JP3678855B2 - 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、熱交換部を設けて燃焼熱を暖房等に利用する触媒燃焼装置が提案されている（例えば、特願平４−３０２３４７）。ハニカム状の触媒体の混合気上流側に触媒体からの輻射を受けるように熱交換部を設置しており、触媒燃焼開始時は予熱バーナで火炎燃焼させて触媒体を活性化温度以上に加熱した後、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ていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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、触媒燃焼は燃焼温度が低いため、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を実現し難かった。触媒体が大きくなると、特に低燃焼量領域で燃焼安定性が不十分となりやすく、燃焼量可変範囲を拡大し難くなる。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いとともに、火炎燃焼時に窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生するという課題があった。
【０００４】
本発明は、伝熱性能の高効率化、機器の小型化が可能となり、低コスト化を図ることができ、また、広範囲な輻射暖房が可能となり、放射効率も向上す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、燃料と空気の混合ガス供給部と、混合ガス供給部の流れ方向下流に設けた通気性を有する触媒体と、触媒体の混合気の流れ方向上流側に触媒体と対面して設けた赤外線透過体と、触媒体に赤外線透過体を介して対面する熱交換部を有する輻射受熱体と、赤外線透過体と輻射受熱体の間に形成され、触媒体を通過した燃焼ガスを流すように触媒体の下流と連通する排気通路を設けた触媒燃焼装置とする。
【０００６】
第二の手段として、第一の手段において、赤外線透過体がなく、赤外線吸収体を設けた触媒燃焼装置とする。
【０００７】
第三の手段として、燃料と空気の混合ガス供給部と、混合ガス供給部の流れ方向下流に設けた通気性を有する２枚の平面状の触媒体と、触媒体の外側に設けた２つの赤外線透過体、または赤外線吸収体と、触媒体と赤外線透過体、または赤外線吸収体の間に形成した２つの混合気経路を設けた触媒燃焼装置とする。
【０００８】
第四の手段として、触媒体に赤外線透過体、または赤外線吸収体を介して対面する熱交換部を有する輻射受熱体と、赤外線透過体、または赤外線吸収体と輻射受熱体の間に形成され、触媒体の下流と連通する排気経路を設けた第三の手段の触媒燃焼装置とする。
【０００９】
第五の手段として、２枚の平面状の触媒体と、２枚の触媒体の下流側に位置させた補助触媒体と、２枚の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を開始する第三、第四の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、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。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、固定板３、燃焼室壁４、電気ヒーター５、補助触媒体６、補助触媒体支持７、輻射受熱体８、熱交換部９、赤外線透過体１０、赤外線透過体支持１１、排気経路１２、排気孔１３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。
【００１１】
触媒体１は２枚設けられ、混合気上流側が外側になるように所定距離を設けて傾斜して対向させている。補助触媒体６は触媒体１の下流側に設けられ、電気ヒーター５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８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８には熱交換部９を設置している。赤外線透過体１０はガラスで形成しており、赤外線透過体１０と複写受熱体８との間を排気経路１２としている。触媒体１の上流側には、混合気経路１４、仕切板１５、混合気噴出孔１６、混合ガス供給部１７を設けている。
【００１２】
次に、本実施の形態の動作について説明を行なう。まず、燃焼開始時には電気ヒーター５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５への通電を停止し、電気ヒーター５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。混合気は混合ガス供給部１７を通り、混合気噴出孔１６から噴出される。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が射出される。この放射エネルギーは赤外線透過体１０を透過し、輻射受熱体８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８へ放射伝熱される。その後、熱伝導により、輻射受熱体８に設けた熱交換部９で被加熱流体へ伝熱される。放射伝熱は混合気の流れを乱さないため、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。
【００１３】
触媒体１を通過した燃焼ガスは補助触媒体６で浄化された後、赤外線透過体１０の外側の排気経路１２を通り、排気孔１３から排出される。排気経路１２では、燃焼ガスの熱が対流熱伝達により、輻射受熱体８へ伝熱される。すなわち、輻射受熱体８への伝熱は、触媒体１からの放射伝熱と燃焼ガスからの対流熱伝達が共存する形態をとることになる。この構成により、伝熱性能の高効率化、機器の小型化が可能となる。
【００１４】
このように、混合ガス供給部１７と、混合ガス供給部１７の流れ方向下流に設けた通気性を有する２枚の平面状の触媒体１と、触媒体１の外側に設けた２つの赤外線透過体１０と、触媒体１と赤外線透過体１０の間に形成した２つの混合気経路１４を設けることにより、触媒燃焼装置として、小型化を図ることができるとともに、機器の前面と後面に放射エネルギーを射出するため、広範囲な輻射暖房が可能となる。さらに、触媒体１を２枚、対向させることにより、触媒体１下流側を保温領域とし、排気損失や放熱損失を低減して触媒体１上流側への放射エネルギーを増大させることができるため、放射効率が向上する。
【００１５】
触媒体１に赤外線透過体１０を介して対面する熱交換部９を有する輻射受熱体８と、赤外線透過体１０と輻射受熱体８の間に形成され、触媒体１の下流と連通する排気経路１２を設け、２枚の平面状の触媒体１と、触媒体１の外側に設けた２つの赤外線透過体１０と、触媒体１と赤外線透過体１０の間に形成した２つの混合気経路１４を設けることにより、高負荷タイプの熱交換一体型触媒燃焼器を実現することができる。
【００１６】
触媒体１を傾斜して対向させることにより、混合気の濃度分布、流速分布を改善し、触媒反応を均一化することができる。浄化用としての補助触媒体６の設置も容易となる。
【００１７】
２枚の平面状の触媒体１と、２枚の触媒体１の下流側に位置させた補助触媒体６と、２枚の触媒体１と補助触媒体６の間に位置させた電気ヒーター５を設け、燃焼開始時に電気ヒーター５に通電し、触媒体１及び補助触媒体６を加熱した後、電気ヒーター５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を開始することにより、電気ヒーター５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することができる。さらに、立ち上げ時には、触媒体１の上流温度は上昇しないため、輻射受熱体８へ熱が移動することもなく、電気ヒーター５の熱を効率良く、立ち上げに活かすことができる。
【００１８】
輻射受熱体８を金属板とし、受熱面側を高輻射材で被覆することにより、触媒体１からの放射伝熱効率を一層、向上させることができる。
【００１９】
輻射受熱体８の排気経路側に排気熱を受熱する突出部（図示せず）を形成することにより、伝熱面積を増加させて対流熱伝達性能を高め、高効率化を図ることができる。
【００２０】
（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の触媒燃焼装置には赤外線透過体１０がなく、赤外線吸収体１８を設けている。赤外線吸収体１８としては、表面を酸化させたステンレス鋼を用いているが、輻射率が高く、耐熱性が優れているものであれば良い。
【００２１】
実施の形態２では、触媒体１からの放射エネルギーを赤外線吸収体１８で吸収した後、赤外線吸収体１８からの放射エネルギーを輻射受熱体８で吸収し、熱エネルギーに変換するため、触媒体１から赤外線吸収体１８への放射伝熱と、赤外線吸収体１８から輻射受熱体８への放射伝熱が存在することになる。赤外線透過体１０（ガラス）でも、放射エネルギーを１００％透過できるわけではないため、赤外線吸収体１８を高温にすることにより、触媒体１から輻射受熱体８への放射伝熱効率を赤外線透過体１０を用いた場合に近づけることも可能である。実施の形態２では、赤外線透過体１０（ガラス）を設置する必要がないため、低コスト化を図りやすくなる。
【００２２】
赤外線吸収体１８を金属板とし、両面を高輻射材で被覆することにより、触媒体１から輻射受熱体８への放射伝熱効率を一層、向上させることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、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。
【００２４】
触媒体の混合気上流側に赤外線透過体、排気経路を介して、輻射受熱体を設けることにより、触媒体からの放射伝熱と燃焼ガスからの対流熱伝達が共存する伝熱形態をとり、伝熱性能の高効率化、機器の小型化が可能となる。
【００２５】
赤外線透過体（ガラス）を用いずに赤外線吸収体により、低コスト化を図ることもできる。
【００２６】
触媒体を２枚、混合気上流側が外側になるように所定距離を設けて対向させることにより、小型化を図ることができるとともに、機器の前面と後面に放射エネルギーを射出するため、広範囲な輻射暖房が可能となり、放射効率も向上する。
【００２７】
２枚の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。
【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
５ 電気ヒーター
６ 補助触媒体
８ 輻射受熱体
９ 熱交換部
１０ 赤外線透過体
１２ 排気経路
１８ 赤外線吸収体

Claims (9)

1. 燃料と空気の混合ガス供給部と、前記混合ガス供給部の流れ方向下流に設けられた通気性を有する触媒体と、前記触媒体の混合気の流れ方向上流側に前記触媒体と対面して設けられた赤外線透過体と、前記触媒体に前記赤外線透過体を介して対面する熱交換部を有する輻射受熱体と、前記赤外線透過体と前記輻射受熱体の間に形成され、前記触媒体を通過した燃焼ガスを流すように前記触媒体の下流と連通する排気通路とを備えたことを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 燃料と空気の混合ガス供給部と、前記混合ガス供給部の流れ方向下流に設けられた通気性を有する触媒体と、前記触媒体の混合気の流れ方向上流側に前記触媒体と対面して設けられた赤外線吸収体と、前記触媒体に前記赤外線吸収体を介して対面する熱交換部を有する輻射受熱体と、前記赤外線吸収体と前記輻射受熱体の間に形成され、前記触媒体を通過した燃焼ガスを流すように前記触媒体の下流と連通する排気通路とを備えたことを特徴とする触媒燃焼装置。
3. 燃料と空気の混合ガス供給部と、前記混合ガス供給部の流れ方向下流に設けられた通気性を有する２枚の平面状の触媒体と、前記触媒体の外側に設けられた２つの赤外線透過体、または赤外線吸収体と、前記触媒体と前記赤外線透過体、または前記赤外線吸収体との間に形成された２つの混合気経路とを備えたことを特徴とする触媒燃焼装置。
4. 触媒体に前記赤外線透過体、または赤外線吸収体を介して対面する熱交換部を有する輻射受熱体と、前記赤外線透過体、または前記赤外線吸収体と前記輻射受熱体との間に形成され、前記触媒体の下流と連通する排気経路とをさらに備えた請求項３記載の触媒燃焼装置。
5. 触媒体は傾斜して対向している請求項３又は４記載の触媒燃焼装置。
6. 触媒体は２枚の平面状の触媒体であり、前記２枚の触媒体の下流側に位置する補助触媒体と、前記２枚の触媒体と前記補助触媒体との間に位置させた電気ヒーターとをさらに備え、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を開始する請求項３又は４記載の触媒燃焼装置。
7. 輻射受熱体は金属板であり、受熱面側を高輻射材で被覆した請求項１、２又は４記載の触媒燃焼装置。
8. 赤外線吸収体は金属板であり、両面を高輻射材で被覆した請求項２、３又は４記載の触媒燃焼装置。
9. 輻射受熱体の排気経路側に排気熱を受熱する突出部が形成された請求項１、２又は４記載の触媒燃焼装置。

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