(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主バーナの火炎からの光と点火トーチの火炎からの光とを光プローブの光ファイバにそれぞれ入射してバーナの燃焼を検出するためのバーナ火炎検出器であって、光プローブの光ファイバに、主バーナの火炎からの光を入射する主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチの火炎からの光を入射する点火トーチ用光ファイババンドルとを用い、その主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルとが束ねられて１本の出力用光ファイババンドルが形成されると共に、これら光ファイババンドルが回転可能な光プローブの金属管に、金属管と一体に回転するように収容され、かつ主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルの光入射面が、互いに離れるよう上記金属管の回転中心からずれて配置され、上記出力用光ファイババンドルが、一対のコリメートレンズからなる結合レンズを介して伝送用光ファイバケーブルに光学的に接続されることを特徴とするバーナ火炎検出器。
【請求項２】
主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルとが、可撓性を有するステンレス製チューブ内に収容され、そのチューブが金属管内に収容される請求項１に記載のバーナ火炎検出器。
【請求項３】
点火トーチ用光ファイババンドルの光入射面に視野角大の光学レンズが取付けられ、主バーナ用光ファイババンドルの光入射面に視野角小の光学レンズが取付けられて光プローブが形成されている請求項１又は２のいずれかに記載のバーナ火炎検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主バーナの火炎からの光と点火トーチの火炎からの光とを光プローブの光ファイバにそれぞれ入射してバーナの燃焼を検出するためのバーナ火炎検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電所等のボイラの燃焼機器には、重油等を燃料とする数十個の主バーナと、主バーナを点火するため主バーナの近傍にそれぞれ設けられた点火トーチとが用いられている。この種の燃焼機器は通常、点火トーチを点火した状態で主バーナから燃料を噴出させて点火するようになっているが、何等かの原因で点火トーチや主バーナが点火しなかった場合には、燃料が主バーナや点火トーチの下に蓄積し、引火して爆発するおそれがある。
【０００３】
そこで、本発明者らは燃焼機器には主バーナや点火トーチの燃焼状態を検出するためのバーナ火炎検出器を提案した。
【０００４】
図９は本発明の前提となったバーナ火炎検出器の概念図である。
【０００５】
同図に示すバーナ火炎検出器は、主バーナ１や点火トーチ（図示せず）の火炎２の光を入射した後合波する光プローブ３と、光プローブ３からの光を伝送する伝送用光ファイバケーブル４と、伝送用光ファイバケーブル４で伝送された光を分波して主バーナ１や点火トーチの燃焼を検出する火炎検出盤５とを有している。
【０００６】
光プローブ３は、近視界（視野角が大きい可視視界）６の光学系を有する光ファイバ７と遠視界（視野角が小さい赤外視界）８の光学系を有する光ファイバ９と、二つのダイクロイックミラーからなり両光ファイバ７，９からの白色光線を合波する合波器１０とを有している。近視界６の光学系は点火トーチの火炎の光を検出するため、遠視界８の光学系は主バーナ１の火炎の光を検出するために用いられる。
【０００７】
光プローブ３に設けられた合波器１０で合波された光は、光ファイバケーブル４を介して火炎検出盤５に伝送される。火炎検出盤５に伝送された光は光増幅器１２内の分波器１１で分波される。分波器１１で分波された光のうち可視光は近視界計測回路１４で分析されて点火トーチの火炎の特徴となる信号を抽出する。分波器１１で分波された赤外光は遠視界計測回路１３で分析されて主バーナ１の火炎の特徴となる信号を抽出する。１５は火炎判定回路であり、両視界計測回路１３，１４から抽出された信号の大きさや変化を分析し、主バーナ１や点火トーチに火炎が有るか否かを遠視界及び近視界各々別々に判定する。火炎判定回路１５は、判定後、火炎検出信号（例えば火炎有りの時ＯＮ、火炎無しのときＯＦＦとなるメカニカルリレーのａ接点出力）１６を出力する。図示しない制御回路は火炎判定回路１５からの信号に応じて主バーナ１のバルブを開閉する。
【０００８】
尚、１７は装置異常信号であり、例えば装置異常のときＯＦＦ、正常のときＯＮとなるメカニカルリレーのａ接点出力である。１８はアナログ信号であり、光の計測値及び増幅器の較正値である。１９は光ファイバケーブル４の長さを調整するための光ファイバケーブル溜め、２０は光ファイバケーブル４を保護する金属可撓管であり、ボイラ２１の熱膨張移動に追従し、光ファイバケーブル４に無理がかからないようにするバーナ前光ファイバケーブル可撓管である。２２は光プローブ３を保護するための保護管である。２３は光プローブ３の光学系を炉内ガスから保護するための冷却用空気を供給するための供給口であり、２４は光プローブ３の着脱の際に流し、炉内ガスが噴き出てくるのを防止するためのアスピレート空気導入口である。２５，２６は光コネクタである。
【０００９】
このようなバーナ火炎検出器が作動すると、光プローブ３の光ファイバ９の光学系は主バーナ１の燃焼を監視し、光ファイバ７の光学系は点火トーチの燃焼を監視し、主バーナ１が点火していない場合には、火炎検出盤５から図示しない制御装置に信号が送出されて、主バーナ１のバルブを閉じるようになっている（インターロック）。
【００１０】
ここで、図１０（ａ）、（ｂ）は図９に示した光プローブの拡大図であり、図１１（ａ）、（ｂ）は図１０（ａ）、（ｂ）の平面断面図である。
【００１１】
光プローブ３は、熱ヘッド２７と、熱ヘッド２７に連結された支管２８と、支管２８に連結されると共に熱ヘッド２７を支管２８ごと回転させる回転部２９とで構成されている。熱ヘッド２７には、二つの光学レンズ３０，３１が保持された筐体が並列に配置されている。２本のステンレス製キャピラリー３２，３３内にそれぞれ収容されたシングル光ファイバ７，９の先端部が光学レンズ３０，３１と同軸になるように配置されている。
【００１２】
支管２８の基部に設けられた回転部２９内には、両シングル光ファイバ７，９からの光を合波する合波器１０が収納されている。合波器１０の出射側には光ファイバケーブル４に接続するための光コネクタが設けられている。尚、図は光コネクタがキャップで覆われている状態を示す。
【００１３】
回転部２９を回転させて熱ヘッド２７における視野６を回転移動させることにより、最適な位置での主バーナ１や点火トーチの監視を行うことができるようになっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したシングル光ファイバは、コア径が４００μｍ程度の細いものであり、１本ずつステンレス製のキャピラリー内に収容しなければならず、非常に設計がデリケートであり、光ファイバのメーカでなければ製造できない状況であり、しかも光ファイバが折れやすいため製造中、製造後の取り扱いにはかなりの慎重さが要求されるという問題があった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、製造及び取り扱いが容易なバーナ火炎検出器を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、主バーナの火炎からの光と点火トーチの火炎からの光とを光プローブの光ファイバにそれぞれ入射してバーナの燃焼を検出するためのバーナ火炎検出器であって、光プローブの光ファイバに、主バーナの火炎からの光を入射する主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチの火炎からの光を入射する点火トーチ用光ファイババンドルとを用い、その主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルとが束ねられて１本の出力用光ファイババンドルが形成されると共に、これら光ファイババンドルが回転可能な光プローブの金属管に、金属管と一体に回転するように収容され、かつ主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルの光入射面が、互いに離れるよう上記金属管の回転中心からずれて配置され、上記出力用光ファイババンドルが、一対のコリメートレンズからなる結合レンズを介して伝送用光ファイバケーブルに光学的に接続されるようにしたものである。
【００１７】
上記構成に加え本発明は、主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルとが、可撓性を有するステンレス製チューブ内に収容され、そのチューブが金属管内に収容されるのが好ましい。
【００１９】
上記構成に加え本発明は、点火トーチ用光ファイババンドルの光入射面に視野角大の光学レンズが取付けられ、主バーナ用光ファイババンドルの光入射面に視野角小の光学レンズが取付けられて光プローブが形成されているのが好ましい。
【００２０】
本発明によれば、光プローブの光ファイバの代わりに光ファイババンドルを用いることにより可撓性が生じるので、耐衝撃性が向上し、取り扱いが容易となり、光プローブの製造、取り扱いも容易となり、その結果バーナ火炎検出器の製造が容易となる。
【００２１】
主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルが、可撓性を有するキャピラリーチューブ内に収容され、そのチューブが回転可能な金属管内に収容されると共に光入射面が金属管の中心からずれて配置されている場合には、金属管を回転することにより、バーナの火炎を最適な位置で監視することができる。
【００２２】
主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルとを束ねて１本の出力用光ファイババンドルを形成する場合には、光合波器が不要となり、部品点数、製造工数が減少する。
【００２３】
点火トーチ用光ファイババンドルの光入射面に視野角大の光学レンズが取付けられ、主バーナ用光ファイババンドルの光入射面に視野角小の光学レンズが取付けられて光プローブが形成されている場合には、視野角大の光学レンズにより近距離、すなわち点火トーチの火炎の光を検出することができ、視野角小の光学レンズにより遠距離、すなわち主バーナの火炎の光を検出することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２５】
図２は本発明のバーナ火炎検出器に用いられる光プローブの前半部を示す概観図である。
【００２６】
光プローブ４０は主バーナや点火トーチの近傍に配置され火炎からの光が入射する熱ヘッド４１と、熱ヘッド４１に連結され熱ヘッド４１を支持するための支管４２と、支管４２に連結され熱ヘッド４１を最適な位置に回転させると共にバーナの火炎の光を取り出すための回転部４３とで構成されている。
【００２７】
回転部４３の後端部には光ファイバケーブルコネクタ４４が設けられており、火炎検出器盤（図９参照）５に伝送用光ファイバケーブル４を介して主バーナ１及び点火トーチの火炎の光を伝送するようになっている。尚、火炎検出器盤５については従来と同様のため説明を省略する。
【００２８】
光プローブ４０の内部は図３及び図４に示すようになっている。図３（ａ）及び図３（ｂ）は図２の側面断面図であり、図４（ａ）及び図４（ｂ）は図２の平面断面図である。
【００２９】
図３及び図４に示す光プローブ４０の熱ヘッド４１は、筒状の筐体４５と、筐体４５内に筐体４５の中心軸からずれると共にその中心軸と略平行に配置された視野角大の光学レンズ４６（４６ａ，４６ｂ）及び視野角小の光学レンズ４７と、両光学レンズ４６，４７からの光をそれぞれ入射するように配置された光ファイババンドル４８ａ，４８ｂ，４８ｃとで構成されている。
【００３０】
ここで光学レンズについて説明する。
【００３１】
図５（ａ）は図３（ａ）に示した熱ヘッド内に収容された視野角大の光学レンズ付近の側面拡大断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の平面拡大断面図である。図６は図３（ａ）に示した熱ヘッド内に収容された視野角小の光学レンズ付近の側面拡大断面図である。
【００３２】
視野角大の光学レンズ４６は、図５に示すようにシリンドリカルレンズ４６ａと、シリンドリカルレンズ４６ａの出射側に配置された平凸レンズ４６ｂとで構成されており金属管４９内に保持されており、金属管４９は金属管５０内に保持されており、広い視野角（例えば３７°）を得ることができる。このような視野角大の光学レンズを用いることにより、近距離の火炎（点火トーチの火炎）を監視することができる。
【００３３】
図６に示すように視野角小の光学レンズ４７は平凸レンズからなり、金属管５１内に保持されており、狭い視野角（例えば２．３°）を得ることができる。このような視野角小の光学レンズ４７を用いることにより遠距離の火炎（主バーナの火炎）を監視することができる。
【００３４】
両金属管５０，５１の内径は、光ファイババンドル４８ａ，４８ｂの先端部が挿入できる大きさを有している。
【００３５】
図３、図４に示す支管４２は、光ファイババンドル４８ａ，４８ｂが挿入されたステンレス製チューブ５２を金属管５３内に収容したものである。
【００３６】
ここで、光ファイババンドル４８ａ，４８ｂ及びステンレス製チューブ５２について説明する。
【００３７】
図７は図３（ａ）、（ｂ）に示した光プローブに用いられる光ファイババンドルを収容した可撓性のステンレス製チューブの概観図である。
【００３８】
ステンレス製チューブは２つのファイバスリーブ（例えばステンレス管）５４と、一端（図では左端）がファイバスリーブ５４にそれぞれ連結され可撓性を有する２本の螺旋管（或いはコルゲート管）５５と、両螺旋管５５の他端（図では右端）に連結されたファイバスリーブ５６とで構成されている。
【００３９】
このファイバスリーブ５６内に光ファイババンドル４８ａ，４８ｂ，４８ｃが収納されている。
【００４０】
光ファイババンドル４８ａ，４８ｂは複数（例えば７本）の光ファイバ素線をそれぞれ束ねたものであり（分岐側、０．８ｍｍφ）、かつ、途中で一括されて１本の光ファイババンドル４８ｃを形成している（一括側、１．１ｍｍφ）。光ファイバ素線は、石英コアを中心にして、石英クラッド及びＡｌコーティングで覆われたものである。このため、光ファイババンドル４８ａ，４８ｂ，４８ｃは耐熱性と可撓性を有してしる。
【００４１】
この光ファイババンドル４８ａ，４８ｂ，４８ｃは、分岐側の光ファイババンドル４８ａを伝搬する光と光ファイババンドル４８ｂを伝搬する光とが合波されて一括側の光ファイババンドル（出力用光ファイババンドル）４８ｃから出射するようになっている。また、光ファイババンドル４８ｃ内の光ファイバ素線（１４本）の配置はランダムとなっており、光合波器を用いることなく合波することができるので、その分だけ部品点数や光軸調整等の製造工程が減少する。また、光ファイババンドル４８ａ，４８ｂ，４８ｃが可撓性を有するステンレス製チューブ５２内に収容されているので、耐衝撃性を有し、取り扱いが容易である。
【００４２】
次に回転部について説明する。
【００４３】
図３及び図４に示すように可撓性のステンレス製チューブ５２、ファイバスリーブ５６及び出力用光ファイババンドル４８ｃが回転部４３内に収納されている。出力用光ファイババンドル４８ｃの出射側には図８に示すようなコリメートレンズ５７，５８が設けられている。出力用光ファイババンドル４８ｃから出射した光Ｌが結合レンズ５７，５８で集束されて伝送用光ファイバケーブル４の入射面に入射するようになっている。尚、図８は図４（ｂ）に示した光プローブの回転部に用いられる結合レンズの拡大図である。
【００４４】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、熱ヘッド４１と支管４２とが二点鎖線で示す保護管５９内に挿入されている。保護管５９の後端には保護管アダプタ６０が取付けられており、支管４２の外側には大クランプ６１が取付けられている。大クランプ６１と保護管アダプタ６０との間には保護管５９と外部とを遮断するＶパッキン６２が設けられている。支管４２の後端には筒状の後端フランジ６３が取付けられている。後端フランジ６３にはホースアダプタ６４が取付けられている。ホースアダプタ６４は支管４２を介して外部から熱ヘッド４１の光学レンズ４６ａ，４７の表面に防塵及び冷却用の空気を吹き付けることができるようになっている。これら後端フランジ６３、支管４２、保護管アダプタ６０、Ｖパッキン６２及び大クランプ６１で回転部４３が構成されている。
【００４５】
回転部４３において、大クランプ６１を緩めることにより、回転部４３を手動で回転させることができる。回転部４３を回転させると保護管５９内で光プローブ４０が回転し、回転に伴って熱ヘッド４１内の光学レンズ４６ａの入射角度が変化し、大クランプ６１を締めることにより、回転部４３を最適な位置に固定することができる。尚、回転角度は後端フランジ６３の側面に設けられたスプリングピン６５の位置により知ることができる。
【００４６】
図１（ａ）は本発明のバーナ火炎検出器の光プローブ４０をボイラに取付けた状態を示す概念図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００４７】
ボイラの主バーナ１の近傍に配置された点火トーチ６６の近傍に熱ヘッド４１が位置するように光プローブ４０が保護管５９ごと配置されている。
【００４８】
点火トーチ６６の火炎（二次空気旋回方向が時計回りの点火トーチ火炎）は実線６７で示す位置に限らず、破線６８で示す位置（二次空気旋回方向が反時計周りの点火トーチ火炎）に発生する場合もあるので、光プローブ４０を回転させることにより広角視野を例えば実線６９で示す位置から破線７０で示す位置まで移動させれば点火トーチ６６の火炎の光（主に可視光）を確実に検出することができる。また、主バーナ１の火炎は点火トーチ６６の火炎より大きく、かつ炉内の奥の中央に発生するので、実線７１で示す狭角視野で火炎の光（主に赤外光）を検出することができる。
【００４９】
以上において、本実施の形態によれば、光プローブを光ファイババンドルで形成することにより可撓性が生じるので、耐衝撃性が向上し、光ファイバの取り扱いが容易となり、光プローブの製造、取り扱いも容易となり、その結果バーナ火炎検出器の製造が容易となる。
【００５０】
主バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルが、可撓性を有するステンレス製チューブ内に収容され、そのチューブが回転可能な金属管内に収容されると共に光入射面が金属管の中心からずれて配置されている場合には、金属管を回転することにより、バーナの火炎を最適な位置で監視することができる。
【００５１】
バーナ用光ファイババンドルと点火トーチ用光ファイババンドルとを束ねて１本の出力用光ファイババンドルを形成する場合には、光合波器が不要となり、部品点数、製造工数が減少する。
【００５２】
点火トーチ用光ファイババンドルの光入射面に視野角大の光学レンズが取付けられ、主バーナ用光ファイババンドルの光入射面に視野角小の光学レンズが取付けられて光プローブが形成されている場合には、視野角大の光学レンズにより近距離、すなわち点火トーチの火炎の光を検出することができ、視野角小の光学レンズにより遠距離、すなわち主バーナの火炎の光を検出することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５４】
製造及び取り扱いが容易なバーナ火炎検出器の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のバーナ火炎検出器の光プローブをボイラに設けた状態を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】本発明のバーナ火炎検出器に用いられる光プローブの前半部を示す概観図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は図２の側面断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は図２の平面断面図である。
【図５】（ａ）は図３（ａ）に示した熱ヘッド内に収容された視野角大の光学レンズ付近の側面拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）の平面拡大断面図である。
【図６】図３（ａ）に示した熱ヘッド内に収容された視野角小の光学レンズ付近の側面拡大断面図である。
【図７】図３（ａ）、（ｂ）に示した光プローブに用いられる光ファイババンドルを収容した可撓性のステンレス製チューブの概観図である。
【図８】図４（ｂ）に示した光プローブの回転部に用いられる結合レンズの拡大図である。
【図９】本発明の前提となったバーナ火炎検出器の概念図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は図９に示した光プローブの拡大図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は図１０（ａ）、（ｂ）の平面断面図である。
【符号の説明】
１  主バーナ
４０  光プローブ
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ  光ファイババンドル
５９  保護管
６６  点火トーチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003969806.tif 000009
【図９】
0003969806.tif 000010
【図１０】
0003969806.tif 000011
【図１１】
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