JP2000146298A

JP2000146298A - 触媒燃焼装置

Info

Publication number: JP2000146298A
Application number: JP10324214A
Authority: JP
Inventors: Akira Maenishi; 晃前西; Yoshitaka Kawasaki; 良隆川崎; Tatsuo Fujita; 龍夫藤田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2000-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒燃焼で生じた熱を被加熱流体により熱交
換を行う触媒燃焼装置において、触媒体の予熱に時間が
かかり、燃焼の立ち上がりが遅いという課題がある。【解決手段】燃料ガスと空気との混合気が供給される
燃焼室２内に、被加熱流体である水を流す被加熱流体流
路４を接合したフィン３と、フィン３の近傍にフィン３
と間隙を設けて実質上平行に位置する板状の第１触媒体
５を設置している。第１触媒体５は高温耐熱性の金属薄
板を基材としており、フィン３より、流れ方向下流側に
突出する部分でヒータ６とろう付けにより接合してい
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、燃料と空気を混合
した混合気を触媒燃焼させ、その燃焼熱を利用して加熱
や暖房、給湯や乾燥などを行う触媒燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の触媒燃焼器は、特願平０８−２３
５５５２号（特開平１０−０８２５０６）に示されるよ
うに、第２触媒体をヒータで予熱して触媒燃焼させ、第
２触媒体からの輻射熱を利用して第１触媒体を昇温させ
て触媒燃焼させることで燃焼を立ち上げ、生じた燃焼熱
を被加熱流体で熱交換する形式の触媒燃焼装置が知られ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この従来の技術のよう
に、ヒータを用いて触媒体を予熱する場合には、触媒体
に近接した場所にヒータを設置し、触媒体を昇温させて
いた。この場合、赤熱したヒータの表面からの多量な輻
射と高温化した周囲空気による対流伝熱により触媒体は
間接的に加熱され昇温するが、輻射と高温空気の一部は
触媒体の加熱に使われず燃焼器外に放熱されていた。そ
のため、触媒体の予熱に時間がかかり、燃焼器の立ち上
がりが遅いという課題があった。

【０００４】また、ヒータを用いた予熱ではヒータ表面
のワット密度の限界や供給電圧や電流値の限界などによ
り、発熱量の大きなヒータは使用することができなかっ
た。そのため、触媒体の予熱に時間がかかりやすいとい
う課題があった。

【０００５】さらに、燃焼の立ち上げ時や燃料の供給量
を変化させる時には、燃料や空気の供給装置による供給
量のばらつきなどにより、燃料が多く供給されたり空気
が少なく供給されたりすることがある。このような場
合、混合気の空気比（供給する燃料を完全燃焼させるの
に必要な空気量に対する供給空気量の比）が瞬間的に1.
0を下回って空気不足の状態となり、ＣＯやＨＣを排出
してしまい、クリーンな燃焼状態が確保できなくなるこ
とがあるという課題があった。

【０００６】本発明は、これらの従来の触媒燃焼装置の
課題を考慮し、触媒体の予熱を効率的に行い、燃焼の立
ち上がりを速くすることができ、また、ＣＯやＨＣの排
出を防止することが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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記一つ目の課題に対し
て本発明は、燃料と空気の混合気が流入する燃焼室内に
メタル基材を用いた触媒体と、触媒体に隣接した熱交換
部とを設け、触媒体にヒータを接合したことを解決の手
段としている。

【０００８】上記二つ目の課題に対して本発明は、燃料
と空気の混合気が流入する燃焼室内に触媒体を設け、触
媒体の混合気流れ方向の上流側に高温耐熱性の金属細線
で作られたマットと、マットと触媒体の間に点火装置を
設置したことを解決の手段としている。

【０００９】上記三つ目の課題に対して本発明は、燃料
と空気との混合気が流入する燃焼室と、燃焼室内に設置
した触媒体により構成され、予熱後、混合気を供給して
触媒燃焼を開始する時には、混合気の空気比を、定常燃
焼時の空気比よりも大きい状態で燃料と空気の供給量を
増やしていき、燃料の供給量を定常燃焼時の目的の値に
設定した後に空気の供給量を目的の値に設定することを
解決の手段としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１は、第１の実施の形態で
ある触媒燃焼装置の構成断面図である。図１において、
燃料と空気との混合気を供給する混合気供給部１の下流
に燃焼室２がある。燃焼室２内には、平板のステンレス
製のフィン３を実質上平行に設け、そのフィン３を貫
き、被加熱流体である水を流す被加熱流体流路４をフィ
ン３とろう付けにより接合させて設置している。フィン
３の近傍には、第１触媒体５をフィン３と隙間を設けて
実質上平行に設置している。第１触媒体５は、高温耐熱
性のステンレス薄板の表面にアルミナ層を形成し、白金
族系金属を主体とした金属を担持したものを用いてい
る。また、第１触媒体５の、混合気流れ方向下流部分
は、フィン３の存在する場所よりも下流側へ突出し、こ
の突出した部分で、ヒータ６とろう付けにより接合して
いる。そしてこのヒータ６は第１触媒体５を貫通してい
る。第１触媒体５の下流側には、触媒を担持する基材の
見かけの表面積である幾何学的表面積が第１触媒体５よ
りも大きいコージェライトハニカムの表面に、アルミナ
層を形成し、白金族系金属を主体とした金属を担持した
第２触媒体７を設置している。第２触媒体７の下流側に
は排気口８を有している。

【００１１】上記構成において動作を説明する。

【００１２】まず立ち上げ時には、ヒータ６に通電して
発熱させて第１触媒体５を昇温させる。第１触媒体５の
温度が燃料ガスである都市ガスに対して充分な活性を示
す６００〜７００℃となれば、都市ガスと空気の混合気
を混合気供給部１より供給することで触媒燃焼させる。

【００１３】触媒燃焼により生じた熱は、第１触媒体５
表面からの輻射と、高温化した第１触媒体５により加熱
された燃焼ガスを介しての対流伝熱により、第１触媒体
５近傍に設けられたフィン３に伝熱される。フィン３は
被加熱流体流路４と接合しているため、触媒燃焼で生じ
た燃焼熱は被加熱流体流路４内を流れる水を加熱する。
この加熱された水を利用することで、給湯や暖房などを
行うことができる。また、第１触媒体５で反応しきれな
かった未燃焼成分は、第１触媒体５よりは幾何学的表面
積が大きい第２触媒体７で反応し、クリーンな排気ガス
として排気口８から排出される。

【００１４】ここで、ヒータ６は第１触媒体５とろう付
けにより接合されている。そのため熱伝導性が非常に良
く、ヒータで生じた熱は速やかに第１触媒体５に伝わ
り、第１触媒体５全体を加熱する。したがって、混合気
を供給すれば第１触媒体５全体で触媒燃焼し始める。

【００１５】従来の技術では、第２触媒体をヒータから
の輻射を用いて加熱して第２触媒体を触媒燃焼させ、第
２触媒体からの輻射により第１触媒体を加熱して触媒燃
焼させていたので、第１触媒体が触媒燃焼するまでに輻
射伝熱を２段階利用していた。輻射伝熱では伝熱側の高
温の表面から輻射が全方向に存在するので、被加熱部以
外への放熱が存在し、また高温の表面により周囲の空気
を昇温させることにもなるので、この昇温した空気によ
る放熱も存在する。ヒータを触媒体と接合した場合に
は、ヒータでの発熱は熱伝導により触媒体全体に伝わる
ので、ヒータ表面がさほど高温化することもなく、周囲
空気を介しての放熱もあまり存在しない。そのうえ、第
２触媒体７を昇温させる必要もなく、第１触媒体５を直
接昇温させて触媒燃焼に移行させることができる。した
がって、本構成を用いれば立ち上がり時間はかなり短縮
することができる。

【００１６】なお、本実施の形態では、ヒータ６は複数
枚の触媒体で構成している第１触媒体５の全触媒体と接
合しているが、一部の触媒体だけと接合する構成として
よい。つまり、ヒータと接合した触媒体をまず触媒燃焼
させ、その触媒体からの輻射伝熱などにより他の触媒体
を昇温して触媒燃焼させ、第１触媒全体での燃焼を立ち
上げることもできる。

【００１７】図２は、第２の実施の形態である触媒燃焼
装置の構成断面図である。図２において、燃焼室２内に
は、平板のステンレス製のフィン３を実質上平行に設
け、そのフィン３を貫き、水を流す被加熱流体流路４を
フィン３とろう付けにより接合させて設置している。フ
ィン３の近傍には、第１触媒体９をフィン３と空間を設
けて実質上平行に設置している。燃焼室２内の第１触媒
体９の下流側には、ヒータ１１により貫かれた第２触媒
体１０が設置され、第２触媒体１０の下流側には排気口
８を有している。第２触媒体１０は流れ方向に実質上平
行に複数設置したもので構成され、ヒータ１１とはろう
付けにより接合している。

【００１８】第１触媒体９と第２触媒体１０はどちら
も、高温耐熱性のステンレス薄板の表面にアルミナ層を
形成し、白金族系金属を主体とした金属を担持したもの
を用いている。

【００１９】上記構成において動作を説明する。

【００２０】まず立ち上げ時には、ヒータ１１に通電し
て発熱させて第２触媒体１０を昇温させる。第２触媒体
１０の温度が都市ガスに対して充分な活性を示す６００
〜７００℃となれば、都市ガスと空気の混合気を混合気
供給部１より供給することで第２触媒体１０で触媒燃焼
させる。触媒燃焼により高温化した第２触媒体１０の上
流部分からの輻射により、第１触媒体９の下流部分は昇
温して触媒燃焼し始め、やがて第１触媒体９全体で触媒
燃焼する。第１触媒体９上での触媒燃焼により生じた熱
は、第１触媒体９表面からの輻射と、高温化した第１触
媒体９により加熱された燃焼ガスを介しての対流伝熱に
よりフィン３に伝えられる。フィン３は被加熱流体流路
４と接合しているため被加熱流体流路４内を流れる水は
加熱され、給湯や暖房などに利用することができる。第
１触媒体９からの未燃焼成分は第２触媒体７で反応し、
クリーンな排気ガスとして排気口８から排出される。

【００２１】ここで、本構成ではヒータ１１と接合した
第２触媒体１０により触媒燃焼させた後、第１触媒体９
を触媒燃焼させているが、第１の実施の形態とは異な
り、ヒータと接合した触媒体を第２触媒体として設置し
ているので、第１触媒体の構成のように熱交換フィンを
近接設置して熱交換できるように触媒体にある程度の大
きさをもたせる必要がなく、触媒体をかなり小さくする
ことができる。したがって、第２触媒体の熱容量は小さ
くなり、ヒータ加熱により第２触媒体を素早く昇温させ
ることができる。よって、第２触媒体１０を触媒燃焼さ
せてから第１触媒体９を触媒燃焼させても、短い時間で
立ち上げることができる。

【００２２】なお、図３のように、第２触媒体１０の上
流部分または下流部分の少なくとも一部を混合気流れ方
向を遮るように曲げた構成とすれば、第１触媒体に対す
る第２触媒体１０の投影面積が広く（形態係数が大き
く）なり、第２触媒体１０からの輻射を効率良く第１触
媒体９に伝えることができ、その上、混合気流れに乱れ
を与えるので対流熱伝達特性を向上することになり、第
２触媒体１０での反応性を良好にすることができる。

【００２３】図４は、第３の実施の形態である触媒燃焼
装置の構成断面図である。

【００２４】図４において、燃焼室２内には、平板のス
テンレス製のフィン３を実質上平行に設け、そのフィン
３を貫き、水を流す被加熱流体流路４をフィン３とろう
付けにより接合させて設置している。フィン３の近傍に
は、第１触媒体９をフィン３と間隙を設けて実質上平行
に設置している。第１触媒体９は、高温耐熱性のステン
レス薄板の表面にアルミナ層を形成し、白金族系金属を
主体とした金属を担持したものを用いている。第１触媒
体９の下流側にはコージェライトハニカムの表面にアル
ミナ層を形成し、白金族系金属を主体とした金属を担持
した第２触媒体７を設置しており、さらにその下流には
排気口８を有している。

【００２５】燃焼室２内の第１触媒体９の上流側には、
線径20〜100μｍの高温耐熱性金属細線を空隙率70〜80
％で押し固めた厚さ５ｍｍのマット１２と、マット１２
の下流側近傍にはスパークを飛ばすことができる点火装
置１３を設置している。

【００２６】上記構成において動作を説明する。

【００２７】立ち上げ時には、点火装置１３でスパーク
を飛ばしている状態で混合気供給部１から混合気を供給
し、マット１２上に火炎を形成する。この火炎により第
１触媒体９および第２触媒体７は昇温する。第１触媒体
９の温度が都市ガスに対して充分な活性を示す６００〜
７００℃となれば、一旦都市ガスの供給を停止して消炎
させ、再び都市ガスを供給することで第１触媒体９およ
び第２触媒体７で触媒燃焼させる。第１触媒体９上での
触媒燃焼により生じた熱は、フィン３に伝熱されて被加
熱流体流路４内の水を加熱し、給湯や暖房などに利用す
ることができる。また、第２触媒体７を設置しているこ
とで、排気ガスはクリーンな状態で排気口８から排出さ
れる。

【００２８】ここで、高温耐熱性の金属細線のマットを
予熱時の火炎の保持部として利用すれば、マット１２表
面上で均一な面燃焼を高負荷な状態で実現することがで
きる。したがって、非常に大きな発熱量で触媒体を流れ
垂直方向に均一に加熱することができるので、短い時間
で第１触媒体を充分な活性を有する温度まで上げること
ができ、立ち上がり時間を大幅に短縮できる。しかも面
燃焼のため火炎長がほとんどなく、マットの厚みも５ｍ
ｍ程度ですむため燃焼器を大きくすることもなく、第１
触媒体９上流に多少の空間を設けるだけで構成すること
ができる。

【００２９】なお、マット１２は、セラミック製の多孔
質体のような火炎を保持することができ、高負荷な面燃
焼状態を実現できるものならどのようなものでもよい。

【００３０】また、点火装置はスパークにより着火する
ものでも、ヒータのように局所的に高温部を形成して着
火するものでもよい。

【００３１】図５は、第４の実施の形態である触媒燃焼
装置の構成断面図である。図５において、燃焼室２内に
は熱交換部であるフィン３と被加熱流体流路４と、それ
らの近傍にはヒータ６と接合した第１触媒体５を設置し
ている。また、燃焼室２内の第１触媒体９の下流には第
２触媒体７があり、さらに下流には排気口８を有してい
る。燃焼室２の最上流部にある混合気供給部１の上流に
は、空気の流量を制御しながら供給する空気供給装置１
４と、都市ガスの流量を制御しながら供給する燃料供給
装置１５があり、混合部１６を介して混合気供給部１と
接続している。

【００３２】上記構成において動作を説明する。

【００３３】まず、立ち上げ時には、第１の実施の形態
のように、ヒータ６に通電して第１触媒体５を触媒が充
分活性を有する温度まで昇温させ、混合気を流すことで
触媒燃焼に移行させるが、この時、空気供給装置１４と
燃料供給装置１５により、定常燃焼時の空気比よりも大
きい状態を維持しながら、都市ガスと空気の供給量を増
やしていく。そして、都市ガスの供給量が目的の値に設
定された後に、過剰に供給している空気を減らして目的
の供給量に設定する。つまり、通常の触媒燃焼では空気
比は1.2〜1.4位に設定するが、立ち上げ時には1.4〜1.6
位に設定して混合気の供給量を増やしていき、都市ガス
の供給量が目的の値に設定された後に空気比を1.2〜1.4
に設定する。触媒燃焼では火炎燃焼とは異なり、火炎が
不安定になったり吹き消えたりする高空気比の条件下で
も安定に燃焼させることができるので、上記のように空
気の供給量を過剰な状態で変化させることが可能とな
る。したがって、仮に都市ガスや空気の供給装置による
供給量のずれなどが生じて空気比がばらついても、空気
比が1.0を下回る可能性は非常に低くなり、ＣＯやＨＣ
の排出を防ぐことができる。

【００３４】次に、触媒燃焼時に燃焼条件を変化させ都
市ガスの供給量を増やすときには、空気供給装置１４と
燃料供給装置１５により、定常燃焼時の空気比よりも大
きい状態で都市ガスと空気の供給量を増やしていき、都
市ガスの供給量が目的の値となった後に、過剰に供給し
ている空気を減らして目的の空気量に設定する。

【００３５】また、触媒燃焼時に燃焼条件を変化させ都
市ガスの供給量を減らすときにも、空気供給装置１４と
燃料供給装置１５により、定常燃焼時の空気比よりも大
きい状態で都市ガスと空気の供給量を減らしていき、都
市ガスの供給量が目的の値となった後に、過剰に供給し
ている空気を減らして目的の空気量に設定する。

【００３６】このような操作を行うことで、触媒燃焼時
に燃料の供給量を変化させる時にも、空気不足によるＣ
Ｏや未燃焼成分を排出することなくクリーンな排気ガス
状態を維持することができる。

【００３７】なお、上記第１から第５の実施の形態で
は、燃料として都市ガスを用いているが、メタンやプロ
パン、ブタンや水素などの気体燃料でもよいし、灯油や
ガソリンなどの液体燃料を気化させて用いてもよい。

【００３８】また、第２触媒体から排出される高温の燃
焼ガスを熱交換する構成とはなっていないが、排気口の
下流にフィンチューブなどの熱交換器を設置したり、燃
焼器全体をウォータージャケットで覆って排気ガスがウ
ォータージャケット内を循環する構成とすれば、燃焼熱
を効率よく熱交換することができる。

【００３９】さらに、受熱部であるフィン表面を高耐熱
性の黒色塗料や、フィン表面をサンドブラストや表面処
理などで高輻射係数を有する構成とすれば、燃焼熱の熱
交換効率をより高くすることができる。

【００４０】被加熱流体としては水を用いているが、オ
イルや冷媒、空気など、用途に応じて使い分けてもよ
い。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたことから明らかなように本発
明は、熱交換部を隣接するメタル基材の触媒体に予熱用
ヒータを接合させることによって、ヒータの発熱を熱伝
導で触媒体に伝えることで触媒体の予熱を効率的に行
い、燃焼の立ち上がりを速くすることができる。

【００４２】また、触媒体上流部に高温耐熱性のマット
を設置し、予熱時にはこのマット上に火炎を形成すれ
ば、大きな発熱量で触媒体全体を加熱することができる
ため、燃焼の立ち上がりをさらに速くすることができ
る。

【００４３】さらに、燃焼立ち上げ時や燃料の供給量を
変化させる時には、定常燃焼時の空気比よりも大きな状
態で燃料と空気の供給量を変化させれば、燃料や空気の
供給量にばらつきが生じても空気比が1.0を下回ること
はなく、ＣＯやＨＣの排出を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である触媒燃焼装置
の構成断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態である触媒燃焼装置
の構成断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態である触媒燃焼装置
における第２触媒体の別形状の構成図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態である触媒燃焼装置
の構成断面図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態である触媒燃焼装置
の構成断面図である。

【符号の説明】

１混合気供給部２燃焼室３フィン４被加熱流体流路５第１触媒体６ヒータ７第２触媒体８排気口９第１触媒体１０第２触媒体１１ヒータ１２マット１３点火装置１４空気供給装置１５燃料供給装置１６混合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤田龍夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3L034 BA23 BA29 BB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と空気の混合気が流入する燃焼室と、
前記燃焼室内に設置された、メタル基材を用いた触媒体
と、前記触媒体に隣接して配置された熱交換部とを備
え、前記触媒体にヒータが接合されていることを特徴と
する触媒燃焼装置。
【請求項２】前記熱交換部は実質上平行に複数設置した
フィンと、前記フィンと接合した被加熱流体流路とを有
し、前記触媒体は前記フィン間に実質上平行に設置され
板状の触媒体であることを特徴とする請求項１記載の触
媒燃焼装置。
【請求項３】前記ヒータが前記触媒体を貫通しているこ
とを特徴とする請求項２記載の触媒燃焼装置。
【請求項４】前記触媒体は、混合気流れ方向を基準とし
て、前記熱交換部の下流端部より突出する部分を有し、
前記その触媒体の突出する部分が前記ヒータと接合して
いることを特徴とする請求項３記載の触媒燃焼装置。
【請求項５】前記触媒体の下流側に、前記触媒体より幾
何学的表面積が大きい第２の触媒体が設置されているこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の触媒燃
焼装置。
【請求項６】燃料と空気の混合気が流入する燃焼室と、
前記燃焼室内に設置された、メタル基材を用いた第１触
媒体と、前記第１触媒体に隣接して配置された熱交換部
とを備え、前記燃焼室内の前記第１触媒体の、混合気流
れ方向を基準とする下流側に、メタル基材の第２触媒体
が設けられ、前記第２触媒体がヒータと接合されている
ことを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項７】第２触媒体は、混合気流れ方向に平行に複
数設置した構成であることを特徴とする請求項６記載の
触媒燃焼装置。
【請求項８】前記第２触媒体の上流部分または下流部分
の少なくとも一部が、混合気流れを遮るように曲げられ
た形状を有することを特徴とする請求項７記載の触媒燃
焼装置。
【請求項９】燃料と空気の混合気が流入する燃焼室と、
前記燃焼室内に設けられた触媒体と、前記燃焼室内であ
って、前記触媒体の、混合気流れ方向を基準とする上流
側に配置された、高温耐熱性のマットと、前記マットと
前記触媒体との間に設置された点火装置とを備えたこと
を特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項１０】前記マットは金属細線で出来ていること
を特徴とする請求項９記載の触媒燃焼装置。
【請求項１１】前記燃焼室内の前記触媒体に隣接する位
置に熱交換部が設けられ、前記熱交換部は実質上平行に
複数設置したフィンと、前記フィンと接合した被加熱流
体流路を有し、前記触媒体は前記フィン間に実質上平行
に設置された板状の触媒体であることを特徴とする請求
項９又は１０記載の触媒燃焼装置。
【請求項１２】燃料と空気との混合気が流入する燃焼室
と、前記燃焼室内に設置された触媒体とを備え、予熱
後、前記混合気を供給して触媒燃焼を開始する時には、
前記混合気の空気比を、定常燃焼時の空気比よりも大き
い状態で前記燃料と前記空気の供給量を増やしていき、
前記燃料の供給量を定常燃焼時の目的の値に設定した後
に前記空気の供給量を目的の値に設定することを特徴と
する触媒燃焼装置。
【請求項１３】燃料と空気との混合気が流入する燃焼室
と、前記燃焼室内に設置された触媒体とを備え、定常燃
焼時に前記燃料の供給量を増やす時には、定常燃焼時の
空気比よりも大きい状態で前記燃料と前記空気の供給量
を増やしていき、前記燃料の供給量を目的の値に設定し
た後に前記空気の供給量を目的の値に設定することを特
徴とする触媒燃焼装置。
【請求項１４】燃料と空気との混合気が流入する燃焼室
と、前記燃焼室内に設置された触媒体とを備え、定常燃
焼時に前記燃料の供給量を減らす時には、定常燃焼時の
空気比よりも大きい状態で前記燃料と前記空気の供給量
を減らしていき、前記燃料の供給量を目的の値に設定し
た後に前記空気の供給量を目的の値に設定することを特
徴とする触媒燃焼装置。