JP3863979B2 - 触媒燃焼加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスを触媒によって酸化反応させ、その酸化反応熱によって被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置に関し、特に装置を始動する際の始動時間の短い触媒燃焼加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可燃ガス（燃料ガス）を触媒を用いて酸化反応させ、発生する熱を利用して、被加熱流体を加熱するいわゆる触媒燃焼加熱装置は既に知られており、家庭用や自動車用など、各種の用途への使用が考えられている（例えば、特開平５−２２３２０１号公報等）。触媒燃焼加熱装置は、可燃ガスの流路内に、液体または気体の被加熱流体が流れるチューブを配設し、その外周に多数の触媒担持フィンを一体的に接合してなる触媒付熱交換器を備えており、上記多数のフィンには、例えば白金やパラジウムのような酸化触媒が担持してある。この触媒担持フィンを活性温度以上に加熱し、可燃ガスを接触させると、フィン表面において酸化反応が起こる。その際に発生する酸化反応熱がフィンからチューブ内に伝えられて、チューブ内を流通する被加熱流体を加熱するようになっている。
【０００３】
可燃ガスは、これを酸化させるための支燃ガス（通常、空気）と混合した後、燃料ガスとして触媒付熱交換器内に供給される。触媒による酸化反応は、非常に広い可燃ガス濃度範囲で起こるため、上流側で反応しなかった未燃ガスを下流側の触媒によって燃焼させることが可能で、熱交換器全体で燃焼を行うことができる。このため、それまで一般的であったバーナー式の加熱装置に比較して、小型で処理能力の高い加熱装置が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒燃焼加熱装置の始動時においては、フィンの温度を速やかに上昇させてシステム全体の触媒を早期に活性状態とすることが望まれる。このため、通常は、予め作成したマップを基にフィン温度や、被加熱流体の温度、燃焼排気ガス温度等、多数の温度を検出する手段を設け、これら温度をモニタしながら、徐々に被加熱流体の流量を規定量まで増加させている。例えば、常温の水を３００℃の蒸気に加熱する場合、可燃ガス流路の上流側のフィン温度が活性温度に達するまでは被加熱流体の流量を０とし、その後、このフィン温度が活性温度を下回らないように、同時に、他の触媒が順に活性化し、かつ活性温度を保持するように留意して被加熱流体の流量を制御する。
【０００５】
しかしながら、従来の触媒燃焼加熱装置では、フィン温度や、被加熱流体の温度を可燃ガス流路内の複数箇所で検出する必要があるなど、多数の温度をモニタしなければならず、制御が複雑である。また、被加熱流体や支燃ガスの初期温度などの変化によって期待通りの始動をしない可能性があった。さらに、被加熱流体の流量制御が適正に行われない場合、例えば、流量が少なすぎると、フィン表面で発生した熱の行き場がなくなり、局部的にフィンやチューブが加熱して触媒の劣化を引き起こすおそれがあった。逆に、流量が多すぎると、フィン温度が上昇しにくく、触媒反応が起こらないために、未燃ガスが排出されて排気エミッションが悪化する。また、始動時間が必要以上に長くなるといった不具合があった。
【０００６】
しかして、本発明は、簡単な構成で、フィンやチューブの局部加熱や未燃ガスの排出等を防止しながら、早期に装置全体を活性化することができる、安全で、始動時間の短い触媒燃焼加熱装置を得ることを目的とする。
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明請求項１の触媒燃焼加熱装置は、燃料ガス流路中に、内部を被加熱流体流路とするチューブを配設し、上記チューブの外表面に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒を担持したフィンを接合して、燃料ガスの酸化反応熱により被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を備えている。そして、上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する手段と、この温度検出手段によって検出される被加熱流体温度に基づいて、装置始動時の上記被加熱流体の流量制御を行う流量制御手段とを設け、該流量制御手段により、被加熱流体温度が所定温度を越えるまでは上記被加熱流体の流量を少量とし、所定温度を越えたら上記被加熱流体の流量を増大するようになしたことを特徴とするものである。ここで、上記所定温度とは上記被加熱流体の沸点である。
【０００８】
被加熱流体を加熱する場合、液体を加熱して沸点まで上昇するために要する熱量は、液体を気体に変換するための潜熱に比べて小さい。また、被加熱流体の状態によってチューブ内への熱伝達の仕方が変化し、例えば、液体の被加熱流体は、気液混合状態である沸騰状態の被加熱流体に比べて熱伝達率が低い。そこで、被加熱流体が最も高温となる流路出口近傍における被加熱流体温度を検出して被加熱流体の状態を知り、これを基準として被加熱流体の流量を制御することで、始動時制御を良好に行うことができる。つまり、加熱初期においては、上記被加熱流体の流量を少量として被加熱流体への熱伝達を抑制し、フィンやチューブを早期に活性温度まで昇温する。被加熱流体温度が所定温度、すなわち、沸点を越えたら、被加熱流体の流量を増大して流速を増し、被加熱流体への熱伝達を促進することで、フィンやチューブの温度が必要以上に高くならないようにする。このようにして、発生する熱を効果的に利用し、早期に装置全体を活性化することができる。よって、短い始動時間で所望の高温ガスを得ることができ、構成が簡単で、多数の温度をモニタする必要がない上、安全面でも優れている。
【０００９】
請求項２の構成において、上記流量制御手段は、装置始動時の上記被加熱流体の流量を上記被加熱流体の流れが層流となるような少量とし、この流量を上記被加熱流体の代表的な沸点を越えるまで維持するとともに、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記被加熱流体の流量を規定量まで増大する制御を行う。
【００１０】
具体的には、被加熱流体温度の沸点を基準として被加熱流体の流量を制御し、装置の始動時には、上記被加熱流体の流量を少量として流速を十分小さくする。特に、上記被加熱流体の流れが層流となるようにすると、熱抵抗が増大してチューブ内へ熱が伝わりにくくなる。このため、フィンやチューブの温度が上昇し、早期に活性化する。一方、被加熱流体は少量であるため比較的速く沸騰する。沸騰状態では熱抵抗が急激に減少し、熱が伝わりやすくなるので、流量を少量としたままで、被加熱流体のガス化を促進する。被加熱流体が全て気体となると、熱伝達率が再び低くなるので、被加熱流体温度が沸点を越えたら、被加熱流体の流量を一気に増大する。すると、流速が増して被加熱流体への熱伝達が促進され、フィンやチューブの異常昇温を防止しながら、短時間で良好な始動時制御を行うことができる。
【００１１】
請求項３の構成では、上記流量制御手段により、上記被加熱流体の温度に基づいて、上記燃料ガス中に混合して供給される支燃ガスの流量を制御する。上記被加熱流体の流量制御に加えて、支燃ガスの流量制御を行うことで、発生する熱をより効果的に利用することができる。
【００１２】
請求項４の構成では、上記流量制御手段は、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点に達したら、上記支燃ガスの流量を規定量以上に増大する制御を行う。請求項５の構成では、上記制御手段は、上記被加熱流体温度が目標温度付近で安定したら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う。この時、好適には、請求項６のように、上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向とが対向している構成とする。
【００１３】
燃料ガスと被加熱流体の流れの方向が対向している場合、可燃ガス濃度の高い燃料ガスが供給される、被加熱流体出口付近の被加熱流体が沸騰するまでは、支燃ガスの流量を必要以上に大きくせず、フィン表面と接する可燃ガスの流速を遅くする。これにより、発生した熱が可燃ガスに伝達されにくくなり、触媒が早期に活性温度まで昇温する。一方、支燃ガスの流量を増大させると、酸化反応によって発生した熱が伝達されやすくなり、流速の高まった燃料ガスおよび燃焼排気ガスを媒体として下流側に運ばれる。そこで、上記被加熱流体が熱抵抗の低くなる沸点に達したら、支燃ガスの流量を増大して下流側のフィンやチューブが高温のガスにさらされるようにすることで、装置全体を早期に触媒活性温度以上に昇温する。上記被加熱流体の温度が所定の温度付近で安定したら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少し、燃焼排気ガスとして放出される熱量を小さくすることで、熱交換効率を良好に保持できる。
【００１４】
請求項７の構成では、上記流量制御手段は、装置の始動時より上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えるまでは、上記支燃ガスの流量を規定量より多くし、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う。好適には、請求項８のように、上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向を同じ向きとする。
【００１５】
燃料ガスと被加熱流体の流れが同じ方向である場合、排気エミッションを悪化させないために、最も被加熱流体温度の高い燃料ガス流路下流側の触媒を早期に活性化するのがよい。そこで、装置の始動時より被加熱流体出口付近の被加熱流体が沸騰するまでは、支燃ガスの流量を規定量より多くして流速を高くすることで、フィン表面で発生した熱が可燃ガスに伝達されやすくなるようにする。これにより、下流側のフィンやチューブが高温のガスにさらされて、早期に触媒活性温度まで昇温する。上記被加熱流体が沸点を越えたら、支燃ガスの流量を低減して排気ガスとして放出される熱量を抑制し、熱交換効率を向上させる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の触媒燃焼加熱装置の一実施の形態を説明する。図１において、触媒付熱交換器１は、両端開口の筒状容器内を燃料ガスの流路１１となしており、左端部の燃料ガス供給口１２より右端部の排気ガス口１３へ向けて（図に矢印で示す方向）、燃料ガスが流れるようになしてある。上記燃料ガス供給口１２には、燃料ガス供給部２を構成する左端閉鎖の筒状体が連結してあり、燃料ガス供給部２は下部壁に、燃料供給装置３に連通する燃料供給路３１と、支燃ガス供給装置４に連通する支燃ガス供給路４１が接続されている。しかして、燃料供給装置３から燃料となる可燃ガスが、支燃ガス供給装置４から支燃ガスが供給されて、上記燃料ガス供給部２内で混合され、燃料ガスとして、上記燃料ガス供給口１２より燃料ガス流路１１内に供給される。
【００１７】
ここで、燃料としては、例えば、水素、メタノール等の可燃ガスが、支燃ガスとしては、通常、空気が用いられ、これら可燃ガスおよび支燃ガスの流量は、制御手段たる制御装置６にて制御される。燃料ガス中の支燃ガスの供給量は、可燃ガスをすべて酸化させるのに必要な理論空気量に対し、１〜５倍程度の範囲とされ、通常の燃焼時には、発生する熱を効率よく回収するため、触媒の耐熱温度を越えない範囲でできるだけ少量となるようにするのがよい。ただし、始動時には、後述するように、伝熱媒体として用いるため、必要に応じ流量を増大させる。
【００１８】
触媒付熱交換器１の燃料ガス流路１１内には、図２のように、内部を被加熱流体が流れる多数のチューブ５が、燃料ガスの流れ方向に層状に配置されており、各チューブ５の外周には、多数のリング状のフィン５１が、ロー付け等の方法で一体的に接合してある。これらフィン５１の表面には、白金、パラジウムといった酸化触媒が担持されていて、この表面に燃料ガスが接触して酸化反応を起こすようになしてある。酸化反応により発生した熱は、フィン５１からチューブ５に伝達され、その内部を流れる被加熱流体を加熱する。
【００１９】
上記多数のチューブ５の両端は、図１において、触媒付熱交換器１の上部および下部に設けた管寄せ５２、５３にそれぞれ連結されている。これら管寄せ５２、５３は、途中複数箇所に隔壁５２１、５３１が形成されて、複数の部分に区画されており、また、下方の管寄せ５３の右端部には被加熱流体の導入管５４が、上方の管寄せ５２の左端部には被加熱流体の導出管５５が連結されている。これらチューブ５、管寄せ５２、５３、導入管５４および導出管５５により、図に矢印で示すように、燃料ガス流路１１の下流側より上流側へ向かう被加熱流体の流路が形成される。被加熱流体は、被加熱流体供給装置７によって導入管５４より導入され、チューブ５および管寄せ５２、５３内を流れながら高温に加熱され、導出管５５より外部へ導出される。被加熱流体としては、例えば水が使用され、その流量は、上記制御装置６によって制御される。
【００２０】
ここで、チューブ５の外周に設けられるフィン５１の外径や数は、接合されるチューブ５内の被加熱流体に必要な熱量に応じて適宜設定され、本実施の形態では、燃料ガス流路１１の最上流側に位置するチューブ５の層において、上記フィン５１の外径を小さくしてある（図２）。燃料ガス流路１１の上流側では、チューブ５内の被加熱流体が高温となっているので、フィン５１の表面積を小さくして発熱を抑制し、フィン５１やチューブ５が必要以上に加熱されないようにする。また、各層におけるチューブ５の数は、上流側において多くなるようにするのがよい。これは、液体の被加熱流体が加熱されて気体に変わる時に膨張するため、総断面積を大きくしないと圧力損失が大きくなってしまうからである。また、各チューブ５は隣合う層のチューブ５間に位置するように互い違いに配置すると、燃料ガス流路１１の実質長が長くなり、熱交換効率が向上する。
【００２１】
上記被加熱流体の流路の出口となる導出管５５の管壁には、被加熱流体の温度を検出する手段たる温度検出装置８が設置されている。温度検出装置８としては公知の温度センサが使用できる。本実施の形態では、温度検出装置８で検出される被加熱流体温度から被加熱流体の状態を把握し、この検出結果を基に、上記制御手段６にて被加熱流体の流量および支燃ガスの流量を制御するものである。以下、その制御方法について説明する。
【００２２】
図３に被加熱流体の出口温度と各種流体流量の時間的推移を示す。図３（ａ）点に示すように、触媒燃焼装置の始動時においては、装置全体が低温であり、触媒温度も低く活性温度に達していない。この状態では、フィン５１表面の温度を早期に触媒活性温度まで昇温させるために、フィン５１表面で発生した反応熱をチューブ５内の被加熱流体に伝わりにくくするのがよい。そこで、制御装置６にて、被加熱流体のチューブ５内の流れが、熱抵抗の大きい層流となるように流量を少量に制御する。ここで、熱抵抗は、下記式（１）、
熱抵抗＝１／（熱伝達率×接触面積）・・・（１）
で定義され、接触面積は一定であるので、被加熱流体の熱伝達率、すなわち被加熱流体の状態によって熱抵抗が異なる。例えば、被加熱流体の流量を少量として流速を十分小さくすると、被加熱流体は層状に上流から下流に移動し、外側の層から内側の層への熱伝達が抑制される（熱伝達率が小さい）。このため、フィン５１表面で発生する熱は主に触媒の加熱に用いられ、触媒活性温度まで速やかに昇温する。
【００２３】
被加熱流体が十分層流となるための流量は、通常、規定量の１／３程度ないしそれ以下である。被加熱流体の供給は始動とほぼ同時に開始し、温度検出装置８で検出される出口温度を基に、各流体の制御を行う。また、始動時より少量の被加熱流体を流通させることで、チューブ５内に気泡が存在したり被加熱流体が存在しないために空焚き状態となって、フィン５１が上昇しすぎることを防止できる。この時、支燃ガスの供給量が多いとガス流速が増し、発生する熱が燃料ガスや燃焼排気ガスに奪われるので、支燃ガスの流量は必要以上に多くしないようにする。これにより、まず、高濃度の燃料ガスが供給される燃料ガス流路１１の上流側のフィン５１が加熱され、活性温度に達して触媒燃焼を開始する。
【００２４】
ここで、一般に、液体を加熱してガス化する時、沸点まで昇温するために要する熱量は、液体から気体に変換するための熱、つまり潜熱に比べて小さい。従って、可燃ガス濃度が高い燃料ガス流路１１上流側（図の左側）のチューブ５内を流れる被加熱流体の温度は比較的速く上昇し、沸点に達する。また、一般に、流体が沸騰状態にある時には、気液混合状態で流体粒子の動きが激しいため、熱伝達が促進され、熱抵抗が急激に減少することが知られている。つまり、被加熱流体が沸騰状態となると、フィン５１表面で発生した熱がチューブ５内の被加熱流体に伝達されやすくなる。そこで、温度検出装置８で検出される被加熱流体の温度が沸点に達したら（図３（ｂ）点）、支燃ガス供給装置４にて支燃ガスの流量を規定量より増大するように制御する。これにより、フィン５１表面で発生した熱の一部が燃料ガスや燃焼排気ガスによって下流側（図の右側）へ運ばれ、燃料ガス流路１１下流域のフィン５１やチューブ５を加熱して、装置全体を触媒の活性温度以上に昇温する。
【００２５】
さらに燃焼が進んで、被加熱流体が全てガス化すると、被加熱流体の温度が沸点を越えてさらに上昇する（図３（ｃ）点）。そこで、被加熱流体の温度が沸点を越えたら、制御装置６は、被加熱流体の流量を規定量まで増大するように、被加熱流体供給装置７を制御する。これにより、チューブ５内の被加熱流体の流速を高めて、フィン５１表面で発生した熱がチューブ５内の被加熱流体に伝わりやすくなるようにし、被加熱流体を加熱して早期に所定温度の高温ガスを得ることができる。この際、被加熱流体の流量を急増するため、被加熱流体の温度は一時的に低下するが、可燃ガス流量はこれを燃焼させた時に発生する熱で規定量の被加熱流体を十分処理できる量としてあり、被加熱流体への熱伝達は流速が大きいほど効果的に行われるため、まもなく上昇に転じる。
【００２６】
その後、被加熱流体の温度が目標温度の８割程度となったところで（図３（ｄ）点）、制御装置６は、支燃ガスの流量を所定量まで減少させるように、支燃ガス供給装置４に信号を出力する。これにより、フィン５１表面で発生した熱がチューブ５内の被加熱流体以外へ伝達されるのを防止し、燃焼排気ガス温度を低くして熱交換効率を高めることができる。
【００２７】
図４に、制御手段６による制御のフローチャートを示す。図において、このシステムによる制御を開始したら、まず、支燃ガス供給装置４、被加熱流体供給装置７に制御信号を出力して、規定量の支燃ガス、所定の少量の被加熱流体の供給を開始し、さらに、燃料供給装置３にて、規定量の、燃料となる可燃ガスの供給を開始する（ステップ１、２、３）。次いで温度検出装置８によって被加熱流体の温度Ｔを検出し（ステップ４）、この温度Ｔが被加熱流体の代表的な沸点Ｔａ以上かどうかを判定する（ステップ５）。Ｔ≧Ｔａとなるまでこのステップを繰り返す。Ｔ≧Ｔａとなったら、支燃ガスの流量が増大するように、支燃ガス供給装置４に制御記号を出力する（ステップ６）。再度、温度検出装置８によって被加熱流体の温度Ｔを検出し、温度Ｔが沸点Ｔａを越えたかどうかを判定する（ステップ７）。これを繰り返して、Ｔ＞Ｔａとなったら、被加熱流体の流量を増大するように、被加熱流体供給装置７を制御し、被加熱流体の流量を規定量とする（ステップ８）。さらに、被加熱流体の温度Ｔが、目標とするガス温度の約８割の温度Ｔｂに達したかどうかを判定し（ステップ９）、これを繰り返して、Ｔ＝Ｔｂとなったら、支燃ガスの流量を規定量に減少するように支燃ガス供給装置４に制御信号を出力する（ステップ１０）。
【００２８】
以上のように、本実施の形態の触媒燃焼加熱装置は、安全で、かつ始動時間が短く、例えば３００℃の水蒸気を得るために、従来、十数分必要であったところを、数分に短縮することができる。本実施の形態の構成では、被加熱流体の進行方向が燃料ガスの流れ方向と対向する方向となっており、被加熱流体は、燃料ガス流路１１の下流側、つまり排気ガス口１３に近いほど低温となる。この場合、燃焼排気ガスがより低温の被加熱流体が流れるチューブ５に接触するので、排気ガス中の熱を効率よく回収でき、高い熱交換効率が得られる利点がある。
【００２９】
図５は、本発明の第２の実施の形態を示すものである。本実施の形態では被加熱流体と燃料ガスの流れ方向とを同じ向きとしてあり、熱交換器１の右端部に燃料ガス供給部２を設けて、燃料ガス流路１１内を、燃料ガスが、図の右方より左方へ流れるようにしてある。本実施の形態においても、上記被加熱流体の流路の出口となる導出管５５の管壁に、被加熱流体の温度を検出する温度検出装置８が設置されており、この検出結果を基に制御装置６によって、被加熱流体および支燃ガス流量を制御する。燃料ガス流路１１の上流側（図の右側）で、チューブ５の数が多く、また、フィン５１の径が小さくなっていること、その他の構成も上記第１の実施の形態と同様である。
【００３０】
このように被加熱流体と燃料ガスの流れ方向とを同じ向きとした構成では、濃度の高い可燃ガスに接触して最も高温となりやすい、燃料ガス流路１１の上流側（図の右側）に位置するフィン５１やチューブ５は、その内部を流れる低温の被加熱流体によって、異常に昇温することを免れることができる。しかしながら、システムの立ち上がり時には、可燃ガスの流れの下流側（図の左側）の温度が触媒の活性温度に達するまでは触媒燃焼が十分に行われない。このため、排気ガス口１３から未燃ガスが放出されて排気エミッションが悪化する懸念がある。
【００３１】
そこで、この場合は、図６（ａ）点の装置始動時において、被加熱流体の流量を少量とするのと同時に、支燃ガス流量を規定量より多くして、フィン５１表面で発生する熱を燃料ガスや燃焼排気ガスに伝達しやすくする。これにより、被加熱流体の流れが層流となるように流速を十分小さくして、フィン５１表面で発生する熱がチューブ５内に伝達されにくくし、さらに、燃料ガス流路１１の下流側が高温のガスに晒されやすくすることで、装置全体が早期に触媒活性温度に到達するようにする。
【００３２】
支燃ガス流量の増大は、被加熱流体が沸点に達した後（図６（ｂ）点）、さらに燃焼が進んで、被加熱流体が全てガス化するまで行う。被加熱流体がガス化すると急激にチューブ５内への熱抵抗が増大するので、被加熱流体の温度が沸点を越えたら（図６（ｃ）点）、制御装置６は、支燃ガスの流量を規定量まで低減することで、フィン５１表面で発生する熱がチューブ５内の被加熱流体以外へ伝達されるのを防止する。同時に、被加熱流体の流量を規定量まで増大させるよう、被加熱流体供給装置７を制御する。これにより、チューブ５内の被加熱流体の流速を高めて、チューブ５内への熱伝達を促進し、被加熱流体を早期に所定温度まで加熱することができる。
【００３３】
図７に、本実施の形態における制御手段６の制御のフローチャートを示す。支燃ガス供給装置４、被加熱流体供給装置７により、規定量より多い支燃ガス、所定の少量の被加熱流体の供給を開始し（ステップ１、２）、さらに、燃料供給装置３にて、規定量の燃料供給を開始する（ステップ３）。次いで温度検出装置８によって被加熱流体の温度Ｔを検出し（ステップ４）、この温度Ｔが被加熱流体の代表的な沸点Ｔａを越えたかどうかを判定する（ステップ５）。これを繰り返して、Ｔ＞Ｔａとなったら、支燃ガス供給装置４に制御信号を出力して、支燃ガスの流量を規定量に低減し（ステップ６）、被加熱流体の流量を規定量に増大するように被加熱流体供給装置７を制御する（ステップ７）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】第１の実施の形態における各流体の挙動を示す図である。
【図４】第１の実施の形態における制御方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。
【図６】第２の実施の形態における各流体の挙動を示す図である。
【図７】第２の実施の形態における制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 熱交換器
１１ 燃料ガス流路
１２ 燃料ガス供給口
１３ 排気ガス口（出口）
２ 燃料ガス供給部
３ 燃料供給装置
３１ 燃料供給路
４ 支燃ガス供給装置
４１ 支燃ガス供給路
５ チューブ
５１ フィン
５２、５３ 管寄せ
５４ 被加熱流体導入管
５５ 被加熱流体導出管
６ 制御装置（制御手段）
７ 被加熱流体供給装置
８ 温度検出装置（温度検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスを触媒によって酸化反応させ、その酸化反応熱によって被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置に関し、特に装置を始動する際の始動時間の短い触媒燃焼加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可燃ガス（燃料ガス）を触媒を用いて酸化反応させ、発生する熱を利用して、被加熱流体を加熱するいわゆる触媒燃焼加熱装置は既に知られており、家庭用や自動車用など、各種の用途への使用が考えられている（例えば、特開平５−２２３２０１号公報等）。触媒燃焼加熱装置は、可燃ガスの流路内に、液体または気体の被加熱流体が流れるチューブを配設し、その外周に多数の触媒担持フィンを一体的に接合してなる触媒付熱交換器を備えており、上記多数のフィンには、例えば白金やパラジウムのような酸化触媒が担持してある。この触媒担持フィンを活性温度以上に加熱し、可燃ガスを接触させると、フィン表面において酸化反応が起こる。その際に発生する酸化反応熱がフィンからチューブ内に伝えられて、チューブ内を流通する被加熱流体を加熱するようになっている。
【０００３】
可燃ガスは、これを酸化させるための支燃ガス（通常、空気）と混合した後、燃料ガスとして触媒付熱交換器内に供給される。触媒による酸化反応は、非常に広い可燃ガス濃度範囲で起こるため、上流側で反応しなかった未燃ガスを下流側の触媒によって燃焼させることが可能で、熱交換器全体で燃焼を行うことができる。このため、それまで一般的であったバーナー式の加熱装置に比較して、小型で処理能力の高い加熱装置が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒燃焼加熱装置の始動時においては、フィンの温度を速やかに上昇させてシステム全体の触媒を早期に活性状態とすることが望まれる。このため、通常は、予め作成したマップを基にフィン温度や、被加熱流体の温度、燃焼排気ガス温度等、多数の温度を検出する手段を設け、これら温度をモニタしながら、徐々に被加熱流体の流量を規定量まで増加させている。例えば、常温の水を３００℃の蒸気に加熱する場合、可燃ガス流路の上流側のフィン温度が活性温度に達するまでは被加熱流体の流量を０とし、その後、このフィン温度が活性温度を下回らないように、同時に、他の触媒が順に活性化し、かつ活性温度を保持するように留意して被加熱流体の流量を制御する。
【０００５】
しかしながら、従来の触媒燃焼加熱装置では、フィン温度や、被加熱流体の温度を可燃ガス流路内の複数箇所で検出する必要があるなど、多数の温度をモニタしなければならず、制御が複雑である。また、被加熱流体や支燃ガスの初期温度などの変化によって期待通りの始動をしない可能性があった。さらに、被加熱流体の流量制御が適正に行われない場合、例えば、流量が少なすぎると、フィン表面で発生した熱の行き場がなくなり、局部的にフィンやチューブが加熱して触媒の劣化を引き起こすおそれがあった。逆に、流量が多すぎると、フィン温度が上昇しにくく、触媒反応が起こらないために、未燃ガスが排出されて排気エミッションが悪化する。また、始動時間が必要以上に長くなるといった不具合があった。
【０００６】
しかして、本発明は、簡単な構成で、フィンやチューブの局部加熱や未燃ガスの排出等を防止しながら、早期に装置全体を活性化することができる、安全で、始動時間の短い触媒燃焼加熱装置を得ることを目的とする。
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明請求項１の触媒燃焼加熱装置は、燃料ガス流路中に、内部を被加熱流体流路とするチューブを配設し、上記チューブの外表面に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒を担持したフィンを接合して、燃料ガスの酸化反応熱により被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を備えている。そして、上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する手段と、この温度検出手段によって検出される被加熱流体温度に基づいて、装置始動時の上記被加熱流体の流量制御を行う流量制御手段とを設け、該流量制御手段により、被加熱流体温度が所定温度を越えるまでは上記被加熱流体の流量を少量とし、所定温度を越えたら上記被加熱流体の流量を増大するようになしたことを特徴とするものである。ここで、上記所定温度とは上記被加熱流体の沸点である。
【０００８】
被加熱流体を加熱する場合、液体を加熱して沸点まで上昇するために要する熱量は、液体を気体に変換するための潜熱に比べて小さい。また、被加熱流体の状態によってチューブ内への熱伝達の仕方が変化し、例えば、液体の被加熱流体は、気液混合状態である沸騰状態の被加熱流体に比べて熱伝達率が低い。そこで、被加熱流体が最も高温となる流路出口近傍における被加熱流体温度を検出して被加熱流体の状態を知り、これを基準として被加熱流体の流量を制御することで、始動時制御を良好に行うことができる。つまり、加熱初期においては、上記被加熱流体の流量を少量として被加熱流体への熱伝達を抑制し、フィンやチューブを早期に活性温度まで昇温する。被加熱流体温度が所定温度、すなわち、沸点を越えたら、被加熱流体の流量を増大して流速を増し、被加熱流体への熱伝達を促進することで、フィンやチューブの温度が必要以上に高くならないようにする。このようにして、発生する熱を効果的に利用し、早期に装置全体を活性化することができる。よって、短い始動時間で所望の高温ガスを得ることができ、構成が簡単で、多数の温度をモニタする必要がない上、安全面でも優れている。
【０００９】
請求項２の構成において、上記流量制御手段は、装置始動時の上記被加熱流体の流量を上記被加熱流体の流れが層流となるような少量とし、この流量を上記被加熱流体の代表的な沸点を越えるまで維持するとともに、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記被加熱流体の流量を規定量まで増大する制御を行う。
【００１０】
具体的には、被加熱流体温度の沸点を基準として被加熱流体の流量を制御し、装置の始動時には、上記被加熱流体の流量を少量として流速を十分小さくする。特に、上記被加熱流体の流れが層流となるようにすると、熱抵抗が増大してチューブ内へ熱が伝わりにくくなる。このため、フィンやチューブの温度が上昇し、早期に活性化する。一方、被加熱流体は少量であるため比較的速く沸騰する。沸騰状態では熱抵抗が急激に減少し、熱が伝わりやすくなるので、流量を少量としたままで、被加熱流体のガス化を促進する。被加熱流体が全て気体となると、熱伝達率が再び低くなるので、被加熱流体温度が沸点を越えたら、被加熱流体の流量を一気に増大する。すると、流速が増して被加熱流体への熱伝達が促進され、フィンやチューブの異常昇温を防止しながら、短時間で良好な始動時制御を行うことができる。
【００１１】
請求項３の構成では、上記流量制御手段により、上記被加熱流体の温度に基づいて、上記燃料ガス中に混合して供給される支燃ガスの流量を制御する。上記被加熱流体の流量制御に加えて、支燃ガスの流量制御を行うことで、発生する熱をより効果的に利用することができる。
【００１２】
請求項４の構成では、上記流量制御手段は、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点に達したら、上記支燃ガスの流量を規定量以上に増大する制御を行う。請求項５の構成では、上記制御手段は、上記被加熱流体温度が目標温度付近で安定したら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う。この時、好適には、請求項６のように、上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向とが対向している構成とする。
【００１３】
燃料ガスと被加熱流体の流れの方向が対向している場合、可燃ガス濃度の高い燃料ガスが供給される、被加熱流体出口付近の被加熱流体が沸騰するまでは、支燃ガスの流量を必要以上に大きくせず、フィン表面と接する可燃ガスの流速を遅くする。これにより、発生した熱が可燃ガスに伝達されにくくなり、触媒が早期に活性温度まで昇温する。一方、支燃ガスの流量を増大させると、酸化反応によって発生した熱が伝達されやすくなり、流速の高まった燃料ガスおよび燃焼排気ガスを媒体として下流側に運ばれる。そこで、上記被加熱流体が熱抵抗の低くなる沸点に達したら、支燃ガスの流量を増大して下流側のフィンやチューブが高温のガスにさらされるようにすることで、装置全体を早期に触媒活性温度以上に昇温する。上記被加熱流体の温度が所定の温度付近で安定したら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少し、燃焼排気ガスとして放出される熱量を小さくすることで、熱交換効率を良好に保持できる。
【００１４】
請求項７の構成では、上記流量制御手段は、装置の始動時より上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えるまでは、上記支燃ガスの流量を規定量より多くし、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う。好適には、請求項８のように、上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向を同じ向きとする。
【００１５】
燃料ガスと被加熱流体の流れが同じ方向である場合、排気エミッションを悪化させないために、最も被加熱流体温度の高い燃料ガス流路下流側の触媒を早期に活性化するのがよい。そこで、装置の始動時より被加熱流体出口付近の被加熱流体が沸騰するまでは、支燃ガスの流量を規定量より多くして流速を高くすることで、フィン表面で発生した熱が可燃ガスに伝達されやすくなるようにする。これにより、下流側のフィンやチューブが高温のガスにさらされて、早期に触媒活性温度まで昇温する。上記被加熱流体が沸点を越えたら、支燃ガスの流量を低減して排気ガスとして放出される熱量を抑制し、熱交換効率を向上させる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の触媒燃焼加熱装置の一実施の形態を説明する。図１において、触媒付熱交換器１は、両端開口の筒状容器内を燃料ガスの流路１１となしており、左端部の燃料ガス供給口１２より右端部の排気ガス口１３へ向けて（図に矢印で示す方向）、燃料ガスが流れるようになしてある。上記燃料ガス供給口１２には、燃料ガス供給部２を構成する左端閉鎖の筒状体が連結してあり、燃料ガス供給部２は下部壁に、燃料供給装置３に連通する燃料供給路３１と、支燃ガス供給装置４に連通する支燃ガス供給路４１が接続されている。しかして、燃料供給装置３から燃料となる可燃ガスが、支燃ガス供給装置４から支燃ガスが供給されて、上記燃料ガス供給部２内で混合され、燃料ガスとして、上記燃料ガス供給口１２より燃料ガス流路１１内に供給される。
【００１７】
ここで、燃料としては、例えば、水素、メタノール等の可燃ガスが、支燃ガスとしては、通常、空気が用いられ、これら可燃ガスおよび支燃ガスの流量は、制御手段たる制御装置６にて制御される。燃料ガス中の支燃ガスの供給量は、可燃ガスをすべて酸化させるのに必要な理論空気量に対し、１〜５倍程度の範囲とされ、通常の燃焼時には、発生する熱を効率よく回収するため、触媒の耐熱温度を越えない範囲でできるだけ少量となるようにするのがよい。ただし、始動時には、後述するように、伝熱媒体として用いるため、必要に応じ流量を増大させる。
【００１８】
触媒付熱交換器１の燃料ガス流路１１内には、図２のように、内部を被加熱流体が流れる多数のチューブ５が、燃料ガスの流れ方向に層状に配置されており、各チューブ５の外周には、多数のリング状のフィン５１が、ロー付け等の方法で一体的に接合してある。これらフィン５１の表面には、白金、パラジウムといった酸化触媒が担持されていて、この表面に燃料ガスが接触して酸化反応を起こすようになしてある。酸化反応により発生した熱は、フィン５１からチューブ５に伝達され、その内部を流れる被加熱流体を加熱する。
【００１９】
上記多数のチューブ５の両端は、図１において、触媒付熱交換器１の上部および下部に設けた管寄せ５２、５３にそれぞれ連結されている。これら管寄せ５２、５３は、途中複数箇所に隔壁５２１、５３１が形成されて、複数の部分に区画されており、また、下方の管寄せ５３の右端部には被加熱流体の導入管５４が、上方の管寄せ５２の左端部には被加熱流体の導出管５５が連結されている。これらチューブ５、管寄せ５２、５３、導入管５４および導出管５５により、図に矢印で示すように、燃料ガス流路１１の下流側より上流側へ向かう被加熱流体の流路が形成される。被加熱流体は、被加熱流体供給装置７によって導入管５４より導入され、チューブ５および管寄せ５２、５３内を流れながら高温に加熱され、導出管５５より外部へ導出される。被加熱流体としては、例えば水が使用され、その流量は、上記制御装置６によって制御される。
【００２０】
ここで、チューブ５の外周に設けられるフィン５１の外径や数は、接合されるチューブ５内の被加熱流体に必要な熱量に応じて適宜設定され、本実施の形態では、燃料ガス流路１１の最上流側に位置するチューブ５の層において、上記フィン５１の外径を小さくしてある（図２）。燃料ガス流路１１の上流側では、チューブ５内の被加熱流体が高温となっているので、フィン５１の表面積を小さくして発熱を抑制し、フィン５１やチューブ５が必要以上に加熱されないようにする。また、各層におけるチューブ５の数は、上流側において多くなるようにするのがよい。これは、液体の被加熱流体が加熱されて気体に変わる時に膨張するため、総断面積を大きくしないと圧力損失が大きくなってしまうからである。また、各チューブ５は隣合う層のチューブ５間に位置するように互い違いに配置すると、燃料ガス流路１１の実質長が長くなり、熱交換効率が向上する。
【００２１】
上記被加熱流体の流路の出口となる導出管５５の管壁には、被加熱流体の温度を検出する手段たる温度検出装置８が設置されている。温度検出装置８としては公知の温度センサが使用できる。本実施の形態では、温度検出装置８で検出される被加熱流体温度から被加熱流体の状態を把握し、この検出結果を基に、上記制御手段６にて被加熱流体の流量および支燃ガスの流量を制御するものである。以下、その制御方法について説明する。
【００２２】
図３に被加熱流体の出口温度と各種流体流量の時間的推移を示す。図３（ａ）点に示すように、触媒燃焼装置の始動時においては、装置全体が低温であり、触媒温度も低く活性温度に達していない。この状態では、フィン５１表面の温度を早期に触媒活性温度まで昇温させるために、フィン５１表面で発生した反応熱をチューブ５内の被加熱流体に伝わりにくくするのがよい。そこで、制御装置６にて、被加熱流体のチューブ５内の流れが、熱抵抗の大きい層流となるように流量を少量に制御する。ここで、熱抵抗は、下記式（１）、
熱抵抗＝１／（熱伝達率×接触面積）・・・（１）
で定義され、接触面積は一定であるので、被加熱流体の熱伝達率、すなわち被加熱流体の状態によって熱抵抗が異なる。例えば、被加熱流体の流量を少量として流速を十分小さくすると、被加熱流体は層状に上流から下流に移動し、外側の層から内側の層への熱伝達が抑制される（熱伝達率が小さい）。このため、フィン５１表面で発生する熱は主に触媒の加熱に用いられ、触媒活性温度まで速やかに昇温する。
【００２３】
被加熱流体が十分層流となるための流量は、通常、規定量の１／３程度ないしそれ以下である。被加熱流体の供給は始動とほぼ同時に開始し、温度検出装置８で検出される出口温度を基に、各流体の制御を行う。また、始動時より少量の被加熱流体を流通させることで、チューブ５内に気泡が存在したり被加熱流体が存在しないために空焚き状態となって、フィン５１が上昇しすぎることを防止できる。この時、支燃ガスの供給量が多いとガス流速が増し、発生する熱が燃料ガスや燃焼排気ガスに奪われるので、支燃ガスの流量は必要以上に多くしないようにする。これにより、まず、高濃度の燃料ガスが供給される燃料ガス流路１１の上流側のフィン５１が加熱され、活性温度に達して触媒燃焼を開始する。
【００２４】
ここで、一般に、液体を加熱してガス化する時、沸点まで昇温するために要する熱量は、液体から気体に変換するための熱、つまり潜熱に比べて小さい。従って、可燃ガス濃度が高い燃料ガス流路１１上流側（図の左側）のチューブ５内を流れる被加熱流体の温度は比較的速く上昇し、沸点に達する。また、一般に、流体が沸騰状態にある時には、気液混合状態で流体粒子の動きが激しいため、熱伝達が促進され、熱抵抗が急激に減少することが知られている。つまり、被加熱流体が沸騰状態となると、フィン５１表面で発生した熱がチューブ５内の被加熱流体に伝達されやすくなる。そこで、温度検出装置８で検出される被加熱流体の温度が沸点に達したら（図３（ｂ）点）、支燃ガス供給装置４にて支燃ガスの流量を規定量より増大するように制御する。これにより、フィン５１表面で発生した熱の一部が燃料ガスや燃焼排気ガスによって下流側（図の右側）へ運ばれ、燃料ガス流路１１下流域のフィン５１やチューブ５を加熱して、装置全体を触媒の活性温度以上に昇温する。
【００２５】
さらに燃焼が進んで、被加熱流体が全てガス化すると、被加熱流体の温度が沸点を越えてさらに上昇する（図３（ｃ）点）。そこで、被加熱流体の温度が沸点を越えたら、制御装置６は、被加熱流体の流量を規定量まで増大するように、被加熱流体供給装置７を制御する。これにより、チューブ５内の被加熱流体の流速を高めて、フィン５１表面で発生した熱がチューブ５内の被加熱流体に伝わりやすくなるようにし、被加熱流体を加熱して早期に所定温度の高温ガスを得ることができる。この際、被加熱流体の流量を急増するため、被加熱流体の温度は一時的に低下するが、可燃ガス流量はこれを燃焼させた時に発生する熱で規定量の被加熱流体を十分処理できる量としてあり、被加熱流体への熱伝達は流速が大きいほど効果的に行われるため、まもなく上昇に転じる。
【００２６】
その後、被加熱流体の温度が目標温度の８割程度となったところで（図３（ｄ）点）、制御装置６は、支燃ガスの流量を所定量まで減少させるように、支燃ガス供給装置４に信号を出力する。これにより、フィン５１表面で発生した熱がチューブ５内の被加熱流体以外へ伝達されるのを防止し、燃焼排気ガス温度を低くして熱交換効率を高めることができる。
【００２７】
図４に、制御手段６による制御のフローチャートを示す。図において、このシステムによる制御を開始したら、まず、支燃ガス供給装置４、被加熱流体供給装置７に制御信号を出力して、規定量の支燃ガス、所定の少量の被加熱流体の供給を開始し、さらに、燃料供給装置３にて、規定量の、燃料となる可燃ガスの供給を開始する（ステップ１、２、３）。次いで温度検出装置８によって被加熱流体の温度Ｔを検出し（ステップ４）、この温度Ｔが被加熱流体の代表的な沸点Ｔａ以上かどうかを判定する（ステップ５）。Ｔ≧Ｔａとなるまでこのステップを繰り返す。Ｔ≧Ｔａとなったら、支燃ガスの流量が増大するように、支燃ガス供給装置４に制御記号を出力する（ステップ６）。再度、温度検出装置８によって被加熱流体の温度Ｔを検出し、温度Ｔが沸点Ｔａを越えたかどうかを判定する（ステップ７）。これを繰り返して、Ｔ＞Ｔａとなったら、被加熱流体の流量を増大するように、被加熱流体供給装置７を制御し、被加熱流体の流量を規定量とする（ステップ８）。さらに、被加熱流体の温度Ｔが、目標とするガス温度の約８割の温度Ｔｂに達したかどうかを判定し（ステップ９）、これを繰り返して、Ｔ＝Ｔｂとなったら、支燃ガスの流量を規定量に減少するように支燃ガス供給装置４に制御信号を出力する（ステップ１０）。
【００２８】
以上のように、本実施の形態の触媒燃焼加熱装置は、安全で、かつ始動時間が短く、例えば３００℃の水蒸気を得るために、従来、十数分必要であったところを、数分に短縮することができる。本実施の形態の構成では、被加熱流体の進行方向が燃料ガスの流れ方向と対向する方向となっており、被加熱流体は、燃料ガス流路１１の下流側、つまり排気ガス口１３に近いほど低温となる。この場合、燃焼排気ガスがより低温の被加熱流体が流れるチューブ５に接触するので、排気ガス中の熱を効率よく回収でき、高い熱交換効率が得られる利点がある。
【００２９】
図５は、本発明の第２の実施の形態を示すものである。本実施の形態では被加熱流体と燃料ガスの流れ方向とを同じ向きとしてあり、熱交換器１の右端部に燃料ガス供給部２を設けて、燃料ガス流路１１内を、燃料ガスが、図の右方より左方へ流れるようにしてある。本実施の形態においても、上記被加熱流体の流路の出口となる導出管５５の管壁に、被加熱流体の温度を検出する温度検出装置８が設置されており、この検出結果を基に制御装置６によって、被加熱流体および支燃ガス流量を制御する。燃料ガス流路１１の上流側（図の右側）で、チューブ５の数が多く、また、フィン５１の径が小さくなっていること、その他の構成も上記第１の実施の形態と同様である。
【００３０】
このように被加熱流体と燃料ガスの流れ方向とを同じ向きとした構成では、濃度の高い可燃ガスに接触して最も高温となりやすい、燃料ガス流路１１の上流側（図の右側）に位置するフィン５１やチューブ５は、その内部を流れる低温の被加熱流体によって、異常に昇温することを免れることができる。しかしながら、システムの立ち上がり時には、可燃ガスの流れの下流側（図の左側）の温度が触媒の活性温度に達するまでは触媒燃焼が十分に行われない。このため、排気ガス口１３から未燃ガスが放出されて排気エミッションが悪化する懸念がある。
【００３１】
そこで、この場合は、図６（ａ）点の装置始動時において、被加熱流体の流量を少量とするのと同時に、支燃ガス流量を規定量より多くして、フィン５１表面で発生する熱を燃料ガスや燃焼排気ガスに伝達しやすくする。これにより、被加熱流体の流れが層流となるように流速を十分小さくして、フィン５１表面で発生する熱がチューブ５内に伝達されにくくし、さらに、燃料ガス流路１１の下流側が高温のガスに晒されやすくすることで、装置全体が早期に触媒活性温度に到達するようにする。
【００３２】
支燃ガス流量の増大は、被加熱流体が沸点に達した後（図６（ｂ）点）、さらに燃焼が進んで、被加熱流体が全てガス化するまで行う。被加熱流体がガス化すると急激にチューブ５内への熱抵抗が増大するので、被加熱流体の温度が沸点を越えたら（図６（ｃ）点）、制御装置６は、支燃ガスの流量を規定量まで低減することで、フィン５１表面で発生する熱がチューブ５内の被加熱流体以外へ伝達されるのを防止する。同時に、被加熱流体の流量を規定量まで増大させるよう、被加熱流体供給装置７を制御する。これにより、チューブ５内の被加熱流体の流速を高めて、チューブ５内への熱伝達を促進し、被加熱流体を早期に所定温度まで加熱することができる。
【００３３】
図７に、本実施の形態における制御手段６の制御のフローチャートを示す。支燃ガス供給装置４、被加熱流体供給装置７により、規定量より多い支燃ガス、所定の少量の被加熱流体の供給を開始し（ステップ１、２）、さらに、燃料供給装置３にて、規定量の燃料供給を開始する（ステップ３）。次いで温度検出装置８によって被加熱流体の温度Ｔを検出し（ステップ４）、この温度Ｔが被加熱流体の代表的な沸点Ｔａを越えたかどうかを判定する（ステップ５）。これを繰り返して、Ｔ＞Ｔａとなったら、支燃ガス供給装置４に制御信号を出力して、支燃ガスの流量を規定量に低減し（ステップ６）、被加熱流体の流量を規定量に増大するように被加熱流体供給装置７を制御する（ステップ７）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】第１の実施の形態における各流体の挙動を示す図である。
【図４】第１の実施の形態における制御方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。
【図６】第２の実施の形態における各流体の挙動を示す図である。
【図７】第２の実施の形態における制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 熱交換器
１１ 燃料ガス流路
１２ 燃料ガス供給口
１３ 排気ガス口（出口）
２ 燃料ガス供給部
３ 燃料供給装置
３１ 燃料供給路
４ 支燃ガス供給装置
４１ 支燃ガス供給路
５ チューブ
５１ フィン
５２、５３ 管寄せ
５４ 被加熱流体導入管
５５ 被加熱流体導出管
６ 制御装置（制御手段）
７ 被加熱流体供給装置
８ 温度検出装置（温度検出手段）
Claims (8)
- 燃料ガス流路中に、内部を被加熱流体流路とするチューブを配設し、上記チューブの外表面に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒を担持したフィンを接合して、燃料ガスの酸化反応熱により被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置において、上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する手段と、この温度検出手段によって検出される被加熱流体温度に基づいて、装置始動時の上記被加熱流体の流量制御を行う流量制御手段とを設け、該流量制御手段により、被加熱流体温度が所定温度を越えるまでは上記被加熱流体の流量を少量とし、所定温度を越えたら上記被加熱流体の流量を増大するようになすとともに、上記所定温度を上記被加熱流体の沸点としたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
- 上記流量制御手段は、装置始動時の上記被加熱流体の流量を上記被加熱流体の流れが層流となるような少量とし、この流量を上記被加熱流体の代表的な沸点を越えるまで維持するとともに、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記被加熱流体の流量を規定量まで増大する制御を行う請求項１記載の触媒燃焼加熱装置。
- 上記流量制御手段は、装置始動時において、上記被加熱流体の流量とともに、上記燃料ガス中に混合して供給される支燃ガスの流量を制御するものである請求項１記載の触媒燃焼加熱装置。
- 上記流量制御手段は、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点に達したら、上記支燃ガスの流量を規定量以上に増大する制御を行う請求項３記載の触媒燃焼加熱装置。
- 上記制御手段は、上記被加熱流体温度が目標温度付近で安定したら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う請求項４記載の触媒燃焼加熱装置。
- 上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向とが対向している請求項４または５記載の触媒燃焼加熱装置。
- 上記流量制御手段は、装置の始動時より上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えるまでは、上記支燃ガスの流量を規定量より多くし、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う請求項３記載の触媒燃焼加熱装置。
- 上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向とが同じ向きである請求項７記載の触媒燃焼加熱装置。
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