JPH11118115A - 触媒燃焼加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒燃焼加熱装置において、気相燃焼を高い
確度で検知することである。 【解決手段】 一方の開口端１０１から支燃ガスが導入
されるハウジング１内に、燃料ガス供給部２により、噴
射口２０２から燃料ガスを噴射して噴射口２０２近接位
置を最上流部とする混合気流を生成する。その下流には
混合気を触媒燃焼せしめる触媒部３０２を有し内部を被
加熱流体が流れるチューブ３０１を設ける。かかる構成
の触媒燃焼加熱装置においてハウジング１の、燃料ガス
を噴射する噴射口２０２に近接し、チューブ３０１より
もガス流上流側に温度検出手段４を設ける。温度検出手
段４は、気相燃焼発生時、混合気流最上部位置における
火炎にさらされて検出温度が上昇するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、家庭用あるいは自
動車用暖房器の熱源等に用いられ、燃料ガスの触媒によ
る酸化反応熱を利用し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】可燃性の燃料ガスを酸化触媒を用いて燃
焼させ、発生する熱を利用して被加熱流体を加熱する触
媒燃焼加熱装置は、家庭用、自動車用をはじめ様々な用
途への利用が期待されている。このような触媒燃焼加熱
装置は、両端開口の筒状に形成されたハウジングの一方
の開口端から支燃ガスが導入されるとともに、燃料ガス
供給部により、ハウジング内に向けて形成された噴射口
から燃料ガスが噴射され、ハウジング内に燃料ガスと支
燃ガスとの混合気の流れが生成される。そしてハウジン
グ内には、水等の被加熱流体が流れるチューブが配設さ
れ、その外周に、酸化触媒を担持したフィン等の触媒部
を形成して触媒付熱交換器が構成されている。触媒部に
おいてこれに接触する燃料ガスが酸化反応し触媒燃焼が
生じる。この触媒燃焼による燃焼熱は、チューブ管壁を
介して被加熱流体が受熱し、暖房等に用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで燃焼出力が高
くなると、火炎が生じ気相燃焼となることがある。気相
燃焼は触媒燃焼に比べて燃焼温度が高いため、装置の劣
化をもたらし、例えば熱交換の効率が低下して暖房能力
が弱くなる等の問題が生じる。そこで触媒部に温度セン
サを設けて触媒部の昇温を検出し、これから気相燃焼を
検知するようにしたものがある。しかし気相燃焼が生じ
ていても温度センサが火炎にさらされない限り検出温度
が必ずしも異常とみなせる程上昇しない。このため触媒
部のごく一部が異常な高温となって局所的に火炎が生じ
た場合には気相燃焼の発生が検知できない。その上、検
出温度の、気相燃焼かどうかを判断するしきい値は、当
然正常な触媒燃焼時における触媒部の温度よりも高い値
に設定されるから、十分な確度で気相燃焼の発生を検知
することができない。

【０００４】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
その目的は、高い確度でもって気相燃焼の発生を検知す
ることのできる触媒燃焼加熱装置を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、両端開口の筒状に形成されたハウジング内に、ハウ
ジングの一方の開口端から支燃ガスを導入し、ハウジン
グ内にはまた、燃料ガス供給部により、ハウジング内に
向けて形成された噴射口から燃料ガスを供給して支燃ガ
スと燃料ガスよりなる混合気流を生成せしめ、ハウジン
グ内の上記噴射口よりも下流位置に内部を被加熱流体が
流れる複数のチューブを配設しその外周に燃料ガスと接
触して酸化反応を生起する触媒部を形成して触媒付熱交
換器となし、上記酸化反応による燃焼熱を被加熱流体が
受熱する触媒燃焼加熱装置において、さらに上記ハウジ
ング内には上記噴射口に近接しかつ上記チューブよりも
上記一方の開口端側に温度検出手段を設ける。

【０００６】触媒部の一部が異常高温になって混合気が
発火すると、混合気流の最上流部である噴射口の近接位
置で気相燃焼が生じるから、その火炎にさらされ上記噴
射口に近接して設けられた温度検出手段は、常に検出温
度が気相燃焼の高い燃焼温度に応じた温度まで上昇す
る。しかして温度検出手段により、気相燃焼が触媒部の
一部の異常高温によるものであっても気相燃焼の発生が
知られる。また上記温度検出手段が設けられる、上記噴
射口に近接しかつ上記チューブよりも上記一方の開口端
側は、正常な触媒燃焼時、燃焼前の燃料ガスと支燃ガス
とが存在しているところであるから、触媒付熱交換器よ
りもかなり低温に保たれる。したがって気相燃焼発生時
の検出温度の昇温幅が大きく検出感度がよい。しかして
高い確度でもって気相燃焼の発生が知られる。

【０００７】上記温度検出手段を設ける位置は、請求項
２記載の発明のように上記ハウジング内に突出する上記
燃料供給部の突出部とすることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１に本発明の触媒燃焼加熱装置
の縦断面を示し、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿
う断面を示す。触媒燃焼加熱装置は、ハウジング１と、
これらと一体的に設けられた燃料ガス供給部２および触
媒付き熱交換器３とを備えている。ハウジング１は両端
が開口した断面四角形の筒状のもので、全体長の半分強
を占める、一定の辺長の中央部１０３を有し、その両側
部分１０４，１０５が一方の開口端１０１方向および他
方の開口端１０２方向へ細る台形に成形され台形部１０
４，１０５としてある。ハウジング１の一方の開口端１
０１は支燃ガス供給口１０１としてあり、空気等の支燃
ガスがハウジング１内に供給されるようになっている。
ハウジング１の他方の開口端１０２は後述する燃焼後の
排気ガスが排出される排気口１０２としてあり、ハウジ
ング１内に支燃ガス供給口１０１から排気口１０２に到
るガス流が形成されるようになっている。

【０００９】燃料ガス供給部２は、ハウジング１内の中
央部１０３に台形部１０４寄りに、対向するハウジング
１壁間を橋渡しする複数の先端閉鎖の管状部２０１がハ
ウジング１の軸線に対して直交する方向に並列配置して
あり、その基端がハウジング１の周壁面に設けた、各管
状部２０１に共通の管寄せ２０３と連通している。管寄
せ２０３はこれに水素等の燃料ガスを供給する配管２０
４が接続され、燃料ガスが管寄せ２０３を介して各管状
部２０１に分配供給される。各管状部２０１には、支燃
ガス供給口１０１側に複数の噴射口２０２が形成してあ
り、これから燃料ガスが台形部１０４に向けて、すなわ
ち支燃ガス供給口１０１から流入する支燃ガス流に対抗
するように噴射され、噴射口２０２近接位置において支
燃ガスと燃料ガスとが良好に混合される。この混合気は
噴射口２０２近接位置を最上流部とする混合気流を生成
し触媒付き熱交換器３のあるガス流下流側へと流れる。

【００１０】触媒付き熱交換器３は、ハウジング１内の
中央部１０３の、燃料供給部２の管状部２０１よりもガ
ス流下流側に、対向するハウジング１壁間を橋渡しする
多数のチューブ３０１が配置してある。この多数のチュ
ーブ３０１は、ハウジング１の軸線方向に層状に配置さ
れ、各層３Ａ，３Ｂ，３Ｃにおいてチューブ３０１は、
ハウジング１の軸線および燃料ガス供給部２の管状部２
０１と直交する方向に並列配置される。

【００１１】この３つの層３Ａ〜３Ｃのチューブ３０１
は、管寄せ３０３，３０４，３０５，３０６により連結
し、一つの管路を形成している。かかる管路の一端部で
ある管寄せ３０３には導入路３０７から水等の被加熱流
体が導入され、図に矢印で示すように、ガス流の下流側
より上流側へ向かう被加熱流体の流れが形成される。被
加熱流体は、管路の他端部である管寄せ３０６と連通す
る導出路３０８へと導出され、暖房用等に用いられる。

【００１２】各チューブ３０１の外周には触媒部たる多
数のフィン３０２がロー付け等の方法で接合されてい
る。フィン３０２は、平板をリング状に成形したもの
で、その表面に白金やパラジウム等の酸化触媒が担持し
てある。

【００１３】なお、フィン３０２の外径、数は、接合さ
れるチューブ３０１内を流れる被加熱流体に必要な熱量
に応じて適宜設定される。

【００１４】触媒付き熱交換器３において、混合気を形
成する燃料ガスがフィン３０２上の酸化触媒の作用で触
媒燃焼しながら排気口１０３へ向かう。触媒燃焼により
発生した燃焼熱は、フィン３０２からチューブ３０１に
伝達され、管壁を介して内部を流れる被加熱流体を加熱
する。排気ガスは排気口１０２から排出される。

【００１５】ここで、被加熱流体の進行方向はガス流の
流れ方向と逆方向であり、導入口３０７に近い層３Ａの
チューブ３０１を流れる被加熱流体はまだ低温であり、
排気口１０２から排出される直前の比較的温度の高い排
気ガスから効率よく受熱する。被加熱流体はガス流の上
流側に向かうにつれて高温に加熱され、ガス流上流側の
層３Ｃのチューブ３０１内を流れる被加熱流体が最も高
温となり、効率よく熱交換が行われるようになってい
る。

【００１６】台形部１０４の中程には温度検出手段たる
測温抵抗体等の温度センサ４が設けてある。温度センサ
４は、ハウジング１壁に形成した取り付け用の穴に埋め
込み固定してあり、台形部１０４位置におけるハウジン
グ１内温度を検出するようになっている。その検出信号
は、燃料ガスおよび支燃ガスの流量等、装置全体を制御
するコンピュータに入力するようになっている。コンピ
ュータには、気相燃焼が生じた時の台形部１０４におけ
るハウジング１内温度が、気相燃焼の有無を判定するし
きい値として記憶してあり、コンピュータが検出温度と
しきい値とを比較して気相燃焼の有無を判定するように
なっている。

【００１７】上記触媒燃焼加熱装置の作動を説明する。
正常に触媒燃焼が行われている時には、触媒付き熱交換
器３のチューブ３０１およびフィン３０２は気相燃焼時
に比べると低温であり、また触媒燃焼がフィン３０２表
面において行われることで、燃焼熱はフィン３０２から
チューブ３０１に伝達されて、効率よくチューブ３０１
内を流れる被加熱流体と熱交換するから、ハウジング１
内は全体的にあまり温度が高くならない。しかも温度セ
ンサ４が設置されている台形部１０４等の、チューブ３
０１よりも上流側は支燃ガスの流通や、支燃ガスと燃料
ガスとの混合が行われているので、温度センサ４の検出
する温度は、燃焼出力の変化時であっても低温で安定し
ている。

【００１８】さて各層３Ａ，３Ｂ，３Ｃのフィン３０２
の表面では、それぞれ触媒燃焼が行われるが、混合気の
濃度はガス流上流側ほど高いから、最も上流側の層３Ｃ
において最も多く熱量が発生し、支燃ガスの供給不足な
どでガス流上流側の層３Ｃが異常な高温となりやすい。
また本実施形態では上記のごとく被加熱流体の流れる方
向がガス流とは反対方向としているので、ガス流上流側
の層３Ｃのチューブ３０１を流れる被加熱流体の温度が
最も高くなり、この傾向がより強い。ガス流上流側の層
３Ｃが異常高温となって混合気が発火すると、火炎は、
混合気流の最上流部である燃料供給部２の噴射口２０２
の近接位置で形成される。

【００１９】この火炎にさらされ、燃料供給部２の噴射
口２０２と近接するハウジング１の台形部１０４が燃焼
熱により昇温するが、気相燃焼では燃焼温度が高いから
相当高温となる。一方、気相燃焼が発生することで、フ
ィン３０２はガス流上流側の層３Ｃであっても効率よく
受熱できないため昇温は抑えられる。

【００２０】したがって従来の、温度センサをフィン３
０２に設けた装置では、気相燃焼を検知することが困難
であるのに対して、本発明では、温度センサ４は台形部
１０４に取り付けてあるから、上記のごとくガス流上流
側の層３Ｃだけが異常高温となっても火炎にさらされて
検出温度が気相燃焼の燃焼温度に応じて上昇し、所定の
しきい値を越えると上記コンピュータにより気相燃焼発
生と判定される。また触媒燃焼時と気相燃焼発生時とで
温度差がはっきり顕れる位置に温度センサ４を設けてい
るので、気相燃焼の検知感度がよい。しかして常に高い
確度で気相燃焼が検知できる。

【００２１】なお本実施形態では温度センサ４はハウジ
ング１の台形部１０４に設けているが、必ずしもこれに
限定されるものではなく、燃料ガス供給部２の噴射口２
０２に近接しチューブ３０１よりもガス流上流側位置で
あればよく、例えば燃料供給部２のハウジング１内への
突出部である管状部２０１に設けてもよい。

【００２２】また本発明は被加熱流体の流れる方向とガ
ス流とが同じ方向の装置にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触媒燃焼加熱装置の全体断面図であ
る。

【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であ
る。

【符号の説明】

１ ハウジング １０１ 支燃ガス供給口（一方の開口端） １０２ 排気口 ２ 燃料ガス供給部 ２０１ 管状部（突出部） ２０２ 噴射口 ３ 触媒付き熱交換器 ３０１ チューブ ３０２ フィン（触媒部） ４ 温度センサ（温度検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲垣 光夫 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 荻野 温 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端開口の筒状に形成され、一方の開口
   端から支燃ガスが導入されるハウジングと、ハウジング
   内に向けて形成された噴射口からハウジング内に燃料ガ
   スを供給する燃料ガス供給部と、ハウジング内の上記噴
   射口よりも下流位置に配設して内部に被加熱流体が流れ
   る複数のチューブの外周に燃料ガスと接触して酸化反応
   を生起する触媒部を形成してなる触媒付熱交換器とを有
   する触媒燃焼加熱装置において、上記ハウジング内には
   上記噴射口に近接しかつ上記チューブよりも上記一方の
   開口端側に温度検出手段を設けたことを特徴とする触媒
   燃焼加熱装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の触媒燃焼加熱装置におい
   て、上記温度検出手段は、上記ハウジング内に突出する
   上記燃料供給部の突出部に設けた触媒燃焼加熱装置。