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技術 触媒燃焼装置

出願人 パナソニック株式会社
発明者 前西晃保坂正人鈴木次郎
出願日 1994年11月25日 (25年11ヶ月経過) 出願番号 1994-291173
公開日 1996年6月7日 (24年5ヶ月経過) 公開番号 1996-145307
状態 拒絶査定
技術分野 他に分類されない燃焼 一般的な熱交換又は熱伝達装置の細部4
主要キーワード 稼動装置 輻射吸収 入射回数 ネット形状 輻射吸収層 輻射伝熱量 金属ネット 輻射量
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年6月7日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

目的

気体燃料触媒燃焼させる触媒燃焼装置において、触媒上で生じた燃焼熱を、輻射熱伝達を有効に用いて燃焼室内のフィンに伝えて熱交換を行い、効率の良い加熱やスチームの発生を行わせる。

構成

燃焼室4内に、流れ方向に沿って燃焼室4内部方向に突出したフィン9と、フィン9との間に間隔をおいた位置に薄板状の触媒6を設置し、フィン9の上流部に高輻射吸収層10を設けている。

概要

背景

従来、気体燃料触媒燃焼させて熱交換を行う触媒燃焼装置は図7に示したような構成が一般的であった。

その構成について、図7を用いて説明する。図7において、燃料ガスガスタンク1から燃料ガス供給部であるガスノズル2により混合室3に供給され、空気と混合され燃焼室4に送られる。まず、点火装置5により火炎触媒6の下流部に形成される。触媒6は火炎により昇温され、活性温度に達すると触媒燃焼を開始する。同時に、火炎は、火炎の上流側に触媒燃焼部が存在することになり消炎する。排気ガスは点火装置5の下流にある排気口7より排出される。触媒燃焼が起こり燃焼室4が設定温度に到達すると、ガス供給制御機構8により、ガス供給を停止し燃焼室4の温度上昇を抑える。また、燃焼室4が設定温度を下回った時には、再びガスを供給し、燃焼室4の温度を上昇させる。この動作により、燃焼状態を安定させ、触媒6上で生じた燃焼熱フィン9により熱交換を行い、加熱やスチームを発生させることのできる触媒燃焼装置として機能させる。なお、触媒6は後述するように空気層100を介してフィン9の側面と上面を覆っている。又、縦断面図は、横断面図の矢視方向からみた図である。又、触媒6は図面上単なる厚さのない線で表示されているが実際は一定の厚さを持つものである。

概要

気体燃料を触媒燃焼させる触媒燃焼装置において、触媒上で生じた燃焼熱を、輻射熱伝達を有効に用いて燃焼室内のフィンに伝えて熱交換を行い、効率の良い加熱やスチームの発生を行わせる。

燃焼室4内に、流れ方向に沿って燃焼室4内部方向に突出したフィン9と、フィン9との間に間隔をおいた位置に薄板状の触媒6を設置し、フィン9の上流部に高輻射吸収層10を設けている。

目的

本発明は、上記問題点を解決し、高熱交換率燃焼装置を実現することを目的とするものである。

また、着火時の触媒燃焼への移行や触媒燃焼装置の稼動状態を確認することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
3件

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請求項1

燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部の下流に設けた燃料ガスと空気とを混合する混合室と、前記混合室の下流に設けた燃焼室とを備え、前記燃焼室内に流れ方向に沿って前記燃焼室内部方向に突出したフィンと、前記燃焼室内に前記フィンとの間に間隔を設ける状態で前記フィンを覆うように位置させた薄板状の触媒を有し、前記フィンの上流部の表面に高輻射吸収層を設けたことを特徴とする触媒燃焼装置

請求項2

燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部の下流に設けた燃料ガスと空気とを混合する混合室と、前記混合室の下流に設けた燃焼室とを備え、前記燃焼室内に流れ方向に沿って前記燃焼室内部方向に突出したフィンと、前記燃焼室内に前記フィンとの間に間隔を設ける状態で前記フィンを覆うように位置させた薄板状の触媒を有し、前記フィンの表面を細かな凹凸形状としたことを特徴とする触媒燃焼装置。

請求項3

燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部の下流に設けた燃料ガスと空気とを混合する混合室と、前記混合室の下流に設けた燃焼室とを備え、前記燃焼室内に流れ方向に沿って前記燃焼室内部方向に突出したフィンと、前記燃焼室内に前記フィンを覆うように位置させた薄板状の触媒と、前記燃焼室内の前記触媒の下流に設けた点火装置と、前記触媒下流部近傍の燃焼室壁着火確認窓を設けたことを特徴とする触媒燃焼装置。

請求項4

触媒下流部の触媒担持量を多くしたことを特徴とする請求項3記載の触媒燃焼装置。

請求項5

燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部の下流に設けた燃料ガスと空気とを混合する混合室と、前記混合室の下流に設けた燃焼室と、前記燃料ガス供給部からの燃料ガスの供給量を制御するガス供給制御機構とを備え、前記燃焼室内には流れ方向に沿って前記燃焼室内部方向に突出したフィンと、前記燃焼室内に前記フィンを覆うように位置させた薄板状の触媒と、前記燃焼室内の前記触媒の下流に設けた点火装置と、前記触媒下流の燃焼室壁に着火確認窓を設け、前記着火確認窓近傍に燃料ガスの流れをさえぎるように補助触媒を設けたことを特徴とする触媒燃焼装置。

請求項6

補助触媒をネット形状としたことを特徴とする請求項5記載の触媒燃焼装置。

技術分野

0001

本発明は、燃料ガス触媒燃焼させ、同時に熱交換を行い加熱やスチーム発生等を行わすことができる触媒燃焼装置に関する。

背景技術

0002

従来、気体燃料を触媒燃焼させて熱交換を行う触媒燃焼装置は図7に示したような構成が一般的であった。

0003

その構成について、図7を用いて説明する。図7において、燃料ガスはガスタンク1から燃料ガス供給部であるガスノズル2により混合室3に供給され、空気と混合され燃焼室4に送られる。まず、点火装置5により火炎触媒6の下流部に形成される。触媒6は火炎により昇温され、活性温度に達すると触媒燃焼を開始する。同時に、火炎は、火炎の上流側に触媒燃焼部が存在することになり消炎する。排気ガスは点火装置5の下流にある排気口7より排出される。触媒燃焼が起こり燃焼室4が設定温度に到達すると、ガス供給制御機構8により、ガス供給を停止し燃焼室4の温度上昇を抑える。また、燃焼室4が設定温度を下回った時には、再びガスを供給し、燃焼室4の温度を上昇させる。この動作により、燃焼状態を安定させ、触媒6上で生じた燃焼熱フィン9により熱交換を行い、加熱やスチームを発生させることのできる触媒燃焼装置として機能させる。なお、触媒6は後述するように空気層100を介してフィン9の側面と上面を覆っている。又、縦断面図は、横断面図の矢視方向からみた図である。又、触媒6は図面上単なる厚さのない線で表示されているが実際は一定の厚さを持つものである。

発明が解決しようとする課題

0004

このような従来の燃焼室構成の触媒燃焼装置では、触媒とフィンとの間に間隔を設け空気層100を有しているため、触媒上の燃焼熱は熱交換部であるフィンに直接、熱伝導で伝えることはできず、主に輻射伝熱される。ここで、フィンの材料は、熱伝導性生産性を考慮してアルミが使用されるが、アルミの輻射係数は、 0.1と低いため、触媒で生じた燃焼熱を有効的にフィンに伝熱することができず、高熱交換率燃焼装置を実現できないという問題があった。

0005

また、燃焼装置着火時には、燃焼室内に存在する火炎や触媒燃焼への移行を燃焼装置外部から認識することはできない。そのため、着火時に触媒燃焼装置として稼働し始めたかどうか確認することができなかった。

0006

さらに、触媒燃焼装置稼働時にも、実際に触媒燃焼が安定して行われているかどうか確認することができなかった。

0007

本発明は、上記問題点を解決し、高熱交換率の燃焼装置を実現することを目的とするものである。

0008

また、着火時の触媒燃焼への移行や触媒燃焼装置の稼動状態を確認することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0009

本発明の触媒燃焼装置は、上記目的を達成するために、燃焼室内のフィンの上流部に高輻射吸収層を設けるものであり、また、フィン全体の表面に細かな凹凸形状を有するものである。

0010

また、触媒下流部近傍の燃焼室壁着火確認窓を設けるものである。

0011

さらに、触媒の下流の燃焼室壁に着火確認窓を設け、その近傍に燃焼確認用補助触媒を設けるものである。

0012

本発明の燃焼室構成は、流れ方向に沿って燃焼室内部方向に突出したフィンと、フィンを覆うように位置させた触媒との間に空気層を設ける構造をとっている。そのため、触媒上で生じた燃焼熱は、輻射と熱伝達によって、熱交換部であるフィンに伝えられる。この時の、流れ方向の触媒の温度分布フィン温度分布図8のようになる。触媒からフィンへの輻射伝熱量は、基本的に、触媒温度とフィン温度の4乗の差と、触媒とフィンの表面の輻射係数で決まる。触媒の上流部は触媒とフィンとの温度差が大きいため、輻射による伝熱量が多くなる。一方、下流部では温度差が小さいので、輻射伝熱があまり行われない。ここで、一般に、フィン材料は熱伝導性や加工性コスト面からアルミが用いられる。しかし、アルミの輻射係数は、約 0.1であるため輻射伝熱の受熱面としてはあまり適していない。

0013

そこで、フィン表面に高輻射吸収層を設ければ受熱性が良くなると考えられるが、フィン上に被膜を形成することになるので、断熱層として働き、熱伝達を阻害する。しかし、輻射伝熱量が多いフィン上流部では、高輻射吸収層による輻射量の増加に比べて熱伝達が阻害されることによる伝熱量の減少が少ないため、高輻射吸収層により伝熱量を増加させることができる。一方、輻射伝熱量の少ないフィン下流部では、高輻射吸収層による熱伝達の阻害量が大きく作用するので、高輻射吸収層を設けない方が伝熱量は多い。よって、輻射伝熱量が多い触媒温度が高い領域に対するフィン部(フィンの上流部)の表面のみに、高輻射吸収層を設ければ、効率よく熱交換を行うことができる。

0014

また、断熱作用を有する高輻射吸収層を設けず、フィンの表面に細かな凹凸を形成すれば、フィン表面上で触媒からの輻射を乱反射させるだけでなく、フィンの表面積を増やすことができるのでフィン表面への輻射の再入射回数を増やすことができる。そのため、フィンへの輻射の吸収率を高めることができ、輻射伝熱量を増やすことができる。この方法では、フィンの表面形状を変化させるので断熱層は存在せず、熱伝達を阻害することはない。したがって、フィン全体に細かな凹凸を設けることで、フィン全体において熱交換率の向上をもたらすことができる。

0015

触媒燃焼装置の着火時には、触媒の下流側に火炎を形成して触媒燃焼に移行させる。このとき、火炎により触媒下流部が昇温されるので、触媒燃焼移行開始時には、触媒下流部から触媒燃焼が開始し、この部分が赤熱する。この赤熱が燃料ガス供給側である触媒上流側に移行する。そこで、触媒下流部を見ることができる燃焼室壁に着火確認窓を設けると、触媒燃焼移行時の触媒下流部の赤熱を視覚的に捉えることができるので、着火時に、触媒燃焼装置の稼動が確実に行われたどうか確認することができる。

0016

また、触媒燃焼装置稼働時には、ガス供給制御機構によりガスの供給と停止を行い触媒燃焼装置としての温度コントロールを行う。ガス供給停止状態から再供給し始めた瞬間には、触媒は自然放熱などにより温度が低下しており、触媒の活性状態はあまり良好でない。そのため、ガスの再供給により触媒燃焼が再開された時には、燃料ガスが供給される触媒上流部でのスリップ分が多くなり、触媒中央部や下流部での反応量が多くなる。ここで、触媒下流部の触媒担持量を多くすると、ガスが再供給されたとき、触媒下流部に存在する未燃焼ガス触媒活性が良好な触媒下流部で反応して赤熱する。よって、触媒下流部近傍の燃焼室壁に着火確認窓を設ければ、触媒燃焼装置の稼動開始の確認だけでなく、触媒燃焼装置の稼動状態を確認することもできる。

0017

また、触媒の下流に燃料ガスの流れをさえぎるように補助触媒を設ければ、流れに沿って設置された触媒よりも燃料ガスに対する接触性増し反応率が向上する。したがって、ガスが再供給された時に触媒から排出される未燃焼ガスを燃焼させ赤熱させることができる。この赤熱が見える位置に着火確認窓を設ければ、触媒燃焼装置の稼働状態を確認することができる。

0018

以下、本発明の触媒燃焼装置について図面を参照しながら説明する。

0019

図1は本第1の発明の一実施例を示している。燃料ガスを蓄えるガスタンク1と、ガスタンク1から燃料ガスを供給するガスノズル2と、ガスノズル2から噴出された燃料ガスを空気と混合する混合室3と、混合室3の下流に設置された燃焼室4から構成されている。燃焼室4内には、流れ方向に沿って燃焼室4内部方向に突出したフィン9と、フィン9を覆いフィン9と間隔を設けた位置に薄板状の触媒6を設置している。さらに、フィン9の上流部の表面には、高輻射吸収層10を設けている。

0020

上記構成において、燃料ガスはガスタンク1からガスノズル2により混合室3に供給され、空気と混合され4の燃焼室に送られる。点火装置5により火炎が触媒6の下流部に形成される。触媒6は火炎により昇温され、活性温度に達すると触媒燃焼を開始する。同時に、火炎は、火炎の上流側に触媒燃焼部が存在することになり消炎する。排気ガスは点火装置5の下流にある排気口7より排出される。触媒6上で生じた燃焼熱は、輻射と熱伝達によってフィン9に伝えられ熱交換を行う。

0021

このとき、触媒6の上流部で生じた燃焼熱は、触媒6上流部温度と、それに対向するフィン9上流部温度の差が大きいので、触媒6から燃焼ガス、そしてフィン9へと伝わる熱伝達よりも、主に輻射によってフィン9に伝熱される。ここで、フィン9の上流部の表面には、高輻射吸収層10を設けてあるので、触媒6からの輻射は非常に高い割合でフィン9に吸収されることになる。一方、触媒6の下流部で生じた燃焼熱の伝熱は、触媒6の下流部温度とフィン9の下流部温度の差が小さいので輻射による伝熱よりも熱伝達の方が支配的に働く。よって、フィン9の下流部に高輻射吸収層10を形成すれば、輻射による伝熱性の向上を期待できないばかりでなく、アルミより熱伝導性が悪い高輻射吸収層10が断熱層として働くので熱の伝達性をも悪くする。したがって、触媒6とフィン9との温度差が小さいフィン9下流部では、高輻射吸収層10を設けず熱伝達による伝熱量を確保する構成をとり、熱伝達をできるだけ有効に用いる伝熱を行っている。以上のように、上記構成をとることで輻射と熱伝達を最大限利用することで、フィン9全体として熱交換率を向上させることができる。

0022

なお、高輻射吸収層としては、酸化被膜を形成したり高輻射吸収剤を塗布したりすればよい。

0023

図2は、本第2の発明の実施例を示している。本第1の発明と同様の構成において、フィンの表面に細かな凹凸形状を設け、フィン11としている。

0024

本第1の発明と同様、触媒6上で生じた燃焼熱は、主に輻射によりフィン9に伝熱される。しかし、アルミ製であるフィン9の輻射係数は約 0.1と低い値であり、輻射の吸収性が悪いものである。しかし、表面に凹凸形状を設けたフィン11を用いて、触媒6上の燃焼熱からの輻射がフィン11上で反射した時には、乱反射させて再びフィン11に入射するようにすれば、フィン11への入射回数を増やすことができ、フィン11内に吸収される可能性を高くすることができる。その結果、フィン11への伝熱性を高め、熱交換率を向上させることができる。

0025

このような表面の凹凸形状は、一般に、サンドブラストなどを用いれば効果的に作り出すことができる。

0026

図3は、本第3の発明の第1の実施例を示している。燃料ガスを蓄えるガスタンク1と、ガスタンク1から燃料ガスを供給するガスノズル2と、ガスノズル2から噴出された燃料ガスを空気と混合する混合室3と、混合室3の下流に設置された燃焼室4から構成されている。燃焼室4内には、流れ方向に沿って燃焼室4内部方向に突出したフィン9と、フィン9を覆う位置に薄板状の触媒6を設置している。触媒6の下流には点火装置5が、さらに下流には排気口7を有している。触媒6の下流部の燃焼室4の壁には着火確認窓12を設けている。

0027

上記構成において、燃料ガスはガスタンク1からガスノズル2により混合室3に供給され、空気と混合され4の燃焼室に送られる。点火装置5により点火を行い、触媒6下流に火炎を形成する。触媒6の下流部は火炎により昇温され、触媒6下流部より触媒燃焼を開始し赤熱する。この赤熱が燃料ガス供給側である触媒上流側に移行する。排気ガスは点火装置5の下流にある排気口7より排出される。触媒6上で生じた燃焼熱は、フィン9に伝えられ熱交換を行う。

0028

従来の触媒燃焼装置のように着火確認窓12を設けなければ、着火時に火炎が形成されて確実に触媒燃焼に移行しているかどうか確認できない。もし、触媒燃焼が行われていなければ、未燃焼ガスを排気口7より排出することになる。また、着火動作を行ったことにより、触媒燃焼が行われていなくても触媒燃焼装置として稼動しているものと誤解を与えることになる。このようなことが起こることを、着火確認窓12を設けることで未然に防ぐことができるのである。

0029

図4は、本第4の発明の第1の実施例を示している。第3の発明の構成において、触媒6の下流に着火確認窓12を設け、その近傍に補助触媒13を設けている。

0030

触媒燃焼装置が稼動し始め、燃焼室4が設定温度に到達すると、ガス供給制御機構8により、ガス供給を停止し燃焼室4の温度上昇を抑える。また、燃焼室4が設定温度を下回った時には、再びガスを供給し、燃焼室4の温度を上昇させる。ガス供給停止状態から、再供給し始めた瞬間には、触媒6は自然放熱などで温度が下がっており触媒活性があまり良好ではない。そのため、燃料ガスが供給される触媒6上流部でのスリップ分が多くなり、触媒6の中央部や下流部での反応量が多くなる。ここで、特に触媒6は触媒下流部の担持量が多くなっているので活性状態が良く、未燃焼ガスと非常に良く反応して激しく赤熱する。したがって、着火確認窓12から触媒6下流部を見ることにより、触媒燃焼装置の稼動開始の確認だけでなく、触媒燃焼装置の稼動状態を確認することができる。

0031

図5は、本第4の発明の第1の実施例を示している。

0032

燃料ガスを蓄えるガスタンク1と、ガスタンク1から燃料ガスを供給するガスノズル2と、ガスノズル2から噴出された燃料ガスを空気と混合する混合室3と、混合室3の下流に設置された燃焼室4から構成されている。燃焼室4内には、流れ方向に沿って燃焼室4内部方向に突出したフィン9と、フィン9を覆う位置に薄板状の触媒6を設置している。触媒6の下流には点火装置5が、さらに下流には排気口7を有している。触媒6の下流の燃焼室4の壁には着火確認窓14を設け、その近傍に燃料ガスの流れをさえぎるように補助触媒15を設置している。

0033

上記構成において、燃料ガスはガスタンク1からガスノズル2により混合室3に供給され、空気と混合され4の燃焼室に送られる。点火装置5により点火を行い、触媒6下流に火炎を形成する。触媒6の下流部は火炎により昇温され、触媒6下流部より触媒燃焼を開始する。排気ガスは点火装置5の下流にある排気口7より排出される。触媒6上で生じた燃焼熱は、フィン9に伝えられ熱交換を行う。

0034

上記のように、触媒燃焼装置稼動時のガス再供給時には、触媒6の温度が低下しているので触媒活性が良好でなく、触媒6の上流部では燃料ガスのスリップが起こり、触媒6の中央部や下流部で主に燃焼が起こっている。従って、触媒6からも未燃焼ガスが多く排出されている。ここで、補助触媒15は燃料ガスの流れを妨げるように設けられているので、燃料ガスの流れに沿って設置されている触媒6に比べて未燃焼ガスに対する接触性が増し、反応性が非常に高くなる。したがって、燃料ガス再供給時に、補助触媒15で触媒燃焼が起こり激しく赤熱させることができる。着火確認窓14から、この赤熱を見れば触媒燃焼稼動装置の稼働状態を確認することができる。

0035

図6は第4の発明の第2の実施例を示している。ネット形状の触媒を補助触媒16としている。

0036

補助触媒16をネット形状としているので、燃料ガスの流れを妨げるように設置しても、流れをあまり乱すことなく上記効果を発揮させることができる。また、補助触媒16の熱容量も小さくすることができるので、少しの未燃焼ガスで補助触媒16を昇温させ、赤熱させることができる。つまり、燃料ガス供給の制御に対して敏感に反応することになり、流れを乱さずに、かつ応答性良く触媒燃焼装置の稼動状態を確認することができる。

0037

なお、補助触媒16はネット形状でなくコイル形状や、さらに流れの抵抗となり難い形状としてもよい。また、金属ネットに触媒を担持したものでなく、触媒作用のある白金線を用いてもよい。

発明の効果

0038

以上の説明から明らかなように、本発明は、フィンの上流部の表面に高輻射吸収層を設けることで、輻射伝熱と熱伝達を有効に利用し、触媒燃焼装置の熱交換率を向上することができる。

0039

また、フィンの表面に小さな凹凸形状を設けることで触媒からの輻射を乱反射させ、フィンへの吸収量を増やし、熱交換率を高めることができる。

0040

また、触媒下流部の燃焼室壁に設けた着火確認窓により、触媒燃焼装置の稼動開始を確認することができる。

0041

さらに、触媒下流部の触媒担持量を多くすれば、触媒燃焼装置の稼動状態を確認することができる。

0042

また、触媒の下流に補助触媒を設けることでも、触媒燃焼装置の稼動状態を確認することができる。

0043

さらに、補助触媒をネット形状とすれば、流れを乱すことなく効果的に触媒燃焼装置の状態を認識することができる。

図面の簡単な説明

0044

図1本第1の発明の一実施例の触媒燃焼装置の断面図
図2本第2の発明の一実施例の触媒燃焼装置の断面図
図3本第3の発明の第1の実施例の触媒燃焼装置の断面図
図4本第3の発明の第2の実施例の触媒燃焼装置の断面図
図5本第4の発明の第1の実施例の触媒燃焼装置の断面図
図6本第4の発明の第2の実施例の触媒燃焼装置の断面図
図7従来の触媒燃焼装置の断面図
図8本発明の作用を説明するための温度分布図

--

0045

4燃焼室
5点火装置
6触媒
8ガス供給制御機構
9フィン
10 高輻射吸収層
11 フィン(細かな凹凸表面形状
12着火確認窓
13 触媒(下流部触媒担持量:多)
14 着火確認窓
15補助触媒
16 補助触媒(ネット形状)

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