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【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
【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種火（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自体によって、触媒燃焼部４の下流側に略円錐形状の凹部２０を形成するとともに、２次空気吹出口９に偏向流ガイド９ａを設けて２次空気吹出口９から燃焼室６内に旋回流を生じさせ、燃焼室６の中心に逆流を生じさせる。その逆流によって凹部２０内の保炎空間が安定化し、凹部２０内に形成された種火が安定化する。これによって、触媒燃焼部４の下流側に供給される２次空気が増加したり、低温化しても、その２次空気によって凹部２０内の種火が吹き消されたり、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、前記通電発熱体の下流側には、この通電発熱体によって凹部が設けられ、前記空気供給手段によって前記通電発熱体の下流の前記燃焼室に供給される燃焼用の２次空気流によって前記凹部へ向かう保炎用の空気流もしくは燃焼流を生じさせる保炎用流体押込手段を備える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、このハニカム層をずらして積層することにより、前記通電発熱体の下流側に凹部が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または請求項２の燃焼装置において、前記通電発熱体の下流側には、局部的に高温になる高温発熱部が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、前記保炎用流体押込手段は、前記空気供給手段によって前記燃焼室内に燃焼用の２次空気を供給する吹出口に設けられて、前記燃焼室内に旋回流を生じさせる旋回流発生手段であることを特徴とする燃焼装置。
【請求項５】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、前記保炎用流体押込手段は、前記空気供給手段によって前記燃焼室内に燃焼用の２次空気を供給する吹出口に設けられて、前記凹部へ向けて２次空気を吹き出す押込流発生手段であることを特徴とする燃焼装置。
【請求項６】請求項１ないし請求項５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。
【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】
【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、通電発熱体の下流側に形成される火炎（燃料と１次空気による１次燃焼の火炎）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、通電発熱体の下流側に形成される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。
【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、通電発熱体の下流側に形成される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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】〔請求項１の手段〕通電発熱体の下流側に凹部を設け、且つその凹部へ向かう流体の流れを生じさせることにより、凹部内の炎（１次燃焼による炎）が安定化する。つまり、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、通電発熱体の下流側に形成された種火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、凹部内の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。これは、燃焼量が増大して通電発熱体の下流側に直接供給される２次空気供給量が増しても、その２次空気によって凹部内が安定化し、１次燃焼による種火が保炎される。これによって、通電発熱体の下流側に形成される火炎が常に安定し、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、種火の保炎が通電発熱体自身の凹部によってなされるため、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。
【０００６】〔請求項２の手段〕ハニカム層をずらすことにより、通電発熱体の下流側に凹部を簡便に形成できる。
【０００７】〔請求項３の手段〕通電発熱体の下流側に設けられた高温発熱部によって、通電発熱体の下流側に着火できる。
【０００８】〔請求項４の手段〕旋回流発生手段によって燃焼室に旋回流を生じさせることにより、燃焼室内の中心部に通電発熱体に向かう逆流が生じ、この逆流による燃焼流によって凹部へ向かう保炎用の燃焼流が生じる。また、燃焼室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。また、通電発熱体に向かう逆流によって排気ガスの一部が通電発熱体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、２次燃焼に要する燃焼長を短縮でき、燃焼装置を小型化できる。
【０００９】〔請求項５の手段〕押込流発生手段によって凹部へ向かって吹き出される２次空気によって凹部へ向かう保炎用の空気流が生じる。
【００１０】〔請求項６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。
【００１１】
【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３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。
【００１２】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。
【００１３】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。
【００１４】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。
【００１５】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。
【００１６】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。
【００１７】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。
【００１８】触媒燃焼部４の下流側には、中心に向かって窪んだ略円錐形状の凹部２０が形成されている。触媒燃焼部４の具体的な構造は、図２、図３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り、その複数のハニカム層１５を中心電極１６に溶接して螺旋状に巻いて略円錐形状に形成したものである。あるいは、中心電極１６の周りに略円盤状に複数のハニカム層１５を巻いた後に、中心電極１６を外側電極１９に対して相対的に上流側軸方向へスライドさせて円錐形状に形成したものである。この結果、触媒燃焼部４には、ハニカム層１５の巻き層毎に形成された創生面１５ａが形成され、凹部２０の内部には保炎空間が形成される。また、ハニカム層１５をずらして積層しているため、特別な保炎のための保炎手段を用いる必要がなく、安価に提供できる。
【００１９】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。
【００２０】触媒燃焼部４を構成するハニカム層１５の下流側には、図３に示すように、高温発熱部２１が部分的に設けられている。この高温発熱部２１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。高温発熱部２１は、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、高温発熱部２１に集中して流れることになり、高温発熱部２１を構成する軸方向長Ｌ1 によって、高温発熱部２１の温度が設定されている。なお、高温発熱部２１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り、例えば高温発熱部２１は各ハニカム層１５毎に等間隔配置して、多点着火可能に設けたものである。また、ハニカム層１５の巻き層毎の段差の角部にも高温発熱部２１が配置される。この角部の高温発熱部２１は、内側に接触する部材がなく、素早く温度上昇する。このため、角部の高温発熱部２１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、少ない電力で着火に適した温度に上昇する。
【００２１】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次空気流によって凹部２０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。
【００２２】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へ向かう逆流が生じ、この逆流による燃焼流によって凹部２０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。
【００２３】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、触媒燃焼部４が発熱して燃料を部分酸化させる温度に上昇するとともに、触媒燃焼部４の下流側に複数設けられた高温発熱部２１が着火温度以上に先行して発熱する。
【００２４】高温発熱部２１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。
【００２５】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。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。
【００２６】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は、通電を受けて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が比較的低温（３００℃以上）で触媒反応し、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。この時、螺旋状に配置されたハニカム層１５の角部に配置された複数の高温発熱部２１が素早く着火温度以上に発熱しているため、可燃性混合気中に含まれるガス化燃料が高温発熱部２１に触れて多点着火し、直ちに火炎が拡散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。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。
【００２７】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、高温発熱部２１に触れて着火する。その１次燃焼の炎（火種）は凹部２０内の保炎空間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へ向かう逆流が生じ、この逆流による燃焼流によって凹部２０へ向かう保炎用の燃焼流が生じる。
【００２８】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、保炎空間内の火種は、２次空気と直接干渉せず、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、保炎空間内の火種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内が蓄熱され、保炎空間内の種火が一層安定化する。
【００２９】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。
【００３０】〔実施形態の効果〕この実施形態では、触媒燃焼部４の下流側に凹部２０を設け、且つその凹部２０へ向かう流体の流れにより、凹部２０内の炎（１次燃焼による炎）が安定化する。これによって、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、触媒燃焼部４の下流側に形成された種火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、凹部２０内の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。これは、燃焼量が増大して触媒燃焼部４の下流側に直接供給される２次空気供給量が増しても、その２次空気によって凹部２０内が安定化し、１次燃焼による種火が保炎される。これによって、触媒燃焼部４の下流側に形成される火炎が常に安定し、触媒燃焼装置の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、種火の保炎が発熱体自身の凹部２０によってなされるため、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。
【００３１】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。
【００３２】〔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。この第２実施形態は触媒燃焼部４の上流側と下流側の双方に高温発熱部２４、２５を設けたものである。上流側の高温発熱部２４は、通電開始初期において、他の部分に先行して素早く触媒の活性温度（例えば３００℃以上）に達するものであり、その下流側に設けられた高温発熱部２５は、通電開始初期において、他の部分に先行して素早く着火温度（例えば７００〜８００℃以上）に達するものである。
【００３３】この高温発熱部２４、２５は、ハニカム層１５を構成する平板１３に打抜穴２６を設けて形成したものである。このように平板１３に打抜穴２６を設けることにより、平板１３を流れる電流は、高温発熱部２４、２５に集中して流れることになり、上流側の高温発熱部２４の温度は軸方向長Ｌ2 によって設定され、下流側の高温発熱部２５の温度は軸方向長Ｌ3 によって設定される。
【００３４】このように設けられることにより、通電開始初期において、上流側の高温発熱部２４を通過する混合気が触媒反応を急速に起こす。その結果、触媒反応熱で触媒燃焼部４の全体の触媒が温められるため、触媒燃焼部４を通過する混合気のガス化反応と発熱が加速的に進行し、低電力でも瞬時着火が可能になる。また、着火時間の短縮によって、フル燃焼到達時間も短縮でき、クリーンな燃焼を短時間に実現できる。
【００３５】〔変形例〕上記の実施形態では、触媒燃焼部４の中心を略円錐形状に上流側へ突出させ、触媒燃焼部４の下流側に略円錐形状の凹部２０を形成した例を示したが、１段あるいは複数段など段階的な凹部２０を触媒燃焼部４の下流側に形成しても良い。上記の実施形態では、燃焼室６内に旋回流を生じさせることにより、凹部２０へ向かう流体の流れを形成した例を示したが、例えば２次空気吹出口９から吹き出す２次空気を凹部２０へ向けるなどの保炎用流体押込手段を設け、２次空気吹出口９から吹き出す２次空気流によって凹部２０へ向かう流体の流れを形成しても良い。
【００３６】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。
【出願人】 【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【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
【公開番号】 特開２００１−６５８１６（Ｐ２００１−６５８１６Ａ）
【公開日】 平成１３年３月１６日（２００１．３．１６）
【出願番号】 特願平１１−２４５６１０