JPH09303722A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射熱利用率の高い触媒燃焼装置を実現する
こと。 【解決手段】 平板状触媒体７の上流側を覆う予混合器
室１０の一部に熱線透過体９を設置し、予混合器室１０
に空気と燃料の予混合気を導入するとともに、触媒体７
の上流側または下流側に対向させて熱線反射板１１を備
えて触媒燃焼装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放射熱を利用す
る、触媒燃焼を用いた燃焼装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭化水素を主体とする燃料に対して酸化
活性を有する触媒を用いた触媒燃焼装置は、従来より多
数提案されているが、その燃焼反応熱を熱線放射によっ
て利用に供するものにおいては、触媒体の上流面または
下流面の一方からの直接放射もしくは熱線透過窓を介し
ての放射を利用するものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の機器では、
(A)一般に主燃焼面となる触媒体の片側表面、すなわち
触媒体の連通孔には燃料のみを供給し、触媒体下流側表
面近傍で大気中の酸素を拡散供給することによって接触
酸化させるものでは露出された下流面を、(B)一方燃料
と空気の予混合気を供給して主に触媒体上流側表面近傍
で接触酸化反応をさせ、触媒体の連通孔を経て排気ガス
を放出するものにおいては、触媒体上流面に対向設置さ
れた熱線透過窓を介して上流面から、それぞれ熱線を放
射させて加熱や暖房等の用途に供するものであった。触
媒燃焼は、燃料の酸化反応が触媒体表面で進行すること
から、反応熱は直接触媒体に伝達され、ここから効率よ
く熱放射されて、火炎燃焼の排ガスで熱放射体を加熱す
るものに比べて高い放射効率（燃料の反応熱に対する放
射熱の比率）が得られるものの、放射効率は４０〜５０
％程度が限界であった。また、放射熱の波長分布は、放
熱面の温度に対応して変化し、高温の放射面からは放射
熱の総量は多いものの短波長（２〜３μｍ）にピークを
有する分布形状となり、低温では長波長の遠赤外線（３
〜５μｍ以上）の比率が増加して快適な暖房に適するも
のの、放射熱総量は小さくなるという、相反する特性が
ある。一方触媒燃焼の実用範囲は、触媒体表面で反応す
る燃料の量に対応して触媒体の温度が増減するという触
媒燃焼の特性故に、単位容積の触媒体に対して、燃焼量
の上限は触媒層に担持された活性成分（例えば白金属金
属など）の耐熱限界温度で規制され、一方燃焼量の下限
は、反応完結の下限温度で規制される。したがって、水
素や一酸化炭素等の低温で酸化されやすい燃焼成分の場
合には、触媒体温度が１００℃から９００℃程度まで使
用可能であるものの、通常家庭用に用いられる炭化水素
燃料であるプロパン、ブタン、灯油などでは下限温度が
４００℃〜５００℃、天然ガスの主成分であるメタンで
は６５０℃〜７００℃が下限温度となり、上限はいずれ
も同様に耐熱限界の９００℃程度となるから、この燃焼
温度に対応した放射熱の波長分布は、熱刺激の強い近赤
外線（５μｍ以下）の比率が多くなっており、暖房や乾
燥等には必ずしも適した波長分布にはならない。放射効
率と放射熱の波長分布という両面において、従来の触媒
燃焼装置では十分対応できていないものであった。

【０００４】本発明は、かかる従来の触媒燃焼装置の課
題を解決することを目的とするものである。

【０００５】

【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の本発明では、多数の連通孔を有する平板
状の触媒体の上流側表面近傍に予混合気室を設け、この
予混合気室の一部壁面に耐熱ガラス等からなる熱線の透
過窓を設置するとともに、触媒体の上流側表面または下
流側表面のいずれかに対向させて、反射板を設置した構
成にしたことを特徴としている。

【０００６】また請求項２の本発明では、前記触媒体の
上流面を覆う予混合気室壁面の一部を、反射板で構成す
るとともに、反射光が放出される開口部分には熱線の透
過窓を備えて、この両者で予混合気室を構成したことを
特徴としている。

【０００７】また請求項３の本発明では、前記触媒体の
下流側（すなわち排ガスの放出側）近傍に、着火装置
（電気ヒータ、放電点火器など）を備えたことを特徴と
している。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。本発明の実施には、多数の
連通孔を有し、各種炭化水素系燃料への酸化活性を有す
る触媒体、耐熱性の熱線透過材料、着火装置等の他、流
量制御装置や混合器等、必要に応じて温度検出手段や駆
動装置等が必要となる。触媒体は金属やセラミックのハ
ニカム担体、あるいはセラミック繊維の編組体に、白金
やパラジウム等の貴金属を主成分とした活性成分を担持
したものを用い、また耐熱性の熱線透過材料としては、
石英ガラスや結晶化ガラス等を用い、空気や気体燃料の
流量制御は、手動のニードルバルブや電動のソレノイド
バルブ等が使われ、液体燃料の場合には電磁ポンプ等を
使用する。その他駆動部分は、手動のレバー操作、自動
制御のモータ駆動等が可能である。なおこれらはいずれ
も従来から広く採用されている手段であり、他の公知の
手段でも可能である。

【０００９】（実施の形態１）図１は、本発明に係る触
媒燃焼装置の１実施の形態の全体断面図、図２はその放
射特性図である。図１において、１は燃料供給管、２は
燃焼用空気の送風機、３は燃料と空気を混合させつつ両
者の流量を制御して燃焼量を調節する燃焼制御部、４は
調節ツマミである。また５は予混合気の噴出口で、燃焼
制御部３と送気管６によって連通されている。７はセラ
ミックハニカムに白金属の貴金属を担持した触媒体、８
は電気ヒータからなる点火器である。また９は触媒体７
の上流面、すなわち予混合気の噴出口５側に対向して設
置された耐熱ガラスからなる透化窓であり、噴出口５を
内包して形成される予混合気室１０の壁面の一部を構成
している。また１１は、触媒体７の上流面を包むように
構成設置された金属板からなる反射板である。１２は筺
体、１３は金属線材で構成されたガードである。

【００１０】次に、本実施の形態の動作と特性について
説明する。燃料供給管１から供給された燃料ガス（ここ
ではメタンを主成分とする都市ガス１３Ａを使用）は、
燃焼制御部３において送風機２から供給された空気と混
合され、調節ツマミ４の操作で供給量を制御されつつ送
気管６へと流れる。送気管６を流れた予混合気は、噴出
口５から予混合気室１０へと噴出され、ハニカム状の触
媒体７の連通孔を経て下流面へと流れる。ここで点火器
７に通電して予混合気に着火すると、触媒体７の下流面
近傍で火炎燃焼を開始する。この火炎によって加熱され
た触媒体７は、まず下流面近傍が昇温してここで触媒燃
焼を開始し、その燃焼熱によってさらに上流側が加熱さ
れることを繰り返して、やがて上流面、すなわち予混合
気室１０に面した表面近傍での触媒燃焼へと移行し、定
常燃焼となる。この状態では、触媒体７の上流側表面は
（供給される予混合気の量によって異なるが）７００〜
９００℃に達し、高輝度に赤熱する。ここから放射され
る熱線のうち、短波長の熱線は透化窓９を経て直接、長
波長の熱線は一旦透過窓９に吸収された後にここからの
二次放射として、共に反射板１１に向かって放出され、
反射板１１で反射されて筺体１３の前方へと供給され
る。一方、触媒体７の下流面は、高温の排ガスが通過す
ることによって加熱されており、上流面に比べると低い
温度ながら５００〜６５０℃程度に昇温している。ここ
からも熱線が放射されており、この場合は放射熱が直接
前方に提供されることになる。

【００１１】図２をもとに、上記燃焼時の特性を説明す
る。触媒体７の上流面（透過窓９を設置した状態で）の
放射特性（図２中で実線で示す）は、透過窓９を構成す
る耐熱性ガラスの透過率の影響を受けて、３μｍ近傍と
５μｍ以上では大きく減衰し、５μｍ以上では直接透過
する熱線はほとんどゼロとなる。ただ、透過窓９で吸収
された熱線はそれ自体の温度を上昇させ、ここからの二
次放射として供給されることになる。かくして上流側全
体の放射特性は、近赤外線領域の高いピークと、透過窓
９からの二次放射による遠赤外線領域のブロードなピー
クの合成として供給され、これが反射板１１を介して前
方に反射供給されることになる。

【００１２】一方、触媒体７の下流面の放射特性（図２
中で破線で示す）は、上流面に比べて低い温度であるが
故にピーク強度はやや低下するものの、熱の放射をさえ
ぎるものがないために直接全量が供給され、遠赤外線領
域においても高い値を維持している。こうした作用によ
り、触媒体７の表面温度は上流側が高いにもかかわら
ず、全波長域での放射強度和はむしろ下流面でやや多い
状況になり、特に遠赤外線領域（波長３μｍ〜５μｍ以
上の領域）では、下流側の方が１．５〜１．６倍の放射
強度和となっており、遠赤外線の放射に優れた特性を示
している。同時に全放射熱量は、片側面のみを放射熱供
給源とする従来の装置に比べて、両面の放射熱を無駄な
く使用することにより約２倍の放射熱量を得ることがで
き、放射加熱による暖房や乾燥には、極めて高いエネル
ギー利用効率を確保することができる。

【００１３】なおここで、点火器８を触媒体７の下流面
近傍に設置し、下流面での火炎燃焼から燃焼をスタート
させているが、触媒体７の温度を上昇させる手段であれ
ばこの構成手法に限るものではなく、例えば噴出口５近
傍に点火手段を設けて、最初はここで火炎を形成させ、
触媒体７が所定の温度以上になったことを温度検知手段
で検出するか、または昇温するに十分な時間を継続する
タイマー操作等により触媒体７が昇温した時点で、一旦
燃料供給を停止して火炎を消失させ、その後再度燃料供
給を再開して触媒燃焼反応を開始させる方法もあり、あ
るいは触媒体７近傍に電気加熱手段を設け、所定温度ま
で電気加熱により昇温する等の方法を用いてもよく、い
ずれも上記放射特性の効果を損なうものではない。しか
しながら上記のように、触媒体７の下流面で火炎を形成
させ、自動的に安定な触媒燃焼へ移行させる手段を用い
ることにより、複雑な操作や検知、あるいは補助機能部
品を必要とせず、多量の電気入力も必要としないもの
で、実使用上有効な手段である。

【００１４】（実施の形態２）本発明の第２の実施の形
態について説明する。本実施の形態は、触媒燃焼によっ
て加熱された触媒体７からの放射熱を、上流面は透過窓
９を介して、下流面は直接放射により利用得るよう構成
したもので、基本性能は実施の形態１と同様であるが、
触媒体の上流面と下流面を逆転させた構成となっている
点が異なる。したがって、異なる点を中心に本実施の形
態を説明する。

【００１５】図３は、本実施の形態の断面要部略図であ
る。図３において、反射板９に対する触媒体７の対向面
が実施の形態１とは逆転しており、透過窓９を配置して
いる予混合気室１０側の面、すなわち上流面を前方に向
け、透過窓９を透過した短波長の放射熱および透過窓９
からの二次放射熱を直接被加熱物（暖房時には人体、乾
燥時には乾燥物など）に放射させるとともに、下流面か
らの放射熱を、反射板９により反射させて前方に供給さ
せる構成となっている。こうすることによって、触媒体
７の周辺部分は、反射板９により反射供給された遠赤外
線の比率が大きい柔らかな加熱暖房が行われる一方、特
に強く集中的に熱放射を与える必要がある部分には、触
媒体７の上流表面および透過窓９の開口方向を適宜設定
することにより、自在に集中加熱を供することができ、
放射熱を有効かつ最適に活用することが可能になる。

【００１６】本実施の形態２および実施の形態１におい
ても、反射板９は半円形の湾曲形状としているが、放射
熱の分布を最適にするために任意の形状で設計すること
ができ、放物線形や多角形あるいは単純平板など、必要
に応じて設定すればよく、上記効果を損なうものではな
い。

【００１７】（実施の形態３）本発明の第３の実施の形
態について説明する。本実施の形態は基本の構成は実施
の形態１と同じであるが、予混合気室の構成が異なる。
この相違点を中心に説明する。

【００１８】図４は、本実施の形態の断面要部略図であ
る。図４において、触媒体７の上流面に対向させて反射
板１１を設置しており、反射板１１も予混合気室１０の
構成要素として共用している。送気管６から送られた予
混合気は、触媒体７と反射板１１の間に構成される予混
合気室１０内に開口される噴出口５より噴出され、触媒
体７へと導かれる。反射板１１の湾曲端部と触媒体７を
つなぐ位置には、耐熱ガラスよりなる透過窓９が設置さ
れ、触媒体７の上流面から発せられる放射熱が、反射板
１１で反射された後に透過窓９を経て前方に放散され、
一方触媒体７の下流面は前方に向かって露出されている
ため、遠赤外線に富んだ放射熱がここから直接放散され
る。こうすることによって構成部品の削減ができ、簡略
安価にして実施の形態１と同様の加熱暖房効果が得られ
る。加えて、噴出口５から噴出された予混合気が触媒体
７に至る間、予混合気室１０内で予熱され、触媒体７で
の酸化反応性を高めることになり、少ない燃料供給量で
も触媒体７上流面での完全反応が維持でき、漏洩時に爆
発の可能性がない希薄な予混合気の燃焼や、反応性が低
いメタン等の燃料を用いた触媒燃焼において有効とな
る。

【００１９】以上、本発明を、気体燃料の燃焼暖房器に
実施した例で説明したが、本発明はこれに限定されるも
のでないことは勿論である。すなわち、以下のような場
合も本発明に含まれる。

【００２０】燃料種として液体燃料を使用する場合も適
用できる。この場合には、予混合室の上流で液体燃料を
気化させる手段が付加される。

【００２１】触媒体の担体にはセラミックハニカムを用
いているが、予混合気が流通し得る多数の連通孔を有す
るものであれば、その素材や形状に限定はなく、例えば
セラミックや金属の焼結体、金属ハニカムや金属不織
布、セラミック繊維の編組体等が利用可能である。また
活性成分としては、白金、パラジウム、ロジウム等の白
金属の貴金属が一般的であるが、これらの混合体や他の
金属やその酸化物との混合組成であってもよい。燃料種
や使用条件に応じた活性成分の選択が可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に係る
触媒燃焼装置は、高温で多量の熱放射を発する触媒体上
流面と、熱放射量はやや少ないが遠赤外線の比率が大き
い触媒体下流面の双方からせられる放射熱を利用するこ
とができ、高い放射効率を得ることができるとともに、
遠赤外線の快適な加熱暖房作用を確保することができる
ものである。

【００２３】また、被加熱物の形態や用途に応じて、集
中した強い放射強度を必要とする場合にも、分散した広
い範囲への均一加熱にも、予混合気室の配置位置（正面
向きか逆向きか）や反射板の形状によって任意に選択対
応できる。

【００２４】また、触媒体の下流側表面近傍に着火装置
を備えることにより、初期の燃焼開始時には触媒体の下
流面で火炎燃焼を形成して、その燃焼熱で触媒体を加熱
して徐々に触媒燃焼反応へと移行させることができるも
ので、別個の（例えば電気ヒータや加熱用バーナなど）
触媒体加熱手段を備えることなく速やかに触媒燃焼の開
始を導くことが可能なるものである。

【００２５】また、予混合気室の壁面を反射板と熱線の
透過窓によって構成することにより、簡単な構造でコス
トの削減に有効でありながら、前記同様の効果を得られ
るとともに、難燃性燃料の燃焼や爆発の危険性を回避し
た希薄予混合気の燃焼に対しても、予混合気の予熱作用
によって完全燃焼を可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態としての燃焼器の略断
面図である。

【図２】上記燃焼器の熱放射特性図である。

【図３】本発明の第２実施の形態としての暖房器の略要
部断面図である。

【図４】本発明の第３実施の形態としての暖房器の略要
部断面図である。

【符号の説明】

１ 燃料供給管 ２ 送風機 ３ 燃焼制御部 ４ 調節ツマミ ５ 噴出口 ６ 送気管 ７ 触媒体 ８ 点火器 ９ 透過窓 １０ 予混合器室 １１ 反射板 １２ 筺体 １３ ガード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前西 晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 鈴木 基啓 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の連通孔を有する平板状の触媒体
   と、前記触媒体の上流側表面を覆い燃料と空気の予混合
   気を導入する空間を構成する予混合気室と、前記予混合
   気室の少なくとも一部に設置された熱線透過性材料から
   なる透過窓と、前記触媒体の上流側表面もしくは下流側
   表面に対向して配置された反射板とを備えたことを特徴
   とする触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記予混合気室の一部が前記反射板で構
   成されるとともに、前記反射板での反射光が放出される
   開口部分に前記透過窓が配置されていることを特徴とす
   る請求項１記載の触媒燃焼装置。
3. 【請求項３】 前記触媒体の下流側表面近傍に着火装置
   が設けられていることを特徴とする請求項１または２記
   載の触媒燃焼装置。