JP4017309B2 - ファン装置及びファンヒータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファンをモータで回転させて強制的に空気（気体）を送風するファン装置、及び、このようなファンを備えたファンヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のようなファン装置は、従来、一対のファンとモータとを設けて構成されている。また、ファンの種類は、その構造によって、プロペラ型、シロッコ型、クロスフロー型に分類され、使用条件等に基づいて選定して利用されている。
【０００３】
ファンヒータのように、燃焼器の下流側に対流用ファンを備え、燃焼器の燃焼部から排出される燃焼排ガスを吸引すると共に希釈空気口から希釈空気を吸引して、空気希釈された燃焼排ガスを暖房用温風として排出するように構成する場合、その対流用ファンとしては、燃焼排ガスを空気希釈するために必要な風量及び温風の排出口の形状を考慮して、クロスフロー型のファン装置が広く採用されている。
【０００４】
また、燃料と空気とを混合部において予め混合し、その予混合気を燃焼部において燃焼させるブンゼン燃焼方式（部分予混合燃焼）若しくは全一次空気燃焼方式（全予混合燃焼）の燃焼器をファンヒータに備えた場合は、予混合気を形成するための燃焼用空気を供給する必要が有り、上記のファンヒータのように対流用ファンを備える場合は、その対流用ファンの吸引力によって、燃焼用空気を吸引するように構成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃焼器を備えたファンヒータにおいて、燃焼器の燃焼部及び混合部の圧損が大きく、燃焼用空気を上記対流用ファンの吸引によって供給することができない場合がある。
特に、燃焼器内に形成された燃焼流路に、燃焼触媒を充填した燃焼触媒部とそれに続く気相燃焼部とを設け、断熱理論燃焼温度１５００℃以下（空気比約１．６以上）の燃料と空気の予混合気を、燃焼触媒層で部分的に触媒接触酸化燃焼させ、その後流で気相酸化を誘発して完全燃焼させる方式（ハイブリッド触媒燃焼方式と称される）（特表平６−５０６２９０号）を採用した燃焼器は、超低ＮＯｘ達成手段として提案されているが、その燃焼器の燃焼部及び混合部等の圧損が非常に高く、このような燃焼器をファンヒータに備える場合は、上記対流用ファンとは別に、対流用ファンよりも静圧を大きく取れる別型の燃焼用ファンを備える必要があり、余分のスペースをとり、さらにコストが高くなっていた。
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、上記のようにファンヒータ等に設けられる燃焼用ファンと対流用ファンのように２種類以上のファン装置を備える場合において、省スペース且つ低コスト化を図ることができる技術を得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に係る本発明のファン装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【０００７】
〔特徴〕
燃焼用空気と燃料とを混合して予混合気を形成する混合部と、前記燃料を燃焼させる燃焼部とを設けた燃焼器と、前記混合部に燃焼用空気を供給する燃焼用ファンと、前記燃焼部から排出された燃焼排ガスを空気希釈して外部へ排出する対流用ファンとを備えて構成され、
前記燃焼部が、前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とによって構成され、
前記燃焼触媒部における流れ方向と、前記気相燃焼部における流れ方向とが逆方向とされ、
前記燃焼用ファン及び前記対流用ファンの両方を同軸上に配設した回転軸と、前記回転軸を回転させるモータとを備え、
前記燃焼用ファンにより前記燃焼部へ送られる前記予混合気が、前記燃焼部で燃焼され、生成される前記燃焼排ガスが前記対流用ファンに戻る。
【０００８】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、燃焼用ファンと対流用ファンの両方を回転軸上に同軸配設し、その回転軸をモータによって回転させることで、１つのモータを有するファン装置で、燃焼部に燃焼用空気を供給しながら、燃焼部から排出される燃焼排ガスを誘引して外部に排出することができ、燃焼部において圧損があり、上流側若しくは下流側にファンを備えるだけでは気体を燃焼部内を流通させることができない場合でも、本発明のファン装置は、対流用ファンの誘引力と、燃焼用ファンの押込み力によって好ましい状態で気体を燃焼部に流通させることができる。
また、夫々のファンを必要な送風条件に適応した種類のものとすることができ、燃焼用空気と燃焼排ガスの夫々を、送風量若しくは静圧条件を各別に設定して送風することができる。
従って、２種類以上の気体を送風する場合において、本発明のファン装置を備えることで、夫々のファンを回転させるモータが１つですむので、省スペース且つ低コスト化を図ることができる。
【０００９】
さらに、ハイブリッド触媒燃焼方式を採用した燃焼器は高空気比の安定燃焼を達成し、超低ＮＯｘが可能であるが、ガスファンヒータ等に適用する場合、燃焼部における燃焼触媒部及び予熱部等の圧力損失が大きく、通常のガスファンヒータのように低静圧のクロスフロー型の対流用ファンにて燃焼用空気を吸引供給する手段が取れないことがある。
そこで、本構成のごとく、対流用ファンが設けられた回転軸に、燃焼用ファンを配設し、１つのモータによってその回転軸を駆動させることで、混合気に燃焼用空気を良好に供給することができ、さらに対流用ファンとは別の燃焼用ファンを追加したことによる装置寸法拡大及びコストアップを最小限に抑えることができる。
【００１０】
請求項２に係る本発明のファンヒータの特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１１】
〔特徴〕
上記請求項１に係る本願発明のファンヒータにおいて、前記燃焼触媒部を内筒に設けるとともに、前記気相燃焼部を前記内筒と外筒との間に設ける。
【００１２】
〔作用・効果〕
燃焼触媒部を設けた内筒と、その内筒を覆う形で外筒を設けて、燃焼触媒部の後流に気相燃焼部を設けることで、燃焼で発生する熱を上流側へ熱再生できる。
【００１３】
請求項３に係る本発明のファンヒータの特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１４】
〔特徴〕
上記請求項１又は２に係る本発明のファンヒータにおいて、前記燃焼用ファンが、シロッコ型のファンであり、前記対流用ファンが、クロスフロー型のファンである。
【００１５】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、燃焼用ファンとして静圧が比較的高いシロッコ型のファンを、対流用ファンとして静圧は低いが送風量及び吹出口の幅が大きく取れるクロスフロー型のファンを備え、その両ファンを１つのモータによって回転させることで、ファンヒータに燃焼室及び混合部の圧損が高い燃焼器を備えた場合においても、省スペース化及び低コスト化を図りながら、良好に燃焼用空気を混合部に供給して、さらに燃焼部から排出される燃焼排ガスを希釈空気によって良好に希釈して暖房用温風を排出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、天然ガス系都市ガスを燃料ガスＧとするガスファンヒータ１００及びそのファンヒータ１００に設けられたファン装置１について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るファンヒータ１００の全体概略図、図２は図１に示す燃焼器５０の側断面概略図である。
【００１７】
図１、２を参照して、ファンヒータ１００には、燃料ガスＧの一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部１１と、燃料ガスＧの残部を気相燃焼させる気相燃焼部１２とによって構成されたハイブリッド触媒燃焼方式の燃焼器５０（処理部の一例）が備えられている。
燃焼器５０には、後に説明する燃焼用ファン１ａによって供給される燃焼用空気Ａと燃料遮断弁３及び比例制御弁２を介して供給される燃料ガスＧとを混合して予混合気を形成する混合部４と、混合部４から送られる予混合気を予熱する予熱部１８と、前記燃焼触媒部１１とを設けた内筒２０と、その内筒２０を覆う形で外筒２２を設けて、燃焼触媒部１１の後流に気相燃焼部１２を設けると共に、燃焼で発生する熱を上流側へ熱再生できるように構成している。
予熱部１８には内筒２０の内壁に接し混合気の流れ方向と直角方向に板面を有する熱交換フィン１９が複数設けられており、予熱部１８を流通する混合気は、その熱交換フィン１９に設けられた開口を通過しながら、気相燃焼部１２の気相燃焼によって加熱された内筒２０の熱をこの熱交換フィン１９を介して受熱し、好ましい状態に加熱される。
燃焼触媒部１１は内筒２０の先端部に取付けられており、有効寸法、幅８５ｍｍ、奥行き２０ｍｍ、層高２０ｍｍの角形である。
【００１８】
燃焼触媒部１１は、波形の金属シートからなる支持体の片側に高比表面積を有する担体層を形成し、その担体層にパラジウム若しくは白金系触媒、又はそれを主成分として、銀、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムまたはロジウムから選択される一つまたはそれ以上の補助触媒を包含する触媒を塗布して焼成した後、支持体を螺旋状に巻き上げハニカム状に成形したものである。このように形成された燃焼触媒部１１では、片面のみに触媒をコートしたセルの集合体として形成されるので、触媒コート面で触媒燃焼によって発生する熱は、反対面の触媒がコートされていない面に熱伝導され混合気へ熱伝達される。こうして、触媒温度は断熱理論燃焼温度が１５００℃の混合気を燃焼する場合でも、燃焼率は５０％以下に抑制され、触媒温度も最高９５０℃以下に抑制され、触媒の劣化が抑制される。
【００１９】
内筒２０の外面は金属の熱保護と過度な熱伝達を抑制し燃焼を安定化するために厚み６ｍｍ程度の保温層が設けられている。また、燃焼触媒部１１の出口部直後の温度を検出する温度センサ２１が備えられ、その出力値を制御装置３０に送るように構成されている。
外筒２２の下部には、熱を上流側へ輻射して戻すために、幅２５ｍｍ、長さ１３０ｍｍ、厚み１２ｍｍの排出部伝熱変換体１４を組み込み、上流側の面を内筒２０の混合部４に対向するように排気口１５を備えており、この排出部伝熱変換体１４は、気相燃焼部１２から外部へ排出される燃焼排ガスの顕熱を輻射に変換してその上流側、即ち、気相燃焼部１２と内筒２０の混合部４を設けた外壁面とに放射することができる。
また、内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部に相当する気相燃焼部１２の位置から、混合部４に相当する気相燃焼部１２の位置までの範囲内である内筒２０の上縁から５０ｍｍの位置に、気相燃焼部１２の流路断面全体にわたって、厚み１２ｍｍの気相燃焼部伝熱変換体１６がセットされている。この気相燃焼部伝熱変換体１６は、気相燃焼部１２において燃焼排ガスの顕熱を輻射に変換してその上流側へ放射するのであるが、特に、低負荷燃焼を行う場合、気相燃焼部伝熱変換体１６の上流側の空間に熱を輻射に変換してフィードバックさせることで、高温の対流熱損失を抑制することができ、安定した気相燃焼を行うことができる。
伝熱変換体１４，１６はセル数６ケ／２５ｍｍ、見かけ比重０．４３、厚み１２ｍｍのアルミナーコーデイエライト製セラミックフォームである。
【００２０】
気相燃焼部１２は触媒燃焼によって部分的に燃焼し昇温された未燃焼の燃料が気相ラジカル反応によって完全燃焼されるに必要な滞留時間を確保する空間である。外筒２２の内側には断熱部材が設置されており、気相燃焼部１２は折り返し構造となっている。気相燃焼部１２の折り返し部分に、混合気に火花点火し燃焼を開始するためのイグナイタ２３、更に、気相反応の状況を観測するための温度センサ２４が備えられている。
【００２１】
次に、ファンヒータ１００に備えられた本発明に係るファン装置１について説明する。
図１を参照して、ファンヒータ１００に備えられたファン装置１は、燃焼器５０の混合部に燃焼用の空気Ａを供給するための燃焼用ファン１ａと、排気口１５から排出される燃焼排ガスＥを空気Ａによって希釈して暖房用温風Ｈとして外部へ排出するための対流用ファン１ｂとを同じ回転軸１ｃ上に並設して備え、モータ１ｄによって回転軸１ｃを回転させて両ファン１ａ，１ｂを回転させるように構成されている。
また、燃焼用ファン１ａは、燃焼器５０における圧損等を考慮して、最大送風量０．２ｍ3／ｍｉｎ、最大静圧２５０Ｐａ（２５ｍｍＨ2Ｏ）が得られるシロッコ型のファンであり、対流用ファン１ｂは、送風量及び暖房用温風の排出状態を考慮して、最大送風量２．７ｍ3／ｍｉｎが得られるクロスフロー型のファンである。モータ１ｄは交流１００Ｖで１３段階で風力が切り換えられるものとした。
【００２２】
また、燃料遮断弁３、比例制御弁２、イグナイタ２３及びその高圧電源は市販のファンヒータに備え付けられているものと同じ物を使用した。
制御装置３０として外部設置のパソコンを利用して燃焼の自動制御とデータ収録を行った。
【００２３】
次に、上記ファンヒータ１００において、燃焼テストを行った結果を説明する。
燃焼テストはメタンを主成分とし発熱量４６ＭＪ／ｍ3（Ｎｏｒｍａｌ）（１１０００ｋｃａｌ／ｍ3（Ｎｏｒｍａｌ））の市中供給の天然ガス系都市ガスを用いて行った。排気は対流用ファン１ｂの出口にて吸引サンプリングし、全炭化水素、ＣＯ，ＣＯ２、ＮＯｘを分析した。燃焼自動制御では、制御装置３０において、まず、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧Ｖを４８Ｖとして駆動し、イグナイタ２３をＯＮ状態にて、ガス遮断弁３を開にし、比例制御弁２に燃焼量３ｋＷ（２６００ｋｃａｌ／ｈ）に相当する初期動力を与える。
【００２４】
気相燃焼室１２における着火を気相燃焼部１２の温度センサ２４にて検知した後、イグナイタ２３の電源をＯＦＦにし、燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１を検出する温度センサ２１の検出結果に基づいてファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧Ｖを次式に従って上昇させる。
【００２５】
【数１】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００９７×Ｔ１１［℃］＋９．３
【００２６】
次に、温度センサ２１の出力値である燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１が第１段目の目標出力値である４００℃に到達した時点で、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧の関数を次式に変更してさらに上昇した。尚、温度センサ２１の出力値が４００℃に到達した時点での混合気の空気比は１．６程度である。
【００２７】
【数２】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００９×Ｔ１１［℃］＋９．６
【００２８】
次に、温度センサ２１の出力値である燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１が第２段目の目標出力値である７８０℃に到達した時点で、温度Ｔ１１を７８０℃に保持するようにファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧の制御をフィードバック制御に切り換えた定常のハイブリッド燃焼に至らしめた。尚、温度センサ２１の出力値が７８０℃に到達した時点での混合気の空気比は１．９程度である。
【００２９】
均一な気相燃焼による燃焼開始後、熱再生によって触媒が予熱され約４分後に燃焼触媒部１１において触媒燃焼が開始され、ハイブリッド触媒燃焼に移行し、６分後には超低ＮＯｘ定常ハイブリッド触媒燃焼に至った。燃焼開始から定常までの最大のＣＯ濃度は５ｐｐｍ、未燃の炭化水素濃度は３０ｐｐｍ、ＮＯｘ濃度は０．７ｐｐｍであった。
【００３０】
この後、比例制御弁２を働かせて、燃焼量を４ｋＷから０．７kＷまで（３５００ｋｃａｌ／ｈから６００ｋｃａｌ／ｈまで）変化させて燃焼を行った。燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１の制御温度は７６０℃から８４０℃であり、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧は１００Ｖから４０Ｖに変化した。
【００３１】
これらの燃焼は非常に安定であり、未燃の炭化水素、ＣＯはいずれも５ｐｐｍ以下、ＣＯ2は０．４５％から０．２６％であり、完全酸化率は９９．５％以上であった。ＮＯｘは０．１から０．０４ｐｐｍであり、ＮＯｘの理論乾きガス換算濃度（酸素０％濃度）は１．５ｐｐｍからほぼゼロであった。
【００３２】
【発明の効果】
対流用ファンを備えるファンヒータにおいて、超低ＮＯｘ化が可能なハイブリッド触媒燃焼方式等を採用することにより燃焼部若しくは混合部の圧損が大きくなり、燃焼用ファンを備える必要がある場合においても、本発明に係るファン装置を備えることで、装置寸法及びコストの増加を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るファンヒータ１００の全体概略図
【図２】 図１に示す燃焼器５０の側断面概略図
【符号の説明】
１ ファン装置
１ａ 燃焼用ファン
１ｂ 対流用ファン
１ｃ 回転軸
１ｄ モータ
４ 混合部
１１ 燃焼触媒部
１２ 気相燃焼部
５０ 燃焼器
１００ ファンヒータ
Ａ 空気
Ｅ 燃焼排ガス
Ｈ 暖房用温風
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファンをモータで回転させて強制的に空気（気体）を送風するファン装置、及び、このようなファンを備えたファンヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のようなファン装置は、従来、一対のファンとモータとを設けて構成されている。また、ファンの種類は、その構造によって、プロペラ型、シロッコ型、クロスフロー型に分類され、使用条件等に基づいて選定して利用されている。
【０００３】
ファンヒータのように、燃焼器の下流側に対流用ファンを備え、燃焼器の燃焼部から排出される燃焼排ガスを吸引すると共に希釈空気口から希釈空気を吸引して、空気希釈された燃焼排ガスを暖房用温風として排出するように構成する場合、その対流用ファンとしては、燃焼排ガスを空気希釈するために必要な風量及び温風の排出口の形状を考慮して、クロスフロー型のファン装置が広く採用されている。
【０００４】
また、燃料と空気とを混合部において予め混合し、その予混合気を燃焼部において燃焼させるブンゼン燃焼方式（部分予混合燃焼）若しくは全一次空気燃焼方式（全予混合燃焼）の燃焼器をファンヒータに備えた場合は、予混合気を形成するための燃焼用空気を供給する必要が有り、上記のファンヒータのように対流用ファンを備える場合は、その対流用ファンの吸引力によって、燃焼用空気を吸引するように構成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃焼器を備えたファンヒータにおいて、燃焼器の燃焼部及び混合部の圧損が大きく、燃焼用空気を上記対流用ファンの吸引によって供給することができない場合がある。
特に、燃焼器内に形成された燃焼流路に、燃焼触媒を充填した燃焼触媒部とそれに続く気相燃焼部とを設け、断熱理論燃焼温度１５００℃以下（空気比約１．６以上）の燃料と空気の予混合気を、燃焼触媒層で部分的に触媒接触酸化燃焼させ、その後流で気相酸化を誘発して完全燃焼させる方式（ハイブリッド触媒燃焼方式と称される）（特表平６−５０６２９０号）を採用した燃焼器は、超低ＮＯｘ達成手段として提案されているが、その燃焼器の燃焼部及び混合部等の圧損が非常に高く、このような燃焼器をファンヒータに備える場合は、上記対流用ファンとは別に、対流用ファンよりも静圧を大きく取れる別型の燃焼用ファンを備える必要があり、余分のスペースをとり、さらにコストが高くなっていた。
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、上記のようにファンヒータ等に設けられる燃焼用ファンと対流用ファンのように２種類以上のファン装置を備える場合において、省スペース且つ低コスト化を図ることができる技術を得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に係る本発明のファン装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【０００７】
〔特徴〕
燃焼用空気と燃料とを混合して予混合気を形成する混合部と、前記燃料を燃焼させる燃焼部とを設けた燃焼器と、前記混合部に燃焼用空気を供給する燃焼用ファンと、前記燃焼部から排出された燃焼排ガスを空気希釈して外部へ排出する対流用ファンとを備えて構成され、
前記燃焼部が、前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とによって構成され、
前記燃焼触媒部における流れ方向と、前記気相燃焼部における流れ方向とが逆方向とされ、
前記燃焼用ファン及び前記対流用ファンの両方を同軸上に配設した回転軸と、前記回転軸を回転させるモータとを備え、
前記燃焼用ファンにより前記燃焼部へ送られる前記予混合気が、前記燃焼部で燃焼され、生成される前記燃焼排ガスが前記対流用ファンに戻る。
【０００８】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、燃焼用ファンと対流用ファンの両方を回転軸上に同軸配設し、その回転軸をモータによって回転させることで、１つのモータを有するファン装置で、燃焼部に燃焼用空気を供給しながら、燃焼部から排出される燃焼排ガスを誘引して外部に排出することができ、燃焼部において圧損があり、上流側若しくは下流側にファンを備えるだけでは気体を燃焼部内を流通させることができない場合でも、本発明のファン装置は、対流用ファンの誘引力と、燃焼用ファンの押込み力によって好ましい状態で気体を燃焼部に流通させることができる。
また、夫々のファンを必要な送風条件に適応した種類のものとすることができ、燃焼用空気と燃焼排ガスの夫々を、送風量若しくは静圧条件を各別に設定して送風することができる。
従って、２種類以上の気体を送風する場合において、本発明のファン装置を備えることで、夫々のファンを回転させるモータが１つですむので、省スペース且つ低コスト化を図ることができる。
【０００９】
さらに、ハイブリッド触媒燃焼方式を採用した燃焼器は高空気比の安定燃焼を達成し、超低ＮＯｘが可能であるが、ガスファンヒータ等に適用する場合、燃焼部における燃焼触媒部及び予熱部等の圧力損失が大きく、通常のガスファンヒータのように低静圧のクロスフロー型の対流用ファンにて燃焼用空気を吸引供給する手段が取れないことがある。
そこで、本構成のごとく、対流用ファンが設けられた回転軸に、燃焼用ファンを配設し、１つのモータによってその回転軸を駆動させることで、混合気に燃焼用空気を良好に供給することができ、さらに対流用ファンとは別の燃焼用ファンを追加したことによる装置寸法拡大及びコストアップを最小限に抑えることができる。
【００１０】
請求項２に係る本発明のファンヒータの特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１１】
〔特徴〕
上記請求項１に係る本願発明のファンヒータにおいて、前記燃焼触媒部を内筒に設けるとともに、前記気相燃焼部を前記内筒と外筒との間に設ける。
【００１２】
〔作用・効果〕
燃焼触媒部を設けた内筒と、その内筒を覆う形で外筒を設けて、燃焼触媒部の後流に気相燃焼部を設けることで、燃焼で発生する熱を上流側へ熱再生できる。
【００１３】
請求項３に係る本発明のファンヒータの特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１４】
〔特徴〕
上記請求項１又は２に係る本発明のファンヒータにおいて、前記燃焼用ファンが、シロッコ型のファンであり、前記対流用ファンが、クロスフロー型のファンである。
【００１５】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、燃焼用ファンとして静圧が比較的高いシロッコ型のファンを、対流用ファンとして静圧は低いが送風量及び吹出口の幅が大きく取れるクロスフロー型のファンを備え、その両ファンを１つのモータによって回転させることで、ファンヒータに燃焼室及び混合部の圧損が高い燃焼器を備えた場合においても、省スペース化及び低コスト化を図りながら、良好に燃焼用空気を混合部に供給して、さらに燃焼部から排出される燃焼排ガスを希釈空気によって良好に希釈して暖房用温風を排出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、天然ガス系都市ガスを燃料ガスＧとするガスファンヒータ１００及びそのファンヒータ１００に設けられたファン装置１について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るファンヒータ１００の全体概略図、図２は図１に示す燃焼器５０の側断面概略図である。
【００１７】
図１、２を参照して、ファンヒータ１００には、燃料ガスＧの一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部１１と、燃料ガスＧの残部を気相燃焼させる気相燃焼部１２とによって構成されたハイブリッド触媒燃焼方式の燃焼器５０（処理部の一例）が備えられている。
燃焼器５０には、後に説明する燃焼用ファン１ａによって供給される燃焼用空気Ａと燃料遮断弁３及び比例制御弁２を介して供給される燃料ガスＧとを混合して予混合気を形成する混合部４と、混合部４から送られる予混合気を予熱する予熱部１８と、前記燃焼触媒部１１とを設けた内筒２０と、その内筒２０を覆う形で外筒２２を設けて、燃焼触媒部１１の後流に気相燃焼部１２を設けると共に、燃焼で発生する熱を上流側へ熱再生できるように構成している。
予熱部１８には内筒２０の内壁に接し混合気の流れ方向と直角方向に板面を有する熱交換フィン１９が複数設けられており、予熱部１８を流通する混合気は、その熱交換フィン１９に設けられた開口を通過しながら、気相燃焼部１２の気相燃焼によって加熱された内筒２０の熱をこの熱交換フィン１９を介して受熱し、好ましい状態に加熱される。
燃焼触媒部１１は内筒２０の先端部に取付けられており、有効寸法、幅８５ｍｍ、奥行き２０ｍｍ、層高２０ｍｍの角形である。
【００１８】
燃焼触媒部１１は、波形の金属シートからなる支持体の片側に高比表面積を有する担体層を形成し、その担体層にパラジウム若しくは白金系触媒、又はそれを主成分として、銀、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムまたはロジウムから選択される一つまたはそれ以上の補助触媒を包含する触媒を塗布して焼成した後、支持体を螺旋状に巻き上げハニカム状に成形したものである。このように形成された燃焼触媒部１１では、片面のみに触媒をコートしたセルの集合体として形成されるので、触媒コート面で触媒燃焼によって発生する熱は、反対面の触媒がコートされていない面に熱伝導され混合気へ熱伝達される。こうして、触媒温度は断熱理論燃焼温度が１５００℃の混合気を燃焼する場合でも、燃焼率は５０％以下に抑制され、触媒温度も最高９５０℃以下に抑制され、触媒の劣化が抑制される。
【００１９】
内筒２０の外面は金属の熱保護と過度な熱伝達を抑制し燃焼を安定化するために厚み６ｍｍ程度の保温層が設けられている。また、燃焼触媒部１１の出口部直後の温度を検出する温度センサ２１が備えられ、その出力値を制御装置３０に送るように構成されている。
外筒２２の下部には、熱を上流側へ輻射して戻すために、幅２５ｍｍ、長さ１３０ｍｍ、厚み１２ｍｍの排出部伝熱変換体１４を組み込み、上流側の面を内筒２０の混合部４に対向するように排気口１５を備えており、この排出部伝熱変換体１４は、気相燃焼部１２から外部へ排出される燃焼排ガスの顕熱を輻射に変換してその上流側、即ち、気相燃焼部１２と内筒２０の混合部４を設けた外壁面とに放射することができる。
また、内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部に相当する気相燃焼部１２の位置から、混合部４に相当する気相燃焼部１２の位置までの範囲内である内筒２０の上縁から５０ｍｍの位置に、気相燃焼部１２の流路断面全体にわたって、厚み１２ｍｍの気相燃焼部伝熱変換体１６がセットされている。この気相燃焼部伝熱変換体１６は、気相燃焼部１２において燃焼排ガスの顕熱を輻射に変換してその上流側へ放射するのであるが、特に、低負荷燃焼を行う場合、気相燃焼部伝熱変換体１６の上流側の空間に熱を輻射に変換してフィードバックさせることで、高温の対流熱損失を抑制することができ、安定した気相燃焼を行うことができる。
伝熱変換体１４，１６はセル数６ケ／２５ｍｍ、見かけ比重０．４３、厚み１２ｍｍのアルミナーコーデイエライト製セラミックフォームである。
【００２０】
気相燃焼部１２は触媒燃焼によって部分的に燃焼し昇温された未燃焼の燃料が気相ラジカル反応によって完全燃焼されるに必要な滞留時間を確保する空間である。外筒２２の内側には断熱部材が設置されており、気相燃焼部１２は折り返し構造となっている。気相燃焼部１２の折り返し部分に、混合気に火花点火し燃焼を開始するためのイグナイタ２３、更に、気相反応の状況を観測するための温度センサ２４が備えられている。
【００２１】
次に、ファンヒータ１００に備えられた本発明に係るファン装置１について説明する。
図１を参照して、ファンヒータ１００に備えられたファン装置１は、燃焼器５０の混合部に燃焼用の空気Ａを供給するための燃焼用ファン１ａと、排気口１５から排出される燃焼排ガスＥを空気Ａによって希釈して暖房用温風Ｈとして外部へ排出するための対流用ファン１ｂとを同じ回転軸１ｃ上に並設して備え、モータ１ｄによって回転軸１ｃを回転させて両ファン１ａ，１ｂを回転させるように構成されている。
また、燃焼用ファン１ａは、燃焼器５０における圧損等を考慮して、最大送風量０．２ｍ3／ｍｉｎ、最大静圧２５０Ｐａ（２５ｍｍＨ2Ｏ）が得られるシロッコ型のファンであり、対流用ファン１ｂは、送風量及び暖房用温風の排出状態を考慮して、最大送風量２．７ｍ3／ｍｉｎが得られるクロスフロー型のファンである。モータ１ｄは交流１００Ｖで１３段階で風力が切り換えられるものとした。
【００２２】
また、燃料遮断弁３、比例制御弁２、イグナイタ２３及びその高圧電源は市販のファンヒータに備え付けられているものと同じ物を使用した。
制御装置３０として外部設置のパソコンを利用して燃焼の自動制御とデータ収録を行った。
【００２３】
次に、上記ファンヒータ１００において、燃焼テストを行った結果を説明する。
燃焼テストはメタンを主成分とし発熱量４６ＭＪ／ｍ3（Ｎｏｒｍａｌ）（１１０００ｋｃａｌ／ｍ3（Ｎｏｒｍａｌ））の市中供給の天然ガス系都市ガスを用いて行った。排気は対流用ファン１ｂの出口にて吸引サンプリングし、全炭化水素、ＣＯ，ＣＯ２、ＮＯｘを分析した。燃焼自動制御では、制御装置３０において、まず、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧Ｖを４８Ｖとして駆動し、イグナイタ２３をＯＮ状態にて、ガス遮断弁３を開にし、比例制御弁２に燃焼量３ｋＷ（２６００ｋｃａｌ／ｈ）に相当する初期動力を与える。
【００２４】
気相燃焼室１２における着火を気相燃焼部１２の温度センサ２４にて検知した後、イグナイタ２３の電源をＯＦＦにし、燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１を検出する温度センサ２１の検出結果に基づいてファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧Ｖを次式に従って上昇させる。
【００２５】
【数１】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００９７×Ｔ１１［℃］＋９．３
【００２６】
次に、温度センサ２１の出力値である燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１が第１段目の目標出力値である４００℃に到達した時点で、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧の関数を次式に変更してさらに上昇した。尚、温度センサ２１の出力値が４００℃に到達した時点での混合気の空気比は１．６程度である。
【００２７】
【数２】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００９×Ｔ１１［℃］＋９．６
【００２８】
次に、温度センサ２１の出力値である燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１が第２段目の目標出力値である７８０℃に到達した時点で、温度Ｔ１１を７８０℃に保持するようにファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧の制御をフィードバック制御に切り換えた定常のハイブリッド燃焼に至らしめた。尚、温度センサ２１の出力値が７８０℃に到達した時点での混合気の空気比は１．９程度である。
【００２９】
均一な気相燃焼による燃焼開始後、熱再生によって触媒が予熱され約４分後に燃焼触媒部１１において触媒燃焼が開始され、ハイブリッド触媒燃焼に移行し、６分後には超低ＮＯｘ定常ハイブリッド触媒燃焼に至った。燃焼開始から定常までの最大のＣＯ濃度は５ｐｐｍ、未燃の炭化水素濃度は３０ｐｐｍ、ＮＯｘ濃度は０．７ｐｐｍであった。
【００３０】
この後、比例制御弁２を働かせて、燃焼量を４ｋＷから０．７kＷまで（３５００ｋｃａｌ／ｈから６００ｋｃａｌ／ｈまで）変化させて燃焼を行った。燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１の制御温度は７６０℃から８４０℃であり、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧は１００Ｖから４０Ｖに変化した。
【００３１】
これらの燃焼は非常に安定であり、未燃の炭化水素、ＣＯはいずれも５ｐｐｍ以下、ＣＯ2は０．４５％から０．２６％であり、完全酸化率は９９．５％以上であった。ＮＯｘは０．１から０．０４ｐｐｍであり、ＮＯｘの理論乾きガス換算濃度（酸素０％濃度）は１．５ｐｐｍからほぼゼロであった。
【００３２】
【発明の効果】
対流用ファンを備えるファンヒータにおいて、超低ＮＯｘ化が可能なハイブリッド触媒燃焼方式等を採用することにより燃焼部若しくは混合部の圧損が大きくなり、燃焼用ファンを備える必要がある場合においても、本発明に係るファン装置を備えることで、装置寸法及びコストの増加を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るファンヒータ１００の全体概略図
【図２】 図１に示す燃焼器５０の側断面概略図
【符号の説明】
１ ファン装置
１ａ 燃焼用ファン
１ｂ 対流用ファン
１ｃ 回転軸
１ｄ モータ
４ 混合部
１１ 燃焼触媒部
１２ 気相燃焼部
５０ 燃焼器
１００ ファンヒータ
Ａ 空気
Ｅ 燃焼排ガス
Ｈ 暖房用温風
Claims (3)
- 燃焼用空気と燃料とを混合して予混合気を形成する混合部と、前記燃料を燃焼させる燃焼部とを設けた燃焼器と、前記混合部に燃焼用空気を供給する燃焼用ファンと、前記燃焼部から排出された燃焼排ガスを空気希釈して外部へ排出する対流用ファンとを備えて構成され、
前記燃焼部が、前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とによって構成され、
前記燃焼触媒部における流れ方向と、前記気相燃焼部における流れ方向とが逆方向とされ、
前記燃焼用ファン及び前記対流用ファンの両方を同軸上に配設した回転軸と、前記回転軸を回転させるモータとを備え、
前記燃焼用ファンにより前記燃焼部へ送られる前記予混合気が、前記燃焼部で燃焼され、生成される前記燃焼排ガスが前記対流用ファンに戻ることを特徴とするファンヒータ。 - 前記燃焼触媒部を内筒に設けるとともに、前記気相燃焼部を前記内筒と外筒との間に設けたことを特徴とする請求項１に記載のファンヒータ。
- 前記燃焼用ファンが、シロッコ型のファンであり、前記対流用ファンが、クロスフロー型のファンである請求項１又は２に記載のファンヒータ。
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