JP2000329316A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い熱利用効率を維持して熱線を放射するこ
とができなかった。 【解決手段】 透過窓４を有し燃料と空気の混合気が供
給される燃焼室２と、燃焼室２内に設置されハニカム基
材に貴金属を担持させた触媒体３と、燃焼室２の触媒体
３下流側に連通し触媒体３による触媒燃焼によって生成
された排ガスを通過させる排気流路５と、排気流路５を
通過する排ガスからの熱を回収し外部に放射するアルミ
ニウムの放熱板６と、排気流路５に連通し排ガスを外部
に排出する排気口７と、燃焼室２外部に、燃焼室２の触
媒体３下流側を覆うように配置された予混合気室８とを
備え、透過窓４を触媒体３の上流側と対向する燃焼室２
の壁面に設け、放熱板６を透過窓４の周囲に配置し、排
気口７を、透過窓４の両側の、放熱板６の支持部１０寄
りに開口設置し、燃料と空気の混合気を予混合気室８を
経由させた後燃焼室２に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、触媒燃焼を用いて
その燃焼熱を放射熱として供給する触媒燃焼装置に関
し、特にその放射熱への変換効率に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭化水素を主体とする燃料を使用し、こ
れに対して酸化活性を有する触媒を用いた触媒燃焼装置
は従来より多数提案されている。触媒燃焼は燃焼反応が
触媒の表面で進行し、燃焼反応によって生じた熱が直接
触媒を加熱することから、高温になった触媒表面から多
量の熱放射を発するという特徴を有していることが知ら
れている。触媒燃焼装置の燃焼方式としては、触媒体に
燃料のみを供給して大気と接触する下流側で酸素の拡散
混合を行い、ここで触媒燃焼反応を行わしめる拡散燃焼
方式と、燃料と空気の予混合気を供給して主に触媒体の
上流面付近で触媒燃焼反応をさせ、触媒上流面から放出
される放射熱を利用する予混合燃焼方式とがあるが、拡
散燃焼方式では完全反応が得難く、燃料の一部が未燃焼
のまま排出されるという欠点を有する。これに対して予
混合燃焼方式では、触媒体と予混合気の接触面積を確保
すればほぼ完全に燃焼反応を遂行させることができる。
しかしながら後者では、燃焼反応が主として行われるの
が触媒体の上流側表面近傍であり、ここが高温になるこ
とから、上流側からの放射熱を有効に利用するような構
成上の工夫が必要であり、例えば触媒体の上流側を覆う
燃焼室壁面を耐熱ガラス等で構成して放射される熱線を
透過させて加熱や暖房等に供する手段が用いられてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の機器で、燃
料のみを強制供給し、触媒体下流側で酸素の拡散供給を
受けて燃焼反応を行う拡散燃焼方式では、構成が簡易で
あり反応面からの放射熱が直接利用できるという利点が
ある反面、反応に寄与し得る触媒体の作用部位は下流面
近傍の一部のみであり、ここを通過した後の高温燃焼排
ガスおよび未燃焼成分はそのまま排出されることにな
る。このため熱放射効率（燃料の燃焼反応によって発生
し得る燃焼熱に対する放射熱量の比）には限界があり、
実質上４０〜５０％程度であった。また供給される燃料
のうちの数％が未燃焼成分として排ガスに混合されて排
出されるため、半密閉された小さな居住空間での使用に
は供することができず、工場や体育館等の換気量の大き
な開放空間や屋外での使用に限定されるものであった。

【０００４】一方燃料と空気を予混合して供給する予混
合燃焼方式では、触媒体表面で十分な酸素の供給が確保
できることから、未燃焼成分を排出することなくほぼ完
全燃焼を確保できるが、熱の放射面として利用されるの
は主に燃焼反応が行われて高温になる触媒体の上流側表
面であり、ここで生成された燃焼排ガスは触媒体の下流
側へと流れる。触媒体の上流側表面からは５０％前後の
熱放射効率で放射熱が得られるものの、下流側へ流出し
たなお高温の排ガスは、結局そのまま排出されることに
なる。また触媒体の上流側では、予混合気を供給するた
めの閉流路を構成する必要があり、この構成を介して触
媒体上流表面から放射された熱を前方へ供給するため
に、触媒体上流面に対向する構成部分に耐熱ガラスのよ
うな熱線透過材料を備えてここを透過させたり、表面に
熱放射率（熱吸収率）を高めるような処理をしたアルミ
ニウム板を設置して、一旦ここに放射熱を吸収させ、こ
こから再度前面（すなわち燃焼室の外側方向）に熱を放
射させるような構成としている。しかしながらこの場
合、触媒体から受けた放射熱によって温度が上昇した耐
熱ガラスやアルミニウム板の外側が低温の外気に曝され
ているために、外気の自然対流による冷却作用（対流熱
放散）を受けることになる。かくして触媒体表面からの
熱放射効率が５０％を越えたとしても、ここでの熱損失
により実質の放射熱量は、燃焼熱に対して５０％以下に
まで低下することになるという欠点を有していた。特に
耐熱ガラスやアルミニウム板を、触媒燃焼装置の底面の
支持部に対して直立させる構成においてはその損失が大
きく、熱放射効率が３５〜４０％になる場合もあった。

【０００５】本発明は、かかる従来の欠点を解消して、
高い熱利用効率を維持して放熱する触媒燃焼装置を提供
することを目的とするものである。

【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、第１の本発明（請求項１に対応）は、所定の熱線透
過体もしくは熱線吸収体を有し、燃料と空気の混合気が
供給される燃焼室と、前記燃焼室内に設置され、多数の
連通孔を有する基材に前記燃料の酸化活性を呈する触媒
を担持させた触媒体と、前記燃焼室の前記触媒体下流側
に連通し、前記触媒体の酸化活性によって生成された排
ガスを通過させる排気流路と、前記排気流路に連通し、
前記排ガスを外部に排出する排気口とを備え、前記熱線
透過体もしくは前記熱線吸収体は、前記触媒体の上流側
と対向する前記燃焼室の壁面に設けられ、前記排気口
は、前記熱線透過体もしくは前記熱線吸収体が設けられ
ている壁面に開口設置されており、さらに前記排気口の
全部または一部は、前記熱線透過体もしくは前記熱線吸
収体の、空気の上昇方向を基準として、下方または横方
向に設けられていることを特徴とする触媒燃焼装置であ
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【０００８】なお本発明の実施には、多数の連通孔を有
する触媒体の基材や、この基材に担持され各種炭化水素
系燃料への酸化活性を有する触媒成分、耐熱性の熱線透
過材料あるいは熱線吸収体の他、着火装置や、燃料およ
び空気の流量制御装置、必要に応じて温度検出手段や各
種駆動装置等が必要となるが、これらはいずれも周知の
技術である。例えば触媒体の基材としては、セラミック
や金属のハニカム構造体や発泡体、あるいはそれらの繊
維の編組体などが用いられる。また触媒成分としては、
白金やパラジウム等の貴金属を主成分としたものが従来
より用いられており、必要に応じて卑金属酸化物やペロ
ブスカイト等の複合酸化物等が用いられる。また耐熱性
の熱線透過材料としては、石英ガラスや結晶化ガラス等
が使用でき、熱線吸収体としては、金属板やセラミック
板が使用できるが、固体内の熱移動を速やかに行うため
にアルミニウム、銅、ＳｉＣ、ＳｉＮなどの材料を用い
ることが望ましい。空気や気体燃料の流量制御には手動
のニードルバルブや電動のソレノイドバルブ等が使わ
れ、液体燃料の場合には電磁ポンプ等が使用される。ま
た着火手段は電気加熱式のヒータ、圧電素子を用いた放
電着火、もしくはライターやマッチ等でもよい。その他
駆動部分は、手動のレバー操作によるものや、自動制御
のモータ駆動により駆動するものもある。また空気の供
給手段としては、送風ファンを用る方法もあり、また燃
料の噴出圧で自吸するスロート構成を用いてもよく、こ
れらはいずれも従来から一般的に採用されている手段で
あり、本明細書ではこれらについての技術的説明は省略
する。

【０００９】（実施の形態１）先ず、本発明の実施の形
態１の触媒燃焼装置の構成を、図１および２を用いて説
明する。

【００１０】図１は、本発明の実施の形態１の触媒燃焼
装置の構成略図であり、図２はその触媒燃焼装置の、排
気流路５や放熱板６等を含む要部断面構成図である。図
１において、１は燃料と空気の混合気を供給するための
予混合気供給管、２は燃焼室で、燃焼室２内には、セラ
ミックハニカム構造の基材に触媒としての白金系の貴金
属を担持させた触媒体３が立設されている。予混合気供
給管１は、燃焼室２の触媒体３上流側に連通しており、
また触媒体３の上流面に対向する燃焼室２の壁面には結
晶化ガラスより形成された透過窓４が設置されている。
また、燃焼室２の触媒体３の下流側には横方向に排気流
路５が連通している。また、透過窓４と実質上同一平面
を構成するように、その透過窓４の周囲部分を囲んで、
熱の良伝導性材料のアルミニウム板から形成された放熱
板６が備えられており、その放熱板６の、透過窓４の両
側であって、支持部１０寄りには排気口７が設けられて
いる。なお、上述した排気流路５の先端部は排気口７と
連通している。また、支持部１０は、触媒燃焼装置を床
等に載置するさいの、その床等と接触する部分であっ
て、触媒燃焼装置を支持する手段である。さらに、８は
予混合気室で、燃焼室２の触媒体３下流側表面を覆い、
予混合気供給管１と燃焼室２とを連通させる流路を構成
している。なお、図２については後にあらためて説明す
る。

【００１１】次に、本実施の形態の動作と作用について
説明する。予混合気供給管１からの、燃料ガス（ここで
はメタンを主成分とする都市ガスを使用）と空気の予混
合気は、予混合気室８を経由して燃焼室２に供給され、
ハニカム形状の触媒体３上流面へと至る。燃焼開始時に
は触媒体３下流に設置された点火器（ここでは図示せ
ず）に通電して触媒体３を通過した予混合気に着火さ
せ、触媒体３の下流面近傍に火炎を形成する。この火炎
により、触媒体３は徐々に昇温され、触媒反応開始可能
温度となって触媒体３での触媒燃焼反応が開始され、こ
れに伴って火炎は消失する。定常燃焼時には、燃焼室２
に流入する予混合気が触媒体３の主に上流面付近で燃焼
反応し、高温の排ガスが触媒体３下流側から排気流路５
を通過して排気口７へと流れる。ここで反応熱によって
赤熱状態となった触媒体３の上流側表面からは多量の放
射熱線が発散されるが、この放射熱線のうち短波長成分
の大部分は触媒体３の上流側表面に対向して設置される
透過窓４を透過し直接前方外部に放出され、他の成分は
透過窓４に吸収されてこれを昇温し、ここから再度二次
放射として発散されて、前方の加熱や暖房に供せられ
る。一方排ガスが保有する熱は、一部は燃焼室２の触媒
体３の下流側面を覆っている予混合気室８を流れる予混
合気に熱交換されるが、他は排気流路５を経て放熱板６
に衝突して熱回収され、放熱板６の温度を上昇させるこ
とになる。熱交換を終えた排ガスは、放熱板６の支持部
１０寄りに開口設置された排気口７から前方へ排出され
るが、なお放熱板６よりわずかに高温であり、この状態
で上昇気流となって放熱板６の表面に沿って流れる。排
ガスからの熱移動によって温度上昇した放熱板６からも
熱放射が行われ、触媒体３で利用し得なかった熱の一部
はここで利用されることになる。また、排気口７からの
排ガスの一部は、横方向にも拡散して、透過窓４外面に
沿った流れも形成するので、透過窓４の外面を直接外気
に触れさせた従来の場合より、透過窓４の外面の温度は
高くなり、燃焼熱の利用効率は増加し、必要加熱量に対
する燃焼消費を低減することができる。

【００１２】ここで外部に露出された放熱板６について
の熱移動を考えると、従来では、放熱板６からの熱放射
と同時に、低温の外気と接触する表面では外気との対流
熱交換が行われ、熱の一部は接触して昇温し上昇気流と
なる外気に搬出されるために、放射熱としての利用が損
なわれる現象が生じていた。放熱板６が直立している場
合にはこの作用が活発に行われる。またこの作用は透過
窓４の表面でも生ずるが、熱移動量は温度差とともに面
積によっても変化することから、大きな面積を有する放
熱板６において多量の対流熱放散を生ずることになる。
しかしながら本実施の形態では、放熱板６の少なくとも
中〜上部表面が排気口７から排出された高温の排ガス層
で覆われることになるために、低温の周囲外気と接触し
て対流熱交換することは抑えられ、また排ガスは放熱板
６から発せられる放射熱線を吸収したり拡散させる等の
作用はなく、ほとんど放射熱供給を損なうこともないた
めに、ここからの放射熱量はそのまま透過窓４を介して
供給された放射熱量熱に加算されることになり、全体で
燃焼熱の６５〜７０％を放射熱として供給することがで
きる。それとともに、上述したように、排気口７からの
排ガスの一部は、横方向にも拡散し、対流により透過窓
４外面に沿って流れるので、透過窓４の外面の温度低下
を抑制し、さらに効率よく放射熱を供給することができ
る。

【００１３】ところで、燃焼室２の触媒体３下流側への
放熱は、前述のように予混合気室８で断熱保温されてお
り、ここで移動した熱は予混合気によって運ばれて再度
燃焼室２へ供給されることになり、触媒体３の加熱に供
せられ放射熱へ変換されるから、ここでも熱の損失は防
止でき、熱利用効率を一層向上させることができる。同
時に装置後面（透過窓４が設けられている面と反対側の
面）は予混合気室８によって断熱されるから外壁の低温
化にも有効であり、ここに特別な断熱構造を付加せずに
外装温度を安全な温度まで低下させることができ、装置
構成の簡略化と薄型化に有効な手段となる。

【００１４】なお、上述した実施の形態１では、触媒体
３の上流表面から発せられた放射熱を透過窓４を介して
透過させる構成としているが、透過窓４の替わりに、表
面を放射率向上の処理（例えば耐熱性黒色塗料を塗布す
るなど）を施したアルミニウム板を設置し、触媒体３か
らの放射熱を一旦このアルミニウム板に吸収させ、ここ
から二次放射として前方へ放射熱の供給させることが可
能である。このような構成をとっても上記の排ガスから
の熱回収利用効果は十分発揮される。また、このような
アルミニウム板を用いる場合、そのアルミニウム板と放
熱板６とを接合しておくと、放熱板６が得た熱の一部は
アルミニウム板へ伝導し、アルミニウム板の外面の温度
低下を防止することもできる。したがって、放射熱量は
増加する。

【００１５】また、ここまでは説明しなかったが、図２
に示すように、排気流路５と放熱板６との間での熱交換
は、放熱板６の裏面に排気流路５内に突出する熱の良伝
導性材料から形成されたフィン９を、放熱板６と一体構
成または密着構成で設置することにより、小さな接触空
間内で高温の排ガスからの熱回収を促進することがで
き、コンパクトな構成で熱利用効率を高めるのに有効な
手段となる。

【００１６】（実施の形態２）次に、本発明の実施の形
態２について説明する。本実施の形態の触媒燃焼装置
は、基本的な構成および燃焼操作等は実施の形態１の触
媒燃焼装置と同様であるが、放熱板６に開設した排気口
７の位置と、これに排ガスを導く排気流路５の構成が異
なる。したがって、この相違点を中心に本実施の形態を
説明する。

【００１７】図３に、本実施の形態の触媒燃焼装置の構
成正面図を示す。これは図１における、透過窓４が設け
られている面に対応する図である。図３に示すように、
燃焼室２内に備えられたセラミックハニカムを基材とす
る触媒体３の上流面に対向して透過窓４が配置され、そ
の周囲に表面を高放射率化処理したアルミニウム板から
なる放熱板６が配置されている。燃焼室２の触媒体３下
流面から排気流路５が放熱板６の内側に沿って設置さ
れ、放熱板６の下端部近傍（支持部１０近傍）で合流す
るよう構成されている。この合流部分に合わせて放熱板
６の下端部付近には、水平方向の実質上全域にわたって
多数の排気口７が開口設置されている。つまり、透過窓
４の、空気の上昇方向を基準として下方に、多数の排気
口７は設けられている。

【００１８】上記構成において、燃焼室２から排気流路
５を経て排気口７に流通する高温の排ガスは、放熱板６
の内側と接触しながら熱交換されて排気口７へと至り、
多数開口された排気口７より分散排出される。熱交換後
の排ガスは、熱を回収した放熱板６よりまだなお高温の
状態で排出されるから、排気口７から排出された排ガス
は、上昇気流となって放熱板６および中央部に配置され
る燃焼部２前面の透過窓４の表面に沿って上昇すること
になる。この高温排ガスの上昇気流により、放射放熱面
となる放熱板６および透過窓４の表面がほぼ全域覆わ
れ、保温層を構成することになるから、低温の外気によ
って対流放熱されることが防止できる。かくして排ガス
がなお保有する熱量を除き、燃焼熱の大部分が放射熱と
して損失なく利用できることから、放射効率の高い、す
なわちエネルギー消費を軽減できる経済的な加熱暖房装
置を提供し得るものである。

【００１９】なお排気口７の開口位置は、本実施の形態
のように熱放射面の再下端近傍にするのが最も効果的で
あり、また水平方向にも全域をカバーするのが望ましい
が、排気口７が放熱板６の中段程度の位置になっても、
排気口７から排出される排ガスがエアカーテンとして下
方からの外気上昇流を抑制する働きをするため、上記の
効果を著しく損なうものではない。また放熱板６および
排出される排ガスの温度に比べて、透過窓４の表面温度
が高くなる場合があり、その場合には透過窓４から排ガ
スへの対流放熱も起こり得るが、排ガス温度は２００℃
前後と十分高温であり、外気に曝された場合よりはるか
に放熱を抑制する効果がある。ただここでの放熱を低減
させる意味では、触媒体３上流表面からの放射熱をでき
るだけ透過させ、透過窓４自体の温度上昇を避けるのが
望ましく、アルミニウム板等の非透過性材料を用いて一
時吸熱し、再度ここから熱放射させる構成よりは、結晶
化ガラスあるいは石英ガラス等の透過性の良い材料を用
いるのがより有効である。ただし、効率はやや低下する
がアルミニウム板等を用いてもよい。

【００２０】以上、本発明を、気体燃料の燃焼加熱器に
実施した例で説明したが、本発明はこれに限定されるも
のでないことは勿論である。すなわち、以下のような場
合も本発明の効果は発揮される。

【００２１】燃料種として液体燃料を使用する場合も適
用できる。この場合には、予混合気供給管１の上流で液
体燃料を気化させる手段を付加するか、燃焼室２からの
熱供給を受ける予混合気室８内で気化させることで対応
できる。また触媒体３に担持される活性成分としては、
白金、パラジウム、ロジウム等の白金属の貴金属が一般
的であるが、これらの混合体や他の金属やその酸化物と
の混合組成であってもよく、燃料種や使用条件に応じた
活性成分の選択が可能である。また触媒体３の基材とし
ては、セラミックハニカムに限らず、金属ハニカムやセ
ラミックあるいは金属の焼結体、繊維の編組体などでも
よく、いずれも本発明の効果は得られるものである。

【００２２】なお、上述した実施の形態１および２で
は、請求項１記載の熱線透過体の一例として透過窓４
を、請求項１記載の熱線吸収体の一例として、透過窓４
の代替としての機能を有するアルミニウム板を、それぞ
れ用いた。また、請求項３記載の熱回収放射部として放
熱板６を用い、請求項６記載の閉空間として予混合気室
８を用いた。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、本発明は、高い熱利用効率を維持して放熱する触媒
燃焼装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の触媒燃焼装置の構成略
図である。

【図２】上記燃焼装置の要部断面構成図である。

【図３】本発明の実施の形態２の触媒燃焼装置の構成正
面図である。

【符号の説明】

１ 予混合気供給管 ２ 燃焼室 ３ 触媒体 ４ 透過窓 ５ 排気流路 ６ 放熱板 ７ 排気口 ８ 予混合気室 ９ フィン １０ 支持部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２４Ｃ 5/00 Ｆ２４Ｃ 5/00 Ｅ (72)発明者 前西 晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 鈴木 基啓 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3K017 BA01 BB04 BB07 BC06 BC07 BC09 BC10 BD01 BE05 BE11 BG03 3K065 TA09 TB15 TC05 TD04 TD05 TG04 TJ08 TK01 TK04 TK06 TL01 TM03

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の熱線透過体もしくは熱線吸収体を
   有し、燃料と空気の混合気が供給される燃焼室と、 前記燃焼室内に設置され、多数の連通孔を有する基材に
   前記燃料の酸化活性を呈する触媒を担持させた触媒体
   と、 前記燃焼室の前記触媒体下流側に連通し、前記触媒体の
   酸化活性によって生成された排ガスを通過させる排気流
   路と、 前記排気流路に連通し、前記排ガスを外部に排出する排
   気口とを備え、 前記熱線透過体もしくは前記熱線吸収体は、前記触媒体
   の上流側と対向する前記燃焼室の壁面に設けられ、 前記排気口は、前記熱線透過体もしくは前記熱線吸収体
   が設けられている壁面に開口設置されており、 さらに前記排気口の全部または一部は、前記熱線透過体
   もしくは前記熱線吸収体の、空気の上昇方向を基準とし
   て、下方または横方向に設けられていることを特徴とす
   る触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記熱線透過体もしくは前記熱線吸収体
   の周囲に配置され、前記排気流路を通過する排ガスから
   の熱を回収し外部に放射する、熱の良伝導性材料から形
   成された熱回収放射部を備えたことを特徴とする請求項
   １記載の触媒燃焼装置。
3. 【請求項３】 前記燃焼室は前記熱線吸収体を有してお
   り、前記熱回収放射部は前記熱線吸収体と接合されてい
   ることを特徴とする請求項２記載の触媒燃焼装置。
4. 【請求項４】 前記熱回収放射部に接合配置され、前記
   排気流路を通過する排ガスからの熱を回収する、熱の良
   伝導性材料から形成された熱交換フィンを備えたことを
   特徴とする請求項３記載の触媒燃焼装置。
5. 【請求項５】 前記燃焼室の前記触媒体下流側表面を覆
   うように配置された所定の閉空間を、前記燃焼室外部に
   備え、 前記燃料と空気の混合気は、前記閉空間を経由して前記
   燃焼室に供給されることを特徴とする請求項１から４の
   いずれかに記載の触媒燃焼装置。