(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と燃焼用空気とを混合して混合気を生成する混合気生成部と、
前記混合気の流れ方向の下流側に位置し、前記混合気を触媒燃焼する第１触媒体とその第１触媒体により前記混合気が触媒燃焼される際に発生する熱エネルギーを集める第１熱回収部とを収納する第１触媒燃焼室と、
前記第１触媒体の排気側に位置し、その第１触媒体により触媒燃焼されなかった前記混合気を触媒燃焼する第２触媒体を収納する第２触媒燃焼室と、
前記第１触媒燃焼室の外面に取り付けられた、前記第１熱回収部により集められた熱エネルギーを外部に取り出すための第１熱取り出し部と、
前記第２触媒燃焼室の排気側に位置し、前記第２触媒体から排出される排気に含まれる熱エネルギーを集める第２熱回収部と、
その第２熱回収部が収納される室の外面に取り付けられ、前記第２熱回収部により集められた熱エネルギーを外部に取り出すための第２熱取り出し部とを備え、
前記第１触媒体は、前記第１熱回収部に実質的に沿うように取り付けられ、
前記第２触媒体の表面積は、前記第１触媒体の表面積より大きいことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
前記第１熱取り出し部は、水又は空気を前記熱エネルギーを外部に取り出すための媒体とを有し、
前記第２熱回収部はフィンであり、
前記第２熱取り出し部は、水又は空気を前記熱エネルギーを外部に取り出すための媒体とする
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記第１熱回収部はフィンであり、
前記第１触媒体の全部又は一部は、前記フィンに対して所定の隙間を介して、そのフィンに沿うように取り付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記フィンは、前記熱エネルギーを集めるための複数の面を有し、
前記所定の隙間は、前記フィンの各面とそれと隣接する面との隙間より狭い
ことを特徴とする請求項３記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記第１触媒体は、全部又は一部に触媒を担持した金属担体であり、
前記第２触媒体は、全部又は一部に触媒を担持したセラミック担体である
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記第１触媒燃焼室の燃焼量は、前記第２触媒燃焼室の燃焼量よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１触媒燃焼室との間に、第１着火手段を収納している第１火炎燃焼室を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【請求項８】
前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１火炎燃焼室との間に、その第１火炎燃焼室で発生した火炎が前記混合気生成部に広がらないようにするための第１保炎部を備えたことを特徴とする請求項７記載の燃焼装置。
【請求項９】
前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１触媒燃焼室との間に、第１加熱手段を収納している第１加熱室を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【請求項１０】
前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１加熱室との間に、その第１加熱室で発生した火炎が前記混合気生成部に広がらないようにするための第１保炎部を備えたことを特徴とする請求項９記載の燃焼装置。
【請求項１１】
前記燃焼装置は、更に、前記第１触媒燃焼室と前記第２触媒燃焼室との間に、第２着火手段を収納している第２火炎燃焼室を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【請求項１２】
燃料と燃焼用空気とを混合して混合気を生成する混合気生成部と、
前記混合気の流れ方向の下流側に位置し、前記混合気を触媒燃焼する第１触媒体とその第１触媒体により前記混合気が触媒燃焼される際に発生する熱エネルギーを集める第１熱回収部とを収納する第１触媒燃焼室と、
前記第１触媒体の排気側に位置し、その第１触媒体により触媒燃焼されなかった前記混合気を触媒燃焼する第２触媒体を収納する第２触媒燃焼室と、
前記第１触媒燃焼室と前記第２触媒燃焼室との間に、第２着火手段を収納している第２火炎燃焼室とを備え、
前記第１触媒体は、前記第１熱回収部に実質的に沿うように取り付けられ、
前記第２触媒体の表面積は、前記第１触媒体の表面積より大きく、
更に、前記第１触媒燃焼室と前記第２火炎燃焼室との間に、その第２火炎燃焼室で発生した火炎が前記第１触媒燃焼室の方向に広がらないようにするための第２保炎部を有することを特徴とする燃焼装置。
【請求項１３】
前記燃焼装置は、更に、前記第１触媒燃焼室と前記第２触媒燃焼室との間に、第２加熱手段を収納している第２加熱室を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【請求項１４】
燃料と燃焼用空気とを混合して混合気を生成する混合気生成部と、
前記混合気の流れ方向の下流側に位置し、前記混合気を触媒燃焼する第１触媒体とその第１触媒体により前記混合気が触媒燃焼される際に発生する熱エネルギーを集める第１熱回収部とを収納する第１触媒燃焼室と、
前記第１触媒体の排気側に位置し、その第１触媒体により触媒燃焼されなかった前記混合気を触媒燃焼する第２触媒体を収納する第２触媒燃焼室と、
前記第１触媒燃焼室と前記第２触媒燃焼室との間に、第２加熱手段を収納している第２加熱室とを備え、
前記第１触媒体は、前記第１熱回収部に実質的に沿うように取り付けられ、
前記第２触媒体の表面積は、前記第１触媒体の表面積より大きく、
さらに、前記第１触媒燃焼室と前記第２加熱室との間に、その第２加熱室で発生した火炎が前記第１触媒燃焼室の方向に広がらないようにするための第２保炎部を有することを特徴とする燃焼装置。
【請求項１５】
前記燃焼装置は、更に、
前記第１火炎燃焼室と前記第２触媒燃焼室との間に位置し、前記混合気の流れ方向に渡って、前記第１触媒燃焼室の内周部に設けられたバイパスと、
前記第１火炎燃焼室と前記第１触媒燃焼室との間に位置する前記バイパスの入り口を開閉する開閉手段と
を備えたことを特徴とする請求項７記載の燃焼装置。
【請求項１６】
前記燃焼装置は、更に、
前記第１加熱室と前記第２触媒燃焼室との間に位置し、前記混合気の流れ方向に渡って、前記第１触媒燃焼室の内周部に設けられたバイパスと、
前記第１加熱室と前記第１触媒燃焼室との間に位置する前記バイパスの入り口を開閉する開閉手段と
を備えたことを特徴とする請求項９記載の燃焼装置。
【請求項１７】
液体燃料を気化し、その気化された燃料と燃焼用空気とを混合して混合気を生成する、気化ヒーターを具備する気化部と、
その気化部の下流側に設けられた熱回収板と、
その熱回収板の下流側に設けられ、前記混合気を触媒燃焼するための触媒体を収納している触媒燃焼室と、
前記気化部の内部温度を検出する検出部と、
その検出された温度に基づいて、前記気化ヒーターのパワーを制御するパワー制御手段と
を備え、
前記熱回収板の全部又は一部に触媒が担持され、
前記熱回収部の一部が前記気化部に熱伝導的に接続されている
ことを特徴とする燃焼装置。
【請求項１８】
前記第１加熱手段は、
ヒータ素線と、
そのヒーター素線を収納している金属被覆管と、
その金属被覆管に充填され、前記ヒータ素線を前記金属被覆管から絶縁するための絶縁材と、
複数の孔を有し、熱放射材が表面に形成されている放熱板と
を備え、
前記金属被覆管は、前記放熱板に接合されている
ことを特徴とする請求項９記載の燃焼装置。
【請求項１９】
前記第２加熱手段は、
ヒータ素線と、
そのヒーター素線を収納している金属被覆管と、
その金属被覆管に充填され、前記ヒータ素線を前記金属被覆管から絶縁するための絶縁材と、
複数の孔を有し、熱放射材が表面に形成されている放熱板と
を備え、
前記金属被覆管は、前記放熱板に接合されている
ことを特徴とする請求項１２記載の燃焼装置。
【請求項２０】
前記放熱板は箱状に形成され、
前記金属被覆管は、その放熱板の底面に接合されている
ことを特徴とする請求項１８又は１９記載の燃焼装置。
【請求項２１】
燃料と燃焼用空気とを混合して混合気を生成する混合気生成部と、
前記混合気の流れ方向の下流側に位置し、前記混合気を触媒燃焼する第１触媒体とその第１触媒体により前記混合気が触媒燃焼される際に発生する熱エネルギーを集める第１熱回収部とを収納する第１触媒燃焼室と、
前記第１触媒体の排気側に位置し、その第１触媒体により触媒燃焼されなかった前記混合気を触媒燃焼する第２触媒体を収納する第２触媒燃焼室と、
前記混合気生成部と前記第１触媒燃焼室との間に、第１着火手段を収納している第１火炎燃焼室とを備え、
前記第１触媒体は、前記第１熱回収部に実質的に沿うように取り付けられ、
前記第２触媒体の表面積は、前記第１触媒体の表面積より大きく、
前記混合気生成部と前記第１火炎燃焼室との間に、その第１火炎燃焼室で発生した熱の一部を前記混合気生成部に戻す熱回収部を有することを特徴とする燃焼装置。
【請求項２２】
燃料と燃焼用空気とを混合して混合気を生成する混合気生成部と、
前記混合気の流れ方向の下流側に位置し、前記混合気を触媒燃焼する第１触媒体とその第１触媒体により前記混合気が触媒燃焼される際に発生する熱エネルギーを集める第１熱回収部とを収納する第１触媒燃焼室と、
前記第１触媒体の排気側に位置し、その第１触媒体により触媒燃焼されなかった前記混合気を触媒燃焼する第２触媒体を収納する第２触媒燃焼室と
前記混合気生成部と前記第１触媒燃焼室との間に、第１加熱手段を収納している第１加熱室とを備え、
前記第１触媒体は、前記第１熱回収部に実質的に沿うように取り付けられ、
前記第２触媒体の表面積は、前記第１触媒体の表面積より大きく、
前記混合気生成部と前記第１加熱室との間に、その第１加熱室で発生した熱の一部を前記混合気生成部に戻す熱回収部を備えたことを特徴とする請求項１２記載の燃焼装置。
【請求項２３】
前記熱回収部を構成する金属材料の熱伝導率は、前記混合気生成部を構成する金属材料の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項２１又は２２記載の燃焼装置。
【請求項２４】
前記混合気生成部と前記熱回収部の接続部に、熱抵抗部を設けたことを特徴とする請求項２１又は２２記載の燃焼装置。
【請求項２５】
前記熱回収部に前記混合気の通過孔を設けたことを特徴とする請求項２１又は２２記載の燃焼装置。
【請求項２６】
前記混合気の供給を開始した後、前記第１着火手段により前記混合気を着火し、前記第１火炎燃焼室に火炎を形成し、
前記第１触媒体の上流側の温度が前記火炎により所定の値に達した後、前記混合気の供給を一時停止することにより前記火炎を消し、
前記火炎が消えた後、前記供給を再開する
ことを特徴とする請求項７記載の燃焼装置。
【請求項２７】
前記混合気の供給を開始した後、前記第２着火手段により前記混合気を着火し、前記第２火炎燃焼室に火炎を形成し、
前記第１触媒体の下流側及び前記第２触媒体の上流側の温度が前記火炎により所定の値に達した後、前記混合気の供給を一時停止することにより前記火炎を消し、
前記火炎が消えた後、前記供給を再開する
ことを特徴とする請求項１１記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガスやプロパンガスなどの気体燃料又は灯油や軽油などの液体燃料を燃焼させて熱源とする暖房機、給湯機、空調機器、携帯用熱機器等に利用される燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒燃焼とは、ハニカムやファイバーのようなセラミック担体に白金族金属触媒を担持した触媒体を用いて、燃料と空気の混合気を燃焼させる方法である。
【０００３】
燃焼用の触媒は、酸素と炭化水素に対して選択吸着性を有し、その触媒の表面で両者を反応させる。この時、触媒の温度は同一ガスの有炎燃焼のそれよりも低いため、ＮＯｘがほとんど生じない。
【０００４】
また、有炎燃焼の可燃範囲は、空気過剰率が１〜２の範囲である。一方、触媒燃焼の可燃範囲は、空気過剰率が１〜５の範囲であり、希薄な混合気を用いて燃焼することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、触媒を用いた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、触媒体の温度が１２００℃以上となり触媒の耐熱寿命が著しく短くなるという問題が生じる。このため、触媒を耐熱限界温度以下で使用しなければならず、燃焼負荷を低くして大型化するか、又は燃料と空気の混合気における空気過剰率を高くし、燃焼温度を低下させる手段等が必要となる。
【０００６】
また、混合気を希薄にした場合、熱効率の低下が大きくなるという問題が生じる。即ち、燃料濃度が低下すると燃焼温度が低下するので、熱交換器と燃焼排気の温度差が縮小し、伝熱速度が低下する。従って、熱効率を上げるためには、大型の熱交換器が必要であり、大きな燃焼能力を有する触媒燃焼装置を、小型の装置で構成することが困難であった。
【０００７】
更に、触媒燃焼は、空気と燃料を予め混合して反応させなければならないが、燃料が液体燃料の場合には、燃料を気化させる熱が大きくなるという問題が生じる。従来の火炎燃焼を用いた気化式の液体燃料燃焼装置では、燃焼開始時のみ電気ヒータで気化部を加熱するが、定常燃焼時は火炎を気化部の一部に当てて加熱するため、電気の消費は少ないものになっている。しかしながら、触媒燃焼を用いた従来の燃焼装置では、火炎がないため、定常状態でも気化熱用の電気を供給しなければならず、余分な消費電力が必要となる課題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の燃焼装置の課題を考慮して、ＮＯｘがほとんど発生しない燃焼装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、触媒の耐熱寿命が著しく短くなるという課題を解決することができる触媒を用いた燃焼装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、小型化が可能な触媒を用いた燃焼装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、燃料と空気の混合気における空気過剰率を高くする必要がなく、小型でも大きな燃焼能力を有する触媒を用いた燃焼装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、燃焼開始時に未燃ガスをださないため悪臭等の発生がない燃焼装置を提供することを目的とする。
【００１３】
更にまた、本発明は、定常状態でも気化熱用の電気を供給する必要のない燃焼装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するための請求項１に記載の本発明は、燃料と燃焼用空気とを混合して混合気を生成する混合気生成部と、前記混合気の流れ方向の下流側に位置し、前記混合気を触媒燃焼する第１触媒体とその第１触媒体により前記混合気が触媒燃焼される際に発生する熱エネルギーを集める第１熱回収部とを収納する第１触媒燃焼室と、前記第１触媒体の排気側に位置し、その第１触媒体により触媒燃焼されなかった前記混合気を触媒燃焼する第２触媒体を収納する第２触媒燃焼室と、前記第１触媒燃焼室の外面に取り付けられた、前記第１熱回収部により集められた熱エネルギーを外部に取り出すための第１熱取り出し部と、前記第２触媒燃焼室の排気側に位置し、前記第２触媒体から排出される排気に含まれる熱エネルギーを集める第２熱回収部と、その第２熱回収部が収納される室の外面に取り付けられ、前記第２熱回収部により集められた熱エネルギーを外部に取り出すための第２熱取り出し部とを備え、前記第１触媒体は、前記第１熱回収部に実質的に沿うように取り付けられ、前記第２触媒体の表面積は、前記第１触媒体の表面積より大きいことを特徴とする燃焼装置である。
なお、前記第１熱取り出し部は、水又は空気を前記熱エネルギーを外部に取り出すための媒体を有し、前記第２熱回収部はフィンであり、前記第２熱取り出し部は、水又は空気を前記熱エネルギーを外部に取り出すための媒体であってもよい。
【００１５】
なお、前記第１熱回収部はフィンであり、前記第１触媒体の全部又は一部は、前記フィンに対して所定の隙間を介して、そのフィンに沿うように取り付けられているとしてもよい。
【００１６】
また、前記フィンは、前記熱エネルギーを集めるための複数の面を有し、前記所定の隙間は、前記フィンの各面とそれと隣接する面との隙間より狭いとしてもよい。
【００１７】
また、前記第１触媒体は、全部又は一部に触媒を担持した金属担体であり、前記第２触媒体は、全部又は一部に触媒を担持したセラミック担体であるとしてもよい。
【００１８】
また、前記第１触媒燃焼室の燃焼量は、前記第２触媒燃焼室の燃焼量よりも大きいとしてもよい。
【００１９】
また、前記第１熱取り出し部は、水又は空気を前記熱エネルギーを外部に取り出すための媒体とするとしてもよい。
【００２０】
また、前記第２熱回収部はフィンであり、前記第２熱取り出し部は、水又は空気を前記熱エネルギーを外部に取り出すための媒体とするとしてもよい。
【００２１】
また、前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１触媒燃焼室との間に、第１着火手段を収納している第１火炎燃焼室を備えたとしてもよい。なお、前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１火炎燃焼室との間に、その第１火炎燃焼室で発生した火炎が前記混合気生成部に広がらないようにするための第１保炎部を備えたとしてもよい。また前記燃焼装置は、更に、前記第１火炎燃焼室と前記第２触媒燃焼室との間に位置し、前記混合気の流れ方向に渡って、前記第１触媒燃焼室の内周部に設けられたバイパスと、前記第１火炎燃焼室と前記第１触媒燃焼室との間に位置する前記バイパスの入り口を開閉する開閉手段とを備えたとしてもよい。更に、前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１火炎燃焼室との間に、その第１火炎燃焼室で発生した熱の一部を前記混合気生成部に戻す熱回収部を備えたとしてもよい。また、前記熱回収部を構成する金属材料の熱伝導率は、前記混合気生成部を構成する金属材料の熱伝導率よりも低いとしてもよい。更に、前記混合気生成部と前記熱回収部の接続部に、熱抵抗部を設けたとしてもよい。また、前記熱回収部に前記混合気の通過孔を設けたとしてもよい。更に、前記混合気の供給を開始した後、前記第１着火手段により前記混合気を着火し、前記第１火炎燃焼室に火炎を形成し、前記第１触媒体の上流側の温度が前記火炎により所定の値に達した後、前記混合気の供給を一時停止することにより前記火炎を消し、前記火炎が消えた後、前記供給を再開するとしてもよい。
【００２２】
また、前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１触媒燃焼室との間に、第１加熱手段を収納している第１加熱室を備えたとしてもよい。なお、前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１加熱室との間に、その第１加熱室で発生した火炎が前記混合気生成部に広がらないようにするための第１保炎部を備えたとしてもよい。また、前記燃焼装置は、更に、前記第１加熱室と前記第２触媒燃焼室との間に位置し、前記混合気の流れ方向に渡って、前記第１触媒燃焼室の内周部に設けられたバイパスと、前記第１加熱室と前記第１触媒燃焼室との間に位置する前記バイパスの入り口を開閉する開閉手段とを備えたとしてもよい。更に、前記第１加熱手段は、ヒータ素線と、そのヒーター素線を収納している金属被覆管と、その金属被覆管に充填され、前記ヒータ素線を前記金属被覆管から絶縁するための絶縁材と、複数の孔を有し、熱放射材が表面に形成されている放熱板とを備え、前記金属被覆管は、前記放熱板に接合されているとしてもよい。また、前記放熱板は箱状に形成され、前記金属被覆管は、その放熱板の底面に接合されているとしてもよい。また、前記燃焼装置は、更に、前記混合気生成部と前記第１加熱室との間に、その第１加熱室で発生した熱の一部を前記混合気生成部に戻す熱回収部を備えたとしてもよい。更に、前記熱回収部を構成する金属材料の熱伝導率は、前記混合気生成部を構成する金属材料の熱伝導率よりも低いとしてもよい。また、前記混合気生成部と前記熱回収部の接続部に、熱抵抗部を設けたとしてもよい。更に、前記熱回収部に前記混合気の通過孔を設けたとしてもよい。
【００２３】
また、前記燃焼装置は、更に、前記第１触媒燃焼室と前記第２触媒燃焼室との間に、第２着火手段を収納している第２火炎燃焼室を備えたとしてもよい。なお前記燃焼装置は、更に、前記第１触媒燃焼室と前記第２火炎燃焼室との間に、その第２火炎燃焼室で発生した火炎が前記第１触媒燃焼室の方向に広がらないようにするための第２保炎部を備えたとしてもよい。また、前記第２加熱手段は、ヒータ素線と、そのヒーター素線を収納している金属被覆管と、その金属被覆管に充填され、前記ヒータ素線を前記金属被覆管から絶縁するための絶縁材と、複数の孔を有し、熱放射材が表面に形成されている放熱板とを備え、前記金属被覆管は、前記放熱板に接合されているとしてもよい。更に、前記放熱板は箱状に形成され、前記金属被覆管は、その放熱板の底面に接合されているとしてもよい。また、前記混合気の供給を開始した後、前記第２着火手段により前記混合気を着火し、前記第２火炎燃焼室に火炎を形成し、前記第１触媒体の下流側及び前記第２触媒体の上流側の温度が前記火炎により所定の値に達した後、前記混合気の供給を一時停止することにより前記火炎を消し、前記火炎が消えた後、前記供給を再開するとしてもよい。
【００２４】
また、前記燃焼装置は、更に、前記第１触媒燃焼室と前記第２触媒燃焼室との間に、第２加熱手段を収納している第２加熱室を備えたとしてもよい。なお、前記燃焼装置は、更に、前記第１触媒燃焼室と前記第２加熱室との間に、その第２加熱室で発生した火炎が前記第１触媒燃焼室の方向に広がらないようにするための第２保炎部を備えたとしてもよい。
【００２５】
また、本発明は、液体燃料を気化し、その気化された燃料と燃焼用空気とを混合して混合気を生成する、気化ヒーターを具備する気化部と、その気化部の下流側に設けられた熱回収板と、その熱回収板の下流側に設けられ、前記混合気を触媒燃焼するための触媒体を収納している触媒燃焼室と、前記気化部の内部温度を検出する検出部と、その検出された温度に基づいて、前記気化ヒーターのパワーを制御するパワー制御手段とを備え、前記熱回収板の全部又は一部に触媒が担持され、前記熱回収部の一部が前記気化部に熱伝導的に接続されていることを特徴とする燃焼装置である。
【００２６】
以下、本発明について、例を用いつつ説明する。
【００２７】
本発明は、触媒燃焼の触媒耐熱性と燃焼負荷率の課題を解決する手段として、熱交換型の形式を有する第１触媒燃焼体と、ハニカム形状に代表される幾何学的表面積の大きな第２触媒燃焼体とを直列に配列した燃焼装置である。第１触媒燃焼体は、触媒燃焼の高熱伝達性を利用したもので、受熱用のフィンに触媒体を設けた熱交換型の触媒燃焼である。高濃度の混合気を触媒体で大量に燃焼させても燃焼熱を熱交換して取り去るため、触媒体の高温による劣化は防止できる。このような第１触媒燃焼体で燃料の一部を燃焼しかつ燃焼熱を除去し、残りの燃料を流れ方向下流に設けた第２触媒体で燃焼させる。第２触媒体の温度を触媒反応温度以上とするため、第１触媒体で燃料の全量を燃焼させず、第１と第２触媒体で分担して燃焼させる。
【００２８】
従って、第１触媒体は、荒い間隔で熱伝導率の高い触媒担体とし、第２触媒体は、幾何学的表面積の大きいすなわち細かい間隔の触媒担体としている。
【００２９】
触媒燃焼の高熱伝達性を利用して得られた本発明の第１触媒体の作用を次に説明する。従来の有炎燃焼装置は、高温の排気ガス分子が熱交換器の金属分子の振動を励起して熱を伝える。金属表面には振動を失った分子が滞留し、熱伝達を阻害するため、広い表面積の熱交換部が必要となっていた。これに対して、本発明で用いた第１触媒体は、熱交換部を直接触媒体が覆うため、燃料ガスが触媒に吸着して発熱し、熱は触媒層の原子を直接熱振動させ、この振動が熱交換器を構成する金属の原子に伝播する形で熱を伝えている。このため、狭い面積で大量に燃焼しても、伝熱による冷却で触媒体温度は９００℃以下となる。また燃焼部と熱交換部が一体であるので小型化が可能となる。
【００３０】
燃料の一部が第１触媒体で燃焼するので、この下流には火炎が形成できない。そこで、希薄燃焼の可能な触媒燃焼を第２触媒体で行う。残りの未燃ガスを全て燃焼するためには、表面積の大きいハニカム構造の触媒体が適する。このハニカム触媒体の反応は既知の技術をでよい。
【００３１】
以上のように、２つの性質の異なる触媒体を用いる本発明によれば、触媒燃焼の低温燃焼による低ＮＯｘ性と、燃焼負荷を増加させた場合の触媒の高温化の防止と、第１触媒体における触媒燃焼の高熱伝達性と、一体化による熱交換器の小型化とを同時に実現することができる。
【００３２】
次に、かかる基本的な構成において実用上問題になるのは、反応開始方法である。触媒燃焼を開始するには、触媒を活性化温度以上に予め昇温させなければならない。予熱が不十分であれば、触媒燃焼に移行する際の排気中の未燃ガスが多くなる。これは燃料の無駄であり、燃焼臭気の問題も生じる。
【００３３】
昇温させる手段には、電気ヒータか火炎の熱があり、これを用いて２つの形式の触媒燃焼体を同時にタイミングを合わせて加熱しなければならない。第１触媒体は燃料を全部燃焼しないので、第２触媒体は常に触媒燃焼開始前に活性化温度以上とし、排気に未燃ガスが排出しないものとする必要がある。
【００３４】
このため、第１触媒体と第２触媒体の間に、第２触媒体を予熱する火炎燃焼部または電気ヒータを必要とする。第１触媒体の前に予熱手段を設けても、高温熱気は、第１触媒体が熱交換部を有するために冷却されて第２触媒体を加熱しないからである。
【００３５】
また、急速に燃焼を増加させるためには、第２触媒体だけでなく第１触媒体にも予熱手段を追加する必要がある。第１触媒体が反応しない状態で燃焼を開始すると、第１触媒体が定常温度に達するまでは第２触媒体で反応する燃料が多くなるため、第２触媒体の高温劣化が起きるためである。これらの予熱手段のコンビネーションにより、定常燃焼到達時間、消費電力、初期排気特性、機器コスト等が変わる。それぞれ用途に合わせた選択により、特徴のある燃焼開始が可能である。
【００３６】
また、液体燃料を用いた時の気化用消費電力の削減に、第１触媒体の流れ方向上流に、気化部と一体となった触媒を担持した熱回収部を設けることが有効である。
【００３７】
【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ながら説明する。
【００３８】
本発明の第１の実施の形態に係る燃焼装置ついて、その断面図である図１を参照しながら説明する。１は、燃料ガスを供給する燃料供給部である。２は、燃焼用空気を供給する送風機である。３は、燃料供給部１により供給される燃料ガスと送風機２により供給される燃焼用空気とを混合して、混合気を作る混合部である。混合部３は、混合板２１を収納している。
【００３９】
４は、混合部３の下流側に設けられた第１触媒燃焼室である。５は、第１触媒燃焼室４の内面に突出する受熱用のフィンである。フィン５の流れ方向の長さは１００ｍｍであり、またその各部の厚さは３ｍｍであり、その高さは３０ｍｍである。７は、フィン５に隙間６を介して設けられた薄板状の第１触媒体である。第１触媒体７は、薄板状の耐熱鉄合金を基体とし、この両面に白金やパラジュウムのような白金族金属触媒を担持したγアルミナでなる触媒層をコートしたものである。８は、アルミ合金製の第１触媒燃焼室４の外周に設けられた熱交換用の第１水経路である。第１触媒燃焼室４の内部と第１水経路８は、図１のＡ−Ａ´断面図である図２にも示されている。
【００４０】
９は、第１触媒燃焼室４の下流側に設けられた火炎燃焼室である。１１は、火炎燃焼室９内に収納された高圧放電や高温ヒータなどの着火手段である。
【００４１】
１０は、第１触媒燃焼室４と火炎燃焼室９との境に設けられた金網やパンチングメタル製の保炎部である。
【００４２】
１２は、火炎燃焼室９の下流側に設けられた第２触媒燃焼室である。１３は、火炎燃焼室９と第２触媒燃焼室１２との内周面に取り付けられた断熱材である。１４は、第２触媒燃焼室１２に収納された第１触媒体７よりも幾何学的表面積が広い３００セル／インチ平方のハニカム構造の第２触媒体である。第２触媒体１４の流れ方向の厚さは２０ｍｍである。第２触媒体１４のハニカム担体は、コーディエライトやアルミン酸石灰等のセラミック多孔体で、白金族金属触媒が担持されている。そのハニカム孔は、一辺０．６ｍｍ角の正方形である。
【００４３】
１５は、第２触媒燃焼室１２の下流側に設けられた排気熱を回収する熱交換用のフィンである。１６は、フィン１５を収納している室の外周面に設けられた熱交換用の第２水経路である。第２水経路１６は第１水経路８に接続されている。加熱された水は暖房や給湯に使用される。フィン１５と第２水経路１６は、図１のＢ−Ｂ´断面図である図３にも示されている。
【００４４】
なお、第１水経路８と第２水経路１６の代わりに空気冷却を用いてもよい。この場合は温風を発生する。
【００４５】
次に、本発明の燃焼装置の機能について説明する。
【００４６】
混合部３から送られた混合気は、フィン５及び第１触媒体７を収納した第１触媒燃焼室４を通過する。混合気の空気過剰率は、可燃範囲の１〜２の間にあればよいが、１．１〜１．６の間が好ましい。なぜなら、その空気過剰率は、１．１以下では空気不足部分が生じて不完全燃焼し、１．６以上では着火し難くなるからである。
【００４７】
混合気は、火炎燃焼室９の着火手段１１により火炎となる。これにより、燃焼が開始する。第２触媒体１４は、その火炎の熱により加熱され、活性化温度である３００℃に達する。その活性化温度は、燃料や触媒の種類で異なり、例えば、プロパンガスの活性化温度は約３００℃であり、メタンはこれよりも高く、灯油はこれよりも低い。この状態でさらに火炎燃焼が続くと、第２触媒体１４の温度は４００〜６００℃に達する。この第２触媒体１４の上流面と保炎部１０との放射熱により、第１触媒体７の温度が３００℃に加熱されたとき、第１触媒体７の流れ方向の下流側から触媒燃焼反応が開始する。第１触媒体７がその反応により高温になるにつれ、その反応位置は第１触媒体７の上流方向に遡上する。
【００４８】
第１触媒燃焼室４で燃焼する混合気の量が増加すると、供給した燃料の７５％は、第１触媒燃焼室４で燃焼される。第２触媒燃焼室１２は、その残りを燃焼させる。火炎燃焼室９の混合気の燃料濃度は、排気が混ざるために薄くなり、火炎は消失する。第１触媒体７では、燃料ガスと酸素を吸着したその触媒の表面で、無炎燃焼の反応が生じている。第１触媒体７の熱は、放射熱として、隙間６を通過してフィン５に伝わる。
【００４９】
第１触媒体７とフィン５は、部分的に接触していても良いが、第１触媒体７とフィン５との間に隙間６を設けることが好ましい。なぜならば、フィン５の温度は、第１水経路８の冷却により１００〜３００℃であり、第１触媒体７がフィン５に接触していれば、その触媒は冷却されて、フィン５の温度に近づき、第１触媒体７の温度が活性化温度より低くなるからである。
【００５０】
従って、第１触媒体７とフィン５との間に隙間６があれば、第１触媒体７からフィン５への熱の伝搬は、放射熱により行われるため、第１触媒体７が高温となれば、温度の４乗に比例して放射熱は増加するため、第１触媒体７自体の温度の上昇を抑える効果が生じ、その触媒体の耐熱温度以下で飽和させることが可能となる。また、第１触媒体７が低温となれば、温度の４乗に比例して放射熱は減少するため、第１触媒体７自体の温度の低下を抑える効果が生じ、安定した燃焼が可能となる。
【００５１】
次に、実験結果に基づいて、本燃焼装置の燃焼効率について説明する。第１触媒燃焼室４で燃焼された混合気は、混合部３から送られた混合気の７５％であった。また、第１触媒燃焼室４の第１触媒体７により燃焼された混合気は、放射熱として、第１触媒燃焼室４が収納するフィン５から第１水経路８に伝熱する。そのフィン５から第１水経路８に伝熱したエネルギーは、第１触媒燃焼室４における燃焼によるエネルギーの８０％であった。従って、本燃焼装置に供給された燃料の６０％（＝７５×８０％）が、第１触媒燃焼室４と第１水経路８との間で熱交換されたことになる。
【００５２】
第１触媒燃焼室４から排出される排気には、第１触媒燃焼室４で燃焼されなかった残りの混合気（以後、未燃燃料という。）が含まれる。即ち、本燃焼装置に供給された燃料の２５％（＝１００％−７５％）が、その未燃燃料となる。
【００５３】
一方、フィン５から第１水経路８に伝熱しなかった放射熱の残りの１５％（＝７５％−６０％）のすべての熱が、排気熱として第１触媒燃焼室４から火炎燃焼室９を経て第２触媒燃焼室１２に排出されると仮定すれば、第１触媒燃焼室４から排出される排気には、合計で本燃焼装置に供給された燃料の４０％（＝２５％＋１５％）相当のエネルギーが含まれることになる。
【００５４】
ここで、第２触媒体１４の温度が低下すれば、未燃燃料が反応しにくくなるため、熱交換の効率が悪くなったり、或いは熱交換が行われなくなったりする。そこで、この問題に対処するため、断熱材１３が、火炎燃焼室９と第２触媒燃焼室１２との内周面に取り付けられている。また、第２触媒体１４は、未燃燃料を効率よく触媒燃焼させるため、第１触媒体７よりも幾何学的表面積が広いハニカム構造となっている。これにより、未燃燃料は、第２触媒燃焼室１２で効率よく燃焼される。
【００５５】
第２触媒燃焼室１２から排出される排気熱は、フィン１５からその第２水経路１６に伝熱する。実験では、フィン１５によるその排気熱の熱交換率は７０％であった。そこで、第２触媒体１４は、未燃燃料をすべて燃焼したと仮定すれば、第２触媒燃焼室１２から排出される排気熱は、本燃焼装置に供給された燃料の４０％相当のエネルギーを含むことになる。この場合、第２水経路１６により回収された熱は２８％（＝４０％×７０％）となる。
【００５６】
結局、実験結果に基づいて評価される本燃焼装置の総合熱効率は、第１水経路８と第２水経路１６により回収された熱エネルギーを合計した８８％（６０％＋２８％）となる。
【００５７】
なお、第１触媒体と第２触媒体の燃焼量比率は、本実施の形態の比率に限定されるものではなく、用途や機器サイズにより、その最適値は変動する。
【００５８】
また、図２に示すように、フィン５とこれと対面する第１触媒体７との間の隙間６は、互いに隣接する第１触媒体７間にある間隔１７よりも狭い間隔であるとしてもよい。更に、第１触媒体７の裏面と表面に触媒層を形成させるとしてもよい。これにより、フィン５近傍の未反応燃料のスリップを防止し、第１触媒体７での燃焼量を増加させることができる。なぜならば、フィン５近傍の混合気の温度は、間隔１７にある混合気の温度よりも低くいために、触媒反応が進行しにくく、混合気も触媒表面に拡散しにくいからである。
【００５９】
本発明の第２の実施の形態に係る燃焼装置ついて、その断面図である図４を参照しながら説明する。１は、燃料パイプ１８を介して液体燃料を供給する燃料供給部である。１９は、液体燃料を加熱する気化ヒータである。２は、燃焼用空気を送る送風機である。２０は、混合板２１を収納した気化部である。
【００６０】
２４は、気化部２０の下流側に設けられた第１火炎燃焼室である。２３は、気化部２０で生成された混合気を着火する第１着火手段である。第１着火手段２３は、第１火炎燃焼室２４に収納されている。２２は、気化部２０と第１火炎燃焼室２４との間に設けられた第１保炎部である。
【００６１】
４は、第１火炎燃焼室２４の下流側に設けられた第１触媒燃焼室である。５は第１触媒燃焼室４の内面に突出する受熱用のフィンである。７は、隙間６を介してフィン５に設けられた薄板状の第１触媒体である。８は、アルミ合金製の第１触媒燃焼室４の外周に設けられた熱回収用の第１水経路である。
【００６２】
２７は、第１触媒燃焼室４の下流側に設けられた第２火炎燃焼室である。２６は、混合気を着火する第２着火手段である。第２着火手段２６は、第２火炎燃焼室２７に収納されている。２５は、第１触媒燃焼室４と第２火炎燃焼室２７との間に設けられた第２保炎部である。
【００６３】
１２は、第２火炎燃焼室２７の下流側に設けられた第２触媒燃焼室である。１４は、ハニカム構造の第２触媒体である。第２触媒体１４は、第２触媒燃焼室１２に収納されている。１３は、火炎燃焼室２７と第２触媒燃焼室１２との内周面に取り付けられた断熱材である。
【００６４】
１５は、第２触媒燃焼室１２の下流側に設けられた排気熱を回収する熱交換用のフィンである。１６は、フィン１５を収納している室の外周面に設けられた熱交換用の第２水経路である。第２水経路１６は第１水経路８に接続されている。加熱された水は暖房や給湯に使用される。
【００６５】
即ち、本実施の形態において、第１の実施の形態に対する相違点は、更に、第１着火手段を収納した第１火炎燃焼室２４と、第１保炎部２２とが設けられたことと、燃料が液体燃料になったことである。
【００６６】
次に、本実施の形態の機能を説明する。
【００６７】
燃料供給部１から供給される液体燃料は、燃料パイプ１８の先端から気化部２０に滴下する。燃料パイプ１８の先端部と気化部２０は、気化ヒータ１９により加熱されているので、液体燃料は気化部２０で気化する。その気化した燃料は、気化部２０の混合板２１により、送風機２から送られる燃焼用空気と混合され、混合気が作られる。
【００６８】
気化部２０で作られた混合気は、第１火炎燃焼室２４と第１触媒燃焼室４を経て、第２火炎燃焼室２７に送られる。第２火炎燃焼室２７に送られた混合気は、第２着火手段２６の着火により火炎を形成する。
【００６９】
第２触媒体１４は、その火炎の熱により加熱され、活性化温度である３００℃に達する。さらに火炎燃焼が続いて、第２触媒体１４の温度が４００〜６００℃に達した際に、第１着火手段２３を通電して、第１火炎燃焼室２４で混合気による火炎を形成させる。この時、第２火炎燃焼室２７の火炎は消滅する。
【００７０】
第１触媒体７の温度は、第１火炎燃焼室２４の燃焼熱により、流れ方向の上流側から昇温する。第１触媒体７の上流側の温度が３００〜６００℃に達した時、燃料の供給を５秒間停止させて、第１火炎燃焼室２４の火炎を消す。
【００７１】
その火炎が消された後の燃料供給により、気化部２０から送られる混合気は、第１触媒体７の上流と第２触媒体１４の上流から触媒燃焼を開始する。
【００７２】
外周部に冷却機構を具備しない第２触媒体１４の温度降下は少ないため、燃料濃度が低くても高温を保つことができ、触媒燃焼は進行する。第２触媒体１４における触媒の反応量は、混合気が第１触媒体７で部分的に反応しているために過大とはならない。この理由から、気化部２０から送られる混合気の流量を大きくすることができる。従って、燃焼開始時の発熱は、第１の実施の形態よりも大きくすることができる。
【００７３】
燃焼は最終的に安定し、供給した燃料の８５％が第１触媒体７で燃焼し、残りが第２触媒体１４で燃焼する。この定常燃焼の状況は、第１の実施の形態と同じである。
【００７４】
次に、燃料供給部１から供給される液体燃料が灯油又は軽油のような高沸点の燃料である場合の本燃焼装置の機能について説明する。この場合、第２着火手段２６の着火により、第２火炎燃焼室２７に送られた混合気の火炎を形成させるのは難しい。特に、低温での着火は困難となる。なぜならば、混合気が第１触媒体７を通過するときに凝縮して濃度が低下するからである。
【００７５】
これを解決するための本燃焼装置の動作は以下の通りである。
【００７６】
まず、第１着火手段２３により、気化部２０から第１火炎燃焼室２４に送られた混合気に火炎を形成させる。第１触媒体７は、この火炎の熱によって加熱される。加熱温度は、混合気の露点の温度から触媒活性化温度までの範囲である。例えば、灯油の場合の加熱温度は、７０〜２５０℃である。第１触媒体７がその加熱温度に達した時点で、一時的に燃料の供給を停止し、第１火炎燃焼室２４の火炎を消す。
【００７７】
第１火炎燃焼室２４の火炎が消えれば、燃料の供給を再開し、第２着火手段２６により第２火炎燃焼室２７に送られた混合気を着火する。その混合気は、第１触媒燃焼室４で結露しないために濃度低下はなく火炎を形成する。第２触媒体１４は、その火炎の熱により加熱され、活性化温度に達する。
【００７８】
第２触媒体１４の温度が活性化温度に達した状態で、第１着火手段２３に通電して、第１火炎燃焼室２４に送られた混合気により火炎を形成させる。この時、第２火炎燃焼室２７の火炎は消滅する。第１触媒体７は、第１火炎燃焼室２４の燃焼熱により上流側から昇温する。第１触媒体７の上流が４００〜６００℃に達したとき、燃料の供給を５秒間停止させて、第１火炎燃焼室２４の火炎を消す。
【００７９】
その火炎が消された後に再度供給される燃料により、気化部２０から送られる混合気は、第１触媒体７の上流と第２触媒体１４の上流から反応を開始し、定常燃焼に向かう。
【００８０】
この動作により、高沸点液体燃料を容易に燃焼させることができる。また、定常燃焼の状態は、第１の実施の形態と同じである。
【００８１】
本発明の第３の実施の形態に係る燃焼装置ついて、その断面図である図５を参照しながら説明する。本実施の形態において、第１の実施の形態に対する相違点は、保炎部１０を持たずに、着火手段１１を収納した火炎燃焼室９の代わりに、電気ヒータ２９を収納したヒータ室２８が設けられたことである。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
【００８２】
次に、本実施の形態の動作について説明する。
まず、電気ヒータ２９を通電し、その放射熱と対流熱により、第２触媒体１４の上流と第１触媒体７の下流を加熱する。活性化温度が３００℃以上である第１触媒体７と第２触媒体１４を、その活性化温度に加熱するためには、電気ヒータ２９の温度は７００℃以上が好ましい。
【００８３】
第１触媒体７と第２触媒体１４とが活性化温度に加熱された時点で、電気ヒータ２９の通電を停止し、また混合部３から混合気の供給を開始する。
【００８４】
混合気は、加熱された第２触媒体１４の上流側で反応を開始する。この熱を受けた第１触媒体７の下流端も反応を開始し高温となる。その反応位置は、次第に第１触媒体７の上流方向に遡上する。
【００８５】
第１触媒体７で触媒燃焼する混合気の量が増加するにしたがい、ヒータ室２８を通過して第２触媒体１４に流れるガスの燃料濃度は薄くなる。第２触媒体１４に流れるガスの燃料濃度が薄くなった状態で、燃料の供給量を増加させて定常燃焼に至らせる。定常燃焼に至った燃焼状態は第１の実施の形態と同じである。
【００８６】
本実施の形態では、火炎を用いずに定常燃焼に至らせるため、ＮＯｘがほとんど発生しない特徴を有する。また、着火時の空燃比の精度は、火炎着火ほど精密でなくてもよい。
【００８７】
混合気がヒータ室２８の電気ヒータ２９の高熱により万一発火した場合、火炎は、第１触媒燃焼室４の空間を逆火していき、混合室３をも発火させる。このようにして、混合室３で火炎が発生した場合には、第１触媒燃焼室４と第２触媒燃焼室１２の双方の燃焼は、もはや触媒燃焼とはならないために、低ＮＯｘの効果はなくなる。そこで、第１触媒燃焼室４とヒータ室２８との間に、図１と同様の金網又は多孔板等の保炎部を設けると、万一ヒータの熱で発火した場合でも、逆火を防止することが可能となる。
【００８８】
本発明の第４の実施の形態に係る燃焼装置ついて、その断面図である図６を参照しながら説明する。３０は、第１触媒燃焼室４の上流側に設けられた、第１電気ヒータ３１を収納した第１ヒータ室である。３２は、第１触媒燃焼室４と第２触媒燃焼室１２との間に設けられた、第２電気ヒータ３３を収納した第２ヒータ室である。即ち、本実施の形態において、第３の実施の形態に対する実質的な相違点は、更に第１電気ヒータ３１を収納した第１ヒータ室３０が設けられたことである。
【００８９】
なお、図６におけるＡ−Ａ´線とＢ−Ｂ´線に対応する断面図は、それぞれ図２と図３に示されている。
【００９０】
次に、本実施の形態の動作について説明する。
【００９１】
第１電気ヒータ３１と第２電気ヒータ３３とを通電し、第１触媒体７と第２触媒体１４を同時に加熱して、触媒予熱を開始する。第１触媒体７と第２触媒体１４の温度が所定の活性化温度に達した後、第１電気ヒータ３１と第２電気ヒータ３２の通電を停止し、燃料の供給を開始する。なお、停止と供給の順序はどちらが先でも構わない。
【００９２】
混合部３から送られた混合気が第１触媒燃焼室４を通過する場合、その混合気は、第１触媒体７の上流と下流で部分的に反応する。
【００９３】
また、第１触媒体７をすり抜けた未反応燃料は、第２触媒体１４の上流で反応し始める。第２触媒体１４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。本燃焼装置から外部に未燃ガスを排出させないためには、第２触媒体１４の予熱温度は、第１触媒体７よりも高いことが好ましい。
【００９４】
本実施の形態では、第１触媒体７の上流の発熱が混合気の流れに乗って下流に伝播するため、短時間で第１触媒体７を定常温度に到達させることができる。このため、本実施の形態は、第３の実施の形態よりも最大出力を短時間で得ることができる。
【００９５】
本発明の第５の実施の形態に係る燃焼装置ついて、その断面図である図７を参照しながら説明する。１は、燃料パイプ１８の先端から液体燃料を供給する燃料供給部である。１９は、液体燃料を加熱する気化ヒータである。２は、燃焼用空気を送る送風機である。２０は、混合板を２つ収納した気化部である。
【００９６】
９は、気化部２０の下流側に設けられた火炎燃焼室である。１１は、気化部２０で生成された混合気を着火する着火手段である。着火手段１１は、火炎燃焼室９に収納されている。１０は、気化部２０と火炎燃焼室９との間に設けられた保炎部である。
【００９７】
４は、火炎燃焼室９の下流側に設けられた第１触媒燃焼室である。５は、第１触媒燃焼室４の内面に突出する受熱用のフィンである。７は、隙間６を介してフィン５に設けられた薄板状の第１触媒体である。８は、アルミ合金製の第１触媒燃焼室４の外周に設けられた熱回収用の第１水経路である。
【００９８】
２８は、第１触媒燃焼室４の下流側に設けられたヒータ室である。４４は、ヒータ室２８に収納された電気ヒータである。
【００９９】
１２は、ヒータ室２８の下流側に設けられた第２触媒燃焼室である。１４は、ハニカム構造の第２触媒体である。第２触媒体１４は、第２触媒燃焼室１２に収納されている。
【０１００】
１５は、第２触媒燃焼室１２の下流側に設けられた排気熱を回収する熱交換用のフィンである。１６は、フィン１５を収納している室の外周面に設けられた熱交換用の第２水経路である。第２水経路１６は第１水経路８に接続されている。
【０１０１】
次に、本実施の形態の動作について説明する。
【０１０２】
まず、電気ヒータ４４を通電し、第２触媒体１４を加熱し、気化部２０から混合気を送る。火炎燃焼室９に送られた混合気は、着火手段１１により火炎を形成する。この時、第２触媒体１４は、電気ヒータ４４により加熱されているので、着火時の臭気やＣＯはここで浄化される。
【０１０３】
火炎燃焼室９の火炎の熱により加熱され第１触媒体７が活性化温度に到達した時、燃料の供給を一旦停止して火炎を消す。その火炎が消えた後、燃料の供給を再開すると、第１触媒体７で触媒燃焼が生じる。この時、第１触媒体７は完全に昇温していないため、未燃ガスがヒータ室２８から第２触媒燃焼室１２に排出される。第２触媒燃焼室１２に排出された未燃ガスは、電気ヒータ４４により加熱されている第２触媒体１４で反応する。
【０１０４】
第１触媒体７は流れ方向の上流側から昇温するので、第１触媒体７の下流側が３００〜６００℃に達した時に、燃料の供給を増加させる。このタイミングにより、定常燃焼状態に到達させれば、未燃ガスによる第２触媒体１４の異常高温は完全に防止できる。
【０１０５】
これにより、燃焼は最終的に安定し、供給した燃料の８５％が第１触媒体７で燃焼し、残りが第２触媒体１４で燃焼する。この定常燃焼の状況は、第１の実施の形態と同じである。従って、本実施の形態によれば、短時間で燃焼を安定させることができ、着火時の未燃ガスの排出を少なくすることができる。
【０１０６】
本発明の第６の実施の形態に係る燃焼装置ついて、その断面図である図８を参照しながら説明する。１は、燃料パイプ１８から液体燃料を供給する燃料供給部である。１９は、液体燃料を加熱する気化ヒータである。２は、燃焼用空気を供給する送風機である。２０は、燃料供給部１により供給されて、気化された液体燃料と送風機２により供給される燃焼用空気とを混合して、混合気を作る気化部である。
【０１０７】
２８は、気化部２０の下流に設けられた、電気ヒータ４４を収納したヒータ室である。
【０１０８】
４は、ヒータ室２８の下流側に設けられた第１触媒燃焼室である。５は第１触媒燃焼室４の内面に突出する受熱用のフィンである。７は、隙間６を介してフィン５に設けられた薄板状の第１触媒体である。８は、アルミ合金製の第１触媒燃焼室４の外周に設けられた熱回収用の第１水経路である。
【０１０９】
９は、第１触媒燃焼室４の下流側に設けられた火炎燃焼室である。１１は、混合気を着火する着火手段である。着火手段１１は、火炎燃焼室９に収納されている。１０は、第１触媒燃焼室４と火炎燃焼室９の間に設けられた保炎部である。
【０１１０】
１２は、火炎燃焼室９の下流側に設けられた第２触媒燃焼室である。１４は、ハニカム構造の第２触媒体である。第２触媒体１４は、第２触媒燃焼室１２に収納されている。
【０１１１】
１５は、第２触媒燃焼室１２の下流側に設けられた排気熱を回収する熱交換用のフィンである。１６は、フィン１５を収納している室の外周面に設けられた熱交換用の第２水経路である。第２水経路１６は第１水経路８に接続されている。
【０１１２】
次に、本実施の形態の動作について説明する。
【０１１３】
まず、電気ヒータ４４に通電し、第１触媒体７を加熱し、第１触媒体７に混合気を送る。第１触媒体７の温度は、触媒活性化温度以下とする。従って、第１触媒体７では触媒反応が生じないため、混合気は、着火手段１１により火炎燃焼室９で火炎を形成する。第２触媒体１４は、この火炎により加熱される。また、第１触媒体７の下流側も同様に加熱される。ところが、第１触媒体７の上流は、電気ヒータ４４により既に加熱されているので、触媒燃焼反応は、急速に第１触媒体７の上流に達する。
【０１１４】
これより、燃焼は最終的に安定し、第１の実施の形態と同じ定常状態となる。この方式は、液体燃料に有効であり、構成も簡素である。
【０１１５】
本発明の第７の実施の形態に係る燃焼装置ついて、その断面図である図９を参照しながら説明する。１は、燃料パイプ１８を介して液体燃料を供給する燃料供給部である。１９は、液体燃料を加熱する気化ヒータである。２は、燃焼用空気を送る送風機である。２０は、混合板２１を収納した気化部である。
【０１１６】
９は、気化部２０の下流側に設けられた火炎燃焼室である。１１は、気化部２０で生成された混合気を着火する放電を利用した着火手段である。着火手段１１は、火炎燃焼室９に収納されている。１０は、気化部２０と火炎燃焼室９との間に設けられた保炎部である。
【０１１７】
４は、火炎燃焼室９の下流側に設けられた第１触媒燃焼室である。５は第１触媒燃焼室４の内面に突出する受熱用のフィンである。７は、隙間６を介してフィン５に設けられた薄板状の第１触媒体である。８は、《アルミ合金製の》第１触媒燃焼室４の外周に設けられた熱回収用の第１水経路である。
【０１１８】
１２は、第１触媒燃焼室４の下流側に設けられた第２触媒燃焼室である。１４は、第１触媒体７よりも幾何学的表面積が大きいハニカム構造の第２触媒体である。第２触媒体１４は、第２触媒燃焼室１２に収納されている。
【０１１９】
１５は、第２触媒燃焼室１２の下流側に設けられた排気熱を回収する熱交換用のフィンである。１６は、フィン１５を収納している室の外周面に設けられた熱交換用の第２水経路である。第２水経路１６は第１水経路８に接続されている。
【０１２０】
３４は、第１触媒燃焼室４の中心部が貫通されたバイパスである。バイパス３４には、開閉弁３５が設けられ、駆動部３６を介して開閉される。ここで、開閉弁３５は、バイパス３４の上流側に設けることが好ましい。開閉弁３５を下流側に設けた場合、バイパス３４に滞留する混合気が第１触媒体７の熱により発火するからである。
【０１２１】
次に、本実施の形態の動作について説明する。
【０１２２】
液体燃料は、気化ヒータ１９により加熱された気化部２０で燃料ガスとなる。その燃料ガスは、気化部２０に収納された混合板２１により、送風機２から送られる燃焼用空気と混合して、混合気となる。その混合気は、その流れ方向の下流側に設けられた火炎燃焼室９に流れ込む。火炎燃焼室９に流れ込んでくる混合気は、着火手段１１により着火されて火炎を形成する。
【０１２３】
この時、混合気の流れ方向の上流側に位置するバイパス３４の入り口は、開閉弁３５により開の状態になっている。そのため、第１触媒体７と第２触媒体１４は、火炎燃焼室９の火炎の熱により加熱される。
【０１２４】
第１触媒体７と第２触媒体１４の温度が３００〜６００℃に達した時点で、燃料の供給を一時停止して、火炎燃焼室９の火炎を消す。そして、駆動部３６により、バイパス３４の入り口の開閉弁３５を閉の状態として、燃料の供給を再開する。この時、第１触媒体７と第２触媒体１４は、活性化温度以上に加熱されているので、第１触媒体７と第２触媒体１４は、速やかに触媒燃焼を開始し、安定状態に達する。
【０１２５】
以上、本実施の形態では、１つの着火手段１１により、第１触媒体７と第２触媒体１４とを十分に高温とすることができる。
【０１２６】
本発明の第８の実施の形態に係る燃焼装置ついて、その断面図である図１０を参照しながら説明する。１は、燃料パイプ１８から液体燃料を供給する燃料供給部である。２は、燃焼用空気を供給する送風機である。２０は、燃料供給部１により供給される液体燃料と送風機２により供給される燃焼用空気とを混合して、混合気を作る気化部である。気化部２０は、アルミ又は鉄鋳物で作られている。１９は、気化部２０を加熱するための電気ヒータである。
【０１２７】
３０は、気化部２０の下流側に設けられた、第１電気ヒータ３１を収納した第１ヒータ室である。第１ヒータ室３０と気化部２０との間に、熱回収板３７が取り付けられている。熱回収板３７は、気化部２０の突出部３８にネジ３９で固定されている。熱回収板３７の側面には、複数の通過孔４０があり、その側面の下流端にはフランジ部４１が設けられている。また、熱回収板３７は、ステンレス鋼板で作られており、触媒を担持している。
【０１２８】
４は、第１ヒータ室３０の下流側に設けられた第１触媒燃焼室である。５は、第１触媒燃焼室４の内面に突出する受熱用のフィンである。７は、隙間６を介してフィン５に設けられた薄板状の第１触媒体である。８は、アルミ合金製の第１触媒燃焼室４の外周に設けられた熱回収用の第１水経路である。ここで、熱回収板３７の表面積は、第１触媒体７の触媒の表面積よりも小さい。
【０１２９】
３２は、第１触媒燃焼室４の下流側に設けられた第２ヒータ室である。３３は第２ヒータ室３２に収納された電気ヒータである。
【０１３０】
１２は、第２ヒータ室３２の下流側に設けられた第２触媒燃焼室である。１４は、ハニカム構造の第２触媒体である。第２触媒体１４は、第２触媒燃焼室１２に収納されている。
【０１３１】
１５は、第２触媒燃焼室１２の下流側に設けられた排気熱を回収する熱交換用のフィンである。１６は、フィン１５を収納している室の外周面に設けられた熱交換用の第２水経路である。第２水経路１６は第１水経路８に接続されている。
【０１３２】
４２は、気化部２０の外面に設けられた、気化部２０の内部温度を検出する検知部である。４３は、検知部４２の検出結果に基づいて、気化部２０の温度を液体燃料の沸点以上に保つように、気化ヒータ１９を制御する電気入力制御手段である。
【０１３３】
次に、本実施の形態の動作について説明する。
【０１３４】
気化ヒータ１９と第１電気ヒータ３１とに通電し、気化部２０と熱回収板３７と第１触媒体７とを加熱する。灯油又は軽油などの液体燃料は、気化部２０に供給されて、そこで燃料ガスとなり、送風気から送られる燃焼用空気と混合し、混合気となる。
【０１３５】
混合気は、熱回収板３７を通過し、第１触媒体７で触媒燃焼を開始する。これと同時に、第１電気ヒータ３１により加熱されている熱回収板３７の触媒も反応を開始する。その反応熱は、突出部３８から気化部２０に伝熱して、気化部２０を加熱する。また、熱回収板３７のフランジ部４１は、第１触媒体７の放射熱により、加熱が促進される。更にその触媒反応が進めば、熱回収板３７は、４００〜６００℃にまで加熱される。熱回収板３７は、その熱を気化部２０に伝熱させる。
【０１３６】
ところで、熱回収板３７を構成する金属材料の熱伝導率は、気化部２０を構成する金属材料の熱伝導率よりも低いことが好ましい。熱伝導率が高いと、気化部２０に熱を取られ過ぎて低温となり、熱回収板３７の触媒の反応性が低下するからである。この理由により、気化部２０と熱回収板３７の接続部に突出部３８を設けて、接触面積を選択し、最適な気化熱の伝導を図ることも有効である。
【０１３７】
また、熱回収板３７における触媒の反応量を増加させるため、熱回収板３７に通過孔４０を設けることも有効である。この場合、混合気は、熱回収板３７の表裏で反応し、反応量が増加するとともに、熱回収板３７の熱抵抗が増加して、先端が高温化し、反応性が高くなる。
【０１３８】
このような触媒燃焼において、検知部４２が、気化部２０の内部温度が所定の温度に加熱されたことを検出すれば、電気入力制御手段４３は、気化ヒータ１９の通電を停止する。この後、電気入力制御手段４３は、気化部２０の温度を沸点以上に保つように、気化ヒータ１９のＯＮ−ＯＦＦを繰り返す。これにより、触媒燃焼における液体燃料の気化用の消費電力を削減することができる。
【０１３９】
なお、本実施の形態では、第１触媒体７は、第１の実施の形態における第１触媒体７と同じ熱交換一体型のものであるとしたが、ハニカム型触媒体としてもよい。
【０１４０】
第５と第６の実施の形態で使用した電気ヒータ４４について、その構造図である図１１を参照しながら説明する。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＺ−Ｚ´線の断面図である。電気ヒータ４４は、第５と第６の実施の形態以外の電気ヒータを使用する実施の形態でも使用可能である。４５は金属被覆管である。４６は、金属被覆管４５に収納されたヒータ素線である。４７は、金属被覆管４５に収納されたマグネシア絶縁材である。ヒータ素線４６は、マグネシア絶縁材４４により金属被覆管から絶縁される。
【０１４１】
４８は、熱放射材が表面に形成された放熱板である。放熱板４８には、多数の通過孔５０が穿たれている。ここで、混合気の流路において、電気ヒータ４４が触媒体に対面して設けられると、触媒体の周囲が低温となり易い。そこで、放熱板４８を底面と側面を有する箱状として、空気との接触面積を増加させると、均一加熱が可能となる。
【０１４２】
金属被覆管４６は、ニッケルろう材４９によって、放熱板４８に接合されている。
【０１４３】
この電気ヒータ４４を第１触媒体７又は第２触媒体１４と対面させれば、触媒を予熱することができる。
【０１４４】
一般に、予熱を素早くするには、電気ヒータの電力量を大きくしなければならない。しかし、この場合、電気ヒータの金属被覆管が高温となるため、その金属被覆管の劣化の問題が生じる。
【０１４５】
本実施の形態における電気ヒータ４４では、金属被覆管４５は、熱放射しやすい表面処理が施された放熱板４８に接続されているために、放熱板４８に拡散した熱が、放射熱として発散する。その結果、金属被覆管４５は劣化しにくいものとなる。これにより、予熱を素早くできるので、触媒の予熱時間を短縮できる。
【０１４６】
通過孔５０は、混合気の通過のための孔であるが、孔の配列を金属被覆管４５の近傍とすれば、さらに加熱能力を高めることができる。
【０１４７】
なお、放熱板４８は、底面と側面を有する箱状であるとしたが、平板状としてもよい。
【０１４８】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明によれば、ＮＯｘがほとんど発生しない燃焼装置を提供することができる。
【０１４９】
また、本発明によれば、触媒の耐熱寿命が著しく短くなるという課題を解決することができる。
【０１５０】
また、本発明によれば、触媒を用いた燃焼装置の小型化を図ることができる。
【０１５１】
また、本発明の燃焼装置は、燃料と空気の混合気における空気過剰率を高くする必要がなく、小型でも大きな燃焼能力を有する触媒を用いた燃焼装置を実現することができる。
【０１５２】
また、本発明によれば、燃焼開始時に未燃ガスをださないため悪臭等の発生がない。
【０１５３】
更に、本発明は、定常状態でも気化熱用の電気を供給する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼装置の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ´断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃焼装置の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る燃焼装置の断面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る燃焼装置の断面図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係る燃焼装置の断面図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態に係る燃焼装置の断面図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態に係る燃焼装置の断面図である。
【図１０】本発明の第８の実施の形態に係る燃焼装置の断面図である。
【図１１】（ａ）は第５と第６の実施の形態で使用した電気ヒータ４４の構造図であり、（ｂ）はそのＺ−Ｚ´線の断面図である。
【符号の説明】
１…燃料供給部
２…送風機
３…混合部
４…第１触媒燃焼室
５…フィン
６…隙間
７…第１触媒体
８…第１水経路
９…火炎燃焼室
１０…保炎部
１１…着火手段
１２…第２触媒燃焼室
１３…断熱材
１４…第２触媒体
１５…フィン
１６…第２水経路
２１…混合板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003657675.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
0003657675.tif 000009
【図９】
0003657675.tif 000010
【図１０】
0003657675.tif 000011
【図１１】
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