| 【発明の名称】 |
燃焼装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】近藤 靖男
【氏名】上原 昌徳
【氏名】伊藤 彰
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| 【要約】 |
【課題】触媒燃焼部４の下流側に２次空気を供給する場合、供給する２次空気によって、触媒燃焼部４の下流側に形成された着火火炎（１次燃焼による炎）が吹き消されたり不安定になる不具合があった。
【解決手段】触媒燃焼部４は、中心部の高温発熱層１３と、その周囲の低温発熱層１４とからなり、高温発熱層１３が低温発熱層１４に対して相対的に上流側へスライドして設けられている。このスライドによって、高温発熱層１３の下流部が低温発熱層１４の下流部よりも窪んで設けられ、その窪み内に保炎空間２１が形成されている。高温発熱層１３の下流で発生した着火火炎は、周囲の低温発熱層１４によって覆われているため、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供給される２次空気流の影響を受けにくく、２次空気が増加したり、低温化しても、その２次空気流によって保炎空間２１内の着火火炎が吹き消されたり、不安定になる不具合がない。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】流体が流れる多数の貫流孔を有するハニカム状を呈し、通電を受けると発熱する通電発熱体と、この通電発熱体の上流の予混合室に燃料を供給する燃料供給手段と、前記予混合室および前記通電発熱体の下流の燃焼室に空気を供給する空気供給手段と、を備える燃焼装置であって、前記通電発熱体は、他の部分よりも高温に発熱する高温発熱層が前記他の部分と区画して設けられ、前記高温発熱層の下流部は、前記他の部分の下流部よりも窪んで設けられ、その窪み内に保炎空間が形成されたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】請求項１の燃焼装置において、前記通電発熱体は、平板と波板とを組み合わせたハニカム層を積層して設けられ、前記通電発熱体の内側に前記高温発熱層が形成され、その外側に前記他の部分が形成され、前記高温発熱層を形成するハニカム層が、前記他の部分を形成するハニカム層に対して上流側へずらして設けられたことにより、前記高温発熱層の下流部が前記他の部分の下流部よりも窪んで設けられたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】請求項１の燃焼装置において、前記通電発熱体は、平板と波板とを組み合わせたハニカム層を積層して設けられ、前記通電発熱体の内側に前記高温発熱層が形成され、その外側に前記他の部分が形成され、前記高温発熱層を形成するハニカム層の幅が、前記他の部分を形成するハニカム層の幅よりも狭く設けられたことにより、前記高温発熱層の下流部が前記他の部分の下流部よりも窪んで設けられたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかの燃焼装置において、前記通電発熱体は、表面に触媒が担持して設けられたことを特徴とする燃焼装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、通電を受けると発熱する通電発熱体を搭載した燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】本願出願人は、通電発熱体を搭載した燃焼装置を出願した（特願平１１−８０５９４号、この技術は周知技術ではない）。この出願明細書に開示される燃焼装置は、通電を受けると発熱する通電発熱体の上流に予混合気を供給するとともに、通電発熱体の下流側にも燃焼用の空気を供給するものであり、通電発熱体はハニカム状を呈した略円柱、円盤形状のものであった。
【０００３】そして、上記出願明細書には、通電発熱体として、内側に高温発熱層を配置し、その外側に低温発熱層を配置したものがある。高温発熱層は、通電開始時に低温発熱層に比較して素早く着火温度に達して燃焼を開始するものであり、通電開始後、素早く高温発熱層の下流側に着火火炎（燃料と１次空気による１次燃焼の火炎）を形成するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】通電発熱体が略円柱、円盤形状のものでは、通電発熱体の下流側の端の面が平坦になる。このため、通電発熱体の下流に供給された２次空気の空気流によって、高温発熱層の下流側に形成された着火火炎が吹き飛ばされたり、冷却されることにより、吹き消えが生じ易くなる。これは、燃焼量が増大して２次空気の供給量が増すことにより、高温発熱層の下流側に形成された着火火炎が吹き消されたり、不安定になる傾向があり、エミッションの増大の要因になってしまう。
【０００５】
【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、高温発熱層の下流側に形成される着火火炎の立ち消えを特別な保炎手段を用いることなく防止できる燃焼装置の提供にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】〔請求項１の手段〕この実施形態では、高温発熱層の下流部は、通電発熱体の下流側に形成された保炎空間内に開口しているため、高温発熱層の下流側に形成された着火火炎（１次燃焼の炎）が周囲の他の部分に覆われて保炎される。これにより、通電発熱体の下流側に直接供給される２次空気の流れによって、保炎空間内に形成された着火火炎が吹き消されたり不安定になる不具合が回避されるとともに、通電発熱体の下流側に直接供給された空気によって、保炎空間内の着火火炎が冷却されて吹き消されたり、不安定になる不具合が回避される。このように、高温発熱層の下流側に形成された着火火炎が保炎空間内において常に安定するため、エミッションの増加が防がれ、常にクリーンな燃焼が可能になる。また、高温発熱層の下流の保炎空間が通電発熱体自身によって形成されるため、特別な保炎のための保炎手段を用いる必要がなく、保炎機能を有した燃焼装置を安価に提供できる。
【０００７】〔請求項２の手段〕高温発熱層を形成するハニカム層を他の部分を形成するハニカム層に対して上流側へずらすことにより、高温発熱層の下流部が他の部分の下流部よりも窪んだ通電発熱体が形成できる。
【０００８】〔請求項３の手段〕高温発熱層を形成するハニカム層の幅を、他の部分を形成するハニカム層の幅よりも狭く設けることにより、高温発熱層の下流部が他の部分の下流部よりも窪んだ通電発熱体が形成できる。
【０００９】〔請求項４の手段〕通電を受けると発熱する通電発熱体は表面に触媒を担持したものであるため、通電を受けると触媒の作用を高めることができ、始動開始初期における触媒の作用を高めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、２つの実施形態および変形例を用いて説明する。
〔第１実施形態〕図１、図２は第１実施形態を示すもので、まず、図１を基に触媒燃焼装置を説明する。なお、実施形態中に示す上側は図１における上側を示し、下側は図１における下側を示すものとする。
【００１１】この実施形態に示す触媒燃焼装置は、２重管構造を採用するもので、内側の内筒１と、この内筒１の下外側を覆う外筒２とを備える。なお、内筒１は内部で燃料と空気との混合や燃料の燃焼を行う筒であり、外筒２は内筒１との間に空気通路３を形成する筒である。
【００１２】内筒１は、耐熱性金属（ステンレス等）よりなる略有底の円筒体であり、その中間部分には触媒燃焼部４（通電発熱体に相当する）が装着される。この触媒燃焼部４の下側（燃料供給側）が燃料と空気とを混合する予混合室５を形成する予混合筒１ａであり、触媒燃焼部４の上側（燃焼ガス排出側）が触媒燃焼部４を通過した燃料の燃焼を行う燃焼室６を形成する燃焼筒１ｂである。
【００１３】予混合筒１ａの下側中央部分には、気化器７から供給される気化燃料と、空気通路３を流れる空気（１次空気）とを予混合筒１ａ内の予混合室５へ導く混合気導入穴８が形成されている。また、触媒燃焼部４に近い側の燃焼筒１ｂには、空気通路３によって供給される空気（２次空気）を燃焼筒１ｂ内の燃焼室６に流入させるための２次空気吹出口９が複数形成されている。この２次空気吹出口９については後述する。
【００１４】なお、混合気導入穴８から予混合室５に供給される空気量は、予混合室５に供給される燃料供給量に対して燃料供給過剰となる空燃比（理論空燃比よりも低空燃比）となるように調整されるとともに、２次空気吹出口９から燃焼室６に供給される空気量は、燃料供給量に対して空気供給過剰となる空燃比（理論空燃比よりも高空燃比）となるように調整されるものである。
【００１５】混合気導入穴８に対向する外筒２には、燃料タンク１０から燃料ポンプ１１（燃料供給手段に相当する）によって送られてくる液体燃料（例えば軽油等）を気化させて混合気導入穴８に供給する気化器７が装着されている。また、外筒２の下側端部には、空気通路３内に空気を供給するためのエアポンプ１２（空気供給手段に相当する）が接続されている。
【００１６】触媒燃焼部４は、多数の貫流孔４ａを備える略ハニカム状通電発熱体の表面に、部分酸化反応を促進させる触媒（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｎ等の貴金属、Ｎｉ、Ｃｕ等の金属、アルミナ、ジルコニア等の酸化物）を担持したものである。なお、絶縁層を形成するアルミナ等の酸化物層をそのまま利用しても部分酸化反応は可能である。
【００１７】触媒燃焼部４は、中央の高温発熱層１３と、その周囲に設けられた低温発熱層１４（他の部分に相当する）とから構成されており、高温発熱層１３と低温発熱層１４は区分して配置されている。高温発熱層１３は、図２（ａ）に示すように、中心電極１５の周囲に並列接続される２つのハニカム層１６を巻回したものであり、その周囲は筒状の中間電極１７に接続される。ハニカム層１６は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス製の通電抵抗により発熱する平板１８（例えば厚さ５０μｍ）と波板１９（例えば厚さ５０μｍ）からなる帯状の通電発熱体の表面にアルミナ等の薄い絶縁層を設け、その表面に着火燃焼と部分酸化反応促進のためのＰｔ、Ｐｄ等の触媒を担持したものである。なお、この高温発熱層１３を主に着火用に用いて触媒の担持を廃止しても良い。
【００１８】低温発熱層１４は、図２（ｂ）に示すように、中間電極１７の周囲に並列接続される５つのハニカム層１６を巻回したものであり、その周囲は筒状の外側電極２０に接続される。ハニカム層１６は、上記と同様、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス製の通電抵抗により発熱する平板１８（例えば厚さ５０μｍ）と波板１９（例えば厚さ５０μｍ）からなる帯状の通電発熱体の表面にアルミナ等の薄い絶縁層を設け、その表面に着火燃焼と部分酸化反応促進のためのＰｔ、Ｐｄ等の触媒を担持したものである。
【００１９】高温発熱層１３と低温発熱層１４は、直列接続されたものであり、中心電極１５に電圧が印加されると、高温発熱層１３では２つのハニカム層１６に電流が分流して流れるのに対し、低温発熱層１４では５つのハニカム層１６に電流が分流して流れることになる。これによって、高温発熱層１３を構成するハニカム層１６一つ当りの電流量は、低温発熱層１４を構成するハニカム層１６一つ当りの電流量より多く、結果的に高温発熱層１３の体積当りの発熱量と、低温発熱層１４の体積当りの発熱量との比率は、例えば約５：１であり、通電開始後、素早く高温発熱層１３が着火温度に上昇する。
【００２０】高温発熱層１３は、低温発熱層１４に対して相対的に上流側軸方向へスライドさせて設けられており、高温発熱層１３の下流部が低温発熱層１４の下流部よりも窪んで設けられ、その窪み内に保炎空間２１が形成されている。
【００２１】触媒燃焼部４の中心の中心電極１５は、絶縁ブッシュ２２を介して内筒１および外筒２の外部へ導かれる電源端子２３に接続されるものであり、触媒燃焼部４の外側は外側電極２０を介して内筒１にアース接続されており、外側電極２０を介して中心電極１５が電圧の印加を受けると、触媒燃焼部４が通電されて発熱する。
【００２２】ここで、触媒燃焼部４の下流側に２次空気を供給する２次空気吹出口９には、燃焼室６に供給される燃焼用の２次空気流によって保炎空間２１へ向かう保炎用の燃焼流を生じさせるための保炎用流体押込手段が設けられている。この実施形態における保炎用流体押込手段は、２次空気吹出口９の内側に取り付けられた偏向流ガイド９ａであり、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供給される２次空気を接線方向に向けて、燃焼室６内に旋回流を生じさせるものである。
【００２３】燃焼室６内に旋回流が生じることにより、燃焼室６内の中心部分に触媒燃焼部４へ向かう逆流Ａが生じ、この逆流Ａによる燃焼流によって保炎空間２１へ向かう保炎用の燃焼流が生じる。また、燃焼室６内に生じる旋回流によって１次燃焼による燃料を含んだ未燃焼ガスと２次空気との混合性が向上し燃焼効率を高めることができる。一方、触媒燃焼部４に向かう逆流Ａによって排気ガスの一部が触媒燃焼部４側に戻されて未燃焼ガスに混入するため、急激な燃焼が抑えられて排気エミッションを低減できる。さらに、２次燃焼が旋回するため、燃焼筒１ｂを短くでき、燃焼装置を小型化できる。
【００２４】この実施形態の作動を説明する。図示しない運転スイッチがONされると、図示しない制御装置により、電源端子２３に電力が供給され、中心電極１５→高温発熱層１３→低温発熱層１４→内筒１の経路で通電される。中心電極１５に電圧が印加されると、高温発熱層１３が素早く燃料の着火温度に上昇するとともに、低温発熱層１４が燃料を部分酸化させる触媒の活性化温度に上昇する。
【００２５】高温発熱層１３が着火温度以上に発熱する時期に達すると、制御装置が燃料ポンプ１１およびエアポンプ１２を通電し、燃料および燃焼用空気の供給を開始する。ここで、燃料ポンプ１１およびエアポンプ１２は、着火に適した低速で運転させ、着火後に増速させるように設けられている。
【００２６】液体燃料は、燃料タンク１０から燃料ポンプ１１によって気化器７に送られる。気化器７は、例えば電熱蒸発器を内蔵するものであり、気化器７で気化した燃料は混合気導入穴８から予混合室５へ送られる。燃焼用空気は、エアポンプ１２により空気通路３内に供給され、混合気導入穴８から予混合室５へ送られるとともに、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供給される。
【００２７】なお、混合気導入穴８から予混合室５へ送られる空気量と、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供給される空気量との比率は、例えば１：２に設定されるものであり、混合気導入穴８と２次空気吹出口９から内筒１内に供給される空気量は、予混合室５に供給される燃料に対する空燃比が１７．５〜２９．２（１．２≦空気過剰率≦２）に設けられている。予混合室５に供給される燃料と１次空気の割合は空燃比が理論空燃比（空気と燃料との重量比１４．６）以下の燃料過剰（空気過剰率≦１）であり、この混合気は予混合室５で混合された後に触媒燃焼部４に流入する。
【００２８】高温発熱層１３および低温発熱層１４を貫流する混合気は、担持された触媒によって触媒反応し、ガス化燃料（ＣＯ、Ｈ2 、軽質成分燃料等）に変性する。そして、このガス化燃料は、２次空気吹出口９から吹き出される２次空気と混合して可燃性混合気を形成する。この可燃性混合気は、高温発熱層１３の流出側で容易に着火し、その着火火炎は保炎空間２１内で保炎状態に移行する。そして、この着火火炎によって下流側の燃焼室６で燃料の燃焼が安定して行われ、燃焼室６内で燃料が完全燃焼する。なお、定常燃焼時では、燃焼室６における燃焼熱を触媒燃焼部４が受けるため、触媒燃焼部４の通電を停止しても、触媒燃焼部４が触媒活性温度以上に維持され、自立安定燃焼を継続する。
【００２９】ここで、触媒燃焼部４を通過する混合気は、上述のように触媒反応によってガス化燃料を生成し、高温発熱層１３の下流端で瞬時着火する。その着火火炎（１次燃焼による火種）は窪み内の保炎空間２１で保炎状態に移行する。定常運転に移行するなどにより、燃焼量が増大し、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供給される空気量が増加すると、偏向流ガイド９ａの作用で燃焼室６内に高速の旋回流が形成される。これによって、燃焼室６内の中心部分に触媒燃焼部４へ向かう逆流Ａが生じ、この逆流Ａによる燃焼流によって保炎空間２１へ向かう保炎用の燃焼流が生じる。
【００３０】これによって、２次空気吹出口９から供給される２次空気量が増加して、２次空気流の流速が燃焼速度以上で、且つ２次空気が低温であっても、その空気流は保炎空間２１内の着火火炎と直接干渉せず、旋回流の中心部に形成される比較的低速の燃焼ガスによる循環流と混合する。この循環流は燃焼量（燃料の供給量）にほぼ比例して増大するので、保炎空間２１内の着火火炎は安定化状態を維持する。さらに、相乗効果として、安定化した保炎の放射熱によって保炎空間２１内が蓄熱され、保炎空間２１内の種火が一層安定化する。
【００３１】なお、燃焼室６内で燃焼完結した高温の燃焼ガスは、図示しない熱交換器を介してエンジン冷却水等の熱媒体液を加熱して外部へ排気ガスとして排出される。一方、燃焼ガスによって加熱された高温の熱媒体液は図示しないウォーターポンプによって室内空調装置のヒータコアに送られる。そして、このヒータコアを通過する空気が温められて室内に吹き出され、車室内を暖房する。
【００３２】〔実施形態の効果〕この実施形態では、高温発熱層１３の下流部は、触媒燃焼部４の下流側に形成された保炎空間２１内に開口しているため、高温発熱層１３の下流側に形成された着火火炎が周囲の低温発熱層１４に覆われて保炎される。これにより、触媒燃焼部４の下流側に直接供給される２次空気の流れによって、保炎空間２１内に形成された着火火炎が吹き消されたり不安定になる不具合が回避されるとともに、触媒燃焼部４の下流側に直接供給された空気によって、保炎空間２１内の着火火炎が冷却されて吹き消されたり、不安定になる不具合が回避される。
【００３３】このように、高温発熱層１３の下流側に形成された着火火炎が保炎空間２１内において常に安定するため、エミッションの増加が防がれ、常にクリーンな燃焼が可能になる。また、高温発熱層１３の下流の保炎空間２１が触媒燃焼部４自身によって形成されるため、特別な保炎のための保炎手段を用いる必要がなく、保炎機能を有した燃焼装置を安価に提供できる。
【００３４】さらに、上記で示したように、触媒燃焼部４では空気供給不足による低温燃焼が行われるため、触媒の過熱が防がれ、長期に亘って安定して触媒燃焼を行うことができる。さらに、触媒燃焼部４が１段で済み、触媒燃焼部４で活性化された未燃焼燃料を完全に燃焼するシンプルな構成を採用するものであるため、触媒燃焼装置の小型化が可能になり、低コスト化が可能になる。
【００３５】〔第２実施形態〕図３は触媒燃焼装置の概略断面図である。この第２実施形態は、図３に示すように、高温発熱層１３を形成するハニカム層１６の幅が、低温発熱層１４を形成するハニカム層１６の幅よりも狭く設けられ、これによって高温発熱層１３の下流部が低温発熱層１４の下流部よりも窪んで設けられ、その窪み内に保炎空間２１が形成されたものである。
【００３６】〔変形例〕上記の実施形態では、気化器７を用いて液体燃料を気化させた後に触媒燃焼させた例を示したが、ガス燃料等を予混合室５に供給するように設けたり、燃料噴射装置によって霧化した燃料を予混合室５内に供給するように設けても良い。上記の実施形態では、触媒燃焼装置を自動車の暖房装置に用いた例を示したが、家庭用の暖房装置、給湯装置、乾燥機、工業用のバーナなど他の燃焼装置に適用しても良い。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
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| 【出願日】 |
平成１１年８月３１日（１９９９．８．３１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８００４５
【弁理士】
【氏名又は名称】石黒 健二
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| 【公開番号】 |
特開２００１−６５８０７（Ｐ２００１−６５８０７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月１６日（２００１．３．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２４５６１１ |
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