(57)【要約】【課題】  効率的な冷却とともに観察窓の汚損を防止して長期に亘る安定した測定に資することができる光学式計測プローブの冷却構造を提供する。【解決手段】レーザ光４を出入射するＬＤＶプローブ２２を収納して内部に冷却用の空気を流通させるようにした内筒２１と、内筒２１との間の空間で冷却水が供給される冷却ジャケット２７を形成した外筒２６と、ＬＤＶプローブ２２の前方に配設されている観察窓３０と、観察窓３０の前面側にパージ用の空気を噴射するスリット部３１と、観察窓３０を一部覆うとともに観察窓３０の径方向におけるスリット部３１の配置径Ｒと孔３３ａの径ｒと関係がＲ＞ｒとなるように構成した輻射遮蔽板３３とを有する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面から光を出射及び／又は入射する光学式計測プローブを支持部材を介して支持するとともに後端から導入した冷却用の気体を前端側に向けて軸方向に流通させることにより前記光学式計測プローブの外周面と接触させるようにした内筒と、
前記内筒の外周面側を取り囲むとともに前記外周面と内周面との間の空間で冷却液が供給される冷却ジャケットを形成した外筒と、
前記内筒において前記光学式計測プローブの前方に配設されている透明部材の観察窓と、
前記内筒の前端に臨み前記気体を前記観察窓の外周側から前面側に噴射するスリット部と、
前記光の出射乃至入射を許容するための孔が中央部に形成された環状部材であって、前記スリット部の前方に配設されて前記観察窓を一部覆うとともに、前記観察窓の径方向における前記スリット部の配置径Ｒと前記孔の径ｒとの関係がＲ＞ｒとなるように構成した輻射遮蔽板とを有することを特徴とする光学式計測プローブの冷却構造。
【請求項２】
請求項１に記載する光学式計測プローブの冷却構造において、
前記輻射遮蔽板の孔の径は出射乃至入射される光の径より若干大きくなるように構成したことを特徴とする光学式計測プローブの冷却構造。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する光学式計測プローブの冷却構造において、
前記スリット部は前記気体を前記観察窓の表面に平行に噴出するように構成したことを特徴とする光学式計測プローブの冷却構造。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載する光学式計測プローブの冷却構造において、
前記光学式計測プローブはレーザドップラ流速計のプローブであることを特徴とする光学式計測プローブの冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式計測プローブの冷却構造に関し、特に火炉等の高温場において粒子の挙動を計測するレーザドップラ流速計（以下，ＬＤＶと略称する）等の光学式計測プローブの冷却構造に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
火力発電用燃料として汎用されている微粉炭の火炉中における燃焼は、微粉炭粒子の気相への拡散、揮発分の放出、揮発分燃焼、チャー燃焼といった、気体燃焼や液体燃焼にはない燃焼過程が相互に作用しながら同時に起こる非常に複雑な現象である。したがって、現状における微粉炭の燃焼技術開発は経験工学的に行われることが多く、煩雑な実験を伴うだけでなく、多大なコストと期間が必要になる。
【０００３】
このような微粉炭燃焼の技術開発の効率的な推進には、燃焼場を乱すことなく、火炎内の粒子速度等の粒子挙動を把握する必要がある。かかる用途に最適な計測装置の一つとしてＬＤＶが存在する。このＬＤＶは複数のレーザ光を用いて流れを乱すことなくレーザ光が交わる点（焦点）における粒子の速度を測定する装置であり、レーザ光はＬＤＶプローブから観察対象に向けて照射される。したがって、火炉壁から粒子の速度を測定する点までの距離がＬＤＶプローブからレーザ光の焦点までの距離（焦点距離）よりも長い場合、ＬＤＶプローブは高温場である火炉内に臨ませる必要がある。このため、ＬＤＶプローブは何らかの冷却手段と一体にした状態で火炉等の高温場に挿入する必要がある。
【０００４】
なお、この種の測定に関する類似の技術を開示する公知文献として特許文献１及び特許文献２を挙げることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６６９４１号公報
【特許文献２】特開平０６−３０８１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の如く火炉内における微粉炭燃焼の際の粒子の挙動を観察する際に適用するＬＤＶプローブは、高温に弱い光学部品が破損しないためにはもちろん、高精度の測定を行うためにもその適切な冷却を行う必要がある。また、レーザ光の出射乃至入射を継続的に良好に行わせるためには、観察窓の汚損を可及的に防止する必要がある。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑み、効率的な冷却とともに観察窓の汚損を防止して長期に亘る安定した測定に資することができる光学式計測プローブの冷却構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
前面から光を出射及び／又は入射する光学式計測プローブを支持部材を介して支持するとともに後端から導入した冷却用の気体を前端側に向けて軸方向に流通させることにより前記光学式計測プローブの外周面と接触させるようにした内筒と、
前記内筒の外周面側を取り囲むとともに前記外周面と内周面との間の空間で冷却液が供給される冷却ジャケットを形成した外筒と、
前記内筒において前記光学式計測プローブの前方に配設されている透明部材の観察窓と、
前記内筒の前端に臨み前記気体を前記観察窓の外周側から前面側に噴射するスリット部と、
前記光の出射乃至入射を許容するための孔が中央部に形成された環状部材であって、前記スリット部の前方に配設されて前記観察窓を一部覆うとともに、前記観察窓の径方向における前記スリット部の配置径Ｒと前記孔の径ｒと関係がＲ＞ｒとなるように構成した輻射遮蔽板とを有することを特徴とする光学式計測プローブの冷却構造にある。
【０００９】
本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する光学式計測プローブの冷却構造において、
前記輻射遮蔽板の孔の径は出射乃至入射される光の径より若干大きくなるように構成したことを特徴とする光学式計測プローブの冷却構造にある。
【００１０】
本発明の第３の態様は、
第１の態様又は第２の態様に記載する光学式計測プローブの冷却構造において、
前記スリット部は前記気体を前記観察窓の表面に平行に噴出するように構成したことを特徴とする光学式計測プローブの冷却構造にある。
【００１１】
本発明の第４の態様は、
第１の態様乃至第３の態様の何れか一つに記載する光学式計測プローブの冷却構造において、
前記光学式計測プローブはレーザドップラ流速計のプローブであることを特徴とする光学式計測プローブの冷却構造にある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、内筒内に導入される冷却用の気体で直接光学式計測プローブを冷却するとともに、冷却ジャケットを流通する冷却液で内筒を介して前記気体を冷却することにより間接的に光学式計測プローブを冷却することができる。この結果、光学式計測プローブの効果的な冷却を行うことができる。
【００１３】
同時に、冷却用の気体は、スリット部を介して観察窓の前面側に噴射されるので、観察窓に対する石炭灰等の付着による汚損を効果的に防止し得る。ここで、観察窓の前方にはスリット部の配置径Ｒと孔の径ｒとの関係がＲ＞ｒとなるように構成した輻射遮蔽板が配設されているので、スリット部から噴射される冷却用の気体は、輻射遮蔽版の近傍に浮遊する石炭灰等の汚損物質を巻き込むことなく、前記孔を介して高温場に向けて排出される。この結果、輻射遮蔽板の近傍の汚損物質の観察窓に対する付着を防止してより確実に観察窓の汚損を防止し得る。さらに、輻射遮蔽板は測定対象外の高温場からの輻射の一部を遮断して輻射熱による観察窓、延いては光学式計測プローブの温度上昇を効果的に防止し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本形態は微粉炭ボイラにおいて微粉炭粒子の挙動を観察するためのＬＤＶのプローブに適用したものである。勿論、ＬＤＶ乃至ＬＤＶプローブに限定するものではない。光の出射乃至入射を伴う光学式計測装置乃至光学式計測プローブであれば同様に好適に適用し得る。
【００１５】
図１は本実施の形態に係るＬＤＶプローブの冷却構造を適用した微粉炭ボイラを概念的に示す説明図である。同図に示すように、火炉１には燃料としての微粉炭が供給される。火炉１内に供給された微粉炭はバーナー２で形成される火炎３により燃焼されて蒸気を発生させる。本形態に係る冷却構造Ｉの内部に収納されたＬＤＶプローブ（図１には図示せず）は火炎３により燃焼される微粉炭の挙動を観察すべく観察窓（図１には図示せず）を火炎３に向けて先端部が火炉１内に臨んでその炉壁に配設されている。したがって、冷却構造Ｉ及びＬＤＶプローブの火炉１内に臨む部分は高温環境に晒される。
【００１６】
ここで、本形態の冷却構造を適用するＬＤＶシステムについて説明しておく。図２はＬＤＶシステムの光学系を示す説明図である。同図に示すように、当該光学系は、レーザ光４を導入する送光系レンズ５、散乱光の受光系レンズ６及び受光系レンズ６で集光した散乱光（レーザ光４）を測定部（図示せず）に送出する光ファイバ７で構成されている。ここで、レーザ光４は、ビームスプリッタ（図示せず）で２本に分離されるとともに送光系レンズ５によって集光され、その交差部が光強度の明暗の干渉縞（フリンジ）をもつ測定点８となる。この測定点８を通過する流れ９に追従する粒子は、干渉縞に対応した光を散乱し、その散乱光は受光系レンズ６を介して測定部に送出されることにより電気信号（ドップラバースト信号）に変換され、その周波数（ｆｄ〔１／ｓ〕）を求めることにより粒子速度を決定する。
【００１７】
測定点８の詳細とドップラバースト信号との関係を図３に示す。同図（ａ）に示すように、２本のレーザ光４，４の偏波面が一致している場合、測定体積（図中の楕円領域）１０には入射したレーザ光４の波面の干渉によって、水平方向に明暗の干渉縞（フリンジ）１１が形成される。この干渉縞１１の間隔（δｆ〔ｍ〕）は、レーザ光４の波長及び２本のレーザ光４，４の交差角度によって幾何学的に決定される。一方、同図（ｂ）に示すように、ドップラバースト信号の山の部分は、干渉縞１１の明の部分に相当するため、この山と山の間隔Δｔ（＝１／ｆｄ）を求めることにより、粒子１２の速度を測定することができる。すなわち、粒子１２の速度Ｖは次式で与えられる。
【００１８】
Ｖ＝δｆ・ｆｄ＝δｆ／Δｔ
【００１９】
図４は上述の如き測定原理により粒子１２の流速を測定するＬＤＶのプローブを保護する本形態に係るＬＤＶプローブの冷却構造を縦断面で示す説明図である。この場合のＬＤＶは受光系もレーザ側にある後方散乱型のＬＤＶである。
【００２０】
図４に示すように、内筒２１はＬＤＶプローブ２２を支持部材２３を介して支持するとともに、その後端を閉塞する蓋部２４を貫通してこの蓋部２４に固着した空気導入口２５を有している。内筒２１の内部に導入した冷却用の空気は、図中に実線の矢印で示すように、軸方向に沿い前端側に向けて流通させるように構成してある。この結果、ＬＤＶプローブ２２の外周面は冷却用の空気と直接接触して冷却される。ここで、ＬＤＶプローブ２２は２本のレーザ光４を、これらが測定点８で交差するようにその前面から出射するとともに、測定点８における後方散乱光をその前面から入射し、光ファイバ７を介して測定部（図示せず）に送出する。
【００２１】
外筒２６は内筒２１の外周面側を取り囲むとともに内筒２１の外周面と外筒２６の内周面との間の空間で冷却ジャケット２７を形成している。この冷却ジャケット２７には、冷却水供給口２８を介して冷却水が供給される。冷却ジャケット２７内に供給された冷却水は、図中に点線の矢印で示すように冷却ジャケット２７内を流通した後、冷却水排出口２９を介して外部に排出される。この結果、冷却ジャケット２７を流通する冷却水で内筒２１を介して冷却用の空気を冷却することにより、間接的にＬＤＶプローブ２２を冷却する。
【００２２】
観察窓３０は、透明部材である石英ガラスで形成したものであり、内筒２１においてＬＤＶプローブ２２の前方に配設されている。具体的には、観察窓３０は内筒２１内を流通してきた冷却用の空気をスリット部３１に向けて流通させるための孔３２ａを有する支持部材３２と冷却ジャケット２７の前端部との間でその外周部が挟持されている。この結果、ＬＤＶプローブ２２から照射したレーザ光４，４は観察窓３０を介して測定点８に照射されるとともに、測定点８における流れ９に乗る粒子１２で反射された後方散乱光として観察窓３０を介してＬＤＶプローブ２２に入射される。ＬＤＶプローブ２２に入射された後方散乱光は光ファイバ７を介して遠隔の測定部（図示せず）に送出される。同時に、観察窓３０は測定点８を含む高温場（火炉内）からの輻射を減衰してＬＤＶプローブ２２の温度上昇を低減する機能も有している。
【００２３】
スリット部３１は内筒２１の前端に臨み冷却用の空気を観察窓３０の外周側から前面側に噴射する。かくして、火炉等の高温場に浮遊している汚損物質（微粉炭ボイラの場合は石炭灰）が観察窓３０の表面に付着して、この観察窓３０の表面を汚損するのを防止している。すなわち、スリット部３１を介して噴射する冷却用の空気を汚損物質のパージ用の気体としても利用するようになっている。かかる構造により、レーザ光４，４の観察窓３０部分における減衰を可及的に低減することができる。
【００２４】
ここで、本形態におけるスリット部３１は冷却用の空気が観察窓３０の表面に平行に噴出されるように構成してある。このように構成することで最も効率よく観察窓３０の表面に対する汚損物質の付着を防止し得る。ただ、このように構成することは必須ではない。観察窓３０の外周側から前面側に空気を噴射すれば観察窓３０の表面に対するある程度の付着防止機能は得られるからである。
【００２５】
輻射遮蔽板３３は、レーザ光４，４の出射乃至入射を許容するための孔３３ａが中央部に形成された環状部材であって、スリット部３１の前方に配設されて観察窓３０を一部覆っている。ここで、観察窓３０の径方向におけるスリット部３１の配置径Ｒと孔３３ａの径ｒとの関係はＲ＞ｒとなるように構成してある。このことにより、スリット部３１から噴射される冷却用の空気は、輻射遮蔽板３３の近傍の高温ガス等を巻き込むことなく、孔３３ａを介して高温場に向けて排出される。この結果、輻射遮蔽板３３の近傍の石炭灰や粒子１２等の汚損物質の観察窓３０に対する接触を防止してより確実に観察窓３０の汚損を防止し得る。また、輻射遮蔽板３３は測定対象外の高温場からの輻射の一部を遮断して輻射熱による観察窓３０、延いてはＬＤＶプローブ２２の温度上昇を効果的に防止し得る。ここで、孔３３ａの径ｒは出射乃至入射されるレーザ光４，４の径より若干大きくなるように構成してある。このことにより、輻射遮蔽板３３による輻射の遮断を最も効率よく行うことができる。
【００２６】
かかる本形態において、ＬＤＶプローブ２２は観察窓３０を介してレーザ光４，４の照射及び散乱光の受光を行う。このとき、冷却ジャケット２７の内側の内筒２１に冷却用の空気を供給し、ＬＤＶプローブ２２の表面に沿って流れるようにして冷却効果を高めている。冷却後の空気は、スリット部３１から観察窓３０の前面側に噴射されることによりこの観察窓３０の表面に石炭灰等の汚損物質が付着するのを防止する。また、観察窓３０から少し離れた前方位置に配設されている輻射遮蔽板３３の孔３３ａの開口部は冷却用の空気の最終的な出口となっており、その半径ｒはスリット部３１の配置径Ｒよりも小さくなっている。このように、観察窓３０から少し離れた位置で空気の出口を絞ることにより、外部ガス等の巻き込みを良好に防止することができる。かかる巻き込みを防止することによっても石炭灰の粒子１２等の観察窓３０に対する付着を防止することができる。なお、かかる巻き込み防止効果はスリット部３１から孔３３ａに至る部分の内周面がＲ部となっているのが望ましい。この部分での渦の発生を低減し外部からの汚損物質の巻き込みを確実に防止し得るからである。
【００２７】
さらに、輻射遮蔽板３３の孔３３ａの径ｒは、レーザ光４，４が通過できる最小半径となっているので、測定対象とは関係のない部分からの輻射がＬＤＶプローブ２２に与える影響を可及的に小さくすることができる。ＬＤＶプローブ２２に入ってくる周囲からの輻射熱量を小さくすることでＬＤＶプローブ２２の温度上昇を抑制する効果がある。また、周囲からの輻射はＬＤＶ計測時に悪影響を及ぼすが、この一部を輻射遮蔽板３３で遮断することにより、ＬＤＶ計測の可能範囲を広げることができる。ちなみに、周囲からの輻射は測定対象からの散乱光を受光する際にノイズとなる。また、ＬＤＶプローブ２２の内部に輻射が入射することにより、ＬＤＶプローブ２２の内部の光学部品の温度が上昇して、レーザ４，４の光軸がずれ、測定体積が減少する等の問題を生起するが、かかる問題も回避し得る。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は高温場の粒子の挙動を観察するための計測機器を製造・販売する産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係るＬＤＶプローブの冷却構造を適用する微粉炭ボイラを概念的に示す説明図である。
【図２】ＬＤＶシステムの光学系を示す説明図である。
【図３】ＬＤＶシステムにおける測定点の詳細とドップラバースト信号との関係を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るＬＤＶプローブの冷却構造を縦断面で示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１          火炉
８          測定点
１１          干渉縞
１２          粒子
２１          内筒
２２          ＬＤＶプローブ
２３          支持部材
２６          外筒
２７          冷却ジャケット
３０          観察窓
３１          スリット部
３３          輻射遮蔽板
３３ａ        孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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