(57)【要約】【課題】連続燃焼システムに使用されるイオンセンサ及びイオンセンサ生成方法を提供すること。【解決手段】本発明は、ガスタービン燃焼器の燃料ノズルおよび他の燃焼器の表面に使用されるイオンセンサであって、薄膜コーティングを用いて誘電体層および電極層の両方を形成するイオンセンサと、電極層への電気接続を可能にする方法とを提供する。誘電体層は、通常接地されている燃焼器の表面からセンサを電気絶縁する。電極層は典型的には、誘電体層から層間剥離することなく燃焼環境の高温に持ち堪えられる金属材質であり、誘電体層の上に設けられ、イオン検出電極を形成する。ワイヤは、誘電体層を貫通して電極層と接続し、燃焼領域外（例えば、信号処理のための制御モジュールへ）でイオン検出電極を制御するために備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼領域を有する連続燃焼システムのイオン電流を検出するイオンセンサであって、前記イオンセンサは前記連続燃焼システムの表面に取り付けられ、前記表面は前記燃焼領域内の気体に曝される、イオンセンサであって；
薄膜コーティングからなり、前記表面に取り付けられる誘電体コーティング層と；
前記少なくとも１つの電極を、前記燃焼領域外の少なくとも１つの構成要素と通信させる手段とを備える；
イオンセンサ。
【請求項２】
前記導電性コーティングは、導電性薄膜コーティングを備える；
請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの電極は第１電極および第２電極を備え、前記第１電極および前記第２電極は同一平面内に保持されて、前記誘電体コーティング層によって離隔関係にある；
請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項４】
前記表面は燃料ノズル表面であり、前記第１電極および第２電極が前記燃料ノズル表面上に空気乱流を発生させないように形成された；
請求項３に記載のイオンセンサ。
【請求項５】
前記第１電極の表面積が、前記燃料ノズル表面の先端全体を用いることで最大化された；
請求項４に記載のイオンセンサ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電極を、前記燃焼領域外の少なくとも１つの構成要素と通信させる手段は、金属で保護された熱電対ワイヤを備える；
請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項７】
前記金属で保護された熱電対ワイヤの金属保護材が接地面に付着している；
請求項６に記載のイオンセンサ。
【請求項８】
前記表面は燃料ノズル表面であり、前記誘電体コーティング層は前記燃料ノズル表面まで延在し、前記イオンセンサはさらに、前記燃料ノズル表面まで延在する前記誘電体コーティング層の上に形成される細長片を備え、前記細長片は導電性コーティングを備えて前記少なくとも１つの電極に接続される；
請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項９】
前記少なくとも１つの電極は第１電極および第２電極を備え、前記第１電極および前記第２電極は同一平面内に保持されて、前記誘電体コーティング層によって離隔関係にあり、前記細長片は前記第１電極および前記第２電極のそれぞれの細長片を備え、前記第１電極および前記第２電極は異なる細長片に接続される；
請求項８に記載のイオンセンサ。
【請求項１０】
前記細長片の、前記少なくとも１つの電極とは反対側の端部に界面をさらに備える；
請求項８に記載のイオンセンサ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの電極を、前記燃焼領域外の少なくとも１つの構成要素と通信させる手段は、前記界面で前記細長片に接続されるワイヤを備える；
請求項１０に記載のイオンセンサ。
【請求項１２】
前記導電性コーティングは、前記誘電体コーティング層から層間剥離することなく、前記燃焼領域の温度に持ち堪えられる金属材質である；
請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項１３】
前記誘電体コーティング層は、前記少なくとも１つの電極を前記表面から電気絶縁し、前記誘電体コーティング層は、前記誘電体コーティング層の熱膨張係数と前記表面の熱膨張係数とが異なっても、前記燃焼領域の温度サイクル中に前記誘電体コーティング層の層間剥離が発生しないような熱膨張係数を有する；
請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項１４】
燃焼領域を有する連続燃焼システムの表面にイオンセンサを生成する方法であって、前記表面は前記燃焼領域の気体に曝される、方法であって；
前記表面に誘電体コーティング層を形成するステップであって、前記誘電体層は薄膜コーティング材からなる、ステップと、
導電性コーティングを用いて前記誘電体コーティング層の上に少なくとも１つの電極を形成するステップと、
前記燃焼領域外の少なくとも１つの構成要素と通信するよう前記少なくとも１つの電極との接続を形成するステップとを備える；
イオンセンサ生成方法。
【請求項１５】
導電性コーティングを用いて前記誘電体コーティング層の上に前記少なくとも１つの電極を形成する前記ステップは、前記誘電体コーティング層から層間剥離することなく前記燃焼領域の温度に持ち堪えられる金属材質を用いて前記少なくとも１つの電極を形成するステップを有する；
請求項１４に記載のイオンセンサ生成方法。
【請求項１６】
前記表面に前記誘電体コーティング層を形成する前記ステップは、前記誘電体コーティング層の熱膨張係数と前記表面の熱膨張係数とが異なっても、前記燃焼領域の温度サイクル中に前記誘電体コーティング層の層間剥離が発生しないような熱膨張係数を有する誘電体材質を用いるステップを含む；
請求項１４に記載のイオンセンサ生成方法。
【請求項１７】
前記誘電体コーティング層を前記燃焼領域から離隔して前記表面まで延在させるステップと、
前記表面まで延在する前記誘電体コーティング層に細長片を形成するステップとをさらに備え、前記細長片は導電性コーティングを有し、前記少なくとも１つの電極に接続される；
請求項１４に記載のイオンセンサ生成方法。
【請求項１８】
前記細長片の、前記少なくとも１つの電極とは反対側の端部に界面を形成するステップをさらに備える；
請求項１７に記載のイオンセンサ生成方法。
【請求項１９】
導電性コーティングを用いて前記誘電体コーティング層の上に少なくとも１つの電極を形成する前記ステップは、前記導電性コーティングを用いて第１電極および第２電極を形成するステップを備え、前記第１電極および前記第２電極は同一平面内に保持されて、前記誘電体コーティング層によって離隔関係にある；
請求項１４に記載のイオンセンサ生成方法。
【請求項２０】
前記誘電体コーティング層を前記燃焼領域から離隔して前記表面まで延在させるステップと；
前記表面まで延在する前記誘電体コーティング層の上に複数の細長片を形成するステップとをさらに備え、各細長片は導電性コーティングを有し、前記第１電極および前記第２電極はそれぞれ前記複数の細長片に接続される、
請求項１９に記載のイオンセンサ生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン検出に関し、より詳細には、連続燃焼システムのイオンセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン等の連続燃焼システムは多くの産業で使用されている。これらの産業には、輸送、発電、航空機用エンジン、アフターバーナ利用、および装置産業が含まれる。連続燃焼システムはその動作中に、プロパン、天然ガス、軽油、灯油、またはジェット燃料等の燃料を燃焼させることによりエネルギーを作り出す。燃焼工程の副産物の１つが、大気中への汚染物質排出である。汚染物質排出レベルは政府機関により規制されている。大気中へ排出される環境に有害なガスの量の著しい減少にもかかわらず、政府は、ＮＯx、ＣＯ、ＣＯ2、および炭化水素（ＨＣ）等のガスの排出レベルをますます低レベルに、しかも、かつてないほど多くの産業で規制している。
【０００３】
産業界は排出レベルを減らすために様々な方法を開発した。例えばガス燃料工業用タービンに対する一方法は、希薄予混合燃焼である。希薄予混合燃焼では、燃料の空気に対する比を小さく（希薄に）保ち、燃焼工程の前に燃料を空気と予混合する。次いで、亜酸化窒素の生成（主として１８５０Ｋを超える温度で発生する）を制限するのに十分低い温度に保つ。また、予混合は、一酸化炭素および未燃焼炭化水素が完全には酸化されない局部的な燃料リッチ領域を生ずる可能性も低下させる。
【０００４】
不運にも、これらシステムの多くは、不安定性およびフラッシュバックに関連する問題に見舞われてきた。空燃比が小さすぎると火炎が不安定になって圧力変動が生じ、不安定な燃焼が起こりうる。この結果、燃料の燃焼による放熱が不規則となり、破壊的な圧力振動または音響振動を生じる。通常はガスタービン燃焼システムの燃焼領域に留まっている火炎が、燃料ノズル内に逆行すると、フラッシュバックが発生する。燃料ノズルでフラッシュバックが発生すると、ノズル内の温度が上昇してノズル材質の設計温度を超えてしまい、大きな損傷の原因となる。通常金属であるノズル材質の破片がタービンシステムを通過し、タービンブレードに重大な損傷を与えることもある。この種の故障は、頻度にかかわらず、稼働停止時間、メンテナンスコストおよび収益損失の点で壊滅的になりかねない。
【０００５】
工業用および航空用タービンが共に直面するもう１つの課題は、火炎およびリーンブローオフとして知られる現象の検出である。タービン制御システム、特に工業用タービンでは、点火中を含め、火炎の有無についてすべてのタービンをモニタしなくてはならない。長時間降下中の航空機用タービンでは、空燃比が非常に小で、火炎を維持できないようなリーンブローオフの兆候を示す特徴を発する場合もあろう。燃焼検出技術では、これらの状態を検知することが求められる。
【０００６】
米国特許第６，４２９，０２０号では、フラッシュバック状態の過度な温度に耐え、必要な応答状態を提供できるイオン検出装置について教示している。米国特許出願第１０／４１１，１６７号では、特許第６，４２９，０２０号で教示されるようなイオン検出装置を用いても燃焼不安定性を検出できると教示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許第６，４２９，０２０号で教示されるようなイオン検出装置などは、機械加工電極、非鉄誘電絶縁体、および支持構造（例えばガスタービン燃料ノズル）へ保持するためのメカニカルファスナーを使って製造される。この組立技法は、複雑なハードウェアおよびイオン検出装置に求められるスペース制約ゆえに、イオン検出の用途を制限する。それに加え、メカニカルファスナーは、繰り返し熱サイクルを受けて予荷重が減少する危険性を持ち、それによってセンサコンポーネントが破損し、タービンブレードまたは他の排気システムコンポーネントに浸入する破片が原因となって下流で損傷が起こる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、薄膜コーティングを用いてイオン検出装置の誘電体層と検出電極層との両方を形成するイオンセンサを提供する。このコーティングシステムは、ガスタービン燃焼器の燃料ノズル、ノズルを覆う予混合管または他の燃焼器表面に適用できる。
【０００９】
このイオンセンサは少なくとも２つのコーティング層からなる。第１コーティング層は、接地されたノズル本体からセンサを電気絶縁する誘電体である。第２コーティング層は、誘電体層の上に設けられ、イオン検出電極を形成する。
【００１０】
第２コーティング層は、典型的には誘電体層から層間剥離することなく、燃焼環境下の高温に持ち堪えられる金属材質で、燃焼火炎に曝されても表面が酸化しにくいものとする。
【００１１】
一実施の形態では、被覆ワイヤがノズル本体に固定され、そのワイヤが誘電体層を貫通して電極層と接続している。このワイヤ接続によって、信号ワイヤまたは導体は、燃焼領域外（例えば信号処理用の制御モジュール）と通信を可能にするためにイオン検出電極層へ接続される。
【００１２】
別の実施の形態では、ワイヤとの機械的接続が火炎からより離れるようにコーティングシステム層（すなわち、誘電体コーティング層および電極層）をノズル中央本体まで延在させ、それによって機械的接続にかかる熱応力を低減する。
【００１３】
本発明のこれらおよび他の側面および利点は、追加の発明性ある特徴と共に、以下の詳細な説明および添付図面からより明らかとなるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を特定の好適な実施の形態と併せて説明するが、これらの実施の形態に限定するものではない。逆に、付帯する請求項により定義されるように、本発明の精神および範囲により、全ての代替、改変、および均等物を含めるよう意図する。
【００１５】
本発明は、イオン化信号を利用しているガスタービン、工業用バーナ、工業用ボイラまたはアフターバーナ等の連続燃焼システムの燃焼領域におけるイオン電流を検出する装置を提供する。本発明は、燃焼時に火炎中で自由イオンを生成するあらゆる炭化水素燃料、例えば液体または気体燃料、に使用してもよい。火炎中の自由イオンの量の程度は、炭化水素の濃度と比例するので、測定されたイオン電流もまた自由イオンの量の程度に比例する。本発明は、従来設計の検出要素を備える機械的構成要素の多くを省いている。従来設計では、メカニカルファスナーによって取付構造に保持される機械的構成要素が、繰り返し熱応力サイクルおよび機械的振動を受けることで緩む場合があり、よってタービンまたはエンジンが飛散破片による下流の損傷に曝される。本発明の誘電体コーティング層は、従来型センサの機械的誘電体ワッシャよりもはるかに薄くすることができ、その結果、ノズル先端からより低温のノズル構造への熱伝導を大きく向上させる。その結果、表面温度が低下するので、壊損を招きかねない、火炎自体のノズルへの付着傾向が減少するはずである。それに加え、本発明のコーティングシステムは、一般的に機械的組立体よりも製造コストが安い。本発明を説明するために、ガスタービン燃料ノズルの用途について述べる。
【００１６】
図面では、同様の符号は同様の要素を指し、適切な燃焼環境で本発明が実施されるとして、これを図示する。図１は、本発明を実施可能な適切な燃焼環境１００の一実施例を示す。燃焼環境１００は適切な燃焼環境の一例にすぎず、本発明の使用や機能の範囲に関してどのような制限も示唆するものではない。例えば、本発明を、アフターバーナ、工業用バーナ、工業用ボイラ等で実施してもよい。また、燃焼環境１００が、例示の動作環境１００の中で図示される構成要素の任意の１つ、または組合せに何らかの依存性または要件を伴うと解釈すべきでない。
【００１７】
図１を参照すると、本発明を実施する例示のシステムは、電子モジュール１０２と、燃料ノズル１０４と、燃焼チャンバ１０６とを含んでいる。燃料ノズル１０４は、従来の手段を用いて燃焼チャンバ１０６に取り付けられる。燃料ノズル１０４は、典型的には、導電材料でできており、入口部１０８と、燃焼チャンバ１０６に通じる出口ポート１１０と、中央本体１１２とを有する。空気と燃料とを予混合攪拌機１１４で混合した後、燃焼領域でイグナイタを用いてこの混合燃料に点火する。ノズル保護材は中央本体１１２を囲っている。アフターバーナでは、一般に別の通路を介して空気を燃焼チャンバ１０６に進入させ、燃料ノズル通路を用いて燃料を燃焼チャンバ１０６に導入する。タービンの動作は周知であるので、本明細書で検討するまでもない。
【００１８】
電子モジュール１０２は、別体のモジュールであってもよく、または、点火制御モジュールの一部もしくはエンジン制御モジュールの一部であってもよい。電子モジュール１０２は、プロセッサ１３２から命令を受けたときに、制御されたＡＣまたはＤＣ電圧信号を電極１２０、１２２へ与える電源１３０を含む。プロセッサ１３２は、電極１２０、１２２へ電力を供給するように電源に命令し、調整モジュール１３６を介して電極１２０、１２２からイオン電流信号を受信し、イオン信号の分析に必要な計算処理を実行して燃焼不安定性の兆候および燃焼不安定性を判定し、インターフェース１３４を介してエンジン制御モジュール等の他のモジュールと通信する。調整モジュール１３６は、電極１２０、１２２から通信線１３８を介して信号を受信し、必要なフィルタリングまたは増幅を行う。
【００１９】
本発明は薄膜コーティングを用い、誘電体層と検出電極層との両方を形成する。以下の説明では、接地されたノズル本体を使って本発明について述べるものとする。他の構造を用いてもよいことはいうまでもない。例えば、コーティングシステムを、ノズルを覆う予混合管、ノズル保護材（図２参照）または他の燃焼器表面にも適用できる。航空機用タービンでは、イオンセンサを形成するために本発明のコーティングを設けてもよい類似の構造がある。図中において、誘電体および導電性コーティングをブロックとして示す。コーティングはいずれのサイズや厚さでよいことはいうまでもない。第１コーティング層は誘電体であり、接地されたノズル本体からセンサを電気絶縁する。材質仕様および設置手順は、コーティングとノズル本体とで熱膨張係数が異なっても、極端な温度サイクル中にコーティングの層間剥離が発生しないよう、調整しなくてはならない。それに加え、誘電体材質は、燃焼チャンバにおける典型的な高温時でも高い抵抗率を維持しなくてはならない。誘電体コーティング層は、従来型センサの機械的誘電体ワッシャよりもはるかに薄くすることができ、その結果、ノズル先端からより低温のノズル構造体への熱伝導を大きく向上させる。表面温度が低下するので、壊滅的な損壊を招きかねない、火炎自体のノズルへの付着傾向が減少するはずである。
【００２０】
第２コーティング層（誘電体の上面に設けられる）はイオン検出電極であり、誘電体層から層間剥離することなく燃焼環境の高温に持ち堪えられる金属材質である。また金属材質は、燃焼火炎に曝されても表面が酸化しにくいものとする。
【００２１】
図３（ａ）では、図１のガスタービン燃料ノズル１０４に設けられた、薄膜コーティングで形成されたイオンセンサの実施の形態の一例を示す。誘電体層１２４はノズル本体１１２に設けられている。一実施の形態における誘電体材質は、アルミナである。燃焼環境での動作に必要な特性を有する別の材質を用いてもよい。コーティングの厚さは用途ごとに異なる。金属層を誘電体層１２４の上に設け、電極１２０、１２２を形成する。ここで留意すべきは、１つの電極だけを必要とする場合もあるということである。コーティングの厚さおよび表面平滑度の要件次第で、仕上げ電極表面を滑らかにして空気乱流を抑制または排除できるよう、ノズル表面金属を図３（ａ）で示す形状にする必要がある場合もある。
【００２２】
また図３（ａ）は、ノズル本体内部からのワイヤをイオン検出電極に接続する方法を示す。本実施の形態では、金属で保護された熱電対ワイヤ組立体１２６をノズル本体に固定する一方、導線１２８を、誘電体層１２４を貫通して導電電極１２０、１２２に導き、電極１２０、１２２に固定する。導電性コーティング１２０、１２２が熱電対ワイヤ組立体１２６の保護材１３０に触れないよう、注意しなくてはならない。ワイヤ組立体１２６は燃焼領域外で電子モジュール１０２まで通される。導線１２８はどの接地面とも接触しない。動作中、電極１２０、１２２は導線１２８を介して充電される。ここで留意すべきは、別の種類のワイヤも使えることである。例えば、高温同軸ケーブルを使ってもよい。
【００２３】
図３（ｂ）は、電極１２０、１２２の別の実施の形態を示し、中央本体１１２の先端全体を用いることで電極１２０の表面積を最大にする。本実施の形態では、最初に誘電体コーティング（例えばアルミナ）をノズル先端の全面に設ける。次に、２つの薄膜イオン検出エレメントで誘電体層１２４の上面を正確に覆い、電極１２０、１２２を形成する。
【００２４】
図４では、ワイヤとの機械的接続が火炎からより離れて実現され、これによって機械的接続にかかる熱応力を低減するような界面１４０を形成するために、コーティングシステムの誘電体層と金属電極層との両方をノズル中央本体１１２まで延在させる実施の形態を示す。
【００２５】
従って、ここまで薄膜コーティングを用いるイオン検出装置およびイオン検出装置への接続方法について説明されたことがわかるであろう。繰り返し熱応力および機械的振動を受けると緩んでしまい、タービンまたはエンジンが、飛散破片による下流での損傷に曝される従来型センサの機械的構成要素（例えば、検出エレメントおよび誘電絶縁体）を本発明では排除できる。コーティングを使用することで、結果的に、機械的コンポーネントシステムに比べて製造コストが低減する。
【００２６】
本明細書中で引用する公報、特許出願および特許を含むすべての文献は、各文献を個々に具体的に示し、参照して組み込むかのように、また、その開示内容のすべてを定義するかのように、ここで参照して組み込まれる。
【００２７】
本発明の説明に関連して（特に以下の請求項に関連して）用いられる名詞および同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限定しない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されるかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中の如何なる言い回しも、本発明の実施に不可欠である、請求項に記載されていない要素を示すものとは解釈されないものとする。
【００２８】
本明細書中では、発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読んだ上で、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。例えば、イオン検出コーティングシステムは、シリンダヘッドのドーム部分、燃料噴射器の先端、その他レシプロのガスまたはディーゼルエンジンの利用可能な表面にも適用できる。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、好ましい実施の形態で考えられるすべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】タービンシステムの一部における本発明の構成要素を示す線図である。
【図２】ノズルシールドに一体化された、本発明のイオンセンサの実施の形態を示す線図である。
【図３】図３（ａ）は、図１の円３−３で示す部分の断面図であり、燃料ノズル本体へ一体化される本発明の一実施の形態に係る電極構成要素を示している。図３（ｂ）は、図１の円３−３で示す部分の断面図であり、燃料ノズル本体へ一体化される本発明のイオンセンサの別の実施の形態を示している。
【図４】イオンセンサコーティング層を燃料ノズル本体まで延在させることによって、機械的接続にかかる熱応力を低減する、本発明の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１００  燃焼環境
１０２  電子モジュール
１０４  燃料ノズル
１０６  燃焼チャンバ
１０８  入口部
１１０  出口ポート
１１２  中央本体
１１４  予混合攪拌機
１２０  電極
１２２  電極
１２４  誘電体層
１２６  熱電対ワイヤ組立体
１２８  導線
１３０  電源
１３２  プロセッサ
１３４  インターフェース
１３６  イオン信号調整モジュール
１３８  通信線
１４０  界面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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