JPH10141612A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換性に優れた触媒燃焼装置、照明に用い
ることの触媒燃焼装置を実現すること。 【解決手段】 可視−遠赤外領域の光を透過する管状の
燃焼室５内に耐熱無機繊維からなる触媒体１を、実質的
に燃焼室５の管状壁面に接触しないように設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は都市ガス、ブタンガ
ス等の燃料を用いた触媒燃焼装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、触媒燃焼装置には、主として、軸
方向に多数の貫通した細孔を有するセラミック製、また
は金属製のハニカム状触媒担体に貴金属等の触媒を担持
させた触媒層を、主に金属からなる燃焼室の壁面に断熱
材を介して固定するか、ハニカム状触媒層を燃焼室の壁
面に直接固定していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記のようにハニカム
状触媒層を燃焼室の壁面に断熱材を用いて固定した触媒
燃焼装置の場合、触媒層上流面（ガスの流れ方向に対し
て触媒の上流側の面）の熱輻射を暖房等に用いる用途に
は適しているが、セラミック製、金属製、どちらのハニ
カム状触媒担体を用いた場合でも、ハニカム状触媒担体
の断面方向（ガスの流れる方向に対して垂直方向）への
熱輻射が放射されないため、給湯器などの用途に対して
は、燃焼熱を熱利用部分に伝達する効率、すなわち熱交
換効率を上げるのは困難である。また、ハニカム状触媒
層を直接、燃焼室壁面に固定した場合には伝熱によって
触媒層の熱が過剰に奪われ、燃焼率が低下し、結果とし
て熱交換効率が低下する。また、触媒燃焼装置を照明な
どに用いる場合、上記のような触媒燃焼装置では明るい
赤熱光を広範囲の方向に放射することは困難である。

【０００４】本発明は、このような従来の触媒燃焼装置
の課題を考慮し、触媒燃焼によって発生した熱を熱輻射
によって高効率で回収することのできる触媒燃焼装置、
及びアウトドア用などの照明に用いることのできる触媒
燃焼装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の触媒燃焼装置
は、可視−遠赤外領域の光を透過する管状の燃焼室内に
耐熱無機繊維からなる触媒体を実質的に管状壁面に接触
しないように設置したことを特徴とするものである。触
媒体が実質的に燃焼室壁面に接触しないことにより、触
媒体と燃焼室の間にガス流路ができ、燃焼反応が行われ
るとともに、触媒体上での燃焼熱が伝熱によって過剰に
奪われることなく、触媒体上で強い輻射光を発生させる
ことができる。また、燃焼室に可視−遠赤外領域の光を
透過する材料を用いることにより、触媒体上の輻射熱を
燃焼室外部の熱利用部分に効率よく伝えることができ
る。また、燃焼室を管状にすることにより、輻射熱を広
い範囲に放射することができ、効率よく燃焼熱を利用す
ることができる。また、耐熱無機繊維からなる触媒体に
金属基材を複合化させることにより、燃焼ガスの流れる
方向に対して触媒体の下流側から火炎をつけた場合に、
触媒体上流部への熱伝導性が向上し、触媒体上流部での
安定な燃焼を速やかに開始することができると同時に、
触媒体上流部での局所的な温度上昇を抑制し、均一な燃
焼を行うことができる。また、燃焼室の外部に輻射熱吸
収体を設置することにより、触媒体から放射される輻射
を効率よく利用することができる。

【０００６】

【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。図１に本実施の形態の触媒
燃焼装置の構成を示す。図１において、１は耐熱無機繊
維に触媒を担持した触媒体、２は燃料供給管、３は空気
供給管、４は燃料−空気混合室である。燃料−空気混合
室４で混合された混合ガスは可視−遠赤外領域の光を透
過する管状の燃焼室５に供給される。触媒体１の下流部
には点火ヒーター６を設置している。燃焼室５の外周部
には、熱交換室７を設置しており、水や空気などの被加
熱体を流通させ、熱交換を行う。ここで耐熱無機繊維と
は、シリカ−アルミナ、アルミナ、シリコンカーバイ
ド、炭素などの耐熱性無機質を繊維状に加工したものを
示す。また、触媒体１を作製するには、この耐熱無機繊
維を束ねるなどして紐状にするか、有機バインダーなど
を用いて、シート状、円柱形、楕円柱形などに加工して
用いる。触媒体１は管状の燃焼室５に実質的に接触しな
いように設置するが、実質的に接触しないというのは、
図２の例に示すように、触媒体１と、燃焼室５の管状壁
面の間の接触面積が小さく、ガスの流路が確保されると
同時に、触媒体１と管状壁面との熱交換が触媒体１の温
度を下げるほどには大きくないという意味であり、触媒
体１と管状壁面との間に接触があったとしても、触媒体
１から奪われる熱が燃焼熱に対して無視できる程度であ
れば、本発明では実質的に接触していないと見なすこと
ができる。可視−遠赤外領域の光を透過し、燃焼室５の
材料に適するものは実際には存在しないが、この場合の
透過とは一度吸収された光線を再び放射する２次輻射も
含めて考え、結果として触媒体１から放射された光線が
透過したことになれば、本発明でいう透過する材料とい
える。具体的には石英ガラス、ホウケイ酸ガラスなどの
ガラス質材料が可視−遠赤外領域の光を透過する材料で
ある。

【０００７】次に、本実施の形態の動作について説明す
る。触媒燃焼を開始させるには、所定の燃焼量、空気過
剰率（燃料が完全燃焼するために必要な空気量に対する
実際に供給した空気量の比率）の混合ガスを燃焼室５に
供給し、点火ヒーター６によって触媒体１下流末端部に
火炎をつける。火炎によって触媒体１の下流末端部が活
性化温度まで加熱されると、触媒体１上で混合ガスの反
応が始まり、火炎は消える。火炎燃焼から触媒燃焼に移
行した直後は触媒体１の最下流部で燃焼しているが、触
媒体１が加熱されるにしたがって、燃焼位置は触媒体１
の上流部に移動する。触媒体１に耐熱無機繊維を使用し
ており、触媒体１が管状壁面に実質上接触していないた
め、混合ガスの流路が触媒体１と管状壁面の間で確保さ
れ、燃焼が行われる同時に、触媒体１の温度は管状壁面
への伝熱によって低下せず、触媒体１上での燃焼熱は輻
射によって効率よく熱交換室中にある空気や水などの被
加熱体１に伝達する。通常、担体基材に用いる耐熱無機
繊維の熱伝導率は低く、触媒燃焼開始時において、触媒
体１下流部から上流部へと燃焼位置が移動するのに時間
を要するため、図３に示すように耐熱無機繊維からなる
触媒体１に金属基材８を複合化させることが好ましい。
耐熱無機繊維からなる触媒体１に金属基材８を複合化さ
せることにより、触媒燃焼開始時において、触媒体１下
流部の燃焼熱を上流部へと伝達でき、速やかに安定な燃
焼状態へと移行させることができると同時に、触媒体１
の局所的な温度上昇を抑制することができる。触媒体１
の形状は図２から図６に代表例を示すように、混合ガス
の流路が確保でき、触媒体１が可能な限り管状燃焼室５
の中心部に固定できるような構造であればよい。図２の
例は耐熱無機繊維からなる円柱状の担体基材８を燃焼室
５の壁面と触媒体１の間に混合ガスの流路ができるよう
に加工したものである。図３の例は紐状耐熱無機繊維の
中心部に金属基材８を設置させたものであり、管状燃焼
室５の内径と触媒体１の直径をほぼ等しくしても、繊維
と繊維の隙間に混合ガスの流路が確保されるとともに、
耐熱無機繊維の熱伝導性が低いために管状壁面への伝熱
によって燃焼熱を奪われない。図４の例は円柱形状のス
テンレス基材８に触媒体１を螺旋状に設置したものであ
る。触媒体１を螺旋形状に設置することにより、混合ガ
スの流路を確実に確保できる。これらの例以外にも四角
柱、六角柱などの多角柱形状、楕円柱形状など様々なバ
リエーションがある。また、管状燃焼室５は直線状では
なく、用途に合わせて螺旋形状にしても、波形状にして
もかまわない。また、燃焼室５の長さは、燃焼率が充分
に確保できる長さであればよい。

【０００８】また、触媒体１と管状燃焼室５の隙間は、
混合ガスの流速に影響する。触媒体１と管状燃焼室５の
隙間が小さいほど、混合ガスの流速は速くなり、触媒体
１に対する負荷は大きくなって、触媒燃焼は困難にな
る。また、燃焼室５の壁の肉厚は熱交換率に大きく影響
する。燃焼室５の肉厚が薄いほど熱交換率は良くなる
が、燃焼室５の耐久性は低下する。さらに、触媒体１の
熱が過剰に奪われ、安定に燃焼しない場合もある。ま
た、図７に示すように、管状燃焼室５外部に輻射熱吸収
体９を設置することが好ましい。輻射熱吸収体９を設置
することにより、触媒体１から放射される輻射熱を効率
よく被加熱体に伝達することができる。輻射熱吸収体９
は管状燃焼室５を透過してきた光線を効率よく吸収する
ならば、単に熱交換質内の輻射を受ける部分を黒塗り塗
装しただけでもかまわない。本実施の形態では燃料ガス
にイソブタンガスを用いたが、都市ガス、プロパンガ
ス、ガソリン、灯油など触媒燃焼を行うことができる燃
料であれば使用可能である。

【０００９】

【実施例】

（実施例１）白金２ｗｔ％を担持したγ−アルミナ粉末
１００ｇを水１６０ｇ中に分散させ、スラリーを調製し
た。直径５μｍのシリカアルミナ繊維を束ねた直径３ｍ
ｍ、長さ１０ｃｍの担体基材を、このスラリーに侵漬
し、乾燥した後、５００℃で１時間焼成することによっ
て触媒体を作成した。この触媒体を内径４ｍｍ、肉厚１
ｍｍの石英ガラスからなる管状燃焼室５内に設置し、図
１の触媒燃焼装置を作製した。イソブタンガス及び空気
の供給量を燃焼量５０ｋｃａｌ／ｈ、空気過剰率１．２
となるように設定し、点火ヒーター６によって触媒体１
の下流末端部に火炎をつけ、触媒燃焼を開始させた。火
炎が消えてから、触媒体１の上流部で触媒燃焼が始まる
までの時間は約４５秒であった。燃焼排ガスをガスクロ
マトグラフィで測定したところ燃焼率は９８％であっ
た。熱交換室７中に水を触媒体１の下流方向から１００
ｇ／ｍｉｎの流速で流通させ、供給ガスの熱量に対する
水の温度上昇を測定し、熱交換率を求めたところ、９０
％であった。 （実施例２）実施例１で作製した触媒体１を内径４ｍ
ｍ、肉厚２ｍｍの石英ガラスからなる管状燃焼室５内に
設置し、図１に示す触媒燃焼装置を作製した。イソブタ
ンガス及び空気の供給量を燃焼量５０ｋｃａｌ／ｈ、空
気過剰率１．２となるように設定し、点火ヒーター６に
よって触媒体１の下流末端部に火炎をつけ、触媒燃焼を
開始させた。火炎が消えてから、触媒体１の上流部で触
媒燃焼が始まるまでの時間は約４９秒であった。燃焼排
ガスをガスクロマトグラフィで測定したところ燃焼率は
９８％であった。熱交換室７中に水を触媒体１の下流方
向から１００ｇ／ｍｉｎの流速で流通させ、供給ガスの
熱量に対する水の温度上昇を測定し、熱交換率を求めた
ところ、８０％であった。 （実施例３）実施例１で作製した触媒体１を内径４ｍ
ｍ、肉厚０．５ｍｍの石英ガラスからなる管状燃焼室５
内に設置し、図１の様な触媒燃焼装置を作製した。イソ
ブタンガス及び空気の供給量を燃焼量５０ｋｃａｌ／
ｈ、空気過剰率１．２となるように設定し、点火ヒータ
ー６によって触媒体１の下流末端部に火炎をつけ、触媒
燃焼を開始させた。火炎が消えてから、触媒体１の上流
部で触媒燃焼が始まるまでの時間は約４０秒であった。
燃焼排ガスをガスクロマトグラフィで測定したところ燃
焼率は８７％であった。熱交換室７中に水を触媒体１の
下流方向から１００ｇ／ｍｉｎの流速で流通させ、供給
ガスの熱量に対する水の温度上昇を測定し、熱交換率を
求めたところ、８０％であった。 （実施例４）実施例１で作製した触媒体１の中心部に直
径０．５ｍｍ、長さ１０ｃｍの円柱型ステンレス基材を
挿入した。この触媒体１を内径４ｍｍ、肉厚１ｍｍの管
状燃焼室５内に設置し、図１の様な触媒燃焼装置を作製
した。イソブタンガス及び空気の供給量を燃焼量５０ｋ
ｃａｌ／ｈ、空気過剰率１．２となるように設定し、点
火ヒーター６によって触媒体１の下流末端部に火炎をつ
け、触媒燃焼を開始させた。火炎が消えてから、触媒体
１の上流部で触媒燃焼が始まるまでの時間は約１２秒で
あった。燃焼排ガスをガスクロマトグラフィで測定した
ところ燃焼率は９８％であった。熱交換室７中に水を触
媒体１の下流方向から１００ｇ／ｍｉｎの流速で流通さ
せ、供給ガスの熱量に対する水の温度上昇を測定し、熱
交換率を求めたところ、９０％であった。 （実施例５）直径５μｍのシリカアルミナ繊維を束ねた
直径１．５ｍｍ、長さ１５ｃｍの担体基材を、直径０．
５ｍｍ、長さ１０ｃｍのステンレス基材８に図４に示す
ように巻き付け、実施例１と同様に触媒体１を作成し
た。この触媒体１を内径４ｍｍ、肉厚１ｍｍの石英ガラ
スからなる管状燃焼室５内に設置した。イソブタンガス
及び空気の供給量を燃焼量５０ｋｃａｌ／ｈ、空気過剰
率１．２となるように設定し、点火ヒーター６によって
触媒体１の下流末端部に火炎をつけ、触媒燃焼を開始さ
せた。火炎が消えてから、触媒体１の上流部で触媒燃焼
が始まるまでの時間は約１３秒であった。燃焼排ガスを
ガスクロマトグラフィで測定したところ燃焼率は９８％
であった。熱交換室７中に水を触媒体１の下流方向から
１００ｇ／ｍｉｎの流速で流通させ、供給ガスの熱量に
対する水の温度上昇を測定し、熱交換率を求めたとこ
ろ、９０％であった （実施例６）図５に示すシリカアルミナ繊維からなる最
大径３．８ｍｍ、最小径２．８ｍｍ、長さ１０ｃｍの楕
円柱形状の触媒担体に対して、実施例１と同様に触媒を
担持し触媒体１を作製した。この触媒体１を内径４ｍ
ｍ、肉厚１ｍｍの管状燃焼室５内に設置し、図１に示す
触媒燃焼装置を作製した。イソブタンガス及び空気の供
給量を燃焼量５０ｋｃａｌ／ｈ、空気過剰率１．２とな
るように設定し、点火ヒーター６によって触媒体１の下
流末端部に火炎をつけ、触媒燃焼を開始させた。火炎が
消えてから、触媒体１の上流部で触媒燃焼が始まるまで
の時間は約４０秒であった。燃焼排ガスをガスクロマト
グラフィで測定したところ燃焼率は９８％であった。熱
交換室７中に水を触媒体１の下流方向から１００ｇ／ｍ
ｉｎの流速で流通させ、供給ガスの熱量に対する水の温
度上昇を測定し、熱交換率を求めたところ、９０％であ
った。 （実施例７）シリカアルミナ繊維からなる最大径３．８
ｍｍ、最小径２．８ｍｍ、長さ１０ｃｍの楕円柱形状の
触媒担体に対して、図６に示すように直径１ｍｍ、長さ
１０ｃｍのステンレス基材８を挿入し、実施例１と同様
に触媒を担持し触媒体１を作製した。この触媒体１を内
径４ｍｍ、肉厚１ｍｍの管状燃焼室５内に設置し、図１
に示す触媒燃焼装置を作製した。イソブタンガス及び空
気の供給量を燃焼量５０ｋｃａｌ／ｈ、空気過剰率１．
２となるように設定し、点火ヒーター６によって触媒体
１の下流末端部に火炎をつけ、触媒燃焼を開始させた。
火炎が消えてから、触媒体１の上流部で触媒燃焼が始ま
るまでの時間は約１１秒であった。燃焼排ガスをガスク
ロマトグラフィで測定したところ燃焼率は９８％であっ
た。熱交換室７中に水を触媒体１の下流方向から１００
ｇ／ｍｉｎの流速で流通させ、供給ガスの熱量に対する
水の温度上昇を測定し、熱交換率を求めたところ、９０
％であった。 （実施例８）実施例１で作製した触媒体１の中心部に直
径０．５ｍｍ、長さ１０ｃｍの円柱型ステンレス基材を
挿入した。この触媒体１を内径４ｍｍ、肉厚１ｍｍの管
状燃焼室５内に設置し、さらに図７に示すように輻射熱
吸収体９を燃焼室５の外部に設置した。イソブタンガス
及び空気の供給量を燃焼量５０ｋｃａｌ／ｈ、空気過剰
率１．２となるように設定し、点火ヒーター６によって
触媒体１の下流末端部に火炎をつけ、触媒燃焼を開始さ
せた。火炎が消えてから、触媒体１の上流部で触媒燃焼
が始まるまでの時間は約１２秒であった。燃焼排ガスを
ガスクロマトグラフィで測定したところ燃焼率は９８％
であった。熱交換室７中に水を触媒体１の下流方向から
１００ｇ／ｍｉｎの流速で流通させ、供給ガスの熱量に
対する水の温度上昇を測定し、熱交換率を求めたとこ
ろ、９６％であった。

【００１０】以上より、本発明によれば、触媒燃焼で発
生した燃焼熱を高効率で被加熱体に伝達できることが分
かる。

【００１１】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明によると、触媒燃焼によって発生した熱を輻射と
伝熱によって高効率で回収することのできる触媒燃焼装
置、及び照明に用いることのできる触媒燃焼装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触媒燃焼装置の一実施の形態の概略図

【図２】同装置に用いられる触媒体が燃焼室内に配置さ
れた状態を示す正面図及び側面図

【図３】同装置に用いられる触媒体の外観図である

【図４】同装置に用いられる触媒体の外観図である

【図５】同装置に用いられる触媒体の正面図及び側面図

【図６】同装置に用いられる触媒体の縦断面図及び側面
図

【図７】同装置における輻射熱吸収体の設置方法を示す
概略図

【符号の説明】

１ 触媒体 ２ 燃料供給管 ３ 空気供給管 ４ 燃料−空気混合室 ５ 管状燃焼室 ６ 点火ヒーター ７ 熱交換室 ８ 金属基材 ９ 輻射熱吸収体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可視−遠赤外領域の光を透過する管状の
   燃焼室内に、耐熱無機繊維からなる触媒体が、実質的に
   前記燃焼室の管状壁面に接触しないように設置されてい
   ることを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記触媒体に金属基材が複合化されてい
   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】 前記燃焼室の外部に輻射熱吸収体が設置
   されていることを特徴とする触媒燃焼装置。