(57)【要約】【課題】  安定した触媒燃焼を行うことができる、低コストな触媒燃焼ユニットを提供する。【解決手段】  気化された燃料が通過するときに触媒燃焼させる触媒燃焼ユニット２０であって、耐熱金属製でエキスパンドメッシュ状の第１の板２１および第２の板２２とを気化室１２の側から有し、それらの板２１および２２の厚さがほぼ０．３ｍｍ〜１ｍｍ、開口率がほぼ２％〜３０％で、それらの間の隙間Ｌの最大は１５ｍｍ程度であり、少なくとも第２の板２２は貴金属触媒を担持し、第１の板２１および第２の板２２の少なくとも一方の開口率は１５％以下とする触媒燃焼ユニット２０を提供する。これにより、低コストで、安定した触媒燃焼を行える触媒燃焼ユニットを提供できる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気化された燃料が通過するときに触媒燃焼させる触媒燃焼ユニットであって、上流側から隙間を開けて積層されたメッシュ状で、耐熱金属製の第１の板および第２の板を有し、
これら第１の板および第２の板は共に、厚さがほぼ０．３ｍｍ〜１ｍｍ、開口率がほぼ２％〜３０％で、前記隙間の最大は１５ｍｍ程度であり、
さらに、少なくとも前記第２の板は貴金属触媒を担持し、前記第１の板および前記第２の板の少なくとも一方の開口率は１５％以下である、触媒燃焼ユニット。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の板は、貴金属触媒を担持していない、触媒燃焼ユニット。
【請求項３】
前記第１の板および前記第２の板は、エキスパンドメッシュの平板である、触媒燃焼ユニット。
【請求項４】
請求項１に記載の触媒燃焼ユニットと、
前記触媒燃焼ユニットに気化状態の燃料を供給する供給領域とを有する触媒燃焼装置。
【請求項５】
請求項４において、前記供給領域は、前記触媒燃焼ユニットに液体燃料を気化して供給する気化室であり、さらに、前記気化室内で、前記触媒燃焼ユニットからの輻射熱により高温になる多孔性の輻射板を有する触媒燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気化燃料を触媒燃焼する触媒燃焼装置およびそれに用いる触媒燃焼ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
火炎燃焼に比べて燃焼温度が低く、無炎で燃焼する触媒燃焼が知られている。触媒燃焼は、ＮＯｘなどの有害な排ガスの発生が少なく、希薄混合気の燃焼が可能で、燃焼量の調整範囲が広く放射熱量が大きい等の様々なメリットを有している。したがって、触媒燃焼技術は、温風あるいは赤外線を放出する暖房機器などに用いられている。
【特許文献１】特開２００２−２２１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
触媒燃焼装置の多くは、セラミック製の触媒プレートを使用している。セラミック製の触媒プレートは、耐熱温度が高く、白金などの燃焼に適した触媒を担持させるには適した素材である。セラミックは硬度が高いという特徴があるが、もろく延性が低いという特徴も備えている。また、１つ１つのセラミックプレートを焼成するので製造コストを下げることも容易ではない。燃焼面積を大きくしようとすると、一枚のセラミックプレートでカバーすることは不可能であり、複数枚のセラミックプレートを適当な方法で並べる必要がある。このため、構造が複雑になること、多数枚のセラミックプレートが必要なることなどが要因となって製造コストが高くなる。また、セラミックプレートは衝撃に弱いので、ひびが入ったり、割れたりしやすく、触媒燃焼には問題ないとしても、ひびまたは割れが見えることは品質の低下と捉えられることが多い。特に、民生用の暖房機器においては、触媒燃焼している面が見えるので、ひびまたは割れが発生すること自体が問題になることがある。
【０００４】
高価なセラミック触媒に代るものとして、加工が容易な耐熱金属素材のワイヤーメッシュに貴金属触媒を担持した、ワイヤーメッシュ触媒がある。ワイヤーメッシュ触媒は、セラミック触媒に比較すると延性が高く、大きな面積のものを製造可能であり、さらに、構造的にひび割れは発生し難いものである。しかしながら、セラミック触媒に比較すると薄く、気化燃料が透過するときの接触面積が小さいため燃焼効率が悪いと考えられており、触媒燃焼を維持できるかどうかも不安視されている。したがって、触媒燃焼において、ワイヤーメッシュ触媒は、セラミック触媒の燃えきりを良くするためにセラミック触媒と共に使用される程度の利用が主体であった。
【０００５】
これに対し、本願発明者らは、耐熱金属製でメッシュ状の触媒であっても、多数枚を重ね合わせることにより、メッシュ状の触媒だけで良好な燃焼が得られることを確認した。しかしながら、１枚のメッシュ状の触媒では、燃え切りが悪く未燃ガスが排出されることも確認した。一方、燃焼状態を良好にするために、触媒を担持したメッシュ状の触媒の使用枚数が多くなると、担持する貴金属触媒も多くなりコスト高の要因となる。
【０００６】
そこで、本発明においては、安定した触媒燃焼を行うことができる、メッシュ状の耐熱金属製の触媒プレートを用いた低コストな構成の触媒燃焼ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の発明者らは、メッシュ状の耐熱金属製の触媒プレートを用いた構成の触媒燃焼ユニットとして、適当な条件で２枚のメッシュ状のプレートを重ね合わせる構成により、良好な触媒燃焼を維持できることを見出した。すなわち、本発明においては、気化された燃料が通過するときに触媒燃焼させる触媒燃焼ユニットであって、上流側から隙間を開けて積層されたメッシュ状で、耐熱金属製の第１の板および第２の板を有し、これら第１の板および第２の板は共に、厚さがほぼ０．３ｍｍ〜１ｍｍ、開口率がほぼ２％〜３０％で、隙間の最大は１５ｍｍ程度であり、さらに、少なくとも第２の板は貴金属触媒を担持し、第１の板または第２の板の開口率は１５％以下である、触媒燃焼ユニットを提供する。
【０００８】
さらに、第１の板は、貴金属触媒を担持していないメッシュ状で、耐熱金属製であっても、良好な触媒燃焼が行えることを見出した。
【０００９】
このような条件のメッシュ状の第１の板および第２の板は、箔体にラス目を入れてエキスパンドしたエキスパンドメッシュの平板により提供できる。耐熱性基材として適当なものの１つは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｌａ系のアルミニウム含有耐熱性合金である。この基材として、圧延し箔体化し、さらに機械加工で箔体にラス目を入れ、エキスパンドすることにより多孔状に加工したものは、本発明のメッシュ状の板に好適である。さらに、機械加工されたメッシュ状の薄板を異なる条件で熱処理して触媒を担持した板は、本発明の触媒を担持した板として好適である。すなわち、メッシュ状の薄板を、低酸素状態で熱処理して薄板の表面だけではなく、孔の内面を含めた、燃焼ガスが接触する面の全体にわたりアルミリッチ層を形成し、さらに、空気中で約８５０℃に加熱して、酸化層を形成する。そして、酸化層に白金族触媒（Ｐｂ、Ｐｔなど）を付着させることにより、本発明の条件を満たす触媒担持板を提供できる。
【００１０】
本発明の触媒燃焼ユニットに採用されているメッシュ状で耐熱金属製の板は、耐熱性は十分に高く、セラミックに比べて加工も容易で安価で提供できる。さらに、セラミックに比べて延性も高く、広い面積を１枚のメッシュ状の板で形成することが可能である。また、耐衝撃性も高いので、ひび割れなどの問題も発生しない。したがって、本発明の触媒燃焼ユニットと、触媒燃焼ユニットに気化状態の燃料を供給する供給領域とを有する触媒燃焼装置により、低コストで、高出力の触媒燃焼装置を提供できる。また、ひび割れなどのセラミックタイプの触媒燃焼装置で発生した問題も解決できる。そして、ＮＯｘなどの有害な排ガスの発生が少なく、希薄混合気の燃焼が可能で、燃焼量の調整範囲が広く放射熱量が大きい等の様々なメリットを有している触媒燃焼装置をさらに低コストで提供することが可能となる。
【００１１】
本発明の触媒燃焼装置は、供給領域が、液体燃料を気化して供給する気化室であり、さらに、気化室内で、触媒燃焼ユニットからの輻射熱により高温になる多孔性の輻射板を有する触媒燃焼装置を含む。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明では、２枚の多孔性の板で安価であり、そして、安定した触媒燃焼を実現できる触媒燃焼ユニット、触媒燃焼装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明に係る触媒燃焼装置の概略構成を示してある。本例の触媒燃焼装置５は、水平方向に延びた筒状の気化室１２を備えており、この気化室１２を形成する筒状のハウジング１０の前方に、外界に面して触媒燃焼ユニット２０が設けられている。したがって、気化室１２で気化および加熱された気化状態の燃料が触媒燃焼ユニット２０に供給されて触媒燃焼される。また、気化室１２の前方で、触媒燃焼ユニット２０に面した位置に、多孔性の輻射板１９が設けられおり、触媒燃焼ユニット２０からの輻射熱により高温になり、気化を促進する。さらに、気化室１２の後方には、燃料ポンプ８から供給された液体燃料７０を噴霧する燃料噴霧部１３、燃焼用空気７１として外気を気化室１２の内部に供給するブロワ（送風機）１５などが配置されている。
【００１４】
触媒燃焼ユニット２０は、図２に拡大して示すように、気化された燃料７１が通過するときに触媒燃焼させるものであり、上流である気化室１２の側から隙間Ｌを開けて積層された耐熱金属製で多孔性の第１の板２１と、同じく耐熱金属製で多孔性の第２の板２２とが配置されている。本例において、第１の板２１および第２の板２２は、エキスパンドメッシュの平板であり、その組成および製造方法については、以下に詳述する。さらに、第１の板２１に対して外側に位置する第２の板２２は、白金などの貴金属触媒を担持した触媒担持板である。第１の板２１は、以下の実験データで示すように、触媒担持板であっても良く、触媒を担持していない板（ダミー板）であっても良好な触媒燃焼が得られることが本発明において分かっている。
【００１５】
本例の触媒燃焼装置５では、後方の噴霧装置１３で噴霧された油などの燃料７０が気化室１２で気化され、触媒燃焼ユニット２０の触媒担持板２２で触媒に接して触媒燃焼する。その結果、触媒燃焼ユニット２０が高温となり、赤外線７３を外部に放出する。
【００１６】
本例の触媒ユニット２０の第１の板２１および第２の板２２は、アルミニウム含有耐熱性合金を基材として、圧延により所望の厚みまで箔体化し、さらに機械加工で多孔が形成された不織多孔性の薄板である。アルミニウムを含有する耐熱性のＦｅ−Ｃｒ基合金の組成（重量％）の一例は、Ｃｒが２０％、Ａｌが６％、Ｌａが０．０５％、残りがＦｅというものである。アルミニウムを含有する耐熱性のＦｅ−Ｃｒ基合金としては、Ｃｒが１５〜２５％、Ａｌが３〜６％含むものが知られている。さらに、Ｌａは、０．０２〜０．０７％含んでいることが望ましく、０．０３〜０．０５％程度含んでいることがさらに好ましい。機械加工する際は、箔体にラス目を入れ、エキスパンドすることによりメッシュ状の多孔性の板（エキスパンドメッシュ板あるいはラス金網板）に加工する。第１の板２１として触媒を担持していないダミー板を用いる場合は、この段階の板を使用することができる。
【００１７】
触媒担持板（第２の板）とする場合は、基材の表面に、孔の内面も含めてアルミリッチの下地層と、Ａｌ２Ｏ３を含む酸化層を形成し、その酸化層に触媒を担持させる。そのため、まず、機械加工された薄板を、低酸素状態で熱処理（第１の熱処理）し、薄板の表面だけではなく、孔の内面を含めた、燃焼ガスが接触する面の全体にわたりアルミリッチ（アルミニウム富裕）層を形成する。例えば、機械加工された薄板を炉内に入れ、その炉内を真空ポンプにより１×１０−３Ｔｏｒｒ以下に減圧し、低酸素状態で約９００℃に加熱する。加熱時間は、３０〜６０秒が好ましい。さらに、空気中で約８５０℃に加熱（第２の熱処理）して、酸化アルミニウム（アルミナ）を含む酸化層を形成する。加熱時間は、約４時間が好ましい。さらに、酸化層に白金族触媒（Ｐｄ、Ｐｔなど）を付着させ、触媒担持板とする。触媒燃焼に適した触媒は、白金族触媒であり、例えば、白金（Ｐｔ）とパラディウム（Ｐｄ）を４：１に混合したものである。
【００１８】
本願発明者らは、触媒を担持していないダミー板と、触媒担持板との組み合わせと、各板の開口率、厚みｔ、板の間隔Ｌなどを変えて触媒燃焼を行い、その結果を図３および図４に示してある。
【００１９】
触媒燃焼の評価は、燃焼排ガスの成分を検出して行った。燃焼ガスに、一酸化炭素（ＣＯ）が０．２％以上程度検出される場合や、ハイドロカーボン（ＨＣ）が数１０ｐｐｍ以上検出される場合には、未燃焼ガスが多く含まれ、燃え切りが悪いとして、燃焼状態は悪い（×）と判断している。また、一酸化炭素が微量検出され、ハイドロカーボンが１０ｐｐｍ前後検出される場合には、燃焼状態が不安定であるとして燃焼状態は中間（△）と判断している。そして、一酸化炭素が略検出されず、ハイドロカーボンが１０ｐｐｍ以下の場合には、燃焼状態が良い（○）と判断している。また、箔体にするときの加工性や、ラス目加工するときの加工性も合わせて判断している。
【００２０】
図３は、ダミー板と、触媒担持板との組合せを変えて燃焼状態を確認している。これらより、３０％程度の開口率の触媒担持板であると、３枚の組合せでなければ良好に燃焼しない。これに対し、実験Ｎｏ４から分かるように、双方の開口率を１５％程度以下に下げることにより、２枚の組合せで良好な燃焼が得られることが分かった。しかしながら、実験Ｎｏ５に示したように、開口率を最小に近くしても、１枚の触媒担持板では、良好な触媒燃焼が得られない。したがって、少なくとも２枚のメッシュ板の組合せが良好な触媒燃焼を得るために必要であることが分かった。
【００２１】
さらに、実験Ｎｏ６に示したように、２枚のうち、気化室１２の側の第１の板２１は、触媒を担持しないダミー板であっても、良好な触媒燃焼が得られることが分かった。したがって、良好な触媒燃焼が得られる最も簡易で低コストな組合せは、上流のメッシュ状のダミー板と、下流のメッシュ状の触媒担持板との２枚組みであることが分かった。
【００２２】
さらに、図４に示したような実験（Ｎｏ１１〜３８）を行い、第１の板（ダミー板）２１および第２の板（触媒担持板）２２の最適な条件範囲を見出した。実験Ｎｏ１１〜１５においては、第２の板２２を触媒担持板とし、その板厚ｔを０．５ｍｍ、開口率を３％、第１の板２１との隙間Ｌを５〜１０ｍｍに固定し、また、第１の板２１をダミー板とし、その開口率を３％に固定し、板厚ｔを０．１〜１．２ｍｍに変化させた。その結果、燃焼状態および加工性を考量すると、第１の板２１の板厚ｔは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲が好ましいことが分かった。なお、以下の各実験においても、第１の板２１はダミー板とし、第２の板２２を触媒担持板としている。また、隙間Ｌは、板材２１および２２の歪みあるいは変形を完全には排除できないために、５ｍｍ〜１０ｍｍというある程度範囲を持った値となっている。
【００２３】
実験Ｎｏ１６〜２０においては、第１の板２１は、板厚ｔを０．５ｍｍ、開口率を３％、第２の板２２との隙間Ｌを５〜１０ｍｍに固定し、第２の板２２は、開口率を３％に固定し、板厚を０．１〜１．２ｍｍに変化させた。その結果、燃焼状態および加工性を考量すると、第２の板２２の板厚ｔも、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲が好ましいことが分かった。
【００２４】
実験Ｎｏ２１〜２７においては、第２の板２２は、板厚ｔを０．５ｍｍ、開口率を３％、第１の板２１との隙間Ｌを５〜１０ｍｍに固定し、第１の板２１は、板厚ｔを０．５ｍｍに固定し、開口率を１〜３５％に変化させた。燃焼状態および加工性を考量すると、第１の板２１の開口率は２％〜３０％程度の範囲が好ましいことが分かった。
【００２５】
実験Ｎｏ２８〜３４においては、第１の板２１は、板厚ｔを０．５ｍｍ、開口率を３％、第２の板２２との隙間Ｌを５〜１０ｍｍと条件を固定し、第２の板２２は、板厚ｔを０．５ｍｍに固定し、開口率を１〜３５％に変化させた。燃焼状態および加工性を考量すると、第２の板２２の開口率も２％〜３０％程度の範囲が好ましいことが分かった。この結果と、先に説明した実験Ｎｏ３および４の結果より、第１の板２１および第２の板２２の開口率がほぼ２％〜３０％の範囲であり、さらに、第１の板２１および第２の板２２の少なくとも一方の開口率は１５％以下であることが良好な触媒燃焼を得るために必要である。すなわち、第１の板２１および第２の板２２の両方の開口率が１５％を超えると、燃焼状態は悪化することが分かっている。
【００２６】
実験Ｎｏ３５〜３８においては、第１の板２１および第２の板２２の板厚ｔを０．５ｍｍ、開口率を３％に固定し、これら第１の板２１と第２の板２２との隙間Ｌを０〜２０ｍｍの範囲で変化させた。燃焼状態より、これらの板２１および２２の隙間Ｌは０〜１５ｍｍ程度の範囲が好ましいことが分かった。
【００２７】
以上に示した実験結果より、良好な触媒燃焼が得られる簡易な触媒ユニット２０の構成は、上流側からダミーのメッシュ板（第１の板）２１と、触媒を担持したメッシュ板（第２の板）２２とを若干の隙間Ｌを開けて配置したものであり、第１の板２１および第２の板２２は、板厚ｔが０．３〜１．０ｍｍ程度で、開口率は２〜３０％程度、さらに少なくとも一方の板の開口率が１５％程度以下であり、これらの板の隙間Ｌが最大でも１５ｍｍ以下となるように組み立てられたものである。
【００２８】
メッシュ状の耐熱金属製の触媒担持板により良好な触媒燃焼を得るための１つの要件は、触媒燃焼を持続させるために必要な熱容量を確保する点であると考えられる。そのためには、板厚を大きくすれば良いはずであるが、金属板を厚くすると、ラス目加工が難しくなり、コストメリットは小さくなる。また、金属板一枚では、必要な熱容量を確保することが難しい。これに対し、本願では、２枚のメッシュ板を用いれば、加工が容易な程度の厚みで、良好な触媒燃焼が得られることを示している。メッシュ触媒（第２の板）２２の近傍に設けられたエキスパンドメッシュ（第１の板）２１が触媒担持板を補助する熱容量となり、外乱に対しての触媒担持板２２の温度を安定させ、安定した燃焼を可能にしているものと考えられる。さらに、これらの板２１および２２の隙間Ｌを非常に薄くすることにより、相互作用で熱が低下するのを防止でき、また、これらの板２１および２２により挟まれた領域も燃焼を安定させる熱容量として機能していることが想像できる。
【００２９】
さらに、図１に示した液化燃料を気化させて触媒燃焼するタイプでは、気化が不十分な燃料ガスが触媒に付着すると、触媒の温度を低下させると共に、触媒に付着して燃えきりが悪化する。輻射板１９により、気化は促進されているが、液化状態の燃料が少しでも残っていると、それらは触媒燃焼に移行しないために触媒担持板２２の機能が低下する。これに対し、本発明の触媒燃焼ユニット２０は、触媒担持板２２の直前に配置されたダミー板２１は、温度が触媒担持板２２なみに上昇するので、気化が不十分な燃焼ガスが万一到来しても、それらは触媒担持板２２に至る前に確実に気化される。このため、触媒担持板２２における触媒燃焼を安定に行わせることができると考えられる。
【００３０】
また、本発明の触媒燃焼ユニット２０は、セラミックと比較すると、耐衝撃性が高く、延性も高いメッシュ状の耐熱金属製の素材を用いて触媒燃焼を可能にしている。したがって、大出力で、大きな触媒燃焼用の面積を必要とする触媒燃焼ユニットであっても、１枚あるいは数枚のメッシュ状の耐熱性金属製の触媒担持板で覆うことが可能となり、構造は極めて簡易になる。さらに、ひび割れの問題もなく、ユーザがさらに安心して使用することができる触媒燃焼装置５を提供できる。そして、メッシュ状の耐熱金属製の触媒担持板２２はセラミック製の触媒プレートに比較すれば低コストであり、さらに、触媒（貴金属）を担持する板を１枚でも十分に良好な触媒燃焼が可能であることを本発明において明らかにしている。したがって、本発明の触媒燃焼ユニットにより、燃焼効率が高く、未燃焼による有害な成分による匂いや煙の発生が少ない触媒燃焼の長所を備えた触媒燃焼装置を低コストでユーザに提供することができる。
【００３１】
なお、第１の板２１および第２の板２２は、多孔に加工する方法としては、上述したラス目加工と称されるエキスパンドを用いた方法に限らず、プレス、エッチングおよびレーザ加工などの公知のさまざまな方法を採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る２枚のメッシュ状の板材が設けられた触媒燃焼装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した触媒ユニットの一部を拡大して示す説明図である。
【図３】本発明に係る触媒ユニットの枚数および開口率を変えた実験結果を示す図である。
【図４】本発明に係る第１の板および第２の板の厚み、開口率および２枚の板の隙間を変えた実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
５    触媒燃焼装置
１２    気化室、１９    輻射板
２０    触媒燃焼ユニット
２１    第１の板（ダミー板）、２２    第２の板（触媒担持板）
７１    気化された燃料、７３    外部に照射される赤外線
【図１】
2006084156.tif 000003
【図２】
2006084156.tif 000004
【図３】
2006084156.tif 000005
【図４】
2006084156.tif 000006