JPH10300075A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は燃焼装置に関するものであり、電極
手段の表面やバーナヘッド表面にシリコン酸化物が形成
されても安定に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手段を提供する。 【解決手段】 本発明の燃焼装置は、第１電位検出手段
２０と第２電位検出手段２１を備え、この第１電位検出
手段２０と第２電位検出手段２１の間の火炎インピーダ
ンスを用い、火炎がバーナヘッド２から遊離するにつれ
て、この火炎インピーダンスは単調に増加するので、シ
リコン酸化物付着の影響に対して安定に動作できると共
に酸欠燃焼に対しても的確に対応できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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６−１
０１８３４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１
２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７
ａ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、（１
０〜２０）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２
１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２
１、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３．３８
m³、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１
７％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１
１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２４０
０kcal/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、Ｖ_{1 20}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_{2 b0}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２２００kc
al/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２
０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

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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
   段の間の第１火炎インピーダンスが単調に増加する燃焼
   装置。
2. 【請求項２】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
   等電位面に接触しない請求項１記載の燃焼装置。
3. 【請求項３】保炎板が絶縁物である請求項２記載の燃焼
   装置。
4. 【請求項４】火炎が鉛直方向に形成される請求項１記載
   の燃焼装置。
5. 【請求項５】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請求項４記載の燃焼装置。
6. 【請求項６】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、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、前記第１電位
   検出手段と前記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、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。