JPH11351513A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高負荷燃焼が可能な触媒燃焼装置を実現するこ
と。 【解決手段】触媒体１を収納する燃焼室６と、触媒体１
に近接した位置に設けられた熱回収部２と、熱回収部２
から熱を搬送する熱搬送手段３とを備え、触媒体１は、
炭化ケイ素、チッ化ケイ素、チッ化アルミニウムのう
ち、少なくとも１つを主たる成分として含有した良熱伝
導性セラミック焼結体からなる担体基材に、燃料の酸化
活性を有する触媒を担持した構成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体または液体燃
料を燃焼させる触媒燃焼装置において、特に燃焼負荷増
加と熱利用効率向上の技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料の酸化活性を有する触媒体を用い
て、その表面で触媒反応を行い、その反応熱を暖房や給
湯、あるいはその熱源として用いる触媒燃焼器は従来よ
り多数提案されているが、触媒の担体基材としては、コ
ージェライトやシリカ−アルミナ等の多孔質セラミック
やステンレス等の耐熱性金属が用いられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように担体基材
としてコージェライト、シリカアルミナなどからなる多
孔質セラミックを用いた従来の触媒燃焼装置では、担体
基材の熱伝導性が低く、燃焼反応の大部分が行われる触
媒体の上流部で発生した燃焼熱が下流部へ速やかに伝導
せず、触媒体の上流部と下流部で温度格差が生じる。こ
の場合、触媒体上流部から放射される熱輻射を利用する
輻射型暖房器には適するが、給湯器などの高密度な燃焼
を必要とする用途には、燃焼量を増加させると触媒体上
流部が局部的に高温化して触媒の劣化を引き起こす可能
性があるため、適しているとはいえない。また、触媒体
の担体基材に金属を用いた場合、コージェライトに比べ
て熱伝導率が高いため、触媒体の局所的な高温化は抑制
され、高い燃焼負荷での燃焼が可能である。しかしなが
ら、金属の耐熱性はコージェライトなどのセラミック基
材に比べて低く、燃焼条件によっては金属基材の変形等
により、触媒層が基材から剥離する場合があり、燃焼を
維持するために高い温度が必要となる都市ガス等の燃料
を用いる場合には問題となる可能性がある。

【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、高い燃焼負荷で使用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】上記の課題を解決するた
めに、本発明の触媒燃焼装置では、炭化ケイ素、チッ化
ケイ素、チッ化アルミニウムのうち、少なくとも１つを
主たる成分として含有した良熱伝導性セラミック焼結体
からなる担体基材の表面に燃料の酸化活性を有する触媒
を複合化させた触媒体と、前記触媒体に近接した位置に
備えられた熱回収部と、前記熱回収部から熱を搬送する
手段とを備えたことを特徴としている。

【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。 （実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１の構成略
図である。図１において、１は、良熱伝導性セラミック
焼結体である炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる平板形状の
部材が複数個並列配置されて構成された担体基材の表面
に、燃料の酸化活性を有する白金族の貴金属からなる触
媒が被覆された触媒体、２は熱回収部、３は熱輸送媒体
流通管、４は混合気供給管、５は浄化触媒、６は燃焼
室、７は着火用電極である。

【０００７】次に本実施の形態の動作と特性について説
明する。燃料（ここでは都市ガスを使用）を空気と所定
の比率で混合し、混合気供給管４によって燃焼室６に供
給する。燃焼初期においては、着火用電極７への通電加
熱により、混合ガスの流れ方向に対して触媒体１の下流
側（図中上部）に火炎を形成する。この火炎によって活
性化温度まで加熱昇温された触媒体１の下流部において
触媒燃焼が開始する。この触媒体１の下流部での燃焼熱
によって触媒体１の上流部分が徐々に加熱されてゆき、
最終的には触媒体１の上流部で大部分の燃焼反応が起こ
って定常状態となる。触媒体１上で発生した燃焼熱は熱
輻射として放射され、熱回収部２によって回収される。
平板形状をした触媒体１の片側面に対向して熱回収部２
が設置してあるため、高効率に触媒体１上で発生した燃
焼熱を回収するとともに、触媒体１の温度上昇を抑制で
きる。また、熱回収部２には耐熱性の黒色塗料で塗装を
施しており、触媒体１からの熱輻射を効率よく吸収する
ことができる。熱回収部２で吸収した熱は熱輸送媒体流
通管３に伝熱し、熱輸送媒体流通管３の内部を流れる水
に熱交換して、外部の熱利用部へと輸送される。

【０００８】触媒体１でスリップした燃料ガスは触媒体
１の下流部に設置した浄化触媒５で完全に酸化される。
ここで本実施の形態において、触媒体１の担体基材にコ
ージェライト（熱伝導率０．０２９Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を用
い、触媒燃焼させた場合には、図２に示すように、上流
部（１０３０℃）と下流部（６７０℃）の温度格差が３
５０℃程度となるが、本実施例のように良熱伝導性セラ
ミックである炭化ケイ素からなる基材（熱伝導率０．６
２８Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を触媒体１の担体基材として用いた
場合には、上流部（約８８０℃）と下流部（約６７０
℃）の温度格差は２００℃程度となる。燃料の反応は燃
料−空気混合気が最初に触媒体１に接触する上流部で大
部分起こるが、触媒体１の担体基材に良熱伝導性セラミ
ックである炭化ケイ素を用いることによって触媒体１の
上流部で発生した燃焼熱が速やかに下流部と触媒体周囲
の接触部へ放出されるため、コージェライト基材に比
べ、触媒体上流部の温度上昇が抑制される。したがっ
て、燃料の供給量を増加させ触媒体１上での燃焼量を増
加させても触媒体１上流部の温度上昇は抑制されるた
め、結果として高負荷な燃焼が可能となる。触媒体１の
担体基材として、炭化ケイ素を用いた場合にはコージェ
ライトを用いた場合と比較して、燃焼負荷を６０〜８０
％高くすることができる。一方、金属基材を用いた場合
も基材の熱伝導性が高いため、本発明と同様の効果があ
るが、金属基材はセラミック基材と比較して熱変形が大
きく、触媒層との密着性が悪いため、本発明の良熱伝導
性セラミック焼結体の方が有利である。

【０００９】本実施の形態では良熱伝導性セラミック焼
結体として、炭化ケイ素を用いたが、本発明における良
熱伝導性セラミック焼結体とは、炭化ケイ素、チッ化ケ
イ素（熱伝導率０．１２５Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、チッ化アル
ミニウム（熱伝導率２．２Ｗ／ｃｍ・Ｋ）のうち１つ、
もしくは数種を含むもの、もしくはこれらの材料と他の
材料の複合体で、熱伝導性が高いものを示す。先に述べ
たとおり、触媒体１の熱伝導性が高いほど、発生する燃
焼熱が速やかに取り除かれるため、高負荷な燃焼が可能
となるが、通常触媒担体で用いられるステンレス基材
（熱伝導率０．１０Ｗ／ｃｍ・Ｋ）よりも高い熱伝導率
を示すものであれば良い。

【００１０】本実施の形態において、触媒体１を構成す
る平板の面積、枚数を変化させることにより、様々な燃
焼量の燃焼器を設計することができる。熱交換は平板で
ある触媒体１に対応して熱回収部２を設置しているた
め、触媒体１の枚数を増やしたり、面積を大きくして燃
焼量が大きくなっても熱交換効率が低下することはな
い。また、本実施の形態では熱回収部２に銅を用い、表
面に黒塗装を施して触媒体１から放射される熱輻射の吸
収を向上させてあるが、熱伝導性が高く、使用条件にお
いて充分な耐熱性を持つ金属またはセラミックであれ
ば、他のものを用いても問題はない。 （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。本実施の形態は図３に示すように、触媒体１を
良熱伝導性セラミックからなるハニカム形状（図の円内
は触媒体１の図面上縦断面図を示す）とし、触媒体１の
周囲側壁に近接して熱回収部２を設置するものであり、
作用効果の大部分は実施の形態１と類似である。したが
って異なる点を中心に本実施の形態を説明する。

【００１１】図３は本実施の形態の断面構成図である。
１は炭化ケイ素からなるハニカム形状の担体基材表面に
燃料の酸化活性を有する白金族の貴金属からなる触媒が
被覆された触媒体、３は熱輸送媒体流通管、４は混合気
供給管、６は燃焼室、７は着火用電極である。ここで燃
焼室６の内壁面が熱回収部２を構成している。本実施の
形態では燃焼室６が管状となっており、触媒体１上で発
生した燃焼熱は、燃焼ガスの流れ方向に対して、触媒体
１の断面方向に伝わり、燃焼室６の壁で構成される熱回
収部２を通じて、燃焼室６の外周部に設置した熱輸送媒
体流通管３によって熱利用部へと輸送される。このよう
な構成の場合、燃焼負荷を高めるためには、触媒体１の
上流部と下流部の温度格差が小さく、かつ触媒体１の中
心部で発生した燃焼熱が外周部へと速やかに伝わること
が必要となる。本実施の形態は良熱伝導性セラミックで
ある炭化ケイ素の焼結体を触媒担体基材として用いてお
り、触媒体１の上流部と下流部の間の温度格差が小さく
なるとともに、触媒体１の中心部で発生した燃焼熱が外
周部へと速やかに伝わるため、高い燃焼負荷での燃焼が
可能となる。

【００１２】また、本実施の形態では触媒体１をハニカ
ム形状としたが、燃料と空気の混合気が触媒体１を大き
な圧力損失なく通過できるものであれば、例えば連通孔
を有する発泡体形状でも良い。また、燃焼室６は触媒体
１上で発生した燃焼熱の回収と熱輸送媒体流通管３への
熱輸送をするため、熱伝導の良い基材、例えばアルミダ
イキャストのような金属基材が好ましい。 （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。本実施の形態は図４に示すように、触媒体１の
形状をハニカム構造にし、触媒体１の上流側面および下
流側面の双方に対向させて、熱回収部２を設置したもの
であり、作用効果の大部分は実施の形態１と類似であ
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。

【００１３】図４は本実施の形態の断面構成図である。
１は炭化ケイ素からなるハニカム形状の担体基材表面に
燃料の酸化活性を有する白金族の貴金属からなる触媒が
被覆された触媒体（図の四角内は触媒体１の図面上横断
面図を示す）、２は熱回収部、３は熱輸送媒体流通管、
４は混合気供給管、５は浄化触媒、６は燃焼室、７は着
火用電極である。実施の形態１および２では、触媒体１
中の燃料ガスの流れ方向に対して垂直方向に燃焼熱の回
収を行うものであるが、本実施の形態では、触媒体１か
ら放射される熱輻射を、触媒体１の上流側面と下流側面
の双方に対向させて設置した熱回収部２によって回収す
るものである。このような構成の場合、触媒体１の温度
は触媒耐熱温度によって制限されるため、触媒体１の下
流側面の温度が高いほど多くの熱を利用することができ
ることになる。触媒体１の下流側面の温度を上昇させる
ためには、熱伝導性の悪いコージェライトのような基材
を用いた場合、ハニカムの厚みを薄くするなどの方法を
取ることで、ある程度改善されるが、燃焼率も低下する
ため限界がある。これに対して、良熱伝導性セラミック
焼結体を触媒担体基材として用いることにより、触媒体
１の上流部の温度上昇を抑制するとともに、触媒体１の
上流部と下流部の間の温度格差が小さくなるため、触媒
体１の下流側面の温度を上昇させることができる。

【００１４】また、触媒体１を構成する担体基材の断面
積を変化させることによって、燃焼器の厚みを変えるこ
となく、様々な燃焼量の薄型燃焼器を設計することがで
きる。 また、熱回収部２には実施の形態１と同じく耐
熱性の黒色塗料で塗装を施しているため、触媒体１から
の熱輻射を効率よく吸収することができる。

【００１５】以上、本発明についてガス燃料を用いた触
媒燃焼装置に実施した例で説明したが、本発明はこれに
限定されるものでは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。

【００１６】燃料種としては都市ガス、プロパンガス、
ブタンガスのような気体燃料でも、灯油やガソリンなど
の液体燃料を使用する場合にも適用できる。都市ガスの
ような低圧供給ガス燃料の場合には、必要に応じて、送
風ファンのような空気供給手段が付加されても良く、ま
た液体燃料を使用する場合には、混合気供給管４の上流
で液体燃料を気化させる手段が付加される。

【００１７】触媒の活性成分としては、白金、パラジウ
ム、ロジウム等の白金族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、及びこれらとの
混合組成であっても良く、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。

【００１８】また、燃料の活性を有する触媒は本実施の
形態のように、貴金属をアルミナなどの担体に担持させ
たものを触媒担体基材にコーティングしても、触媒担体
基材に直接触媒活性成分を含浸、もしくは担体基材を作
製するときに、あらかじめ触媒を担体基材の材料に混合
しておいても良い。

【００１９】また、点火手段としては着火用電極７を用
いた触媒体下流での直接着火方式を用いているが、触媒
体１の温度を上昇させる手段であればこの構成に限るも
のではなく、たとえば触媒体１上流に炎口部と着火器を
もうけて最初はここで火炎を形成させ、高温排ガスによ
る加熱で触媒体１が活性化温度に達した時点で一旦燃料
供給を停止して火炎を消滅させ、その直後、燃料供給を
再開して触媒燃焼反応を開始させる方法も有り、あるい
は触媒体１近傍に電気加熱手段を設置して、所定温度ま
で電気加熱により昇温する方法を用いても良く、いずれ
も上記本発明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１の下流部で火炎を形成させ、
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、複雑な制御、検知やそのための補助部品を必要
とせず、また多量の電気入力を必要とせず、特に屋外使
用の機器への応用時には、実使用上有効な手段である。
なお、火炎燃焼を開始させる点火器としては、圧電着火
器を用いるのも無電源機器を完成させるのに有効な手段
である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
と、触媒体上流部の温度上昇を抑制するとともに、触媒
体上流部と下流部の温度格差を小さくし、高負荷な触媒
燃焼が可能となり、コンパクトな触媒燃焼器を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１としての触媒燃焼装置の
構成略図である。

【図２】上記触媒燃焼装置の要部温度分布特性図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態２としての触媒燃焼装置の
断面構成図である。

【図４】本発明の実施の形態３としての触媒燃焼装置の
断面構成図である。

【符号の説明】

１ 触媒体 ２ 熱回収部 ３ 熱輸送媒体流通管 ４ 混合気供給管 ５ 浄化触媒 ６ 燃焼室 ７ 着火用電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】触媒体を収納する燃焼室と、前記触媒体に
   近接した位置に設けられた熱回収部と、前記熱回収部か
   ら熱を搬送する熱搬送手段とを備え、前記触媒体は、炭
   化ケイ素、チッ化ケイ素、チッ化アルミニウムのうち、
   少なくとも１つを主たる成分として含有した良熱伝導性
   セラミック焼結体からなる担体基材に、燃料の酸化活性
   を有する触媒を担持した構成を有することを特徴とする
   触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】前記担体基材は、平板形状の部材が相互に
   間隙を有して複数枚並列されて構成され、また、前記熱
   回収部の少なくとも一部は平板形状をしており、前記担
   体基材の平板形状の部材の少なくとも片側面に対向して
   前記熱回収部の平板状部が並列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】前記担体基材は、ハニカム構造もしくは連
   通孔を有する発泡体構造を有し、そのような触媒体の周
   囲に近接して前記熱回収部が設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。
4. 【請求項４】前記担体基材は、ハニカム構造もしくは連
   通孔を有する発泡体構造を有し、そのような触媒体の上
   流側および下流側の双方に対向させて、前記熱回収部が
   設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。