JP2000055353A

JP2000055353A - 触媒燃焼加熱装置

Info

Publication number: JP2000055353A
Application number: JP11147865A
Authority: JP
Inventors: Tomoji Yamada; 知司山田; Shoji Hirose; 祥司廣瀬; Atsushi Ogino; 温荻野; Yoshimasa Negishi; 良昌根岸
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-02-22
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: JP4430156B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で、未燃ガスの排出や発火等を防
止しながら、早期に触媒付熱交換器全体を活性化するこ
とができる、安全で、始動時間の短い触媒燃焼加熱装置
を得る。【解決手段】可燃ガスおよび支燃ガスを含む燃料ガス
流路１１中に、内部を被加熱流体流路とするチューブ２
を配設し、チューブ２の外周に多数のフィン２１を設け
て、その表面に酸化触媒層を形成する。燃料ガス流路１
１の排気口１３内に、燃焼排気ガスの温度を検出する温
度検出装置７を設け、その検出結果に基づいて装置始動
時の可燃ガスの流量を制御する流量制御装置６を設け
る。流量制御装置６は、燃焼排気ガス温度が所定温度を
越えるまでは可燃ガス流量を少量とし、所定温度を越え
たら触媒の一部が活性化したと判断して可燃ガス流量を
規定量に増大することで、発火を防止しつつ始動時間を
短縮する。

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（例え
ば、特開平５−２２３２０１号公報等）。触媒燃焼加熱
装置は、通常、燃料ガスの流路内に、液体または気体の
被加熱流体が流れるチューブを配設し、該チューブの外
周に多数のフィンを一体的に接合した触媒付熱交換器を
備えている。上記多数のフィンには、例えば白金やパラ
ジウム等の酸化触媒を担持してあり、この触媒担持フィ
ンを加熱して活性化させ、可燃ガスと接触させると、フ
ィン表面において酸化反応が生起する。その際に発生す
る酸化反応熱がフィンからチューブ内に伝えられて、チ
ューブ内を流通する被加熱流体を加熱するようになって
いる。

【０００３】可燃ガスは、これを酸化させるための支燃
ガス（通常、空気）と混合された後、燃料ガスとして触
媒付熱交換器内に供給される。触媒による酸化反応は、
非常に広い可燃ガス濃度範囲で起こるため、上流側で反
応しなかった未燃ガスを下流側の触媒によって燃焼させ
ることが可能で、熱交換器全体で燃焼を行うことができ
る。このため、それまで一般的であったバーナー式の加
熱装置に比較して小型で処理能力の高い加熱装置が得ら
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
触媒燃焼加熱装置では、装置始動時において、燃料ガス
流路の上流側の触媒が十分な活性状態となっていない
と、未反応の燃料ガス（未燃ガス）が排出されてしまっ
たり、未反応のまま下流側に流れながら高濃度となった
燃料ガスが、燃料ガス流路の出口近傍において酸化触媒
と接触して一気に反応し、発火等を引き起こす可能性が
あった。また、これを防止するために、燃料ガス流路の
各部位におけるチューブおよびフィンの温度をそれぞれ
モニタしながら、徐々に立ち上げる方法があるが、構成
が複雑になり、しかも始動時間が長くなるといった不具
合があった。

【０００５】しかして、本発明は、簡単な構成で、未燃
ガスの排出や発火等を防止しながら、早期に触媒付熱交
換器全体を活性化することができる、安全で、始動時間
の短い触媒燃焼加熱装置を得ることを目的とする。

【０００６】

【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、可燃ガ
スと支燃ガスを含む燃料ガスが流れる燃料ガス流路と被
加熱流体が流れる被加熱流体流路とを接触させて設け、
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た触媒付熱交換器を備え、上記
燃料ガスの酸化反応熱により上記被加熱流体を加熱する
ようになしてある。上記燃料ガス流路の出口近傍には、
燃焼排気ガスの温度もしくは上記可燃ガスの濃度を検出
する検出手段を設けてあり、この検出手段の検出結果に
基づいて上記可燃ガスの流量を制御する流量制御手段を
設けたものである。

【０００７】触媒燃焼では、触媒温度が、反応面積に応
じた量の可燃ガスをほぼ完全に酸化するための活性温度
の６割程度まで上昇すれば、その後は燃料の増量に伴っ
て、反応が活発化する。また、触媒付熱交換器の一部が
十分活性化すれば、周囲の触媒はその輻射熱や燃焼ガス
を媒体とする熱の移動によって瞬く間に活性温度に達す
る。そこで、本発明では、上記検出手段を用いて触媒付
熱交換器内の触媒の活性化状態を知り、それに応じて上
記可燃ガスの流量を制御する。例えば、上記可燃ガスの
割合が上記支燃ガスに対してごく小さければ、未燃ガス
が上記燃料ガス流路の下流側で一気に反応しても、発火
に至ることはない。また、可燃ガス流量が小さければ、
上流から徐々に反応しながら下流側に向かうので、極端
な可燃ガスの吹き抜けがない。

【０００８】また、このように支燃ガスの量に対して可
燃ガスの量が少ない場合、可燃ガスがほぼ完全に酸化し
ないと燃焼排気ガスの温度上昇を明確に確認できない。
つまり、燃焼排気ガスの温度が明らかに上昇を開始すれ
ば、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部
が活性温度に達したとみなすことができる。あるいは、
上記可燃ガスの濃度が急激に低下すれば、供給された可
燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部が活性温度に達し
たとみなすことができる。従って、上記流量制御手段に
より、これらの状態が検出されるまでは可燃ガスの流量
が少なくなるようにし、これらの状態が検出されたら可
燃ガス流量を増大するように制御すれば、発生する熱を
効果的に利用して、早期に触媒付熱交換器全体を活性化
することができる。よって、構成が簡単で、多数の温度
をモニタする必要がなく、未燃ガスの排出や発火等を防
止して、安全で始動時間の短い触媒燃焼加熱装置を実現
できる。

【０００９】請求項２の構成では、上記流量制御手段
が、上記検出手段によって検出される上記燃焼排気ガス
の温度が所定温度を越えるまで、あるいは上記可燃ガス
の濃度が所定濃度を下回るまでは上記可燃ガスの流量を
上記支燃ガスに対し十分小さくし、上記燃焼排気ガスの
温度が所定温度を越え、あるいは上記可燃ガスの濃度が
所定濃度を下回ったら上記可燃ガスの流量を所定の量ま
で増大させる制御を行う。

【００１０】具体的には、上記燃焼排気ガスの温度が明
らかに上昇を開始し、所定温度を超えたことを確認すれ
ば、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部
が活性温度に達したとみなすことができる。あるいは、
上記可燃ガスの濃度が急激に低下し、所定濃度を下回れ
ば、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部
が活性温度に達したとみなすことができる。そこで、上
記燃焼排気ガスの温度が所定温度を越えたがどうか、ま
たは上記可燃ガスの濃度が所定濃度を下回ったかどうか
を検出するようにする。また、上記可燃ガスの割合が十
分小さければ、可燃ガスが下流側で一気に反応しても危
険な状態となることはなく、安全性が確保できる。

【００１１】請求項３の構成では、上記触媒付熱交換器
が、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
可燃ガスを分配供給するための燃料分配手段を備える。

【００１２】上記燃料ガス流路内に、上記被加熱流体流
路内の被加熱流体の状態に応じて可燃ガスを分離導入す
る構成では、下流側にも一定割合の可燃ガスが常に供給
されるため、上記燃料ガス流路の上流に可燃ガスと支燃
ガスの混合ガスを供給する構成に比べ、下流側において
燃料ガスが高濃度となりやすい。このような場合でも、
本発明により、上記検出手段の検出結果に基づいて上記
流量制御手段により可燃ガスの流量を制御することで、
安全に触媒の早期活性化を行うことができる。また、上
記構成では、可燃ガスを分離導入し、定常燃焼時には上
記燃料ガス流路の各部位にそれぞれ必要な量の可燃ガス
を供給することで、フィンやチューブ等の局部過熱を防
止しながら効率よく触媒燃焼を行い、熱交換効率を高め
ることができる。

【００１３】請求項４のように、上記触媒付熱交換器
は、上記燃料ガス流路内に内部を被加熱流体が流れる多
数のチューブを配設して、これらチューブを互いに連結
することにより上記被加熱流体流路を形成した構成とす
ることができる。あるいは、多数の仕切板を平行配設し
て、隣接する２枚の仕切板間に上記燃料ガス流路と上記
被加熱流体流路を交互に形成した積層型の構成とするこ
ともできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の触媒燃
焼装置の第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。燃料ガスは可燃
ガスと支燃ガスの混合気からなり、可燃ガスとしては、
例えば、水素、メタノール等が、支燃ガスとしては、例
えば、空気等が使用される。容器１には、図の左端部に
支燃ガス供給口１２が、右端部に排気口１３が設けら
れ、燃料ガスは、燃料ガス流路１１内を図の左方より右
方へ向けて流れる。また、図１（ｂ）に示すように、容
器１の側部には、燃料分配手段たる可燃ガスの供給部５
が形成されている。

【００１５】燃料ガス流路１１内には、内部を被加熱流
体が流れる多数のチューブ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、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
いる（図１（ｂ））。ここでは、３層のチューブ２の層
（第１層２Ａ〜第３層２Ｃ）が形成してある。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
の酸化触媒を担持させた酸化触媒層が形成してある。フ
ィン２１外表面に加え、チューブ２の外周表面に酸化触
媒層を形成してもよい。

【００１６】可燃ガスの供給部５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
量の可燃ガスを分配供給するための多数の可燃ガス供給
口５１を有している。多数の可燃ガス供給口５１は、容
器１の側壁を貫通して燃料ガス流路１１内に開口し（図
１（ｂ））、チューブ２の層２Ａ〜２Ｃの上流側にそれ
ぞれ所定数形成されて（図１（ａ））、各層に必要な量
の可燃ガスを分離供給するようになしてある。各層２Ａ
〜２Ｃに対応する可燃ガス供給口５１の数は、各層の被
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、被加熱流体が沸騰状
態である中間の第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。

【００１７】可燃ガスの供給部５には、一端側（図１
（ｂ）の左端側）に可燃ガス供給装置５２が接続してあ
る。上記燃料ガス流路１１の出口となる排気口１３内に
は、検出手段たる温度検出装置７が配設され、この温度
検出装置７で検出した燃焼排気ガスの温度を基に、流量
制御手段たる流量制御装置６にて、可燃ガスの供給部５
に導入される可燃ガスの流量を制御するようになしてあ
る。また、流量制御装置６は、支燃ガス供給装置１４に
より支燃ガス供給口１２に供給される支燃ガスの流量も
制御している。

【００１８】上流側の第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２Ｂ
を流体溜３２、３３に、下流側の第３層２Ｃを流体溜３
３、３４に連結し、流体溜３４に被加熱流体の導入管４
１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３層２Ｃが被加熱流体が液体
状態（液昇温部）、中間の第２層２Ｂで沸騰状態（液沸
騰部）、上流側の第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。被加熱流体
は、被加熱流体供給装置８により導入管４１内に供給さ
れ、その流量は、流量制御装置６により制御される。

【００１９】なお、チューブ２外周のフィン２１の取付
間隔は、内部を流れる被加熱流体が沸騰状態で必要な熱
量が大きい第２層２Ｂにおいて、他の層よりも小さくな
っており（図１（ａ））、第２層２Ｂの発熱面積が大き
くなるようにしている。また、高温の被加熱流体が流れ
る第１層２Ａで、チューブ２の径を小さくし、発熱面積
を小さくして、フィン２１やチューブ２の過熱を防止し
ている。チューブ２の径や数は、ここでは各層で同一と
しているが、内部を流れる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。

【００２０】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５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。そして、フィン２１表面の酸化触
媒層に接触して酸化反応を起こし、触媒燃焼しながら排
気口１３へ向かう。ここで、支燃ガスおよび可燃ガスの
流量は、流量制御装置６によって制御され、本発明で
は、特に装置始動時の可燃ガスの流量を燃焼排気ガス温
度を基に制御することで、装置を速やかに始動させる。

【００２１】次に、この流量制御装置６による支燃ガス
および可燃ガス流量の制御方法について説明する。図２
に装置の始動時における各流体の流量変化を、図３には
上記流量制御装置６による、支燃ガスおよび可燃ガス流
量の制御のフローチャートを示す。本実施の形態では、
流量制御装置６が、上記温度検出装置７によって検出さ
れる上記燃焼排気ガス温度が所定温度を越えるまでは、
可燃ガスの流量をごく少量とし、燃焼排気ガス温度が所
定温度を越えたら、可燃ガスの流量を規定量まで増大さ
せる制御を行う。具体的には、図３のフローチャートに
示すように、装置の始動（ステップＳ１）とともに、支
燃ガスは規定の量を供給する（ステップＳ２）。それと
同時に可燃ガスの供給を開始する（ステップＳ３）。

【００２２】この時、可燃ガスの供給量は支燃ガスの流
量に対して十分小さくし、具体的には可燃ガスが水素の
場合は、４％未満、好ましくは１％程度とするのがよ
い。支燃ガスに対する可燃ガスの割合が１％程度であれ
ば、燃料ガスの流路１１の上流側で反応しなかった未燃
ガスが下流側で一気に反応しても、爆発限界の４％を十
分下回っているため、発火に至ることはない。また、本
実施の形態では、多数の可燃ガス供給口５１を設けて可
燃ガスを分離供給する構成としており、下流側にも一定
割合の可燃ガスが供給されることになるが、可燃ガス流
量が十分小さい場合には、可燃ガスの運動エネルギーの
影響が極めて少ないため、燃料ガスの流路１１上流側の
可燃ガス供給口５１から吹き出す可燃ガスの割合が比較
的高くなる。よって、可燃ガスが上流側から徐々に反応
しながら下流側に向かうので、極端な可燃ガスの吹き抜
けがない。

【００２３】燃料ガスの流路１１の下流側では、温度検
出装置７によって排気口１３近傍の燃焼排気ガス温度Ｔ
を随時検出し（ステップＳ４）、検出される燃焼排気ガ
ス温度Ｔの明らかな上昇が確認されるまでこれを繰り返
す。図２では、時間（ａ）において燃焼排気ガス温度Ｔ
が上昇を開始し、時間（ｂ）で燃焼排気ガス温度Ｔが急
上昇している。そこで、検出される燃焼排気ガス温度Ｔ
が時間（ｂ）における燃焼排気ガス温度Ｔｂを越えたか
どうかを判断し（ステップＳ５）、燃焼排気ガス温度Ｔ
ｂを越えたら、被加熱流体の供給を開始する（ステップ
Ｓ６）。被加熱流体の供給量は規定量とする。同時に可
燃ガスの流量を規定量まで増大させる（ステップ７）。

【００２４】支燃ガスの量に対して可燃ガスの量が１％
と少ない場合、可燃ガスがほぼ完全に酸化しないと燃焼
排気ガスの温度上昇を明確に確認できない。つまり、燃
焼排気ガスの温度が明らかに上昇を開始すれば、供給さ
れた可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部が活性温度
に達したとみなすことができる。また、触媒燃焼では、
触媒温度が、反応面積に応じた量の可燃ガスをほぼ完全
に酸化するための活性温度の６割程度まで上昇すれば、
その後は燃料の増量に伴って、反応が活発化する。よっ
て、図２の時間（ｂ）で被加熱流体および可燃ガスの流
量を規定量まで増大させると同時に、触媒燃焼が促進さ
れて、燃焼排気ガスの温度Ｔがさらに上昇する。図２の
時間（ｃ）を過ぎると温度上昇が小さくなり、燃焼が安
定化して燃焼排気ガスの温度Ｔがほぼ一定となる。

【００２５】以上のように、上記構成によれば、発火等
の危険を回避しつつ、触媒付熱交換器全体を速やかに活
性化し、短時間で装置を始動させることができる。ま
た、多数の可燃ガス供給口５１を設けて触媒付熱交換器
に可燃ガスを分離供給する構成としたので、各部位に被
加熱流体の状態に応じた量の可燃ガスを供給することが
できる。よって、水素のように反応速度が比較的早い可
燃ガスを使用した場合でも、燃料ガス流路１１の上流側
で触媒反応量が多くなりすぎて、フィン２１やチューブ
２が過昇温となり、発火したりするのを防止することが
できる。また、各部位に必要な量の可燃ガスを供給する
ことで、高い熱交換効率を実現することができる。

【００２６】図４は本発明の第２の実施の形態を示すも
のである。本実施の形態では、容器１内に形成した燃料
ガス流路１１の排気口１３内に、検出手段として上記第
１の実施の形態における温度検出装置７の代わりに、可
燃ガス濃度検出装置９を配設する。その他の構成は上記
第１の実施の形態と同様である。可燃ガス濃度検出装置
９は、排気口１３近傍における燃焼排気ガス中の可燃ガ
ス濃度を検出するためのもので、この検出結果を基に、
流量制御手段たる流量制御装置６にて、上記可燃ガスの
供給部５に導入される可燃ガスの流量を制御するように
なしてある。

【００２７】以下、上記流量制御装置６による支燃ガス
および可燃ガス流量の制御方法について説明する。図５
に装置の始動時における各流体の流量変化を、図６には
流量制御装置６による、支燃ガスおよび可燃ガス流量の
制御のフローチャートを示す。本実施の形態では、流量
制御装置６が、可燃ガス濃度検出装置９によって検出さ
れる可燃ガス濃度が所定濃度を下回るまでは、可燃ガス
の流量をごく少量とし、可燃ガス濃度が所定濃度を下回
ったら、可燃ガスの流量を規定量まで増大させる制御を
行う。具体的には、図６のフローチャートに示すよう
に、装置の始動（ステップＳ１１）とともに、支燃ガス
は規定の量を供給する（ステップＳ１２）。同時に支燃
ガスの１％程度の可燃ガスの供給を開始する（ステップ
Ｓ１３）。

【００２８】燃料ガス流路１１の下流側では、可燃ガス
濃度検出装置９によって排気口１３近傍の可燃ガス濃度
Ｈを随時検出し（ステップＳ１４）、検出される可燃ガ
ス濃度Ｈの急激な低下が確認されるまでこれを繰り返
す。例えば、図２では、時間（ａ）で可燃ガス濃度Ｈが
低下し始め、時間（ｂ）で可燃ガス濃度Ｈが急激に低下
している。そこで、検出される可燃ガス濃度Ｈが時間
（ｂ）における可燃ガス濃度Ｈｂを下回ったかどうかを
判断し（ステップＳ１５）、可燃ガス濃度Ｈｂを下回っ
たら、規定量の被加熱流体の供給を開始する（ステップ
Ｓ１６）。同時に可燃ガスの流量を規定量まで増大させ
る（ステップ１７）。

【００２９】このように、可燃ガス濃度Ｈの急激な低下
を検出することによっても、供給された可燃ガスが完全
に酸化され、触媒の一部が活性温度に達したとすること
ができる。よって、可燃ガス濃度Ｈが所定濃度を下回っ
たかどうかに基づいて、被加熱流体および可燃ガスの流
量を制御することで、触媒付熱交換器全体を速やかに活
性化し、短時間で装置を始動させる同様の効果が得られ
る。

【００３０】図７〜９に本発明の第３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および第２の実施の形態と異なっている。
図７（ａ）、（ｂ）において、矩形断面の容器１内は、
隔壁１５、１６によって、熱交換部とその上下の流体溜
３５、３６に区画されている。熱交換部は、図７（ｂ）
の左右方向に平行配設された多数の仕切板６１を有し、
隣接する２枚の仕切板６１間に燃料ガス流路１１と被加
熱流体流路２２とを交互に形成してなる。

【００３１】各燃料ガス流路１１は、図７（ａ）のよう
に、その内部に仕切用のスペーサ１７、１８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の左端部に支燃
ガス供給口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。

【００３２】一方、図７（ｂ）のように、各被加熱流体
流路２２の上下端は、隔壁１５、１６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７
（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。

【００３３】ここで、各燃料ガス流路１１の各部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。図８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。

【００３４】本実施の形態では、燃料ガス流路１１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７（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。また、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。

【００３５】図９（ａ）、（ｂ）のように、各被加熱流
体流路２２内にも、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８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。

【００３６】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７（ｂ）、図
９（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
５を設ける。これら可燃ガス供給口５１は、図７（ａ）
のように、燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃ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〜１１Ｃに形成
する可燃ガス供給口５１の数は、それぞれ対応する被加
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２２Ｂ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。

【００３７】可燃ガスの供給部５の一端側（図７（ｂ）
の上端側）に設けた可燃ガス導入管５３には、可燃ガス
供給装置５２が接続してある。また、燃料ガス流路１１
の出口となる排気口１３内には、燃焼排気ガス温度の検
出手段たる温度検出装置７が配設され、この検出結果を
基に、流量制御手段たる流量制御装置６が可燃ガスの供
給部５に導入される可燃ガスの流量を制御するようにな
してある。また、流量制御装置６は、支燃ガス供給装置
１４により支燃ガス供給口１２に供給される支燃ガスの
流量、および被加熱流体供給装置８により導入管４１内
に供給される被加熱流体の流量を制御している。

【００３８】この流量制御装置６による支燃ガスおよび
可燃ガス流量の制御方法は、上記第１の実施の形態と同
様であり、装置始動時の可燃ガスの流量を燃焼排気ガス
温度を基に制御することで、装置を速やかに始動させる
ことができる。また、可燃ガス供給口５１から可燃ガス
を分離供給する構成としたので、各部位に被加熱流体の
状態に応じた量の可燃ガスを供給することができ、部材
の過熱を防止しつつ、高い熱交換効率を実現できる。

【００３９】また、上記積層型の触媒付熱交換器は、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、積層型の触媒付熱交換器は、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、上記積層型の触媒付熱交換器に、検出手段として
上記第２の実施の形態の可燃ガス濃度検出装置９を設け
た構成としてももちろんよい。

【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
の縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断
面図で、触媒付熱交換器の横断面図である。

【図２】図２は第１の実施の形態における装置始動時の
各流体の流量変化を示す図である。

【図３】図３は第１の実施の形態における流量制御装置
による支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御のフローチャ
ートを示す図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態を示し、図４（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
の縦断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ
線断面図で、触媒付熱交換器の横断面図である。

【図５】図５は第２の実施の形態における装置始動時の
各流体の流量変化を示す図である。

【図６】図６は第２の実施の形態における流量制御装置
による支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御のフローチャ
ートを示す図である。

【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
の断面図で、図７（ｂ）の VIIａ− VIIａ線断面図、図
７（ｂ）は触媒付熱交換器の断面図である。

【図８】図８は第３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９】図９（ａ）は図７（ａ）のIXａ−IXａ線断面
図、図９（ｂ）は図７（ｂ）のIXｂ−IXｂ線断面図であ
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支燃ガス供給口１３排気口１４支燃ガス供給装置２チューブ２１フィン２Ａ第１層２Ｂ第２層２Ｃ第３層２２被加熱流体流路２３フィン２２Ａ第１層２２Ｂ第２層２２Ｃ第３層３１〜３４流体溜４１被加熱流体導入管４２被加熱流体導出管５可燃ガスの供給部（燃料分配手段）５１可燃ガス供給口５２可燃ガス供給装置６流量制御装置（流量制御手段）６１仕切板７温度検出装置（検出手段）７１、７２流路７３フィン８被加熱流体供給装置９可燃ガス濃度検出装置（検出手段）

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

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器内に、可燃ガスと支燃ガスを含む燃
料ガスが流れる燃料ガス流路と被加熱流体が流れる被加
熱流体流路とを接触させて設け、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
けた触媒付熱交換器を備え、上記燃料ガスの酸化反応熱
により上記被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置にお
いて、上記燃料ガス流路の出口近傍における燃焼排気ガ
スの温度もしくは上記可燃ガスの濃度を検出する検出手
段を設け、この検出手段の検出結果に基づいて上記可燃
ガスの流量を制御する流量制御手段を設けたことを特徴
とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項２】上記流量制御手段が、上記検出手段によ
って検出される上記燃焼排気ガスの温度が所定温度を越
えるまで、あるいは上記可燃ガスの濃度が所定濃度を下
回るまでは上記可燃ガスの流量を上記支燃ガスに対し十
分小さくし、上記燃焼排気ガスの温度が所定温度を越
え、あるいは上記可燃ガスの濃度が所定濃度を下回った
ら上記可燃ガスの流量を所定の量まで増大させる制御を
行う請求項１記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項３】上記触媒付熱交換器が、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可燃ガスを分配供給
するための燃料分配手段を備える請求項１または２記載
の触媒燃焼加熱装置。
【請求項４】上記触媒付熱交換器が、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配設
してこれらチューブを互いに連結することにより上記被
加熱流体流路を形成するか、あるいは、多数の仕切板を
平行配設して隣接する２枚の仕切板間に上記燃料ガス流
路と上記被加熱流体流路を交互に形成してなる請求項１
ないし３のいずれか記載の触媒燃焼加熱装置。