JP2006329474A

JP2006329474A - 燃焼機における火炎検出装置

Info

Publication number: JP2006329474A
Application number: JP2005151244A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Otomo; 一朗大友
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】フォトダイオードを用いて火炎検出する場合に、青火燃焼火炎の如き光量の小さい燃焼火炎であっても確実にその火炎検出を行い得る火炎検出装置を提供する。
【解決手段】フォトダイオード９に印加される逆電圧をコントローラ１２の電流出力調整部１２２からの信号出力により小値から大値に切換える逆電圧可変手段１３を備え、逆電圧を大値に切換えて光電流を増大させる。加えて、負荷抵抗１５１の負荷抵抗値をフォトダイオード自身の制限抵抗値よりも小さく設定して、より大きな光電流が流れるようにする。これらを補完してフォトダイオードに許容最大電流を超える電流が流れることを回避するために、最大電流を許容最大電流値以下に制限する電流制限手段１５を備える。光電流は電流電圧変換、増幅、Ａ／Ｄ変換を経て判定値との対比で火炎検出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼機の燃焼火炎の状態を検知するために用いられる燃焼機における火炎検出装置に関する。

火炎検出装置としては、燃焼火炎の光をフォトダイオード等の受光素子（光センサ）により電気信号に変換し、この電気信号出力に基づいて着火と消火とを検知するようにしたものが従来から知られている（例えば特許文献１参照）。このものでは、燃焼火炎からの入射光量をフォトダイオードにより電流信号に変換し、フォトダイオードから出力された電流信号を電流電圧変換回路により電圧信号に変換し、変換した電圧信号をＡＤ変換によりデジタル信号に変換した上で、このデジタル信号による出力値が予め設定された着火判定値よりも大であればＯＮ出力する一方、消火判定値よりも小であればＯＦＦ出力するようになっている。そして、ＯＦＦからＯＮへの変化により着火検知とする一方、ＯＮからＯＦＦへの変化により消火検知とするようになっている。

特開２００４−２３２９７１号公報

ところが、上記従来の火炎検出装置の如きフォトダイオードを光センサとして用いた場合に、燃焼火炎の検出を確実に行い得ないおそれが考えられる。

すなわち、低ＮＯx燃焼化等の如くよりクリーンな燃焼や効率的な燃焼の実現に向けて開発が進められているが、かかる開発を進めると燃焼火炎がより青火燃焼の傾向となり、その燃焼火炎の発する光量がより減少する結果、受光素子からの出力がより微弱化してしまい、正確なもしくは確実な着火検知や消火検知等が得難くなることが考えられる。特に近年、実用化を目指し開発が行われている合成液体燃料（ＧＴＬ；Gas To Liquid：天然ガスを原料にして合成された石油等）を用いて燃焼させた場合には低ＮＯx燃焼の実現は図られるものの、その燃焼が従来のものよりも青火燃焼の傾向となる。この青火燃焼火炎は輝度が低く火炎の発光量が弱くなり、これに伴い光センサからの出力が極めて微弱化してしまう結果、着火検知等を正確に行い得ないおそれが考えられる。

ここで、図５に示すように光センサの一種であるフォトトランジスタＰＴを例にすると、このフォトトランジスタＰＴ（図５（ａ）参照）における光入力Ｉ_Ｂと光電流Ｉ_Ｃとの関係は電流増幅率ｈ_ＦＥ（ｈ_ＦＥ＝Ｉ_Ｃ／Ｉ_Ｂ）により決まり、光入力Ｉ_Ｂが小さくなれば光電流Ｉ_Ｃ（Ｉ_Ｃ＝ｈ_ＦＥ×Ｉ_Ｂ）も小さくなって検出限界が生じることになる。例えば図５（ｂ）に燃焼火炎が赤火の場合と青火の場合とにおけるコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥと光電流Ｉ_Ｃとの関係を示すように、赤火の場合であれば光入力Ｉ_Ｂが大となって光電流Ｉ_Ｃも大となるものの、青火の場合のように光入力Ｉ_Ｂが小であれば光電流Ｉ_Ｃも小となり、その際の負荷抵抗Ｒ_Ｌの大小はさほど影響しない。

これに対し、図６に示すように逆電圧接続方式のフォトダイオードＰＤを例にすると、フォトダイオードＰＤ（図６（ａ）参照）は電流素子であるため、光電流Ｉ_Ｃとしては受けた光の光量に比例した起電流が生じるものの、その光電流Ｉ_Ｃそのものは負荷抵抗Ｒ_Ｌの抵抗値の大小や、逆電圧Ｖ_Ｒの大小によって変化する。例えば図６（ｂ）に燃焼火炎が赤火の場合と青火の場合とにおける出力電圧Ｖと光電流Ｉ_Ｃとの関係を示すように、赤火の場合であれば光入力が大となる赤火の場合も、光入力が小さくなる青火の場合も、負荷抵抗Ｒ_Ｌが大よりも小というように小さくなるほど光電流Ｉ_Ｃが流れ易くなって増大する。ところが、光電流Ｉ_Ｃが過大に流れ過ぎると、フォトダイオードＰＤ自体が破壊されてしまい、その機能を発揮することができなくなってしまう。そこで、この破壊発生の防止のために、負荷抵抗Ｒ_Ｌの抵抗値は所定値以上のものに固定されている。しかしながら、負荷抵抗Ｒ_Ｌの抵抗値を所定値以上に固定してしまうと、光電流の値もそれに対応する値に制限されてしまうため、フォトダイオードを火炎検出に用いる場合には、火炎照度の弱い光（上記の低ＮＯx化火炎又は上記のＧＴＬによる燃焼火炎）を受けてもその燃焼火炎の検出が困難となってしまうという問題が生じることになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フォトダイオード等の光センサを用いて火炎検出する場合に、青火燃焼火炎の如き光量の小さい燃焼火炎であっても確実にその火炎検出を行い得る火炎検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、燃焼機の燃焼火炎からの入射光を受けて光電流を出力するフォトダイオードと、その光電流に基づく出力値の如何によって上記燃焼火炎の状態を検出する火炎検知処理手段とを備えた燃焼機における火炎検出装置を対象にして、以下の特定事項を備えた種々の発明を完成させた。

第１の発明では、上記フォトダイオードに印加される逆電圧を可変とする逆電圧可変手段と、上記フォトダイオードに流れる最大電流をそのフォトダイオード自身の許容最大電流値以下に制限する電流制限手段と、上記逆電圧可変手段に対する信号出力により上記逆電圧をより大値側に変更制御することにより上記フォトダイオードでの光入力に対する光電流値を増大させる電流出力調整手段とを備えることとした（請求項１）。

この発明の場合、電流出力調整手段から信号出力して逆電圧可変手段により逆電圧をより大値側に変更すると、フォトダイオードが燃焼火炎から受けた光の光入力に対する光電流値がより大きく変更されることになる。このため、青火等の燃焼火炎から光量の小さい光を受けた場合であっても、所定以上の光電流を発生させることが可能となり、その光電流に基づく出力値に基づき火炎検知処理手段において上記の青火等の燃焼火炎の状態を確実に検出することが可能となる。その一方、燃焼異常等により燃焼火炎から大きい光入力を受けたときであっても、上記電流制限手段によってフォトダイオードに発生する光電流はフォトダイオード自身の許容最大電流値以下に制限されるため、上記の逆電圧を大値側に変更したことに起因するフォトダイオードの損傷を確実に回避してフォトダイオードの保護が図られる。つまり、青火等の燃焼火炎の火炎検出と、フォトダイオードの保護との両立が可能となる。

第２の発明では、上記フォトダイオードに対する負荷抵抗値が上記フォトダイオード自身の制限抵抗値よりも小さく設定された負荷抵抗と、上記フォトダイオードに流れる最大電流をそのフォトダイオード自身の許容最大電流値以下に制限する電流制限手段とを備えることとした（請求項２）。

この発明の場合、上記負荷抵抗の抵抗値がフォトダイオード自身の制限抵抗値よりも小さく設定されているため、光電流が流れ易くなってフォトダイオードが燃焼火炎から受けた光の光入力に対する光電流値がより増大することになる。このため、青火等の燃焼火炎から光量の小さい光を受けた場合であっても、所定以上の光電流を発生させることが可能となり、その光電流に基づく出力値に基づき火炎検知処理手段において上記の青火等の燃焼火炎の状態を確実に検出することが可能となる。その一方、燃焼異常等により燃焼火炎から大きい光入力を受けたときであっても、上記電流制限手段によってフォトダイオードに発生する光電流はフォトダイオード自身の許容最大電流値以下に制限されるため、上記の負荷抵抗の抵抗値を小さく設定したことに起因するフォトダイオードの損傷を確実に回避してフォトダイオードの保護が図られる。従って、本発明によっても、青火等の燃焼火炎の火炎検出と、フォトダイオードの保護との両立が可能となる。

第３の発明では、上記フォトダイオードに印加される逆電圧を可変とする逆電圧可変手段と、上記フォトダイオードに対する負荷抵抗値が上記フォトダイオード自身の制限抵抗値よりも小さく設定された負荷抵抗と、上記フォトダイオードに流れる最大電流をそのフォトダイオード自身の許容最大電流値以下に制限する電流制限手段と、上記逆電圧可変手段に対する信号出力により上記逆電圧をより大値側に変更制御することにより上記フォトダイオードでの光入力に対する光電流値を増大させる電流出力調整手段とを備えることとした（請求項３）。

この発明の場合、上記の第１の発明による作用と、第２の発明による作用を併せた作用を発揮させることが可能となり、青火等の入力する光量が小さい燃焼火炎の状態の火炎検出と、フォトダイオードの損傷を回避してフォトダイオードの保護との両立をより一層確実に実現させることが可能になる。

以上、説明したように、請求項１〜請求項３のいずれかの燃焼機における火炎検出装置によれば、青火等の入力する光量が小さい燃焼火炎の状態の確実な火炎検出と、フォトダイオードの損傷を回避してフォトダイオードを保護することとの両立を実現させることができる。特に、請求項１によれば、逆電圧可変手段を用いて電流出力調整手段により逆電圧の大値側へ変更することによる光電流の増大と、逆電圧の大値側変更を補完して電流制限手段によりフォトダイオードに流れる最大電流を許容最大電流値以下に制限することとにより、上記の両立の実現が図られる。請求項２によれば、負荷抵抗の抵抗値を制限抵抗値よりも小さく設定することによる光電流の増大と、負荷抵抗値の小設定を補完して電流制限手段によりフォトダイオードに流れる最大電流を許容最大電流値以下に制限することとにより、上記の両立の実現が図られる。請求項３によれば、請求項１による効果と、請求項２による効果とを併せ持った効果を得ることができ、上記の両立をより一層確実に図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る火炎検出装置を適用した燃焼機の例として給湯器のそれを示す。この給湯器は、燃焼機１と、燃焼機１からの燃焼熱により熱交換加熱する熱交換器２と、水道管等と接続されて上記熱交換器２に対し水道水等を給水する給水路３と、上記熱交換器２により加熱された湯が出湯され図示省略の給湯路を通して下流側の給湯カラン等に対し給湯するための出湯路４とが、ケース５内に設置されたものである。

上記燃焼機１は、図示省略の燃料供給系から供給された燃料を燃焼する燃焼バーナ６と、この燃焼バーナ６に対し燃焼用空気を供給する送風ファン７と、点火器としてのイグナイタ８とを備えている。上記燃焼バーナ６は、例えばガンタイプバーナにより構成され、液体燃料を霧化させて燃焼させるように構成されている。そして、上記燃焼バーナ６の近傍には燃焼バーナ６に形成される燃焼火炎に基づく発光を入射させてその光量に比例した電流信号を出力する受光素子（光センサ）としてフォトダイオード９が配設されている。

又、上記給水路３には流量調整のための電磁弁１０と、給水流量を検出する流量センサ１１とが介装される他、ケース５内の適所にコントローラ１２が配設されている。かかるコントローラ１２は、ＣＰＵ、メモリ、記憶装置等を備え、予め搭載されたプログラムに基づいて上記の燃焼機１の燃焼制御に基づく給湯制御等の他に、燃焼バーナ６の燃焼火炎の状態を検知する火炎検出装置の制御上の処理部分（後述の火炎検知処理部や光電流出力調整部）を実行するようになっている。

上記給湯制御部は、例えば図示省略の給湯カランがユーザにより開かれて給水路３からの給水が入水し、この流量が所定の最低作動流量以上になったことを流量センサ１１からの検出情報により確認した上で、燃料供給系を作動（例えば燃料供給弁を開作動）させてイグナイタ８により燃焼バーナ６を着火させるようになっている。そして、図示省略の出湯温度センサからの検出温度に基づいて給湯温度が所定の給湯温度になるように燃焼バーナ６の燃焼量を調整しつつ給湯を継続させる。その際に、送風ファン７の作動制御により空気供給量を燃焼量等に応じて変化させる。給湯カランの閉作動に伴い流量センサ１１からの検出情報が最低作動流量を下回れば、燃焼供給系の燃料供給を停止し燃焼バーナ６を消火させ、消火後の一定時間だけ送風ファン７を作動させて燃焼排気ガスの掃気を行う。以上の処理を火炎検知処理部から出力される着火検知又は消火検知の出力に基づいて実行し、燃焼開始させたにも拘わらず着火検知が出力されない場合には燃焼不良発生と判定して燃焼の強制停止処理を実行するなどの安全処理を実行するようになっている。

図２は火炎検出装置を構成する各種手段を実現する回路例及びコントローラ１２を示し、同図中の符号１３は逆電圧可変手段、１５１は負荷抵抗、１５は電流制限手段、１６は光電流アナログ読み込み回路であり、コントローラ１２は図示省略の給湯制御部と、火炎検知処理部１２１と、光電流出力調整部１２２とを備えている。

上記逆電圧可変手段１３は、逆電圧電源からフォトダイオード９に対し印加される逆電圧Ｖ_Ｌとして小値のＶ_Ｌ１（図３参照）と、大値のＶ_Ｌ２とのいずれかに相互に切換えることにより、フォトダイオード９での光入力に対する光電流値を大小変更、つまり出力調整するものであり、逆電圧値Ｖ_Ｌ１とＶ_Ｌ２との切換はコントローラ１２の光電流出力調整部１２２から電圧信号（印加電圧切り替え信号）を出力することにより行われるようになっている。具体的には、給湯流量や設定温度情報により演算された必要燃焼量の大小に応じて、印加電圧切り替え信号をコントローラ１２から出力し、これを逆電圧可変手段１３により入力電圧に変更し、これによりトランジスタ１３３へのベース電圧を切換えてフォトダイオード９のカソード側に印加される逆電圧Ｖ_ＬをＶ_Ｌ１とＶ_Ｌ２とに相互切換えして可変とするように構成されている。

上記負荷抵抗１５１は、その抵抗値Ｒ_Ｌ１がフォトダイオード９のデバイスとしての仕様上の制限抵抗値（＝Ｖ_Ｌ／Ｉmax）よりも小さく設定されている。

Ｒ_Ｌ１＜Ｖ_Ｌ／Ｉmax
ここで、Ｖ_Ｌは逆電圧、Ｉmaxは最大出力電流である。

上記電流制限手段１５は、上記負荷抵抗１５１の抵抗値Ｒ_Ｌ１を上記の如く制限抵抗値よりも小さく設定したことに伴い、これを補完してフォトダイオード９の破損を防ぐために過大な光電流が流れることを阻止するために電流リミッタとしての機能を実現させるものである。すなわち、上記負荷抵抗１５１を制限抵抗値よりも小さい抵抗値に設定したことに伴い、フォトダイオード９に大きい光入力があると大きな光電流が流れることになるため、フォトダイオード９の損傷回避のためにフォトダイオード９に流れる最大電流を許容最大電流値以下に制限するように構成されている。

又、上記火炎検知処理部１２１は、上記フォトダイオード９からの光電流信号に基づく出力値の如何に応じて着火検知及び消火検知の各判定処理を行うようになっている。具体的には、上記出力値が予め設定された所定の着火判定値を境にして小値側から大値側へ変動すれば着火検知と判定する一方、着火検知後の出力値が上記と同様に予め設定された消火判定値を境にして大値側から小値側へ変動すれば消火検知と判定するようになっている。かかる火炎検出に用いられる上記出力値は、上記光電流信号を電流電圧変換回路（例えば抵抗１５１を利用）により電圧信号に変換したり、所定の光電流アナログ読み込み回路１６を通じて、Ａ／Ｄ変換を経て上記火炎検知処理部１２１に取り込まれるようになっている。なお、アナログ信号として火炎検知処理部１２１に取り込んで連続的な変化を監視することにより、振動燃焼やその他の異常燃焼等が発生したことの判定・検出も可能となる。

以上の場合、図３に示すように光入力が小の青火の場合であっても、逆電圧値を小値のＶ_Ｌ１から大値のＶ_Ｌ２に切換変更することにより、小値Ｖ_Ｌ１の場合の光電流値Ｉ_Ｃ１が大値Ｖ_Ｌ２に切換えるとより大きな光電流値Ｉ_Ｃ２に変更することができるようになる。この光電流値Ｉ_Ｃ２に基づき火炎検知処理部１２１での火炎検出を行うことにより、青火燃焼傾向の火炎であっても確実にその火炎検出を行うことができるようになる。

しかも、電流制限手段１５による電流制限（図３のＩ_ＣＵＴ参照）によってフォトダイオード９も保護される。すなわち、負荷抵抗１４を制限抵抗値以下に設定して光入力に対する光電流をより増大側にし、かつ、逆電圧をより大値側に切換変更して光電流の増大させるようにして青火等の火炎検出の確実化を図るようにしたとしても、光入力が不測に大入力になった場合にフォトダイオード９の許容最大電流が流れることを回避することができ、フォトダイオード９の損傷を確実に回避して保護することができる。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態として火炎検出装置を構成する各種手段を実現する回路例を示し、同図中の符号１５ｂは電流制限手段、１６ｂは増幅回路、１７は負荷抵抗である。なお、第２実施形態は逆電圧可変手段を省略した点を除きその他の構成は第１実施形態のものと同様構成であり、同一構成要素には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

上記負荷抵抗１７は、第１実施形態で説明したと同様に、抵抗値Ｒ_Ｌがフォトダイオード９の仕様上の制限抵抗値（＝Ｖ_Ｌ／Ｉmax）よりも小さく設定されている。

Ｒ_Ｌ＜Ｖ_Ｌ／Ｉmax
これにより、フォトダイオード９で生じる光電流をより増大させるようにし、青火等の微弱な光であっても、所定値以上の光電流が流れるようにしている。

上記電流制限手段１５ｂは、例えばオペアンプ１５５及びこのオペアンプ１５５からの出力がベース電流として加えられるトランジスタ１５６を備え、上記負荷抵抗１７の抵抗値Ｒ_Ｌと、オペアンプ１５５の定数とによりフォトダイオード９に流れる光電流がそのフォトダイオード９のデバイスとしての許容最大電流以下の範囲になるように電流制限を行っている。これにより、上記負荷抵抗１７の抵抗値Ｒ_Ｌを上記の如く制限抵抗値よりも小さく設定したことに伴い、これを補完してフォトダイオード９の破損を防ぐために過大な光電流が流れることを阻止するために電流リミッタとしての機能を実現させるようになっている。

そして、本実施形態では、上記負荷抵抗１７によって青火等の燃焼火炎であっても、その光入力を受けて所定値以上の光電流を発生させて火炎検知処理部１２１での火炎検出を確実に行うことができる一方、燃焼状態の異常等に起因して赤火等の大きい光入力を受けた場合であっても、上記電流制限手段１５ｂによってフォトダイオード９においては許容最大電流値以下の光電流になるように制限されているため、フォトダイオード９等のデバイスに損傷発生を確実に回避して保護することができるようになる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記各実施形態では、火炎検出装置が搭載される燃焼機として給湯器の燃焼機１を示したが、これに限らず、給湯器以外の種々の燃焼機における火炎検出装置として本発明を適用することができる。

また、増幅回路は必須ではないが、搭載する場合にはその増幅倍率を変更し得るようにすることにより、例えば工場出荷時に出荷先での給湯器の使用条件（例えば使用燃料の種別）等に応じて着火検知等の火炎検出判定に適した増幅倍率に変更設定することが可能となり、火炎検出のより一層の確実化が図られる。

さらに、上記第１実施形態では逆電圧可変手段１３の設置に加えて、負荷抵抗１５１の抵抗値をフォトダイオード９のデバイスとしての仕様上の制限抵抗値よりも小さく設定して、フォトダイオード９で生じる光電流をより増大させるようにしているが、これに限らず、負荷抵抗の抵抗値を上記制限抵抗値より大きくしてもよく、この場合には逆電圧可変手段１３及び電流制限手段１５の設置によりフォトダイオード９で生じる光電流の増大と、過度の電流が流れることの回避とを図るようにしてもよい。

本発明の実施形態が適用される燃焼機の例を示す模式図である。第１実施形態の火炎検出装置の回路例を示す図である。第１実施形態における電圧（逆電圧）と光電流との関係図である。第２実施形態の火炎検出装置の回路例を示す図である。フォトトランジスタを例にして課題を説明するための図を示し、図５（ａ）はフォトトランジスタを用いた回路例であり、図５（ｂ）は電圧と光電流との関係図である。フォトダイオードを例にして課題を説明するための図を示し、図６（ａ）はフォトダイオードを用いた回路例であり、図６（ｂ）は電圧と光電流との関係図である。

符号の説明

１燃焼機
９フォトダイオード
１３逆電圧可変手段
１７，１５１負荷抵抗
１５，１５ｂ電流制限手段
１２１火炎検知処理部（火炎検知処理手段）
１２２電流出力調整部（電流出力調整手段）

Claims

燃焼機の燃焼火炎からの入射光を受けて光電流を出力するフォトダイオードと、その光電流に基づく出力値の如何によって上記燃焼火炎の状態を検出する火炎検知処理手段とを備えた燃焼機における火炎検出装置であって、
上記フォトダイオードに印加される逆電圧を可変とする逆電圧可変手段と、
上記フォトダイオードに流れる最大電流をそのフォトダイオード自身の許容最大電流値以下に制限する電流制限手段と、
上記逆電圧可変手段に対する信号出力により上記逆電圧をより大値側に変更制御することにより上記フォトダイオードでの光入力に対する光電流値を増大させる電流出力調整手段と
を備えていることを特徴とする燃焼機における火炎検出装置。
燃焼機の燃焼火炎からの入射光を受けて光電流を出力するフォトダイオードと、その光電流に基づく出力値の如何によって上記燃焼火炎の状態を検出する火炎検知処理手段とを備えた燃焼機における火炎検出装置であって、
上記フォトダイオードに対する負荷抵抗値が上記フォトダイオード自身の制限抵抗値よりも小さく設定された負荷抵抗と、
上記フォトダイオードに流れる最大電流をそのフォトダイオード自身の許容最大電流値以下に制限する電流制限手段と
を備えていることを特徴とする燃焼機における火炎検出装置。
燃焼機の燃焼火炎からの入射光を受けて光電流を出力するフォトダイオードと、その光電流に基づく出力値の如何によって上記燃焼火炎の状態を検出する火炎検知処理手段とを備えた燃焼機における火炎検出装置であって、
上記フォトダイオードに印加される逆電圧を可変とする逆電圧可変手段と、
上記フォトダイオードに対する負荷抵抗値が上記フォトダイオード自身の制限抵抗値よりも小さく設定された負荷抵抗と、
上記フォトダイオードに流れる最大電流をそのフォトダイオード自身の許容最大電流値以下に制限する電流制限手段と、
上記逆電圧可変手段に対する信号出力により上記逆電圧をより大値側に変更制御することにより上記フォトダイオードでの光入力に対する光電流値を増大させる電流出力調整手段と
を備えていることを特徴とする燃焼機における火炎検出装置。