JPH11201665A - 熱媒体用液体加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝熱性能に優れ、熱媒体用液体の熱交換効率
が高く、経済性に富む熱媒体用液体の加熱手段の提供。 【解決手段】 多管式などの熱交換器コアと触媒燃焼装
置とで構成し、触媒燃焼装置では液体燃料または気体燃
料と燃焼用空気とを混合させて燃焼させ、該触媒燃焼装
置で発生した燃焼ガスにより前記熱交換器コアに導入さ
れた熱媒体用液体を加熱する仕組みとなすとともに、前
記触媒燃焼装置で発生した燃焼ガスを熱交換器コアの端
部より排気する構造となしていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は特に寒冷時や極寒時
におけるディーゼルエンジンやガソリンエンジンを動力
源とする主に自動車などの各種車両用エンジンの起動性
向上や電気自動車を含む各種車両や船舶のキャビン暖房
などに使用されるエンジン冷却水などの熱媒体用流体の
補助加熱手段として用いられ、またエンジン駆動される
発電機、溶接機、コンプレッサー、建設機械などのエン
ジン用冷却水の予熱あるいは急速昇温（ウォーミングア
ップ時間の短縮）に用いる熱媒体用液体加熱装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の自動車用ディーゼルエンジンやガ
ソリンエンジンの冷却水の予熱装置としては、例えば図
５にその概略を示すごとく、エンジン冷却水の入口管１
２および出口管１３と燃焼ガスの排気口１４を有する筒
形のケーシング（装置本体）１１の内部に円筒形の熱交
換ドラム１５が組込まれ、さらに前記熱交換ドラム１５
の内部にバーナ燃焼装置１６と燃焼室１７が設けられた
構造となったものが知られている。１８は燃料供給管、
１９は燃焼空気用ブロア−、２０は排気管である。すな
わち、図５に示す予熱装置は、熱交換ドラム１５の内部
に組込まれたバーナ燃焼装置１６により直接熱交換ドラ
ム１５を内側より加熱することにより、入口管１２より
熱交換ドラム１５の外周壁とケーシング１１の内壁との
間に導入されたエンジン冷却水が加熱されて出口管１３
より流出し、他方、燃焼室１７内の排ガスは排気口１４
から排気管２０を介して排出される仕組みとなってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
のバーナ燃焼装置を採用した予熱装置は、通常燃焼のた
め燃料の燃焼速度は高速であり、したがって燃焼を維持
するため空気を高速で大量に圧送する必要があり、高温
の燃焼ガスは熱交換ドラム１５内を高速で通過すること
となり滞留時間が短く、燃焼ガスから熱交換ドラム１５
への熱伝達が十分になされず、高い熱エネルギーを持っ
たまま排気ガスとして大量に排出されてしまい、エンジ
ン冷却水の加熱効率が低くならざるを得ないという欠点
があった。また、エンジン冷却水の受熱量（交換熱量）
を上げるためには装置を大型化し、燃料を多く使用せざ
るを得ず、燃料費のアップを余儀なくされるという問題
がある。

【０００４】本発明は従来の前記課題を解決するために
なされたもので、高速で燃焼する従来のバーナ燃焼方式
に替えて極めて燃焼速度の遅い触媒燃焼方式を採用し、
かつ該触媒燃焼方式と多管式やプレート式などの熱交換
器コアとの熱交換方式とを組合わせることによって伝熱
性能を高め、エンジン冷却水などとの熱交換効率が安定
し、かつ小型で経済的な熱媒体用液体加熱装置を提案し
ようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱媒体用液
体加熱装置は、熱交換器コアと触媒燃焼装置とから構成
され、触媒燃焼装置では液体燃料または気体燃料と燃焼
用空気とを混合させてゆっくりと触媒燃焼させて徐々に
熱交換器コアに導入して、該触媒燃焼装置で発生した燃
焼ガスにより前記熱交換器コアに導入された熱媒体用液
体を長時間にわたりゆっくりと加熱する仕組みとなすと
ともに、前記触媒燃焼装置で発生した燃焼ガスは熱交換
器コア内を上昇する間に熱交換されて低温となり熱交換
器コアの端部より排気する構造となしていることを特徴
とするものである。また、前記熱交換器コアは、胴管内
壁の両端部付近に固定されたチューブシートに複数の管
体よりなる伝熱管群が固着配列され、さらに必要に応じ
て前記胴管内の複数箇所でバッフルプレートが設けら
れ、前記胴管の両端部には前記触媒燃焼装置で発生した
燃焼ガスの流入口と流出口が設けられ、前記胴管の側壁
には熱媒体用液体流入口および流出口が設けられた多管
式熱交換器構造となしたものやプレート式熱交換器を用
いることができ、さらに前記触媒燃焼装置の触媒として
は白金系の触媒を用いたりするものである。

【０００６】本発明においてエンジン冷却水などの加熱
のための熱源に触媒燃焼方式を採用したのは、空気過剰
率の小さい従来のバーナ燃焼方式に比べて空気過剰率が
高く燃焼速度が遅いため燃焼ガスの発生速度が極めて遅
く、よって発生ガス量も少なく、長時間コア内にガスが
存在して熱交換するため熱交換率が高く、かつ経済的で
あるからである。この触媒燃焼方式に用いる触媒として
は懐炉、ガスライター、石油燃焼機器等に使用されてい
る白金系の触媒が好適である。

【０００７】また、エンジン冷却水などとの熱交換手段
に多管式あるいはプレート式熱交換器などの熱交換器コ
アを採用したのは、構造的に高い熱交換特性を有し、特
に前記触媒燃焼装置により発生する低速の燃焼ガスを長
時間停滞させて熱エネルギーをエンジン冷却水などに高
い効率で回収してキャビン暖房やエンジンの予熱（ウォ
ーミングアップ）などに有効に利用することができると
いう特徴を有するからである

【０００８】なお、本発明における触媒燃焼用液体燃料
としてはガソリン、軽油、重油等を、また気体燃料とし
てはＬＰＧ（液化石油ガス）、ＣＮＧ（圧縮天然ガ
ス）、ＤＭＥ（ヂメチルエーテル）等を用いることがで
きる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る熱媒体用液体
加熱装置の基本構成を示す概略図、図２は本発明の一実
施例装置を一部省略して示す縦断面図、図３は同上予熱
装置の触媒燃焼装置における点火手段を例示したもの
で、（Ａ）はグロープラグによる方式、（Ｂ）（Ｃ）は
圧電素子などの高圧電源による放電用スパーク電極の取
付方式をそれぞれ示す概略図、図４は他の実施例に係る
熱交換器コアの部分断面図であり、１は熱交換器コア、
２は触媒燃焼装置、３は燃料・空気混合装置、４は燃料
供給管、５は燃焼用空気供給管である。

【００１０】すなわち、本発明に係る熱媒体用液体加熱
装置は図１にその基本構成を示すごとく、多管式または
プレート式の熱交換器コア１の入側底部に触媒燃焼装置
２を連設し、該触媒燃焼装置２の下部に燃料・空気混合
装置３を接続した構成となしたもので、燃料供給管４お
よび燃焼用空気供給管５より供給される燃料と燃焼用空
気が燃料・空気混合装置３にて混合されて触媒燃焼装置
２へ導入されるとともに点火されて触媒が加熱されて活
性化し、燃料と空気が徐々に触媒層に送られてゆっくり
と触媒燃焼し、この熱により加熱された燃焼ガスが熱交
換器コア１内へゆっくりと導入されて長時間に亘って熱
交換し、冷却水流入口１−２より導入されたエンジン冷
却水が前記燃焼ガスにて長時間にわたり確実に加熱され
て高温水となり冷却水流出口１−３より流出する一方、
熱交換器コア１の頂部に設けられた排ガス流出口１−４
から低温となった燃焼ガスがゆっくりと排出される構造
となっている。なお、熱交換器コア１、触媒燃焼装置２
および燃料・空気混合装置３の各本体は円筒状に限ら
ず、エンジンルームなどの配置空間に合った任意の形状
となっている。

【００１１】次に、本発明の一実施例装置を図２に基づ
いて説明する。熱交換器コア１は、胴管１−１の内壁の
上下両端部に固定されたチューブシート１−５に複数本
の伝熱管１−６が固着配列され、この伝熱管群を構成す
る各伝熱管は胴管１−１の複数箇所にその外周部が胴管
１−１の内壁に好ましくは固着されたバッフルプレート
１−７の貫通孔に嵌着または嵌挿支持されている。な
お、バッフルプレート１−７は必ずしも必要とするもの
ではなく、胴管１−１の長さなどに応じて適宜設けられ
る。胴管１−１の上端部には排ガス流出口１−４が設け
られた端部キャップ１−８が固着され、胴管１−１の上
側端部側壁に設けられた熱媒体用液体流入口１−２より
導入された熱媒体用液体が胴管１−１の下側端部側壁に
設けられた熱媒体用液体流出口１−３より流出する構造
となっている。なお、図２に示す装置では多管式の熱交
換器コア１を用いた例を示したが、熱交換器コア１とし
ては、図４に示すごとく胴管１−１内に伝熱管に替えて
プレート１−６′を固着配列して構成したプレート式の
熱交換器コアを用いてもよい。

【００１２】触媒燃焼装置２は図示のごとく、円筒体２
−１の燃焼室２−２に層状に重合された触媒２−３が内
蔵され、円筒体２−１の側壁に点火手段２−４が取付け
られた構造となっている。なお、層状に重合された触媒
２−３は、例えば白金などの触媒物質がコーティングさ
れたグラスフィバー２−３ａを好ましくは触媒コートさ
れた金属製ネット２−３ｂを介して層状に重合して構成
されている。すなわち、この触媒燃焼装置２は下方より
燃焼室２−２内に導入されてきた燃料と空気の混合流体
に点火されて触媒２−３が加熱されて活性化し、この活
性化した触媒により混合流体が触媒層にて触媒燃焼して
発生した燃焼ガスが熱交換器コア１内へ導入されるよう
に、その上面開口部を前記熱交換器コア１の胴管１−１
の底部に連設している。上記点火手段２−４としては図
３に例示したごとく、円筒体２−１の側壁を貫通して触
媒２−３の層付近にグローブラグ２−４ａを取付けて点
火するグロープラグによる方式（Ａ）や、円筒体２−１
の側壁を貫通して触媒２−３の層内に圧電素子などの高
圧電源から送給された高電圧電流のスパーク用電極２−
４ｂを対向させて取付ける方式（Ｂ）、あるいは並置さ
せたスパーク電極２−４ｃを取付けてスパークにより点
火する方式（Ｃ）等を用いることができる。なお触媒層
の担体としては、耐熱金属箔製の平板と波形成形した波
板とを交互に積層し、必要に応じ相互を固着し、その後
ウォッシュコートし、ついで触媒コートしたものでもよ
くその形式には限定されず任意のものを適宜選択でき
る。

【００１３】燃料・空気混合装置３は円筒体３−１内に
例えば一定間隔に配設したロッドに多数の羽根を傾斜さ
せて取付けた撹拌羽根３−２をその向きが異なるように
多段に横設して構成したもので、円筒体３−１の上面開
口部を前記触媒燃焼装置２の円筒体２−１の底部に連設
している。なお燃料・空気の混合手段は、上記撹拌羽根
による方式以外に、例えば多数の細孔を穿設した円板を
円筒体３−１の内部に多段に配置する方式等もある。

【００１４】上記燃料・空気混合装置３の底部には燃焼
用空気供給管５が接続され、この燃焼用空気供給管５の
上部開口部に燃料供給管４が配管される。なお、燃焼用
空気は自然吸引により送給してもよいが、必要に応じ該
燃料供給管４の下方に設置したモータ駆動されるファン
６にて燃焼用空気と燃料を燃料・空気混合装置３へゆっ
くりではあるが一定流量を強制的に送給する仕組みとし
てもよい。なお、ここに例示した燃料供給管４の燃料噴
射管部はリング状となっており、このリング状の管体に
多数のノズル孔が穿設されている。

【００１５】上記構成の熱媒体用液体加熱装置におい
て、燃焼用空気供給管５より供給される一定流量の燃焼
用空気および燃料供給管４より供給される一定流量の燃
料は必要によりモータ駆動されるファン６によりゆっく
りと燃料・空気混合装置３へ強制的に送給され、ここで
多段に横設された撹拌羽根３−２にて燃焼用空気および
燃料が混合されて触媒燃焼装置２へゆっくりと導入され
る。触媒燃焼装置２へ燃料と空気の混合流体が導入され
ると点火手段２−４にて点火されて触媒が加熱されて活
性化し、この活性化した触媒により混合流体が触媒層に
て触媒燃焼して発生した燃焼ガスが熱交換器コア１内へ
ゆっくりと導入され、各伝熱管１−６またはプレート１
−６′内をゆっくりと通過する間に熱媒体用液体流入口
１−２より導入された熱媒体用液体が熱交換されて高温
となり熱媒体用液体流出口１−３より流出する一方、燃
焼ガスは十分熱交換されて低温となり当該熱交換器コア
１の頂部に設けられた排ガス流出口１−４から排出され
る。なお、液体燃料の場合、燃料供給管４の燃料噴射用
リング状部を触媒層２−３内に設けると熱により液体燃
料の気化が促進されて好ましい。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したごとく、本発明の熱媒体用
液体加熱装置は熱媒体用液体加熱のための熱源に従来の
バーナ燃焼方式に比べて燃焼速度が遅いため燃焼ガスの
発生速度が極めて遅く、よって発生ガス量も少なく、熱
効率が高く、かつ経済的な触媒燃焼方式を採用し、また
熱媒体用液体の熱交換手段に、高い熱交換特性を有し、
特に前記触媒燃焼装置により発生する低速の燃焼ガスを
長時間停滞させて熱エネルギーをエンジン冷却水などに
高い効率で回収して熱交換に有効に利用することができ
る多管式やプレート式の熱交換器コアを採用したことに
より、バーナ燃焼装置を採用した従来の予熱装置に比べ
伝熱性能に優れ、エンジン冷却水の熱交換効率も安定
し、小型でしかも経済性に富むという優れた効果を奏
し、特に寒冷時や極寒時におけるディーゼルエンジンや
ガソリンエンジンを動力源とする主に自動車などの各種
車両用エンジンの起動性向上や電気自動車を含む各種車
両や船舶のキャビン暖房などに使用されるエンジン冷却
水などの熱媒体用流体の補助加熱手段として、またエン
ジン駆動される発電機、溶接機、コンプレッサー、建設
機械などのエンジン用冷却水の予熱や急速昇温（ウォー
ミングアップ時間の短縮）手段として極めて有用性に富
むものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱媒体用液体加熱装置の基本構成
を示す概略図である。

【図２】本発明の一実施例装置を一部省略して示す縦断
面図である。

【図３】同上予熱装置の触媒燃焼装置における点火手段
を例示したもので、（Ａ）はグロープラグによる方式、
（Ｂ）は圧電素子放電による方式、（Ｃ）はスパーク電
極による方式をそれぞれ示す概略図である。

【図４】本発明の他の実施例に係る熱交換器コアの部分
断面図である。

【図５】従来のディーゼルエンジン冷却水予熱装置の一
例を示す概略縦断面図である。

【符号の説明】

１ 熱交換器コア １−１ 胴管 １−２ 熱媒体用液体流入口 １−３ 熱媒体用液体流出口 １−４ 排ガス流出口 １−５ チューブシート １−６ 伝熱管 １−６′ プレート １−７ バッフルプレート １−８ 端部キャップ ２ 触媒燃焼装置 ２−１ 円筒体 ２−２ 燃焼室 ２−３ 触媒 ２−４ 点火手段 ３ 燃料・空気混合装置 ３−１ 円筒体 ３−２ 撹拌羽根 ４ 燃料供給管 ５ 燃焼用空気供給管 ６ ファン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器コアと触媒燃焼装置とから構成
   され、触媒燃焼装置では液体燃料または気体燃料と燃焼
   用空気とを混合させて触媒燃焼させ、該触媒燃焼装置で
   発生した燃焼ガスにより前記熱交換器コアに導入された
   熱媒体用液体を加熱する仕組みとなすとともに、前記触
   媒燃焼装置で発生した燃焼ガスは熱交換器コアの端部よ
   り排気する構造となしていることを特徴とする熱媒体用
   液体加熱装置。
2. 【請求項２】 前記熱交換器コアは、胴管内壁の両端部
   付近に固定されたチューブシートに複数の管体よりなる
   伝熱管群が固着配列され、前記管体は必要に応じて前記
   胴管の複数箇所でバッフルプレートにて支持され、前記
   胴管の両端部には前記触媒燃焼装置で発生した燃焼ガス
   の流入口と流出口が設けられ、前記胴管の側壁には熱媒
   体用液体流入口および流出口が設けられた多管式熱交換
   器構造となしていることを特徴とする請求項１記載の熱
   媒体用液体加熱装置。
3. 【請求項３】 前記触媒燃焼装置の触媒に白金を用いる
   ことを特徴とする請求項１または２記載の熱媒体用液体
   加熱装置。