JP7069764B2 - 火炎検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、バーナの火炎を検出する火炎検出部を備えた火炎検出装置に関する。

ボイラをはじめとする燃焼機器に用いられるバーナは、例えば、火炎生成部で生成された火炎が発した光（例えば、紫外線）を、バーナに配置した火炎センサ（火炎検出部）によって検出し、光が検出されなくなった場合に、失火が発生したと判断することが一般的である。

また、火炎生成部から進入した逆火は、バーナに配置した温度センサによって温度上昇を検出し、温度が所定温度以上に上昇した場合に逆火が発生したと判断することが一般的である。

一方、火炎生成部から逆火が進入すると、バーナ内の温度が高くなり火炎センサが過熱されることから、火炎センサが破損したり劣化して、火炎センサの寿命が短くなる可能性がある。

そこで、劣化した火炎センサが疑似火炎を検出した際の異常を検出してボイラを停止する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、火炎センサが劣化等によって異常状態となった場合に、燃焼が継続されて空焚き等の不具合が発生するのを抑制するための技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平６－２４９４３６号公報 特開平１０－２６７２０９号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載の発明は、火炎センサ（火炎検出部）に劣化等が生じた場合を前提とするものであり、劣化等に起因して異常が発生した際には有効であるものの、火炎センサに破損や劣化が生じることを抑制することは困難である。

一方、今後のバーナの小型化や高性能化にともなって、バーナの供給路に逆火が進入した場合に、火炎検出部（火炎センサ）が逆火を検出するとともに、逆火による熱影響が軽減されて、火炎検出部に生じる破損や劣化を抑制することが望ましい。
また、バーナの小型化に対応するうえでは、火炎検出装置の構成を簡単にすることが好適であり、ひいてはバーナにおける複数の事象（例えば、失火と逆火）を検出可能であることが好適である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、火炎検出部が、逆火を検出するとともに、逆火による熱影響を低減することが可能な火炎検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、火炎検出装置であって、バーナの火炎生成部における火炎を検出する火炎検出部と、前記火炎検出部と前記火炎生成部との間に配置され、前記火炎生成部から進入した逆火により熱膨張する熱膨張性部材と、を備えていることを特徴とする。

この発明に係る火炎検出装置によれば、バーナの火炎生成部における火炎を検出する火炎検出部と、火炎生成部との間に配置され熱膨張する熱膨張性部材とを備えているので、火炎生成部から逆火が進入した場合に、熱膨張性部材が熱膨張することで、逆火を検出するとともに、逆火による熱が火炎検出部に直接伝達されるのを抑制することができる。
その結果、バーナを安全に停止することが可能とされるとともに、火炎検出部が逆火から受ける熱影響を低減することができる。

また、例えば、熱膨張性部材が熱膨張した場合に火炎検出部に到達する光が制限されるように構成することで、火炎生成部から到達する光の量を検出して閾値と比較することにより、バーナにおいて逆火が発生したことを検出することができる。

この明細書で、火炎検出部とは、火炎生成部で生成された火炎が発した光を検出するものであり、火炎生成部で生成された火炎が発した光（例えば、紫外線、赤外線等）を検出するセンサなどをいう。

また、熱膨張性部材とは、火炎生成部から進入した逆火によって熱膨張する任意の部材を含んでおり、設置する前の状態がパテやペーストのように流動性を有するものを塗布した後に硬化させたもの、所定の形状に予め成形したもの、シート状に形成されたもの、複数の部材を組み合わせた（例えば、層状に形成して重ねあわせた）もの等、任意のものを適用してもよい。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の火炎検出装置であって、前記熱膨張性部材は、前記火炎生成部からの逆火により熱膨張した状態において、前記火炎生成部からの逆火による前記火炎検出部への熱影響を緩和する位置に配置されていることを特徴とする。

この発明に係る火炎検出装置によれば、熱膨張性部材が火炎生成部からの逆火により熱膨張した状態において、火炎生成部からの逆火による火炎検出部への熱影響を緩和する位置に配置されているので、火炎検出部が逆火によって熱影響を受けることが緩和される。
その結果、火炎検出部が逆火の熱影響によって、劣化、破損するのを効率的に抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の火炎検出装置であって、前記火炎検出部は、燃焼用空気又は予混合気が流通する供給路に連結部を介して接続され、前記熱膨張性部材は、前記連結部の内壁に配置されていることを特徴とする。

この発明に係る火炎検出装置によれば、火炎検出部が連結部を介して供給路に接続され、熱膨張性部材が連結部の内壁に配置されているので、熱膨張性部材が連結部内の空間（開口部）を効率的に閉塞し又は縮小して逆火の熱や火炎が発した光が火炎検出部に到達するのを制限することができる。
その結果、火炎検出部に対する逆火の熱影響を効率的かつ安定して緩和することができる。
また、火炎検出部に到達する火炎が発した光の量を制限することで逆火を効率的に検出することができる。

本発明に係る火炎検出装置によれば、火炎生成部から逆火が進入した場合に、バーナを安全に停止することが可能とされるとともに、火炎検出部が逆火から受ける熱影響を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るバーナの概略構成の一例を説明する図であり、（Ａ）は側面から見た縦断面図であり、（Ｂ）は背面から見た図である。 本発明の一実施形態に係る火炎検出装置の概略構成の一例を説明する図であり、（Ａ）は火炎検出装置をバーナエレメント側から見た図であり、（Ｂ）は（Ａ）に矢視IIＢ－IIＢで示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る火炎検出装置の作用を説明する概念図であり、（Ａ）は逆火が生じていない状態を、（Ｂ）は逆火により熱膨張性部材が熱膨張した状態を示す図である。

以下、図１～図３を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るバーナの概略構成を説明する図であり、図１（Ａ）はバーナを側面（図１（Ｂ）に示す矢視ＩＡ－ＩＡ）から見た縦断面図であり、図１（Ｂ）はバーナを背面から見た図である。図１～図３において、符号１００はバーナを、符号１０はダクトを、符号１５はバーナエレメント（火炎生成部）を、符号２０は火炎検出装置を、符号２３は火炎検出センサ（火炎検出部）を、符号Ｇは予混合気を示している。

バーナ１００は、図１に示すように、例えば、ダクト１０と、バーナエレメント（火炎生成部）１５と、パイロットバーナ１８と、火炎検出装置２０とを備えている。
この実施形態において、バーナ１００は、例えば、燃料ガスと燃焼用空気とを混合して生成された予混合気を燃焼する予混合式ガスバーナとされている。

ダクト１０は、例えば、略矩形断面を有する筒状体とされ、上流側が燃焼用空気を供給するブロア（不図示）に接続されるとともに、ブロアの下流側に燃料ガスを供給するガスノズル（不図示）が配置されている。
そして、ダクト１０の内方には、燃焼用空気と燃料ガスとが混合して生成された予混合気Ｇが流通する供給路１０Ｈが画成され、下流側端部Ｔ近傍には供給路１０Ｈに沿ってバーナエレメント１５が配置されている。

また、ダクト１０のバーナエレメント１５と対応する部分は、側面から見たときに下流側端部Ｔに近づくにつれて幅狭なテーパ形状に形成されている。
また、ダクト１０は、バーナエレメント１５と対向する部分は、着脱可能な背板壁部１１を取付けることにより供給路１０Ｈを画成している。
また、背板壁部１１には火炎検出装置２０が配置されている。

バーナエレメント（火炎生成部）１５は、例えば、矩形平板状とされたエレメント本体に形成された一方側の面から他方側の面に貫通する多数のノズル孔（不図示）が開口された構成とされている。
そして、バーナエレメント１５は、供給路１０Ｈを通じて供給された予混合気Ｇを燃焼して火炎を生成するようになっている。

パイロットバーナ１８は、例えば、ダクト１０の後方からバーナエレメント１５側に挿通されていて、パイロットバーナ１８の先端部でパイロット用火炎を生成するようになっている。また、パイロット用火炎は、バーナエレメント１５の上部表面に達するように配置されている。

次に、図２を参照して火炎検出装置の概略構成について説明する。
図２は、火炎検出装置２０の概略構成を説明する図であり、図２（Ａ）は火炎検出装置２０をバーナエレメント１５側から見た図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に矢視IIＢ－IIＢで示す部分断面図である。

火炎検出装置２０は、例えば、連結部２１と、熱膨張性部材２２と、火炎検出センサ２３とを備えている。

連結部２１は、例えば、ダクト１０においてバーナエレメント１５と対向する背板壁部１１に形成された連結孔に連結され、バーナエレメント１５とは反対側に向かって伸びる円筒によって構成されている。

熱膨張性部材２２は、例えば、中央部に開口部２２Ｈが形成された略リング（円筒）形状に形成されている。
また、熱膨張性部材２２は、バーナエレメント１５からの逆火Ｒによって熱膨張した状態において、火炎検出センサ２３への逆火Ｒによる熱影響が緩和される位置に配置されている。具体的には、例えば、連結部２１の壁部内面（内壁）２１Ｓに配置されている。

ここで、火炎検出センサ２３への逆火Ｒによる熱影響を緩和する位置とは、火炎検出センサ２３に到達する熱量が低減される位置をいう。

また、この実施形態において、熱膨張性部材２２は、逆火Ｒの熱によって内周側に向かって熱膨張し、中心部に形成された開口部２２Ｈを閉塞するように構成されている。
また、熱膨張性部材２２は、構造的又は組成的に逆火Ｒの熱に対する耐熱性を有するとともに火炎検出センサ２３側への熱伝導が低くなるように構成されていることが好適である。

なお、熱膨張性部材２２は、逆火Ｒの熱によって熱膨張することで、連結部２１の開口部２２Ｈを閉塞し、又は開口部２２Ｈの開口面積を縮小する。
なお、熱膨張性部材２２が熱膨張していない状態における開口部２２Ｈの開口面積（Ｓ１）に対する逆火Ｒの熱によって熱膨張した状態における開口部２２Ｈの開口面積（Ｓ２）の比（Ｓ２／Ｓ１）は、使用状態に応じて適宜設定することが可能である。

また、熱膨張性部材２２の具体的な構成としては、連結部２１の壁部内面２１Ｓにペースト状又はパテ状のものを塗布して硬化させたもの、連結部２１の壁部内面２１Ｓと対応するサイズに成形したもの、複数の層状部材を重ねたもの等、使用可能な範囲で任意に設定することができる。

また、熱膨張性部材２２の組成は、熱膨張の程度等を考慮して任意に設定することが可能である。具体的には、例えば、ポリ塩化ビニル、変性シリコーン系ポリマー、クロロプレンゴム系ポリマー等の難燃性ポリマーに、熱膨張性黒鉛、含水ケイ酸ナトリウム、バーミキュライト等の熱膨張性材料を分散させて構成したものを適用することが可能である。

また、熱膨張性黒鉛、ひる石、リン酸塩と炭化水素や糖等の有機物質又はそれらの混合物、硼素含有化合物、窒素含有有機化合物、加熱により発泡する発泡剤と無機化合物の混合物等の耐熱性を有する公知の熱膨張性材料と、バインダーとして、シリコーン樹脂、ポリ塩化ビニル、塩素化ポリ塩化ビニル、ポリエステル等の樹脂、又はブチルゴム、ＮＢＲ、ＩＩＲ、ＮＲ等の合成ゴム及び天然ゴムの有機化合物を含有する構成のものを適宜適用してもよい。

また、熱可塑性樹脂からなるマイクロカプセルに、炭化水素等の揮発性を有する熱膨張物質を封入して構成された熱膨張粒子を耐熱性材料等に分散して構成されたものを適用してもよい。

火炎検出センサ２３は、例えば、火炎が発する紫外線を検出する紫外線センサとされている。
また、火炎検出センサ２３は、ハウジング２３Ａの内方にバーナエレメント１５と対向可能に配置されている。

以下、図３を参照して、火炎検出装置２０の作用について説明する。
図３は、火炎検出装置２０の作用を説明する概念図であり、図３（Ａ）は逆火が生じていない状態を、図３（Ｂ）は逆火により熱膨張性部材が熱膨張した状態を示す図である。図３において、符号Ｒは逆火を示している。

＜定常状態＞
バーナ１００は、図３（Ａ）に示すように、定常状態において、供給路１０Ｈを通じて供給された予混合気Ｇがバーナエレメント１５で燃焼して火炎Ｆが生成される。定常状態においては、火炎Ｆは紫外線Ｌを発している。
このとき、火炎検出装置２０は、連結部２１に配置された熱膨張性部材２２は熱膨張しておらず、火炎検出センサ２３は、熱膨張していない熱膨張性部材２２１においては、火炎Ｆが発した紫外線Ｌを開口部２２Ｈを介して検出する。

＜逆火発生時＞
バーナ１００は、バーナエレメント１５から逆火Ｒが進入した場合は、図３（Ｂ）に示すように、逆火Ｒの熱によって熱膨張性部材２２が内周側に向かって熱膨張することにより、開口部２２Ｈが閉塞された熱膨張性部材２２２が形成される。
その結果、熱膨張性部材２２２（２２）の開口部２２Ｈが閉塞されて、逆火Ｒの熱及びバーナエレメント１５で生成された火炎Ｆが発した紫外線Ｌの火炎検出センサ２３への到達が抑制される。

制御部（不図示）は、この実施形態において、例えば、火炎検出センサ２３が紫外線Ｌを検出している場合は、バーナ１００が正常に燃焼していると判断し、火炎検出センサ２３が検出した紫外線Ｌの光量が設定した閾値以下（ゼロを含む）である場合には、逆火又は失火が生じたと判断するように構成されている。

その結果、バーナ１００が失火して紫外線Ｌを発しなくなった場合、及び図３（Ｂ）に示すように、熱膨張性部材２２が熱膨張して火炎検出センサ２３が紫外線Ｌを検出しなくなった場合や、検出した紫外線Ｌの光量が閾値以下である場合は、バーナ１００において失火し又は逆火が発生したと判断する。

一実施形態に係る火炎検出装置２０によれば、バーナエレメント１５と火炎検出センサ２３の間に熱膨張性部材２２が配置されていて、バーナエレメント１５から逆火Ｒが進入した場合に、熱膨張性部材２２が熱膨張して、逆火を検出可能であるとともに、火炎検出センサ２３に伝達される熱の影響を軽減することができる。
その結果、バーナを安全に停止することが可能とされるとともに、火炎検出センサ２３が逆火Ｒから受ける熱影響を低減することができる。

また、一実施形態に係る火炎検出装置２０によれば、熱膨張性部材２２が、バーナエレメント１５から逆火Ｒが進入して熱膨張性部材２２が熱膨張した状態において、火炎検出センサ２３への逆火Ｒの熱影響が緩和される位置に配置されているので、火炎検出センサ２３が逆火Ｒの熱影響によって、破損又は劣化するのを効率的に抑制することができる。

一実施形態に係る火炎検出装置２０によれば、火炎検出センサ２３が供給路１０Ｈに連結部２１を介して接続され、熱膨張性部材２２が連結部２１の壁部内面２１Ｓに配置されているので、熱膨張性部材２２によって開口部２２Ｈを効率的に閉塞し又は縮小することができる。
その結果、火炎検出センサ２３に対する逆火Ｒの熱影響を効率的に緩和することができる。
また、火炎検出センサ２３に到達する逆火の紫外線Ｌの光量を制限して、逆火Ｒを効率的に検出することができる。

一実施形態に係る火炎検出装置２０によれば、逆火Ｒと失火をともに検出することにより省スペース化が可能であるので、バーナ１００を効率的に小型化することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態においては、熱膨張性部材２２が逆火Ｒによって熱膨張することで、バーナエレメント１５で生成された火炎Ｆが発した紫外線Ｌの火炎検出センサ２３への到達が抑制されて、逆火又は失火として検出する場合について説明したが、熱膨張性部材２２が熱膨張した場合に、逆火Ｒを検出することなく火炎検出センサ２３への逆火Ｒの熱影響を緩和することを目的としてもよい。

また、上記実施形態においては、火炎検出部がバーナエレメント１５で生成された火炎Ｆが発した紫外線を検出する火炎検出センサ２３である場合について説明したが、火炎検出部の種類については任意に設定可能であり、例えば、赤外線のほか火炎が発する光を検出する種々のセンサを適用することが可能である。

また、上記実施形態においては、火炎検出センサ２３が円筒状の連結部２１を介してバーナエレメント１５と対向する場合について説明したが、連結部２１を備えるかどうか、連結部２１の形状については任意に設定可能であり、例えば、連結部２１を用いずに、バーナエレメント１５から逆火Ｒが進入した際に、熱膨張性部材２２が火炎検出センサ２３の前方で拡大（例えば、ドーム状に）され、バーナエレメント１５と火炎検出センサ２３の間を遮るように構成としてもよい。

また、上記実施形態においては、熱膨張性部材２２が円筒状に形成され中央部に開口部２２Ｈが形成されている場合について説明したが、熱膨張性部材２２の構造、組成については、火炎検出センサ２３への逆火Ｒの熱影響が低減される範囲で任意に設定することができる。

また、上記実施形態においては、火炎検出装置２０がダクト１０の供給路１０Ｈを介して予混合気Ｇが供給される予混合式ガスバーナに適用される場合について説明したが、例えば、供給路を介して燃焼用空気を供給するバーナに適用してもよい。

この発明に係る火炎検出装置によれば、火炎生成部から進入した逆火を検出するとともに、火炎検出部が逆火から受ける熱影響を低減することができるので、産業上利用可能である。

Ｒ 逆火
Ｆ 火炎
Ｇ 予混合気
１００ バーナ
１０ ダクト
１０Ｈ 供給路
１５ バーナエレメント（火炎生成部）
２０ 火炎検出装置
２１ 連結部
２１Ｓ 壁部内面（内壁）
２２ 熱膨張性部材
２３ 火炎検出センサ（火炎検出部）

Claims (5)

1. バーナの火炎生成部における火炎を検出する火炎検出部と、
   前記火炎検出部と前記火炎生成部との間に配置され、前記火炎生成部から進入した逆火により熱膨張する熱膨張性部材と、を備えていることを特徴とする火炎検出装置。
2. 請求項１に記載の火炎検出装置であって、
   前記熱膨張性部材は、前記火炎生成部からの逆火により熱膨張した状態において、前記火炎生成部からの逆火による前記火炎検出部への熱影響を緩和する位置に配置されていることを特徴とする火炎検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の火炎検出装置であって、
   前記火炎検出部は、燃焼用空気又は予混合気が流通する供給路に連結部を介して接続され、
   前記熱膨張性部材は、前記連結部の内壁に配置されていることを特徴とする火炎検出装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかの１項に記載の火炎検出装置であって、
   前記熱膨張性部材は、筒状であり、内周側に向かって熱膨張することを特徴とする火炎検出装置。
5. 請求項４に記載の火炎検出装置であって、
   前記熱膨張性部材は、前記内周側に形成された開口部を閉塞することを特徴とする火炎検出装置。

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