JP3568314B2 - Heating equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、暖房機、給湯機、空調機器等で必要とされる加熱装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
加熱方法として代表的には電気加熱と燃焼加熱を利用することが知られている。電気加熱として一般的な方法は、抵抗線に通電して発熱させる方法である。また燃焼加熱には火炎燃焼と触媒を用いた無炎燃焼がある。ともに燃料と空気を混合して燃焼させて熱を発生させる。また、電気ヒータと燃焼を併用した石油ファンヒータの様な機器も販売されていた。
【0003】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、電気加熱は大電流を発生させると、機器のコストと運転経費が増大する。一方、燃焼加熱は大きな熱量を経済的に発生させうるが、排気の臭気、特に着火時の臭気の発生と、小燃焼領域での燃焼の不安定性の課題がある。また、燃焼と電気ヒータを併用した機器は燃焼の排気の問題を解決していない。
【0004】
本発明はこのような従来の加熱装置の課題を考慮し、暖房負荷の大幅な変動に対応できる加熱装置を実現し、また暖房開始時や気温の低いときは燃焼で高い出力を発生し、暖房負荷の低いときは電気の熱で加熱することが可能であり、また燃焼における着火時の排気をクリーンにすることができ、また触媒燃焼では触媒の予熱電源を共用でき、かつ低NOxの効果をもたらす加熱装置を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料供給部と、燃焼用空気を供給する送風機と、前記燃料の燃焼室と、前記燃焼室内に設けた電気ヒータと、前記燃焼室に設けた熱交換部を有するもので、加熱量が小の領域で前記電気ヒータの発熱のみで前記熱交換部を加熱し、加熱量の大きい領域で前記電気ヒータに通電して前記燃焼室を加熱した後に燃焼を開始して熱交換部を加熱する構成とした。
【0006】
燃焼開始時に臭気が発生する理由は火炎が冷たい燃焼室で冷却されるため反応中間生成物が排出されるためである。あらかじめ燃焼室を電気ヒータで加熱すれば臭気の発生はなくなる。また、加熱量が少なくて良いときに、燃焼火炎を小さくすると火炎が低温となって燃焼が不安定になる。このため排気の中間生成物は増加し、場合によっては失火する。従来の加熱装置では燃焼を頻繁にON−OFFして平均燃焼量を下げる必要があった。しかし、本発明では低出力時は電気ヒータが加熱するので低出力が極めて容易に得られる。また、再度燃焼状態にするときも加熱されているため排気特性は悪くならない。
【0007】
また、請求項2に示すように加熱量が小の領域で前記電気ヒータに通電するとともに燃料を供給して燃焼させ、加熱量の大きい領域で前記電気ヒータに通電して前記燃焼室を加熱した後、前記電気ヒータに通電せずに加熱量の小の領域よりも多い燃料を供給して燃焼を開始し熱交換部を加熱することでも、着火時の良い排気特性と燃焼の安定性は得られる。小燃焼の火炎温度の低下を電気ヒータの熱が補うからである。この方法は請求項1より低出力に対応できないが、全部電気を用いるよりも電気代金は節約できる。また、請求項1と請求項2の発明を併用することも合理的である。
【0008】
請求項4に示すように燃焼室に燃焼用の触媒体を設けた場合は、まず電気ヒータで触媒を活性化温度まで加熱する。触媒は常温では反応しないためである。この方法は火炎がないために、安全、低NOx等の効果がある。低出力時も触媒は活性温度を保つ以上の温度に制御され、再度高出力に移行するときも排気ガスはクリーンである特徴を持つものである。燃焼はすべて触媒で反応させても、火炎燃焼の後の排気の未燃物を触媒で燃焼しても良い。
【0009】
また、請求項5や請求項6の発明によれば、排気はよりクリーンとなり、火炎がないためにあたかも電気ヒータのみであるような安全性も確保できる。
【0010】
【本発明の実施の形態】
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。
【0011】
(実施の形態1)
本発明の請求項1の実施の形態を図1とともに説明する。燃料供給部1から供給される燃料ガスと燃焼用送風機2から送られる燃焼用空気の混合部3で混合気が作られる。燃料供給量は5kWで、気体燃料でも液体燃料でも良い。燃料の混合部3の下流に設けた燃焼室4に混合気は流れる。燃焼室4には火炎孔5と放電による点火器6と出力2kWの電気ヒータ7が設けられている。燃焼室4の下流の熱交換フィン8には温水管9が設けられ熱回収を行う。燃焼室4内部に温度検知部10が設けられている。温水管9の温水は循環ポンプ11により燃焼室4と放熱熱交換器12の間の温水経路13を循環する。放熱熱交換器12には室内に温風を送る送風機14が設けられている。温水経路13には温水温度検知部15が設けられている。また、放熱手段はこのような水経路であっても空冷フィンであっても良い。
【0012】
このような構成での本発明の動作を説明する。電気ヒータ7に通電し、火炎孔5と燃焼室4内面を加熱する。燃焼室4内面が所定の温度に達した後、電気ヒータ7の通電を停止し、燃料供給と送風と点火器6の動作を開始する。混合部3から送られた混合気は火炎孔5で燃焼する。この時、燃焼室4の温度は200℃以上に上昇しているので着火性は良く、かつ着火時の排気の未燃ガスは少ない。このような状態で温水経路13の温度が所定の暖房温度に達したときに送風機14を運転して温風を室内に送風する。室内の温度が上昇して暖房負荷が減少すると、温水温度が上昇する。このことを温水温度検知部15で検知して燃焼を停止する。電気ヒータ7に通電し、燃焼用送風機2を弱回転とする。温水は所定の暖房温度を維持する。さらに暖房負荷が減少して温水温度が上昇するときは、電気ヒータ7の通電量を減少させる。また、暖房負荷が増加したときは、燃料の供給を開始する。燃料を供給しても燃焼室4が高温となっているので再燃焼時の排気もクリーンである。
【0013】
(実施の形態2)
本発明の請求項2を図1とともに説明する。燃料の供給を変化させても5kW〜2kWは熱量を変えられる。2kW以下となると燃焼は不安定となり、空燃比により逆火やリフトあるいはCOの増加といった現象を生じる。前例では2kW以下は電気の熱で暖房した。しかし、電気の節約のために燃焼しつつ通電することも可能である。例えば1kWの燃焼量では火炎が冷却して燃焼が不安定になるが、500W通電すれば火炎は安定なものとなる。合計発熱量は1.5kWであり、暖房負荷への対応幅は単に燃料の供給量を調節する場合よりも拡大する。
【0014】
(実施の形態3)
本発明の請求項3を図2とともに説明する。燃焼室4の下流にハニカム状の浄化用触媒体16が設けられている。その他の構成は実施の形態1と同一である。燃焼開始時に電気ヒータ7で燃焼室4の内部とくに、浄化用触媒体16を加熱する。浄化用触媒体16は300セル/平方インチのハニカム構造である。流れ方向厚さは20mmである。ハニカム担体はコーディエライトやアルミン酸石灰を成形したもので、白金族金属触媒が担持されている。ハニカム孔は一辺0.6mm角の正方形である。
【0015】
これはセラミック製で熱容量が少ないため、電気ヒータ7で500℃まで温度上昇する。このため燃焼開始時に火炎孔5に着火したときに発生する未燃ガスはこの触媒で反応して酸化されて臭気は殆どなくなる。
【0016】
高出力は燃焼により5kW得られるが、暖房負荷が低下した場合の動作は実施の形態1と同一で電気ヒータ7に通電して行い2kWの出力となる。このような方法は実施の形態2に応用すれば、更に低燃焼量とすることも可能となる。火炎が不安定でCOを発生しても、電気ヒータ7で加熱されている浄化用触媒体が排気を完全に酸化するからである。また、燃焼時も触媒が火炎の発生するCOを酸化するため燃焼排気は常にクリーンとなる。
【0017】
(実施の形態4)
請求項4に関する発明を図3とともに説明する。燃料供給部1、燃焼用送風機2、混合部3の下流に混合気孔17を設けている。点火手段は用いないが、燃焼用触媒体18を加熱するための電気ヒータ7は設けている。燃焼用触媒体18はハニカムであるが長さが200mmと実施の形態3よりは長い。これはここで全量燃焼できるようにするためである。この下流に温水管9がある。
【0018】
このような構成で、電気ヒータ7に通電し、燃焼用触媒体18の上流が加熱する。触媒18が所定の活性化温度に達したことを燃焼部の温度検知部10で検知し、電気ヒータ7の通電を停止し、電気ヒータ7表面温度が発火温度以下になったときに、混合気を供給すると、混合気は燃焼用触媒体18の上流で触媒反応を始める。次第に燃焼量と空気量を増加させると燃焼用触媒体18全体で燃焼する。触媒体の高温化による劣化を防止するため空気過剰率は2以上が好ましい。
【0019】
このような燃焼部構成で暖房負荷が低くなったときは、燃料の供給を低下させる。あるいは、さらに暖房負荷が低下したときは電気ヒータ7に通電して電気熱で温水を加熱する。再燃焼時も触媒を活性化温度に保っている限り燃料を随時供給して燃焼による高出力に切り替えられる。この方式は火炎が全くないために燃焼音やNOxの発生がなく、あたかも電気ですべてが行われているような安全性が得られる。
【0020】
(実施の形態5)
請求項6を図4、5とともに説明する。図4に示すように、燃料供給部1から供給される燃料ガスと燃焼用送風機2から送られる燃焼用空気が混合部3で混合され混合気が作られる。混合部3の下流に設けた第1触媒燃焼部19に混合気は流れ込み、第1触媒燃焼部19の第1触媒体22で反応する。すなわち、この第1触媒燃焼部19の断面を示す図5から分かるように、第1触媒燃焼部19の内面に突出する受熱用のフィン20に隙間21を介して設けられた薄板状の第1触媒体22で混合気は反応する。アルミ合金製の第1触媒燃焼部19の外周には第1温水管24が設けられ熱回収を行う。第1触媒体22は耐熱鉄合金にγアルミナをコートし、ここに白金やパラジュウムのような白金族金属触媒が担持されている。第1触媒燃焼部19の下流に第2触媒燃焼部が設けられ、ここにハニカム構造の第2触媒体23が設けられている。第1触媒燃焼部19と第2触媒燃焼体23の間に電気ヒータ7が設けられている。第1触媒燃焼部19の上流にも電気ヒータを設けて、連動させても良い。第2触媒体23の内壁は断熱材でライニングされている。
【0021】
第2触媒体23の下流にはフィン8と排気熱回収用の第2温水管9が設けられ、第1温水管24と連通している。
【0022】
このような構成での本発明の動作を説明する。電気ヒータ7に通電し、第1触媒体22と第2触媒体23を同時に加熱して触媒予熱を開始する。第1触媒体22の下流および第2触媒体23の上流が加熱される。触媒22、23が所定の活性化温度に達した後、電気ヒータ7の通電を停止し、燃料の供給を開始する。混合部3から送られた混合気は第1触媒燃焼部19を通過する。活性化温度は燃料や触媒の種類で異なり、例えばプロパンガスでは約300℃であり、メタンはこれよりも高く、灯油は低い。触媒を活性化温度に加熱するため、電気ヒータの表面温度は600℃以上が好ましい。
【0023】
混合気はまず第1触媒体22下流で部分的に反応し、第1触媒体22をすり抜けた未反応燃料は第2触媒体23の上流で反応し始める。第2触媒体23は高温となっているので、未反応ガスはここで反応し、最終排気には未燃ガスはほとんど含まれない。
【0024】
第1触媒体22では触媒がガスと酸素を吸着し、触媒表面で反応するので無炎燃焼となり燃焼熱で第1触媒体22は高温となり、この熱が隙間21を放射熱として通過しフィン21に伝わる。この第1触媒燃焼部19で供給する燃料のエネルギーの75%が燃焼し、燃焼したエネルギーの80%がフィン20から第1温水管24へ伝熱する。すなわち供給燃料エネルギーの60%(=75×80%)がここで水に伝熱する。第1触媒燃焼部19から排出される排気には、供給燃料エネルギーを100%として未燃燃料が25%(=100%−75%)と排気熱が15%(=75%−60%)、合計で40%残っている。第2触媒体23の温度が低温化するとここで未燃燃料が反応し難いため、ここでは熱交換は行わない。このため、未燃燃料が全て燃焼した後の第2触媒燃焼体23からの排気は、供給エネルギーの40%を排気熱として有するものとなる。次に、フィン8を有する第2温水管9でこの熱を回収する。ここでの熱交換率は70%であった。第2温水管9が回収する熱は28%(=40%×70%)となる。すなわち第1温水管24と第2温水管9を合計すると88%(60%+28%)の総合熱効率となった。
【0025】
触媒燃焼装置を有炎燃焼装置と同一の燃焼負荷率(燃焼室体積当たりの燃焼量)で運転すると、触媒体温度が1200℃以上となり触媒の耐熱寿命が著しく短くなる。したがって実施の形態4では大きな触媒を用いている。しかし、本実施の形態では熱交換部であるフィン20を直接触媒体が覆うため第1触媒体22は比較的低温となり、かつ触媒での発熱から受熱部に直接伝熱するので熱交換効率は高くなる。
【0026】
この実施の形態でも暖房負荷が減少して温水温度が上昇しすぎると、燃料供給量を減少させなければならない。触媒が活性化温度よりも低くなる2kWが燃焼の下限界である。ここで燃焼を停止し再度電気ヒータ7に通電して温水を加熱する。電気ヒータは2kW〜0まで制御できるため暖房負荷の大幅な変動に対応できる。しかし、再燃焼の触媒の活性化温度を維持すればいつでも燃焼を再開できて、急速な暖房負荷の上昇に対応できる。また、活性化温度以下であっても再度通電による予熱時間を若干設ければ再燃焼時のクリーンな排気を損なわない。
【0027】
このような実施の形態1〜4の燃焼と電気の切り替えの制御は、外気温度、室内温度。あるいは温水温度を検知して行うなど用途に応じて選択すればよい。
【0028】
【発明の効果】
以上に述べた本発明の効果は次の通りである。暖房負荷の大幅な変動に対応できる加熱装置を実現し、暖房開始時や気温の低いときは燃焼で高い出力を発生し、暖房負荷の低いときは電気の熱で加熱することが可能である。
【0029】
また、燃焼における着火時の排気をクリーンにすることもできるため燃焼独特の弊害も減少している。
【0030】
さらに触媒燃焼では触媒の予熱電源を共用でき、かつ低NOxの効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1の一実施の形態の燃焼装置を示す断面図である。
【図2】本発明の請求項3の一実施の形態の燃焼装置を示す縦断面図である。
【図3】本発明の請求項4の一実施の形態の断面図である。
【図4】本発明の請求項6の一実施の形態の断面図である。
【図5】本発明の請求項6の一実施の形態の第1触媒燃焼部の断面図である。
【符号の説明】
1 燃料供給部
2 燃焼用送風機
3 混合部
4 燃焼室
5 火炎孔
6 点火器
7 電気ヒータ
8 熱交換フィン
9 温水管
10 温度検知部
11 循環ポンプ
12 放熱熱交換器
13 温水経路
16 浄化用触媒体
17 混合気孔
18 燃焼用触媒体
22 第1燃焼触媒体
23 第2燃焼触媒体
24 第2温水管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heating device required for a heater, a water heater, an air conditioner, and the like.
[0002]
[Prior art]
As a heating method, it is typically known to use electric heating and combustion heating. A general method for electric heating is to generate heat by supplying electricity to a resistance wire. The combustion heating includes flame combustion and flameless combustion using a catalyst. In both cases, fuel and air are mixed and burned to generate heat. In addition, devices such as an oil fan heater that uses both an electric heater and combustion have been sold.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when electric heating generates a large current, the cost and operating cost of the equipment increase. On the other hand, combustion heating can economically generate a large amount of heat, but has problems of generation of odor of exhaust gas, particularly odor at the time of ignition, and instability of combustion in a small combustion region. In addition, equipment using both combustion and an electric heater does not solve the problem of combustion exhaust.
[0004]
The present invention considers such a problem of the conventional heating device, and realizes a heating device that can cope with a large fluctuation of a heating load.Also, when heating is started or when the temperature is low, a high output is generated by combustion, and heating is performed. When the load is low, it is possible to heat with electric heat, clean the exhaust at the time of ignition in combustion, share the catalyst preheating power supply in catalytic combustion, and reduce the effect of low NOx. It is an object to provide a heating device for providing.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a fuel supply unit, a blower for supplying combustion air, a combustion chamber for the fuel, an electric heater provided in the combustion chamber, and a heat exchange unit provided in the combustion chamber. The heat exchange unit is heated only by the heat generated by the electric heater in the small area, and the electric heater is energized in the large heat area to heat the combustion chamber, and then the combustion is started to start the heat exchange unit. Heating was adopted.
[0006]
The reason that the odor is generated at the start of combustion is that the reaction intermediate product is discharged because the flame is cooled in a cold combustion chamber. If the combustion chamber is heated in advance by an electric heater, no odor is generated. Further, when the amount of heating is sufficient, if the combustion flame is reduced, the temperature of the flame becomes low and combustion becomes unstable. This increases the intermediate products of the exhaust and, in some cases, causes a misfire. In the conventional heating device, it was necessary to frequently turn on and off the combustion to lower the average combustion amount. However, in the present invention, when the output is low, the electric heater is heated, so that a low output can be obtained very easily. Also, when the combustion state is set again, the exhaust characteristics are not deteriorated because the heating is performed.
[0007]
Further, as shown in
[0008]
When a catalyst for combustion is provided in the combustion chamber, the catalyst is first heated to the activation temperature by an electric heater. This is because the catalyst does not react at room temperature. This method has safety, low NOx, and other effects because there is no flame. Even when the output is low, the catalyst is controlled to a temperature higher than the temperature at which the active temperature is maintained, and the exhaust gas is clean even when the output shifts to the high output again. The combustion may all be reacted with a catalyst, or the unburned matter of the exhaust gas after the flame combustion may be burned with the catalyst.
[0009]
Further, according to the fifth and sixth aspects of the present invention, the exhaust becomes cleaner, and the safety as if only an electric heater is provided because there is no flame can be secured.
[0010]
[Embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0011]
(Embodiment 1)
The first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. An air-fuel mixture is formed in a
[0012]
The operation of the present invention in such a configuration will be described. Electricity is supplied to the electric heater 7 to heat the
[0013]
(Embodiment 2)
[0014]
(Embodiment 3)
[0015]
Since this is made of ceramic and has a small heat capacity, the temperature rises to 500 ° C. by the electric heater 7. For this reason, unburned gas generated when the
[0016]
Although a high output is obtained by combustion by 5 kW, the operation when the heating load is reduced is the same as that of the first embodiment, and the electric heater 7 is energized to
[0017]
(Embodiment 4)
The invention according to claim 4 will be described with reference to FIG. A
[0018]
With such a configuration, the electric heater 7 is energized and the upstream of the
[0019]
When the heating load is reduced in such a combustion section configuration, the fuel supply is reduced. Alternatively, when the heating load further decreases, the electric heater 7 is energized to heat the hot water with electric heat. At the time of re-combustion, as long as the catalyst is kept at the activation temperature, fuel can be supplied as needed to switch to high output by combustion. In this method, since there is no flame, there is no generation of combustion noise and NOx, and safety as if everything is performed by electricity can be obtained.
[0020]
(Embodiment 5)
[0021]
The
[0022]
The operation of the present invention in such a configuration will be described. Electric power is supplied to the electric heater 7 to simultaneously heat the
[0023]
The air-fuel mixture firstly partially reacts downstream of the
[0024]
In the first
[0025]
When the catalytic combustion device is operated at the same combustion load factor (the amount of combustion per combustion chamber volume) as the flaming combustion device, the temperature of the catalyst becomes 1200 ° C. or more, and the heat resistance life of the catalyst is significantly shortened. Therefore, in Embodiment 4, a large catalyst is used. However, in the present embodiment, the
[0026]
Also in this embodiment, if the heating load decreases and the hot water temperature rises too high, the fuel supply amount must be reduced. The lower limit of combustion is 2 kW at which the catalyst becomes lower than the activation temperature. Here, the combustion is stopped and the electric heater 7 is energized again to heat the hot water. Since the electric heater can control from 2 kW to 0, it can cope with a large fluctuation of the heating load. However, if the activation temperature of the reburning catalyst is maintained, the combustion can be restarted at any time, and a rapid increase in the heating load can be handled. Even if the temperature is lower than the activation temperature, clean exhaust during reburning will not be impaired if a slight preheating time is provided by re-energization.
[0027]
The control of switching between combustion and electricity according to the first to fourth embodiments is performed based on the outside air temperature and the indoor temperature. Alternatively, it may be selected according to the application, such as by detecting the temperature of hot water.
[0028]
【The invention's effect】
The effects of the present invention described above are as follows. By realizing a heating device that can cope with a large fluctuation in the heating load, it is possible to generate a high output by combustion at the start of heating or when the temperature is low, and to heat with electric heat when the heating load is low.
[0029]
In addition, since the exhaust gas at the time of ignition in combustion can be made clean, adverse effects peculiar to combustion are reduced.
[0030]
Further, in the catalytic combustion, the preheating power source for the catalyst can be shared and the effect of low NOx is brought about.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a combustion apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a combustion apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of a first catalytic combustion section according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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