(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気の流れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備え、
一方の端部の内側に前記燃焼触媒部を設けた内筒と、前記内筒及び前記燃焼触媒部との間に、前記内筒の前記一方の端部側から前記内筒の外側に渡る前記気相燃焼部を形成する外部材とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置であって、
前記気相燃焼部の前記混合気の流れ方向に沿って、少なくとも３つのフレームロッドを配設して備えると共に、
前記少なくとも３つのフレームロッドが、それらのうちのフレームロッドとして、前記気相燃焼部の前記内筒の前記一方の端部の上方側且つ前記内筒の外側であるコーナー部位に設けられたフレームロッドを間に含むものであり、
前記フレームロッド間に電圧を印加し、前記フレームロッド間に流れるフレーム電流を検出するフレーム電流検出手段を備えたハイブリッド触媒燃焼装置。
【請求項２】
前記少なくとも３つのフレームロッドが、前記コーナー部位に一方の極として設けられたフレームロッドと、前記気相燃焼部の前記コーナー部位の上流側である触媒上方部位及び前記気相燃焼部の前記コーナー部位の下流側である側方部位に他方の極として設けられた夫々のフレームロッドとから構成され、
前記フレーム電流検出手段が、前記フレームロッドの両極間の夫々に電圧を印加し、前記両極間に流れるフレーム電流を検出する手段である請求項１に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
【請求項３】
前記燃焼触媒部又は前記燃焼触媒部の出口部の温度を検出可能な温度検出手段を備え、
前記温度検出手段により検出された前記温度が所定温度以下となったとき、又は、前記フレーム電流検出手段により検出された前記フレーム電流が所定の電流値以下となったときに、所定の安全制御を実行する安全制御手段を備えた請求項１又は２に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
【請求項４】
前記温度検出手段により検出された前記温度に基づいて、前記燃焼用空気を供給する空気供給手段の動力を制御する制御手段を備えた請求項１から３の何れか１項に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載のハイブリッド触媒燃焼装置を備え、前記気相燃焼部から排出された燃焼排ガスを、空気希釈して外部へ温風として排出するファンヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気の流れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備え、
一方の端部の内側に前記燃焼触媒部を設けた内筒と、前記内筒及び前記燃焼触媒部との間に、前記内筒の前記一方の端部側から前記内筒の外側に渡る前記気相燃焼部を形成する外部材とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置、及びそれを備えたファンヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用室内開放型温風暖房機、コージェネレーション、発電用ガスタービンの燃焼器等、高空気比で作動される機器にあっては、高空気比における燃焼安定性の向上によって、大幅な低ＮＯｘ化が図られる可能性がある。一方、これらの機器にあっては、一層の低ＮＯｘ化の要望がある。中でも、家庭用室内開放型温風暖房機は生活空間に直接排気を放出しているので、ＮＯｘ１ｐｐｍ（酸素０％）以下の極限までの低ＮＯｘ化が望まれている。
燃焼流路内に、燃焼触媒を充填した燃焼触媒部と、それに続く気相燃焼部とを設け、断熱理論燃焼温度１５００℃以下（空気比約１．６以上）の燃料と燃焼用空気の混合気を、燃焼触媒部で部分的に接触酸化燃焼させ、その後流で気相酸化を誘発して完全燃焼させる方式（ハイブリッド触媒燃焼方式と称される。）が、超低ＮＯｘ達成の手段として提案されている（特表平６−５０６２９０号公報）。
【０００３】
このような燃焼方式を採用したハイブリッド触媒燃焼装置は、燃焼触媒部で部分的に燃焼させる手段として、触媒活性物質を燃料であるメタンに対して最も低温活性が高く、高温で自己反応抑制作用のあるパラジウムを主体とすること、更に、金属ハニカムを触媒基体として、触媒コート層（セル）とコートしない層（セル）とを隣接させ、触媒接触酸化による発熱を連接の無触媒層を通過する混合気と熱交換させ、物理的に過昇温を防止すること等の手段により、燃焼触媒部内にある触媒層では２０〜７０％が接触酸化され、触媒温度は６００〜９５０℃とされる。
【０００４】
このようなハイブリッド触媒燃焼装置は、各燃焼量に応じて、気相燃焼部において良好な燃焼が確実に達成できる燃焼触媒部の出口部温度を予め定め、常にその温度を維持するように燃焼用空気を供給する燃焼用空気ファンの送風量を制御して、気相燃焼部における燃焼状態を良好なものに維持するように構成する場合がある。そして、このハイブリッド触媒燃焼装置は、作動中に、燃焼触媒部の出口部温度が、気相燃焼部において不完全燃焼等が生起する温度よりも高い温度である所定の温度値以下となった場合に、不完全燃焼などの異常燃焼が起こる可能性があるとして、運転を停止する等の安全制御を行い、安全を図るように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実用化に当たっては、１つのシステムで異常がある場合、別のシステムで補完できる二重安全構造とすることが好ましい。上記の燃焼触媒部の出口部温度測定による異常燃焼検出においては、混合気の５０％程度が触媒接触燃焼する燃焼触媒部の出口部温度を常時監視しているのであるが、残り５０％程度が気相燃焼する気相燃焼部については、その燃焼状態を監視されていない。
従って、二重安全構造においては、上記気相燃焼部の燃焼状態をも監視する、即ち気相燃焼部の火炎の存在を監視することが望ましい。
【０００６】
上記火炎の存在を監視する方法としては、火炎の発熱を利用する方法、火炎の電気特性を利用する方法、及び火炎の発光を利用する方法等があり、家庭用の燃焼器等では、火炎の発熱を利用する熱電対温度検知法や、火炎の電気特性を利用するフレームロッド法が実用化されている。
本件のように、気相燃焼部の空間に広がった火炎を検出するためには、局所的な測定である熱電対温度検知法よりは、広域でより直接的に火炎の存在を検知できるフレームロッド法を適用することが望ましい。
【０００７】
このフレームロッド法による火炎検知をハイブリッド触媒燃焼装置に応用することは既に提案されている（特開平１０−１６０１５９号公報）。このハイブリッド触媒燃焼装置では、燃焼触媒部の出口付近の気相燃焼部に近接した一対のフレームロッドを設け、気相燃焼部の燃焼触媒部から離間した位置で発生する火炎が、燃焼触媒部のフレームロッドに近づいてくることにより発生するフレーム電流のピークを検出して、気相燃焼部における着火を確認するように構成されている。
【０００８】
しかし、このような火炎検知は、気相燃焼部における火炎の位置及びその動きが、上記のようなものと異なるハイブリッド燃焼装置に適用することは困難である。
特に、一方の端部の内側に燃焼触媒部を設けた内筒と、内筒及び燃焼触媒部との間に、内筒の一方の端部側から内筒の外側に渡る気相燃焼部を形成する外部材とを備え、気相燃焼部の形状が、燃焼触媒部の上方から内筒の外側に渡って折り返されているような形状であるハイブリッド触媒燃焼装置においては、着火時に触媒燃焼部の上方の気相燃焼部に火炎が形成され、その後、その火炎が下流側の内筒の外側に移動するので、上記のフレームロッド法をそのまま適用することは困難である。
【０００９】
従って、本発明は、上記のような事情に鑑みて、このようなハイブリッド触媒燃焼装置において、気相燃焼部における火炎を良好に検知して、気相燃焼部の異常燃焼を監視する技術を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、請求項１に記載したごとく、燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気の流れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備え、
一方の端部の内側に前記燃焼触媒部を設けた内筒と、前記内筒及び前記燃焼触媒部との間に、前記内筒の前記一方の端部側から前記内筒の外側に渡る前記気相燃焼部を形成する外部材とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置であって、
前記気相燃焼部の前記混合気の流れ方向に沿って、少なくとも３つのフレームロッドを配設して備えると共に、
前記少なくとも３つのフレームロッドが、それらのうちのフレームロッドとして、前記気相燃焼部の前記内筒の前記一方の端部の上方側且つ前記内筒の外側であるコーナー部位に設けられたフレームロッドを間に含むものであり、
前記フレームロッド間に電圧を印加し、前記フレームロッド間に流れるフレーム電流を検出するフレーム電流検出手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
〔構成２〕
本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、請求項２に記載したごとく、上記構成１のハイブリッド触媒燃焼装置の構成に加えて、前記少なくとも３つのフレームロッドが、前記コーナー部位に一方の極として設けられたフレームロッドと、前記気相燃焼部の前記コーナー部位の上流側である触媒上方部位及び前記気相燃焼部の前記コーナー部位の下流側である側方部位に他方の極として設けられた夫々のフレームロッドとから構成され、
前記フレーム電流検出手段が、前記フレームロッドの両極間の夫々に電圧を印加し、前記両極間に流れるフレーム電流を検出する手段であることを特徴とする。
【００１２】
〔構成３〕
本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、請求項３に記載したごとく、上記構成１又は２のハイブリッド触媒燃焼装置の構成に加えて、前記燃焼触媒部又は前記燃焼触媒部の出口部の温度を検出可能な温度検出手段を備え、
前記温度検出手段により検出された前記温度が所定温度以下となったとき、又は、前記フレーム電流検出手段により検出された前記フレーム電流が所定の電流値以下となったときに、所定の安全制御を実行する安全制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
〔構成４〕
本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、請求項４に記載したごとく、上記構成１から３のハイブリッド触媒燃焼装置の構成に加えて、前記温度検出手段により検出された前記温度に基づいて、前記燃焼用空気を供給する空気供給手段の動力を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
〔構成５〕
本発明に係るファンヒータは、請求項５に記載したごとく、上記構成１から４の何れかのハイブリッド触媒燃焼装置を備え、前記気相燃焼部から排出された燃焼排ガスを、空気希釈して外部へ温風として排出することを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
本発明のハイブリッド燃焼装置は、上記内筒の一方の端部の内側に上記燃焼触媒部を設け、上記内筒及び上記燃焼触媒部と上記外部材との間に、上記気相燃焼部を設けることで、燃焼触媒部において一部燃料を燃焼させた混合気は、内筒の端部から放出されてその内筒の回りに形成される気相燃焼部に導入され、燃料の残部を気相燃焼させることができ、その気相燃焼により直接的に、内筒の外表面及び燃焼触媒部を加熱することができ、外部への熱損失を抑制することができる。
【００１６】
また、このようなハイブリッド触媒燃焼装置の運転を開始するときには、最初に、気相燃焼部において気相着火可能な空気比の混合気を火花放電等により着火させる。この火炎は、断熱理論燃焼温度が高いので、気相燃焼部の内筒の一方の端部の上方の上記コーナー部位の上流側の触媒上方部位に形成される。従って、このような着火時においては、上記触媒上方部位に設けられたフレームロッド付近では、高温で燃焼反応が最も活発に行われており、整流作用に寄与するとされる正荷電粒子（例えば、Ｈ3Ｏ+，Ｃ3Ｈ3+など）が多く存在している。一方、上記コーナー部位に設けたフレームロッド付近では、燃焼反応がほぼ終了しており、正荷電粒子の濃度は少なくなっている。この正荷電粒子の濃度差によって、両フレームロッド間、即ち両極間において、一定の交流電圧等を印加すると、上記触媒上方部位のフレームロッドがマイナス電位となったときのみ、正荷電粒子が捕捉され、一方向に脈流状態のフレーム電流が流れるようになる。よって、このフレーム電流を検出するフレーム電流検出手段により、着火と共にフレーム電流信号を得ることができ、正常に着火して触媒上方部位に火炎が形成されていることを検出することができる。
【００１７】
また、着火後、上記内筒の内部又はその上流側を流通する混合気の温度が、上記気相燃焼部からの伝熱により上昇して、燃焼触媒部における触媒接触酸化が開始され、所謂触媒燃焼と気相燃焼との両方を行うハイブリッド燃焼に移行する。そして、触媒上方部位に形成されていた火炎は、上記気相燃焼部の上記コーナー部位の下流側である側方部位に移動する。これは、触媒接触酸化により５０％程度の燃料が燃焼される結果、気相燃焼部に供給する混合気の燃料濃度が低下するために、気相酸化速度が遅くなり、火炎が形成されるまでの時間が長くなるからである。
【００１８】
この結果、正荷電粒子は気相燃焼部の下流側の側方部位のフレームロッド付近が最も多くなり、触媒上方部位及びコーナー部位のフレームロッド付近は少なくなる。この状態では、側方部位とコーナー部位との両部位間の正荷電粒子の濃度差により、同じくその両フレームロッド間、即ち両極間において、一方向に脈流状態のフレーム電流が流れるようになる。よって、このフレーム電流を検出するフレーム電流検出手段により、ハイブリッド燃焼開始後にもフレーム電流信号を得ることができ、正常に気相燃焼部の側方部位に火炎が形成されていることを検出することができる。
【００１９】
このように、本発明のハイブリッド触媒燃焼装置では、例えば、コーナー部位のフレームロッドを一方の極とし、そのフレームロッドを挟む２つのフレームロッドを他方の極として、フレーム電流を検出するので、気相燃焼部における触媒上方部位から側方部位の広範囲で常に火炎の存在を検知できるのである。
勿論、夫々のフレームロッドが複数あってもよく、着火時及びハイブリッド燃焼時において、電界が有効に届く範囲で、あるフレームロッドが常に火炎から離れた箇所にあり、他の２つが同じ極で火炎中心付近に位置し、正荷電粒子を捕捉するようにすればよい。
【００２０】
本発明のハイブリッド触媒燃焼装置において、フレーム電流検出手段により検出されるフレーム電流が低下することは、火炎が所定の位置に存在していないことを反映しており、燃焼触媒部又はその出口部の温度を検出する温度検出手段の検出結果と、フレーム電流検出手段の検出結果とを組み合わせて、燃焼触媒部の出口部温度が所定温度以下となったとき、又は、フレーム電流が所定の電流値以下となったときに、本ハイブリッド触媒燃焼装置の運転を停止したり、供給する燃焼用空気量及び燃料量等を低下させたりする所定の安全制御を実行する安全制御手段を備えることで、信頼性の高い二重安全構造とすることができる。
よって、このようなハイブリッド触媒燃焼装置を備えたファンヒータは、異常燃焼発生時の安全制御の信頼性が高いものとなり、不完全燃焼等による室内空気汚染等を抑制することができる。
【００２１】
また、上記温度検出手段は、上記制御手段が、空気供給手段の動力を制御して触媒燃焼開始前後における燃焼用空気の供給量の切換え等を行うときに、上記触媒燃焼の開始を検出するための温度検出手段としても利用できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、天然ガス系都市ガスを燃料ガスＧとする燃焼装置５０（ハイブリッド触媒燃焼装置の一例）及びその燃焼装置５０を備えたファンヒータ１００について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る燃焼装置５０を備えたファンヒータ１００の全体概略図、図２は図１に示す燃焼装置５０の側断面概略図である。
【００２３】
図１、２を参照して、燃焼装置５０は、燃料ガスＧの一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部１１と、燃料ガスＧの残部を気相燃焼させる気相燃焼部１２とによって構成されたハイブリッド触媒燃焼方式の燃焼装置である。
燃焼装置５０には、燃焼用ファン１ａによって供給される燃焼用空気Ａと燃料遮断弁３及び比例制御弁２を介して分散ノズル１７から供給される燃料ガスＧとを混合して予混合気を形成する混合気流路４と、混合気流路４から送られる予混合気を予熱する予熱部１８と、前記燃焼触媒部１１とを設けた内筒２０と、その内筒２０の外周全体を囲い、内筒２０及び燃焼触媒部１１との間に、内筒２０の一方の端部側から内筒２０の外側に渡る気相燃焼部１２を形成する外部材２２とを設けて、気相燃焼部１２における燃焼で発生する熱を上流側へ熱再生できるように構成している。
【００２４】
予熱部１８には内筒２０の内壁に接し混合気の流れ方向と直角方向に板面を有する熱交換フィン１９が複数設けられている。熱交換フィン１９は、図３に示すように、互いに開口１９ｃの穿設状態が異なる２種類のＳＵＳ製のパンチングメタル１９ａ，１９ｂを２枚づつ交互に配設して構成されてものであり、予熱部１８を流通する混合気は、その熱交換フィン１９の開口１９ｃを通過しながら、気相燃焼部１２の気相燃焼により加熱された内筒２０の熱をこの熱交換フィン１９を介して受熱し、好ましい状態に加熱される。
燃焼触媒部１１は内筒２０の先端部に取付けられており、有効寸法、幅８５ｍｍ、奥行き２０ｍｍ、層高２０ｍｍの角形である。
【００２５】
燃焼触媒部１１は、波形の金属シートからなる支持体の片側に高比表面積を有する担体層を形成し、その担体層にパラジウム若しくは白金系触媒、又はそれを主成分として、銀、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムまたはロジウムから選択される一つまたはそれ以上の補助触媒を包含する触媒を塗布して焼成した後、触媒を塗布した担体層側を同じ向きに重ねて連通セルが形成されるようにして、その対を更に重ねてハニカム状に成形したものである。
このように形成された燃焼触媒部１１では、片面のみに触媒をコートした連通セルの集合体として形成されるので、触媒コート面で触媒燃焼によって発生する熱は、反対面の触媒がコートされていない面に熱伝導され混合気へ熱伝達される。こうして、触媒温度は断熱理論燃焼温度が１５００℃の混合気を燃焼する場合でも、燃焼率は５０％以下に抑制され、触媒温度も最高９５０℃以下に抑制され、触媒の劣化が抑制される。
【００２６】
内筒２０の外面は金属の熱保護と過度な熱伝達を抑制し燃焼を安定化するために厚み６ｍｍの保温モールドが設けられている。この保温モールドはセラミックファイバーを材料として、短軸方向の縦に２分割してモールド成形したものを接着加工したものである。
【００２７】
外部材２２は、厚み１８ｍｍの保温モールドで形成したものの外側を金属薄膜で被覆したものであり、内筒１０の一方の端部側に設けられた燃焼触媒部１１の上面、内筒１０の側面、混合気流路４の下方壁面の夫々から約２０ｍｍ程度の隙間を有して、内筒２０を囲っており、内筒２０及び外部材２２の隙間部分が、気相燃焼部１２となっている。上記外部材２２の保温モールドは、セラミックファイバーを材料として、短軸方向の縦に２分割してモールド成形したものを、硬化処理によりガスシールしたものである。
【００２８】
外部材２２は、内筒２０の、燃焼触媒部１１の上方、周辺部、混合気流路４の下方からそれぞれ約２０ｍｍ程度の間隙を有して、内筒２０を囲っており、両者の間隙が気相燃焼室１２となっている。
外部材２２の下部には、熱を上流側へ輻射熱して戻すために、幅２５ｍｍ、長さ１３０ｍｍ、厚み１２ｍｍの排出部伝熱変換体１４を組み込み、上流側の面を内筒２０の混合気流路４に対向するように排気口１５を備えており、この排出部伝熱変換体１４は、気相燃焼部１２から外部へ排出される燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側、即ち、気相燃焼部１２と内筒２０の混合気流路４を設けた外壁面とに放射することができる。
また、内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部に相当する気相燃焼部１２の位置から、混合気流路４に相当する気相燃焼部１２の位置までの範囲内である内筒２０の上縁から５０ｍｍの位置に、気相燃焼部１２の流路断面全体にわたって、厚み１２ｍｍの気相燃焼部伝熱変換体１６がセットされている。この気相燃焼部伝熱変換体１６は、気相燃焼部１２において燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側へ放射するのであるが、特に、低負荷燃焼を行う場合、気相燃焼部伝熱変換体１６の上流側の空間に熱を輻射熱に変換してフィードバックさせることで、高温の対流熱損失を抑制することができ、安定した気相燃焼を行うことができる。
伝熱変換体１４，１６はセル数６ケ／２５ｍｍ、見かけ比重０．４３、厚み１２ｍｍの炭化ケイ素製セラミックフォームである。
【００２９】
また、燃焼触媒部１１の出口部直後の温度を検出する温度センサ２１（温度検出手段の一例）が備えられ、その出力値を制御装置３０に送るように構成されている。
この温度センサ２１は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｉからなるナイクロシルと呼ばれる直径０．６ｍｍの素線（熱起電力の正側となる）と、Ｎｉ，Ｓｉからなるナイシルと呼ばれる直径０．６ｍｍの素線（熱起電力の負側となる）との先端を溶接し、９００℃程度で熱処理することにより、表面に酸化膜を形成させ、絶縁処理した熱電対である。この温度センサ２１の先端が、上記燃焼触媒部１１の出口直後になるように、燃焼触媒部１１を設ける前に配設し、その温度センサ２１を燃焼触媒部１１により固定している。燃焼触媒部１１の入口側、即ち内筒２０の内側にある素線は、混合気流路４に至り、２穴のセラミックチューブに内挿されて、混合気流路４の分散ノズル１７の反対側の壁部から外部に取出され、その取出部及びセラミックチューブは有機性シール材によりガスシールされている。
このような温度センサ２１は、耐久性と応答性とのトレードオフの関係の中で、最大限の素線径のものを利用できる。
【００３０】
気相燃焼部１２は触媒燃焼によって部分的に燃焼し昇温された未燃焼の燃料が気相ラジカル反応によって完全燃焼されるに必要な滞留時間を確保する空間である。外部材２２の内側には断熱部材が設置されており、気相燃焼部１２は折り返し構造となっている。気相燃焼部１２の折り返し部分に、混合気に火花点火し燃焼を開始するためのイグナイタ２３が備えられている。
【００３１】
さらに、気相燃焼部１２には、気相燃焼部１２の火炎を検出するための３つのフレームロッド２４ａ，２４ｂ，２４ｃが設けられている。フレームロッド２４ａは、内筒２０の一方の端部の上方且つ内筒２０の内側である触媒上方部位の中間高さの位置に設けられており、長さは８０ｍｍである。また、フレームロッド２４ｂは、内筒２０の一方の端部の上方側且つ内筒２０の外側であるコーナー部位の上記フレームロッド２４ａと同じ高さの位置に設けられており、長さ１２０ｍｍである。また、フレームロッド２４ｃは、内筒の外側且つ内筒の一方の端部よりも下方である側方部位の上記フレームロッド２４ｂの下方１５ｍｍの位置に設けられており、長さは１２０ｍｍである。
【００３２】
上記イグナイタ２３及びフレームロッド２４ａ，２４ｂ，２４ｃの材質は、イットリウムを含む耐熱合金であるＹＳＳ−ＳＹＴＴ（商品名）で一般の燃焼器等に利用されているものを用いた。
【００３３】
夫々のフレームロッド２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、互いのフレームロッド間に電圧を印加し、フレームロッド間に流れるフレーム電流を検出するフレーム電流検出手段２５に接続されている。
このフレーム電流検出手段２５は、図２に示すように、上記コーナー部位に設けたフレームロッド２４ｂを一方の極として、その他の上記触媒上方部位及び側方部位に設けたフレームロッド２４ａ，２４ｃを他方の極とし、両極間に６０Ｈｚの２００Ｖ交流電圧を印加する電源２８と、その両極間に２ＭΩの抵抗を与える抵抗２６と、電源２８及び抵抗２６間に流れる微小電流を計測して制御装置３０側に出力する電流測定器２７とを直列で接続した回路からなる。
【００３４】
ファンヒータ１００に備えられたファン装置１は、燃焼装置５０の混合部に燃焼用の空気Ａを供給するための燃焼用ファン１ａと、排気口１５から排出される燃焼排ガスＥを空気Ａによって希釈して暖房用温風Ｈとして外部へ排出するための対流用ファン１ｂとを同じ回転軸１ｃ上に並設して備え、モータ１ｄによって回転軸１ｃを回転させて両ファン１ａ，１ｂを回転させるように構成されている。
【００３５】
また、燃料遮断弁３、イグナイタ２３及びその高圧電源は市販のファンヒータに備え付けられているものと同じ物を使用した。
【００３６】
次に、上記ファンヒータ１００において、燃焼テストを行った結果を説明する。
燃焼テストはメタンを主成分とし発熱量４６ＭＪ／ｍ3（Ｎｏｒｍａｌ）（１１０００ｋｃａｌ／ｍ3（Ｎｏｒｍａｌ））の市中供給の天然ガス系都市ガスを用いて行った。排気は対流用ファン１ｂの出口にて吸引サンプリングし、全炭化水素、ＣＯ，ＣＯ２、ＮＯｘを分析した。
尚、制御装置３０として外部設置のパソコンを利用して燃焼の自動制御とデータ収録を行った。また、上記フレーム電流検出手段２５において検出されるフレーム電流として、フレーム電流検出手段２５の抵抗２６の両端から検出される電圧を連続記録した。
燃焼テストに当たっては、燃焼用ファン１ａと対流用ファン１ｂとを別のモータで駆動するように構成した。さらに、対流用ファン１ｂ用のモータ駆動電圧及び比例制御弁２による燃焼用調整を手動とし、燃焼開始操作、同一燃焼量における燃焼制御は自動制御とした。
【００３７】
燃焼自動制御では、制御装置３０において、まず、燃焼用ファン１ａ用の直流モータ駆動電圧Ｖａを１０Ｖとして駆動し、イグナイタ２３をＯＮ状態にて、ガス遮断弁３を開にし、比例制御弁２に便宜上燃焼量３ｋＷ（２６００ｋｃａｌ／ｈ）に相当する初期動力を与える。すると、気相燃焼部１２の上記触媒上方部位に、均一気相燃焼の火炎が形成される。
【００３８】
そして、温度センサ２１により検出される燃焼触媒部１１の出口部温度Ｔ１１が、燃焼触媒部１１において触媒接触酸化が開始されたと認識できる３５０℃になるまで、温度センサ２１の検出結果に基づいて燃焼用ファン１ａ用のモータ駆動電圧Ｖａを次式に従って上昇させる。
【００３９】
【数１】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００４５×Ｔ１１［℃］＋９．９１
【００４０】
次に、出口部温度Ｔ１１が、３５０℃となり、燃焼触媒部１１及び気相燃焼部１２における燃焼が安定したと認識できる７６０℃になるまで、温度センサ２１の検出結果に基づいて燃焼用ファン１ａ用のモータ駆動電圧Ｖａを次式に従って上昇させる。
【００４１】
【数２】
Ｖａ［Ｖ］＝０．０１×Ｔ１１［℃］＋８．０
【００４２】
このような燃焼開始操作において、対流用ファン１ｂ用のモータ駆動電圧は、初期においては４９Ｖとされ、燃焼進行と共に、適正な温風が得られるように上昇される。
【００４３】
ハイブリッド燃焼に到達後において、設定される各燃焼量に応じて予め定めた燃焼触媒部１１の出口部温度Ｔ１１、燃焼用ファン１ａのモータ駆動電圧Ｖａの初期値テーブルに基づき、燃焼量を変化させて、燃焼性能、ＮＯｘをはじめとする燃焼排ガスの組成変化、フレーム電流検出手段２５において検出されるフレーム電流等を測定した結果を説明する。
【００４４】
図４は、燃焼開始から高燃焼領域における燃焼様相をプロットしたグラフ図である。気相燃焼部１２における均一気相燃焼による燃焼開始以降、熱再生によって触媒が予熱され、約６分後に触媒酸化が開始され、ハイブリッド触媒燃焼に移行し、１０分以内で超低ＮＯｘの定常ハイブリッド触媒燃焼に至った。
【００４５】
フレーム電流（前述のように電圧に変換して測定している。）は、上記ハイブリッド触媒燃焼開始後、約１５秒で３μＡが得られ、まず着火時の火炎検知としての有効性が実証できる。ハイブリッド燃焼に移行すると、一時低下するが燃焼経過と共に上昇した。その後、３．５ｋＷ（３０００ｋｃａｌ／ｈ）から４．１ｋＷ（３５００ｋｃａｌ／ｈ）まで変化しても高いレベルのフレーム電流を保持しており、気相燃焼部において火炎が安定して形成されていることが判る。尚、フレーム電流が、触媒燃焼開始直後に一時的に低下しているのは、気相燃焼部において、上記触媒上方部位にあった火炎が、上記側方部位に移動したことで、各フレームロッド２４ａ，２４ｂ，２４ｃの両電極間における荷電粒子濃度差が一時的に低下したことによるものである。
【００４６】
次に、燃焼量が２．４ｋＷ（２１００ｋｃａｌ／ｈ）において、燃焼触媒部１１の出口部温度Ｔ１１を１０℃ずつ低下していき、フレーム電流値としての電圧と、不完全燃焼成分であるＣＯ、ＵＨＣ（未燃炭化水素）の濃度変化の状態を図５のグラフ図に示す。
触媒出口部温度Ｔ１１を７５０℃とすれば、ＣＯ濃度が急上昇しており、不完全燃焼が発生していることが判る。このとき、フレーム電流は０．５μＡに低下しており、不完全燃焼時の火炎検知としての有効性が実証できる。
次に、触媒出口部温度Ｔ１１を８００℃に上昇させると、ＣＯ濃度は元の５ｐｐｍ以下に低下し、良好燃焼に戻っていることが判る。従って、この燃焼量では、触媒出口部温度Ｔ１１を８００℃付近で制御し、フレーム電流の下限界値を２μＡ程度とすれば、二重の燃焼安全構造とすることができる。そして、この燃焼量において、上記触媒出口部温度Ｔ１１及びフレーム電流が、この値以下となったときには、燃焼装置５０の運転を停止したり、供給する燃焼用空気量及び燃料量等を低下させたりする所定の安全制御を実行することが好ましく、このような安全制御を行う手段を安全制御手段とよぶ。
【００４７】
図６には、燃焼量が１．１ｋＷ（１０００ｋｃａｌ／ｈ）において、図５と同様の測定を行ったときの結果がしめされている。
この場合は、触媒出口部温度Ｔ１１が８００℃になると、不完全燃焼が生起していることが判る。このときのフレーム電流は０．３μＡまで低下している。しかし触媒出口部温度Ｔ１１を８４０℃とすれば、フレーム電流は０．７μＡまで増加し、元の良好燃焼に戻っている。
【００４８】
結果、均一気相燃焼の燃焼開始操作から、定常時のハイブリッド燃焼４．１ｋＷ〜０．７ｋＷ（３５００〜６００ｋｃａｌ／ｈ）の幅広い範囲において、触媒出口部温度Ｔ１１とフレーム電流の相関は良好であり、夫々の値を監視して、ハイブリッド燃焼の二重安全構造を実現することができる。
【００４９】
これらのテストにおいて、制御基本値としての触媒出口部温度Ｔ１１を測定する温度センサ２１の応答性は良好であり、また耐久性については、別に実施した１０１５℃における促進劣化テスト１０００ｈで指示値変化が全く無かった。燃焼装置では９００℃以下で温度センサを使用するので、実用性がある耐久性を有していることが判る。
【００５０】
〔比較例１〕
次に第１の比較例として、フレームロッド以外は上記実施の形態の燃焼装置５０と同様の構成で、触媒上方部位のフレームロッド２４ａ以外のフレームロッド２４ｂ，２４ｃを取り除き、上記フレームロッド２４ａの対極を燃焼触媒部１１が設けられた内筒２０側とした燃焼装置を用いて、フレーム電流を測定した。結果、燃焼開始時の触媒上方部位に火炎を形成する均一気相燃焼期間では、大きなフレーム電流が観測されたが、ハイブリッド燃焼に移行するとフレーム電流は殆ど観測されなくなった。また、フレーム電流のノイズレベルも大きかった。
【００５１】
〔比較例２〕
次に第２の比較例として、フレームロッド以外は上記実施の形態の燃焼装置５０と同様の構成の燃焼装置で、触媒上方部位のフレームロッド２４ａを一方の極とし、その他のフレームロッド２４ｂ，２４ｃを他方の極として、フレーム電流を計測した。結果、燃焼開始時の触媒上方部位に火炎を形成する均一気相燃焼期間では、大きなフレーム電流が観測されたが、ハイブリッド燃焼に移行するとフレーム電流は殆ど観測されなくなった。このためこのような構成は火炎検知としての使用は不可能であることが判る。
【００５２】
これまで説明してきたハイブリッド触媒燃焼装置に供給する燃料としては、都市ガス、天然ガスに限らず、ＬＰＧ、灯油気化ガスなど、各種の燃料を利用できる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のハイブリッド触媒燃焼装置及びそれを備えたファンヒータは、燃焼開始時から常時、燃焼触媒部後流の気相燃焼部の火炎の存在を監視でき、触媒出口部温度と連動して、二重の燃焼安全を図ることができ、安全性を大幅に向上できる。
また、市販のファンヒータにこのハイブリッド触媒燃焼装置を備えて、高空気比運転が可能となり、公害物質であるＮＯｘの発生を極限まで抑制し、ファンヒータを環境にやさしい機器として認知してもらうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置の実施の形態を示す全体概略図
【図２】図１に示す燃焼装置の側断面概略図
【図３】熱交換フィンの拡大斜視図
【図４】ハイブリッド触媒燃焼装置の燃焼開始及び高燃焼量における状態を示すグラフ図
【図５】ハイブリッド触媒燃焼装置の触媒出口部温度の変更によるフレーム電流の変化状態を示すグラフ図
【図６】ハイブリッド触媒燃焼装置の触媒出口部温度の変更によるフレーム電流の変化状態を示すグラフ図
【符号の説明】
１      ファン装置
１ａ    燃焼用ファン
４      混合気流路
１１    燃焼触媒部
１２    気相燃焼部
１４    排出部伝熱変換体
１５    排出口
１６    気相燃焼部伝熱変換体
１９    熱交換用フィン
１８    予熱部
２０    内筒
２１    温度センサ（温度検出手段）
２２    外部材
２４ａ    フレームロッド
２４ｂ    フレームロッド
２４ｃ    フレームロッド
２５      フレーム電流検出手段
５０    燃焼装置（ハイブリッド触媒燃焼装置）
１００  ファンヒータ
Ａ      空気
Ｅ      燃焼排ガス
Ｈ      暖房用温風
【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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