(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を被加熱流体が流れるチューブの外表面側に酸化触媒を担持した酸化触媒層を形成した触媒付熱交換器を備え、触媒付熱交換器の表面に燃料ガスを供給して燃料ガスの酸化反応によって発生する熱により被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記チューブの外表面に熱抵抗を有する熱抵抗層を介して上記酸化触媒層を積層形成し、かつ該熱抵抗層を、上記チューブ外表面と上記酸化触媒層内表面とに当接して両表面間の熱の移動を抑制する多孔質セラミックス層にて形成したことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項２】
内部を被加熱流体が流れるチューブの外表面側に酸化触媒を担持した酸化触媒層を形成した触媒付熱交換器を備え、触媒付熱交換器の表面に燃料ガスを供給して燃料ガスの酸化反応によって発生する熱により被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記触媒付熱交換器を、上記酸化触媒層と上記チューブの外表面間に熱抵抗を有する熱抵抗層を形成した第１の触媒付熱交換器と、チューブの外表面に酸化触媒層を直接形成した第２の触媒付熱交換器とで構成し、第２の触媒付熱交換器を第１の触媒付熱交換器の下流側に設置して、第１の触媒付熱交換器のチューブ内を通過して加熱された被加熱流体が第２の触媒付熱交換器のチューブ内に流入するようにな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】
本発明は家庭や車両の暖房用等に用いられる触媒燃焼加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
触媒燃焼加熱装置は、酸化触媒を使って燃料ガスを酸化反応させ、酸化反応により発生する熱を液体の加熱に用いるもので、内部を作動流体である被加熱流体が流れるチューブの外表面に酸化触媒を担持した酸化触媒層を形成した触媒付熱交換器を備えている。酸化触媒において発生する反応熱が酸化触媒層、チューブ壁を介してチューブ内に伝導し、チューブ内を流れる被加熱流体が加熱される。特開昭５９−１８３０２号公報記載の熱回収用触媒型熱交換器を備える燃焼装置では、被加熱流体が水であるエコノマイザ（給水加熱器）としたものが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで燃料ガスの酸化反応は、酸化触媒および燃料ガスの種類等により決定される反応開始温度以上において可能であり、燃料ガスの不完全な反応を防止するには酸化触媒は反応開始温度よりもさらに高い温度（完全反応温度）に維持する必要がある。
【０００４】
しかしながら触媒付熱交換器に流入する被加熱流体の温度は季節等で異なる。被加熱流体の温度が低いと触媒温度が低下して酸化反応が不完全になり、受放熱のバランスによっては不完全反応領域が拡大し熱交換器全体が運転不能状態に陥るという問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、触媒付熱交換器に流入する被加熱流体の温度が低い場合にも触媒の酸化反応を維持することのできる触媒燃焼加熱装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、内部を被加熱流体が流れるチューブの外表面側に酸化触媒を担持した酸化触媒層を形成した触媒付熱交換器を備え、触媒付熱交換器の表面に燃料ガスを供給して燃料ガスの酸化反応によって発生する熱により被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記チューブの外表面に熱抵抗を有する熱抵抗層を介して上記酸化触媒層を積層形成し、かつ該熱抵抗層を、上記チューブ外表面と上記酸化触媒層内表面とに当接して両表面間の熱の移動を抑制する多孔質セラミックス層にて形成する。
【０００７】
被加熱流体が低温であっても、酸化触媒層とチューブの外表面間に熱抵抗層が形成されているので、酸化触媒層の温度低下が防止され、酸化触媒層は酸化反応を維持することができる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、燃料ガスが供給されてその酸化反応により被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を、第１の触媒付熱交換器と、第１の触媒付熱交換器の下流側に設置され、そのチューブ内を通過して加熱された被加熱流体が流入する第２の触媒付熱交換器とで構成する。第１の触媒付熱交換器は、燃料ガスの酸化反応が行われる酸化触媒層と上記チューブの外表面間に熱抵抗を有する熱抵抗層が形成された構造とする。第２の触媒付熱交換器はチューブの外表面に酸化触媒層を直接形成した構造とする。
【０００９】
被加熱流体が低温であっても、第１の触媒付熱交換器には酸化触媒層とチューブの外表面間に熱抵抗層が形成されているので、酸化触媒層の温度低下が防止され、酸化触媒層は酸化反応を維持する。この反応熱により被加熱流体は加熱され、温度が上昇して第２の触媒付熱交換器に流入する。第２の触媒付熱交換器では酸化触媒層から直接、チューブ壁を介してチューブ内の被加熱流体に良好に熱が移動し被加熱流体が高温に加熱される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明の触媒燃焼加熱装置を示す。触媒燃焼加熱装置のケーシング５の両端にそれぞれ可燃ガスと空気等との混合ガスが導入されるガス入口５ａと、ケーシング５内を通過したガスが排気される排気口５ｂとが形成してある。
【００１１】
ケーシング５には、ガス入口５ａ側にこれを塞ぐ分流板６が設けてある。分流板６は全面に多数の小孔を形成したもので、ガス入口５ａより流入した燃料ガスが分流し、各小孔６ａから平均的にケーシング５内に吹き出すようになっている。しかしてケーシング５内には分流板６より排気口５ｂに向かう燃料ガスの均等な流れが形成される。
【００１２】
ケーシング５内には、分流板６側よりヒータ７、触媒付熱交換器１が格納してある。ヒータ７は装置の始動時に触媒付熱交換器１を予熱する電気ヒータである。触媒付熱交換器１は、内部が単一、あるいは複数の管路で形成されたもので、管路の一端は被加熱流体が供給される導入口１ａとしてあり、管路の他端は被加熱流体が流出する排出口１ｂとしてある。
【００１３】
図２（ａ），（ｂ）は触媒付熱交換器１の管路の一部を示すものである。内部を被加熱流体が流れる断面円形のチューブ２と、その外表面に形成した酸化触媒層３と熱抵抗層４とでなる。チューブ２は線膨張率の小さいステンレス鋼等の金属管としてある。最外層の酸化触媒層３は数十μｍ厚で、白金やパラジウム等の酸化触媒をγ−アルミナ等を担体として担持せしめてある。中間層の熱抵抗層４は数百μｍ厚で、シリカやアルミナ等の多孔質セラミックス製としてある。多孔質セラミックスはステンレス鋼等の金属に比して熱抵抗が大きく、しかもアルミナ等を酸化触媒の担体とした酸化触媒層３との結合性もよい。
【００１４】
触媒付熱交換器１を製作するには、まず裸のチューブ２を用意し、熱抵抗層４および酸化触媒層３はコーティングと熱処理とを行って形成する。
【００１５】
上記触媒燃焼加熱装置の作動を説明する。始動時には、まずヒータ７が通電するとともに、空気がガス入口５ａより導入される。分流板６の小孔６ａからケーシング５内に吹き出した空気がヒータ７により加熱されて触媒付熱交換器１の酸化触媒層３が昇温する。酸化触媒層３の温度が酸化触媒の反応開始温度よりも高くなった時点で、ガス入口５ａからの供給ガスを空気から燃料ガスに切り換える。一方、触媒付熱交換器１の導入口１ａより被加熱流体が供給される。
【００１６】
分流板６の小孔６ａからケーシング５内に吹き出した燃料ガスは、触媒付熱交換器１通過時に、その最外層の酸化触媒層３において酸化反応し、その反応熱が熱抵抗層４およびチューブ２壁を伝導し、この熱によりチューブ２内を流れる被加熱流体が加熱される。昇温した被加熱流体は排出口１ｂより流出する。酸化反応した燃料ガスはケーシング５の排気口５ｂより排気される。
【００１７】
ここで触媒付熱交換器１に導入される被加熱流体の温度が低い場合を、従来の触媒燃焼加熱装置と対比しつつ説明する。図３は触媒付熱交換器の管径方向の垂直な部分断面を示すもので、（ａ）が本発明の触媒燃焼加熱装置のもので、（ｂ）が上記従来の触媒燃焼加熱装置のものである。従来の触媒燃焼加熱装置の触媒付熱交換器はチューブ２の外表面に酸化触媒層３が直接形成されている。
【００１８】
図４は、触媒付熱交換器の径方向における温度分布を示すもので、実線が本発明のものを、破線が図３（ｂ）の触媒付熱交換器のものを示している。図中、ｘ1 ，ｘ2 ，ｘ3 ，ｘ4 は図３に示すようにチューブ壁２、熱抵抗層４、酸化触媒層３の境界位置とチューブ内周面間距離を表している。
【００１９】
従来の触媒付熱交換器では、チューブ２内を流れる被加熱流体が低温の場合、酸化触媒層３から大量の熱が急に被加熱流体に移動し、予熱された酸化触媒層３の温度が低下し、反応開始温度をも割るおそれがある。また反応が開始しても酸化触媒層３において燃料ガスの不完全な酸化反応が起きると、発生する反応熱は一層減少するから、酸化触媒層３の温度低下が一層進行して酸化触媒層３における酸化反応が停止するおそれがある。
【００２０】
これに対し本発明では、チューブ２内部を流れる被加熱流体が低温であっても、熱抵抗層４が有する熱抵抗により、酸化触媒層３からチューブ２内への熱の移動が抑制され触媒付熱交換器１の径方向の温度勾配が小さくならない。しかして酸化触媒層３は完全反応温度から低下することなく、燃料ガスの酸化反応が維持される。
【００２１】
（第２実施形態）
図５に本発明の第２の触媒燃焼加熱装置を示す。二系統の触媒付熱交換器を並設して構成したもので、図中、第１実施形態における要素と同一要素については同一番号を用い、第１実施形態との相違点を中心に説明する。触媒付熱交換器１Ａは第１の触媒付熱交換器１１と第２の触媒付熱交換器１２とで構成してある。第１の触媒付熱交換器１１は第１実施形態の触媒付熱交換器のごとく管路がチューブに酸化触媒層と熱抵抗層とを形成したものである。第２の触媒付熱交換器１２は従来の触媒付熱交換器のごとく管路がチューブの外表面に酸化触媒層を直接コーティングしたもの（図３（ｂ）参照）である。
【００２２】
第１および第２の触媒付熱交換器１１，１２は第１の触媒付熱交換器１１の出口が第２の触媒付熱交換器１２の入口と接続管８により接続してあり、第１の触媒付熱交換器１１により加熱された被加熱流体が第２の触媒付熱交換器１２に流入するようになっている。
【００２３】
本実施形態の触媒燃焼加熱装置の作動を説明する。第１、第２の触媒付熱交換器１１，１２の各酸化触媒層がヒータ７により反応開始温度に達すると、燃料ガスが燃料ガス入口５ａよりケーシング５内に導入され、触媒付熱交換器１１，１２表面の酸化触媒層において酸化反応し、触媒付熱交換器１１，１２のチューブ内を流れる被加熱流体を加熱する。
【００２４】
被加熱流体の導入温度が低い場合について説明する。触媒付熱交換器１Ａの導入口１ａより導入された低温の被加熱流体は、まず第１の触媒付熱交換器１１のチューブ内を流れる。第１の触媒付熱交換器１１はチューブの外表面と酸化触媒層間に熱抵抗層が形成されているから、第１実施形態のごとく熱抵抗層が有する熱抵抗により酸化触媒層温度が完全反応温度から低下することなく、燃料ガスの酸化反応が維持される。
【００２５】
この酸化反応による反応熱により第１の触媒付熱交換器１１のチューブ内を流れる被加熱流体が加熱されるから、被加熱流体は第２の触媒付熱交換器１２に流入するときには導入温度から相当上昇している。したがって第２の触媒付熱交換器１２では酸化触媒層から被加熱流体への熱の移動によっては酸化触媒層の温度が反応開始温度を割ることがないから、酸化触媒層における酸化反応が不完全になることなく良好に維持される。第２の触媒付熱交換器１２は酸化触媒層が直接チューブ外表面に形成されているから熱伝導性がよく、チューブ内を流れる被加熱流体は高い温度まで上昇し、触媒付熱交換器１Ａの排出口１ｂから流出する。
【００２６】
なお上記各実施形態では、ヒータにより分流板から吹き出す空気を加熱して触媒付熱交換器を予熱するようにしたが、ヒータとして表面に酸化触媒層を形成した電気ヒータを用い、電気ヒータにより酸化触媒層を加熱し、昇温した酸化触媒層において燃料ガスを酸化反応せしめ、この反応熱により触媒付熱交換器を予熱するようにしてもよい。
【００２７】
上記各実施形態では、チューブは図２に示したように断面形状が円形の標準的なものを用いたが、矩形や、図６に示すように楕円形にしてもよい。また図７に示すように断面形状を星型にして表面積を大きくし、熱交換能力を高めたものでもよい。図８は、更に他のチューブの態様を示すもので、被加熱流体が流れる方向に平行な断面を示すものである。この態様でも被加熱流体が流れる方向に節９を形成して表面積を大きくし、熱交換能力を高めることができる。またチューブの材質は線膨張率の小さいステンレス鋼等の金属管としたが、従来の触媒付熱交換器のチューブにおいても使われた銅やアルミニウム等が用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の触媒燃焼加熱装置の全体概要図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１の触媒燃焼加熱装置の要部の斜視図であり、（ｂ）は上記要部の断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１の触媒燃焼加熱装置の要部の部分断面図であり、（ｂ）は本発明と比較される従来の触媒燃焼加熱装置の要部の部分断面図である。
【図４】本発明の第１の触媒燃焼加熱装置の作動を説明するグラフである。
【図５】本発明の第２の触媒燃焼加熱装置の全体概要図である。
【図６】本発明の触媒燃焼加熱装置の要部の第１の他の態様を示す断面図である。
【図７】本発明の触媒燃焼加熱装置の要部の第２の他の態様を示す断面図である。
【図８】本発明の触媒燃焼加熱装置の要部の第３の他の態様を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ  触媒付熱交換器
１１  第１の触媒付熱交換器
１２  第２の触媒付熱交換器
２  チューブ
３  酸化触媒層
４  熱抵抗層
【図１】
0003761647.tif 000002
【図２】
0003761647.tif 000003
【図３】
0003761647.tif 000004
【図４】
0003761647.tif 000005
【図５】
0003761647.tif 000006
【図６】
0003761647.tif 000007
【図７】
0003761647.tif 000008
【図８】
0003761647.tif 000009