(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気の混合ガス供給部と、前記混合ガス供給部の流れ方向下流側に、対向して設けられた、通気性を有する２枚の平面状の触媒体と、前記２枚の触媒体の間に形成された混合気経路とを備え、前記混合気経路に、被加熱流体を入れた熱交換部を有する輻射受熱体が、前記触媒体に対面した状態で設けられていることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項２】
前記輻射受熱体の混合気上流側に整流部が設けられた請求項１記載の触媒燃焼装置。
【請求項３】
燃料と空気の混合ガス供給部と、前記混合ガス供給部の流れ方向下流側に、対向して設けられた、通気性を有する２枚の平面状の触媒体と、前記２枚の触媒体の間に形成された混合気経路とを備え、前記混合気経路に、被加熱流体が内部を流れる熱交換部を外部から間接加熱するための熱媒体を封入した輻射間接受熱体が、前記触媒体に対面した状態で設けられていることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項４】
前記輻射受熱体の受熱面側が高輻射材で被覆されている請求項１記載の触媒燃焼装置。
【請求項５】
前記輻射間接受熱体の受熱面側が高輻射材で被覆されている請求項３記載の触媒燃焼装置。
【請求項６】
前記輻射受熱体の上流側に電気ヒータが設けられ、燃焼開始時に前記電気ヒータに通電し、燃焼用空気を流入して２枚の平面状の触媒体を加熱した後、前記電気ヒータへの通電を停止し、燃料を供給して触媒燃焼を開始する請求項１記載の触媒燃焼装置。
【請求項７】
前記輻射間接受熱体の上流側に電気ヒータが設けられ、燃焼開始時に前記電気ヒータに通電し、燃焼用空気を流入して２枚の平面状の触媒体を加熱した後、前記電気ヒータへの通電を停止し、燃料を供給して触媒燃焼を開始する請求項３記載の触媒燃焼装置。
【請求項８】
２枚の平面状の触媒体の外側に排気経路を介して排気熱交換体が設けられた請求項１又は３記載の触媒燃焼装置。
【請求項９】
前記排気熱交換体の内面に突出部が設けられ、前記排気熱交換体の内面側が高輻射材で被覆されている請求項８記載の触媒燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として、家庭用、または業務用の給湯、暖房に適用する触媒燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
白金やパラジウム等の貴金属触媒をコージライト等の坦体に担持した触媒体を触媒燃焼させ、熱交換部を設けて燃焼熱を暖房等に利用する触媒燃焼装置が提案されている（例えば、特願平４−３０２３４７）。この従来の触媒燃焼装置では、ハニカム状の触媒体の、混合気上流側に触媒体からの輻射を受けるように熱交換部を設置しており、触媒燃焼開始時は予熱バーナで火炎燃焼させて触媒体を活性化温度以上に加熱した後、混合気の供給を停止して予熱バーナの火炎を消炎させ、再び、混合気を供給して触媒燃焼させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の触媒燃焼装置には以下のような課題がある。
【０００４】
まず、触媒燃焼は燃焼温度が低いため、熱交換量を増加させようとすると、触媒体が大きくなり、機器全体として小型化を実現し難かった。触媒体が大きくなると、特に低燃焼量領域で燃焼安定性が不十分となりやすく、燃焼量可変範囲を拡大し難くなる。一方、触媒体を小さくして小型化を図ろうとすると、触媒体の温度が上昇し、耐熱限界を超えてしまうという課題があった。また、触媒燃焼開始時に予熱バーナで火炎燃焼させた後、混合気の供給を停止して予熱バーナの火炎を消炎させ、再び、混合気を供給して触媒燃焼させる方法は制御が複雑になりやすいとともに、火炎燃焼時に窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生するという課題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の触媒燃焼装置の課題を考慮し、小型化を図ることができるとともに、燃焼量可変範囲（ＴＤＲ）を拡大することも可能となる触媒燃焼装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、第一の手段として、燃料と空気の混合ガス供給部と、混合ガス供給部の流れ方向下流に対向して設けた通気性を有する２枚の平面状の触媒体と、２枚の触媒体の間に形成した混合気経路を設け、混合気経路に、被加熱流体を入れた熱交換部を有する輻射受熱体を触媒体が、触媒体に対面して設けられている触媒燃焼装置とする。
【０００７】
第二の手段として、燃料と空気の混合ガス供給部と、混合ガス供給部の流れ方向下流に対向して設けた通気性を有する２枚の平面状の触媒体と、２枚の触媒体の間に形成した混合気経路を設け、混合気経路に、被加熱流体が内部を流れる熱交換部を外部から間接加熱するための熱媒体を封入した輻射間接受熱体が、触媒体に対面して設けられている触媒燃焼装置とする。
【０００８】
第三の手段として、前記輻射受熱体の上流側に電気ヒータが設けられ、燃焼開始時に前記電気ヒータに通電し、燃焼用空気を流入して２枚の平面状の触媒体を加熱した後、前記電気ヒータへの通電を停止し、燃料を供給して触媒燃焼を開始する第一の手段の触媒燃焼装置とする。
【０００９】
第四の手段として、前記輻射間接受熱体の上流側に電気ヒータが設けられ、燃焼開始時に前記電気ヒータに通電し、燃焼用空気を流入して２枚の平面状の触媒体を加熱した後、前記電気ヒータへの通電を停止し、燃料を供給して触媒燃焼を開始する第二の手段の触媒燃焼装置とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、図面を用いて本発明の実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１の断面図である。実施の形態１の触媒燃焼装置の主要部は、触媒体１、触媒体支持２、固定板３、燃焼室壁４、輻射受熱体５、輻射受熱体５の熱交換部５ａ、輻射受熱体５の受熱板部５ｂ、整流部６、混合気経路７、排気熱交換体８、排気熱交換体８の熱交換部８ａ、排気熱交換体８の突出部（フィン）８ｂ、排気経路９、排気孔１０で構成している。
【００１２】
触媒体１は通気性を有するコージライトハニカムを担体とし、パラジウム、白金等の貴金属系触媒を担持したものである。触媒体１は２枚、混合気上流側が内側になるように所定距離を設けて対向させている。輻射受熱体５は２枚の触媒体１の間に輻射を受けやすいように触媒体１に対向して設けており、輻射受熱体５の両側に受熱板部５ｂを設け、受熱板部５ｂの間に熱交換部５ａをはさみこむようにして接合している。熱交換部５ａには被加熱流体を入れている。整流部６は輻射受熱体５の混合気上流側に設けている。触媒体１の外側に排気経路９を介して排気熱交換体８を設置しており、排気熱交換体８の外側に熱交換部８ａを設けている。混合気経路７の上流側には、混合気噴出孔１１、混合ガス供給部１２を設けており、混合気噴出孔１１の下流側に点火ヒータ１３を設置している。
【００１３】
次に、本実施の形態の動作について説明を行なう。
【００１４】
まず、燃焼開始時には点火ヒータ１３に通電して混合気を混合ガス供給部１２から供給し、混合気噴出孔１１に火炎を形成し、触媒体１を活性化温度以上に加熱した後、燃料の供給を停止して混合気噴出孔１１の火炎を消炎させ、再び、燃料を供給して触媒燃焼させる。触媒燃焼時に触媒体１の上流面が赤熱され、上流側に放射エネルギーが射出される。この放射エネルギーは輻射受熱体５で吸収されて再び熱エネルギーに変換されることにより、触媒体１から輻射受熱体５へ放射伝熱される。その後、熱エネルギーは熱伝導により、輻射受熱体の受熱板部５ｂから熱交換部５ａを通り、さらに対流熱伝達により、熱交換部５ａ内の被加熱流体へ伝熱される。放射伝熱は混合気の流れを乱さないため、触媒体１上流面における燃焼反応が阻害されることがなく、被加熱流体への熱交換量を増加させても燃焼安定性を確保することができる。
【００１５】
触媒体１を通過した燃焼ガスは外側の排気経路９を通り、排気孔１０から排出される。排気経路９では、燃焼ガスの熱が対流熱伝達により、排気熱交換体８へ伝熱される。触媒体１の下流側表面温度が高い時には、触媒体１から排気熱交換体８への放射伝熱も有効となる。その後、熱は熱伝導により、排気熱交換体の突出部（フィン）８ｂから熱交換部８ａを通り、さらに対流熱伝達により、熱交換部８ａ内の被加熱流体へ伝熱される。
【００１６】
この構成により、高燃焼量領域において、触媒体１の上流側表面温度を低減して耐熱限界温度以下に抑制し、高負荷タイプの熱交換一体型触媒燃焼器を実現できるため、機器の小型化が可能となる。
【００１７】
このように、混合ガス供給部１２と、混合ガス供給部１２の流れ方向下流に対向して設けた通気性を有する２枚の平面状の触媒体１と、２枚の触媒体１の間に形成した混合気経路７を設けることにより、触媒燃焼装置として、小型化を図ることができるとともに、触媒体１上流側を保温領域とし、低燃焼量領域における燃焼安定性を向上させて燃焼量可変範囲（ＴＤＲ）を拡大することも可能となる。
【００１８】
また、輻射受熱体５の混合気上流側に整流部６を設けることにより、よどみ点を形成して混合気の流れを均一化するとともに、混合気の濃度分布を改善し、触媒反応の均一化を促進することができる。また、混合気噴出孔１１に火炎を形成する時には、整流部６が保炎作用を成し、火炎安定性を高めることもできる。
【００１９】
また、２枚の平面状の触媒体１の外側に排気経路９を介して排気熱交換体８を設けることにより、輻射伝熱も活かし、機器として、小型高効率化を図ることが可能となる。
【００２０】
また、排気熱交換体８の内面に突出部（フィン）８ｂを設け、排気熱交換体８の内面側を高輻射材で被覆することにより、伝熱面積を増加させて対流熱伝達性能を高めるとともに、触媒体１からの放射伝熱効率も向上させることができる。
【００２１】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は実施の形態２の断面図である。実施の形態２の触媒燃焼装置には被加熱流体を入れた熱交換部５ａを有する輻射受熱体５がなく、輻射受熱板１４を設けている。輻射受熱板１４としては、アルミ合金を用いているが、熱伝導率が高く、耐熱性が優れているものであれば良い。
【００２２】
実施の形態２では、触媒体１からの放射エネルギーを輻射受熱板１４で吸収し、熱エネルギーに変換することにより、触媒体１から輻射受熱板１４へ放射伝熱される。その後、熱エネルギーは熱伝導により、輻射受熱板１４から排気熱交換体の熱交換部８ａを通り、さらに対流熱伝達により、熱交換部８ａ内の被加熱流体へ伝熱される。輻射受熱板１４から排気熱交換体８の熱交換部８ａまでが熱抵抗となるため、実施の形態１に比較すると、触媒体１から被加熱流体への伝熱効率は低下しやすいが、機器構成を簡素化できるため、低コスト化が可能となる。また、熱交換部８ａ近傍に熱抵抗があるため、液体燃料を使用した場合にタール等を生成することがなく、信頼性を確保することができる。
【００２３】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図３は実施の形態３の断面図である。実施の形態３の触媒燃焼装置には、混合気経路７に、輻射間接受熱体１６を触媒体１に対面して設けている。この輻射間接受熱体１６には、熱媒体１５が封入され、その中に、被加熱流体を入れた熱交換部５ａが配接されている。熱媒体１５としては、エチレングリコール水溶液を用いているが、冷凍サイクル等で用いられるブライン類で良い。
【００２４】
実施の形態３では、触媒体１からの放射エネルギーを輻射間接受熱体１６で吸収し、熱エネルギーに変換することにより、触媒体１から輻射間接受熱体１６へ放射伝熱される。その後、熱エネルギーは対流熱伝達により、熱媒体１５を介して熱交換部５ａ内の被加熱流体へ伝熱される。熱媒体１５による間接加熱のため、実施の形態１に比較すると、触媒体１から被加熱流体への伝熱効率は低下しやすいが、均一加熱を実現できるため、被加熱流体を局部的に過熱することがなく、機器として、信頼性を高めることが可能となる。
【００２５】
輻射受熱体５、輻射受熱板１４、または輻射間接受熱体１６の受熱面側を高輻射材で被覆することにより、触媒体１からの放射伝熱効率を向上させることができる。
【００２６】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図４は実施の形態４の断面図である。実施の形態４の触媒燃焼装置には点火ヒータ１３がなく、触媒体予熱用電気ヒータ１７を設けている。実施の形態４では、触媒体予熱用電気ヒータ１７を輻射受熱体５の上流側に設けているが、図２の輻射受熱板１４や図３の輻射間接受熱体１６の上流側に設けても良い。
【００２７】
燃焼開始時には触媒体予熱用電気ヒータ１７に通電し、燃焼用空気を流入して２枚の平面状の触媒体１を活性化温度以上に加熱した後、触媒体予熱用電気ヒータ１７への通電を停止し、燃料を供給して触媒燃焼を開始する。触媒体１を対流熱伝達により、均一に予熱できるとともに、触媒体１を火炎予熱する場合と異なり、ＮＯｘの発生がなく、立ち上げ時の制御も容易である。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の触媒燃焼装置によれば、次のような効果を得ることができる。
【００２９】
すなわち、２枚の平面状の触媒体を対向させ、触媒体の間に混合気経路を形成することにより、触媒燃焼装置として、小型化を図ることができるとともに、触媒体上流側を保温領域とし、低燃焼量領域における燃焼安定性を向上させて、ＴＤＲを拡大することも可能となる。
【００３０】
２枚の触媒体の間の混合気経路に、被加熱流体を入れた熱交換部を有する輻射受熱体を触媒体に対面して設けることにより、高燃焼量領域において、触媒体の上流側表面温度を低減して耐熱限界温度以下に抑制し、高負荷タイプの熱交換一体型触媒燃焼器を実現することができる。
【００３１】
混合気経路に、輻射受熱板を触媒体に対面して設けることにより、機器構成を簡素化し、低コスト化を図れるとともに、液体燃料を使用した場合にタール等の生成を防止することができる。
【００３２】
混合気経路に、被加熱流体を入れた熱交換部を外部から間接加熱する熱媒体を封入した輻射間接受熱体を触媒体に対面して設けることにより、均一加熱を実現できるため、被加熱流体を局部的に過熱することがなく、機器として、信頼性を高めることが可能となる。
【００３３】
輻射受熱体等の上流側に電気ヒータを設け、燃焼開始時に電気ヒータに通電し、燃焼用空気を流入して触媒体を加熱した後、電気ヒータへの通電を停止し、燃料を供給して触媒燃焼を開始することにより、触媒体を対流熱伝達により、均一に予熱できるとともに、ＮＯｘの発生がなく、立ち上げ時の制御も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の触媒燃焼装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態２の触媒燃焼装置の断面図
【図３】本発明の実施の形態３の触媒燃焼装置の断面図
【図４】本発明の実施の形態４の触媒燃焼装置の断面図
【符号の説明】
１  触媒体
５  輻射受熱体
６  整流部
７  混合気経路
８  排気熱交換体
１４  輻射受熱板
１５  熱媒体
１６  輻射間接受熱体
１７  触媒体予熱用電気ヒータ
【図１】
0003779792.tif 000002
【図２】
0003779792.tif 000003
【図３】
0003779792.tif 000004
【図４】
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