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【発明の名称】 燃焼装置及び給湯装置
【発明者】 【氏名】渡辺 俊雄

【氏名】平本 紳二

【氏名】岡崎 信雄

【要約】 【課題】触媒の耐久性を確保することができ、また、触媒の使用量を低減して製造コストを抑制することができる燃焼装置を提供することと、このような燃焼装置を備えた給湯装置を提供することである。

【構成】上流側に燃焼部20が配置され、下流側に熱交換部5が配置された燃焼装置1において、燃焼部20は触媒3を有する触媒燃焼部と耐熱部材4を有する耐熱部材燃焼部とを備えている。触媒3の下流側に耐熱部材4を配置し、触媒3の上流側と、触媒3と耐熱部材4の間に各々燃料供給手段7,8を設けた。耐熱部材4は、複数の孔を設けた板体、ハニカム状の構造体、又は粒状物の集合体で構成した。触媒3の温度が、触媒3が活性化する温度まで上昇すると、空気過剰率を上昇させるようにした。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
上流側に燃焼部が配置され、下流側に熱交換部が配置された燃焼装置において、
前記燃焼部は触媒を有する触媒燃焼部と耐熱部材を有する耐熱部材燃焼部とを備えていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項2】
触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部が配置されており、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々燃料供給手段が設けてあることを特徴とする請求項1に記載の燃焼装置。
【請求項3】
触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部が配置されており、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々空気供給手段が設けてあることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃焼装置。
【請求項4】
耐熱部材は、複数の孔を設けた板体、ハニカム状の構造体、又は粒状物の集合体で構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちのいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項5】
触媒の温度が、触媒が活性化する温度まで上昇すると、空気過剰率を上昇させることを特徴とする請求項1乃至請求項4のうちのいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のうちのいずれかの燃焼装置を備えたことを特徴とする給湯装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料ガス又は液体燃料を気化させて燃焼させる燃焼装置であって、NOxの発生を抑制するために触媒を利用する燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来の一般的な燃焼装置において、燃焼時におけるNOx(窒素酸化物)の発生が問題となっている。供給される空気量が少ないと、燃焼温度が高温(1300℃以上)になり易く、公害の要因であるNOxが発生し易くなる。NOxの発生を抑制するためには、NOxが発生し易い温度以下の温度で燃料ガスを燃焼させる必要がある。
【0003】
そこで、燃焼温度を下げるために触媒を使用し、NOxの発生を抑制する技術が開発されている。給湯器に設けられる燃焼装置においては、触媒が設けられたものは未だ実用化されたものは少ないが、NOxの発生を抑制する必要性がある点で事情は同じなので、以下では一般の燃焼装置と一緒に論じる。
【0004】
図4(a)は、従来の触媒を使用した燃焼装置30の概略図である。
図4(a)に示すように、燃焼装置30は、筐体33の内部に、上流側から順に送風機34,触媒35を有する燃焼部31,及び熱交換器32を備えている。燃焼装置30は、上流側の燃焼部31で発生させた高温の燃焼ガスを利用して下流側の熱交換器32内で水を昇温させる。
【0005】
燃焼装置30のように、NOxの発生を抑制するために、通常では燃焼しない希薄な空気過剰率でも燃焼を可能にする触媒35が使用された燃焼装置が、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1に開示されている燃焼装置では、上流側に燃焼触媒が設置され、下流側に排熱ボイラ(熱交換器)が配置されている。また、排熱ボイラで所望する蒸気が得られるように、供給される燃料ガス量と空気量とが燃焼制御部によって制御されるようになっている。
【特許文献1】特開2005−83642公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで触媒(燃焼触媒)が活性を示す温度領域は限られており、低温(700℃以下)では触媒は活性化しないため、その効果が期待できず、逆に高温(1100℃以上)では触媒の耐久性を確保することができない。特許文献1に開示されている発明では、燃焼装置に燃焼制御部を設け、触媒が活性を示し且つ耐久性を損なわないように、供給される空気量が複雑に制御されている。このような燃焼装置であれば、触媒を保護しながら能力を発揮させることはできるが、燃焼装置自体の製造コストが高くなってしまい、実用化は困難である。
【0007】
別の方法として、図4(b)に示す別の燃焼装置40のように、熱交換器32に必要な熱量を供給するため、燃焼部31に触媒部35a,35bを複数層に設け、これらの触媒部35a,35bに各々燃料供給管36,37で燃料を別々に供給する構成を採用することにより、各触媒部35a,35bの燃焼温度の上昇を抑制し、触媒を活性化させ且つ触媒の耐久性を確保することができる。しかし、このような燃焼装置40の構造も極めて複雑であり、また、高価な触媒が多量に必要であり、燃焼装置40の製造コストが高騰してしまい、実用的とは言えない
【0008】
触媒を活性化状態にするためには、供給する空気量を減少させるか又は燃料ガスの供給量を増加させて燃焼温度を上げる必要がある。逆に、触媒の耐久性を確保するためには供給する空気量を増加させるか又は燃料ガスの供給量を減少させた希薄状態にする必要があり、従来の燃焼装置では、供給する空気量の制御幅は非常に狭く、実用上の障害であった。
【0009】
そこで本発明は、触媒を利用してNOxの発生を抑制する燃焼装置であって、触媒の耐久性を確保することができ、また、触媒の使用量を低減して製造コストを抑制することができる燃焼装置を提供することと、このような燃焼装置を備えた給湯装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、上流側に燃焼部が配置され、下流側に熱交換部が配置された燃焼装置において、前記燃焼部は触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部とを備えていることを特徴とする燃焼装置である。
【0011】
請求項1の発明では、燃焼部に触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部とを備えているので、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部で燃料を燃焼させることができる。その結果、熱交換部には必要な熱量を供給することができ、また、触媒を活性化させ且つ触媒の温度上昇を抑制して耐久性を確保することができる。さらに、耐熱部材燃焼部を設けることにより、高価な触媒の使用量を低減することができ、燃焼装置の製造コストを抑制することができる。
【0012】
請求項2の発明は、請求項1の発明の燃焼装置において、触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部が配置されており、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々燃料供給手段が設けてあることを特徴とする燃焼装置である。
【0013】
請求項2の発明では、触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部を配置し、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々燃料供給手段を設けたので、触媒燃焼部の上流側で燃焼した燃焼ガスによって触媒が昇温して活性化し、触媒燃焼部ではNOxが生じにくい温度領域で燃料ガスを燃焼させることができ、さらに、触媒燃焼部を出た燃焼ガスに新たに燃料ガスが供給されて耐熱部材内で燃焼させることができ、熱交換部へ必要な熱量を供給することができる。
【0014】
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2の発明の燃焼装置において、触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部が配置されており、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々空気供給手段が設けてあることを特徴とする燃焼装置である。
【0015】
請求項3の発明では、触媒燃焼部の下流側に耐熱部材燃焼部を配置し、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間に各々空気供給手段を設けたので、触媒燃焼部の上流側と、触媒燃焼部と耐熱部材燃焼部の間の空気過剰率を任意に設定することができる。
【0016】
請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のうちのいずれかの発明の燃焼装置において、耐熱部材は、複数の孔を設けた板体、ハニカム状の構造体、又は粒状物の集合体で構成されていることを特徴とする燃焼装置である。
【0017】
請求項4の発明では、耐熱部材を、複数の孔を設けた板体、ハニカム状の構造体、又は粒状物の集合体で構成したので、耐熱部材の構造の簡素化を図ることができ、燃焼装置を安価に製造することができる。
【0018】
請求項5の発明は、請求項1乃至請求項4のうちのいずれかの発明の燃焼装置において、触媒の温度が、触媒が活性化する温度まで上昇すると、空気過剰率を上昇させることを特徴とする燃焼装置である。
【0019】
請求項5の発明では、触媒の温度が、触媒が活性化する温度まで上昇すると、空気過剰率を上昇させるようにしたので、活性化した触媒内では希薄状態で燃焼が行われ、NOxの発生を抑制することができる。また、触媒が高温になり過ぎず、触媒の耐久性を確保することができる。
【0020】
請求項6の発明は、請求項1乃至請求項5のうちのいずれかの発明の燃焼装置を備えたことを特徴とする給湯装置である。
【0021】
請求項6の発明の給湯装置では、請求項1乃至請求項5のうちのいずれかの発明の燃焼装置を備えたので、活性化した触媒によってNOxの発生を抑制することができ、また、触媒の耐久性が確保されるので長期に渡って使用することができる。さらに、請求項6の発明を実施した給湯装置は、簡素に構成することができるので安価に製造することができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明の燃焼装置では、活性化した触媒によってNOxの発生しにくい温度領域で燃料を燃焼させることができ、また、触媒が高温に晒されることがなく、耐久性を確保することができる。さらに本発明の給湯装置は、簡素な構成であるので、安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下では、本発明を実施した燃焼装置1及び給湯装置21を、図1を参照しながら説明する。
図1は、本発明を実施した燃焼装置1及び給湯装置21の概略図である。
図1に示すように燃焼装置1は、筐体15内に上流側から順に送風機2,燃焼部20,熱交換器5(熱交換部)を備えており、さらに下流側には排気部14が設けられている。
【0024】
燃焼装置1の熱交換器5は、水管6を備えている。すなわち、給湯装置21には水道管22と給湯管23とが設けてあり、水道管22の下流側と給湯管23の上流側が、水管6で接続されている。この水管6が燃焼装置1の熱交換器5に配置されている。よって、水道管22から供給された水は、後述する手順で生成された高温の燃焼ガスによって水管6内で加熱され、給湯管23を介して給湯装置21から給湯される。
【0025】
燃焼部20は、触媒体3(触媒燃焼部)と耐熱部材4(耐熱部材燃焼部)とで構成されている。触媒体3は、例えば耐熱性金属からなるハニカム構造体に触媒効果を有する白金等を溶射法等によって付着させて構成されている。触媒体3の上流側には、ノズル7aから燃料ガス17を噴射する燃料供給管7が配置されている。また、触媒体3と耐熱部材4の間には、ノズル8aから燃料ガス18を噴射する燃料供給管8が配置されている。燃料供給管7は、途中に仕切弁11と調整弁9とを備えており、燃料供給管8も燃料供給管7と同様に仕切弁12と調整弁10とを備えている。図1では、ノズル7a及び8aを一つずつしか描写していないが、実際には燃料ガスと空気が一様に混合し易くなるように、燃料ガスが複数個所から噴射される。すなわち、ノズル7aは触媒体3の上流側において複数個所に偏ることなく複数個所に配置されており、ノズル8aも触媒体3と耐熱部材4の間の複数個所に偏ることなく複数個所に配置されている。
【0026】
燃料供給管7と燃料供給管8は、仕切弁11,12よりも上流側で、単一の燃料供給管13が分岐したものであり、燃焼装置1の近くまでは燃料供給管13が一本だけ配管されて、燃焼装置1の周囲のレイアウトを簡素化している。
【0027】
そして、図示しない制御機構によって、仕切弁11,12の開閉と、調整弁9,10の開度調整とは個別に行うことができるようになっており、触媒体3の上流側に供給される燃料ガス17と触媒体3の下流側に供給される燃料ガス18の量は、任意に設定することができるようになっている。
【0028】
触媒体3は、給湯器で使用されている燃焼装置以外の従来の一般的な燃焼装置でも使用されているパラジウム等を採用することができる。また、耐熱部材4の素材としては、例えば耐熱性を有する金属や、セラミックス等を採用することができ、その形状は、多数の孔を設けた板体を素材として複数層に重ねて構成したり、ハニカム状の構造体や粒状物の集合体で構成することができる。
【0029】
この耐熱部材4を設けることにより、触媒体3の使用量は、従来の燃焼装置よりも少なくすることができる。すなわち、触媒体3ではNOxが発生しにくい温度領域で燃料ガスを希薄燃焼させ、触媒体3の下流側でさらに燃料ガス18が供給されて耐熱部材4において燃焼が行われ、熱交換器5に必要な熱量を供給する。よって、触媒体3の素材は高価であるが、その使用量を低減することができるので、燃焼装置1の製造コストを下げることができる。
【0030】
次に、燃焼装置1における燃焼ガスの生成の過程を説明する。
給湯装置21の給湯スイッチ(図示せず)がONになると、図示しない制御機構によって仕切弁11が開となり、さらに調整弁9の開度が調整される。調整弁9の開度は、当初は大きく(例えば全開状態)設定され、燃料ガス17は、送風機2によって供給される空気流(空気)と混合し、図示しない着火手段によって着火され、比較的空気過剰率が小さい状態で燃焼する。
【0031】
燃焼の初期段階では触媒体3の温度は低く、触媒体3が活性化する温度(300℃〜500℃程度)に達するまで、触媒体3の上流側では燃料ガス17は上記空気過剰率で燃焼が行われる。燃焼装置1の触媒体3は、従来の燃焼装置に設けられている触媒よりも少量(又は小さい)ので、従来よりも温度上昇し易く、早期に活性化温度に到達する。触媒体3に温度センサを設け、温度センサによって検出される温度が活性化温度に達したことを検出するのが好ましい。
【0032】
触媒体3の温度が活性化温度に達したら、燃料ガス17の供給量を減少させる、又は送風機2によって供給される空気流16(空気量)を増加させ、触媒体3の上流側の空気過剰率が大きくなるように設定する。そして、触媒体3内では極めて希薄な状態で燃料ガス17の燃焼が行われる。
【0033】
触媒体3の下流側は、触媒体3の上流側よりも高温であるが、触媒体3を通過した燃焼ガス(未燃ガスや空気を含む)にさらに燃料ガス18が混合され、耐熱部材4内でさらに燃焼(気相燃焼)が行われる。すなわち、図示しない制御機構によって仕切弁12が開かれ、また、調整弁10の開度が調整されて、熱交換器5へ供給する熱量が確保できるように燃料ガス18の供給量が調整される。
【0034】
ここで耐熱部材4内における燃焼温度は、例えば900℃〜1300℃程度に調整されており、この温度領域におけるNOxの発生量は極めて少ない。そして、耐熱部材4内で生成されたNOxの含有量が極めて少ない燃焼ガスは、熱交換器5へ供給され、水管6内の水を加熱する。熱交換器5で水を加熱した燃焼ガスは、下流側の排気部14より外部へ排出される。
【0035】
本発明を実施した燃焼装置1は、従来の一般的な燃焼装置よりも燃焼可能な空気過剰率の範囲が広い。図3は、燃焼装置で燃料ガスを燃焼させる際の、空気過剰率と入力(給湯量)の関係を示すグラフである。図3に示すように、従来の燃焼装置ではハッチングで示す領域Aの範囲でのみ燃焼が可能であったが、本発明を実施した燃焼装置1では、領域Aを含む領域Bの範囲で燃焼が可能である。
【0036】
空気過剰率の下限界は、空気不足によって引き起こされる未燃焼によるCO(一酸化炭素)発生の増加量の程度,触媒燃焼部の耐久温度,及び耐熱部材4の耐熱温度で限定され、上限界は、未燃焼(着火不能)によるCO(一酸化炭素),HC(炭化水素)の排出量の増加程度により限定される。
【0037】
触媒体3を活性化状態にするためには、供給する空気量を減少させるか又は燃料ガス17の供給量を増加させて燃焼温度を上げる必要がある。逆に、触媒体3の耐久性を確保するためには供給する空気量を増加させるか又は燃料ガス17の供給量を減少させた希薄状態にする必要があり、従来の燃焼装置では、供給する空気量の制御幅は図3の領域Aで示したように非常に狭く、実用上の障害であった。しかし、本発明を実施した燃焼装置1では、空気量の制御幅が図3において領域Bで示される範囲となり、空気量を精密に制御する必要がない。
【0038】
次に、本発明を実施した別の燃焼装置を、図2を参照しながら説明する。
図2は、本発明を実施した別の燃焼装置25の概略図である。図2の燃焼装置25において、図1の燃焼装置1と同じ構成には同じ符号を付し、説明は省略する。
【0039】
すなわち、燃焼装置25の構成は、触媒体3と耐熱部材4の間に空気供給管26を設けた点のみが図1の燃焼装置1の構成と異なっている。空気供給管26から供給される空気量は、図示しない制御機構によって調整され、耐熱部材4における空気過剰率を任意に設定可能になっている。ここで耐熱部材4における空気過剰率は、空気供給管26を介して供給される空気量と、燃料供給管8を介して供給される燃料ガス量と、触媒体3を通過した燃焼ガス(燃料ガス17の未燃成分や燃焼に寄与しなかった空気を含む)の量によって決まる。
【0040】
そして、この空気過剰率を設定することによって熱交換器5へ供給する必要な熱量を確保すると共に、燃焼温度がNOxの生じやすい温度領域(1300℃以上)に達しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明を実施した燃焼装置及び給湯装置の概略図である。
【図2】本発明を実施した図1とは別の燃焼装置の概略図である。
【図3】燃焼装置で燃料ガスを燃焼させる際の、空気過剰率と入力(給湯量)の関係を示すグラフである。
【図4】(a)は、従来の燃焼装置の概略図であり、(b)は、(a)とは別の従来の燃焼装置の概略図である。
【符号の説明】
【0042】
1 燃焼装置
2 送風機(空気供給手段)
3 触媒体(触媒燃焼部)
4 耐熱部材(耐熱部材燃焼部)
7,8 燃料供給管(燃料供給手段)
26 空気供給管(空気供給手段)
21 給湯装置
【出願人】 【識別番号】000004709
【氏名又は名称】株式会社ノーリツ
【出願日】 平成18年6月22日(2006.6.22)
【代理人】 【識別番号】100100480
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 隆


【公開番号】 特開2008−2749(P2008−2749A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2006−172307(P2006−172307)