(57)【要約】【課題】速やかに触媒の温度を、触媒が活性化する温度に到達させ、さらにＮＯｘの発生を抑制することができる燃焼装置を提供することである。【解決手段】燃焼部２０は触媒燃焼部３を有しており、触媒燃焼部３を上流側から加熱する加熱手段２７を設けた。触媒燃焼部３が所定温度に達すると、触媒燃焼部３の上流側の空気過剰率が大きくなるように設定するようにした。触媒燃焼部３と熱交換部５の間に二次燃焼部４を設けた。触媒燃焼部３と二次燃焼部４の間に、燃料供給手段２８を設けた。触媒燃焼部３の温度を検出する第一温度検出手段３２と、二次燃焼部４の温度を検出する第二温度検出手段３３を設けた。第一温度検出手段３２によって検出された温度情報を元に、加熱手段２７に供給される混合気の空気過剰率を制御するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側に燃焼部が配置され、下流側に熱交換部が配置された燃焼装置において、
前記燃焼部は触媒燃焼部を有しており、前記触媒燃焼部を上流側から加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
触媒燃焼部が所定温度に達すると、触媒燃焼部の上流側の空気過剰率を大きく設定することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
加熱手段はバーナであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
触媒燃焼部と熱交換部の間に二次燃焼部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項５】
触媒燃焼部と二次燃焼部の間に、燃料を供給する燃料供給手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記燃料供給手段は、触媒燃焼部を貫通していることを特徴とする請求項５に記載の燃焼装置。
【請求項７】
燃料供給手段が、二次燃焼部を加熱可能なバーナであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃焼装置。
【請求項８】
触媒燃焼部の温度を検出する第一温度検出手段を設け、前記第一温度検出手段によって検出された温度情報を元に、加熱手段を構成するバーナに供給される混合気の空気過剰率を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項９】
二次燃焼部の温度を検出する第二温度検出手段を設け、第二温度検出手段によって検出された温度情報を元に、二次燃焼部を加熱可能なバーナに供給される混合気の空気過剰率を制御することを特徴とする請求項４乃至請求項８のうちのいずれかに記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス又は液体燃料を気化させて燃焼させる燃焼装置であって、ＮＯｘの発生を抑制するために触媒を利用する燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスを燃焼させた際に、燃焼温度が１３００℃以上になるとＮＯｘ（窒素酸化物）が多量に発生する。昨今は、このＮＯｘの発生量を抑制するために、空気過剰率を大きく設定して燃焼温度を下げ、通常では燃焼しない希薄状態においても燃焼可能な触媒が開発され、この触媒を備えた燃焼装置が一部では実用化されている。
【０００３】
図３は、このような燃焼装置４０の概略図である。図３に示すように、燃焼装置４０は、筐体４３の内部に、上流側から順に送風機４４，触媒４５を有する燃焼部４１，及び熱交換器４２を備えている。触媒４５の下流側には着火装置４６が設けられており、触媒４５の下流側で混合気が着火され、触媒４５の温度が活性化する温度に達すると、触媒４５内においても燃焼が行われる。このような燃焼装置が、例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１６０１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図３の燃焼装置４０のように、触媒４５の下流側で火炎を生じさせて、触媒４５を加熱しようとしても、触媒４５には、燃料ガス及び空気の流れに逆らって熱伝達されるため、触媒４５が活性化する温度に達するまでに時間が掛かる。
【０００５】
そこで本発明は、速やかに触媒の温度を、触媒が活性化する温度に到達させ、ＮＯｘの発生を抑制することができる燃焼装置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】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、上流側に燃焼部が配置され、下流側に熱交換部が配置された燃焼装置において、燃焼部は触媒燃焼部を有しており、触媒燃焼部を上流側から加熱する加熱手段を設けた。
【０００７】
請求項１の発明では、触媒燃焼部を上流側から加熱する加熱手段を設けたので、触媒燃焼部を速やかに温度上昇させることができ、速やかに触媒の活性化する温度に到達させることができる。よって、従来のように触媒を下流側から加熱する場合よりも、燃焼を開始してから触媒が活性化状態となるまでの時間を短縮することができ、ＮＯｘの発生を抑制した燃焼状態を、燃焼の初期段階から実現することができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明の燃焼装置において、触媒燃焼部が所定温度に達すると、触媒燃焼部の上流側の空気過剰率を大きく設定するように構成した。
【０００９】
請求項２の発明では、触媒燃焼部が所定温度に達すると、触媒燃焼部の上流側の空気過剰率を大きく設定するようにしたので、活性化した触媒燃焼部内において良好な希薄燃焼が行われ、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
ここで、所定温度とは、触媒が活性化する温度とすることができる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明の燃焼装置において、加熱手段をバーナとした。
【００１１】
請求項３の発明では、加熱手段をバーナとしたので、加熱手段の汎用性が増し、安価に構成することができ、燃焼装置の製造コストを下げることができる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちのいずれかの発明の燃焼装置において、触媒燃焼部と熱交換部の間に二次燃焼部を設けた。
【００１３】
請求項４の発明では、触媒燃焼部と熱交換部の間に二次燃焼部を設けたので、触媒燃焼部の下流側でも燃焼を行うことができるので、熱交換部に供給する熱量を増加させることができ、燃焼装置の性能が向上する。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項４の発明の燃焼装置において、触媒燃焼部と二次燃焼部の間に、燃料を供給する燃料供給手段を設けた。
【００１５】
請求項５の発明では、触媒燃焼部と二次燃焼部の間に、燃料を供給する燃料供給手段を設けたので、触媒燃焼部を未燃状態で通過する燃料がなくても、二次燃焼部の上流側に新たに燃料を供給し、二次燃焼部において燃焼させることができるので、熱交換部へ供給する熱量を増加させることができ、燃焼装置の能力を向上させることができる。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項５の発明の燃焼装置において、燃料供給手段は、触媒燃焼部を貫通していることを特徴とする燃焼装置である。
【００１７】
請求項６の発明では、燃料供給手段が触媒燃焼部を貫通しているので、触媒燃焼部を迂回して燃料供給手段を設けるよりも燃焼装置を小型化することができる。また、燃料供給手段を通過する混合気が、触媒燃焼部によって加熱（熱伝達）されて昇温するので、二次燃焼部における燃焼が安定する。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項５又は請求項６の発明の燃焼装置において、燃料供給手段が、二次燃焼部を加熱可能なバーナとした。
【００１９】
請求項７の発明では、燃料供給手段を、二次燃焼部を加熱可能なバーナとしたので、燃料供給手段を安価に構成することができる。また、触媒燃焼部を貫通する燃料供給手段の内部で混合気が予め昇温するので、バーナの火炎が安定する。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のうちのいずれかの発明の燃焼装置において、触媒燃焼部の温度を検出する第一温度検出手段を設け、第一温度検出手段によって検出された温度情報を元に、加熱手段を構成するバーナに供給される混合気の空気過剰率を制御するようにした。
【００２１】
請求項８の発明では、触媒燃焼部の温度を検出する第一温度検出手段を設けたので、触媒の温度管理が容易になる。請求項８の発明を実施すると、例えば、触媒が活性化する温度に達したことを検出したり、触媒温度が触媒の劣化が進む温度にならないように監視することができるようになる。また、請求項８の発明では、第一温度検出手段によって検出された温度情報を元に、加熱手段を構成するバーナに供給される混合気の空気過剰率を制御するようにしたので、触媒が活性化したことを確認した後に、速やかに触媒燃焼部に供給する混合気を希薄にすることができ、触媒燃焼部で極めて効率よく燃料を燃焼させることができる。
【００２２】
請求項９の発明は、請求項４乃至請求項８のうちのいずれかの発明の燃焼装置において、二次燃焼部の温度を検出する第二温度検出手段を設け、第二温度検出手段によって検出された温度情報を元に、二次燃焼部を加熱可能なバーナに供給される混合気の空気過剰率を制御するようにした。
【００２３】
請求項９の発明では、二次燃焼部の温度を検出する第二温度検出手段を設けたので、二次燃焼部の温度を監視することができ、二次燃焼部の温度が、ＮＯｘの生じ易い温度に近付いたことを検出して、予め二次燃焼部における燃焼温度の上昇を抑制することができる。また、請求項９の発明では、第二温度検出手段によって検出された温度情報を元に、二次燃焼部を加熱可能なバーナに供給される混合気の空気過剰率を制御するようにしたので、二次燃焼部における燃焼温度が、ＮＯｘの生じ易い温度に到達しないように制御することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明を実施すると、触媒燃焼部を速やかに温度上昇させることができ、速やかに触媒の活性化する温度に到達させることができる。よって、燃焼を開始してから触媒が活性化状態となるまでの時間を短縮することができ、ＮＯｘの発生を抑制した燃焼状態を、燃焼の初期段階から実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明を実施した燃焼装置１の概略図である。
燃焼装置１は、二点鎖線で示す給湯装置２１内に収容されている。図１に示すように燃焼装置１は、筐体１５内に上流側から順に送風機２，燃料供給部１９，燃焼部２０，熱交換器５（熱交換部）を備えており、さらに下流側には排気部１４が設けられている。
【００２６】
燃焼装置１の熱交換器５は、水管６を備えている。すなわち、給湯装置２１には入水管２２と出湯管２３とが設けてあり、入水管２２の下流側と出湯管２３の上流側が、水管６で接続されている。この水管６が燃焼装置１の熱交換器５に配置されている。よって、入水管２２から供給された水は、後述する手順で生成された高温の燃焼ガスによって水管６内で加熱され、出湯管２３を介して給湯装置２１から給湯される。
【００２７】
図１に示すように燃料供給部１９は、燃料ガス供給管７，８と、バーナ部２７，２８とを備えている。バーナ部２７は、触媒体３の上流側に配置されており、バーナ部２７には燃料ガス供給管７から燃料ガス１７が供給され、また、送風機２によって空気流が供給される。
【００２８】
バーナ部２８は、筐体１５の中心部分に配置されており、さらにバーナ部２８は、触媒体３を貫通しており、触媒体３の下流側には噴射口２８ａが配置されている。噴射口２８ａの近傍には着火装置２９が配置されている。バーナ部２８には、燃料ガス供給管８を介して燃料ガス１８が供給され、さらに送風機２から空気流１６が供給されて、燃料ガス１８と空気の混合気は、噴射口２８ａから噴射されるまでに、バーナ部２８の内部２８ｂにおいて、予め一様な濃度の混合気を生成することができるようになっている。
【００２９】
また、バーナ部２７は、バーナ部２８を取り巻くように複数個（例えば４〜１２個）配置されている。図１ではそのうちの２つのみを描写している。バーナ部２７の噴射口２７ａは、触媒体３の上流側に配置されており、噴射口２７ａの近傍には点火プラグ等の着火装置３０が配置されている。バーナ部２７には、燃料ガス供給管７を介して燃料ガス１７が供給され、さらに送風機２から空気流１６が供給されるようになっている。
【００３０】
そして、空気過剰率が可燃範囲であれば着火装置３０によって着火され、噴射口２７ａには火炎が形成され、触媒体３は上流側から加熱される。また、空気過剰率が大きくなり、可燃範囲を超えると失火し、希薄な混合気が触媒体３に供給されるようになっている。
【００３１】
燃料ガス供給管７と燃料ガス供給管８は、燃料供給管１３が分岐したものであり、燃料ガス供給管７は調整弁９と仕切弁１１とを備えており、燃料ガス供給管８は調整弁１０と仕切弁１２とを備えている。調整弁９，１０及び仕切弁１１，１２は、それぞれ信号線を介して制御装置３１と接続されており、制御装置３１からの指令によって開閉又は開度調整することができるようになっている。また、着火装置２９，３０も信号線を介して制御装置３１と接続されており、制御装置３１からの指令によって着火動作するようになっている。
【００３２】
次に燃焼部２０について説明する。
燃焼部２０は、触媒体３（触媒燃焼部）と耐熱部材４（二次燃焼部）とで構成されている。触媒体３は、例えば耐熱性金属からなるハニカム構造体に触媒効果を有する白金等を溶射法等によって付着させて構成されている。
【００３３】
触媒体３は、給湯器で使用されている燃焼装置以外の、従来の一般的な燃焼装置でも使用されているパラジウム等を採用することができる。また、耐熱部材４の素材としては、例えば耐熱性を有する金属や、セラミックス等を採用することができ、その形状は、多数の孔を設けた板体を素材として複数層に重ねて構成したり、ハニカム状の構造体や粒状物の集合体で構成することができる。
【００３４】
この耐熱部材４を設けることにより、触媒体３の使用量は、従来の燃焼装置よりも少なくすることができる。すなわち、後述するように触媒体３ではＮＯｘが発生しにくい温度領域で燃料ガスを希薄燃焼させ、触媒体３の下流側でさらに燃料ガス１８が供給されて耐熱部材４において燃焼が行われ、熱交換器５に必要な熱量を供給する。よって、触媒体３の素材は高価であるが、その使用量を低減することができるので、燃焼装置１の製造コストを下げることができる。
【００３５】
触媒体３には温度センサ３２（第一温度検出手段）が設けてある。また、耐熱部材４には温度センサ３３（第二温度検出手段）が設けてある。温度センサ３２，３３は、各々信号線を介して制御装置３１と接続されている。よって、温度センサ３２，３３によって検出された温度情報は、信号線を介して制御装置３１へ伝送可能になっている。図示していないが、送風機２も制御装置３１と信号線で接続されており、制御装置３１によって送風量が制御されるようになっている。
【００３６】
ここで、制御装置３１は、演算手段としてＣＰＵを備えており、記憶手段としてメモリを備えている。メモリには予め触媒体３の活性化温度，触媒体３の劣化が始まる温度，ＮＯｘが生じ易くなる燃焼温度，送風機２の送風量及び燃料ガス１７，１８の供給量（調整弁９，１０の開度）と空気過剰率の相関関係（マップ）等が記憶されている。また、メモリには一時記憶領域が設けてあり、温度センサ３２，３３で検出された温度情報を、この一時記憶領域に記憶することができる。
【００３７】
ＣＰＵは、メモリに一時記憶された検出温度と、メモリに予め記憶されている値とを比較し、所定の演算を行う。すなわち、例えば、温度センサ３２が検出した触媒体３の温度情報と、触媒体３の活性化温度とを比較し、検出温度が活性化温度に達しているか否かを判定する。仮に、検出温度が活性化温度に達していなければ、触媒体３の加熱を続行し、達していれば空気過剰率が大となるように調整弁９の開度を絞るか、又は送風機２による空気流１６の送風量を増加させる。
【００３８】
次に、燃焼装置１における燃焼ガスの生成の過程を説明する。
給湯装置２１の給湯スイッチ（図示せず）がＯＮになると、制御装置３１によって仕切弁１１が開となり、さらに調整弁９の開度が調整される。調整弁９の開度は、制御装置３１によって当初は大きく（例えば全開状態）設定され、燃料ガス１７は、送風機２によって供給される空気流１６（空気）と混合し、着火装置３０によって着火され、噴射口２７ａにおいて比較的空気過剰率が小さい状態で火炎を生じさせる。
【００３９】
燃焼開始当初の触媒体３の温度は低く、触媒体３が活性化する温度（３００℃〜５００℃程度）に達するまで、触媒体３は噴射口２７ａに生成された火炎によって加熱される。燃焼装置１の触媒体３は、従来の一般的な燃焼装置に設けられている触媒よりも少量である（又は小さい）ので温度上昇し易く、早期に活性化温度に到達する。触媒体３に設けた温度センサ３２によって検出された温度が、触媒体３が活性化する温度に達したら、制御装置３１は、調整弁９の開度を絞り、供給する燃料ガス１７の量を少なくし、噴射口２７ａに形成された火炎を失火させ、触媒体３の上流側に空気過剰率の大きい混合気が供給される。または、送風機２による送風量を増加させて空気過剰率を大きくしてもよい。
【００４０】
上述のように制御装置３１によって触媒体３の上流側の空気過剰率が希薄状態に設定されると、活性化した触媒体３では極めて良好に燃焼が行われる。触媒体３によって希薄燃焼した燃焼ガス（未燃の燃料ガスや燃焼に寄与しなかった空気を含む）は、触媒体３の下流側へ移動する。
【００４１】
制御装置３１は、予め燃料ガス供給管８の調整弁１０と仕切弁１２とを操作し、さらに着火装置２９を動作させて、バーナ部２８の噴射口２８ａに火炎を生成させ、耐熱部材４を加熱し、耐熱部材４の温度を例えば５００℃以上に上昇させておく。
【００４２】
そして、耐熱部材４内で、例えば９００℃〜１３００℃の温度領域で燃焼が行われるように、制御装置３１は、バーナ部２８の噴射口２８ａから燃料ガス（混合気）を供給し、これを触媒体３を通過した燃焼ガス（未燃の燃料ガスと燃焼に寄与しなかった空気を含む）と混合させて耐熱部材４へ供給する。
【００４３】
ＮＯｘは、１３００℃を超えると多量に発生するが、耐熱部材４内における燃焼温度を９００℃〜１３００℃程度に調整することにより、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。そして、耐熱部材４内で生成されたＮＯｘの含有量が極めて少ない燃焼ガスは、熱交換器５へ供給され、水管６内の水を加熱する。熱交換器５で水を加熱した燃焼ガスは、下流側の排気部１４より外部へ排出される。
【００４４】
以上の動作を、図２を参照しながら説明する。
図２は、本発明を実施した燃焼装置１の作動流れ図である。
給湯装置２１の図示しない給湯スイッチがユーザによってＯＮにされると、燃焼装置１の燃焼が開始される。燃焼開始当初は、触媒体３及び耐熱部材４は低温であることが多い。仮に、前回燃焼時の余熱が残っている場合には、温度センサ３０によって検出される触媒体３の温度は、既に活性化温度であることもあり得るが、前回燃焼時から相当な時間が経過している場合には、触媒体３は低温（例えば常温）状態なので、バーナ部２７に火炎を生じさせて触媒体３を加熱する。耐熱部材４は、必ずしも予め加熱しておく必要はないが、予め加熱して昇温させておくと、燃焼温度が短時間で上昇し易くなり、速やかな給湯が可能になる。よって、触媒体３を加熱している間の時間を利用して、耐熱部材４も同時に加熱するのが好ましい。
【００４５】
制御装置３１は、触媒体３の温度が活性化する温度に達したと判定すると、燃料ガス供給管７の調整弁９の開度を絞って燃料ガス１７の供給量を減少させるか、送風機２の出力を上げて空気流１６を増やす。その結果、バーナ部２７から噴射される火炎は、可燃範囲を超えて希薄となって失火し、触媒体３には希薄な混合気が供給される。
【００４６】
触媒体３では、希薄な混合気が燃焼する。燃焼温度は３００℃〜９００℃程度であり、９００℃を超えると触媒体３が劣化する。また、３００℃を下回ると、触媒体３が不活性になるため、制御装置３１は、温度センサ３２によって検出された温度が、３００℃〜９００℃の範囲内でなければ、この範囲内に入るように燃料ガス１７の供給量や送風機２による空気流１６の供給量を操作し、触媒体３の上流側の空気過剰率を調整する。
【００４７】
また、制御装置３１は、耐熱部材４において９００℃〜１３００℃の範囲内の温度で燃焼が行われるように、触媒体３の下流側の空気過剰率を調整する。すなわち、燃料ガス供給管８の調整弁１０の開度を調整して燃料ガス１８の供給量を調整したり、送風機２による空気流１６の供給量を調整する。なお、図示していないが、バーナ部２８の内部２８ｂに供給される空気流１６の量は、ダンパによって調整できるようになっている。このダンパの開度は、制御装置３１で制御することができるようになっている。
【００４８】
制御装置３１は、温度センサ３３によって検出される温度によって、耐熱部材４が９００℃〜１３００℃の範囲内であるか否かを判定する。仮に、耐熱部材４における燃焼温度が９００℃以下であれば、熱交換器５へ十分な熱量を供給しにくくなり、逆に１３００℃を超えると、燃焼ガス中に多量のＮＯｘが生じてしまう。
【００４９】
よって、制御装置３１は、耐熱部材４における燃焼温度を上記範囲内に収まるように触媒体３の下流側（耐熱部材４の上流側）の空気過剰率を制御する。このように制御された燃焼装置１では、給湯スイッチがＯＮにされてから、速やかに給湯することができ、さらに、燃焼ガス中にほとんどＮＯｘを生じさせない。
【００５０】
次に制御装置３１は、図示しない給湯スイッチがＯＦＦ（給湯終了）を検出すると、燃料ガス供給管７の仕切弁１１と燃料ガス供給管８の仕切弁１２を全閉にして燃料ガスの供給を停止し、触媒体３及び耐熱部材４における燃焼を終了させる。
【００５１】
給湯スイッチがＯＦＦにされなければ、さらに触媒体３と耐熱部材４の温度を監視し、各々適切な上記温度範囲内で燃焼が行われるように、触媒体３の上流側及び下流側の空気過剰率を調整する。
【００５２】
本発明を実施した燃焼装置１は、瞬間式給湯装置に適用することができるが、温水暖房機の熱源として使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明を実施した燃焼装置の概略図である。
【図２】本発明を実施した燃焼装置の作動流れ図である。
【図３】従来の触媒を備えた一般的な燃焼装置の概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
１    燃焼装置
２    送風機
３    触媒体（触媒燃焼部）
４    耐熱部材（二次燃焼部）
５    熱交換器（熱交換部）
７    燃料ガス供給管
８    燃料ガス供給管（燃料供給手段）
１９  燃料供給部
２０  燃焼部
２７  バーナ部（触媒体の加熱手段）
２８  バーナ部（二次燃焼部を加熱可能なバーナ）
３１  制御装置
３２  第一温度検出手段
３３  第二温度検出手段
【図１】
2008002785.tif 000003
【図２】
2008002785.tif 000004
【図３】
2008002785.tif 000005