JP3568314B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、暖房機、給湯機、空調機器等で必要とされる加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加熱方法として代表的には電気加熱と燃焼加熱を利用することが知られている。電気加熱として一般的な方法は、抵抗線に通電して発熱させる方法である。また燃焼加熱には火炎燃焼と触媒を用いた無炎燃焼がある。ともに燃料と空気を混合して燃焼させて熱を発生させる。また、電気ヒータと燃焼を併用した石油ファンヒータの様な機器も販売されていた。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、電気加熱は大電流を発生させると、機器のコストと運転経費が増大する。一方、燃焼加熱は大きな熱量を経済的に発生させうるが、排気の臭気、特に着火時の臭気の発生と、小燃焼領域での燃焼の不安定性の課題がある。また、燃焼と電気ヒータを併用した機器は燃焼の排気の問題を解決していない。
【０００４】
本発明はこのような従来の加熱装置の課題を考慮し、暖房負荷の大幅な変動に対応できる加熱装置を実現し、また暖房開始時や気温の低いときは燃焼で高い出力を発生し、暖房負荷の低いときは電気の熱で加熱することが可能であり、また燃焼における着火時の排気をクリーンにすることができ、また触媒燃焼では触媒の予熱電源を共用でき、かつ低ＮＯｘの効果をもたらす加熱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、燃料供給部と、燃焼用空気を供給する送風機と、前記燃料の燃焼室と、前記燃焼室内に設けた電気ヒータと、前記燃焼室に設けた熱交換部を有するもので、加熱量が小の領域で前記電気ヒータの発熱のみで前記熱交換部を加熱し、加熱量の大きい領域で前記電気ヒータに通電して前記燃焼室を加熱した後に燃焼を開始して熱交換部を加熱する構成とした。
【０００６】
燃焼開始時に臭気が発生する理由は火炎が冷たい燃焼室で冷却されるため反応中間生成物が排出されるためである。あらかじめ燃焼室を電気ヒータで加熱すれば臭気の発生はなくなる。また、加熱量が少なくて良いときに、燃焼火炎を小さくすると火炎が低温となって燃焼が不安定になる。このため排気の中間生成物は増加し、場合によっては失火する。従来の加熱装置では燃焼を頻繁にＯＮ−ＯＦＦして平均燃焼量を下げる必要があった。しかし、本発明では低出力時は電気ヒータが加熱するので低出力が極めて容易に得られる。また、再度燃焼状態にするときも加熱されているため排気特性は悪くならない。
【０００７】
また、請求項２に示すように加熱量が小の領域で前記電気ヒータに通電するとともに燃料を供給して燃焼させ、加熱量の大きい領域で前記電気ヒータに通電して前記燃焼室を加熱した後、前記電気ヒータに通電せずに加熱量の小の領域よりも多い燃料を供給して燃焼を開始し熱交換部を加熱することでも、着火時の良い排気特性と燃焼の安定性は得られる。小燃焼の火炎温度の低下を電気ヒータの熱が補うからである。この方法は請求項１より低出力に対応できないが、全部電気を用いるよりも電気代金は節約できる。また、請求項１と請求項２の発明を併用することも合理的である。
【０００８】
請求項４に示すように燃焼室に燃焼用の触媒体を設けた場合は、まず電気ヒータで触媒を活性化温度まで加熱する。触媒は常温では反応しないためである。この方法は火炎がないために、安全、低ＮＯｘ等の効果がある。低出力時も触媒は活性温度を保つ以上の温度に制御され、再度高出力に移行するときも排気ガスはクリーンである特徴を持つものである。燃焼はすべて触媒で反応させても、火炎燃焼の後の排気の未燃物を触媒で燃焼しても良い。
【０００９】
また、請求項５や請求項６の発明によれば、排気はよりクリーンとなり、火炎がないためにあたかも電気ヒータのみであるような安全性も確保できる。
【００１０】
【本発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
本発明の請求項１の実施の形態を図１とともに説明する。燃料供給部１から供給される燃料ガスと燃焼用送風機２から送られる燃焼用空気の混合部３で混合気が作られる。燃料供給量は５ｋＷで、気体燃料でも液体燃料でも良い。燃料の混合部３の下流に設けた燃焼室４に混合気は流れる。燃焼室４には火炎孔５と放電による点火器６と出力２ｋＷの電気ヒータ７が設けられている。燃焼室４の下流の熱交換フィン８には温水管９が設けられ熱回収を行う。燃焼室４内部に温度検知部１０が設けられている。温水管９の温水は循環ポンプ１１により燃焼室４と放熱熱交換器１２の間の温水経路１３を循環する。放熱熱交換器１２には室内に温風を送る送風機１４が設けられている。温水経路１３には温水温度検知部１５が設けられている。また、放熱手段はこのような水経路であっても空冷フィンであっても良い。
【００１２】
このような構成での本発明の動作を説明する。電気ヒータ７に通電し、火炎孔５と燃焼室４内面を加熱する。燃焼室４内面が所定の温度に達した後、電気ヒータ７の通電を停止し、燃料供給と送風と点火器６の動作を開始する。混合部３から送られた混合気は火炎孔５で燃焼する。この時、燃焼室４の温度は２００℃以上に上昇しているので着火性は良く、かつ着火時の排気の未燃ガスは少ない。このような状態で温水経路１３の温度が所定の暖房温度に達したときに送風機１４を運転して温風を室内に送風する。室内の温度が上昇して暖房負荷が減少すると、温水温度が上昇する。このことを温水温度検知部１５で検知して燃焼を停止する。電気ヒータ７に通電し、燃焼用送風機２を弱回転とする。温水は所定の暖房温度を維持する。さらに暖房負荷が減少して温水温度が上昇するときは、電気ヒータ７の通電量を減少させる。また、暖房負荷が増加したときは、燃料の供給を開始する。燃料を供給しても燃焼室４が高温となっているので再燃焼時の排気もクリーンである。
【００１３】
（実施の形態２）
本発明の請求項２を図１とともに説明する。燃料の供給を変化させても５ｋＷ〜２ｋＷは熱量を変えられる。２ｋＷ以下となると燃焼は不安定となり、空燃比により逆火やリフトあるいはＣＯの増加といった現象を生じる。前例では２ｋＷ以下は電気の熱で暖房した。しかし、電気の節約のために燃焼しつつ通電することも可能である。例えば１ｋＷの燃焼量では火炎が冷却して燃焼が不安定になるが、５００Ｗ通電すれば火炎は安定なものとなる。合計発熱量は１．５ｋＷであり、暖房負荷への対応幅は単に燃料の供給量を調節する場合よりも拡大する。
【００１４】
（実施の形態３）
本発明の請求項３を図２とともに説明する。燃焼室４の下流にハニカム状の浄化用触媒体１６が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同一である。燃焼開始時に電気ヒータ７で燃焼室４の内部とくに、浄化用触媒体１６を加熱する。浄化用触媒体１６は３００セル／平方インチのハニカム構造である。流れ方向厚さは２０ｍｍである。ハニカム担体はコーディエライトやアルミン酸石灰を成形したもので、白金族金属触媒が担持されている。ハニカム孔は一辺０．６ｍｍ角の正方形である。
【００１５】
これはセラミック製で熱容量が少ないため、電気ヒータ７で５００℃まで温度上昇する。このため燃焼開始時に火炎孔５に着火したときに発生する未燃ガスはこの触媒で反応して酸化されて臭気は殆どなくなる。
【００１６】
高出力は燃焼により５ｋＷ得られるが、暖房負荷が低下した場合の動作は実施の形態１と同一で電気ヒータ７に通電して行い２ｋＷの出力となる。このような方法は実施の形態２に応用すれば、更に低燃焼量とすることも可能となる。火炎が不安定でＣＯを発生しても、電気ヒータ７で加熱されている浄化用触媒体が排気を完全に酸化するからである。また、燃焼時も触媒が火炎の発生するＣＯを酸化するため燃焼排気は常にクリーンとなる。
【００１７】
（実施の形態４）
請求項４に関する発明を図３とともに説明する。燃料供給部１、燃焼用送風機２、混合部３の下流に混合気孔１７を設けている。点火手段は用いないが、燃焼用触媒体１８を加熱するための電気ヒータ７は設けている。燃焼用触媒体１８はハニカムであるが長さが２００ｍｍと実施の形態３よりは長い。これはここで全量燃焼できるようにするためである。この下流に温水管９がある。
【００１８】
このような構成で、電気ヒータ７に通電し、燃焼用触媒体１８の上流が加熱する。触媒１８が所定の活性化温度に達したことを燃焼部の温度検知部１０で検知し、電気ヒータ７の通電を停止し、電気ヒータ７表面温度が発火温度以下になったときに、混合気を供給すると、混合気は燃焼用触媒体１８の上流で触媒反応を始める。次第に燃焼量と空気量を増加させると燃焼用触媒体１８全体で燃焼する。触媒体の高温化による劣化を防止するため空気過剰率は２以上が好ましい。
【００１９】
このような燃焼部構成で暖房負荷が低くなったときは、燃料の供給を低下させる。あるいは、さらに暖房負荷が低下したときは電気ヒータ７に通電して電気熱で温水を加熱する。再燃焼時も触媒を活性化温度に保っている限り燃料を随時供給して燃焼による高出力に切り替えられる。この方式は火炎が全くないために燃焼音やＮＯｘの発生がなく、あたかも電気ですべてが行われているような安全性が得られる。
【００２０】
（実施の形態５）
請求項６を図４、５とともに説明する。図４に示すように、燃料供給部１から供給される燃料ガスと燃焼用送風機２から送られる燃焼用空気が混合部３で混合され混合気が作られる。混合部３の下流に設けた第１触媒燃焼部１９に混合気は流れ込み、第１触媒燃焼部１９の第１触媒体２２で反応する。すなわち、この第１触媒燃焼部１９の断面を示す図５から分かるように、第１触媒燃焼部１９の内面に突出する受熱用のフィン２０に隙間２１を介して設けられた薄板状の第１触媒体２２で混合気は反応する。アルミ合金製の第１触媒燃焼部１９の外周には第１温水管２４が設けられ熱回収を行う。第１触媒体２２は耐熱鉄合金にγアルミナをコートし、ここに白金やパラジュウムのような白金族金属触媒が担持されている。第１触媒燃焼部１９の下流に第２触媒燃焼部が設けられ、ここにハニカム構造の第２触媒体２３が設けられている。第１触媒燃焼部１９と第２触媒燃焼体２３の間に電気ヒータ７が設けられている。第１触媒燃焼部１９の上流にも電気ヒータを設けて、連動させても良い。第２触媒体２３の内壁は断熱材でライニングされている。
【００２１】
第２触媒体２３の下流にはフィン８と排気熱回収用の第２温水管９が設けられ、第１温水管２４と連通している。
【００２２】
このような構成での本発明の動作を説明する。電気ヒータ７に通電し、第１触媒体２２と第２触媒体２３を同時に加熱して触媒予熱を開始する。第１触媒体２２の下流および第２触媒体２３の上流が加熱される。触媒２２、２３が所定の活性化温度に達した後、電気ヒータ７の通電を停止し、燃料の供給を開始する。混合部３から送られた混合気は第１触媒燃焼部１９を通過する。活性化温度は燃料や触媒の種類で異なり、例えばプロパンガスでは約３００℃であり、メタンはこれよりも高く、灯油は低い。触媒を活性化温度に加熱するため、電気ヒータの表面温度は６００℃以上が好ましい。
【００２３】
混合気はまず第１触媒体２２下流で部分的に反応し、第１触媒体２２をすり抜けた未反応燃料は第２触媒体２３の上流で反応し始める。第２触媒体２３は高温となっているので、未反応ガスはここで反応し、最終排気には未燃ガスはほとんど含まれない。
【００２４】
第１触媒体２２では触媒がガスと酸素を吸着し、触媒表面で反応するので無炎燃焼となり燃焼熱で第１触媒体２２は高温となり、この熱が隙間２１を放射熱として通過しフィン２１に伝わる。この第１触媒燃焼部１９で供給する燃料のエネルギーの７５％が燃焼し、燃焼したエネルギーの８０％がフィン２０から第１温水管２４へ伝熱する。すなわち供給燃料エネルギーの６０％（＝７５×８０％）がここで水に伝熱する。第１触媒燃焼部１９から排出される排気には、供給燃料エネルギーを１００％として未燃燃料が２５％（＝１００％−７５％）と排気熱が１５％（＝７５％−６０％）、合計で４０％残っている。第２触媒体２３の温度が低温化するとここで未燃燃料が反応し難いため、ここでは熱交換は行わない。このため、未燃燃料が全て燃焼した後の第２触媒燃焼体２３からの排気は、供給エネルギーの４０％を排気熱として有するものとなる。次に、フィン８を有する第２温水管９でこの熱を回収する。ここでの熱交換率は７０％であった。第２温水管９が回収する熱は２８％（＝４０％×７０％）となる。すなわち第１温水管２４と第２温水管９を合計すると８８％（６０％＋２８％）の総合熱効率となった。
【００２５】
触媒燃焼装置を有炎燃焼装置と同一の燃焼負荷率（燃焼室体積当たりの燃焼量）で運転すると、触媒体温度が１２００℃以上となり触媒の耐熱寿命が著しく短くなる。したがって実施の形態４では大きな触媒を用いている。しかし、本実施の形態では熱交換部であるフィン２０を直接触媒体が覆うため第１触媒体２２は比較的低温となり、かつ触媒での発熱から受熱部に直接伝熱するので熱交換効率は高くなる。
【００２６】
この実施の形態でも暖房負荷が減少して温水温度が上昇しすぎると、燃料供給量を減少させなければならない。触媒が活性化温度よりも低くなる２ｋＷが燃焼の下限界である。ここで燃焼を停止し再度電気ヒータ７に通電して温水を加熱する。電気ヒータは２ｋＷ〜０まで制御できるため暖房負荷の大幅な変動に対応できる。しかし、再燃焼の触媒の活性化温度を維持すればいつでも燃焼を再開できて、急速な暖房負荷の上昇に対応できる。また、活性化温度以下であっても再度通電による予熱時間を若干設ければ再燃焼時のクリーンな排気を損なわない。
【００２７】
このような実施の形態１〜４の燃焼と電気の切り替えの制御は、外気温度、室内温度。あるいは温水温度を検知して行うなど用途に応じて選択すればよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上に述べた本発明の効果は次の通りである。暖房負荷の大幅な変動に対応できる加熱装置を実現し、暖房開始時や気温の低いときは燃焼で高い出力を発生し、暖房負荷の低いときは電気の熱で加熱することが可能である。
【００２９】
また、燃焼における着火時の排気をクリーンにすることもできるため燃焼独特の弊害も減少している。
【００３０】
さらに触媒燃焼では触媒の予熱電源を共用でき、かつ低ＮＯｘの効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１の一実施の形態の燃焼装置を示す断面図である。
【図２】本発明の請求項３の一実施の形態の燃焼装置を示す縦断面図である。
【図３】本発明の請求項４の一実施の形態の断面図である。
【図４】本発明の請求項６の一実施の形態の断面図である。
【図５】本発明の請求項６の一実施の形態の第１触媒燃焼部の断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料供給部
２ 燃焼用送風機
３ 混合部
４ 燃焼室
５ 火炎孔
６ 点火器
７ 電気ヒータ
８ 熱交換フィン
９ 温水管
１０ 温度検知部
１１ 循環ポンプ
１２ 放熱熱交換器
１３ 温水経路
１６ 浄化用触媒体
１７ 混合気孔
１８ 燃焼用触媒体
２２ 第１燃焼触媒体
２３ 第２燃焼触媒体
２４ 第２温水管

Claims (6)

1. 燃料供給部と、燃焼用空気を供給する送風機と、前記燃料の燃焼室と、前記燃焼室内に設けた電気ヒータと、前記燃焼室に設けた熱交換部を備え、加熱量が小の場合は、前記電気ヒータの発熱のみで前記熱交換部を加熱し、加熱量の大きい場合は、前記電気ヒータに通電した後に燃焼を行って前記熱交換部を加熱することを特徴とする加熱装置。
2. 燃料供給部と、燃焼用空気を供給する送風機と、前記の燃料の燃焼室と、前記燃焼室内に設けた電気ヒータと、前記燃焼室に設けた熱交換部を備え、加熱量が小の場合は、前記電気ヒータに通電するとともに燃料を供給して燃焼させることで前記熱交換部を加熱し、加熱量の大きい場合は、前記電気ヒータに通電した後、前記電気ヒータに通電せずに加熱量の小の場合よりも多い燃料を供給し燃焼を行うことで前記熱交換部を加熱することを特徴とする加熱装置。
3. 前記燃焼室内に火炎孔と点火手段とを備え、前記電気ヒータは前記火炎孔の下流に設けられ、さらに前記電気ヒータの下流に浄化用触媒体を備え、前記熱交換部は、前記浄化用触媒体の下流に設けられている請求項１又は２の加熱装置。
4. 前記電気ヒータの下流に燃焼用触媒を備え、前記電気ヒータで前記燃焼用触媒を加熱した後に前記燃焼用触媒で触媒反応を開始する請求項１、又は２の加熱装置。
5. 燃焼量小の時の燃焼室温度が前記電気ヒータで加熱された燃焼開始前の燃焼室温度と実質上同一である請求項３、又は４の加熱装置。
6. 燃焼室に設けた第１触媒燃焼部と、前記第１触媒燃焼部に設けた第１熱交換部と、前記第１触媒燃焼部の内部に設けた受熱用のフィンと、前記フィンに設けられた第１触媒体と、前記第１触媒燃焼部の下流に設けた第２触媒燃焼部と、前記第２触媒燃焼部に設けた第１触媒体よりも幾何学的表面積が大きい第２触媒体と、前記第２触媒体の下流に設けた前記第１熱交換部と連通する第２熱交換部と、前記第１触媒体の下流に設けた電気ヒータと、前記電気ヒータに通電して前記第１、第２触媒体を加熱した後に、燃料の供給を行って触媒燃焼を開始する燃焼部とを備えたことを特徴する加熱装置。

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