JPH09118125A

JPH09118125A - 触媒燃焼式ヒータ

Info

Publication number: JPH09118125A
Application number: JP7301968A
Authority: JP
Inventors: Sadahisa Onimaru; 貞久鬼丸; Takashi Inoue; 孝井上; Hiroshi Okada; 弘岡田; Yasuo Kondo; 靖男近藤
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 1997-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼ガスを有効に利用することにより、触媒
の活性維持や燃料の気化に要する熱量を低減し、コンパ
クトで実用性に優れる温水式の触媒燃焼式ヒータを提供
する。【解決手段】触媒を充填してなる触媒燃焼室１の一端
側に、燃料と空気を混合する混合室３を設け、混合室３
内で形成される燃料と空気の混合気を上記触媒燃焼室１
に導入して触媒燃焼させる。触媒燃焼室１の他端側より
排出される高温の燃焼ガスを、触媒燃焼室１の周囲を取
り巻くように設けた燃焼ガス通路８に導き、その周囲を
取り巻くように設けた流路９内を流通する水を加熱す
る。一方、触媒燃焼室１と燃焼ガス通路８の間に上記水
の流路９に接しない燃焼ガス室２を設け、燃焼ガス室２
内の高温の燃焼ガスをリターンパイプ４で混合室３内ま
たはその近傍に還流させて燃料の気化に利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車用暖房
装置等の用途に用いられる温水式の触媒燃焼式ヒータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料と空気の混合気を触媒に供給し、酸
化反応を生起して触媒燃焼させる触媒燃焼式ヒータを各
種器具の熱源として利用することが検討されている。一
般に、触媒燃焼では、低エミッション燃焼が可能である
ので、環境を汚染しない、クリーンな装置として有望で
ある。

【０００３】例えば、特開平６−１４３９８６号公報に
は温水式の触媒燃焼式ヒータを用いた電気自動車の補助
暖房装置が開示されている。この装置は図６に示すよう
に、筒状ハウジングＨ内に触媒を充填して燃焼室１を設
け、該燃焼室１の上流側（図の下方）に燃料タンク１１
より燃料が、送風器１２より燃焼用空気が導入されるよ
うになしてある。これら燃料および空気の導入口には気
化器１３が設けてあり、燃料はここで加熱、気化され、
空気との混合気となって上記燃焼室１に導入される。ま
た、上記燃焼室１に対向して触媒を活性化するためのヒ
ータ１４が設けてある。

【０００４】一方、上記ハウジングＨを取り囲むように
循環水の流路１５が形成され、触媒燃焼によって発生し
た燃焼熱にて上記流路１５を流通する循環水を加熱する
ようになしてある。高温となった循環水は車室側の熱交
換器１６において、送風ファン１７を回すことにより空
気と熱交換を行う。これにより低温となった循環水は再
度、上記流路１５に戻される。

【０００５】ところで、上記触媒反応を生起するには、
通常、燃料と空気の混合気を触媒に導入する前に予熱す
る必要がある。特に、炭化水素系燃料は、触媒反応を開
始する温度が約４００℃と高く、このため、上記従来の
装置においても、気化器１３およびヒータ１４を設け
て、混合気および触媒を上記反応開始温度まで加熱した
後、触媒燃焼させている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特に燃
焼空気供給量が大きい（発熱量の大きい）触媒燃焼式ヒ
ータの場合、クリーンな燃焼を行うためには定常燃焼時
においても上記気化器１３やヒータ１４への通電が不可
欠であり、このため消費電力が大きくなってしまうとい
う問題があった。

【０００７】この対策として、燃焼室から排出される排
気ガスの一部をリターンパイプによって吸気側へ還流さ
せることにより、混合気または触媒の加熱を行うことが
提案されている（例えば、特開昭６０−３０９０８号公
報等）。この構成を図７に示すと、筒状ハウジングＨ内
には触媒を充填した燃焼室１が設けてあり、該燃焼室１
の上流側（図の左方）に燃料と空気の混合室２１が、下
流側（図の右方）に燃焼ガス通路２２が形成してある。
上記混合室２１には、燃料供給用のノズル２３と空気導
入路２４が設けてあって、上記ノズル２３に付設される
パイロットバーナーによって加熱された燃料が空気と混
合しながら上記燃焼室１に導入されるようになしてあ
る。

【０００８】一方、上記混合室２１と燃焼ガス通路２２
とは、リターンパイプ２５で連結されており、燃焼室１
より排出される燃焼ガスの一部が上記混合室２１へ還流
されるようになしてある。また、上記リターンパイプ２
５内にも燃料供給用のノズル２６が配置されており、燃
料を加熱しながら上記混合室２１へ供給できるようにし
てある。このように排ガスを利用して空気を予熱し、パ
イロットバーナーの燃料を節約することを可能としてい
る。

【０００９】ところで、上記図７の装置は、排出される
高温の燃焼ガスを直接、暖房装置の温風吹出口に接続し
て利用するように構成された温気式の触媒燃焼式ヒータ
であり、電気自動車用の暖房装置として一般的な温水式
の触媒燃焼式ヒータに、上記構成をそのまま適用する
と、以下のような不具合が生じる。

【００１０】すなわち、上記図６の温水式の触媒燃焼式
ヒータにおいて、燃焼ガスは、流路１５を流通する循環
水と熱交換してから排出されるため、排気通路１８内の
燃焼ガスは、通常、約２００〜３００℃に温度が低下し
ており、これを吸気側へ戻しても、温度が低すぎて触媒
の活性維持や燃料を気化するには不十分であった。高温
の燃焼ガスを利用するには、上記図７の構成において、
リターンパイプ２５より下流の燃焼ガス通路に循環水と
の熱交換部を設置する等が考えられるが、外形が大きく
なり、設置スペースの限られる自動車用として使用する
には、実用的ではなかった。

【００１１】しかして本発明の目的は、温水式の触媒燃
焼式ヒータにおいて、燃焼ガスを有効に利用することに
より、触媒の活性維持や燃料の気化に要する熱量を低減
することの可能であり、しかもコンパクトで実用性に優
れる触媒燃焼式ヒータを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記実情に鑑み
なされたもので、請求項１の構成では（図１）、触媒を
充填してなる触媒燃焼室１の一端側に、燃料と空気を混
合する混合室３を設け、該混合室３内で形成される燃料
と空気の混合気を上記触媒燃焼室１に導入して触媒燃焼
させる。上記触媒燃焼室１の他端側より排出される高温
の燃焼ガスは、燃焼ガス通路８に導かれ、該燃焼ガス通
路８に接して設けた水の流路９内を流通する水を加熱す
るようになしてある。

【００１３】ここで、上記触媒燃焼室１の周囲を取り巻
くように上記燃焼ガス通路８を形成し、さらにこの燃焼
ガス通路８の周囲を取り巻くように上記水の流路９を形
成することで、装置をコンパクトにできる。

【００１４】また、上記触媒燃焼室１と上記燃焼ガス通
路８の間に上記水の流路９に接しない空間を設けて燃焼
ガス室２となし、該燃焼ガス室２と上記混合室３内また
はその近傍とを連通する通路を設けて還流路４となして
いる。上記燃焼ガス室２内の燃焼ガスは水と熱交換する
前で十分高温であるので、その一部を上記還流路４より
上記混合室３内またはその近傍に還流させることによ
り、燃料および空気を加熱し、または触媒を活性化する
に十分な熱量が得られ、定常運転時のヒータの消費電力
を低減できる。

【００１５】請求項２、３の構成では、上記還流路４の
一端を上記燃焼ガス室２内に、他端を上記混合室３内に
開口し、上記還流路４の途中に液体状の燃料を供給する
手段、例えばインジェクタ５と、該燃料を気化する手
段、例えば気化ヒータ７１および気化プレート７２を設
ける。始動時は、インジェクタ５により上記還流路４中
に噴霧される燃料を、対向する気化ヒータ７１および気
化プレート７２にて気化した後、上記混合室３内に導入
し、定常運転時は上記ヒータ７１を停止して、上記燃焼
ガス室２より還流される高温の燃焼ガスにより燃料を気
化することで、燃料の気化が効率よくできる。

【００１６】請求項４の構成では、図５のように、二重
筒体Ｈ１の内筒Ｈ１１中間部内に上記触媒燃焼室１を形
成し、上記触媒燃焼室１上流側に上記混合室３を、下流
側に上記燃焼ガス室２を形成する。そして、内外筒Ｈ１
１、Ｈ１２間に形成される空間を上記還流路４となして
おり、よりコンパクトにでき、製作も容易である。

【００１７】また、請求項５の構成では（図１）、触媒
を加熱する手段３３と、上記還流路４中の燃焼ガス温度
を測定する手段４２を設け、該測定手段４２によって上
記還流路４中の燃焼ガス温度が触媒の活性を維持するに
十分な温度に達したことを確認した時に、上記加熱手段
３３を停止する制御手段Ｓを設ける。このように上記加
熱手段３３の作動を制御手段Ｓによって制御してもよ
い。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態の一例
を図面に基づいて説明する。図１において、筒状のハウ
ジングＨは三重構造で、触媒が設置される最内層の燃焼
筒Ｈ１の外側に、熱交換器を構成する中間筒Ｈ２および
外筒Ｈ３を同心状に配置してなる。上記燃焼筒Ｈ１は両
端開放で、その左半部内に燃焼用触媒を充填して触媒燃
焼室１となしてある。上記触媒としては、例えば、多数
の通孔を有する多孔質セラミックの表面に酸化触媒を塗
布したものが使用され、上記通孔内に燃料と空気の混合
気を導入することにより触媒燃焼を生起する。上記燃焼
筒Ｈ１の右半部内の空間は燃焼ガス室２となしてあり、
上記触媒燃焼室１から高温の燃焼ガスが該燃焼ガス室２
内に排出されるようになしてある。

【００１９】上記燃焼筒１の左端開口には、内部を混合
室３とする略円錐形状の混合筒Ｈ４が覆着されてこれを
閉鎖している。上記混合筒Ｈ４の左半部は二重筒状とし
てあって、内外筒間に環状の空気流路３１を形成してお
り、該空気流路３１にエアポンプＰによって空気が導入
されるようになしてある。上記空気流路３１を流通した
空気は、内筒壁に設けた複数の空気導入孔３２より混合
室３内に導入される。

【００２０】上記空気導入孔３２近傍には、燃料導入口
４１が上記触媒燃焼室１に向けて開口してあり、該燃料
導入口４１は、上記燃焼ガス室２より延びる燃焼ガスの
還流路たるリターンパイプ４に連通している。該リター
ンパイプ４の上記燃焼ガス室２側の端部は上記触媒燃焼
室１の直下にこれと対向して開口しており、上記燃焼ガ
ス室２内の燃焼ガスの一部が上記リターンパイプ４を経
て上記混合室３内に還流されるようになしてある。ま
た、上記リターンパイプ４内には燃焼ガスの温度を測定
するための測定手段たる温度センサ４２が設けてある。

【００２１】上記温度センサ４２下流のリターンパイプ
４内には、燃料供給手段たるインジェクタ５が設けてあ
り、燃料ポンプ６１により燃料タンク６内の燃料を上記
リターンパイプ４内に噴霧するようにしてある。また、
上記インジェクタ５に対向する上記リターンパイプ４壁
には、燃料の気化手段たる気化プレート７１および気化
ヒータ７２が設けてある。かくして、上記インジェクタ
５より噴霧された燃料は気化プレート７１に衝突して気
化した後、上記混合室３に流入する。

【００２２】また、上記混合室３内には、上記触媒の上
流側端面に隣接して加熱手段たる電気ヒータ３３が設け
てあり、始動時に上記触媒が速やかに活性化温度に到達
するようになしてある。

【００２３】上記燃焼筒Ｈ１と上記中間筒Ｈ２の間に形
成される空間は、燃焼ガス流路８となしてあり、上記燃
焼ガス室２を通過して上記燃焼筒Ｈ１の右端開口に達し
た燃焼ガスは、上記中間筒Ｈ２の内壁面に沿って外方へ
広がり、上記燃焼筒Ｈ１外周の上記燃焼ガス流路８内を
左方へ流れて排出口８１より外部へ排出される。

【００２４】一方、上記中間筒Ｈ２と上記外筒Ｈ３との
間に形成される空間は、循環水の流路９となしてあり、
上記外筒Ｈ３の右端部壁に設けた水導入口９１より流入
する循環水は、流路９内を流通する間に燃焼ガス流路８
を流通する高温の燃焼ガスによって加熱され、上記外筒
Ｈ３の左端部壁に設けた水導出口９２より導出される。

【００２５】次に本装置の作動について説明する。図１
において、まず、始動時には、触媒を活性化する電気ヒ
ータ３３と燃料の気化プレート７１を加熱する気化ヒー
タ７２に通電する。触媒の全体もしくは必要部分が活性
化する温度まで加熱されたら、エアポンプＰで燃焼用空
気を上記空気導入孔３２より上記混合室３に供給すると
ともに、燃料タンク６内の燃料をインジェクタ５にて上
記リターンパイプ４内に噴霧する。燃料は、対向する気
化プレート７１にぶつかって気化し、リターンパイプ４
（この時点ではエアポンプによって混合室３へ供給され
る空気の一部が流れている）内を流れる気流によって上
記混合室３へ送られ、混合気となる。

【００２６】この際、上記混合室３に流入する空気は、
上記空気導入孔３２を通り旋回流となっているため、気
化燃料と空気は十分に混合される。混合気は電気ヒータ
３３で活性化温度以上に加熱された触媒に供給され、触
媒燃焼を開始する。なお、電気ヒータ３３で触媒の全体
を活性化することができない場合は、活性化温度に達し
ている部分で燃焼可能な量だけ燃料を供給するように、
インジェクタ５を制御してもよい。燃焼が始まると燃焼
熱によって触媒温度が上昇し、活性化域が広がるので、
それに合わせて燃料供給量を増加する。

【００２７】発生する燃焼ガスの一部は、上記リターン
パイプ４を通って上記混合室３側へ還流される。燃焼ガ
ス温度が触媒活性を維持するのに十分な温度（例えば４
００℃以上）に達し、これを温度センサ４２で検出した
ら、電気ヒータ３３と気化ヒータ７２を停止する。

【００２８】上記インジェクタ５により噴霧される燃料
は、上記リターンパイプ４内を流通する高温の燃焼ガス
によって気化され、上記混合室３へ送られる。上記燃焼
ガス室２内の燃焼ガスは６００〜７００℃であり、燃料
を気化するに十分高い温度となっている。上記リターン
パイプ４に導入されなかった燃焼ガスは燃焼ガス通路８
へ流入し、これに接する流路９を流通する循環水と熱交
換を行った後、排気口８１より排出される。その際に
は、燃焼ガス温度は２００〜３００℃程度に低下してい
る。水導出口９２より導出される循環水は、さらに、例
えば自動車用暖房装置の車室側熱交換器（図略）に導入
されて空気の加熱に利用される。

【００２９】上記実施の形態では、リターンパイプ４に
て混合室３側へ戻す燃焼ガスの量については、特に制御
を行っていないが、図２の如く、リターンパイプ４内に
バルブ４３を設けて戻り量を制御する構成としてもよ
い。

【００３０】また、上記実施の形態では、液体燃料を用
いているが、メタンガス等の気体燃料を用いてもよい。
この場合の構成を図３に示し、気体燃料タンク６２とレ
ギュレータ６３および制御バルブ６４より構成される燃
料系が、上記図１の燃料タンク６および燃料ポンプ６１
の代わりに設置されている。なお、気体燃料の場合、図
１の気化プレート７１と気化ヒータ７２は不要となる。

【００３１】上記実施の形態では、燃料をリターンパイ
プ４内に噴霧しているが、必ずしもこのように構成する
必要はなく、図４の如く、上記混合室３内にインジェク
タ５により燃料を噴霧する構成としてもよい。この場
合、始動時の燃料気化は、電気ヒータ３３で吸気を加熱
し、高温となった吸気がリターンパイプ４を通って混合
室３側へ戻されることによって行われる。また、この場
合、別に吸気加熱ヒータ（図示せず）を設けたり、ある
いは気体燃料を用いる構成としてもよい。

【００３２】上記実施の形態では、始動時の触媒活性化
手段として電気ヒータ３３を用いているが、従来公知の
パイロットバーナを備え、それを始動時の触媒活性化手
段としてもよい。

【００３３】上記リターンパイプ４は、必ずしも上記混
合室３内に開口する必要はなく、図５に示すように燃焼
ガスを上記混合室３の周囲に導いて上記混合室３全体を
加熱する構成としてもよい。図５において、上記燃焼筒
Ｈ１は内筒Ｈ１１と外筒Ｈ１２の二重筒状となしてあ
り、上記内筒Ｈ１１内には中間部に触媒を充填して触媒
燃焼室１を形成するとともに、その上流側（図の下側）
には混合室３が、下流側（図の上側）には燃焼ガス室２
が形成してある。

【００３４】上記燃焼筒Ｈ１は、内部に混合室３を形成
する、外筒Ｈ３と同径の容器体Ｈ５内に挿通固定されて
おり、上記容器体Ｈ５側壁には空気を導入する流路３１
および燃料導入口３４が設けてある。また、上記容器体
Ｈ５の底部には、電気ヒータ３３が設置され、始動時の
混合気および触媒を加熱するようになしてある。

【００３５】上記内外筒Ｈ１１、Ｈ１２間の空間は還流
路４となしてあり、上記燃焼ガス室２を通過直後の高温
の燃焼ガスの一部は、水と熱交換することなく上記還流
路４を経て上記混合室３側へ還流される。上記容器体Ｈ
５には、上記燃焼筒Ｈ１外周の燃焼ガス通路８に連通す
る流路８２が設けてあり、上記還流路４を通過した燃焼
ガスは上記流路８２に合流し、上記容器体Ｈ５側壁に設
けた排気口８１より外部に排出される。

【００３６】上記構成によれば、装置形状がよりコンパ
クトにでき、簡易な構造で製作も容易である。なお、上
記実施の形態において、上記内筒Ｈ１１壁に上記燃焼ガ
ス室２と上記還流路４を連通する通孔を形成したり、上
記還流路４と上記混合室３とを連通する通路を設けて燃
焼ガスを混合室３内に戻す構成としてももちろんよい。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、温水式
の触媒燃焼式ヒータにおいて、触媒燃焼によって生じた
燃焼ガスを、高温の状態で吸気側へ戻し、触媒の活性化
状態の維持と燃料気化を行うに十分な熱量を得ることが
できる。しかも、コンパクトで実用性に優れ、工業的利
用価値が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す触媒燃焼式ヒ
ータの全体断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示す触媒燃焼式ヒ
ータの全体断面図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態を示す触媒燃焼式ヒ
ータの全体断面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態を示す触媒燃焼式ヒ
ータの全体断面図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態を示す触媒燃焼式ヒ
ータの全体断面図である。

【図６】従来の触媒燃焼式ヒータの全体断面図である。

【図７】従来の触媒燃焼式ヒータの全体断面図である。

【符号の説明】

ＨハウジングＨ１燃焼筒Ｈ１１内筒Ｈ１２外筒Ｈ２中間筒Ｈ３外筒Ｈ４混合筒Ｈ５容器体１触媒燃焼室２燃焼ガス室３混合室３１空気流路３２空気導入孔３３電気ヒータ（加熱手段）４リターンパイプ（還流路）４１燃料導入口４２温度センサ（測定手段）５インジェクタ（燃料供給手段）６燃料タンク６１燃料ポンプ７１気化プレート（気化手段）７２気化ヒータ（気化手段）８燃焼ガス通路９水の流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡田弘愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者近藤靖男愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】触媒を充填してなる触媒燃焼室の一端側
に燃料と空気を混合する混合室を設けて、該混合室で形
成される燃料と空気の混合気を上記触媒燃焼室に導入
し、上記触媒燃焼室の他端側より排出される高温の燃焼
ガスを燃焼ガス通路に導いて、該燃焼ガス通路に接して
設けた水の流路内を流通する水を加熱する温水式の触媒
燃焼式ヒータにおいて、上記触媒燃焼室の周囲を取り巻
くように上記燃焼ガス通路を形成し、この燃焼ガス通路
の周囲を取り巻くように上記水の流路を形成するととも
に、上記触媒燃焼室と上記燃焼ガス通路の間に上記水の
流路に接しない空間を設けて燃焼ガス室となし、該燃焼
ガス室と上記混合室内またはその近傍とを連通し、上記
燃焼ガス室内の高温の燃焼ガスの一部を上記混合室内ま
たはその近傍に還流させる還流路を形成したことを特徴
とする触媒燃焼式ヒータ。
【請求項２】上記還流路の一端を上記触媒燃焼室に、
他端を上記混合室内に開口した請求項１記載の触媒燃焼
式ヒータ。
【請求項３】上記還流路の途中に液体状の燃料を供給
する手段と、該燃料を気化する手段を設けた請求項２記
載の触媒燃焼式ヒータ。
【請求項４】二重筒体の内筒中間部内に触媒を充填す
ることによって上記触媒燃焼室を形成し、上記触媒燃焼
室上流側の上記内筒内を上記混合室とし、下流側の上記
内筒内を上記燃焼ガス室となすとともに、内外筒間に形
成される空間を上記還流路となした請求項１記載の触媒
燃焼式ヒータ。
【請求項５】上記触媒を加熱する手段と、上記還流路
中の燃焼ガス温度を測定する手段と、該測定手段によっ
て上記還流路中の燃焼ガス温度が上記触媒の活性を維持
するに十分な温度に達したことを確認した時に、上記加
熱手段を停止する制御手段を設けた請求項１ないし３記
載の触媒燃焼式ヒータ。