JP3143300B2

JP3143300B2 - 発熱装置

Info

Publication number: JP3143300B2
Application number: JP05323763A
Authority: JP
Inventors: 浩直沼本; 徹生寺島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JPH07180804A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体燃料またはガス化
した液体燃料を触媒燃焼させ、その燃焼熱を熱源として
利用する発熱装置に関するもので、具体的な用途として
はアイロン、スチーマ、調理器、コーヒーメーカ等があ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般にアイロン、スチーマ、調理器、コ
ーヒーメーカ等の熱源としては電気ヒータが用いられて
いるが、近年、この電気ヒータに代わって気体燃料また
はガス化した液体燃料を基にした発熱装置の開発が進め
られている。気体燃料またはガス化した液体燃料を基に
した発熱装置は、触媒作用を利用した触媒燃焼が用いら
れており、この触媒燃焼は触媒の作用により燃料を触媒
の表面に接触させ、無炎かつ低温で燃焼させることがで
きる燃焼方式である。触媒燃焼を利用した発熱装置の場
合、燃焼室をコンパクトにし、かつ発生した燃焼熱を効
率よく発熱部に伝えるため、燃焼室内壁面に略平行にフ
ィンを設け、このフィンの表面と燃焼室の内壁面とに触
媒体を配設することにより構成されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この方式に使用する材
料として、本発明者らはセラミック繊維を抄造したペー
パー状の触媒体を提案した。セラミックペーパー状の触
媒体は、断熱性を有するので、発熱部と接する燃焼室内
壁面およびフィンに密着していても触媒燃焼を継続維持
することができた。しかし、セラミックペーパー状の触
媒体は、熱伝導性があまりにも悪く、触媒燃焼がほとん
ど触媒体の最上流部で行われていた。その結果、最上流
部での触媒劣化が著しく、耐久性に問題があることが分
かってきた。また、触媒体で発生した燃焼熱を効率よく
伝熱させるためのフィンにアルミニウムダイキャストを
使用してきたが、その場合フィン温度は３５０℃以下に
保つ必要があった。しかし、触媒体最上流部と接するフ
ィンをその温度以下に保って所望の能力を得ることはな
かなか困難であり、それ以上の温度にすると寿命テスト
後にフィンの膨れを生じていた。

【０００４】触媒燃焼では、燃焼のほとんどが触媒体の
上流部で行われるため、金属基材を使用した触媒体の場
合には基材の熱変形が問題となり易い。また、金属基材
を燃焼室内壁面およびフィンに密着させた場合、燃焼熱
の伝熱が良好すぎて混合ガスの供給停止を行う方式を用
いる場合や、混合気流体による放熱に対して低発熱量の
ガスが供給されている場合などに失火を招くおそれもあ
る。燃焼方式で行う発熱装置の場合、装置の規格に余裕
度を保持させるために燃焼室への混合ガスの供給、停止
を繰り返して触媒燃焼を行い、発熱部の温度を調節する
ことが好ましい。その場合、混合ガスが停止の状態から
触媒体に再供給された際には、必ず触媒燃焼を再開する
ように触媒体が高い低温活性を有し、再着火温度が低く
なることが要求されていた。

【０００５】本発明は、上記従来の問題に鑑み、寸法精
度に優れた触媒体を生産性良く得ることができ、基材の
熱変形を抑制し、触媒体の再着火温度も改善し、長期に
わたって信頼性のある発熱装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、開閉制御可能
なバルブを介して燃料を噴射するノズルと、前記ノズル
から噴射される燃料を空気と混合する混合室と、前記混
合室に連通し、前記混合室で作られた混合ガスが供給さ
れる燃焼室と、前記燃焼室の外壁面に有する発熱部と、
前記燃焼室内壁面に設けられ、前記混合ガスの流れ方向
に対して略平行に配設されたフィンと、前記燃焼室内に
供給される混合ガスと略平行に壁面および前記フィンの
表面との間に所定の隙間を保ちながらそれらと近接して
設けられた触媒体を具備し、前記触媒体が金属薄板両表
面に形成された触媒被覆層で構成される発熱装置であ
る。

【０００７】また、前記燃焼室内壁面上および前記フィ
ンの表面上に凹凸部を設けた構成を有する。さらに、前
記触媒体が混合ガスの流れ方向上流部に触媒層未被覆部
を設けた構成、または／および、複数の触媒担持量の異
なる触媒被覆層から構成されており、混合ガスの流れ方
向下流部に部分的に触媒金属をより多く担持された触媒
被覆層を有する構成の発熱装置である。

【０００８】

【作用】本発明で用いる触媒体は、金属薄板表面に触媒
被覆層を設けた構成であり、寸法精度に優れ、燃焼室内
壁面に配設可能となる。混合ガスの通過経路に配設され
る触媒体は、伝熱フィンに沿ってお互いが噛み合わさる
構造となり、その間隔には精度が要求される。すなわち
間隔が広すぎると燃焼率が低下し、狭すぎると触媒体の
温度が高温になるとともに混合ガス通過経路の圧力損失
が増大し、ボンベから燃料ガスを自給できなくなること
もある。金属薄板を使用した基材の場合、寸法精度を保
守することは、セラミックペーパーに比べてはるかに容
易であり、自給式ボンベからも安定してより多くの燃料
ガスを供給することができる。

【０００９】また、量産性においても、金属基材は簡単
に曲げ加工ができ、それに触媒スラリーをディップコー
ティングすることで調製することができる。さらに、発
熱装置として実際に使用し、誤って落下等の強い機械的
衝撃を与えた場合にも、金属基材の場合破損あるいは固
定した燃焼室からはずれる心配はあまりない。また、金
属基材を使用した触媒体の場合、基材が機械的強度に優
れているのでセラミックペーパーを使用した触媒体より
もさらに薄くすることが可能であり、このことによって
発熱装置のコンパクト化が可能となる。

【００１０】本発明では、触媒体と燃焼室内壁面および
フィン表面との間に隙間を設けている。金属基材を使用
した触媒体の場合、密着させると燃焼室内壁面およびフ
ィンへの直接的な熱伝導性が良いので、触媒体と燃焼室
内壁面およびフィンとの間にわずかな隙間を設ける必要
がある。そうしないと、混合ガスの供給、停止を繰り返
して、発熱装置に温度調節機能を有させる場合や、外気
が冷却された場合、燃焼量が小さい場合などに、触媒体
の冷却スピードが速くて失火してしまう。この改善方法
としては、燃焼室内壁面およびフィンの表面に適切な所
定の大きさの凹凸を付ける加工で、フィンへの直接的な
放熱割合を調整することが可能である。たとえば燃焼室
内壁面およびフィンの表面にエンボス加工を施すと、触
媒体と燃焼室内壁面およびフィンとはその凹凸分だけの
所定の隙間を有して固定されることになり、その分だけ
直接的な熱伝導を抑制することができる。その加工はア
ルミニウムダイキャストを使用すれば難しいことではな
い。しかし、触媒体と燃焼室内壁面およびフィンとの間
にわずかな隙間を設けたことによって、触媒体の上流部
はより高温に曝されることになり、基材の熱変形に問題
が生じる。基材が熱変形すると、初期に設定した向かい
合った触媒体の間隔が変化してくるので、圧力損失も増
大するし、触媒体も高温化し、設計に不都合が生じる。

【００１１】この対策として、本発明では、触媒体にお
いて混合ガスの流れ方向上流部に触媒層未被覆部を設け
る。従来の触媒体の燃焼時における温度分布は、最上流
部が一番高く、下流に行くにしたがって低温となってい
た。しかし、本発明の触媒体においては、最上流部の温
度よりも、触媒未被覆部の直後が一番高温になるように
設定する。この結果、最も熱変形しやすい金属基材末端
の高温化が軽減され、熱変形を抑制する効果を発揮する
ことによって、基材の熱変形に対する抵抗性を向上させ
ることができる。

【００１２】また、本発明では、複数の触媒担持量の異
なる触媒被覆層から構成されており、混合ガスの流れ方
向下流部が触媒金属を他より多く担持されている触媒被
覆層を有している。このことによって、混合ガスが再供
給される時に問題となる再着火温度を効率よく低くする
ことができる。触媒体全体に担持される触媒金属量を多
くすれば、再着火温度を低くできるのは当然のことであ
るが、低コストで再着火温度を低くするためには、下流
部の触媒金属を多くすれば良いことが分かった。その理
由は、混合ガスが再供給された時に触媒体の上流部は混
合ガスで一時的にさらに冷却されるとともに熱はより下
流側に輸送されるので、触媒燃焼はその瞬間最も高温化
している触媒体の下流部から立ち上がるからである。加
えて混合ガスが再供給されて触媒体上流部で一部反応し
た熱も触媒体の下流部に供給され、触媒燃焼の立ち上が
りを補助するからである。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例における発熱装置の構
成を説明する。［実施例１］Ｃｒ含量２０ｗｔ％、Ａｌ含量５ｗｔ％の
Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系フェライトステンレス鋼（厚み５０
μｍ）を５５×８２ｍｍの大きさに切断して、凹部３個
を有する基材に曲げ加工し、次に、基材を９００℃で３
０分間熱処理して表面に酸化皮膜を形成した。その後、
アルミナ分約８０ｗｔ％のＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＣｅＯ2
粉末（比表面積１２０ｍ²／ｇ）１００ｇ、水１７０
ｇ、ポリエチレングリコール６ｇ、およびジニトロジア
ンミン白金水溶液をＰｔ換算で５ｇ加えてなる水性組成
物をボールミル調製し、触媒スラリーとした。上記基材
の凹部３個を有する上端を電磁石面で保持しながら、触
媒スラリー中に２ｍｍ／ｓｅｃの速度で全体を浸漬し、
１ｍｍ／ｓｅｃの速度で引き上げて乾燥した後、５００
℃で１０分間熱処理した。その結果、触媒被覆層が基材
表面上に１５０ｍｇ形成された触媒体１を得た。

【００１４】次に触媒体１と噛み合わさる形となる凹部
２個とその半分２個を有する基材を同様に用意し、基材
に酸化皮膜を形成した後、同様に触媒被覆層を形成し、
触媒体２とした。触媒体１と２をそれぞれ型容器３と４
内に固定し、触媒体が型容器から外れないようにした。
その時、触媒体１と２との間隔は１．８ｍｍとなるよう
に配置し、基材上に形成された触媒被覆層の液溜り部
（ディップコーティング時の下端）は混合ガス流れ方向
の下流部に配置されるようにした。型容器３と４を合わ
せて発熱部とし、図１、図２に示す発熱装置を組み立て
た。

【００１５】図１、図２において、５はイソブタンガス
ボンベであり、ボンベ５とノズル６の間にはバルブ７と
８が設けてあり、バルブ７が主バルブであり、バルブ８
はバイメタル（図示せず）で開閉制御される副バルブで
ある。ノズル６より噴出する燃料ガスは、ガス流の誘引
作用により回りの空気を吸引し、混合室９で均一に混合
され、燃焼室１０に供給される。燃焼室１０は、２個の
アルミニウム製型容器で構成される発熱部の内部に設け
られ、燃焼室１０の壁面には触媒体１と２が型容器３と
４の内壁面に触媒体との間にわずかな隙間を設けて、壁
面に設置されたボス部１１で固定されている。その隙間
調整は、アルミニウム製型容器の表面に深さ１ｍｍ、直
径２ｍｍ、ピッチ２ｍｍのエンボス加工（図示せず）す
ることで行った。触媒体１と２で発生した反応熱（燃焼
熱）を外部に効率よく伝熱するために、アルミニウム製
型容器３と４は伝熱フィン１２、１３を有し、これらの
伝熱フィン１２、１３の表面も同様にエンボス加工（図
示せず）が施されている。触媒体１と２の後方には圧電
着火素子１４が配置されている。

【００１６】つぎに動作原理について簡単に述べる。ま
ず、主バルブであるバルブ７を開くと、ノズル６より燃
料ガスが混合室９に供給され、同時に空気も誘引作用に
より供給される。空気を混合された燃料ガスは、燃料室
１０内に導入された後、圧電着火素子１４で火花をスパ
ークさせることで触媒体の後方、排気口１５手前付近に
一時火炎を形成させ、その反応熱で触媒体の下流部がす
ぐに加熱されて触媒燃焼を開始し、その触媒燃焼は直ち
に触媒体最上流部へと移行する。燃焼排ガスは排気口１
５から排出される。反応熱は、燃焼排気ガスと触媒体が
接するアルミニウム製型容器３と４で構成される発熱部
を経て外部に提供される。バルブ８は、バイメタル方式
で発熱部側面の１カ所（図示せず）を温度検知し、ある
温度（約２２０℃）以上になると閉塞され、燃料ガスの
供給が停止され、発熱部の温度調節に使用される。これ
は触媒体最上流部の温度が上昇し過ぎて触媒体が急激に
劣化するのを防止するのとアルミニウム製伝熱フィン１
２、１３の保護のためである。したがって、本発熱装置
は燃料ガスの供給、停止が繰り返され、その結果触媒体
も発熱、冷却を繰り返すことになる。

【００１７】イソブタンを燃料として空気過剰率（空気
／燃料）１．０２、５００ｋｃａｌ／ｈの条件に設定し
て、１０００時間燃焼させた。その結果、触媒体の上流
部は、燃料ガスの供給時にはかなりの高温（約９００℃
以上）に曝され、かつ燃料ガスの停止時には２５０℃程
度まで冷却される。したがって、９００〜２５０℃の熱
サイクルを１〜２分間隔で受け、金属基材上流部だけが
熱変形を生じていた。しかし、本発明による触媒体は、
１０００時間後も剥離を生じていなかった。本実施例で
は、基材上に形成された触媒被覆層の液溜り部は混合ガ
ス流れ方向の下流部に配置したが、この方向を逆にする
と、燃焼時の熱サイクルで液溜り部の被覆層は剥離を発
生してしまった。

【００１８】［実施例２］実施例１と同じＦｅ−Ｃｒ−
Ａｌ系フェライトステンレス鋼（厚み５０μｍ）を５５
×８２ｍｍの大きさに切断して、凹部３個を有する基材
に曲げ加工し、次に、基材を９００℃で３０分間熱処理
して表面に酸化皮膜を形成した。その後、ＢａＯ・Ａｌ
₂Ｏ₃・ＣｅＯ₂粉末（比表面積１２０ｍ²／ｇ）１００
ｇ、水１６５ｇ、ポリエチレングリコール６ｇ、および
ジニトロジアンミン白金水溶液をＰｔ換算で５ｇ加えて
なる水性組成物をボールミル調製し、触媒スラリーとし
た。上記基材の凹部３個を有する上端を電磁石面で保持
しながら、触媒スラリー中に２ｍｍ／ｓｅｃの速度で上
端部５ｍｍを残す状態で浸漬し、１ｍｍ／ｓｅｃの速度
で引き上げて乾燥した後、５００℃で１０分間熱処理し
た。その結果、触媒被覆層が基材表面上に１５０ｍｇ形
成された触媒体２１を得た。

【００１９】次に触媒体２１と噛み合わさる形となる凹
部２個とその半分２個を有する基材を同様に用意し、基
材に酸化皮膜を形成した後、同様に触媒被覆層を形成
し、触媒体２２とした。実施例１と同様触媒体２１と２
２をそれぞれ型容器３と４内に固定し、触媒体が型容器
から外れないようにした。その時、触媒体１と２との間
隔は１．８ｍｍとなるように配置し、基材上に形成され
た触媒被覆層の液溜り部は、混合ガス流れ方向の下流部
に配置されるようにした。型容器３と４を合わせて発熱
部とし、図１、図２に示す発熱装置を組み立てた。

【００２０】実施例１と同様にイソブタンを燃料として
空気過剰率（空気／燃料）１．０２、５００ｋｃａｌ／
ｈの条件に設定して、１０００時間燃焼させた。その結
果、触媒体の上流部における基材の熱変形は実施例１よ
りも小さかった。図３に、実施例１と２で使用した触媒
体を空気過剰率１．０２、３００ｋｃａｌ／ｈの条件に
設定し、発熱装置の温度調節機能を解除したときの触媒
層温度分布を示した。この結果から、実施例２のように
最高温度を触媒体の端部よりも少し内側に設定した方
が、基材の熱変形に強いことが分かった。したがって、
本発明では触媒体の上流部に触媒層未被覆部を設けた。

【００２１】［実施例３］実施例１と同じＦｅ−Ｃｒ−
Ａｌ系フェライトステンレス鋼（厚み５０μｍ）を５５
×８２ｍｍの大きさに切断して、凹部３個を有する基材
に曲げ加工し、次に、基材を９００℃で３０分間熱処理
して表面に酸化皮膜を形成した。その後、ＢａＯ・Ａｌ
₂Ｏ₃・ＣｅＯ₂粉末（比表面積１２０ｍ²／ｇ）１００
ｇ、水２００ｇ、ポリエチレングリコール６ｇ、および
ジニトロジアンミン白金水溶液をＰｔ換算で５ｇ加えて
なる水性組成物をボールミル調製し、触媒スラリーとし
た。上記基材の凹部３個を有する上端を電磁石面で保持
しながら、触媒スラリー中に２ｍｍ／ｓｅｃの速度で上
端部５ｍｍを残す状態で浸漬し、１ｍｍ／ｓｅｃの速度
で引き上げて乾燥した後、５００℃で１０分間熱処理し
た。その結果、触媒被覆層が基材表面上に１００ｍｇ形
成された触媒体３１を得た。その後、ジニトロジアンミ
ン白金の水溶液に触媒体３１の液溜り部を有する側３ｍ
ｍを一瞬浸漬し、実施例２とＰｔ担持量をほぼ同量にし
た。

【００２２】次に触媒体３１と噛み合わさる形となる凹
部２個とその半分２個を有する基材を同様に用意し、基
材に酸化皮膜を形成した後、同様に触媒被覆層を形成
し、触媒体３２とした。触媒体３１と３２をそれぞれ型
容器３と４内に固定し、触媒体が型容器から外れないよ
うにした。その時、触媒体３１と３２との間隔は１．８
ｍｍとなるように配置し、基材上に形成された触媒被覆
層の液溜り部は混合ガス流れ方向の下流部に配置される
ようにした。型容器３と４を合わせて発熱部とし、図
１、図２に示す発熱装置を組み立てた。発熱装置におけ
るバイメタルを微調整しながら、バルブ８が作動する温
度をコントロールして、イソブタンの供給、停止を繰り
返し、触媒体の再着火温度を測定した。その結果、触媒
体下流部の温度が約１７０℃でもほぼ再着火することを
確認した。実施例２の触媒体についても同様な測定を行
い、再着火温度は約１８０℃であった。したがって、約
１０℃の改善がなされたことになった。本実施例では、
触媒体における下流部の触媒金属担持量を多くするため
に貴金属の水溶液中に端部を直接ディップしたが、触媒
スラリーを再度コーティングする方法であっても差し支
えない。

【００２３】本発明で使用するアルミニウムを含むフェ
ライト系ステンレス鋼は、耐熱性、耐食性に優れた材料
であり、一般にはＣｒが１５〜２０ｗｔ％、Ａｌが３〜
５ｗｔ％で、わずかな添加剤と残部がＦｅの組成で使用
される。この材料は９００℃の高温で熱処理すると酸化
皮膜が形成され、それが投錨効果によって触媒被覆層と
の密着性を高めるとされている。また、この酸化皮膜
は、触媒被覆層に含まれる貴金属の触媒作用で金属基材
内部酸化（錆）が起こるのを防止するのに効果的である
ことが分かった。この金属基材内部酸化（錆）を防止す
る目的で酸化皮膜を形成するのであれば、９００℃で１
０分間以上であれば効果があった。本発明で使用する触
媒被覆層は、活性アルミナを主体としたものに貴金属成
分、特に白金が担持されたものが好ましい。しかし、活
性アルミナの耐熱性を向上させる目的でアルカリ土類金
属が含まれるもの、あるいは助触媒として希土類金属等
が含まれるものであっても良い。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、寸法精度に優れた触媒
体を生産性良く得ることができ、繰り返し使用時の基材
熱変形を抑制し、触媒体の再着火温度や燃焼安定性を改
善し、長期にわたって信頼性のあるコンパクトな発熱装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いた発熱装置の横断面図で
ある。

【図２】同発熱装置の縦断面図である。

【図３】実施例１、２における触媒体温度分布を示す図
である。

【符号の説明】

１、２触媒体３、４型容器５ボンベ６ノズル７、８バルブ９混合室１０燃焼室１１ボス部１２、１３フィン１４圧電着火素子１５排気口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−322110（ＪＰ，Ａ) 特開平４−43209（ＪＰ，Ａ) 特開平２−213607（ＪＰ，Ａ) 特表昭59−501518（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23C 11/00 F23D 11/40 F23D 14/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】開閉制御可能なバルブを介して燃料を噴
射するノズルと、前記ノズルから噴射される燃料を空気
と混合する混合室と、前記混合室に連通し、前記混合室
で作られた混合ガスが供給される燃焼室と、前記燃焼室
の外壁面に有する発熱部と、前記燃焼室内壁面に設けら
れ、前記混合ガスの流れ方向に対して略平行に配設され
たフィンと、前記燃焼室内に供給される混合ガスと略平
行に壁面および前記フィンの表面との間に所定の隙間を
保ちながらそれらと近接して設けられた触媒体を具備
し、前記触媒体が金属薄板両表面に形成された触媒被覆
層で構成されることを特徴とする発熱装置。
【請求項２】前記燃焼室内壁面上および前記フィンの
表面上に凹凸部が設けられた請求項１記載の発熱装置。
【請求項３】前記触媒体が、混合ガスの流れ方向上流
部に触媒層未被覆部を有する請求項１または２記載の発
熱装置。
【請求項４】前記触媒体が、複数の触媒担持量の異な
る部分から構成されており、混合ガスの流れ方向下流部
に部分的に触媒金属をより多く担持された触媒被覆層を
有している請求項１、２または３記載の発熱装置。