(57)【要約】【課題】触媒の耐久性を確保することができ、また、触媒の使用量を低減して製造コストを抑制することができる燃焼装置を提供することと、このような燃焼装置を備えた給湯装置を提供することである。【解決手段】上流側に燃焼部２０が配置され、下流側に熱交換部５が配置された燃焼装置１において、燃焼部２０は触媒３を有する触媒燃焼部と耐熱部材４を有する耐熱部材燃焼部とを備えている。触媒３の下流側に耐熱部材４を配置し、触媒３の上流側と、触媒３と耐熱部材４の間に各々燃料供給手段７，８を設けた。耐熱部材４は、複数の孔を設けた板体、ハニカム状の構造体、又は粒状物の集合体で構成した。触媒３の温度が、触媒３が活性化する温度まで上昇すると、空気過剰率を上昇させるようにした。  給湯装置２５に、以上の構成を有する燃焼装置１を備えた。【選択図】図１
2008002749.tif 000002
【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、
前記燃焼部は触媒を有する触媒燃焼部と耐熱部材を有する耐熱部材燃焼部とを備えていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部が配置されており、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々燃料供給手段が設けてあ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】
触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部が配置されており、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々空気供給手段が設けて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】
耐熱部材は、複数の孔を設けた板体、ハニカム状の構造体、又は粒状物の集合体で構成されている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】
触媒の温度が、触媒が活性化する温度まで上昇すると、空気過剰率を上昇させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のうちのいずれかの燃焼装置を備えたことを特徴とする給湯装置。
【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】
従来の一般的な燃焼装置において、燃焼時におけるＮＯｘ（窒素酸化物）の発生が問題となっている。供給される空気量が少ないと、燃焼温度が高温（１３００℃以上）になり易く、公害の要因であるＮＯｘが発生し易くなる。ＮＯｘの発生を抑制するためには、ＮＯｘが発生し易い温度以下の温度で燃料ガスを燃焼させる必要がある。
【０００３】
そこで、燃焼温度を下げるために触媒を使用し、ＮＯｘの発生を抑制する技術が開発されている。給湯器に設けられる燃焼装置においては、触媒が設けられたものは未だ実用化されたものは少ないが、ＮＯｘの発生を抑制する必要性がある点で事情は同じなので、以下では一般の燃焼装置と一緒に論じる。
【０００４】
図４（ａ）は、従来の触媒を使用した燃焼装置３０の概略図である。
図４（ａ）に示すように、燃焼装置３０は、筐体３３の内部に、上流側から順に送風機３４，触媒３５を有する燃焼部３１，及び熱交換器３２を備えている。燃焼装置３０は、上流側の燃焼部３１で発生させた高温の燃焼ガスを利用して下流側の熱交換器３２内で水を昇温させる。
【０００５】
燃焼装置３０のように、ＮＯｘの発生を抑制するために、通常では燃焼しない希薄な空気過剰率でも燃焼を可能にする触媒３５が使用された燃焼装置が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている燃焼装置では、上流側に燃焼触媒が設置され、下流側に排熱ボイラ（熱交換器）が配置されている。また、排熱ボイラで所望する蒸気が得られるように、供給される燃料ガス量と空気量とが燃焼制御部によって制御されるようになっている。
【特許文献１】特開２００５−８３６４２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで触媒（燃焼触媒）が活性を示す温度領域は限られており、低温（７００℃以下）では触媒は活性化しないため、その効果が期待できず、逆に高温（１１００℃以上）では触媒の耐久性を確保することができない。特許文献１に開示されている発明では、燃焼装置に燃焼制御部を設け、触媒が活性を示し且つ耐久性を損なわないように、供給される空気量が複雑に制御されている。このような燃焼装置であれば、触媒を保護しながら能力を発揮させることはできるが、燃焼装置自体の製造コストが高くなってしまい、実用化は困難である。
【０００７】
別の方法として、図４（ｂ）に示す別の燃焼装置４０のように、熱交換器３２に必要な熱量を供給するため、燃焼部３１に触媒部３５ａ，３５ｂを複数層に設け、これらの触媒部３５ａ，３５ｂに各々燃料供給管３６，３７で燃料を別々に供給する構成を採用することにより、各触媒部３５ａ，３５ｂの燃焼温度の上昇を抑制し、触媒を活性化させ且つ触媒の耐久性を確保することができる。しかし、このような燃焼装置４０の構造も極めて複雑であり、また、高価な触媒が多量に必要であり、燃焼装置４０の製造コストが高騰してしまい、実用的とは言えない
【０００８】
触媒を活性化状態にするためには、供給する空気量を減少させるか又は燃料ガスの供給量を増加させて燃焼温度を上げる必要がある。逆に、触媒の耐久性を確保するためには供給する空気量を増加させるか又は燃料ガスの供給量を減少させた希薄状態にする必要があり、従来の燃焼装置では、供給する空気量の制御幅は非常に狭く、実用上の障害であった。
【０００９】
そこで本発明は、触媒を利用してＮＯｘの発生を抑制する燃焼装置であって、触媒の耐久性を確保することができ、また、触媒の使用量を低減して製造コストを抑制することができる燃焼装置を提供することと、このような燃焼装置を備えた給湯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】
【００１０】
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、前記燃焼部は触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部とを備えていることを特徴とする燃焼装置である。
【００１１】
請求項１の発明では、燃焼部に触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部とを備えているので、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部で燃料を燃焼させることができる。その結果、熱交換部には必要な熱量を供給することができ、また、触媒を活性化させ且つ触媒の温度上昇を抑制して耐久性を確保することができる。さらに、耐熱部材燃焼部を設けることにより、高価な触媒の使用量を低減することができ、燃焼装置の製造コストを抑制することができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明の燃焼装置において、触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部が配置されており、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々燃料供給手段が設けてあることを特徴とする燃焼装置である。
【００１３】
請求項２の発明では、触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部を配置し、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々燃料供給手段を設けたので、触媒燃焼部の上流側で燃焼した燃焼ガスによって触媒が昇温して活性化し、触媒燃焼部ではＮＯｘが生じにくい温度領域で燃料ガスを燃焼させることができ、さらに、触媒燃焼部を出た燃焼ガスに新たに燃料ガスが供給されて耐熱部材内で燃焼させることができ、熱交換部へ必要な熱量を供給することができる。
【００１４】
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、触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部が配置されており、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々空気供給手段が設けてあることを特徴とする燃焼装置である。
【００１５】
請求項３の発明では、触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部を配置し、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々空気供給手段を設けたので、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間の空気過剰率を任意に設定することができる。
【００１６】
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、耐熱部材は、複数の孔を設けた板体、ハニカム状の構造体、又は粒状物の集合体で構成されていることを特徴とする燃焼装置である。
【００１７】
請求項４の発明では、耐熱部材を、複数の孔を設けた板体、ハニカム状の構造体、又は粒状物の集合体で構成したので、耐熱部材の構造の簡素化を図ることができ、燃焼装置を安価に製造することができる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちのいずれかの発明の燃焼装置において、触媒の温度が、触媒が活性化する温度まで上昇すると、空気過剰率を上昇させることを特徴とする燃焼装置である。
【００１９】
請求項５の発明では、触媒の温度が、触媒が活性化する温度まで上昇すると、空気過剰率を上昇させるようにしたので、活性化した触媒内では希薄状態で燃焼が行われ、ＮＯｘの発生を抑制することができる。また、触媒が高温になり過ぎず、触媒の耐久性を確保することができる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のうちのいずれかの発明の燃焼装置を備えたことを特徴とする給湯装置である。
【００２１】
請求項６の発明の給湯装置では、請求項１乃至請求項５のうちのいずれかの発明の燃焼装置を備えたので、活性化した触媒によってＮＯｘの発生を抑制することができ、また、触媒の耐久性が確保されるので長期に渡って使用することができる。さらに、請求項６の発明を実施した給湯装置は、簡素に構成することができるので安価に製造することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃焼装置では、活性化した触媒によってＮＯｘの発生しにくい温度領域で燃料を燃焼させることができ、また、触媒が高温に晒されることがなく、耐久性を確保することができる。さらに本発明の給湯装置は、簡素な構成であるので、安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下では、本発明を実施した燃焼装置１及び給湯装置２１を、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明を実施した燃焼装置１及び給湯装置２１の概略図である。
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。
【００２４】
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には水道管２２と給湯管２３とが設けてあり、水道管２２の下流側と給湯管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、水道管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、給湯管２３を介して給湯装置２１から給湯される。
【００２５】
燃焼部２０は、触媒体３（触媒燃焼部）と耐熱部材４（耐熱部材燃焼部）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。触媒体３の上流側には、ノズル７ａから燃料ガス１７を噴射する燃料供給管７が配置されている。また、触媒体３と耐熱部材４の間には、ノズル８ａから燃料ガス１８を噴射する燃料供給管８が配置されている。燃料供給管７は、途中に仕切弁１１と調整弁９とを備えており、燃料供給管８も燃料供給管７と同様に仕切弁１２と調整弁１０とを備えている。図１では、ノズル７ａ及び８ａを一つずつしか描写していないが、実際には燃料ガスと空気が一様に混合し易くなるように、燃料ガスが複数個所から噴射される。すなわち、ノズル７ａは触媒体３の上流側において複数個所に偏ることなく複数個所に配置されており、ノズル８ａも触媒体３と耐熱部材４の間の複数個所に偏ることなく複数個所に配置されている。
【００２６】
燃料供給管７と燃料供給管８は、仕切弁１１，１２よりも上流側で、単一の燃料供給管１３が分岐したものであり、燃焼装置１の近くまでは燃料供給管１３が一本だけ配管されて、燃焼装置１の周囲のレイアウトを簡素化している。
【００２７】
そして、図示しない制御機構によって、仕切弁１１，１２の開閉と、調整弁９，１０の開度調整とは個別に行うことができるようになっており、触媒体３の上流側に供給される燃料ガス１７と触媒体３の下流側に供給される燃料ガス１８の量は、任意に設定することができるようになっている。
【００２８】
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。
【００２９】
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、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。
【００３０】
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、図示しない制御機構によって仕切弁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、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（空気）と混合し、図示しない着火手段によって着火され、比較的空気過剰率が小さい状態で燃焼する。
【００３１】
燃焼の初期段階では触媒体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の上流側では燃料ガス１７は上記空気過剰率で燃焼が行われる。燃焼装置１の触媒体３は、従来の燃焼装置に設けられている触媒よりも少量（又は小さい）ので、従来よりも温度上昇し易く、早期に活性化温度に到達する。触媒体３に温度センサを設け、温度センサによって検出される温度が活性化温度に達したことを検出するのが好ましい。
【００３２】
触媒体３の温度が活性化温度に達したら、燃料ガス１７の供給量を減少させる、又は送風機２によって供給される空気流１６（空気量）を増加させ、触媒体３の上流側の空気過剰率が大きくなるように設定する。そして、触媒体３内では極めて希薄な状態で燃料ガス１７の燃焼が行われる。
【００３３】
触媒体３の下流側は、触媒体３の上流側よりも高温であるが、触媒体３を通過した燃焼ガス（未燃ガスや空気を含む）にさらに燃料ガス１８が混合され、耐熱部材４内でさらに燃焼（気相燃焼）が行われる。すなわち、図示しない制御機構によって仕切弁１２が開かれ、また、調整弁１０の開度が調整されて、熱交換器５へ供給する熱量が確保できるように燃料ガス１８の供給量が調整される。
【００３４】
ここで耐熱部材４内における燃焼温度は、例えば９００℃〜１３００℃程度に調整されており、この温度領域におけるＮＯｘの発生量は極めて少ない。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。
【００３５】
本発明を実施した燃焼装置１は、従来の一般的な燃焼装置よりも燃焼可能な空気過剰率の範囲が広い。図３は、燃焼装置で燃料ガスを燃焼させる際の、空気過剰率と入力（給湯量）の関係を示すグラフである。図３に示すように、従来の燃焼装置ではハッチングで示す領域Ａの範囲でのみ燃焼が可能であったが、本発明を実施した燃焼装置１では、領域Ａを含む領域Ｂの範囲で燃焼が可能である。
【００３６】
空気過剰率の下限界は、空気不足によって引き起こされる未燃焼によるＣＯ（一酸化炭素）発生の増加量の程度，触媒燃焼部の耐久温度，及び耐熱部材４の耐熱温度で限定され、上限界は、未燃焼（着火不能）によるＣＯ（一酸化炭素），ＨＣ（炭化水素）の排出量の増加程度により限定される。
【００３７】
触媒体３を活性化状態にするためには、供給する空気量を減少させるか又は燃料ガス１７の供給量を増加させて燃焼温度を上げる必要がある。逆に、触媒体３の耐久性を確保するためには供給する空気量を増加させるか又は燃料ガス１７の供給量を減少させた希薄状態にする必要があり、従来の燃焼装置では、供給する空気量の制御幅は図３の領域Ａで示したように非常に狭く、実用上の障害であった。しかし、本発明を実施した燃焼装置１では、空気量の制御幅が図３において領域Ｂで示される範囲となり、空気量を精密に制御する必要がない。
【００３８】
次に、本発明を実施した別の燃焼装置を、図２を参照しながら説明する。
図２は、本発明を実施した別の燃焼装置２５の概略図である。図２の燃焼装置２５において、図１の燃焼装置１と同じ構成には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００３９】
すなわち、燃焼装置２５の構成は、触媒体３と耐熱部材４の間に空気供給管２６を設けた点のみが図１の燃焼装置１の構成と異なっている。空気供給管２６から供給される空気量は、図示しない制御機構によって調整され、耐熱部材４における空気過剰率を任意に設定可能になっている。ここで耐熱部材４における空気過剰率は、空気供給管２６を介して供給される空気量と、燃料供給管８を介して供給される燃料ガス量と、触媒体３を通過した燃焼ガス（燃料ガス１７の未燃成分や燃焼に寄与しなかった空気を含む）の量によって決まる。
【００４０】
そして、この空気過剰率を設定することによって熱交換器５へ供給する必要な熱量を確保すると共に、燃焼温度がＮＯｘの生じやすい温度領域（１３００℃以上）に達しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を実施した燃焼装置及び給湯装置の概略図である。
【図２】本発明を実施した図１とは別の燃焼装置の概略図である。
【図３】燃焼装置で燃料ガスを燃焼させる際の、空気過剰率と入力（給湯量）の関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、従来の燃焼装置の概略図であり、（ｂ）は、（ａ）とは別の従来の燃焼装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    燃焼装置
２    送風機（空気供給手段）
３    触媒体（触媒燃焼部）
４    耐熱部材（耐熱部材燃焼部）
７，８  燃料供給管（燃料供給手段）
２６    空気供給管（空気供給手段）
２１    給湯装置
【図１】
2008002749.tif 000003
【図２】
2008002749.tif 000004
【図３】
2008002749.tif 000005
【図４】
2008002749.tif 000006