(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に、可燃ガスと支燃ガスを含む燃料ガスが流れる燃料ガス流路と被加熱流体が流れる被加熱流体流路とを接触させて設け、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けた触媒付熱交換器を備えており、上記燃料ガスの酸化反応熱により液体の上記被加熱流体を高温ガスにまで加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する出口温度検出手段を設け、これにより検出される上記被加熱流体の出口温度の変化に基づいて上記可燃ガスと上記支燃ガスおよび上記被加熱流体の流量を制御する流量制御手段を設けて、定常運転状態からステップ状に出力を増加させる場合に、上記支燃ガスの流量を規定値まで増加させた後に、上記被加熱流体の流量を規定値に増加させるとともに上記可燃ガスの流量を規定値より低い所定値まで増加させ、しかる後に、上記可燃ガスの流量を規定値まで増加させる制御を行うことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項２】
上記被加熱流体の進行方向と上記燃料ガスの進行方向が逆方向である請求項１記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項３】
上記流量制御手段が、上記支燃ガスの流量を規定値まで増加させた後、上記被加熱流体の出口温度が低下した後上昇に転じたところで、上記被加熱流体の流量を規定値に増加させるとともに上記可燃ガスの流量を規定値より低い所定値に増加させ、次いで上記被加熱流体の出口温度が低下し始めたら、上記可燃ガスの流量を規定値まで増加させる制御を行う請求項２記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項４】
容器内に、可燃ガスと支燃ガスを含む燃料ガスが流れる燃料ガス流路と被加熱流体が流れる被加熱流体流路とを接触させて設け、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けた触媒付熱交換器を備えており、上記燃料ガスの酸化反応熱により液体の上記被加熱流体を高温ガスにまで加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する出口温度検出手段と、上記被加熱流体流路の各部位における上記酸化触媒層の温度を検出する触媒温度検出手段を設け、上記出口温度検出手段により検出される上記被加熱流体の出口温度を規定値に保つように、上記触媒温度検出手段により検出される上記酸化触媒層の温度に基づいて上記支燃ガスの流量を制御する流量制御手段を設けて、定常運転状態で上記被加熱流体の出口温度が規定値より低い場合に、上記被加熱流体流路の入口近傍の上記酸化触媒層の温度が所定値より低い時には上記支燃ガスの流量を増大し、上記被加熱流体流路の出口近傍の上記酸化触媒層の温度が所定値より低い時には上記支燃ガスの流量を低減させる制御を行うことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項５】
上記被加熱流体の進行方向と上記燃料ガスの進行方向が逆方向である請求項４記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項６】
上記触媒付熱交換器が、上記燃料ガス流路内に内部を被加熱流体が流れる多数のチューブを配設してこれらチューブを互いに連結することにより上記被加熱流体流路を形成してなり、上記チューブの外周に接合したフィンの表面に酸化触媒を担持させて上記酸化触媒層となした請求項１ないし５のいずれか記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項７】
上記触媒付熱交換器が、多数の仕切板を平行配設して隣接する２枚の仕切板間に上記燃料ガス流路と上記被加熱流体流路を交互に形成してなり、上記仕切板に接して設けたフィンの表面に酸化触媒を担持させて上記酸化触媒層となした請求項１ないし５のいずれか記載の触媒燃焼加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体や気体の被加熱流体を触媒付熱交換器内に導入し、燃料ガスの触媒による酸化反応熱を利用して加熱する触媒燃焼加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可燃ガス（燃料ガス）を酸化触媒を用いて燃焼させ、発生する熱を利用して被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置は既に知られており、家庭用や自動車用の熱源等、種々の用途への利用が検討されている。触媒燃焼加熱装置の触媒付熱交換器は、一般に、燃料ガス流路中に被加熱流体が流れるチューブを配設し、その外周に多数のフィンを一体的に接合してなる。フィン表面には、例えば白金やパラジウム等のような酸化触媒が担持してあり、可燃ガスと接触することによって酸化反応を起こす。そして、その際に発生する酸化反応熱が、フィンからチューブ内に伝えられて、チューブ内を流通する被加熱流体を加熱するようになしてある。
【０００３】
可燃ガスは、通常、これを酸化させるための支燃ガス（通常、空気）とともに、燃料ガスとして触媒付熱交換器内に供給される。この時、従来の触媒燃焼加熱装置では、未反応で比較的低温の可燃ガスと、酸化反応熱によって温度が上昇した触媒担持フィンができるだけ熱交換しないように、支燃ガスの供給量を決定している。また、特に、液体の被加熱流体を高温のガスにまで加熱する場合には、被加熱流体の相状態によって必要な熱量が異なるため、チューブ各部位で触媒担持フィンの数や大きさを変えて触媒反応面積を変更したり、あるいは可燃ガスの供給量を変化させることによって、熱交換効率を高めている。この時、被加熱流体の流れ方向と燃料ガスの流れ方向を対向させると、排出される燃焼排気ガスの熱を比較的低温の被加熱流体の流れるチューブと接触させることができ、熱交換効率を高める効果が高い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、定常運転の状態から出力をステップ状に増加させる時には、チューブ内の被加熱流体の相状態が急激に変化する。このため、例えば、既存のバーナー方式の加熱装置のように、可燃ガスと支燃ガスおよび被加熱流体の流量を単純に増加させると、触媒の過昇温を招き、燃料ガスの気相燃焼を引き起こして、触媒に悪影響をもたらすおそれがあった。
【０００５】
また、定常運転時、何らかの原因で被加熱流体の出口温度が所定の値よりも低くなった時には、従来の触媒燃焼加熱装置の一般的な制御では、支燃ガスの流量を低減して酸化反応熱が支燃ガスに持ち去られないようにするか、もしくは可燃ガスの供給量を増加させて発生する酸化反応熱を増大させるようにしていた。しかしながら、被加熱流体の入口付近の温度が所定の値よりも低い場合には、入口付近の触媒温度がさらに低くなって所定の性能が得られなかったり、逆に、被加熱流体の出口付近の触媒温度が高温となりすぎるおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みなされたもので、定常運転状態から出力をステップ状に増加させる際に、酸化触媒の過昇温を防止しつつ速やかに出力を規定値まで増加させることができ、さらに、各部位における触媒温度を適正に制御して被加熱流体の出口温度を規定値に保持することのできる、安全で熱交換効率の高い触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置を得ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の触媒燃焼加熱装置は、容器内に、可燃ガスと支燃ガスを含む燃料ガスが流れる燃料ガス流路と被加熱流体が流れる被加熱流体流路とを接触させて設け、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けた触媒付熱交換器を備えており、上記燃料ガスの酸化反応熱により液体の上記被加熱流体を高温ガスにまで加熱するようになしてある。そして、上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する出口温度検出手段を設け、これにより検出される上記被加熱流体の出口温度の変化に基づいて上記可燃ガスと上記支燃ガスおよび上記被加熱流体の流量を制御する流量制御手段を設けて、定常運転状態からステップ状に出力を増加させる場合に、上記支燃ガスの流量を規定値まで増加させた後に、上記被加熱流体の流量を規定値に増加させるとともに上記可燃ガスの流量を規定値より低い所定値まで増加させ、しかる後に、上記可燃ガスの流量を規定値まで増加させる制御を行うものである。
【０００８】
定常運転状態で出力を増加させる場合、上記燃料ガスおよび上記被加熱流体の供給量を同時に変化させると、触媒の過昇温を招きやすい。これは、上記被加熱流体の出口温度の応答性が、各流体でそれぞれ異なること、また、出力を増加させる時には、一時的に上記被加熱流体流路内の被加熱流体の相状態が乱れて、触媒が高温になりやすいことなどによるものである。そこで、本発明では、上記出口温度検出手段によって上記被加熱流体の出口温度を検出し、この出口温度の変化に基づいて各流体の流量を個々に制御する。
ここで、上記被加熱流体の出口温度の応答性は、上記被加熱流体の流量変化に対しては若干のタイムラグが生じる一方で、上記可燃ガスの流量変化に対しては非常に速い応答を示す。従って、まず、上記支燃ガスの流量を規定値まで増加させて、下流側の触媒温度が低温になりすぎないようにした後、上記被加熱流体と上記可燃ガスの流量を増加させる。この時、上記可燃ガスの流量を規定値より低い値とするので、触媒が過度に温度上昇するのを防止できる。その後、上記可燃ガスを規定値まで増大させると、酸化反応が促進されて、速やかに出力を増加させることができる。
これにより、触媒の過昇温を防止しつつ、速やかに出力を上昇させることができ、安全で、熱交換効率の高い触媒燃焼加熱装置を実現できる。
【０００９】
請求項２の構成では、上記被加熱流体の進行方向と上記燃料ガスの進行方向とを逆方向とする。
【００１０】
上記被加熱流体と上記燃料ガスの進行方向を逆向きにすると、燃焼排気ガスの熱を効果的に利用でき、熱交換効率を向上することができるが、上記被加熱流体の出口近傍に高濃度の燃料ガスが供給されるため、触媒が高温となりやすい。よって、このような構成に本発明の流量制御手段による制御を適用すると、触媒が過度に温度上昇するのを防止しながら、速やかに出力を増加させることができるので効果的である。
【００１１】
請求項３の構成では、上記流量制御手段により、上記支燃ガスの流量を規定値まで増加させた後、上記被加熱流体の出口温度が低下した後上昇に転じたところで、上記被加熱流体の流量を規定値に増加させるとともに上記可燃ガスの流量を規定値より低い所定値に増加させる。次いで上記被加熱流体の出口温度が低下し始めたら、上記可燃ガスの流量を規定値まで増加させる制御を行う。
【００１２】
上記支燃ガスの流量を規定値まで増加させると、発生する酸化反応熱の一部が下流側へ運ばれ、上記被加熱流体の出口温度が一旦低下する。その後、下流側の上記被加熱流体の温度上昇により、上記被加熱流体の出口温度が上昇に転じたら、上記被加熱流体と上記可燃ガスの流量を増加させる。この時、上記可燃ガスの流量が規定値に満たないので、一定時間の後、上記被加熱流体の出口温度は再度低下する。そこで、温度が低下し始めたところで、上記可燃ガスを規定値まで増大させれば、触媒を過昇温させることなく速やかに出力を増大できる。
【００１３】
請求項４の発明では、上記触媒付熱交換器を備える触媒燃焼加熱装置において、上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する出口温度検出手段と、上記被加熱流体流路の各部位における上記酸化触媒層の温度を検出する触媒温度検出手段を設ける。そして、上記出口温度検出手段により検出される上記被加熱流体の出口温度を規定値に保つように、上記触媒温度検出手段により検出される上記酸化触媒層の温度に基づいて、上記支燃ガスの流量を制御する流量制御手段を設けて、定常運転状態において上記被加熱流体の出口温度が規定温度より低い場合に、上記被加熱流体流路の入口近傍の上記酸化触媒層の温度が所定値より低い時には上記支燃ガスの流量を増大し、上記被加熱流体流路の出口近傍の上記酸化触媒層の温度が所定値より低い時には上記支燃ガスの流量を低減させる制御を行う。
【００１４】
定常運転時において、上記被加熱流体の出口温度が規定値よりも低くなった場合には、一般に、上記支燃ガスの流量を低減するか、上記可燃ガスの流量を増加させるが、部分的に触媒温度が低くなったり、逆に高くなりすぎて所定の性能が得られないことがある。そこで、本発明では、上記被加熱流体流路の各部位における上記酸化触媒層の温度をそれぞれ検出し、これに応じて上記支燃ガスの流量を制御する。すなわち、被加熱流体流路の入口近傍の触媒温度が低い時には上記支燃ガスの流量を増加させることで、燃焼ガスを媒体として酸化反応熱を下流側に供給し、また、出口近傍の触媒温度が低い時には上記支燃ガスの流量を低減させることで、酸化反応熱が下流側に持ち去られないようにして、各部位の触媒温度を適正に保ち、上記被加熱流体の出口温度を容易に規定値に保持することができる。よって、安全で、熱交換効率の高い触媒燃焼加熱装置を実現できる。
【００１５】
請求項５の構成では、請求項４の構成における上記被加熱流体の進行方向と上記燃料ガスの進行方向を逆方向とする。
【００１６】
上記被加熱流体の進行方向と上記燃料ガスの進行方向とが逆向きとなる構成において、液体の被加熱流体を高温のガスにまで加熱する場合、上記燃料ガス流路の下流側、つまり、液昇温部となる上記被加熱流体流路の入口付近で熱量が不足すると、本来被加熱流体が沸騰状態であるべき液沸騰部に液体が流入して上記被加熱流体流路内への伝熱抵抗が急激に悪化する。従って、入口付近の上記酸化触媒層の温度が所定値よりも低い場合には、上記支燃ガスの流量を増大させて、上流側で発生した酸化反応熱を下流側へ供給することで、上記被加熱流体流路の入口近傍の触媒温度を上昇させることができる。一方、上記支燃ガスの流量が多すぎると、上流側の触媒温度が低温になりすぎるとともに、下流側の触媒温度が高くなりすぎて、液沸騰部で被加熱流体が完全にガス化して上記被加熱流体流路内への伝熱抵抗が急激に増加することになる。そこで、出口付近の上記酸化触媒層の温度が所定値よりも低い場合には、上記支燃ガスの流量を低減させて、酸化反応熱が下流側へ持ち去られるのを防止し、上流側の触媒温度を上昇させると同時に、下流側の触媒温度を低下させる。このように、発生する酸化反応熱を効果的に用いて、上記被加熱流体の出口温度を上昇させることができる。
【００１７】
請求項６の構成において、上記触媒付熱交換器は、上記燃料ガス流路内に内部を被加熱流体が流れる多数のチューブを配設してこれらチューブを互いに連結することにより上記被加熱流体流路を形成してなり、上記チューブの外周に接合したフィンの表面に酸化触媒を担持させて上記酸化触媒層とする。具体的には、チューブ・フィン型の触媒付熱交換器を用い、上記チューブに設けたフィンに酸化触媒を担持させて上記酸化触媒層を形成することができ、触媒の反応面積等の調整が容易にできる。
【００１８】
請求項７の構成では、上記触媒付熱交換器は、多数の仕切板を平行配設して隣接する２枚の仕切板間に上記燃料ガス流路と上記被加熱流体流路を交互に形成してなり、上記仕切板に接して設けたフィンの表面に酸化触媒を担持させて上記酸化触媒層とする。具体的には、積層型の触媒付熱交換器を用い、上記仕切板に接触させたフィンに酸化触媒を担持させて上記酸化触媒層を形成することができ、触媒の反応面積等の調整が容易にできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の第１の実施の形態を説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、触媒燃焼加熱装置の触媒付熱交換器の断面図で、両端開口の筒状の容器１は、その内部を燃料ガス流路１１となしており、図の左端部に設けた支燃ガス供給口１２より右端部に設けた排気口１３へ向けて燃料ガスが流れるようになしてある。燃料ガスは可燃ガスと支燃ガスの混合気からなり、支燃ガスは上記支燃ガス供給口１２から、可燃ガスは容器１の側面に開口する多数の可燃ガス供給口５１から、燃料ガス流路１１内に導入され、混合しつつ図の右方へ流れる。可燃ガスとしては、例えば、水素、メタノール等が、支燃ガスとしては、例えば、空気等が使用される。
【００２０】
燃料ガス流路１１内には、内部を被加熱流体流路とする多数のチューブ２が、燃料ガスの流れ方向に層状に並列配置されている（図１（ｂ））。これらチューブ２は、燃料ガスの流れと直交する方向（図１（ａ）の上下方向）に延び、各チューブ２の外周には、リング状の多数のフィン２１がロー付け等の方法で一体に接合されている。多数のフィン２１の表面には、アルミナ等の多孔質体を担体として白金、パラジウム等の酸化触媒が担持され、酸化触媒層を形成している。
【００２１】
本実施の形態では、燃料ガス流路１１内に３層のチューブ層２Ａ〜２Ｃが形成してあり、最上流のチューブ層２Ａを構成するチューブ２は、その両端部に設けた流体溜３１、３２によって結合されている（図１（ａ））。同様に、中間のチューブ層２Ｂを流体溜３２、３３に、最下流のチューブ層２Ｃを流体溜３３、３４に連結し、流体溜３４に被加熱流体の導入管４１を、流体溜３１に導出管４２を連結することで、図に矢印で示すように、燃料ガス流路１１内をジグザクに、下流側より上流側へ向かう被加熱流体流路が形成される。この被加熱流体流路の出口となる上記導出管４２内には、出口温度検出手段たる出口温度検出装置７が配設され、これにより検出される被加熱流体の出口温度が流量制御手段たる流量制御装置６に入力されるようになしてある。被加熱流体としては、例えば水が使用される。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、容器１の側部には、可燃ガスの供給部５が形成されている。可燃ガスの供給部５は、容器１の側面を貫通する多数の上記可燃ガス供給口５１を通じて、上記チューブ層２Ａ〜２Ｃに可燃ガスを分配供給するもので、各チューブ層２Ａ〜２Ｃの上流側にそれぞれ所定数形成されている。（図１（ａ））。上記可燃ガス供給口５１の数および大きさは、チューブ内への伝熱抵抗や、各チューブ層２Ａ〜２Ｃに必要な熱量に応じて適宜決定される。ここでは、チューブ層２Ｃにて被加熱流体を沸点まで昇温し、チューブ層２Ｂにて被加熱流体をガス化した後、さらにチューブ層２Ｃで所定温度の高温ガスとなるようにする。具体的には、被加熱流体は、沸騰状態である時に熱伝達率が高く、また液体から気体になるために多くの熱量を必要とするため、被加熱流体が沸騰状態であるチューブ層２Ｂの上流側に、他の層よりも多くの可燃ガス供給口５１を形成している。
【００２３】
なお、上記チューブ２外周の上記フィン２１の取付間隔は、被加熱流体が沸騰状態で必要な熱量が大きいチューブ層２Ｂにおいて、他の層よりも小さくなっており（図１（ａ））、発熱面積が大きくなるようにしている。また、高温の被加熱流体が流れる最上流のチューブ層２Ａで、上記チューブ２の径を小さくし、フィン２１やチューブ２の過熱を防止している。
【００２４】
上記可燃ガスの供給部５には、左端部に可燃ガス供給装置５２が接続してあり、その流量は、上記被加熱流体温度検出装置７の検出結果を基に上記流量制御装置６によって制御される。同様に、上記流量制御装置６は、支燃ガス供給装置１４から支燃ガス供給口１２に供給される支燃ガスの流量、および被加熱流体供給装置４３から上記導入管４１に供給される被加熱流体の流量を、上記温度検出装置７で検出される被加熱流体温度に基づいて制御している。本発明では、定常運転時、特に、ステップ状に出力を増大させる際の各流体の流量制御に特徴を有するもので、以下、その制御方法について詳述する。
【００２５】
上記構成において、上記燃料ガス流路１１内には、上記支燃ガス供給口１２より支燃ガスが供給され、上記可燃ガスの供給部５より多数の可燃ガス供給口５１を介して供給される可燃ガスと混合して、上記チューブ層２Ａ〜２Ｃに供給される。そして、上記フィン２１上の触媒と酸化反応を起こし、触媒燃焼しながら、図の左方から右方へ流れて上記排気口１３へ向かう。酸化反応により発生する熱は、上記フィン２１から上記チューブ２に伝達され、その内部を流れる被加熱流体を加熱する。この時、各流体の流量は、被加熱流体流路の出口において、所定温度の被加熱流体が所定量得られるように設定され、上記流量制御装置６によって制御されている。
【００２６】
ここで、定常運転状態から出力をステップ状に増大させる場合、例えば、１／２出力から１／１出力に上昇させる場合について検討する。図２に各流体の挙動を、図３に上記流量制御装置６による流量制御のフローチャートを示す。出力を増加させるには、各流体の流量をそれぞれ増大させる必要があるが、各流体の流量変化に対する被加熱流体の出口温度の応答性に差があり、例えば、被加熱流体の流量変化に対する応答は比較的緩やかであるのに対し、可燃ガスの流量変化に対しては応答が敏感である。そこで、本発明では、各流体の流量変化のタイミングを、この応答性を考慮して個々に制御する。図３のステップ１において、出力増大要求指令が出されたら、まず、低温の被加熱流体の流量が増加する最下流のチューブ層２Ｃの触媒温度が低温になりすぎないように、ステップ２で支燃ガスの流量を規定量まで増加する（図２（ａ）点）。この時、上流側で発生した熱の一部が燃焼ガスによって下流側へ運ばれるために、上記出口温度検出装置７で検出される被加熱流体の出口温度は一時的に急落するが、液昇温部であるチューブ層２Ｂおよび液沸騰部であるチューブ層２Ｃ内への受熱量が増加するのに伴って、まもなく上昇に転じる。
【００２７】
そこで、ステップ３で被加熱流体の出口温度Ｔｒを随時検出し、ステップ４で被加熱流体の出口温度Ｔｒの上昇が確認されたら、ステップ５、６において、被加熱流体の流量を規定量まで増加させると同時に、可燃ガス量を現状値と規定値の差の半分程度増加させる（図２（ｂ）点）。例えば、１／２出力から１／１出力に上昇させる時は、３／４出力時に相当する可燃ガス量を増加すればよい。この直後、流量増によって被加熱流体の状態が不安定になるが、可燃ガスの増加量を必要量の半分としたので、フィン２１やチューブ２が過度に温度上昇することはない。そして、各チューブ層２Ａ〜２Ｃにおける被加熱流体の相状態が安定すると、被加熱流体の流量に対し可燃ガスの流量が少ないために、被加熱流体の温度が下降し始める（図２（ｃ）点）。そこで、ステップ７で被加熱流体の出口温度Ｔｒを随時検出し、ステップ８で被加熱流体の出口温度Ｔｒの低下が確認されたら、ステップ９で可燃ガス流量を規定量まで増加させる。すると、被加熱流体の温度は再度上昇し、規定値付近でほぼ安定する。
【００２８】
こうして、被加熱流体の出口温度Ｔｒに影響を与える各流体流量を、被加熱流体の出口温度に効果が現れるまでの時間差に配慮して、流量を増加させるタイミングを制御することにより、被加熱流体の相状態が安定するまでの過渡期におけるフィン２１やチューブ２の過昇温を防止しつつ、素早く出力を規定値まで増加させることが可能となる。よって、燃料ガスが気相燃焼を起こしたり、酸化触媒に悪影響を与えることを防止し、安全性と高い熱交換効率とを両立させることができる。
【００２９】
次に、図４により本発明の第２の実施の形態を説明する。ここに示す触媒燃焼加熱装置の基本的な構成は上記第１の実施の形態と同じであるが、本実施の形態では、被加熱流体の流路出口に設けられる出口温度検出装置７に加えて、各チューブ層２Ａ〜２Ｃの各層におけるフィン２１の表面温度、すなわち触媒温度をそれぞれ検出するための、触媒温度検出手段たる触媒温度検出装置７Ａ〜７Ｃを設けている。流量制御装置６は、被加熱流体の出口温度を規定値に保持するために、これら各チューブ層２Ａ〜２Ｃのフィン２１温度に基づいて支燃ガスの流量を制御する。ここで、触媒温度検出装置７Ａ〜７Ｃは必ずしもフィン２１表面に設ける必要はなく、各チューブ層２Ａ〜２Ｃにおける触媒温度を直接または間接的に知ることができるようになっていればよい。
【００３０】
本実施の形態では、定常運転時において、何らかの外的要因（気温変化に基づく支燃ガス温度の変化や被加熱流体温度の変化など）によって、被加熱流体の出口温度が規定値を下回った場合に、上記チューブ層２Ａ〜２Ｃの各層におけるフィン２１温度を基に、支燃ガスの流量を制御して、被加熱流体を所定温度まで上昇させる。例えば、被加熱流体の出口温度を上昇させるためには、支燃ガスによって下流側へ持ち去られる酸化反応熱を低減すること、つまり、支燃ガスの流量を減少することが有効な方法と考えられるが、上流側のチューブ層２Ａの温度が高くなりすぎるおそれがある。そこで、上記温度検出装置７Ａで上記チューブ層２Ａのフィン２１温度を検出し、触媒温度が限界温度より低い場合のみ、支燃ガスの流量を減少させる制御を行う。
【００３１】
これを図５に示すフローチャートで説明する。ステップ１１では、出力に応じた各流体流量を保持しており、この定常運転状態からステップ１２で上記出口温度検出装置７により被加熱流体の出口温度Ｔｒを検出し、ステップ１３で被加熱流体温度Ｔｒが規定温度以上かどうかを判断する。ステップ１３で被加熱流体の出口温度Ｔｒが規定温度を下回った場合には、これを規定温度とするために、ステップ１５以降の制御を行う。まず、ステップ１５で上記触媒温度検出装置７Ａにより被加熱流体流路の出口に近い上記チューブ層２Ａにおける触媒温度Ｔａを検出し、ステップ１７でこれが触媒温度Ｔａの限界温度（例えば可燃ガスの発火温度）を下回っているかどうかを判断する。触媒温度Ｔａが限界温度を下回っていれば、ステップ１８で支燃ガスの流量を所定量減少させた後、ステップ１２に戻る。これにより上記チューブ層２Ａにおける受熱量が増加し、被加熱流体温度が上昇する。
【００３２】
ステップ１７で触媒温度Ｔａが限界温度以上であり、支燃ガスを低減できない場合には、次に、ステップ１９で被加熱流体流路の入口に近い上記チューブ層２Ｃにおける触媒温度Ｔｃを検出し、ステップ２０で触媒温度Ｔｃが限界温度を下回っているかどうかを判断する。つまり、被加熱流体流路の出口に近い上記チューブ層２Ａにおける触媒温度Ｔａがほぼ限界値まで上昇しているのにもかかわらず、被加熱流体の出口温度Ｔｒが低い場合には、上記チューブ層２Ｃの触媒温度Ｔｃが規定温度より低く、十分活性でないために液昇温部である上記チューブ層２Ｃにおいて、被加熱流体が沸点まで上昇していない可能性がある。そこで、ステップ２０で触媒温度Ｔｃが限界温度を下回っている場合には、ステップ２１で支燃ガスの流量を増大させた後、ステップ１２に戻る。これにより、燃料ガス流路１１の上流部で発生する酸化反応熱が、流速の高い燃料ガスおよび燃焼ガスを媒体として、下流側に供給され、上記チューブ層２Ｃにおける受熱量が増加して、被加熱流体温度が上昇する。
【００３３】
ステップ２０で触媒温度Ｔｃが限界温度以上である場合には、さらにステップ２２で中間のチューブ層２Ｂにおける触媒温度Ｔｂを検出し、ステップ２３で触媒温度Ｔｂが限界温度を下回っているかどうかを判断する。触媒温度Ｔｂが限界温度を下回っている場合には、上記チューブ層２Ｂにおいて被加熱流体が完全にガス化していない可能性があるので、ステップ２４で被加熱流体の流量を低減させた後、ステップ１２に戻る。これにより、発生する酸化反応熱を有効に利用して、被加熱流体のガス化を促進して、被加熱流体の出口温度Ｔｒを上昇させることができる。
【００３４】
ステップ２３で触媒温度Ｔｂが限界温度以上である場合、つまり、上記チューブ層２Ａ〜２Ｃにおける触媒温度が全て限界値付近まで上昇しているにもかかわらず、被加熱流体の出口温度Ｔｒが規定値より低い場合には、ステップ２５で可燃ガスの流量を低減し、ステップ１５以降を繰り返す。また、ステップ１３で被加熱流体の出口温度Ｔｒが規定温度以上である場合には、ステップ１４でさらに被加熱流体の出口温度Ｔｒが規定温度を越えているかどうかを判断し、規定温度を越えていれば、ステップ１６で、従来のように被加熱流体の流量を増加するかもしくは可燃ガス流量を低減する制御を行う。被加熱流体の出口温度Ｔｒが規定温度を越えていなければステップ１１に戻る。
【００３５】
被加熱流体の温度を上昇させる場合、従来は、支燃ガスの流量を低減する方法が一般的であったが、このようにすると、例えば、燃料ガス流路の上流側に位置する上記チューブ層２Ａにおいて過昇温を招いたり、下流側の上記チューブ層２Ｃにおける触媒温度が活性温度以下となって排気エミッションに悪影響を与えるおそれがある。これに対し、本発明のように、各チューブ層２Ａ〜２Ｃの触媒温度を基に、各流体の流量を適切に制御することで、上記不具合を防止しつつ、被加熱流体の出口温度を規定値に保持することができる。よって、安全性に優れ、しかも高い熱交換効率を実現することができる。
【００３６】
図６、７に本発明の第３の実施の形態を示す。本実施の形態では、触媒燃焼加熱装置の触媒付熱交換器が積層型の基本構成を有している点で、上記第１および第２の実施の形態と異なっている。図６（ａ）、（ｂ）において、矩形断面の容器１内は、隔壁１５によって、熱交換部とその上下の流体溜３５、３６に区画されている。熱交換部は、図６（ｂ）の左右方向に平行配設された多数の仕切板６１を有し、隣接する２枚の仕切板６１間に燃料ガス流路１１と被加熱流体流路２２とを交互に形成してなる。
【００３７】
各燃料ガス流路１１は、図６（ａ）のように、その内部に仕切用のスペーサ１６、１７を配設することにより、上下方向に３分割されている（１１Ａ〜１１Ｃ）。そして、図の上方から下方へ向けてジグザクに燃料ガスが流れるように、上流部１１Ａの左端部に支燃ガス供給口１２を、下流部１１Ｃの右端部に排気口１３を配設し、中間部１１Ｂの右端部と上流部１１Ａを、左端部と下流部１１Ｃをそれぞれ流路７１、７２で連結してある。
【００３８】
各燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃには、矩形断面の波板状のフィン７３が挿通配設してある。フィン７３は、流路壁となる２枚の仕切板６１間に挟持されており（図６（ｂ））、中間部１１Ｂ、下流部１１Ｃ内をさらに多数の流路に区画している（図６（ａ））。これらフィン７３および仕切板６１の表面には、アルミナ等の多孔質体を担体として白金、パラジウム等の酸化触媒を担持した酸化触媒層が形成してある。
【００３９】
一方、図６（ｂ）のように、各被加熱流体流路２２の上下端は、隔壁１５を貫通してそれぞれ流体溜３５、３６に連通している。そして、図６（ａ）のように、下方の流体溜３６に被加熱流体の導入管４１を、上方の流体溜３５に導出管４２を連結することで、図の下方から上方へ、すなわち燃料ガス流路１１の下流側より上流側へ向けて被加熱流体が流れるようになしてある。本実施の形態では、被加熱流体流路２２内を、燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃに対応する３つの層２２Ａ〜２２Ｃに分けており、例えば、燃料ガス流路１１の下流部１１Ｃに対応する第３層２２Ｃで被加熱流体が液体状態、中間部１１Ｂに対応する第２層２２Ｂで沸騰状態、上流部１１Ａに対応する第１層２２Ａでガス状態となるように流量、発熱量等が制御される。
【００４０】
なお、燃料ガス流路１１の中間部１１Ｂにおいて、フィン７３を構成する波板の対向面間の間隔は、上流部１１Ａ、下流部１１Ｃよりも小さくしてある。これにより、被加熱流体が沸騰状態である第２層２２Ｂに対応する発熱面積を大きくすることができる。また、フィン７３を矩形断面形状としたことで仕切板６１との接触面積が大きくなり、伝熱性能が向上する。
【００４１】
図７（ａ）、（ｂ）のように、各被加熱流体流路２２内も、矩形断面の波板状のフィン２３が挿通配設されて、さらに多数の流路に区画されている。この時、被加熱流体流路２２のフィン２３と燃料ガス流路１１のフィン７３とは、流路方向が互いに直交するように配され、平板状の仕切板６１を挟んで、これらフィン２３とフィン７３とを交互に積層することで熱交換部が構成される。
【００４２】
図６（ｂ）、図７（ａ）に示すように、容器１の側部には、多数の可燃ガス供給口５１を有する可燃ガスの供給部５が設けられている。これら可燃ガス供給口５１は、図７（ａ）のように、燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃの上流側に可燃ガスを分配供給するもので、支燃ガス供給口１２、流路７１および流路７２に連通させて、それぞれ所定数形成してある。各部１１Ａ〜１１Ｃに形成する可燃ガス供給口５１の数は、それぞれ対応する被加熱流体の状態に応じて必要な量の可燃ガスが供給されるように適宜決定される。被加熱流体は、沸騰状態である時に熱伝達率が高く、また液体から気体になるために多くの熱量を必要とすることから、ここでは、被加熱流体が沸騰状態である第２層２２Ｂの上流である流路７１に、より多くの可燃ガス供給口５１を形成する。
【００４３】
可燃ガスの供給部５の一端側（図７（ｂ）の上端側）に設けた可燃ガス導入管５３には、可燃ガス供給装置５２が接続してあり、その流量は、被加熱流体流路の出口となる上記導出管４２内に設けた出口温度検出装置７の検出結果を基に、流量制御装置６によって制御される。同様に、上記流量制御装置６は、支燃ガス供給装置１４から支燃ガス供給口１２に供給される支燃ガスの流量、および被加熱流体供給装置４３から上記導入管４１に供給される被加熱流体の流量を、上記温度検出装置７で検出される被加熱流体温度に基づいて制御している。
【００４４】
この流量制御装置６による支燃ガス、被加熱流体および可燃ガス流量の制御方法は、上記第１の実施の形態と同様であり、定常運転時、特に、ステップ状に出力を増大させる際の、各流体の流量を、被加熱流体の出口温度に効果が現れるまでの時間差に配慮して、流量を増加させるタイミングを制御する。これにより、被加熱流体の相状態が安定するまでの過渡期におけるフィン７３や流路壁となる仕切板６１の過昇温を防止しつつ、素早く出力を規定値まで増加させることが可能となる。よって、燃料ガスが気相燃焼を起こしたり、酸化触媒に悪影響を与えることを防止し、安全性と高い熱交換効率とを両立させることができる。
【００４５】
また、上記積層型の触媒付熱交換器は、体積当たりの比表面積を大きくできるので、小型化が容易である。さらに、積層型の触媒付熱交換器は、プレス成形した各構成部材を積層して一体ロー付けすることにより容易に製作できるため、コストの低減が可能である。
【００４６】
図８に本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態において、触媒燃焼加熱装置の基本的な構成は上記第３の実施の形態と同じであり、上記出口温度検出装置７に加えて、上記第２の実施の形態と同様に、燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃにおけるフィン７３の表面温度、すなわち触媒温度をそれぞれ検出するための触媒温度検出装置７Ａ〜７Ｃを設けている。流量制御装置６は、被加熱流体の出口温度を規定値に保持するために、これら各部１１Ａ〜１１Ｃのフィン７３温度に基づいて支燃ガスの流量を制御する。ここで、触媒温度検出装置７Ａ〜７Ｃは必ずしもフィン７３表面に設ける必要はなく、各部１１Ａ〜１１Ｃにおける触媒温度を直接または間接的に知ることができるようになっていればよい。
【００４７】
本実施の形態において、上記流量制御装置６による支燃ガス、被加熱流体および可燃ガス流量の制御方法は、上記第２の実施の形態と同様である。そして、各部１１Ａ〜１１Ｃの触媒温度を基に、各流体の流量を適切に制御することで、燃料ガス流路の上流部１１Ａにおいて過昇温を招いたり、下流部１１Ｃにおける触媒温度が活性温度以下となって排気エミッションに悪影響を与えるといった不具合を防止しつつ、被加熱流体の出口温度を規定値に保持することができる。よって、安全性に優れ、しかも高い熱交換効率を実現することができる。また、触媒付熱交換器を積層型とすることで、小型化、コストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、図１（ａ）は触媒燃焼加熱装置の全体構成を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。
【図２】第１の実施の形態における各流体の流量変化を示す図である。
【図３】第１の実施の形態における流量制御のフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示し、図４（ａ）は触媒燃焼加熱装置の全体構成を示す断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図である。
【図５】第２の実施の形態における流量制御のフローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示し、図６（ａ）は触媒燃焼加熱装置の全体構成を示す図で、図６（ｂ）のＶＩａ−ＶＩａ線断面図、図６（ｂ）は触媒燃焼加熱装置の主要部断面図である。
【図７】図７（ａ）は図６（ａ）のＶＩＩａ−ＶＩＩａ線断面図、図７（ｂ）は図６（ｂ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態を示し、図８（ａ）は触媒燃焼加熱装置の全体構成を示す図で、図８（ｂ）のＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ線断面図、図８（ｂ）は触媒燃焼加熱装置の主要部断面図である。
【符号の説明】
１  容器
１１  燃料ガス流路
１２  支燃ガス供給口
１３  排気口
１４  支燃ガス供給装置
２    チューブ
２１  フィン
２Ａ  チューブ層
２Ｂ  チューブ層
２Ｃ  チューブ層
３１〜３４  流体溜
４１  被加熱流体導入管
４２  被加熱流体導出管
４３  被加熱流体供給装置
５  可燃ガスの供給部
５１  可燃ガス供給口
５２  可燃ガス供給装置
６  流量制御装置（流量制御手段）
７  出口温度検出装置（出口温度検出手段）
７Ａ  触媒温度検出装置（触媒温度検出手段）
７Ｂ  触媒温度検出装置（触媒温度検出手段）
７Ｃ  触媒温度検出装置（触媒温度検出手段）
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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