JP5279725B2 - 液体燃料の触媒燃焼を含む加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、概略的には触媒燃焼を利用した加熱装置に関し、より具体的には、本発明は、液体燃料用のかかる加熱装置に関する。本発明はさらに、本発明の加熱装置を有するストーブに関する。

触媒燃焼は通常、従来からある気相燃焼と比べて多くの利点を有する。最も明白な利点には、排出物が非常に少ないこと、高い安全性（通常では火炎は全くなく、ガス混合物が希薄すぎて気相点火できない）、制御可能性、急激な圧力／流量変動に対する不感応性、出力範囲が広いこと、および動作音が静かなこと、がある。典型的な欠点としては、触媒の熱劣化の危険性をなくす完全な燃料蒸発および均一な空気／燃料混合物に関する要件がある。燃料蒸発要件のために、ガス燃料の燃焼は、液体燃料の燃焼よりも問題が少なく、商業的な用途も増えつつある。一方、液体燃料の触媒燃焼に関して言えば、重質炭化水素残留物が蓄積することのない、炭化水素燃料の完全かつ効率的な蒸発を達成するという課題のために、商業的な用途は、あるとしてもまだわずかである。別の典型的な欠点は、始動時に触媒材料を加熱するために（電気）エネルギおよび時間が必要とされることである。この特定の欠点のために、これまで、触媒燃焼器は速い立ち上げが不可欠な用途に不適格と見なされてきた。始動時の加熱に火炎を使用すると、燃焼器がどのように運転されるか、すなわち、運転サイクルでバーナが何回始動されるかに従って、排出物が増加する。さらに、火炎予熱器（ｆｌａｍｅ ｐｒｅ−ｈｅａｔｅｒ）は、燃料微粒化装置および別の火炎点火器（ｆｌａｍｅ ｉｇｎｉｔｅｒ）を必要とするので、システムを複雑にする。したがって、電気エネルギの消費を最小限にした、触媒燃焼器用の素速く、排出物が少ない始動原理が必要である。先行技術の電気始動装置には、大量の電気エネルギを消費し、長い加熱時間を必要とするという欠点がある。これは、触媒の点火を遅らせ、それにより、高レベルの未燃焼炭化水素および一酸化炭素を排出することになる。

特開昭６１−１３４５１５号公報は、旋回空気流に液体燃料噴霧を注入する触媒バーナについて記載している。燃料を注入するのに必要な燃料ポンプは、比較的高い圧力を付与し、これは、電力消費の観点から費用がかかる。高圧を発生させるのに必要なポンプにより、組立ユニットのコストも高くなる。さらに、熱交換器内の流入空気を予熱するには、燃料を完全に蒸発させることが必要であり、さらに複雑さが増し、組立ユニットのコストが高くなる。米国特許第５，６８５，１５６号明細書は、例えば、ガスタービン用の触媒バーナについて記載している。このバーナもまた、燃料ポンプを作動させるのにかなり大量の電力を必要とし、比較的高コストのポンプという問題解決手段を必要とする。

独国特許出願公開第１００ １４ ０９２号明細書は、燃料を前もって蒸発させる触媒バーナについて記載しており、燃料の蒸発後、燃料は予熱した空気と混合され、その後、燃料／空気混合物は、触媒要素を通過して燃焼する。独国特許出願公開第１００ １４ ０９２号明細書によるバーナは、高純度で沸点範囲が狭い燃料を必要とし、そうでない場合、燃料のコーキングおよび／または蒸留が発生する。

米国特許出願公開第２００５／０２３５６５４号明細書は、蒸留器の底部にフェルト状の材料を浸すことによって燃料が蒸発する触媒バーナについて記載している。この問題解決策には、独国特許出願公開第１００ １４ ０９２号明細書と同様の問題がある。

液体燃料の蒸発に関する問題は、広範な出力範囲と触媒燃焼プロセスの優れた制御性とを整合させるバーナの作動条件に従って制御可能でなければならず、コーキングを回避するために、重質炭化水素残留物の蓄積を防止しなければならないということにある。さらに、性能を改善し、低温始動による排出物を最小限にする、迅速かつ効率的な始動プロセスを行うために、蒸発器は、始動時に短時間で適切な温度に到達しなければならない。最後に、これは、電気エネルギの消費を最小限にして行われなければならない。

本発明の目的は、上記の問題の１つまたは幾つかを少なくとも部分的に軽減するか、緩和するか、またはなくすために、強力な渦を作り出すように空気および燃料を接線方向から燃料蒸発装置に案内する導入パイプを有する加熱装置を提供することである。

本発明のさらなる目的および態様が従属請求項によって示される。

本発明のさらなる目的、特徴および利点は、図面を参照して行う本発明のいくつかの実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。
図１は、本発明による加熱装置の横断面図である。 図２は、本発明の一実施形態による燃料蒸発装置の一実施形態を示す。 図３は、本発明の一実施形態による燃料蒸発装置の一実施形態を示す。 図４は、本発明による燃料蒸発装置の異なる実施形態を示す。 図５は、本発明による燃料蒸発装置の異なる実施形態を示す。 図６は、図５のＡ−Ａ線に沿った燃料蒸発装置の横断面図である。 図７は、燃料蒸発器の２つの内側導入パイプの間に、軸方向変位を有する実施形態を示す。 図８は、加熱装置の軸方向構成と半径方向構成の組合せを示す。 図９ａは、加熱装置の純粋な半径方向構成を示す。 図９ｂは、加熱装置の純粋な半径方向構成を示す。 図１０は、燃料蒸発装置が環状の形状を有する本発明の実施形態を示す。 図１１は、方向転換用チャンバを含む実施形態を示す。 図１２は、燃料蒸発器が第１の触媒要素を越えて延びる実施形態を示す。 図１３は、二次空気を供給するための手段のない実施形態を示す。

加熱装置１００の一実施形態を図１に見ることができる。加熱装置１００は、上方を向いた大開口を備えた、実質的に、先を切り取った円錐形状の外側ハウジング１１０を有する。外側ハウジング１１０の底部は、例えば、滑らかに湾曲した、または実質的に平坦な底部壁１１１を有して閉じられ、この底部壁は、外側ハウジング１１０の下側部分を流体閉鎖してパンを形成している。内側壁１２０は、外側ハウジング１１０の内側に配置され、この壁は、上方を向いた大開口を備えた、実質的に、先を切り取った円錐形状を有する。上部壁１１５は、外側ハウジング１１０および内側壁１２０にそれらの上側周縁部で取り付けられて、外側ハウジング１１０と内側壁１２０との間の空間の上に流体密封蓋を形成している。この空間は、これ以後、外側導入チャンバＯＩＣと呼ぶ。内側壁１２０は、底部壁１１１から離れて終端しているので、流体は、外側導入チャンバＯＩＣから内側壁１２０の内部に移動することができる。外側ハウジング１１０および内側壁１２０は、実質的に同軸上に配置されている。

外側導入パイプ１１２は、外側ハウジング１１０の上側部分に接続されている。外側導入パイプ１１２は、流体流れを接線方向から、最初は水平の向きで、外側ハウジング１１０および内側壁１２０に向けるように構成されている。流れは、最終的には、底部壁１１１に近接する出口に向かって下方に渦を巻いて進む。一実施形態では、金属薄片すなわち翼が外側導入チャンバに配置されて、流れを同軸回転流に誘導するのにさらに寄与することができる。

以後は燃料蒸発器とも呼ばれる燃料蒸発装置１３０は、内側壁１２０の内側に実質的に同軸で配置されている。燃料蒸発器は通常、その形状が円形断面の円筒状であり、燃料蒸発器の上側部分は、上側壁１３１ｕによって閉じられている。燃料蒸発器の底部部分は開放され、外側ハウジング１１０の底部壁１１１に面している。燃料蒸発器１３０の上側部分の内側にある周囲壁面が主蒸発区域である。燃料蒸発器１３０の断面は、円形である必要はないが、実質的に軸対称でなければならない。

燃料蒸発器の内部の全空間は、内側導入チャンバＩＩＣと呼ばれる。燃料蒸発器１３０の外側面と内側壁１２０の内側面との間の空間は、混合チャンバＭＣと呼ばれる。

内側導入パイプ１３２は、燃料蒸発器１３０の上側部分に接続されている。このパイプは、強力な渦流が発生するように、流入してくる流体を接線方向から燃料蒸発器１３０の周囲壁１３１ｐに向けるように構成されている。内側導入パイプ１３２はまた、燃料パイプ１３３を内蔵し、この燃料パイプは、燃料ポンプ（図示せず）から燃料を供給する。燃料供給パイプには、一実施形態では、単純なオリフィスとすることができるノズル１３４を設けることができる。燃料圧力が低くても（燃料は、重力のみによって供給され得る）均一な小液滴を形成するために、ノズル１３４は、直径がノズル内径の約半分である、前記ノズルに軸方向に挿入された細いワイヤ１３５を組み込むことができる。このワイヤは、例えば、導入パイプのノズルから、前記ノズル内径の約１０倍に相当する距離だけ突出することができる。蒸発器の下側部分にある開口は、内側導入パイプ１３２を通って燃料蒸発器に注入された燃料および／または空気を放出するように機能する。

第１の触媒要素１４０は、燃料蒸発器１３０に近接するかまたは直接接触して配置される。一実施形態では、触媒要素１４０は、蒸発器１３０をこれの上端で囲み（例えば、図１２を参照のこと）、別の実施形態では、触媒要素１４０は、燃料蒸発器の上端から若干下方の位置で蒸発器を囲む。電気加熱要素１４１は、第１の触媒要素１４０と接触するかまたは近接して配置される。一実施形態では、電気加熱要素１４１は、燃料蒸発器１３０とも接触するかまたは近接する。電気加熱要素１４１は、点火に至るまで触媒要素１４０を概ね加熱するように構成されている。熱は加熱される領域から触媒構造体全体に拡散するので、電気加熱要素１４１は、触媒１４０の全領域を覆う必要はない。第１の触媒要素１４０は、図１で分かるように、燃料蒸発器１３０と内側壁１２０との間の断面全体に概ね広がるように構成されるので、燃料蒸発器１３０と内側壁１２０との間を流れる実質的にすべての流体は、第１の触媒要素１４０を貫通する。一実施形態では、第１の触媒要素１４０は、燃料蒸発器の上側壁１３１ｕのすぐ上に配置され、この要素は内側壁１２０の内側面から延びて、その内側断面全体に広がる。この場合に、第１の触媒要素１４０は、上側壁１３１ｕと接触するかまたは近接して配置される（例えば、図１１を参照のこと）。

触媒要素１４０の支持体は、一実施形態では、金属ネットまたはメッシュなどの金属から作られるが、他の実施形態では、かなり薄く平坦な構造のより小さい形状を有することができる。別の実施形態では、支持体はモノリス（ｍｏｎｏｌｉｔｈ）で作ることができる。モノリス、あるいは金属ネットまたはメッシュは、セラミックウォッシュコート（ｃｅｒａｍｉｃ ｗａｓｈｃｏａｔ）で覆われ、このセラミックウォッシュコートは、触媒として活性であるかまたは触媒活性材料で覆われる。ウォッシュコートにより、触媒要素の表面積が大幅に増大し、したがって、要素１４０に堆積する触媒活性材料の効果的な分散が可能になる。第１の触媒要素は、素速く予熱されるのを可能にするために、質量を比較的小さくすべきである。ウォッシュコートは、酸化アルミニウムなどの任意の適切な材料で作ることができる。

第２の触媒要素１５０は、燃料蒸発器の上側壁１３１ｕのすぐ上に配置され、この要素は、内側壁１２０の内側面から延びてその内側断面全体に広がっている。第２の触媒要素１５０は、上側壁１３１ｕと接触するかまたは近接して配置される。内側壁が上方に向かって広がる円錐形状であることは、第２の触媒要素１５０が第１の触媒要素１４０よりも大きいことを意味する。第２の触媒要素１５０により、高出力の加熱装置が可能になる。第３および、場合によっては、第４（またはそれより多く）のさらなる触媒要素も、加熱装置内のさらに下流に、すなわち、第１の触媒要素１４０および第２の触媒要素１５０より上方に配置することができる。主燃焼区域は、加熱装置の上側部分に、第２の触媒要素１５０（および下流にあるさらなる触媒要素）で形成されるが、第１の触媒要素１４０は、ほとんどの作動状態中に機能する。燃料蒸発器１３０は、第１の触媒要素１４０を貫通して、第２の触媒要素１５０で主燃焼区域に達することができる。

第１の触媒要素１４０の支持体が金属からなる場合、前記支持体の電気抵抗を利用して、この支持体を電気加熱器として使用することができる。電気加熱要素１４１は、第１の触媒要素１４０のウォッシュコートおよび／またはセラミック基材によって、第１の触媒要素１４０から電気的に絶縁され得る。電気加熱要素１４１は、電気的に完全に絶縁された電気加熱渦線とすることもでき、この電気加熱渦線の断面が各図に示されている。

加熱装置には、一実施形態では、前記加熱装置の上側部分を概ね覆う加熱プレート１７０を設けることができる。このプレート１７０は、上部壁１１５より上に若干離れて配置することができるので、その間に流路が形成される。これは、燃焼ガス用の排気流路を形成する。一実施形態では、ガスはマニホルド（図示せず）に集められ、排気パイプ（図示せず）を通って加熱装置の外に導かれる。加熱プレート１７０は、加熱装置がストーブで使用される場合に有用であり得る。この場合に、加熱プレート１７０にポットやパンを載せることができる。

本発明の別の実施形態では、プレート１７０は、赤外波長領域で透過性のセラミックプレートとすることができる。かかる実施形態では、触媒要素から出る赤外放射線は、セラミックプレートを自由に通り抜け、セラミックプレートに置かれたポットやパンを加熱することができる。

加熱プレート１７０の底面には、一実施形態では、対流熱伝達を促進する、下方に突出した小さい円筒（図示せず）または他の手段を設けることができる。これらの円筒は、上部壁１１５と加熱プレート１７０との間で外側に向かう排気流を妨害し、対流によってより多くの熱を加熱プレート１７０に伝達する。

別の実施形態では、外側導入パイプ１１２と内側導入パイプ１３２とを、外側ハウジング１１０の外側の位置で相互接続することができる。燃焼空気を加熱装置に供給するために、相互接続部より上流にファン（図示せず）が設けられる。一実施形態では、内側導入パイプ１３２は、外側導入パイプ１１２の中心に延びていて、ファンの方向に向かって曲げられる。これにより、流入空気が内側導入パイプに軽く押し込まれるようになり、燃料蒸発器１３０に向けられた空気の動圧が高まる。

［他の実施形態］
一実施形態では、内側壁１２０は、図１で分かるように、その上側部分の円錐角がその下側部分の円錐角とは異なるようにすることができる。これは、主燃焼区域に大きな触媒要素１５０を有することを可能にし、一方、第１の初動触媒要素１４０の容量は小さいままにすることができる。初動触媒要素が小さいことで、電気消費量が減り、かつ立ち上げ時間が短縮され、それによって、一酸化炭素および未燃焼炭化水素の排出が減少し、主触媒要素が大きいことで、主触媒要素の輻射領域が拡大され、それによって、加熱装置の最大出力が高くなる。下流に追加する任意の触媒要素は、第２の触媒要素１５０と実質的に同じ大きさとすることができるし、それより大きくすることもできる。

別の実施形態では、外側ハウジング１１０もまた、その上側部分の円錐角が異なるようにすることができる。これは、外側ハウジング１１０と内側壁１２０との間の空気流が、内側壁の外側面に、より接近してこれをたどって進むことから有益であり得る。これは、用途によっては望まれるが、内側壁１２０から外側導入チャンバＯＩＣ内の空気流への熱伝達を促進する。

内側壁１２０は、主に、第２の触媒要素１５０および下流に追加した任意の触媒要素からの輻射を通じて、加熱装置の内部の燃焼によって加熱される。燃料蒸発器１３０は、導入パイプの領域にあるその上側部分の断面積を大きくすることができる。これは、周囲の触媒要素１４０、１５０から熱を受け入れる、燃料蒸発器の領域を拡大する。さらに、蒸発器の質量を増やし、これは、立ち上げ時間を長くする。この理由から、蒸発器を熱的に分離することがあり、これは、上側部分がその下側部分から熱的に分離されることを意味する。これは、分離線１３６で示されている。この分離は、上側部分内の標準的な鋼および下側部分内の、熱伝導率が低いステンレス鋼などの様々な材料を使用して強化することができる。さらに熱伝導率が低い別の材料も適切であり得る。図１では、燃料蒸発器の上側部分は、電気加熱要素１４１によって加熱され、熱分離は、燃料蒸発器の下側部分にわずかな熱しか逃がさないことを意図する。これは、始動時に加熱される質量を減らし、それによって、電気加熱要素１４１の電力消費量を低減する。

蒸発器の両方の部分に同じ材料を使用するが、２つの部分の分離線部には熱伝導率が低いスペーサや連結具などの断熱材料を使用することも可能である。蒸発器の異なる部分間の接合部の接触面積を縮小することで熱分離を達成することもできる。

燃料蒸発器の上流部分は通常、蒸発区域である。燃料蒸発器の上側部分では、図１に示すように、水平方向の底部壁１３１ｂを形成する下流端から、直径を階段状に拡大することができる。この階段部は、燃料液滴を捕捉し、高温蒸発区域にある燃料の滞留時間を増やして、重質燃料留分の蒸発を改善する。さらに、蒸発器を下流に向かって縮小することにより、その中の渦流が強化され、燃料蒸発器の外側の流れも影響を受ける。これにより、第１の触媒要素１４０からの周囲高温ガスがその流れに及ぼす影響も大きくなる。これらのガスは、対流を通じて燃料蒸発器１３０に熱を伝達し、一方、すべての触媒要素１４０、１５０は、輻射を通じて熱を伝達する。したがって、燃料蒸発器の上側部分が大きいほど、より多くの熱を照射される。燃料蒸発器の下側部分の直径をより小さくすることで、下側燃料蒸発器構造体の質量および表面積が小さくなり、これは、燃料蒸発器の上側部分から下側部分に伝達される熱が少なくなることを意味する。燃料蒸発器１３０から上流空気流に伝達される熱も少なくなる。

本発明の加熱装置は、円錐形状である必要はない。この形状とする主な目的は、燃料蒸発装置１３０の出口での２つの流れの完全な混合を確実にすることであり、内側壁１２０と燃料蒸発器１３０の出口との間の環状スリットの断面積を小さくして、逆火の危険を防止することである。さらに、内側壁１２０を拡張することで、触媒要素１４０、１５０の面積が徐々に大きくなり、小さい第１の触媒要素１４０と組み合わせた加熱装置の最大出力を大きくすることができる。これらの特徴は、当業者には明らかなように、他の方法で達成することができる。内側壁１２０は、その代わりとして、第１および第２の移行部を有する拡張部分を用いて形成することができ、壁が実質的に平行な内側壁が、第１および第２の移行部で拡張部分につながる。

燃料蒸発装置１３０は、実質的に平行な壁でもって示されているが、これは、本発明を実施するのに必須ではない。燃料蒸発装置１３０の壁は、前記燃料蒸発装置の出口に向かう方向を内側に（例えば、５〜３０°）傾けた方がよい。これは、燃料蒸発装置１３０の内側の流れにある程度の影響を及ぼし、その外側に対しても同様である。さらに、燃料蒸発装置１３０は、図１に示すような実質的に平行な壁とともに、直径が異なる部分を有することができる。これは、特に、加熱装置が（触媒要素を通り抜ける流れ方向を基準として）垂直構成である場合に有益なことがあり、燃料蒸発装置１３０の温度が一時的に不充分な場合に、蒸発時に燃料を保持することができる水平壁１３１ｂを形成する。異なる直径をもつ場合に、蒸発器の内側および外側の流動場を改善するために、蒸発器には、２つの円筒状部分の間の漸近的に細くなる部分を設けることもできる（例えば、図１２を参照のこと）。

本発明の触媒加熱装置については、（触媒要素を通り抜ける流れ方向を基準として）軸方向であるとして説明したが、半径方向構成のほうがよいこともある。この場合に、第１の触媒要素１４０を中間部に置いて、触媒要素１４０、１５０を同軸上に配置することができる（図９ａおよび図９ｂを参照のこと）。この場合に、燃料蒸発装置１３０は、第１の触媒要素１４０の内側中心にその出口を有するべきであり、軸方向構成として、下記に説明するように、前記要素および下流の要素を貫通することもでき、したがって、図９ａに示すように、各触媒要素を２つの部分に分割することができる。

説明した半径方向構成で触媒要素を貫通する流れは、基本的に、加熱装置の周縁部に向かって半径方向外側に向けられる。一方、加熱装置が、例えば、円筒の外側面を加熱するのに使用される場合、基本的に、燃焼器の中心に向かって半径方向内側に向けられた流れが有利である。

軸方向構成と半径方向構成の中間の混合構成も可能であり、この場合に、燃料蒸発装置１３０および第１の触媒要素１４０は、第１の実施形態の形状に類似した、基本的に軸方向構成を有し、一方、下流の触媒要素を貫通する流れの方向は、基本的に半径方向である（図８を参照のこと）。

燃料蒸発装置は、様々な個数の触媒要素を、その触媒要素が軸方向構成でも半径方向構成でも貫通する（通り抜ける）ことができる。前記燃料蒸発装置が多数の触媒要素を貫通する場合、燃料蒸発装置の質量が増える。この結果、熱質量が大きくなり、ひいては始動時の電気エネルギの消費量が増大する。この問題は、２つ以上の分離部１３６、１３６’を通じて、燃料蒸発装置を２つ以上の部分に熱的に分離させることによって、つまり、電気的に加熱される部分を電気加熱要素１４１に直接隣接する部分に限定することによってある程度解決され、こうして、電気的に加熱されるべき熱質量が小さくなって、始動時の電気消費量が減少し、加熱時間が短くなる。

実施形態によっては、燃料蒸発装置１３０は、１つの接線方向導入口を備えて示されている。一方、渦流を強化する、かつ／または流動場をより対称性のものにするためには、導入口内の接線方向の流速が、下記の効率的な蒸発のための状態を作り出すのに充分でありさえすれば、場合によっては、例えば、図４〜７、および図８のように、２つ以上の導入口が有利なこともある。

加熱装置の負荷変動に対する潜在能力を高めるために、燃料蒸発装置１３０に流入する前に空気を予熱するのが有利なことがある。燃料注入パイプ内での燃料コーキングの危険を回避するために、軽い予熱のみが可能である。２つ以上の接線方向内側導入パイプを有する場合に、この危険性を完全に回避するために、１つまたは複数の導入パイプ１３２ｂを燃料供給パイプなしで構成することができる、すなわち、予熱した空気を燃料蒸発装置に注入すること専用に、１つまたは複数の導入パイプを使用することができる（図８を参照のこと）。この場合に、燃料蒸発装置１３０を通る全ガス流に大幅な温度上昇をもたらす、より高い温度、例えば、２００〜５００℃にこの空気流を予熱することができる。

この効果を達成する別の方法は、燃料蒸発装置１３０にさらに燃焼区間を貫通させる、例えば、より多くの触媒要素を貫通させることにより、前記装置への熱伝達を改善することである。この場合に、燃料注入パイプを備えた導入口を燃焼器の出口に近接して配置することができる。

通常では、複数の導入口を使用する場合（図４〜７を参照のこと）、燃料蒸発装置に沿って様々な軸方向位置にそれらの導入口を配置することができる（図７を参照のこと）。

燃料蒸発装置１３０に案内される空気の予熱に伴う効果を達成するさらに別の方法は、高温燃焼ガスの流れを前記燃料蒸発装置を通じて導入する（再循環させる）ことである。これは、燃料蒸発装置１３０の上側壁１３１ｕに１つの／複数の開口を作ることで達成することができ、前記装置１３０の内部の回転速度成分による圧力勾配を使用して、流れを誘導する。この圧力勾配により、燃料蒸発器の中心部分の圧力がより低くなる。

燃料注入点（加熱装置が作動している場合に使用される蒸発面）と、燃料蒸発装置１３０の電気的に加熱される部分との間の距離がかなりある場合に、燃焼器が垂直に取り付けられていない限り、始動時に注入された燃料を重力とさらに空気流とで最初に加熱される部分に運ばせるために、燃焼器を若干傾けて取り付けることは有益であり得る。

空気流の予熱があまり重要でないか、または上記の実施形態に従って空気流の予熱を行うことができる応用例では、外側空気流と、外側ハウジング１１０と内側壁１２０との間の関連する環状空気チャネルをなくすことができ、したがって、その構造がより単純になる。この場合、その代わりとして、すべての空気流が内側導入パイプ１３２から供給される。この場合、外側導入流れは加熱装置１００に流入しないので、内側壁１２０は不要である（例えば、図１３を参照のこと）。

下記に、本発明の別の実施形態の幾つかが、図１０〜１３を参照して説明される。

図１０には、図１〜９および図１１〜１３に示す蒸発器１３０の代わりに、環状蒸発器２００が使用される一実施形態が示されている。図１０の実施形態では、燃料および空気が、接線方向から環状蒸発器２００に流入して、燃料および空気の流れを渦流にし、蒸発区域は、円形の外側壁面２１０’の最上部分に配置されている。渦流は、円形の外側壁２１０および円形の内側壁２２０によって範囲を制限されて下方に広がる。内側壁は、（図１０に示すように）円錐台の形態をとることができるが、円筒状の材料片で作ることもできる。内側壁は、外側壁２１０の底部部分２３０から特定の距離離れて途切れていて、燃料および空気の流れが内側に進み、その結果、内側壁２２０によって画定される内部空間に流入する経路を残している。渦流の内方への運動により、渦が増幅され、それにより、燃料と空気の混合が大幅に増進される。

底部部分２３０の周辺には、補助空気が燃料および空気の渦流に流入できるように、開口２４０を設けることができる。開口２３０の構造は、補助空気が渦運動を増幅するようなものとするか、または補助空気の流れが半径方向から底部部分に流入するように構成することができる。なお、図１０の実施形態は、図１３を参照して上記に説明したように、補助空気流なしで具現化した方がよい。さらに、蒸発器２００は、他の実施形態に準じて熱的に分離することができる。

当然のことではあるが、燃料および空気の流れは、内側壁２２０に囲まれて上側方向に進み続け、最終的には、触媒要素２５０、２６０、２７０と接触し、その要素で燃焼が起こる。もちろん、触媒要素の個数は、ただ１つの要素２５０から任意の個数、例えば、３個、５個、または１０個の要素まで変えることができる。

さらに、図１０に示す実施形態による装置には、図１〜９を参照して先に説明したように、電気加熱要素および他の特徴部が設けられる。

図１１は、図１の実施形態に類似した実施形態を示しているが、開口３４０から補助空気が供給されるという相違がある。開口３４０は、補助空気を「方向転換用チャンバ」３５０に送り、方向転換用チャンバは、内側壁１２０によって画定される空間であり、蒸発器１３０の出口の近くにある内側壁の直径よりも直径が大きくなっている。

さらに、実施形態によっては（図１３を参照のこと）、補助空気は何ら供給されない。補助空気の供給がない実施形態は、図１〜９、図１１〜１３による蒸発器構造と図１０の環状蒸発器構造との両方で使用することができる。

［加熱装置の動作］
外側空気流および／または燃料蒸発器内部の空気／燃料流が、図１に点線矢印で示されている。定常状態の動作中に、ファンが雰囲気から加熱装置１００の導入口１１２、１３２に空気を供給する。空気流の第１の部分は、外側ハウジング１１０と内側壁１２０との間に接線方向から案内され、空気流の前記第１の部分が、対流によって内側壁１２０から予熱される環状の渦流場を形成する。内側壁１２０の熱は、触媒要素１４０、１５０での触媒燃焼から発している。導入流れは、外側導入チャンバＯＩＣに流入する前に、最初に環状チャネル１１６に流入することもできる。外側導入チャンバＯＩＣ、混合チャンバＭＣおよび燃焼区域での流れに対して、軸方向の流れ成分だけが示されているが、流れは、示されていない接線方向成分を有することもできる。空気流の第２の部分は、内側導入管１３２を通り、接線方向から燃料蒸発器１３０の上側部分に向けられる。接線方向の空気流により、回転速度場、渦が発生する。液体燃料は、回転速度場に向かう接線方向空気流によって加速され、搬送される液滴として、燃料パイプ１３３のノズル１３４から注入される。液体燃料は、低圧ポンプまたは重力によって、接線方向に向けられた空気流の中心にある燃料ノズル１３４から注入される。液滴は、燃料供給パイプ１３３を囲む接線方向流れの速度まで加速され、さらに、燃料蒸発器１３０の内部で発生する流動場の強力な回転速度成分まで加速される。説明した、燃料蒸発器１３０の内部の速度場は、燃料蒸発器１３０の加熱された周囲壁１３１ｐに、優れた熱伝達および質量移動特性をもたらし、燃料液滴は、前記壁に衝突してこれに影響を及ぼす。液滴は充分にこすりつけられて燃料薄膜となる。さらに、薄い境界層およびそれに伴う効率的な質量移動は、表面での燃料蒸気圧を低め、その結果として、蒸発が効率的になり、重質炭化水素残留物の蓄積（コーキング）を防止するのに寄与する。空気流は同時に効率的に加熱される。さらに、薄い境界層／効率的な質量移動により、高い表面温度で、存在し得る炭化水素残留物の表面酸化を可能にする、周囲壁１３１ｐへの充分な酸素浸透が容易になる。そのような状態において、周囲壁１３１ｐで気相が自動点火する危険性は、前記壁での速いガス速度のためになくなる。上記の組み合わせた特徴によって作り出された蒸発状態により、顕著な多重燃料性能と、より重質の炭化水素燃料を使用する可能性とが燃焼器にもたらされる。スワール比（接線方向の速度成分を軸方向の速度成分で除したもの）は、５〜１５の範囲とすることができ、一実施形態では、８〜１２、さらに別の実施形態では、約１０とすることができる。

燃料蒸発装置１３０は、第１の触媒要素１４０での燃焼によって加熱され、始動時では、電気加熱要素１４１によって加熱される。始動プロセス時および定常運転への過渡期では、燃料蒸発装置１３０は、触媒要素１５０での燃焼によって加熱される範囲が徐々に広がる。

燃料蒸発器１３０内に燃料および空気を接線方向に注入した後、燃料／空気混合物は、燃料蒸発器１３０の開口端に向かって下流に流れる。ここで、回転する空気／燃料混合物は、燃料蒸発器１３０の内側導入チャンバＩＩＣから出て半径方向外側に下り、外側導入チャンバＯＩＣから供給された外側流れと混合される。

外側ハウジング１１０と内側壁１２０の間に接線方向から向けられ得るこの外側流は、次いで、環状の回転流動場を形成し、空気流の前記部分は、対流によって内側ハウジングの壁から予熱される。

上記の流動パターンは、２つの流れの非常に効率的な混合を可能にし、均一な混合物を生成するのに必要な混合期間が最小限まで短縮される。さらに、前記流動パターンは、蒸発器内の表面温度が一時的に高くなりすぎた場合の膜沸騰のために、蒸発器から誤って「飛散した」液滴の効率的な捕捉を可能にする。前記捕捉機能は、図１１〜１３の実施形態でさらに増強される。

２つの流れは燃料蒸発装置１３０の外側で混合され、燃料蒸発装置１３０と内側壁１２０との間の環状空間内で第１の触媒要素１４０に向かう環状回転流として、ともに下流に（図１では上方に）進み続ける。この混合は、その流れの回転運動（および燃料蒸発装置１３０の縁部で発生した小規模の乱流）によって促進される。その流れの、外側導入チャンバＯＩＣからの環状外側部分は、主に対流によって、内側壁１２０から若干予熱される。ただし、上記の予熱は、内側導入チャンバＩＩＣからの中央流と混合する前に、この流れをさらに予熱することで有益で有り得る。

燃料蒸発器１３０の直径または断面積は、図１に示すように、概ね一定とすることができるし、または燃料蒸発器１３０の下流方向に縮小させることもできる。

燃料および空気混合物は、第１の触媒要素１４０で少なくともある程度燃焼され、加熱装置１００の作動状態に応じて、下流の触媒要素でさらに燃焼を行うことができる。

実施形態では、燃料は、重力と燃料蒸発器１３０の周囲壁に向かう空気流とによって搬送される液滴として、燃料ノズル１３４を通じて供給される。単純な滴下燃料ノズル１３４またはインジェクタは、安価に製造できる。燃料ポンプは不要であり、組立ユニットのコストがさらに低減される。

燃料蒸発装置１３０の導入口での速度場と、細い燃料供給パイプ１３３により、液滴の小体積化および各液滴の蒸発時間が保証されることから、さらに、燃料蒸発装置１３０と触媒要素１４０との間の混合空間によって付与された滞留時間と、加えて、燃料蒸発装置１３０からの出口での大小規模の乱流による活発な混合とのために、液体燃料の間欠的な滴下を原因とすることができる空気／燃料比の一時的な変動は問題にならない。触媒は通常、メモリ効果、すなわち、熱慣性および酸素蓄積能力を有し、したがって、通常の火炎とは対照的に、時間平均した空気／燃料比に、より依存するので、小変動は燃焼にほとんど影響を及ぼさない。

加熱装置１００は、逆火の発生を防止するために、安全措置を講じて設計される。触媒要素１４０、１５０の１つで起こった燃焼が燃料蒸発装置１３０に向かって上流に運ばれた場合に、逆火が起こる。これは、下記に説明する様々な方法で防止される。第１の安全機能は、、混合チャンバＭＣの上流部分にある環状スリットを、触媒要素の上流の流動速度が現在の火炎速度よりも速くなるような寸法にすることによってもたらされる。火炎速度は、特に、層流火炎速度、空気／燃料比、および乱流によって決まり、幾つかの異なる作動状態に対して求めることができる。別の安全機能は、火炎を消すのに触媒要素のセル密度／メッシュ数が充分に高い、すなわち、それらの穴の大きさが充分に小さいということからもたらされる。これは、触媒作用で起こった火炎が、触媒要素１４０、１５０を通って上流に進むことができないことを意味し、こうして火炎防止器として機能する。さらに、不活性メッシュ２８０（例えば、図１０を参照のこと）を第１の触媒要素２５０の上流に配置することができる。不活性メッシュは、火炎防止器として機能する。当然のことながら、同様のメッシュを図１〜９および図１１〜１３に示す実施形態に適用することもできる。

始動時および低出力時に、燃料蒸発装置１３０は、第１の触媒要素１４０で行われる燃焼によって加熱され、程度をより低くして、他の触媒要素１５０によって加熱される。燃焼蒸発装置１３０の温度は、適切なレベルに保たれるべきであり、これは、触媒燃焼の特有の特性を使用して、さまざまな方法で行われる。

第１の例では、触媒燃焼の広範な空気／燃料比が利用される。燃料流を増大させることなく、燃焼器を通る空気流が増大されるならば、これにより、質量流量が増大し、空気／燃料比が小さくなるために、第１の触媒要素１４０および蒸発器１３０が冷却される。代わりに、燃料流を実質的に一定に保ちながら、空気流を減らせば、温度が上昇し、こうして、加熱装置の出力を変えることなく、温度を制御することが可能になる。これは、火炎の場合、不安定性をもたらし、最終的には、希薄状態で火炎が消えることになるのであり得ない。第２の例では、空気／燃料比を変えることなく、流量全体、すなわち、燃焼器の出力を増やすことによって、温度を下げることができる。これは、第１の触媒要素１４０での不完全な燃焼と、次に起こる、第２の触媒要素１５０およびオプションの第３またはそれを超える触媒要素での燃焼をもたらす。この場合、未燃焼の燃料および空気は、熱を燃料蒸発器１３０に伝達しない。この機能は、通常の火炎の場合、吹き消しをもたらすので得られない。温度の上昇は、より完全な燃焼をもたらす質量流の減少に起因する（以下のさらなる説明を参照のこと）。作動状態に応じて、これらの技術のいずれかを選択することにより、任意の燃料の効率的な蒸発をもたらす各作動状態に対して、燃料蒸発器１３０の温度を適切なレベルに制御することができる。これにより、多重燃料性能が顕著になる。低負荷の状態では、燃焼の反応区域は、主に、第１の触媒要素１４０内にある。これは、燃料蒸発装置１３０の温度を上げて、前記燃料蒸発装置１３０内の、蓄積が見込まれる炭化水素残留物の蒸発を可能にする。高負荷状態では、ガス流が増え、触媒要素１４０の表面への反応物の質量移動が促進される。前記触媒要素１４０に到達したすべての反応物が変換されるならば、触媒要素１４０で発生する出力が増大する。しかし、特定の流れでは、質量移動が限定されるために、表面に到達したすべての反応物を変換することができない。その代わりに、余分なガス流は、触媒要素１４０の表面を冷却して温度を下げ、その結果として、触媒要素１４０での化学反応速度が遅くなり、エネルギ変換量が減る。余分な反応物は、下流に配置された触媒要素１５０が存在すれば、それで燃焼される。これは、反応区域を次第に下流に移動させ、高負荷状態では、その下流の反応区域は、基本的に、第２の触媒要素１５０および第３の触媒要素１６０の位置にある。これは、燃料蒸発器が、燃料の連続蒸発に適するように、燃料蒸発装置１３０の表面温度を下げる。さらに、電気加熱要素１４１の熱応力が小さくなる。

広範囲の空気／燃料相対比λにおいて、高効率およびその結果としての低排出で触媒燃焼を維持することができる。一定負荷の状態で、上記に説明したように空気流を変更することにより、燃焼区域の位置および温度を燃料蒸発装置１３０の温度間隔を適切にする状態に調整して、任意の燃料を効率的に蒸発させることができる。燃焼区域の位置は主に流量によって決まり、温度は主にλによって決まる。一方、燃料蒸発装置１３０への熱伝達は、燃焼区域の温度および位置の両方に依存し、さらに、燃料蒸発器１３０の温度は、流入空気および蒸発中の燃料への熱伝達に依存する。

始動時には、小さい第１の触媒要素１４０、および燃料蒸発装置１３０の、電気加熱要素に近接するか、または直接接触する部分のみが電気的に加熱される。燃料蒸発装置１３０の温度が低いので、燃料の軽質留分だけが蒸発する。したがって、触媒要素に到達した燃料蒸気は、最初は主に軽質燃料留分を含み、この軽質燃料留分は、第１の触媒要素１４０での素速く、排出物の少ない点火を可能にする。点火後、燃料蒸発装置１３０内の温度は急激に上がり、燃料のより重質な留分の蒸発と、触媒要素１４０でのその後の燃焼を可能にする。このプロセスは、電気エネルギの消費量が最小の状態で、燃料を完全に蒸気化した、素速く、清浄な始動をもたらす。さらに、完全な燃料蒸発により、触媒が熱劣化する危険が限定される。

燃料蒸発装置１３０の温度を制御する上記の技術は、気化熱および蒸発温度が異なる各種燃料に蒸発温度を合わせることができるので、加熱装置に顕著な多重燃料性能を付与する。加熱装置は、どのような燃料が使用されるかに応じて、所与の出力での空気／燃料比などに関する様々な設定を有することができる。

場所によって空気／燃料比に大きな変動がある場合、これはホットスポットをもたらす恐れがあり、その結果として、次に触媒要素の熱劣化が起こる。これは、例えば、上記のように、強力な回転成分を備えた速度場を作り出すことにより、触媒要素の上流で完全混合して回避することができる。さらに、強力な回転成分により、空気／燃料混合物が第１の触媒要素に流入する位置で局所的に速度が増速され、その結果として、質量移動速度が大幅に増速され、触媒表面を非常に効率的に利用できる。

触媒加熱装置の典型的な利点は、希薄な空気／燃料比で反応速度が比較的速いために、未燃焼炭化水素および一酸化炭素の排出が少なく、ゼルドビッチ機構がＮＯｘの形成に重大な影響を及ぼし始める温度、通常は１７００Ｋより充分に低い低燃焼温度のために、窒素酸化物の排出が少ないことである。また、触媒要素の速い反応速度および熱慣性により、希薄な作動状態での燃焼が同様の状態での火炎に比べてより安定したものになる。これはさらに、高い安全性、制御可能性、および急激な圧力／流量変動に対する不感応性をもたらす。

先行技術による触媒加熱装置の欠点は、上記のように、大部分が本発明によって解決される。

車両用ヒータ、熱を動力源とした冷凍機およびエアコン、熱電発電機、オーブン、調理用コンロ、排気ガス浄化システムの加熱、小規模ガスタービンおよびスターリングエンジン内など、多重燃料用触媒燃焼が望ましい多くの異なる用途に本発明を使用することができる。

本発明が詳細な実施例として説明されたが、添付の請求項によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、修正を行えることは、当業者には明らかである。

本発明による燃料注入および混合プロセスは、重質炭化水素残留物が蓄積することのない完全な燃料蒸発と、燃料圧力が非常に低く、空気の予熱をしない（熱交換器がない）形でのほぼ完璧な燃料分散および燃料−空気混合とをもたらす。燃料液滴が燃料蒸発器の加熱された周囲壁に衝突し、これに影響を及ぼすことで、前記燃料液滴は、触媒要素に向かって流れ続けるのを効率的に妨げられる。これはさらに、液滴を周縁に向かわせる、流れの強力な回転成分と、液滴が空気流の軸方向成分でもって触媒要素に向かって進むのを妨げるのに充分な大きさの、蒸発器内で生成された燃料液滴粒径とによって防止される。

Claims (9)

1. 燃料と空気の混合物を触媒燃焼させるための少なくとも一つの触媒要素（１４０）と、
   前記触媒要素（１４０）の上流側に配置される燃料供給手段（１３３）と、
   前記少なくとも一つの触媒要素（１４０）の上流側に配置される空気供給手段（１３２）と、
   実質的に軸対称の形状を有し、上流端および下流端を有する燃料蒸発装置であって、作動中は、前記少なくとも一つの触媒要素（１４０）によって加熱されていて、前記燃料供給手段（１３３）および前記空気供給手段（１３２）から燃料および空気を供給されている燃料蒸発装置（１３０）と、
   前記触媒要素（１４０）および前記燃料蒸発装置（１３０）を収容するための外側ハウジング（１１０）と、を備え、
   前記燃料蒸発装置（１３０）は、概して前記上流端に少なくとも一つの内側導入パイプ（１３２；１３２ｂ）を備え、当該パイプ（１３２；１３２ｂ）は、燃料蒸発装置（１３０）の概して上流部分の内部に、燃料および／または空気を接線方向に注入することで回転流が得られるように配置され、
   前記燃料蒸発装置（１３０）の概して前記上流端は、前記少なくとも一つの触媒要素（１４０）の付近に配置され、
   前記外側ハウジング（１１０）の内側に内側壁（１２０）が配置され、当該内側壁は前記外側ハウジング（１１０）と上端部で接続されて両者間に外側導入チャンバ（ＯＩＣ）が形成され、前記外側導入チャンバは、さらなる空気をもたらすために当該外側導入チャンバ（ＯＩＣ）の上流部分に接続した外側導入パイプ（１１２）を備え、前記外側導入パイプ（１１２）は、前記外側導入チャンバ（ＯＩＣ）内に空気の流れを導くように配置される、加熱装置。
2. 前記燃料蒸発装置の前記下流端における燃料および空気の流れは、当該燃料蒸発装置から出るとその後は反対方向に流れる、請求項１に記載の加熱装置（１００）。
3. 前記外側導入パイプ（１１２）は、接線方向の流れ成分が得られるべく空気の流れを導くように配置される、請求項１に記載の加熱装置（１００）。
4. 前記燃料蒸発装置（１３０）の前記上流部分がその下流部分より大きい直径を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱装置（１００）。
5. 前記内側壁（１２０）が下向きに突出した錐台の形状を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱装置（１００）。
6. 前記燃料蒸発装置（１３０）の上部は、前記少なくとも一つの触媒要素（１４０）の少なくとも一つを貫通する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱装置（１００）。
7. 燃料および空気に、より強力でより対称形の「渦」を誘発するために、空気および／または燃料の流れを接線方向に導くための第２の内側導入パイプ（１３２ｂ）が前記燃料蒸発装置（１３０）に接続されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の加熱装置（１００）。
8. 前記少なくとも一つの触媒要素（１４０）および／または前記燃料蒸発装置（１３０）の付近に、またはそれに接触して、電気加熱要素（１４１）を備えている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の加熱装置（１００）。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の加熱装置（１００）を備えているストーブ。

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