JP3663824B2

JP3663824B2 - Combustion equipment

Info

Publication number: JP3663824B2
Application number: JP10296897A
Authority: JP
Inventors: 彪長井; 孝裕梅田; 明雄福田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2017-04-21
Also published as: JPH10300075A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料を燃焼させる燃焼装置および火炎の評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の燃焼装置は、特開平６−１０１８３４号公報および特開平６−２１３４３２号公報などに記載されているようなものが一般的であった。これらの装置は図１１に示されているようにフレームロッド１とバーナヘッド２を用いていた。また、フレームロッド１は図１２（ａ）に示されているように電極の表面にミゾ１ａが形成されていたり、同図（ｂ）に示されているように電極の先端に補助ロッド１ｂが溶接されているなどの加工が施されていた。燃料は気化筒３においてヒータ４により気化され、ノズル５から噴出されると同時に空気と混合され、バーナーヘッド２の内部を通過し、複数の炎孔６を通過するときに着火し、火炎７を形成する。フレームロッド１はセラミックからなる絶縁体８を介し、取り付け金具９により固定台１０に取り付けられ、先端は火炎７に接触するように配置されていた。さらにフレームロッド１とバーナヘッド２の間には電圧供給手段１１として直流電圧電源および電流検出手段１２として電流計が接続されていた。また、点火は点火手段１３により行われ、例えば点火ロッド１４をセラミックからなる絶縁体１５を介し、取り付け金具１６により固定台１０に取り付け、交流電圧電源１７で高電圧を印加することにより点火ロッド１４の先端とバーナヘッド２の間に火花放電を発生させ点火するものが一般的であった。
【０００３】
上記構成により、フレームロッド１とバーナヘッド２の間に一定の直流電圧を供給したときに流れる直流電流を検出し、その電流値から燃焼状態を判断し、燃焼制御手段１８により燃焼を制御できるようになっていた。一般に燃焼火炎７中には熱電離により生じたイオンや電子が多く存在しており、フレームロッド１とバーナヘッド２の間に電圧を供給したときに電流が流れれば着火、流れなければ失火といった火炎７の有無を検知することができる。また電流は燃焼空気中の酸素濃度などの燃焼条件に大きく依存し、酸素濃度の低下により不完全燃焼になると電流は小さくなり、電流が予め設定したしきい値より小さくなったとき、燃焼制御手段１７により不完全燃焼と判断し、換気を促すブザーやランプといった警報を発したり強制的に燃焼を停止させるなどの燃焼制御を行っていた。
【０００４】
ところで燃焼空気中に整髪料などに含まれる有機シリコーンが存在しても燃焼自身は正常である。しかし、この燃焼中にフレームロッド１やバーナヘッド２の表面に絶縁性のシリコン酸化物被膜が形成され、フレームロッド１とバーナヘッド２の間に流れる電流が見掛け上小さくなるため正常燃焼であるにも関らず検知不良を起こす可能性がある。しかし、図１２（ａ）のように表面にミゾ１ａを設けた場合、ミゾ１ａの内側には飛散している有機シリコーンが入り込まないのでシリコン酸化物被膜が形成されず、電流が減少しないとしている。また、同図（ｂ）のように先端部に、フレームロッド１と熱膨張係数の異なる補助ロッド１ｂが溶接された場合、シリコン酸化物が形成されても、温度上昇したとき、両者の熱膨張係数の差に起因する微少な物理的形状変化のためにその表面に亀裂や付着シリコン酸化物の剥離が生じ、その部分が新たな導通部となり、電流は減少しないので安定して燃焼状態を検出することができるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃焼装置は、フレームロッド１に前述した加工を施し、耐シリコーン性を向上するとしているが、シリコン酸化物被膜の形成による電流の低下はフレームロッド１のみならず相対的に表面積が大きいバーナヘッド２にも大きく依存しているので、たとえフレームロッド１にシリコン酸化物が付着しなくても、バーヘッド２へのシリコン酸化物付着により電流は徐々に低下する。このため正常燃焼であるにもかかわらず、検知不良を起こし燃焼を強制的に停止させるなどの燃焼制御が誤って動作してしまうという課題を有していた。
【０００６】
さらに、シリコン酸化物被膜の形成されたフレームロッド１やバーナヘッド２はその都度交換する必要があるので経済的でないという課題を有していた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、燃料を燃焼させるバーナヘッドと、火炎により生成した荷電粒子と接触する電極手段と、前記バーナヘッドと前記電極手段の間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記バーナヘッドと前記電極手段の間に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電極手段と前記バーナヘッドの間の荷電粒子の電位を検出する第１電位検出手段と、前記電位と異なる電位を検出する第２電位検出手段と、前記第１電位検出手段と前記第２電位検出手段の間の第１電位差Ｖ１２を検出する第１電位差検出手段とを備え、前記火炎が前記バーナヘッド面より遊離するにつれて前記第１電位検出手段と前記第２電位検出手段の間の火炎インピーダンスが単調に増加する燃焼装置である。
【０００８】
電極手段表面やバーナヘッド表面へのシリコン酸化物付着の有無にかかわらず、すなわち、電流の大小にかかわらず、第１電位検出手段と第２電位検出手段の間の火炎インピーダンスはほぼ一定である。本発明によれば、従来のように電流を用いるのではなくて、この火炎インピーダンスを用いているので、シリコン酸化物付着の影響を受けることなく、燃焼状態を検知できる。更に、酸欠燃焼などのときに火炎がバーナヘッド面より遊離したとき第１電位検出手段と第２電位検出手段の間の火炎インピーダンスが単調に増加するので、酸欠燃焼など異常燃焼を的確に検知できる。従って、シリコン酸化物付着に対して安定に動作できるのみならず、酸欠燃焼などに対しても燃焼停止などの的確な対応ができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料を燃焼させるバーナヘッドと、火炎により生成した荷電粒子と接触する電極手段と、前記バーナヘッドと前記電極手段の間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記バーナヘッドと前記電極手段の間に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電極手段と前記バーナヘッドの間の荷電粒子の電位を検出する第１電位検出手段と、前記電位と異なる電位を検出する第２電位検出手段と、前記第１電位検出手段と前記第２電位検出手段の間の第１電位差Ｖ１２を検出する第１電位差検出手段とを備え、前記火炎が前記バーナヘッド面より遊離するにつれて、前記第１電位検出手段と前記第２電位検出手段の間の火炎インピーダンスが単調に増加する燃焼装置である。
【００１０】
電極手段表面やバーナヘッド表面へのシリコン酸化物付着の有無にかかわらず、すなわち、電流の大小にかかわらず、正常燃焼であれば、第１電位検出手段と前記第２電位検出手段の間の火炎インピーダンスは一定である。本発明によれば、従来のように電流を用いるのではなくて、この火炎インピーダンスを用いているので、シリコン酸化物付着の影響も小さくして、燃焼状態を検知できる。更に、酸欠燃焼などの異常燃焼のときに火炎がバーナヘッド面より遊離するにつれて、この火炎インピーダンスは単調に増加するので、酸欠燃焼など異常燃焼を的確に検知できる。
【００１１】
また、火炎がバーナヘッド面より遊離したとき火炎が、バーナヘッドを除き、バーナヘッド電位と等しい電位面に接触しない燃焼装置である。
【００１２】
バーナヘッド面より遊離した火炎が、バーナヘッドを除き、バーナヘッド電位と等しい等電位面に接触した場合、電極手段とバーナヘッド間の電位分布はこの等電位面の影響を受けて、火炎インピーダンスは小さくなる。火炎の遊離が大きくなるとこの傾向は一層助長される。初期の酸欠燃焼では、火炎はバーナヘッドから少ししか遊離せず、酸素濃度の低下と共に火炎インピーダンスは増加する。しかし、酸素濃度が更に低下すると火炎がバーナヘッド面より大きく遊離して、バーナヘッド電位と等しい等電位面に接触すると火炎インピーダンスは減少する。それ以降、この傾向は一層助長される。従って、火炎インピーダンスは酸素濃度に対して極大値を有する。これは、ある火炎インピーダンスに対して二つの酸素濃度が対応することになるので、好ましくない。本構成では、火炎がバーナヘッド面より遊離したとき火炎が、バーナヘッドを除き、バーナヘッド電位と等しい電位面に接触しないので、火炎インピーダンスは酸素濃度の低下に対して単調に増加する。従って、酸欠燃焼を的確に検知できる。
【００１３】
また、保炎板が絶縁物である燃焼装置である。
種々のバーナ構成が構成が実用に供されているが、その一つにバーナヘッドの外周辺部に保炎板を備えたバーナ構成がある。この保炎板、バーナヘッドおよびそれらを固定する支持体は、通常、ステンレスなどの高耐熱性金属で構成さる。この場合、これらは電気的に同電位である。このようなバーナ構成では、火炎がバーナヘッド面より遊離したとき火炎が、バーナヘッドおよびバーナヘッド電位と等しい電位の保炎板に接触するので、前述した課題を生じる。本構成では、保炎板が絶縁物で構成されているので、前述下課題は生じない。従って、バーナヘッドの外周辺部に保炎板を備えたバーナ構成が可能である。
【００１４】
また、火炎が鉛直方向に形成される燃焼装置である。
上述したバーナ構成以外にも、火炎が鉛直方向に形成されるバーナ構成がある。この場合、通常、保炎板を必要としないので、バーナヘッドやそれを固定する支持体が高耐熱性金属で構成されても、酸欠燃焼時などの異常燃焼のときに火炎がバーナ面から遊離しても、火炎はバーナヘッド以外に、バーナヘッド電位と等しい等電位面と接触しない。従って、火炎インピーダンスは酸素濃度の低下に対して単調に増加し、酸欠燃焼を的確に検知できる。
【００１５】
また、第２電位検出手段とバーナヘッドの間の第２電位差Ｖ２ｂを検出する第２電位差検出手段を備え、第２電位検出手段とバーナヘッドの間の第２火炎インピーダンスが単調に増加する燃焼装置である。
【００１６】
火炎が鉛直方向に形成されるバーナ構成では、シリコン酸化物がバーナヘッド表面および電極手段表面に形成されても第２火炎インピーダンスはほぼ一定である。他方、酸欠燃焼時にはこの第２火炎インピーダンスは単調に増加するので、酸欠燃焼を的確に検知できる。本構成では、第１火炎インピーダンスに加えて、第２火炎インピーダンスも利用できる。第１火炎インピーダンスも、また、第２火炎インピーダンスもシリコン酸化物付着に対して安定に動作できると共に酸欠燃焼などの異常燃焼に対しても的確に検知できる。従って、これら両インピーダンスを用いて燃焼検知することにより、どちらか一方のインピーダンスが異常値、例えば、断線によりインピーダンスが零になった場合でも、残りのインピーダンスにより燃焼検知できるので、燃焼検知の信頼性を向上できる。
【００１７】
また、燃料を燃焼させるバーナヘッドと、鉛直方向に形成される火炎と、火炎により生成した荷電粒子と接触する電極手段と、バーナヘッドと電極手段の間に電圧を印加する電圧印加手段と、バーナヘッドと電極手段の間に流れる電流を検出する電流検出手段と、電極手段とバーナヘッドの間の荷電粒子の電位を検出する第１電位検出手段と、第１電位検出手段とバーナヘッドの間の第２電位差Ｖ１ｂを検出する第２電位差検出手段とを備え、火炎が前記バーナヘッド面より遊離したとき前記第１電位検出手段と前記バーナヘッドの間の第２火炎インピーダンスが単調に増加する燃焼装置である。
【００１８】
火炎が鉛直方向に形成されるバーナ構成では、第２火炎インピーダンスがシリコン酸化物付着に対して安定に動作できると共に酸欠燃焼などの異常燃焼に対しても的確に検知できることは前述したとうりである。本構成では、電位検出手段が１個でよいので、構成の簡素化、低価格化が得られる。
【００１９】
以下、本発明の実施例を図面に従い説明する。なお、従来例と同一部分には同一符号をつけ説明は省略する。また、気化筒３など本発明の必須要件でない部分は、図面で省略している。
【００２０】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の燃焼装置の構成を示す断面図である。一般的にガス状燃料に予め理論燃焼空気量以下の１次空気を混合した混合ガスを複数の炎孔６より噴出させて燃焼させたとき、炎孔６のごく近傍に可燃ガスと予混合された１次空気との燃焼反応による内炎７ａが形成され、さらにこの内炎７ａの外側に周囲からの２次空気との燃焼反応による外炎７ｂが形成される。内炎７ａは明るく輝いて見え、外炎７ｂは透明に近い燃焼炎となりる。内炎７ａと外炎７ｂとで全体の火炎７を形成している。この火炎７の中に荷電粒子（イオンと電子）が存在する。電極手段１９の一方の端部は、火炎７により生成した荷電粒子と接触し、他端は電圧印加手段１１や電流検出手段１２を介してバーナヘッド６に接続されている。火炎７は、内炎７ａと外炎７ｂとから構成され、内炎７ａに多くの荷電粒子が存在するが、外炎７ｂにも少ない密度であるにしても荷電粒子は存在する。荷電粒子が無視できる程度に少ない場合、例えば、火炎７が存在しないとき、すなわち、燃焼が停止した状態では、電圧印加手段１１により、（１０〜２０）Ｖの電圧を電極手段１９とバーナヘッド２に印加しても、殆ど電流は流れない。しかし、正常燃焼状態で電極手段１９を内炎７ａから数mm離れた位置に配置しても、上記電圧を印加したとき、数μＡ以上の電流が流れる。このことは、内炎７ａの近傍および外炎７ｂにも荷電粒子が存在することを示す。電極手段１９とバーナヘッド２間に流れる電流は、例えば、一定の抵抗値を有する抵抗体の両端の電圧から求める電流検出手段１２により検出される。もちろん、抵抗体の代わりに電流計を用いてもよい。
【００２１】
第１電位検出手段２０および第２電位検出手段２１は、高耐熱性金属体で構成され、その一方の端部は荷電粒子と接触する位置に配置されている。第１電位検出手段２０および第２電位検出手段２１は、電極手段１９と同様、絶縁セラミック８を介して固定台（図示なし）に取り付けられる。電極手段１９とバーナヘッド２の間に電流が流れているとき、両者の間には電位勾配が存在し、電流は空間的に広がりをもって流れるので、荷電粒子の等電位面が、電流の流れ方向に対して直交して存在する。第１電位検出手段２０および第２電位検出手段２１のそれぞれに接触する等電位面が存在する。第１電位検出手段２０および第２電位検出手段２１は、導電性であるので、これらの電位は、接触する等電位面と同じ電位になる。荷電粒子と接触する電極手段１９の端部表面やバーナヘッド２の表面にシリコン酸化物が形成された場合、このシリコン酸化物は絶縁性であるので、たとえ正常燃焼状態であっても、電流は当然減少する。しかし、電流は減少しても正常燃焼であれば、電極手段１９とバーナヘッド２の間には、その電流値に対応した一定の電位勾配が存在し、また、等電位面も存在することは明らかである。
【００２２】
電圧印加手段１１を用いて種々の電圧を印加したとき、電極手段１９とバーナヘッド２の間に流れる電流（Ｉ_fr）および第１電位差（Ｖ₁₂）を測定し、横軸に電流（Ｉ_fr）、縦軸に第１電位差（Ｖ₁₂）をプロットすると一定の傾きを有する直線が得られる。第１電位検出手段２０に接触する等電位面と第２電位検出手段２１に接触する等電位面の間の第１火炎インピーダンス（Ｒ_12s）は、この傾きで定義される。この点は、後述する図６で詳述する。
【００２３】
シリコン酸化物がバーナヘッド２の表面や電極手段１９の表面に形成された場合、電流（Ｉ_fr）は減少し、第１電位差（Ｖ₁₂）も電流の減少とともに減少するが、第１火炎インピーダンス（Ｒ₁₂）は、ほぼ一定であるので、シリコン酸化物付着に対して安定して燃焼状態を検知できる。
【００２４】
酸素不足状態での燃焼（酸欠燃焼）は、酸素不足そのものが健康に好ましくなく、また、燃焼にとっても火炎７がバーナヘッド２の表面から遊離する点で正常燃焼と異なり好ましくない。このため、酸素濃度が一定レベル以下になったときに、燃焼停止などの対応が求められる。本発明の第１火炎インピーダンス（Ｒ₁₂）は、火炎７がバーナヘッド２の表面から遊離するにつれて、すなわち、酸素濃度が低下すると共に単調に増加するので、酸欠燃焼を的確に検知できる。
【００２５】
（実施例２）
種々のバーナ構成が実用に供されいるが、その一つにバーナヘッド２の外周辺部に保炎板を備えたバーナ構成がある。このバーナ構成を用いたときの本発明の構成を図２に示す
バーナヘッド２は、支持体２３に固定され、バーナヘッド２の外周部に保炎板２４も支持体２３に固定される。これらバーナヘッド２、支持体２３および保炎板２４は、通常、ステンレスなどの高耐熱性金属で構成される。従って、これらの電位は全て同じ電位である。保炎板２４は、広い範囲にわたる燃焼量を確保するために設けられる。なお、電極手段１９、第１電位検出手段２０、第２電位検出手段２１、第１電位差検出手段２２、電圧印加手段１１および電流検出手段１２は図１と同様に配置される。
【００２６】
締め切った小部屋で本構成の石油ファンヒータを燃焼して酸欠燃焼実験した。燃焼量２３６０kcal/hのときは、容積９．９５m³、換気回数０．１２回/hの小部屋を、燃焼量７１０kcal/hのときは、容積３．３８m³、換気回数０．１２回/hの小部屋を、それぞれ用いた。燃焼開始と共に室内酸素濃度は初期値約２０．２％から徐々に低下し、前者の場合約８０分経過後酸素濃度は約１６％に、また、後者の場合約１１０分経過後酸素濃度は約１６％に、それぞれ低下した。それぞれの時間経過の中で連続して、酸素濃度、電流（Ｉ_fr）、第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）を測定した。
【００２７】
この測定で得られた酸素濃度ー電流（Ｉ_fr）特性を図３に、また、酸素濃度ー第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）特性を図４にそれぞれ示す。図３に示すように、酸素濃度の減少と共に燃焼量によらず電流（Ｉ_fr）も減少した。他方、図４に示すように、第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）の酸素濃度依存性は燃焼量に依存して異なる傾向を示した。すなわち、燃焼量が７１０kcal/hの場合、第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）は酸素濃度の低下と共に単調に増加した。しかし、燃焼量が２３８０kcal/hの場合、第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）は、酸素濃度が２０．２％から約１７％に低下するまで単調に増加したが、酸素濃度が約１７％以下になると逆に減少した。このように酸素濃度約１７％で第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）は極大値を示すので、例えば、第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）が２５kΩに対応する酸素濃度は約１６．５％と約１７．４％の２点存在する。このように酸欠状態を検知する量が複数の酸素濃度に対応することは好ましくない。そのときの酸欠状態が、どの酸素濃度であるか特定できないからである。
【００２８】
高燃焼量のときに第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）が極大値を示す理由は次のように考えられる。これら酸欠燃焼実験のときに火炎７を観察すると、火炎７は酸素濃度の低下と共にバーナヘッド２から遊離し、その長さも伸びることが観察された。燃焼量２３８０kcal/hの場合、内炎７ａは酸素濃度２０．２％のときには、バーナヘッド２のみに接触し、保炎板２４には接触していないが、酸素濃度の低下と共にその先端部が伸びて、酸素濃度が約１７％のときに、保炎板２４に接触した。しかし、燃焼量７１０kcal/hの場合、内炎７ａはもともと小さな火炎体積であるので、酸素濃度が低下して、その先端部が伸びても保炎板２４に接触するまでには至らなかった。バーナヘッド２、支持体２３および保炎板２４は、高耐熱性金属で構成されているので、これらの電位は同じである。従って、第１火炎抵抗（Ｒ１２）が酸素濃度約１７％のときに極大値を示した原因は、火炎７がバーナヘッド２から遊離して、その先端部が伸びたときにバーナヘッド２の電位と等しい等電位面を有する保炎板２４に接触したことに起因する。火炎７がバーナヘッド２から遊離したとき、火炎７がバーナヘッド２を除き、バーナヘッド２の電位と等しい等電位面に接触しないことが望ましく、この点で、石英などの保炎板２４は絶縁物であることが好ましい。この点は実施例３でも詳述する。
【００２９】
（実施例３）
図５は、本発明の実施例３の燃焼装置の構成を示す断面図である。火炎７が鉛直方向に形成されるバーナヘッド２が用いられる。燃料と空気の混合気体がバーナヘッド２の下面から供給され、バーナヘッド２の表面に火炎７が鉛直方向に形成される。図１や図２に示したバーナヘド７は、複数の炎孔６を有し、複数の火炎７が水平方向に形成されるが、本実施例のバーナヘッド２は多数個の小さな炎孔６（図示しない）が隣接した構成であるので、実質的に一つの炎孔であり、火炎７も一つである。なお、電極手段１９、第１電位検出手段２０および第２電位検出手段２１はバーナヘッド２のほぼ中央部に配置され、図１と同じ作用を有する。また、第１電位差検出手段２２、電圧印加手段１１および電流検出手段１２は、図１の構成と同じである。
【００３０】
本構成の石油ファンヒータを燃焼量２４００kcal/hで燃焼して、電圧印加手段１１として直流電源を用いて、直流電源の電圧を種々の値に保持して、シリコン酸化物の付着の無い状態で、電極手段１９とバーナヘッド２の間の電圧（Ｖ_fr）、そのときに流れる電流（Ｉ_fr）、第１電位差（Ｖ₁₂）および第２電位差（Ｖ_2b）を測定した。第１電位差（Ｖ₁₂）は、第１電位検出手段１９と第２電位検出手段２０の間を１MΩの固定抵抗器と５μFのコンデンサの並列接続回路で短絡して測定した。また、第２電位検出手段２０とバーナヘッド２の間も１MΩの固定抵抗器と５μFのコンデンサの並列接続回路で短絡した。なお、第１電位差（Ｖ₁₂）の測定は、上記並列接続回路の１MΩの固定抵抗器の両端の電圧を測定することになるので、測定器の入力インピーダンスは１０MΩ以上であれば充分である。従って、テスター程度の簡単な電圧計でも測定できる。測定器として、例えば、エレクトロメータのように１０００MΩ以上の高入力インピーダンスを有する電圧計を用いるのであれば、１MΩ以上であっても何ら問題無い。
【００３１】
その結果得られたＩ_fr−Ｖ₁₂特性を図６に、Ｉ_fr−Ｖ_2b特性を図７に示す。これらの図では、比較のために、図１のバーナ構成における特性も同時に示している。なお、電流（Ｉ_fr）は電圧（Ｖ_fr）の増加に対して直線的に増加しなかった。これは、電極手段１９とバーナヘッド２の間のインピーダンスがオーミックでなく、電流（Ｉ_fr）が電圧依存性を有することを示す。他方、図６や図７に示すように、第１電位差（Ｖ₁₂）および第２電位差（Ｖ_2b）は、電流（Ｉ_fr）の増加に対してほぼ直線的に増加した。第１電位差（Ｖ₁₂）は、前述したように、第１電位検出手段１９に接する等電位面と第２電位検出手段２０に接する等電位面の間の電位差であることを考慮すると、第１電位差（Ｖ₁₂）の直線的増加は、両等電位面間がほぼオーミックであることを暗示している。このことは、第２電位差（Ｖ_2b）でも同様である。
【００３２】
図６に示した実線は、Ｉ _fr−Ｖ₁₂特性を直線回帰して求めた直線で、その回帰式は、例えば、図５の構成の場合、Ｖ₁₂＝−０．１７７＋０．０１７９＊Ｉ_frである。図１の構成の場合も、同様にして直線回帰式から求めた実線が示されている。図７でも同様である。図６の直線回帰式は、一般的に下式で示される。
【００３３】
Ｖ₁₂＝Ｖ₁₂₀＋Ｒ_12d＊Ｉ_fr ・・・・・（１）
ただし、［Ｖ₁₂］＝［Ｖ₁₂₀］＝Ｖ、［Ｒ₁₂］＝MΩ、［Ｉ_fr］＝μA、また、Ｖ₁₂₀を第１切片電位差、Ｒ_12dを第１火炎インピーダンスと定義する。第１火炎インピーダンス（Ｒ_12d）は、第１電位検出手段１９に接する等電位面と第２電位検出手段２０に接する等電位面の間の火炎インピーダンスに対応すると言える。
【００３４】
図７の直線回帰式も式（１）と同様、一般的に下式で示される。
Ｖ_2b＝Ｖ_2b0＋Ｒ_2bd＊Ｉ_fr ・・・・・（２）
ただし、［Ｖ_2b］＝［Ｖ_2b0］＝Ｖ、［Ｒ_2b］＝MΩ、［Ｉ_fr］＝μA、また、Ｖ_2b0を第１切片電位差、Ｒ_2bdを第２火炎インピーダンスと定義する。この第２火炎インピーダンス（Ｒ_2bd）は、第２電位差検出手段（図示しない）を備えることにより、第１火炎インピーダンス（Ｒ_12d）と同様、容易に求められる。図６、図７あるいは式（１）に示したように、Ｉ_fr−Ｖ₁₂特性およびＩ_fr−Ｖ_2b特性は直線関係にあるが、その直線は原点を通過しない。この詳細な原因は明確でないが、燃焼プラズマのプラズマ電位が関与していると考えられる。
【００３５】
図６や図７から明らかなように、図５の構成、すなわち、火炎７が鉛直方向に形成される構成では、第１および第２動的火炎抵抗（Ｒ_12dおよびＲ_2bd）とも、図１の構成のそれらと比較すると３倍以上大きな値を有する。両動的火炎抵抗とも大きい方が、電流（Ｉ_fr）変化に対する電位差変化も大きくなる点で、言い換えると、電流（Ｉ_fr）に対して高感度である点で優れている。このように両動的火炎抵抗とも大きいことは、図５の構成の特有の効果である。
【００３６】
図３および図４の場合と同様にして、締め切った小部屋で本構成（図５）の石油ファンヒータを燃焼して酸欠燃焼実験した。燃焼量は２２００kcal/h一定で、容積９．９５m³、換気回数０．１２回/hの小部屋を用いた。燃焼開始と共に室内酸素濃度は初期値約２０．２％から徐々に低下し、約１００分経過後酸素濃度は約１５％に低下した。時間経過の中で連続して、酸素濃度、電流（Ｉ_fr）、第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）および第２火炎抵抗（Ｒ_2b）を測定した。
【００３７】
この測定で得られた電流（Ｉ_fr）および第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）の酸素濃度依存性を図８に、また、電流（Ｉ_fr）および第２火炎抵抗（Ｒ_2b）の酸素濃度依存性を図９にそれぞれ示す。図８に示すように、電流（Ｉ_fr）は図３のときと同様酸素濃度の低下と共に減少した。しかし、燃焼量２２００kcal/hは、図４の場合（２３８０kcal/h）と同程度であるにもかかわらず、第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）は酸素濃度が約１５％にまで低下しても単調に大きく増加した。図５の構成は、図２の構成と異なり、保炎板２４を必要としないので、バーナヘッド２の外周辺部にはバーナヘッド２の電位と等しい等電位面が存在しない。。従って、火炎７が、酸素濃度の低下と共にバーナヘッド２から遊離して、その先端部が伸びても、バーナヘッド２の電位と等しい等電位面と接触できない。このために第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）は単調に増加したと考えられる。
【００３８】
図９から明らかなように、第２火炎抵抗（Ｒ_2b）も酸素濃度の低下に対して第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）と同様の傾向を示した。なお、図９の電流（Ｉ_fr）のデータは、図８のそれと同じである。図２の構成でも第２火炎抵抗（Ｒ_2b）について同じ測定をしたが、図４と同様の傾向を示した。第２火炎抵抗（Ｒ_2b）の場合も、第１火炎抵抗（Ｒ₁₂）の場合のときと同じ現象に支配されていると考えられる。
【００３９】
本構成では、第１火炎インピーダンスに加えて、第２火炎インピーダンスも利用できる。第１火炎インピーダンスも、また、第２火炎インピーダンスもシリコン酸化物付着に対して安定に動作できると共に酸欠燃焼などの異常燃焼に対しても的確に検知できる。従って、これら両インピーダンスを用いて燃焼検知することにより、どちらか一方のインピーダンスが異常値、例えば、断線によりインピーダンスが零になった場合でも、残りのインピーダンスにより燃焼検知できるので、燃焼検知の信頼性を向上できる。
【００４０】
次に、図５の構成のシリコン酸化物付着に対する安定性について詳述する。
図５の構成を有する石油ファンヒータを用いて、２００ppm（重量比）のシリコーン油を添加した灯油燃焼中で、燃焼量を２２００kcal/hとして、第１電位検出手段２０と第２電位検出手段２１の間の第１電位差（Ｖ₁₂）、第２電位検出手段２１とバーナーヘッド２の間の第２電位差（Ｖ_2b）およびそのときに流れる電流（Ｉ_fr）の燃焼時間経過に対する変化を測定した。電圧印加手段１１の電圧はＤＣ２４Ｖ（一定）とした。
【００４１】
ここで、式（３）に示すように、平均火炎インピーダンス（Ｒ_fr）を定義する。
【００４２】
Ｒ_fr＝Ｖ_fr／Ｉ_fr ・・・・・（３）
平均火炎インピーダンス（Ｒ_fr）、第１火炎インピーダンス（Ｒ₁₂）および第２火炎インピーダンス（Ｒ_2b）について、それぞれの初期値に対する割合をの焼経過時間依存性を図１０に示す。
【００４３】
図１０から明らかなように、平均火炎インピーダンス（Ｒ_fr）は、シリコン酸化物の付着により約４５０分経過後、初期値の約２倍に増加した。これは電流（Ｉ_fr）が約１／２に低下したことと等価である。他方、第１火炎インピーダンス（Ｒ₁₂）および第２火炎インピーダンス（Ｒ_2b）ともに初期的に約３０％低下したが、同じ経過時間後、初期値に対して約２０％以下の増加であり、シリコン酸化物付着に対しても安定して動作できることは明らかである。シリコン酸化物付着に対する安定性は、図１の構成でも確認されている。第１火炎インピーダンス（Ｒ₁₂）は図１０と同様の安定性を示したが、第２火炎インピーダンス（Ｒ_2b）はシリコン酸化物付着と共に増加する結果を示した。図１および図５のバーナ構成における第２火炎インピーダンス（Ｒ_2b）のシリコン酸化物付着に対する安定性の相違は、詳細には不明であるが、図５の構成の場合電流（Ｉ_fr）の流れる有効バーナ表面積が大きいことに起因すると考えられる。このように、第２火炎インピーダンス（Ｒ_2b）がシリコン酸化物付着に対して安定であることは、図５のバーナ構成における特有の効果である。
【００４４】
図９や図１０に示した第２火炎インピーダンス（Ｒ_2b）に関する結果は、図５の構成において電位検出手段が一個でも、シリコン酸化物付着に対しても安定して動作できると共に酸欠燃焼に対しても的確に対応できることを示している。すなわち、図５の構成では、第１電位検出手段２０と第２電位検出手段２１の２個の電位検出手段を用いたが、第１電位検出手段２０のみを用いて、この第１電位検出手段２０とバーナヘッド２の間の第２電位差（Ｖ_1b）を検出する第２電位差検出手段手段を備え、式（２）に従って求められる第２火炎インピーダンス（Ｒ _1bd）のみを用いることにより、シリコン酸化物付着に対しても安定して動作できると共に酸欠燃焼に対しても的確に対応できる。この第２火炎インピーダンス（Ｒ_1bd）と前述した第２火炎インピーダンス（Ｒ_2bd）は、全く等価であるからである。この場合は、構成が簡素であるので、低価格化が得られる。
【００４５】
なお、電極手段１９、第１電位検出手段２０や第２電位検出手段２１の形状は、図中では線状もしくは棒状で示したが、例えば、必要に応じてＵ字型、Ｌ字型など湾曲していてもよいことも明らかである。
【００４６】
また、燃焼は、燃料タンクから補給される液体燃料を用いた燃焼について述べてきたが、気体燃料を用いた燃焼でもよいことも明らかである。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃焼装置によれば次の効果が得られる。
【００４８】
（１）第１電位検出手段と第２電位検出手段のそれぞれに接触する等電位面間の第１火炎インピーダンスを用い、火炎がバーナヘッドから遊離するにつれてこの第１火炎インピーダンスは単調に増加するので、電極手段表面やバナヘッド表面へのシリコン酸化物付着の有無にかかわらず、すなわち、電流の大小にかかわらず、燃焼状態を検知できると共に酸欠燃焼に対しても的確に対応できる。
【００４９】
（２）また、酸欠燃焼などにより火炎がバーナヘッドから遊離したとき、火炎がバーナヘッド電位と等しい等電位面に接触しないので、火炎がバーナヘッドから遊離するにつれて第１火炎インピーダンスは単調に増加する。従って、酸欠燃焼に対しても的確に対応できる。
【００５０】
（３）また、バーナヘッドの外周辺部に保炎板を配置したバーナ構成において、保炎板が絶縁物で構成されているので、火炎がバーナヘッドから遊離するにつれて第１火炎インピーダンスは単調に増加する。従って、酸欠燃焼に対しても的確に対応できる。
【００５１】
（４）また、火炎が鉛直方向に形成されるバーナ構成であるので、保炎板を必要としないので、バーナヘッドやそれを固定する支持体が高耐熱性金属で構成されても、酸欠燃焼時などの異常燃焼のときに火炎がバーナ面から遊離しても、火炎はバーナヘッド以外に、バーナヘッド電位と等しい等電位面と接触しない。従って、火炎インピーダンスは酸素濃度の低下に対して単調に増加し、酸欠燃焼を的確に検知できる。更に、このバーナ構成では、第１火炎インピーダンスも第２火炎インピーダンスも大きいという特有の効果も得られる。
【００５２】
（５）また、火炎が鉛直方向に形成されるバーナ構成において、第２電位検出手段とバーナヘッドの間の第２電位差Ｖ２ｂを検出する第２電位差検出手段を備え、第２電位検出手段とバーナヘッドの間の第２火炎インピーダンスも用いることができるので、第１火炎インピーダンスに加えて、第２火炎インピーダンスも利用できる。第１火炎インピーダンスも、また、第２火炎インピーダンスもシリコン酸化物付着に対して安定に動作できると共に酸欠燃焼などの異常燃焼に対しても的確に検知できる。従って、これら両インピーダンスを用いて燃焼検知することにより、どちらか一方のインピーダンスが異常値、例えば、断線によりインピーダンスが零になった場合でも、残りのインピーダンスにより燃焼検知できるので、燃焼検知の信頼性を向上できる。第２火炎インピーダンスもシリコン酸化物付着に対して安定に動作できることは、このバーナ構成の特有の効果である。
【００５３】
（６）また、前述した第２火炎インピーダンス（Ｒ_2bd）と全く等価である第２火炎インピーダンス（Ｒ_1bd）のみを用いることができるので、構成を簡素化し、低価格化が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の燃焼装置の要部断面図
【図２】本発明の実施例２の燃焼装置の要部断面図
【図３】同燃焼装置におけるＩ_fr−酸素濃度特性図
【図４】同燃焼装置におけるＲ_12d−酸素濃度特性図
【図５】本発明の実施例３の燃焼装置の構成図
【図６】同燃焼装置におけるＶ₁₂−Ｉ_fr特性図
【図７】実施例３におけるＶ_2b−Ｉ_fr特性図
【図８】同燃焼装置におけるＲ_12d−酸素濃度特性図
【図９】同燃焼装置におけるＲ_2bd−酸素濃度特性図
【図１０】同燃焼装置を用いたときの２００ppmシリコーン油添加灯油燃焼火炎中における初期値に対する割合の経過時間変化特性図
【図１１】従来の燃焼装置の要部断面図
【図１２】（ａ）従来の燃焼装置の要部構成図
（ｂ）従来の燃焼装置の要部構成図
【符号の説明】
２バーナヘッド
７火炎
１１電圧印加手段
１２電流検出手段
１９電極手段
２０第１電位検出手段
２１第２電位検出手段
２２第１電位差検出手段
２３支持体
２４保炎板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion apparatus for burning fuel and a flame evaluation method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of combustion apparatus has been generally described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 6-101834 and 6-213432. These devices used a frame rod 1 and a burner head 2 as shown in FIG. Further, the frame rod 1 has a groove 1a formed on the surface of the electrode as shown in FIG. 12 (a), or an auxiliary rod 1b at the tip of the electrode as shown in FIG. 12 (b). Processing such as being welded was performed. The fuel is vaporized by the heater 4 in the vaporizing cylinder 3, jetted from the nozzle 5 and mixed with air at the same time, passes through the burner head 2, ignites when passing through the plurality of flame holes 6, and burns the flame 7. Form. The frame rod 1 was attached to the fixed base 10 by means of a mounting bracket 9 through an insulator 8 made of ceramic, and the tip thereof was arranged so as to contact the flame 7. Further, a DC voltage power source as the voltage supply means 11 and an ammeter as the current detection means 12 are connected between the frame rod 1 and the burner head 2. In addition, ignition is performed by the ignition means 13. For example, the ignition rod 14 is attached to the fixed base 10 by a mounting bracket 16 via an insulator 15 made of ceramic, and a high voltage is applied by an AC voltage power source 17 to apply the ignition rod 14. In general, a spark discharge is generated between the tip of the burner head 2 and the burner head 2 to ignite.
[0003]
With the above configuration, it is possible to detect a direct current that flows when a constant direct current voltage is supplied between the frame rod 1 and the burner head 2, determine the combustion state from the current value, and control the combustion by the combustion control means 18. It was. In general, there are many ions and electrons generated by thermal ionization in the combustion flame 7, and if a current flows when a voltage is supplied between the frame rod 1 and the burner head 2, ignition will occur, and if it does not flow, misfire will occur. The presence or absence of the flame 7 can be detected. The current greatly depends on the combustion conditions such as the oxygen concentration in the combustion air. The current decreases when the incomplete combustion occurs due to the decrease in the oxygen concentration. When the current becomes lower than the preset threshold value, the combustion control means 17, it was determined that the combustion was incomplete, and combustion control was performed such as issuing an alarm such as a buzzer or a lamp for promoting ventilation or forcibly stopping the combustion.
[0004]
By the way, the combustion itself is normal even if the organic silicone contained in the hair dressing or the like is present in the combustion air. However, during this combustion, an insulating silicon oxide film is formed on the surface of the frame rod 1 and the burner head 2 and the current flowing between the frame rod 1 and the burner head 2 is apparently reduced, so that normal combustion is performed. Nevertheless, detection failure may occur. However, when the groove 1a is provided on the surface as shown in FIG. 12A, since the scattered organic silicone does not enter the groove 1a, the silicon oxide film is not formed and the current is not reduced. . Further, when the auxiliary rod 1b having a different thermal expansion coefficient from that of the frame rod 1 is welded to the distal end portion as shown in FIG. 5B, even if silicon oxide is formed, the thermal expansion of the both increases when the temperature rises. Because of the slight change in physical shape caused by the difference in coefficient, cracks and debonding of silicon oxide occur on the surface, and that part becomes a new conduction part, and the current does not decrease, so the combustion state is detected stably. You can do that.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional combustion apparatus, the processing described above is performed on the frame rod 1 to improve the silicone resistance. However, the current reduction due to the formation of the silicon oxide film has a relatively large surface area as well as the frame rod 1. Since it greatly depends also on the large burner head 2, even if silicon oxide does not adhere to the frame rod 1, the current gradually decreases due to silicon oxide adhesion to the bar head 2. For this reason, in spite of normal combustion, there existed a subject that combustion control, such as causing detection failure and forcibly stopping combustion, will operate erroneously.
[0006]
Furthermore, since the frame rod 1 and the burner head 2 on which the silicon oxide film is formed need to be replaced each time, there is a problem that it is not economical.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a burner head for burning fuel, electrode means for contacting charged particles generated by a flame, and voltage applying means for applying a voltage between the burner head and the electrode means. A current detecting means for detecting a current flowing between the burner head and the electrode means; a first potential detecting means for detecting a potential of a charged particle between the electrode means and the burner head; and a potential different from the potential And a first potential difference detecting means for detecting a first potential difference V12 between the first potential detecting means and the second potential detecting means, wherein the flame is from the burner head surface. A combustion apparatus in which the flame impedance between the first potential detection means and the second potential detection means increases monotonously as it is released.
[0008]
The flame impedance between the first potential detection means and the second potential detection means is substantially constant regardless of whether silicon oxide is attached to the electrode means surface or the burner head surface, that is, regardless of the magnitude of the current. According to the present invention, since the flame impedance is used instead of using the current as in the prior art, the combustion state can be detected without being affected by the adhesion of silicon oxide. Further, when the flame is released from the burner head surface in the case of oxygen deficient combustion, the flame impedance between the first potential detecting means and the second potential detecting means increases monotonously. Can be detected. Therefore, not only can it operate stably against silicon oxide adhesion, but it can also take appropriate measures such as stopping combustion against oxygen-deficient combustion.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention provides a burner head for burning fuel, electrode means for contacting charged particles generated by a flame, voltage applying means for applying a voltage between the burner head and the electrode means, the burner head and the electrode Current detecting means for detecting current flowing between the means, first potential detecting means for detecting the potential of charged particles between the electrode means and the burner head, and second potential detection for detecting a potential different from the potential. And a first potential difference detecting means for detecting a first potential difference V12 between the first potential detecting means and the second potential detecting means, and the first potential difference as the flame is released from the burner head surface. In this combustion apparatus, the flame impedance between the potential detection means and the second potential detection means increases monotonously.
[0010]
A flame between the first potential detecting means and the second potential detecting means, regardless of whether silicon oxide is attached to the surface of the electrode means or the burner head surface, that is, regardless of the magnitude of the current, if it is normal combustion. The impedance is constant. According to the present invention, since this flame impedance is used instead of using current as in the prior art, the influence of silicon oxide adhesion can be reduced and the combustion state can be detected. Furthermore, since the flame impedance increases monotonously as the flame is released from the burner head surface during abnormal combustion such as oxygen deficient combustion, abnormal combustion such as oxygen deficient combustion can be accurately detected.
[0011]
Further, in the combustion apparatus, when the flame is released from the burner head surface, the flame does not contact a potential surface equal to the burner head potential except for the burner head.
[0012]
When the flame released from the burner head surface touches the equipotential surface equal to the burner head potential except for the burner head, the potential distribution between the electrode means and the burner head is affected by this equipotential surface, and the flame impedance is Get smaller. This tendency is further enhanced by the increased flame liberation. In the early oxygen deficient combustion, the flame is only slightly released from the burner head and the flame impedance increases with decreasing oxygen concentration. However, when the oxygen concentration is further lowered, the flame is released more greatly than the burner head surface, and the flame impedance decreases when it comes into contact with an equipotential surface equal to the burner head potential. Since then, this trend has been further enhanced. Therefore, the flame impedance has a maximum value with respect to the oxygen concentration. This is not preferable because two oxygen concentrations correspond to a certain flame impedance. In this configuration, when the flame is released from the burner head surface, the flame does not come into contact with a potential surface equal to the burner head potential except for the burner head, so that the flame impedance increases monotonously with a decrease in oxygen concentration. Therefore, it is possible to accurately detect oxygen deficient combustion.
[0013]
Moreover, it is a combustion apparatus whose flame-holding plate is an insulator.
Various burner configurations have been put into practical use. One of them is a burner configuration in which a flame holding plate is provided on the outer periphery of the burner head. The flame holding plate, the burner head, and the support for fixing them are usually made of a high heat resistant metal such as stainless steel. In this case, they are electrically at the same potential. In such a burner configuration, when the flame is released from the burner head surface, the flame comes into contact with the burner head and the flame holding plate having the same potential as the burner head potential, thus causing the aforementioned problems. In this configuration, since the flame holding plate is made of an insulator, the above-described problem does not occur. Therefore, a burner configuration in which a flame holding plate is provided on the outer peripheral portion of the burner head is possible.
[0014]
Moreover, it is a combustion apparatus in which a flame is formed in the vertical direction.
In addition to the burner configuration described above, there is a burner configuration in which the flame is formed in the vertical direction. In this case, since a flame holding plate is not usually required, even if the burner head and the support for fixing the burner head are made of a high heat-resistant metal, the flame is not removed from the burner surface during abnormal combustion such as oxygen deficient combustion. Even if released, the flame does not contact any other equipotential surface equal to the burner head potential, other than the burner head. Accordingly, the flame impedance increases monotonously with a decrease in oxygen concentration, and oxygen deficient combustion can be accurately detected.
[0015]
The combustion apparatus further includes second potential difference detection means for detecting a second potential difference V2b between the second potential detection means and the burner head, and the second flame impedance between the second potential detection means and the burner head monotonously increases. It is.
[0016]
In the burner configuration in which the flame is formed in the vertical direction, even if silicon oxide is formed on the burner head surface and the electrode means surface, the second flame impedance is substantially constant. On the other hand, since the second flame impedance increases monotonously during oxygen deficient combustion, it is possible to accurately detect oxygen deficient combustion. In this configuration, in addition to the first flame impedance, the second flame impedance can also be used. Both the first flame impedance and the second flame impedance can operate stably against silicon oxide adhesion, and can be accurately detected against abnormal combustion such as oxygen-deficient combustion. Therefore, by detecting combustion using both of these impedances, even if one of the impedances is an abnormal value, for example, when the impedance becomes zero due to disconnection, combustion detection can be performed with the remaining impedance, so the reliability of combustion detection Can be improved.
[0017]
A burner head for burning fuel; a flame formed in a vertical direction; an electrode means for contacting charged particles generated by the flame; a voltage applying means for applying a voltage between the burner head and the electrode means; A current detection means for detecting a current flowing between the head and the electrode means; a first potential detection means for detecting a potential of a charged particle between the electrode means and the burner head; and a first potential detection means between the first potential detection means and the burner head. And a second potential difference detecting means for detecting the second potential difference V1b, wherein the second flame impedance between the first potential detecting means and the burner head monotonously increases when the flame is released from the burner head surface. It is.
[0018]
As described above, in the burner configuration in which the flame is formed in the vertical direction, the second flame impedance can operate stably with respect to silicon oxide adhesion and can accurately detect abnormal combustion such as oxygen deficient combustion. is there. In this configuration, since only one potential detecting means is required, the configuration can be simplified and the price can be reduced.
[0019]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as a prior art example, and description is abbreviate | omitted. Further, portions that are not essential requirements of the present invention such as the vaporizing cylinder 3 are omitted in the drawing.
[0020]
(Example 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a combustion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In general, when a mixed gas in which primary air equal to or less than the theoretical combustion air amount is mixed in advance with gaseous fuel is jetted from a plurality of flame holes 6 and burned, it is premixed with combustible gas in the immediate vicinity of the flame holes 6. Further, an inner flame 7a is formed by a combustion reaction with primary air, and an outer flame 7b is formed outside the inner flame 7a by a combustion reaction with secondary air from the surroundings. The inner flame 7a appears bright and shining, and the outer flame 7b becomes a nearly transparent combustion flame. The inner flame 7a and the outer flame 7b form the entire flame 7. Charged particles (ions and electrons) are present in the flame 7. One end of the electrode means 19 is in contact with charged particles generated by the flame 7, and the other end is connected to the burner head 6 via the voltage application means 11 and the current detection means 12. The flame 7 is composed of an inner flame 7a and an outer flame 7b, and there are many charged particles in the inner flame 7a, but charged particles are present in the outer flame 7b even if the density is low. When the number of charged particles is negligibly small, for example, when the flame 7 is not present, that is, in a state where combustion is stopped, a voltage of (10 to 20) V is applied by the voltage applying unit 11 to the electrode unit 19 and the burner head 2. Almost no current flows even when applied to. However, even if the electrode means 19 is arranged at a position several mm away from the inner flame 7a in the normal combustion state, a current of several μA or more flows when the voltage is applied. This indicates that charged particles are also present in the vicinity of the inner flame 7a and in the outer flame 7b. The current flowing between the electrode means 19 and the burner head 2 is detected by, for example, the current detection means 12 obtained from the voltage across the resistor having a constant resistance value. Of course, an ammeter may be used instead of the resistor.
[0021]
The first potential detection means 20 and the second potential detection means 21 are made of a highly heat-resistant metal body, and one end thereof is disposed at a position in contact with the charged particles. Similar to the electrode means 19, the first potential detection means 20 and the second potential detection means 21 are attached to a fixed base (not shown) via the insulating ceramic 8. When a current flows between the electrode means 19 and the burner head 2, there is a potential gradient between the two and the current flows spatially so that the equipotential surface of the charged particles has a current flow direction. Exists orthogonally to. There is an equipotential surface in contact with each of the first potential detection means 20 and the second potential detection means 21. Since the first potential detection means 20 and the second potential detection means 21 are conductive, these potentials are the same potential as the equipotential surface in contact. When silicon oxide is formed on the end surface of the electrode means 19 that comes into contact with the charged particles or on the surface of the burner head 2, the silicon oxide is insulative. Naturally it decreases. However, if normal combustion occurs even if the current decreases, there is a constant potential gradient corresponding to the current value between the electrode means 19 and the burner head 2, and there is also an equipotential surface. it is obvious.
[0022]
When various voltages are applied using the voltage applying means 11, the current flowing between the electrode means 19 and the burner head 2 (I _fr ) And the first potential difference (V ₁₂ ) And current (I _fr ), The first potential difference (V ₁₂ ), A straight line having a certain slope is obtained. The first flame impedance (R) between the equipotential surface in contact with the first potential detection means 20 and the equipotential surface in contact with the second potential detection means 21. _12s ) Is defined by this slope. This point will be described in detail with reference to FIG.
[0023]
When silicon oxide is formed on the surface of the burner head 2 or the surface of the electrode means 19, the current (I _fr ) Decreases and the first potential difference (V ₁₂ ) Also decreases as the current decreases, but the first flame impedance (R ₁₂ ) Is substantially constant, the combustion state can be detected stably against silicon oxide adhesion.
[0024]
Combustion in an oxygen-deficient state (oxygen-deficient combustion) is not preferable for health due to oxygen deficiency itself, and is different from normal combustion in that the flame 7 is released from the surface of the burner head 2 for combustion. For this reason, when the oxygen concentration falls below a certain level, measures such as stopping the combustion are required. The first flame impedance (R ₁₂ ), As the flame 7 is released from the surface of the burner head 2, that is, the oxygen concentration decreases and increases monotonously, it is possible to accurately detect oxygen deficient combustion.
[0025]
(Example 2)
Various burner configurations have been put to practical use. One of them is a burner configuration in which a flame holding plate is provided on the outer periphery of the burner head 2. The configuration of the present invention when this burner configuration is used is shown in FIG.
The burner head 2 is fixed to the support 23, and the flame holding plate 24 is also fixed to the support 23 on the outer peripheral portion of the burner head 2. The burner head 2, the support 23, and the flame holding plate 24 are usually made of a high heat resistant metal such as stainless steel. Therefore, these potentials are all the same potential. The flame holding plate 24 is provided to ensure a combustion amount over a wide range. The electrode means 19, the first potential detection means 20, the second potential detection means 21, the first potential difference detection means 22, the voltage application means 11 and the current detection means 12 are arranged in the same manner as in FIG.
[0026]
An oxygen deficient combustion experiment was conducted by burning the oil fan heater of this configuration in a closed small room. When the combustion amount is 2360 kcal / h, the volume is 9.95 m. ^Three When the combustion volume is 710 kcal / h in a small room with a ventilation rate of 0.12 times / h, the volume is 3.38 m ^Three Each small room with a ventilation rate of 0.12 times / h was used. As the combustion starts, the indoor oxygen concentration gradually decreases from the initial value of about 20.2%. In the former case, the oxygen concentration is about 16% after about 80 minutes, and in the latter case, the oxygen concentration is about 110 minutes. Each decreased to 16%. Oxygen concentration, current (I _fr ), First flame resistance (R ₁₂ ) Was measured.
[0027]
The oxygen concentration-current (I _fr ) Characteristics are shown in FIG. 3, and oxygen concentration-first flame resistance (R ₁₂ ) Characteristics are shown in FIG. As shown in FIG. 3, as the oxygen concentration decreases, the current (I _fr ) Also decreased. On the other hand, as shown in FIG. 4, the first flame resistance (R ₁₂ ) Showed a different tendency depending on the amount of combustion. That is, when the combustion amount is 710 kcal / h, the first flame resistance (R ₁₂ ) Increased monotonically with decreasing oxygen concentration. However, when the combustion amount is 2380 kcal / h, the first flame resistance (R ₁₂ ) Increased monotonically until the oxygen concentration dropped from 20.2% to about 17%, but decreased when the oxygen concentration fell below about 17%. Thus, the first flame resistance (R ₁₂ ) Indicates the maximum value, for example, the first flame resistance (R ₁₂ ) Has two oxygen concentrations corresponding to 25 kΩ, about 16.5% and about 17.4%. Thus, it is not preferable that the amount for detecting the oxygen deficiency state corresponds to a plurality of oxygen concentrations. This is because it is not possible to specify which oxygen concentration the oxygen deficient state at that time.
[0028]
1st flame resistance (R ₁₂ ) Shows the maximum value as follows. When the flame 7 was observed during these oxygen-deficient combustion experiments, it was observed that the flame 7 was released from the burner head 2 as the oxygen concentration decreased, and the length thereof also increased. When the combustion amount is 2380 kcal / h, the inner flame 7a is in contact with only the burner head 2 and not in contact with the flame holding plate 24 when the oxygen concentration is 20.2%. It stretched and contacted the flame holding plate 24 when the oxygen concentration was about 17%. However, when the combustion amount is 710 kcal / h, the inner flame 7a originally has a small flame volume, so even when the oxygen concentration decreased and the tip portion extended, the inner flame 7a did not reach the flame holding plate 24. Since the burner head 2, the support 23, and the flame holding plate 24 are made of a high heat-resistant metal, their potentials are the same. Therefore, the reason why the first flame resistance (R12) shows the maximum value when the oxygen concentration is about 17% is that the flame 7 is released from the burner head 2 and the potential of the burner head 2 is extended when the tip portion is extended. This is due to contact with the flame holding plate 24 having an equipotential surface equal to. When the flame 7 is released from the burner head 2, it is desirable that the flame 7 does not contact an equipotential surface equal to the potential of the burner head 2 except for the burner head 2. In this respect, the flame holding plate 24 such as quartz is insulated. It is preferable that it is a thing. This point will also be described in detail in Example 3.
[0029]
(Example 3)
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a combustion apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. A burner head 2 in which a flame 7 is formed in the vertical direction is used. A mixed gas of fuel and air is supplied from the lower surface of the burner head 2, and a flame 7 is formed on the surface of the burner head 2 in the vertical direction. The burner head 7 shown in FIGS. 1 and 2 has a plurality of flame holes 6 and a plurality of flames 7 are formed in the horizontal direction. However, the burner head 2 of this embodiment has a large number of small flame holes 6 ( (Not shown) are adjacent to each other, so there is substantially one flame hole and one flame 7. The electrode means 19, the first potential detection means 20, and the second potential detection means 21 are arranged at substantially the center of the burner head 2 and have the same action as in FIG. Further, the first potential difference detecting means 22, the voltage applying means 11, and the current detecting means 12 are the same as the configuration of FIG.
[0030]
The oil fan heater of this configuration is burned at a combustion amount of 2400 kcal / h, and a DC power source is used as the voltage application means 11 to maintain the DC power source voltage at various values, with no silicon oxide attached. , The voltage between the electrode means 19 and the burner head 2 (V _fr ), The current (I _fr ), First potential difference (V ₁₂ ) And the second potential difference (V _2b ) Was measured. First potential difference (V ₁₂ ) Was measured by short-circuiting the first potential detection means 19 and the second potential detection means 20 by a parallel connection circuit of a fixed resistor of 1 MΩ and a capacitor of 5 μF. The second potential detecting means 20 and the burner head 2 were also short-circuited by a parallel connection circuit of a 1 MΩ fixed resistor and a 5 μF capacitor. The first potential difference (V ₁₂ ) Is measured by measuring the voltage across the 1 MΩ fixed resistor of the parallel connection circuit, it is sufficient if the input impedance of the measuring device is 10 MΩ or more. Therefore, even a simple voltmeter such as a tester can be used for measurement. As a measuring instrument, for example, if a voltmeter having a high input impedance of 1000 MΩ or more is used like an electrometer, there is no problem even if it is 1 MΩ or more.
[0031]
The resulting I _fr -V ₁₂ The characteristics are shown in FIG. _fr -V _2b The characteristics are shown in FIG. In these figures, the characteristics in the burner configuration of FIG. 1 are also shown for comparison. The current (I _fr ) Is the voltage (V _fr ) Did not increase linearly. This is because the impedance between the electrode means 19 and the burner head 2 is not ohmic and the current (I _fr ) Indicates voltage dependency. On the other hand, as shown in FIGS. 6 and 7, the first potential difference (V ₁₂ ) And the second potential difference (V _2b ) Is the current (I _fr ) Increased almost linearly. First potential difference (V ₁₂ ) Is the potential difference between the equipotential surface in contact with the first potential detection means 19 and the equipotential surface in contact with the second potential detection means 20, as described above, the first potential difference (V ₁₂ ) Imply that the equipotential surface is almost ohmic. This means that the second potential difference (V _2b ) Is the same.
[0032]
The solid line shown in FIG. _fr -V ₁₂ For example, in the case of the configuration shown in FIG. ₁₂ = -0.177 + 0.0179 * I _fr It is. In the case of the configuration of FIG. 1 as well, a solid line obtained from the linear regression equation in the same manner is shown. The same applies to FIG. The linear regression equation in FIG. 6 is generally expressed by the following equation.
[0033]
V ₁₂ = V ₁₂₀ + R _12d * I _fr (1)
However, [V ₁₂ ] = [V ₁₂₀ ] = V, [R ₁₂ ] = MΩ, [I _fr ] = ΜA, V ₁₂₀ Is the first intercept potential difference, R _12d Is defined as the first flame impedance. First flame impedance (R _12d ) Corresponds to the flame impedance between the equipotential surface in contact with the first potential detection means 19 and the equipotential surface in contact with the second potential detection means 20.
[0034]
The linear regression equation of FIG. 7 is generally represented by the following equation, similarly to equation (1).
V _2b = V _2b0 + R _2bd * I _fr (2)
However, [V _2b ] = [V _2b0 ] = V, [R _2b ] = MΩ, [I _fr ] = ΜA, V _2b0 Is the first intercept potential difference, R _2bd Is defined as the second flame impedance. This second flame impedance (R _2bd ) Is provided with second potential difference detection means (not shown), so that the first flame impedance (R _12d As well as). As shown in FIG. 6, FIG. 7 or equation (1), I _fr -V ₁₂ Characteristics and I _fr -V _2b The characteristics are linear, but the straight line does not pass through the origin. Although the detailed cause is not clear, it is considered that the plasma potential of the combustion plasma is involved.
[0035]
As apparent from FIGS. 6 and 7, in the configuration of FIG. 5, that is, in the configuration in which the flame 7 is formed in the vertical direction, the first and second dynamic flame resistances (R _12d And R _2bd ) Both have a value three or more times larger than those of the configuration of FIG. The higher the dynamic flame resistance, the more current (I _fr ) In that the potential difference changes with respect to the change, in other words, the current (I _fr ) Is highly sensitive. Such a large dynamic flame resistance is a characteristic effect of the configuration of FIG.
[0036]
In the same manner as in FIGS. 3 and 4, an oxygen deficient combustion experiment was conducted by burning the oil fan heater of this configuration (FIG. 5) in a closed small room. Combustion volume is constant 2200kcal / h, volume 9.95m ^Three A small room with a ventilation rate of 0.12 times / h was used. As the combustion started, the indoor oxygen concentration gradually decreased from the initial value of about 20.2%, and after about 100 minutes, the oxygen concentration decreased to about 15%. Continuously over time, oxygen concentration, current (I _fr ), First flame resistance (R ₁₂ ) And second flame resistance (R) _2b ) Was measured.
[0037]
The current obtained by this measurement (I _fr ) And first flame resistance (R ₁₂ ) In FIG. 8 and the current (I _fr ) And second flame resistance (R) _2b ) Shows oxygen concentration dependency in FIG. As shown in FIG. _fr ) Decreased as the oxygen concentration decreased as in FIG. However, although the combustion amount 2200 kcal / h is similar to the case of FIG. 4 (2380 kcal / h), the first flame resistance (R ₁₂ ) Increased monotonously and greatly even when the oxygen concentration dropped to about 15%. Unlike the configuration of FIG. 2, the configuration of FIG. 5 does not require the flame holding plate 24, and therefore there is no equipotential surface equal to the potential of the burner head 2 in the outer peripheral portion of the burner head 2. . Therefore, even if the flame 7 is released from the burner head 2 with a decrease in oxygen concentration and the tip of the flame 7 extends, it cannot contact the equipotential surface equal to the potential of the burner head 2. For this purpose, the first flame resistance (R ₁₂ ) Is considered to have increased monotonically.
[0038]
As apparent from FIG. 9, the second flame resistance (R _2b ) Also the first flame resistance (R ₁₂ ). In addition, the current (I _fr ) Data is the same as that of FIG. In the configuration of FIG. 2, the second flame resistance (R _2b ), The same measurement as in FIG. 4 was performed. Second flame resistance (R _2b ), The first flame resistance (R ₁₂ ) Is considered to be dominated by the same phenomenon as in the case of.
[0039]
In this configuration, in addition to the first flame impedance, the second flame impedance can also be used. Both the first flame impedance and the second flame impedance can operate stably against silicon oxide adhesion, and can be accurately detected against abnormal combustion such as oxygen-deficient combustion. Therefore, by detecting combustion using both of these impedances, even if one of the impedances is an abnormal value, for example, when the impedance becomes zero due to disconnection, combustion detection can be performed with the remaining impedance, so the reliability of combustion detection Can be improved.
[0040]
Next, the stability with respect to silicon oxide adhesion of the structure of FIG. 5 is explained in full detail.
The first potential detection means 20 and the second potential detection means 21 are set to a combustion amount of 2200 kcal / h during the burning of kerosene to which 200 ppm (weight ratio) of silicone oil is added using the petroleum fan heater having the configuration of FIG. The first potential difference (V ₁₂ ), A second potential difference (V between the second potential detecting means 21 and the burner head 2). _2b ) And the current flowing at that time (I _fr ) Was measured with respect to the combustion time. The voltage of the voltage applying means 11 was set to DC 24V (constant).
[0041]
Here, as shown in the equation (3), the average flame impedance (R _fr ) Is defined.
[0042]
R _fr = V _fr / I _fr (3)
Average flame impedance (R _fr ), First flame impedance (R ₁₂ ) And second flame impedance (R _2b FIG. 10 shows the dependency of the ratio of each of the initial values on the elapsed firing time.
[0043]
As is apparent from FIG. 10, the average flame impedance (R _fr ) Increased to about twice the initial value after about 450 minutes due to the deposition of silicon oxide. This is the current (I _fr Is equivalent to about 1/2. On the other hand, the first flame impedance (R ₁₂ ) And second flame impedance (R _2b ) Both initially decreased by about 30%, but after the same elapsed time, it is an increase of about 20% or less with respect to the initial value, and it is clear that the operation can be stably performed against silicon oxide deposition. The stability against silicon oxide deposition is also confirmed in the configuration of FIG. First flame impedance (R ₁₂ ) Showed the same stability as in FIG. 10, but the second flame impedance (R _2b ) Showed increased results with silicon oxide deposition. The second flame impedance (R) in the burner configuration of FIGS. _2b The difference in stability against silicon oxide deposition is not known in detail, but in the case of the configuration of FIG. _fr ) Is considered to be caused by a large effective burner surface area. Thus, the second flame impedance (R _2b ) Is stable against silicon oxide deposition is a unique effect in the burner configuration of FIG.
[0044]
The second flame impedance (R _2b 5 shows that even if there is only one potential detecting means in the configuration of FIG. 5, it can operate stably against silicon oxide deposition and can accurately cope with oxygen deficient combustion. That is, in the configuration of FIG. 5, the two potential detection means of the first potential detection means 20 and the second potential detection means 21 are used. However, the first potential detection means 20 using only the first potential detection means 20. 20 and the second potential difference (V _1b ) To detect the second flame impedance (R) obtained according to the equation (2). _1bd ) Only, it can operate stably against silicon oxide adhesion, and can accurately cope with oxygen deficient combustion. This second flame impedance (R _1bd ) And the second flame impedance (R _2bd ) Is completely equivalent. In this case, since the configuration is simple, the price can be reduced.
[0045]
In addition, although the shape of the electrode means 19, the 1st electric potential detection means 20, and the 2nd electric potential detection means 21 was shown in the figure in the shape of a line | wire or a rod, for example, it curves, such as U shape and L shape, as needed. Obviously, it may be.
[0046]
Further, although the combustion has been described with respect to the combustion using the liquid fuel replenished from the fuel tank, it is obvious that the combustion may be performed using the gaseous fuel.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the combustion apparatus of the present invention, the following effects can be obtained.
[0048]
(1) Since the first flame impedance between the equipotential surfaces contacting the first potential detection means and the second potential detection means is used, and the first flame impedance increases monotonically as the flame is released from the burner head. The combustion state can be detected regardless of whether or not silicon oxide adheres to the electrode means surface or the vanahead surface, that is, regardless of the magnitude of the current, and it is possible to accurately cope with oxygen deficient combustion.
[0049]
(2) When the flame is released from the burner head due to oxygen deficient combustion, etc., the flame does not come into contact with the equipotential surface equal to the burner head potential, so the first flame impedance increases monotonically as the flame is released from the burner head. To do. Therefore, it is possible to accurately cope with oxygen deficient combustion.
[0050]
(3) Further, in the burner configuration in which the flame holding plate is arranged on the outer peripheral portion of the burner head, since the flame holding plate is made of an insulator, the first flame impedance is monotonously as the flame is released from the burner head. To increase. Accordingly, it is possible to accurately cope with oxygen deficient combustion.
[0051]
(4) Further, since the flame is configured in a vertical direction so that a flame holding plate is not required, even if the burner head and the support for fixing the burner head are made of a high heat-resistant metal, oxygen deficiency is required. Even if the flame is released from the burner surface during abnormal combustion such as during combustion, the flame does not come into contact with the equipotential surface equal to the burner head potential other than the burner head. Accordingly, the flame impedance increases monotonously with a decrease in oxygen concentration, and oxygen deficient combustion can be accurately detected. Furthermore, with this burner configuration, a unique effect is obtained in that both the first flame impedance and the second flame impedance are large.
[0052]
(5) Further, in the burner configuration in which the flame is formed in the vertical direction, the second potential difference detecting means for detecting the second potential difference V2b between the second potential detecting means and the burner head is provided, and the second potential detecting means and the burner are provided. Since the second flame impedance between the heads can also be used, the second flame impedance can be used in addition to the first flame impedance. Both the first flame impedance and the second flame impedance can operate stably against silicon oxide adhesion, and can be accurately detected against abnormal combustion such as oxygen-deficient combustion. Therefore, by detecting combustion using both of these impedances, even if one of the impedances is an abnormal value, for example, when the impedance becomes zero due to disconnection, combustion detection can be performed with the remaining impedance, so the reliability of combustion detection Can be improved. It is a unique effect of this burner configuration that the second flame impedance can also operate stably against silicon oxide deposition.
[0053]
(6) Further, the second flame impedance (R _2bd The second flame impedance (R _1bd ) Can be used, so that the configuration can be simplified and the price can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of a combustion apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of main parts of a combustion apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Fig. 3] I in the combustion apparatus _fr -Oxygen concentration characteristics
FIG. 4 shows R in the combustion apparatus. _12d -Oxygen concentration characteristics
FIG. 5 is a configuration diagram of a combustion apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows V in the combustion apparatus. ₁₂ -I _fr Characteristics chart
7 shows V in Example 3. FIG. _2b -I _fr Characteristics chart
FIG. 8 shows R in the combustion apparatus. _12d -Oxygen concentration characteristics
FIG. 9 shows R in the combustion apparatus. _2bd -Oxygen concentration characteristics
FIG. 10 is a graph showing a change in elapsed time with respect to an initial value in a 200 ppm silicone oil-added kerosene combustion flame when the combustion apparatus is used.
FIG. 11 is a sectional view of a main part of a conventional combustion apparatus.
FIG. 12A is a main part configuration diagram of a conventional combustion apparatus.
(B) Main part configuration diagram of a conventional combustion apparatus
[Explanation of symbols]
2 Burner head
7 flame
11 Voltage application means
12 Current detection means
19 Electrode means
20 First potential detection means
21 Second potential detection means
22 First potential difference detection means
23 Support
24 Flame holding plate

Claims

A burner head for burning fuel; electrode means for contacting charged particles generated by a flame; voltage applying means for applying a voltage between the burner head and the electrode means; and between the burner head and the electrode means. Current detection means for detecting a flowing current; first potential detection means for detecting a potential of a charged particle between the electrode means and the burner head; second potential detection means for detecting a potential different from the potential; First potential difference detecting means for detecting a first potential difference V12 between the first potential detecting means and the second potential detecting means, and as the flame is released from the burner head surface, the first potential detecting means and the first potential difference detecting means A combustion apparatus in which the first flame impedance between the second potential detecting means monotonously increases.

The combustion apparatus according to claim 1, wherein when the flame is released from the burner head surface, the flame does not contact an equipotential surface equal to the burner head potential except for the burner head.

The combustion apparatus according to claim 2, wherein the flame holding plate is an insulator.

The combustion apparatus according to claim 1, wherein the flame is formed in a vertical direction.

5. A second potential difference detecting means for detecting a second potential difference V2b between the second potential detecting means and the burner head is provided, and the second flame impedance between the second potential detecting means and the burner head monotonously increases. Combustion equipment.

A burner head for burning fuel; a flame formed in a vertical direction; an electrode means for contacting charged particles generated by the flame; a voltage applying means for applying a voltage between the burner head and the electrode means; A current detection means for detecting a current flowing between the burner head and the electrode means; a first potential detection means for detecting a potential of a charged particle between the electrode means and the burner head; and the first potential detection means; Second potential difference detecting means for detecting a second potential difference V1b between the burner heads, and a second flame impedance between the first potential detecting means and the burner head as the flame is released from the burner head surface. A combustion device that increases monotonously.