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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung,
insbesondere für
eine Heizvorrichtung, verwendet für eine Heizeinrichtung, ein
Heißwasserversorgungssystem,
eine Klimaanlage, und dergleichen.
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Anstelle
der herkömmlichen
Verbrennungsvorrichtung, die eine Flamme bildet, ist eine katalytische
Verbrennungsvorrichtung vorgeschlagen worden, bei der die Emission
von Stickstoffoxiden stark verringert ist und das Abgas gereinigt
ist. Allerdings erreicht, falls die katalytische Verbrennungsvorrichtung
mit derselben Verbrennungsintensität (Verbrennungsmenge pro Verbrennungskammervolumen)
betrieben wird, wie diejenige der Flammen-Verbrennungsvorrichtung,
die Temperatur des Katalysatorkörpers
1200°C oder
höher,
was die Wärmebeständigkeitsgrenze
des Katalysators übersteigt,
so dass die Lebensdauer merkbar verringert wird.
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Als
Mittel, um dieses Problem einer Verbrennungsintensität zu lösen, wie
dies, zum Beispiel, in einer Ausführungsform der japanischen
Patentanmeldung No. 7-316888, angezeigt in 16, dargestellt ist, ist ein Verbrennungssystem
erhältlich,
das aus einem ersten, katalytischen Verbrennungsabschnitt 104 mit
einem System zum gleichzeitigen Ausführen einer Verbrennung und
eines Wärmeaustauschs
und einem zweiten, katalytischen Verbrennungsabschnitt 112 mit
einem Waben-Katalysatorkörper 114,
vorgesehen an der Ausströmseite
des ersten, katalytischen Verbrennungsabschnitt 104, aufgebaut
ist. Der Brennstoff verbrennt hauptsächlich während einer Durchführung eines
Wärmeaustauschs
in dem ersten, katalytischen Verbrennungsabschnitt 104,
so dass die Temperatur nicht, im Gegensatz zu der Flammen-Verbrennung,
ansteigt, und eine natürliche
Flamme wird nicht gebildet. Der verbleibende, magere Brennstoff
wird katalytisch in dem zweiten, katalytischen Verbrennungsabschnitt 112 an der
Ausströmseite
verbrannt. Hier wird der Vorteil einer katalytischen Verbrennung,
brennend auch dann, wenn der Kraftstoff mager ist, verwendet. Der
erste, katalytische Verbrennungsabschnitt 104, der die Charakteristika
einer hohen Wärmeübertragung
einer Verbrennung eines Katalysators 107 verwendet, ist
mit dem Katalysatorkörper 107 in
der Nähe
einer Wärmeaufnahmerippe 105 vorgesehen,
was einen katalytischen Verbrennungsabschnitt vom Wärmeaustauschtyp
bildet. Das Wasser in einem Kühlweg 108 wandelt
sich in warmes Wasser, in dem ersten, katalyti schen Verbrennungsabschnitt 104 und
einem Abgaswärme-Zurückgewinnungsabschnitt 104,
um. Da die Wärmeaufnahmerippe 105 für einen
Wärmeaustausch
direkt durch den Katalysatorkörper 107 abgedeckt
ist, ist die Wärmeübertragungsrate
von erzeugter Wärme
in dem Katalysator 107 auf die die Wärme aufnehmende Rippe 105 hoch.
Deshalb ist dieses System ein kompakter und hocheffizienter Verbrenner
mit integriertem Wärmeaustauscher.
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Wenn
eine Verbrennung gestartet wird, ist es notwendig, den Katalysator
zuvor auf die Reaktionstemperatur oder höher zu erwärmen. Für diesen Zweck ist dort ein
Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Flamme vor denn Beginn einer
katalytischen Verbrennung gebildet wird, oder ein Verfahren, bei dem
der erste, katalytische Verbrennungsabschnitt und der zweite, katalytische
Verbrennungsabschnitt durch eine elektrische Heizeinrichtung vor
Beginn einer Verbrennung vorerwärmt
werden.
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Die
EP 0 798 512 A2 stellt
ein Dokument gemäß dem Stand
der Technik nach Artikel 54(3) EPÜ dar. Dieses Dokument offenbart
eine Verbrennungsvorrichtung, die einen Brennstoff-Zuführabschnitt,
einen Luft-Blasabschnitt, einen Mischabschnitt, eine Mehrzahl von
ersten Katalysatorkörpern,
die parallel zueinander angeordnet sind, einen ersten, Wärme aufnehmenden
Abschnitt, aufgebaut durch eine Mehrzahl von Wärmeaufnahmerippen, angeordnet
in Strömungspfaden,
unterteilt durch die ersten Katalysatorkörper, und einen Kühlweg, der
die Wärmeaufnahmerippen
durchdringt, aufweist, wodurch der Bereich der Wärmeaufnahmerippen auf der Einströmseite des
Kühlwegs
kleiner ist als der Bereich der ersten Katalysatorkörper an
der Ausströmseite
des Kühlwegs.
Die Wärmeaufnahmerippen
der Verbrennungsvorrichtung besitzen eine im Wesentlichen rechtwinklige
Form. Dies bedeutet, dass die linke und die rechte Seite jeder Rippe
weiter von dem Kühlweg weg
liegen als der mittlere Bereich der Rippe in dem einströmseitigen
Bereich. Demzufolge befindet sich das einströmseitige Ende der Wärmeaufnahmerippe, angeordnet
an der Einströmseite
des Kühlwegs, nicht
unter einem gleichen Abstand von dem Kühlweg.
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das folgende Problem, das
bei einer herkömmlichen,
zweistufigen, katalytischen Verbrennungsvorrichtung dieses Typs
vorhanden ist, zu lösen,
nämlich die
Stabilisierung der katalytischen Verbrennung der ersten Stufe und
die Erhöhung
der Lebensdauer.
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In
der zweistufigen, katalytischen Verbrennungsvorrichtung ist der
Vorgang eines Kühlens
in dem Verbrennungsabschnitt wesentlich, da eine Verbrennung mit
demselben Luft-Brennstoff-Verhältnis wie
dasjenige einer Flammen-Verbrennung und unter einer Temperatur,
niedriger als die Wärmebeständigkeits-Grenztemperatur,
stattfindet. Allerdings ist es schwierig, stabil den inkonsistenten
Betrieb durchzuführen,
bei dem ein Kühlen
durchgeführt
wird, während
Wärme stabil
durch einen Katalysator erzeugt wird. Unter bestimmten Zuständen erhöht sich,
falls die Wärmeerzeugung übermäßig in dem
Katalysator der ersten Stufe ist, die Temperatur des Katalysators der
ersten Stufe sehr stark, so dass die Wärmebeständigkeits-Grenztemperatur überschritten
wird. Falls ein Kühlen übermäßig ist,
verringert sich die Verbrennungsreaktion an der ersten Stufe, so
dass unverbranntes Gas mit hoher Konzentration zu der Ausströmseite hin
gelangt. Wenn der Katalysator der zweiten Stufe vorhanden ist, wird
die Verbrennung darin übermäßig, so
dass der Katalysator der zweiten Stufe die Wärmebeständigkeits-Grenztemperatur übersteigt.
Um diese Phänomene
zu verhindern, ist es herkömmlich
notwendig gewesen, genau das Luft-Brennstoff-Verhältnis und
andere Zustände
zu steuern, und es ist gefordert worden, dass die stabile Verbrennung
des Katalysators der ersten Stufe, was die Hauptverbrennung ist,
die Verbrennungseinrichtung wesentlich besser gestaltet.
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Allgemein
wird die Reaktivität
eines Katalysators manchmal durch eine Langzeit-Benutzung und die Wartungsumstände verringert.
Um die Anwendbarkeit zu verbessern, ist es wichtig, dieses Phänomen zu
verhindern. Für
den Katalysator für eine
Verbrennung ist die Verwendung einer Temperatur unterhalb der Wärmebeständigkeitstemperatur wesentlich.
Die Wärmebeständigkeitstemperatur,
die sich in Abhängigkeit
von dem Typ eines Katalysators, und dergleichen, unterscheidet,
ist so, dass sie ungefähr
900°C für einen
Edelmetall-Katalysator, der normal für eine Verbrennung verwendet
wird, beträgt.
Da dies charakteristisch für
ein Katalysator-Material ist, ist ein wichtiger Punkt derjenige,
wie ein Katalysator zu verwenden ist. Von diesem Gesichtspunkt aus
gesehen ist auch herausgefunden worden, dass es ein wichtiges Problem
ist, die katalytische Verbrennung der ersten Stufe durch geeignetes
Einstellen des Erwärmens
und des Kühlens
in dem Verbrennungsabschnitt zu stabilisieren und die Katalysatortemperatur auf
einem geeigneten Wert zu halten.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung
zu schaffen, die in Bezug auf eine Stabilisierung der katalytischen Verbrennung
der ersten Stufe und einer Erhöhung der
Lebensdauer verbessert ist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung
durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Auch
kann das einströmseitige
Ende der Wärmeaufnahmerippe
von einer Wellenform sein oder das einströmseitige Ende der Wärmeaufnahmerippe
kann viele kleine Löcher
haben. Auch kann das einströmseitige
Ende des ersten Katalysatorkörpers von
dem einströmseitigen
Ende der Wärmeaufnahmerippe
zu der Einströmseite
in der Strömungsrichtung
der Mischung vorstehen. Auch kann, an der Einströmseite des Kühlwegs,
der Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitts
zunehmend von der Einströmseite
zu der Ausströmseite
vergrößert werden.
Auch kann die Wärmeaufnahmerippe
dicker als der erste Katalysatorkörper sein, oder mindestens
eine Oberfläche
der gegenüberliegenden
Flächen
des ersten Katalysatorkörpers
oder der Wärmeaufnahmerippe kann
mit einer Vielzahl von Vorsprüngen
ausgebildet sein. Auch kann mindestens ein Durchdringungselement
so vorgesehen sein, um sowohl die ersten Katalysatorkörper als
auch die Wärmeaufnahmerippen zu
durchdringen.
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Auch
kann eine Mischeinheit durch den Brennstoff-Zufuhrabschnitt, den
Luft-Blasabschnitt zum
Zuführen
von Verbrennungsluft und durch einen Mischabschnitt zum Mischen
von Brennstoff mit der Verbrennungsluft aufgebaut sein. Weiterhin
können die
ersten Katalysatorkörper
und der erste Wärmeaufnahmeabschnitt
in einem Gehäuse
angeordnet sein, aufgebaut durch doppelte Wände, die einen Wärmemedium-Durchgangsweg dazwischen
haben, und der Kühlweg
und der Durchgangsweg für
das Wärmemedium
in dem Gehäuse
stehen miteinander in Verbindung. Auch kann die Verbrennungsvorrichtung
weiterhin einen zweiten Katalysatorkörper, vorgesehen an der Ausströmseite des
ersten Katalysatorkörpers,
und einen zweiten Wärmeaufnahmeabschnitt,
vorgesehen an der Ausströmseite
des zweiten Katalysatorkörpers,
aufweisen. Auch kann eine zweite Katalysatoreinheit durch den zweiten
Katalysatorkörper
und durch eine elektrische Heizeinrichtung aufgebaut sein, die angrenzend
an den zweiten Katalysatorkörper
vorgesehen ist, um den zweiten Katalysatorkörper zu erwärmen. Auch kann der zweite
Wärmeaufnahmeabschnitt,
vorgesehen an der Ausströmseite
des zweiten Katalysatorkörpers,
in einem Gehäuse
angeordnet sein, das durch doppelte Wände aufgebaut ist, die einen
Durchgangsweg für ein
Wärmemedium
dazwischen haben, und wobei ein Kühlweg des zweiten Wärmeaufnahmeabschnitts und
der Durchgangsweg des Wärmemediums
miteinander kommunizieren.
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Durch
diesen Aufbau ist die Wärmeerzeugung
auf den Oberflächen
der ersten Katalysatorkörper
und die Kühlwirkung
in dem ersten Wärmeaufnahmeabschnitt
ausbalan ciert, so dass eine Verbrennung unter einer geeigneten Temperatur
unterhalb der Wärmebeständigkeitstemperatur
des ersten Katalysatorkörpers
fortgeführt
werden kann. Der Punkt ist derjenige, das Verhältnis einer Wärmeübertragungsmenge
auf den Wärmeaufnahmeabschnitt dann
zu erhöhen,
wenn die Wärmeerzeugungsmenge
auf den Oberflächen
der ersten Katalysatorkörper groß ist, und
um das Verhältnis
einer Wärmeübertragungsmenge
auf den Wärmeaufnahmeabschnitt dann
zu verringern, wenn die Wärmeerzeugungsmenge
klein ist. Demzufolge ist, gerade dann, wenn die Verbrennungsmenge
geändert
wird, die Temperatur-Änderung
des Katalysatorkörpers
gering, so dass die katalytische Verbrennung unter verschiedenen
Zuständen
stabilisiert werden kann. Genauer gesagt wird, da die Wärmeübertragung
an diesem Punkt zwischen der Oberfläche des Katalysatorkörpers und
der Rippe in dem Wärmeaufnahmeabschnitt
bewirkt wird, die gegenseitige Beziehung zwischen den zwei, zum
Beispiel Position oder Material, empfindlich. Die vorliegende Erfindung
gestaltet diese Beziehung geeignet. Auch wird, durch Vornehmen einer
geeigneten Wärmeübertragung,
eine geeignete Temperatur-Verteilung des Katalysatorkörpers erreicht,
so dass eine lange Lebensdauer des Katalysatorkörpers selbst möglich gemacht
werden kann. Deshalb wird, da dieser stabile Zustand für eine lange
Zeitperiode beibehalten wird, die Praktikabilität der Ausrüstung sehr hoch.
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Demzufolge
erzielt die vorliegende Erfindung die folgenden Effekte:
- 1. Da ein stabiler Hochtemperaturbereich des
Katalysators in einem geeigneten Temperaturbereich niedriger als
die Wärmebeständigkeitstemperatur
des Katalysators gebildet werden kann, ist die Temperaturänderung
des Katalysatorkörpers gering
unter verschiedenen Zuständen,
so dass die Stabilisierung einer katalytischen Verbrennung erreicht
werden kann.
- 2. Da die Temperaturverteilung des Katalysatorkörpers geeignet
unter verschiedenen Zuständen eingestellt
werden kann, kann der vorstehende Zustand für eine lange Benutzungszeit
beibehalten werden, so dass die Verschlechterung in dem Katalysator
verhindert werden kann. Deshalb kann eine Verbrennungsvorrichtung,
die einen hohen, praktischen Nutzen besitzt, erreicht werden.
- 3. Die Oberflächentemperatur
der Ausrüstung selbst
wird verringert, und dadurch wird der Wärmeabfuhrverlust verringert,
so dass die Effektivität einer
Wärmenutzung
weiter erhöht
werden kann.
- 4. Da die Anstiegszeit verkürzt
wird, kann die elektrische Energie zum Vorheizen des Katalysators
eingespart werden, so dass eine Energieeinsparung erreicht werden
kann.
- 5. Eine breite Vielfalt von Brennstoffen, die von Gas-Brennstoffen
bis zu flüssigen
Brennstoffen reicht, kann verwendet werden, und eine Verbrennungsvorrichtung,
die eine hohe Funktionsfähigkeit
besitzt, kann geschaffen werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 zeigt eine Schnittansicht,
die eine Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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2 zeigt eine Detailansicht
von Wärmeaufnahmerippen,
dargestellt in 1, gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 zeigt eine Detailansicht
von Katalysatorkörpern
und Wärmeaufnahmerippen,
dargestellt in 1, gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 zeigt eine Detailansicht,
die eine Beziehung zwischen einem Katalysatorkörper und einer Wärmeaufnahmerippe,
dargestellt in 1, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 zeigt eine Detailansicht
einer anderen Ausführungsform,
die eine Beziehung zwischen einem Katalysatorkörper und einer Wärmeaufnahmerippe,
dargestellt in 1, gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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6 zeigt eine Detailansicht
einer noch anderen Ausführungsform,
die eine Beziehung zwischen einem Katalysatorkörper und einer Wärmeaufnahmerippe,
dargestellt in 1, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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7 zeigt eine Detailansicht
einer noch anderen Ausführungsform,
die eine Beziehung zwischen einem Katalysatorkörper und einer Wärmeaufnahmerippe,
dargestellt in 1, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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8 zeigt eine Detailansicht
einer noch anderen Ausführungsform,
die eine Beziehung zwischen einem Katalysatorkörper und einer Wärmeaufnahmerippe,
dargestellt in 1, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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9 zeigt eine Detailansicht
unter einem anderen Winkel, die eine Beziehung zwischen einem Katalysatorkörper und
einer Wärmeaufnahmerippe, dargestellt
in 1, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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10 zeigt eine Schnittansicht,
die eine zweite Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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11 zeigt eine Schnittansicht,
die eine dritte Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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12 zeigt eine Schnittansicht,
die eine vierte Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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13 zeigt eine Aufbauschnittansicht
der Verbrennungsvorrichtung, dargestellt in 12, gemäß der vorliegenden Erfindung;
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14 zeigt eine Schnittansicht,
die eine fünfte
Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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15 zeigt eine Schnittansicht,
die eine sechste Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt; und
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16 zeigt eine Schnittansicht
einer herkömmlichen
Verbrennungsvorrichtung, die zu der vorliegenden Erfindung in Bezug
steht.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 zeigt eine Schnittansicht
eines grundsätzlichen
Bereichs einer Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen ersten
Katalysatorkörper,
der durch Bilden einer Katalysatorschicht auf einem plattenförmigen, wärmebeständigen,
metallischen Träger
aufgebaut ist. Die Katalysatorschicht ist durch Verteilen und Tragen
von Edelmetall auf einer anorganischen Schicht, unter Verwendung
von Aluminiumoxidpulver als eine Grundkomponente, aufgebaut. Viele
plattenförmige Katalysatorkörper 1 sind
im Wesentlichen parallel angeordnet, um einen Strömungsweg
in mehrere zu unterteilen, und Wärmeaufnahmerippen 2 sind
dazwischen angeordnet. Viele Wärmeaufnahmerippen 2 sind
durch Verbinden mit der Oberfläche
eines Kühlwegs 3 gebildet,
um zu ermöglichen,
dass ein Wärmemedium
(hier bestehend hauptsächlich
aus Wasser) fließt.
Die Wärme,
erzeugt auf der Oberfläche des
Katalysatorkörpers, über diese
Wärmeaufnahmerippen 2,
wird auf das Wärmemedium
effektiv übertragen.
In dieser Ausführungsform
ist der Aufbau so, dass eine Wärmeaufnahmerippe 2 alle
zwei Katalysatorkörper 1 angeordnet
ist. Demzufolge bildet der gesamte Aufbau einen Verbrennungs-Wärmeaustauscher
eines integralen Typs.
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Die
zurückgewonnene
Wärme wird
zu der Nutzseite (nicht dargestellt), wie beispielsweise einer Heizvorrichtung, über das
Wärmemedium
in dem Kühlweg 3,
zugeführt. Das
Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Brennstoff-Zufuhrabschnitt
für eine Verbrennung,
und 5 bezeichnet einen Luft-Blasabschnitt zum Zuführen von
Verbrennungsluft. In dieser Ausführungsform
wird, da flüssiger
Brennstoff (Benzin) als ein Brennstoff verwendet wird, ein Verdampfungsabschnitt 10,
der eine Heizeinrichtung 9 einsetzt (hier aufgebaut durch
eine elektrische Heizeinrichtung), so vorgesehen, um den Brennstoff
in diesem Abschnitt zu verdampfen. Natürlich können, wenn ein gasförmiger Brennstoff
verwendet wird, die Heizeinrichtung 9 und der Verdampfungsabschnitt 10 entfernt
werden. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Mischabschnitt
zum Mischen des Brennstoffs mit Luft. Die Mischung die hier gebildet
ist, wird zu einer Verbrennungskammer 13 über einen
Mischungs-Blasabschnitt 12,
der viele Durchgangslöcher
besitzt, geschickt. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine
elektrische Heizeinrichtung zum Vorheizen und Aktivieren der Katalysatorkörper 1.
Wenn eine katalytische Oxidations-Reaktion gestartet wird, wird
eine Einrichtung zum Vorheizen des Katalysators auf die Aktivierungstemperatur
benötigt.
In dieser Ausführungsform
wird die elektrische Heizeinrichtung 6 als diese Einrichtung
verwendet. Es muss nicht gesagt werden, dass es möglich ist,
dass der Mischungs-Blasabschnitt 12 als eine Brenneröffnung verwendet
wird, und eine Zündeinrichtung
ist in der Nähe
der Brenneröffnung
vorgesehen, durch die ein Vorheizen mittels Flamme vorgenommen wird.
Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Auslassöffnung und 8 bezeichnet
ein Gehäuse.
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Als
nächstes
wird das Betriebsverfahren der Ausführungsform, die so aufgebaut
ist, wie dies vorstehend beschrieben ist, erläutert. Zuerst werden gleichzeitig
mit dem Start des Betriebs die Heizeinrichtung 9 und die
elektrische Heizeinrichtung 6 mit Energie beaufschlagt.
Durch diesen Vorgang beginnen die Temperaturen des Verdampfungsabschnitts 10 und
der Katalysatorkörper 1 damit,
anzusteigen. Wenn die Temperaturen der zwei Elemente festgelegte
Werte erreichen, werden Brennstoff und Luft von dem Brennstoff-Zuführabschnitt 4 und
dem Luft-Blasabschnitt 5, jeweils, zugeführt. Der
Aufbau ist so, dass die elektrische Heizeinrichtung 6 eine
Zufuhr von Energie zu einem geeigneten Zeitpunkt unterbricht, allerdings
die Heizeinrichtung 9 geeignet basierend auf dem Signal
von einem Temperatur-Detektor (nicht dargestellt), vorgesehen in
dem Verdampfungsabschnitt 10, mit Energie versorgt wird,
so dass die Temperatur des Verdampfungsabschnitts 10 geeignet
ist. Der Brennstoff wird in dem Verdampfungsabschnitt 10 verdampft
und wird dann mit Luft in dem Mischabschnitt 7 gemischt,
um eine Mischung zu bilden, und fließt in die Verbrennungskammer 13 über den
Mischungs-Blasabschnitt 12 hinein. Unmittelbar hiernach
führt die
Mischung durch die Katalysatorkörper 1 hindurch,
und da der Katalysatorkörper 1 die
Aktivierungstemperatur erreicht hat, wird eine katalytische Verbrennung
auf der Oberfläche
des Katalysatorkörpers 1 gestartet.
Wenn die Verbrennung stark wird und ausreichende Wärme erzeugt
wird, wird die Verbrennungswärme
auf das Wärmemedium in
dem Kühlweg 3 über die
Wärmeaufnahmerippe 2 übertragen,
durch die die Verbrennungswärme
zum Heizen, und dergleichen, verwendet wird. Hierbei wird, in Bezug
zu der Wärme-Nutzungsseite,
eine Pumpe, oder dergleichen, zu einem geeigneten Zeitpunkt betrieben,
um das Wärmemedium
zu zirkulieren. Die Katalysatortemperatur während der Verbrennung in einem
stabilen Zustand wird in dem Temperatur-Bereich von ungefähr 350 bis
900°C gehalten, und
eine flammenlose Verbrennung, bei der die Flamme nicht gebildet
wird, fährt
auf der Katalysator-Fläche
fort. Die katalytische Verbrennung besitzt eine hohe Reaktivität sogar
bei niedrigen Temperaturen, und besitzt eine niedrigere Temperatur
als die Flammen-Verbrennung. Deshalb wird eine saubere Verbrennung,
bei der das Abgas eine sehr geringe Menge an schädlichen Substanzen, wie beispielsweise
Stickoxide und Kohlenstoffmonoxid, enthält, fortgeführt.
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2 zeigt eine Detailansicht,
die eine Beziehung zwischen einem Katalysatorkörper 1 und einer Wärmeaufnahmerippe 2 einer
Ausführungsform, dargestellt
in 1, zeigt. Die obere
Seite ist die Einströmseite
in der Richtung der Strömung
der Mischung. In diesem Aufbau sind zwei Kühlwege 3, die an den
Wärmeaufnahmerippen 2 verbunden
sind und dort hindurchführen,
angeordnet. Auch sind sowohl die Wärmeaufnahmerippen 2 als
auch die Kühlwege 3 aus
einem wärmebeständigen,
rostfreien Stahlmaterial hergestellt. Eine oder drei oder mehr Kühlwege 3 können unter
Berücksichtigung
einer Verbrennungsmenge, einer Wärmeübertragungsmenge,
und dergleichen, vorgesehen werden. Ein Wärmeaufnahmeabschnitt 20 ist
durch viele Wärmeaufnahmerippen 2 und
zwei Kühlwege 3 gebildet.
Die Wärmeaufnahmerippe 2 ist
so geformt, dass sie einen Bereich 2a besitzt, der zu der
Einströmseite
um den Kühlweg 3 herum
vorsteht. Hierbei ist der vorspringende Bereich 2a zu einer
Kreisform gebildet, so dass das einströmseitige Ende davon unter einem im
Wesentlichen gleichen Abstand von der Oberfläche des Kühlwegs 3 liegt. Das
bedeutet, dass die Beziehung eines konzentrischen Kreises gilt.
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3 zeigt eine Detailansicht,
die einen Zustand darstellt, bei dem der Wärmeaufnahmeabschnitt 20,
dargestellt in 2, und
die Katalysatorkörper 1,
zusammengebaut sind. Der Katalysatorkörper 1 besitzt eine
Form im Wesentlichen ähnlich
zu der Form der Wärmeaufnahmerippe 2 an
sowohl der Einström-
als auch der Ausströmseite.
Dementsprechend besitzt der Katalysatorkörper 1 auch eine Form,
die zu der Einströmseite
hin vorsteht. Das Bezugszeichen 1a bezeichnet einen vorspringenden Bereich
des Katalysatorkörpers 1.
Weiterhin ist, in der Einströmrichtung
des Kühlwegs 3,
der Bereich der Wärmeaufnahmerippe 2 kleiner
als der Bereich des Katalysatorkörpers 1.
Auch ist, in der Ausströmrichtung,
der Bereich der Wärmeaufnahmerippe 2 kleiner
als der Bereich des Katalysatorkörpers 1.
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Dieser
Aufbau ist geeignet, um entsprechend die Wärmeerzeugung auf der Oberfläche des Katalysatorkörpers 1 und
die Kühlwirkung
durch die Wärmeaufnahmerippe 2 beizubehalten
und dadurch die katalytische Verbrennung zu stabilisieren. Die Wärmeübertragung
von der Oberfläche
des Katalysatorkörpers 1 auf
die Wärmeaufnahmerippe 2 wird hauptsächlich durch
Strahlung durchgeführt,
allerdings ist die Wärmeübertragung
sehr schnell, da die zwei Elemente unter einem kleinen Abstand zueinander
angeordnet sind. Deshalb ist die Wärmeübertragungsmenge groß an einem
gegenüberliegenden Bereich,
und die Wärmeübertragungsmenge
ist klein an einem Bereich, wo die zwei Elemente nicht einander
gegenüberliegen.
Daraufhin nimmt, an dem ersteren Bereich, die Katalysatortemperatur
ab und die Verbrennungsreaktion schreitet nicht zuverlässig fort. An
dem nächsten
Bereich erhöht
sich die Katalysatortemperatur und die Verbrennungsreaktion findet sehr
stark statt. Um die stabile Verbrennung fortzuführen, ist es wichtig, dass
der Katalysatorkörper 1 einen
geeigneten Hochtemperatur-Bereich besitzt. Ohne diesen Bereich würde die
Fortführung
der Verbrennung manchmal schwierig nur durch eine kleine Änderung
eines Verbrennungszustands, wie beispielsweise des Luft-Brennstoff-Verhältnisses,
sein. Das bedeutet, dass, indem der gegenüberliegende Bereich der Wärmeaufnahmerippe 2 kleiner
als der Bereich des Katalysatorkörpers 1 in
der Einströmrichtung
des Kühlwegs 3 gemacht
wird, dort ein Bereich gebildet werden kann, wo der Katalysatorkörper 1 nicht
der Wärmeaufnahmerippe 2 gegenüberliegt. Natürlich kann
an diesem Bereich eine Verbrennung bei hohen Temperaturen verursacht
werden, so dass die Verbrennung stabilisiert werden kann. Auch kann, indem
die Form des einströmseitigen
Endes der Wärmeaufnahmerippe 2 unter
einem im Wesentlichen gleichen Abstand von der Oberfläche des
Kühlwegs 3 gemacht
wird, die Wärmeübertragungsmenge
der Rippen egalisiert werden, wodurch die Temperatur der Wärmeaufnahmerippe 2 gleichförmig gehalten werden
kann. Die Gleichförmigkeit
der Temperatur an der Wärmeaufnahmeseite kann
die Temperatur des Katalysatorkörpers 1 gleichförmig gestalten,
so dass die Verbrennung natürlich
stabilisiert wird.
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Das
Bezugszeichen 21 bezeichnet ein durchdringendes Element,
das die Katalysatorkörper 1 und
die Wärmeaufnahmerippen 2 so
durchdringt, um eine funktionsmäßige Beziehung
dazwischen konstant zu machen. Durch Vorsehen dieses Durchdringungselements 21 wird
die positionsmäßige Beziehung
zwischen dem Katalysatorkörper 1 und
der Wärmeaufnahmerippe 2 immer
konstant gehalten, so dass der vorstehend erwähnte Effekt für eine lange Zeitperiode
beibehalten werden kann.
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4 stellt detaillierter die
Beziehung zwischen dem Katalysatorkörper 1 und der Wärmeaufnahmerippe 2 in 3 dar. Das Durchdringungselement
ist mit 21a bezeichnet. In der Einströmrichtung (Oberseite) des Kühlwegs 3 ist
die Form des Katalysatorkörpers 1 ähnlich zu
der Form der Wärmeaufnahmerippe 2 gemacht,
und der Bereich des Katalysatorkörpers 1 ist
größer gemacht.
An einem Bereich, der von der Wärmeaufnahmerippe 2 vorsteht,
besitzt der Katalysatorkörper 1 eine
hohe Temperatur, so dass die Verbrennung stabilisiert wird. Hierbei
besitzen die zwei Elemente eine ähnliche
Form an der Ausströmseite.
Durch die positionsmäßige Beziehung
zwischen dem Katalysatorkörper 1 und
der Wärmeaufnahmerippe 2 wird
die Verbrennungsreaktionswärme,
erzeugt auf der Oberfläche
des Katalysatorkörpers 1,
auf die Seite der Wärmeaufnahmerippe 2 übertragen,
während
geeignet die Wärmeübertragungsfläche an jedem
Bereich beibehalten wird, so dass ein übermäßiger Temperaturanstieg, insbesondere
an einem Teil des einströmseitigen
Endes des Katalysatorkörpers 1,
eingeschränkt
wird. Deshalb ist eine Ungleichförmigkeit
der Temperatur an jedem Bereich des Katalysators gering, und die
Temperatur-Verteilung entlang der Ausströmseite kann geeignet beibehalten
werden.
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5 stellt eine Ausführungsform,
bei der die Form des Katalysatorkörpers 1 geändert ist,
dar. In dieser Ausführungsform
sind Nockenbereiche 1b, geformt ähnlich den Zähnen eines
Kamms, in dem Katalysatorkörper 1 auf
der Ausströmseite
an den Positionen der Kühlwege 3 vorgesehen.
Durch Heranziehen dieser Form kann die Anordnung durch Einsetzen
des Katalysatorkörpers 1 zwischen
den Wärmeaufnahmerippen 2 von
der Einströmseite
aus aufgebaut werden, so dass dieser Aufbau praktikabel ist, und
gleichzeitig kann der vorstehend erwähnte Effekt ebenso erreicht
werden. Das Bezugszeichen 21b bezeichnet das Durchdringungselement.
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6 stellt eine verbesserte
Ausführungsform
der 5 dar, bei der die
Form der Wärmeaufnahmerippe 2 gleich
auf sowohl der Einström-
als auch Ausströmseite
gemacht ist. Mit dieser Form kann eine weitere Gleichförmigkeit
der Temperatur der Wärmeaufnahmerippe
erreicht werden. Allerdings trägt,
da die katalytische Verbrennung am aktivsten an dem einströmseitigen
Ende des Katalysatorkörpers 1 ist,
die Form an der Ausströmseite
nicht so sehr zu der Stabilisierung der Verbrennung bei. Deshalb
ist es vorteilhaft, dass andere Merkmale, wie beispielsweise ein
einfacher Aufbau und eine gleichförmige Temperatur, so gestaltet
werden, dass sie eine Priorität
gegenüber
der Form an der Ausströmseite
haben.
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7 stellt eine andere Ausführungsform dar,
die die Beziehung zwischen dem Katalysatorkörper 1 und der Wärmeaufnahmerippe 2 zeigt.
Die Einströmseite
der Wärmeaufnahmerippe 2 besitzt
eine Wellenform. Das Bezugszeichen 21d bezeichnet das Durchdringungselement,
und die anderen Bereiche sind dieselben wie solche in der vorstehenden
Ausführungsform.
Durch diesen Aufbau wird der gegenüberliegende Bereich der Wärmeaufnahmerippe 2 kleiner
gemacht als der Bereich des Katalysatorkörpers 1 in der Einströmrichtung
des Kühlwegs 3.
Auch wird auf der Einströmseite
des Kühlwegs 3 der
Bereich der Wärmeaufnahmerippe
stufenweise von der Einströmseite
zu der Ausströmseite
hin erhöht.
Dadurch kann der Katalysatorkörper 1 davor
bewahrt werden, dass er mit einer Stelle ausgebildet wird, wo sich
die Temperatur plötzlich
von einer hohen Temperatur an einem Bereich, der von der Wärmeaufnahmerippe 2 vorsteht,
zu einer niedrigen Temperatur an einem Bereich gegenüberliegend
der Wärmeaufnahmerippe 2 ändert. Obwohl
diese plötzliche
Temperaturänderung
etwas durch die Wärmeleitung
des Katalysatorkörpers 1 selbst
gelockert wird, wird sie weiterhin durch diesen Aufbau gelockert.
Falls ein Bereich, wo eine plötzliche
Temperaturdifferenz auftritt, in dem Katalysatorkörper 1 vorgesehen
wird, tritt eine Deformation, usw., aufgrund einer thermischen Spannung
manchmal bei einer Langzeit-Benutzung auf. Dieser Aufbau kann diese
Deformation verhindern. Demzufolge kann der Katalysatorkörper 1 einen
Hochtemperatur-Bereich haben, der für eine stabile Verbrennung
geeignet ist.
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8 stellt eine andere Ausführungsform dar,
die denselben Effekt wie denjenigen der Ausführungsform, dargestellt in 7, erreichen kann. Die Wärmeaufnahmerippe 2 ist
mit vielen kleinen Löchern 1b an
dem einströmseitigen
Bereich davon ausgebildet. Andere Bereiche sind dieselben wie solche
in 7. Der gegenüberliegende
Bereich der Wär meaufnahmerippe 2 kann
kleiner gemacht werden als der Bereich des Katalysatorkörpers 1 in
der einströmseitigen
Richtung des Kühlwegs 3 wie
in der vorstehenden Ausführungsform.
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9 zeigt eine Detailansicht,
die eine Beziehung zwischen dem Katalysatorkörper 1, der Wärmeaufnahmerippe 2 und
dem Kühlweg 3 darstellt. Der
Aufbau ist so, dass zwei plattenförmige Katalysatorkörper 1 zwischen
den Wärmeaufnahmerippen 2 angeordnet
sind. Der Katalysatorkörper 1 ist
mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen 1c, 1d, 1e und 1f versehen.
Die Vorsprünge 1d und 1f werden
auch dazu verwendet, den Abstand zwischen den zwei Katalysatorkörpern 1 im
Wesentlichen konstant zu halten, und die Vorsprünge 1c und 1e werden
dazu verwendet, den Abstand zwischen den Katalysatorkörpern 1 und
der Wärmeaufnahmerippe 2 im
Wesentlichen konstant zu halten. Aufgrund des Aufbaus, bei dem die
Vorsprünge
in einen Punkt-Kontakt miteinander gelangen, wird nicht nur der
Abstand konstant gehalten, sondern auch die Wärme wird kaum übertragen. Zum
Beispiel wird, falls der Katalysatorkörper 1 und die Wärmeaufnahmerippe 2 in
einem Flächen-Kontakt miteinander
stehen, die Wärmeaufnahmerippe 2 stark
durch das Wärmemedium,
das in den Kühlwegen 3 fließt, gekühlt, und
die Temperatur davon wird verringert. Deshalb wird der Katalysatorkörper 1 durch
die Wärmeleitung
von dem Katalysatorkörper 1 zu
der Wärmeaufnahmerippe 2 gekühlt, und
die Temperatur davon wird verringert, so dass die katalytische Verbrennung
nicht fortgesetzt werden kann. In dem Fall eines Punkt-Kontakts
wird eine Wärmeübertragung
hauptsächlich
durch Strahlung bewirkt, so dass die Temperatur des Katalysatorkörpers 1 nicht übermäßig verringert
wird. Auch kann, falls die Katalysatorkörper 1 in Kontakt
miteinander gebracht werden, die Mischung nicht die Kontaktfläche berühren, so
dass die katalytische Verbrennung nicht an diesem Bereich auftritt.
Deshalb wird eine teilweise Temperatur-Ungleichförmigkeit in dem Katalysatorkörper 1 gebildet
und gleichzeitig tritt unverbranntes Gas leckagemäßig in das
Abgas hinein. Dafür
ist die Bildung von Vorsprüngen
eine sehr effektive Maßnahme,
um eine stabile, katalytische Verbrennung zu erzeugen. Obwohl alle
Vorsprünge
auf dem Katalysatorkörper 1 in
dieser Ausführungsform
gebildet sind, muss nicht gesagt werden, dass die Vorsprünge auf
der Seite der Wärmeaufnahmerippe 2 gebildet werden
können,
um den Abstand zwischen dem Katalysatorkörper 1 und der Wärmeaufnahmerippe 2 konstant
zu halten. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet das Durchdringungselement,
das die Katalysatorkörper 1 und
die Wärmeaufnahmerippen 2 durchdringt,
um die relative, positionsmäßige Beziehung zwischen
den zwei Elementen für
eine lange Zeitdauer beizubehalten. Auch ist in dieser Ausführungsform die
Wärmeaufnahmerippe 2 dicker
gemacht als der Katalysatorkörper 1.
Der Katalysatorkörper 1 ist
dünn aufgebaut,
so dass die Wärmeübertragungsmenge
in dem Katalysatorkörper
selbst gering ist, wodurch ein Hochtemperatur-Bereich für eine stabile
Verbrennung auf der Einströmseite
gebildet wird. Andererseits ist die Wärmeaufnahmerippe 2,
die dick aufgebaut ist, effektiv beim Übertragen von Wärme. Falls die
Temperatur des Wärmemediums
durch Verringern des Wärme-Gradienten
angenähert
wird, muss natürlich
die Wärmeübertragungsmenge
zunehmen. Demzufolge sind die zwei Elemente erforderlich, um eine
ausreichende Wärmeübertragungsfunktion
zu haben, und die Aufgabe kann durch Aufbauen der Wärmeaufnahmerippe 2 dicker
als der Katalysatorkörper 1 gelöst werden.
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10 zeigt eine Schnittansicht
eines prinzipiellen Bereichs, der eine zweite Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt. Dieselben Elemente wie solche, die in 1 dargestellt sind, sind mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet, und die Erläuterung
davon ist weggelassen. In dieser Ausführungsform ist eine Mischeinheit 25 durch
den Brennstoff-Zufuhrabschnitt 4, den Luft-Blasabschnitt 5 zum
Zuführen
der Verbrennungsluft und den Mischabschnitt 7 zum Mischen
von Brennstoff mit Luft gebildet. Auch ist ein Wärmeaufnahmeabschnitt, der aus
den Katalysatorkörpern 1 und
den Wärmeaufnahmerippen 2 besteht, in
einem Gehäuse 27 vorgesehen,
das aus Doppelwänden
besteht, und ist mit einem Wärmemedium-Durchgangsweg 26 zwischen
den Doppelwänden
ausgebildet, so dass der Kühlweg 3 so
gestaltet ist, um mit dem Wärmemedium-Durchgangsweg 26 des
Gehäuses 27 in
Verbindung zu stehen. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet ein
Dichtmaterial zum Verbinden der Mischeinheit 25 mit dem
Gehäuse 27. Die
Vereinigung führt
zu einem einfachen Aufbau und einer einfachen Wartung. Die Verwendung
eines wärmeisolierenden
Materials als das Dichtmaterial 28 verhindert den Übergang
von Wärme
von dem Verbrennungsabschnitt zu dem Abschnitt der Mischeinheit 25,
so dass ein Wärmeverlust
verringert werden kann. Auch kann, durch den Aufbau so, dass das
Gehäuse
in dem Wärmeaufnahmeabschnitt
aus Doppelwänden
besteht und dem Wärmemedium
ermöglicht
wird, zwischen den Doppelwänden
zu strömen, die
Wärme,
die von der Oberfläche
des Gehäuses abgeführt wird,
effizient durch das Wärmemedium zurückgewonnen
werden, so dass die thermische Effektivität der Anordnung verbessert
wird. Auch ist in dieser Ausführungsform
die elektri sche Heizeinrichtung 6 zum Vorheizen der katalytischen
Körper 1 auf der
Ausströmseite
des Wärmeaufnahmeabschnitts vorgesehen.
In diesem Fall beginnt die katalytische Verbrennung von der Ausströmseite der
katalytischen Körper 1 aus.
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11 zeigt eine Schnittansicht
eines grundsätzlichen
Bereichs, der eine dritte Ausführungsform einer
Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt. Diese Ausführungsform
ist so aufgebaut, dass die zweiten Katalysatorkörper auf der Ausströmseite der
Katalysatorkörper 1 vorgesehen
sind und ein zweiter Wärmeaufnahmeabschnitt auf
der Ausströmseite
der zweiten, katalytischen Körper
vorgesehen ist. Dieselben Elemente wie solche, dargestellt in 1, sind mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet, und die Erläuterung
davon ist weggelassen. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet
den zweiten Katalysatorkörper,
aufgebaut durch Tragen eines Edelmetall-Katalysators auf einem keramischen
Wabenträger
mit einer hohen Luft-Durchlässigkeit.
Zwei Platten des zweiten Katalysatorkörpers sind vorgesehen, und
eine elektrische Heizeinrichtung 36 zum Vorerwärmen des
Katalysators ist dazwischen vorgesehen. Das Bezugszeichen 33 bezeichnet
eine Verbrennungskammer und das Bezugszeichen 34 bezeichnet
ein Wärme-Isolationsmaterial,
das innerhalb des Gehäuses 38 vorgesehen ist.
Der Kühlweg 3 durchdringt
sowohl den Wärmeaufnahmeabschnitt,
der aus den Katalysatorkörpern 1 besteht,
und dergleichen, als auch den zweiten Wärmeaufnahmeabschnitt 32,
der viele Rippen besitzt, um Wärme
zurückzugewinnen.
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In
dieser Ausführungsform
beginnt die Verbrennung in den zweiten Katalysatorkörpern 31. Nachdem
die katalytische Verbrennung in den zweiten Katalysatorkörpern 31 begonnen
hat, die auf eine ausreichende Aktivierungstemperatur durch die
elektrische Heizeinrichtung 36 für ein Vorheizen erwärmt sind,
beginnt die Verbrennung, um sich stufenweise zu der einströmseitigen
Richtung der zweiten Katalysatorkörper 31 auszubreiten,
und breitet sich weiter zu den ausströmseitigen Enden der Katalysatorkörper 1 von
der einströmseitigen
Oberfläche
des zweiten Katalysatorkörpers 31 aus.
Die katalytische Verbrennung der Katalysatorkörper 1 breitet sich
stufenweise von der ausströmseitigen
Seite zu der einströmseitigen
Seite hin aus, und erreicht schließlich die am weitesten zur
Einströmseite
hin liegenden Enden der Katalysatorkörper 1. Zu diesem
Zeitpunkt wird ein Verbrennungszustand mit einem im Wesentlichen
stabilen Zustand als die Verbrennungseinrichtung eingerichtet. Das
Wärmemedium
in dem Kühlweg 3 kann
unter Verwendung einer Pumpe, oder dergleichen, zu der Zeit, die
in Bezug auf die Wärme-Benutzungsseite geeignet
ist, zirkuliert werden, zum Beispiel gleichzeitig mit dem Beginn
der Verbrennung oder dann, wenn eine nutzbare Temperatur erreicht
ist. Zu diesem Zeitpunkt kann, falls eine Temperatur-Erfassungseinrichtung
an der Auslassseite des Kühlwegs
vorgesehen ist, diese Zeit leicht bestimmt werden. Die zurückgewonnene
Wärme wird zu
der Nutzseite (nicht dargestellt), wie beispielsweise einer Heizvorrichtung, über das
Wärmemedium
in dem Kühlweg
zugeführt.
Das meiste der Verbrennungswärme,
erzeugt auf der Oberfläche
des Katalysatorkörpers 1,
wird von der Wärmeaufnahmerippe zu
dem Wärmemedium übertragen.
Die Verbrennungswärme,
erzeugt auf der Oberfläche
des zweiten Katalysatorkörpers 31,
und die verbleibende Wärme,
die nicht durch den Wärmeaufnahmeabschnitt
des ersten Katalysatorkörpers 1 übertragen wird,
werden effektiv auf das Wärmemedium
in dem zweiten Wärmeaufnahmeabschnitt 32 übertragen und
zu der Nutzseite zugeführt.
Bei dem Vorgang von der Zündung
in dem zweiten Katalysatorkörper 32 an bis
zu einer Verbrennung in einem stabilen Zustand kann es leicht auftreten,
dass die Temperatur des zweiten Katalysatorkörpers 31 übermäßig ansteigt, da
die Temperatur des ersten Katalysatorkörpers 1 nicht ausreichend
hoch ist, und die Wärmeübertragungsmenge
auf den einströmseitigen
Wärmeaufnahmeabschnitt,
in dem die Katalysatorkörper 1 vorgesehen
sind, gering ist. Deshalb ist das geeignete Verfahren dasjenige,
eine katalytische Verbrennung unter einer relativ kleinen Verbrennungsmenge
zum Zeitpunkt vorzunehmen, zu dem die Verbrennung der Katalysatorkörper 1 ansteigt,
und um darauf folgend die Verbrennungsmenge auf den vorgegebenen
Wert zu übertragen.
Die katalytische Temperatur während der
Verbrennung in einem stabilen Zustand wird in dem Bereich von ungefähr 350 bis
900°C gehalten, und
eine flammenlose Verbrennung, die keine Flamme bildet, fährt auf
der Katalysator-Oberfläche
fort. Die katalytische Verbrennung besitzt eine hohe Reaktivität auch bei
niedrigen Temperaturen, und besitzt eine niedrigere Temperatur als
die Flammen-Verbrennung. Deshalb wird eine saubere Verbrennung,
bei der das Abgas eine sehr geringe Menge an schädlichen Substanzen, wie beispielsweise Stickoxide
und Kohlenmonoxid, enthält,
fortgeführt. Durch
Vorsehen des katalytischen Verbrennungsabschnitts und des Wärmeaufnahmeabschnitts
in einer doppelten Art und Weise, können sauberes Abgas und eine
weiterhin verbesserte, thermische Effektivität erreicht werden. Weiterhin
ist in diesem Aufbau eine zweite, katalytische Einheit durch die
zweiten Katalysatorkörper 31 und
die elektrische Heizeinrichtung 36 aufgebaut, die angrenzend
an (hier dazwischen) die zweiten Katalysatorkörper 31 vorgesehen ist,
um die zweiten Katalysator körper 31 zu
erwärmen,
und weiterhin ist der zweite Wärmeaufnahmeabschnitt 32 an
der Ausströmseite
der zweiten Katalysatorkörper 31 in
einem Gehäuse ähnlich demjenigen,
das in der Ausführungsform
in 10 dargestellt ist,
vorgesehen, das aus Doppelwänden
besteht und mit einem Durchgangsweg für ein Wärmemedium zwischen den Doppelwänden ausgebildet ist,
und der Kühlweg
des zweiten, Wärme
aufnehmenden Abschnitts 32 ist so aufgebaut, um mit dem Durchgangsweg
für das
Wärmemedium
in Verbindung zu stehen. Dadurch werden die Wartungs- und Montageeigenschaften
verbessert, der Wärmeverlust
wird verringert und die Praktikabilität wird verbessert, verglichen
mit der zweiten Ausführungsform.
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12 zeigt eine Schnittansicht
eines grundsätzlichen
Bereichs, der eine vierte Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt. In dieser Ausführungsform
ist die gesamte Anordnung zu einer Einheit zusammengefasst. Der
grundsätzliche
Bereich ist aus vier Einheiten aufgebaut; einer Mischeinheit 5,
zum Mischen von Brennstoff mit Verbrennungsluft, einer ersten Katalysator-Einheit 52,
gebildet durch einen Wärmeaufnahmeabschnitt,
der aus den Katalysatorkörpern 1 und
den Wärmeaufnahmerippen 2 und
einem ersten Gehäuse 45,
das aus Doppelwänden
besteht und mit einem Durchgangsweg für Wärmemedium zwischen den Doppelwänden ausgebildet
ist, besteht, einer zweiten Katalysator-Einheit 53, aufgebaut
durch die zweiten Katalysatorkörper 31 und
die elektrische Heizeinrichtung 36 zum Beheizen, und einer
Wärmezurückgewinnungseinheit 54,
gebildet durch den zweiten, Wärme
aufnehmenden Abschnitt 32 und ein zweites Gehäuse 46,
das aus Doppelwänden
besteht und mit einem Durchgangsweg für Wärmemedium zwischen den Doppelwänden ausgebildet
ist. Um die vier Einheiten in der Reihenfolge der Mischeinheit 51,
der ersten Katalysator-Einheit 52, der zweiten Katalysator-Einheit 53 und
der Wärmezurückgewinnungseinheit 54 zu
verbinden, werden Dichtmaterialien 48a, 48b und 48c an
den jeweiligen Verbindungsbereichen verwendet und ein Dichtmaterial 48b ist
an dem Verbindungsbereich mit einer Abgashaube 47 versehen. Die
Bezugszeichen 43 und 44 bezeichnen Temperaturdetektoren
zum Überwachen
der Verbrennung. Das Bezugszeichen 41 bezeichnet eine obere
Befestigung, vorgesehen in der Mischeinheit 51, und 42 bezeichnet
eine untere Befestigung, vorgesehen in der Abgashaube 47.
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13 stellt einen Zustand
dar, in dem beide Befestigungen durch eine Befestigungseinrichtung 55 verbunden
sind, um alle Einheiten zusammenzubauen. Das Bezugs zeichen 56 bezeichnet
einen Verbindungsweg, um eine Verbindung zwischen dem Durchgangsweg
für das
Wärmemedium,
gebildet in dem ersten Gehäuse 45 der
ersten Katalysator-Einheit 52, und dem Durchgangsweg für das Wärmemedium,
gebildet in dem zweiten Gehäuse 46 der
Wärmezurückgewinnungseinheit 54,
zu bilden.
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Durch
Unterteilen des grundsätzlichen
Bereichs in Einheiten und Aufbauen des Ganzen in der Art und Weise,
wie dies vorstehend beschrieben ist, kann ein Durchgangsweg für ein Wärmemedium
einfach auf der Oberfläche
der Anordnung gebildet werden, so dass der Wärmeverlust von der Oberfläche der
Vorrichtung minimiert werden kann.
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14 zeigt eine Schnittansicht
eines grundsätzlichen
Bereichs, der eine fünfte
Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt. In dieser Ausführungsform
ist die Verbrennungsvorrichtung entsprechend der Ausführungsform,
die in 11 dargestellt
ist, weiterhin mit einem äußeren Gehäuse 61 abgedeckt,
durch das ein äußerer Luftdurchgangsweg 63 zwischen
einem inneren Gehäuse 62 und dem äußeren Gehäuse 61 gebildet
ist. Die Verbrennungsluft, die durch den äußeren Luftdurchgangsweg 63 zwischen
den Gehäusen,
gebildet durch Doppelwände,
hindurchgeführt
ist, wird zu dem Mischabschnitt zugeführt. Obwohl der Luft-Blasabschnitt 5 an dem
unteren Seitenteil der Anordnung in dieser Ausführungsform vorgesehen ist,
kann er nahe dem oberen Teil vorgesehen sein. Die Luft, die von
dem Luft-Blasabschnitt 5 aus geschickt ist, wird mit dem Brennstoff,
der von dem Brennstoff-Zuführabschnitt 4 in
den Mischabschnitt 7 geschickt ist, gemischt, um eine Mischung
zu bilden, die in die Verbrennungskammer geführt wird. Während der Verbrennung erhöht sich
die Oberflächentemperatur
des inneren Gehäuses 62,
allerdings wird die abgeführte
Wärme effektiv
auf die Luft, die durch den äußeren Luft-Durchgangsweg 63 hindurchfährt, übertragen
und wird dazu verwendet, die Verbrennungsluft vorzuwärmen, so
dass ein Wärmeverlust
von der gesamten Anordnung wesentlich verringert werden kann. Weiterhin wird,
sogar dann, wenn nicht verbranntes Gas leckagemäßig von dem inneren Gehäuse 62 austritt,
dieses durch die Verbrennungsluft zurückgewonnen und wird erneut
zu der Verbrennungskammer geschickt, so dass sie nicht zu der Außenseite
der Anordnung abgeführt
wird. Auch wird, da die Temperatur des äußeren Gehäuses 61 auf einer
niedrigen Temperatur durch die Luft, die in dem äußeren Luftdurchgangsweg 63 hindurchfließt, gehalten
wird, die Sicherheit der Anordnung erhöht.
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15 zeigt eine Schnittansicht
eines grundsätzlichen
Bereichs, die eine sechste Ausführungsform
einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt. Diese Ausführungsform
basiert hauptsächlich
auf der Ausführungsform,
die in 13 dargestellt
ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysatorkörper 72 durch
einen luftdurchlässigen
Träger
und eine Katalysatorschicht, vorgesehen auf der Oberfläche des
Trägers,
aufgebaut ist, und wobei der Träger hauptsächlich aus
einem leitenden, Wärme
erzeugenden Material gebildet ist. Der Träger ist geeignet aus einem
Material gebildet, das hauptsächlich
Siliziumkarbid enthält,
und trägt
einen Katalysator, wie beispielsweise ein Edelmetall, auf der Oberfläche davon,
um einen zweiten Katalysatorkörper 72 zu
bilden. Hierbei kann, da der Träger
eine geeignete Leitfähigkeit
besitzt, der Träger
selbst als ein Widerstandsheizelement dienen. Das Bezugszeichen 73 bezeichnet
eine Elektrode. Durch den Stromfluss von der Elektrode 73 erzeugt
der zweite Katalysatorkörper 72 selbst
Wärme,
so dass der Aktivierungszustand eingerichtet werden kann. Das bedeutet,
dass die Wärmekapazität der Substanz,
die erwärmt
werden muss, niedriger wird als bei dem Verfahren, bei dem eine
elektrische Heizeinrichtung, oder dergleichen, verwendet wird, um
den Katalysatorkörper
vorzuwärmen,
und demzufolge kann ein plötzliches
Ansteigen der Verbrennung vorgenommen werden. Dadurch kann nicht
nur der Energieverbrauch während eines
Vorerwärmens
verringert werden, sondern auch die Wartezeit, bevor die Verbrennung
beginnt, wird verkürzt,
so dass die Handhabbarkeit der Anordnung verbessert wird. Obwohl
der Träger
hauptsächlich
aus einem Siliziumkarbid-Material
in dieser Ausführungsform
gebildet ist, ist das Trägermaterial
nicht hierauf beschränkt.
Der Träger
kann so aufgebaut sein, dass eine bestimmte Art eines wärmebeständigen Metalls
zu einer Wabenform, oder dergleichen, gebildet ist, die eine hohe
Luft-Durchlässigkeit
besitzt, und ein Katalysator auf der Oberfläche davon getragen wird. Die
Leitfähigkeit
des Materials ist oftmals proportional zu der thermischen Leitfähigkeit.
In diesem Fall gilt dies ebenso, da der katalytische Träger eine
höhere,
thermische Leitfähigkeit
als ein keramisches Material hat, wobei sich die Temperatur-Gleichförmigkeit
des zweiten Katalysatorkörpers 72 erhöht, so dass
das Abgas weiter sauber gemacht werden kann.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
können
die Wärmeaufnahmerippe
und der Katalysatorkörper,
die zumindest an der Einströmseite
des Kühlwegs
gegenüberliegen,
so aufgebaut werden, dass das einströmseitige Ende der Wärmeaufnahmerippe auf
der Seite des einströmseitigen
Endes des Katalysatorkörpers
angeordnet ist. Auch kann, auf der Ausströmseite, die gegenüberliegende
Wärmeaufnahmerippe
des Katalysatorkörpers
so aufgebaut sein, dass das ausströmseitige Ende der Wärmeaufnahmerippe
an der Innenseite (Einströmseite)
des ausströmseitigen
Endes des Katalysatorkörpers
angeordnet ist. Demzufolge erreicht die vorliegende Erfindung die
folgenden Effekte:
- 1. Da ein stabiler Hochtemperatur-Bereich
des Katalysators in einem geeigneten Temperaturbereich niedriger
als die Wärme-Widerstandstemperatur
des Katalysators gebildet werden kann, ist die Temperatur-Änderung
des Katalysatorkörpers klein
unter verschiedenen Zuständen,
so dass die Stabilisierung der katalytischen Verbrennung erreicht
werden kann.
- 2. Da die Temperaturverteilung des Katalysatorkörpers geeignet
unter verschiedenen Zuständen eingestellt
werden kann, kann der vorstehende Zustand für eine lange Nutzungsperiode
beibehalten werden, so dass die Verschlechterung in dem Katalysator
unterbunden werden kann. Deshalb kann eine Verbrennungsvorrichtung,
die eine hohe Nutzbarkeit besitzt, erhalten werden.
- 3. Die Oberflächentemperatur
der Anordnung selbst wird verringert, und dadurch wird der Wärmeabnahmeverlust
verringert, so dass die Effektivität einer Wärmenutzung weiter erhöht werden kann.
- 4. Da die Anstiegszeit verkürzt
wird, kann die elektrische Energie zum Vorerwärmen des Katalysators eingespart
werden, so dass eine Energieeinsparung erreicht werden kann.
- 5. Eine breite Vielfalt von Brennstoffen, die von Gas-Brennstoffen
bis zu flüssigen
Brennstoffen reicht, kann verwendet werden, und eine Verbrennungsvorrichtung,
die eine hohe Betriebsfähigkeit besitzt,
kann geschaffen werden.