JPS62125208A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ガス燃料あるいはガス化した液体燃料、固体
燃料の燃焼に用いられ、暖房、給湯、乾燥、等の目的で
使用される。

従来の技術 従来この種の燃焼装置は、第６図、第７図のような構成
釦なっていた。すなわち平板状の燃焼体１は円筒形の外
筒２の直径方向に設けられ、混合気は燃焼体１の前方に
形成された半円状の混合気室３より導入された後、燃焼
体１の多数の燃焼孔４を通過して、外筒２の後方に形成
された排気室６および排気口６を通じて排出されている
。ここで燃焼体１には白金族の触媒が担持されているた
め、燃焼反応は主に燃焼体１の上流面で生じる。

しかし、燃焼反応は燃焼孔４を通過する過程で程度の差
こそあれ生じているもので、燃焼孔４の下流面に致って
ほとんど終了するべくその孔の長さが設定されている。

この場合、孔の長さは燃焼ガスの性質（成分・濃度）燃
焼体の温度、孔径、燃料ガスの速度によって適宜設定さ
れるが、長くなればなる程、排ガスのクリーン化は改善
されるものである。

発明が解決しようとする問題点 しかし長くなることによって、いくつかの問題点を生じ
るもので、これを以下に述べる。

■　重量増加によるコスト上昇、運搬上の不利益。

■　熱容量の増加による、着火特性の不利益。

■　燃焼体の上流と下流の温度差の拡大による熱歪によ
る燃焼体の割れ。

すなわち従来の構成では上述の問題をもつものであった
が、特に、平板状の燃焼体１の外筒２との接触部Ａに於
いて不完全燃焼をしやすいものであった。この接触部Ａ
は、断熱材Ｂを介して接しているものの、燃焼体１の中
央に比べて低温となりやすいもので、このような燃焼体
１の周辺部の排気中の未燃分を完全に取り除くためには
、前述の如く、燃焼体１を特に厚くしなければならない
ものであった。

問題点を解決するための手段 従来の燃焼体が十分とはいえない燃焼性能をもっていた
理由は、その多数の燃焼孔がすべてストレートな孔であ
ることにある。本発明では燃焼孔を末広がり（末しぼま
りといっても良い）形状に形成し、その広い開口部よシ
流入した燃焼ガスが効果的に、燃焼孔と接触しつつ狭い
開口部より流出するものとした。従来のストレート孔で
は孔の中心部を通過する燃料の接触効率は十分でなかっ
た点を改善しているもので、このような末広がり孔の連
続体を均等壁厚で形成しているので全体的に筒状となっ
ている。また本発明の２次的効果として燃焼体が外筒と
接触する部分はなく全体的に均等な温度になりやすい。

作　　用 触媒燃焼は接触燃焼あるいは無炎燃焼ともいわれ、燃料
ガスと０２が、触媒能を有する物質と接触して容易に酸
化するものである。本発明では燃料と空気の混合気が効
果的に接触するべく、燃焼孔の面積を流入口で大とし流
出孔で小とした。このため孔の中心部を接触しないで通
過するガスを減少させたものである。

実施例 第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図はそ
の横断面図である。

第１図、第２図において７は耐熱材料（アルミナ、シリ
カ、マグネシア、カルシア等）で円筒状に形成された燃
焼体である。燃焼体７には多数の燃焼孔８が径方向に明
けられている。第３図はこの燃焼体１の拡大断面を示し
、第４図はこの部分的外観を示す。このような円筒状の
燃焼体７は、未焼結の耐熱材料の混ねん物を押し出し成
型して得られた平面状のハニカム体を、円筒状に成型し
た後焼結させて作る。あるいは円筒成型型によって直接
円筒状に押し出す等の加工方法によって製造される。燃
焼孔８間の壁厚は薄くかつ均等圧であり、かつ１つ１つ
の燃焼孔８は末広がりであるため、これらの燃焼孔８の
連続体の全体型状は略円筒状となる。

第１図、第２図において、燃料と空気の混合気は混合気
管９．混合気噴出口１ｏおよび混合気室１１を通過して
、燃焼体７の外径側の燃焼孔８の入口８ａに入シ、燃焼
を開始する。さらに混合気は燃焼孔８を内径方向へ進み
、その反応を終結させて燃焼孔８の出口８ｂよシ排気室
１２へ排出される。排気ガスは排気パイプ１３．排気口
１４を通じて装置外へ排出している。なお、円筒状の燃
焼体７の外周は混合気室１１を形成するため、同心円状
に熱透過体１６を配設し、それぞれ、パツキン１ｅを介
して底板１７、上板１８で保持されているものである。

排気室１２内には燃焼体７の予熱用のヒータ１９が配置
されている。着火時にヒータ１９によって燃焼体７を予
熱するが、その熱が上方へ放散しないよう排気パイプ１
３が排気室１２の下部に開口しているものである。予熱
は燃焼体７の触媒が十分に活性を示す温度に達した時終
了する。この状態で燃焼体７の混合気を送れば、混合気
は自発的に燃焼反応を開始するものである。

また燃焼は主に外径部で生じるが、燃焼体７の外径が異
常に高温となれば、混合気室１１の混合気は発火する。

このような現象を防止するためにも燃焼体７には燃焼触
媒が担持しであるものである。

燃焼用触媒は、燃料と酸素を触媒の表面で激しく反応さ
せるものであるが、この時の火炎はミクロ的に小さいた
め、触媒面から離れたガスを発火させるべく、成長しに
くいものである。これは触媒の発火抑制機能として知ら
れている。このような作用は燃焼を促進するいかなる触
媒においても観られるが、特に白金、パラジュウム、ロ
ジュウム等の白金族金属において著しいものである。こ
のような触媒を燃焼体７に担持せしめることによって燃
焼体７の上流面が赤熱しても混合気は発火しに〈＜シて
いる。むろん上流面が比較的低温に保たれることが保証
されている場合は、あえてこのような触媒を用いなくと
もよいであろう。しかし、一般に小型の装置で高負荷に
燃焼させるので、このような触媒を用いないで実用的サ
イズの装置を実現することは困難である。

また本発明では、高負荷に設計されていても、発火を抑
制する手段として触媒作用の他に次のような工夫がなさ
れている。

■　燃焼体７の外周を熱透過体１５で囲み、燃焼体７の
輻射が容易に装置外へ放散し、燃焼体７の外周の温度を
発火しにくく低温としている。

■　燃焼孔８は末広がり状である。このため、燃焼孔８
の孔壁の輻射は外径側より孔外へ放散しやすい。すなわ
ちストレート孔では孔壁が平行に相対しているので、相
互に輻射熱を交換し合い孔内が高温になシやすいが、末
広がり状であるので相互の輻射交換は少くなく、高温化
しにくい。

以上に述べた理由によって本発明の装置は、混合気の発
火が抑制できるものである。

このような特性をもつ本発明で末広がり燃焼孔のもつ特
徴について次に説明する。

従来のストレート孔では、混合気は燃焼孔の上流面よシ
燃焼を開始するが、触媒燃焼であるので実質上火炎は存
在しない。（触媒燃焼は無炎燃焼あるいは接触燃焼とも
呼ばれる。）混合気はしたかって燃焼孔の中を接触しつ
つ反応を進め、下流面で放出される。しかしストレート
孔であるので孔の中心流線を流れる混合気の接触する確
率は低く、従って未燃成分が排出されやすい。このよう
なストレート孔でも、孔内の流れは層流であることはな
い。例えば計算上のＲｅ数（レイノルズ数）が層流を示
していても、激しい温度変化を生じている孔内の流れは
かなシ乱れている。このことは燃焼を開始することによ
って燃焼孔の通過抵抗が急増することで理解できるもの
である。しかし、激しい燃焼反応の生じている上流で孔
内の流れは乱流であっても、はとんどの反応が終了した
下流部の孔内はせいぜい弱い乱流でしかない。このよう
な状況によって平行なストレート孔では数ｐｐｍ程度の
ＨＣが排出しやすいものであった。

本発明ではこのような問題を解決するため、燃焼孔８を
末広がり状とした。混合気は上流の広い燃焼孔８ａよシ
入シ、下流の狭い燃焼孔８ｂより出る。このような形状
が接触効率の良い理由は、孔の中心をすり抜ける混合気
が少ないからである。

触媒によって接触燃焼をするのであるからこのような形
状の方が接触効率が良いことは理解できるであろう。燃
焼孔８の入口８ａで激しく急膨張し乱流となった高温ガ
スは、燃焼孔８の出口８ｂへ流れているが、ストレート
孔の場合、孔の下流になるに従って排気ガスの熱は孔壁
に吸収され低温となる。したがって孔内の流速は次第に
低下しその乱流強度は弱まるが、断面が次第に狭くなる
本発明では、流速は低下しにくいものである。このこと
は実験によりストレート孔の場合上流面の温度が８３０
’Ｃ１下流面が６５０℃であったことに　　　　′対し
、末広がり孔では上流面を８３０　’Ｃとした時、下流
面がほぼ同じ温度と考えられる６４０°Ｃであったこと
よシ証明された。すなわち、下流部の排気温が同レベル
であることは下流から排出される排ガス体積およびその
粘性がほぼ同一であり、かつ狭い出口８ｂの燃焼孔８の
流速はストレート孔よりも早いということになるもので
ある。Ｒｅ数の概念を用いると、孔径の狭い出口８ｂは
同時に流速を孔径の２乗に反比例して増加させているの
で、Ｒｅ数を増加させることが分かる。したがって、本
発明では燃焼孔８の入口８ａの乱流が、下流の出口８ｂ
まで良く持続することにより接触効率が良いともいえる
ものである。

また、末広がシ孔がストレート孔に対して接触をすり抜
ける混合気が少ない、すなわち流れに対して孔壁が傾斜
を有することによって流れが孔壁に接触しやすい）。い
ずれにしろ、孔内の流れは推測の域を出ないが、乱流に
しろ、層流にしろ末広がり状の孔が効果があることは理
解できる。

また、従来例では燃焼体１の両側が断熱材Ｂを介して外
筒２と接しており、この部分は燃焼体１゜の温度は低く
なシやすいことも従来例の問題点であった。本発明では
円筒状であるので両端はなくこの部分よシの未燃成分の
発生はない。

次に実験によって得られたデータを説明する。

は燃焼体１の中央部で１２ｐｐｍ・両端部で３０　ｐｐ
ｍであった。

また同じくストレート孔（３ｏＯセル／平方インチ・壁
厚０．３ｍｍ、孔長１０Ｍ）での、ＨＣ濃度は燃焼体１
の中央部で１８　ｐｐｍ・両端部で４２　ｐｐｍであっ
た０ これに対し本発明の燃焼体（外径８０　ｒｍ　、内径６
０Ｂ、外周３００セル／平方インチ、内周４００セル／
平方インチ）での結果はＨＣが検出されなかった。

上記実験は灯油を用い空気過剰率を１．４とし、上流面
での燃焼負荷を同一にして行った結果である。この結果
をみても本発明の効果は実証されている。ストレート孔
で４００セル／平方インチの場合、全体に接触効率は良
いはずであるが、主燃焼部である上流孔での流速が早く
、燃焼が全体に下流にずれることと、前述の説明の如く
、傾斜を有しない孔壁に対して接触しにくいためである
と考えられる。

また、本発明の効果を著しくするためには、燃焼孔の孔
壁総面積を大きくし接触効率を大とする必要がある。こ
の点、燃焼孔の断面は三角、四角、六角であることが好
ましい。なぜならば同一形状の孔で平面をすきまなくう
めることができるからである。例えば丸、三角等であれ
ば孔間の壁厚の厚い箇所が生じ、この部分は接触面積の
増加に寄与しないムダな材料を使うことになり、かつ、
壁厚の厚い部分と薄い部分の混在は熱歪による燃焼体７
の破壊を生じやすいからである。また、燃焼体７の肉厚
の厚い部分は熱容量が大きく、上流の混合気を発火させ
やすい欠点も有する。このような理由で本発明は、孔壁
が均等かつ薄いもので形成しうる形状が望ましい。

また本発明では燃焼負荷を大きくし、小型で十分な燃焼
量を得るため、外筒を熱透過材としている。これは、燃
焼体１の熱が輻射として外部へ放散しやすくするためで
ある。もし輻射熱が装置内にこもれば、燃焼体１は高温
となりすぎ、混合気の発火を招くものである。

さらに本発明の他の実施例として第５図に示すように外
筒２ｏに放熱フィン２１を設けて、燃焼体２２の熱を外
気に対流熱として放散しても同じ効果はえられる。この
場合放熱フィン２１に外部より冷却用空気を送風するか
、あるいは外筒２０の内外面に輻射率を高める表面処理
を施す等の手段を用いれば燃焼体２２の熱は一層外部に
放出可能となり、同一サイズの燃焼体２２において高い
燃焼負荷に耐える装置を実現できるものである。

なお、上記以外の構成は上記実施例と同一で、かつ同等
の作用効果を期待できる。

発明の効果 このように本発明によれば、次のような効果を得られる
。

■　末広がシ状の燃焼孔のため効果的に混合気が孔壁に
接し完全燃焼しやすい。そして未燃成分としてのＨｅ、
Ｃｏはほとん・ど発生しなく、かつ触媒燃焼の特徴であ
る低ＮｏＩ性も得られている。

■　触媒担体である燃焼体が円筒状であるので両端部が
なく、この部分の低温による不完全燃焼がない。

■　燃焼孔内の熱が輻射として外部に出やすく、燃焼体
の高温化による発火が防止できる。

■　燃焼孔は薄肉で構成されたノ・ニカム連続孔で、熱
歪に対し機械的強度をもつとともに全体が円筒形である
ため温度的不均一も少くない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃焼装置の縦断面図、第２
図は同横断面図、第３図は同燃焼体の横断面図、第４図
はその外観図、第５図は同地の実施例の縦断面図、第６
図は従来例を示す縦断面図、第７図は同横断面図である
。 ７・・・・・燃焼体、８・・・・・・燃焼孔、１６・・
・・・・熱透過体。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名δ−
・！　凡 第３図 第　５　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）耐熱性材料で構成され、かつ触媒能を付与された
   円筒状の燃焼体と、前記燃焼体の外周に設けられた外筒
   と、前記外筒、燃焼体間に混合気を供給する手段と、前
   記燃焼体の内径部に開口する排気口と、前記燃焼体を貫
   通し、かつ内径より外径方向に向けて断面積を末広がり
   に増加させた多数の燃焼孔を有する燃焼装置。
2. （２）燃焼孔の断面を三角、四角または六角形とした特
   許請求の範囲第１項記載の燃焼装置。
3. （３）外筒を熱透過材とした特許請求の範囲第１項記載
   の燃焼装置。
4. （４）外筒の外周部に放熱フィンを設けた特許請求の範
   囲第１項記載の燃焼装置。
5. （５）燃焼体に白金族触媒を担持した特許請求の範囲第
   １項記載の燃焼装置。