JPH11337012A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射熱利用効率が高く、燃焼排ガスのクリー
ン性および安定性と燃焼量制御性の高い触媒燃焼装置を
実現する。 【解決手段】 燃料と空気の混合気が取り込まれる燃焼
室４と、燃焼室４内に設置され、多数の連通孔を有し、
熱の良伝導性基材に燃料の酸化活性を有する触媒を担持
させてなる触媒体７と、燃焼室４内の触媒体７下流側近
傍に配設された、多数の連通孔を有する、熱の非良伝導
性部材９とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、触媒燃焼を用いた
燃焼装置において、特にその燃焼安定性と完全反応性お
よび高熱利用効率の確保技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化水素を主体とする燃料に対して酸化
活性を有する触媒を用いた触媒燃焼装置は、従来より多
数提案されているが、その燃焼反応を行わしめる触媒体
は、セラミックハニカムやセラミック焼結体、もしくは
セラミック繊維の集合体や編組体等、熱伝導率の小さな
セラミック材料で構成するもの、もしくは耐熱性金属の
薄板構成体やコルゲート構成体等、熱伝導率の大きな金
属材料で構成するもののいずれか単独である。その熱伝
導性の小さな材料の場合には反応熱で加熱された触媒体
からの放射放熱を加熱源として利用し、一方熱伝導性の
大きな材料を用いた場合は、触媒体周囲やその下流側で
熱媒体に熱交換して加熱源として利用するのが一般的で
ある。

【０００３】また燃焼方式としては、触媒体に燃料のみ
を供給し、大気と接触する下流側で酸素の拡散混合を行
い、ここで触媒燃焼反応を行わしめる拡散燃焼方式と、
燃料と空気の予混合気を供給して主に触媒体の上流面付
近で触媒燃焼反応をさせ、触媒上流面から放出される放
射熱を利用する予混合燃焼方式とがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の機器で、燃
料のみを強制供給し、触媒体下流側で酸素の拡散供給を
受けて燃焼反応を行う方式では、構成が簡易であり反応
面からの放射熱が直接利用できるという利点がある反
面、反応に寄与し得る触媒体の作用部位は下流面近傍の
一部のみであり、また大気中の酸素の拡散で反応が支配
されることから、完全燃焼性に課題があり、未燃焼成分
を排出しやすいという欠点があった。

【０００５】これに対して燃料と燃料と空気の予混合気
を供給して主に触媒体上流側表面近傍で接触酸化反応を
させる方式では、触媒体の連通孔を経て下流側に排気ガ
スを放出するという過程を経るものであり、その間で反
応が十分促進されて完全反応が確保しやすいという特徴
がある。そして触媒燃焼反応が触媒体の上流側表面で進
行することから、反応熱によって加熱された触媒体上流
面から多量の放射熱が得られるが、予混合気の流路にな
る触媒体上流側は閉空間を構成する必要がある。

【０００６】ここで触媒体の基材として熱の非良伝導
体、すなわちセラミックハニカムやセラミック焼結体等
の熱伝導率の小さな材料を用いた場合には、反応熱が伝
導分散され難く、触媒体の上流側近傍に高い温度ピーク
を有する温度分布を示し、触媒体上流面に対向設置され
た熱線透過窓を介して熱線を放射させたり、あるいは触
媒体上流面に対向して放射熱の受熱体を設置して熱媒体
等に放射熱を回収し、加熱や暖房等の用途に供するのが
一般的である。しかしながら熱伝導率が小さいことから
逆に、触媒体を保持する周辺部分においては、金属枠等
の支持構造体に熱を奪われて温度が低下し、メタン等の
難燃性燃料を使用した場合には、ここから未燃焼成分を
下流に通過させることにもなり、触媒体全体としての完
全反応性が損なわれたり、著しくは周辺部分から徐々に
反応停止方向へ移行して、安定した燃焼を維持できない
場合も生ずるものであった。

【０００７】一方触媒体の基材に、熱の良伝導体、すな
わち金属板構成体や金属製コルゲート構造体等の熱伝導
率の大きな材料を用いた場合には、触媒体表面で発生し
た反応熱が速やかに触媒体全体へと伝導分散され、触媒
体全体の温度が均一化されるように働く。したがって触
媒体の周囲部分や上流もしくは下流から熱を積極的に回
収し、熱媒体等を介して加熱や暖房に用いるには適して
いるが、燃料供給量が多い場合には全体的に十分反応を
維持できる温度を確保できるものの、燃料供給量が少な
くなってくると急激に温度低下を生じ、反応停止に至る
という不安定性を有するものであった。また反応中心が
触媒体の上流側にあるにもかかわらず、反応熱が速やか
に下流方向にも分散されるため、上流面に対向して熱線
の透過窓を設置しても、ここを介して前方に供給される
放射熱の量は少なくなり、放射加熱の構成には不向きで
あった。

【０００８】本発明は、かかる従来の触媒燃焼装置の課
題を解消し、安定な完全燃焼性を確保しつつ、熱の利用
効率を維持でき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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、熱の良伝導性基材に燃料の酸化活性を有
する触媒を担持させた触媒体の下流近傍に、熱の非良伝
導性部材を備えたことを特徴としている。

【００１０】また熱の非良伝導性基材に酸化触媒を担持
させた触媒体の下流側に、熱の良伝導性基材に酸化触媒
を担持させた補助触媒体を備え、両者の間に熱供給手段
を配置したことを特徴としている。

【００１１】さらに、熱の良伝導性基材に燃料の酸化活
性を有する触媒を担持させた触媒体の上流近傍に、熱の
非良伝導性部材を備えたことを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。なお本発明の実施には、各種
炭化水素系燃料への酸化活性を有する触媒成分や、耐熱
性の熱線透過材料、着火装置等の他、燃料および空気や
熱媒体等の流量制御装置、必要に応じて温度検出手段や
駆動装置等が必要となるが、これらはいずれも周知の技
術である。例えば触媒成分は、白金やパラジウム等の貴
金属を主成分としたものが従来より用いられており、必
要に応じて卑金属酸化物やペロブスカイト等の複合酸化
物等が用いられている。また耐熱性の熱線透過材料とし
ては、石英ガラスや結晶化ガラス等が通常の燃焼機器で
一般に使用されている。空気や気体燃料の流量制御は、
手動のニードルバルブや電動のソレノイドバルブ等が使
われ、液体燃料の場合には電磁ポンプ等を使用してい
る。また熱媒体としては水や耐熱性オイルが用いられ、
その循環には電動ポンプが使用される。着火手段は電気
加熱式のヒータ、圧電素子を用いた放電着火、もしくは
ライターやマッチ等でもよい。その他駆動部分は、手動
のレバー操作もあり、自動制御のモータ駆動のものもあ
る。また空気の供給手段としては、送風ファンを用る方
法もあり、また燃料の噴出圧で自吸するスロート構成を
用いてもよく、これらはいずれも従来から一般的に採用
されている手段である。

【００１３】（実施の形態１）図１は、本発明に係る触
媒燃焼装置の１実施の形態の要部断面構成図、図２はそ
の作用説明図である。図１において、１は燃料と空気の
予混合気供給管、２は燃焼調節ツマミ、３は予混合気の
流量を調節する調節部、４は燃焼室で、調節部３から流
出した予混合気は流入管５を介して噴出口６から燃焼室
４内に噴出される。燃焼室４内には耐熱性のフェライト
薄板で構成されたコルゲート構造の基材に白金系の貴金
属を担持させた触媒体７が取り付けられ、その下流に点
火器８が備えられている。９は触媒体７の下流に対向し
て配置されたコージェライト製のセラミックハニカムか
らなる蓄熱体で、駆動部１０によって前後に移動自在に
設置されている。１１は燃焼排ガスの排気口、１２は触
媒体７の上流面に対向設置されたガラス窓である。ここ
で駆動部１０は、燃焼調節ツマミ２の動作と連動し、調
節部３から流入管５に供給される予混合気量が多い場合
には蓄熱体９をより下流側、すなわち触媒体７から離れ
る方向に移動し、予混合気量が少なく制御される時には
蓄熱体９が触媒体７に近づくよう連動させて制御してい
る。

【００１４】次に、本実施の形態の動作と効果について
説明する。予混合気供給管１から供給された燃料ガス
（ここではメタンを主成分とする都市ガスを使用）と空
気の予混合気は、燃焼調節ツマミ２の回動によって調節
部３で流量を調節されながら流入管５を介して噴出口６
より燃焼室４に噴出され、多数の連通孔を有するコルゲ
ート形状の触媒体７上流面へと至る。燃焼開始時には点
火器８に通電して、触媒体７を通過した予混合気に着火
させ、触媒体７の下流面近傍に火炎を形成する。この火
炎により、蓄熱体９が加熱されると同時に、触媒体７も
徐々に昇温され、触媒反応開始可能温度となって触媒体
７での触媒燃焼反応が開始され、これに伴って火炎は消
失する。定常燃焼時には、噴出口６から流入する予混合
気（白矢印Ａ）が触媒体７で燃焼反応した後、高温の排
ガス（斜線矢印Ｂ）が蓄熱体９を通過して（矢印Ｃ）排
気口１１へと流れるが、排ガスの保有熱の一部は熱伝導
率の小さい蓄熱体９で回収され、その温度を上昇させ
る。一方反応熱によって赤熱状態となった触媒体７の上
流側表面からは多量の放射熱が発散されるが、この放射
熱線のうち短波長成分の大部分は触媒体７の上流側表面
に対向して設置されるガラス窓１２を透過し直接前方に
放出され、他の成分はガラス窓１２に吸収されてこれを
昇温し、ここから再度二次放射として発散されて、加熱
や暖房に供せられる。

【００１５】ところで定常の触媒燃焼時には、主として
触媒体７の上流側表面近傍で燃料の酸化反応が行われる
が、仮に蓄熱体９を用いず、触媒体７の基材に熱伝導率
の小さいセラミックハニカム等を用いた場合、図２の●
印でプロットされる線のように上流部分に高い温度ピー
クを有し、下流は低い温度となる温度分布を示す。この
特性は触媒体上流面からの放射熱供給には好ましいが、
触媒体７の横方向への熱伝達も低いために、金属枠等で
固定される周辺部分では、熱伝導によって温度低下を招
いた部分に高温の中心部からの熱供給が十分得られず、
中心部が８５０℃程度としても周辺部は７００℃以下に
もなるような著しい温度差が発生する。このため、予混
合気供給量が少ない低燃焼量の条件では、低温となる触
媒体７周囲部分で反応を継続し得ない状況にもなり、未
燃焼成分をそのまま排出することにもなる。この未燃焼
成分を反応させるために、触媒体７下流側に別の浄化用
触媒体を設置しても、触媒体７下流に流れる排ガス温度
も低く、浄化用の触媒体を十分な活性温度まで昇温でき
ないために、完全浄化が困難である。

【００１６】これに対して、蓄熱体９を用いず、触媒体
７の基材をフェライト薄板のコルゲート構造体からなる
メタルハニカムとした場合、これ単独で設置した時には
図２の▲印で示すように、触媒体７の上流面近傍で発生
した熱が下流方向および周囲方向にも速やかに伝達さ
れ、上流と下流および中心と周囲とで温度差の小さい状
況が得られる。ただこの場合には、熱伝導の良いことが
逆に蓄熱性を損ない、触媒体７上流面の温度は低下する
傾向となり、セラミックハニカムに比べて上流面への放
射熱量が低下することにもなる。

【００１７】そこで、本実施の形態のように、触媒体７
の基材をメタルハニカムとし、その下流面に対向させて
コージェライト製のセラミックハニカムからなる蓄熱体
９を設置すると、図２の■印で示すように、メタルハニ
カムの良熱伝導性の特徴を示して下流および周囲方向へ
の温度均一化作用を維持しつつ、排ガスの保有熱を回収
して温度上昇した蓄熱体９が放射熱を放射する。その放
射によって触媒体７の下流面が昇温され、これが排ガス
温度の上昇と触媒体７下流面からの放射放熱量の増加を
促進し、再度蓄熱体９温度を上昇させて熱のフィードバ
ックを増加させることを繰り返す。その結果図２の■印
線に示されるように触媒体７の上流面温度も十分高く、
下流面も（同時に周囲部分も）高い温度に維持されると
いう状況を確保し、また上流面方向への多量の放射熱供
給を維持しながら部分的な温度低下による未燃焼成分の
排出を防止する効果が得られる。

【００１８】なお触媒体７の下流面と蓄熱体９の上流面
との距離は広げるに従って周辺の燃焼室４壁面等への熱
放散が増大し、逆に近接設置するほど熱のフィードバッ
ク量は増加する。また、燃焼量が大なる時に触媒体７の
温度が上昇し過ぎると、触媒活性成分の熱劣化を促進す
ることにもなり、過剰な熱回収は不必要である。逆に燃
焼量が小なる時には、熱回収量を大きくして反応活性を
維持することが燃焼量下限域の拡大につながるから、距
離を小さくするのが好ましい。そこで、燃焼調節ツマミ
２の動作に連動させて蓄熱体９を前後に移動可能とし、
供給される予混合気の流量が大きい時には距離を大き
く、流量が小さい時には距離を小さくするよう動作させ
ると、より広い燃焼量範囲で安定かつ完全燃焼をさせる
ことができる。

【００１９】ここで蓄熱体９は、熱伝導性の小さなセラ
ミック等が最適であるが、ハニカム形状に固定されるこ
とはなく、排ガスが通過し得る空隙を有するものであれ
ば、セラミック焼結体や繊維状の成形体、編組体等でも
よい。またこの蓄熱体９の温度も十分昇温していること
から、ここに酸化活性を有する触媒を担持させて、未燃
焼成分が生じた場合に完全浄化する作用を行わせること
も可能である。

【００２０】（実施の形態２）本発明の第２の実施の形
態について説明する。本実施の形態は、基本的な構成お
よび燃焼操作等は実施の形態１と同様であるが、燃焼室
４内に配置する触媒体７の基材の選定と設置順序、およ
び触媒体７下流に熱供給手段を設置した点が異なる。し
たがって、この相違点を中心に本実施の形態を説明す
る。

【００２１】図３は、本実施の形態の要部断面構成図で
ある。図３において、燃焼室４内に備えられ、ガラス窓
１２に対して上流面が対向するよう配置された多数の連
通孔を有する触媒体７は、熱伝導率の小さなコージェラ
イト製のセラミックハニカムを基材として、これに貴金
属系の触媒を担持して構成されている。その触媒体７の
下流側には熱伝導率の大きいフェライト系金属の薄板を
コルゲート形状に加工したメタルハニカムを基材とし
て、これに貴金属系触媒を担持した浄化触媒１７を対向
設置させている。また触媒体７の下流側に設置されてい
る点火器８の近傍に、炎口１６を開口配置しており、炎
口１６は補助導入管１５によって調節部２と連通してい
る。

【００２２】上記構成において、調節部２から補助導入
管１５を経て炎口１６に供給された予混合気は、点火器
８により着火されてここで火炎を形成し、高温排ガスを
補助触媒体１７へと提供する。触媒体７から排出される
排ガスは、前記図２の説明で示したように比較的低い温
度で供給されるが、炎口１６から供給される熱を受けて
補助触媒体１７は、未燃焼成分の酸化浄化を十分行い得
る温度まで昇温されており、熱伝導率が小さい故に触媒
体７の周辺部分の温度低下を招き、ここで未反応の燃料
が通過した場合においても、補助触媒体１７において確
実に酸化され、排気口１１から排出されることは避けら
れる。また補助触媒体は１７は、熱伝導率の高いメタル
ハニカムで構成されているため、炎口１６で形成される
火炎および高温排ガスが、補助触媒体１７の全域に至ら
ない場合においても、熱伝導によって全体を十分活性な
温度まで昇温することが可能であり、未燃焼成分のスリ
ップは確実に抑止できる。加えて加熱された補助職媒体
１７からは、上流に位置する触媒体７への熱放射も生ず
るから、触媒体７の加熱保温にも幾分の効果を発揮し
て、ここでの反応率を高める作用がある。また触媒体７
での反応率が低下した場合には、補助触媒体１７での反
応負荷が上昇し、浄化触媒体１７の温度上昇を招くが、
この温度上昇は再び触媒体７への放射加熱量増加へとフ
ィードバックされ、触媒体７での反応率回復に寄与し得
ることから、燃焼状態の崩れを自動修復することが可能
である。

【００２３】なおここで、補助職媒体１７の加熱手段と
して火炎を形成する炎口１６を設けているが、必ずしも
火炎を用いる必要はなく、例えば電気加熱のヒータを用
いてもよく、この場合は燃焼開始時に触媒体７の加熱に
も利用できるから、上述のように点火器８で火炎形成し
た後に徐々に触媒燃焼へ移行させるという方法も必要な
く、常時クリーンな触媒燃焼を行い得る。また触媒体７
は、図２に示すように熱伝導率の小さなコージェライト
ハニカム等の方が、同一燃焼量（燃焼負荷）で上流面温
度の上昇が得られ、ガラス窓１２を介して前方へ供給さ
れる熱量を大きくでき、熱の有効利用ができる。

【００２４】（実施の形態３）本発明の第３の実施の形
態について説明する。本実施の形態は、基本的な燃焼操
作は実施の形態１と同様であるが、燃焼室４内に配置す
る触媒体７および蓄熱体９の設置順序、および予混合気
供給方向と熱利用形態が異なる。この相違点を中心に本
実施の形態を説明する。

【００２５】図４は、本実施の形態の要部断面構成図で
ある。図４において、予混合気の噴出口６は燃焼室４内
の触媒体７上流側に備えられ、燃焼室４内には上流側に
コージェライト製のセラミックハニカムからなる蓄熱体
９を、下流側に耐熱性のフェライト薄板で構成されたコ
ルゲート構造の基材に白金系の貴金属を担持させた触媒
体７を近接させて配置され、その下流に点火器８が備え
られている。なお触媒体７の下流面は外部に開放されて
いる。

【００２６】次に、本実施の形態の動作と効果について
説明する。噴出口６より燃焼室４に噴出された予混合気
は、蓄熱体９および触媒体７を通過して触媒体７下流面
へと至る。燃焼開始時には点火器８に通電して触媒体７
を通過した予混合気に着火させ、触媒体７の下流面近傍
に火炎を形成させる。この火炎により触媒体７も徐々に
昇温され、触媒反応開始可能温度となって触媒体７での
触媒燃焼反応が開始され、これに伴って火炎は消失す
る。

【００２７】定常燃焼時には、流入する予混合気が触媒
体７上流面付近、すなわち蓄熱体９との接触面付近を中
心に燃焼反応するが、上流側への放射熱は熱伝導率の小
さい蓄熱体９で回収され、その温度を上昇させる。予混
合気は触媒体７に至る前に蓄熱体９を通過するから、高
温になった蓄熱体９から熱供給を受けて温度が上昇し、
触媒体７の温度をさらに上昇させるよう作用する。一方
反応熱によって赤熱状態となった触媒体７では、熱伝導
率の大きなフェライト薄板のコルゲート構造体からなる
メタルハニカムを基材としているため、触媒体７の上流
面近傍で発生した熱が下流方向および周囲方向にも速や
かに伝達され、上流と下流および中心と周囲とで温度差
の小さい状況が得られる。この結果、図２の■印で示す
と同様の温度分布が触媒体７内に表れ、上流面よりはや
や温度が低いものの、下流側表面でも十分温度上昇した
状態となり、ここから多量の放射熱が放出される。前述
のように触媒体７の上流側に放射される熱の大部分は、
蓄熱体９で回収され、予混合気予熱に利用されるため、
少ない燃焼量でも十分高温の触媒体７温度が確保され、
安定した燃焼状態が維持される。また触媒体７の下流面
は、ガラス窓等の構成物が必要なく、かつ放射熱が全量
直接利用できるため、簡易な構成で熱利用効率の高い機
器を提供できる。

【００２８】なお本実施の形態では、触媒体７と蓄熱体
９を密着させているが、触媒体７の上流面からの熱伝導
ではなく放射熱を回収する作用が主であることから、必
ずしも接触させる必要はなく、対向近接した状態にあれ
ば十分その効果は発揮できる。

【００２９】以上、本発明を、気体燃料の燃焼加熱器に
適用した例で説明したが、本発明はこれに限定されるも
のでないことは勿論である。すなわち、以下のような場
合も本発明の効果は発揮される。

【００３０】燃料種として液体燃料を使用する場合も適
用できる。この場合には、噴出口６や炎口１６の上流で
液体燃料を気化させる手段が付加される。また触媒体７
に担持される活性成分としては、白金、パラジウム、ロ
ジウム等の白金属の貴金属が一般的であるが、これらの
混合体や他の金属やその酸化物との混合組成であっても
よい。燃料種や使用条件に応じた活性成分の選択が可能
である。また予混合気の供給手段としては、空気を自己
吸引するものでも燃料および空気を強制供給するもので
もよく、いずれも本発明の効果は得られるものである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に係る
触媒燃焼装置は、熱の良伝導性基材の温度均一化作用
と、熱の非良伝導性基材の蓄熱性および熱の指向放散性
を組み合わせて用いることにより、触媒体から放射され
る熱線の有効利用を確保しつつ、未燃焼成分の排出がな
いクリーンで安定した触媒燃焼を維持し、また微少燃焼
量までの広い範囲での触媒燃焼継続と燃焼制御性を確保
するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触媒燃焼装置の第１の実施の形態の要
部断面構成図である。

【図２】上記燃焼装置の作用説明図である。

【図３】本発明の触媒燃焼装置の第２の実施の形態の要
部断面構成である。

【図４】本発明の触媒燃焼装置の第３の実施の形態の要
部断面構成である。

【符号の説明】

１ 予混合気供給管 ２ 燃焼調節ツマミ ３ 調節部 ４ 燃焼室 ５ 流入管 ６ 噴出口 ７ 触媒体 ８ 点火器 ９ 蓄熱体 １０ 駆動部 １１ 排気口 １２ ガラス窓 １５ 補助流入管 １６ 炎口 １７ 補助触媒体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料と空気の混合気が取り込まれる燃焼
   室と、前記燃焼室内に設置され、多数の連通孔を有し、
   熱の良伝導性基材に燃料の酸化活性を有する触媒を担持
   させてなる触媒体と、前記燃焼室内の前記触媒体下流側
   近傍に配設された、多数の連通孔を有する、熱の非良伝
   導性部材とを備えたことを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記熱の非良伝導性部材は、前記燃焼室
   内で移動可能に配設され、前記混合気の流量が大なると
   きは前記触媒体との距離が大きくされ、流量が小なると
   きは距離が小さくなるようになっていることを特徴とす
   る請求項１記載の触媒燃焼装置。
3. 【請求項３】 燃料と空気の混合気が取り込まれる燃焼
   室と、前記燃焼室内に設置され、多数の連通孔を有し、
   熱の非良伝導性基材に燃料の酸化活性を有する触媒を担
   持させてなる触媒体と、前記燃焼室内の前記触媒体下流
   側に配設され、多数の連通孔を有し、熱の良伝導性基材
   に燃料の酸化活性を有する触媒を担持させてなる補助触
   媒体と、前記触媒体と前記補助触媒体との間に配置され
   た熱供給手段とを備えたことを特徴とする触媒燃焼装
   置。
4. 【請求項４】 前記熱供給手段は、近傍に着火手段を備
   えた火炎燃焼炎口で構成されていることを特徴とする請
   求項３記載の触媒燃焼装置。
5. 【請求項５】 燃料と空気の混合気が取り込まれる燃焼
   室と、前記燃焼室内に設置され、多数の連通孔を有する
   熱の非良伝導性基材と、前記熱の非良導性部材下流に近
   接して配設され、多数の連通孔を有し、熱の良伝導性基
   材に燃料の酸化活性を有する触媒を担持させてなる補助
   触媒体と、前記触媒体下流面近傍に配置された着火手段
   とを備えたことを特徴とする触媒燃焼装置。