(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を着火するバーナー内の空燃比を制御するための制御システムであって、前記バーナーが可燃性燃料室と空気室とを有している前記制御システムにおいて、
前記可燃性燃料室と前記燃焼室との間の圧力差を測定し、前記測定値を示す第１信号を生成するための燃料差圧感知手段と、
前記空気室と前記燃焼室との間の圧力差を測定し、前記測定値を示す第２信号を生成するための空気差圧感知手段と、
前記バーナーの前記燃料室への燃料の流れを制御するための燃料流量制御手段と、
前記バーナーの前記空気室への空気の流れを制御するための空気流量制御手段と、
前記第１信号と第２信号とをそれぞれ所定のバーナー燃焼速度と燃料差圧との関係を表わす曲線とバーナー燃焼速度と空気差圧との関係を表わす曲線（図２）と比較し、該比較に基いて前記バーナーに送られる前記可燃性燃料と前記空気との比率を所定レベルに維持するための、前記燃料差圧感知手段と、前記空気差圧感知手段と、前記燃料及び空気流量制御手段とに、応答可能に連結されている制御手段と、を備えている制御システム。
【請求項２】
前記空気流量制御手段は、可変速駆動ファンを備えている、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記可変速駆動装置は、発電制動機構を備えている、請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記ファンは、加速及び減速の制御を備えている、請求項２に記載の制御システム。
【請求項５】
燃焼室を着火するバーナー内の空燃比を制御するためのプロセスであって、前記バーナーが可燃性燃料室と空気室とを有している前記プロセスにおいて、
前記可燃性燃料室と前記燃焼室との間の圧力差を測定し、前記測定値を示す第１信号を生成する段階と、
前記空気室と前記燃焼室との間の圧力差を測定し、前記測定値を示す第２信号を生成する段階と、
前記バーナーの前記燃料室への燃料の流れを制御するための燃料流量制御手段を提供する段階と、
前記バーナーの前記空気室への空気の流れを制御するための空気流量制御手段を提供する段階と、
前記第１信号と第２信号とをそれぞれ所定のバーナー燃焼速度と燃料差圧との関係を表わす曲線とバーナー燃焼速度と空気差圧との関係を表わす曲線（図２）と比較し、前記比較に応答して、前記燃料及び空気流量制御手段を介して、前記バーナーへの空気及び燃料の流れを調整する段階と、を備えているプロセス。
【請求項６】
前記空気流量制御手段は、可変速駆動ファンを備えている、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記可変速駆動装置は、発電制動機構を備えている、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
前記可変速駆動装置は、加速及び減速の制御を備えている請求項６に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーナーに、厳密には、バーナーの性能を最適化するためにバーナー内の空燃比を調整するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
紙、フィルム、その他のシート材などで作られた動いているウェブを乾燥させる際には、ウェブ自体やウェブ表面に施されているインク又はコーティングが損傷を受けるのを避けるために、乾燥中は、しばしばウェブを非接触で支持することが望まれる。動いているウェブを非接触で支持し、乾燥するための従来型の装置では、ほぼ水平方向に伸びるウェブの向きに沿って伸張する上下対になった空気のバーが形成される。空気のバーから噴出する高温の空気が、ウェブを浮遊支持し、ウェブの乾燥を促進する。空気のバーは、一般的には、例えば表面のインクを乾燥させた結果としてウェブから放出される揮発分を吸い出す排気送風器によって大気圧よりも僅かに低い圧力に維持することのできる乾燥器ハウジングの内側に配置されている。
【０００３】
そのような乾燥器の一例が米国特許番号第５，２０７，００８号に示されており、その開示を参考文献としてここに援用する。この特許は、組込型アフターバーナー付きの空気浮遊乾燥器を開示しており、乾燥器の中には、ウェブ上のコーティングを非接触で乾燥するために、複数の空気のバーが移動中のウェブの上下に配置されている。具体的には、空気のバーは、精巧なヘッダシステムと空気を受け取る形で連通しており、バーナーで加熱された空気をウェブに吹き付け、ウェブが乾燥器の囲壁区画の中を通ってゆく際にウェブを支持し、乾燥する。
【０００４】
再生式加熱装置は、普通、汚染された処理ガスを焼却するのに用いられる。このために、汚染された空気のようなガスは、先ず高温の熱交換床を通され、続いて連通する高温酸化（燃焼）室へ送られ、次に比較的低温の第２熱交換床へと送られる。この装置には、中に熱交換媒体が入った内部的に断熱されている多数の熱回収コラムが備えられており、この熱回収コラムは内部的に断熱された燃焼室に連通している。処理ガスは、多数の油圧又は空圧駆動の（ポペットバルブのような）流量制御バルブを備えた吸気マニホルドを通して酸化装置内へ送られる。処理ガスは、次に、先に述べた回収サイクルからの「蓄」熱を有する熱交換媒体へと送られる。その結果、処理ガスは、媒体によって酸化温度近くにまで加熱される。酸化は、１つ又はそれ以上のバーナーが（望ましくは、燃焼室の温度を所定の適切な作動温度にするために、作動開始のための熱を提供するためだけに）配置されている燃焼室を、ガスの流れが通過する際に完了する。処理ガスは、ガス内の揮発性要素を完全に破壊するのに十分な時間、作動温度に維持される。酸化処理の間に放出される熱は燃料として働き、必要なバーナー出力を低減する。処理ガスは、燃焼室から、熱交換媒体を含むもう１つのコラムを通って流れるので、冷却され、ガスから取り出される熱は媒体内に蓄熱されて、流量制御バルブが反転された際に、後に続く吸入サイクルで利用される。結果的に清浄となった処理ガスは、排気バルブを経由して排気マニホルドへ送られ、概略、吸気よりも僅かに高い温度で大気中に放出されるか、又は酸化装置の入口へ戻されて再循環される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃焼科学によれば、各型式のバーナー炎（例えば、予混合炎、拡散炎、渦流炎など）は、所与の燃焼速度に対し、それぞれ異なる、燃料の燃焼空気に対する最適バーナー圧力比で燃焼するが、それによって、バーナーの燃焼排気ガス内の最適な化学量論的低放出濃度が決まる。従って、バーナーに関して、所望の最適バーナー空燃圧力比を制御又は維持することが重要である。バーナー出力の全範囲に亘ってバーナー空燃比の厳密な調整に失敗すると、火炎品質及び安定性の低下（フレームアウト、黄炎など）や、過度の汚染（高ＮＯX、ＣＯ）に繋がる可能性がある。
【０００６】
この目的で、米国特許第４，６４５，４５０号は、バーナーへの空気及び燃料の流れを制御するための流量制御システムを開示している。差圧センサーが、バーナーへ空気及び燃料を送る空気流及びガス流導管内に配置されている。空気及び燃料流の最適な差圧は、実験及び燃焼排気ガスの分析によって決定され、マイクロプロセッサ内に記憶される。これらの最適値と作動中の測定値とを比較し、その比較に基づいて各バルブを開閉することによって、バーナーへの空気及び／又は燃料の流れが調整される。このシステムは、バーナーに掛かる背圧は感知しない。このシステムは又、バーナーへ入る燃料のレートを示す燃料流「信号」を生成するが、バーナーの中の燃料のレートを示すものではない。
【０００７】
従来型システムに用いられている機械式バルブは、空気と燃料の容積流量を制御するために、調整可能なカムとリンク機構により接続されている。しかし、大気圧及び／又は温度変化によって空気密度が変われば、空燃比が乱れる。更に、機械式バルブは、時間の経過によりカム及びリンク機構の磨耗と固着に曝されるので、装置を調節するためにかなりの技術が必要である。質量流測定装置を使っているシステムは、コスト高で利用し辛い。
【０００８】
従って、本発明の目的は、燃焼速度の全範囲に亘って、バーナー内の燃料と空気の混合を最適化することである。
本発明のもう一つの目的は、バーナーの制御システムを提供し、それによってバーナーの効率を高めることである。
【０００９】
本発明の更なる目的は、バーナーの燃焼排気ガスの放出を減じることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従来技術の問題は、例えば、ウェブ乾燥機、或いは再生式又は復熱式酸化装置用のバーナーの空気／燃料の混合を調整するための制御システムと方法を提供する本発明により克服される。バーナーの空気室と、（浮遊乾燥機又は再生式熱酸化装置の燃焼室のような）バーナーが着火する囲壁区画との間で、空気圧力差がモニターされる。燃料の流れは、バーナーの燃料室と、バーナーが着火する囲壁区画との間の差圧を測定することによってモニターされる。これらの測定値は所定値と比較され、それに従ってバーナーへの燃料の流れ及び／又は空気の流れが調整される。バーナーを迅速かつ正確に調節し、電気エネルギーの使用を低減するするために、空気の流れは、ダンパーではなく、加速及び減速両方の制御ができる可変速駆動制御モーターを備えた燃焼送風機によって調整される。更に、好適な駆動には、より精密に制御するための発電制動技術を組み込んでおくのが望ましい。モーターが急速に減速するときに生じる高ＤＣバス電圧を迅速に放散するには、発電制動が望ましい。超過した電圧を制動抵抗器に掛けると、モーターをより迅速に減速することができる。本発明は、バーナーハウジング自体を用いて空気と燃料の流量を直接測定し、それにより高価な流量測定装置を省略する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
先ず図１に、燃料入口１２と空気入口１４を有するバーナーを、全体として参照番号１０で示す。これら両入口は、それぞれ燃料及び空気の供給源に、例えば好適なそれぞれの導管によって接続されている。適切な可燃性燃料であれば、例えば、天然ガス、プロパン、燃料油のようなどんなものでも、バーナーの燃料源として用いることができる。好適な燃料は天然ガスである。バーナーは、囲壁区画、即ち室１５に取り付けた状態で示している。本発明のある適用例では、囲壁区画１５は、空気浮遊ウェブ乾燥機のハウジングである。本発明の別の適用例では、囲壁区画１５は、再生式熱酸化装置の燃焼室である。囲壁区画１５の上記例は単なる例であって、当業者には、本発明が、記載されているこれらの例以外にも適用できることを理解頂けるであろう。圧力ポート１７が囲壁に設けられており、後に説明するように、燃料の圧力センサーと空気の圧力センサーを選択的に繋ぐための場所を提供している。このポートは、囲壁区画の圧力変化に迅速に応答するために、バーナー近くに配置しなければならない。通常、このポート１７は、バーナー装置から１２インチ内に配置すべきである。バーナー１０は、図示のように、燃料圧力ポート１８と空気圧力ポート１９を備えている。当該技術で広く行われているように、バーナー１０は、空気室２１と燃料室２２を備えている。
【００１２】
次に、図３を参照しながら、燃料流及び空気流を示す手段について説明する。図示のように、燃料差圧センサー３０は、バーナー１０と、厳密にはバーナー１０の燃料室２２と連通している。更に、燃料差圧センサーは、圧力ポート１７を通して囲壁区画と連通している。燃料差圧センサー３０は、コントローラー５０とも連結されているが、コントローラーは、通常、メモリを有するマイクロプロセッサを含んでおり、プログラム可能な論理コントローラー（ＰＬＣ）であるのが望ましい。燃料差圧センサー３０は、バーナー１０の燃料室２２と囲壁区画１５との間の圧力差を感知し、その差を示す信号をコントローラー５０へ送る。
【００１３】
空気差圧センサー３２は、図示のように、バーナー１０と、厳密にはバーナー１０の空気室２１と連通している。更に、空気差圧センサー３２は、圧力ポート１７を通して囲壁区画１５と連通している。空気差圧センサー３２は、コントローラー５０とも連結されている。空気差圧センサー３２は、バーナー１０の空気室２１と囲壁区画１５との間の圧力差を感知し、その差を示す信号をコントローラー５０に送る。囲壁区画１５内には、温度センサーＴも備えられており、バーナー１０の出力を調節するためにマイクロプロセッサ即ちコントローラー５０と連結されている。
【００１４】
空気と燃料の差圧が分かれば、バーナーの空燃比を、所望のバーナー燃焼範囲に亘って正確に調整できるようになる。図２から、空気／燃料の差圧の比率は、燃焼速度の範囲に亘って一定ではないことが分かる。従って、正確な調整には、比例又は線形制御システムは適していない。図示の曲線を正確に追跡するためには、非線形制御システムが必要である。バーナー１０が着火する囲壁区画、即ち室１５内の圧力を感知して、バーナーへの空気と燃料の流れを調整する際に室１５の圧力の変化を考慮することが重要である。囲壁区画の圧力は、バーナーの炎の安定性、バーナーの出力、及び空燃比に影響を及ぼす。適切なものであればどのような圧力センサーを用いてもよいが、差圧トランスジューサを用いるのが望ましい。
【００１５】
本発明の好適な実施形態では、制御バルブ４５が、バーナー１０の燃料室２２への燃料の流れを調整する。バルブ４５は、コントローラー５０と電気的に連結されている。バーナーへの空気の流れは、燃焼送風機、最も好適には可変速駆動の被駆動ファン４０、を使って調整される。ファン４０は、適切な管路（図示せず）を通してバーナー１０の空気室２１と流体連通している。ファン４０用の駆動装置４１は、図示のようにコントローラー５０と電気的に連結されている。加速及び減速制御のできる可変速駆動ファンを使えば、ダンパーとアクチュエータで空気の流れを調整するシステムと比較して、バーナーの燃焼速度が変化する間に、空燃比をより適切に調節し、電気を節約することができる。正確な空燃比制御を損なうことなく、より迅速なバーナー調整を行うことができる。更に、可変速モーターを使って火炎出力を制御すると、ダンパーによって生じる流れの外乱がなくなり、それによって、高速燃焼時に空気の流れによって生じるノイズが大幅に減少する。通常、バーナー作動の殆どは低速燃焼であるが、この間でも、本発明のモーター駆動装置は、ダンパーを備えた定速モーターよりもエネルギー効率が良く、静かである。
【００１６】
作動中、本システムは、バーナーの空気室２１と囲壁区画１５内との間の空気差圧をモニターする。更に、燃料の流れも、バーナーの燃料室２２と囲壁区画１５内との間の差圧測定によってモニターされる。これらの差圧測定値を示す信号は、コントローラー５０へ送られ、そこで、実験値又はバーナー燃焼速度に基づく製造元支給の曲線（図２Ａ，２Ｂ）と比較される。
【００１７】
大気圧又は温度の変化により燃焼ファンに流入する空気の密度が変化すれば、空気差圧センサーが圧力の変化に関連した対応する密度を検出し、ファン出力を調整して変化を補正する。
【００１８】
空燃比をバーナーに対し適切に調整すると、バーナーの作動効率が良くなり、排気が最少となる。これは、バーナーの火炎長を短く保つことにもなり、バーナーをファン入口に近接して配置する必要のあるドロースルー加熱乾燥システムでは特に有利になる。火炎長が長い場合、火炎がファンの構成要素に当たると温度勾配が急になるため、入口の円錐部とファンのホイールに損傷を与えることにもなりかねない。
【００１９】
従来型の機械制御システムを凌ぐこのシステムのもう１つの利点は、プロセス内の何時でも、或いは、作動の何れの時点でも空燃比を変えることができるという点である。これにより、酸化装置は、始動の間はある比率で稼働し、実際の作動サイクルの間は別の比率で稼働できるようになる。機械的な空気／燃料調整システムでは、作動中の変化に、容易に或いはコスト効率良く対応することは出来ないであろう。更に、バーナーの物理的な設定を変更する必要無しに、燃料型式の変化に対応できるようになる。
【００２０】
【実施例】
ＮＯx、ＣＯ及びＣＨ4の排出に関するバーナーの最適性能を求めるために、ＰＬＣ制御によって、バーナーをパイロットモードで始動し、次にバーナーへの出力を０から１００％まで線形に上げ、それからパイロット状態に戻した。全ての信号をＰＬＣへ送った。対応するデータを、ＰＬＣから、直接データ交換（ＤＤＥ）リンクを介して、マイクロソフトＥＸＣＥＬを実行中のパーソナルコンピュータに、１秒の時間サンプル間隔で抽出した。携帯型Enerac燃焼アナライザでＮＯx及びＣＯ信号を生成した。携帯型ＦＩＤアナライザを使って、ＣＨ4ｐｐｍ信号を生成した。バーナーの空気温度コントローラー出力（空気ＴＩＣ  ＣＶ（％））、バーナーガス差圧セットポイント（ＳＰ）、バーナーガス差圧プロセス変数（ＰＶ）、バーナーガス差圧コントローラー出力（％）、バーナー空気差圧セットポイント（ＳＰ）、バーナー空気差圧プロセス変数（ＰＶ）、及びバーナーガス差圧コントローラー出力（％）を、同時サンプリングベースを使って、ＣＯ及びＮＯx測定値と共に記録し、図４、５、６に示すように、対応するグラフをプロットした。ガス／空気圧力比率値を、ＥＸＣＥＬの表計算で計算した。
【００２１】
図４は、燃料／空気圧力比を約２．２に保てば、ＮＯxが低くなることを示している。図５は、瞬間制御装置を有するバーナーを用いたデータを示している。燃料／空気圧力比を約２．２に保てば、未燃メタンが１０ｐｐｍ未満となることが分かる。図６は、全バルブ開度範囲に亘ってＣＯが実質的にゼロｐｐｍであることを示している。この場合も、バルブ開度が小さい範囲、概略１０％未満を除いて、燃料／空気圧力比が約２．２である。
【００２２】
図７は、全バルブ範囲に亘って、実際の空気圧対所望セットポイントを追跡した結果を示している。図８は、全バルブ範囲に関する所望のセットポイントに亘って、実際のガス圧を追跡した結果示している。これらのデータは、制御装置が非常に上手く追跡していることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるバーナーの断面図であり、囲壁区画に取り付けられた状態を示している。
【図２】  製造元支給の、バーナー用の空気と燃料の設定のグラフであり、図２Ａは空気の設定、図２Ｂは燃料の設定と燃焼速度の関係を示す対数軸表示の曲線である。
【図３】  本発明による制御システムの概略図である。
【図４】  様々な空燃比におけるバーナーのＮＯx放出を示すグラフである。
【図５】  様々な空燃比におけるバーナーのメタン放出を示すグラフである。
【図６】  様々な空燃比におけるバーナーの一酸化炭素放出を示すグラフである。
【図７】  全バルブ開度範囲に亘って、実際の空気圧を所望の目標値と比較したグラフである。
【図８】  全バルブ開度範囲に亘って、実際の燃料圧を所望の目標値と比較したグラフである。
【図１】
0005025060.tif 000002
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005025060.tif 000007
【図６】
0005025060.tif 000008
【図７】
0005025060.tif 000009
【図８】
0005025060.tif 000010