JP2002267158A - ハイブリッド触媒燃焼装置及びそれを備えたファンヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、燃料Ｇの一部を触媒接触酸化させ
る燃焼触媒部１１と、燃料Ｇの残部を気相燃焼させる気
相燃焼部１２とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置にお
いて、気相燃焼部１２における火炎を良好に検知して、
気相燃焼部１２の異常燃焼を監視する技術を実現するこ
とを目的とする。 【解決手段】 気相燃焼部１２の混合気の流れ方向に沿
って、３つのフレームロッド２４ａ，２４ｂ，２４ｃを
配設して備えると共に、３つのフレームロッド２４ａ，
２４ｂ，２４ｃが、気相燃焼部１２の内筒２０の一方の
端部の上方側且つ内筒２０の外側であるコーナー部位に
設けられたフレームロッド２４ｂを間に含むものであ
り、フレームロッド間に電圧を印加し、フレームロッド
間に流れるフレーム電流を検出するフレーム電流検出手
段２５を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼用空気と燃料
との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化
させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気の流
れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼さ
せる気相燃焼部とを備え、一方の端部の内側に前記燃焼
触媒部を設けた内筒と、前記内筒及び前記燃焼触媒部と
の間に、前記内筒の前記一方の端部側から前記内筒の外
側に渡る前記気相燃焼部を形成する外部材とを備えたハ
イブリッド触媒燃焼装置、及びそれを備えたファンヒー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】家庭用室内開放型温風暖房機、コージェ
ネレーション、発電用ガスタービンの燃焼器等、高空気
比で作動される機器にあっては、高空気比における燃焼
安定性の向上によって、大幅な低ＮＯｘ化が図られる可
能性がある。一方、これらの機器にあっては、一層の低
ＮＯｘ化の要望がある。中でも、家庭用室内開放型温風
暖房機は生活空間に直接排気を放出しているので、ＮＯ
ｘ１ｐｐｍ（酸素０％）以下の極限までの低ＮＯｘ化が
望まれている。燃焼流路内に、燃焼触媒を充填した燃焼
触媒部と、それに続く気相燃焼部とを設け、断熱理論燃
焼温度１５００℃以下（空気比約１．６以上）の燃料と
燃焼用空気の混合気を、燃焼触媒部で部分的に接触酸化
燃焼させ、その後流で気相酸化を誘発して完全燃焼させ
る方式（ハイブリッド触媒燃焼方式と称される。）が、
超低ＮＯｘ達成の手段として提案されている（特表平６
−５０６２９０号公報）。

【０００３】このような燃焼方式を採用したハイブリッ
ド触媒燃焼装置は、燃焼触媒部で部分的に燃焼させる手
段として、触媒活性物質を燃料であるメタンに対して最
も低温活性が高く、高温で自己反応抑制作用のあるパラ
ジウムを主体とすること、更に、金属ハニカムを触媒基
体として、触媒コート層（セル）とコートしない層（セ
ル）とを隣接させ、触媒接触酸化による発熱を連接の無
触媒層を通過する混合気と熱交換させ、物理的に過昇温
を防止すること等の手段により、燃焼触媒部内にある触
媒層では２０〜７０％が接触酸化され、触媒温度は６０
０〜９５０℃とされる。

【０００４】このようなハイブリッド触媒燃焼装置は、
各燃焼量に応じて、気相燃焼部において良好な燃焼が確
実に達成できる燃焼触媒部の出口部温度を予め定め、常
にその温度を維持するように燃焼用空気を供給する燃焼
用空気ファンの送風量を制御して、気相燃焼部における
燃焼状態を良好なものに維持するように構成する場合が
ある。そして、このハイブリッド触媒燃焼装置は、作動
中に、燃焼触媒部の出口部温度が、気相燃焼部において
不完全燃焼等が生起する温度よりも高い温度である所定
の温度値以下となった場合に、不完全燃焼などの異常燃
焼が起こる可能性があるとして、運転を停止する等の安
全制御を行い、安全を図るように構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、実用化に当た
っては、１つのシステムで異常がある場合、別のシステ
ムで補完できる二重安全構造とすることが好ましい。上
記の燃焼触媒部の出口部温度測定による異常燃焼検出に
おいては、混合気の５０％程度が触媒接触燃焼する燃焼
触媒部の出口部温度を常時監視しているのであるが、残
り５０％程度が気相燃焼する気相燃焼部については、そ
の燃焼状態を監視されていない。従って、二重安全構造
においては、上記気相燃焼部の燃焼状態をも監視する、
即ち気相燃焼部の火炎の存在を監視することが望まし
い。

【０００６】上記火炎の存在を監視する方法としては、
火炎の発熱を利用する方法、火炎の電気特性を利用する
方法、及び火炎の発光を利用する方法等があり、家庭用
の燃焼器等では、火炎の発熱を利用する熱電対温度検知
法や、火炎の電気特性を利用するフレームロッド法が実
用化されている。本件のように、気相燃焼部の空間に広
がった火炎を検出するためには、局所的な測定である熱
電対温度検知法よりは、広域でより直接的に火炎の存在
を検知できるフレームロッド法を適用することが望まし
い。

【０００７】このフレームロッド法による火炎検知をハ
イブリッド触媒燃焼装置に応用することは既に提案され
ている（特開平１０−１６０１５９号公報）。このハイ
ブリッド触媒燃焼装置では、燃焼触媒部の出口付近の気
相燃焼部に近接した一対のフレームロッドを設け、気相
燃焼部の燃焼触媒部から離間した位置で発生する火炎
が、燃焼触媒部のフレームロッドに近づいてくることに
より発生するフレーム電流のピークを検出して、気相燃
焼部における着火を確認するように構成されている。

【０００８】しかし、このような火炎検知は、気相燃焼
部における火炎の位置及びその動きが、上記のようなも
のと異なるハイブリッド燃焼装置に適用することは困難
である。特に、一方の端部の内側に燃焼触媒部を設けた
内筒と、内筒及び燃焼触媒部との間に、内筒の一方の端
部側から内筒の外側に渡る気相燃焼部を形成する外部材
とを備え、気相燃焼部の形状が、燃焼触媒部の上方から
内筒の外側に渡って折り返されているような形状である
ハイブリッド触媒燃焼装置においては、着火時に触媒燃
焼部の上方の気相燃焼部に火炎が形成され、その後、そ
の火炎が下流側の内筒の外側に移動するので、上記のフ
レームロッド法をそのまま適用することは困難である。

【０００９】従って、本発明は、上記のような事情に鑑
みて、このようなハイブリッド触媒燃焼装置において、
気相燃焼部における火炎を良好に検知して、気相燃焼部
の異常燃焼を監視する技術を実現することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】〔構成１〕本発明に係る
ハイブリッド触媒燃焼装置は、請求項１に記載したごと
く、燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料
の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触
媒部の前記混合気の流れ方向の下流側に設けられ前記燃
料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備え、一方の
端部の内側に前記燃焼触媒部を設けた内筒と、前記内筒
及び前記燃焼触媒部との間に、前記内筒の前記一方の端
部側から前記内筒の外側に渡る前記気相燃焼部を形成す
る外部材とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置であっ
て、前記気相燃焼部の前記混合気の流れ方向に沿って、
少なくとも３つのフレームロッドを配設して備えると共
に、前記少なくとも３つのフレームロッドが、前記気相
燃焼部の前記内筒の前記一方の端部の上方側且つ前記内
筒の外側であるコーナー部位に設けられたフレームロッ
ドを間に含むものであり、前記フレームロッド間に電圧
を印加し、前記フレームロッド間に流れるフレーム電流
を検出するフレーム電流検出手段を備えたことを特徴と
する。

【００１１】〔構成２〕本発明に係るハイブリッド触媒
燃焼装置は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の
ハイブリッド触媒燃焼装置の構成に加えて、前記少なく
とも３つのフレームロッドが、前記コーナー部位に一方
の極として設けられたフレームロッドと、前記気相燃焼
部の前記コーナー部位の上流側である触媒上方部位及び
前記気相燃焼部の前記コーナ部位の下流側である側方部
位に他方の極として設けられた夫々のフレームロッドと
から構成され、前記フレーム電流検出手段が、前記フレ
ームロッドの両極間の夫々に電圧を印加し、前記両極間
に流れるフレーム電流を検出する手段であることを特徴
とする。

【００１２】〔構成３〕本発明に係るハイブリッド触媒
燃焼装置は、請求項３に記載したごとく、上記構成１又
は２のハイブリッド触媒燃焼装置の構成に加えて、前記
燃焼触媒部又は前記燃焼触媒部の出口部の温度を検出可
能な温度検出手段を備え、前記温度検出手段により検出
された前記温度が所定温度以下となったとき、又は、前
記フレーム電流検出手段により検出された前記フレーム
電流が所定の電流値以下となったときに、所定の安全制
御を実行する安全制御手段を備えたことを特徴とする。

【００１３】〔構成４〕本発明に係るハイブリッド触媒
燃焼装置は、請求項４に記載したごとく、上記構成１か
ら３のハイブリッド触媒燃焼装置の構成に加えて、前記
温度検出手段により検出された前記温度に基づいて、前
記燃焼用空気を供給する空気供給手段の動力を制御する
制御手段を備えたことを特徴とする。

【００１４】〔構成５〕本発明に係るファンヒータは、
請求項５に記載したごとく、上記構成１から４の何れか
のハイブリッド触媒燃焼装置を備え、前記気相燃焼部か
ら排出された燃焼排ガスを、空気希釈して外部へ温風と
して排出することを特徴とする。

【００１５】〔作用効果〕本発明のハイブリッド燃焼装
置は、上記内筒の一方の端部の内側に上記燃焼触媒部を
設け、上記内筒及び上記燃焼触媒部と上記外部材との間
に、上記気相燃焼部を設けることで、燃焼触媒部におい
て一部燃料を燃焼させた混合気は、内筒の端部から放出
されてその内筒の回りに形成される気相燃焼部に導入さ
れ、燃料の残部を気相燃焼させることができ、その気相
燃焼により直接的に、内筒の外表面及び燃焼触媒部を加
熱することができ、外部への熱損失を抑制することがで
きる。

【００１６】また、このようなハイブリッド触媒燃焼装
置の運転を開始するときには、最初に、気相燃焼部にお
いて気相着火可能な空気比の混合気を火花放電等により
着火させる。この火炎は、断熱理論燃焼温度が高いの
で、気相燃焼部の内筒の一方の端部の上方の上記コーナ
部位の上流側の触媒上方部位に形成される。従って、こ
のような着火時においては、上記触媒上方部位に設けら
れたフレームロッド付近では、高温で燃焼反応が最も活
発に行われており、整流作用に寄与するとされる正荷電
粒子（例えば、Ｈ₃Ｏ⁺，Ｃ₃Ｈ₃ ⁺など）が多く存在して
いる。一方、上記コーナー部位に設けたフレームロッド
付近では、燃焼反応がほぼ終了しており、正荷電粒子の
濃度は少なくなっている。この正荷電粒子の濃度差によ
って、両フレームロッド間、即ち両極間において、一定
の交流電圧等を印加すると、上記触媒上方部位のフレー
ムロッドがマイナス電位となったときのみ、正荷電粒子
が捕捉され、一方向に脈流状態のフレーム電流が流れる
ようになる。よって、このフレーム電流を検出するフレ
ーム電流検出手段により、着火と共にフレーム電流信号
を得ることができ、正常に着火して触媒上方部位に火炎
が形成されていることを検出することができる。

【００１７】また、着火後、上記内筒の内部又はその上
流側を流通する混合気の温度が、上記気相燃焼部からの
伝熱により上昇して、燃焼触媒部における触媒接触酸化
が開始され、所謂触媒燃焼と気相燃焼との両方を行うハ
イブリッド燃焼に移行する。そして、触媒上方部位に形
成されていた火炎は、上記気相燃焼部の上記コーナー部
位の下流側である側方部位に移動する。これは、触媒接
触酸化により５０％程度の燃料が燃焼される結果、気相
燃焼部に供給する混合気の燃料濃度が低下するために、
気相酸化速度が遅くなり、火炎が形成されるまでの時間
が長くなるからである。

【００１８】この結果、正荷電粒子は気相燃焼部の下流
側の側方部位のフレームロッド付近が最も多くなり、触
媒上方部位及びコーナー部位のフレームロッド付近は少
なくなる。この状態では、側方部位とコーナー部位との
両部位間の正荷電粒子の濃度差により、同じくその両フ
レームロッド間、即ち両極間において、一方向に脈流状
態のフレーム電流が流れるようになる。よって、このフ
レーム電流を検出するフレーム電流検出手段により、ハ
イブリッド燃焼開始後にもフレーム電流信号を得ること
ができ、正常に気相燃焼部の側方部位に火炎が形成され
ていることを検出することができる。

【００１９】このように、本発明のハイブリッド触媒燃
焼装置では、例えば、コーナー部位のフレームロッドを
一方の極とし、そのフレームロッドを挟む２つのフレー
ムロッドを他方の極として、フレーム電流を検出するの
で、気相燃焼部における触媒上方部位から側方部位の広
範囲で常に火炎の存在を検知できるのである。勿論、夫
々のフレームロッドが複数あってもよく、着火時及びハ
イブリッド燃焼時において、電界が有効に届く範囲で、
あるフレームロッドが常に火炎から離れた箇所にあり、
他の２つが同じ極で火炎中心付近に位置し、正荷電粒子
を捕捉するようにすればよい。

【００２０】本発明のハイブリッド触媒燃焼装置におい
て、フレーム電流検出手段により検出されるフレーム電
流が低下することは、火炎が所定の位置に存在していな
いことを反映しており、燃焼触媒部又はその出口部の温
度を検出する温度検出手段の検出結果と、フレーム電流
検出手段の検出結果とを組み合わせて、燃焼触媒部の出
口部温度が所定温度以下となったとき、又は、フレーム
電流が所定の電流値以下となったときに、本ハイブリッ
ド触媒燃焼装置の運転を停止したり、供給する燃焼用空
気量及び燃料量等を低下させたりする所定の安全制御を
実行する安全制御手段を備えることで、信頼性の高い二
重安全構造とすることができる。よって、このようなハ
イブリッド触媒燃焼装置を備えたファンヒータは、異常
燃焼発生時の安全制御の信頼性が高いものとなり、不完
全燃焼等による室内空気汚染等を抑制することができ
る。

【００２１】また、上記温度検出手段は、上記制御手段
が、空気供給手段の動力を制御して触媒燃焼開始前後に
おける燃焼用空気の供給量の切換え等を行うときに、上
記触媒燃焼の開始を検出するための温度検出手段として
も利用できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態として、天然
ガス系都市ガスを燃料ガスＧとする燃焼装置５０（ハイ
ブリッド触媒燃焼装置の一例）及びその燃焼装置５０を
備えたファンヒータ１００について図面に基づいて説明
する。図１は本発明に係る燃焼装置５０を備えたファン
ヒータ１００の全体概略図、図２は図１に示す燃焼装置
５０の側断面概略図である。

【００２３】図１、２を参照して、燃焼装置５０は、燃
料ガスＧの一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部１１
と、燃料ガスＧの残部を気相燃焼させる気相燃焼部１２
とによって構成されたハイブリッド触媒燃焼方式の燃焼
装置である。燃焼装置５０には、燃焼用ファン１ａによ
って供給される燃焼用空気Ａと燃料遮断弁３及び比例制
御弁２を介して分散ノズル１７から供給される燃料ガス
Ｇとを混合して予混合気を形成する混合気流路４と、混
合気流路４から送られる予混合気を予熱する予熱部１８
と、前記燃焼触媒部１１とを設けた内筒２０と、その内
筒２０の外周全体を囲い、内筒２０及び燃焼触媒部１１
との間に、内筒２０の一方の端部側から内筒２０の外側
に渡る気相燃焼部１２を形成する外部材２２とを設け
て、気相燃焼部１２における燃焼で発生する熱を上流側
へ熱再生できるように構成している。

【００２４】予熱部１８には内筒２０の内壁に接し混合
気の流れ方向と直角方向に板面を有する熱交換フィン１
９が複数設けられている。熱交換フィン１９は、図３に
示すように、互いに開口１９ｃの穿設状態が異なる２種
類のＳＵＳ製のパンチングメタル１９ａ，１９ｂを２枚
づつ交互に配設して構成されてものであり、予熱部１８
を流通する混合気は、その熱交換フィン１９の開口１９
ｃを通過しながら、気相燃焼部１２の気相燃焼により加
熱された内筒２０の熱をこの熱交換フィン１９を介して
受熱し、好ましい状態に加熱される。燃焼触媒部１１は
内筒２０の先端部に取付けられており、有効寸法、幅８
５ｍｍ、奥行き２０ｍｍ、層高２０ｍｍの角形である。

【００２５】燃焼触媒部１１は、波形の金属シートから
なる支持体の片側に高比表面積を有する担体層を形成
し、その担体層にパラジウム若しくは白金系触媒、又は
それを主成分として、銀、金、白金、パラジウム、ルテ
ニウム、イリジウムまたはロジウムから選択される一つ
またはそれ以上の補助触媒を包含する触媒を塗布して焼
成した後、触媒を塗布した担体層側を同じ向きに重ねて
連通セルが形成されるようにして、その対を更に重ねて
ハニカム状に成形したものである。このように形成され
た燃焼触媒部１１では、片面のみに触媒をコートした連
通セルの集合体として形成されるので、触媒コート面で
触媒燃焼によって発生する熱は、反対面の触媒がコート
されていない面に熱伝導され混合気へ熱伝達される。こ
うして、触媒温度は断熱理論燃焼温度が１５００℃の混
合気を燃焼する場合でも、燃焼率は５０％以下に抑制さ
れ、触媒温度も最高９５０℃以下に抑制され、触媒の劣
化が抑制される。

【００２６】内筒２０の外面は金属の熱保護と過度な熱
伝達を抑制し燃焼を安定化するために厚み６ｍｍの保温
モールドが設けられている。この保温モールドはセラミ
ックファイバーを材料として、短軸方向の縦に２分割し
てモールド成形したものを接着加工したものである。

【００２７】外部材２２は、厚み１８ｍｍの保温モール
ドで形成したものの外側を金属薄膜で被覆したものであ
り、内筒１０の一方の端部側に設けられた燃焼触媒部１
１の上面、内筒１０の側面、混合気流路４の下方壁面の
夫々から約２０ｍｍ程度の隙間を有して、内筒２０を囲
っており、内筒２０及び外部材２２の隙間部分が、気相
燃焼部１２となっている。上記外部材２２の保温モール
ドは、セラミックファイバーを材料として、短軸方向の
縦に２分割してモールド成形したものを、硬化処理によ
りガスシールしたものである。

【００２８】外部材２２は、内筒２０の、燃焼触媒部１
１の上方、周辺部、混合気流路４の下方からそれぞれ約
２０ｍｍ程度の間隙を有して、内筒２０を囲っており、
両者の間隙が気相燃焼室１２となっている。外部材２２
の下部には、熱を上流側へ輻射熱して戻すために、幅２
５ｍｍ、長さ１３０ｍｍ、厚み１２ｍｍの排出部伝熱変
換体１４を組み込み、上流側の面を内筒２０の混合気流
路４に対向するように排気口１５を備えており、この排
出部伝熱変換体１４は、気相燃焼部１２から外部へ排出
される燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流
側、即ち、気相燃焼部１２と内筒２０の混合気流路４を
設けた外壁面とに放射することができる。また、内筒２
０の燃焼触媒部１１の入口部に相当する気相燃焼部１２
の位置から、混合気流路４に相当する気相燃焼部１２の
位置までの範囲内である内筒２０の上縁から５０ｍｍの
位置に、気相燃焼部１２の流路断面全体にわたって、厚
み１２ｍｍの気相燃焼部伝熱変換体１６がセットされて
いる。この気相燃焼部伝熱変換体１６は、気相燃焼部１
２において燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上
流側へ放射するのであるが、特に、低負荷燃焼を行う場
合、気相燃焼部伝熱変換体１６の上流側の空間に熱を輻
射熱に変換してフィードバックさせることで、高温の対
流熱損失を抑制することができ、安定した気相燃焼を行
うことができる。伝熱変換体１４，１６はセル数６ケ／
２５ｍｍ、見かけ比重０．４３、厚み１２ｍｍの炭化ケ
イ素製セラミックフォームである。

【００２９】また、燃焼触媒部１１の出口部直後の温度
を検出する温度センサ２１（温度検出手段の一例）が備
えられ、その出力値を制御装置３０に送るように構成さ
れている。この温度センサ２１は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｉか
らなるナイクロシルと呼ばれる直径０．６ｍｍの素線
（熱起電力の正側となる）と、Ｎｉ，Ｓｉからなるナイ
シルと呼ばれる直径０．６ｍｍの素線（熱起電力の負側
となる）との先端を溶接し、９００℃程度で熱処理する
ことにより、表面に酸化膜を形成させ、絶縁処理した熱
電対である。この温度センサ２１の先端が、上記燃焼触
媒部１１の出口直後になるように、燃焼触媒部１１を設
ける前に配設し、その温度センサ２１を燃焼触媒部１１
により固定している。燃焼触媒部１１の入口側、即ち内
筒２０の内側にある素線は、混合気流路４に至り、２穴
のセラミックチューブに内挿されて、混合気流路４の分
散ノズル１７の反対側の壁部から外部に取出され、その
取出部及びセラミックチューブは有機性シール材により
ガスシールされている。このような温度センサ２１は、
耐久性と応答性とのトレードオフの関係の中で、最大限
の素線径のものを利用できる。

【００３０】気相燃焼部１２は触媒燃焼によって部分的
に燃焼し昇温された未燃焼の燃料が気相ラジカル反応に
よって完全燃焼されるに必要な滞留時間を確保する空間
である。外部材２２の内側には断熱部材が設置されてお
り、気相燃焼部１２は折り返し構造となっている。気相
燃焼部１２の折り返し部分に、混合気に火花点火し燃焼
を開始するためのイグナイタ２３が備えられている。

【００３１】さらに、気相燃焼部１２には、気相燃焼部
１２の火炎を検出するための３つのフレームロッド２４
ａ，２４ｂ，２４ｃが設けられている。フレームロッド
２４ａは、内筒２０の一方の端部の上方且つ内筒２０の
内側である触媒上方部位の中間高さの位置に設けられて
おり、長さは８０ｍｍである。また、フレームロッド２
４ｂは、内筒２０の一方の端部の上方側且つ内筒２０の
外側であるコーナー部位の上記フレームロッド２４ａと
同じ高さの位置に設けられており、長さ１２０ｍｍであ
る。また、フレームロッド２４ｃは、内筒の外側且つ内
筒の一方の端部よりも下方である側方部位の上記フレー
ムロッド２４ｂの下方１５ｍｍの位置に設けられてお
り、長さは１２０ｍｍである。

【００３２】上記イグナイタ２３及びフレームロッド２
４ａ，２４ｂ，２４ｃの材質は、イットリウムを含む耐
熱合金であるＹＳＳ−ＳＹＴＴ（商品名）で一般の燃焼
器等に利用されているものを用いた。

【００３３】夫々のフレームロッド２４ａ，２４ｂ，２
４ｃは、互いのフレームロッド間に電圧を印加し、フレ
ームロッド間に流れるフレーム電流を検出するフレーム
電流検出手段２５に接続されている。このフレーム電流
検出手段２５は、図２に示すように、上記コーナー部位
に設けたフレームロッド２４ｂを一方の極として、その
他の上記触媒上方部位及び側方部位に設けたフレームロ
ッド２４ａ，２４ｃを他方の極とし、両極間に６０Ｈｚ
の２００Ｖ交流電圧を印加する電源２８と、その両極間
に２ＭΩの抵抗を与える抵抗２６と、電源２８及び抵抗
２６間に流れる微小電流を計測して制御装置３０側に出
力する電流測定器２７とを直列で接続した回路からな
る。

【００３４】ファンヒータ１００に備えられたファン装
置１は、燃焼装置５０の混合部に燃焼用の空気Ａを供給
するための燃焼用ファン１ａと、排気口１５から排出さ
れる燃焼排ガスＥを空気Ａによって希釈して暖房用温風
Ｈとして外部へ排出するための対流用ファン１ｂとを同
じ回転軸１ｃ上に並設して備え、モータ１ｄによって回
転軸１ｃを回転させて両ファン１ａ，１ｂを回転させる
ように構成されている。

【００３５】また、燃料遮断弁３、イグナイタ２３及び
その高圧電源は市販のファンヒータに備え付けられてい
るものと同じ物を使用した。

【００３６】次に、上記ファンヒータ１００において、
燃焼テストを行った結果を説明する。燃焼テストはメタ
ンを主成分とし発熱量４６ＭＪ／ｍ³（Ｎｏｒｍａｌ）
（１１０００ｋｃａｌ／ｍ³（Ｎｏｒｍａｌ））の市中
供給の天然ガス系都市ガスを用いて行った。排気は対流
用ファン１ｂの出口にて吸引サンプリングし、全炭化水
素、ＣＯ，ＣＯ２、ＮＯｘを分析した。尚、制御装置３
０として外部設置のパソコンを利用して燃焼の自動制御
とデータ収録を行った。また、上記フレーム電流検出手
段２５において検出されるフレーム電流として、フレー
ム電流検出手段２５の抵抗２６の両端から検出される電
圧を連続記録した。燃焼テストに当たっては、燃焼用フ
ァン１ａと対流用ファン１ｂとを別のモータで駆動する
ように構成した。さらに、対流用ファン１ｂ用のモータ
駆動電圧及び比例制御弁２による燃焼用調整を手動と
し、燃焼開始操作、同一燃焼量における燃焼制御は自動
制御とした。

【００３７】燃焼自動制御では、制御装置３０におい
て、まず、燃焼用ファン１ａ用の直流モータ駆動電圧Ｖ
ａを１０Ｖとして駆動し、イグナイタ２３をＯＮ状態に
て、ガス遮断弁３を開にし、比例制御弁２に便宜上燃焼
量３ｋＷ（２６００ｋｃａｌ／ｈ）に相当する初期動力
を与える。すると、気相燃焼部１２の上記触媒上方部位
に、均一気相燃焼の火炎が形成される。

【００３８】そして、温度センサ２１により検出される
燃焼触媒部１１の出口部温度Ｔ１１が、燃焼触媒部１１
において触媒接触酸化が開始されたと認識できる３５０
℃になるまで、温度センサ２１の検出結果に基づいて燃
焼用ファン１ａ用のモータ駆動電圧Ｖａを次式に従って
上昇させる。

【００３９】

【数１】 Ｖａ［Ｖ］＝０．００４５×Ｔ１１［℃］＋９．９１

【００４０】次に、出口部温度Ｔ１１が、３５０℃とな
り、燃焼触媒部１１及び気相燃焼部１２における燃焼が
安定したと認識できる７６０℃になるまで、温度センサ
２１の検出結果に基づいて燃焼用ファン１ａ用のモータ
駆動電圧Ｖａを次式に従って上昇させる。

【００４１】

【数２】 Ｖａ［Ｖ］＝０．０１×Ｔ１１［℃］＋８．０

【００４２】このような燃焼開始操作において、対流用
ファン１ｂ用のモータ駆動電圧は、初期においては４９
Ｖとされ、燃焼進行と共に、適正な温風が得られるよう
に上昇される。

【００４３】ハイブリッド燃焼に到達後において、設定
される各燃焼量に応じて予め定めた燃焼触媒部１１の出
口部温度Ｔ１１、燃焼用ファン１ａのモータ駆動電圧Ｖ
ａの初期値テーブルに基づき、燃焼量を変化させて、燃
焼性能、ＮＯｘをはじめとする燃焼排ガスの組成変化、
フレーム電流検出手段２５において検出されるフレーム
電流等を測定した結果を説明する。

【００４４】図４は、燃焼開始から高燃焼領域における
燃焼様相をプロットしたグラフ図である。気相燃焼部１
２における均一気相燃焼による燃焼開始以降、熱再生に
よって触媒が予熱され、約６分後に触媒酸化が開始さ
れ、ハイブリッド触媒燃焼に移行し、１０分以内で超低
ＮＯｘの定常ハイブリッド触媒燃焼に至った。

【００４５】フレーム電流（前述のように電圧に変換し
て測定している。）は、上記ハイブリッド触媒燃焼開始
後、約１５秒で３μＡが得られ、まず着火時の火炎検知
としての有効性が実証できる。ハイブリッド燃焼に移行
すると、一時低下するが燃焼経過と共に上昇した。その
後、３．５ｋＷ（３０００ｋｃａｌ／ｈ）から４．１ｋ
Ｗ（３５００ｋｃａｌ／ｈ）まで変化しても高いレベル
のフレーム電流を保持しており、気相燃焼部において火
炎が安定して形成されていることが判る。尚、フレーム
電流が、触媒燃焼開始直後に一時的に低下しているの
は、気相燃焼部において、上記触媒上方部位にあった火
炎が、上記側方部位に移動したことで、各フレームロッ
ド２４ａ，２４ｂ，２４ｃの両電極間における荷電粒子
濃度差が一時的に低下したことによるものである。

【００４６】次に、燃焼量が２．４ｋＷ（２１００ｋｃ
ａｌ／ｈ）において、燃焼触媒部１１の出口部温度Ｔ１
１を１０℃ずつ低下していき、フレーム電流値としての
電圧と、不完全燃焼成分であるＣＯ、ＵＨＣ（未燃炭化
水素）の濃度変化の状態を図５のグラフ図に示す。触媒
出口部温度Ｔ１１を７５０℃とすれば、ＣＯ濃度が急上
昇しており、不完全燃焼が発生していることが判る。こ
のとき、フレーム電流は０．５μＡに低下しており、不
完全燃焼時の火炎検知としての有効性が実証できる。次
に、触媒出口部温度Ｔ１１を８００℃に上昇させると、
ＣＯ濃度は元の５ｐｐｍ以下に低下し、良好燃焼に戻っ
ていることが判る。従って、この燃焼量では、触媒出口
部温度Ｔ１１を８００℃付近で制御し、フレーム電流の
下限界値を２μＡ程度とすれば、二重の燃焼安全構造と
することができる。そして、この燃焼量において、上記
触媒出口部温度Ｔ１１及びフレーム電流が、この値以下
となったときには、燃焼装置５０の運転を停止したり、
供給する燃焼用空気量及び燃料量等を低下させたりする
所定の安全制御を実行することが好ましく、このような
安全制御を行う手段を安全制御手段とよぶ。

【００４７】図６には、燃焼量が１．１ｋＷ（１０００
ｋｃａｌ／ｈ）において、図５と同様の測定を行ったと
きの結果がしめされている。この場合は、触媒出口部温
度Ｔ１１が８００℃になると、不完全燃焼が生起してい
ることが判る。このときのフレーム電流は０．３μＡま
で低下している。しかし触媒出口部温度Ｔ１１を８４０
℃とすれば、フレーム電流は０．７μＡまで増加し、元
の良好燃焼に戻っている。

【００４８】結果、均一気相燃焼の燃焼開始操作から、
定常時のハイブリッド燃焼４．１ｋＷ〜０．７ｋＷ（３
５００〜６００ｋｃａｌ／ｈ）の幅広い範囲において、
触媒出口部温度Ｔ１１とフレーム電流の相関は良好であ
り、夫々の値を監視して、ハイブリッド燃焼の二重安全
構造を実現することができる。

【００４９】これらのテストにおいて、制御基本値とし
ての触媒出口部温度Ｔ１１を測定する温度センサ２１の
応答性は良好であり、また耐久性については、別に実施
した１０１５℃における促進劣化テスト１０００ｈで指
示値変化が全く無かった。燃焼装置では９００℃以下で
温度センサを使用するので、実用性がある耐久性を有し
ていることが判る。

【００５０】〔比較例１〕次に第１の比較例として、フ
レームロッド以外は上記実施の形態の燃焼装置５０と同
様の構成で、触媒上方部位のフレームロッド２４ａ以外
のフレームロッド２４ｂ，２４ｃを取り除き、上記フレ
ームロッド２４ａの対極を燃焼触媒部１１が設けられた
内筒２０側とした燃焼装置を用いて、フレーム電流を測
定した。結果、燃焼開始時の触媒上方部位に火炎を形成
する均一気相燃焼期間では、大きなフレーム電流が観測
されたが、ハイブリッド燃焼に移行するとフレーム電流
は殆ど観測されなくなった。また、フレーム電流のノイ
ズレベルも大きかった。

【００５１】〔比較例２〕次に第２の比較例として、フ
レームロッド以外は上記実施の形態の燃焼装置５０と同
様の構成の燃焼装置で、触媒上方部位のフレームロッド
２４ａを一方の極とし、その他のフレームロッド２４
ｂ，２４ｃを他方の極として、フレーム電流を計測し
た。結果、燃焼開始時の触媒上方部位に火炎を形成する
均一気相燃焼期間では、大きなフレーム電流が観測され
たが、ハイブリッド燃焼に移行するとフレーム電流は殆
ど観測されなくなった。このためこのような構成は火炎
検知としての使用は不可能であることが判る。

【００５２】これまで説明してきたハイブリッド触媒燃
焼装置に供給する燃料としては、都市ガス、天然ガスに
限らず、ＬＰＧ、灯油気化ガスなど、各種の燃料を利用
できる。

【００５３】

【発明の効果】本発明のハイブリッド触媒燃焼装置及び
それを備えたファンヒータは、燃焼開始時から常時、燃
焼触媒部後流の気相燃焼部の火炎の存在を監視でき、触
媒出口部温度と連動して、二重の燃焼安全を図ることが
でき、安全性を大幅に向上できる。また、市販のファン
ヒータにこのハイブリッド触媒燃焼装置を備えて、高空
気比運転が可能となり、公害物質であるＮＯｘの発生を
極限まで抑制し、ファンヒータを環境にやさしい機器と
して認知してもらうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置の実施
の形態を示す全体概略図

【図２】図１に示す燃焼装置の側断面概略図

【図３】熱交換フィンの拡大斜視図

【図４】ハイブリッド触媒燃焼装置の燃焼開始及び高燃
焼量における状態を示すグラフ図

【図５】ハイブリッド触媒燃焼装置の触媒出口部温度の
変更によるフレーム電流の変化状態を示すグラフ図

【図６】ハイブリッド触媒燃焼装置の触媒出口部温度の
変更によるフレーム電流の変化状態を示すグラフ図

【符号の説明】

１ ファン装置 １ａ 燃焼用ファン ４ 混合気流路 １１ 燃焼触媒部 １２ 気相燃焼部 １４ 排出部伝熱変換体 １５ 排出口 １６ 気相燃焼部伝熱変換体 １９ 熱交換用フィン １８ 予熱部 ２０ 内筒 ２１ 温度センサ（温度検出手段） ２２ 外部材 ２４ａ フレームロッド ２４ｂ フレームロッド ２４ｃ フレームロッド ２５ フレーム電流検出手段 ５０ 燃焼装置（ハイブリッド触媒燃焼装置） １００ ファンヒータ Ａ 空気 Ｅ 燃焼排ガス Ｈ 暖房用温風

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｆ２３Ｎ 5/10 ３１０ Ｆ２３Ｎ 5/10 ３１０Ｇ (72)発明者 西村 浩一 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 3K005 TA01 TB07 UA11 VA01 WA02 WB08 XA12 XB04 YA25 3K017 BA02 BB06 BB08 BC10 BD01 3K065 TA19 TC05 TD05 TH01 TK04 TK06 TN01 TN16

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼用空気と燃料との混合気を通過させ
   て前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、
   前記燃焼触媒部の前記混合気の流れ方向の下流側に設け
   られ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備
   え、 一方の端部の内側に前記燃焼触媒部を設けた内筒と、前
   記内筒及び前記燃焼触媒部との間に、前記内筒の前記一
   方の端部側から前記内筒の外側に渡る前記気相燃焼部を
   形成する外部材とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置で
   あって、 前記気相燃焼部の前記混合気の流れ方向に沿って、少な
   くとも３つのフレームロッドを配設して備えると共に、 前記少なくとも３つのフレームロッドが、前記気相燃焼
   部の前記内筒の前記一方の端部の上方側且つ前記内筒の
   外側であるコーナー部位に設けられたフレームロッドを
   間に含むものであり、 前記フレームロッド間に電圧を印加し、前記フレームロ
   ッド間に流れるフレーム電流を検出するフレーム電流検
   出手段を備えたハイブリッド触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記少なくとも３つのフレームロッド
   が、前記コーナー部位に一方の極として設けられたフレ
   ームロッドと、前記気相燃焼部の前記コーナー部位の上
   流側である触媒上方部位及び前記気相燃焼部の前記コー
   ナ部位の下流側である側方部位に他方の極として設けら
   れた夫々のフレームロッドとから構成され、 前記フレーム電流検出手段が、前記フレームロッドの両
   極間の夫々に電圧を印加し、前記両極間に流れるフレー
   ム電流を検出する手段である請求項１に記載のハイブリ
   ッド触媒燃焼装置。
3. 【請求項３】 前記燃焼触媒部又は前記燃焼触媒部の出
   口部の温度を検出可能な温度検出手段を備え、 前記温度検出手段により検出された前記温度が所定温度
   以下となったとき、又は、前記フレーム電流検出手段に
   より検出された前記フレーム電流が所定の電流値以下と
   なったときに、所定の安全制御を実行する安全制御手段
   を備えた請求項１又は２に記載のハイブリッド触媒燃焼
   装置。
4. 【請求項４】 前記温度検出手段により検出された前記
   温度に基づいて、前記燃焼用空気を供給する空気供給手
   段の動力を制御する制御手段を備えた請求項１から３の
   何れか１項に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
5. 【請求項５】 請求項１から４の何れか１項に記載のハ
   イブリッド触媒燃焼装置を備え、前記気相燃焼部から排
   出された燃焼排ガスを、空気希釈して外部へ温風として
   排出するファンヒータ。