(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端開口の筒状に形成され、一方の開口端から支燃ガスが導入されるハウジングと、ハウジング内に向けて形成された噴射口からハウジング内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、ハウジング内の上記噴射口よりも下流位置に配設して内部に被加熱流体が流れる複数のチューブの外周に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する触媒部を形成してなる触媒付熱交換器とを有する触媒燃焼加熱装置において、上記ハウジング内には上記噴射口に近接しかつ上記チューブよりも上記一方の開口端側に温度検出手段を設け、上記温度検出手段による検出温度に基づいて気相燃焼の有無を判定する気相燃焼判定手段を備えることを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項２】
請求項１記載の触媒燃焼加熱装置において、上記温度検出手段は、上記ハウジング内に突出する上記燃料供給部の突出部に設けた触媒燃焼加熱装置。
【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、上記気相燃焼判定手段は、予め定めたしきい値と上記温度検出手段により検出した温度を比較することにより気相燃焼の有無を判定する手段である触媒燃焼加熱装置。
【請求項４】
両端開口の筒状に形成され、一方の開口端から支燃ガスが導入されるハウジングと、ハウジング内に向けて形成された噴射口からハウジング内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、ハウジング内の上記噴射口よりも下流位置に配設して内部に被加熱流体が流れる複数のチューブの外周に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する触媒部を形成してなる触媒付熱交換器とを有する触媒燃焼加熱装置において、上記ハウジング内には上記噴射口に近接しかつ上記チューブよりも上記一方の開口端側に温度検出手段を設け、上記温度検出手段による検出温度に基づいて気相燃焼の有無を判定することを特徴とする触媒燃焼加熱装置の気相燃焼判定方法。
【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器の熱源等に用いられ、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】
可燃性の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、家庭用、自動車用をはじめ様々な用途への利用が期待されている。このような触媒燃焼加熱装置は、両端開口の筒状に形成されたハウジングの一方の開口端から支燃ガスが導入されるとともに、燃料ガス供給部により、ハウジング内に向けて形成された噴射口から燃料ガスが噴射され、ハウジング内に燃料ガスと支燃ガスとの混合気の流れが生成される。そしてハウジング内には、水等の被加熱流体が流れるチューブが配設され、その外周に、酸化触媒を担持したフィン等の触媒部を形成して触媒付熱交換器が構成されている。触媒部においてこれに接触する燃料ガスが酸化反応し触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼による燃焼熱は、チューブ管壁を介して被加熱流体が受熱し、暖房等に用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで燃焼出力が高くなると、火炎が生じ気相燃焼となることがある。気相燃焼は触媒燃焼に比べて燃焼温度が高いため、装置の劣化をもたらし、例えば熱交換の効率が低下して暖房能力が弱くなる等の問題が生じる。そこで触媒部に温度センサを設けて触媒部の昇温を検出し、これから気相燃焼を検知するようにしたものがある。しかし気相燃焼が生じていても温度センサが火炎にさらされない限り検出温度が必ずしも異常とみなせる程上昇しない。このため触媒部のごく一部が異常な高温となって局所的に火炎が生じた場合には気相燃焼の発生が検知できない。その上、検出温度の、気相燃焼かどうかを判断するしきい値は、当然正常な触媒燃焼時における触媒部の温度よりも高い値に設定されるから、十分な確度で気相燃焼の発生を検知することができない。
【０００４】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、その目的は、高い確度でもって気相燃焼の発生を検知することのできる触媒燃焼加熱装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、両端開口の筒状に形成されたハウジング内に、ハウジングの一方の開口端から支燃ガスを導入し、ハウジング内にはまた、燃料ガス供給部により、ハウジング内に向けて形成された噴射口から燃料ガスを供給して支燃ガスと燃料ガスよりなる混合気流を生成せしめ、ハウジング内の上記噴射口よりも下流位置に内部を被加熱流体が流れる複数のチューブを配設しその外周に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する触媒部を形成して触媒付熱交換器となし、上記酸化反応による燃焼熱を被加熱流体が受熱する触媒燃焼加熱装置において、さらに上記ハウジング内には上記噴射口に近接しかつ上記チューブよりも上記一方の開口端側に温度検出手段を設け、上記温度検出手段による検出温度に基づいて気相燃焼の有無を判定する気相燃焼判定手段を備える。
【０００６】
触媒部の一部が異常高温になって混合気が発火すると、混合気流の最上流部である噴射口の近接位置で気相燃焼が生じるから、その火炎にさらされ上記噴射口に近接して設けられた温度検出手段は、常に検出温度が気相燃焼の高い燃焼温度に応じた温度まで上昇する。しかして温度検出手段により、気相燃焼が触媒部の一部の異常高温によるものであっても気相燃焼の発生が知られる。また上記温度検出手段が設けられる、上記噴射口に近接しかつ上記チューブよりも上記一方の開口端側は、正常な触媒燃焼時、燃焼前の燃料ガスと支燃ガスとが存在しているところであるから、触媒付熱交換器よりもかなり低温に保たれる。したがって気相燃焼発生時の検出温度の昇温幅が大きく検出感度がよい。しかして高い確度でもって気相燃焼の発生が知られる。
【０００７】
上記温度検出手段を設ける位置は、請求項２記載の発明のように上記ハウジング内に突出する上記燃料供給部の突出部とすることができる。請求項３のように、具体的には、。上記気相燃焼判定手段は、予め定めたしきい値と上記温度検出手段により検出した温度を比較することにより気相燃焼の有無を判定する手段である。
請求項４の発明は、両端開口の筒状に形成され、一方の開口端から支燃ガスが導入されるハウジングと、ハウジング内に向けて形成された噴射口からハウジング内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、ハウジング内の上記噴射口よりも下流位置に配設して内部に被加熱流体が流れる複数のチューブの外周に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する触媒部を形成してなる触媒付熱交換器とを有する触媒燃焼加熱装置の気相燃焼判定方法であり、上記ハウジング内には上記噴射口に近接しかつ上記チューブよりも上記一方の開口端側に温度検出手段を設け、上記温度検出手段による検出温度に基づいて気相燃焼の有無を判定する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の触媒燃焼加熱装置の縦断面を示し、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面を示す。触媒燃焼加熱装置は、ハウジング１と、これらと一体的に設けられた燃料ガス供給部２および触媒付き熱交換器３とを備えている。ハウジング１は両端が開口した断面四角形の筒状のもので、全体長の半分強を占める、一定の辺長の中央部１０３を有し、その両側部分１０４，１０５が一方の開口端１０１方向および他方の開口端１０２方向へ細る台形に成形され台形部１０４，１０５としてある。ハウジング１の一方の開口端１０１は支燃ガス供給口１０１としてあり、空気等の支燃ガスがハウジング１内に供給されるようになっている。ハウジング１の他方の開口端１０２は後述する燃焼後の排気ガスが排出される排気口１０２としてあり、ハウジング１内に支燃ガス供給口１０１から排気口１０２に到るガス流が形成されるようになっている。
【０００９】
燃料ガス供給部２は、ハウジング１内の中央部１０３に台形部１０４寄りに、対向するハウジング１壁間を橋渡しする複数の先端閉鎖の管状部２０１がハウジング１の軸線に対して直交する方向に並列配置してあり、その基端がハウジング１の周壁面に設けた、各管状部２０１に共通の管寄せ２０３と連通している。管寄せ２０３はこれに水素等の燃料ガスを供給する配管２０４が接続され、燃料ガスが管寄せ２０３を介して各管状部２０１に分配供給される。各管状部２０１には、支燃ガス供給口１０１側に複数の噴射口２０２が形成してあり、これから燃料ガスが台形部１０４に向けて、すなわち支燃ガス供給口１０１から流入する支燃ガス流に対抗するように噴射され、噴射口２０２近接位置において支燃ガスと燃料ガスとが良好に混合される。この混合気は噴射口２０２近接位置を最上流部とする混合気流を生成し触媒付き熱交換器３のあるガス流下流側へと流れる。
【００１０】
触媒付き熱交換器３は、ハウジング１内の中央部１０３の、燃料供給部２の管状部２０１よりもガス流下流側に、対向するハウジング１壁間を橋渡しする多数のチューブ３０１が配置してある。この多数のチューブ３０１は、ハウジング１の軸線方向に層状に配置され、各層３Ａ，３Ｂ，３Ｃにおいてチューブ３０１は、ハウジング１の軸線および燃料ガス供給部２の管状部２０１と直交する方向に並列配置される。
【００１１】
この３つの層３Ａ〜３Ｃのチューブ３０１は、管寄せ３０３，３０４，３０５，３０６により連結し、一つの管路を形成している。かかる管路の一端部である管寄せ３０３には導入路３０７から水等の被加熱流体が導入され、図に矢印で示すように、ガス流の下流側より上流側へ向かう被加熱流体の流れが形成される。被加熱流体は、管路の他端部である管寄せ３０６と連通する導出路３０８へと導出され、暖房用等に用いられる。
【００１２】
各チューブ３０１の外周には触媒部たる多数のフィン３０２がロー付け等の方法で接合されている。フィン３０２は、平板をリング状に成形したもので、その表面に白金やパラジウム等の酸化触媒が担持してある。
【００１３】
なお、フィン３０２の外径、数は、接合されるチューブ３０１内を流れる被加熱流体に必要な熱量に応じて適宜設定される。
【００１４】
触媒付き熱交換器３において、混合気を形成する燃料ガスがフィン３０２上の酸化触媒の作用で触媒燃焼しながら排気口１０３へ向かう。触媒燃焼により発生した燃焼熱は、フィン３０２からチューブ３０１に伝達され、管壁を介して内部を流れる被加熱流体を加熱する。排気ガスは排気口１０２から排出される。
【００１５】
ここで、被加熱流体の進行方向はガス流の流れ方向と逆方向であり、導入口３０７に近い層３Ａのチューブ３０１を流れる被加熱流体はまだ低温であり、排気口１０２から排出される直前の比較的温度の高い排気ガスから効率よく受熱する。被加熱流体はガス流の上流側に向かうにつれて高温に加熱され、ガス流上流側の層３Ｃのチューブ３０１内を流れる被加熱流体が最も高温となり、効率よく熱交換が行われるようになっている。
【００１６】
台形部１０４の中程には温度検出手段たる測温抵抗体等の温度センサ４が設けてある。温度センサ４は、ハウジング１壁に形成した取り付け用の穴に埋め込み固定してあり、台形部１０４位置におけるハウジング１内温度を検出するようになっている。その検出信号は、燃料ガスおよび支燃ガスの流量等、装置全体を制御するコンピュータに入力するようになっている。コンピュータには、気相燃焼が生じた時の台形部１０４におけるハウジング１内温度が、気相燃焼の有無を判定するしきい値として記憶してあり、コンピュータが検出温度としきい値とを比較して気相燃焼の有無を判定するようになっている。
【００１７】
上記触媒燃焼加熱装置の作動を説明する。正常に触媒燃焼が行われている時には、触媒付き熱交換器３のチューブ３０１およびフィン３０２は気相燃焼時に比べると低温であり、また触媒燃焼がフィン３０２表面において行われることで、燃焼熱はフィン３０２からチューブ３０１に伝達されて、効率よくチューブ３０１内を流れる被加熱流体と熱交換するから、ハウジング１内は全体的にあまり温度が高くならない。しかも温度センサ４が設置されている台形部１０４等の、チューブ３０１よりも上流側は支燃ガスの流通や、支燃ガスと燃料ガスとの混合が行われているので、温度センサ４の検出する温度は、燃焼出力の変化時であっても低温で安定している。
【００１８】
さて各層３Ａ，３Ｂ，３Ｃのフィン３０２の表面では、それぞれ触媒燃焼が行われるが、混合気の濃度はガス流上流側ほど高いから、最も上流側の層３Ｃにおいて最も多く熱量が発生し、支燃ガスの供給不足などでガス流上流側の層３Ｃが異常な高温となりやすい。また本実施形態では上記のごとく被加熱流体の流れる方向がガス流とは反対方向としているので、ガス流上流側の層３Ｃのチューブ３０１を流れる被加熱流体の温度が最も高くなり、この傾向がより強い。ガス流上流側の層３Ｃが異常高温となって混合気が発火すると、火炎は、混合気流の最上流部である燃料供給部２の噴射口２０２の近接位置で形成される。
【００１９】
この火炎にさらされ、燃料供給部２の噴射口２０２と近接するハウジング１の台形部１０４が燃焼熱により昇温するが、気相燃焼では燃焼温度が高いから相当高温となる。一方、気相燃焼が発生することで、フィン３０２はガス流上流側の層３Ｃであっても効率よく受熱できないため昇温は抑えられる。
【００２０】
したがって従来の、温度センサをフィン３０２に設けた装置では、気相燃焼を検知することが困難であるのに対して、本発明では、温度センサ４は台形部１０４に取り付けてあるから、上記のごとくガス流上流側の層３Ｃだけが異常高温となっても火炎にさらされて検出温度が気相燃焼の燃焼温度に応じて上昇し、所定のしきい値を越えると上記コンピュータにより気相燃焼発生と判定される。また触媒燃焼時と気相燃焼発生時とで温度差がはっきり顕れる位置に温度センサ４を設けているので、気相燃焼の検知感度がよい。しかして常に高い確度で気相燃焼が検知できる。
【００２１】
なお本実施形態では温度センサ４はハウジング１の台形部１０４に設けているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、燃料ガス供給部２の噴射口２０２に近接しチューブ３０１よりもガス流上流側位置であればよく、例えば燃料供給部２のハウジング１内への突出部である管状部２０１に設けてもよい。
【００２２】
また本発明は被加熱流体の流れる方向とガス流とが同じ方向の装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
１０１  支燃ガス供給口（一方の開口端）
１０２  排気口
２  燃料ガス供給部
２０１  管状部（突出部）
２０２  噴射口
３  触媒付き熱交換器
３０１  チューブ
３０２  フィン（触媒部）
４  温度センサ（温度検出手段）
【図１】
0003863978.tif 000002
【図２】
0003863978.tif 000003