JP3281287B2 - 燃焼触媒体及びこれを用いたファンヒータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は高温燃焼に適した
燃焼触媒体、ならびにこれを用いたファンヒータに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来は、主にボイラーでの使用を想定し
た燃焼触媒体が多く提案されている。例えば、特公平２
−４７２６２号に開示された技術は、高負荷条件で使用
すると燃焼熱により触媒が劣化しやすい点に注目して提
案されたもので、触媒活性のある流路と触媒活性が無い
かあるいは少ない流路とを隣接させることで、両流路間
において、具体的には両流路を隔てる壁を介し熱交換自
在とし、触媒の劣化を防ぐようにしたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の燃焼触媒体では、原理的に優れた技術が提案
されていたにもかかわらず、本発明者の知りえる範囲で
はファンヒータ用途で用いれるような、高温触媒燃焼が
可能な技術は未だ提案されていない。それには幾つかの
理由が考えられる。例えば、目的とする開口度を備えた
触媒構造が得難く、長時間の高温燃焼で触媒が痛みやす
いという点等が挙げられる。

【０００４】ファンヒータ用の燃焼器として、燃焼触媒
体を用いることが考えられており、触媒燃焼通路の開口
度１００％の触媒を使用することも可能である。本明細
書において、開口度とは、筒状ケースに触媒ハニカムを
納めた状態において、筒状ケースの内部断面積（燃焼触
媒体の断面積）に対し、触媒ハニカムの触媒の担持され
た触媒燃焼通路の占める面積割合を言うものである。こ
の開口度を１００％（触媒ハニカムの内部に形成された
通路の全てに触媒を担持したもの）の触媒を使用する
と、触媒が担持された全面で触媒燃焼が起こるため温度
が上昇しやすく、その温度制御が必要となる。従って、
送風ファンの大容量化が必要であり、この送風ファンの
発生する騒音が大きくなるため、商品としてのファンヒ
ータの販売に際して極めて大きな欠点となる。また、燃
焼燃料と混合する空気量を増やし、燃焼燃料の希釈化に
より対応しているが、その制御が困難で、安定した高温
燃焼ができず、低温領域での燃焼しかできないものであ
った。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、上述した問題を
解決するため、以下に説明する発明に想到したのであ
る。請求項１には、筒状ケースの内部に、触媒フォイル
とスペーサーフォイルとを巻き込んで得られる触媒ハニ
カムを納めた触媒燃焼領域と触媒ハニカムの存在しない
気相燃焼領域とを連続して設けた燃焼触媒体において、
触媒ハニカムは、全体にヘリンボーン形状を備えた耐熱
合金製の素材フォイルを熱処理して表面に酸化アルミニ
ウムを生成させ、次いでその片面にウオッシュコートを
施し、そこに貴金属を担持した触媒フォイルと、全体に
前後の波形部の間へ広幅の平坦部を配し且つそれを繰り
返し展開した形状を備えた素材フォイルを熱処理して表
面に酸化アルミニウムを生成させ、次いでその片面にウ
オッシュコートを施し、そこに貴金属を担持したスペー
サーフォイルとを用い、貴金属成分を担持させた各々の
片面同士を向かい合う状態にして巻き込むことで形成さ
れる触媒燃焼通路と非触媒通路とを内部に備えた触媒ハ
ニカムとし、該触媒ハニカムを前記筒状ケースに収める
ことで触媒燃焼領域を構成し、且つ、前記筒状ケースの
断面積に対して前記触媒燃焼通路の占める面積である開
口度を５０％以下としたことを特徴としたファンヒータ
用の燃焼触媒体としている。

【０００６】この燃焼触媒体は、筒状ケースに触媒ハニ
カムを納め、この触媒ハニカムが筒状ケースの内部の一
部の領域を占める構造としたものである。具体的には、
図３を参照することで明らかなように、燃焼ガスが、燃
焼触媒体の触媒燃焼領域に流入し、当該触媒燃焼領域を
通過した未燃焼ガスを完全燃焼させるための気相燃焼領
域に流入することの出来るように、筒状ケースの片側に
触媒燃焼領域を設け、その反対側に気相燃焼領域を設け
た燃焼触媒体を用いるのである。

【０００７】そして、ここで用いる触媒ハニカムは、全
体にヘリンボーン形状を備えた耐熱合金製の素材フォイ
ルの片面に貴金属を担持した触媒フォイルと、全体に前
後の波形部の間へ広幅の平坦部を配し且つそれを繰り返
し展開した形状を備えた素材フォイルの片面に貴金属を
担持したスペーサーフォイルとを用いて、それぞれの貴
金属成分を担持させた片面同士を向かい合う状態にして
巻き込むことで、図４に示すように形成される触媒燃焼
通路と非触媒通路とを内部に備えるものとなるのであ
る。この触媒燃焼通路と非触媒通路とを隣接して設ける
ことで、高温燃焼反応で温度上昇の激しい触媒燃焼通路
の熱を非触媒通路側に速やかに逃がすことにより、触媒
ハニカムに担持した触媒貴金属の劣化を有効に予防する
ことが出来るのである。

【０００８】そして、更に図４から明らかとなるよう
に、全体にヘリンボーン形状を備えた耐熱合金製の素
材フォイル（本明細書では、説明の都合上「触媒フォイ
ル」と称することとする。）、全体に前後の波形部の
間へ広幅の平坦部を配し且つそれを繰り返し展開した形
状を備えた素材フォイル（本明細書では、説明の都合上
「スペーサーフォイル」と称することとする。）の形状
をした素材フォイルを組み合わせて用いることで、上述
した開口度の調整を容易にするのである。また、触媒フ
ォイルの全体にヘリンボーン形状を付与することでいわ
ば曲がりくねった通路となるため、触媒燃焼通路では燃
焼ガスが触媒と十分に接触して燃焼すると共に、触媒の
熱は触媒の存在しない通路との間の効率の良い熱交換に
よって放散され触媒の過熱制御が行なわれる。ここで言
う触媒フォイル及びスペーサーフォイル共に、それぞれ
の形状を備えた素材フォイルの表面に酸化アルミニウム
を生成させ、そこにウオッシュコート処理を行い、触媒
となる貴金属を担持したものである。

【０００９】触媒フォイル及びスペーサーフォイルに
は、請求項３に記載したように、耐熱合金製の素材フォ
イルの組成がＦｅ−２０％Ｃｒ−５％Ａｌ−０．０８％
Ｌａであり、ウオッシュコートの組成がＳｉＯ_２ −Ｚ
ｒＯ_２ であり、触媒としての貴金属成分をＰｄとして
用いることがファンヒータ用途として好ましい。

【００１０】請求項１に記載の発明において、更なる特
徴として「開口度を５０％以下」としたのは、燃焼触媒
体の断面積に対して燃焼触媒通路の占める割合を調整す
ることで、触媒である貴金属の劣化を防止しつつ、高温
燃焼を確保するためである。また、この開口度に関して
は、請求項２に「前記開口度を３５％以下としたことを
特徴とする請求項１に記載の燃焼触媒体。」と記載して
いるように、開口度を３５％以下として設計すること
が、より好ましいのである。本件発明において、触媒燃
焼通路の開口度を５０％、好ましくは３５％以下に調整
することの効果は、図１から明らかである。開口度１０
０％の触媒体は、いずれの混合気線速においても断熱燃
焼温度９５０℃を越える領域での長期の使用が困難であ
る。これは、ファンヒータに対する要求寿命を考慮する
必要があるためである。

【００１１】ここで、図１から分かるように、触媒燃焼
通路の開口度を５０％および３５％に調整した結果を見
ると、触媒燃焼通路の開口度１００％の場合に比べ、高
温領域での燃焼が可能となることが分かる。触媒がダメ
ージを受け劣化する領域と一酸化炭素ＣＯの発生する領
域を考慮すると、開口度５０％の場合は、図中の（Ｃ）
と（Ｄ）の線に囲まれた領域での使用が可能となる。ま
た、開口度３５％の場合は、図中の（Ａ）と（Ｂ）の線
に囲まれた領域での使用が可能で、開口度５０％の場合
と比較しても、広い範囲での使用が可能となるのであ
る。

【００１２】このとき、それぞれの領域を示す上側の
線、即ち（Ａ）線及び（Ｃ）線は、図１中に示した図面
の説明からも明らかなように、各混合気線速に応じて、
触媒貴金属が損傷を受ける限界の断熱燃焼温度の上限を
表したものである。従って、これ以上の燃焼温度とする
と、ファンヒータとしての耐用時間を満足しないことと
なる。これに対し、それぞれの領域を示す下側の線、即
ち（Ｂ）線及び（Ｄ）線は、図１中に示した図面の説明
からも明らかなように、各混合気線速に応じて、断熱燃
焼温度を上昇させていったときに人体に有害なレベル
（雰囲気中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍを越える場合
が有害）の一酸化炭素（ＣＯ）の発生が無くなる下限の
燃焼温度を示している。従って、この下側の線以下の燃
焼温度の場合には、雰囲気中の一酸化炭素濃度が１０ｐ
ｐｍ以上となるのである。

【００１３】これらの結果から判断するに、ファンヒー
タ用燃焼器としての品質を維持しつつ、開口度１００％
の場合の燃焼温度よりも高い温度での燃焼が可能となる
のである。「現状ファンヒータ運転範囲」とは、従来の
バーナー式ファンヒータに求められる耐用時間を達成す
るための運転範囲を示している。従って、燃焼触媒を使
用したファンヒータをこの条件に合致させるためには、
開口度３５％とすると断熱燃焼温度が１２５０℃〜１６
５０℃程度、開口度５０％とすると断熱燃焼温度が９５
０℃〜１４５０℃程度の領域での運転条件を確保するこ
とができるのである。従って、本件発明に言う開口度を
５０％以下に調整すると、開口度１００％の場合に比
べ、燃焼温度を高くしても、触媒の損傷が起こりにくく
なり、より高温の領域での燃焼が可能となり、高い発生
熱量を得ることが可能となるのである。このため、開口
度１００％の場合に比べて、燃焼触媒体自体のサイズを
小さくすることが可能となり、結果として、ファンヒー
タの小型化を可能とするのである。

【００１４】上述のように、高温燃焼可能な触媒体をフ
ァンヒータに用いれば、送風ファンの容量を小型化し発
生する騒音を低減させることができるのである。従っ
て、請求項４には、請求項１〜３記載のファンヒータ用
の燃焼触媒体を搭載したことを特徴とするファンヒータ
としているのである。このファンヒータは、請求項１〜
３に記載のファンヒータ用の燃焼触媒体を、通常ファン
ヒータに備えてある燃焼バーナーに代えて搭載し、燃料
気化室に臨ませたものとした。そして、上述した燃焼触
媒体をファンヒータに用いることで、消化時に出やすい
灯油につきものの臭いは気相燃焼領域での燃焼により完
全に払拭されるので、室内のヒータとしてこのファンヒ
ータは好適なものとなる。

【００１５】

【発明の実施の形態】第１実施形態： 本実施形態で
は、図３に示す燃焼触媒体１の製造に関して、図４を併
用して用いて説明する。本件発明者等は、まず触媒フォ
イル２とスペーサーフォイル３とを製造した。触媒フォ
イル２は、耐熱合金製の素材フォイルの全体にヘリンボ
ーン形状を付与し、熱処理して表面に酸化アルミニウム
を生成させた波形フォイルとした。ここで言う耐熱合金
製の素材フォイルは、熱処理により表面に酸化アルミニ
ウムが生成するものであれば各種組成のものを選択する
ことが可能である。本実施形態では、素材フォイルの組
成をＦｅ−２０％Ｃｒ−５％Ａｌ−０．０８％Ｌａのも
のを用いた。そして、この素材フォイルの全体にヘリン
ボーン形状を付与するには、成形ロールやプレス装置等
を使用し、長い素材フォイルにヘリンボーン形状を繰り
返し形成したのである。

【００１６】そして、スペーサーフォイル３は、前記触
媒フォイル２と同様の耐熱合金製の素材フォイルの全体
に前後の波形部４の間へ広幅の平坦部５を配し且つそれ
を繰り返し展開した形状を付与し、熱処理して表面に酸
化アルミニウムを生成させた波形フォイルとしたのであ
る。熱処理は、触媒フォイル２とスペーサーフォイル３
共に、酸化アルミニウムのひげ（ウイスカー）を素材フ
ォイルの表面に成長させるもので、後述するウオッシュ
コートおよび貴金属成分の定着性を良くするための下地
処理的要素を含むものである。このウイスカー生成条件
は９００℃で１５時間の加熱処理とした。スペーサーフ
ォイル３の波形部４は、いわばストレート形状としてあ
るが、開口度の調整機能、触媒の過剰制御機能を十分発
揮できるよう、幅サイズの大きな平坦分５とその前後
（図４では左右）の波形部４を基本形状にして、それを
交互に全面に展開したものとしてある。

【００１７】次いで、触媒フォイル２及びスペーサーフ
ォイル３、それぞれの片面全体にウオッシュコートを施
し、更に触媒としての貴金属成分を含む溶液を塗布して
から熱処理して貴金属成分を担持させたのである。ウオ
ッシュコートには、ＳｉＯ_２−ＺｒＯ_２ を用い、Ｓｉ
Ｏ_２ ９５％、ＺｒＯ_２ ５％とした。塗布手段として
はスプレーコートを使用した。このウオッシュコート
は、触媒に対する担体としての機能と、触媒活性物質分
散度を高める機能とを担うものであり、触媒の機能を十
分に発揮させるためのものである。

【００１８】続いて、触媒としての貴金属成分の担持を
行った。貴金属成分としては各種のものが使用可能であ
るが、ここではＰｄを使用した。適量のＰｄを含む錯体
を液状でスプレーして担持した。場合によっては、上記
ウオッシュコートに貴金属成分を混ぜて一緒にスプレー
コートする方法を採用することも可能である。その後、
熱処理することで水分を除去し、ウオッシュコートと貴
金属を前記フォイルの片側面に定着して担持させた。熱
処理は、約８０℃から９０℃の温度で乾燥後、１０５０
℃でいわゆるオーブンに入れて加熱し、触媒フォイル２
とスペーサーフォイル３とを得たのである。

【００１９】以上のようにして触媒担持を完了し、ウオ
ッシュコートと触媒とからなる層６を形成した触媒フォ
イル２とスペーサーフォイル３との貴金属成分（触媒）
を担持させた片面同士を向かい合う状態にして、図４に
示した層構成となるように巻き込むことで触媒ハニカム
７を構成したのである。このとき触媒ハニカム７の内部
には、触媒を担持した面で形成される触媒燃焼通路８と
触媒が担持されていない非触媒通路９とが形成されるこ
とになる。この触媒ハニカム７を、筒状ケース１０に納
めることで、筒状ケース１０の内部に触媒燃焼領域１１
と気相燃焼領域１２とを連続して設け、触媒燃焼領域１
１は前方燃焼室となり、気相燃焼領域１２は後方燃焼室
となる、図３に示した如きファンヒータ用の燃焼触媒体
１を製造したのである。このような構造の燃焼触媒体１
とすることで、触媒燃焼領域１１の触媒ハニカム７の内
部に形成した触媒燃焼通路８と非触媒通路９との熱交換
により、触媒の過熱制御が効率よく行われるのである。

【００２０】なお、以上及び以下の説明に於いて、素材
フォイル、触媒フォイル２及びスペーサーフォイル３に
使用したフォイルという用語は、一般に言う箔という概
念で使用したものではなく、メタルフォイル、メタルシ
ート、メタルフィルム、金属薄板、金属薄片、金属帯状
体等の概念を広く包含するものである。

【００２１】以上のようにして得られた燃焼触媒体１の
燃焼触媒領域１１には、触媒燃焼通路８と非触媒通路９
とを備えた触媒ハニカム７が配されている。この実施形
態においては、筒状ケース１０に触媒ハニカム７納めた
状態において、筒状ケース１０の内部断面積（燃焼触媒
体の断面積）に対し、触媒ハニカム７における触媒の担
持された触媒燃焼通路８の占める面積割合である開口度
が３５％の燃焼触媒体１としたのである。そして、この
燃焼触媒体１の気相燃焼領域１２には、着火を目的とし
た点火プラグ１３を配したのである。

【００２２】第２実施形態：以下図面を参照して燃焼触
媒体を組み込んだファンヒータ１４の好適な一実施例を
説明する。このファンヒータ１４は下部に燃焼ファン１
５、上部裏面側に対流ファン１６を備える。中央には従
来のファンヒータのバーナー相当位置にバーナーに代え
て燃焼触媒体１が搭載してある。燃焼触媒体１の入口１
７は燃料気化室１８に臨ませてあり、反対の出口２９側
はエア混合室２０に向けて開口してある。燃料気化室１
８には燃焼ファン１５から供給される燃焼用エア１９の
噴出口と図示せぬタンクから燃料としての灯油２１を霧
化して供給するノズル２２が設けてあり、燃焼用エア１
９と灯油２１とが予混合され、そして燃焼が始まれば、
この燃料気化室１８は予熱される。なお、燃料気化室１
８には予熱ヒーター２３が付設してあり、着火開始時の
燃料気化室１８に対する予熱処理は、この予熱ヒーター
２３を作動させることで行うようにしてある。

【００２３】燃焼触媒体１は第１実施形態で得られたも
のを用いた。気相燃焼領域１２には点火プラグ１３が配
され着火処理を行なう。筒状ケース１０の外側は対流フ
ァン１６にて導入されるエア２４の通路２５となってお
り、各通路２５は上記のエア混合室２０に接続している
ため、ここでエア２４は燃焼触媒体１を通過してくる高
温エア２６と混合され、吹き出し口２７から温風２８と
して吹き出すことになる。

【００２４】ファンヒータ１４の使用状態を説明する
と、図３あるいは図４に示すような断面構造にした触媒
フォイル２及びスペーサーフォイル３で得られる触媒ハ
ニカム７を筒状ケース１０へ組み込んだ燃焼触媒体１に
は、燃料気化室１８に供給された燃焼用エア１９と灯油
２１の混合ガスが供給される。混合ガスは予熱ヒーター
２３による気化処理に加えて、点火プラグ１３による着
火処理で燃焼し始め、燃焼状態は後方の気相燃焼領域１
２から１次側の触媒燃焼領域１１に移行し、触媒燃焼は
灯油２１の供給が続く間は継続して行なわれる。そし
て、この燃焼により燃料気化室１８が熱せられ、混同ガ
スはますます燃焼し易い状態で燃焼触媒体１に供給され
てゆくのである。

【００２５】

【発明の効果】この発明に係る燃焼触媒体を用いると、
燃焼用エアの流れる方向に、触媒燃焼領域と気相燃焼領
域を連続して設けることにより燃焼効率を高めることが
でき、単位容積当りの燃焼触媒体のサイズを小さく設計
して製造することが可能であり、ファンヒータの如き限
られた領域への燃焼触媒体の搭載が容易になるという効
果が期待できる。そして、当該燃焼触媒体は開口度の調
整の容易な構成を持っている。従って、上述した開口度
の調節を適切に行った結果、灯油の燃焼に対し、触媒の
過熱制御を十分に行なうことができ、燃焼触媒体を長時
間にわたり使用することができるようになる。そして、
灯油の燃焼につきものの臭いは完全に払拭が可能であ
り、中でも消火時に臭いが出ない点に大きな特色を有
し、室内のヒータとして、このファンヒータは好適なも
のとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】混合気線速と混合気の断熱燃焼温度との関係を
表したグラフ。

【図２】この発明に係るファンヒータの一実施例を示す
概略縦断面図。

【図３】図２の燃焼触媒体を拡大して示す一部破断の斜
視図。

【図４】触媒ハニカムの層構成を概念的に示すための部
分拡大斜視図。

【符号の説明】

１ 燃焼触媒体 ２ 触媒フォイル ３ スペーサーフォイル ４ 波形部 ５ 平坦部 ６ ウオッシュコートと触媒とからなる層 ７ 触媒ハニカム ８ 触媒燃焼通路 ９ 非触媒通路 １０ 筒状ケース １１ 触媒燃焼領域 １２ 気相燃焼領域 １３ 点火プラグ １４ ファンヒータ １５ 燃焼ファン １６ 対流ファン １８ 燃料気化室 ２０ エア混合室 ２２ ノズル ２３ 予熱ヒーター ２５ 通路 ２７ 吹き出し口 ２８ 温風

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ２４Ｈ 3/04 ３０１ Ｆ２４Ｈ 3/04 ３０１ (56)参考文献 特開 平７−293835（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−100907（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−304482（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−89210（ＪＰ，Ａ) 特表 平６−506139（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01J 21/00 - 38/74 F23C 11/00 F23D 14/18 F24H 3/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状ケースの内部に、触媒フォイルとス
   ペーサーフォイルとを巻き込んで得られる触媒ハニカム
   を納めた触媒燃焼領域と触媒ハニカムの存在しない気相
   燃焼領域とを連続して設けた燃焼触媒体において、触媒ハニカムは、全体にヘリンボーン形状を備えた耐熱
   合金製の素材フォイルを熱処理して表面に酸化アルミニ
   ウムを生成させ、次いでその片面にウオッシュコートを
   施し、そこに貴金属を担持した触媒フォイルと、 全体に前後の波形部の間へ広幅の平坦部を配し且つそれ
   を繰り返し展開した形状を備えた素材フォイルを熱処理
   して表面に酸化アルミニウムを生成させ、次いでその片
   面にウオッシュコートを施し、そこに貴金属を担持した
   スペーサーフォイルとを用い、 貴金属成分を担持させた各々の片面同士を向かい合う状
   態にして巻き込むことで形成される触媒燃焼通路と非触
   媒通路とを内部に備えた触媒ハニカムとし、 該触媒ハニカムを前記筒状ケースに収めることで触媒燃
   焼領域を構成し、且つ、前記筒状ケースの断面積に対し
   て前記触媒燃焼通路の占める面積である開口度を５０％
   以下としたことを特徴としたファンヒータ用の燃焼触媒
   体。
2. 【請求項２】 前記開口度を３５％以下としたことを特
   徴とする請求項１に記載のファンヒータ用の燃焼触媒
   体。
3. 【請求項３】 耐熱合金製の素材フォイルの組成がＦｅ
   −２０％Ｃｒ−５％Ａｌ−０．０８％Ｌａであり、ウオ
   ッシュコートの組成がＳｉＯ_２ −ＺｒＯ_２であり、触
   媒としての貴金属成分がＰｄである、請求項１又は請求
   項２に記載のファンヒータ用の燃焼触媒体。
4. 【請求項４】 請求項１〜３記載のファンヒータ用の燃
   焼触媒体を搭載したことを特徴とするファンヒータ。