JP3767104B2 - 触媒燃焼装置 - Google Patents

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、例えば、暖房装置、乾燥装置等に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料供給手段と燃焼用空気供給手段とを備え、これらの供給手段により供給される燃料と燃焼用空気との混合気を、触媒により燃焼させる触媒燃焼装置が知られている。この触媒燃焼装置は火炎が形成されないため、カーボンの発生が無く、また、クリーン燃焼が可能で、特に着火、消化時の排気エミッションの発生を大幅に抑制できるため車両等の暖房装置として注目されている。
【０００３】
しかし、暖房負荷が減少し燃焼量が相対的に過剰になった場合、過熱防止のために、例えば、燃焼装置の頻繁なオンオフ、ないしは、余剰な熱量を外部へ無駄に放出することにより対処してきたが、いずれも再起動における電力消費の増加と無駄な時間の発生、および燃費効率の悪化という問題がある。
このような問題を解決するものとして、本出願人は、先に、特願平８−３０１９１４号において、以下のようなものを提案している。図１０にその構成を示す。
【０００４】
燃料と燃焼用空気の混合気を触媒燃焼させるリング状の触媒体２、３を燃焼筒４内に備え、燃焼筒４のうち、触媒体２、３の一端側に、燃料ノズル１０および燃焼用空気の入口８を配設し、燃焼筒４内部のうち、触媒体２、３の他端側に、燃料と燃焼用空気の混合気を形成する予混合室１３を配設している。
そして、触媒体２、３の一端側から、触媒体２、３の中心部の貫通穴２ｂ、３ｂを通して、予混合室１３に向けて燃料と燃焼用空気を供給し、予混合室１３にて燃料と燃焼用空気とを混合する。この混合気を予混合室１３にて方向転換させて、触媒体２、３の他端側から一端側へ向けて流し、触媒体２、３の一端側にて触媒体通過後の排気ガスを燃焼用空気中に還流させる。
【０００５】
これによって、高いターンダウン比（燃焼装置における最大燃焼量を最小燃焼量で割ったもの、以下、ＴＤＲという）と、クリーン燃焼を可能としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の先願の触媒燃焼装置においては、燃焼用空気に排気ガスを内部再循環する構成によって、最小から最大燃焼量に至るまで高効率で安定かつクリーンな燃焼を実現しているが、本発明者等の検討によれば、更なる最小燃焼域の拡張を図り、ＴＤＲを向上させるためには、以下のような問題があることがわかった。
【０００７】
つまり、必要以上に燃焼量を減少させると燃焼により発生する発熱量に比べ燃焼装置１本体から周囲への放熱（主に対流伝熱、輻射伝熱）による損失熱量の割合が大きくなり、その結果、触媒反応時における触媒体２、３の温度は低下する。そのため、触媒反応の活性が低下し、反応の完結性は不十分となり、排気エミッションの増加、ひいては、燃焼停止に至ることがある。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、触媒燃焼装置において、少量燃焼時でも触媒体の放熱損失を抑制してＴＤＲを大きくすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。
請求項１〜９記載の発明によれば、燃料と燃焼用空気の混合気を触媒燃焼させるリング状の第１の触媒体（２ａ）と第１の触媒体（２ａ）の外周に配設された第２の触媒体（２ｂ）を燃焼筒（１）内に内蔵し、第１の触媒体（２ａ）の一端側の部位に、燃料と燃焼用空気の供給手段（１１、１３、７）および転流室（１０）を配設し、第１の触媒体（２ａ）の他端側の部位に、燃料と燃焼用空気の混合気を形成する予混合室（１６）を配設する。
【００１０】
さらに、第１の触媒体（２ａ）の一端側から、第１の触媒体（２ａ）の中心部貫通穴（２ｃ）を通して、予混合室（１６）に向けて燃料と燃焼用空気を供給し、予混合室（１６）にて燃料と燃焼用空気とを混合する。そして、この混合気を予混合室（１６）で方向転換させて、第１の触媒体（２ａ）内をその他端側から一端側へ向けて流し、転流室（１０）にて第１の触媒体（２ａ）を通過した燃焼ガスを再度方向転換させて、第２の触媒体（２ｂ）内へ向けて流すことを特徴としている。
【００１１】
なお、転流室（１０）にて第１の触媒体（２ａ）通過後の燃焼ガスを再度方向転換させるとは、全ての第１の触媒体（２ａ）通過後の燃焼ガスを再度方向転換させるだけでなく、一部を再度方向転換させることも含む。
このように、混合気は、第１の触媒体（２ａ）を通過した後、その外周に配設された第２の触媒体（２ｂ）を通過し、各触媒体において燃焼する。従って、第２の触媒体（２ｂ）の燃焼熱によって、第１の触媒体（２ａ）の断熱保温性の確保および触媒活性化の促進が図られる。
【００１２】
そのため、少量燃焼時においては、放熱損失が抑制され触媒反応の活性低下が防止された第１の触媒体（２ａ）において、主に触媒反応を完結させることができる。また、第１の触媒体（２ａ）の未燃焼ガスは、第２の触媒体（２ｂ）にて燃焼するので、多量燃焼時においても触媒反応が完結できる。よって、従来装置に比べて最小燃焼域を拡張してＴＤＲを大きくし、最小から最大燃焼量に至るまで高効率でクリーンな燃焼を実現することができる。
【００１３】
ここで、上記した第２の触媒体（２ｂ）による第１の触媒体（２ａ）の断熱保温性の確保および触媒活性化の促進を図るためには、請求項２記載の発明のように、第２の触媒体（２ｂ）の体積が、第１の触媒体（２ａ）の体積よりも大きくしたものにできる。
また、請求項３記載の発明によれば、第１の触媒体（２ａ）と第２の触媒体（２ｂ）とは、予混合室（１６）を形成する壁面によって区画されていることを特徴とする。それによって、両触媒体（２ａ、２ｂ）を区画するために、特別な壁構造等を設けなくともよく、簡便な構成とできる。
【００１４】
また、第１の触媒体（２ａ）および第２の触媒体（２ｂ）は、請求項４記載の発明のように、一体に成形されたものにすれば、製造コストを安価とできる。また、請求項５記載の発明のように、互いに別個の触媒体として構成すれば、互いの触媒性能を変えたものとするのに便利である。
また、請求項６記載の発明によれば、予混合室（１６）の外周囲に、第２の触媒体（２ｂ）を通過した後の燃焼ガスが流動する流路（２１、２１ａ）が設けられていることを特徴とする。それによって、予混合室（９ａ）が燃焼ガスにより加熱されるので、燃料の気化が促進され、混合気を形成しやすくできる。
【００１５】
また、上記したように、第１の触媒体（２ａ）にて先に燃焼を行い、未燃焼ガスを第２の触媒体（２ｂ）にて燃焼する構成としているが、請求項７記載の発明のように、第１の触媒体（２ａ）の触媒担持量が、第２の触媒体（２ｂ）の触媒担持量よりも多いものにすれば、第１の触媒体（２ａ）が第２の触媒体（２ｂ）よりも低温で活性化することとなり、燃焼立ち上げ時間の短縮と一層の低負荷域まで安定した燃焼が可能となる。
【００１６】
また、請求項８記載の発明のように、第１および第２の触媒体（２ａ、２ｂ）の触媒は、貴金属粒子であり、その粒径は、第１の触媒体（２ａ）の方が第２の触媒体（２ｂ）よりも小さいものとしても、第１の触媒体（２ａ）の方が、実質的に触媒の反応表面積を大きくできるので、上記請求項７の発明と同様の作用効果が得られる。
【００１７】
また、請求項９記載の発明によれば、第２の触媒体（２ｂ）の出口側に、暖房用の熱媒体と、第２の触媒体（２ｂ）を通過した後の燃焼ガスとを熱交換して、暖房用の熱媒体を加熱する熱交換器（３０、４０）を内蔵しているから、熱媒体加熱用の熱交換器（３０、４０）をも一体化したコンパクトな触媒燃焼装置を提供できる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態を示すもので、本例の燃焼装置は自動車用暖房装置に適用したもので、図１の上下方向は車両搭載時の上下方向と一致している。Ａは燃焼装置であり、図１において上下方向に軸を有する有底円筒形状の燃焼筒１により、燃焼装置Ａの本体形状が区画形成されている。
【００２０】
２は燃焼筒１に内蔵された主触媒体であり、上下方向に複数の流通孔を有するハニカム状の担体２ｄに、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属を触媒として担持したハニカム構造で、その中心部に貫通穴２ｃを有する円筒形状をなし、リング状断面とする。ここで、担体２ｄは、セラミックス又は耐熱金属の粉末混合材を押し出し成形等により成形後、焼結するか、又は、平板と波板の金属板を円筒状に巻き上げ成形したものである。
【００２１】
主触媒体２は、貫通穴２ｃを内包する内部触媒層（第１の触媒体）２ａと、円筒の外周側面を保有する外部触媒層（第２の触媒体）２ｂとから構成されており、流力的な二層構造が形成されているが、上記したように、実体は、両触媒層２ａおよび２ｂが一体成形された単一構造を成している。
両触媒層２ａおよび２ｂの境界をなす担体２ｄの流通孔２ｅは、孔の上下に渡ってコージェライト等が充填されており、内部触媒層２ａの外周（外部触媒層２ｂの内周）に円筒状に配置されている。なお、内部触媒層２ａと外部触媒層２ｂとの体積比は、各々の触媒層２ａ、２ｂの必要燃焼量に対応させて、例えば、１：２の様に設定してよい。
【００２２】
また、主触媒体２の貫通穴２ｃの内周面には、供給した燃料を一時吸収して気化させるための、金網等からなる多孔質の燃料蒸発体３が設置してある。そして、主触媒体２の外周側面と燃焼筒１の内壁面との間には、断熱材４が円筒状に配設されており、主触媒体２は断熱材４を介して、燃焼筒１の内壁面に支持固定されている。
【００２３】
５は一次ノズルで、燃焼筒１の上端面を区画するサイドプレート６の中央部に備えられ、内部触媒層２ａの一端側に隣接して配設されている。この一次ノズル５は耐熱金属にて成形され、その下端部側に漏斗状に細く絞られた絞り部５ａを有し、この絞り部５ａから主触媒体２の貫通穴２ｃに燃焼用空気および燃料を導入する。
【００２４】
ここで、上記燃焼用空気は、エアポンプ（燃焼空気供給手段）７により供給され、空気入口８から一次ノズル５の内側空間すなわち流路５ｂへ送られる。空気入口８は、サイドプレート６の上部に配設されたケース９の壁面に形成され、ケース９の内外を連通している。このケース９は、空気入口８からの燃焼様空気を導入し一様化するものであり、燃焼様空気を一次ノズル５へ導入するエア導入室９ａを区画形成している。
【００２５】
そして、この一次ノズル５の外周側には、サイドプレート６、燃焼筒１および主触媒体２の上端面によって区画された転流室１０が形成されている。転流室１０は、内部触媒層２ａの下流および外部触媒層２ｂの上流側に位置しており、内部触媒層２ａからの燃焼ガスを方向転換させて外部触媒層２ｂに送り込むためのものである。
【００２６】
また、一次ノズル５は、主触媒体２の貫通穴２ｃと同軸心状に配設され、この貫通穴２ｃと絞り部５ａとの間にリング形状の二次ノズル５ｃを形成している。上記の転流室１０は、この二次ノズル５ｃによって、主触媒体２の貫通穴２ｃとも連通している。この二次ノズル５ｃは、転流室１０からの燃焼ガスの一部を主触媒体２の貫通穴２ｃ内に還流するためのものである。
【００２７】
１１は燃料噴射ノズルであり、一次ノズル５の流路５ｂに臨み同心位置に配設され、ケース９の上面に保持固定されている。燃料噴射ノズル１１は、燃料タンク１２から燃料ポンプ１３により送られた液体燃料（例えば、灯油）を、主触媒体２の貫通穴２ｃの軸心方向に沿い噴射する。つまり、一次ノズル５の流路５ｂ内に、エアポンプ７からの空気入口８と燃料噴射ノズル１１が開口するようになっている。ここで、本例では、燃料噴射ノズル１１と燃料ポンプ１３とにより燃料供給手段を構成している。
【００２８】
１４は始動用触媒体であり、燃焼筒１内において、通電により自己発熱し反応すると共に、主触媒体２を輻射および対流により予熱するように、内部触媒層２ａの下流及び貫通穴２ｃの上流に相対向して設置されている。始動用触媒体１４は、内部触媒層２ａとほぼ等しい外径の円盤形状をなすハニカム１４ａと、ハニカム１４ａの中央部に取り付けられた中心電極棒１５とを備えている。
【００２９】
ハニカム１４ａは、例えばステンレス材（ＳＵＳ４３０）等の導電性メタル箔をコルゲート状に巻いてハニカム形状としたもの、あるいは、焼結金属を押し出し成形してモノリスに成形したものが用いられ、Ｐｔ等の触媒を担持した構成となっている。
中心電極棒１５は、後述する予混合室１６の底壁に保持固定され、それによって、始動用触媒体１４が内部触媒層２ａの下端側に対向配置されている。中心電極棒１５は、絶縁部材１７を介して予混合室１６底壁を電気絶縁して貫通し、締結ナット１８により予混合室１６底壁に固定され、後述する制御装置（ＥＣＵ）２４に電気的に接続可能となっている。
【００３０】
また、ハニカム１４ａの外周側面には、外周カバー１４ｂが設けられており、ハニカム１４ａは外周カバー１４ｂを介して、予混合室１６の側壁内面に支持されている。従って、始動用触媒体１４の通電経路は、中心電極棒１５からハニカム１４ａを経て外周カバー１４ｂ及び予混合室１６から燃焼筒１へアースされる。
【００３１】
予混合室１６は液体燃料と燃焼用空気の混合を行うもので、燃焼筒１内部のうち、主触媒体２及び始動用触媒体１４の他端側（下端側）に配置されている。予混合室１６は、貫通穴２ｃからの流出流を反転させ始動用触媒体１４および内部触媒層２ａへ案内するための予混合空間１６ａを形成するように、始動用触媒体１４を、内部触媒層２ａに対向し接近する位置に保持する。
【００３２】
１９は耐熱金属からなる金網状の燃料蒸発体であり、予混合室１６の底壁内面から側面にかけての広い面積にわたって配置してある。燃料蒸発体１９は、液体燃料を気化し燃焼用空気との混合を促進するものであり、金網状の部材（ウイック）の他に、発泡金属部材、薄板状の多孔質セラミック部材等を使用できる。
また、両触媒層２ａおよび２ｂの境界をなす担体２ｄの流通孔２ｅと対応する位置には、リング状のパッキン２０が配設されている。そして、予混合室１６および始動用触媒体１４からの流出流が内部触媒層２ａに流入し外部触媒層２ｂの下流側には流出しないように、予混合室１６を形成する外周側壁のリング状の上端面１６ｂが、パッキン２０を介して主触媒体２の他端側（下端側）に当接している。
【００３３】
なお、本例では、主触媒体２がハニカム構造であるため、主触媒体２の両触媒層２ａおよび２ｂの境界は、パッキン２０を介し予混合室１６の外周側壁の上端面１６ｂと主触媒体２とが当接ないし近接するため、その境界はハニカムを形成する貫流方向に沿う隔壁により区分される。そのため、流通孔２ｅには、コージェライト等が充填されていないものであってもよい。
【００３４】
なお、本例では、燃焼筒１の内部において、触媒体２、３を収納している部分により燃焼室が構成される。
２１は、排気ガス室であり、燃焼筒１の内部において、外部触媒層２ｂの下端側（つまり下流側）、且つ予混合室１６の外周囲に配設されている。排気ガス室２１は、予混合室１６の外周側壁、外部触媒層２ｂの下端面および燃焼筒１により区画され、外部触媒層２ｂからの燃焼ガス（排気ガス）が流動する流路として構成されており、予混合室１６を排気ガスにより加熱し、燃料の気化を促進する。
【００３５】
排気ガス室２１の底面には、排気ガス出口２２が形成されており、外部触媒層２ｂからの燃焼ガス（排気ガス）を外部へ流出させる。２３は排気ガス室２１のうち排気ガス出口２２付近に配設された温度検出器（サーミスタ）である。
なお、排気ガス出口２２から排出された排気ガスは図示しない熱交換器に送られ、ここで排気ガスと水（暖房用熱媒体）との間で熱交換を行って水を加熱し、この加熱された温水をポンプにて空調装置のヒータコアに送り、このヒータコアで空調空気を加熱して、車室内を暖房するようになっている。
【００３６】
図２は第１実施形態の電気制御ブロック図であり、２４は燃焼装置Ａにおける上記電気機器（７、１３、１５）を制御する制御装置（ＥＣＵ）で、２５は燃焼装置Ａの運転スイッチである。
次に、上記構成において作動を説明する。いま、運転スイッチ２５を投入すると、制御装置２４により、まず始動用触媒体１４の中心電極棒１５へ通電され、始動用触媒体１４が自己発熱し、輻射熱および自然対流により、内部触媒層２ａ、燃料蒸発体１９及び３の予熱を行う。
【００３７】
運転スイッチ２５の投入から所定時間ｔ１（図３参照）が経過すると、制御装置２４内のタイマー手段によりエアポンプ７および燃料ポンプ１３に通電されるため、燃焼用空気及び燃料の供給を開始する。
ここで、燃焼用空気及び燃料の供給量は、最初は、制御装置２４により両ポンプ６、１２の回転数を低回転数に設定して、微小量（例えば、最大燃焼量の１／１０程度）とする。この理由は、最初から燃焼用空気を多量に流すと、始動用触媒１３及び燃料蒸発体１９および３が冷却されるため、良好な触媒反応が行われない恐れがあるためである。
【００３８】
液体燃料は燃料噴射ノズル１１から一次ノズル５の流路５ｂから貫通穴２ｃに向けて噴霧状に噴射される。また、燃焼用空気は空気入口８からエア導入室９ａを通って一次ノズル５へ送られる。そして、燃料噴射ノズル１１から噴霧された液体燃料は、始動用触媒１３の中央部１４ｃおよび燃料蒸発体１９、３で蒸発し、予混合空間１６ａで折り返しつつ燃焼用空気と混合される。この混合気は、昇温した始動用触媒体１４をその下方から上方へ向かって貫流し、始動用触媒体３で先行的に酸化反応し、高温の燃焼ガスを発生する。
【００３９】
この結果、主触媒体２の内部触媒層２ａは、始動用触媒体３からの輻射、及び高温の燃焼ガスが貫通して、速やかに加熱、活性化される。そして、燃料と空気の供給開始してから図３に示す所定時間ｔ２が経過後、燃焼量を徐々に増量していくと、燃料とエアの混合気は、内部触媒層２ａでも反応を開始し、さらに高温となった燃焼ガスは、一部が二次ノズル５ｃを通り再循環され、残りは転流室１０で、再度方向転換して外部触媒層２ｂに流入する。
【００４０】
外部触媒層２ｂに流入した燃焼ガスは、外部触媒層２ｂをその上方から下方に向かって貫流し、加熱、活性化し反応を完結して、温度上昇した燃焼ガスは、排気ガス室２１に流入し、排気ガス出口２２から排気ガスとなって排出される。
なお、図３に示す所定時間ｔ３経過後、温度検出器２３が所定温度（例えば灯油燃料の場合、約３００〜５００℃）に到達した時点で、主触媒２全体が活性化されたと判断し、制御装置２４により始動用触媒体１４の中心電極棒１５への通電を停止し、以後、温度検出器２３で排気ガス温度を検知しながら定常燃焼へ移行する。
【００４１】
定常燃焼中の燃焼用空気は、主に、再循環された燃焼ガスとの混合により直接加熱され、さらにサイドプレート６の両面での燃焼ガスとの熱交換の効果も加わる。ここで、再循環される燃焼ガスは燃焼ガス流の途中で還流されることになるが、低熱負荷時の場合でも、内部触媒層２ａ内で反応がほぼ完結するので、外部触媒層２ｂの出口燃焼ガスにほぼ等しい温度の燃焼ガスを還流させることができる。
【００４２】
この結果、寒冷時において、特に必要な燃焼用空気の予熱操作が、例えば電熱式吸気ヒータ等を常時用いずとも、安定燃焼を継続するに必要な燃焼用空気温度（灯油燃料の場合、約２００℃）を維持することができる。
ところで、上記燃焼開始から上記定常燃焼中においては、一次ノズル５の絞り部５ａから燃焼空気が貫通穴２ｃ内に向けて増速噴流状に供給される事により生ずるエジェクタ効果により、二次ノズル５ｃ付近が減圧され、この二次ノズル５ｃを通って、転流室１０内の燃焼ガスの一部が貫通穴２ｃ内に還流される。ここで、燃焼空気と燃料の混合気は、前記燃焼ガスの一部を混合しつつ、貫通穴２ｃの下流側に向かい、その速度成分は圧力に変換され、圧力を回復し、始動用触媒体１４、内部触媒層２ａ、外部触媒層２ｂを貫流する。
【００４３】
上記のように本実施形態の装置では、転流室１０の燃焼ガスの一部を燃焼空気中に再循環させることにより、高温の燃焼ガス熱で燃焼用空気を昇温、予熱すると共に、燃料噴射ノズル１１から噴射される燃料噴霧の気化混合を促進し、かつ、内部触媒層２ａおよび外部触媒層２ｂを活性状態に維持できるので、寒冷時においても良好な触媒燃焼を実現する。
【００４４】
また、サイドプレート６における熱交換作用により燃焼用空気を燃焼ガスにより昇温することができ、予熱効果をさらに高めることができる。
そして、燃焼停止をするときは、運転スイッチ２５をオフすると、制御装置２４は燃料ポンプ１３を直ちに停止させるが、エアポンプ７は所定時間ｔ４の間、作動を継続させ、燃焼筒１内の残存燃料を燃焼させ、その後燃焼筒１内部の冷却を行う（ポストパージ運転）。パージ運転中、しばらくは、温度検出器２３は作動している。そして、所定時間ｔ４経過後に、エアポンプ７も停止させ、全機器が停止する。
【００４５】
ところで、本実施形態によれば、触媒体２、３が活性化された状態で燃料の供給、停止を行うため、着火、消化時にも排気エミッションがほとんど排出されず、クリーンな燃焼を行うことができる。
また、一般に、放熱損失低減のためには、最小燃焼量に見合う最小の触媒体体格にして、その外表面積を極力小さくし、且つ、輻射伝熱面積をも低減することが考えられるが、高ＴＤＲとすべく十分な最大燃焼量とするために、それに見合う触媒体体格を確保する必要もあり、この相矛盾する要件に応えなければならない。
【００４６】
その点、本実施形態によれば、混合気は、内部触媒層２ａを通過した後、その外周に配設された外部触媒層２ｂを通過し、各触媒層２ａ、２ｂにおいて燃焼するため、外部触媒層２ｂの燃焼熱によって、内部触媒層２ａの断熱保温性の確保および触媒活性化の促進が図られる。
そのため、少量燃焼時においては、放熱損失が抑制され触媒反応の活性低下が防止された内部触媒層２ａにおいて、主に触媒反応を完結させることができる。また、内部触媒層２ａの未燃焼ガスは、外部触媒層２ｂにて燃焼するので、多量燃焼時においても触媒反応が完結できる。よって、従来装置に比べて最小燃焼域を拡張してＴＤＲを大きくし、最小から最大燃焼量に至るまで高効率でクリーンな燃焼を実現することができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、外部触媒層２ｂの体積を内部触媒層２ａの体積よりも大きく（例えば、内部：外部＝１：２）しているから、各触媒層の必要燃焼量を確保でき、外部触媒層２ｂによる内部触媒層２ａの断熱保温性の確保および触媒活性化の促進を図ることができる。
また、本実施形態によれば、上述のように、両触媒層２ａおよび２ｂの境界は、実質的に、予混合室１６を形成する外周側壁によって区画されているために、特別な壁構造等を設けなくともよく、簡便な構成とできる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、両触媒層２ａおよび２ｂは、一体成形品であるので、製造コストを安価なものにできる。
また、本実施形態によれば、排気ガス室２１は予混合室１６の外周囲に位置するため、予混合室１６が排気ガスにより加熱されるので、燃料の気化が促進され、混合気を形成しやすくできる。
【００４９】
以下、第２〜第６実施形態について述べるが、主として第１実施形態と異なる部分について述べ、同一構成部分については、図中同符号を付して説明を省略する。
（第２実施形態）
図４は本発明による第２実施形態を示す。これは、第１実施形態に対して、触媒燃焼を完結した高温の燃焼ガス（排気ガス）で、熱媒体（例えば、水）を加熱するチューブフィンタイプの熱交換器３０を、燃焼装置Ａの本体内部すなわち排気ガス室２１内に収納した構成であり、この熱交換器３０は、外部触媒層２ｂの出口側に設置されている。
【００５０】
熱交換器３０は、長円断面のウォータチューブ３１と波板状の複数のフィン３２、および熱媒体の入口および出口のパイプ３３、３４からなる。ウォータチューブ３１の周囲に、外部触媒層２ｂを通過した後の燃焼ガス（排気ガス）に接触するフィン３２が接合され、ウォータチューブ３１とパイプ３３、３４とは連通し接続されている（図５参照）。
【００５１】
入口パイプ３３からの熱媒体は、ウォータチューブ３１内を流動し、排気ガスと熱交換して出口パイプ３４から流出し、車両用暖房装置における空気通路内に設置されたヒータコア（暖房用熱交換器、図示せず）に温水ポンプ（図示せず）により圧送される。そして、このヒータコアにおいて送風機（図示せず）により送風される空気と熱媒体とを熱交換して、送風空気を加熱し、この加熱後の温風を車室内に吹き出すようになっている。
【００５２】
ここで、熱交換器３０の材質は、本例では、例えばステンレス、アルミニウム等を使用し、各接合部は例えばろう付けで接合される。３５は、水温センサで、熱媒体出口側の出口パイプ３４に設置してある。暖房能力の制御は、ＥＣＵにより、例えば水温センサ３５の検出温度と設定温度とを比較して燃焼量を増減し調節する。
【００５３】
本実施形態によれば、熱媒体加熱用の熱交換器３０を排気ガス室２１内に収納することにより一体化したコンパクトな触媒燃焼装置を提供できる。
（第３実施形態）
図６は本発明による第３実施形態を示す。これは、第２実施形態のチューブフィンタイプの熱交換器３０の代わりに、熱交換器４０を触媒燃焼装置Ａ自身に一体化した構成としている。
【００５４】
図６において、高温の燃焼ガス（排気ガス）と熱媒体との熱交換を行う熱交換器４０は、燃焼筒１の内側に配設された内筒４１に複数の放射状フィン４２が取り付けられた構成を有している。燃焼筒１と内筒４１との間の円筒状空間は、螺旋状の仕切り板４３により、螺旋状の通路４４を形成している。内筒４１の内側空間は排気ガス室２１として構成されており、フィン４２は内筒４１から排気ガス室２１内に配置されている。
【００５５】
この螺旋状の通路４４の一端部に熱媒体の入口パイプ４５が配置され、燃焼筒１に固定されている。また、螺旋状の通路４４の他端部（図６中、燃焼筒１の円周方向で１８０°対称位置）に熱媒体の出口パイプ４６が配置され、燃焼筒１に固定されている。本実施形態によれば、熱交換器４０の構成を簡素化することができる。
【００５６】
熱媒体は、入口パイプ４５から螺旋状の通路４４を通過し、排気ガスと熱交換して昇温され、出口パイプ４６からヒータコア（図示せず）へ圧送される。暖房能力の制御は、ＥＣＵおよび水温センサ３５を用いて、第２実施形態と同様に行われる。
（第４実施形態）
図７は本発明による第４実施形態を示す。第１実施形態では、主触媒体２は一体成形品で流動様式のみを分割構成としたが、本実施形態では、内部触媒層２ａと外部触媒層２ｂをそれぞれ別個の触媒体とし、（図示せず）１の予混合室１６の外周側壁の上端面１６ｂを一次ノズル５に対向して延設した構成に相当するものである。
【００５７】
予混合室１６の外周側壁から延びる円筒セパレータ１６ｃの内側に内部触媒層２ａを、外側に外部触媒層２ｂを、各々耐熱弾性材５０、５１を介して保持する構成としている。よって、本実施形態では、第１実施形態に示すようなパッキン２０は無い。このようにすると、内部触媒層２ａの保温性の向上と温度分布に起因する熱応力の軽減効果が得られる。
【００５８】
また、各触媒層２ａ、２ｂを別体の触媒体としているので互いの触媒性能を変えたものとするのに便利である。
（第５実施形態）
図８は本発明による第５実施形態を示す。第１〜第４実施形態では、予混合室１６が燃焼筒１と一体を成した構造であるのに対し、本実施形態では予混合室１６を別体構成の部品としている。
【００５９】
予混合室１６は、その外周側壁が下方に向かってすぼまった略円錐形底部１６ｄを有し、この底部１６ｄと燃焼筒１の底面１ａとの間に、排気ガス室２１に連なり且つ高温の排気ガスが流動する流路２１ａを備えている。それによって、第１〜第４実施形態の排気ガス室２１構造と比べて、予混合空間１６ａの燃料蒸発体１９を加熱して、未蒸発燃料の気化を促進する効果がより高いレベルで得られる。
（第６実施形態）
図９は本発明による第６実施形態を示す。本実施形態では、第１〜第５実施形態の始動用触媒体１４の代わりに、電熱ヒータ６０を配置したもので、例えばシーズヒータの表面に触媒を添着し渦巻き状に曲げたものであり、予混合室１６を通して燃焼筒１の底面に正極側の電気端子６１ａと負極側の電気端子６１ｂを配置してある。この電熱ヒータ６０は、上記の始動用触媒体１４の役目を果たすことができる。
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態においては、内部触媒層２ａと外部触媒層２ｂとを同じ仕様としているが、内部触媒層２ａを、担持する触媒（貴金属）の量を増加するか、担持する触媒の粒径を小さくし表面積を増加する等して、外部触媒層２ｂよりも低温で活性化する構成としてもよく、この結果、、燃焼立ち上げ時間の短縮と一層の低負荷域まで安定した燃焼が可能となる。
【００６０】
また、上記各実施形態では、始動用触媒体１４のハニカム１４ａを円盤状としたが、主触媒体２と同様なリング状としてもよい。この場合、始動時に燃焼用空気および燃料の混合気を始動用触媒体１４で予熱および気化する即効性はやや低減するが、始動用触媒体１４を貫流する燃料と空気の混合気の圧力損失を低減できるので、エアポンプ７の駆動力を低減できる。
【００６１】
また、本発明では、燃料として灯油などの液体燃料に限らず、天然ガス等の気体燃料を使用して実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態における電気制御ブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態の作動説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す縦断面図である。
【図５】上記第２実施形態の熱交換器の上面図である。
【図６】本発明の第３実施形態を示す縦断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態を示す縦断面図である。
【図８】本発明の第５実施形態を示す縦断面図である。
【図９】本発明の第６実施形態を示す縦断面図である。
【図１０】従来の触媒燃焼装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…燃焼筒、２ａ…内部触媒層、２ｂ…外部触媒層、２ｃ…貫通穴、
７…エアポンプ、１０…転流室、１１…燃料噴射ノズル、１３…燃料ポンプ、
１６…予混合室、２１…排気ガス室、２１ａ…流路、３０、４０…熱交換器。

Claims (9)

1. 燃料を供給する燃料供給手段（１１、１３）と、
   燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給手段（７）と、
   前記燃料と前記燃焼用空気の混合気を触媒燃焼させる第１の触媒体（２ａ）および第２の触媒体（２ｂ）と、
   これら両触媒体（２ａ、２ｂ）を内蔵する燃焼筒（１）とを備え、
   前記第１の触媒体（２ａ）は、その中心部に貫通穴（２ｃ）を有するリング形状に形成され、前記第２の触媒体（２ｂ）は、前記第１の触媒体（２ａ）の外周に配設されており、
   前記第１の触媒体（２ａ）の一端側には、前記燃料供給手段（１１、１３）、前記燃焼用空気供給手段（７）、および、前記第１の触媒体（２ａ）を通過した燃焼ガスを方向転換させて前記第２の触媒体（２ｂ）に送り込む転流室（１０）が配設され、
   前記第１の触媒体（２ａ）の他端側の部位には、前記混合気を形成する予混合室（１６）が配設されており、
   前記第１の触媒体（２ａ）の一端側から、前記貫通穴（２ｃ）を通して、前記予混合室（１６）に向けて前記燃料と前記燃焼用空気を供給し、前記予混合室（１６）において前記燃料と前記燃焼用空気とを混合し、
   この混合気を前記予混合室（１６）で方向転換させて、前記第１の触媒体（２ａ）内をその他端側から一端側へ向けて流し、
   前記第１の触媒体（２ａ）を通過した燃焼ガスを、転流室（１０）で再度方向転換させて、前記第２の触媒体（２ｂ）内へ向けて流すことを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 前記第２の触媒体（２ｂ）の体積が、前記第１の触媒体（２ａ）の体積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼装置。
3. 前記第１の触媒体（２ａ）と前記第２の触媒体（２ｂ）とは、前記予混合室（１６）を形成する壁面によって区画されていることを特徴とする請求項１または２に記載の触媒燃焼装置。
4. 前記第１の触媒体（２ａ）および前記第２の触媒体（２ｂ）は、一体に成形されたものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の触媒燃焼装置。
5. 前記第１および第２の触媒体（２ａ、２ｂ）は、互いに別個の触媒体として構成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の触媒燃焼装置。
6. 前記予混合室（１６）の外周囲に、前記第２の触媒体（２ｂ）を通過した後の燃焼ガスが流動する流路（２１、２１ａ）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の触媒燃焼装置。
7. 前記第１の触媒体（２ａ）の触媒担持量が、前記第２の触媒体（２ｂ）の触媒担持量よりも多いことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の触媒燃焼装置。
8. 前記第１および第２の触媒体（２ａ、２ｂ）の触媒は、貴金属粒子であり、その粒径は、前記第１の触媒体（２ａ）の方が前記第２の触媒体（２ｂ）よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の触媒燃焼装置。
9. 前記第２の触媒体（２ｂ）の出口側に、暖房用の熱媒体と、前記第２の触媒体（２ｂ）を通過した後の燃焼ガスとを熱交換して、暖房用の熱媒体を加熱する熱交換器（３０、４０）を内蔵していることを特徴とする請求項１ないし８に記載の触媒燃焼装置。

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