JPH08152286A

JPH08152286A - 触媒燃焼加熱装置

Info

Publication number: JPH08152286A
Application number: JP7009884A
Authority: JP
Inventors: Atsuya Okamoto; 敦哉岡本; Jiro Takagi; 二郎高木; Shoji Hirose; 祥司廣瀬
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1994-09-27
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】触媒燃焼加熱装置の触媒付熱交換器における
大きな温度落差によるフィンの変形や、触媒担持用コー
ティング層の剥離を防止する。【構成】触媒付熱交換器２の触媒担持フィン１２が被
加熱流体を流すチューブ１１に対する接合部の近傍に多
数のスリット１３が形成されており、それによってフィ
ン１２からチューブ１１への熱伝達に役立つスリット間
通路１４の断面積が、フィン１２の断面積よりも減少し
ているので、スリット間通路１４において大きな温度落
差が形成され、チューブ１１が低温でもフィン１２が触
媒の活性化温度以上に維持される。また、熱膨張の差も
多数のスリット１３によって形成された柔軟な格子状の
構造によって無理なく吸収される結果、触媒担持フィン
１２の大きな熱変形を抑えることができる。従って、フ
ィンに付着している触媒担持用コーティング層が剥離す
ることも効果的に防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体や気体のような被
加熱流体の加熱装置に係り、特に触媒付熱交換器内にお
いて燃料ガスを触媒によって酸化させて、その酸化反応
熱によっ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）の触媒による酸化
反応によって発生する熱を利用して被加熱流体を加熱す
る所謂触媒燃焼加熱装置は既に知られており、家庭用、
自動車用等、色々な用途への使用が考えられている。触
媒付熱交換器を用いた触媒燃焼加熱装置においては、触
媒付熱交換器の被加熱流体が流れるチューブに接合され
ることによって一体的に形成された多数のフィンに、例
えば白金（Ｐｔ）やパラジューム（Ｐｄ）のような酸化
触媒を担持させておくことによって、燃料ガスが触媒担
持フィンに接触したときに酸化反応を起こし、その際に
発生する酸化反応熱によってチューブ内の被加熱流体を
加熱するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＰｔやＰｄのような酸
化触媒による燃料ガスの酸化反応は、それらの触媒が活
性化する３００℃程度の所謂活性化温度以上において起
こるので、触媒付熱交換器において酸化反応を安定に継
続させるためには、触媒担持フィンの温度を触媒の活性
化温度以上に維持する必要がある。ところが、触媒担持
フィンが取り付けられたチューブには低温の被加熱流体
が流れているのでチューブの温度も比較的低温であり、
触媒担持フィンの大部分が触媒の活性化温度以上になっ
ている状態では、図３（ａ）および（ｂ）に示すよう
に、チューブＴと触媒担持フィンＦとの接合部に大きな
温度勾配が生じて、チューブＴの周囲のフィンＦ上にお
ける半径方向に僅かな距離の間に大きな温度落差がある
状態になっている。

【０００４】従って、チューブＴの周囲のフィンＦで
は、触媒の活性化領域ＡがチューブＴの周りの幅の狭い
環状の不活性化領域Ｂの外側に形成され、低温の不活性
化領域Ｂでは燃料ガスの酸化反応が起こらないだけでな
く、チューブＴに対するフィンＦの接合部における大き
な温度落差と、それに伴う部分的な熱膨張の大きな差に
よって、フィンＦに異常に大きな変形が発生したり、反
復使用による加熱、冷却の繰り返しの結果として、フィ
ンＦに付着された触媒担持用のコーティング層に剥離が
生じるという問題がある。本発明は、従来技術における
このような問題に対処して、新規な手段によってそれら
の問題を解消することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決する手段として、内部を被加熱流体が流れるチュー
ブの外表面にフィンを接合し、前記フィンに燃料ガスと
接触して酸化反応を起こさせる酸化触媒を担持させた触
媒付熱交換器を備えており、前記フィンは前記チューブ
に対する接合部の近傍において多数のスリットを形成さ
れていて、それによって前記フィンから前記チューブへ
の熱伝達に役立つスリット間通路の断面積が、フィンの
断面積よりも減少していることを特徴とする触媒燃焼加
熱装置を提供する。

【０００６】

【作用】触媒付熱交換器のフィンがチューブに対する接
合部の近傍に多数のスリットを形成されており、それに
よってフィンからチューブへの熱伝達に役立つスリット
間通路の断面積が、フィンの断面積よりも減少している
ので、その部分が熱の伝達のための抵抗となり、スリッ
ト間通路において大きな温度落差が形成されるために、
熱膨張の差も多数のスリットによって形成された柔軟な
格子状の構造によって無理なく吸収される結果、触媒担
持フィンの大きな熱変形を抑えることができる。従っ
て、フィンに付着している触媒担持用コーティング層が
剥離することも効果的に防止される。

【０００７】

【実施例】図２は従来のものと実質的に同様な触媒燃焼
加熱装置の全体構成を例示したものである。１はケーシ
ング、２は多数列設された触媒担持フィンと蛇行するチ
ューブよりなる触媒付熱交換器（詳細は後述する。）で
あって、ケーシング１内に支持される。３はケーシング
１内において熱交換器２の上流側（下方）に支持される
ヒータ付触媒担持フィンであって、触媒（Ｐｔ，Ｐｄ等
の酸化触媒）をコーティング層（γ−アルミナ等）を介
して担持したフィン３ａ（ステンレス鋼等の金属製）
を、円筒状の電気加熱ヒータに直接にロウ付けにより接
合したものである。４は分流板で、ケーシング１内の入
口側の流路を遮断する板に多数の穴を設けたものであ
る。ケーシング１の下部には可燃性ガスと空気の混合し
た燃料ガスの入口５が設けられ、上部には排ガスの出口
６が設けられる。

【０００８】図１は、本発明の第１実施例としての触媒
付熱交換器２の部分構造を例示するものである。１１は
チューブの例としてステンレス鋼等の金属製の扁平チュ
ーブであり、その内部を被加熱流体が流れるようになっ
ている。１２は触媒（Ｐｔ，Ｐｄ等の酸化触媒）をコー
ティング層（γ−アルミナ等）を介して担持した触媒担
持フィン（ステンレス鋼等の金属製）であり、扁平チュ
ーブ１１にロウ付け等の方法で接合され、扁平チューブ
１１との間に良好な熱伝導性能を有する。この触媒担持
フィン１２には、扁平チューブ１１との接合部の近傍に
おいて多数のスリット１３が設けられている。このスリ
ット１３の形状は、特にそれに限定されるものではない
が、例えば、長方形や正方形、円形、楕円形、多角形、
或いはそれらの形を組み合わせた形等とすることができ
る。

【０００９】触媒担持フィン１２において発生した熱量
（設計値）が、スリット１３間に残っている比較的狭い
通路１４を通過して扁平チューブ１１に伝わる際に、ス
リット間通路１４の前後の間に温度落差を生じ、それに
よって、触媒担持フィン１２の温度が触媒活性化温度
（約３００℃）以上に維持されるように、スリット間通
路１４が必要にして十分な大きさの熱伝導の抵抗を生じ
るようにする。

【００１０】まず、従来の装置と同様であるが、図２に
示す触媒燃焼加熱装置全体の作動を説明する。入口５か
らケーシング１内へ流入した燃料ガス（可燃性ガスと空
気との混合ガス）は、分流板４により入口側の流路の全
面に拡がる。それに先立ってヒータ付触媒担持フィン３
においては、触媒燃焼加熱装置の立ち上げ（始動）時に
電気加熱ヒータ３ｂに通電し、フィン３ａの温度を触媒
活性化温度以上に昇温させておく。フィン３ａの温度が
十分に上昇した後に燃料ガスを入口５から導入すること
によって、フィン３ａの表面上で触媒酸化反応を生ぜし
める。

【００１１】ヒータ付触媒担持フィン３による安定な触
媒酸化反応が実現した後は、電気加熱ヒータ３ｂへの通
電を停止しても触媒酸化反応は維持される。ヒータ付触
媒担持フィン３の触媒酸化反応により加熱された燃料ガ
スは触媒活性化温度以上に昇温し、触媒付熱交換器２に
流入する。触媒付熱交換器２の触媒担持フィン１２上で
も燃料ガスの触媒酸化反応が進行し、その反応熱により
触媒付熱交換器２の入口２１から流入した被加熱流体
は、加熱されて触媒付熱交換器２の出口２２から流出す
る。触媒付熱交換器２の触媒担持フィン１２によって十
分に酸化された燃料ガスは、排ガスとしてケーシング１
より流出する。

【００１２】図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１実施
例における触媒付熱交換器の構造を示す図であるが、触
媒担持フィン１２上での酸化反応により発生した熱は、
フィン１２に設けられたスリット部のスリット１３の存
在により、熱通過断面積を減ぜられるために、大きな温
度落差を形成して扁平チューブ１１に伝わる。このスリ
ット部で生じる大きな温度落差によって、触媒担持フィ
ン１２の温度は扁平チューブ１１の温度（被加熱流体の
温度に近い）よりもかなり高温の触媒活性化温度以上に
維持され、フィン１２上で燃料ガスの良好な触媒酸化反
応が安定に継続する。それによって触媒担持フィン１２
が高温になって熱膨張するが、この場合は波形のフィン
１２が扁平チューブ１１に対して直線上で接合されてい
るのと、接合部分の付近にスリット１３が設けられてい
るために、フィン１２の自由度が大きく、フィン１２が
比較的に拘束の少ない状態で伸びるため、そり等の変形
は小さく抑えられる。

【００１３】図４（ａ），（ｂ）に示す本発明の第２実
施例では、図１の第１実施例と比べて、スリット１３の
形状が異っている。スリット１３は第１実施例と同じ
く、熱伝導の抵抗部としての働きをする。この場合のス
リット１３は細長い長方形で、触媒担持フィン１２上の
扁平チューブ１１との接合部の近傍に、扁平チューブ１
１の面と平行に複数段に重畳して、且つ千鳥状に交互に
位置をずらして配列されている。従って、千鳥状のスリ
ット１３の配置により生じるスリット間通路も、扁平チ
ューブ１１に平行な部分３１を有する迷路状のものとな
り、それによって通路の長さを長くとることが可能にな
り、同じ程度の熱抵抗を生ぜしめるのに必要なスリット
部の面積を小さくすることが出来る。

【００１４】図５（ａ），（ｂ）に示す本発明の第３実
施例は、通常の熱交換器と同様に、フィン１２と扁平チ
ューブ１１とを複数段に積み重ねた形で一体的に接合し
たものである。フィン１２には触媒が担持され、スリッ
ト１３が設けられていることは同様であるが、フィン１
２の上下がいずれも扁平チューブ１１に接合されるた
め、スリット１３はフィン１２の上下に設けられる。

【００１５】図６（ａ），（ｂ）に示す本発明の第４実
施例では、図５に示した第３実施例と同様に、フィン１
２の上下を上下の扁平チューブ１１と接合しているが、
フィン１２の折り返し部（屈曲部）の全てにおいてチュ
ーブ１１と接合しないで、接合部と接合部の間に接合し
ないフィンの折り返し部を設けたことが特徴である。こ
の接合しない折り返し部の存在により、フィン１２の拘
束個所が少なくなり、フィン１２のそり等の変形がさら
に抑えられる。

【００１６】図７に示す本発明の第５実施例の触媒付熱
交換器は、扁平チューブではなく、円管状チューブ１５
に触媒担持フィン１２を花びら形に接合したものであ
る。フィン１２には触媒が担持され、円管状チューブ１
５との接合部の近傍にスリット１３が設けられているこ
とは同様である。

【００１７】図８及び図９に本発明の第６実施例を示
す。この例は円管状チューブ１５に鍔状の穴あき円板か
らなる多数の触媒担持フィン１６を挿通して接合固定し
たもので、鍔状の触媒担持フィン１６には円管状チュー
ブ１５の近傍にそれを取り巻くように複数個のスリット
１３が開口しており、それによって熱のための狭いスリ
ット間通路１４が形成されている。なお、１７はフィン
１６の表面に被覆された触媒の層を示す。第６実施例の
特徴は、プレス加工によってスリット１３を打ち抜く際
に、同時にスリット間通路１４が図８に示すような軸方
向に突出する膨らみ１８を形成するようにしたことであ
る。

【００１８】スリット間通路１４に膨らみ１８を形成し
たことによって、スリット間通路１４の可撓性が一層高
くなり、この部分に熱応力が発生し難くなる。またスリ
ット間通路１４が熱の伝達に対して抵抗作用を示すこと
によって、円管状チューブ１５が被加熱流体と同様に低
温であっても、触媒担持フィン１６が触媒の活性化温度
以上の高温に維持されることができるので、触媒燃焼が
十分に行われるだけでなく、その際に触媒担持フィン１
６や円管状チューブ１５との接合部分に無理な力が作用
しないため、触媒担持フィン１６が変形したり、触媒の
層１７が剥離するようなことが防止される。

【００１９】図１０に本発明の第７実施例を示す。この
例は鍔状の触媒担持フィン１６にエの字形のスリット１
９とＴの字形のスリット２０を、円管状チューブ１５の
回りに交互に形成したもので、それによって円管状チュ
ーブ１５に沿った部分３２を有する熱のための迷路状の
スリット間通路２１が形成されている。このような迷路
状のスリット間通路２１によって熱の伝達される距離を
大きくして熱の通過抵抗を高め、円管状チューブ１５に
対して触媒担持フィン１６の温度を高く維持することが
できるだけでなく、迷路状のスリット間通路２１がばね
のように柔軟に変形することができるために、円管状チ
ューブ１５に対して触媒担持フィン１６上に熱応力が発
生するのを回避することができ、触媒担持フィン１６の
変形や、それに担持された触媒層の剥離を防止すること
ができる。

【００２０】同様な作用、効果は、図１１に示した本発
明の第８実施例によっても奏することができる。この例
では触媒担持フィン１６に開口するスリット２２が渦巻
き状に形成されている点に特徴がある。従って、渦巻き
状スリット２２間には渦巻き状のスリット間通路３３が
形成され、それが柔軟なばねと同様な可撓性と、熱の伝
達に対する抵抗をもたらすことは説明の必要がない。こ
の場合に、円管状チューブ１５に対して触媒担持フィン
１６が熱変形するときは、触媒担持フィン１６が円管状
チューブ１５の回りに僅かな角度だけ回転することにな
る。

【００２１】

【発明の効果】本発明の触媒燃焼加熱装置においては、
チューブとの接合部の近傍に多数のスリットを形成され
た触媒担持フィンを有する触媒付熱交換器を用いるの
で、熱の伝達のためのスリット間通路が熱の抵抗として
働いて、チューブが低温でも触媒担持フィンを触媒の活
性化温度以上の高い温度に維持することができる。しか
もスリット間通路が柔軟なばねとして作用するため、フ
ィンの異常な変形や、それに伴う触媒担持用コーティン
グ層の剥離等の問題が解決されて、安定性の高い触媒燃
焼加熱装置を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の触媒付熱交換器の構造を示すもの
で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図２】触媒燃焼加熱装置の概略的な全体構成を例示す
る断面図である。

【図３】従来の触媒付熱交換器における被加熱流体のチ
ューブと触媒担持フィンの温度分布を示す線図である。

【図４】第２実施例の触媒付熱交換器の構造を示すもの
で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図５】第３実施例の触媒付熱交換器の構造を示すもの
で、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。

【図６】第４実施例の触媒付熱交換器の構造を示すもの
で、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。

【図７】第５実施例の触媒付熱交換器の構造を示す斜視
図である。

【図８】第６実施例の触媒付熱交換器の構造を示す縦断
面図である。

【図９】第６実施例の触媒付熱交換器の横断面図であ
る。

【図１０】第７実施例の触媒付熱交換器の構造を示す横
断面図である。

【図１１】第８実施例の触媒付熱交換器の構造を示す横
断面図である。

【符号の説明】

１…ケーシング２…触媒付熱交換器３…ヒータ付触媒担持フィン４…分流板１１…扁平チューブ１２…触媒担持フィン１３…スリット１４…スリット間通路１５…円管状チューブ１６…鍔状の触媒担持フィン１７…触媒の層１８…膨らみ１９…エの字形のスリット２０…Ｔの字形のスリット２１…迷路状のスリット間通路２２…渦巻き状のスリット３１…チューブに平行なスリット間通路の部分３２…チューブに沿ったスリット間通路の部分３３…渦巻き状のスリット間通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部を被加熱流体が流れるチューブの外
表面にフィンを接合し、前記フィンに燃料ガスと接触し
て酸化反応を起こさせる酸化触媒を担持させた触媒付熱
交換器を備えており、前記フィンは前記チューブに対す
る接合部の近傍において多数のスリットを形成されてい
て、それによって前記フィンから前記チューブへの熱伝
達に役立つスリット間通路の断面積が、フィンの断面積
よりも減少していることを特徴とする触媒燃焼加熱装
置。
【請求項２】前記チューブの断面形が偏平で、且つ前
記フィンが波状である請求項１記載の触媒燃焼加熱装
置。
【請求項３】前記チューブの断面形が円形で、且つ前
記フィンが鍔状である請求項１記載の触媒燃焼加熱装
置。
【請求項４】前記スリット間通路が予め変形されるこ
とによって、その可撓性が高められている請求項１ない
し３のいずれかに記載された触媒燃焼加熱装置。
【請求項５】前記スリット間通路が前記チューブに対
して垂直方向に形成されている請求項１ないし３のいず
れかに記載された触媒燃焼加熱装置。
【請求項６】前記スリット間通路が迷路状に形成され
ている請求項１ないし３のいずれかに記載された触媒燃
焼加熱装置。
【請求項７】前記スリット間通路が渦巻き状に形成さ
れている請求項３記載の触媒燃焼加熱装置。