JP3642313B2

JP3642313B2 - 触媒燃焼装置

Info

Publication number: JP3642313B2
Application number: JP2001369849A
Authority: JP
Inventors: 幸男渡邊; 成人山口; 龍夫藤田; 基啓鈴木; 智朗安藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2021-12-04
Also published as: JP2003172507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種の燃料に対して酸化活性を有する触媒を用いた触媒燃焼装置においては、通常燃料を噴出するノズルを中央にし、その周りに燃焼に必要な空気を供給するノズルを設けている。
【０００３】
したがって燃料と空気とを混合して触媒に流す混合気流は、その中央部分と周囲部分とでは燃料と空気との混合比率が異なることになる。そこで、図３に示すように特開平６−２８１１２１号公報においては、触媒部Ａは複数の部分から構成させることとし、混合気流のち中央部分、すなわち空気に対する燃料比率が高い部分が流れる触媒Ａ１部分と、周縁部、すなわち空気に対する燃料比率が低い部分が流れる触媒Ａ２部分とでは触媒活性を異にし、したがって触媒部Ａでは各部分が均一に触媒燃焼が行われ、触媒の局部劣化やタールがたまる部分がないようにしたものが知られている。
【０００４】
しかしながら、触媒Ａ１部分と触媒Ａ２部分とで触媒活性をどのように異ならせるのがよいかどうかを判断することは困難なことである。その理由は、触媒燃焼温度の変化を、混合気流中の空気と燃料との割合を変化させることにより、すなわち混合気流の中央部分と周囲部分との燃焼濃度を変化させることによって達成することが多いからである。
【０００５】
また、触媒部Ａにおいて触媒Ａ１部分と触媒Ａ２部分とでは触媒量を変化させて組み合わせることは複雑でもあり製造上好ましいことではない。
【０００６】
以上の理由より１つの触媒で部分によって触媒活性を変化させることは均一に燃焼させて部分劣化を防止したり、タールの発生を防止したりする目的を達成するのに優れた点はあるものの、その具体的な実現には困難さがあるものと云える。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来例の問題点に鑑み、触媒活性を部分的に変化させると否とに関係なく、触媒の局部劣化やタールの発生防止を未然に防いだり、また触媒の局部劣化やタールの発生を解消したりすることができる触媒燃焼装置を提供することができることを解決課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、触媒燃焼装置の運転条件を変化させることにより、性能劣化を防ぐ信頼性に優れた触媒燃焼装置としたものである。
【０００９】
すなわち、長時間にわたり連続して同一条件での運転を行わないように、同一燃焼量の運転中に空気の供給量を変動させたり、燃料の供給を変動させて触媒燃焼部の局部的な劣化を防止したり、所定の燃焼量よりも低い燃焼量で燃焼が連続する際には特定な時間間隔で燃焼量を増加させる運転を行いタールの生成を防止してタールによる燃焼不良を防止するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施には、複数の連通孔を有して各種燃料への酸化活性を有する触媒燃焼部、点火装置や流量制御装置、あるいは必要に応じて温度検出装置や駆動装置等が必要となる。触媒燃焼部としては、金属製やセラミック製のハニカム担体、あるいはセラミック繊維の編組体、多孔質焼結体等に、白金やパラジウム等の貴金属を主成分とした触媒活性成分を担持させたものを用いることができる。さらに、空気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を使用する。その他の駆動部分は手動のレバー操作、自動制御のモータ駆動等が可能で、点火装置としては電気ヒータや放電点火器等を使用し得る。なお、これらはいずれも従来から広く採用されている手段であり、他の公知の手段でも可能である。
【００１１】
図１は、本発明に係る触媒燃焼装置の一実施例の部分断面構成図である。図１において、１は燃焼供給手段の燃料供給部、２は空気供給手段の空気供給部、３は気化器、４は気化器加熱ヒータ、５は気化器温度検出部、６は金属基材に白金族の貴金属を担持させた触媒発熱体であり、気化器３と接触するように配置されている。また、触媒発熱体６には燃料と空気との混合気が通過する混合気流通口７がある。また、８は複数の連通孔を有するセラミックハニカムに白金族の貴金属を担持させた触媒燃焼部である。さらに、９は触媒予熱ヒータ、１０は上流温度検出部（ここではサーミスタを使用する）、１１は下流温度検出部（ここではサーミスタを使用する）、１２は燃焼室、１３は燃焼ガス排出口、１４は補助燃焼触媒である。
【００１２】
次に、図１において本実施例の動作と特性について説明する。供給される液体燃料（ここでは灯油を使用する）は、燃料供給部１を経由して、気化器３に向けて噴出される。ここで、気化器３は、気化器温度検出部５で温度を検出し、気化器加熱ヒータ４のＯＮ−ＯＦＦにより２５０℃以上に制御されており、燃料はここに衝突し、液体燃料の気化が行われる。また、空気供給部２を経由して供給される空気の一部は、触媒発熱体６に衝突した後、内部を循環し、気化した液体燃料と混合された後、混合気流通口７より噴出され、触媒燃焼部８に供給される。触媒燃焼部８に供給された混合気はセラミックハニカム上に担持された白金族貴金属の触媒作用により表面で燃焼し燃焼排気ガスとなり、さらに、燃焼排気ガス中に僅かに残った未燃焼ガスが補助燃焼触媒１４において完全燃焼し、燃焼ガス排出口１３より外部に排出される。
【００１３】
一般の触媒燃焼装置は、複数の連通孔を有する触媒燃焼部８の断面積に対して空気供給部２の断面積が小さい構成となっているため、気化した燃料と燃焼空気の混合気が部分的により多く供給され触媒燃焼部８の表面に温度の高い部分が生成されやすい。このような高温部分の生成は触媒燃焼装置の劣化を早めるために望ましくない。
【００１４】
しかし、一般的な燃焼制御では燃焼量設定に対して、供給する空気量は条件が同一であれば一定の値に定められている。そのため触媒燃焼部８の部分的な劣化が促進される場合が多い。そこで、一定の条件での運転が長時間、例えば３０分以上継続した場合に触媒燃焼部８の高温部分を移動させるために、燃焼空気の供給量を僅かに変動させる。例えば周期２分、供給量の変動幅±３％にすると、燃焼室１２内での混合気の流れが変化し触媒燃焼部８表面の高温部が移動する。このように触媒燃焼部８の温度分布をより均一にすることにより、触媒燃焼装置の寿命を長くすることができる。
【００１５】
図１の構成の触媒燃焼装置の場合、同じ燃焼量設定で長時間運転した場合には気化器３においても同一場所で燃料の気化が連続して行われるため信頼性上の課題が発生する懸念がある。そこで燃焼空気の供給量を変化させることを上述したが、燃焼空気の供給量は変化させることなく供給燃料の量を僅かに変動させる。例えば周期２分、供給量の変動幅±３％とすると、気化器３上で燃料が気化する部分が移動し、さらに燃焼室１２内での混合気の流れが変化し触媒燃焼部８表面の高温部も移動する。このように気化器３上での気化部を分散させさらに触媒燃焼部８の温度分布もより均一にすることにより、触媒燃焼装置の寿命を長くすることができる。
【００１６】
また、触媒燃焼装置の信頼性を低下させる要素として次に挙げられるのが、液体燃料を用いる燃焼装置共通の課題である気化部へのタール析出がある。触媒燃焼装置では火炎を用いないために一般の燃焼器よりも全般に温度が低い。そのため液体燃料の高沸点成分の再凝縮を主要因とするタール生成が起こりやすい。そこで最もタールを生成しやすい最低燃焼量での燃焼が長時間（例えば２時間以上）連続した場合は、短時間（例えば１０分間）燃焼量を１０％程度高めて燃焼器内の温度を上げることによりタールの析出を抑制することができ燃焼装置としての信頼性を高めることができる。
【００１７】
図２は、冷媒加熱型空気調和機の冷凍サイクル図である。ここで２１は室外ユニットにおける圧縮機で、四方弁２２に接続されている。この四方弁２２には室内熱交換器２３が接続されている。室内熱交換器２３の液側の管路には冷媒流量制御弁２４が設けられている。この冷媒流量制御弁２４は暖房運転時に開となり、冷房運転時には閉となる二方弁２５を介して、冷媒加熱器２６に接続されている。冷媒加熱器２６には、燃焼用の空気を供給するバーナモータ２７と燃焼用の燃料を供給する電磁ポンプ２８とが設けられている。この冷媒加熱器２６はアキュームレータ２９に接続され、このアキュームレータ２９が圧縮機２１に接続されることで暖房運転用のサイクルが構成されている。
【００１８】
冷房時に使用される室外熱交換器３０は一端が四方弁２２と接続されるとともに他端が冷媒流量制御弁２４と二方弁２５との間の部分管路に接続されている。３１は室外ファンである。３２ａ、３２ｂは暖房運転時に室外熱交換器３０に冷媒を流さないようにする逆止弁である。
【００１９】
冷房時の冷凍サイクルについて説明する。この冷房時には二方弁２５を閉として冷媒加熱器２６に冷媒を流さないようにする。そして四方弁２２がコイル通電ＯＮ状態で矢印Ａの方向に冷媒を流すように切り替わり、圧縮機２１より吐出された冷媒が室外熱交換器３０へと流れ込み、そこで室外ファン３１で放熱し、液化された冷媒は逆止弁３２ｂを経てメイン冷媒流量制御弁２４で絞り膨張を受ける。ガス冷媒はこの室内熱交換器２３で室内ファン３３の作用により大気から吸熱を行う。そして四方弁２２および逆止弁３２ａを経てアキュームレータ２９へと循環する冷凍サイクルを構成する。
【００２０】
暖房時の冷凍サイクルについて説明する。この暖房時には四方弁２２がコイル通電ＯＦＦ状態で矢印Ｂの方向に冷媒を流すように切り替えられ、また二方弁２５が開かれる。すると圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２２を経て室内熱交換器２３へと流れ込む。室内ファン３３からの送風によって放熱された液冷媒は冷媒流量制御弁２４を通過し、開状態の二方弁２５を通過して冷媒加熱器２６へと流れ込む。そして冷媒加熱器２６で燃焼熱を受熱し、アキュームレータ２９へと循環することで冷凍サイクルが構成される。
【００２１】
次に暖房時の運転動作について説明する。室内機（図示せず）が暖房運転の信号を受信すると、まず、四方弁２２のコイル通電がＯＦＦ状態、二方弁２５を閉とする。また冷媒流量制御弁２４は要求能力に必要な冷媒量を制御する設定開度とされる。そして、冷媒加熱器２６に燃焼準備の信号が指示され、圧縮機２１を駆動させて、逆止弁３２ａから室外熱交換器３０を経て逆止弁３２ｂにいたる管路の冷媒を冷媒加熱器２６を通して回収する。この冷媒の回収によって室外熱交換器３０が負庄となったら、二方弁２５を開とする。
【００２２】
このように冷媒加熱器２６が燃焼する以前に十分な量の冷媒を循環させることで、燃焼が開始された時における冷媒加熱器２６のオーバーシュート現象を防止することができる。冷媒加熱器２６が燃焼可能状態になったら、電磁ポンプ２８から燃焼燃料を送り込むとともにバーナモー夕２７によって燃焼用の空気を送り込んで燃焼を開始する。なお、この暖房運転時の冷媒流量制御弁２４は、ヒートポンプ式冷凍サイクルにおける絞りの役割は果たしていない。
【００２３】
また、上記の冷凍サイクルで使用される二方弁２５は一般にコイル通電時が開、コイル非通電時が閉状態である。
【００２４】
以上示した本実施例では、上流温度検出部１０、下流温度検出部１１にサーミスタを適用しているが、触媒燃焼部８の上流、下流温度と相関が得られる位置に設置すれば、耐熱性が高く、使用温度範囲の広いシーズ式熱電対等の他の温度検出手段でもよく、上記と同様の効果が得られるものである。さらに、制御シーケンス中の上流温度検出部１０、下流温度検出部１１の所定温度は、温度検出手段の種類や設置場所等に依存するものであり、必ずしも上記温度に限定されるものではない。同様に各モードの実施タイミング等の時間に関しても必ずしも上記時間に限定されるものではない。
【００２５】
以上、本発明を液体燃料の燃焼装置に実施した例で説明したが、以下のような場合も本発明に含まれる。燃料種としては、気化器周辺の構成以外は、配管供給される気体燃料でも、燃料タンクから供給される液化ガス燃料のような高圧供給のガス燃料を使用する場合も適用できる。
【００２６】
また、触媒燃焼部の担体にはセラミックハニカムを用いているが、予混合気が流通し得る複数の連通孔を有するものであれば、その素材や形状に限定はなく、例えばセラミックや金属の焼結体、金属ハニカムや金属不織布、セラミック繊維の編組体等が利用可能であり、形状も平板に限らず、湾曲形状や筒状あるいは波板状等、素材の加工性と用途に応じて任意に設定し得る。また活性成分としては、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、およびこれら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。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る触媒燃焼装置では、長時間にわたり連続して同一条件での運転を行わないように、同一燃焼量の運転中でも燃焼空気の供給量を数パーセントの幅で変動するか、または燃料の供給量を数パーセントの幅で変動するように制御することにより触媒燃焼部の局部的な劣化を防止し、さらに低温部に気化灯油が再凝固してタールが生成されるのを防止するために低い燃焼量が連続する際、特定時間間隔で燃焼量を上げるタール除去運転を行い気化部の寿命を延ばし、より信頼性の高い触媒燃焼装置を提供することができる。さらに、上記の触媒燃焼装置を冷媒加熱器に使用することにより冷媒加熱型空気調和器の信頼性も高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としての触媒燃焼装置の部分断面構成図
【図２】同触媒燃焼装置を冷媒加熱器に使用した冷媒加熱型空気調和機の冷凍サイクル図
【図３】従来例の触媒燃焼装置における触媒部の要部断面図
【符号の説明】
１燃料供給部
２空気供給部
３気化器
４気化器加熱ヒータ
５気化器温度検出部
６触媒発熱体
７混合気流通口
８触媒燃焼部
９触媒予熱ヒータ
１０上流温度検出部
１１下流温度検出部
１２燃焼室
１３燃焼ガス排出口
１４補助触媒燃焼部
２１圧縮機
２２四方弁
２３室内熱交換器
２４冷媒流量制御弁
２５二方弁
２６冷媒加熱器
２７バーナモータ
２８電磁ポンプ
２９アキュームレータ
３０室外熱交換器
３１室外ファン
３２ａ，３２ｂ逆止弁
３３室内ファン

Claims

燃料を供給する燃料供給手段と、燃焼に要する空気を供給する空気供給手段と、燃料と空気とを混合した気体を加熱する加熱ヒータを備えた気化器と、燃焼ガスを通過させる多数の連通孔を有する触媒燃焼部とを具備した触媒燃焼装置であって、長時間にわたり連続して同一条件での運転を行わないように、同一燃焼量の運転中に運転条件を変化させて前記触媒燃焼部の局部的な劣化を防止する制御ができるように構成したことを特徴とする触媒燃焼装置。
運転条件を変化させる手段として、空気供給手段による空気の供給量を変動するように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。
運転条件を変化させる手段として、燃料供給手段による燃料供給量を変動するように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。
空気の供給量の変動幅または燃料供給量の変動幅を数パーセントの幅としたことを特徴とする請求項２または３記載の触媒燃焼装置。
燃料を供給する燃料供給手段と、燃焼に要する空気を供給する空気供給手段と、燃料と空気とを混合した気体を加熱する加熱ヒータを備えた気化器と、燃焼ガスを通過させる多数の連通孔を有する触媒燃焼部とを具備した触媒燃焼装置であって、所定の燃焼量よりも低い燃焼量で燃焼が連続する際には、特定な時間間隔で燃焼量を増加させて触媒燃焼装置内の温度を上昇させる運転を行い、気化灯油が触媒燃焼装置内の低温部分に再凝固してタールが生成することを防止するように制御できる構成としたことを特徴とする触媒燃焼装置。
燃焼量の増加を１０％程度とし、かつ燃焼量増加の時間を１０分間程度の短時間としたことを特徴とする請求項５記載の触媒燃焼装置。
室内ユニットに対して圧縮機および冷媒加熱器を備えた室外ユニットを具備し、暖房時に圧縮機から吐された冷媒を室内熱交換器に送り込み、前記室内熱交換器から流出した冷媒を前記冷媒加熱器によって加熱して圧縮機に送り込む冷媒加熱型空気調和機の前記冷媒加熱器に用いたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の触媒燃焼装置。