JP4430156B2 - 触媒燃焼加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用あるいは自動車用暖房器の熱源等に用いられ、燃料ガスの触媒による酸化反応熱を利用して被加熱流体を加熱する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）を酸化触媒を用いて燃焼させ、発生する熱を利用して被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置が知られており、家庭用、自動車用をはじめ様々な用途への利用が期待されている（例えば、特開平５−２２３２０１号公報等）。触媒燃焼加熱装置は、通常、燃料ガスの流路内に、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、該チューブの外周に多数のフィンを一体的に接合した触媒付熱交換器を備えている。上記多数のフィンには、例えば白金やパラジウム等の酸化触媒を担持してあり、この触媒担持フィンを加熱して活性化させ、可燃ガスと接触させると、フィン表面において酸化反応が生起する。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）と混合された後、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】
ところが、上記従来の触媒燃焼加熱装置では、装置始動時において、燃料ガス流路の上流側の触媒が十分な活性状態となっていないと、未反応の燃料ガス（未燃ガス）が排出されてしまったり、未反応のまま下流側に流れながら高濃度となった燃料ガスが、燃料ガス流路の出口近傍において酸化触媒と接触して一気に反応し、発火等を引き起こす可能性があった。また、これを防止するために、燃料ガス流路の各部位におけるチューブおよびフィンの温度をそれぞれモニタしながら、徐々に立ち上げる方法があるが、構成が複雑になり、しかも始動時間が長くなるといった不具合があった。
【０００５】
しかして、本発明は、簡単な構成で、未燃ガスの排出や発火等を防止しながら、早期に触媒付熱交換器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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の触媒燃焼加熱装置は、容器内に、可燃ガスと支燃ガスを含む燃料ガスが流れる燃料ガス流路と被加熱流体が流れる被加熱流体流路とを接触させて設け、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けた触媒付熱交換器を備え、上記燃料ガスの酸化反応熱により上記酸化触媒層を活性化するとともに上記被加熱流体を加熱するようになしてある。上記燃料ガス流路の出口近傍には、燃焼排気ガスの温度もしくは上記可燃ガスの濃度を検出する検出手段を設けてあり、この検出手段の検出結果に基づいて装置始動時に上記酸化触媒層を活性化すべく供給される上記可燃ガスの流量を制御する流量制御手段を設ける。そして、上記流量制御手段は、上記検出手段によって検出される上記燃焼排気ガスの温度が、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことのできる所定温度を越えるまで、あるいは上記可燃ガスの濃度が、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことのできる所定濃度を下回るまでは、上記可燃ガスの流量を、上記支燃ガスに対する割合が爆発限界を下回るように設定される一定量とし、上記燃焼排気ガスの温度が上記所定温度を越え、あるいは上記可燃ガスの濃度が上記所定濃度を下回ったら上記可燃ガスの流量を、上記酸化触媒層の反応面積に応じて規定される量まで増大させる制御を行うものである。
【０００７】
触媒燃焼では、触媒温度が、反応面積に応じた量の可燃ガスをほぼ完全に酸化するための活性温度の６割程度まで上昇すれば、その後は燃料の増量に伴って、反応が活発化する。また、触媒付熱交換器の一部が十分活性化すれば、周囲の触媒はその輻射熱や燃焼ガスを媒体とする熱の移動によって瞬く間に活性温度に達する。そこで、本発明では、上記検出手段を用いて触媒付熱交換器内の触媒の活性化状態を知り、それに応じて上記可燃ガスの流量を制御する。例えば、上記可燃ガスの割合が上記支燃ガスに対してごく小さければ、未燃ガスが上記燃料ガス流路の下流側で一気に反応しても、発火に至ることはない。また、可燃ガス流量が小さければ、上流から徐々に反応しながら下流側に向かうので、極端な可燃ガスの吹き抜けがない。
【０００８】
また、このように支燃ガスの量に対して可燃ガスの量が少ない場合、可燃ガスがほぼ完全に酸化しないと燃焼排気ガスの温度上昇を明確に確認できない。つまり、燃焼排気ガスの温度が明らかに上昇を開始すれば、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことができる。あるいは、上記可燃ガスの濃度が急激に低下すれば、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことができる。従って、上記流量制御手段により、これらの状態が検出されるまでは可燃ガスの流量が少なくなるようにし、これらの状態が検出されたら可燃ガス流量を増大するように制御すれば、発生する熱を効果的に利用して、早期に触媒付熱交換器全体を活性化することができる。よって、構成が簡単で、多数の温度をモニタする必要がなく、未燃ガスの排出や発火等を防止して、安全で始動時間の短い触媒燃焼加熱装置を実現できる。
【０００９】
具体的には、上記燃焼排気ガスの温度が明らかに上昇を開始し、所定温度を超えたことを確認すれば、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことができる。あるいは、上記可燃ガスの濃度が急激に低下し、所定濃度を下回れば、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことができる。そこで、上記燃焼排気ガスの温度が所定温度を越えたかどうか、または上記可燃ガスの濃度が所定濃度を下回ったかどうかを検出するようにする。また、上記可燃ガスの割合が十分小さければ、可燃ガスが下流側で一気に反応しても危険な状態となることはなく、安全性が確保できる。
【００１０】
請求項２の構成では、上記触媒付熱交換器は、補助熱源を有さず、上記燃料ガスの酸化反応熱のみにより上記酸化触媒層を活性化するものである。
【００１１】
請求項３の構成では、上記触媒付熱交換器が、上記燃料ガス流路の各部位に、対応する上記被加熱流体流路の内部を流れる被加熱流体の状態が液体状態から沸騰状態を経てガス状態に変化するのに応じて必要な量の可燃ガスを分配供給するための可燃ガス供給口を有する燃料分配手段を備える。該燃料分配手段は、被加熱流体が沸騰状態となる上記燃料ガス流路の中間部に他の部位より多くの上記可燃ガス供給口を形成する。
【００１２】
上記燃料ガス流路内に、上記被加熱流体流路内の被加熱流体の状態に応じて可燃ガスを分離導入する構成では、下流側にも一定割合の可燃ガスが常に供給されるため、上記燃料ガス流路の上流に可燃ガスと支燃ガスの混合ガスを供給する構成に比べ、下流側において燃料ガスが高濃度となりやすい。このような場合でも、本発明により、上記検出手段の検出結果に基づいて上記流量制御手段により可燃ガスの流量を制御することで、安全に触媒の早期活性化を行うことができる。また、上記構成では、可燃ガスを分離導入し、定常燃焼時には上記燃料ガス流路の各部位にそれぞれ必要な量の可燃ガスを供給することで、フィンやチューブ等の局部過熱を防止しながら効率よく触媒燃焼を行い、熱交換効率を高めることができる。
【００１３】
請求項４のように、上記触媒付熱交換器は、上記燃料ガス流路内に内部を被加熱流体が流れる多数のチューブを配設して、これらチューブを互いに連結することにより上記被加熱流体流路を形成した構成とすることができる。あるいは、多数の仕切板を平行配設して、隣接する２枚の仕切板間に上記燃料ガス流路と上記被加熱流体流路を交互に形成した積層型の構成とすることもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の触媒燃焼装置の第１の実施の形態を説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器の断面図で、両端開口の筒状の容器１は、その内部を燃料ガス流路１１となしている。燃料ガスは可燃ガスと支燃ガスの混合気からなり、可燃ガスとしては、例えば、水素、メタノール等が、支燃ガスとしては、例えば、空気等が使用される。容器１には、図の左端部に支燃ガス供給口１２が、右端部に排気口１３が設けられ、燃料ガスは、燃料ガス流路１１内を図の左方より右方へ向けて流れる。また、図１（ｂ）に示すように、容器１の側部には、燃料分配手段たる可燃ガスの供給部５が形成されている。
【００１５】
燃料ガス流路１１内には、内部を被加熱流体が流れる多数のチューブ２が、燃料ガスの流れと直交する方向（図１（ａ）の上下方向）に延び、これらチューブ２は、燃料ガスの流れ方向に層状に並列配置されている（図１（ｂ））。ここでは、３層のチューブ２の層（第１層２Ａ〜第３層２Ｃ）が形成してある。各チューブ２の外周には、リング状の多数のフィン２１がロー付け等の方法で一体に接合されており、その外表面には、アルミナ等の多孔質体を担体として白金、パラジウム等の酸化触媒を担持させた酸化触媒層が形成してある。フィン２１外表面に加え、チューブ２の外周表面に酸化触媒層を形成してもよい。
【００１６】
可燃ガスの供給部５は、チューブ２の各層２Ａ〜２Ｃに、内部を流れる被加熱流体の状態に応じた量の可燃ガスを分配供給するための多数の可燃ガス供給口５１を有している。多数の可燃ガス供給口５１は、容器１の側壁を貫通して燃料ガス流路１１内に開口し（図１（ｂ））、チューブ２の層２Ａ〜２Ｃの上流側にそれぞれ所定数形成されて（図１（ａ））、各層に必要な量の可燃ガスを分離供給するようになしてある。各層２Ａ〜２Ｃに対応する可燃ガス供給口５１の数は、各層の被加熱流体の状態に応じて必要な量の可燃ガスが供給されるように適宜決定される。被加熱流体は、沸騰状態である時に熱伝達率が高く、また液体から気体になるために多くの熱量を必要とすることから、被加熱流体が沸騰状態である中間の第２層２Ｂの上流側に、他の層よりも多くの可燃ガス供給口５１を形成する。
【００１７】
可燃ガスの供給部５には、一端側（図１（ｂ）の左端側）に可燃ガス供給装置５２が接続してある。上記燃料ガス流路１１の出口となる排気口１３内には、検出手段たる温度検出装置７が配設され、この温度検出装置７で検出した燃焼排気ガスの温度を基に、流量制御手段（始動時流量制御手段）たる流量制御装置６にて、可燃ガスの供給部５に導入される可燃ガスの流量を制御するようになしてある。また、流量制御装置６は、支燃ガス供給装置１４により支燃ガス供給口１２に供給される支燃ガスの流量も制御している。
【００１８】
上流側の第１層２Ａを構成するチューブ２は、その両端部に設けた流体溜３１、３２によって結合されている（図１（ａ））。同様に、中間の第２層２Ｂを流体溜３２、３３に、下流側の第３層２Ｃを流体溜３３、３４に連結し、流体溜３４に被加熱流体の導入管４１を、流体溜３１に導出管４２を連結することで、図に矢印で示すように、燃料ガス流路１１内をジグザクに、下流側より上流側へ向かう被加熱流体流路が形成される。被加熱流体としては、例えば水が使用され、この流路内を流通する間に、燃料ガスの酸化反応熱によって高温に加熱され、沸騰状態を経て、ガス状態となる。ここでは、例えば、下流側の第３層２Ｃが被加熱流体が液体状態（液昇温部）、中間の第２層２Ｂで沸騰状態（液沸騰部）、上流側の第１層２Ａでガス状態（ガス昇温部）となるように、流量、発熱量等を制御する。被加熱流体は、被加熱流体供給装置８により導入管４１内に供給され、その流量は、流量制御装置６により制御される。
【００１９】
なお、チューブ２外周のフィン２１の取付間隔は、内部を流れる被加熱流体が沸騰状態で必要な熱量が大きい第２層２Ｂにおいて、他の層よりも小さくなっており（図１（ａ））、第２層２Ｂの発熱面積が大きくなるようにしている。また、高温の被加熱流体が流れる第１層２Ａで、チューブ２の径を小さくし、発熱面積を小さくして、フィン２１やチューブ２の過熱を防止している。チューブ２の径や数は、ここでは各層で同一としているが、内部を流れる被加熱流体に必要な熱量に応じて適宜変更することもできる。
【００２０】
上記構成において、燃料ガス流路１１内には、支燃ガス供給口１２より支燃ガスが供給され、可燃ガスの供給部５より多数の可燃ガス供給口５１を介して供給される可燃ガスと混合して、チューブ２の各層２Ａ〜２Ｃに供給される。そして、フィン２１表面の酸化触媒層に接触して酸化反応を起こし、触媒燃焼しながら排気口１３へ向かう。ここで、支燃ガスおよび可燃ガスの流量は、流量制御装置６によって制御され、本発明では、特に装置始動時の可燃ガスの流量を燃焼排気ガス温度を基に制御することで、装置を速やかに始動させる。
【００２１】
次に、この流量制御装置６による支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御方法について説明する。図２に装置の始動時における各流体の流量変化を、図３には上記流量制御装置６による、支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御のフローチャートを示す。本実施の形態では、流量制御装置６が、上記温度検出装置７によって検出される上記燃焼排気ガス温度が所定温度を越えるまでは、可燃ガスの流量をごく少量とし、燃焼排気ガス温度が所定温度を越えたら、可燃ガスの流量を規定量まで増大させる制御を行う。具体的には、図３のフローチャートに示すように、装置の始動（ステップＳ１）とともに、支燃ガスは規定の量を供給する（ステップＳ２）。それと同時に可燃ガスの供給を開始する（ステップＳ３）。
【００２２】
この時、可燃ガスの供給量は支燃ガスの流量に対して十分小さくし、具体的には可燃ガスが水素の場合は、４％未満、好ましくは１％程度とするのがよい。支燃ガスに対する可燃ガスの割合が１％程度であれば、燃料ガスの流路１１の上流側で反応しなかった未燃ガスが下流側で一気に反応しても、爆発限界の４％を十分下回っているため、発火に至ることはない。また、本実施の形態では、多数の可燃ガス供給口５１を設けて可燃ガスを分離供給する構成としており、下流側にも一定割合の可燃ガスが供給されることになるが、可燃ガス流量が十分小さい場合には、可燃ガスの運動エネルギーの影響が極めて少ないため、燃料ガスの流路１１上流側の可燃ガス供給口５１から吹き出す可燃ガスの割合が比較的高くなる。よって、可燃ガスが上流側から徐々に反応しながら下流側に向かうので、極端な可燃ガスの吹き抜けがない。
【００２３】
燃料ガスの流路１１の下流側では、温度検出装置７によって排気口１３近傍の燃焼排気ガス温度Ｔを随時検出し（ステップＳ４）、検出される燃焼排気ガス温度Ｔの明らかな上昇が確認されるまでこれを繰り返す。図２では、時間（ａ）において燃焼排気ガス温度Ｔが上昇を開始し、時間（ｂ）で燃焼排気ガス温度Ｔが急上昇している。そこで、検出される燃焼排気ガス温度Ｔが時間（ｂ）における燃焼排気ガス温度Ｔｂを越えたかどうかを判断し（ステップＳ５）、燃焼排気ガス温度Ｔｂを越えたら、被加熱流体の供給を開始する（ステップＳ６）。被加熱流体の供給量は規定量とする。同時に可燃ガスの流量を規定量まで増大させる（ステップ７）。
【００２４】
支燃ガスの量に対して可燃ガスの量が１％と少ない場合、可燃ガスがほぼ完全に酸化しないと燃焼排気ガスの温度上昇を明確に確認できない。つまり、燃焼排気ガスの温度が明らかに上昇を開始すれば、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことができる。また、触媒燃焼では、触媒温度が、反応面積に応じた量の可燃ガスをほぼ完全に酸化するための活性温度の６割程度まで上昇すれば、その後は燃料の増量に伴って、反応が活発化する。よって、図２の時間（ｂ）で被加熱流体および可燃ガスの流量を規定量まで増大させると同時に、触媒燃焼が促進されて、燃焼排気ガスの温度Ｔがさらに上昇する。図２の時間（ｃ）を過ぎると温度上昇が小さくなり、燃焼が安定化して燃焼排気ガスの温度Ｔがほぼ一定となる。
【００２５】
以上のように、上記構成によれば、発火等の危険を回避しつつ、触媒付熱交換器全体を速やかに活性化し、短時間で装置を始動させることができる。また、多数の可燃ガス供給口５１を設けて触媒付熱交換器に可燃ガスを分離供給する構成としたので、各部位に被加熱流体の状態に応じた量の可燃ガスを供給することができる。よって、水素のように反応速度が比較的早い可燃ガスを使用した場合でも、燃料ガス流路１１の上流側で触媒反応量が多くなりすぎて、フィン２１やチューブ２が過昇温となり、発火したりするのを防止することができる。また、各部位に必要な量の可燃ガスを供給することで、高い熱交換効率を実現することができる。
【００２６】
図４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、容器１内に形成した燃料ガス流路１１の排気口１３内に、検出手段として上記第１の実施の形態における温度検出装置７の代わりに、可燃ガス濃度検出装置９を配設する。その他の構成は上記第１の実施の形態と同様である。可燃ガス濃度検出装置９は、排気口１３近傍における燃焼排気ガス中の可燃ガス濃度を検出するためのもので、この検出結果を基に、流量制御手段（始動時流量制御手段）たる流量制御装置６にて、上記可燃ガスの供給部５に導入される可燃ガスの流量を制御するようになしてある。
【００２７】
以下、上記流量制御装置６による支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御方法について説明する。図５に装置の始動時における各流体の流量変化を、図６には流量制御装置６による、支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御のフローチャートを示す。本実施の形態では、流量制御装置６が、可燃ガス濃度検出装置９によって検出される可燃ガス濃度が所定濃度を下回るまでは、可燃ガスの流量をごく少量とし、可燃ガス濃度が所定濃度を下回ったら、可燃ガスの流量を規定量まで増大させる制御を行う。具体的には、図６のフローチャートに示すように、装置の始動（ステップＳ１１）とともに、支燃ガスは規定の量を供給する（ステップＳ１２）。同時に支燃ガスの１％程度の可燃ガスの供給を開始する（ステップＳ１３）。
【００２８】
燃料ガス流路１１の下流側では、可燃ガス濃度検出装置９によって排気口１３近傍の可燃ガス濃度Ｈを随時検出し（ステップＳ１４）、検出される可燃ガス濃度Ｈの急激な低下が確認されるまでこれを繰り返す。例えば、図２では、時間（ａ）で可燃ガス濃度Ｈが低下し始め、時間（ｂ）で可燃ガス濃度Ｈが急激に低下している。そこで、検出される可燃ガス濃度Ｈが時間（ｂ）における可燃ガス濃度Ｈｂを下回ったかどうかを判断し（ステップＳ１５）、可燃ガス濃度Ｈｂを下回ったら、規定量の被加熱流体の供給を開始する（ステップＳ１６）。同時に可燃ガスの流量を規定量まで増大させる（ステップ１７）。
【００２９】
このように、可燃ガス濃度Ｈの急激な低下を検出することによっても、供給された可燃ガスが完全に酸化され、触媒の一部が活性温度に達したとすることができる。よって、可燃ガス濃度Ｈが所定濃度を下回ったかどうかに基づいて、被加熱流体および可燃ガスの流量を制御することで、触媒付熱交換器全体を速やかに活性化し、短時間で装置を始動させる同様の効果が得られる。
【００３０】
図７〜９に本発明の第３の実施の形態を示す。本実施の形態では、触媒燃焼加熱装置の主要部である触媒付熱交換器が、積層型の基本構成を有している点で、上記第１および第２の実施の形態と異なっている。図７（ａ）、（ｂ）において、矩形断面の容器１内は、隔壁１５、１６によって、熱交換部とその上下の流体溜３５、３６に区画されている。熱交換部は、図７（ｂ）の左右方向に平行配設された多数の仕切板６１を有し、隣接する２枚の仕切板６１間に燃料ガス流路１１と被加熱流体流路２２とを交互に形成してなる。
【００３１】
各燃料ガス流路１１は、図７（ａ）のように、その内部に仕切用のスペーサ１７、１８を配設することにより、上下方向に３分割されている（１１Ａ〜１１Ｃ）。そして、図の上方から下方へ向けてジグザクに燃料ガスが流れるように、上流部１１Ａの左端部に支燃ガス供給口１２を、下流部１１Ｃの右端部に排気口１３を配設し、中間部１１Ｂの右端部と上流部１１Ａを、左端部と下流部１１Ｃをそれぞれ流路７１、７２で連結してある。
【００３２】
一方、図７（ｂ）のように、各被加熱流体流路２２の上下端は、隔壁１５、１６を貫通してそれぞれ流体溜３５、３６に連通している。そして、図７（ａ）のように、下方の流体溜３６に被加熱流体の導入管４１を、上方の流体溜３５に導出管４２を連結することで、図の下方から上方へ、すなわち燃料ガス流路１１の下流側より上流側へ向けて被加熱流体が流れるようになしてある。本実施の形態では、被加熱流体流路２２内を、燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃに対応する３つの層２２Ａ〜２２Ｃに分けており、例えば、燃料ガス流路１１の下流部１１Ｃに対応する第３層２２Ｃで被加熱流体が液体状態、中間部１１Ｂに対応する第２層２２Ｂで沸騰状態、上流部１１Ａに対応する第１層２２Ａでガス状態となるように流量、発熱量等が制御される。
【００３３】
ここで、各燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃには、矩形断面の波板状のフィン７３が挿通配設してある。図８のように、フィン７３は、流路壁となる２枚の仕切板６１間に挟持されて、中間部１１Ｂ、下流部１１Ｃ内をさらに多数の流路に区画しており、これらフィン７３および仕切板６１の表面には、アルミナ等の多孔質体を担体として白金、パラジウム等の酸化触媒を担持した酸化触媒層が形成してある。
【００３４】
本実施の形態では、燃料ガス流路１１の中間部１１Ｂにおいて、フィン７３を構成する波板の対向面間の間隔を、上流部１１Ａ、下流部１１Ｃよりも小さくする（図７（ａ）、（ｂ））。これにより、内部を流れる被加熱流体が沸騰状態である第２層２２Ｂに対応する発熱面積を大きくして、発熱量をさらに大きくすることができる。また、フィン７３を矩形断面形状としたことで仕切板６１との接触面積が大きくなり、伝熱性能が向上する。
【００３５】
図９（ａ）、（ｂ）のように、各被加熱流体流路２２内にも、矩形断面の波板状のフィン２３が挿通配設されて、さらに多数の流路に区画されている。この時、図８のように、被加熱流体流路２２のフィン２３と燃料ガス流路１１のフィン７３とは、流路方向が互いに直交するように配され、平板状の仕切板６１を挟んで、これらフィン２３とフィン７３とを交互に積層することで熱交換部が構成される。
【００３６】
本実施の形態では、被加熱流体流路２２内部を流れる被加熱流体の状態に応じた量の燃料ガスを分配供給するための燃料分配手段として、図７（ｂ）、図９（ａ）に示すように、容器１の側部に、多数の燃料供給口たる可燃ガス供給口５１を有する可燃ガスの供給部５を設ける。これら可燃ガス供給口５１は、図７（ａ）のように、燃料ガス流路１１の各部１１Ａ〜１１Ｃの上流側に可燃ガスを分離供給するためのもので、支燃ガス供給口１２、流路７１および流路７２に連通させて、それぞれ所定数形成してある。各部１１Ａ〜１１Ｃに形成する可燃ガス供給口５１の数は、それぞれ対応する被加熱流体の状態に応じて必要な量の可燃ガスが供給されるように適宜決定される。被加熱流体は、沸騰状態である時に熱伝達率が高く、また液体から気体になるために多くの熱量を必要とすることから、ここでは、被加熱流体が沸騰状態である第２層２２Ｂの上流である流路７１に、より多くの可燃ガス供給口５１を形成する。
【００３７】
可燃ガスの供給部５の一端側（図７（ｂ）の上端側）に設けた可燃ガス導入管５３には、可燃ガス供給装置５２が接続してある。また、燃料ガス流路１１の出口となる排気口１３内には、燃焼排気ガス温度の検出手段たる温度検出装置７が配設され、この検出結果を基に、流量制御手段たる流量制御装置６が可燃ガスの供給部５に導入される可燃ガスの流量を制御するようになしてある。また、流量制御装置６は、支燃ガス供給装置１４により支燃ガス供給口１２に供給される支燃ガスの流量、および被加熱流体供給装置８により導入管４１内に供給される被加熱流体の流量を制御している。
【００３８】
この流量制御装置６による支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御方法は、上記第１の実施の形態と同様であり、装置始動時の可燃ガスの流量を燃焼排気ガス温度を基に制御することで、装置を速やかに始動させることができる。また、可燃ガス供給口５１から可燃ガスを分離供給する構成としたので、各部位に被加熱流体の状態に応じた量の可燃ガスを供給することができ、部材の過熱を防止しつつ、高い熱交換効率を実現できる。
【００３９】
また、上記積層型の触媒付熱交換器は、体積当たりの比表面積を大きくできるので、小型化が容易である。さらに、積層型の触媒付熱交換器は、プレス成形した各構成部材を積層して一体ロー付けすることにより容易に製作できるため、コストの低減が可能である。なお、上記積層型の触媒付熱交換器に、検出手段として上記第２の実施の形態の可燃ガス濃度検出装置９を設けた構成としてももちろんよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、図１（ａ）は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器の縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図で、触媒付熱交換器の横断面図である。
【図２】図２は第１の実施の形態における装置始動時の各流体の流量変化を示す図である。
【図３】図３は第１の実施の形態における流量制御装置による支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御のフローチャートを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示し、図４（ａ）は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器の縦断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図で、触媒付熱交換器の横断面図である。
【図５】図５は第２の実施の形態における装置始動時の各流体の流量変化を示す図である。
【図６】図６は第２の実施の形態における流量制御装置による支燃ガスおよび可燃ガス流量の制御のフローチャートを示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態を示し、図７（ａ）は触媒燃焼加熱装置の主要部を構成する触媒付熱交換器の断面図で、図７（ｂ）の VIIａ− VIIａ線断面図、図７（ｂ）は触媒付熱交換器の断面図である。
【図８】図８は第３の実施の形態の触媒付熱交換器の熱交換部の部分拡大図である。
【図９】図９（ａ）は図７（ａ）のIXａ−IXａ線断面図、図９（ｂ）は図７（ｂ）のIXｂ−IXｂ線断面図である。
【符号の説明】
１ 容器
１１ 燃料ガス流路
１１Ａ 上流部
１１Ｂ 中間部
１１Ｃ 下流部
１２ 支燃ガス供給口
１３ 排気口
１４ 支燃ガス供給装置
２ チューブ
２１ フィン
２Ａ 第１層
２Ｂ 第２層
２Ｃ 第３層
２２ 被加熱流体流路
２３ フィン
２２Ａ 第１層
２２Ｂ 第２層
２２Ｃ 第３層
３１〜３４ 流体溜
４１ 被加熱流体導入管
４２ 被加熱流体導出管
５ 可燃ガスの供給部（燃料分配手段）
５１ 可燃ガス供給口
５２ 可燃ガス供給装置
６ 流量制御装置（流量制御手段）
６１ 仕切板
７ 温度検出装置（検出手段）
７１、７２ 流路
７３ フィン
８ 被加熱流体供給装置
９ 可燃ガス濃度検出装置（検出手段）

Claims (4)

1. 容器内に、可燃ガスと支燃ガスを含む燃料ガスが流れる燃料ガス流路と被加熱流体が流れる被加熱流体流路とを接触させて設け、上記燃料ガス流路内に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒層を設けた触媒付熱交換器を備え、上記燃料ガスの酸化反応熱により上記酸化触媒層を活性化するとともに上記被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、上記燃料ガス流路の出口近傍における燃焼排気ガスの温度もしくは上記可燃ガスの濃度を検出する検出手段を設け、この検出手段の検出結果に基づいて装置始動時に上記酸化触媒層を活性化すべく供給される上記可燃ガスの流量を制御する流量制御手段を設けており、上記流量制御手段は、上記検出手段によって検出される上記燃焼排気ガスの温度が、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことのできる所定温度を越えるまで、あるいは上記可燃ガスの濃度が、触媒の一部が活性温度に達したとみなすことのできる所定濃度を下回るまでは、上記可燃ガスの流量を、上記支燃ガスに対する割合が爆発限界を下回るように設定される一定量とし、上記燃焼排気ガスの温度が上記所定温度を越え、あるいは上記可燃ガスの濃度が上記所定濃度を下回ったら上記可燃ガスの流量を、上記酸化触媒層の反応面積に応じて規定される量まで増大させる制御を行うことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
2. 上記触媒付熱交換器は、補助熱源を有さず、上記燃料ガスの酸化反応熱のみにより上記酸化触媒層を活性化するものである請求項１記載の触媒燃焼加熱装置。
3. 上記触媒付熱交換器が、上記燃料ガス流路の各部位に、対応する上記被加熱流体流路の内部を流れる被加熱流体の状態が液体状態から沸騰状態を経てガス状態に変化するのに応じて必要な量の可燃ガスを分配供給するための可燃ガス供給口を有する燃料分配手段を備え、該燃料分配手段は、被加熱流体が沸騰状態となる上記燃料ガス流路の中間部に他の部位より多くの上記可燃ガス供給口を形成する請求項１または２記載の触媒燃焼加熱装置。
4. 上記触媒付熱交換器が、上記燃料ガス流路内に内部を被加熱流体が流れる多数のチューブを配設してこれらチューブを互いに連結することにより上記被加熱流体流路を形成するか、あるいは、多数の仕切板を平行配設して隣接する２枚の仕切板間に上記燃料ガス流路と上記被加熱流体流路を交互に形成してなる請求項１ないし３のいずれか記載の触媒燃焼加熱装置。

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