【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明は、青炎式燃焼器において、その炎の色
から空気中の酸素濃度を検知し、酸欠状態を未然
に防止するための装置に関する。
燃焼器具を密閉度の高い部屋で燃焼させた場合
時間経過と共に酸素濃度は減少し、さらに酸素不
足の状態に陥いると、燃焼器具は不完全燃焼を起
し、排ガス中には不燃ガスや一酸化炭素が増加し
てくるために生理上有害となり、時には死亡につ
ながる危険な雰囲気をかもし出していた。
現在、その検知手段として半導体（金属酸化
物）や接触燃焼式等が提案されているが、これら
はいずれも高濃度ガス（対称：可逆性ガス、CO）
であることが前提であり、又低濃度ガス検知では
二次的な要因（タバコの煙、アルコール、湿度、
電圧変化）等によつて、誤動作を起しやすい欠点
があつた。又、これらを燃焼器の換気センサとし
て用いるには、低濃度域での精度が得られにくい
等の問題があつた。その他フレームロツドは強燃
焼では酸素不足になるとソフト炎によつて自動消
火は可能であるが弱燃焼でのその作動は不完全で
あつた。
これに対して、換気を必要とする室内酸素濃度
となつた場合には、青炎（燃焼炎）から発生する
光の波長が大幅に変化し、受光素子の出力に変換
した場合正常燃焼時に比して明瞭なる変化を読み
取ることができる。
本発明はこのような事実に基づきなされたもの
である。以下本考案を灯油気化式燃焼器に実施し
た場合について図面を参照して説明する。
第１図は気化式燃焼器の正面図であつて、１は
油タンク２を１側に備えた燃焼器本体である。３
は油タンク２と連通した気化器で液体灯油を気化
ガスに変換する。４はこの気化ガスを燃焼させる
ブンゼン式のバーナで、当該気化ガスはここで環
元炎５、酸化炎６からなる青炎として燃焼する。
７はバーナ４を囲繞する如く設けられた炉で上方
に排気口８を有する。この排気口８からの熱気９
は本体１内の後部に設けられたフアン（図示せ
ず）で温風として本体１前面に送風される。１０
は上記炉７の酸化炎６に対応した位置に穿設され
た透視窓で、その外周部には断熱材１１を介して
〓字状の素子取付アングル１２がビス１３でもつ
て締着されている。１４は上記アングル１２に挿
通固定された保護管でその一端に光電変換素子
（受光素子という）１５が設けられている。この
保護管１４は素子１５の保護と同時にその性能を
向上させるため外部からの光をしや断する役目も
兼ねている。１６は素子１５のリード線である。
なお素子１５の取り付け位置（Ｘ…高さ）はバー
ナ面上から10〜50mmの適当な位置にするが、青炎
との関係で最適位置を選べばよい。
次にその動作について説明する。
今、密度で酸素リツチな状態から燃焼を開始す
ると、バーナの燃焼炎は還元炎と酸化炎を形成し
青炎で完全燃焼する。しかし時間経過と共に酸素
不足になれば還元炎５は伸炎となり、従来の酸化
炎６の青炎は赤火のきざしをみせてくる。例えば
酸素量と燃焼炎との関係は下表のようになる。即
ち酸素濃度18％以下になれば酸化炎６は、ほぼ完
全に赤炎となつて酸素不足の兆候をみせる。この
時点より不燃ガス量や一酸化炭素が多くなる。
The present invention relates to a device for detecting the oxygen concentration in the air from the color of the flame in a blue flame type combustor and preventing an oxygen deficiency state from occurring. When a combustion appliance is burned in a tightly closed room, the oxygen concentration decreases over time, and if oxygen becomes insufficient, the combustion appliance will undergo incomplete combustion, and the exhaust gas will contain incombustible gas and other gases. The increase in carbon oxide created a dangerous atmosphere that was physiologically harmful and could even lead to death. Currently, semiconductors (metal oxides) and catalytic combustion methods have been proposed as detection means, but these all use highly concentrated gases (symmetrical: reversible gas, CO).
In addition, in low concentration gas detection, secondary factors (cigarette smoke, alcohol, humidity,
It had the disadvantage of being prone to malfunction due to changes in voltage (voltage changes), etc. Furthermore, when using these as ventilation sensors for combustors, there are problems such as difficulty in obtaining accuracy in low concentration ranges. Other flame rods are capable of automatically extinguishing fires with soft flames when there is a lack of oxygen in strong combustion, but this function is incomplete in weak combustion. On the other hand, when the indoor oxygen concentration reaches a level that requires ventilation, the wavelength of the light emitted from the blue flame (combustion flame) changes significantly, and when converted to the output of the light receiving element, it is compared to normal combustion. You can clearly read the changes. The present invention has been made based on these facts. Hereinafter, a case where the present invention is implemented in a kerosene vaporizing type combustor will be explained with reference to the drawings. FIG. 1 is a front view of a vaporization type combustor, and 1 is a combustor main body equipped with an oil tank 2 on one side. 3
Converts liquid kerosene into vaporized gas using a vaporizer connected to the oil tank 2. Reference numeral 4 denotes a Bunsen-type burner that burns this vaporized gas, where the vaporized gas is burned as a blue flame consisting of an oxidation flame 5 and an oxidation flame 6.
A furnace 7 is provided to surround the burner 4 and has an exhaust port 8 above. Hot air 9 from this exhaust port 8
is blown to the front of the main body 1 as warm air by a fan (not shown) provided at the rear of the main body 1. 10
is a see-through window drilled at a position corresponding to the oxidizing flame 6 of the furnace 7, and a square-shaped element mounting angle 12 is fastened with screws 13 to the outer periphery of the window through a heat insulating material 11. . Reference numeral 14 denotes a protective tube that is inserted through and fixed to the angle 12, and a photoelectric conversion element (referred to as a light receiving element) 15 is provided at one end of the protective tube. This protective tube 14 serves to protect the element 15 and also to block light from the outside in order to improve its performance. 16 is a lead wire of the element 15.
The mounting position (X...height) of the element 15 is set at an appropriate position of 10 to 50 mm from the burner surface, but the optimum position may be selected in relation to the blue flame. Next, its operation will be explained. Now, when combustion starts from a dense and oxygen-rich state, the combustion flame of the burner forms a reducing flame and an oxidizing flame, and complete combustion occurs with a blue flame. However, as time passes and oxygen becomes insufficient, the reducing flame 5 becomes an elongated flame, and the blue flame of the conventional oxidizing flame 6 begins to show signs of red flame. For example, the relationship between oxygen content and combustion flame is shown in the table below. That is, when the oxygen concentration falls below 18%, the oxidation flame 6 becomes almost completely red flame, showing signs of oxygen deficiency. From this point on, the amount of nonflammable gas and carbon monoxide increases.
【表】
以上のような酸素濃度と燃焼炎との関係がある
がこれを一個の光起電力型変換素子を使つた場合
の酸素濃度と燃焼炎波長変化による該素子の出力
との関係とした場合について第２図ａ，ｃに示
す。この図よりO2濃度21〜19％範囲の燃焼にお
いては出力はほぼ横ばいあるがO2濃度19％以下
の燃焼（前述のように酸化炎の青炎が赤炎とな
る）ではこれに対応して出力は急速に下降してく
る。
一方換気基準の設定については規定はないが、
その基準を
生理有害度からみた酸素濃度の必要な最小限
度は17〜19％であること。
酸素欠乏防止規則から酸欠基準は18％未満で
あること。
上述の酸素濃度と燃焼状態との兼合い。
環境基準から見たCO許容濃度は50ppmであ
るが燃焼時のO2濃度が19％の時の室内CO濃度
は20ppm前後に対応する。
等から判断して少なくとも室内O2濃度が19％以
上で換気すれば問題はない。従つて青炎の波長変
化を受光素子１５の出力として捕えると、室内酸
素濃度が容易に検知できることになる。
しかしながら、上記受光素子１５は第２図ｃに
示したように酸素濃度が19％以上でもその出力が
大きく変化することがあり、この出力を利用する
と動作が不安定であるという欠点がある。
本発明はこのような欠点を除去するため、波長
感度の異なるホトダイオード（受光素子）を同一
チツプ上に設けた半導体色センサ（以下色センサ
という）を用いて燃焼炎の波長変化を検知するよ
うにしたものである。
上記色センサの構造及び等価回路を第３図ａ，
ｂに示す。Ｐ層１７とＮ層１８とのPN接合によ
るホトダイオードPD１は短波長感度が大であり、
Ｐ層１９とＮ層１８とのPN接合によるホトダイ
オードPD２は長波長感度が大である。なお、２
０は絶縁膜、２１はＰ層１７に設けられた電極、
２２はＮ層１８に設けられた電極、２３はＰ層１
９に設けられた電極である。上記両ホトダイオー
ドPD１，PD２の短絡電流比ISC2／ISC1と受光波長
λとは第４図に示す如く、１：１の対応関係を有
している。従つて、逆に、両ダイオードPD１，
PD２の短絡電流比が判れば、受光した波長すな
わち色を識別することができるはずである。しか
しながらこの色センサは単一波長に対しては識別
が正確であつても、燃焼炎のように複数種類の波
長を放射しているものをどのように識別するかに
ついては判然としていない。そこで酸素濃度と、
この時の燃焼炎の色に対する短絡電流比との関係
を実験により調べた処第２図ｂの如く、酸素濃度
が19％まではその短絡電流比がほぼ一定で、それ
以下の酸素濃度になると、当該電流比が急速に下
降していることがわかつた。この変化は受光素子
１５の出力変化とほぼ変らないため、酸欠状態の
判定素子として、上記色センサを用いることが可
能であることが判明した。
以下、受光素子１５の代りに色センサを用いた
装置を第５図に従つて説明する。同図において、
２４は第１図の受光素子１５の位置に代つて設け
られた色センサである。２５，２６はそれぞれ対
数増幅回路で各ホトダイオードPD１，PD２に接
続されている。２７は上記各対数増回路２５，２
６の出力log ISC1，log ISC2の差をとるための演算
手段である差動増器である。この増幅器２７の出
力（log ISC2／ISC1）は第２図ｂに示す如く、酸素
濃度が19％までは、ほぼ一定でそれ以下で急速に
下降しており、酸素濃度に対する出力の変化は受
光素子１５と変えないが、19％までの出力が受光
素子１５に比して極めて安定している。従つて、
イ点のレベルを判定基準とするコンパレータ２８
を設けておけば、誤動作することなく正確に酸素
濃度を判定することができる。そして、このコン
パレータ２８すなわち検知手段の出力によつて燃
焼制御器２９、換気扇３０、警報ブザー３１等を
制御する処理回路（マイコン）３２を設けておけ
ば室内の酸欠状態を未然に防止することができ
る。すなわち、この色センサ２４を用いると、受
光された光の波長は２つのホトダイオードPD１，
PD２の出力間の比として得られ、受光素子１５
を使用する場合のように、素子１５の出力の絶対
値に依存しないから、受光面に汚れがあつたり、
炎がゆらいだりしてもその影響をほとんど受ける
ことがなく、正確に酸素濃度を検知することがで
きる。又、同一チツプ上に、２個のホトダイオー
ドPD１，PD２が集積されているので、素子２４
への温度影響は相殺され、温度の影響を小さくで
きる。又、透視窓１０が汚れていても電流比をと
るからその汚れの影響をあまり受けなくて済む。
なお、上記実施例は同一チツプ上に２個のフオ
トダイオードを形成し、そのSi層にフイルタの役
割をさせた色センサを用いたが、波長感度の異な
る受光素子を２個設け、この受光素子の出力間の
相対値を用いてもよい。
叙上のように本発明によれば受光面に汚れがあ
つたり、炎がゆらいだりして光の強度が変化して
も、その影響はほとんど受けることなく、正確に
酸欠状態を検知することができる。従つてこの検
知出力を利用して換気等を行うようにすれば酸欠
による事故はもちろん酸素不足に伴う頭痛等もな
くすことができる。[Table] The above relationship between oxygen concentration and combustion flame has been expressed as a relationship between oxygen concentration and output of the element due to changes in combustion flame wavelength when a single photovoltaic conversion element is used. The cases are shown in Fig. 2a and c. This figure shows that in combustion with an O 2 concentration of 21 to 19%, the output is almost flat, but in combustion with an O 2 concentration of 19% or less (as mentioned above, the blue flame of the oxidation flame turns into a red flame). The output will drop rapidly. On the other hand, there are no regulations regarding the setting of ventilation standards;
The minimum required oxygen concentration from the viewpoint of physiological toxicity is 17-19%. According to the Oxygen Deficiency Prevention Regulations, the oxygen deficiency standard must be less than 18%. Balance between the above-mentioned oxygen concentration and combustion state. The permissible CO concentration according to environmental standards is 50 ppm, but when the O 2 concentration during combustion is 19%, the indoor CO concentration corresponds to around 20 ppm. Judging from the above, there is no problem as long as the indoor O 2 concentration is at least 19% or higher and ventilation is performed. Therefore, if the wavelength change of the blue flame is captured as the output of the light receiving element 15, the indoor oxygen concentration can be easily detected. However, as shown in FIG. 2c, the output of the light-receiving element 15 may vary greatly even when the oxygen concentration is 19% or more, and there is a drawback that the operation is unstable when this output is used. In order to eliminate such drawbacks, the present invention detects changes in the wavelength of combustion flame using a semiconductor color sensor (hereinafter referred to as color sensor) in which photodiodes (light receiving elements) with different wavelength sensitivities are provided on the same chip. This is what I did. The structure and equivalent circuit of the above color sensor are shown in Figure 3a,
Shown in b. The photodiode PD1, which is formed by a PN junction between the P layer 17 and the N layer 18, has high short wavelength sensitivity.
The photodiode PD2 formed by a PN junction between the P layer 19 and the N layer 18 has high long wavelength sensitivity. In addition, 2
0 is an insulating film, 21 is an electrode provided on the P layer 17,
22 is an electrode provided on the N layer 18, 23 is the P layer 1
This is the electrode provided at 9. As shown in FIG. 4, the short-circuit current ratio I SC2 /I SC1 of both photodiodes PD1 and PD2 and the light receiving wavelength λ have a 1:1 correspondence. Therefore, conversely, both diodes PD1,
If the short-circuit current ratio of PD2 is known, it should be possible to identify the wavelength or color of the received light. However, although this color sensor is accurate in identifying a single wavelength, it is not clear how to identify something that emits multiple wavelengths, such as a combustion flame. Therefore, the oxygen concentration,
The relationship between the color of the combustion flame and the short-circuit current ratio was experimentally investigated, and as shown in Figure 2b, the short-circuit current ratio was almost constant up to an oxygen concentration of 19%, and when the oxygen concentration was lower than that, It was found that the current ratio was rapidly decreasing. Since this change is almost the same as the change in the output of the light receiving element 15, it has been found that the color sensor described above can be used as an element for determining the oxygen deficiency state. A device using a color sensor instead of the light receiving element 15 will be described below with reference to FIG. In the same figure,
24 is a color sensor provided in place of the light receiving element 15 in FIG. Logarithmic amplifier circuits 25 and 26 are connected to the photodiodes PD1 and PD2, respectively. 27 is each of the above logarithmic multiplier circuits 25, 2
This is a differential amplifier that is a calculation means for calculating the difference between the outputs log I SC1 and log I SC2 of 6. As shown in Figure 2b, the output of this amplifier 27 (log I SC2 /I SC1 ) is almost constant until the oxygen concentration reaches 19%, and drops rapidly below that level, and the output changes with respect to the oxygen concentration. Although it is the same as the light receiving element 15, the output up to 19% is extremely stable compared to the light receiving element 15. Therefore,
Comparator 28 that uses the level of point A as a judgment criterion
If this is provided, the oxygen concentration can be determined accurately without malfunction. If a processing circuit (microcomputer) 32 is provided that controls the combustion controller 29, ventilation fan 30, alarm buzzer 31, etc. based on the output of the comparator 28, that is, the detection means, oxygen deficiency in the room can be prevented. Can be done. That is, when this color sensor 24 is used, the wavelength of the received light is divided by two photodiodes PD1,
It is obtained as the ratio between the outputs of PD2, and the photodetector 15
Since it does not depend on the absolute value of the output of the element 15 as in the case of using
Even if the flame flickers, it is hardly affected by it, and the oxygen concentration can be detected accurately. Also, since two photodiodes PD1 and PD2 are integrated on the same chip, the element 24
The influence of temperature on can be canceled out and the influence of temperature can be reduced. Further, even if the transparent window 10 is dirty, the current ratio is taken, so that it is not affected much by the dirt. The above embodiment uses a color sensor in which two photodiodes are formed on the same chip and the Si layer serves as a filter, but two photodiodes with different wavelength sensitivities are provided, and You may also use relative values between the outputs. As mentioned above, according to the present invention, even if the light intensity changes due to dirt on the light receiving surface or flickering of the flame, the oxygen deficiency state can be accurately detected with almost no effect. Can be done. Therefore, by using this detection output to perform ventilation, etc., not only accidents caused by oxygen deficiency but also headaches caused by oxygen deficiency can be avoided.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図……本発明の装置を具備した燃焼器の正
面説明図。第２図ａ，ｂ，ｃ……燃焼時間及び酸
素濃度と、受光素子の出力、及び色センサの短絡
電流比との関係を示す特性図。第３図ａ，ｂ……
色センサの構造図及び等価回路図。第４図……第
３図色センサの短絡電流比−波長特性を示す特性
図。第５図……本発明装置の要部ブロツク図。
符号、２４：色センサ、２５，２６：対数増幅
回路、２７：差動増幅器、２８：コンパレータ。
FIG. 1: A front explanatory view of a combustor equipped with the device of the present invention. FIGS. 2a, b, c: Characteristic diagrams showing the relationship between combustion time and oxygen concentration, the output of the light receiving element, and the short circuit current ratio of the color sensor. Figure 3 a, b...
A structural diagram and an equivalent circuit diagram of a color sensor. Fig. 4: Characteristic diagram showing short circuit current ratio-wavelength characteristics of the Fig. 3 color sensor. FIG. 5: A block diagram of the main parts of the device of the present invention. Symbol, 24: color sensor, 25, 26: logarithmic amplifier circuit, 27: differential amplifier, 28: comparator.