JP3709296B2 - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼反応熱により発する放射熱線を有効利用する触媒燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素を主体とする燃料に対して酸化活性を有する触媒を用いた触媒燃焼装置において、燃焼反応熱により発する放射熱線を有効利用するものとして、従来から多数の提案がなされている。このうち、触媒体の連通孔には燃料のみを供給し、触媒体の下流表面近傍で大気中の酸素を拡散供給することによって接触酸化反応させ、露出された触媒体の下流面から熱線を放射させるもの、また燃料と空気の予混合気を供給し、主に触媒体の上流表面近傍で接触酸化反応させ、触媒体の上流面に対向設置された熱線透過窓を介して上流面から熱線を放射させるもの等が良く知られている。
【０００３】
さらに、白金を主成分とする酸化触媒を担持させた触媒体を用いて、還元雰囲気における酸化反応を行うことにより、触媒体の耐熱性が向上することが知られている（特願平１０−１５７５５５）。そこで、空気過剰率１以下の予混合気を供給し、触媒体の上流表面近傍で接触酸化反応させた後、触媒体の下流に設置された燃焼排ガス流路内において、全空気過剰率が１以上となるように空気を追加供給し、補助触媒体において燃焼排ガス中に含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素や中間生成物を接触酸化反応させるものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の触媒燃焼装置のうち、触媒体の連通孔には燃料のみを供給し、触媒体下流側表面近傍で大気中の酸素を拡散供給することによって接触酸化反応させ、露出された触媒体の下流面から露出された触媒体の下流面から熱線を放射させるものでは、触媒体の下流表面近傍での反応において発生した熱の一部は、放射や伝導により触媒体の上流側に伝達されるが、このうちの一部は、触媒体の連通孔を通過する燃料に熱回収されて、再び下流側へと還流される。このため、触媒体の上流面および上流面に対向する燃焼装置の背面の低温化を図ることが可能である。しかし、大気中の酸素を拡散供給しているため、空気過剰率１以上となるに足る酸素量を供給すること、また酸化反応の前に燃料と酸素を十分に混合させることが困難であることから、未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素や中間生成物を発生しやすく燃焼排ガス特性が良好ではないという課題があった。また、このように燃焼率が低くなることに加えて、燃焼反応において発生する燃焼排ガスの保有する熱が、回収もしくは２次利用されることなく排出されることから、熱利用効率が低くなる傾向があるという課題があった。
【０００５】
一方、燃料と空気の予混合気を供給し、主に触媒体の上流表面近傍で接触酸化反応させ、触媒体の上流面に対向設置された熱線透過窓を介して上流面から熱線を放射させるものでは、触媒体の上流表面近傍での反応において発生した熱の一部の放射や伝導による触媒体の下流側への伝達に加えて、高温の燃焼排ガスが触媒体の連通孔を通過して下流側を加熱するため、例えば触媒体の上流面の温度が８００℃以上となるような燃焼条件において、下流面の温度は５００〜６００℃程度まで昇温して、触媒体の上流側に放射される熱量の３０〜４０％程度の熱線が触媒体の下流面から放射される。このため、触媒体の下流面に対向する燃焼装置の背面が高温となり、安全性を確保するためには断熱層や放熱層を重ねる必要があることから、装置が大型化するという課題があった。
【０００６】
さらに、同様に上流面から熱線を放射させるものにおいても、空気過剰率１ 以下の予混合気を供給し、触媒体の上流表面近傍で接触酸化反応させた後、触媒体の下流に設置された燃焼排ガス流路内において、全空気過剰率が１以上となるように空気を追加供給し、補助触媒体において燃焼排ガス中に含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素や中間生成物を接触酸化反応させるものでは、燃焼排ガス中に含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素や中間生成物と追加供給された空気を、補助触媒体における酸化反応の前に十分に混合させることが必要となる。空気の追加供給位置から補助触媒体までの流路が長い場合には、十分に混合させることが可能であるが、触媒体と補助触媒体が隔離設置されることになり、補助触媒体は触媒体からの放射熱等を受け難くなることから、補助触媒体の温度が低下する傾向がある。このため、比較的低温において容易に酸化反応が行われる一酸化炭素や中間生成物は酸化されるが、特に天然ガスのように酸化反応に６００℃以上の高温を要する燃料を使用する場合には、未燃焼の燃料ガスを排出しやすくなるという課題があった。一方、燃焼排ガス流路を短くするためには、邪魔板を設置する等混合を促進させる手段を要するため、燃焼排ガス流路の構成が複雑化するという課題があった。さらに、空気過剰率１以下における燃焼反応であるため、触媒体の上流表面近傍で反応する率は小さくなり、一部の燃料は触媒体の下流側で反応して、その反応熱はそのまま排出されるために、触媒体の上流面からの放射熱の利用効率も低くなるという課題があった。
【０００７】
本発明は、かかる従来の触媒燃焼装置の課題を考慮し、燃焼排ガス特性が良好、安全あるいはコンパクトな触媒燃焼装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る触媒燃焼装置は、複数の連通孔を有する基材上に酸化触媒を担持させた触媒体と、複数の連通孔を有する熱非良導体からなる空気導入多孔体を、互いの下流面が対向するように配置する構成を有し、触媒体の下流面からの放射熱の一部が空気導入多孔体の下流面からの放射により再度触媒体に還流されることから、触媒体の上流面からの放射熱の利用効率の高い燃焼装置を実現し得るものである。また、触媒体の下流面からの放射や燃焼排ガスとの接触による直接的な加熱が抑制されることから、燃焼装置の背面の低温化を実現することができる。このため、火傷等を引き起こす可能性のない安全性の高い燃焼装置を提供できるものである。また、燃焼装置の背面部分の薄いコンパクトな燃焼装置を提供し得るものである。さらに、触媒体の上流面からの放射熱と燃焼排ガスと２次空気を混合した適度な温度レベルの温風を併用することにより、熱利用効率の高い燃焼装置を実現することも可能である。
【０００９】
また、白金を主成分とする酸化触媒を担持させた触媒体を設置して、供給する予混合気の空気過剰率を１以下、２次空気を加えた全空気過剰率を１以上とするとともに、触媒体を通過した燃焼排ガスと空気多孔体を通過した２次空気が混合した後、触媒体の下流面に接触するように両者を近接配置する構成を有し、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガスや一酸化炭素等を酸化するための補助触媒体や混合を促進するための邪魔板等を備えた複雑な燃焼排ガス流路を設置することなく、良好な燃焼排ガス特性を有する燃焼装置を実現することができる。また、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガスや一酸化炭素等は、触媒体と空気導入多孔体の下流面の間でほぼ完全に酸化されるため、燃焼排ガス流路の途中において燃焼排ガスの漏洩の生じる場合にも問題とならない安全性の高い燃焼装置を提供できるものである。さらに、触媒体の下流面において発生する反応熱の大部分は、伝導や放射等により上流側に伝えられることから、触媒体の上流面からの放射熱の利用効率の高い燃焼装置を実現し得るものである。
【００１０】
さらに、少なくとも一方の下流面に複数の突起状構造を備えた構成、空気導入多孔体の少なくとも下流面を含む一部に酸化触媒を担持させるとともに、触媒体を通過した燃焼排ガスと空気多孔体を通過した空気が混合した後、少なくとも一方の下流面に接触するように両者を近接配置した構成、また空気導入多孔体に担持させる酸化触媒をパラジウムを含有して構成とすることにより、燃焼排ガスと空気の拡散混合が促進されるとともに、触媒体もしくは空気導入多孔体の下流面の触媒表面に対する混合ガスの接触頻度も高まるため、屋内への燃焼排ガスの排気も可能となる、さらに良好な燃焼排ガス特性を有する非常に安全性の高い燃焼装置を実現し得るものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１２】
本発明の実施には、複数の連通孔を有して各種燃料への酸化活性を有する触媒体、耐熱性の熱線透過材料、複数の連通孔を有する熱非良導体からなる空気導入多孔体等の他、着火装置や流量制御装置、燃料と空気の混合器、あるいは必要に応じて液体燃料の気化器、温度検出装置や駆動装置等が必要となる。触媒体としては、金属やセラミックのハニカム担体、あるいはセラミック繊維の編組体、多孔質焼結体等に、白金やパラジウム等の貴金属を主成分とした活性成分を担持させたものを用い、また耐熱性の熱線透過材料としては、石英ガラスや結晶化ガラス等を用いることができる。また空気導入多孔体としては、セラミックのハニカム構造体、あるいはセラミック繊維の編組体、多孔質焼結体等を用い得る。さらに、空気や気体燃料の流量制御には手動のニードルバルブや電動のソレノイドバルブ等が使われ、液体燃料の場合には電磁ポンプ等を使用する。その他の駆動部分は手動のレバー操作、自動制御のモータ駆動等が可能で、着火装置としては電気ヒータや放電点火器等を使用し得る。なお、これらはいずれも従来から広く採用されている手段であり、他の公知の手段でも可能である。ここでは、それらの詳細については説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は本発明に係る触媒燃焼装置の実施の形態の部分断面構成図である。図１において、１は空気供給ファン、２は燃焼用空気流量制御バルブ、３は燃料流量制御バルブ、４は燃料と空気の混合器、５は予混合気導入口、６は予混合気室、７は複数の連通孔を有するセラミックハニカムに白金属の貴金属を担持させた触媒体である。また、８は結晶化ガラスからなる熱線透過窓であり、触媒体７の上流面に対向する位置に設置されている。また、９は２次空気流量制御バルブ、１０は空気導入口、１１は空気室、１２はセラミックハニカムからなる空気導入多孔体であり、触媒体７と互いの下流面が対向するように設置されている。さらに、１３は電気ヒータからなる点火器、１４は燃焼排ガス流路、１５は燃焼排ガス排出口である。
【００１３】
次に、図１において本実施の形態の動作と特性について説明する。配管供給される燃料（ここでは都市ガスを使用）は、燃料流量制御バルブ３において流量制御された後、空気供給ファン１により供給され、燃焼用空気流量制御バルブ２において流量制御された空気と混合器４において混合される。さらに、予混合気は予混合気導入口５を経て予混合気室６内に供給される。一方、２次空気流量制御バルブ８において流量制御された空気は、空気導入口１０を経て空気室１１内に供給される。
【００１４】
燃焼初期においては、触媒体７の連通孔を経て燃焼排ガス流路１４に至った予混合気は点火器１３への通電で着火される。形成された火炎によって加熱された触媒体７は、下流表面近傍が最初に昇温してここで触媒燃焼を開始し、その燃焼熱によってさらに上流側が加熱されることを繰り返して、やがて上流面の表面近傍での触媒燃焼へと移行し、定常燃焼となる。
【００１５】
定常燃焼においては、主に触媒体７の上流表面近傍で接触酸化反応が行われる。ここで、燃料流量制御バルブ３で供給量を調節することにより、上流表面の温度は、良好な燃焼排ガス特性を有するとともに、燃焼継続の可能な８００℃以上、かつ耐熱限界の９００℃以下に制御される。このとき、供給される燃料の発熱量の５０〜６０％に相当する熱量が、触媒体７の上流側に放射される。また、この反応により発生した熱の一部は、触媒体７を構成するセラミックハニカムの連通孔間を仕切る壁の内部における主として流れ方向への伝導や対向する仕切り壁の間における放射により、触媒体７の下流側表面に伝えられる。さらに、触媒体７の上流表面近傍の反応位置において発生した高温の燃焼排ガスがそれら連通孔を通過する際に下流側表面を加熱する。このため、触媒体７の下流表面の温度は５００〜６００℃に達し、上流側に放射される熱量の３０〜４０％に相当する熱量が、触媒体７の下流側にも放射される。
【００１６】
ここで、触媒体７と互いのそれぞれの下流面が対向するように設置された、セラミックハニカムからなる空気導入多孔体１２の下流面は、触媒体７の下流面からの放射や触媒体７から排出される５００〜６００℃の燃焼排ガスとの接触により熱を受ける。この熱の一部は、空気導入多孔体１２を構成するセラミックハニカムの連通孔間を仕切る壁の内部における伝導や対向する仕切り壁の間における放射により、空気導入多孔体１２の上流側に伝達される。このうちの一部は、空気導入多孔体１２の連通孔を通過する空気により熱回収されて、再び下流側へと還流される。このため、空気導入多孔体１２の上流表面の温度は１００〜１５０℃、下流表面の温度は４００〜５００℃となる。このとき、空気導入多孔体１２の下流面からの放射により、触媒体７の下流側に放射される熱量の５０％程度に相当する熱量が、触媒体７に還流される。このような熱の還流効果により、触媒体７の上流面から放射される熱量を一定とした時、燃料の供給量（燃焼量）を、触媒体７を単独で設置して燃焼させた場合と比較して、１０％程度低減することが可能となる。このことから、触媒体７の上流面より発せられる放射熱線の利用効率の高い触媒燃焼装置を提供できるものである。
【００１７】
また、本実施の形態の燃焼装置において、上流面に対向する燃焼装置の背面２０の温度は最高温度を８０℃以下、平均温度を６５℃まで抑制することができた。
【００１８】
このように、触媒体７の下流面からの放射や燃焼排ガスとの接触を燃焼装置の背面２０において直接受けないように、空気導入多孔体１２を設置する構成とすることにより、燃焼装置の背面の低温化を実現することが可能となる。さらに、空気導入多孔体１２および空気室１１のみの設置により安全性を確保できることから、背面部分の薄いコンパクトな燃焼装置を実現し得るものである。
【００１９】
さらに、２次空気流量制御バルブ９で供給量を調節することにより、触媒体７から排出される燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過する空気の混合ガスの温度を制御して、この混合ガスを燃焼排ガス排出口１５から外部へと排出し、それを温風として利用することにより、触媒体７の上流面からの放射熱と適度な温度レベルの温風を併用した熱利用効率の高い暖房機器を提供することも可能である。
（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、基本構成は実施の形態１と同じであるが、触媒体に白金を主成分とする酸化触媒を担持している点、点火器１３が触媒体７より上流側に配置されている点、触媒体に供給される予混合気の空気過剰率が１以下となっている点、また触媒体を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体を通過した空気の混合気が触媒体の下流面に接触するように、触媒体と空気導入多孔体を近接配置している点が異なる。したがって、この相違点を中心に説明する。
【００２０】
図２は本実施の形態の要部断面図である。図２において本実施の形態の動作と特性について説明する。配管供給される燃料（ここでは都市ガスを使用）は、燃料流量制御バルブ３において流量制御された後、空気供給ファン１により供給され、燃焼用空気流量制御バルブ２において流量制御された空気と混合器４において混合される。ここで、予混合気の空気過剰率は１以下になるように流量制御されている。さらに、予混合気は予混合気導入口５を経て予混合気室６内に供給される。
【００２１】
一方、２次空気流量制御バルブ９において流量制御された空気は、空気導入口１０を経て空気室１１内に供給される。ここで、追加供給する空気を含めた予混合気の全空気過剰率は１以上になるように流量制御されている。また、触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した空気の混合気が触媒体７の下流面に接触するように、触媒体７と空気導入多孔体１２を５ｍｍ以下の距離に近接かつ対向設置している。
【００２２】
燃焼初期においては、予混合気導入口５から故意に空気過剰率１以上の予混合気を送り込み、点火器１３への通電で着火し、予混合気導入口５において火炎を形成する。この火炎により加熱された触媒体７は、上流表面近傍が最初に昇温する。ここで、触媒体７の上流面の温度が６００℃以上に昇温して赤熱を開始した時点で、一旦燃料流量制御バルブ３を閉止することにより燃料の供給を停止して、火炎を消滅させる。
【００２３】
その後、再び燃料流量制御バルブ３を開放して、今度は予混合気の空気過剰率を１以下として燃料の供給を開始すると、触媒体７の上流表面近傍から触媒燃焼を開始し、やがて定常燃焼に至る。
【００２４】
定常燃焼においては、主に触媒体７の上流表面近傍において還元雰囲気での接触酸化反応が行われる。ここで、白金を主成分とする酸化触媒を担持させた触媒体７を用いて、還元雰囲気における酸化反応を行うことにより、耐熱限界の温度を１０５０℃とより高温にすることができる（特願平１０−１５７５５５参照）。このため、燃料流量制御バルブ３で供給量を調節することにより、上流表面の温度は９００〜１０５０℃に制御される。このとき、触媒体７の下流表面の温度は６００〜７５０℃に達する。
【００２５】
一方、触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した２次空気は、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面の間に対向流を形成して排出される。この燃焼排ガスと２次空気の混合気の流れにおいて、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の大部分と、酸素が拡散混合しつつ、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面への接触を繰り返して、触媒体７と空気導入多孔体１２の外周方向へと向かい、最外周端から放出される。ここで、触媒体７の下流面の温度は６００℃以上になっていることから、触媒活性に高温を要する天然ガスのような燃料を使用する場合においても、触媒体７の下流面への接触の際に、そのような未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物のいずれも、酸化反応が行われるに足る温度に達しており、本実施の形態の燃焼装置において、排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度は数１０ｐｐｍ以下となることを確認することができた。このように、触媒体７と空気導入多孔体１２を近接かつ対向設置する平易な構成を採用することにより、簡単な構造で、良好な燃焼排ガス特性を実現することができる。すなわち、別途燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の酸化反応を行うための、補助触媒体や、燃焼排ガスと２次空気の混合を促進するための邪魔板等を備える必要がなくなる。さらに、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物は、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面の間でほぼ完全に二酸化炭素と水蒸気になることから、その下流に形成される燃焼排ガス流路１４の途中において燃焼排ガスの漏洩が生じる場合があっても何ら問題にはならない。
【００２６】
このように、触媒体７の下流表面における燃焼反応により、空気の不足分に対応する燃料（例えば、空気過剰率０．７では供給量の３０％）の発熱量に相当する熱量が発生するが、このうちの大部分は直接触媒体７の加熱に供せられ、仕切り壁の内部における伝導や対向する仕切り壁の間における放射等により上流側に伝えられる。このため、触媒体７に空気過剰率１以上の予混合気を供給する場合と同等以上の高い熱利用効率を有する触媒燃焼装置を提供し得るものである。図３は、重量１．３ｋｇのアルミニウム製鍋に入れた１．５Ｌの水を、本実施の形態の燃焼装置を用いて加熱した場合の水の昇温特性図である。この昇温特性から、加熱効率は６６％、また放射効率も５０％以上となっており、火炎燃焼方式の２倍以上の非常に高い熱利用効率が得られた。
【００２７】
なお、本実施の形態では、触媒体７の上流側に形成した火炎により触媒体７の上流表面近傍を昇温させた後、一旦燃料の供給を停止して火炎を消滅させ、再度燃料の供給を開始して触媒燃焼に移行させる方法を採用しているが、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面の間の中心部近傍の一部に火炎を形成するに足る空間を設置して、ここに形成された火炎により触媒体７の下流表面近傍の一部を加熱して触媒燃焼を開始させ、その燃焼熱により上流側および外周側が加熱されることを繰り返して、上流表面近傍での触媒燃焼に移行させる方法を採用しても良く、同様の効果が得られるものである。
（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、基本構成は実施の形態２と同じであるが、空気導入多孔体の下流面に複数の突起状構造を備えた点が異なる。したがって、この相違点を中心にして説明する。
【００２８】
図４は本実施の形態の要部断面図である。ここで、１６は空気導入多孔体１２の下流面に設置された複数の突起状構造である。
【００２９】
次に、図４において本実施の形態の動作と特性について説明する。触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した２次空気は、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面の間に対向流を形成して排出される。この燃焼排ガスと２次空気の混合ガスの流れにおいては、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の大部分と、酸素が拡散混合しつつ、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面への接触を繰り返して、触媒体７と空気導入多孔体１２の外周方向へと向かうが、この際複数の突起状構造１６により外周方向に垂直な方向、すなわち触媒体７もしくは空気導入多孔体１２の下流面の方向への流れが形成される。その結果、それによって発生する流れの乱れにより、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物と、２次空気の拡散混合の促進が図られる。さらに、触媒体７の下流面に対する混合ガスの接触頻度も高まることから、外周方向に向かうより短い距離で十分に混合かつ反応を行うことが可能となり、触媒体７の最外周端近傍から排出される燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物も完全に酸化される。その結果、さらに良好な燃焼排ガス特性を有する触媒燃焼装置を提供することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では空気導入多孔体１２の下流面のみに複数の突起状構造１６を設置しているが、触媒体７の下流面のみ、もしくはいずれもの下流面に設置しても良く、触媒体７の下流面における触媒表面積が増加するため、さらに効果の大きい触媒燃焼装置を提供し得るものである。
（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、基本構成は実施の形態２と同じであるが、空気導入多孔体の下流面を含む一部に酸化触媒を担持させた点、また触媒体を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体を通過した空気の混合気が触媒体もしくは空気導入多孔体の少なくとも一方の下流面に接触するように、触媒体と空気導入多孔体を近接配置している点が異なる。したがって、この相違点を中心にして説明する。
【００３１】
図５は本実施の形態の要部断面図である。図５において本実施の形態の動作と特性について説明する。触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した２次空気は、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面の間に対向流を形成して排出される。この燃焼排ガスと２次空気の混合ガスの流れにおいて、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の大部分と、酸素が拡散混合しつつ、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面への接触を繰り返して、触媒体７と空気導入多孔体１２の外周方向へと向かい、最外周端から放出される。ここで、触媒体７の下流面の温度は６００℃以上になっていることから、その温度は、触媒活性に高温を要する天然ガスのような燃料を使用する場合においても、触媒体７の下流面への接触の際に未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物のいずれもが酸化反応が行われるに足る温度に達している。一方、空気導入多孔体１２の下流面の温度は５５０〜７００℃であり、触媒活性に高温を要する天然ガスのような燃料を使用する場合においては、接触の際に未燃焼の燃料ガスを完全に酸化することは困難であるものの、一酸化炭素や中間生成物を酸化させるには十分に足る温度となっている。
【００３２】
このように、触媒体７と空気導入多孔体１２のいずれの下流面にも酸化触媒を担持させることにより、触媒表面積が増加するため、酸化触媒の担持部分に対する混合ガスの接触頻度も高まることから、外周方向に向かうより短い距離で十分に反応を行うことが可能となり、特に一酸化炭素や中間生成物が完全に除去されたさらに良好な燃焼排ガス特性を有する触媒燃焼装置を提供し得るものである。
【００３３】
さらに、触媒体７の下流表面もしくは空気導入多孔体１２の下流表面における燃焼反応により、空気の不足分に対応する燃料の発熱量に相当する熱量が発生するが、このうちの大部分は直接もしくは空気導入多孔体１２の下流面からの放射により触媒体７の加熱に供せられ、仕切り壁の内部における伝導や対向する仕切り壁の間における放射等により上流側に伝えられる。このため、触媒体７に空気過剰率１以上の予混合気を供給する場合と同等以上の高い熱利用効率を有する触媒燃焼装置を提供し得るものである。
【００３４】
なお、本実施の形態では、空気導入多孔体１２の下流面を含む一部に酸化触媒を担持させているが、空気導入多孔体１２の全体に担持させても良く、上記効果を損なうものではない。
（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、基本構成は実施の形態４と同じであるが、空気導入多孔体の少なくとも下流面を含む一部にパラウムを主成分とする酸化触媒を担持させた点が異なる。したがって、この相違点を中心にして説明する。
【００３５】
図６は本実施の形態の要部断面図であり、図７は触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面の間における燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物および酸素の濃度分布を示している。ここで、横軸は触媒体７の下流面から空気導入多孔体１２の下流面に向かう距離を、また縦軸は各成分の濃度を表している。
【００３６】
次に、図６において本実施の形態の動作と特性について説明する。触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した２次空気は、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面の間に対向流を形成して排出される。この燃焼排ガスと追加空気の混合ガスの流れにおいて、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の大部分と、酸素が拡散混合しつつ、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面への接触を繰り返して、触媒体７と空気導入多孔体１２の外周方向へと向かい、最外周端から放出される。ここで、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の燃焼成分、および酸素の濃度は図７に示すような分布になっている。すなわち、触媒体７の下流面の近傍においては燃焼成分過剰の状態に、また空気導入多孔体１２の下流面の近傍においては酸素過剰の状態になっている。ところで、白金を主成分とする酸化触媒による未燃焼の燃料ガス等の酸化反応は、酸素濃度の影響を受け易い、すなわち酸素過剰の状態において触媒活性が低下する傾向を有するのに対して、吸着・表面反応・脱離からなる反応機構が異なるため、パラジウムを主成分とする酸化触媒による未燃焼の燃料ガス等の酸化反応は、酸素濃度の影響をほとんど受けず、すなわち酸素過剰の状態においても空気過剰率１近傍とほぼ同等の触媒活性を有する。このように、空気導入多孔体１２の少なくとも下流面を含む一部もしくは全体にパラジウムを主成分とする酸化触媒を担持させることにより、酸素過剰の状態にある空気導入多孔体１２の下流面においても高い触媒活性を維持することが可能であり、さらに良好な燃焼排ガス特性を有する触媒燃焼装置を提供することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、空気導入多孔体１２の下流面を含む一部に酸化触媒を担持させているが、空気導入多孔体１２の全体に担持させても良く、同様の効果が得られるものである。
【００３８】
以上、本発明を配管供給される気体燃料の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。
【００３９】
燃料種としては燃料タンクから供給される気体燃料でも、また灯油のような液体燃料を使用する場合も適用できる。燃料タンクから供給される液化ガス燃料のような高圧供給のガス燃料の場合には、必ずしも送風ファンのような空気供給手段を付加する必要はなく、ノズルとスロートのように燃料ガスの噴出圧力を利用して空気を吸引導入する手段が付加される。また液体燃料を使用する場合には、予混合器の上流で液体燃料を気化させる手段が付加される。
【００４０】
触媒体の担体にはセラミックハニカムを用いているが、予混合気が流通し得る複数の連通孔を有するものであれば、その素材や形状に限定はなく、例えばセラミックや金属の焼結体、金属ハニカムや金属不織布、セラミック繊維の編組体等が利用可能であり、形状も平板に限らず、湾曲形状や筒状あるいは波板状など、素材の加工性と用途に応じて任意に設定し得る。また活性成分としては、白金、パラジウム、ロジウム等の白金属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、およ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。また空気導入多孔体としては、セラミックハニカムを用いているが、空気が流通し得る複数の連通孔を有し、熱伝導性の良好でないものであれば良く、例えばセラミック繊維の編組体、多孔質焼結体等も利用可能である。
【００４１】
触媒体の上流面に対向する位置には、結晶化ガラスからなる熱線透過窓を設置しているが、熱線を透過するものであれば良く、例えば石英ガラス等も利用可能である。また、熱線透過窓の代わりとして、表面の放射率が高く、熱伝導性の良好な材料により構成される２次放射体もしくは銅パイプ等からなる熱媒体流路を添装した放射受熱体等を設置しても良く、いずれの場合においても上記と同様の効果が得られるものである。
【００４２】
また、点火手段としては電気ヒータを用いた触媒体下流での直接着火方式を用いているが、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に有効な手段である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明にかかる触媒燃焼装置は、燃焼排ガス特性が良好、安全あるいはコンパクトであるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態としての燃焼装置の部分断面構成図である。
【図２】本発明の第２実施の形態としての燃焼装置の要部断面構成図である。
【図３】上記燃焼装置による加熱時の水の昇温特性図である。
【図４】本発明の第３実施の形態としての燃焼装置の要部断面構成図である。
【図５】本発明の第４実施の形態としての燃焼装置の要部断面構成図である。
【図６】本発明の第５実施の形態としての燃焼装置の要部断面構成図である。
【図７】上記燃焼装置の触媒体−空気導入多孔体間の燃焼成分と酸素の濃度分布である。
【符号の説明】
１ 空気供給ファン
２ 燃焼用空気流量制御バルブ
３ 燃料流量制御バルブ
４ 混合器
５ 予混合気導入口
６ 予混合気室
７ 触媒体
８ 熱線透過窓
９ ２次空気流量制御バルブ
１０ 空気導入口
１１ 空気室
１２ 空気導入多孔体
１３ 点火器
１４ 燃焼排ガス流路
１５ 燃焼排ガス排出口
１６ 突起状構造
２０ 装置背面

Claims (5)

1. 前面と背面を有し、前記前面と前記背面の間に、燃料と第一の空気から成る予混合気と、第二の空気とを導入して燃焼させる触媒燃焼装置であって、
   前記前面は、放射熱の透過体または受熱体からなり、
   前記前面と前記背面との間に、前記前面に対向して触媒体が、前記背面に対向して空気導入多孔体が、互いに対向して設けられており、
   前記触媒体は、基板に複数の連通孔を形成し、酸化触媒を担持させており、
   前記空気導入多孔体は、セラミックから成る熱非良導体であり、複数の連通孔を有しており、
   前記前面と前記触媒体の間で、前記予混合気を導入する空間である予混合気室と、
   前記背面と前記空気導入多孔体の間であって、前記第二の空気を導入する空間である空気室と、
   前記触媒体と、前記空気導入多孔体の間であって、燃焼排ガスを外部へ排出する燃焼排ガス通路とを備えた触媒燃焼装置。
2. 前記触媒体に、白金を含有する酸化触媒が担持されており、前記予混合気室に導入する予混合気の空気過剰率は１以下であるとともに、前記空気室に導入する空気を加えた全空気過剰率は１以上であり、前記触媒体を通過した燃焼排ガスと前記空気導入多孔体を通過した空気とが混合した後、前記触媒体の下流面に接触するように、前記触媒体と前記空気多孔体とが近接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. 前記触媒体と前記空気導入多孔体の少なくとも一方の下流面に複数の突起状構造が形成されていることを特徴とする請求項２記載の触媒燃焼装置。
4. 前記空気導入多孔体の少なくとも下流面を含む一部に酸化触媒が担持されているとともに、前記触媒体を通過した燃焼排ガスと前記空気多孔体を通過した空気が混合した後、前記触媒体もしくは前記空気多孔体の少なくとも一方の下流面に接触するように、前記触媒体と前記空気多孔体とが近接配置されていることを特徴とする請求項２又は３記載の触媒燃焼装置。
5. 前記空気導入多孔体に担持させる酸化触媒はパラジウムを含有するものであることを特徴とする請求項４記載の触媒燃焼装置。

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