| 【発明の名称】 |
通電発熱体および燃焼装置 |
| 【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】着火部２２で発生した熱が波板１４に伝わるため、着火部２２で発生した熱が波板１４に伝わり、着火部２２の温度上昇率が悪くなる。このため、着火部２２を着火温度に昇温させるのに時間がかかり、着火性が悪くなるとともに、熱が逃げるために着火に要する消費電力が多くなってしまう。
【解決手段】触媒燃焼部は平板１３と波板１４からなるハニカム層１５を巻いて構成されるものであり、素早く触媒反応温度に達する反応促進部２１と、素早く着火温度に達する着火部２２とが設けられている。反応促進部２１と着火部２２は平板１３にスリット部２３を設けて形成したものである。着火部２２は触媒燃焼部の下流側に突出して波板１４に接触しないように設けられている。これによって、着火部２２で発生した熱が波板１４に伝わる不具合が抑えられ、着火部２２が着火に適した温度に上昇するまでの時間が短縮されるとともに、着火に要する消費電力が抑えられる。 |
【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とともに、通電を受けると局部的に発熱する高温発熱部を備える通電発熱体であって、前記高温発熱部は、他の部材と非接触に設けられたことを特徴とする通電発熱体。
【請求項２】請求項１の通電発熱体は、平板と波板とからなるハニカム層を積層してなり、前記高温発熱部は、前記ハニカム層の内部か外部の一方、もしくは双方に設けられたことを特徴とする通電発熱体。
【請求項３】請求項２の通電発熱体において、前記高温発熱部が前記平板あるいは前記波板の一方に設けられ、前記平板あるいは前記波板の他方に前記高温発熱部を非接触とする切欠部が設けられたことを特徴とする通電発熱体。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかの通電発熱体は、表面に触媒が担持して設けられたことを特徴とする通電発熱体。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれかの通電発熱体と、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。
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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、流体が流れる多数の貫流孔を有するとともに、通電を受けると局部的に発熱する高温発熱部を備える通電発熱体およびこの通電発熱体を用いた燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】通電を受けると局部的に発熱する高温発熱部を備える通電発熱体として、特開平６−３３７４６号公報、特開平６−３１５６４０号公報に開示された技術が知られている。これらの技術は、通電によって発熱するフォイルの厚みを変化させたり、積層されるハニカム層の一部に突起を設けることによって、通電発熱体の一部を局部的に発熱させるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】フォイルの厚みを変化させたもの（特開平６−３３７４６号公報に開示された技術）は、発生した熱をフォイルに接触する触媒に伝えるものであり、高温発熱部の温度上昇率が悪い。また、積層されるハニカム層の一部に突起を設けたもの（特開平６−３１５６４０号公報に開示された技術）は、高温発熱部で発生した熱が隣接するハニカム層に伝わるため、高温発熱部の温度上昇率が悪い。つまり、従来の高温発熱部は温度上昇率が悪く、局部的に高温にするには過大な消費電力が必要になってしまう。また、通電発熱体を燃焼装置の例えば触媒燃焼部に適用し、高温発熱部を着火部として用いた場合、従来技術の高温発熱部は温度上昇率が悪いため、着火遅れが生じたり、消費電力が多くなる不具合が生じる。
【０００４】
【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、高温発熱部の温度上昇率を向上することで省電力化が可能な通電発熱体の提供、および高温発熱部の温度上昇率を向上することで省電力化および着火性の向上が可能な燃焼装置の提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】〔請求項１〜３の手段〕高温発熱部が他の部材と非接触であるため、高温発熱部で発生した熱が他の部材に伝わるロスが防がれ、高温発熱部の温度上昇率が向上する。このため、従来に比較して短時間で高温発熱部が高温発熱するとともに、電力消費が抑えられる。
【０００６】〔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。
【０００７】〔請求項５の手段〕高温発熱部が他の部材と非接触であるため、高温発熱部で発生した熱が他の部材に伝わるロスが防がれ、高温発熱部の温度上昇率が向上することにより、従来に比較して短時間で高温発熱部が高温発熱して着火性が向上するとともに、電力消費が抑えられる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、複数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３は第１実施形態を示すもので、まず、図３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３における上側を示し、下側は図３における下側を示すものとする。
【０００９】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。
【００１０】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。
【００１１】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次空気流出口９が複数形成されている。
【００１２】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次空気流出口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。
【００１３】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。
【００１４】触媒燃焼部４は、多数の貫流孔４ａを備える略ハニカム状に設けられた通電によって発熱する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。あるいは、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。
【００１５】触媒燃焼部４の具体的な構造は、図１、図２に示すように、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１３（例えば厚さ５０μｍ）と波板１４（例えば厚さ５０μｍ）からなるハニカム層１５の表面にアルミナ等の薄い絶縁層を設け、その複数のハニカム層１５を中心電極１６に溶接して渦巻き状に巻いてハニカム体を形成し、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。
【００１６】触媒燃焼部４の中心の中心電極１６は、絶縁ブッシュ１７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１８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１９を介して内筒１にアース接続されており、外側電極１９を介して中心電極１６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ように設けられている。
【００１７】触媒燃焼部４を構成するハニカム層１５の上流側と下流側の双方には、反応促進部２１が部分的に設けられており、ハニカム層１５の下流側には着火部２２（本発明が適用される高温発熱部に相当する）が部分的に設けられている。なお、反応促進部２１は通電により担持された触媒の反応開始温度（例えば３００℃）以上に素早く達するものであり、着火部２２は通電により着火に適した温度（例えば７００〜８００℃）以上に素早く達するものである。
【００１８】反応促進部２１および着火部２２は、図１に示すように、ハニカム層１５を構成する平板１３に打抜きによるスリット部２３を設けて形成したものである。このように平板１３にスリット部２３を設けることにより、平板１３を流れる電流は、反応促進部２１に集中して流れるとともに、着火部２２にも集中して流れることになり、反応促進部２１を構成する軸方向長Ｌ1 、および着火部２２を構成する軸方向長Ｌ2 によって、反応促進部２１の発熱温度および着火部２２の発熱温度が設定されている。なお、反応促進部２１および着火部２２は、平板１３の巻き方向に適切な個数、適度な間隔で設定されるものである。
【００１９】着火部２２は、ハニカム層１５から下流側へ突出して設けられており、着火部２２が他の部材（隣接する波板１４）と接触しないように設けられている。これにより、着火部２２で発生した熱が波板１４に伝わる不具合が抑えられ、着火部２２の温度上昇率が向上するように設けられている。これによって、着火部２２が着火に適した温度に上昇するまでの時間が短縮されるとともに、少ない電力で着火部２２を着火に適した温度に上昇することができる。
【００２０】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１８に電力が供給され、中心電極１６→触媒燃焼部４→外側電極１９→内筒１の経路で通電される。中心電極１６に電圧が印加されると、反応促進部２１と着火部２２が他の箇所より先行して発熱する。つまり、平板１３の上流側および下流側に複数設けられた反応促進部２１が触媒反応開始温度以上に先行して発熱するとともに、平板１３の下流側に設けられた着火部２２が部分反応ガスの着火温度以上に先行して発熱する。
【００２１】反応促進部２１が触媒反応開始温度以上に発熱し、着火部２２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ても良い。
【００２２】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次空気流出口９から燃焼室６内に供給される。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次空気流出口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る。
【００２３】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。触媒燃焼部４では、部分的に触媒反応開始温度以上に発熱しているため、触媒燃焼部４を通過する混合気中の燃料の一部が高温の活性化ガス（ＣＯ、Ｈ2 等）に変性する。この時、着火部２２が着火温度以上に発熱しているため、高温の活性化ガスが着火部２２に触れると着火して、燃焼が開始され、下流側の燃焼室６内で燃料が完全燃焼する。
【００２４】そして、燃焼が開始されると、燃焼による熱によって触媒燃焼部４の触媒が温められて触媒燃焼部４全域において触媒反応が促進される。この結果、始動初期の始動性が向上するとともに、触媒燃焼部４を触媒反応温度に上昇させるための消費電力を抑えることができる。なお、混合気導入穴８と２次空気流出口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。
【００２５】そして、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。
【００２６】〔実施形態の効果〕この実施形態では、触媒燃焼部４に複数の反応促進部２１が設けられ、運転開始初期にその反応促進部２１が他の部分に先行して素早く高温になり、その反応促進部２１において素早く触媒反応が開始される。また、触媒燃焼部４には他の部分に先行して素早く着火温度に達する着火部２２が設けられており、着火部２２に酸化が進んだ混合気が触れると着火が開始されて、炎が伝播し、燃焼が開始される。このように、運転開始直後において短時間で着火が可能になるため、触媒燃焼装置の短時間始動が可能になる。
【００２７】着火部２２が下流側に突出して波板１４と非接触であるため、着火部２２で発生した熱が波板１４などの他の部材に伝わる熱の上昇ロスが防がれ、着火部２２の温度上昇率が向上する。このため、従来に比較して短時間で着火部２２が高温発熱して着火性が向上するとともに、少ない電力で着火部２２が着火温度に上昇するため、始動時における電力消費が抑えられる。
【００２８】着火部２２および反応促進部２１は、平板１３にスリット部２３を設けて形成したものであるため、着火部２２および反応促進部２１の製造が容易であり、着火部２２および反応促進部２１を備えた触媒燃焼装置を安価に提供できる。また、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り、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。
【００２９】〔第２実施形態〕図４は巻回前のハニカム層１５を示す斜視図である。上記の第１実施形態は、着火部２２を触媒燃焼部４の下流側に突出させることで隣接する波板１４と非接触に設けた例を示したが、この第２実施形態は触媒燃焼部４の内部に着火部２２を設けたものである。具体的には、着火部２２は、帯び状の平板１３にスリット部２３を設けることによって、平板１３の下流側内部に設けられるものであり、中心電極１６の周囲にハニカム層１５が巻回されて積層された状態において、平板１３に設けられた着火部２２が波板１４に触れないように、波板１４側に着火部２２を非接触とするための切欠部２４を設けたものである。
【００３０】このように、周囲の部材に触れない着火部２２を触媒燃焼部４の内部に設けることにより、着火部２２の周囲への熱の放散が防止でき、結果的に着火部２２が急速に加熱できるため、短時間始動と加熱用電力消費の低減が可能になる。
【００３１】〔第３実施形態〕図５は触媒燃焼装置を用いた温水加熱装置の概略断面図であり、図６は触媒燃焼装置の要部拡大断面図である。この実施形態に示す温水加熱装置は、内部に触媒燃焼装置を組み込んだものであり、触媒燃焼部４の中心に電圧が印加される気化器７が配置されたものである。つまり、この実施形態の触媒燃焼部４は気化器７の周囲に設けられたものである。
【００３２】この実施形態における触媒燃焼部４は、中心側の高温発熱層４ｂと、外側の低温発熱層４ｃとからなる。高温発熱層４ｂは、各ハニカム層１５（符号、第１、第２実施形態参照）に大量の電力が供給されるように、ハニカム層１５の本数が少ないものであり、例えば気化器７の周囲に３本のハニカム層１５が巻回されたものである。また、低温発熱層４ｃは、各ハニカム層１５に少量の電力が供給されるように、ハニカム層１５の本数が多いものであり、例えば高温発熱層４ｂの外側電極２５の周囲に５本のハニカム層１５が巻回されたものである。なお、低温発熱層４ｃの周囲は、予混合室５に供給される１次空気を加熱するように設けられている。
【００３３】そして、この実施形態の触媒燃焼装置にも、第１実施形態あるいは第２実施形態で示した触媒燃焼部４が用いられたものである。つまり、図１あるいは図４で示したハニカム層１５を用いて高温発熱層４ｂを形成したものであり、低温発熱層４ｃも図１あるいは図４で示したハニカム層１５を用いて形成しても良い。
【００３４】〔変形例〕上記の実施形態では、平板１３に波板１４と接触しない高温発熱部（実施形態中では着火部２２）を設けたが、波板１４に平板１３と接触しない高温発熱部（例えば着火部２２）を設けても良く、波板１４と平板１３の双方に他の部材と接触しない高温発熱部（例えば着火部２２）を設けても良い。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。
【００３５】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。また、通電発熱体を燃焼装置に適用した例を示したが、自動車用触媒を加熱する通電発熱体など、他の発熱手段に用いても良い。
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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２００１−７４２０６（Ｐ２００１−７４２０６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月２３日（２００１．３．２３） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２４６１４９ |
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