(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流路とを接触させて配設し、前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て、燃料ガスの酸化反応熱を前記被加熱流体流路内の被加熱流体に伝達することにより被加熱流体を加熱して前記被加熱流体流路の上流部では液体状態の被加熱流体を前記被加熱流体流路の中流部で沸騰せしめ、次いで前記被加熱流体流路の下流部でガス状態とする触媒燃焼加熱装置であって、
前記被加熱流体流路における被加熱流体の流通方向と前記燃料ガス流路における燃料ガスの流通方向とが逆方向である触媒燃焼加熱装置において、
互いに接触する前記被加熱流体流路の上流部と前記燃料ガス流路の下流部とで、燃料ガス流路下流部の方を前記被加熱流体流路の上流部よりも接触方向に幅広としたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項２】
容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流路とを接触させて配設し、前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て、燃料ガスの酸化反応熱を前記被加熱流体流路内の被加熱流体に伝達することにより被加熱流体を加熱して前記被加熱流体流路の上流部では液体状態の被加熱流体を前記被加熱流体流路の中流部で沸騰せしめ、次いで前記被加熱流体流路の下流部でガス状態とする触媒燃焼加熱装置であって、
前記被加熱流体流路における被加熱流体の流通方向と前記燃料ガス流路における燃料ガスの流通方向とが逆方向である触媒燃焼加熱装置において、
互いに接触する前記被加熱流体流路の下流部と前記燃料ガス流路の上流部とで、前記被加熱流体流路の下流部の方を燃料ガス流路上流部よりも接触方向に幅広としたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路には、前記中流部を前記燃料ガス流路との接触面の方向に並ぶ複数の小流路に区画する区画壁を設け、
前記区画壁に貫通孔を形成して相隣れる小流路間を連通せしめたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の前記中流部に被加熱流体を拡散する拡散部材を設けたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の前記上流部に流路断面積を減じる絞り部を設けたことを特徴とすることを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
加熱流体流路の前記上流部を、前記中流部よりも流路断面積を小さくしたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の前記下流部を、前記中流部よりも流路断面積を大きくしたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
複数の、若しくは区画壁により複数の小流路に区画された前記被加熱流体流路の途中に被加熱流体の流れが合流する合流部を設けたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の上流部と接触する前記燃料ガス流路の下流部には、前記酸化触媒層を非形成としたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項１０】
請求項１ないし７のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路と前記燃料ガス流路とが交互に積層する積層構造を有し、その最外層には前記燃料ガス流路を配置したことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は家庭用あるいは自動車用暖房機の熱源等に用いられる燃料ガスの触媒による酸化反応熱を利用して被加熱流体を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が知られており、様々な用途への利用が期待されている。例えば、燃料電池システムにおいて、電池本体に供給する水素を生成する改質器には、メタノール等の燃料と水とを数百度のガス化した状態で送出する必要があり、これを、触媒燃焼加熱装置により被加熱流体としての燃料と水の混合溶液を加熱することで行うことが考えられている。
【０００３】
このような触媒燃焼加熱装置は、通常、燃料ガス流路内に、内部を被加熱流体が流れるチューブを配設し、該チューブの外周に多数の触媒担持フィンを一体に接合した触媒付熱交換器を備えている。触媒担持フィンは、フィン外周面に白金やパラジウム等の酸化触媒を担持させたもので、これらフィンに燃料ガスを接触させて酸化反応が生起するようになしてある。
【０００４】
従来の触媒燃焼加熱装置の一例を図５に示す。図中、容器１００内には左右側壁間にかけ渡した複数のチューブ１０１と、その外周に接合され表面に酸化触媒を担持した多数のフィン１０２とからなる触媒付熱交換器が配設されている。複数のチューブ１０１はその左右端で連結されてその内部に一続きの被加熱流体流路を形成しており、その上端開口を被加熱流体の導入口、下端開口を被加熱流体の導出口としている。流体の被加熱流体は、前記チューブ１０１内に形成される流路を、図の上方から下方へ向けて流れ、その間に昇温、沸騰して高温のガス状態になる。
【０００５】
前記容器１００の下端部には燃料ガスの供給口１０３が、上端部には燃料ガス排出口１０４が設けてある。燃料ガスは、前記チューブ１０１の外周のフィン１０２間を図の下方から上方へ流れ、酸化触媒を担持した前記フィン１０２の表面に接触して酸化反応により燃焼する。触媒燃焼により発生する熱は、前記チューブ１０１壁を介してその内部を流れる被加熱流体に伝えられ、触媒燃焼後の排気ガスは、前記排出口１０４より容器１００外に放出される。なお、前記供給口１０３の上方には、多数の通孔を有する整流板１０５が燃料ガスの流路を横切るように配設され、さらに、その上方には前記触媒を活性化温度以上に加熱するためのヒータ１０６が配設される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記自動車用暖房機や燃料電池自動車等の用途において、特に小型で熱交換の効率のよい触媒燃焼加熱装置が求められている。図例のものでは、燃料ガスは前記容器内を図の下方から上方へ燃焼しながら流れ、一方、液体の被加熱流体は、これとは逆に、前記容器内を上方から下方へ向けて昇温しながら流れる。このように、燃料ガスの流れ方向と被加熱流体の進行方向が逆方向である場合、燃料ガス流路の下流側に被加熱流体の導入口が位置することとなる。すなわち、燃焼ガスの排出口の近傍において、被加熱流体が低温であるため、燃焼排気ガスの熱をより低温の被加熱流体に伝達して、発生する熱をより効果的に利用することが期待される。
【０００７】
しかしながら、燃焼ガスの温度が燃焼ガスの露点温度よりも低下すると、燃焼ガス中の水蒸気が凝結し、触媒表面を濡らしてしまうため、酸化反応が生起せず、熱交換能力の低下が起こることがあった。
【０００８】
また、触媒付熱交換器では、熱交換器内部の発熱量の分布を容易に制御できるため、例えば伝熱抵抗が低く必要熱量の大きい沸騰部に集中的に発熱させることが可能となり、一般的なバーナ式の加熱装置と比較すると、小型で処理能力が高い。
【０００９】
しかしながら、一般には伝熱抵抗が低いとされる沸騰部において、突沸が生じた時は、沸騰部が一時的に被加熱流体がガス状態で加熱されるガス昇温部となることから、伝熱抵抗が極端に高くなり、発熱部の温度が高くなりすぎて、触媒の性能を低下させるような温度（一般的には７００°Ｃ）を越えてしまう等の不具合が生じている。特に、伝熱面積を大きくとるべく、被加熱流体流路を、区画壁により区画された多数の小流路が接触面の方向に並ぶ構造としたものや、互いに接触する被加熱流体流路と燃料ガス流路とを交互に積層する構造としたものの場合は、各流路の断面積が小さくなっているから、突沸で流路全体が満たされやすく、前記不具合が生じやすい。
【００１０】
また、この、被加熱流体流路を多数の小流路に区画したものでは、突沸で液面が揺れ被加熱流体の液面位置が安定しなかったり、発生した気泡が膨張すると、伝熱面である流路内壁面が伝熱性の低いガス状態の被加熱流体で覆われることになって、発熱量を沸騰部に集中させても、必ずしも効率よく熱交換に供されない。
【００１１】
また、被加熱流体が伝熱性のよい液体状態である被加熱流路の上流部においても、被加熱流体の流速が遅いために被加熱流体の流れは層流とみなせ、伝熱面である被加熱流体流路の流路内壁面の近傍では被加熱流体にあまり動きがない。このため、必ずしも熱交換効率がよいとはいえない。
【００１２】
また、被加熱流体が急激にガス化して圧力が上昇する時には大きな圧力損失を伴い、その分、過剰な動力供給が必要になる。
【００１３】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、その目的は、熱交換効率の高い触媒燃焼加熱装置を提案することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流路とを接触させて配設し、前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て、燃料ガスの酸化反応熱を前記被加熱流体流路内の被加熱流体に伝達することにより被加熱流体を加熱して前記被加熱流体流路の上流部では液体状態の被加熱流体を前記被加熱流体流路の中流部で沸騰せしめ、次いで前記被加熱流体流路の下流部でガス状態とする触媒燃焼加熱装置であって、
前記被加熱流体流路における被加熱流体の流通方向と前記燃料ガス流路における燃料ガスの流通方向とが逆方向である触媒燃焼加熱装置において、
互いに接触する前記被加熱流体流路の上流部と前記燃料ガス流路の下流部とで、燃料ガス流路下流部の方を前記被加熱流体流路の上流部よりも接触方向に幅広とする。
【００１５】
被加熱流体が液体状態である被加熱流体流路の上流部の流路断面積を燃料ガス流路下流部よりも相対的に狭くして、その分、被加熱流体の流速を上げて熱伝達をよくする。また、燃料ガス流路下流部は相対的に広くなり、受熱能力がよくなる。これにより熱交換効率が向上する。装置全体の形状が同じであれば熱交換効率の高い構成となる。
【００１６】
請求項２記載の発明では、容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流路とを接触させて配設し、前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て、燃料ガスの酸化反応熱を前記被加熱流体流路内の被加熱流体に伝達することにより被加熱流体を加熱して前記被加熱流体流路の上流部では液体状態の被加熱流体を前記被加熱流体流路の中流部で沸騰せしめ、次いで前記被加熱流体流路の下流部でガス状態とする触媒燃焼加熱装置であって、
前記被加熱流体流路における被加熱流体の流通方向と前記燃料ガス流路における燃料ガスの流通方向とが逆方向である触媒燃焼加熱装置において、
互いに接触する前記被加熱流体流路の下流部と前記燃料ガス流路の上流部とで、前記被加熱流体流路の下流部の方を燃料ガス流路上流部よりも接触方向に幅広とする。
【００１７】
被加熱流体がガス状態である被加熱流体流路の下流部と接触する燃料ガス流路上流部は相対的に狭くなり、発熱を抑えてガス状態の被加熱流体に過剰な加熱が行われるのを回避する。一方、被加熱流体流路の下流部の流路断面積を燃料ガス流路上流部よりも相対的に広くして、その分、受熱効率を高める。これにより熱交換効率が向上する。装置全体の形状が同じであれば熱交換効率の高い構成となる。
【００１８】
請求項３記載の発明では、請求項１または２記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路には、前記中流部を前記燃料ガス流路との接触面の方向に並ぶ複数の小流路に区画するとともに伝熱面積を拡大する区画壁を設け、前記区画壁に貫通孔を形成して相隣れる小流路間を連通せしめる。
貫通孔により各小流路の圧力の不均一が緩和されるので、被加熱流体の液面が安定化する。これにより、熱伝達率が小流路間で均一になり、熱交換効率が向上する。
また、一部の小流路で伝熱不良が生じるのが回避されるから、酸化触媒層の温度が過昇するのを防止することができる。
また、被加熱流体の沸騰時に発生する気泡が体積膨張しても、その圧力を隣れる小流路に逃がすことができ、したがって、被加熱流体の突沸で、被加熱流体の液滴が被加熱流体流路の出口から排出されるのを防止することができる。これは、被加熱流体が燃料電池システムの改質器に送出する燃料と水の混合溶液である場合に、前記被加熱流体の液滴が改質器に浸入して改質に影響するのが防止されるという効果を奏する。
【００１９】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の前記中流部に被加熱流体を拡散する拡散部材を設ける。
被加熱流体の沸騰により発生する気泡が細かく粉砕されるので、気泡が大きく成長して、被加熱流体流路の流路内壁面すなわち燃料ガス流路と熱交換をするための伝熱面が伝熱性の悪い気体層で覆われるのを防止することができる。したがって、熱交換効率が向上する。
【００２０】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の前記上流部に流路断面積を減じる絞り部を設ける。
【００２１】
前記上流部において被加熱流体の噴出流が生じる。これにより、被加熱流体の流れに乱れができてその攪拌作用が被加熱流体流路の流路内壁面の近傍まで及び、熱交換効率が向上する。
【００２２】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の前記上流部を、前記中流部よりも流路断面積を小さくする。
【００２３】
流量が同じであれば、流路断面積を小さくした分、被加熱流体の流速が上昇し、熱伝達率が向上する。これにより熱交換効率が向上する。
【００２４】
請求項７記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の前記下流部を、前記中流部よりも流路断面積を大きくする。
【００２５】
液体状態からガス状態に変化して体積が膨張した被加熱流体の圧力上昇を小さくすることで、圧力損失を抑制することができる。これにより、過剰な被加熱流体供給動力の発生を防止することができる。また、ガス状態の被加熱流体への伝達抵抗は他の液や沸騰状態よりも大きいので、伝達面積を拡大することで伝熱能力の低下を防止し、全体の効率が向上する。
【００２６】
請求項８記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
複数の、若しくは区画壁により複数の小流路に区画された前記被加熱流体流路の途中に被加熱流体の流れが合流する合流部を設ける。
【００２７】
小流路間に加熱または伝熱量の差が生じると、他の小流路よりも伝熱量の多い小流路ではガス化が起こる。ガス化が起こると圧力が上昇する。一方、伝熱量の少ない流路では被加熱流体は液状態のままなので圧力は低い。よって、このようなばらつきが生じると圧力の低い流路だけに被加熱通体が流れ込み、伝熱効率は大きく低下する。そこで、合流部を設けることで小流路間の圧力の不均一が緩和されるので、被加熱流体の液面が安定化する。これにより、小流路間の伝熱量のばらきが低減し、熱交換効率が向上する。
【００２８】
また、一部の小流路で伝熱不良が生じ酸化触媒層の温度が過昇するのを防止するとができる。
【００２９】
また、被加熱流体の沸騰時に発生する気泡が体積膨張しても、その圧力を隣れる小流路に逃がすことができ、したがって、被加熱流体の突沸で、被加熱流体の液滴が被加熱流体流路の出口から排出されるのを防止することができる。これは、被加熱流体が燃料電池システムの改質器に送出する燃料と水の混合溶液である場合に、前記被加熱流体の液滴が改質器に浸入して改質に影響するのが防止されるという効果を奏するものである。
【００３０】
請求項９記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路の上流部と接触する前記燃料ガス流路の下流部には、前記酸化触媒層を非形成とする。
【００３１】
被加熱流体流路の上流部は被加熱流体が低温の液体状態であり、かかる被加熱流体流路の上流部と接触する燃料ガス流路の下流部を流通する排ガスは、被加熱流体流路による奪熱で排ガス中の水分が凝結が生じやすい。本発明によれば、燃料ガス流路下流部を酸化触媒層を非形成としたので、燃料ガス流路下流部の内壁面は凝縮水で濡れてもよい。さらに、凝結水が発生する際の凝縮熱をも吸収できるため伝熱量を向上させられる。しかして、酸化触媒の劣化がなく、熱交換効率が向上する。
【００３６】
請求項１０記載の発明では、請求項１ないし９のいずれか１項記載の触媒燃焼加熱装置において、
前記被加熱流体流路と前記燃料ガス流路とが交互に積層する積層構造を有し、その最外層には前記燃料ガス流路を配置する。
【００３７】
すべての被加熱流体流路が両側を燃料ガス流路に挟まれ、両側から伝熱するので、最外層の被加熱流体流路が片面からのみ伝熱することによる伝熱量不足からなる気化不足が回避され、被加熱流体流路は圧力が均一になる。これにより、圧力の低い被加熱流体流路に被加熱流体が集中して流れ加熱不良が発生するのを防止することができる。また、本発明のように触媒付き熱交換器を備えたものではバーナ式の燃焼加熱装置に比して燃焼ガスの温度が低く、最外層の燃料ガス流路からの無駄な放熱は僅かである。これにより、熱交換効率が向上する。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２、図３、図４により、本発明の触媒燃焼加熱装置の一実施の形態を説明する。矩形断面の容器１１内は、隔壁１２，１３により上下方向に３室に区画されており、容器１１内の大部分を占める中段の室には、多数の燃料ガス流路２と被加熱流体流路３とを仕切り板１４を挟んで交互に積層配設されている。下段の室と上段の室は、流体溜４３、４４としてある。
【００３９】
各燃料ガス流路２は上下方向に３分割され、上流部２１Ａに支燃ガスの供給口５４を、下流部２１Ｃに排気口５５を連結するとともに、上流部２１Ａと中流部２１Ｂとを右端で第１の連結流路２２により、中流部２１Ｂと下流部２１Ｃとを左端で第２の連結流路２３により連結して、燃料ガス流路２内を図中上側から下側に向かってＳ字状に燃料ガスが流れるようになっている（図２）。
【００４０】
また、燃料ガス流路２の各部２１Ａ〜２１Ｃは矩形断面の波板状のフィン１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃがその波形断面が上下方向となるように挿通配設してある。各フィン１５Ａ〜１５Ｃは、流路壁となる２枚の仕切り板１４間に挟持され、各部２１Ａ〜２１Ｃ内をさらに、上下方向に配列する多数の流路に区画している。仕切り板１４およびフィン１５Ａ〜１５Ｃの表面には、燃料ガス流路２の上流部２１Ａ、中流部２１Ｂでは酸化触媒が担持された触媒層１６が形成してあり、下流部２１Ｃでは触媒層は非形成としてある。
【００４１】
フィン１５Ａ〜１５Ｃは、燃料ガス流路中流部２１Ｂで波形のピッチが最も狭く発熱面積を大きくとってあり、次いで、燃料ガス流路下流部２１Ｃ、燃料ガス流路上流部２１Ａの順になっている。
【００４２】
また、燃料ガス流路上流部２１Ａには、流路内を複数の小流路２１１Ａに区画するフィン１５Ａの立ち上がり部に貫通孔１５０Ａが形成され、相隣れる小流路間を連通している。また燃料ガス流路下流部２１Ｃのフィン１５Ｃには舌片状のルーバ６１が設けてあり、伝熱面積を大きくとっている。
【００４３】
一方、燃料ガス流路２の間に交互に配設される各被加熱流体流路３はそれぞれ、上下端で共通の前記流体溜４３，４４に連結され、下側の流体溜４３には被加熱流体の導入管４１が、上側の流体溜４４には被加熱流体の導出管４２が連結してあって、燃料ガス流路２の下流側より上流側へ向けて被加熱流体が流れる。被加熱流体は導入管４１に接続されるポンプにより所定の流量で被加熱流体流路３へと供給される。しかして、被加熱流体の流れは燃料ガスとは逆に下側から上方へと流れる。なお、燃料電池システムであれば、被加熱流体は例えばメタノール等の燃料と水の混合溶液であり、被加熱流体の導出管４２には改質器が接続されることになる。
【００４４】
被加熱流体流路３は、燃料ガス流路各部２１Ｃ〜２１Ａに１対１に対応して３つの層を有し、各層は、燃料ガス流路下流部２１Ｃに対応する第１層が液昇温部３１Ａ、燃料ガス流路中流部２１Ｂに対応する第２層が沸騰部３１Ｂ、燃料ガス流路上流部２１Ａに対応する第３層がガス昇温部３１Ｃとなるようにする。すなわち、燃料ガス流路２で発生する燃焼熱を受熱して、導入管４１から液体状態で供給された被加熱流体が液昇温部３１Ａで液体状態にて温度上昇し、沸騰部３１Ｂで沸騰し、さらにガス昇温部３１Ｃでガス状態にて温度上昇する。
【００４５】
各被加熱流体流路３の各部３１Ａ〜３１Ｃの流路内も矩形断面の波板状のフィン１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃによって、さらに多数の小流路に区画されている。
【００４６】
ここで、液昇温部３１Ａは波板状フィン１７Ａの波形断面が上下方向となるように配設されており、上下方向に層状配置される波板状フィン１７Ａの立ち上がり部にはそれぞれ複数の貫通孔１７０Ａが形成されて、被加熱流体は貫通孔１７０Ａを順次通過して上方へと流れるようになっている。
【００４７】
沸騰部３１Ｂ、ガス昇温部３１Ｃはそれぞれ、波板状フィン１７Ｂ，１７Ｃの波形断面が水平方向となるように配設されており、フィン１７Ｂ，１７Ｃで区画された小流路３１１Ｂ（沸騰部３１Ｂについてのみ図示）が仕切り板１４の面方向で水平方向に並んでいる。
【００４８】
被加熱流体流路３の層間は扁平なタンク３２，３３により接続され、各層は、燃料ガス流路２を挟んで交互に配列する流路がタンク３２，３３において合流する。なお、フィン１７Ｂ，１７Ｃで区画された小流路が水平方向に並ぶ沸騰部３１Ｂ、ガス昇温部３１Ｃは、フィン１７Ｂ，１７Ｃを挟んで相隣れる小流路３１１Ｂ同志もタンク３２，３３において合流することになる。
【００４９】
また、沸騰部３１Ｂのフィン１７Ｂには、複数の貫通孔１７０Ｂが形成され、相隣れる小流路同志が連通するようになっている。また、沸騰部３１Ｂ内には金属ウール７が充填してある。金属ウール７に代えて発泡金属等、多数の通孔が形成されて被加熱流体を拡散し得るものであれば用いられ得る。
【００５０】
また、ガス昇温部３１Ｃのフィン１７Ｃには、複数のルーバ６２が設けてある。
【００５１】
交互に積層する燃料ガス流路２と被加熱流体流路３とは、図中上段では燃料ガス流路２が６層で被加熱流体流路３が５層であり、図中中段では燃料ガス流路２が７層で被加熱流体流路３が６層であり、図中下段では燃料ガス流路２が６層で被加熱流体流路３が５層であり、いずれも最外層が燃料ガス流路２としてある。
【００５２】
また、燃料ガス上流部２１Ａと被加熱流体流路ガス昇温部３１Ｃとの積層部では、被加熱流体流路３の総断面積の方が燃料ガス流路２の総断面積よりも大きくなっている。燃料ガス下流部２１Ｃと被加熱流体流路液昇温部３１Ａとの積層部では、被加熱流体流路３の総断面積の方が燃料ガス流路２の総断面積よりも小さくなっている。これらの設定は、容器１１の全体形状をそのままに、フィン１５Ａ，１７Ｃ、フィン１５Ｃ，１７Ａの立ち上がり部の高さに応じて設定し得る。
【００５３】
また、容器１の側部には、支燃ガスと酸化反応する可燃ガスを燃料ガス流路２に供給する可燃ガス溜５２が設けられている。可燃ガス溜５２は、可燃ガス供給口５１から導入された可燃ガスを、支燃ガス供給口５４の内壁面、連結流路２２，２３内壁面に開口する分配口５３より送り込む。分配口５３の数は、燃料ガス流路各部２１Ａ〜２１Ｃに対応する被加熱流体流路各部３１Ａ〜３１Ｃの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設定される。特に被加熱流体は沸騰状態である時に熱伝達率が高く、また、液体から気体に変わるの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流路３の沸騰部３１Ｂの上流端に位置する第１の連結流路２２に、より多くの分配口５３を開口せしめる。
【００５４】
また、燃料ガス流路中流部２１Ｂ内のフィン１５Ｂのピッチを燃料ガス流路上流部２１Ａよりも狭くして、触媒層１６が形成される発熱面積を広くとり、流路の単位長さ当たりの発熱量を大きくして、発熱をさらに集中せしめてある。
【００５５】
本触媒燃焼加熱装置の作動について説明する。燃料ガス流路２に、支燃ガス供給口５４から支燃ガスが供給されるとともに、可燃ガス供給口５１から可燃ガスが供給され、これらが触媒層１６で酸化反応し発熱する。熱は仕切り板１４を介して実質的に接触する被加熱流路３の液昇温部３１Ａ、沸騰部３１Ｂ、ガス昇温部３１Ｃを順次流通する被加熱流体で受熱され、液体の被加熱流体が昇温しガス化することになる。
【００５６】
被加熱流体流路３の液昇温部３１Ａと接触する燃料ガス流路下流部２１Ｃは、前記のごとく触媒層１６が非形成であり、上流から燃料ガス流路中流部２１Ｂの廃熱が流入する。燃料ガス流路下流部２１Ｃは、これと接触する被加熱流体流路３の液昇温部３１Ａより相対的に大きな総流路断面積が与えられているとともに、ルーバ６１が設けられているから、前記廃熱を効率よく受熱する。そしてこの熱は後述するように被加熱流体流路３の液昇温部３１Ａに伝熱されるから、排気口５５から排出される排気は、液昇温部３１Ａを流通するまださほど昇温していない被加熱流体に近い温度まで奪熱されている。
【００５７】
一方、液昇温部３１Ａは相対的に小さな総流路断面積が与えられ、これは被加熱流体流路３の中流部である沸騰部３１Ｂよりも狭くなっている。したがって、被加熱流体の流速が沸騰部３１Ｂよりも速くなる。さらに、フィン１７Ａの立ち上がり部位置で貫通孔１７０Ａにより流路が絞られているからその効果で貫通孔１７０Ａの出口側で被加熱流体の流速が上昇する。これにより出口側の被加熱流体の流れを乱す。しかして、液昇温部３１Ａは、被加熱流体の流れが、伝熱面である流路内壁面で被加熱流体の流れが殆どない層流ではなく、乱れのある流れとなって、液昇温部３１Ａの流路内壁面からの伝熱能力が上昇する。これにより、熱交換効率が向上する。
【００５８】
燃料ガス流路下流部２１Ｃにおける仕切り板１４の対向間隔と液昇温部３１Ａにおける仕切り板１４の対向間隔の比を変えるだけであるから、要求される形状の仕様の中で実施することができる。
【００５９】
また、燃料ガス流路下流部２１Ｃは触媒層１６が非形成であるから、沸騰部３１Ｂ等に比して相対的に低温の液昇温部３１Ａの被加熱流体による奪熱で水蒸気が凝結しても問題がなく、触媒の劣化による燃焼効率の低下を防止することができる。これにより、熱交換効率が向上する。なお、燃料ガス流路下流部２１Ｃが液昇温部３１Ａの被加熱流体を加熱するのに必要な熱は、燃料ガス中流部２１Ｂにおいて、小流路２１１Ｂや分配口５３の増加で得ることができるのは勿論である。
【００６０】
被加熱流体流路３の沸騰部３１Ｂと接触する燃料ガス流路中流部２１Ｂは、多数設けられた分配口５３からの可燃ガスが多量に上流から供給されるとともに、発熱面積を広くしたので、多量の熱を発生し、燃料ガス流路中流部２１Ｂと接触する被加熱流体流路３の沸騰部３１Ｂを流通する被加熱流体を十分に沸騰せしめる。
【００６１】
一方、沸騰部３１Ｂでは、燃料ガス流路中流部２１Ｂからの多量の熱を受熱して沸騰する。ここで、沸騰部３１Ｂのフィン１７Ｂには貫通孔１７０Ｂが形成されているので、小流路間の圧力差が緩和され、小流路間で液面が均一化する。したがって、沸騰部３１Ｂを流路断面積の小さな小流路に区画しても、一部の小流路で液面が低くなって流路内壁面のガス層との接触面積が大きくなるということが防止される。これにより低い伝熱抵抗を達成することができる。
【００６２】
また、沸騰部３１Ｂでガス化した被加熱流体は金属ウール７によって拡散し、気泡は細かく粉砕される。したがって流路内壁面がガス層で覆われるということが防止される。これにより低い伝熱抵抗を達成することができる。よって、小流路に細かく区画しても熱交換が阻害されることが防止され、小流路に区画することで伝熱面積を上げ熱交換効率を上げるという、本来の特徴を発揮することができる。これにより、熱交換効率が向上する。
【００６３】
また、突沸により急激に気泡が体積膨張しても、相隣れる小流路に逃がされるから、液滴状態の被加熱流体が導出口４２から排出されることを防止することができる。
【００６４】
被加熱流体流路３のガス昇温部３１Ｃは、これと接触する燃料ガス流路上流部２１Ａより流路断面積が相対的に大きくなっている。ガス昇温部３１Ｃでは必要になる熱量よりもその伝熱抵抗の大きさが問題となる。ガス昇温部３１Ｃで必要な熱量は沸騰部３１Ｂよりも低い。よって前記のような構成とすることで、ガス昇温部３１Ｃは相対的に大きな流路断面積が与えられるとともに、流路内に設けたルーバ６２により、燃料ガス流路上流部２１Ａからの熱を効率よく受熱する。これにより、熱交換効率が向上する。燃料ガス流路上流部２１Ａにおける仕切り板１４の対向間隔とガス昇温部３１Ｃにおける仕切り板１４の対向間隔の比を変えるだけであるから、要求される形状の仕様の中で実施することができる。
【００６５】
また、燃料ガス流路上流部２１Ａには小流路同志を連通せしめる貫通孔１５０Ａにより小流路間の圧力差が緩和されるので、燃料ガス流路上流部２１Ａにおける燃焼は均一なものとなり、燃焼効率がよくなるので、熱交換効率が向上する。つまり、比較的、低温の燃料ガスが発熱により体積膨張することを利用して、可燃ガスと支燃ガスとのミキシングを促進する効果を得ているのである。
【００６６】
また、ガス昇温部３１Ｃは沸騰部３１Ｂよりも総流路断面積が大きく設定してあるから、液体状態からガス状態に変化して体積が膨張した被加熱流体の圧力上昇が小さくなり、圧力損失を抑制することができる。これにより、被加熱流体を供給するための動力を低く抑えることができる。
【００６７】
積層体を構成する燃料ガス流路２と被加熱流体流路３とは、前記のごとく最外層が燃料ガス流路２である。燃料ガス流路中流部２１Ｂと被加熱流体流路沸騰部３１Ｂの断面を示す図３で説明すると、沸騰部のうち最も外側に位置するもの３１Ｂａ，３１Ｂｂの外側にさらに燃料ガス流路中流部２１Ｂａ，２１Ｂｂが設けられている。このため、すべての被加熱流体流路３の被加熱流体に対し、被加熱流体流路３を挟む両側の燃料ガス流路２から伝熱する。したがって、被加熱流体流路３が片面からのみ伝熱することによる一部の流路内における加熱不足による気化不良が回避され、被加熱流体流路３は圧力が層間で均一になる。これにより、圧力の低い層の被加熱流体流路３に被加熱流体が集中して流れ気化不良が発生するのを防止することができる。また、本発明のように触媒付き熱交換器を備えたものではバーナ式の燃焼加熱装置に比して燃焼ガスの温度が低く、最外層の燃料ガス流路２からの無駄な放熱は僅かである。これにより、熱交換効率が向上する。
【００６８】
なお、熱交換効率を高める前記の構成はすべて備えている必要はなく、要求される熱交換効率やコスト等の条件に応じて適当な１つ若しくは複数の構成について備えたものとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒燃焼加熱装置の断面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】前記触媒燃焼加熱装置の一部の拡大斜視図である。
【図５】従来の触媒燃焼加熱装置の代表例の構成図である。
【符号の説明】
１１  容器
１２，１３  隔壁
１４  仕切り板
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ  フィン
１５０Ａ，１７０Ａ，１７０Ｃ  （貫通孔）
１６  触媒層
２  燃料ガス流路
２１Ａ  上流部
２１１Ａ  小流路
２１Ｂ  中流部
２１Ｃ  下流部
２２，２３  連結流路
３  被加熱流体流路
３１Ａ  液昇温部（上流部）
３１Ｂ  沸騰部（中流部）
３１１Ｂ  小流路
３１Ｃ  ガス昇温部（下流部）
３２，３３  タンク（合流部）
４１  導入口
４２  導出口
４３，４４  流体溜
５１  可燃ガス供給口
５２  可燃ガス室
５３  分配口
５４  支燃ガス供給口
６１，６２  ルーバ
７  金属ウール（拡散部材）
【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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