触媒燃焼装置

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【発明の名称】	触媒燃焼装置
【発明者】	【氏名】樋口保定【氏名】鈴木美博【氏名】村岡正一【氏名】大沢敏
【要約】	【課題】簡単な構成で十分に気化した液体燃料を触媒層に供給し、安定して触媒燃焼を継続できる触媒燃焼装置を提供する。【解決手段】気化した液体燃料を触媒燃焼する触媒層２０と、この触媒層２０の輻射熱７４により燃料を気化する気化室１２とを有する触媒燃焼装置５において、気化室１２に触媒層２０に面してほぼ平行に多孔性の輻射板３０を配置する。輻射板３０が触媒層２０の輻射熱７４で加熱されるので、液体燃料７０の気化を促進でき、触媒燃焼を安定して維持できる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】気化した液体燃料を触媒燃焼する触媒層と、この触媒層の輻射熱により液体燃料を気化し、前方の前記触媒層に供給する気化室と、この気化室に前記触媒層に面して配置された多孔性の輻射板とを有する触媒燃焼装置。
【請求項２】請求項１において、前記輻射板はセラミック板またはセラミック溶射された金属板である触媒燃焼装置。
【請求項３】請求項１において、前記輻射板の開口率が３０％から６０％程度の範囲である触媒燃焼装置。
【請求項４】請求項１において、前記気化室は筒状でその内部に液体燃料を噴霧する噴霧器を有し、この噴霧器、前記輻射板および前記触媒層は、各々の中心が該気化室の中心軸上となるようにほぼ直線的に配置されている触媒燃焼装置。
【請求項５】請求項４において、前記触媒層の面積は、前記気化室の断面積よりも大きく、該触媒層の近傍で該気化室がテーパ状に広がっていることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項６】請求項５において、前記輻射板は、前記テーパ状に広がっている部分より後方に配置されている触媒燃焼装置。
【請求項７】請求項１において、前記触媒層は、前方が凸になるように形成されていることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかに記載の触媒燃焼装置を熱源とすることを特徴とする暖房装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気化した液体燃料を触媒燃焼する触媒燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】火炎燃焼に比べて燃焼温度が低く無炎で燃焼する触媒燃焼が知られている。さらに、触媒燃焼は、ＮＯｘなどの有害な排ガスの発生が少ない。また、希薄混合気の燃焼が可能で、燃焼量の調整範囲が広く、放射熱量が大きい等の様々なメリットを有している。
【０００３】この触媒燃焼を温風あるいは赤外線を放出する暖房装置などに用いることが検討されている。液体燃料を触媒燃焼する装置においては、前方に触媒層を設け、この触媒層の後方に、噴霧された燃料を気化する気化室が配置されている触媒燃焼装置がある。この触媒燃焼装置では、触媒燃焼が開始されると、触媒層の熱（輻射熱）で気化室が加熱され、液体燃料が気化されて、空気と混合された状態で触媒層に供給され、触媒燃焼が継続される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、触媒燃焼では、十分に気化した燃料を触媒層に供給しないと、触媒燃焼が効率良く進まなくなる。また、触媒層に気化が不充分な液体燃料が供給されると、触媒層が濡れて、活性が低下するなどの問題も生ずる。このため、気化室を十分に加熱する必要がある。しかしながら、気化室の温度を上げるために触媒層の温度が高温になるように設計すると、触媒層あるいは気化室で燃料が有炎燃焼する、いわゆる逆火現象が生じる。逆火現象が生じると、触媒燃焼の本来の効果が得られない。
【０００５】触媒層を高温にする代わりに気化室の容量を小さくすれば、室内の温度は上がるが、気化するための滞留時間がとれない。触媒層を熱源とする代わりに、電気ヒータなどの熱源を設けることも可能であるが、ランニングコストがかかる。
【０００６】このように、触媒燃焼を暖房器具などにおいて一般的に使用するためには、十分に気化された燃料を継続的に安定して触媒層に供給することが重要である。しかしながら、これまでのところ気化を促進するとともに、構造が簡単でランニングコストもかからない適当な構成が提供されていない。
【０００７】そこで、本発明においては、簡易な構成で十分に気化した液体燃料を触媒層に供給し、安定して触媒燃焼を継続できる触媒燃焼装置を提供することを目的としている。そして、本発明の触媒燃焼装置を暖房装置などに実際に適用できるようにすることにより、燃焼効率が高く、安全で、有害な排気も少ないなどの触媒燃焼のメリットを活かした装置を提供できるようにすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このため、本発明においては、気化室に、触媒層から輻射熱により加熱される多孔性の輻射板を設けることで、高温となった輻射板に気化中の燃料が接し、気化が促進されるようにしている。すなわち、本発明の触媒燃焼装置は、気化した液体燃料を触媒燃焼する触媒層と、この触媒層の輻射熱により液体燃料を気化し、前方の触媒層に供給する気化室と、この気化室に触媒層に面して配置された多孔性の輻射板とを有している。このように気化室に、多孔性の輻射板を触媒層に面する（向かい合う、あるいは対峙する）ように設けることで、触媒層には充分に気化された燃料が供給されることとなり、きわめて良好に、そして安定して触媒燃焼が維持されることが本願発明者等の実験により判明している。
【０００９】輻射板を設けることにより気化が促進され、触媒燃焼を良好に、そして安定して維持できる要因は次のように考えられている。まず、触媒層からの輻射熱により輻射板は高温となる。そして、気化室を通過する液体燃料は、霧化状態あるいはガス化途上の状態で輻射板を通過する。したがって、輻射板は気化室内における熱源となり気化を促進する。それと共に、輻射板は多孔性であるので霧化状態あるいは気化途上の燃料が輻射板に接触する確率が高く、接触により熱が伝達され燃料が高温になって気化を促進する。一方、多孔性であるために、触媒層の輻射熱の一部は輻射板を透過して気化室の燃料の供給側である後方（上流側）にも到達し、気化室全体も加熱する。したがって、輻射板を設置したことにより気化室全体の気化効率が向上する。
【００１０】また、輻射板は気化あるいは気化途上の燃料と、燃焼用空気を混合するためにも良好な機能を果たしていると考えられる。すなわち、多孔性の輻射板を通過することにより乱流となりやすいので、燃料と空気の混合が進み、十分に混合した状態で触媒層に燃料が供給される。その結果、触媒層では均一な触媒燃焼が安定して維持しやすい状態となる。また、輻射板により燃焼用空気も加熱される。したがって、高温となった空気とガス化途上の燃料とが混合することによっても気化が促進されることになる。
【００１１】さらに、気化室の内、輻射板と触媒層と間のスペースにおいては、燃料および燃焼用空気が触媒層からの輻射熱のみならず、輻射板からの輻射熱にも晒されることになる。したがって、容量としては大きくないが、触媒層の手前に、このような高温に加熱しやすいスペースが形成されるので、燃料の気化が急速に促進されると共に、十分に加熱された燃料および空気が触媒層に供給されることになる。したがって、輻射板を設けたことによる上記のような要因で、安定した触媒燃焼を維持できると考えられている。
【００１２】このように、本発明の触媒燃焼装置においては、触媒燃焼を安定して行うことができるので、触媒燃焼のメリットを充分に活かすことができ、それを暖房装置などの実際に家庭あるいは工場などで用いられる装置に活用することができる。触媒燃焼のメリットは多々あるいが、たとえば、窒素酸化物または一酸化炭素などの燃焼排ガス中の有毒あるいは臭いの元となる成分の排出を低減でき、火炎燃焼に比べて騒音も低減できる。これらのメリットは本発明の触媒燃焼装置を暖房装置などの熱源として用いるのに適していることを示している。さらに、触媒燃焼は、希薄混合気の燃焼が可能で、燃焼量の調整範囲が広く、また、燃焼効率が良いので放射熱量が大きい等の多くのメリットを備えている。
【００１３】多孔性の輻射板は、パンチングメタルのような金属製の板であっても良いが、セラミック、あるいは、金属板にセラミックが溶射されたものであることが望ましい。セラミックは、高温強度が高く、さらに赤外線の吸収率が高いので、輻射板の温度を容易に上げることができる。
【００１４】輻射板を設けることにより、上述したような効果を得ることができるが、輻射板の開口率が小さすぎると、燃料との接触効率は高く、燃料の気化効率は良くなると考えられるが、反面、輻射板を透過する輻射熱が減るので気化室の温度が下がり気化室全体の気化効率が下がってしまう可能性がある。気化室の気化効率が下がりすぎると、燃料の気化が不充分になり燃焼が継続できない。一方、輻射板の開口率が大きいと、燃料との接触効率が低くなるので、燃料の気化効率を向上する効果は低くなる。それとともに、開口率が大きいと、気化室の温度が上がり、そこに高温となった輻射板が配置されるので逆火現象が発生する可能性がある。このような見地から本願の発明者らが実験を行ったところ、輻射板の開口率は、３０％から６０％程度の範囲が望ましいという結果が得られた。
【００１５】また、液体燃料を噴霧する噴霧器、輻射板および触媒層は、各々の中心が気化室の中心軸上となるようにほぼ直線的に配置することが望ましい。このように、液体燃料の流れる方向に対し、軸対象となるような配置を採用することにより、燃料および空気が偏流するのを避けることができる。したがって、触媒層の各部分（例えば、気化室に向いた側の面）に対し気化された燃料および混合される空気を均等に分散して供給でき、触媒層全体で安定した触媒燃焼を継続させることができる。
【００１６】触媒層は、熱負荷に基づいて大きさ（面積）が選択される。一方、気化室の断面積は供給する液体燃料量および空気量によって決まるので、触媒層の面積に対し断面積を小さくできる場合がある。この場合には、触媒層と気化室との断面積に差が生じるので、触媒層の近傍で気化室がテーパ状に広がるように形成することが望ましい。このように、気化室の形状に段差部分をなくすことで、気化室内、特に気化室の壁面に沿った領域における偏流を避けることができ、触媒層の熱負荷を均一化するのに役立つ。また、このような気化室では、輻射板は、気化室のテーパ状に広がっている部分より後方に配置することで、輻射板を小さくすることも可能である。
【００１７】さらに、触媒層は熱が出力される前方が凸になるように、例えば、放射状の多面体に形成することが望ましい。これにより、触媒層から前方に出力される熱（赤外線）の放射角度が広がり、効率良く外部の対象物を加温できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明に係る暖房装置の概要を斜視図で示してある。本例の暖房装置１は、本発明に係る触媒燃焼装置５を熱源とした暖房装置である。
【００１９】この暖房装置１は、移動可能なキャスター付きのフレーム６０の上方に触媒燃焼装置５が取付けられている。フレーム６０には、さらに、触媒燃焼装置５の下方に燃料タンク２が取付けられており、これらを一体で動かし、適当な場所に移動させることができる。したがって、適当な場所で触媒燃焼装置５を稼動させて赤外線７３を放射し、暖房することができる。また、フレーム６０の向きを変えることで赤外線７３の放射方向を調整できる。
【００２０】本例の触媒燃焼装置５は、水平方向に延びた筒状のハウジング１０を備えている。このハウジング１０がアーム６２に上下方向に旋回できるように取付けられ、フレーム６０から支持されている。そして、ハウジング１０の前方１０ａが、赤外線７３を出力する赤外線放射面２１となっている。この赤外線放射面２１は、前方１０ａに向かって凸になるように、本例では、複数の板状の触媒プレートが放射状に組み合わさり、多面体状の放射面２１となっている。このように赤外線放射面２１を設けることで、出力される赤外線７３の放射角度を広げ、効率のよい暖房ができる。また、赤外線放射面２１の前方には、安全のためにガード６９が取付けられている。
【００２１】図２に、本例の触媒燃焼装置５の概略構成を断面図により示してある。本例の触媒燃焼装置５は、外界（前方）１０ａに面して触媒層２０が設けられ、その外に表れている面が赤外線放射面２１となっている。本例の触媒層２０は、白金などの触媒と、その担体（例えば、アルミン酸石灰－溶解シリカ－酸化チタン等のセラミック）により構成されている。本例の触媒層２０は、ハニカム形状で、開口率が５０％～７０％程度、厚さが５～２０ｍｍ程度のものである。
【００２２】この触媒層２０の後方に、触媒層２０の輻射熱７４により液体燃料７０を加熱気化する気化室１２が設けられている。気化室１２は、ＳＵＳ４３０およびアルミ含有のフェライト系などの耐熱性の素材による円筒状の外殻１１で構成されており、その内部のスペースで液体燃料を蒸発させるようになっている。また、気化室１２は、後述する予備燃焼のときは燃焼室となる。
【００２３】気化室１２の後方には、燃料タンク２から燃料配管８および燃料ポンプ（不図示）により供給された液体燃料７０を噴霧する噴霧器（バーナ）１３、気化室１２に燃焼用の空気を送るブロワ１５が配置されている。これらの噴霧器１３、ブロワ１５の空気出口、後述する輻射板３０および触媒層２０は、それぞれの中心が気化室１２の中心軸１９の上にならび、ほぼ直線的に、軸対称な配置となっている。
【００２４】噴霧器１３は、触媒燃焼に先立って、気化室１２および触媒層２０を予熱する予備燃焼のときは、バーナ１３として機能する。このため、バーナ１３に隣接して液体燃料に着火するためのイグナイター１４が設けられている。
【００２５】さらに、本例の触媒燃焼装置５は、気化室１２に、触媒層２０の後面２２に面し（向かい合って）、触媒層２０とほぼ平行に対峙するように多孔性の輻射板３０が配置されている。輻射板３０は、その平面を図３に示してあるように、円盤状の板材であり、複数の孔３１が中心３０ａから放射状にほぼ均等に形成されている。図示した輻射板３０は、直径が約１５０ｍｍの円盤で、それに直径が１０ｍｍの孔３１が１０６個開けられており、開口率は約４５％のものである。輻射板３０は、パンチングメタルにセラミックが溶射された部材が用いられている。セラミックは、高温強度も高いので、触媒層２０により照射されて高温となる場所に設置される部材の材質としては優れている。さらに、セラミックは、赤外線吸収率が高いので、触媒層２０からの輻射熱により高温となることが望ましい輻射板３０の素材としては最適である。
【００２６】気化室１２における輻射板３０の位置は、前方の触媒層２０と後方の噴霧器１３の間で触媒層２０に面する位置である。それと共に、触媒層２０からの輻射熱によって輻射板が高温になり易いように、また、ある程度気化した状態の液体燃料が輻射板３０により完全に気化され易くするために、気化室１２の内の触媒層２０に近い位置に設けられている。すなわち、輻射板３０によって、気化室１２は２つに区画化されるが、噴霧器１３が配置された後方のスペース１２ａの長さＷ１が、触媒層２０に面する前方のスペース１２ｂの長さＷ２より長くなるように輻射板３０が配置されている。
【００２７】後方のスペース１２ａは、触媒層２０から放射される熱のうち、輻射板３０を透過した熱、および輻射板３０の輻射熱により加熱されて高温になる領域であり、噴霧器１３から噴霧された燃料７１がスペース１２ａの熱により気化されると共に後方のブロワ１５から供給される燃焼用の空気と混合される（１次混合）。
【００２８】スペース１２ａで１次混合された気体（燃料および空気）は、加熱された輻射板３０を通過する。この際、上述したような幾つかのプロセスにより、多孔性の輻射板３０を通過することにより、気化途上の液体燃料の気化は促進される。
【００２９】そして、輻射板３０を通過した混合気体は、前方のスペース１２ｂで、多孔性の輻射板３０を通過したことにより混合が促進されると共に、触媒層２０の輻射熱７４により、さらに気化も促進される。また、混合気体自体も高温となる（２次混合）。このようなプロセスにより、本例の燃焼装置５においては、液体燃料が気化室１２でほぼ完全に気化され、空気と混合された状態で触媒層の後面２２に供給することが可能であり、触媒層２０により順調に安定した触媒燃焼が行われる。
【００３０】したがって、単に気化室を設けただけの従来の触媒燃焼装置と比較すると、触媒層に到達した燃料の気化が進んでいないために触媒反応が順調に進まないといったトラブルをなくすことができる。また、燃焼用空気との混合も充分に行われているので、触媒層で不均一な燃焼が起きたり、逆火などの原因となるような大きな温度分布が触媒層に発生するようなことも防止できる。このように、本例の触媒燃焼装置５は、気化室１２に輻射板３０を設けるといった簡単な構成で、触媒層２０にほぼ完全に気化された燃料が供給し、安定した触媒燃焼を継続できる触媒燃焼装置となっている。
【００３１】さらに、本例の触媒燃焼装置５は、噴霧器１３、輻射板３０および触媒層２０は、各々の中心が気化室１２の中心軸１９上となるようにほぼ直線的に配置されている。このような軸対称の配置を採用することにより、気化室１２に偏流が生ずるのを避けることができる。したがって、触媒層２０に対し、気化された燃料および空気の混合が進んだ混合気体７２を均等に分散して供給できる。このため、触媒層２０の熱負荷を均等にすることが可能であり、放射面２１から放出される赤外線の分布を均等にすることができる。それと共に、触媒層２０に大きな温度分布が生ずるのを防止できるので、逆火の発生を防止するという効果を得ることができる。
【００３２】さらに、本例の触媒燃焼装置５は、図２に示すように、触媒層２０の面積は気化室１２の縦断面積よりも大きな装置であるが、触媒層２０の近傍、すなわち前方のスペース１２ｂを形成する気化室の外殻の部分１１ａをテーパ状に広げている。このため、触媒層２０に供給される混合気体７２は、外殻１１に沿った部分もテーパ状の部分１１ａに沿って流れ、大きな偏流が発生しにくい構造となっている。したがって、触媒層２０の面積と気化室１２の断面積とが異なる構成であるが、大きな偏流を防止でき、上述したような効果を得ることができる。
【００３３】触媒層２０のサイズは発熱量（熱負荷）に基づいて選択されるので、その表面積は気化室１２の断面積と必ずしも一致することにならない。本例においては、触媒層２０の面積が大きいので、それを横長の長方形に配置し、円筒状の気化室１２の中心軸１９を触媒層２０の中心２０ａにあわせるように配置している。そして、触媒層２０の近傍をテーパ状に広げることにより、コンパクトで、偏流が少なく、熱負荷が均等に得られる触媒燃焼装置５を実現している。
【００３４】テーパ状に広げる位置は、特に上記に限定されるものではないが、気化室１２をコンパクトにするには触媒層２０に近い位置であることが望ましい。さらに、輻射板３０の前方にテーパ状の部分を配置する、逆に言うと、テーパ状に広がっている部分１１ａより後方に輻射板３０を配置することで輻射板のサイズを小さくすることができる。
【００３５】このように、本例の触媒燃焼装置５は触媒層２０の後方に輻射板３０を設けることにより触媒燃焼が安定して維持されるようになっている。したがって、触媒燃焼装置の構成は簡易であり、稼動するような構成要素が増加することもないので低コストで制御も簡単であり、メンテナンスも簡単に行うことができる燃焼装置である。また、触媒燃焼中に気化を促進するために電気ヒータなどの別熱源を用意して気化室を加熱しておく必要はなく、余分なランニングコストが発生することもない。
【００３６】本例の触媒燃焼装置５は次のように制御される。先ず、触媒層２０で触媒燃焼を開始するために触媒層２０を３００～４００℃程度の活性化温度まで加熱する必要がある。同時に、液体燃料が気化されるように気化室１２の温度を上げる必要がある。このため、触媒燃焼に先立って、噴霧器１３をバーナとして用いて気化室１２で火炎を形成し、予備燃焼を行う。この火炎の熱により気化室１２、輻射板３０さらに触媒層２０を加熱する。
【００３７】予備燃焼によって、気化室１２の温度が上がると、液体燃料７０の噴出を停止して予備燃焼を止める。その後、適当なインターバルをおいた後、再び、噴霧器１３に液体燃料７０を供給し、加熱された気化室１２に霧状の液体燃料７１を供給する。気化室１２は、輻射板３０を含めて加熱されているので、上述したように、気化室内で液体燃料７１が加熱され気化されると共に空気とも混合されて触媒層２０に供給される。触媒層２０も加熱されているので、触媒反応が開始され、その結果、触媒層２０の温度が上昇する。
【００３８】このようにして、いったん触媒層２０で触媒反応（触媒燃焼）が始まると、その輻射熱７４により輻射板３０および気化室１２が加熱され、上述したように、触媒燃焼が維持される。触媒燃焼を停止するときは、燃料の供給を停止すれば良い。
【００３９】このように本例の触媒燃焼装置５は、輻射板３０を設置することにより、触媒燃焼を安定して維持しやすい装置であるが、先に説明したように、輻射板３０の開口率により触媒燃焼の安定状態が変動する可能性ある。そこで、本出願の発明者らにより行われた輻射板の開口率と燃焼状態の実験結果の一例を図４に示してある。図４からわかるように、輻射板の開口率が３０％～６０％の範囲において、燃焼状態が良好である。実験結果は、上述した輻射板の開口率に伴う考察に沿ったものであり、開口率が低いと気化室１２の温度が下がり気化不完全になり易い。本実験では、開口率が２０％のときにそのような現象が見られている。一方、開口率が大きいと、気化室１２の温度が上昇し、それに伴って、輻射板３０の温度も上昇している。このため、開口率７０％のときに逆火燃焼が観察されており、開口率を上げすぎない方が良いことが判る。
【００４０】したがって、輻射板３０の開口率は３０％から６０％の範囲内に設定することが望ましい。上記では、開口率が４５％の輻射板を採用した燃焼装置を例に説明しているが、この開口率あるいは開口率４５％前後のものは、上記の燃焼状態が良好な範囲のほぼ中間であり、実機に採用するには極めて好ましい値であると考えられる。
【００４１】このように、本例の触媒燃焼装置５により、安全に、そして安定した触媒燃焼を維持するできる装置を提供することができる。したがって、触媒燃焼を実際に暖房器具などの熱源として用いることが可能であり、安全性が高く、ＮＯｘなどの有害な排ガスが少なく、静かであるなどの多くのメリットを備えた触媒燃焼を一般の家庭あるいは工場などで活用することが可能となる。
【００４２】噴霧器１３、輻射板３０、触媒層２０の配置は、本例に限定されるものではない。例えば、気化室の中心軸に対し触媒層が直交するような配置も可能である。しかしながら、気化室内での偏流をできるだけ避け、触媒層の熱負荷を均等にする点では、上述したように軸対称な配置を採用することが望ましい。
【００４３】また、上記では触媒燃焼装置５の適用例として外界に直に赤外線７３が出力される暖房装置１を説明しているが、触媒燃焼装置５の用途はこれに限られない。本例の触媒燃焼装置５により温風を作って吹き出すタイプの温風暖房装置、乾燥機、加熱機など様々な機器の熱源として本発明の触媒燃焼装置を用いることができる。
【００４４】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の触媒燃焼装置は、気化室に多孔性の輻射板を触媒層に向かい合って設けることで、輻射熱により高温となり新たな熱源を気化室に設け、それによって触媒層に達する液体燃料の気化と、空気との混合を促進するようにしている。したがって、本発明により、気化室に輻射板を設けるという簡易な構成で、触媒層にほぼ完全に気化し、空気と混合された燃料が供給でき、触媒燃焼を安定して継続できる触媒燃焼装置を提供できる。このため、本発明の触媒燃焼装置により、触媒燃焼を暖房装置などに実際に適用することが可能となり、触媒燃焼の多くのメリットを備えた暖房装置などの民生用あるいは事業用の機器を提供することができる。

【出願人】	【識別番号】０００１０３９２１【氏名又は名称】オリオン機械株式会社
【出願日】	平成１１年６月３０日（１９９９．６．３０）
【代理人】	【識別番号】１０００９０１７０【弁理士】【氏名又は名称】横沢志郎（外１名）
【公開番号】	特開２００１－１２７０７（Ｐ２００１－１２７０７Ａ）
【公開日】	平成１３年１月１９日（２００１．１．１９）
【出願番号】	特願平１１－１８４６２８