JPH10160130A - 触媒燃焼加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィンやチューブが異常昇温することがな
く、安全で熱交換効率の高い触媒付熱交換器を備えてい
る触媒燃焼加熱装置を提供すること。 【解決手段】 触媒付熱交換器２００において、内部を
被加熱流体が流れるチューブ２０２には多数の触媒担持
フィン２０１が接合されており、燃焼用空気と共に燃料
供給部１００から供給される可燃ガスが、触媒担持フィ
ン２０１の表面に接触すると酸化反応を起こして発熱
し、その熱がフィンからチューブに伝えられて被加熱流
体を加熱する。チューブ２０２の各部位では、内部の被
加熱流体の状態によって伝熱抵抗が異なり、例えば被加
熱流体の気化が終わる部位では伝熱抵抗が高くなるため
に温度が非常に高くなる。本発明においては、触媒担持
フィン２０１において発生する触媒による酸化反応熱量
を、チューブ２０２の部位に応じて変化させることによ
って局部的な異常昇温を抑える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体や気体のよう
な被加熱流体の加熱装置として、特に触媒付熱交換器内
に於いて可燃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、家庭用や
自動車用など、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、
例えば白金やパラジウムの様な酸化触媒を担持させてお
くことによって、可燃ガスが触媒担持フィンに接触した
ときにフィンの表面において酸化反応を起こし、その際
に発生する酸化反応熱がフィンからチューブ内に伝えら
れて、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】従来の触媒燃焼加熱装
置では、未反応で比較的低温の可燃ガスと、酸化反応熱
によって温度が上昇した触媒担持フィンができる限り熱
交換しないように、フィンの間隔やフィン形状を決定し
ている。しかしながら、可燃ガスと被加熱流体の方向が
対向する場合は、被加熱流体の出口付近、つまり可燃ガ
スの上流付近では濃度の高い可燃ガスが供給され続けて
酸化反応熱が多くなる上に、チューブ内を流れる被加熱
流体の気化や温度上昇によって、チューブ内への伝熱抵
抗が増大しているために、触媒を担持したフィンや被加
熱流体の流れるチューブが異常に高温となり、触媒燃焼
加熱装置へ悪影響を与えるという問題があった。

【０００４】また、可燃ガスと被加熱流体の流れる方向
が平行となる場合には、可燃ガスの上流側では低温の被
加熱流体が供給され続けるので、フィンに担持された酸
化触媒の活性が低く、可燃ガスの酸化が十分行われな
い。その結果、システムの立ち上げ時に酸化されないで
放出される可燃ガスの量が多くなるので、十分な低エミ
ッション運転を実現するためには装置の体格を大きくす
る必要があったり、立ち上げ時間が長くなるという問題
があった。さらに、液流体を加熱して高温のガスを得る
触媒燃焼加熱装置では、液流体が気化するドライアウト
点直後のフィンやチューブが異常昇温するという問題が
あった。

【０００５】本発明は上記のような問題に鑑み、フィン
やチューブが異常昇温することがなく、安全で熱交換効
率の高い触媒付熱交換器を備えている触媒燃焼加熱装置
を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載された触媒燃焼加熱装置を提供する。

【０００７】本発明の触媒燃焼加熱装置においては、内
部を被加熱流体が流れるチューブの外表面に複数枚のフ
ィンを接合し、そのフィンに可燃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
備えていると共に、そのチューブの各部位における伝熱
抵抗の大きさに応じて、それら各部位の触媒担持フィン
の表面における酸化反応熱量が異なるようにした点に特
徴がある。各部位において有効な酸化反応熱量を異なら
せるための典型的な手段として、触媒担持フィンの面積
及びフィンの間隔を、チューブの各部位の伝熱抵抗の大
きさに応じて変化させることができる。

【０００８】具体的に、チューブのなかでも伝熱抵抗の
高い部位では酸化反応熱量を少なくするための手段とし
て、特に、供給する可燃ガスと被加熱流体の流れの方向
が対向している熱交換器においては、可燃ガスの濃度が
高く、且つ被加熱流体の温度が高い可燃ガスの流れの上
流側の部位において、それよりも可燃ガスの濃度が低
く、被加熱流体の温度が低い下流側の部位に比べて、触
媒担持フィンの面積を小さくするので、可燃ガスの上流
側では下流側よりも発熱量が小さくなる。さらに、上流
側のフィンの間隔を狭くすることによって、フィンから
可燃ガスへの余剰の熱量の熱伝達が増加し、フィンやチ
ューブが異常に昇温することが防止される。

【０００９】また、可燃ガスの濃度が高い上流側のチュ
ーブに触媒を担持しない伝熱フィンを付加したときに
は、可燃ガスの上流部ではフィンから未反応で比較的低
温の可燃ガスや燃焼用空気への熱伝達が増加し、フィン
やチューブが異常に昇温することがない上に、加熱され
た可燃ガスや燃焼用空気によって下流側の触媒を早期に
活性化させることができる。

【００１０】さらに、本発明の触媒燃焼加熱装置でも、
触媒付熱交換器において供給される可燃ガスと被加熱流
体の流れの方向が平行となっている場合には、可燃ガス
の濃度が高い上流側では濃度の低い下流側よりもフィン
の間隔を小さくするので、可燃ガスの上流部ではフィン
から可燃ガスへの熱伝達が増加し、フィンやチューブが
異常に昇温することが防止される上に、下流側の触媒を
早期に活性化させることができる。

【００１１】また、本発明の触媒燃焼加熱装置において
は、触媒付熱交換器がドライアウト点を有する場合に、
ドライアウト点近傍のチューブに酸化触媒を担持しない
伝熱フィンを付加することができるので、ドライアウト
点近傍ではフィンから可燃ガスへの熱伝達が増加し、フ
ィンやチューブが異常に昇温することがない上に、下流
側の触媒を早期に活性化させることができる。さらに、
ドライアウト点近傍のフィンにルーバを形成することも
できるので、それによって前述の作用が強められる。

【００１２】可燃ガスとして水素を使用する場合には、
触媒付熱交換器のチューブの各部位において必要な熱量
に応じて水素の供給量を調整したり、分割供給すること
ができるので、反応速度の高い水素をシステム全体にお
いて反応させることができ、伝熱効率が向上する上に部
分的な過熱を防止することができる。

【００１３】このように本発明によれば、必要以上の発
熱を抑制してフィンやチューブが異常に昇温することを
防止するので、安全で、立ち上げ時にも低エミッション
の運転が可能な、熱交換効率の高い触媒燃焼加熱装置が
得られる。また、低温の液流体を高温のガス流体まで加
熱する触媒燃焼加熱装置においても、ドライアウト点近
傍ではフィンから可燃ガスへの熱伝達量が増加し、フィ
ンやチューブが異常に昇温することがない上に、下流側
の触媒を早期に活性化させることができる信頼性の高い
触媒燃焼加熱装置が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１及び図２によって本発明の触
媒燃焼加熱装置の一実施形態を説明する。この触媒燃焼
加熱装置において、酸化触媒に可燃ガスを供給するため
の燃料供給部１００の一端が触媒付熱交換器２００に接
続されている。触媒付熱交換器２００は、白金やパラジ
ウムのような酸化触媒を担持した多数のフィン２０１
が、内部を被加熱流体が流れるチューブ２０２にロウ付
けなどの方法によって接合されている。燃料供給部１０
０から触媒付熱交換器２００へ供給された可燃ガスは、
触媒付フィン２０１上の触媒に接触することによって、
触媒付フィン２０１の表面において酸化反応を起こし、
酸化反応熱を触媒担持フィン２０１に与えて、排気ガス
となって排気ガス口３００から放出される。触媒担持フ
ィン２０１に与えられた酸化反応熱は、フィン２０１か
らチューブ２０２に伝達し、その内部を流れる被加熱流
体を加熱する。

【００１５】触媒付熱交換器２００において、触媒付フ
ィン２０１が接合されているチューブ２０２の両端は、
それぞれ管寄せ２０３（２０３Ａ，２０３Ｂ）に接続さ
れており、被加熱流体は被加熱流体導入管２０９から管
寄せ２０３とチューブ２０２内を通過して被加熱流体流
出管２０７へ到達する。上下の管寄せ２０３Ａ及び２０
３Ｂをそれぞれ隔壁によって幾つかの部分に区画するこ
とにより、平行な複数本のチューブ２０２内にある被加
熱流体の温度が互いに異なったものとなる。つまり、被
加熱流体は燃料供給部１００に近づくにつれて高温に加
熱される。

【００１６】そしてこの場合は、排気ガス口３００から
放出される排気ガスを、排気ガス口３００寄りの比較的
低温の被加熱流体が流れるチューブ２０２Ａに接触させ
るので、その部位における被加熱流体と排気ガスとの比
較的大きな温度差により、排気ガス中の熱を被加熱流体
中へ効率よく回収することができ、高い熱交換効率が得
られる。

【００１７】この場合は、燃料供給部１００側の可燃ガ
スの濃度が高い部位のチューブ２０２Ｂ内を流れる被加
熱流体が高温となるため、図１及び図２における触媒担
持フィン２０１Ｂ及びチューブ２０２Ｂの温度が高温に
なりやすい。そこでこの場合は、可燃ガスの流れの下流
側にある触媒担持フィン２０１Ａに対して、上流側にあ
る触媒担持フィン２０１Ｂの面積を、チューブ２０２Ｂ
内の流体に必要な熱量に応じて比較的に小さくしてあ
る。また、高温となるフィン２０１Ｂの余剰熱が可燃ガ
スを含む燃焼用空気に伝達しやすいように、フィン２０
１Ｂのフィンの間隔を狭くしてある。

【００１８】そのため、従来のように、可燃ガスの濃度
が高い部位のフィン２０１Ｂやチューブ２０２Ｂが異常
な高温まで昇温することがなく、安定した触媒燃焼と熱
交換が可能となる。さらに、高温部のフィンを小型化す
る結果、フィン２０１Ｂの半径方向の熱応力による変形
も少なくなり、触媒の剥離などの問題を回避することが
できる。

【００１９】また、触媒付熱交換器２００において例え
ばチューブ２０２Ｃの付近に、被加熱流体の液体が気体
に変化するドライアウト点が存在する場合には、被加熱
流体の流れのドライアウト点に対応する部位の直後のチ
ューブ２０２Ｃ及びフィン２０１Ｃでは、チューブ内を
流れる被加熱流体の吸収する熱量が急に減少するため
に、伝熱抵抗が急増して、図６に示すようにドライアウ
ト点の直後において異常に昇温するので、この部分には
触媒を担持しないフィン２０４を付加しており、触媒に
よる酸化反応を抑えると共に、ドライアウト点付近の余
剰熱を比較的低温の可燃ガスに伝達して、その部位の異
常昇温防止と、余剰熱による下流側の触媒の早期活性化
を図っている。

【００２０】次に、図３及び図４によって本発明の触媒
燃焼加熱装置の別の実施形態を説明する。この例では前
述の例とは異なって、可燃ガスと被加熱流体の流れの方
向が同じ向きになっており、酸化触媒に可燃ガスを供給
する燃料供給部１００が、チューブ２０２の上流側の部
位に対応して設けられている。この場合も前述の場合と
同様に、触媒付熱交換器２００における触媒を担持した
多数のフィン２０１が、内部を被加熱流体が流れるチュ
ーブ２０２にロウ付けなどの方法により接合されてい
る。

【００２１】燃料供給部１００から供給された可燃ガス
は、触媒担持フィン２０１の表面において、それに担持
された触媒によって酸化反応を起こし、酸化反応熱を触
媒担持フィン２０１に与えた後に排気ガス口３００から
放出される。可燃ガスの酸化反応によって発生した熱
は、フィン２０１からチューブ２０２に伝達し、その中
を流れる被加熱流体を加熱する。また、触媒付フィン２
０１が接合されたチューブ２０２の両端は、内部の空間
を隔壁によって幾つかの部分に区画された管寄せ２０３
（２０３Ａ，２０３Ｂ）に連結されており、被加熱流体
は、被加熱流体導入管２０９から管寄せ２０３とチュー
ブ２０２内を通過して被加熱流体流出管２０７の方へ流
れる。従って、被加熱流体と燃料の流れ方向は同一の軸
方向である。

【００２２】このように構成することによって、濃度の
高い可燃ガスに接触して最も高温になりやすいフィン２
０１Ａ及びチューブ２０２Ａは、その内部を流れる低温
の被加熱流体によって異常に昇温することを免れること
ができる。しかし、システムの立ち上げ時には、可燃ガ
スの流れの下流側の温度が活性化温度に達する時までは
触媒燃焼が十分に行われないために、排気ガス口３００
から未燃ガスが放出されてエミッションが悪化する懸念
がある。そこで、図３及び図４に示す実施形態において
は上流側のフィン２０１Ａのフィンの間隔を狭くして、
酸化反応熱の一部の余剰熱を可燃ガス及び燃焼用空気に
与えて、下流側のフィン２０１Ｂを昇温させることによ
り、早期立ち上げ可能なシステムとしている。

【００２３】また、図３及び図４に示す触媒付熱交換器
２００において、例えば、チューブ２０２Ｃの付近に被
加熱流体の液体が気体に変化するドライアウト点が存在
するものとすれば、被加熱流体の流れ方向に見てドライ
アウト点直後のチューブ２０２Ｃ及びフィン２０１Ｃが
伝熱抵抗の急増によって異常に昇温しやすいため、その
部位のフィン２０１Ｃとして触媒を担持しないフィン２
０４を付加しており、それによって触媒による酸化反応
熱の発生を抑えると共に、ドライアウト点付近の余剰熱
を比較的低温の可燃ガス及び燃焼用空気に与えることに
より、その部位の異常昇温を防止すると共に、その可燃
ガス及び燃焼用空気によって下流側にある触媒を加熱し
て活性化を促進している。

【００２４】図５に、可燃ガスとして触媒反応速度が非
常に高い水素を使用した場合の本発明の別の実施形態を
示す。この例では、触媒付熱交換器２００の伝熱抵抗が
急増するドライアウト点までの上流側において、可燃ガ
スの大半を反応させて、下流側のフィンでは上流側から
の未燃ガスの浄化と排熱回収を行っている。この場合は
水素を分割して導入することにより、水素の流れ方向の
最上流側における異常昇温の問題や、図６に示すような
ドライアウト点付近における大きな温度ギャップ発生の
問題を解消している。図５に示す実施形態の基本的な構
成は前述のものと同様であって、燃料供給部１００は触
媒付熱交換器２００の右側に、排気ガス口３００が左側
に設けられている。

【００２５】この場合に燃料供給部１００から供給され
るガスは、可燃ガスである水素の一部を含んでいてもよ
いが、この場合の燃料供給部１００は基本的には空気の
ような酸化用のガスを供給するためのものであって、可
燃ガスとしての水素は、図示しない外部の水素タンクか
ら、燃料供給部１００と触媒付熱交換器２００の部分に
跨がって、図示しない被加熱流体のための管寄せの部分
を避けて設けられた、相互に連通している水素導入ジャ
ケット４００（４００Ａ，４００Ｂ）の中へ入口４０１
から供給されると共に、水素導入ジャケット４００から
触媒付熱交換器２００の壁面の広い範囲にわたって設け
られた複数個の開口４０２によって分割して導入され
る。この場合も、水素を予め適量の空気と混合したもの
を水素導入ジャケット４００から導入してもよい。

【００２６】水素は酸化反応の速度が非常に高いので、
水素を例えば燃料供給部１００のみから集中的に供給す
ると、触媒付熱交換器２００の比較的上流側の部分だけ
で酸化反応が完了するためにその部分の温度が極端に上
昇し、上流側部分の触媒担持フィン２０１やチューブ２
０２が異常昇温することになるが、この実施形態のよう
に、水素を複数個の開口４０２から分割して比較的広い
範囲にわたって導入することにより、局部的な異常昇温
を避けることができ、図６に示すような温度ギャップを
緩やかなものとすることができる。

【００２７】また、水素を分割して導入する複数個の開
口４０２の口径を相互に異ならせるとか、開口４０２に
それぞれバルブや絞りのような流量調整手段を設けるこ
とによって、各開口４０２の個々の水素供給量を調整し
て、チューブ２０２の各部位における伝熱抵抗や必要な
熱供給量に応じた、きめ細かな水素供給の制御を行うこ
とができる。このようにして、触媒担持フィン２０１の
温度や発熱量を容易に制御することができ、局所的な過
昇温に起因する水素の逆火を防止することも可能にな
る。

【００２８】図７は、前述のような触媒を担持していな
い伝熱フィン２０４を、具体的にどのように設けるかと
いう例を示したもので、この例では、被加熱流体のチュ
ーブ２０２に設けられた隣接する二つの触媒付フィン２
０１に対して跨がるように、触媒を担持していない伝熱
フィン２０４を付加的に取り付けている。もっとも、触
媒を担持していない伝熱フィン２０４を、触媒担持フィ
ン２０１の代わりに直接にチューブ２０２に接合しても
よいことは言うまでもない。

【００２９】更に図８は、被加熱流体が流れるチューブ
２０２の触媒付フィン２０１に対して、切り起こしのよ
うな方法によって小さな羽根、即ちルーバ２０５を設け
ることにより、部分的に触媒担持フィン２０１の熱放散
を増加させて、部分的なフィンの異常昇温を防止する例
を示したものである。触媒担持フィン２０１に設けられ
たルーバ２０５は、フィン２０１から可燃ガスや燃焼用
空気に対して酸化反応熱を与えることによって異常昇温
を防止するので、触媒付熱交換器２００の中でも特に被
加熱流体の気化によって伝熱抵抗が急増するドライアウ
ト点付近のチューブ２０２に設けると効果的である。な
お、ルーバ２０５は触媒担持フィン２０１に限らず、触
媒を担持しないフィン２０４に設けられてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触媒燃焼加熱装置についての第１の実
施形態を示すもので、図２におけるＩ−Ｉ断面における
正面図である。

【図２】図１のII−II断面における平面図である。

【図３】本発明の触媒燃焼加熱装置についての第２の実
施形態を示すもので、図４におけるIII −III 断面にお
ける正面図である。

【図４】図３のIV−IV断面における平面図である。

【図５】本発明の触媒燃焼加熱装置の第３の実施形態を
示す縦断正面図である。

【図６】横軸に触媒付熱交換器のチューブの軸方向位置
（部位）をとり、縦軸に対応するフィン又はチューブの
温度をとって示す温度特性図である。

【図７】触媒を担持しないフィンの取り付け方を例示す
る断面図である。

【図８】ルーバを形成されたフィンを示すもので、
（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。

【符号の説明】

１００…燃料供給部 ２００…触媒付熱交換器 ２０１…触媒担持フィン ２０２…内部を被加熱流体が流れるチューブ ２０２Ｃ…ドライアウト点付近のチューブ ２０３…管寄せ ２０４…触媒を担持しないフィン ２０５…ルーバ ２０７…被加熱流体流出管 ２０９…被加熱流体導入管 ３００…排気ガス口 ４００…水素導入ジャケット ４０２…水素を導入する開口

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部を被加熱流体が流れるチューブと、
   前記チューブの外表面に接合されると共に可燃ガスと接
   触して酸化反応を起こさせる酸化触媒を担持している複
   数枚の触媒担持フィンを有する触媒付熱交換器を備えて
   おり、内部を流れる被加熱流体の状態によって異なる前
   記チューブの各部位における前記チューブ内への伝熱抵
   抗の大きさに応じて、前記チューブの各部位の前記触媒
   担持フィンにおいて発生する触媒による酸化反応熱量を
   変化させることにより、前記チューブのうちでも伝熱抵
   抗の高い部位では、それよりも伝熱抵抗が低い部位に比
   べて触媒による酸化反応熱量が小さくなるようにしたこ
   とを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
2. 【請求項２】 前記触媒付熱交換器において、前記触媒
   担持フィンの面積及びフィンの間隔を、前記チューブの
   各部位の伝熱抵抗の大きさに応じて変化させたことを特
   徴とする請求項１に記載された触媒燃焼加熱装置。
3. 【請求項３】 前記触媒付熱交換器において供給される
   可燃ガスと被加熱流体の流れの方向が対向していると共
   に、可燃ガスの濃度が高い可燃ガスの流れの上流側で
   は、可燃ガスの濃度が低い下流側よりも前記触媒担持フ
   ィンの面積を小さく、且つフィンの間隔を小さくしたこ
   とを特徴とする請求項２に記載された触媒燃焼加熱装
   置。
4. 【請求項４】 前記触媒付熱交換器において供給される
   可燃ガスと被加熱流体の流れの方向が平行になっている
   と共に、可燃ガスの濃度が高い可燃ガスの流れの上流側
   では、可燃ガスの濃度が低い下流側よりも前記触媒担持
   フィンの間隔を狭くしたことを特徴とする請求項２に記
   載された触媒燃焼加熱装置。可燃ガスの濃度が高い上流
   側では下流側よりもフィンの間隔が小さいことを特徴と
   する請求項２に記載された触媒燃焼加熱装置。
5. 【請求項５】 前記触媒付熱交換器における前記チュー
   ブの一部に被加熱流体が気化するドライアウト点が存在
   する場合に、前記ドライアウト点近傍のチューブには酸
   化触媒を担持しない伝熱フィンを付加したことを特徴と
   する請求項１ないし４のいずれかに記載された触媒燃焼
   加熱装置。
6. 【請求項６】 前記触媒付熱交換器における前記チュー
   ブの一部に被加熱流体が気化するドライアウト点が存在
   する場合に、前記ドライアウト点近傍のチューブには、
   ルーバを有するフィンを接合したことを特徴とする請求
   項１ないし５のいずれかに記載された触媒燃焼加熱装
   置。
7. 【請求項７】 可燃ガスとして水素を使用する場合に、
   前記触媒付熱交換器において、前記チューブの部位によ
   って異なる必要な供給熱量に応じて水素の供給量を調整
   可能としたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれ
   かに記載された触媒燃焼加熱装置。
8. 【請求項８】 前記触媒付熱交換器において、チューブ
   上で温度が異常に高くなる部位に、触媒を担持しない伝
   熱フィンを付加したことを特徴とする請求項１ないし７
   のいずれかに記載された触媒燃焼加熱装置。