とする火炎検出センサ。

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