JP2002357318A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒燃焼器において触媒の経年劣化や部分劣
化に対して正確に燃焼状態を検知して、触媒の劣化状態
を判断する触媒燃焼装置を実現する。 【解決手段】 燃料を供給する燃料供給部１と、燃焼用
空気を供給する空気供給部２と、前記燃料と前記燃焼用
空気とを混合する混合ガス供給部３と、前記混合ガス供
給部３の下流に設けられた第一触媒体７と、前記第一触
媒体７の上流面近傍に配置された上流側温度センサ１４
ａと１４ｂおよび前記第一触媒体７の下流面近傍に配置
された下流側温度センサ１５ａと１５ｂで構成すること
によって、触媒体の劣化状態を検出可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は主として、家庭用、
または業務用の給湯、暖房に適用する触媒燃焼装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来は、白金やパラジウム等の貴金属触
媒をコージライト等の基材に担持した触媒体を触媒燃焼
させる触媒燃焼装置が例えば、特開平６−１４７４１９
号公報に公開されている。

【０００３】このような従来の触媒燃焼装置は、ハニカ
ム状の触媒体の混合ガス供給部側に触媒体からの輻射を
受ける熱交換部を設置しており、触媒燃焼開始時は予熱
バーナで火炎燃焼させて触媒体を活性化温度以上に加熱
した後、混合ガスの供給を停止して予熱バーナの火炎を
失火させ、再び、混合ガスを供給して安定した触媒燃焼
を行っていた。

【０００４】触媒燃焼方式は火炎を形成しない燃焼方式
であるため、従来のように、火炎中のイオン電流をもと
に燃焼状態を検知する方式を適用することができないと
いう点があり、これに伴い、燃焼量に相当する燃料の流
量を迅速に変化させるのが技術的に困難とされていた。
また、触媒燃焼は燃焼立上げ時には、触媒体の温度を活
性化温度以上に高めておく必要があるが、予熱バーナの
火炎を失火させた後、触媒燃焼に移行する時に排ガス特
性が悪化するという問題点があった。

【０００５】さらに、触媒燃焼は燃焼温度が低いため、
熱交換量を増加させようとすると、触媒体を大きくする
必要があるが、触媒体が大きくなると、特に低燃焼量時
に燃料供給の安定性が不十分となりやすく、燃焼量の可
変範囲を拡大し難くなるという課題も発生するものであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記従来技術
の問題点の解決を課題とするものであり、触媒の経年劣
化に対し正確に燃焼状態を検知して、迅速に燃料流量を
調整することが出来るようにし、触媒の劣化を判断する
ことができる制御性の優れた安定した触媒燃焼装置を実
現することを目的とする。また、低燃焼量時にも安定し
た燃焼を行って、燃焼量可変範囲を拡大しやすい触媒燃
焼装置を実現することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として本発明は、触媒燃焼する触媒体に近接して
混合ガス流に対する上流側と下流側に各々温度センサを
配設する構成とした。

【０００８】従って前記温度センサの活用によって混合
ガス濃度を制御することができたり、触媒体の劣化を検
知して触媒燃焼を停止したりすることができるようにし
た。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。

【００１０】図１は本実施の形態の触媒燃焼装置の斜視
断面図である。本実施の形態の触媒燃焼装置の主要部は
燃料供給部１，空気供給部２、前記燃料供給部１よりの
燃料ガスと空気供給部２よりの空気を混合する混合ガス
供給部３，混合ガス噴出部４，輻射受熱部５、前記輻射
受熱部５より混合ガスの流れにおける下流に配設したヒ
ーター６，第一触媒体７，輻射受熱部８，第二触媒体
９，排熱回収部１０，排気口１１，熱交換部１２とで構
成し各構成部分は上記の順に従って触媒燃焼装置内に連
設している。そして前記触媒燃焼装置の上面には被加熱
流体通路１３が形設されている。第一触媒体７の上流面
近傍には上流側温度センサ１４ａ，１４ｂを設置し、第
一触媒体７の下流面近傍である第一触媒体７と第二触媒
体９との間には下流側温度センサ１５ａ，１５ｂを設置
している。

【００１１】第一触媒体７，第二触媒体９は通気性を有
するコージライトハニカムを基材とし、パラジウム，白
金等の貴金属系触媒を担持したものである。第一触媒体
７の単位面積当りのハニカム格子数を第二触媒体９の単
位面積当りのハニカム格子数よりも少なくして通気性を
良くしている。第一触媒体７の基材はコージライトハニ
カムではなく、金属や炭化ケイ素としても良い。輻射受
熱部５，輻射受熱部８，排熱回収部１０は燃焼ガスの流
れ方向に平行な多数のフィン形状としており、すべて熱
交換部１２と一体化している。

【００１２】次に、このような構成を有する本実施の形
態による触媒燃焼装置の動作についての説明を行う。

【００１３】まず、燃焼開始時には、ヒーター６に通電
して着火源になるように表面温度を上昇させた後、空気
供給部２から燃焼用空気を流し、燃料供給部１から燃料
を流して、火炎を混合ガス噴出部４と第一触媒体７との
間に形成する。数秒（約５秒以内）で第一触媒体７は活
性化温度以上に予熱されるので、ヒーター６への通電を
停止し、空気流量を増加させて火炎を失火させた後、所
定の混合ガス濃度に設定して第一触媒体７で触媒燃焼を
開始させる。

【００１４】触媒燃焼時には、第一触媒体７が赤熱さ
れ、放射エネルギーが放出される。この放射エネルギー
は輻射受熱部５を主とした熱交換部１２で吸収されて再
び熱エネルギーに変換されることにより、熱交換部１２
へ放射伝熱される。

【００１５】さらに、熱エネルギーは熱伝導により、熱
交換部１２から被加熱流体通路１３を通り、対流熱伝熱
により、被加熱流体通路１３内の被加熱流体へ伝熱され
る。

【００１６】放射伝熱は被加熱流体の流れを乱さない
為、第一触媒体７における燃焼反応が阻害されることが
なく、被加熱流体への熱交換量を増加させても燃焼安定
性を確保することができる。

【００１７】燃焼量を増加させていくと、燃料の一部が
第一触媒体７で反応することなく、第二触媒体９に到達
して触媒燃焼を開始するようになる。

【００１８】輻射受熱部８でも輻射受熱部５と同様の伝
熱が促進され、通過した燃焼ガスは排熱回収部１０で排
熱を回収された後、排気口１１から外部に排出される。

【００１９】触媒燃焼時には第一触媒体７の内部に最高
温度を示す部分が存在する為、排ガス温度を測定してい
る上流側温度センサ１４ａと１４ｂや下流側温度センサ
１５ａと１５ｂは最高温度の位置を検出し、出力を示す
ようになる。

【００２０】混合ガス濃度をほぼ一定として、燃料流量
を増加させると、最高温度の位置が下流側に移動すると
ともに、発生熱量が増加するため、第一触媒体７の下流
面近傍に設置した下流側温度センサ１５ａと１５ｂの出
力は燃焼量にほぼ比例して増加する。つまり、下流側温
度センサ１５ａと１５ｂの出力が高温を示す（下流側の
温度が高い）ときは燃料流量は大きく、低温を示す（下
流側の温度が低い）ときは燃料流量は小さいという関係
が見出される。このとき、下流側温度センサ１５ａと１
５ｂの出力は、燃料流量に支配されており、混合ガス濃
度による影響は少ない。

【００２１】一方、燃料流量をほぼ一定として、混合ガ
ス濃度を増加させると、最高温度の位置が上流に移動す
るため、上流側温度センサー１４ａと１４ｂの出力が増
加する。つまりこの混合ガス濃度は高く、また低温を示
す。上流側の温度が低いときは混合ガス濃度は低いとい
う関係が見出される。特に、上流側温度センサ１４ａと
１４ｂの出力は混合ガス濃度に強く支配されており、燃
料流量が著しく変化しなければ、燃料流量による影響
は、殆ど考慮する必要がない。

【００２２】このように、本実施の形態による触媒燃焼
装置によれば、下流側温度センサ１５ａと１５ｂの出力
で燃焼量を検知し、上流側温度センサ１４ａと１４ｂの
出力で混合ガス濃度を検知することにより、第一触媒体
７および第二触媒体９の大きさに関係なく表面温度を全
体的に的確に検出して燃焼状態を把握することができ
る。火炎のイオン電流をもとに燃焼状態を検知する従来
の火炎燃焼方式でさえ、混合ガス濃度を的確に把握する
ことは困難とされており、本実施の形態の燃焼検知方式
は簡易な構成で優れた精度の検知性能を確保できるもの
である。

【００２３】また、第一触媒体７の上流面左右に設置さ
れた上流側温度センサ１４ａと１４ｂの出力差を検知
し、燃焼運転状態において、それぞれのセンサ出力差
（例えば約１００℃以上）を検出した場合は触媒の劣化
と判断して燃焼を終了させる。

【００２４】そして、上流側温度センサ１４ａと１４ｂ
の設置により第一触媒体７の上流側の触媒劣化状態を検
出でき、燃焼機器としての信頼性を確保することができ
る。

【００２５】また、第一触媒体７の下流面左右に設置さ
れた下流側温度センサ１５ａと１５ｂの出力差を検知
し、燃焼運転状態において、それぞれのセンサ出力差
（例えば約１００℃以上）を検出した場合は触媒劣化と
判断して燃焼を終了させる。

【００２６】そして、下流側温度センサ設置により第一
触媒体の下流側および第二触媒体上流の劣化状態を検出
でき、混合ガス濃度がばらついた場合であっても温度差
で判断するために、劣化状態を確実に判断し、燃焼機器
としての信頼性をさらに確保することができる。

【００２７】また、第一触媒体７の触媒体を中心とする
部材の経年変化に対しては、燃焼時の最高温度の位置が
下流側に移動することに着目し、下流側温度センサ１５
ａと１５ｂの出力と上流側温度センサ１４ａと１４ｂの
出力差を検知し、燃焼を終了させる。

【００２８】そして、上流側および下流側温度センサ設
置により第一触媒体と第二触媒体の劣化状態を幅広い燃
焼運転状態の範囲で検出でき、混合ガス濃度がばらつい
た場合であっても温度差で判断するために、確実に検出
でき、燃焼機器としての信頼性を確保することができ
る。

【００２９】また、触媒体７の上流面または下流面左右
に設置された上流側温度センサ１４ａと１４ｂと下流側
温度センサ１５ａと１５ｂに耐熱温度（例えば６００
℃）上限がある場合に、その温度センサを１６とすると
図２に示すように触媒体１７の上流または下流面より所
定距離Ｘ（例えば１０ｍｍ）離して温度センサ１６を設
置することにより、最大燃焼時に触媒体１７の表面温度
が高温（例えば８００℃以上）になっても、直接、触媒
の高温となる表面温度の影響を受けない為に温度センサ
１６を耐熱温度以下で検出することができる。

【００３０】そして、どのような高温の燃焼状態でも低
コストかつ安価な温度センサを用いた場合でも温度セン
サ自身の信頼性を維持すると共に燃焼機器としての信頼
性を確保することができる。

【００３１】また、触媒体７の上流面または下流面左右
に設置された上流側と下流側の温度センサ１６に耐熱温
度（例えば６００℃）上限がある場合では、図３に示す
ように温度センサ１６に円筒状の耐熱性のカバー１８を
設置したり、図４に示すように平板状の耐熱性のカバー
１９を設置することにより、最大燃焼時に触媒体の表面
温度が高温（例えば７００℃以上）になっても、触媒体
表面温度を精度良く、温度センサ１６を耐熱温度以下で
検出することができる。

【００３２】そして、過渡時に温度センサ１６の近傍で
万が一、火炎が発生して高温になった燃焼状態でも温度
センサ１６自身の信頼性を更に維持すると共に、燃焼機
器としての信頼性を確保することができる。

【００３３】但し、上記温度センサのカバー１８や１９
の代わりに、予め、熱交換部１２の内側に突出した形状
のようなものを一体型で形成し、温度センサーを保護す
る場合でも上記内容と同一の意味を持つものである。

【００３４】また、触媒体７の上流面左右に設置された
上流側温度センサ１４ａと１４ｂまたは、触媒体７の下
流側温度センサ１５ａと１５ｂの出力や、それぞれのセ
ンサ出力値または出力差より判断して、それぞれのセン
サ温度出力値が一つでも予め基準値として設定されてい
る温度（例えば約９００℃）以上であれば発火現象とみ
なし、または上流面および下流面左右のセンサ出力差が
予め基準値として設定されている温度（例えば約１００
℃以上）を検出した場合や上流側と下流側の温度センサ
の出力差が予め設定されている温度差（例えば４００
℃）以上を検出した場合は部分劣化と判断して燃焼を終
了させる。

【００３５】そして、上流側および下流側温度センサの
出力値と室外ユニットにあらかじめ記憶されている温度
の値を比較することにより第一触媒体と第二触媒体の劣
化状態および発火現象を確実に検出でき、制御性が高
く、かつ燃焼機器としての信頼性を確保することができ
る。

【００３６】また、触媒体７の上流面左右に設置された
上流側温度センサ１４ａと１４ｂまたは、触媒体７の下
流側温度センサ１５ａと１５ｂのそれぞれのセンサ出力
差を、室外ユニットが記憶している前回の運転状態の出
力差と比較し、出力差が前回の運転時の温度（例えば約
１００℃）以上を検出した場合は部分劣化と判断して燃
焼を終了させる。

【００３７】また、大型の燃焼器を構成し、更には大能
力を必要とする場合に２個以上複数の触媒体、および複
数の温度センサを用いて構成した場合であっても上記に
示すように制御性が高く、かつ燃焼機器としての信頼性
を確保することができる。

【００３８】尚、上記に説明した本実施の形態による触
媒燃焼装置の各部温度挙動の動作は、あくまでも、一実
施例を示したものであり、触媒体のハニカムの形状や構
造、種類、大きさ、担持量により必ずしも燃焼流量によ
り上流と下流の温度が決定されるとは、限らない。ま
た、触媒体の個数は２個以上、温度センサの個数も数を
限定しない。さらに、温度や燃焼状態を検出可能なセン
サを代用しても構わない。

【００３９】

【発明の効果】上記から明らかなように、請求項１に記
載の発明は、下流側温度センサの出力で燃焼量を検知
し、上流側温度センサの出力で混合ガス濃度を検知する
ことにより、触媒体の大きさに関係なく表面温度を全体
的に的確に検出して燃焼状態を把握することができる。
火炎のイオン電流をもとに燃焼状態を検知する従来の火
炎燃焼方式でさえ、混合ガス濃度を的確に把握すること
は困難とされており、本発明の燃焼検知方式は簡易な構
成で優れた精度の検知性能を確保するという効果を奏す
る。

【００４０】請求項２に記載の発明は、上流側温度セン
サ設置により第一触媒体の上流側の触媒劣化状態を検出
でき、燃焼機器としての信頼性を確保するという効果を
請求項１記載の発明の効果に加えて奏する。

【００４１】請求項３に記載の発明は、下流側温度セン
サ設置により第一触媒体の下流側および第二触媒体上流
の劣化状態を検出でき、混合ガス濃度がばらついた場合
であっても温度差で判断するために、劣化状態を確実に
判断し、燃焼機器としての信頼性をさらに確保するとい
う効果を請求項１記載の発明の効果に加えて奏する。

【００４２】請求項４に記載の発明は、上流側および下
流側温度センサ設置により第一触媒体と第二触媒体の劣
化状態を幅広い燃焼運転状態の範囲で検出でき、混合ガ
ス濃度がばらついた場合であっても温度差で判断するた
めに、確実に検出でき、燃焼機器としての信頼性を確保
するという効果を請求項１記載の発明の効果に加えて奏
する。

【００４３】請求項５に記載の発明は、どのような高温
の燃焼状態でも低コストかつ安価な温度センサを用いた
場合でも温度センサ自身の信頼性を維持すると共に燃焼
機器としての信頼性を確保する効果を前記各請求項記載
の発明の効果と加えて奏する。

【００４４】請求項６に記載の発明は、過渡時に温度セ
ンサの近傍で万が一、火炎が発生して高温になった燃焼
状態でも温度センサ自身の信頼性を更に高めると共に、
触媒体表面上に密着して温度センサの設置が可能となる
為に、温度変化に対して制御性の高い燃焼機器としての
信頼性を確保するという効果を前記各請求項記載の発明
の効果と加えて奏する。

【００４５】請求項と９に記載の発明は、上流側および
下流側温度センサの出力値とあらかじめ設定されている
基準となる所定の出力値または出力差と比較することに
より第一触媒体と第二触媒体の劣化状態および発火現象
を確実に検出が可能となり、燃焼機器としての信頼性を
確保するという効果を請求項１記載の発明の効果に加え
て奏する。

【００４６】請求項８と１０に記載の発明は、上流側お
よび下流側温度センサの出力値と記憶されている前回の
出力値または出力差とを比較することにより経年変化に
よる第一触媒体と第二触媒体の劣化状態を確実にして検
出でき、常に前回の運転状態と比較する為に、経年変化
による触媒劣化状態で触媒体が高温を維持する状態とな
った場合でも異常検出として即座に燃焼運転を終了させ
ることがない為、快適性を損なわない安定した連続的な
運転が可能となる燃焼機器としての信頼性を確保すると
いう効果を請求項１記載の発明の効果に加えて奏する。

【００４７】請求項１１に記載の発明は、大型の燃焼器
を構成し、更には大能力を必要とする場合に２個以上複
数の触媒体、および複数の温度センサを用いて構成した
場合であっても制御性が高く、かつ燃焼機器としての信
頼性を確保するという効果を前記各請求項の発明の効果
と加えて奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す触媒燃焼装置の斜
視図

【図２】同温度センサの配置概略図

【図３】同温度センサのカバー取付け概略図

【図４】同温度センサの他の例のカバー取付け概略図

【符号の説明】

１ 燃料供給部 ２ 空気供給部 ３ 混合ガス供給部 ４ 混合ガス噴出部 ５，８ 輻射受熱部 ６ ヒーター ７ 第一触媒体 ９ 第二触媒体 １０ 排熱回収部 １１ 排気口 １２ 熱交換部 １３ 被加熱流体通路 １４ａ，１４ｂ 上流側温度センサ １５ａ，１５ｂ 下流側温度センサ １６ 耐熱温度上限がある温度センサ １７ 触媒体 １８ 円筒状の耐熱性のカバー １９ 平板状の耐熱性のカバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 智朗 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 (72)発明者 藤田 龍夫 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） 3K005 AA06 AB02 AB06 AC02 AC05 BA05 CA06 DA02 DA05 EA02 3K017 BA02 BB07 BD01 BG03

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を供給する燃料供給部と、燃焼用空
   気を供給する空気供給部と、前記燃料と前記燃焼用空気
   とを混合する混合ガス供給部と、前記混合ガス供給部の
   下流に設けらていて前記混合ガス供給部より供給される
   混合ガスに接触する触媒体とを備えていて、前記触媒体
   の前記混合ガス供給部側の近傍に配設された少なくとも
   １つの上流側温度センサと前記触媒体の前記混合ガス供
   給部側の近傍に配設された少なくとも１つの下流側温度
   センサとの両方の温度センサ又は前記上流側温度センサ
   と前記下流側温度センサの何れか一方の温度センサを配
   設したことを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】 複数の上流側温度センサの個々の出力間
   の差に応じて、触媒体に供給する混合ガスの燃料と燃焼
   用空気との混合割合である混合ガス濃度を制御すること
   を特徴とする請求項１記載の触媒燃焼装置。
3. 【請求項３】 複数の下流側温度センサの個々の出力間
   の差に応じて、触媒体に供給する混合ガスの燃料と燃焼
   用空気との混合割合である混合ガス濃度を制御すること
   を特徴とする請求項１記載の触媒燃焼装置。
4. 【請求項４】 複数の上流側温度センサ間の出力差を検
   知した場合、または複数の下流側温度センサ間の出力差
   を検知した場合には、触媒燃焼を停止することを特徴と
   する請求項１記載の触媒燃焼装置。
5. 【請求項５】 上流側温度センサと下流側温度センサと
   の両方の温度センサ又は何れか一方の温度センサが耐熱
   温度上限のあるセンサである場合には、前記耐熱温度上
   限のある温度センサは触媒体の面より所定の距離をあけ
   て配設したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれ
   かに記載の触媒燃焼装置。
6. 【請求項６】 耐熱温度上限のある上流側温度センサま
   たは下流側温度センサには、触媒体の温度の影響を緩和
   する耐熱性のカバ−を取付けたことを特徴とする請求項
   １ないし５のいずれかに記載の触媒燃焼装置。
7. 【請求項７】 上流側温度センサと下流側温度センサと
   の個々の温度センサから出力された出力値と、予め設定
   された出力基準値とを比較して所定の差がある場合には
   燃焼を停止することを特徴とする請求項１記載の触媒燃
   焼装置。
8. 【請求項８】 上流側温度センサと下流側温度センサと
   の個々の温度センサから出力された出力値と、前回の触
   媒燃焼時の記憶出力値とを比較して所定の差がある場合
   には燃焼を停止することを特徴とする請求項１記載の触
   媒燃焼装置。
9. 【請求項９】 複数の上流側温度センサが個々に出力す
   る出力値の間の出力差、または複数の下流側温度センサ
   が個々に出力する出力値の間の出力差と予め設定された
   出力基準値とを比較して所定の差がある場合には燃焼を
   停止することを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼装
   置。
10. 【請求項１０】 複数の上流側温度センサが個々に出力
    する出力値の間の出力差、または複数の下流側温度セン
    サが個々に出力する出力値の間の出力差と、前回の触媒
    燃焼時の記憶出力差とを比較して所定の差がある場合に
    は燃焼を停止することを特徴とする請求項１記載の触媒
    燃焼装置。
11. 【請求項１１】 複数の触媒体と、前記複数の触媒体の
    個々の触媒体にそれぞれ上流側温度センサと下流側温度
    センサの両方の温度センサまたは何れか一方の温度セン
    サを設けたことを特徴とする請求項１ないし１０のいず
    れかに記載の触媒燃焼装置。