JP3761647B2 - 触媒燃焼加熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は家庭や車両の暖房用等に用いられる触媒燃焼加熱装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
触媒燃焼加熱装置は、酸化触媒を使って燃料ガスを酸化反応させ、酸化反応により発生する熱を液体の加熱に用いるもので、内部を作動流体である被加熱流体が流れるチューブの外表面に酸化触媒を担持した酸化触媒層を形成した触媒付熱交換器を備えている。酸化触媒において発生する反応熱が酸化触媒層、チューブ壁を介してチューブ内に伝導し、チューブ内を流れる被加熱流体が加熱される。特開昭59−18302号公報記載の熱回収用触媒型熱交換器を備える燃焼装置では、被加熱流体が水であるエコノマイザ(給水加熱器)としたものが記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで燃料ガスの酸化反応は、酸化触媒および燃料ガスの種類等により決定される反応開始温度以上において可能であり、燃料ガスの不完全な反応を防止するには酸化触媒は反応開始温度よりもさらに高い温度(完全反応温度)に維持する必要がある。
【0004】
しかしながら触媒付熱交換器に流入する被加熱流体の温度は季節等で異なる。被加熱流体の温度が低いと触媒温度が低下して酸化反応が不完全になり、受放熱のバランスによっては不完全反応領域が拡大し熱交換器全体が運転不能状態に陥るという問題がある。
【0005】
そこで本発明は、触媒付熱交換器に流入する被加熱流体の温度が低い場合にも触媒の酸化反応を維持することのできる触媒燃焼加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】
請求項1記載の発明では、内部を被加熱流体が流れるチューブの外表面側に酸化触媒を担持した酸化触媒層を形成した触媒付熱交換器を備え、触媒付熱交換器の表面に燃料ガスを供給して燃料ガスの酸化反応によって発生する熱により被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記チューブの外表面に熱抵抗を有する熱抵抗層を介して上記酸化触媒層を積層形成し、かつ該熱抵抗層を、上記チューブ外表面と上記酸化触媒層内表面とに当接して両表面間の熱の移動を抑制する多孔質セラミックス層にて形成する。
【0007】
被加熱流体が低温であっても、酸化触媒層とチューブの外表面間に熱抵抗層が形成されているので、酸化触媒層の温度低下が防止され、酸化触媒層は酸化反応を維持することができる。
【0008】
請求項2記載の発明では、燃料ガスが供給されてその酸化反応により被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を、第1の触媒付熱交換器と、第1の触媒付熱交換器の下流側に設置され、そのチューブ内を通過して加熱された被加熱流体が流入する第2の触媒付熱交換器とで構成する。第1の触媒付熱交換器は、燃料ガスの酸化反応が行われる酸化触媒層と上記チューブの外表面間に熱抵抗を有する熱抵抗層が形成された構造とする。第2の触媒付熱交換器はチューブの外表面に酸化触媒層を直接形成した構造とする。
【0009】
被加熱流体が低温であっても、第1の触媒付熱交換器には酸化触媒層とチューブの外表面間に熱抵抗層が形成されているので、酸化触媒層の温度低下が防止され、酸化触媒層は酸化反応を維持する。この反応熱により被加熱流体は加熱され、温度が上昇して第2の触媒付熱交換器に流入する。第2の触媒付熱交換器では酸化触媒層から直接、チューブ壁を介してチューブ内の被加熱流体に良好に熱が移動し被加熱流体が高温に加熱される。
【0010】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1に本発明の触媒燃焼加熱装置を示す。触媒燃焼加熱装置のケーシング5の両端にそれぞれ可燃ガスと空気等との混合ガスが導入されるガス入口5aと、ケーシング5内を通過したガスが排気される排気口5bとが形成してある。
【0011】
ケーシング5には、ガス入口5a側にこれを塞ぐ分流板6が設けてある。分流板6は全面に多数の小孔を形成したもので、ガス入口5aより流入した燃料ガスが分流し、各小孔6aから平均的にケーシング5内に吹き出すようになっている。しかしてケーシング5内には分流板6より排気口5bに向かう燃料ガスの均等な流れが形成される。
【0012】
ケーシング5内には、分流板6側よりヒータ7、触媒付熱交換器1が格納してある。ヒータ7は装置の始動時に触媒付熱交換器1を予熱する電気ヒータである。触媒付熱交換器1は、内部が単一、あるいは複数の管路で形成されたもので、管路の一端は被加熱流体が供給される導入口1aとしてあり、管路の他端は被加熱流体が流出する排出口1bとしてある。
【0013】
図2(a),(b)は触媒付熱交換器1の管路の一部を示すものである。内部を被加熱流体が流れる断面円形のチューブ2と、その外表面に形成した酸化触媒層3と熱抵抗層4とでなる。チューブ2は線膨張率の小さいステンレス鋼等の金属管としてある。最外層の酸化触媒層3は数十μm厚で、白金やパラジウム等の酸化触媒をγ−アルミナ等を担体として担持せしめてある。中間層の熱抵抗層4は数百μm厚で、シリカやアルミナ等の多孔質セラミックス製としてある。多孔質セラミックスはステンレス鋼等の金属に比して熱抵抗が大きく、しかもアルミナ等を酸化触媒の担体とした酸化触媒層3との結合性もよい。
【0014】
触媒付熱交換器1を製作するには、まず裸のチューブ2を用意し、熱抵抗層4および酸化触媒層3はコーティングと熱処理とを行って形成する。
【0015】
上記触媒燃焼加熱装置の作動を説明する。始動時には、まずヒータ7が通電するとともに、空気がガス入口5aより導入される。分流板6の小孔6aからケーシング5内に吹き出した空気がヒータ7により加熱されて触媒付熱交換器1の酸化触媒層3が昇温する。酸化触媒層3の温度が酸化触媒の反応開始温度よりも高くなった時点で、ガス入口5aからの供給ガスを空気から燃料ガスに切り換える。一方、触媒付熱交換器1の導入口1aより被加熱流体が供給される。
【0016】
分流板6の小孔6aからケーシング5内に吹き出した燃料ガスは、触媒付熱交換器1通過時に、その最外層の酸化触媒層3において酸化反応し、その反応熱が熱抵抗層4およびチューブ2壁を伝導し、この熱によりチューブ2内を流れる被加熱流体が加熱される。昇温した被加熱流体は排出口1bより流出する。酸化反応した燃料ガスはケーシング5の排気口5bより排気される。
【0017】
ここで触媒付熱交換器1に導入される被加熱流体の温度が低い場合を、従来の触媒燃焼加熱装置と対比しつつ説明する。図3は触媒付熱交換器の管径方向の垂直な部分断面を示すもので、(a)が本発明の触媒燃焼加熱装置のもので、(b)が上記従来の触媒燃焼加熱装置のものである。従来の触媒燃焼加熱装置の触媒付熱交換器はチューブ2の外表面に酸化触媒層3が直接形成されている。
【0018】
図4は、触媒付熱交換器の径方向における温度分布を示すもので、実線が本発明のものを、破線が図3(b)の触媒付熱交換器のものを示している。図中、x1 ,x2 ,x3 ,x4 は図3に示すようにチューブ壁2、熱抵抗層4、酸化触媒層3の境界位置とチューブ内周面間距離を表している。
【0019】
従来の触媒付熱交換器では、チューブ2内を流れる被加熱流体が低温の場合、酸化触媒層3から大量の熱が急に被加熱流体に移動し、予熱された酸化触媒層3の温度が低下し、反応開始温度をも割るおそれがある。また反応が開始しても酸化触媒層3において燃料ガスの不完全な酸化反応が起きると、発生する反応熱は一層減少するから、酸化触媒層3の温度低下が一層進行して酸化触媒層3における酸化反応が停止するおそれがある。
【0020】
これに対し本発明では、チューブ2内部を流れる被加熱流体が低温であっても、熱抵抗層4が有する熱抵抗により、酸化触媒層3からチューブ2内への熱の移動が抑制され触媒付熱交換器1の径方向の温度勾配が小さくならない。しかして酸化触媒層3は完全反応温度から低下することなく、燃料ガスの酸化反応が維持される。
【0021】
(第2実施形態)
図5に本発明の第2の触媒燃焼加熱装置を示す。二系統の触媒付熱交換器を並設して構成したもので、図中、第1実施形態における要素と同一要素については同一番号を用い、第1実施形態との相違点を中心に説明する。触媒付熱交換器1Aは第1の触媒付熱交換器11と第2の触媒付熱交換器12とで構成してある。第1の触媒付熱交換器11は第1実施形態の触媒付熱交換器のごとく管路がチューブに酸化触媒層と熱抵抗層とを形成したものである。第2の触媒付熱交換器12は従来の触媒付熱交換器のごとく管路がチューブの外表面に酸化触媒層を直接コーティングしたもの(図3(b)参照)である。
【0022】
第1および第2の触媒付熱交換器11,12は第1の触媒付熱交換器11の出口が第2の触媒付熱交換器12の入口と接続管8により接続してあり、第1の触媒付熱交換器11により加熱された被加熱流体が第2の触媒付熱交換器12に流入するようになっている。
【0023】
本実施形態の触媒燃焼加熱装置の作動を説明する。第1、第2の触媒付熱交換器11,12の各酸化触媒層がヒータ7により反応開始温度に達すると、燃料ガスが燃料ガス入口5aよりケーシング5内に導入され、触媒付熱交換器11,12表面の酸化触媒層において酸化反応し、触媒付熱交換器11,12のチューブ内を流れる被加熱流体を加熱する。
【0024】
被加熱流体の導入温度が低い場合について説明する。触媒付熱交換器1Aの導入口1aより導入された低温の被加熱流体は、まず第1の触媒付熱交換器11のチューブ内を流れる。第1の触媒付熱交換器11はチューブの外表面と酸化触媒層間に熱抵抗層が形成されているから、第1実施形態のごとく熱抵抗層が有する熱抵抗により酸化触媒層温度が完全反応温度から低下することなく、燃料ガスの酸化反応が維持される。
【0025】
この酸化反応による反応熱により第1の触媒付熱交換器11のチューブ内を流れる被加熱流体が加熱されるから、被加熱流体は第2の触媒付熱交換器12に流入するときには導入温度から相当上昇している。したがって第2の触媒付熱交換器12では酸化触媒層から被加熱流体への熱の移動によっては酸化触媒層の温度が反応開始温度を割ることがないから、酸化触媒層における酸化反応が不完全になることなく良好に維持される。第2の触媒付熱交換器12は酸化触媒層が直接チューブ外表面に形成されているから熱伝導性がよく、チューブ内を流れる被加熱流体は高い温度まで上昇し、触媒付熱交換器1Aの排出口1bから流出する。
【0026】
なお上記各実施形態では、ヒータにより分流板から吹き出す空気を加熱して触媒付熱交換器を予熱するようにしたが、ヒータとして表面に酸化触媒層を形成した電気ヒータを用い、電気ヒータにより酸化触媒層を加熱し、昇温した酸化触媒層において燃料ガスを酸化反応せしめ、この反応熱により触媒付熱交換器を予熱するようにしてもよい。
【0027】
上記各実施形態では、チューブは図2に示したように断面形状が円形の標準的なものを用いたが、矩形や、図6に示すように楕円形にしてもよい。また図7に示すように断面形状を星型にして表面積を大きくし、熱交換能力を高めたものでもよい。図8は、更に他のチューブの態様を示すもので、被加熱流体が流れる方向に平行な断面を示すものである。この態様でも被加熱流体が流れる方向に節9を形成して表面積を大きくし、熱交換能力を高めることができる。またチューブの材質は線膨張率の小さいステンレス鋼等の金属管としたが、従来の触媒付熱交換器のチューブにおいても使われた銅やアルミニウム等が用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の触媒燃焼加熱装置の全体概要図である。
【図2】(a)は本発明の第1の触媒燃焼加熱装置の要部の斜視図であり、(b)は上記要部の断面図である。
【図3】(a)は本発明の第1の触媒燃焼加熱装置の要部の部分断面図であり、(b)は本発明と比較される従来の触媒燃焼加熱装置の要部の部分断面図である。
【図4】本発明の第1の触媒燃焼加熱装置の作動を説明するグラフである。
【図5】本発明の第2の触媒燃焼加熱装置の全体概要図である。
【図6】本発明の触媒燃焼加熱装置の要部の第1の他の態様を示す断面図である。
【図7】本発明の触媒燃焼加熱装置の要部の第2の他の態様を示す断面図である。
【図8】本発明の触媒燃焼加熱装置の要部の第3の他の態様を示す断面図である。
【符号の説明】
1,1A 触媒付熱交換器
11 第1の触媒付熱交換器
12 第2の触媒付熱交換器
2 チューブ
3 酸化触媒層
4 熱抵抗層
Claims (2)
- 内部を被加熱流体が流れるチューブの外表面側に酸化触媒を担持した酸化触媒層を形成した触媒付熱交換器を備え、触媒付熱交換器の表面に燃料ガスを供給して燃料ガスの酸化反応によって発生する熱により被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記チューブの外表面に熱抵抗を有する熱抵抗層を介して上記酸化触媒層を積層形成し、かつ該熱抵抗層を、上記チューブ外表面と上記酸化触媒層内表面とに当接して両表面間の熱の移動を抑制する多孔質セラミックス層にて形成したことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
- 内部を被加熱流体が流れるチューブの外表面側に酸化触媒を担持した酸化触媒層を形成した触媒付熱交換器を備え、触媒付熱交換器の表面に燃料ガスを供給して燃料ガスの酸化反応によって発生する熱により被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記触媒付熱交換器を、上記酸化触媒層と上記チューブの外表面間に熱抵抗を有する熱抵抗層を形成した第1の触媒付熱交換器と、チューブの外表面に酸化触媒層を直接形成した第2の触媒付熱交換器とで構成し、第2の触媒付熱交換器を第1の触媒付熱交換器の下流側に設置して、第1の触媒付熱交換器のチューブ内を通過して加熱された被加熱流体が第2の触媒付熱交換器のチューブ内に流入するようになしたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
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JPH10148310A JPH10148310A (ja) | 1998-06-02 |
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