JP3645029B2 - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として、家庭用、または業務用の給湯、暖房に適用する触媒燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
白金やパラジウム等の貴金属触媒をコージライト等の坦体に担持した触媒体を触媒燃焼させ、熱交換器を設けて燃焼熱を水等の被加熱流体に伝熱し、給湯や暖房に適用する触媒燃焼装置が提案されている。触媒燃焼は燃焼温度が低いため、窒素酸化物（以下、ＮＯｘとする）がほとんど発生しないという大きな利点があり、希薄燃焼も可能で燃焼安定性も優れている。そして触媒燃焼開始時は予熱バーナで燃料ガスと空気との混合ガスを火炎燃焼させて触媒体を活性化温度以上に加熱した後、その混合気の供給を停止して予熱バーナの火炎を消炎させ、再び、混合気を供給して触媒燃焼させ、あるいは他の方法としては、火炎燃焼させずに、電気ヒーター等で触媒体を昇温した後、混合気を触媒体に通過させ、触媒燃焼させていた。また、給湯や暖房能力を高めるために、触媒の劣化を抑制できる範囲で触媒体温度を高めたり、触媒体の赤熱面積を増加させる方法が適用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来例の触媒燃焼装置には以下に説明する課題がある。まず、触媒燃焼はＮＯｘを発生しないという大きな利点がある反面、燃焼温度が低いため、被加熱流体への熱交換量を増加させようとすると、触媒体が大きくなり、機器全体として小型化が困難であり、液体燃料の場合には気化後、燃料が再凝縮したり、タールを発生しやすかった。また、触媒燃焼開始時に予熱バーナで火炎燃焼させた後、混合気の供給を停止して予熱バーナの火炎を消炎させ、再び、混合気を供給して触媒燃焼させる方法は制御が複雑になりやすく、また火炎燃焼させずに、電気ヒーター等で触媒体を昇温しようとすると、立ち上げ時間が長くなるという課題があった。また、触媒体を大きくしたり、被加熱流体への熱交換量を増加させようとすると、特に低燃焼量領域で燃焼安定性が不十分となり、燃焼量可変範囲（以下、ＴＤＲとする）を拡大し難かった。
【０００４】
本発明は、この様な従来の触媒燃焼装置の課題を考慮し、輻射受熱体への放射伝熱特性を維持した状態で液体燃料の再凝縮やタール発生を抑制することができ、また触媒体上流面における燃焼反応が阻害されることがなく、被加熱流体への熱交換量を増加させても燃焼安定性を確保することが可能となる触媒燃焼装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【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、第一の手段として、通気性を有する触媒体と、触媒体の上流面に対向する受熱面を有する輻射受熱体と、輻射受熱体に設けた熱交換部と、触媒体に送る液体燃料の気化部と、輻射受熱体の触媒体側に受熱面と空間を介して位置させた熱線透過体を設けた触媒燃焼装置とする。
【０００６】
第二の手段として、通気性を有する触媒体と、触媒体の上流面に対向する受熱面を有する輻射受熱体と、触媒体に送る液体燃料の気化部と、輻射受熱体の受熱面の裏面に熱抵抗体を介して位置させた熱交換部を設けた触媒燃焼装置とする。
【０００７】
第三の手段として、通気性を有する触媒体と、触媒体の上流面に対向する受熱面を有する輻射受熱体と、輻射受熱体に設けた熱交換部と、触媒体の下流側に位置させた補助触媒体と、触媒体と補助触媒体の間に位置させた電気ヒーターを設け、燃焼開始時に電気ヒーターに通電し、触媒体、及び補助触媒体を加熱した後、電気ヒーターへの通電を停止し、所定時間後、混合気を供給して触媒燃焼させる触媒燃焼装置とする。
【０００８】
第四の手段として、通気性を有する触媒体と、触媒体の上流面に対向する受熱面を有する輻射受熱体と、輻射受熱体に設けた熱交換部と、触媒体の下流側に位置させた補助触媒体と、触媒体と補助触媒体の間に位置させた着火手段を設け、燃焼開始時に着火手段の作動とほぼ同時に混合気を供給し、触媒体の下流面に火炎を付着させ、火炎燃焼から触媒燃焼に移行させる触媒燃焼装置とする。
【０００９】
第五の手段として、輻射受熱体近傍の熱交換部と、触媒体の下流側の排ガス熱交換部を独立させ、熱交換部内の被加熱流体と、排ガス熱交換部内の被加熱流体を異種流体とした触媒燃焼装置とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、図面を用いて本発明の実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１の断面図である。実施の形態１の触媒燃焼装置の主要部は触媒体１、触媒体支持２、燃焼室壁３、電気ヒーター４、電気ヒーター支持５、補助触媒体６、補助触媒体支持７、補助燃焼室壁８、輻射受熱体９、熱交換部１０、熱線透過体１１、熱線透過体支持１２で構成している。触媒体１、補助触媒体６は通気性を有するコージライトハニカムを担体とし、パラジウム、白金等の貴金属系触媒を担持したものである。補助触媒体６は触媒体１の下流側に設け、電気ヒーター４は触媒体１と補助触媒体６の間に位置させている。輻射受熱体９は触媒体１の上流側に輻射を受けやすいように触媒体１に対向して設けており、輻射受熱体９には熱交換部１０を設置している。熱線透過体１１はガラスで形成しており、輻射受熱体９の触媒体側に空間１１ａを介して設けている。輻射受熱体９の上流側には、混合気供給路１３、空気供給路１４、燃料供給路１５、液体燃料の気化部１６を設けている。一方、補助触媒体６の下流側には、排ガス熱交換部１７、排気通路１８を設けている。
【００１１】
次に、本実施の形態の動作についての説明を行なう。まず、燃焼開始時には電気ヒーター４に通電し、触媒体１、または補助触媒体６を活性化温度以上に加熱した後、電気ヒーター４への通電を停止し、電気ヒーター４の表面温度を着火温度未満とした後、混合気を触媒体１へ供給して触媒燃焼させる。混合気は燃料供給路１５、液体燃料の気化部１６を通して気化させた燃料と空気供給路１４からの空気を混合させたものであり、混合気供給路１３で混合が促進される。触媒燃焼時に触媒体１の上流面が赤熱され、上流側に放射エネルギーを射出する。この放射エネルギーは輻射受熱体９で吸収されて再び熱エネルギーに変換されることにより、触媒体１から輻射受熱体９へ放射伝熱されることになり、その後、熱伝導により、輻射受熱体９に設けた熱交換部１０で被加熱流体へ伝熱される。対流熱伝達とは異なり、混合気の流れを乱すことなく、放射伝熱されるため、触媒体１上流面における燃焼反応が阻害されることがなく、被加熱流体への熱交換量を増加させても燃焼安定性を確保することができる。
【００１２】
なお、伝熱性能を高めると、輻射受熱体９の温度が低下するが、これに対して、灯油などの液体燃料を気化させた状態で流入させることが考えられる。その際、輻射受熱体９の触媒体側壁面（受熱面）で液体燃料が再び凝縮したり、タールを発生しやすくなることを防ぐため、輻射受熱体９の触媒体側に熱線透過体１１を空間１１ａを介して設けている。それにより、輻射受熱体９への放射伝熱特性を維持した状態で熱線透過体１１の触媒体側壁面温度を高め、液体燃料の再凝縮やタール発生を抑制している。空間１１ａは空気断熱層として作用する。触媒体１を通過した燃焼ガスは補助触媒体６で浄化され、排ガス熱交換部１７で排熱を回収した後、排気通路１８から排出される。
【００１３】
さらに、輻射受熱体９の受熱面と熱線透過体１１の間の空間１１ａを燃焼用空気を送風するファン等で加圧することにより、空間１１ａに混合気が流入してくるのを防止し、空間１１ａにおける液体燃料の再凝縮やタール発生を抑制することができる。
【００１４】
このように、触媒体１と補助触媒体６の間に電気ヒーター４を設け、燃焼開始時に電気ヒーター４に通電し、触媒体１、または補助触媒体６を加熱した後、電気ヒーター４への通電を停止し、所定時間後、混合気を供給して触媒燃焼させることにより、電気ヒーター４近傍での異常発火やＮＯｘの発生もなく、触媒体１と補助触媒体６の間を保温領域とし、立ち上げ時間を短縮している。さらに、立ち上げ時には、触媒体１上流温度は上昇しないため、輻射受熱体９へ熱が移動することもなく、電気ヒーター４の熱を効率良く、立ち上げに活かすことができる。特に、立ち上げ時に熱交換部１０内の被加熱流体の流れを停止させておくことにより、輻射受熱体９への熱移動を抑制できるため、立ち上げ時間をさらに短縮することが可能となる。触媒燃焼時には、補助触媒体６により、排ガス浄化性能を向上させるとともに、触媒体１の温度も上昇させ、輻射受熱体９への放射伝熱性能も高めている。
【００１５】
他方、燃焼開始時に電気ヒーター４への通電とほぼ同時に混合気を供給し、触媒体１の下流面に火炎を付着させ、火炎燃焼から触媒燃焼に移行させることもできる。この場合は、電気ヒーター４による触媒体１の予熱が不要となるため、触媒燃焼への立ち上がり時間を著しく短縮することができ、予熱バーナを追加する必要もないため、構造、および制御を簡素化することができる。この際、電気ヒーター４は単に着火手段の一つとして使用したものであり、圧電着火等の他の着火手段を用いても良い。
【００１６】
触媒体１の下流側に排ガス熱交換部１７を設けることにより、熱効率を向上させることができるが、特に輻射受熱体９近傍の熱交換部１０と、触媒体１の下流側の排ガス熱交換部１７を独立させ、熱交換部１０内の被加熱流体と、排ガス熱交換部１７内の被加熱流体を異種流体とする（一例として、熱交換部１０内の被加熱流体を冷媒とし、排ガス熱交換部１７内の被加熱流体を水とする）ことにより、熱交換器としての適応性を拡張できるとともに、伝熱性能と燃焼安定性を両立させやすくなり、高ＴＤＲ化も可能となる。
【００１７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は実施の形態２の断面図である。実施の形態２の触媒燃焼装置は実施の形態１における熱線透過体１１がなく、輻射受熱体９と熱交換部１０の間に熱抵抗体１９を設けている。熱抵抗体１９は熱伝導を抑制するものであり、形状として限定する必要はない。
【００１８】
実施の形態２では、輻射受熱体９の触媒体側壁面温度を液体燃料が再凝縮やタールを発生しない温度（約240℃以上）とし、熱交換量を維持するために、機器全体が大型化しないように配慮して熱交換部１０の伝熱面積を増加させている。実施の形態１と比較すると、触媒体１から輻射受熱体９への輻射伝熱性能は低下するが、熱線透過体１１（ガラス）を設置する必要がなく、低コスト化を図りやすくなる。
【００１９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の触媒燃焼装置によれば、次のような効果を得ることができる。
【００２０】
輻射受熱体の触媒体側に受熱面と空間を介して熱線透過体を設けることにより、輻射受熱体への放射伝熱特性を維持した状態で液体燃料の再凝縮やタール発生を抑制することができる。対流熱伝達とは異なり、混合気の流れを乱すことなく、放射伝熱されるため、触媒体上流面における燃焼反応が阻害されることがなく、被加熱流体への熱交換量を増加させても燃焼安定性を確保することが可能となる。
【００２１】
また、触媒体と補助触媒体の間に電気ヒーターを設け、燃焼開始時に電気ヒーターに通電し、触媒体、または補助触媒体を加熱した後、電気ヒーターへの通電を停止し、所定時間後、混合気を供給して触媒燃焼させることにより、電気ヒーター近傍での異常発火やＮＯｘの発生もなく、触媒体と補助触媒体の間を保温領域とし、立ち上げ時間を短縮することができる。
【００２２】
また、触媒体の下流面に火炎を付着させ、火炎燃焼から触媒燃焼に移行させることにより、触媒体の予熱が不要となるため、触媒燃焼への立ち上がり時間を著しく短縮することができ、予熱バーナを追加する必要もないため、構造、および制御を簡素化することができる。
【００２３】
また、輻射受熱体近傍の熱交換部と、触媒体の下流側の排ガス熱交換部を独立させ、熱交換部内の被加熱流体と、排ガス熱交換部内の被加熱流体を異種流体とすることにより、熱交換器としての適応性を拡張できるとともに、伝熱性能と燃焼安定性を両立させやすくなり、高ＴＤＲ化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の触媒燃焼装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態２の触媒燃焼装置の断面図
【符号の説明】
１ 触媒体
４ 電気ヒーター
６ 補助触媒体
９ 輻射受熱体
１０ 熱交換部
１１ 熱線透過体
１６ 液体燃料気化部
１７ 排ガス熱交換部
１９ 熱抵抗体

Claims (7)

1. 通気性を有する触媒体と、前記触媒体の上流側に位置し、その触媒体に対向する受熱面を有する輻射受熱体と、前記輻射受熱体に設けられた熱交換部と、前記触媒体に送る液体燃料の気化部と、前記輻射受熱体の前記触媒体側に、前記受熱面から所定距離離れて配置され、熱線を透過させる熱線透過体とを備えたことを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 輻射受熱体の受熱面と前記熱線透過体の間の空間を加圧した請求項１記載の触媒燃焼装置。
3. 通気性を有する触媒体と、前記触媒体の上流側に位置し、その触媒体に対向する受熱面を有する輻射受熱体と、前記触媒体に送る液体燃料の気化部と、前記輻射受熱体の受熱面の裏面に熱抵抗体を介して設けられた熱交換部とを備えたことを特徴とする触媒燃焼装置。
4. 通気性を有する触媒体と、前記触媒体の上流側に位置し、その触媒体に対向する受熱面を有する輻射受熱体と、前記輻射受熱体に設けられた熱交換部と、前記触媒体の下流側に配置された補助触媒体と、前記触媒体と前記補助触媒体の間に配置された電気ヒーターとを備え、燃焼開始時に前記電気ヒーターに通電し、前記触媒体及び前記補助触媒体を加熱した後、前記電気ヒーターへの通電を停止し、所定時間後、混合気を供給して触媒燃焼させることを特徴とする触媒燃焼装置。
5. 通気性を有する触媒体と、前記触媒体の上流側に位置し、その触媒体に対向する受熱面を有する輻射受熱体と、前記輻射受熱体に設けられた熱交換部と、前記触媒体の下流側に配置された補助触媒体と、前記触媒体と前記補助触媒体の間に配置された着火手段とを備え、燃焼開始時に前記着火手段の作動とほぼ同時に混合気を供給し、前記触媒体の下流面に火炎を付着させ、火炎燃焼から触媒燃焼に移行させることを特徴とする触媒燃焼装置。
6. 触媒体の下流側に排ガス熱交換部を設けた請求項１、３、４または５記載の触媒燃焼装置。
7. 輻射受熱体近傍の熱交換部と、前記触媒体の下流側の排ガス熱交換部が独立系統とされ、前記熱交換部内の被加熱流体と、前記排ガス熱交換部内の被加熱流体が異種流体である請求項６記載の触媒燃焼装置。

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