JP3862425B2 - 火炎状態検出方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯器、ボイラー等の火炎を形成しながら燃焼する燃焼機器に於ける燃焼異常の検出技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
給湯器などのバーナーでは、負荷に応じて燃焼量を変化させるが、このとき燃焼量に応じて、その空気比を適切に設定するため、適切な割合の空気を供給する必要がある。このために、従来技術にあっては、予め、燃焼量に応じた空気量を設定しておき、負荷に応じて燃焼量、空気量を制御する手法が用いられている。
このような燃焼機器の燃焼にあって、これらの異常状態としては、燃焼機器から発生するＣＯの発生量が増加する不完全燃焼状態を挙げることができる。
さらに、例えば、湯沸器等の燃焼機器にあっては、図２に示すように、ほぼ同一形状・構成のバーナを所定のバーナ並設方向に並設した構成のものが採用されている。そして、このような燃焼機器の異常状態としては、例えば、単一のバーナに障害となる物質が詰まった状態となり、このバーナから火炎長の長い赤火が延びている状態が発生することがある。この状態は、部分不完全燃焼状態と呼ばれている。このような赤火燃焼状態は、燃焼に伴うすすの発生が多量であり、排気路を閉塞する方向に系を進めることとなるため、この異常状態を検知して、善処する必要がある。
さて、光学的手法を用いて燃焼制御、空気比制御を実行する手法としては、特開昭５９−３５７１８のカラーセンサを使用した技術を挙げることができる。これは、火炎の色が、空気量と関係することを利用して、燃焼制御、空気比制御をおこなうものである。この例の場合は、所謂、火炎の中心に、光センサの監視域を設定し、波長領域４００〜７００ｎｍ程度の範囲の光を監視する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
さて、燃焼状態にあって、燃焼が青火として起こる状態と、赤火として起こる状態とにあっては、両状態に於ける火炎の火炎長は格段に相異する（図２参照）。しかしながら、このような火炎の特性（火炎長が変化するという特性）に基づいて、燃焼状態の異常を検出しようとする技術は、これまで知られていない。
一方、カラーセンサを用いて火炎のほぼ中心から発生する光信号におけるスペクトルの変化状況を検出しようとすると、光信号が常に存在する状態における解析となるため、信号の有無の確認が容易ではなく、周波数に依存したスペクトル強度の変化を見る必要があるため、検出・判別系の構成が複雑になるとともに、実用域に達するまでには、解決すべき問題が残る。
従って、本発明の目的は、従来行われてきた技術とは異なり、合理・簡便な方法・装置で、燃焼装置で発生している火炎の状況を判別できる技術を得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による燃焼装置に形成される火炎から発生する光信号を検出して火炎の状態を検出する火炎状態検出方法の特徴手段は、前記燃焼装置において火炎が青火状態で燃焼する青火炎形成領域より火炎形成方向下手側の領域で、火炎が赤火状態で燃焼する赤火炎形成領域内に、センサ検知領域を有する光センサからの光センサ出力を得て、前記光センサ出力により火炎の状態を検出することにある。
この方法が対象とする燃焼の異常とは、主に、赤火を形成しながら燃焼が起こっている場合に対応する。先にも説明したように、青火燃焼と赤火燃焼状態にあっては火炎長が異なるため、青火炎形成領域より火炎形成方向下手側の領域で、火炎が赤火状態で燃焼する赤火炎形成領域内で、光信号を検出することで、異常を検出することができる。即ち、青火燃焼状態では、光センサ出力がほとんど無い状態となり、赤火で燃焼する異常状態で始めて、大きな光センサ出力が検知できるため、異常の識別検知が、容易・確実となる。
【０００５】
さらに、前記燃焼装置が、所定のバーナ並設方向に、複数の燃焼用バーナを並設して備えたものである場合に、前記並設方向にセンサ検知領域が広がる前記光センサを使用し、前記光センサからの出力値が、所定の第１判定値よりも大きい場合に、いずれかの燃焼用バーナが赤火燃焼状態にある部分異常状態にあると判断する。
従来、このような部分不完全燃焼状態を、ＣＯ濃度等に基づいて検出することはむずかしかったが、不完全燃焼を起こしているバーナの火炎形成方向下流側のみにおいて、比較的長い火炎長の火炎を、確実に検知して、部分異常燃焼状態を捕捉することができる。
【０００６】
さらに、先に説明した赤火判定用の第１判定値を備え、赤火発生の判断をおこなう方法にあって、この第１判定値よりも小さい第２判定値を備え、光センサ出力が所定の第２判定値よりも大きく、第１判定値よりも小さい場合に、燃焼装置が青火を形成しながら燃焼している状態にあるが、発生するＣＯの量が多い、青火不完全燃焼状態にあると判断する構成とすることが好ましい。
今日の燃焼装置の燃焼可動状態にあっては、燃焼炎が赤火である場合は、異常な状態であって、このような異常状態は、一般に好ましくないと判断されるＣＯガス発生状態とは、別個の原因で発生することがある。即ち、燃焼装置にあっては、経時的な使用に伴って排気側・給気側の閉塞等により、この状況が発生したりするが、これは、ＣＯガス発生量の微増を発生するに過ぎない。
一方、個別のバーナの閉塞状態が進むと、このバーナの於ける燃焼炎のみが、空気比の制御に伴って、突如赤火となる。このような場合は、光センサ出力は、後にも示すように、急激に変化する。従って、上記のような二つの判定値を備えることにより、燃焼装置の状況を的確に把握できる。
【０００７】
このような検出に使用する光信号の波長領域としては、６００ｎｍ〜１０００ｎｍ（さらに好ましくは７００ｎｍ〜１０００ｎｍ）の周波数範囲が、赤火燃焼時に強い発光を生じるという理由から好ましい。
【０００８】
これまで説明してきた手法を使用する火炎状態検出装置は、以下のように構成することとなる。
即ち、燃焼装置に形成される火炎から発生する光信号を検出して火炎の状態を検出する火炎状態検出装置を構成するに、
前記燃焼装置において火炎が青火状態で燃焼する青火炎形成領域より火炎形成方向下手側の領域で、火炎が赤火状態で燃焼する赤火炎形成領域内に、センサ検知領域を有する光センサを備え、この光センサからの光センサ出力により、燃焼状態を判断する判断手段を備え、前記燃焼装置が、所定のバーナ並設方向に、複数の燃焼用バーナを並設して備えたものである場合に、前記並設方向にセンサ検知領域が広がる前記光センサを使用し、前記光センサからの出力が、所定の第１判定値よりも大きい場合に、前記判断手段が、いずれかの前記燃焼用バーナが赤火燃焼状態にある部分異常状態にあると判断する。
このように構成することで、これまで説明してきた手法に従って、火炎の状態を判断できる。
【０００９】
さらに、前記判断手段が、前記第１判定値よりも小さい第２判定値を有し、前記光センサ出力が所定の第２判定値よりも大きく、第１判定値よりも小さい場合に、前記燃焼装置が青火を形成しながら燃焼している状態にあるが、発生するＣＯの量が多い、青火不完全燃焼状態にあると判断することが好ましい。
このような大小二つの判定基準値を設定することで、同じく、異常域にあると考えてよい燃焼にあって、赤火燃焼領域、部分赤火燃焼領域と、青火不完全燃焼領域とを、区別して判別することができる。
このように装置を構成する場合にあっても、光センサ出力の波長としては、領域波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ（さらに好ましくは波長７００〜１０００ｎｍ）にあるものを使用することが、赤火燃焼時に強い発光を生じるという理由から好ましい。
上記装置の構成の場合は、光センサ信号強度と、判定値との大小比較となるため、センサを複数個、備える必要は必ずしもなく、装置系は極端に簡便となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本願の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本願の火炎状態検出装置を採用している燃焼機器の一例である給湯器１が示されている。
給湯器１は、燃焼室を形成する給湯器本体２と、前記給湯器本体２の下部位置である燃焼用空気吸引部７近傍に備えられる燃焼装置４と、この燃焼装置４の下流側（図１の上側）に備えられる熱交換器５とを備えて構成されている。
前記燃焼装置４には燃料供給路６を介して燃料ガスが供給されるとともに、燃焼装置４の近傍所定部位に設けられている燃焼用空気吸引部７より、二次空気が吸引されて、燃焼の用に供される。前記供給路６には、この供給路６を介して供給される燃料ガスの供給量、及び、これに混合される一次空気量（これは一次空気供給路３より供給される）を調整するための調整弁８が備えられており、この調整弁８は、燃焼制御指令生成手段９で生成される燃焼制御指令に基づいて、その弁開度が調整される。この弁開度の調整により、結果的に、燃焼装置４に供給される燃料ガス量及び吸引される空気量が調整され、燃焼状態が調整される。
【００１１】
この燃焼装置４は、図１の紙面左右方向であるバーナ並設方向においては、ほぼ同一構造の複数の燃焼用バーナ４０を並設して備えている。従って、バーナの炎口は紙面表裏方向に延びている。燃焼装置４にあっては、図１の紙面表裏方向において連続した火炎を形成する構造とされているとともに、左右方向において、分割された複数の火炎を形成するように構成されている。
前記熱交換器５には、給水路１０を介して水が供給され、燃焼装置４の燃焼により発生する熱を吸収して、湯を生成する。
【００１２】
以上が、給湯器１の基本的な構造であるが、正常燃焼状態にあっては、燃焼装置４に形成される火炎（正常燃焼状態にある青火）の到達位置（ここで、火炎が形成されている領域を青火炎形成領域と呼ぶ）は、Ａで示す領域となっている。
【００１３】
さて、以下に、本願の特徴構成に関して説明する。
図１に示すように、熱交換器（被加熱器の一例）５の直上流側で、前記青火炎形成領域Ａよりも下流側の位置Ｂ（この位置は、通常の青火燃焼状態にあっては火炎の終端位置が実質上到達しない位置であり、火炎が赤火となって始めて到達する位置）の側方に、光センサ１１が備えられている。この光センサ１１の監視位置Ｂでは、青火燃焼状態にあって、目視している限りにおいて火炎を認めることができない。図面では、説明を容易にするため、青火の先端位置に光センサの検知領域を位置させているが、実質的には、青火はこの位置より下側で終焉している。
この光センサ１１は、実質上火炎から放射される波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍの光信号強度を測定するものであり、具体的には、Ｓｉを受光素子として備えたフォトダイオード型の光センサである。光センサ１１の検知領域は、図１の上下方向である火炎形成方向に対して一点鎖線のように直交しており、燃焼用バーナの並設方向にも広がっている。
さらに、燃焼装置には、前述の光センサ１１によって測定される光信号強度を入力とし、燃焼制御指令を生成する燃焼制御指令生成手段９を備えたマイクロコンピュータ１２が備えられている。従って、本願においては、この燃焼制御指令生成手段９により生成される制御指令を調整弁８が受けて動作する。
さらに、上記のマイクロコンピュータ１２には、前記光センサ１１からの光センサ出力が、所定の第１判定値よりも大きい場合に、燃焼が赤火で発生する赤火不完全燃焼状態にあると判断する判断手段１３が備えられている。ここで、第１判定値とは、図５を参照して説明すると、０．１Ｖ程度である。
さらに、この判断手段１３は、前記第１判定値よりも小さい第２判定値を有し、光センサ出力が所定の第２判定値よりも大きく、第１判定値よりも小さい場合に、燃焼装置が青火を形成しながら燃焼している状態にあるが、発生するＣＯの量が多い、青火不完全燃焼状態にあると判断する構成とされている。ここで、第２判定値とは、同様に図５を参照して説明すると、０．００５Ｖ程度である。
従って、この判断手段１３は、燃焼状態が、赤火燃焼状態にあるか、青火燃焼状態にあるが、ＣＯの発生が多い状態にあるかを、択一的に判定することができる。
この判断手段１３による判定結果は、出力手段１４を介して出力されるように構成されている。
【００１４】
以下、先に説明した判断手段１３の働きに関して説明する。
説明にあたっては、燃焼状態として、図２（イ）に示す燃焼バーナのうちの一部のバーナが部分的な閉塞状態にあり、このバーナから赤火が発生している状態を部分赤火燃焼状態（部分不完全燃焼状態）と称し、図２（ロ）に示すように全ての燃焼バーナが青火で燃焼している状態を、全体青火燃焼状態（正常燃焼状態及び全体不完全燃焼状態）と称する。
さて、このような燃焼パターンの分類分けをおこなった場合における、部分不完全燃焼状態の光センサ出力のスペクトルを図３に、全体青火燃焼状態における図４に示した。これらの図面の縦軸はカウント数を示し、カウント数が大きい程スペクトル強度が高い。
これらの図面において、空気比λ（実供給空気量／理論空気量）が、変更されている。
部分不完全燃焼状態に対応する図３に関して説明すると、光センサ出力は、波長４５０ｎｍ程度の部分から波長の増加に従って、指数的に増加している。特にに、６００ｎｍ以上（７００ｎｍ以上）の波長域で、増加傾向が顕著である。即ち、本願のように、青火燃焼状態域よりも下流側の位置に、検出域を有する光センサで、例えば６００ｎｍ以上の波長域の光信号を検出することにより、部分赤火燃焼状態（部分不完全燃焼状態）を識別性よく、検出できることが判る。
全体青火燃焼状態（正常燃焼状態及び全体不完全燃焼状態）に対応する図４に関して説明すると、先ず、図３と比較して、有意な信号強度を有する信号域が、ほぼ波長７００ｎｍ以上の領域に限られるとともに、図３のものと比較して、全体に信号強度が低いことが判る。従って、青火燃焼状態と、赤火燃焼とにおいて４は、後に示す図５での比較からも判明するように、本願の方法において識別関知が可能となる。
【００１５】
次に、図５に、燃焼状態に対応した、光センサ出力（Ｖ）とＣＯ発生量（ｐｐｍ）及び空気比との関係を示した。
同図において、図上右側にいくほど、不完全燃焼の程度が高い（空気比は低い）状態に対応している。さらに、各符号の記載の部分において、部分不完全とは、これまで説明してきたように一部のバーナが赤火燃焼を起こしている場合に対応し、全体不完全とは、全てのバーナが青火で燃焼しているが、ＣＯ発生量が多くなっている状態に対応している。
さらに、部分不完全の部位において、括弧内に、前１、前２、奥１、奥２と記載したのは、光センサから見て、赤火燃焼を起こしているバーナが、手前側にあるか（前と記載）、奥側にあるか（奥と記載）を示す。即ち、例えば、「前２」とは、光センサに対して図２で、手前側にある２番目のバーナが、何らかの理由で赤火燃焼を起こしている状況に対応している。さらに、「大」「小」とは、燃焼量の大小（具体的には５００Ｋｃａｌと４０００Ｋｃａｌ）を示している。
以下、図５に基づいて、光センサ出力と、燃焼状態との関係を説明すると、同図に示す正常燃焼領域にあっては、出力値は小さい。しかしながら、燃焼状態が例えば空気比が小さい状態となりＣＯの発生量が増加した場合にあっても、光センサ出力は、微増傾向を示すにすぎない。
一方、一部の燃焼バーナが異常となり、赤火燃焼となる場合にあっては、一気に所定の値（同図の場合は電圧１Ｖ程度まで）まで光センサ出力が階段的に増加する。この要因は、光センサの検出域の設定と、その検出波長との関係によるものと考えられる。
従って、図５に示すように、本願方法を採用する場合は、第１判定値を設定して、青火燃焼と赤火燃焼とを判別することが可能であるとともに、第２判定値を設定して、同じく青火燃焼状態にあっても、ＣＯ発生量が多い状態を判別することができる。
【００１６】
〔別実施の形態例〕
上記の実施の形態例では、光センサとして、素子材料として、Ｓｉを主要な材料とする受光素子を示したが、このような材料としては、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ等も利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願の燃焼機器の構成を示す図
【図２】 赤火燃焼の検出原理を示す模式図
【図３】 部分不完全燃焼時の光センサ出力の変化状態を示すスペクトル図
【図４】 全体不完全燃焼時の光センサ出力の変化状態を示すスペクトル図
【図５】 正常燃焼領域、全体不完全燃焼領域、部分不完全燃焼領域における光センサ出力の差を示す図
【符号の説明】
４ 燃焼装置
１１ 光センサ
１３ 判断手段
１４ 出力手段
４０ 燃焼バーナ

Claims (6)

1. 燃焼装置に形成される火炎から発生する光信号を検出して火炎の状態を検出する火炎状態検出方法であって、
   前記燃焼装置において火炎が青火状態で燃焼する青火炎形成領域より火炎形成方向下手側の領域で、火炎が赤火状態で燃焼する赤火炎形成領域内に、センサ検知領域を有する光センサからの光センサ出力を得て、前記光センサ出力により火炎の状態を検出するにあたり、
   前記燃焼装置が、所定のバーナ並設方向に、複数の燃焼用バーナを並設して備えたものである場合に、
   前記並設方向にセンサ検知領域が広がる前記光センサを使用し、前記光センサからの出力が、所定の第１判定値よりも大きい場合に、いずれかの前記燃焼用バーナが赤火燃焼状態にある部分異常状態にあると判断する火炎状態検出方法。
2. 前記第１判定値よりも小さい第２判定値を備え、前記光センサ出力が所定の第２判定値よりも大きく、第１判定値よりも小さい場合に、前記燃焼装置が青火を形成しながら燃焼している状態にあるが、発生するＣＯの量が多い、青火不完全燃焼状態にあると判断する請求項１に記載の火炎状態検出方法。
3. 前記火炎から放射される波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍの光信号強度を測定する請求項１又は２に記載の火炎状態検出方法。
4. 燃焼装置に形成される火炎から発生する光信号を検出して火炎の状態を検出する火炎状態検出装置であって、
   前記燃焼装置において火炎が青火状態で燃焼する青火炎形成領域より火炎形成方向下手側の領域で、火炎が赤火状態で燃焼する赤火炎形成領域内に、センサ検知領域を有する光センサを備え、前記光センサからの光センサ出力により、燃焼状態を判断する判断手段を備え、
   前記燃焼装置が、所定のバーナ並設方向に、複数の燃焼用バーナを並設して備えたものである場合に、
   前記並設方向にセンサ検知領域が広がる前記光センサを使用し、前記光センサからの光センサ出力が、所定の第１判定値よりも大きい場合に、前記判断手段が、いずれかの前記燃焼用バーナが赤火燃焼状態にある部分異常状態にあると判断する火炎状態検出装置。
5. 前記判断手段が、前記第１判定値よりも小さい第２判定値を有し、前記光センサ出力が所定の第２判定値よりも大きく、第１判定値よりも小さい場合に、前記燃焼装置が青火を形成しながら燃焼している状態にあるが、発生するＣＯの量が多い、青火不完全燃焼状態にあると判断する請求項４に記載の火炎状態検出装置。
6. 前記光センサが、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅの何れか一種以上を受光素子材料として備えた光センサである請求項４又は５に記載の火炎状態検出装置

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