燃焼装置
【課題】煤塵を発生させないために可及的に完全燃焼可能な暖房装置を提案する。
【解決手段】触媒６は、一次燃焼室３に上部に設けられた触媒収納部１２と触媒設置部７との間を移動可能に設けられ、一次燃焼室３の燃焼を優先する燃焼状態と一次排気口５を横切る触媒６により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっている。
【解決手段】触媒６は、一次燃焼室３に上部に設けられた触媒収納部１２と触媒設置部７との間を移動可能に設けられ、一次燃焼室３の燃焼を優先する燃焼状態と一次排気口５を横切る触媒６により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば薪ストーブ、ペレットストーブ、石炭ストーブなどの燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薪或いは石炭などの固形燃料を用いたストーブは、現在から２５０年ほど前に発明され実用化されてきたが、固形燃料を比較的低い温度で燃焼させているので未燃焼ガスが煙となって大量に発生する。この未燃焼ガスは着火温度が６００度程度と非常に高く通常の燃焼では完全に燃やすことができない。従って、未燃焼ガス中に含まれている微粒子、ＣＯ、タール等の不純物が煙とともに煙突を介して大気中へ排出され、スモッグ発生の要因となる。
【０００３】
しかしながら、近年、石炭、石油などの化石燃料の枯渇や地球温暖化防止の観点から木質バイオマスを燃料とする薪ストーブは再び見直されている。また、再生可能エネルギーへの転換が世界的規模ではかられておりこの点でも森林資源は好適である。さらには、近年、大気汚染が規制された結果、固形燃料を一次燃焼させる際に発生する未燃焼ガスをストーブ内で再燃焼させる以下の方式が知られている。
【０００４】
蜂の巣状に形成したセラミックスに白金パラジウムやロジウム等の貴金属を付着させた酸化触媒等に未燃焼ガスを接触させて２５０度程度の低い温度で煙中の未燃焼ガスを燃焼させるようにした触媒方式と、ストーブの燃焼室内に高温の再燃焼用の空気を供給してこの再燃焼用の空気を未燃焼ガスと撹拌させて６００度以上の高温で未燃焼ガスを再燃焼させるようにしたクリーンバーニング方式である。
【０００５】
触媒方式のストーブは、薪を燃焼させる燃焼室の上方であって煙突の手前に連通口を介して燃焼室と連通された二次燃焼室を形成し、この二次燃焼室内に未燃焼ガスの燃焼を促進する酸化触媒を配置して構成されている。そして、燃焼室内で発生した未燃焼ガスを二次燃焼室内へ導入するとともにこの二次燃焼室に配置されている酸化触媒の内部を通過させ、この触媒の酸化作用によって２５０度程度の低い温度で未燃焼ガスを再燃焼させ未燃焼ガス中のＣＯ量を削減させるようにしている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、クリーンバーニング方式のストーブは、薪を燃焼させるようにした燃焼室と、一端側が燃焼室の外側に開口されるとともに他端側に前記燃焼室内に開口されている流出口が形成された空気供給管を設けて構成されており、煙突によるドラフト効果によって前記空気供給管を介して燃焼室の外から取り入れた空気を流出口から再燃焼用空気として燃焼室内へ噴出させて、この再燃焼用空気を未燃焼ガスと撹拌させて６００度以上の高温にして未燃焼ガスを再燃焼させるようにしている（特許文献２参照）。なお排気煙の燃焼成分を再燃焼させることは、浄化と同時に発熱が増加し燃焼効率も向上する特長を併せ持つ。
【０００７】
また、薪ストーブは火力調整がむずかしい欠点がありそれを解決するために一次燃焼と二次燃焼の給気を調整する機構も開発されている。例えば、ストーブの焚き始めや煙突による十分なドラフト効果が得られない場合を想定して再燃焼用の空気を強制給気するようにしたストーブや（特許文献３）、未燃焼ガスを滞留させた二次燃焼室に給気することで燃焼させるストーブ（特許文献４）なども提案されている。或いは焼却炉ではあるが、燃焼室の排気に含まれる煙の微粒子をヒーターによって再燃焼させ触媒を併用して無臭化させる技術も提案されている（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−４６３３４号公報
【特許文献２】特開２００４−７７０６０号公報
【特許文献３】特開２００６−５２９１２号公報
【特許文献４】特開２００７−２８５６６０号公報
【特許文献５】特開２００７−７８２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した各薪ストーブには、以下に述べる課題があった。
即ち、触媒を利用した二次燃焼型のストーブは、煤塵を触媒による再燃焼を促して排気ガスの浄化を行っている。このため、煤塵除去効率を上げるためには、排気抵抗を大きくして排気と触媒との反応時間を長くする工夫がされている。
しかしながら触媒による再燃焼もすべての煤塵を燃焼できるわけではなくかなり未燃焼で通過する。また排気抵抗が大きいことから限界燃焼量が低く制限され、触媒を経由させることでかえって不完全燃焼を誘発し排気煙を増加させている。さらに不完全燃焼による低温の排気ガスが触媒温度を下げますます煤塵除去率が下がる。
そこで、何とか排気抵抗を下げようとしてストーブ本体を強火力で加熱して高温にする予熱運転が長時間行われているが、直接排気されるために再燃焼は行われておらず、予熱運転の期間は大量の煤塵を排出してしまう。
【００１０】
また、従来の薪ストーブは燃焼量に応じて吸気量が変化するオープンループシステムである。よって完全燃焼すればますます火力は強くなり、不完全燃焼すれば火力は弱くなる。
不完全燃焼時は可燃成分が未燃焼で排気され燃焼効率が低下し煤塵が増加することから、完全燃焼が望まれる。燃料と温度が一定の場合、酸素量を最適化すれば完全燃焼できる。理論空燃比は１５であり、水蒸気生成現象等から１８が採用される。
従来ストーブでは無制御状態で燃焼が行われていることから、最適燃焼せず塵埃が大量に排出され燃焼効率も悪化している。そして最適燃焼に手動で調整することも困難である。
また、最新型のストーブでは触媒を備えているが、フライアッシュが付着して触媒性能が経時的に低下するため煤塵除去効率には限界がある。
【００１１】
そこで、排気ガス中の可燃成分は不完全燃焼の反映であるから、触媒の再燃焼作用は完全燃焼からの誤差量の検出と誤差演算を行っていることになる。演算結果は排気圧の増減となって現れて、不完全燃焼時は排気圧が強い負圧となってそれは一次燃焼室の空気に伝達され、最終的に給気量に負帰還がかかる。即ち、二次燃焼室における触媒は、不完全燃焼のセンサであり誤差増幅器に相当し、システム入力部に補正量をフィードバック制御する閉ループを形成するに等しい。燃焼装置を燃焼ガスの自然対流を演算および補正装置を駆動するエネルギー源とし、触媒により誤差演算を行い、燃焼室内の気体を使って補正信号を伝達するフィードバックシステム、即ち一種の気体演算装置とみなして本発明を提案するに至った。
本発明の目的は、煤塵を発生させないために可及的に完全燃焼可能な燃焼装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る燃焼装置は、以下の構成を備える。
給気口から排気口まで気密性が保たれた燃焼装置であって、ストーブ本体に設けられた開閉扉から燃焼材を収容して一次給気しながら燃焼させる一次燃焼室と、前記一次燃焼室の上方が仕切られ、火炎到達範囲に設けられた一次排気口を横切って触媒を設置可能な触媒設置部と、前記触媒設置部に設置された前記触媒を通過する際に排気中に含まれる可燃成分を再燃焼させる二次燃焼部と、前記二次燃焼させた排気を前記ストーブ本体の二次排気口より排気する排気量を抑制可能な排気抑制部と、を具備し、前記触媒は、前記一次燃焼室に上部に設けられた触媒収納部と前記触媒設置部との間を移動可能に設けられ、前記一次燃焼室の燃焼を優先する燃焼状態と前記一次排気口を横切る前記触媒により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっていることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、触媒は一次燃焼室に上部に設けられた触媒収納部と触媒設置部との間を移動可能に設けられているので、触媒を例えば触媒収納部と触媒設置部との中間位置に移動させることで、触媒を経由しない排気通路が形成され、排気抵抗が減少するため、閉ループゲインは増大し一次燃焼室の燃焼が拡大する。よって、一次燃焼室の燃焼材が点火直後の上昇気流が極めて小さいときに触媒を触媒収納部側へ移動させておくことが有効である。点火時の排気ガス量は少ないことから触媒を触媒設置から移動させても支障はない。
また、一次燃焼室の燃焼材に点火した後、触媒を触媒設置部に設置することで、排気抑制によるフィードバックを行って二次燃焼を促し、煤塵を再燃焼させることができるので排煙を大幅に減らすことができる。触媒は一次燃焼室の火炎到達範囲に設けられるので、触媒動作温度まで上昇するのに時間を要さない。
また、一次燃焼室の燃焼を優先する燃焼状態と一次排気口を横切る触媒により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっているので、一次燃焼室の燃焼状態に応じて触媒を最適な位置まで移動させて燃焼状態を安定させることができる。
【００１４】
また、触媒はストーブ本体内からストーブ本体外に延設された操作レバーに連結する触媒ケース内に収容されており、操作レバーの進退操作量により触媒を燃焼状態と排気抑制状態との間を無段階で切り替えられる。これにより、ストーブ本体外に延設された操作レバーの進退操作だけで排気状態を切り替えることができ、操作性が向上する。
【００１５】
また、前記排気抑制部は、前記ストーブ本体の天板に対して可動する排気抑制板を備え、当該排気抑制板の前記天板からの突出量を調整することにより、前記触媒を通過した二次燃焼排気の排気通路断面積が変更されることを特徴とする。
この排気抑制部に設けられた排気抑制板の突出量を調整することにより、二次燃焼の状態を見ながら排気通路断面積を変更して排気抵抗を最適に調節することができる。具体的には、排気抑制板の突出量による排気抵抗は、給気抵抗×（１．３５×排気温度（°Ｋ）／３００）×給気流速／排気流速により調整される。
【００１６】
また、前記触媒収納部の底部にはハニカム構造の触媒ブロックの目詰まりを清掃する清掃ブラシが回転操作可能に設けられていることを特徴とする。
これにより一次燃焼室の火炎到達範囲に設置される触媒には、一次燃焼により上昇したフライアッシュが付着し易く触媒能力を低下させる。このためは、触媒収納部へ触媒を退避させて清掃ブラシを回転させるだけでハニカム状の触媒に付着した煤を掻き落として触媒能力を復元させることができる。この操作は燃焼中も行えるので、触媒のメンテナンスが簡単かつ容易に行える。
【００１７】
前記触媒設置部の上流側近傍にはストーブ本体外より二次給気する二次給気口が設けられていることを特徴とする。この二次給気口が触媒設置部の上流側近傍に設けられていると二次燃焼が安定し、該二次燃焼の揺らぎにより一次燃焼が不安定になるのを防ぐことができる。
【００１８】
さらには、前記触媒収納部の上部は開閉可能な蓋体が設けられ、当該蓋体を開放して前記触媒ケースに収容された触媒が交換可能になっていることを特徴とする。
これにより、触媒収納部へ触媒ケースを移動させて、蓋体を開放することで触媒ケースより触媒を取り出して交換することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、触媒により完全燃焼を維持することで煙がほとんど発生しない一次燃焼を実現できる。また、一次燃焼で発生した可燃成分は二次燃焼によりかなり除去できる。これら二重の煤塵除去により極めてきれいな排気を実現できる。点火時の数分間以外の大半の時間帯においてまったく煙の見えない状態が続くことを実験で確認済みである。これにより都市部での薪ストーブ利用拡大が可能となる。
また、完全燃焼しさらに２次燃焼の発熱も加わることから燃焼効率が向上し、燃料消費を削減できる。また、完全燃焼することから針葉樹も燃料化でき、間伐材利用の道を開き資源再生可能エネルギーへの転換とともに、カーボンニュートラルによる地球温暖化防止にも大きな効果がある。即ち燃料コスト削減が環境負荷軽減を促進することになる。
また、燃焼室内が透明となり明るい火炎を発するので視覚上の効果が大きい。従来はくすぶりながら発煙しガラス窓も黒くすすけたが、本案であれば火室内がくっきりと透明になり明るい炎が室内を照らし出すようになる。美しい燃焼シーンは個人住宅だけでなく商業施設・事業所等ビジネスユースへの展開にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃焼装置の正面図、右側面図、平面図である。
【図２】触媒を触媒設置部に設置した状態を示す燃焼装置の断面説明図である。
【図３】触媒を触媒収納部に退避した状態を示す燃焼装置の断面説明図である。
【図４】排気抑制板の突出量を調整した場合の排気通路面積を示す説明図である。
【図５】触媒収納部における触媒ブロックの清掃作業を示す状態説明図である。
【図６】触媒収納部から触媒を交換する状態を示す説明図である。
【図７】燃焼装置をフィードバック制御系に例えた原理説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る燃焼装置の実施形態について図１乃至図７を参照して説明する。以下の実施例では、燃焼装置の一例として薪ストーブを例示して説明するものとする。
【００２２】
まず、図７を参照して、燃焼装置をフィードバック制御系に例えた動作原理について説明する。図７において、一次燃焼室までが給気部、一次燃焼室および触媒（二次燃焼部）が出力アンプ、触媒排出口から後方が排気部である。仮に触媒上流側に格子などの排気抵抗手段があっても、それは排気抵抗とはせず一次燃焼のゲインに含まれる。排気ガス中の可燃成分は不完全燃焼の反映であるから、触媒の再燃焼作用は完全燃焼からの誤差量の検出と誤差演算を行っていることになる。演算結果は排気圧の増減となって出力され、不完全燃焼時は排気圧が強い負圧となり、それは一次燃焼室の空気に伝達され、最終的に給気量に負帰還がかかる。即ち、本システムにおける触媒は、不完全燃焼のセンサであり誤差増幅器であり、システム入力部に補正量をフィードバックする制御ループを駆動する。
本システムは燃焼ガスの自然対流を演算および補正装置を駆動するエネルギー源とし、触媒により誤差演算を行い、燃焼室内の気体による動圧を使って補正信号を伝達するフィードバックシステムである。いわばある種の気体演算装置と言える。本発明に係る燃焼装置は、通常であれば電気的センサ、ＣＰＵ，電動ファンなどを使用してシステムを構築するところ、それらをまったく用いずに実現したところに大きな意義がある。
【００２３】
上記制御系においてループゲインは排気抵抗／給気抵抗であり、１／ループゲインがフィードバックゲインとなる。また補正量＝誤差量×フィードバックゲインである。ループ応答時間は伝達遅延時間＋燃焼遅れ時間である。以下、ループゲインについて説明する。
給気流量に対し、排気流量は燃焼反応による生成物流量であり約１．３５倍になる。給気中の酸素は約２０％を占め、またＯ２→ＣＯ２、分子量３２→４４より、燃焼後は（４４／３２）×０．２＝０．２７５つまり７．５％増となる。また、窒素はＮ２→Ｎ２より、変化なく約０．８（８０％）のままである。水蒸気はＣＯ２と等量発生とすると０．２７５つまり２７．５％増となる。よって生成物流量は０．２７５＋０．８＋０．２７５＝１．３５となる。さらにボイルシャルルの法則により温度上昇が３５０℃であれば流量は約２．２倍に膨張することから最終的に排気流量（生成物流量）は約３倍になる。
【００２４】
また給気流量／給気抵抗＝排気流量／排気抵抗より、排気抵抗＝給気抵抗×３となる。仮に排気抵抗が給気抵抗の約３倍より大きいと（排気流量／排気抵抗）の値は小さくなるから給気抵抗が一定の場合は給気流量も小さくなる。限界燃焼量も給気量に応じて小さくなるから火力が小さくなる。反対に排気抵抗が給気抵抗の３倍よりも小さいと（排気流量／排気抵抗）の値が大きくなるから給気流量も大きくなる。限界燃焼量も給気量に応じて大きくなるから火力が大きくなる。このように給気抵抗と排気抵抗の関係によって火力が決定することからこの比率は制御ループのゲインを決めているに等しい。よってこれをループゲインＧと呼ぶことにする。
以上より排気抵抗Ｒｏは、流速と排気温度を考慮すると、
Ｒｏ＝（１．３５×Ｔ／３００）×ＲｉＶｉ／Ｖｏとなる（ただし室温２７℃）。
Ｒｏ＝排気抵抗、Ｔ＝排気温度（°Ｋ）、Ｒｉ＝給気抵抗、Ｖｉ＝給気流速
Ｖｏ＝排気流速
よって本システムの最適なループゲインＧ＝Ｒｏ／Ｒｉは（１．３５×排気温度（°Ｋ）／３００）×給気流速／排気流速であり、フィードバックゲインはその逆数（１／Ｇ）である。すでに見てきたとおり流速が等しく排気温度が＋３５０℃の場合は、Ｒｏ＝３Ｒｉとなり、最適なループゲインＧは３、フィードバックゲイン（１／Ｇ）は０．３３であることが判る。
【００２５】
排気抵抗は（煙突まで含めたストーブ固有値）＋（排気抑制板による抵抗）であり、排気抑制板の排気抵抗は排気調整手段により適宜調整できることから、排気抵抗は最適値に設定することが可能である。ただし煙突が詰まっているなどして排気抵抗が大きい時は調整板では調整しきれず煙突掃除を行って排気抵抗を小さくする必要がある。
【００２６】
給気口を絞った場合は流速が早くなりループゲインに応じた給気流量を保つようにフィードバックがかかる。よって完全燃焼は維持される。しかしそれは不完全燃焼状態にして小火力にすることはできないことを意味している。火力は投入された燃料により支配的に決められる。本システムは燃料量に応じて常に完全燃焼するように動作する。
ただし、給気流速が早くなり限界速度になるとフィードバックがかかっても給気流量は大きくならない状態が発生する。その時は不完全燃焼をおこし煤塵が発生し火力が小さくなる。しかし不完全燃焼の程度はわずかであり短時間で給気流量に見合った火力の小さな完全燃焼状態に遷移し煤塵も発生しなくなる。
【００２７】
従来の触媒付薪ストーブでは触媒反応時間を長くするため排気抵抗を大きくとっている。例えば触媒後方の排気通路位置を触媒排出口より低い位置に配置して排気しにくくするなどの対策を講じている。その結果、フィードバックゲインが非常に小さくなりフィードバック効果はほとんどなく不完全燃焼を、さらには立ち消えを招いている。
また排気抵抗が小さくフィードバックゲインが大きすぎる場合は限界燃焼量で燃える。これは従来ストーブが排気ダンパーを開けて直通排気にした状態に相当し過剰燃焼に至ることが多い。従来ストーブはこのようにほぼ無制御状態で燃焼していたことから最適燃焼を維持することは困難であった。
【００２８】
ループ応答時間は主に給気が補正されてから燃焼が追従するまでの時間であり概ね１０秒程度以上である。それに対し、演算時間および信号伝達時間は排気ガスの流速により決まり流速は概ね０．５ｍ／ｓｅｃ程度である。従って演算時間即ち触媒の再燃焼時間は触媒長さを０．０５ｍとすれば０．１秒程度であり、信号伝達時間は１次燃焼室長さを０．５ｍとすれば１秒程度である。よって制御ループの位相マージンはπ×（８．９秒／１０秒）＝１６０°となり位相マージン最小値４５°に対し充分な余裕があり発振の恐れはない。
【００２９】
なお薪ストーブが発振すると、不完全燃焼による可燃性ガスが火室内に充満しやがて発火し一気に燃える爆燃現象が周期的に繰り返される。あるいはダンパーを開けて排気抵抗が小さい状態で強火力燃焼させるともっと高い周波数例えば１Ｈｚ〜１０Ｈｚが起こることもありストーブのドアが開いていると大きな騒音を伴ってドアあるいはストーブ本体が振動することもある。
【００３０】
ノイズ成分としては０．１秒〜１秒程度の周期の燃焼ゆらぎが恒常的に発生している。そこで、後述するように触媒の上流側近傍に、給気能力が制限された二次給気手段を設ける。するとこの二次給気ループにより触媒再燃焼の０．１秒程度の短時間のフラッター成分は打ち消され１次燃焼に影響しなくなる。すなわち二次給気はノイズ除去のローパスフィルターとして機能する。これによって一次燃焼は安定し負帰還がかかっていても１Ｈｚ〜１０Ｈｚ帯域での発振はなくなり、燃焼は連続的になり火炎が安定する。
【００３１】
次に燃焼装置の一例について、図１乃至図６を参照して具体的に説明する。
図１（ａ）に示すように、キューブ状のストーブ本体１の前面には、開閉扉２が設けられている。開閉扉２を開けると図１（ｂ）に示すように一次燃焼室３へ燃焼材（木材、木質ペレット、石炭など）を投入することができる。開閉扉２は透視窓２ａより一次燃焼室３の燃焼状態が透視することができるのが望ましい。また、開閉扉２の直下には一次給気口４が設けられている。一次給気口４は、一次燃焼室３へ外気を給気することで一次燃焼を促す。一次給気口４は、ストーブ本体１の前面に設けられた一次給気絞り４ａを操作することで一次給気口４を絞ることができる。
【００３２】
また、一次燃焼室３の上方は仕切られており中央部に一次排気口５が設けられている。この一次排気口５は、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、一次燃焼室３の火炎到達範囲に設けられている。また、後述するように排気口５を横切って触媒６が設置可能な触媒設置部７が設けられる。触媒設置部７に触媒６が設置されることで二次燃焼部８が形成され、一次燃焼した一次排気が触媒６を通過する際に排気中に含まれる可燃成分を再燃焼させる。
また、図１（ｂ）に示すように、二次燃焼部８の下流側には、二次燃焼させた二次排気をストーブ本体１より排気する排気量を抑制可能な排気抑制部９が設けられている。排気抑制部９より下流側にはストーブ本体１の天板１０に二次排気口１１が設けられている（図１（ｃ）参照）。二次排気口１１には本実施例では省略したが、排気用の煙突が接続される。
【００３３】
また、図１（ｂ）において、一次排気口５を挟んで排気抑制部９と反対側には、触媒収納部１２が設けられる。触媒６は、触媒収納部１２と触媒設置部７との間を移動可能に設けられる。これにより、一次燃焼室３の燃焼を優先する燃焼状態と一次排気口５を横切る触媒６により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっている。
【００３４】
また触媒６はストーブ本体１内からストーブ本体１外に延設された操作レバー１３に連結する触媒ケース１３内に収容されている。この操作レバー１３の進退操作量により触媒６を燃焼状態と排気抑制状態との間で無段階に切り替えられる。
【００３５】
図４（ａ）（ｂ）において、排気抑制部９は、ストーブ本体１の天板１０に対して可動する排気抑制板９ａを備えている。排気抑制板９ａは、天板１０に設けられた調整ねじ９ｂとねじ嵌合している。この調整ねじ９ｂにより排気抑制板９ａの突出量を最小にした状態が図４（ａ）である。この状態は、触媒ケース１４と天板１０との間に形成される排気通路断面積が最大になり二次排気抵抗が最小となることから、二次燃焼を促す。
【００３６】
また、調整ねじ９ｂにより排気抑制板９ａの突出量を最大にした状態が図４（ｂ）である。この状態は、触媒ケース１４と天板１０との間に形成される排気通路断面積が最小になり二次排気抵抗が最大となることから、二次燃焼を抑制する。
このように、排気抑制板９ａの天板１０からの突出量を調整することにより、触媒６を通過した二次燃焼排気の排気通路断面積が変更される。
【００３７】
図５（ａ）（ｂ）において、触媒収納部１２の底部にはハニカム構造の触媒６（触媒ブロック）の目詰まりを清掃する清掃ブラシ１５が回転操作可能に設けられている。
清掃ブラシ１５は触媒６の円形サイズのプレート１５ａにステンレスワイヤを植毛したブラシ１５ｂを備えている。触媒収納部１２に底部には、カム軸１６ａにカム１６ｂが設けられたアクチュエータ１６が回転可能に軸支されている。清掃ブラシ１５はプレート１５ａが２本のカム軸１６ａによって支持されている。ストーブ本体１の前面には回転ハンドル１７が回転可能に軸支され、その軸端は触媒収納部１２内に挿入されている。回転ハンドル１７に接続するカム軸１６ａにはギヤ１６ｃが設けられており、中央部に軸支されたギヤ１６ｄを介して他方のカム軸１６ａに組み付けられたギヤ１６ｃと噛み合っている。
【００３８】
触媒収納部１２に触媒ケース１４に収納された触媒６が収納された状態で、図５（ａ）に示す清掃ブラシ１５が下降した状態から、図５（ｂ）に示す回転ハンドル１７を９０°回転させた状態にするとカム１６ｂがプレート１５ａを押し上げるブラシ１５ｂが触媒６に当接して煤を掻き落とすようになっている。回転ハンドル１７を図５（ａ）に示す状態から時計回り若しくは反時計回り方向に９０°ずつ回転させると効率よく清掃ブラシ１５を上下動させることができる。触媒６の上流側端面（下面）は毎日清掃ブラシ１５で清掃する必要がある。また、触媒６の下流側端面（上面）は例えば１週間ごとに掃除機等で吸引するのが好ましい。
【００３９】
図６に示すように、触媒収納部１２の上部は開閉可能な蓋体１８が設けられている。この該蓋体１８を開放して触媒ケース１４に収容された触媒６が交換可能になっている。
触媒６を取り外すと触媒収納ケース１４を触媒設置部７へ移動させると、清掃ブラシ１５を掃除機等により吸引して清掃することができる。
また、清掃ブラシ１５の交換は、操作レバー１３を分解除去してから、蓋体１８が開放した開口部１９を通じてブラシ５ｂを上方に取り出して交換することができる。
【００４０】
また、図２において、触媒設置部７の上流側にはストーブ本体１外より二次給気する二次給気口２０が設けられている。二次給気口２０より取り込まれた外気が触媒６の上流側に供給されることにより二次燃焼を促すことができる。
【００４１】
次に、上述した構成の燃焼装置の燃焼動作並びにメンテナンス作業について説明する。
図３に示すように、一次燃焼室３に燃焼材を投入して点火する前は、操作レバー１３をストーブ本体１の手前側に引いて触媒６を収容した触媒ケース１４を触媒収納部１２に待機させておく。このとき、一次排気口５が触媒６を介さずに二次排気口１１と連通し、触媒６を経由しない排気通路が形成される。この触媒ケース１４の移動に応じて触媒６による排気抵抗は減少してゆきループゲインは増大してゆく。触媒６が完全に通路外（触媒収納部１２）に移動すると排気抵抗最少・ループゲイン最大となり激しく燃焼するオープンループ特性となる。これは従来燃焼装置が排気ダンパーを切り替えて直通排気にした状態に相当する。
【００４２】
この状態は点火時など１次燃焼による上昇気流が極めて小さい時に燃焼を開始するために有効である。点火時の排気ガス量は少ないことから触媒６を触媒収納部１２と触媒設置部７との中間位置にスライドさせても燃焼に支障はない。こうすれば点火時から触媒６は加熱されることになり、触媒６が触媒設置部７へ設置した直後から機能する。
一次燃焼室３に点火完了直後に、操作レバー１３を押し込んで図２に示すように触媒６を触媒設置部７（一次排気口５を横切る位置）に戻す。これにより二次燃焼（フィードバック）により完全燃焼させ、発生した煤塵は触媒６で再燃焼させることが可能となる。よって、従来はもっとも煤塵を排出していた点火時の排煙を大幅に低減できる。
【００４３】
一次燃焼により上昇した数ｍｍ大のフライアッシュは、従来は煙突内壁に付着するか屋外に排出されていたが、本実施形態では触媒６の上流側端面（下面）に付着する。煙突へのスス付着は低減され屋外排出は阻止されるがその代り大量のフライアッシュが触媒６の上流側端面（下面）に付着することになり、触媒能力を低下させるので頻繁な触媒清掃が必要となる。
【００４４】
そこで、図５（ａ）に示すように、触媒収納部１２に触媒収納ケース１４を移動させ、図５（ｂ）に示すように回転ハンドル１７を時計回り若しくは反時計回り方向におよそ９０°ずつ交互に回転させる。このとき、清掃ブラシ１５がアクチュエータ１６によって押し上げられて、ブラシ１５ｂが触媒６に付着した煤を掻き落とすことができる。この操作は数秒で行え、燃焼中でも清掃が可能であり極めて容易に触媒性能を復活できる。触媒収納部１２の底部に落下した煤がある程度溜まったら蓋体１８を開放して掃除機などで吸い取ればよい。尚、触媒ケース１４は触媒収納部１２に移動すると一次排気口５を遮断するので、蓋体１８を開放すれば容易に触媒６を取り出すことができる。
【００４５】
また、図４（ａ）（ｂ）に示すように、排気抑制板９ａを設け、一次燃焼室３の燃焼状態を見ながら排気通路断面積を変えるなどすればよい。あるいは触媒ケース１４の底面にスペーサーを挿入して触媒６高さを上げれば、排気抑制板９ａ（排気熱集熱板が兼ねることもある）との空隙が小さくなることで排気抵抗を大きくすることができる。スペーサーは触媒と同様の要領で簡単に脱着でき、厚さの異なるスペーサーを適宜交換して燃焼状態を確かめながら最適な排気抵抗を得ることができる。
【００４６】
図１（ｃ）に示すように、一次排気口５及び触媒収納部１２はストーブ本体１の左右対称軸上に配置することが望ましい。触媒６が退避する触媒収納部１２はそれ以外の部位と比較して放熱がよいことから温度が低くなり触媒６への排気ガス吸入量は減る。つまり触媒６の再燃焼エリアがアンバランスになる。仮に左右対称軸から外れていた場合、触媒６への排気ガス吸入がストーブ本体１の中心軸からずれることになり火炎が左右のいずれかに偏って上昇する。そのため一次燃焼室３内の発熱がアンバランスになりストーブひずみが増大し、透視窓２ａ中央からずれた位置での火炎は視覚的にも好ましくない。反対に左右対称軸上に触媒６及び触媒収納部１２が配置されていると、火炎はストーブ中央に集まり上昇することになり熱バランスがよく視覚的にも安定感がでる。
【００４７】
触媒６の触媒設置位置を一次排気口５ではなく天板１０部分に配置すると、天板１０は排気抑制板９ａと排気熱集熱板とを兼用することになる。この場合、天板１０は一次燃焼および二次燃焼の際の排気熱回収器となり、暖房効率が向上する。ストーブ本体１の中央部が最も高温となることから熱の伝導効率も高いものがある。さらに天板１０をクッキンググリドルとするなどの排熱を利用した用途も拡大する。
【符号の説明】
【００４８】
１ ストーブ本体
２ 開閉扉
２ａ 透視窓
３ 一次燃焼室
４ 一次給気口
４ａ 一次給気絞り
５ 一次排気口
６ 触媒
７ 触媒設置部
８ 二次燃焼部
９ 排気抑制部
９ａ 排気抑制板
９ｂ 調整ねじ
１０ 天板
１１ 二次排気口
１２ 触媒収納部
１３ 操作レバー
１４ 触媒ケース
１５ 清掃ブラシ
１５ａ プレート
１５ｂ ブラシ
１６ アクチュエータ
１６ａ カム軸
１６ｂ カム
１６ｃ，１６ｄ ギヤ
１７ 回転ハンドル
１８ 蓋体
１９ 開口部
２０ 二次給気口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば薪ストーブ、ペレットストーブ、石炭ストーブなどの燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薪或いは石炭などの固形燃料を用いたストーブは、現在から２５０年ほど前に発明され実用化されてきたが、固形燃料を比較的低い温度で燃焼させているので未燃焼ガスが煙となって大量に発生する。この未燃焼ガスは着火温度が６００度程度と非常に高く通常の燃焼では完全に燃やすことができない。従って、未燃焼ガス中に含まれている微粒子、ＣＯ、タール等の不純物が煙とともに煙突を介して大気中へ排出され、スモッグ発生の要因となる。
【０００３】
しかしながら、近年、石炭、石油などの化石燃料の枯渇や地球温暖化防止の観点から木質バイオマスを燃料とする薪ストーブは再び見直されている。また、再生可能エネルギーへの転換が世界的規模ではかられておりこの点でも森林資源は好適である。さらには、近年、大気汚染が規制された結果、固形燃料を一次燃焼させる際に発生する未燃焼ガスをストーブ内で再燃焼させる以下の方式が知られている。
【０００４】
蜂の巣状に形成したセラミックスに白金パラジウムやロジウム等の貴金属を付着させた酸化触媒等に未燃焼ガスを接触させて２５０度程度の低い温度で煙中の未燃焼ガスを燃焼させるようにした触媒方式と、ストーブの燃焼室内に高温の再燃焼用の空気を供給してこの再燃焼用の空気を未燃焼ガスと撹拌させて６００度以上の高温で未燃焼ガスを再燃焼させるようにしたクリーンバーニング方式である。
【０００５】
触媒方式のストーブは、薪を燃焼させる燃焼室の上方であって煙突の手前に連通口を介して燃焼室と連通された二次燃焼室を形成し、この二次燃焼室内に未燃焼ガスの燃焼を促進する酸化触媒を配置して構成されている。そして、燃焼室内で発生した未燃焼ガスを二次燃焼室内へ導入するとともにこの二次燃焼室に配置されている酸化触媒の内部を通過させ、この触媒の酸化作用によって２５０度程度の低い温度で未燃焼ガスを再燃焼させ未燃焼ガス中のＣＯ量を削減させるようにしている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、クリーンバーニング方式のストーブは、薪を燃焼させるようにした燃焼室と、一端側が燃焼室の外側に開口されるとともに他端側に前記燃焼室内に開口されている流出口が形成された空気供給管を設けて構成されており、煙突によるドラフト効果によって前記空気供給管を介して燃焼室の外から取り入れた空気を流出口から再燃焼用空気として燃焼室内へ噴出させて、この再燃焼用空気を未燃焼ガスと撹拌させて６００度以上の高温にして未燃焼ガスを再燃焼させるようにしている（特許文献２参照）。なお排気煙の燃焼成分を再燃焼させることは、浄化と同時に発熱が増加し燃焼効率も向上する特長を併せ持つ。
【０００７】
また、薪ストーブは火力調整がむずかしい欠点がありそれを解決するために一次燃焼と二次燃焼の給気を調整する機構も開発されている。例えば、ストーブの焚き始めや煙突による十分なドラフト効果が得られない場合を想定して再燃焼用の空気を強制給気するようにしたストーブや（特許文献３）、未燃焼ガスを滞留させた二次燃焼室に給気することで燃焼させるストーブ（特許文献４）なども提案されている。或いは焼却炉ではあるが、燃焼室の排気に含まれる煙の微粒子をヒーターによって再燃焼させ触媒を併用して無臭化させる技術も提案されている（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−４６３３４号公報
【特許文献２】特開２００４−７７０６０号公報
【特許文献３】特開２００６−５２９１２号公報
【特許文献４】特開２００７−２８５６６０号公報
【特許文献５】特開２００７−７８２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した各薪ストーブには、以下に述べる課題があった。
即ち、触媒を利用した二次燃焼型のストーブは、煤塵を触媒による再燃焼を促して排気ガスの浄化を行っている。このため、煤塵除去効率を上げるためには、排気抵抗を大きくして排気と触媒との反応時間を長くする工夫がされている。
しかしながら触媒による再燃焼もすべての煤塵を燃焼できるわけではなくかなり未燃焼で通過する。また排気抵抗が大きいことから限界燃焼量が低く制限され、触媒を経由させることでかえって不完全燃焼を誘発し排気煙を増加させている。さらに不完全燃焼による低温の排気ガスが触媒温度を下げますます煤塵除去率が下がる。
そこで、何とか排気抵抗を下げようとしてストーブ本体を強火力で加熱して高温にする予熱運転が長時間行われているが、直接排気されるために再燃焼は行われておらず、予熱運転の期間は大量の煤塵を排出してしまう。
【００１０】
また、従来の薪ストーブは燃焼量に応じて吸気量が変化するオープンループシステムである。よって完全燃焼すればますます火力は強くなり、不完全燃焼すれば火力は弱くなる。
不完全燃焼時は可燃成分が未燃焼で排気され燃焼効率が低下し煤塵が増加することから、完全燃焼が望まれる。燃料と温度が一定の場合、酸素量を最適化すれば完全燃焼できる。理論空燃比は１５であり、水蒸気生成現象等から１８が採用される。
従来ストーブでは無制御状態で燃焼が行われていることから、最適燃焼せず塵埃が大量に排出され燃焼効率も悪化している。そして最適燃焼に手動で調整することも困難である。
また、最新型のストーブでは触媒を備えているが、フライアッシュが付着して触媒性能が経時的に低下するため煤塵除去効率には限界がある。
【００１１】
そこで、排気ガス中の可燃成分は不完全燃焼の反映であるから、触媒の再燃焼作用は完全燃焼からの誤差量の検出と誤差演算を行っていることになる。演算結果は排気圧の増減となって現れて、不完全燃焼時は排気圧が強い負圧となってそれは一次燃焼室の空気に伝達され、最終的に給気量に負帰還がかかる。即ち、二次燃焼室における触媒は、不完全燃焼のセンサであり誤差増幅器に相当し、システム入力部に補正量をフィードバック制御する閉ループを形成するに等しい。燃焼装置を燃焼ガスの自然対流を演算および補正装置を駆動するエネルギー源とし、触媒により誤差演算を行い、燃焼室内の気体を使って補正信号を伝達するフィードバックシステム、即ち一種の気体演算装置とみなして本発明を提案するに至った。
本発明の目的は、煤塵を発生させないために可及的に完全燃焼可能な燃焼装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る燃焼装置は、以下の構成を備える。
給気口から排気口まで気密性が保たれた燃焼装置であって、ストーブ本体に設けられた開閉扉から燃焼材を収容して一次給気しながら燃焼させる一次燃焼室と、前記一次燃焼室の上方が仕切られ、火炎到達範囲に設けられた一次排気口を横切って触媒を設置可能な触媒設置部と、前記触媒設置部に設置された前記触媒を通過する際に排気中に含まれる可燃成分を再燃焼させる二次燃焼部と、前記二次燃焼させた排気を前記ストーブ本体の二次排気口より排気する排気量を抑制可能な排気抑制部と、を具備し、前記触媒は、前記一次燃焼室に上部に設けられた触媒収納部と前記触媒設置部との間を移動可能に設けられ、前記一次燃焼室の燃焼を優先する燃焼状態と前記一次排気口を横切る前記触媒により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっていることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、触媒は一次燃焼室に上部に設けられた触媒収納部と触媒設置部との間を移動可能に設けられているので、触媒を例えば触媒収納部と触媒設置部との中間位置に移動させることで、触媒を経由しない排気通路が形成され、排気抵抗が減少するため、閉ループゲインは増大し一次燃焼室の燃焼が拡大する。よって、一次燃焼室の燃焼材が点火直後の上昇気流が極めて小さいときに触媒を触媒収納部側へ移動させておくことが有効である。点火時の排気ガス量は少ないことから触媒を触媒設置から移動させても支障はない。
また、一次燃焼室の燃焼材に点火した後、触媒を触媒設置部に設置することで、排気抑制によるフィードバックを行って二次燃焼を促し、煤塵を再燃焼させることができるので排煙を大幅に減らすことができる。触媒は一次燃焼室の火炎到達範囲に設けられるので、触媒動作温度まで上昇するのに時間を要さない。
また、一次燃焼室の燃焼を優先する燃焼状態と一次排気口を横切る触媒により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっているので、一次燃焼室の燃焼状態に応じて触媒を最適な位置まで移動させて燃焼状態を安定させることができる。
【００１４】
また、触媒はストーブ本体内からストーブ本体外に延設された操作レバーに連結する触媒ケース内に収容されており、操作レバーの進退操作量により触媒を燃焼状態と排気抑制状態との間を無段階で切り替えられる。これにより、ストーブ本体外に延設された操作レバーの進退操作だけで排気状態を切り替えることができ、操作性が向上する。
【００１５】
また、前記排気抑制部は、前記ストーブ本体の天板に対して可動する排気抑制板を備え、当該排気抑制板の前記天板からの突出量を調整することにより、前記触媒を通過した二次燃焼排気の排気通路断面積が変更されることを特徴とする。
この排気抑制部に設けられた排気抑制板の突出量を調整することにより、二次燃焼の状態を見ながら排気通路断面積を変更して排気抵抗を最適に調節することができる。具体的には、排気抑制板の突出量による排気抵抗は、給気抵抗×（１．３５×排気温度（°Ｋ）／３００）×給気流速／排気流速により調整される。
【００１６】
また、前記触媒収納部の底部にはハニカム構造の触媒ブロックの目詰まりを清掃する清掃ブラシが回転操作可能に設けられていることを特徴とする。
これにより一次燃焼室の火炎到達範囲に設置される触媒には、一次燃焼により上昇したフライアッシュが付着し易く触媒能力を低下させる。このためは、触媒収納部へ触媒を退避させて清掃ブラシを回転させるだけでハニカム状の触媒に付着した煤を掻き落として触媒能力を復元させることができる。この操作は燃焼中も行えるので、触媒のメンテナンスが簡単かつ容易に行える。
【００１７】
前記触媒設置部の上流側近傍にはストーブ本体外より二次給気する二次給気口が設けられていることを特徴とする。この二次給気口が触媒設置部の上流側近傍に設けられていると二次燃焼が安定し、該二次燃焼の揺らぎにより一次燃焼が不安定になるのを防ぐことができる。
【００１８】
さらには、前記触媒収納部の上部は開閉可能な蓋体が設けられ、当該蓋体を開放して前記触媒ケースに収容された触媒が交換可能になっていることを特徴とする。
これにより、触媒収納部へ触媒ケースを移動させて、蓋体を開放することで触媒ケースより触媒を取り出して交換することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、触媒により完全燃焼を維持することで煙がほとんど発生しない一次燃焼を実現できる。また、一次燃焼で発生した可燃成分は二次燃焼によりかなり除去できる。これら二重の煤塵除去により極めてきれいな排気を実現できる。点火時の数分間以外の大半の時間帯においてまったく煙の見えない状態が続くことを実験で確認済みである。これにより都市部での薪ストーブ利用拡大が可能となる。
また、完全燃焼しさらに２次燃焼の発熱も加わることから燃焼効率が向上し、燃料消費を削減できる。また、完全燃焼することから針葉樹も燃料化でき、間伐材利用の道を開き資源再生可能エネルギーへの転換とともに、カーボンニュートラルによる地球温暖化防止にも大きな効果がある。即ち燃料コスト削減が環境負荷軽減を促進することになる。
また、燃焼室内が透明となり明るい火炎を発するので視覚上の効果が大きい。従来はくすぶりながら発煙しガラス窓も黒くすすけたが、本案であれば火室内がくっきりと透明になり明るい炎が室内を照らし出すようになる。美しい燃焼シーンは個人住宅だけでなく商業施設・事業所等ビジネスユースへの展開にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃焼装置の正面図、右側面図、平面図である。
【図２】触媒を触媒設置部に設置した状態を示す燃焼装置の断面説明図である。
【図３】触媒を触媒収納部に退避した状態を示す燃焼装置の断面説明図である。
【図４】排気抑制板の突出量を調整した場合の排気通路面積を示す説明図である。
【図５】触媒収納部における触媒ブロックの清掃作業を示す状態説明図である。
【図６】触媒収納部から触媒を交換する状態を示す説明図である。
【図７】燃焼装置をフィードバック制御系に例えた原理説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る燃焼装置の実施形態について図１乃至図７を参照して説明する。以下の実施例では、燃焼装置の一例として薪ストーブを例示して説明するものとする。
【００２２】
まず、図７を参照して、燃焼装置をフィードバック制御系に例えた動作原理について説明する。図７において、一次燃焼室までが給気部、一次燃焼室および触媒（二次燃焼部）が出力アンプ、触媒排出口から後方が排気部である。仮に触媒上流側に格子などの排気抵抗手段があっても、それは排気抵抗とはせず一次燃焼のゲインに含まれる。排気ガス中の可燃成分は不完全燃焼の反映であるから、触媒の再燃焼作用は完全燃焼からの誤差量の検出と誤差演算を行っていることになる。演算結果は排気圧の増減となって出力され、不完全燃焼時は排気圧が強い負圧となり、それは一次燃焼室の空気に伝達され、最終的に給気量に負帰還がかかる。即ち、本システムにおける触媒は、不完全燃焼のセンサであり誤差増幅器であり、システム入力部に補正量をフィードバックする制御ループを駆動する。
本システムは燃焼ガスの自然対流を演算および補正装置を駆動するエネルギー源とし、触媒により誤差演算を行い、燃焼室内の気体による動圧を使って補正信号を伝達するフィードバックシステムである。いわばある種の気体演算装置と言える。本発明に係る燃焼装置は、通常であれば電気的センサ、ＣＰＵ，電動ファンなどを使用してシステムを構築するところ、それらをまったく用いずに実現したところに大きな意義がある。
【００２３】
上記制御系においてループゲインは排気抵抗／給気抵抗であり、１／ループゲインがフィードバックゲインとなる。また補正量＝誤差量×フィードバックゲインである。ループ応答時間は伝達遅延時間＋燃焼遅れ時間である。以下、ループゲインについて説明する。
給気流量に対し、排気流量は燃焼反応による生成物流量であり約１．３５倍になる。給気中の酸素は約２０％を占め、またＯ２→ＣＯ２、分子量３２→４４より、燃焼後は（４４／３２）×０．２＝０．２７５つまり７．５％増となる。また、窒素はＮ２→Ｎ２より、変化なく約０．８（８０％）のままである。水蒸気はＣＯ２と等量発生とすると０．２７５つまり２７．５％増となる。よって生成物流量は０．２７５＋０．８＋０．２７５＝１．３５となる。さらにボイルシャルルの法則により温度上昇が３５０℃であれば流量は約２．２倍に膨張することから最終的に排気流量（生成物流量）は約３倍になる。
【００２４】
また給気流量／給気抵抗＝排気流量／排気抵抗より、排気抵抗＝給気抵抗×３となる。仮に排気抵抗が給気抵抗の約３倍より大きいと（排気流量／排気抵抗）の値は小さくなるから給気抵抗が一定の場合は給気流量も小さくなる。限界燃焼量も給気量に応じて小さくなるから火力が小さくなる。反対に排気抵抗が給気抵抗の３倍よりも小さいと（排気流量／排気抵抗）の値が大きくなるから給気流量も大きくなる。限界燃焼量も給気量に応じて大きくなるから火力が大きくなる。このように給気抵抗と排気抵抗の関係によって火力が決定することからこの比率は制御ループのゲインを決めているに等しい。よってこれをループゲインＧと呼ぶことにする。
以上より排気抵抗Ｒｏは、流速と排気温度を考慮すると、
Ｒｏ＝（１．３５×Ｔ／３００）×ＲｉＶｉ／Ｖｏとなる（ただし室温２７℃）。
Ｒｏ＝排気抵抗、Ｔ＝排気温度（°Ｋ）、Ｒｉ＝給気抵抗、Ｖｉ＝給気流速
Ｖｏ＝排気流速
よって本システムの最適なループゲインＧ＝Ｒｏ／Ｒｉは（１．３５×排気温度（°Ｋ）／３００）×給気流速／排気流速であり、フィードバックゲインはその逆数（１／Ｇ）である。すでに見てきたとおり流速が等しく排気温度が＋３５０℃の場合は、Ｒｏ＝３Ｒｉとなり、最適なループゲインＧは３、フィードバックゲイン（１／Ｇ）は０．３３であることが判る。
【００２５】
排気抵抗は（煙突まで含めたストーブ固有値）＋（排気抑制板による抵抗）であり、排気抑制板の排気抵抗は排気調整手段により適宜調整できることから、排気抵抗は最適値に設定することが可能である。ただし煙突が詰まっているなどして排気抵抗が大きい時は調整板では調整しきれず煙突掃除を行って排気抵抗を小さくする必要がある。
【００２６】
給気口を絞った場合は流速が早くなりループゲインに応じた給気流量を保つようにフィードバックがかかる。よって完全燃焼は維持される。しかしそれは不完全燃焼状態にして小火力にすることはできないことを意味している。火力は投入された燃料により支配的に決められる。本システムは燃料量に応じて常に完全燃焼するように動作する。
ただし、給気流速が早くなり限界速度になるとフィードバックがかかっても給気流量は大きくならない状態が発生する。その時は不完全燃焼をおこし煤塵が発生し火力が小さくなる。しかし不完全燃焼の程度はわずかであり短時間で給気流量に見合った火力の小さな完全燃焼状態に遷移し煤塵も発生しなくなる。
【００２７】
従来の触媒付薪ストーブでは触媒反応時間を長くするため排気抵抗を大きくとっている。例えば触媒後方の排気通路位置を触媒排出口より低い位置に配置して排気しにくくするなどの対策を講じている。その結果、フィードバックゲインが非常に小さくなりフィードバック効果はほとんどなく不完全燃焼を、さらには立ち消えを招いている。
また排気抵抗が小さくフィードバックゲインが大きすぎる場合は限界燃焼量で燃える。これは従来ストーブが排気ダンパーを開けて直通排気にした状態に相当し過剰燃焼に至ることが多い。従来ストーブはこのようにほぼ無制御状態で燃焼していたことから最適燃焼を維持することは困難であった。
【００２８】
ループ応答時間は主に給気が補正されてから燃焼が追従するまでの時間であり概ね１０秒程度以上である。それに対し、演算時間および信号伝達時間は排気ガスの流速により決まり流速は概ね０．５ｍ／ｓｅｃ程度である。従って演算時間即ち触媒の再燃焼時間は触媒長さを０．０５ｍとすれば０．１秒程度であり、信号伝達時間は１次燃焼室長さを０．５ｍとすれば１秒程度である。よって制御ループの位相マージンはπ×（８．９秒／１０秒）＝１６０°となり位相マージン最小値４５°に対し充分な余裕があり発振の恐れはない。
【００２９】
なお薪ストーブが発振すると、不完全燃焼による可燃性ガスが火室内に充満しやがて発火し一気に燃える爆燃現象が周期的に繰り返される。あるいはダンパーを開けて排気抵抗が小さい状態で強火力燃焼させるともっと高い周波数例えば１Ｈｚ〜１０Ｈｚが起こることもありストーブのドアが開いていると大きな騒音を伴ってドアあるいはストーブ本体が振動することもある。
【００３０】
ノイズ成分としては０．１秒〜１秒程度の周期の燃焼ゆらぎが恒常的に発生している。そこで、後述するように触媒の上流側近傍に、給気能力が制限された二次給気手段を設ける。するとこの二次給気ループにより触媒再燃焼の０．１秒程度の短時間のフラッター成分は打ち消され１次燃焼に影響しなくなる。すなわち二次給気はノイズ除去のローパスフィルターとして機能する。これによって一次燃焼は安定し負帰還がかかっていても１Ｈｚ〜１０Ｈｚ帯域での発振はなくなり、燃焼は連続的になり火炎が安定する。
【００３１】
次に燃焼装置の一例について、図１乃至図６を参照して具体的に説明する。
図１（ａ）に示すように、キューブ状のストーブ本体１の前面には、開閉扉２が設けられている。開閉扉２を開けると図１（ｂ）に示すように一次燃焼室３へ燃焼材（木材、木質ペレット、石炭など）を投入することができる。開閉扉２は透視窓２ａより一次燃焼室３の燃焼状態が透視することができるのが望ましい。また、開閉扉２の直下には一次給気口４が設けられている。一次給気口４は、一次燃焼室３へ外気を給気することで一次燃焼を促す。一次給気口４は、ストーブ本体１の前面に設けられた一次給気絞り４ａを操作することで一次給気口４を絞ることができる。
【００３２】
また、一次燃焼室３の上方は仕切られており中央部に一次排気口５が設けられている。この一次排気口５は、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、一次燃焼室３の火炎到達範囲に設けられている。また、後述するように排気口５を横切って触媒６が設置可能な触媒設置部７が設けられる。触媒設置部７に触媒６が設置されることで二次燃焼部８が形成され、一次燃焼した一次排気が触媒６を通過する際に排気中に含まれる可燃成分を再燃焼させる。
また、図１（ｂ）に示すように、二次燃焼部８の下流側には、二次燃焼させた二次排気をストーブ本体１より排気する排気量を抑制可能な排気抑制部９が設けられている。排気抑制部９より下流側にはストーブ本体１の天板１０に二次排気口１１が設けられている（図１（ｃ）参照）。二次排気口１１には本実施例では省略したが、排気用の煙突が接続される。
【００３３】
また、図１（ｂ）において、一次排気口５を挟んで排気抑制部９と反対側には、触媒収納部１２が設けられる。触媒６は、触媒収納部１２と触媒設置部７との間を移動可能に設けられる。これにより、一次燃焼室３の燃焼を優先する燃焼状態と一次排気口５を横切る触媒６により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっている。
【００３４】
また触媒６はストーブ本体１内からストーブ本体１外に延設された操作レバー１３に連結する触媒ケース１３内に収容されている。この操作レバー１３の進退操作量により触媒６を燃焼状態と排気抑制状態との間で無段階に切り替えられる。
【００３５】
図４（ａ）（ｂ）において、排気抑制部９は、ストーブ本体１の天板１０に対して可動する排気抑制板９ａを備えている。排気抑制板９ａは、天板１０に設けられた調整ねじ９ｂとねじ嵌合している。この調整ねじ９ｂにより排気抑制板９ａの突出量を最小にした状態が図４（ａ）である。この状態は、触媒ケース１４と天板１０との間に形成される排気通路断面積が最大になり二次排気抵抗が最小となることから、二次燃焼を促す。
【００３６】
また、調整ねじ９ｂにより排気抑制板９ａの突出量を最大にした状態が図４（ｂ）である。この状態は、触媒ケース１４と天板１０との間に形成される排気通路断面積が最小になり二次排気抵抗が最大となることから、二次燃焼を抑制する。
このように、排気抑制板９ａの天板１０からの突出量を調整することにより、触媒６を通過した二次燃焼排気の排気通路断面積が変更される。
【００３７】
図５（ａ）（ｂ）において、触媒収納部１２の底部にはハニカム構造の触媒６（触媒ブロック）の目詰まりを清掃する清掃ブラシ１５が回転操作可能に設けられている。
清掃ブラシ１５は触媒６の円形サイズのプレート１５ａにステンレスワイヤを植毛したブラシ１５ｂを備えている。触媒収納部１２に底部には、カム軸１６ａにカム１６ｂが設けられたアクチュエータ１６が回転可能に軸支されている。清掃ブラシ１５はプレート１５ａが２本のカム軸１６ａによって支持されている。ストーブ本体１の前面には回転ハンドル１７が回転可能に軸支され、その軸端は触媒収納部１２内に挿入されている。回転ハンドル１７に接続するカム軸１６ａにはギヤ１６ｃが設けられており、中央部に軸支されたギヤ１６ｄを介して他方のカム軸１６ａに組み付けられたギヤ１６ｃと噛み合っている。
【００３８】
触媒収納部１２に触媒ケース１４に収納された触媒６が収納された状態で、図５（ａ）に示す清掃ブラシ１５が下降した状態から、図５（ｂ）に示す回転ハンドル１７を９０°回転させた状態にするとカム１６ｂがプレート１５ａを押し上げるブラシ１５ｂが触媒６に当接して煤を掻き落とすようになっている。回転ハンドル１７を図５（ａ）に示す状態から時計回り若しくは反時計回り方向に９０°ずつ回転させると効率よく清掃ブラシ１５を上下動させることができる。触媒６の上流側端面（下面）は毎日清掃ブラシ１５で清掃する必要がある。また、触媒６の下流側端面（上面）は例えば１週間ごとに掃除機等で吸引するのが好ましい。
【００３９】
図６に示すように、触媒収納部１２の上部は開閉可能な蓋体１８が設けられている。この該蓋体１８を開放して触媒ケース１４に収容された触媒６が交換可能になっている。
触媒６を取り外すと触媒収納ケース１４を触媒設置部７へ移動させると、清掃ブラシ１５を掃除機等により吸引して清掃することができる。
また、清掃ブラシ１５の交換は、操作レバー１３を分解除去してから、蓋体１８が開放した開口部１９を通じてブラシ５ｂを上方に取り出して交換することができる。
【００４０】
また、図２において、触媒設置部７の上流側にはストーブ本体１外より二次給気する二次給気口２０が設けられている。二次給気口２０より取り込まれた外気が触媒６の上流側に供給されることにより二次燃焼を促すことができる。
【００４１】
次に、上述した構成の燃焼装置の燃焼動作並びにメンテナンス作業について説明する。
図３に示すように、一次燃焼室３に燃焼材を投入して点火する前は、操作レバー１３をストーブ本体１の手前側に引いて触媒６を収容した触媒ケース１４を触媒収納部１２に待機させておく。このとき、一次排気口５が触媒６を介さずに二次排気口１１と連通し、触媒６を経由しない排気通路が形成される。この触媒ケース１４の移動に応じて触媒６による排気抵抗は減少してゆきループゲインは増大してゆく。触媒６が完全に通路外（触媒収納部１２）に移動すると排気抵抗最少・ループゲイン最大となり激しく燃焼するオープンループ特性となる。これは従来燃焼装置が排気ダンパーを切り替えて直通排気にした状態に相当する。
【００４２】
この状態は点火時など１次燃焼による上昇気流が極めて小さい時に燃焼を開始するために有効である。点火時の排気ガス量は少ないことから触媒６を触媒収納部１２と触媒設置部７との中間位置にスライドさせても燃焼に支障はない。こうすれば点火時から触媒６は加熱されることになり、触媒６が触媒設置部７へ設置した直後から機能する。
一次燃焼室３に点火完了直後に、操作レバー１３を押し込んで図２に示すように触媒６を触媒設置部７（一次排気口５を横切る位置）に戻す。これにより二次燃焼（フィードバック）により完全燃焼させ、発生した煤塵は触媒６で再燃焼させることが可能となる。よって、従来はもっとも煤塵を排出していた点火時の排煙を大幅に低減できる。
【００４３】
一次燃焼により上昇した数ｍｍ大のフライアッシュは、従来は煙突内壁に付着するか屋外に排出されていたが、本実施形態では触媒６の上流側端面（下面）に付着する。煙突へのスス付着は低減され屋外排出は阻止されるがその代り大量のフライアッシュが触媒６の上流側端面（下面）に付着することになり、触媒能力を低下させるので頻繁な触媒清掃が必要となる。
【００４４】
そこで、図５（ａ）に示すように、触媒収納部１２に触媒収納ケース１４を移動させ、図５（ｂ）に示すように回転ハンドル１７を時計回り若しくは反時計回り方向におよそ９０°ずつ交互に回転させる。このとき、清掃ブラシ１５がアクチュエータ１６によって押し上げられて、ブラシ１５ｂが触媒６に付着した煤を掻き落とすことができる。この操作は数秒で行え、燃焼中でも清掃が可能であり極めて容易に触媒性能を復活できる。触媒収納部１２の底部に落下した煤がある程度溜まったら蓋体１８を開放して掃除機などで吸い取ればよい。尚、触媒ケース１４は触媒収納部１２に移動すると一次排気口５を遮断するので、蓋体１８を開放すれば容易に触媒６を取り出すことができる。
【００４５】
また、図４（ａ）（ｂ）に示すように、排気抑制板９ａを設け、一次燃焼室３の燃焼状態を見ながら排気通路断面積を変えるなどすればよい。あるいは触媒ケース１４の底面にスペーサーを挿入して触媒６高さを上げれば、排気抑制板９ａ（排気熱集熱板が兼ねることもある）との空隙が小さくなることで排気抵抗を大きくすることができる。スペーサーは触媒と同様の要領で簡単に脱着でき、厚さの異なるスペーサーを適宜交換して燃焼状態を確かめながら最適な排気抵抗を得ることができる。
【００４６】
図１（ｃ）に示すように、一次排気口５及び触媒収納部１２はストーブ本体１の左右対称軸上に配置することが望ましい。触媒６が退避する触媒収納部１２はそれ以外の部位と比較して放熱がよいことから温度が低くなり触媒６への排気ガス吸入量は減る。つまり触媒６の再燃焼エリアがアンバランスになる。仮に左右対称軸から外れていた場合、触媒６への排気ガス吸入がストーブ本体１の中心軸からずれることになり火炎が左右のいずれかに偏って上昇する。そのため一次燃焼室３内の発熱がアンバランスになりストーブひずみが増大し、透視窓２ａ中央からずれた位置での火炎は視覚的にも好ましくない。反対に左右対称軸上に触媒６及び触媒収納部１２が配置されていると、火炎はストーブ中央に集まり上昇することになり熱バランスがよく視覚的にも安定感がでる。
【００４７】
触媒６の触媒設置位置を一次排気口５ではなく天板１０部分に配置すると、天板１０は排気抑制板９ａと排気熱集熱板とを兼用することになる。この場合、天板１０は一次燃焼および二次燃焼の際の排気熱回収器となり、暖房効率が向上する。ストーブ本体１の中央部が最も高温となることから熱の伝導効率も高いものがある。さらに天板１０をクッキンググリドルとするなどの排熱を利用した用途も拡大する。
【符号の説明】
【００４８】
１ ストーブ本体
２ 開閉扉
２ａ 透視窓
３ 一次燃焼室
４ 一次給気口
４ａ 一次給気絞り
５ 一次排気口
６ 触媒
７ 触媒設置部
８ 二次燃焼部
９ 排気抑制部
９ａ 排気抑制板
９ｂ 調整ねじ
１０ 天板
１１ 二次排気口
１２ 触媒収納部
１３ 操作レバー
１４ 触媒ケース
１５ 清掃ブラシ
１５ａ プレート
１５ｂ ブラシ
１６ アクチュエータ
１６ａ カム軸
１６ｂ カム
１６ｃ，１６ｄ ギヤ
１７ 回転ハンドル
１８ 蓋体
１９ 開口部
２０ 二次給気口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給気口から排気口まで気密性が保たれた燃焼装置であって、
ストーブ本体に設けられた開閉扉から燃焼材を収容して一次給気しながら燃焼させる一次燃焼室と、
前記一次燃焼室の上方が仕切られ、火炎到達範囲に設けられた一次排気口を横切って触媒を設置可能な触媒設置部と、
前記触媒設置部に設置された前記触媒を通過する際に排気中に含まれる可燃成分を再燃焼させる二次燃焼部と、
前記二次燃焼させた排気を前記ストーブ本体の二次排気口より排気する排気量を抑制可能な排気抑制部と、を具備し、
前記触媒は、前記一次燃焼室に上部に設けられた触媒収納部と前記触媒設置部との間を移動可能に設けられ、前記一次燃焼室の燃焼を優先する燃焼状態と前記一次排気口を横切る前記触媒により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっていることを特徴する燃焼装置。
【請求項２】
前記触媒は前記ストーブ本体内からストーブ本体外に延設された操作レバーに連結する触媒ケース内に収容されており、前記移動レバーの進退操作量により前記触媒を燃焼状態と排気抑制状態との間で無段階に切り替えられる請求項１記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記排気抑制部は、前記ストーブ本体の天板に対して可動する排気抑制板を備え、当該排気抑制板の前記天板からの突出量を調整することにより、前記触媒を通過した二次燃焼排気の排気通路断面積が変更される請求項１又は請求項２記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記排気抑制板の突出量による排気抵抗は、給気抵抗×（１．３５×排気温度（°Ｋ）／３００）×給気流速／排気流速により調整される請求項３記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記触媒収納部の底部にはハニカム構造の触媒ブロックの目詰まりを清掃する清掃ブラシが回転操作可能に設けられている請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記触媒設置部の上流側にはストーブ本体外より二次給気する二次給気口が設けられている請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記触媒収納部の上部は開閉可能な蓋体が設けられ、当該蓋体を開放して前記触媒ケースに収容された触媒が交換可能になっている請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃焼装置。
【請求項１】
給気口から排気口まで気密性が保たれた燃焼装置であって、
ストーブ本体に設けられた開閉扉から燃焼材を収容して一次給気しながら燃焼させる一次燃焼室と、
前記一次燃焼室の上方が仕切られ、火炎到達範囲に設けられた一次排気口を横切って触媒を設置可能な触媒設置部と、
前記触媒設置部に設置された前記触媒を通過する際に排気中に含まれる可燃成分を再燃焼させる二次燃焼部と、
前記二次燃焼させた排気を前記ストーブ本体の二次排気口より排気する排気量を抑制可能な排気抑制部と、を具備し、
前記触媒は、前記一次燃焼室に上部に設けられた触媒収納部と前記触媒設置部との間を移動可能に設けられ、前記一次燃焼室の燃焼を優先する燃焼状態と前記一次排気口を横切る前記触媒により排気抑制して二次燃焼を促す排気抑制状態を無段階で切り替え可能になっていることを特徴する燃焼装置。
【請求項２】
前記触媒は前記ストーブ本体内からストーブ本体外に延設された操作レバーに連結する触媒ケース内に収容されており、前記移動レバーの進退操作量により前記触媒を燃焼状態と排気抑制状態との間で無段階に切り替えられる請求項１記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記排気抑制部は、前記ストーブ本体の天板に対して可動する排気抑制板を備え、当該排気抑制板の前記天板からの突出量を調整することにより、前記触媒を通過した二次燃焼排気の排気通路断面積が変更される請求項１又は請求項２記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記排気抑制板の突出量による排気抵抗は、給気抵抗×（１．３５×排気温度（°Ｋ）／３００）×給気流速／排気流速により調整される請求項３記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記触媒収納部の底部にはハニカム構造の触媒ブロックの目詰まりを清掃する清掃ブラシが回転操作可能に設けられている請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記触媒設置部の上流側にはストーブ本体外より二次給気する二次給気口が設けられている請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記触媒収納部の上部は開閉可能な蓋体が設けられ、当該蓋体を開放して前記触媒ケースに収容された触媒が交換可能になっている請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃焼装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９３８６８（Ｐ２０１２−１９３８６８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５６１４５（Ｐ２０１１−５６１４５）
【出願日】平成２３年３月１５日（２０１１．３．１５）
【出願人】（５９４０５５１７０）北斗制御株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１５日（２０１１．３．１５）
【出願人】（５９４０５５１７０）北斗制御株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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