JP2000055311A - 触媒燃焼加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒反応による発熱量を適切に調整し、被加
熱流体への伝熱性能を高めて、フィンやチューブ等の部
材の過熱を防止し、安全で熱交換効率の高い触媒燃焼加
熱装置を提供する。 【解決手段】 容器１内に設けた燃料ガス流路１１に、
内部を被加熱流体流路とする多数のチューブ２を層状に
配設する。被加熱流体と燃料ガスの進行方向は逆方向と
する。被加熱流体がガス状態となる燃料ガス流路１１の
最上流の層２Ａでは、チューブ２の外表面に直接酸化触
媒層を形成し、被加熱流体が液体状態または沸騰状態で
ある下流側の層２Ｂ〜２Ｅでは、チューブ２の外周に接
合したフィン２１の外表面に酸化触媒層を形成して、燃
料ガス流路１１の上流側における発熱量を適正に制御す
る。

Description

【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】可燃ガス（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が知られており、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、通常、燃料ガス流路内に、内
部を被加熱流体が流れるチューブを配設し、該チューブ
の外周に多数の触媒担持フィンを一体に接合した触媒付
熱交換器を備えている。触媒担持フィンは、フィン外表
面に白金やパラジウム等の酸化触媒を担持させたもの
で、これらフィンに燃料ガスを接触させて酸化反応を生
起するようになしてある。

【０００３】従来の触媒燃焼加熱装置の一例を図１４に
示すと、図中、容器１００内には、左右側壁間に掛け渡
した複数のチューブ１０１と、その外周に接合され、表
面に酸化触媒を担持した多数のフィン１０２とからなる
触媒付熱交換器が配設されている。複数のチューブ１０
１はその左右端部で連結されてその内部に一続きの被加
熱流体流路を形成しており、その上端開口を被加熱流体
の導入口、下端開口を被加熱流体の導出口としている。
液体の被加熱流体は、上記チューブ１０１内に形成され
る流路を、図の上方から下方へ向けて流れ、その間に昇
温、沸騰して高温のガス状態となる。

【０００４】上記容器１００の下端部には燃料ガスの供
給口１０３が、上端部には燃焼ガスの排出口１０４が設
けてある。燃料ガスは、上記チューブ１０１外周のフィ
ン１０２間を図の下方から上方へ流れ、酸化触媒を担持
した上記フィン１０２表面に接触して触媒反応により燃
焼する。触媒燃焼により発生する熱は、上記チューブ１
０１壁を介してその内部を流れる被加熱流体に伝えら
れ、触媒燃焼後の排気ガスは、上記排出口１０４より容
器１００外に放出される。なお、上記供給口１０３の上
方には、多数の通孔を有する整流板１０５が燃料ガスの
流路を横切るように配設してあり、その上方には、触媒
を活性化温度以上に加熱するためのヒータ１０６が配設
してある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の触媒燃焼加
熱装置において、燃料ガスは上記容器１００内を図の下
方から上方へ燃焼しながら流れ、一方、液体の被加熱流
体は、これとは逆に、上記容器１００内を上方から下方
へ向けて昇温しながら流れる。このように、燃料ガスの
流れ方向と被加熱流体の進行方向が逆方向である場合、
燃料ガス流路の下流側に被加熱流体の導入口が位置する
ことになる。すなわち、燃焼ガスの排出口１０４の近傍
において被加熱流体が低温であるため、燃焼排気ガスの
熱をより低温の被加熱流体に伝達して、発生する熱をよ
り効果的に利用することが期待される。

【０００６】ところが、燃料ガス流路の上流側では、燃
料ガスの供給口１０３近傍の、最も温度が高く、しかも
熱伝達率の小さいガス状態である被加熱流体が流れる上
記チューブ１０１に、最も濃度の高い燃料ガスが供給さ
れ続けることになる。つまり、最も伝熱抵抗が高い部位
で多くの熱量が発生するために、触媒を担持したフィン
１０２や被加熱流体の流れる上記チューブ１０１が部分
的に過熱し、装置に悪影響を与えるおそれがあった。

【０００７】一方、液体の被加熱流体が沸騰状態にある
領域では、気化熱として多くの熱量を必要とし、また、
液沸騰状態ではチューブ壁から被加熱流体への熱伝達率
が大きく、伝熱抵抗が小さいことから、発熱量を多くし
て被加熱流体への熱伝達を促進することが、熱交換効率
を向上させる上で望ましい。

【０００８】また、熱交換効率を向上させるためには、
上記フィン１０２やチューブ１０１と燃焼ガスができる
だけ熱交換しない方がよい。ところが、供給口１０３よ
り供給される燃料ガスは、通常、常温程度で、チューブ
１０１内を流れる高温の被加熱流体よりも低温となるこ
とが一般的であるため、フィン１０２が冷却フィンとし
て作用し、発生した熱が燃焼ガスに奪われて、燃焼排気
ガスが高温となりやすい。一般にガスと金属の熱伝達率
が低いこと、触媒燃焼が火炎燃焼に比較して低温燃焼で
あることから、一度、燃焼ガスに奪われた熱を再び回収
することは困難で、熱交換効率を向上させようとする
と、装置の体格が大きくなる不具合があった。

【０００９】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
その目的は、触媒反応による発熱量を適切に調整し、ま
たは被加熱流体への伝熱性能を高めて、フィンやチュー
ブ等の部材の過熱を防止し、安全で熱交換効率の高い触
媒燃焼加熱装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の触媒燃焼加熱装置は、容器内に、燃料ガ
ス流路と被加熱流体流路を接触させて配し、上記燃料ガ
ス流路内に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化
触媒層を設けて、燃料ガスの酸化反応熱を上記被加熱流
体流路内の被加熱流体に伝達することにより、液体状態
の被加熱流体をガス状態に加熱する触媒付熱交換器を備
えている。上記触媒付熱交換器内における被加熱流体と
燃料ガスの進行方向は逆方向とする。そして、被加熱流
体がガス状態となる上記燃料ガス流路の上流側では、上
記燃料ガス流路と上記被加熱流体流路とを仕切る壁部の
表面に上記酸化触媒層を直接形成し、被加熱流体が液体
状態または沸騰状態である下流側では、上記壁部に接し
て設けたフィンの表面に上記酸化触媒層を形成する。

【００１１】上記構成では、被加熱流体が高温のガス状
態となる上記燃料ガス流路の上流側にフィンを配設せ
ず、上記被加熱流体流路に接する上記壁部の表面に、直
接、上記酸化触媒層を形成したので、触媒の酸化反応に
よる発熱量が必要以上に大きくならず、フィンやチュー
ブといった部材の過熱を防止して安全性を高めることが
できる。また、被加熱流体がガス状態である上流側で
は、下流側に比較して上記被加熱流体流路内への伝熱抵
抗が大きいので、少量の発熱量でも上記壁部の表面は比
較的高温に保持され、この壁部表面に酸化触媒を直接担
持することで、酸化触媒を十分活性状態に維持できる。

【００１２】さらに、上記燃料ガス流路の上流側にフィ
ンを配設しないので、低温の燃料ガスが供給されても、
フィンが冷却フィンとして作用することがなく、発生し
た熱が燃焼ガスに奪われにくい。一方、被加熱流体が低
温である上記燃料ガス流路の下流側では、フィンを設け
ることで発熱面積が大きくなり、十分な発熱量が得られ
る。よって、発生する熱を効率よく被加熱流体に伝達す
ることができ、装置を大型化することなく、熱交換効率
を向上させることができる。

【００１３】請求項２の触媒燃焼加熱装置では、上記課
題を解決するための他の手段として、上記構成の触媒付
熱交換器内における被加熱流体と燃料ガスの進行方向を
逆方向とするとともに、被加熱流体がガス状態となる上
記燃料ガス流路の上流側において、上記被加熱流体流路
の流路断面積を、被加熱流体が液体状態または沸騰状態
である下流側より小さくする。あるいは、上記被加熱流
体流路の伝熱面積を被加熱流体が液体状態または沸騰状
態である下流側より大きくする。

【００１４】上記構成では、被加熱流体が高温のガス状
態となる上記燃料ガス流路の上流側において、上記被加
熱流体流路の流路断面積を下流側よりも小さくしたの
で、流路内を流れる被加熱流体の流速が増加する。流速
を高めることで、被加熱流体への伝熱性能が向上するた
め、フィンやチューブ等の部材の過熱が抑制されるとと
もに、熱交換効率を高めることができる。あるいは、上
記被加熱流体流路の伝熱面積を下流側よりも大きくする
ことによっても、伝熱性能が向上し、同様の効果が得ら
れる。

【００１５】請求項３の構成では、請求項１または２の
構成における上記被加熱流体流路を、上記燃料ガス流路
内に、内部を被加熱流体が流れる多数のチューブを流路
を横切るように配設し、これらチューブを互いに連結し
て形成する。そして、被加熱流体がガス状態となる上記
燃料ガス流路の上流側において、上記チューブの径を被
加熱流体が液体状態または沸騰状態である下流側よりも
小さくするとともに、上記チューブを上記下流側よりも
密に設置する。

【００１６】具体的には、上記被加熱流体流路を多数の
チューブを連結して構成することができる。この構成で
は、被加熱流体が高温のガス状態となる上記燃料ガス流
路の上流側において、上記チューブの径を下流側よりも
小さくすると、チューブ径の２乗に比例して被加熱流体
の流路断面積が減少する。これにより、上記チューブ内
を流れる被加熱流体の流速が増加して、伝熱性能が向上
し、フィンやチューブ等の部材の過熱を防止しつつ、熱
交換効率を高めることができる。また、チューブ径に比
例して発熱面積と伝熱面積は減少するが、上流側で上記
チューブを密に設置し、設置本数の増加により総表面積
を大きくすることで、必要な発熱面積と伝熱面積を確保
することができる。

【００１７】この構成と請求項１の構成を組み合わせた
場合には、小径とした上流側のチューブにフィンを設置
していないので、上流側のチューブ径に合わせた大きさ
のフィンを用意する必要がなく、部品点数を削減して製
作コストを低くすることができる。さらに、フィンを設
置しないことで、同じ発熱量でもフィンを設置した場合
より燃料ガスに奪われる熱量を低くすることができる。

【００１８】請求項４の発明では、上記課題を解決する
ための他の手段として、上記構成の触媒付熱交換器を備
えた触媒燃焼加熱装置において、上記燃料ガス流路中、
対応する上記被加熱流体流路の内部を流れる被加熱流体
が伝熱抵抗の高い状態にある領域において、上記酸化触
媒層に供給される燃料ガス中の可燃ガスと支燃ガスの混
合状態を不均一にする手段を設けている。

【００１９】上記構成によれば、被加熱流体が伝熱抵抗
の高い状態にある領域では、上記酸化触媒層に、可燃ガ
スと支燃ガス（通常、空気）との混合状態が不均一な燃
料ガスが供給される。従って、この領域では、部分的な
酸素不足の状態となり、発熱量が小さくなる。よって、
上記酸化触媒層表面での発熱量と被加熱流体への伝熱量
とが釣り合い、必要以上の発熱を抑制して、上記チュー
ブ外表面の過熱を防止するとともに、高い熱交換効率を
実現できる。

【００２０】請求項５では、請求項４の発明における、
上記燃料ガスの混合状態を不均一にする手段として、上
記燃料ガス流路の上流端部に支燃ガス供給口を設けると
ともに、可燃ガス供給口を、被加熱流体が伝熱抵抗の高
い状態にある領域の上流側に設ける。このように、支燃
ガスと可燃ガスの供給口を別々に設け、上記燃料ガスの
流路内に分離導入することで、これらガスの混合状態を
不均一にすることができる。特に、可燃ガスの供給口
を、伝熱抵抗の高い領域の上流側に設けているので、こ
の領域の発熱量を小さくして、熱交換を効果的に行うこ
とができる。

【００２１】請求項６の発明は、上記課題を解決するた
めの他の手段として、上記構成の触媒付熱交換器を備え
た触媒燃焼加熱装置において、上記燃料ガス流路中、対
応する上記被加熱流体流路の内部を流れる被加熱流体が
伝熱抵抗の低い状態にある領域において、上記酸化触媒
層に供給される燃料ガス中の可燃ガスと支燃ガスの混合
状態を均一にする手段を設ける。

【００２２】上記構成によれば、被加熱流体が伝熱抵抗
の低い状態にある領域では、上記酸化触媒層に、可燃ガ
スと支燃ガスがより均一に混合された燃料ガスが供給さ
れる。従って、この領域における燃焼効率が向上し、発
熱量が大きくなる。被加熱流体が伝熱抵抗の低い状態に
ある領域、例えば、被加熱流体が沸騰状態で気液二層と
なっている領域では熱伝達率が大きいため、発熱量を多
くすることで、被加熱流体への伝熱効率を向上し、高い
熱交換効率を実現する。また、燃焼が促進されるので、
未燃焼のガスが排出されるのを抑制し、立ち上げ時にも
低エミッションの運転が可能である。

【００２３】請求項７では、請求項６の発明における上
記燃料ガスの混合状態を均一にする手段として、被加熱
流体が伝熱抵抗の低い状態にある領域の上流側に、多数
の通孔を有する拡散部材を設ける。この拡散部材により
支燃ガスと可燃ガスの混合が促進され、伝熱抵抗の低い
状態にある領域に、より均一な混合状態にある燃料ガス
を供給することができる。

【００２４】請求項８では、上記請求項４〜８の触媒付
熱交換器内における上記被加熱流体と上記燃料ガスの進
行方向を逆方向とする。この時、上記した過熱防止効果
がより効果的に発揮される。

【００２５】請求項９の発明では、上記課題を解決する
ための他の手段として、上記構成の触媒付熱交換器を備
えた触媒燃焼加熱装置において、上記燃料ガス流路の各
部位に、対応する上記被加熱流体流路の内部を流れる被
加熱流体の状態に応じた量の燃料ガスを分配供給するた
めの燃料分配手段を設ける。

【００２６】本発明では、液体状態の被加熱流体を加熱
して高温のガス状態に変化させる時、必要となる熱量の
大半が液体から気体になるための蒸発潜熱であること、
さらに被加熱流体が沸騰状態である時の上記被加熱流体
流路の内壁面から被加熱流体への熱伝達率が、例えばガ
ス化した被加熱流体を加熱する場合と比較して格段に高
いことに着目し、上記燃料分配手段を用いて、内部を流
れる被加熱流体の状態に応じて燃料ガスを分配供給す
る。

【００２７】例えば、上記流路触媒付熱交換器中で最も
熱量を必要とし、かつ最も熱が伝わりやすい部位、つま
り被加熱流体が沸騰状態にある部位の上記酸化触媒層
に、他の部位よりも多くの燃料ガスが供給される構成と
すれば、この部位の発熱量を大きくすることができ、熱
交換器の体格を大きくすることなく、効率よく熱伝達を
行うことができる。また、被加熱流体が高温のガス状態
にある部位では、燃料ガスの供給量を少なくして発熱量
が必要以上に大きくならないようにすることができるの
で、上記チューブや上記フィンの過熱を防止して、安全
性を高めることができる。よって、小型で安全性に優
れ、高い熱交換効率を有する触媒燃焼加熱装置を実現す
ることができる。

【００２８】請求項１０では、上記被加熱流体流路の内
部を流れる被加熱流体が沸騰状態である部位で、上記被
加熱流体流路の単位長さ当たりの発熱面積を他の部位よ
りも大きくする。例えば、上記フィンの取付面積を他の
部位よりも大きくすればよく、これにより、多くの熱量
が必要で熱伝達しやすい沸騰状態の被加熱流体が流れる
部位において、発生する熱量をより大きくすることがで
きる。よって、簡単な構成で、発熱量を適切に調整し、
高い熱交換効率を得ることができる。また、フィンの大
きさを、沸騰状態である部位で他の部位よりも大きくし
たり、取付間隔を小さく、かつフィンの大きさを大きく
するようにしてもよい。

【００２９】請求項１１では、被加熱流体が定常的に沸
騰状態であるべき部位に、被加熱流体温度を検出する温
度検出手段を設けるとともに、該温度検出手段により検
出される被加熱流体温度から上記部位の被加熱流体がガ
ス状態と判断された時に、上記燃料分配手段によって上
記部位に供給される燃料ガスの供給量を減少させる燃料
減少手段を設ける。

【００３０】上記燃料分配手段によって、例えば、被加
熱流体が沸騰状態である部位における発熱量が多くなる
ように構成した場合、急激な流量変化等により、本来沸
騰状態であるべき部位の被加熱流体が完全にガス化して
しまうと、発生する熱が被加熱流体に伝えられず、上記
チューブや上記フィンが過熱するおそれがある。そこ
で、この部位の被加熱流体温度を上記温度検出手段で検
出し、被加熱流体が完全にガス化したと判断された時に
は、燃料ガスの供給量を減少させる。これにより、発熱
量を減少させて、上記チューブや上記フィンの過熱を防
止し、安全性をさらに高めることができる。

【００３１】請求項１２では、上記燃料分配手段が、上
記燃料ガス流路の各部位に燃料ガスを分配供給するため
の多数の燃料供給口を有し、該燃料供給口の総断面積
を、被加熱流体が沸騰状態である部位で他の部位よりも
大きくする。

【００３２】具体的には、上記燃料ガス流路壁に設けた
多数の燃料ガス供給口を介して、上記燃料ガス流路内に
燃料ガスを供給することで、上記燃料ガス流路の各部位
にそれぞれ必要な量の燃料ガスを分配供給することがで
きる。そして、例えばその設置数を被加熱流体が沸騰状
態である部位で多くして、総断面積を大きくする。この
ように簡単な構成で、この部位での発熱量を大きくする
ことができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、図１により本発明の触媒燃
焼加熱装置の第１の実施の形態を説明する。図１
（ａ）、（ｂ）は、触媒燃焼加熱装置の主要部を構成す
るチューブ・フィン式の触媒付熱交換器の断面図で、両
端開口の筒状の容器１は、その内部を燃料ガス流路１１
となしている。容器１には、図の左端部に燃料供給口１
２が、右端部に排気口１３が設けられ、燃料ガスは、図
１（ｂ）に矢印で示すように、燃料ガス流路１１内を図
の左方より右方へ向けて流れる。燃料ガスは、例えば、
水素、メタノール等の可燃性ガスと空気の混合気からな
り、図略のガス供給部内で混合された後、燃料ガスとし
て上記燃料ガス流路１１内に供給される。

【００３４】燃料ガス流路１１内には、内部を被加熱流
体流路とする多数のチューブ２が、燃料ガスの流れと直
交する方向（図１（ａ）の上下方向）に延びている。こ
れらチューブ２は、燃料ガスの流れ方向に層状に並列配
置されており（図１（ｂ））、ここでは、５層のチュー
ブ２の層２Ａ〜２Ｅが形成してある。これらチューブ２
は燃料ガス流路１１と被加熱流体流路とを仕切る壁部と
なる。

【００３５】最上流の第１層２Ａを構成するチューブ２
は、その両端部に設けた流体溜３１、３２によって結合
されている（図１（ａ））。同様に、中間の第２層２
Ｂ、第３層２Ｃを流体溜３２、３３に、下流側の第４層
２Ｄ、第５層２Ｅを流体溜３３、３４に連結し、流体溜
３４に被加熱流体の導入管４１を、流体溜３１に導出管
４２を連結することで、図に矢印で示すように、燃料ガ
ス流路１１内をジグザクに、下流側より上流側へ向かう
被加熱流体の流路が形成される。被加熱流体としては、
例えば水が使用され、この流路内を流通する間に、燃料
ガスの酸化反応熱によって高温に加熱され、沸騰状態を
経て、ガス状態となる。ここでは、例えば、下流側の第
４層２Ｄ、第５層２Ｅで被加熱流体が液体状態（液昇温
部）、中間の第２層２Ｂ、第３層２Ｃで沸騰状態（液沸
騰部）、最上流の第１層２Ａでガス状態（ガス昇温部）
となるように流量、発熱量等を制御する。

【００３６】ここで、燃料ガス流路１１の最上流の第１
層２Ａを除き、上記チューブ２の外周には、リング状の
多数のフィン２１がロー付け等の方法で一体に接合され
ている。上記チューブ２およびフィン２１の外表面に
は、アルミナ等の多孔質体を担体として白金、パラジウ
ム等の酸化触媒を担持した酸化触媒層が形成されてい
る。本実施の形態では、第１層２Ａでは、上記チューブ
２にフィン２１を接合せず、チューブ２の外表面に直接
酸化触媒層を形成する。

【００３７】また、本実施の形態では、最上流の第１層
２Ａを構成するチューブ２の径を、これより下流側のチ
ューブ２よりも小さく形成するとともに、第１層２Ａに
おいて、上記チューブ２を下流側の層２Ｂ〜２Ｅよりも
密に設置する。つまり、最上流の層２Ａを構成するチュ
ーブ２の本数は、下流側の層２Ｂ〜２Ｅの各層を構成す
るチューブ２の本数よりも多くなっている。これは、フ
ィン２１を接合しない上、チューブ径を小さくしたこと
による発熱面積の減少を、チューブ２の本数を増加する
ことによる総外表面積の増加で補って、必要な発熱面積
を確保するためである。同時に、チューブ２の本数を増
加することによる総内壁面積の増加により、被加熱流体
がチューブ２の内壁に接する面積、つまり、必要な伝熱
面積を確保している。また、最上流の第１層２Ａでは、
チューブ２内を流れる被加熱流体が、熱伝達率の小さい
ガス状態であるため、被加熱流体の流速をより速くし
て、伝熱性能を向上させる狙いがある。

【００３８】下流側の層２Ｂ〜２Ｅでは、上記チューブ
２の径、フィン２１の径、形状等は同一としてある。ま
た、下流側の層２Ｂ〜２Ｅにおいて、各チューブ２が隣
合う層のチューブ２間に位置するように互い違いに配置
しており、これにより燃料ガス流路の実質長が長くなる
効果がある。また、最下流の２つの層２Ｄ、２Ｅにおい
て、フィン２１の取付け間隔を小さくして、より多くの
フィン２１を配設し、発熱面積を大きくしている（図１
（ａ））。なお、フィン２１の外径、数は、接合される
上記チューブ２内の被加熱流体に必要な熱量に応じて適
宜設定することができる。また、チューブ２の数や、配
置等も、被加熱流体の流量や状態に応じて適宜設定すれ
ばよい。

【００３９】このようにして、容器１の燃料ガス流路１
１内に、導入管４１を入口とし、チューブ２および流体
溜３１〜３４内を経て、出口となる導出管４２へ向かう
被加熱流体流路が形成される。ここで、被加熱流体の導
出管４２には、管壁に、被加熱流体の出口温度を制御す
るための温度センサ４３が設置されている。なお、燃料
供給口１２近傍の燃料ガス流路１１内に、上記従来の構
成において示したような、多数の通孔を有する整流板
や、触媒加熱用のヒータを配設することもできる。

【００４０】上記構成において、可燃性ガスと空気の混
合気からなる燃料ガスは、燃料供給口１２より燃料ガス
流路１１内に供給され、チューブ２およびフィン２１上
の触媒と酸化反応を起こし、触媒燃焼しながら、図の左
方から右方に流れて排気口１３へ向かう。酸化反応によ
り発生した熱は、フィン２１からチューブ２に伝達さ
れ、その内部を流れる被加熱流体を加熱する。一方、被
加熱流体の進行方向は、燃料ガスの進行方向と逆方向で
あり、チューブ２内を流体溜３１〜３４を経由しつつ図
の右方から左方に流れる。そして、燃料ガス流路１１の
上流側に向かうにつれて高温に加熱され、沸騰してガス
状態となった被加熱流体が、最上流の第１層２Ａのチュ
ーブ２内に導入される。

【００４１】このように、被加熱流体と燃料ガスの進行
方向が逆方向である場合、上記燃料供給口１２に近いチ
ューブ２内を流れる被加熱流体が最も高温となる。この
ため、チューブ２およびフィン２１の温度が上昇しやす
いが、上記構成では、最上流の第１層２Ａにおいて、チ
ューブ２にフィン２１を設けていないので、発熱が抑制
され、フィン２１やチューブ２が異常に高温となること
がない。よって、チューブ２の半径方向の熱応力により
フィン２１が変形したり、触媒が剥離するといった問題
が生じない。また、フィン２１が冷却フィンとして作用
することもない。

【００４２】また、最上流の第１層２Ａのチューブ２を
小径としたので、チューブ径の２乗に比例して流路断面
積が減少し、チューブ２内を流れる被加熱流体の流速が
増加する。流速を高めることで、伝熱性能が向上するた
め、チューブ２の過熱を抑制し、かつ熱交換効率を高め
ることができる。また、チューブ径に比例して発熱面積
と伝熱面積は減少するが、第１層２Ａでチューブ２の設
置本数を多くしチューブ内外の総表面積を大きくするこ
とで、必要な伝熱面積を確保しつつ発熱量を増加させ、
しかも必要以上に大きくならないように適切に制御でき
る。なお、この場合、チューブ２の設置本数が増加して
も、液体がガス状態となることにより被加熱流体の体積
は圧倒的に増加しているので、ベーパロックや流れの偏
りによって一部のチューブ内に被加熱流体が流れなくな
り、フィンやチューブが異常に加熱される心配はない。

【００４３】一方、被加熱流体は燃料ガス流路１１の下
流側、つまり排気口１３に近いほど低温であるため、排
気口１３から排出される排気ガスをより低温の被加熱流
体が流れるチューブ２に接触させることにより、排気ガ
ス中の熱を効率よく回収できる。また、チューブ２を隣
合う層間で互い違いに配置したので、燃料ガス流路１１
の実質長が長くなり熱交換効率が向上する。よって、容
器１の燃料ガスの流れ方向の長さを短くして装置の体格
を小型化することができる。さらに、下流側に位置する
フィン２１の取付け間隔を小さくして、排気ガスとの接
触面積を増大することにより、排気ガスの熱をより効果
的に回収するとともに、未燃ガス燃料を完全に触媒燃焼
させて排気ガスを浄化することができる。

【００４４】かくして、装置を大型化することなく、安
全で熱交換効率の高い触媒燃焼加熱装置を実現できる。
なお、上記実施の形態では、触媒燃焼器を横置きとした
が、縦置きとしてももちろんよい。

【００４５】図２〜６に本発明の第２の実施の形態を示
す。本実施の形態では、触媒燃焼加熱装置の主要部であ
る触媒付熱交換器が、積層型の基本構成を有している点
で、上記第１の実施の形態と異なっている。図２
（ａ）、（ｂ）において、矩形断面の容器１内は、隔壁
１４、１５によって、熱交換部とその上下の流体溜３
５、３６に区画されている。熱交換部は、図２（ｂ）の
左右方向に、多数の燃料ガス流路１１と被加熱流体流路
２２とを交互に積層配設してなり、隣接する燃料ガス流
路１１および被加熱流体流路２２は、両流路を仕切る壁
部となる多数の仕切板６１にて互いに区画されている。

【００４６】各燃料ガス流路１１は、図２（ａ）のよう
に、その内部に仕切用のスペーサ１６、１７を配設する
ことにより、上下方向に３分割されている（１１Ａ〜１
１Ｃ）。そして、図の上方から下方へ向けてジグザクに
燃料ガスが流れるように、上流部１１Ａの左端部に燃料
供給口１２を、下流部１１Ｃの右端部に排気口１３を配
設し、中間部１１Ｂの右端部と上流部１１Ａを、左端部
と下流部１１Ｃをそれぞれ流路７１、７２で連結してあ
る。

【００４７】一方、図２（ｂ）のように、各被加熱流体
流路２２の上下端は、隔壁１４、１５を貫通してそれぞ
れ流体溜３５、３６に連通している。そして、図２
（ａ）のように、下方の流体溜３６に被加熱流体の導入
管４１を、上方の流体溜３５に導出管４２を連結するこ
とで、図の下方から上方へ、すなわち燃料ガス流路１１
の下流側より上流側へ向けて被加熱流体が流れるように
なしてある。本実施の形態では、被加熱流体流路２２内
を、燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃに対応する
３つの層２２Ａ〜２２Ｃに分けており、例えば、燃料ガ
ス流路１１の下流部１１Ｃに対応する第３層２２Ｃで被
加熱流体が液体状態、中間部１１Ｂに対応する第２層２
２Ｂで沸騰状態、上流部１１Ａに対応する第１層２２Ａ
でガス状態となるように流量、発熱量等が制御される。

【００４８】ここで、各燃料ガス流路１１内には、上流
部１１Ａを除き、矩形断面の波板状のフィン７３が挿通
配設してある。図３のように、フィン７３は、流路壁と
なる２枚の仕切板６１間に挟持されて、中間部１１Ｂ、
下流部１１Ｃ内をさらに多数の流路に区画しており、こ
れらフィン７３および仕切板６１の表面には、アルミナ
等の多孔質体を担体として白金、パラジウム等の酸化触
媒を担持した酸化触媒層が形成してある。上流部１１Ａ
では、仕切板６１の表面に直接酸化触媒層を形成してい
る（図２（ａ））。本実施の形態では、フィン７３を矩
形断面形状としたことで仕切板６１との接触面積が大き
くなり、伝熱性能が向上する。

【００４９】図４（ａ）、（ｂ）のように、各被加熱流
体流路２２内は、矩形断面の波板状のフィン２３が挿通
配設されて、さらに多数の流路に区画されている。この
時、図３のように、被加熱流体流路２２のフィン２３と
燃料ガス流路１１のフィン７３とは、流路方向が互いに
直交するように配され、平板状の仕切板６１を挟んで、
これらフィン２３とフィン７３とを交互に積層すること
で熱交換部が構成される。また、図４（ｂ）のように、
被加熱流体流路２２の第１層２２Ａには、流路方向（図
の上下方向）に延びる多数のスペーサ６２が配置されて
いる。スペーサ６２は、図５のように、フィン２３によ
って区画される流路のそれぞれに配され、各流路の断面
積を約半分程度に小さくして、流速が増大するようにし
ている。なお、本実施の形態の構成では、チューブ２径
を小さくして流路断面積を小さくする第１の実施の形態
と異なり、流路断面積を小さくすることに伴う発熱面積
の減少は生じない。

【００５０】被加熱流体流路２２の第１層２２Ａの流路
断面積を小さくする手段として、スペーサ６２を配設す
る代わりに、図６のように、仕切板６１を被加熱流体流
路２２側路に突出させることもできる。ここでは、フィ
ン２３によって区画される流路に対し１つおきに仕切板
６１を三角形に突出させているが、形状等は特に制限さ
れない。このようにすると、スペーサ６２が不要とな
り、組付けの手間も省ける。また、仕切板６１を突出さ
せることによって、伝熱面積が増加し、燃料ガス流路１
１の表面積が増すので、上流部１１Ａの発熱面積の調整
が容易にできる。

【００５１】上記構成によっても、上記第１の実施の形
態と同様の効果が得られる。すなわち、上記燃料ガス流
路１１の上流部１１Ａにフィン７３を配設していないの
で、フィン７３や流路を構成する仕切板６１が異常に高
温となったり、冷却フィンとして作用することがない。
また、被加熱流体流路２２の第１層２２Ａにスペーサ６
２を配設して、流路断面積を小さくしたので、被加熱流
体の流速が増大し、さらに伝熱面積が大きくなるので、
伝熱性能がより向上する。よって、上流部１１Ａにおけ
る発熱量が適切に制御され、安全性を確保しつつ、熱交
換効率を向上させることができる。なお、流路断面積を
小さくし、かつ伝熱面積を大きくするための構成とし
て、被加熱流体流路２２の第１層２２Ａ内に配設される
フィン２３のピッチを他の層よりも狭くしてもよい。こ
の時、第１層２２Ａ内がより断面積が小さいより多くの
流路に区画され、伝熱性能を向上させることができる。

【００５２】また、上記積層型の熱交換器は、体積当た
りの比表面積を大きくできるので、小型化が容易であ
る。さらに、積層型の熱交換器は、プレス成形した各構
成部材を積層して一体ロー付けすることにより容易に製
作できるため、コストの低減が可能である。

【００５３】図７に本発明の第３の実施の形態を示す。
本実施の形態において、触媒燃焼加熱装置の主要部を構
成する触媒付熱交換器は、上記第１の実施の形態と同様
のチューブ・フィン式の基本構成を有しており、以下、
相違点を中心に説明する。図７（ａ）、（ｂ）のよう
に、本実施の形態では、筒状の容器１の内部に設けた燃
料ガス流路１１内に、３層のチューブ２の層２Ａ〜２Ｃ
が形成してあり、燃料ガス流路１１の上流側（図の左端
側）から第１層２Ａ〜第３層２Ｃとしてある。そして、
第１層２Ａを流体溜３１、３２に、第２層２Ｂを流体溜
３２、３３に、第３層２Ｃを流体溜３３、３４にそれぞ
れ連結することで、被加熱流体の導入管４１を入口、導
出管４２を出口とし、チューブ２の各層２Ａ〜２Ｃおよ
び流体溜３１〜３４内を経て、燃料ガスの流路１１内を
ジグザクに、下流側より上流側へ向かう被加熱流体の流
路が形成される。

【００５４】各チューブ２の外周には、表面に酸化触媒
層が形成されたリング状の多数のフィン２１がロー付け
等の方法で一体に接合されている。酸化触媒層は、アル
ミナ等の多孔質体を担体として白金やパラジウム等の酸
化触媒を担持してなり、燃料ガスと接触して酸化反応を
生起する。酸化反応により発生した熱は、フィン２１か
らチューブ２に伝達され、その内部を流れる被加熱流体
を加熱する。

【００５５】本実施の形態では、チューブ２の外周に設
けられるフィン２１の数や外径を、各層で同じとしてい
るが、必要な発熱量等に応じて適宜変更することもでき
る。また、チューブ２の数や、配置等も、被加熱流体の
流量や状態に応じて適宜設定すればよい。フィン２１に
加えてチューブ２の外周表面に酸化触媒層を形成するこ
ともできる。

【００５６】チューブ２の各層２Ａ〜２Ｃは、例えば、
燃料ガス流路１１の下流側の第３層２Ｃが被加熱流体の
液昇温部、中間の第２層２Ｂが液沸騰部、上流側の第１
層２Ａがガス昇温部となるようにする。そして、本実施
の形態では、これらの層２Ａ〜２Ｃのうち、チューブ２
の内部を流れる被加熱流体が伝熱抵抗の高い状態にある
領域、ここでは、ガス昇温部である第１層２Ａにおい
て、チューブ２の周囲に設けた酸化触媒層に供給される
燃料ガス中の可燃ガスと支燃ガスの混合状態を不均一に
する手段を設ける。具体的には、燃料ガスを構成する可
燃ガスと支燃ガスを、上記燃料ガスの流路１１内に分離
導入する手段として、容器１の左端部に支燃ガス供給口
１２´を設ける一方、チューブ２の第１層２Ａの上流側
に、複数の可燃ガス供給管５を配設する。複数の可燃ガ
ス供給管５は、チューブ２と直交する方向に、燃料ガス
流路１１を横切って平行に延びており（図１（ｂ）の上
下方向）、燃料ガス流れの上流側の管壁に、複数の可燃
ガス供給口５１が開口している。可燃ガスは、この可燃
ガス供給口５１より燃料ガス流路１１内に導入されて、
ここで支燃ガスと合流し、下流側の排気口１３へ向けて
流れる。

【００５７】また、チューブ２の内部を流れる被加熱流
体が伝熱抵抗の低い状態にある領域、ここでは、液沸騰
部である第２層２Ｂにおいて、チューブ２の周囲の酸化
触媒層に供給される燃料ガス中の可燃ガスと支燃ガスの
混合状態を均一にする手段を設ける。具体的には、第２
層２Ｂの上流側近傍に、ガスの流れを拡散するための多
数の通孔を有する拡散部材たる拡散板６を、燃料ガス流
路１１を横切って配設する。この拡散板６は、例えば、
発泡金属板や金属ウール等からなり、可燃ガスと支燃ガ
スの混合を促進して、チューブ２外周のフィン２１表面
における燃料ガスの触媒燃焼を促進する効果がある。こ
のような拡散部材は、ガスの流れを拡散する作用を有す
るものであればよく、例えば、焼結金属のような多孔質
体やパンチングメタル単体、さらに開口穴径の異なる複
数のパンチングメタルを平行配設したものでもよい。

【００５８】上記構成の触媒燃焼加熱装置の作動を説明
する。導入管４１から被加熱流体流路に供給される被加
熱流体（通常、水）は、チューブ２内を流体溜３１〜３
４を経由しつつ、燃料ガス流れと逆方向（図の右方から
左方）に流れる。被加熱流体は、その間に、燃料ガスの
酸化反応熱によって徐々に加熱され、燃料ガス流路１１
の上流側の第１層２Ａにおいて最も高い温度となる。こ
の第１層２Ａでは、チューブ２内を流れる被加熱流体が
高温の蒸気で、伝熱抵抗が大きい上、燃料ガスの上流側
で可燃ガス濃度が高くなっているため、従来の構成で
は、チューブ２およびその外周のフィン２１が高温にな
りやすい。

【００５９】そこで、本実施の形態では、可燃ガスの供
給管５を、この第１層２Ａの上流側に配置し、可燃ガス
と支燃ガスの混合が、第１層２Ａの酸化触媒層に供給さ
れる直前に行われるようにする。このように、燃料ガス
流路１１の上流側における燃料ガスの混合状態を不均一
とし、部分的な酸素不足を生じさせることにより、発熱
量を小さくし、チューブ２内を流れる被加熱流体に必要
な熱量と釣り合うようにすることができる。よって、フ
ィン２１や上記チューブ２が必要以上に過熱されないの
で、安全性が向上し、また、伝熱効率が向上する。

【００６０】さらに、被加熱流体が沸騰状態で伝熱抵抗
が小さくなっている中間の第２層２Ｂでは、対応するチ
ューブ２の上流側に拡散板６を配設したので、燃料ガス
が十分拡散混合された後に、フィン２１表面の酸化触媒
層に接触する。従って、燃料ガスの燃焼が促進されてよ
り多くの触媒反応熱を得ることができ、伝熱性能が向上
する。さらに、燃料ガスが均一混合されていることによ
り、燃焼が良好に行われるため未燃ガスの排出を抑制す
ることができ、装置の立ち上げ時においても低エミッシ
ョン運転が可能となる。

【００６１】図８（ａ）、（ｂ）に本発明の第４の実施
の形態を示す。本実施の形態では、チューブ２の内部を
流れる被加熱流体が伝熱抵抗の低い状態にある中間の第
２層２Ｂにおいて、チューブ２の周囲に供給される燃料
ガス中の可燃ガスと支燃ガスの混合状態を均一にする手
段として、上記第３の実施の形態の上記拡散板６を設け
る代わりに、第２層２Ｂより上流側のチューブ２を、前
後２列に、かつ互い違いに配置する。これにより、燃料
ガスの流れを乱して混合を促進する同様の効果が得られ
る。なお、この場合は、上流側の第１層２Ａのチューブ
２およびフィン２１の数が増加するので、反応面積を適
正にするために、上記フィン２１の表面積を下流側のフ
ィン表面積よりも小さくしてある。その他の構成は、上
記第３の実施の形態と同様である。

【００６２】図９、１０に本発明の第５の実施の形態を
示す。本実施の形態では、上記第２の実施の形態と同様
の基本構成を有する積層型の触媒付熱交換器において、
上記第３の実施の形態に示した燃料ガス中の可燃ガスと
支燃ガスの混合状態を不均一にする手段と、燃料ガス中
の可燃ガスと支燃ガスの混合状態を均一にする手段を設
けている。図９（ａ）、（ｂ）において、矩形断面の容
器１内は、多数の燃料ガス流路１１と被加熱流体流路２
２とを仕切板６１を挟んで交互に積層配設してなる熱交
換部と、その上下の流体溜３５、３６に区画されてい
る。

【００６３】各燃料ガス流路１１は上下方向に３分割さ
れ、上流部１１Ａと中間部１１Ｂを流路７１で、中間部
１１Ｂと下流部１１Ｃを流路７２で連結して、図の上方
から下方へ向けてジグザクに燃料ガスが流れるようにな
してある。また、各部１１Ａ〜１１Ｃには、矩形断面の
波板状のフィン７３が挿通配設してある。フィン７３
は、流路壁となる２枚の仕切板６１間に挟持されて、各
部１１Ａ〜１１Ｃ内をさらに多数の流路に区画してお
り、これらフィン７３および仕切板６１の表面には、ア
ルミナ等の多孔質体を担体として白金、パラジウム等の
酸化触媒を担持した酸化触媒層が形成してある。

【００６４】一方、各被加熱流体流路２２はそれぞれ流
体溜３５、３６に連結され、下方の流体溜３６には被加
熱流体の導入管４１が、上方の流体溜３５には導出管４
２が連結してあって、燃料ガス流路１１の下流側より上
流側へ向けて（図の下方から上方へ向けて）被加熱流体
が流れる。被加熱流体流路２２は、燃料ガス流路１１の
各部１１Ａ〜１１Ｃに対応する第１層２２Ａ〜第３層２
２Ｃからなり、例えば、燃料ガス流路１１の下流部１１
Ｃに対応する第３層２２Ｃが液昇温部、中間部１１Ｂに
対応する第２層２２Ｂで液沸騰部、上流部１１Ａに対応
する第１層２２Ａでガス昇温部となるようにする。な
お、図１０（ａ）、（ｂ）のように、各被加熱流体流路
２２内も、矩形断面の波板状のフィン２３によって、さ
らに多数の流路に区画されている。

【００６５】本実施の形態では、被加熱流体流路２２は
各層２２Ａ〜２２Ｃのうち、被加熱流体が伝熱抵抗の高
い状態にある第１層２２Ａに対応する、燃料ガス流路１
１の上流部１１Ａで酸化触媒層に供給される燃料ガス中
の可燃ガスと支燃ガスの混合状態を不均一にする手段を
設ける。具体的には、上流部１１Ａの左端部に支燃ガス
供給口１２´を設け、該支燃ガス供給口１２´内に、可
燃ガス供給管５を配設して、可燃ガスと支燃ガスを上流
部１１Ａに分離導入する。可燃ガス供給管５は、燃料ガ
ス流れの上流側の管壁に開口する可燃ガス供給口５１を
有し、可燃ガスは、この可燃ガス供給口５１より燃料ガ
スの流路１１内に導入されて、支燃ガスと合流しなが
ら、下流側へ向けて流れる。

【００６６】また、被加熱流体が伝熱抵抗の低い状態
（沸騰状態）にある第２層２２Ｂに対応する、燃料ガス
流路１１の中間部１１Ｂで酸化触媒層に供給される燃料
ガス中の可燃ガスと支燃ガスの混合状態を均一にする手
段を設ける。具体的には、中間部１１Ｂの上流の流路７
１内に、ガスの流れを拡散するための多数の通孔を有す
る拡散部材６３を充填する。この拡散部材６３は、例え
ば、発泡金属や金属ウール等からなり、可燃ガスと支燃
ガスの混合を促進して、酸化触媒層表面での燃料ガスの
触媒燃焼を促進する。

【００６７】上記構成によっても、上記第３の実施の形
態と同様の効果が得られる。すなわち、可燃ガスの供給
管５を、燃料ガス流路１１の上流部１１Ａの上流側に配
置したので、可燃ガスと支燃ガスの混合が、上流部１１
Ａの酸化触媒層に供給される直前に行われ、混合状態が
不均一となる。よって、発熱量を小さくし、フィン７３
や仕切板６１の過熱を防止して、安全性、伝熱効率を向
上できる。

【００６８】さらに、燃料ガス流路１１の中間部１１Ｂ
の上流側に、拡散部材６３を配設したので、燃料ガスが
十分拡散混合された後に、中間部１１Ｂの酸化触媒層に
接触する。従って、燃料ガスの燃焼が促進されてより多
くの触媒反応熱が得られ、伝熱性能が向上する。さら
に、未燃ガスの排出を抑制して、低エミッション運転を
可能にする。

【００６９】また、上記積層型の熱交換器は、体積当た
りの比表面積を大きくできるので、小型化が容易であ
る。さらに、積層型の熱交換器は、プレス成形した各構
成部材を積層して一体ロー付けすることにより容易に製
作できるため、コストの低減が可能である。

【００７０】このように、第３〜５の実施の形態の構成
によっても、部材の過熱を防止し、安定した触媒燃焼と
高い熱交換効率が得られる。また、燃料として水素等の
拡散係数の高い気体を用いる場合には、上記第３〜５の
実施の形態の構成のように、支燃ガスと分離導入するこ
とで、逆火を防止でき、燃料の絞り機構等の複雑な機構
を必要とせずに、信頼性の高い触媒燃焼加熱装置を実現
することができる。

【００７１】図１１に本発明の第６の実施の形態を示
す。本実施の形態において、触媒燃焼加熱装置の主要部
を構成する触媒付熱交換器は、上記第１の実施の形態と
同様のチューブ・フィン式の基本構成を有しており、以
下、相違点を中心に説明する。図１１（ａ）、（ｂ）の
ように、本実施の形態では、筒状の容器１の内部を燃料
ガス流路１１となして、その左端部に支燃ガス供給口１
２´を、右端部に排気口１３を設けている。容器１の両
側部には、後述する可燃ガスの供給部５３が形成されて
いる。

【００７２】燃料ガス流路１１内には、３層のチューブ
２の層２Ａ〜２Ｃが形成してあり、燃料ガス流路１１の
上流側から第１層２Ａ〜第３層２Ｃとしてある。そし
て、第１層２Ａを流体溜３１、３２に、第２層２Ｂを流
体溜３２、３３に、第３層２Ｃを流体溜３３、３４にそ
れぞれ連結することで、被加熱流体の導入管４１を入
口、導出管４２を出口とし、チューブ２の各層２Ａ〜２
Ｃおよび流体溜３１〜３４内を経て、燃料ガスの流路１
１内をジグザクに、下流側より上流側へ向かう被加熱流
体の流路が形成される。チューブ２の各層２Ａ〜２Ｃ
は、例えば、燃料ガス流路１１の下流側の第３層２Ｃが
被加熱流体の液昇温部、中間の第２層２Ｂが液沸騰部、
上流側の第１層２Ａがガス昇温部となるようにする。ま
た、被加熱流体の導出管４２の管壁には、被加熱流体の
出口温度を制御するための温度センサ４３が設置されて
いる。

【００７３】各チューブ２の外周には、リング状の多数
のフィン２１がロー付け等の方法で一体に接合されてお
り、その外表面に酸化触媒層が形成されている。酸化触
媒層は、例えば、アルミナ等の多孔質体を担体として白
金、パラジウム等の酸化触媒が担持してなる。フィン２
１に加えてチューブ２の外周表面に酸化触媒層を形成す
ることもできる。

【００７４】本実施の形態では、チューブ２の各層２Ａ
〜２Ｃに、内部を流れる被加熱流体の状態に応じた量の
燃料ガスを分配供給するための燃料分配手段として、上
記容器１の両側部に、多数の燃料供給口たる可燃ガス供
給口５１を有する可燃ガスの供給部５３を設ける。多数
の可燃ガス供給口５１は、容器１の両側壁を貫通して燃
料ガス流路１１内に開口し（図１（ｂ））、各層２Ａ〜
２Ｃの上流側に、それぞれ所定数形成されて可燃ガスを
分離供給するようになしてある（図１（ａ））。各層２
Ａ〜２Ｃに対応する可燃ガス供給口５１の数は、それぞ
れの層の被加熱流体の状態に応じて必要な量の可燃ガス
が供給されるように適宜決定される。被加熱流体は、沸
騰状態である時に熱伝達率が高く、また液体から気体に
なるために多くの熱量を必要とすることから、ここで
は、被加熱流体が沸騰状態である第２層２Ｂの上流側
に、他の層よりも多くの可燃ガス供給口５１を形成す
る。

【００７５】可燃ガスの供給部５３には、一端側（図１
（ｂ）の左端側）に可燃ガス導入管５２が接続してあ
り、他端側は閉鎖している。可燃ガス導入管５２内に
は、沸騰状態であるべき部位の被加熱流体のガス状態と
なった時に燃料ガスの供給量を減少させる燃料減少手段
として、絞り弁８が配設されており（図１（ｂ））、そ
の開度を調整することで、可燃ガスの供給部５に導入さ
れる可燃ガスの流量を減少させることができるようにし
ている。また、内部を流れる被加熱流体が定常的に沸騰
状態であるべき部位である流体溜３２内に、温度検出手
段たる温度センサ７を設けており、被加熱流体温度から
判断される被加熱流体の状態に応じて、上記絞り弁８の
開度を調整できるようにしている。

【００７６】また、本実施の形態では、内部を流れる被
加熱流体が沸騰状態である第２層２Ｂにおいて、チュー
ブ２の外周に形成させるフィン２１の取付間隔を、他の
層よりも小さくする（図１（ａ））。これにより、第２
層２Ｂの発熱面積を大きくして、発熱量をさらに大きく
することができる。フィン２１の径や形状等は、ここで
は各層で同一としてあるが、接合されるチューブ２内の
被加熱流体に必要な熱量に応じて適宜変更することもで
きる。また、チューブ２の径や数、配置等も、被加熱流
体の流量や状態に応じて適宜設定すればよい。

【００７７】次に、本実施の形態の触媒燃焼加熱装置の
作動について説明する。上記構成において、燃料ガス流
路１１内には、支燃ガス供給口１２´より支燃ガスが供
給され、可燃ガスの供給部５３より多数の可燃ガス供給
口５１を介して供給される可燃ガスと混合して、チュー
ブ２の各層２Ａ〜２Ｃに供給される。一方、被加熱流体
は、燃料ガスの流れとは逆に、チューブ２内を流体溜３
１〜３４を経由しつつ図の右方から左方に流れる。そし
て、燃料ガス流路１１の上流側に向かうにつれて高温に
加熱され、中間の第２層２Ｂで沸騰状態となる。この第
２層２Ｂでは、液体から気体に変化するために大量の熱
量を必要とし、さらに被加熱流体が沸騰状態であるため
伝熱抵抗が最も低くなっている。

【００７８】そこで、本実施の形態では、チューブ２の
各層に対応する多数の可燃ガス供給口５１を設けて、各
層２Ａ〜２Ｃに燃料ガスを分配供給する。特に、液沸騰
部である第２層２Ｂに対応する可燃ガス供給口５１の数
を他の層より多くして、燃料ガス供給量を多くし、発熱
量を大きくする。また、この第２層２Ｂにおいて、フィ
ン２１の取付間隔を他の層より小さくし、チューブ２の
単位長さ当たりの発熱面積を大きくしたので、より多く
の発熱量を得ることができる。さらに、上流の第１層２
Ａでは、従来のように予混合した燃料ガスを供給する場
合には、燃料ガス中の可燃ガス濃度が高くなるため、発
熱量が大きくなりやすいが、可燃ガス供給口５１の数を
必要な発熱量に応じた数とすることで、フィン２１やチ
ューブ２の過熱を防止することができる。よって、安全
性が向上し、フィン２１の変形や触媒の剥離といった不
具合が生じることもない。

【００７９】このように、多数の可燃ガス供給口５１を
設けて、その数を被加熱流体の状態に応じて適切に設定
することで、小型で、安全であり、しかも熱交換効率の
高い触媒燃焼加熱装置を得ることができる。

【００８０】さらに、上記構成では、被加熱流体が定常
的に沸騰状態であるべき流体溜３２内に温度センサ７を
設けるとともに、可燃ガス導入管５２内に絞り弁８を設
けたので、被加熱流体の状態に応じて、可燃ガスの流量
を適切に制御できる。従って、例えば、急激な流量変化
等によりこの部位の被加熱流体が完全にガス化してしま
った場合でも、温度センサ７で検出される被加熱流体温
度から被加熱流体の状態を知り、絞り弁８の開度を小さ
くして可燃ガスの流量を減少させることで、発熱量を小
さくすることができる。よって、チューブ２やフィン２
１の過熱が防止でき、安全性をさらに高めることができ
る。

【００８１】図１２、１３に本発明の第７の実施の形態
を示す。本実施の形態では、上記第２の実施の形態と同
様の基本構成を有する積層型の触媒付熱交換器におい
て、上記第６の実施の形態に示した内部を流れる被加熱
流体の状態に応じた量の燃料ガスを分配供給するための
燃料分配手段を設けている。図１２（ａ）、（ｂ）にお
いて、矩形断面の容器１内は、多数の燃料ガス流路１１
と被加熱流体流路２２とを仕切板６１を挟んで交互に積
層配設してなる熱交換部と、その上下の流体溜３５、３
６に区画されている。

【００８２】各燃料ガス流路１１は上下方向に３分割さ
れ、上流部１１Ａに支燃ガス供給口１２´を、下流部１
１Ｃに排気口１３を連結するとともに、上流部１１Ａと
中間部１１Ｂを流路７１で、中間部１１Ｂと下流部１１
Ｃを流路７２で連結して、図の上方から下方へ向けてジ
グザクに燃料ガスが流れるようになしてある。また、各
部１１Ａ〜１１Ｃには、矩形断面の波板状のフィン７３
が挿通配設してある。フィン７３は、流路壁となる２枚
の仕切板６１間に挟持されて、各部１１Ａ〜１１Ｃ内を
さらに多数の流路に区画しており、これらフィン７３お
よび仕切板６１の表面には、アルミナ等の多孔質体を担
体として白金、パラジウム等の酸化触媒を担持した酸化
触媒層が形成してある。

【００８３】一方、各被加熱流体流路２２はそれぞれ流
体溜３５、３６に連結され、下方の流体溜３６には被加
熱流体の導入管４１が、上方の流体溜３５には導出管４
２が連結してあって、燃料ガス流路１１の下流側より上
流側へ向けて（図の下方から上方へ向けて）被加熱流体
が流れる。被加熱流体流路２２は、燃料ガス流路１１の
各部１１Ａ〜１１Ｃに対応する第１層２２Ａ〜第３層２
２Ｃからなり、例えば、燃料ガス流路１１の下流部１１
Ｃに対応する第３層２２Ｃが液昇温部、中間部１１Ｂに
対応する第２層２２Ｂで液沸騰部、上流部１１Ａに対応
する第１層２２Ａでガス昇温部となるようにする。な
お、図１３（ａ）、（ｂ）のように、各被加熱流体流路
２２内も、矩形断面の波板状のフィン２３によって、さ
らに多数の流路に区画されている。

【００８４】本実施の形態では、被加熱流体流路２２内
部を流れる被加熱流体の状態に応じた量の燃料ガスを分
配供給するための燃料分配手段として、図１２（ｂ）、
図１３（ａ）に示すように、容器１の側部に、多数の燃
料供給口たる可燃ガス供給口５１を有する可燃ガスの供
給部５３を設ける。これら可燃ガス供給口５１は、図１
２（ａ）のように、燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１
１Ｃの上流側に可燃ガスを分離供給するためのもので、
支燃ガス供給口１２´、流路７１および流路７２に連通
させて、それぞれ所定数形成してある。各部１１Ａ〜１
１Ｃに形成する可燃ガス供給口５１の数は、各部１１Ａ
〜１１Ｃに対応する被加熱流体の状態に応じて必要な量
の可燃ガスが供給されるように適宜決定される。被加熱
流体は、沸騰状態である時に熱伝達率が高く、また液体
から気体になるために多くの熱量を必要とすることか
ら、ここでは、被加熱流体が沸騰状態である第２層２２
Ｂの上流である流路７１に、より多くの可燃ガス供給口
５１を形成する。

【００８５】また、本実施の形態では、燃料ガス流路１
１の中間部１１Ｂにおいて、フィン７３を構成する波板
の対向面間の間隔を、上流部１１Ａ、下流部１１Ｃより
も小さくする（図１２（ａ）、（ｂ））。これにより、
内部を流れる被加熱流体が沸騰状態である第２層２２Ｂ
に対応する発熱面積を大きくして、発熱量をさらに大き
くすることができる。

【００８６】上記構成によっても、上記第６の実施の形
態と同様の効果が得られる。すなわち、燃料ガス流路１
１の各部１１Ａ〜１１Ｃに燃料ガスを分配供給する可燃
ガスの供給部５３を設けて、液沸騰部である第２層２２
Ｂに対応する可燃ガス供給口５１の数を他の層より多く
したこと、また、この第２層２２Ｂにおいて、フィン２
１の取付間隔を他の層より小さくし、被加熱流体流路２
２の単位長さ当たりの発熱面積を大きくしたことで、よ
り多くの発熱量を得ることができる。さらに、上流の第
１層２２Ａに対応する可燃ガス供給口５１の数を適切に
設定することで、フィン２１やチューブ２の過熱を防止
することができる。よって、小型で、安全であり、しか
も熱交換効率の高い触媒燃焼加熱装置を得ることができ
る。

【００８７】また、上記積層型の熱交換器は、体積当た
りの比表面積を大きくできるので、小型化が容易であ
る。さらに、積層型の熱交換器は、プレス成形した各構
成部材を積層して一体ロー付けすることにより容易に製
作できるため、コストの低減が可能である。なお、本実
施の形態の構成において、上記第６の実施の形態のよう
な絞り弁８や温度センサ７を設け、被加熱流体の状態に
応じて可燃ガスの流量を制御する構成とすることももち
ろんできる。

【００８８】このように、第６、７の実施の形態の構成
によっても、部材の過熱を防止しつつ、安定した触媒燃
焼を行い、高い熱交換効率を実現することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、図１（ａ）
は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器
の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面
図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示し、図２（ａ）
は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器
の断面図で、図２（ｂ）のIIａ−IIａ線断面図、図２
（ｂ）は触媒付熱交換器の断面図である。

【図３】第２の実施の形態の触媒付熱交換器の熱交換部
の部分拡大図である。

【図４】図４（ａ）は図４（ｂ）のIVａ−IVａ線断面
図、図４（ｂ）は図２（ｂ）のIVｂ−IVｂ線断面図であ
る。

【図５】図５は図４（ｂ）のＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】第２の実施の形態における被加熱流体流路の第
１層の流路形状の他の例を示す図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態を示し、図７（ａ）
は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器
の断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の VIIｂ− VIIｂ線
断面図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態を示し、図８（ａ）
は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器
の断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線
断面図である。

【図９】本発明の第５の実施の形態を示し、図９（ａ）
は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器
の断面図で、図９（ｂ）のIXａ−IXａ線断面図、図９
（ｂ）は触媒付熱交換器の断面図である。

【図１０】図１０（ａ）は図１０（ｂ）のＸａ−Ｘａ線
断面図、図１０（ｂ）は図９（ｂ）のＸｂ−Ｘｂ線断面
図である。

【図１１】本発明の第６の実施の形態を示し、図１１
（ａ）は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱
交換器の断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＸＩｂ
−ＸＩｂ線断面図である。

【図１２】本発明の第７の実施の形態を示し、図１２
（ａ）は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱
交換器の断面図で、図１２（ｂ）の XIIａ− XIIａ線断
面図、図１２（ｂ）は触媒付熱交換器の断面図である。

【図１３】図１３（ａ）は図１２（ａ）のXIIIａ−XIII
ａ線断面図、図１３（ｂ）は図１２（ｂ）のXIIIｂ−XI
IIｂ線断面図である。

【図１４】従来の触媒燃焼加熱装置の主要部断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 容器 １１ 燃料ガス流路 １１Ａ 上流部 １１Ｂ 中間部 １１Ｃ 下流部 １２ 燃料ガス供給口 １２´ 支燃ガス供給口 １３ 排気口 ２ チューブ ２１ フィン ２２ 被加熱流体流路 ２３ フィン ２Ａ 第１層 ２Ｂ 第２層 ２Ｃ 第３層 ２２Ａ 第１層 ２２Ｂ 第２層 ２２Ｃ 第３層 ３１〜３４ 流体溜 ４１ 被加熱流体の導入管 ４２ 被加熱流体の導出管 ５ 可燃ガスの供給部（燃料分配手段） ５１ 可燃ガス供給口（燃料供給口） ５２ 可燃ガス導入管 ５３ 可燃ガスの供給部（燃料分配手段） ６ 拡散板（拡散部材） ６１ 仕切板 ６２ スペーサ ６３ 拡散部材 ７ 温度センサ（温度検出手段） ７１、７２ 流路 ７３ フィン ８ 絞り弁（燃料減少手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 廣瀬 祥司 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 荻野 温 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 根岸 良昌 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流
   路を接触させて配し、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと
   接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けて、燃料
   ガスの酸化反応熱を上記被加熱流体流路内の被加熱流体
   に伝達することにより、液体状態の被加熱流体をガス状
   態に加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置
   において、上記触媒付熱交換器内における被加熱流体と
   燃料ガスの進行方向を逆方向とするとともに、上記酸化
   触媒層を、被加熱流体がガス状態となる上記燃料ガス流
   路の上流側では、上記燃料ガス流路と上記被加熱流体流
   路とを仕切る壁部の表面に直接形成し、被加熱流体が液
   体状態または沸騰状態である下流側では、上記壁部に接
   して設けたフィンの表面に形成したことを特徴とする触
   媒燃焼加熱装置。
2. 【請求項２】 容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流
   路を接触させて配し、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと
   接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けて、燃料
   ガスの酸化反応熱を上記被加熱流体流路内の被加熱流体
   に伝達することにより、液体状態の被加熱流体をガス状
   態に加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置
   において、上記触媒付熱交換器内における被加熱流体と
   燃料ガスの進行方向を逆方向とするとともに、被加熱流
   体がガス状態となる上記燃料ガス流路の上流側におい
   て、上記被加熱流体流路の流路断面積を、被加熱流体が
   液体状態または沸騰状態である下流側より小さくし、ま
   たは上記被加熱流体流路の伝熱面積を被加熱流体が液体
   状態または沸騰状態である下流側より大きくしたことを
   特徴とする触媒燃焼加熱装置。
3. 【請求項３】 上記燃料ガス流路内に、内部を被加熱流
   体が流れる多数のチューブを流路を横切るように配設
   し、これらチューブを互いに連結して上記被加熱流体流
   路を形成するとともに、被加熱流体がガス状態となる上
   記燃料ガス流路の上流側において、上記チューブの径を
   被加熱流体が液体状態または沸騰状態である下流側より
   も小さくし、かつ上記チューブを上記下流側よりも密に
   設置した請求項１または２記載の触媒燃焼加熱装置。
4. 【請求項４】 容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流
   路を接触させて配し、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと
   接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けて、燃料
   ガスの酸化反応熱を上記被加熱流体流路内の被加熱流体
   に伝達することにより、液体状態の被加熱流体をガス状
   態に加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置
   において、上記燃料ガス流路中、対応する上記被加熱流
   体流路の内部を流れる被加熱流体が伝熱抵抗の高い状態
   にある領域において、上記酸化触媒層に供給される燃料
   ガス中の可燃ガスと支燃ガスの混合状態を不均一にする
   手段を設けたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
5. 【請求項５】 上記燃料ガスの混合状態を不均一にする
   手段として、上記燃料ガス流路の上流端部に支燃ガス供
   給口を設けるとともに、可燃ガス供給口を、被加熱流体
   が伝熱抵抗の高い状態にある領域の上流側に設けた請求
   項４記載の触媒燃焼加熱装置。
6. 【請求項６】 容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流
   路を接触させて配し、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと
   接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けて、燃料
   ガスの酸化反応熱を上記被加熱流体流路内の被加熱流体
   に伝達することにより、液体状態の被加熱流体をガス状
   態に加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置
   において、上記燃料ガス流路中、対応する上記被加熱流
   体流路の内部を流れる被加熱流体が伝熱抵抗の低い状態
   にある領域において、上記酸化触媒層に供給される上記
   燃料ガス中の可燃ガスと支燃ガスの混合状態を均一にす
   る手段を設けたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
7. 【請求項７】 上記燃料ガスの混合状態を均一にする手
   段として、被加熱流体が伝熱抵抗の低い状態にある領域
   の上流側に、多数の通孔を有する拡散部材を設けた請求
   項６記載の触媒燃焼加熱装置。
8. 【請求項８】 上記触媒付熱交換器内における上記被加
   熱流体と上記燃料ガスの進行方向が逆方向である請求項
   ４ないし７のいずれか記載の触媒燃焼加熱装置。
9. 【請求項９】 容器内に、燃料ガス流路と被加熱流体流
   路を接触させて配し、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと
   接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けて、燃料
   ガスの酸化反応熱を上記被加熱流体流路内の被加熱流体
   に伝達することにより、液体状態の被加熱流体をガス状
   態に加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置
   において、上記燃料ガス流路の各部位に、対応する上記
   被加熱流体流路の内部を流れる被加熱流体の状態に応じ
   た量の燃料ガスを分配供給するための燃料分配手段を設
   けたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
10. 【請求項１０】 上記被加熱流体流路の内部を流れる被
    加熱流体が沸騰状態である部位で、上記被加熱流体流路
    の単位長さ当たりの発熱面積を他の部位よりも大きくし
    た請求項９記載の触媒燃焼加熱装置。
11. 【請求項１１】 被加熱流体が定常的に沸騰状態である
    べき部位の被加熱流体温度を検出する温度検出手段を設
    けるとともに、該温度検出手段により検出される被加熱
    流体温度から上記部位の被加熱流体がガス状態と判断さ
    れた時に、上記部位に供給される燃料ガスの量を減少さ
    せる燃料減少手段を設けた請求項９または１０記載の触
    媒燃焼加熱装置。
12. 【請求項１２】 上記燃料分配手段が、上記燃料ガス流
    路の各部位に燃料ガスを分配供給するための多数の燃料
    供給口を有し、該燃料供給口の総断面積を、被加熱流体
    が沸騰状態である部位で他の部位よりも大きくした請求
    項９ないし１１のいずれか記載の触媒燃焼加熱装置。