JPH01139906A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、触媒燃焼の手段に係り、特に、立ち上がりが
早く、安全な触媒燃焼を維持するのに好適なＰＴＣ （Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　Ｃ
ｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータを設置した触媒燃焼装置
に関する。

〔従来技術〕

触媒燃焼は白金（ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金
属またはベトロスカイト型酸化物などの酸化触媒を用い
てガス中の可燃物を燃焼する方法で、従来の気相燃焼に
比べて低カロリー、低ｏ２ガスで燃焼でき、またＮＯｘ
が少ないなどの特徴を有するために省エネルギ、無公害
といった観点から各方面から注目されている技術である
。このことから触媒バーナ、ガスタービン、家゛庭用フ
ァンヒータ等への応用が検討されている。

触媒燃焼用の触媒担体の構造としては、幾何学的表面積
が大きく、圧力損失の小さな薄肉セルから構成される多
数の貫通孔を有するハニカム状の形状が前提となってお
り、これに触媒成分（Ｐｄ他）を含浸するなどの方法に
より担持して使用している。

この触媒燃焼装置では、触媒はその温度が酸化反応し得
る温度以上に上昇していないと着火しない。そこで触媒
の予熱方法として以下の手段が一般に採られている。

■　加熱ヒータにより触媒の一部又は全部を予熱する。

■　燃焼ガスを予熱して供給し触媒を予熱する。

■　燃焼ガスに着火し炎燃焼（気相燃焼）を行わせその
熱で触媒を予熱する。　　　　− ここで、■の手段は触媒に隣接して加熱ヒータを設ける
構成あるいは触媒層内に加熱ヒータを埋設する構成であ
るが、装置として構成する場合は構造が複雑になる上、
熱効率が悪く、加熱ヒータの容量を必然的に大きくする
必要がある。また、加熱ヒータと触媒との熱膨張差ある
いは局所加熱に原因して触媒が割れるという問題がある
。

■の手段の改良型として担体粉末に炭素、金属等の導電
助長材を混入させて、導電性を付与した自己発熱型触媒
がある。（特願昭５５−６１９３８号公報参照）、これ
は熱効率に関しては優れているが、触媒各位置での抵抗
値のばらつきにより。

局部加熱が生じるなどの問題もあり、実用の域に達して
いない、さらに導電助長材の酸化により短寿命であると
いう問題もある。

■の手段は排ガスの触媒燃焼の場合などで供給される燃
焼ガス自体が加熱されている場合を除いて、おおかかす
な予熱装置が必要であることから。

小型装置にはほとんど適用されていない。

■の手段は第５ａ図に示されるように一般的に実施され
ている予熱手段で、家庭よう暖房機（ファンヒータ）な
どに適用されている。

すなわち、燃料供給ノズル２から供給された燃料を点火
プラグ１０により着火して気相燃焼させ、その熱で点火
プラグ１０の下流側にある触媒１を予熱する。触媒が触
媒燃焼の着火温度以上の所定温度に予熱された時点で、
−旦燃料の供給を停止し、数秒後に再び燃料を供給して
その上流側の空気送風ファン３から吸入した空気ととも
に触媒１に流通し触媒燃焼を行わせるものである。

この手段においても触媒予熱に数分間必要であり、暖房
機として使用するには燃焼にかなり時間を要しすぐに温
風をだすべきという一般からの要求に応じられない。ま
た、上記のように着火時のシーケンスが複雑であり、長
時間の使用においては着火ミスが生じる可能性もあった
。

さらに、暖房機として使用するうえで問題なのは、第６
図に示されるように触媒予熱時の気相燃焼時にＮＯｘが
生じることであり、触媒燃焼時のＮＯｘ発生量は気相燃
焼時の約１７１０であるが、せっかくの利点も触媒予熱
時のＮＯｘ発生により効果が半減されることになる。

このように触媒の予熱は■、■及び■のいずれの手段に
おいてもそれぞれ問題があり、触媒燃焼に必要な温度ま
で触媒を短時間に予熱できてＮＯｘの発生もなく、かつ
１着火ミスの少ない着火装置が望まれていた。

一方、触媒燃焼装置において安全かつ十分な燃焼性能を
得るためには１次のような点を満足することが要求され
る。すなわち、上流側から供給される燃料＋空気の予熱
用の混合ガスの分散が十分であり偏流が小さいこと、ま
た、外的環境の変化及び燃料ガスや空気量の変動による
燃焼状態の異常（パックファイヤや吹飛びの前兆）を敏
感に検知し正常な状態に復帰できる手段を有しているこ
となどである。

〔発明が解決しようとする問題点〕 従来の触媒燃焼装置は、触媒の予熱から触媒燃焼に至る
個々の項目について、例えば分散板の設置、燃焼監視用
熱電対の設置などにより個々に対策を講じてきたが機構
が複雑になりすぎるという問題点があった。

本発明の目的は、簡単な機構で短時間で触媒燃焼まで立
ち上げることができ、しかも触媒燃焼中は常に安定な燃
焼条件を維持できる手段を有する触媒燃焼装置を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の目的を達成するため１本発明は多数の貫通孔を有
する担体に触媒成分を担持して形成した触媒を予熱し、
触媒の上流側の燃料供給ノズルから供給した燃料をその
上流側の空気送風ファンから吸入した空気とともに触媒
に流通し、触媒により燃料を無炎で燃焼させる触媒燃焼
装置において。

触媒の上流側に隣接されて触媒の予熱用の空気を加熱し
たのち燃料の着火源となるハム二カ状のＰＴＣヒータと
、このＰＴＣヒータの上流側に配設されてＰＴＣヒータ
を通過する空気を制御し触媒燃焼温度を一定に維持する
流量調節ダンパを、設けられるように構成されている。

〔作用〕

本発明によれば、触媒燃焼装置の触媒の着火源がハム二
カ状のＰＴＣヒータで形成されていて、ＰＴＣヒータが
温度の上昇に併ってキュリー温度近辺で電気抵抗が最小
値を示し、その後急激に増加して特定の高温度で最大値
を示すため、触媒の予熱用空気を加熱するときは電気抵
抗が低くて電流が流れ易く温度の立ち上がりが早くなる
。一方、流量調整ダンパを調節して空気量を増すことに
よって熱量が増加するためさらに触媒の予熱時間の算縮
を計ることができる。そして、空気量を減らすとＰＴＣ
ヒータの温度が上昇して着火性が良くなるが電気抵抗が
大幅に増大して電流が減り、その後は一定の電流がなが
れて安定した触媒燃焼となる。

〔実施例］ 本発明の第１実施例を第１図を参照しながら説明する。

第１図に示されるように、コーディエライト、アルミナ
及びムライト等の耐熱無機材料をハニカム等の多数の貫
通孔を有する担体とし、これに白金族またはペロブスカ
イト酸化物からなる酸化触媒成分を担持して形成した触
媒１を予熱し、この触媒１の上流側の燃料供給ノズル２
から供給した燃料をその上流側の空気送風ファン３がら
吸入した空気とともに触媒１に流通し、所定温度に上昇
した触媒１により燃料を無炎で燃焼させる触媒燃焼装置
において触媒の上流側に隣接されて触媒１の予熱用の空
気を加熱したのち燃料の着火源となる例えばチタン酸バ
リウムを主成分として形成したハニカム状の形状のＰＴ
Ｃヒータ５と、このＰＴＣヒータの上流側に配設されて
ＰＴＣヒータを通過する空気を制御し触媒燃焼温度を一
定１；維持する流量調整ダンパとを設けた構成である。

次に前記構成の触媒燃焼装置の動作について説明する。

まず、ハニカム状のＰＴＣヒータ５に通電し。

同時に空気送風ファン３を運転し空気の供給を開始して
温風により触媒１を予熱する。ＰＴＣヒータ５における
発熱量は空気量によりコントロールできることから最初
は触媒１の予熱のため、空気量を多くして触媒１全体を
早く予熱し、触媒１の温度上昇にしたがって徐々に空気
量を減らしてゆく、触媒１の温度が燃料の着火に十分な
温度になった時点で燃料供給を開始し、触媒燃焼を開始
させる。このようなシーケンスにしておけば暖房機とし
て使用する場合には、触媒１の予熱と温風発生が同時に
でき、スイッチを入れた瞬間に温風がでる速熱暖房機と
することができる。

触媒１の予熱は大部分の燃料種においてはハニカム状の
ＰＴＣヒータ５の加熱で十分着火可能であるが、メタン
など着火温度が高いものについては触媒１とハニカム状
のＰＴＣヒータ５との間に着火用補助ヒータ６を設置し
、ハニカム状のヒータ５と並列に回路を形成することに
より着火性能を向上できる。

ＰＴＣヒータはＰＴＣ特性、つまり、温度が上ると電気
抵抗が増加する特性を有するヒータである。

一般の半導体は温度の上昇に伴い電気抵抗が低下する特
性すなわちＮＴＣ特性を示すが、第７図に示されるよう
にチタン酸バリウム系半導体においては比較的低温度域
（１００〜１５０℃）では一般の半導体と同様のＮＴＣ
特性を示すのに対し、ある温度（キュリー温度）を境に
して急激に電気抵抗値が増加し、ｉｏｏ℃の温度上昇で
比抵抗が１０’〜１０７倍増加するいわゆるＰＴＣ特性
を示す、この温度に対する特異な抵抗特性を利用してヒ
ータや、サーミスタとして応用されている。

とくに、ヒータとして利用する場合には、キュリー温度
で電気抵抗が最小値を示すので、キュリー温度に達する
までは電気抵抗が温度の上界によって低下し、電流が流
れやすく速熱性があるが、−旦キユリー温度に達すると
抵抗値が大幅に増加するために電流が減るといった特性
を示す、つまりＰＴＣヒータは自動温度制御機能を内蔵
したヒータといえる。したがって、このＰＴＣヒータの
特徴は、温度の立ち上がりが速く加熱の恐れがなく安全
である。

熱風発生器に利用した場合、空気量を変えてもＰＴＣヒ
ータが一定温度を保持す為ことから空気量の調節で発熱
量を容易に変えることができる。

さらに、ハニカム型ＰＴＣヒータとした場合。

ＰＴＣ特性の材料以外ではハニカムリブ間の抵抗値のわ
ずかなばらつきにより局部的な加熱が生じるために適用
することが難しいが、ＰＴＣ特性の材料の場合には常に
温度が一定になるように電流が流れるために複雑な回路
の抵抗体においても均一な温度が維持できることになる
。ところで、従来のＰＴＣ特性の材料のキュリー温度は
高くてもせいぜい２５０℃前後であったが第７図に示さ
れるように最近はチタン酸バリウムのＢａの一部をＰｂ
Ｍ換することにより、４００℃前後のＰＴＣ特性の材料
が開発されている。

本発明はこのような高温型のハニカム状のＰＴＣヒータ
を流量調整ダンパと組み合わせて触媒の上流側に設置す
ることにより、触媒燃焼の着火源、触媒燃焼中の触媒の
温度監視及び温度制御用のサーミスタ、及び燃料と空気
の予混合ガスの整流ならびに分散板として触媒燃焼に必
要な主要機能を集約させるようにしたものである。

すなわち、触媒燃焼の着火源としては、第８図に示され
るようにいずれの燃料種においても３００℃以上であれ
ば着火可能であり、必要な場合には設置した流量調整ダ
ンパと連動させ着火時には空気量を抑えて着火性を良く
するなどして確実にしかも迅速に触媒を着火することが
できる。

一方、触媒燃焼中はふく射によりハニカム状のＰＴＣヒ
ータに熱が加えられることになるため。

触媒とこのハニカム状のＰＴＣヒータとの位置を調節し
、触媒燃焼中はふく射によって温度がちょうどＰＴＣ特
性の材料のキュリー温度付近になるように位置を設定し
、一定電圧をかけておくことにより、触媒の温度と触媒
から離れたＰＴＣヒータの位置における温度とは一定の
関係があることから、ハニカム状のＰＴＣヒータに流れ
る電流から触媒温度をかなり精度良く（抵抗温度係数が
大きいため）一定できることになる。

また、触媒燃焼は面状発熱体であるので、熱電対のよう
にある一点の位置の温度を測定するのに比べてマクロ的
な燃焼状態を正確に促えることができる。このことから
、吹飛やバツクファイヤなどの異常検知のみならず、上
流側に設置した流量調整ダンパと連動させて触媒の燃焼
温度を常に一定に維持°させるなど触媒劣化に対する防
止効果もある。

本発明の第２実施例を第１図及び第２図を参照しながら
説明する。

第１図において、触媒燃焼が開始したかどうかは、ハニ
カム状のＰＴＣヒータ５のサーミスタとしての機能によ
り判定できる。すなわち、それまでＰＴＣヒータ５の温
度を維持するため必要だった電流が触媒燃焼によるふく
射熱により不用となるとともにＰＴＣヒータ５の温度が
上昇して急激に電流値が低下する。この電流低下を検出
することにより判定する。

さらに、触媒燃焼時の触媒１の温度変動も、同じサーミ
スタ機能により検出可能である。この場合、ＰＴＣヒー
タ５として用いる時より低い電圧を負荷しておき、温度
に対する抵抗の変化を電流値を検知することにより求め
るものである。

さらに、このＰＴＣヒータ５をハニカム状の形状とした
ことにより、燃料と空気の予混合ガスの分散及び整流効
果が得られるとともに、触媒燃焼中のふく射により温度
上昇したこのハニカム状に混合ガスが通過する時にその
混合ガスが予熱されるため、さらに安定な燃焼が行える
ことになる。

第２図に示されるように、触媒１の温度Ｔｐはそれから
少し離れた位置Ａの温度Ｔ＾とほぼ一定の温度関係があ
り、その位［Ａにおける温度Ｔ＾を監視することにより
触媒１の温度Ｔｐを間接的に推定できる。つまり、ハニ
カム状のＰＴＣヒータ５に対して触媒１の位置を適正に
設定することによって、相当精度よく触媒１の温度を把
握できることになる６通常、触媒１から５〜１５ｍ−の
位置にＰＴＣヒータ５を設置すると、触媒１の温度が１
，０００℃の時、ハニカム状のＰＴＣヒータ５の温度は
３００〜６００℃となり、その前後の抵抗温度係数が極
めて高いため精度良く測定できる。

第３図は空気送風ファンから供給される空気量と触媒温
度の関係が示される。空気量を５％増加すると触媒温度
は実線で示されるように約３０℃低下し、空気量の調整
により容易に触媒温度を変えることができる。

そこで、触媒燃焼における基準温度を設定しておき、触
媒温度の基準温度に対する「ずれ」をＰＴＣヒータ５の
サーミスタとしての便号により検出し、この信号により
流量調整ダンパの関口率を変化させて空気量を調整する
ことにより、常に基準温度で燃焼することができる。

このような制御を行うことは、異常燃焼を未然に防止で
きるとともに触媒劣化に対しても効果がある。

本発明の第３実施例を第４図を参照にしながら説明する
。

ＰＴＣヒータの材質は着火を容易にするためにキュリー
温度が少なくとも３００℃以上であることが必要である
。チタン酸バリウム系半導体においてはＢａをｐｂで置
換することによりキュリー温度が高温側に移動すること
が明らかにされており、例えば本発明で用いたＢａｄ、
３５Ｐｂ０゜６５　Ｔ　ｉ　Ｏａ　に半導体付与成分で
あるｓｂを少量添付した原料を用い、押出法で成形した
ハニカム状のＰＴＣヒータのキュリー温度は約３６０℃
であった。前記の例はチタン酸バリウム系半導体をその
ままハニカム状に成形したものであるが、第４図に示さ
れるようにコーディエライトやムライトなどの耐熱無機
材料７をハニカム状に成形したものに、チタン酸バリウ
ム系半導体の焼成前の状態のものをスラリー化してウオ
シュコート８し。

焼成（１１００℃×１ｈ）することによりハニカム状の
ＰＴＣヒータが得られる。この方法によればハニカム骨
材の熱容量分だけ速熱性が損なわれるが耐熱衝撃性など
は改善されることになる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、触媒燃焼装置の着火源がＰＴＣヒータ
で形成されるため、触媒の着火を確実及び迅速に行うこ
とができると共に１着火源として用いたハニカム状のＰ
ＴＣヒータは触媒燃焼中においてはサーミスタとして燃
焼状態を監視し、また分散板、整流板、ふく射受熱体と
して、安定な燃焼を維持することができるという効果を
有する。

発明の第２実施例を説明するグラフ、第３図は本発明の
第３実施例の効果、を説明する空気量増加による触媒層
内温度の低下を示すグラフ、第４図は本発明の第４実施
例を示す部分断面°図、第５ａ図は従来技術を示す断面
図、第５ｂ図は従来技術を示す回路図、第６図は従来技
術の特性を示すグラフ、第７図は本発明に使用したチタ
ン酸バリウム系半導体の温度と電気抵抗の関係を示すグ
ラフ。

第８図は触媒燃焼装置に使用する燃料種の可燃温度領域
を示すグラフである。

１・・・触媒　　　　　　２・・・燃料供給ノズル３・
・・空気送風ファン　４・・・流量調整ダンパ５・・・
ＰＴＣヒータ 以上 １１　因 第２図 宵４図 第６図 Ｅｉｆ　脣 第７図 易　屋（’Ｃ） 第８図 炉剰種 手続補正帯 昭和６２年１２月２、ｊ８．Ｂ ゛、。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の貫通孔を有する担体に触媒成分を担持して
   形成した触媒を予熱し、該触媒の上流側の燃料供給ノズ
   ルから供給した燃料をその上流側の空気送風ファンから
   吸入した空気とともに前記触媒に流通し、該触媒により
   前記燃料を無炎で燃焼させる触媒燃焼装置において、前
   記触媒の上流側に隣接されて該触媒の予熱用の前記空気
   を加熱したのち前記燃料の着火源となるハニカム状のＰ
   ＴＣヒータと、このＰＴＣヒータの上流側に配設されて
   該ＰＴＣヒータを通過する前記空気を制御し触媒燃焼温
   度を一定に維持する流量調整ダンパとを設けたことを特
   徴とする触媒燃焼装置。
2. （２）ハニカム状のＰＴＣヒータを触媒燃焼中は触媒の
   温度監視用のサーミスタ、燃料の均一化を計る分散板及
   び燃料を予熱するふく射受熱体として兼用することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の触媒燃焼装置。
3. （３）ＰＴＣヒータがチタン酸バリウム系の半導体で形
   成されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
   ２項記載の触媒燃焼装置。