JP2005121286A - 酸素富化給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素供給装置を給湯器内に一体的に組み込み、コンパクト化を図ることを目的とする。
【解決手段】空気取入口と空気排出口の間を密閉構造とした収納ケース２４内に、前記空気取入口より取り込んだ空気から酸素を選択的に分離する酸素富化膜２１と前記酸素富化膜２１に空気を供給する空気供給ファン２３を一体的に組み込むとともに、前記酸素富化膜２１には透過する空気に負圧を与える真空ポンプ２２を接続して酸素富化装置２５を構成し、前記酸素富化装置２５は浴槽水を循環する追い焚き回路１８と前記浴槽水を昇温する加熱手段１０を有した給湯器８内に一体的に組み込み、かつ前記真空ポンプ２２から供給される酸素を少なくとも給湯器８内に形成される追い焚き回路１８に混入させる混入手段２７ａを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、追焚き循環回路を有する給湯器の追焚き配管を利用して、浴槽内の浴水中に酸素富化空気を供給する機能を有する酸素富化給湯装置に関するものである。

従来、この種の酸素供給装置は、ジェットバス等の浴槽水を循環させる管路に気体を供給する供給部を設け、この供給部に酸素富化空気を供給するための酸素富化装置を設けたものである（例えば、特許文献１参照）。

図６は、前記公報に記載された従来の浴槽内への酸素供給装置を示すものである。図において、１は浴槽、２は管路、３は供給部、４は吸入口、５は吐出口、６は酸素富化装置、７はポンプである。
特開平４−２３４７号公報

しかしながら上記従来の構成では、ジェット配管の管路の途中に酸素供給部を設け、この供給部に酸素富化空気を供給するものであるため、酸素を浴槽に供給するためには、ジェットバスのシステムを有することが必要であり、簡単に家庭に設置できるものではなかった。また、ジェットバスの流量が大きいため、電気代や騒音等の関連で長時間使用することが難しく、十分な酸素を供給することができないという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、殆どの家庭で設置している追い焚き機能付き給湯機の追い焚き循環回路を用いて、酸素富化装置からの高濃度の酸素等の気体を混入させ、浴槽内に設置した追い焚き循環水を吐出する追焚きアダプタより噴出させる構成とすることで、特別な経路を付加することなく省スペースで家庭用小型給湯機に内蔵可能となり、安価に取り付けでき、かつ循環流量も少なく、長時間の酸素等の気体の供給が可能な装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するため本発明の酸素富化給湯装置は、空気取入口と空気排出口の間を密閉構造とした収納ケース内に、前記空気取入口より取り込んだ空気から酸素を選択的に分離する酸素富化膜と前記酸素富化膜に空気を供給する空気供給ファンを一体的に組み込むとともに、前記酸素富化膜には透過する空気に負圧を与える真空ポンプを接続して酸素富化装置を構成し、前記酸素富化装置は浴槽水を循環する追い焚き回路と前記浴槽水を昇温する加熱手段を有した給湯器内に一体的に組み込み、かつ前記真空ポンプから供給される酸素を少なくとも給湯器内に形成される追い焚き回路に混入させる混入手段を備えた構成としたものである。

これによって、収納ケースに設けられた空気供給ファンにより供給された新鮮空気が、真空ポンプにより負圧を与えられた酸素富化膜を透過することにより酸素濃度を高めるため、高濃度の酸素富化空気を低騒音・低電力で十分な酸素量を供給でき、かつ酸素混入手段を給湯器内に収納することでコンパクト化が図れ、浴槽との追い焚き配管も従来同様の工事で済むため、既設システムへの置き換えが可能となり、一般家庭用としての普及を促進することができる。

以上のように本発明の酸素富化給湯装置では、小型かつ簡単な構成で高濃度の酸素富化空気を低騒音・低電力で十分な酸素量を供給できる。かつ省スペースで家庭用小型給湯機に内蔵が容易であり安全で高い信頼性を有し、メンテナンスが不用である。そして、追焚き装置の追い焚き循環回路に混入するだけであり、追い焚き装置の循環回路の流量が小さくても十分な酸素量を浴槽に供給できるため、一般家庭用の小型給湯機に内蔵させて広く安価に供給することが可能となる。

第１の発明は、空気取入口と空気排出口の間を密閉構造とした収納ケース内に、前記空気取入口より取り込んだ空気から酸素を選択的に分離する酸素富化膜と前記酸素富化膜に空気を供給する空気供給ファンを一体的に組み込むとともに、前記酸素富化膜には透過する空気に負圧を与える真空ポンプを接続して酸素富化装置を構成し、前記酸素富化装置は浴槽水を循環する追い焚き回路と前記浴槽水を昇温する加熱手段を有した給湯器内に一体的に組み込み、かつ前記真空ポンプから供給される酸素を少なくとも給湯器内に形成される追い焚き回路に混入させる混入手段を備えたことを特徴とするもので、気密な収納ケースに設けられた空気供給ファンにより供給された新鮮空気が、真空ポンプにより負圧を与えられた酸素富化膜を透過することにより酸素濃度を高められる。そして、酸素富化空気は追焚き配管の中の湯または水に混入され、浴槽に取りつけた追焚きアダプターから噴出するときに、酸素富化空気が気泡となって浴槽水の中を通過し、その後浴室内に充満するようになり、入浴中の人が高濃度の酸素を吸いながら湯につかることで、温浴効果を促進したり、居眠りを防止したりできるとともに、酸素混入手段を給湯器内に収納することでコンパクト化が図れ、浴槽との追い焚き配管も従来同様の工事で済むため、既設システムへの置き換えが可能となり、一般家庭用としての普及を促進することができる。

第２の発明は、第１の発明の酸素富化膜を平膜式の気体分離複合膜としたもので、約３０％の高い濃度の酸素富化空気を供給でき、屋外に設置され高い耐候性、高い防塵性が求められる給湯器内に、小型・軽量で、気温の変化による酸素富化特性（濃度や流量）の変化が小さく、埃が詰まりにくくメンテナンスが不要で安価な酸素富化装置を内蔵することが出来る。

第３の発明は、第２の発明の酸素富化膜を複数枚からなる平面・平行で多層の構成としたもので、特に省スペース性が求められる小型給湯機において、小さいスペースで安定して必要な量の酸素富化空気を供給することが可能となる。

第４の発明は、第２の発明の酸素富化膜を平面に保持するフレームを難燃性樹脂で構成したもので、特に器具内部に難燃性が求められる燃焼器具である給湯機において、安全な酸素富化装置を供給することが可能となる。

第５の発明は、第１の発明の酸素富化装置の空気供給ファンのプロペラや本体を難燃性樹脂で構成したもので、特に器具内部に難燃性が求められる燃焼器具である給湯機において、安全な酸素富化装置を供給することが可能となる。

第６の発明は、第１の発明の空気供給ファンにプロペラの回転・停止を検出する信号を発信する機能を備えたものであり、酸素富化装置の故障検出が可能となる。

第７の発明は、第１の発明における酸素富化給湯装置のバーナーを点火した時には空気供給ファンを一時的に停止し、バーナーの燃焼が一定時間以上継続された場合のみ真空ポンプを停止し、酸素富化装置の作動を停止するシーケンスを備えたものである。この構成では、給湯装置のバーナーを点火した時に多量に発生する炭化水素の排気ガスを酸素富化装置が吸引することがなく、かつバーナーの燃焼が一定時間以上継続された場合のみ真空ポンプを停止するので、間欠的に給湯装置を使用しても浴槽への気泡の供給が途切れることがない。加えて給湯装置が一定時間以上継続的に仕様された場合は真空ポンプも停止するので給湯装置のバーナーから出る排気ガスを吸引することがない。

第８の発明は、第７の発明における酸素富化給湯装置の作動を停止する場合、まず空気供給ファンを停止し、一定時間遅れて真空ポンプを停止するシーケンスを備えたものである。この構成では、配管内に残った平膜式の気体分離複合膜より凝集・結露された空気中の水分が、空気供給ファンの停止により水分の富化が止まり乾燥空気となるため配管よりパージされ配管が乾燥する。そのため配管内が結露水の凍結により詰まったり、カビや臭い成分が発生することがない。

第９の発明は、第１の発明の酸素富化装置の収納ケースを不燃性材料で構成したもので、内部に収納される可燃性の酸素富化膜をバーナーの異常発生時の類焼から保護するもので、特に器具内部に難燃性が求められる燃焼器具である給湯機において、安全な酸素富化装置を供給することが可能となる。

第１０の発明は、第１の発明の酸素富化装置の収納ケースの空気取り入れ口を給湯装置本体外殻ケースの吸気ギャラリー近傍に設けたもので、外殻ケース外部からの新鮮な空気を十分な量を安定して供給することが可能となり、高濃度の酸素を安定して得ることができる。

第１１の発明は、第１の発明の酸素富化装置の収納ケースの空気取り入れ口を給湯装置本体外殻ケースの外部に設けたものである。給湯装置外部の排気ガスが到達しない場所から新鮮空気を吸引・供給可能となるため、給湯装置のバーナーが燃焼しても発生する排気ガスを吸引せず酸素富化装置を都度止める必要が無く、より安全な酸素富化給湯装置を供給することが可能となる。

第１２の発明は、第１の発明における酸素富化装置の収納ケースの側面に空気供給ファンを配置し、酸素富化膜からの排気をケース内面に当て反射・屈折させた空気を吸引する構成としたもので、酸素富化膜からの排気がケース内面に当たり反射・屈折するため、収納ケースを小型に保ったまま排気経路が長くなり空気の流れが均等化さるため、複数枚からなる平面・平行で多層の構成された酸素富化膜の空気の流れが均等になり高濃度の酸素を安定して得ることができる。

第１３の発明は、第１の発明の酸素富化装置の収納ケースを、給湯装置の熱交換器近傍に配置したもので、給湯装置の熱交換器の余熱で冬季においても酸素富化膜の凍結を防止できるものである。

第１４の発明は、第１の発明の酸素富化装置の収納ケースに、酸素富化膜の凍結予防ヒーターを備えたもので、凍結予防ヒーターで冬季においても酸素富化膜の凍結を防止できるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における酸素富化給湯装置の全体構成図を示すものである。

図において、給湯装置本体８の内部構成は、熱交換器１０を加熱するバーナ９があり、このバーナ９に燃焼用空気を送るバーナファン１１が設けられている。熱交換器１０の下流側には燃焼ガスの排気口１２が設けられ、バーナ９で発生した燃焼ガスを本体外に排出する。

また、熱交換器１０には給湯入口１４から入った水を加熱し給湯出口１５を経由してカラン１６等から吐出する給湯回路１３が設けられており、さらに、前記熱交換器１０には浴槽１９の湯水を追い焚きポンプ１７で循環させ熱交換器１０で加熱後、再度浴槽１９に戻す追い焚き循環回路１８が設けられている。

このような内部構成を有する給湯装置８の一画に、大気中から酸素を取り出し高濃度化した酸素を前記追い焚き循環回路１８の循環水に混入させる酸素富化装置２５を配設してある。

酸素富化装置２５は、吸引・透過させた空気から酸素を選択的に分離する平膜式の気体分離複合膜が平面・平行で多層からなる酸素富化膜２１、前記酸素富化膜２１に負圧を与える真空ポンプ２２と酸素富化膜２１に空気を供給する空気供給ファン２３とで構成し、前記酸素富化膜２１と空気供給ファン２３は空気取入口と空気排出口の間を密閉構造とした収納ケース２４内に一体的に組み込み、熱交換器１０の近傍の給湯器本体８内に配設してある。酸素富化膜２１と真空ポンプ２２はパイプ２６によりつながり、真空ポンプ２２の下流側には熱交換器１０を経由した後の追い焚き循環回路１８に酸素を混入するための混入手段２７ａが設けられており、この混入手段２７ａは給湯器本体８内の追い焚き循環回路１８に連通させることにより、給湯器本体８と浴槽１９の追い焚きアダプタ２０との配管接続は従来どおり、２本の追い焚き配管でよく、酸素富化装置付き給湯器への置き換えも簡単に行うことができるものである。

以上のように構成された酸素富化給湯装置、特に酸素富化装置２５について、以下その動作・作用を説明する。

まず、酸素富化膜２１の酸素富化の原理・作用についてその詳細を図２を用いて説明する。酸素富化膜２１は樹脂製のフレーム２８の表面に二枚の平膜式の気体分離複合膜２９を気密に貼りつけられ、その内面は真空ポンプ２２にパイプ２６によって接続されている。また、この酸素富化膜２１は複数枚で平面・平行であり多層で構成されている。空気供給ファン２３より表面に流れる空気３０は、真空ポンプ２２が気密なフレーム２８と平膜式の気体分離複合膜２９の内面を減圧して平膜式の酸素富化膜２１の内面に吸引・透過させられるが、酸素を優先的に透過する平膜式の気体分離複合膜２９の作用により、吸引された空気は酸素濃度が高められた酸素富化空気３１となり真空ポンプ２２の下流側に排出される。

ここで、酸素富化膜２１は平膜式の気体分離複合膜２９としたので、約３０％の高い濃度の酸素富化空気を供給できる。また、省スペースであること、屋外に設置され高い耐候性、高い防塵性が求められる給湯器内に、小型・軽量で、気温の変化による特性（酸素濃度や流量）の変化が小さく、埃が詰まりにくくメンテナンスが不要で、安価な酸素富化装置を内蔵することができる。

また、酸素富化膜２１を複数枚からなる平面・平行で多層の構成としたもので、特に省スペース性が求められる小型給湯機において、小さいスペースで安定して必要な量の酸素富化空気を供給することが可能となっている。

加えて、平膜式の気体分離複合膜２９を平面に保持するフレーム２８を難燃性樹脂で構成したもので、特に器具内部に難燃性が求められる燃焼器具である給湯機において、安全な構造となっている。

次に、空気供給ファン２３の機能について説明する。平膜式の気体分離複合膜２９を使って酸素を富化する場合、酸素の供給源となる空気３０は発生する酸素富化空気３１の体積に対して約５０倍以上の量を供給し続ける必要がある。そのため、収納ケース２４には空気供給ファン２２が設けられている。収納ケース２４に気密に設置された空気供給ファン２２が回転すると、収納ケース２４の空気取り入れ口３２より給湯装置本体ケース８内の空気を吸引され、酸素富化膜２１表面に空気が大量に供給される。

空気供給ファン２３のプロペラや本体は難燃性樹脂で構成されており、特に器具内部に難燃性が求められる燃焼器具である給湯機において、安全な構造となっている。また空気供給ファン２３にプロペラの回転・停止を検出する信号を発信する機能を備えられており、空気供給ファン２３が故障したことによる酸素富化装置２５の故障検出が可能となっている。

また、酸素富化給湯装置のバーナー９を点火した時には、燃焼状態が定常状態となるまで空気供給ファン２２を一時的に停止し、バーナー９の燃焼が一定時間以上継続された場合のみ真空ポンプ２２を停止し、酸素富化装置２５の作動を停止するシーケンスを備えている。この構成では、給湯装置のバーナー９を点火時に一時的に多量に発生し、排気口１２から排出される炭化水素・酸化炭素・窒化酸素の排気ガスを酸素富化装置が吸引することがない。かつバーナー９の燃焼が一定時間以上、すなわち点火時の非定常燃焼状態から定常燃焼状態に移った後も継続燃焼された場合、例えば点火から１分後経過してからのみ真空ポンプ２２を停止するので、間欠的に給湯装置を使用しても浴槽１９への気泡の供給が途切れることがない。加えて給湯装置が一定時間以上継続的に使用された場合は真空ポンプ２２も停止するので給湯装置のバーナー９から出る排気ガスを大量に吸引することがない。

さらに、酸素富化給湯装置の作動を停止する場合、まず空気供給ファン２３を停止し、一定時間遅れて真空ポンプ２２を停止するシーケンスを備えている。説明すると、シリコン製非多孔質支持体の気体分離膜２１は供給された空気３０より酸素富化空気３１を生成するのと同時に、空気３０に含まれる水蒸気を約２０倍以上凝集し大量の水分を発生させる。この水分を放置すると配管２６、２７の内面や真空ポンプ２２の内部で結露すると、凍結し故障の原因となったりカビの発生を招くおそれがある。そこでまず空気供給ファン２３の停止し水分の富化も止め通常の水蒸気を大量には含まない乾燥空気にもどす。そしてこの乾燥空気で配管２６、２７や真空ポンプ２２のパージを一定時間行ない配管内を乾燥させたのち、真空ポンプ２２を止める。そのため配管内が結露水の凍結により詰まり故障したり、カビや臭い成分が発生することがない。

次に、収納ケース２４の機能について説明する。収納ケース２４は金属製の板金で気密に構成され、図３に示すように空気取り入れ口３２を給湯装置外郭ケース８の吸気ギャラリー３３の近傍で、かつ給湯装置の熱交換器１０の近傍に設けられている。収納ケース２４の内部には前述の複数枚からなる平面・平行で多層の構成される酸素富化膜２１が収まる。酸素富化膜２１の表面を通過した空気３０は一度内面の壁に当たって反射・屈折してから前述の空気供給ファン２３に吸引される構造となっている。

ここで、収納ケース２４は不燃性材料である金属の板金で構成したもので、内部に収納される可燃性の酸素富化膜２１をバーナー９の異常時の類焼から保護し、特に器具内部に難燃性が求められる燃焼器具である給湯機において、安全な構造となっている。

また、収納ケース２４の空気取り入れ口２９を給湯装置本体外殻ケース８の吸気ギャラリー３３近傍に設けており、外殻ケース８外部からの新鮮な空気を十分な量を安定して供給することが可能となり、高濃度の酸素を安定して得ることができる。

さらに収納ケース２４を給湯装置の熱交換器１０の近傍に配置したもので、給湯装置の熱交換器１０の余熱で冬季における酸素富化膜２１の凍結を防止できる。

加えて、酸素富化膜２１を通過し吸引された空気３０はいったん収納ケース２４の内面の壁に当たり、反射・屈折してから空気供給ファン２３に引き込まれ、収納ケース２４の外に排出される。収納ケース２４内部で排気経路を折返す構成としているので収納ケース２４を小型に保ったまま排気流路長が長く取れ、複数枚からなる平面・平行で多層の構成された酸素富化膜２１の空気２９の流れが均等になり高濃度の酸素を安定して得ることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における酸素富化給湯装置の全体構成図を示すものである。第２の実施の形態では、酸素富化装置２５の収納ケース２４の空気取り入れ口３２を給湯装置本体外殻ケースの外部に設けている。この構成により給湯装置の排気口１２から出る排気ガスが到達しない場所から新鮮空気を吸引・供給可能となるため、給湯装置のバーナー９が燃焼しても発生する排気ガスを吸引せず酸素富化装置２５を都度止める必要が無い。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態における酸素富化給湯装置の全体構成図を示すものである。第３の実施の形態では、図５に示すように、酸素富化装置２５の収納ケース２４に酸素富化膜２１の凍結予防のためのヒーター３３を備えたもので、特に冬季や低温における信頼性が求められる寒冷地においても酸素富化膜２１の凍結を防止でき、かつ低温で生成する酸素富化空気の流量が低下する平幕式の気体分離複合膜の特性を補い、安定した富化酸素空気を供給できるものである。

以上のように本発明にかかる酸素富化給湯装置は、平膜式の気体分離複合膜の酸素富化膜を真空ポンプで減圧して酸素富化空気を取り出し追焚き循環回路に混入するので、簡単な構成で約３０％の高い濃度の酸素富化空気を供給可能となる。また省スペースで、信頼性が高く、メンテナンスが不用で、小型給湯機に収納可能であり、既設のふろ循環回路を利用した設置もできるので、一般家庭用の小型給湯機に内蔵させ広く安価に供給することができるとともに、ガス給湯機に限らず石油や電気の給湯機やヒートポンプ式給湯機にも適用できる。

本発明の実施形態１における酸素富化給湯装置の全体構成図 本発明の実施形態１における酸素富化膜の全体構成図 本発明の実施形態１における酸素富化給湯装置の外観図 本発明の実施形態２における酸素富化給湯装置の全体構成図 本発明の実施形態３における酸素富化給湯装置の全体構成図 従来例における酸素富化給湯装置の全体構成図

符号の説明

１７ 追焚き循環ポンプ
１８ 追焚き循環回路
２１ 酸素富化膜
２２ 真空ポンプ
２３ 空気供給ファン
２４ 収納ケース
２５ 酸素富化装置
２７ａ 酸素混入手段

Claims (14)

1. 空気取入口と空気排出口の間を密閉構造とした収納ケース内に、前記空気取入口より取り込んだ空気から酸素を選択的に分離する酸素富化膜と前記酸素富化膜に空気を供給する空気供給ファンを一体的に組み込むとともに、前記酸素富化膜には透過する空気に負圧を与える真空ポンプを接続して酸素富化装置を構成し、前記酸素富化装置は浴槽水を循環する追い焚き回路と前記浴槽水を昇温する加熱手段を有した給湯器内に一体的に組み込み、かつ前記真空ポンプから供給される酸素を少なくとも給湯器内に形成される追い焚き回路に混入させる混入手段を備えた酸素富化給湯装置。
2. 酸素富化膜を平膜式の気体分離複合膜とした請求項１記載の酸素富化給湯装置。
3. 酸素富化膜を複数枚からなる平面・平行で多層の構成とした請求項２記載の酸素富化給湯装置。
4. 酸素富化膜を平面に保持するフレームを難燃性樹脂で構成した請求項２記載の酸素富化給湯装置。
5. 空気供給ファンをプロペラや本体を難燃性樹脂で構成した請求項１記載の酸素富化給湯装置。
6. 空気供給ファンにプロペラの回転・停止を検出する信号を発信する機能を備えた請求項１記載の酸素富化給湯装置。
7. 給湯装置のバーナー点火時には空気供給ファンを一時的に停止し、バーナーの燃焼が一定時間以上継続された場合のみ真空ポンプを停止し、酸素富化装置の作動を停止するシーケンスを備えた請求項１記載の酸素富化給湯装置。
8. 酸素富化装置の作動を停止する場合、まず空気供給ファンを停止し、一定時間遅れて真空ポンプを停止するシーケンスを備えた請求項７記載の酸素富化給湯装置。
9. 収納ケースを不燃性材料で構成した請求項１記載の酸素富化給湯装置。
10. 収納ケースの空気取り入れ口を給湯装置本体外殻ケースの吸気ギャラリー近傍に設けた請求項１記載の酸素富化給湯装置。
11. 収納ケースの空気取り入れ口を給湯装置本体外殻ケースの外部に設けた請求項１記載の酸素富化給湯装置。
12. 収納ケースの側面に空気供給ファンを配置し、酸素富化膜からの排気をケース内面に当て反射・屈折させた空気を吸引する構成とした請求項１記載の酸素富化給湯装置。
13. 収納ケースを、給湯装置の熱交換器近傍に配置した請求項１記載の酸素富化給湯装置。
14. 収納ケースに、酸素富化膜の凍結予防ヒーターを備えた請求項１記載の酸素富化給湯装置。

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