JP2001272007A - 触媒燃焼式暖房装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パイロットバーナーによる燃焼を安定させ
て、発生する燃焼排ガスで効率良く触媒を加熱すること
ができ、定常運転への移行後は、燃焼排ガスの一部を還
流して予混合ガスの予熱を良好に行い、熱効率を向上さ
せる触媒燃焼式暖房装置を提供する。 【解決手段】 パイロット燃焼時には、燃料ノズル１８
から噴射される液体燃料と、内筒１１に導入される燃焼
用空気との予混合ガスに着火装置１９で着火してパイロ
ット燃焼を行い、発生する燃焼排ガスで触媒を加熱する
が、燃焼排ガスは還流しない。定常燃焼時には、燃焼排
ガス供給筒１２を介して内筒１１の外周空間に燃焼排ガ
スを還流させて内筒１１を加熱し、内筒１１の内周面に
付着した燃料を気化させると共に予混合ガスを予熱し、
予混合ガスと燃焼排ガスとを混合装置１５で撹拌・混合
して触媒筒１６内の触媒燃焼器１７に送り、触媒燃焼を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体燃料と燃焼用
空気との予混合ガスを触媒燃焼させて、発生する燃焼排
ガスにより暖房を行うと共に前記予混合ガスを予熱する
触媒燃焼式暖房装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】触媒燃焼は、火炎を形成せずに燃焼可能
である点に特長があるが、触媒を活性化するには所定値
以上の活性化温度に保つ必要があり、そのために、触媒
に供給する燃料と燃焼用空気との予混合ガスを予熱す
る。

【０００３】従来、予混合ガスを予熱する方法として
は、特開昭６０−３０９０８号公報に示すように、パイ
ロットバーナーを用いて燃焼ガスと燃焼用空気との予混
合ガスを燃焼させ、発生する燃焼排ガスで触媒を加熱
し、触媒を通過した燃焼排ガスの一部を還流させて予混
合ガスに混合し、予熱している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した構成
では、パイロットバーナーによる火炎が生成される空間
に燃焼排ガスを直接に還流させるので、燃焼が不安定に
なり、燃焼排ガス成分が不均一となるおそれがある。

【０００５】また、パイロットバーナー燃焼開始時か
ら、十分に加熱されていない触媒を通過した低温の燃焼
排ガスを還流させるので、燃焼の雰囲気温度を低下さ
せ、燃焼排ガスの温度も低下して、触媒を十分に加熱す
るまでに時間がかかる。

【０００６】本発明は、このような従来の課題に鑑みて
なされたもので、パイロットバーナーによる燃焼を安定
させて、発生する燃焼排ガスで効率良く触媒を加熱する
ことができ、定常運転への移行後は、燃焼排ガスの一部
を還流して、予混合ガスの予熱を良好に行い、熱効率を
向上させる触媒燃焼式暖房装置を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段及びその作用】このような
目的を達成するため、本発明は、液体燃料と燃焼用空気
との予混合ガスを触媒により燃焼させて、発生する燃焼
排ガスの熱により暖房を行うと共に前記予混合ガスを予
熱する触媒燃焼式暖房装置において、前記触媒燃焼及び
パイロット燃焼のために前記液体燃料を噴射する液体燃
料噴射装置と、前記パイロット燃焼のために噴射された
前記液体燃料に着火させる着火装置と、前記液体燃料噴
射装置及び前記着火装置を内部に備え、前記燃焼用空気
を内部に導入して、噴射された前記液体燃料と予混合す
る内筒と、前記内筒の外周空間に前記燃焼排ガスの一部
を還流して、前記内筒を加熱することにより前記予混合
ガスを予熱する燃焼排ガス導入部と、前記内筒から流出
する予混合ガスと前記燃焼排ガス導入部から流出する燃
焼排ガスとを混合して、該混合ガスを前記触媒に導く混
合部と、前記パイロット燃焼時に、前記内筒の外周空間
への前記燃焼排ガスの供給を停止する燃焼排ガス供給制
御手段と、を備えて構成する。

【０００８】かかる構成では、まず、内筒内で、液体燃
料噴射装置から噴射された液体燃料と導入された燃焼用
空気との予混合ガスに着火装置で着火させてパイロット
燃焼を行い、触媒を加熱する。このとき、燃焼排ガス
は、全量、触媒の加熱に利用されるが、燃焼排ガス供給
制御手段の制御により、燃焼排ガス導入部から内筒の外
周空間には還流されず、内筒を冷却しない。即ち、パイ
ロット燃焼時は、燃焼排ガスの供給を遮断して燃焼用空
気のみで燃焼させるので、還流燃焼排ガスによりパイロ
ット燃焼を不安定にすることがなく安定させ、また、燃
焼雰囲気温度を低下させることがない。

【０００９】パイロット燃焼終了後は、定常運転を行
う。このとき、燃焼排ガス供給制御手段の制御により、
燃焼排ガス導入部から内筒の外周空間に燃焼排ガスを還
流して、内筒を加熱する。これにより、内筒内の雰囲気
温度を高め、噴射された燃料と燃焼用空気との予混合ガ
スを予熱すると共に、内筒の内周面に付着した液体燃料
を気化させる。内筒から流出する予混合ガスは、混合部
で燃焼排ガス導入部から流出する燃焼排ガスと混合され
ると共に、燃焼排ガスの熱で昇温する。予混合ガスと燃
焼排ガスとの混合ガスは、触媒に導かれて触媒燃焼が行
われる。このように、触媒燃焼時には、高温の燃焼排ガ
スの熱を利用することで、内筒の内周面に付着した液体
燃料が壁流となることを防止し、迅速かつ十分に気化促
進させると共に、燃焼用空気も良好に予熱することがで
きる。また、燃焼排ガスを予混合ガスに混合し、その酸
素を利用することで、燃焼用空気の供給量を削減させ、
燃焼排ガスの排気量を減少させて排気熱損失を低減する
ことができる。

【００１０】また、前記混合部は、前記予混合ガスと前
記燃焼排ガスとを積極的に混合する混合装置を備えても
よい。かかる構成では、混合装置は、定常燃焼時に、内
筒から流出する予混合ガスと燃焼排ガス導入部から流出
する燃焼排ガスとを積極的に混合して、混合ガス中の燃
料の分布をより均一にし、触媒燃焼を促進させる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
面を用いて説明する。図１に示す触媒燃焼式暖房装置
は、パイロット燃焼及び触媒燃焼を行う燃焼装置１と、
燃焼装置１に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管２
と、燃焼装置１から流出する燃焼排ガスを移送する放熱
管３と、放熱管３により移送される燃焼排ガスの一部を
燃焼装置１に還流する分岐管４と、制御装置１０と、を
備え、燃焼排ガスの熱を利用して暖房を行うと共に予混
合ガスを予熱する装置である。

【００１２】燃焼装置１には、燃焼用空気供給管２から
燃焼用空気が導入されると共に、燃料タンク８に貯蔵さ
れた液体燃料が燃料ポンプ９により供給又は遮断され
る。燃焼装置１は、供給される液体燃料と燃焼用空気と
の予混合ガスを用いてパイロット燃焼させ、これにより
触媒を加熱し、所定時間経過後にパイロット燃焼を停止
して、定常燃焼である触媒燃焼のみを行う。燃焼装置１
からは、パイロット燃焼及び触媒燃焼で発生する燃焼排
ガスが排出される。

【００１３】放熱管３には、燃焼排ガスの移送を促進す
るための送風機７が配設される。放熱管３は、燃焼排ガ
スが内部を移送される間に、燃焼排ガスの熱を外部に放
熱して暖房効果を得る。

【００１４】分岐管４は、送風機７下流側の放熱管３か
ら分岐されて、燃焼排ガスの一部が燃焼装置１に還流す
るように形成されている。分岐管４には、燃焼排ガス供
給制御手段としての制御バルブ６が配設される。制御バ
ルブ６は電磁弁等から成る。制御バルブ６の開閉制御に
より、パイロット燃焼時には分岐管４から燃焼装置１へ
の燃焼排ガスの還流を停止し、定常燃焼時のみ燃焼排ガ
スの一部を燃焼装置１に還流する。

【００１５】制御装置１０は、内部にスイッチ装置及び
タイマー（図示せず）を有して構成され、スイッチ操作
に応じて、燃料ポンプ９、送風機７及び制御バルブ６の
開閉時間、及び後述する着火装置１９（図２）の着火時
間等が制御される。

【００１６】次に、燃焼装置１の構成について説明す
る。燃焼装置１は、図２に示すように、内筒１１、燃焼
排ガス供給筒１２、外筒２０、混合筒１４、燃焼筒１６
及び燃焼排ガス排出筒１３等を備えている。

【００１７】内筒１１は、ステンレス等の耐熱金属薄板
により円筒形状に形成され、軸方向一端部が、図１に示
す燃焼用空気供給管２の燃焼用空気流出側端部と連通さ
れ、燃焼用空気を内部に導入する。内筒１１内部には、
液体燃料噴射装置としての燃料ノズル１８及び着火装置
１９が配設される。

【００１８】燃料ノズル１８は、図１に示す燃料ポンプ
９により供給される液体燃料を先端部から噴射して、内
筒１１内部に供給する。液体燃料としては、灯油、軽
油、Ａ重油等を利用可能である。

【００１９】着火装置１９は、電極を備えて成り、制御
装置１０の制御により、運転動作開始時に電気花火を発
生させる。これにより、噴射された液体燃料と燃焼用空
気との混合ガスが着火されて火炎が生成され、バーナー
燃焼であるパイロット燃焼が開始される。

【００２０】外筒２０は、耐熱金属薄板による円筒形状
であって、内筒１１の外周に形成される。そして、軸方
向の一端部壁は、内筒１１が気密に嵌入され、他端部
は、混合筒１４に連通される。

【００２１】燃焼排ガス供給筒１２は、耐熱金属薄板に
よる円筒形状に形成され、一端部は、図１に示す分岐管
４の燃焼排ガス流出側端部と連通され、他端部は、外筒
２０の周側面に連通接合される。

【００２２】外筒２０及び燃焼排ガス供給筒１２が、燃
焼排ガス導入部に相当する。定常燃焼時には、分岐管４
を介して燃焼排ガス供給筒１２から流入する高温（約２
５０〜３５０゜Ｃ）の燃焼排ガスを外筒２０により迂回
させて、該燃焼排ガスで内筒１１全面を加熱させながら
内筒１１の外周空間に導入する。これにより、内筒１１
の外周面が均一に加熱されて、内筒１１の内周面に噴射
燃料が付着して液滴となった燃料が気化されると共に、
内筒１１中の予混合ガスも予熱される。

【００２３】混合筒１４は、耐熱金属薄板により円筒形
状に形成され、下流側端部が触媒筒１６に接続される。
混合筒１４内部には、予混合ガスと還流された燃焼排ガ
スとを積極的に混合する混合装置１５が配設される。混
合筒１４が混合部に相当する。

【００２４】混合装置１５は、たとえば、図３に示すよ
うに、圧力損失低減用の穴３２が中心部に形成された円
形の耐熱金属薄板３０に切り込みを与え、複数の羽状の
切り起こし部３１を有して成る。そして、内筒１１から
流出する予混合ガスと、外筒２０から流出する燃焼排ガ
スとを、複数の羽状の切り起こし部３１によりスワール
流となるべく方向付けをし、撹拌して混合を促進するも
のである。また、混合装置１５には、図４に示すよう
に、円形の耐熱パンチングメタル板３３の中心部に、円
形の耐熱金属閉鎖薄板３４を貼り合わせたものも用いる
ことができる。耐熱金属閉鎖薄板３４を有することで、
よく混合できる。混合装置１５による予混合ガスと燃焼
排ガスとの混合ガス（約１５０〜３００゜Ｃ）は、触媒
筒１６内に配置された触媒燃焼器１７に送られる。

【００２５】触媒燃焼器１７は、耐熱担体により触媒を
担持した触媒層が充填されたものである。触媒燃焼器１
７の触媒層は、パイロット燃焼時に、燃焼排ガスにより
予熱され、活性化温度に迅速に到達するようになってい
る。また、その後の定常燃焼時には、触媒反応下で、混
合装置１５から送られる混合ガスの燃焼を行う。耐熱担
体としては、例えば、コージェライト、ムライト、α−
アルミナ、チタニア等のセラミックス等を使用可能であ
る。触媒には活性金属が用いられ、活性金属としては、
白金、パラジウム等の白金族元素等が挙げられる。耐熱
担体の形状は、ハニカム状、粒状、ペレット状及び棒状
等とすることができる。耐熱担体が粒状、ペレット状及
び棒状の触媒層は、ステンレス等の耐熱金属から成る箱
状又は筒状等の容器に充填して用い、ハニカム状の触媒
層は、必要な大きさに形成したものをそのまま用いる。

【００２６】燃焼排ガス排出筒１３は、耐熱金属薄板に
より円筒形状に形成され、下流側端部は、図１に示す放
熱管３の燃焼排ガス流入側端部と接続される。燃焼排ガ
ス排出筒１３は、パイロット燃焼及び定常燃焼により発
生した燃焼排ガスを放熱管３に排出する。

【００２７】次に、本実施形態の触媒燃焼式暖房装置の
動作について説明する。運転開始時は、スイッチ操作に
基づく制御装置１０の制御により、送風機７の稼働を開
始させ、着火装置１９により電気火花を発生させた直
後、燃料ポンプ９を稼働して燃料ノズル１８から液体燃
料を噴射させて、パイロット燃焼を開始する。パイロッ
ト燃焼により発生する燃焼排ガスは、触媒燃焼器１７の
触媒層を加熱すると共に、自ら触媒燃焼を行い、放熱管
３に排出されて放熱し、暖房を行う。このパイロット燃
焼時には、制御バルブ６は完全に閉じるように制御され
ている。従って、パイロット燃焼による燃焼排ガスの還
流により内筒１１を冷却することがないため、触媒加熱
が急速に促進される。また、パイロット燃焼における火
炎は、還流される燃焼排ガスがないため、該燃焼排ガス
によって吹き消されたり、又は、不安定状態とされない
ため、燃焼が円滑に安定して行われ、失火することを未
然に防止する。

【００２８】触媒層が活性化温度まで十分に加熱された
後は、燃料ポンプ９の制御により、燃焼装置１への液体
燃料の供給を中断し、パイロット燃焼を一旦停止させ
る。この後、直ちに、燃料ポンプ９による燃焼装置１へ
の液体燃料の供給を開始するが、着火装置１９による電
気火花は発生させない。これにより、内筒１１内に噴射
された液体燃料と燃焼用空気との予混合ガスは、内筒１
１から混合筒１４に送られ、内筒１１の外周空間を介し
て流入された燃焼排ガスと共に撹拌・混合され、触媒筒
１６の触媒燃焼器１７に送られて、定常の触媒燃焼が開
始される。

【００２９】触媒燃焼により発生する燃焼排ガスは、放
熱管３を介して外部に排出されると共に、既述のとお
り、その一部が分岐管４に流入される。また、制御バル
ブ６を全開に制御し、放熱管３から分流させた燃焼排ガ
スを、分岐管４を介して燃焼装置１に還流する。

【００３０】高温の燃焼排ガスは内筒１１の外周空間に
還流されて、内筒１１の外周面を加熱するので、内筒１
１の内周面に付着した燃料が気化されると共に、内筒１
１内の予混合ガスが予熱される。

【００３１】従って、内筒１１内で生成される予混合ガ
スは、還流燃焼排ガスによる内筒１１の加熱によって液
滴燃料が気化されると共に、内筒１１内で加熱される。
そして、その予混合ガスは、混合筒１４内で、流入され
た燃焼排ガスとの混合・撹拌により十分に昇温される。
これにより、触媒燃焼が安定して行われる。

【００３２】上述のような触媒燃焼を連続的に行うこと
で、定常燃焼時の装置内部の温度が平衡状態となり、安
定した触媒燃焼が継続して行われる。尚、定常燃焼時の
燃焼用空気と燃焼排ガスとの流量比は、約１：２とする
ことが好ましい。燃焼用空気と燃焼排ガスとの混合気体
の酸素濃度は約５〜１０％となり、大気中の酸素濃度
（約２１％）よりも低いが、触媒燃焼は低酸素濃度の混
合ガスを用いても良好に燃焼可能であるという性質を利
用している。これにより、火炎を生成して燃焼するいわ
ゆる逆引火現象が発生せず、円滑な触媒燃焼を行うこと
ができる。

【００３３】また、パイロット燃焼から定常燃焼への移
行時間は、使用する液体燃料及び触媒の種類や量等に応
じて異なるため、それらの条件に応じて、燃料ポンプ
９、制御バルブ６及び着火装置１９の動作が制御される
ように、制御装置１０内のタイマーの設定時間を調整す
る。

【００３４】運転停止時には、送風機７は稼働させたま
ま、燃料ポンプ９の動作を停止させて、液体燃料の燃焼
装置１への供給を停止する。そして、装置内部の温度が
十分に低下したときに、送風機７を停止させる。

【００３５】尚、上述した実施形態では、燃料ポンプ
９、送風機７、制御バルブ６及び着火装置１９の動作
を、制御装置１０のスイッチ装置及びタイマーで制御す
る構成であるが、センサ等を用いた温度検出手段で燃焼
排ガス等の温度を検出し、検出温度に応じて、燃料ポン
プ９、送風機７及び制御バルブ６の動作を制御する構成
とすることも可能である。

【００３６】また、触媒燃焼時の燃焼排ガスの一部は、
放熱管３を介さず、燃焼装置１に直接に還流させる構成
としてもよい。また、本実施形態では、燃焼排ガスの一
部排出を、放熱管３の移送後に行っているが、放熱管３
移送後の燃焼排ガスの全量を内筒１１の外周空間に導入
して内筒１１の加熱に用い、その後、一部を外部に排出
するようにしてもよい。さらに、内筒１１外部で燃焼用
空気と還流燃焼排ガスの全量とを予混合した後、その一
部を内筒１１内に燃焼用空気（燃焼排ガス混合）として
内筒１１内に導入するようにしてもよい。

【００３７】上述したように、本発明に係る触媒燃焼式
暖房装置は、パイロット燃焼時には燃焼排ガスを還流し
ないので、触媒加熱用火炎は酸素濃度の低い燃焼排ガス
の流れの影響を受けず、パイロット燃焼は良好に行わ
れ、触媒層の加熱を効率良く行うことができる。また、
暖房用に放熱した後の低温の燃焼排ガスによってパイロ
ット燃焼温度を低下させることがなく、ひいては、触媒
層の加熱時間が長引くことを回避できる。

【００３８】また、定常燃焼時には、発生する高温の燃
焼排ガスの熱を利用して、内筒１１の内周面に付着した
液体燃料が壁流となることを防止して、迅速かつ十分に
気化促進させると共に、燃焼用空気も予熱することがで
きる。これにより、所望の混合比及び濃度の予混合ガス
を用いて良好な触媒燃焼を行うことができるので、一酸
化炭素及び炭化水素等の不完全燃焼物質並びに未燃焼物
質の生成を抑制できる。

【００３９】さらに、予混合ガスの予熱のために電気ヒ
ータ、バーナー及び熱交換器等の特別な予熱装置を用い
る必要が無く、装置の小型化及び低コスト化を図ること
ができる。このため、本装置は、家庭用の小型暖房装置
から産業用の大型暖房装置まで幅広い範囲で適用可能と
なる。

【００４０】そのうえ、触媒を熱害から保護するための
触媒燃焼最高温度抑制用ガスとして作用する燃焼排ガス
を予混合ガスに混合することで、燃焼用空気の供給量を
削減し、燃焼排ガスの排気量を減少させて、排気熱損失
を低減することができる。この燃焼排ガスの再利用によ
り、ランニングコストを削減でき、燃料の節約となる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
に係る発明によれば、パイロット燃焼時は、燃焼排ガス
を還流しないので、触媒加熱用火炎は燃焼排ガスの流れ
の影響を受けず、パイロット燃焼は良好に行われ、触媒
層の加熱を効率良く行うことができる。また、暖房用に
放熱した後の低温の燃焼排ガスによって内筒を冷却しな
いので、パイロット燃焼温度を低下させることがなく、
ひいては、触媒層の加熱時間が長引くことを回避でき
る。さらに、触媒燃焼時には、高温の燃焼排ガスの熱を
利用して、内筒の内周面に付着した液体燃料が壁流とな
ることを防止し、迅速かつ十分に気化促進させると共
に、燃焼用空気も良好に予熱することができる。そのう
え、燃焼排ガスを再利用することで燃焼排ガスの排気量
を減少し、排気熱損失を低減することができる。

【００４２】本発明の請求項２に係る発明によれば、予
混合ガスと燃焼排ガスとの撹拌・混合を積極的に促進し
て、燃料の分布をより均一にして、良好な触媒燃焼を促
進できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る触媒燃焼式暖房装置の一実施形態
の模式的構成図である。

【図２】図１の燃焼装置の一実施形態の概略的構成図で
ある。

【図３】混合装置の一実施形態の概略的構成図である。

【図４】混合装置の他の実施形態の概略的構成図であ
る。

【符号の説明】

１・・燃焼装置 ２・・燃焼用空気供給管 ３・・放熱管 ４・・分岐管 ６・・制御バルブ ７・・送風機 ８・・燃焼タンク ９・・燃料ポンプ １０・・制御装置 １１・・内筒 １２・・燃焼排ガス供給筒 １３・・燃焼排ガス排出筒 １４・・混合筒 １５・・混合装置 １６・・触媒筒 １７・・触媒燃焼器 １８・・燃焼ノズル １９・・着火装置 ２０・・外筒

フロントページの続き (72)発明者 永野 久司 神奈川県横浜市神奈川区子安通３−390 日石三菱精製株式会社横浜製油所内 (72)発明者 田辺 勉 神奈川県横浜市神奈川区子安通３−390 日石三菱精製株式会社横浜製油所内 (72)発明者 相澤 幸雄 神奈川県横浜市中区千鳥町８番地 日石三 菱株式会社中央技術研究所内 (72)発明者 水野 康 神奈川県横浜市中区千鳥町８番地 日石三 菱株式会社中央技術研究所内 (72)発明者 吉田 正四 神奈川県座間市相模が丘６−26−11 日精 オーバル株式会社技術部内 Ｆターム(参考） 3K052 AA02 AB06 AB10 AC01 FA01 FA03 FA05 FA08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体燃料と燃焼用空気との予混合ガスを触
   媒により燃焼させて、発生する燃焼排ガスの熱により暖
   房を行うと共に前記予混合ガスを予熱する触媒燃焼式暖
   房装置において、 前記触媒燃焼及びパイロット燃焼のために前記液体燃料
   を噴射する液体燃料噴射装置と、 前記パイロット燃焼のために噴射された前記液体燃料に
   着火させる着火装置と、 前記液体燃料噴射装置及び前記着火装置を内部に備え、
   前記燃焼用空気を内部に導入して、噴射された前記液体
   燃料と予混合する内筒と、 前記内筒の外周空間に前記燃焼排ガスの一部を還流し
   て、前記内筒を加熱することにより前記予混合ガスを予
   熱する燃焼排ガス導入部と、 前記内筒から流出する予混合ガスと前記燃焼排ガス導入
   部から流出する燃焼排ガスとを混合して、該混合ガスを
   前記触媒に導く混合部と、 前記パイロット燃焼時に、前記内筒の外周空間への前記
   燃焼排ガスの供給を停止する燃焼排ガス供給制御手段
   と、を備えて構成したことを特徴とする触媒燃焼式暖房
   装置。
2. 【請求項２】前記混合部は、前記予混合ガスと前記燃焼
   排ガスとを積極的に混合する混合装置を含むことを特徴
   とする請求項１に記載の触媒燃焼式暖房装置。