JP2009150597A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式の給湯装置において、水熱交換器の水流路内にスケールが付着するのを抑制する。
【解決手段】給湯装置（10）は貯湯タンク（25）と、水を冷媒と熱交換させて加熱するための水熱交換器（43）が接続された冷凍サイクルを行う冷媒回路（45）と、貯湯タンク（25）の水を水熱交換器（43）へ供給するとともに、水熱交換器（43）で加熱された水を貯湯タンク（25）へ送り返す水循環回路（21）とを備える。水循環回路（21）に、貯湯タンク（25）から水熱交換器（43）に供給される水中に気体を加圧溶解させた後、減圧することによって微細気泡を発生させる微細気泡発生手段（50）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた、いわゆるヒートポンプ式の給湯装置に関するものである。

従来より、貯湯タンクと水熱交換器とを備え、貯湯タンク内の湯水と冷媒回路を流通する冷媒との間の熱交換を上記水熱交換器で行うよう構成したヒートポンプ式の給湯装置が知られている。その貯湯タンクは常に水で満たされた状態となっており、貯湯タンクの上部に溜まった温水が利用側へ供給される一方、貯湯タンクの下部には水道水等が供給される。そして、貯湯タンクの下部にある低温の水は、冷媒回路の冷媒によって過熱された後に貯湯タンクの上部へ送り返される。
特開２００３−１９４４０５号公報

ところで、上記ヒートポンプ式給湯装置に用いられている水熱交換器においては、水温の上昇に伴い、水中に溶解しているスケール成分（例えば、炭酸カルシウム）が析出して水流路内壁に付着することがある。すなわち、水道水中に溶解している炭酸カルシウムの溶解度は水温が上昇するにしたがって低下し、炭酸カルシウムがスケール成分として析出しやすくなる。このようにして析出したスケール成分が水通路内に付着すると、管壁からの伝熱性能が低下することとなって熱交換器の性能が低下してしまうことに加え、水流路の流路断面積が小さくなって流路閉塞を引き起こすなどの問題が生ずる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ヒートポンプ式の給湯装置において、水熱交換器の水流路内にスケールが付着するのを抑制することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明に係る冷凍装置は、給湯用の温水を蓄える貯湯タンク（25）と、水を冷媒と熱交換させて加熱するための水熱交換器（43）が接続された冷凍サイクルを行う冷媒回路と、上記貯湯タンク（25）の下部の水を上記水熱交換器（43）へ供給するとともに、該水熱交換器（43）で加熱された水を貯湯タンク（25）の上部へ送り返す水循環回路（21）とを備える給湯装置を対象とする。

そして、上記水循環回路（21）には、上記貯湯タンク（25）から水熱交換器（43）に供給される水中に気体を加圧溶解させた後、減圧することによって微細気泡を発生させる微細気泡発生手段（50）が設けられている。

上記の構成によると、給湯装置（10）の水循環回路（21）において、水熱交換器（43）に供給される水中に微細気泡が含まれることで、水中における微細気泡を核としてスケールが析出し、水中におけるスケールの析出部分が分散されるので、水熱交換器（43）の水流路（43a）内面でのスケールの結晶成長が阻害される。

また、水熱交換器（43）の水流路（43a）内面に微細気泡が付着することで、水流路（43a）内面でのスケールの結晶成長が阻害される。

さらに、水中で微細気泡がはじける際に、その衝撃により水熱交換器（43）の水流路（43a）内に付着しかかっているスケールが剥がれると考えられる。

したがって、水熱交換器（43）に微細気泡が含まれた水を供給することで、スケールの析出が抑制され、水流路（43a）内にスケールが付着しにくくなる。

第２の発明に係る冷凍装置は、上記第１の発明に係る冷凍装置において、上記微細気泡発生手段（50）により水中に加圧溶解させる気体に二酸化炭素が含まれる。

上記の構成によると、微細気泡発生手段（50）で水中に溶解させる気体に二酸化炭素が含まれることで、水中の二酸化炭素濃度が高くなり、炭酸カルシウムが溶解しやすくなるので、炭酸カルシウム（スケール）が析出しにくくなる。

なお、溶解させる気体は空気でもよいが、積極的に二酸化炭素を含ませることで、水中の二酸化炭素濃度がより高くなり、炭酸カルシウムの溶解度が高くなるので炭酸カルシウムの析出がより一層抑制される。

上記第１の発明によれば、給湯装置（10）の水循環回路（21）に微細気泡発生手段（50）を設け、水熱交換器（43）に供給される水中に微細気泡を含ませたことで、水熱交換器（43）の水流路（43a）内にスケールが付着するのを抑制することができる。

上記第２の発明によれば、微細気泡発生手段（50）により水中に加圧溶解させる気体に二酸化炭素を含ませた。このため、水熱交換器（43）に供給される水中の二酸化炭素濃度が高くなり、炭酸カルシウムの溶解度が高くなるので、炭酸カルシウム（スケール）の析出が抑制され、水熱交換器（43）の水流路（43a）内にスケールが付着するのをより一層抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の給湯装置（10）は、貯湯ユニット（20）及び熱源ユニット（40）を備えている。貯湯ユニット（20）及び熱源ユニット（40）は、水循環回路（21）を構成する配管によって接続されている。熱源ユニット（40）は冷媒回路（45）を備えたヒートポンプである。

（貯湯ユニット）
上記貯湯ユニット（20）には、縦長円筒形の密閉容器状に形成された貯湯タンク（25）が設けられている。貯湯タンク（25）は、その底部に給水口（26）と取水口（28）とが形成され、また頂部に出湯口（27）が形成され、側壁の上部に入湯口（29）が形成されている。

上記貯湯タンク（25）の給水口（26）には、市水を貯湯タンク（25）に供給するための主給水管（31）の出口端が接続されている。主給水管（31）には第１給水管（32a）と第２給水管（32b）とが接続されていて、第１給水管（32a）は第１混合弁（35a）に接続され、また、第２給水管（32b）は第２混合弁（35b）に接続されている。

上記貯湯タンク（25）の出湯口（27）には、主給湯管（36）の入口端が接続されている。主給湯管（36）には、貯湯タンク（25）の上部に溜まった高温（例えば８０℃前後）の温水が流入するようになっている。主給湯管（36）は、その終端側が第１給湯管（37a）と第２給湯管（37b）とに分岐していて、第１給湯管（37a）は上記第１混合弁（35a）に接続され、また、第２給湯管（37b）は上記第２混合弁（35b）に接続されている。

なお、上記給水口（26）には主給水管（31）から水圧が常に作用していて、貯湯タンク（25）の内部は常に水で満たされた状態となっている。貯湯タンク（25）内の水温は、貯湯タンク（25）の上方ほど高くなっている。

上記第１混合弁（35a）には、浴槽（30）へ延びる第１供給管（39a）が接続されている。第１混合弁（35a）は、上記第１給湯管（37a）から供給された高温水と、上記第１給水管（32a）から供給された水道水とを混合して第１供給管（39a）へ送り出すように構成されている。一方、第２混合弁（35b）には、台所や洗面台などの利用側の水栓金具（33）へ延びる第２供給管（39b）が接続されている。第２混合弁（35b）は、上記第２給湯管（37b）から供給された高温水と、上記第２給水管（32b）から供給された水道水とを混合して第２供給管（39b）へ送り出すように構成されている。これらの各混合弁（35a,35b）は、給湯管（37a,37b）からの高温水と給水管（32a,32b）からの水道水とを流量割合を変更可能に構成されており、供給管（39a,39b）から利用側へ供給される温水の温度が所定の値になるように両者の流量割合を調節する。

上記貯湯タンク（25）には、上記取水口（28）に水循環回路（21）の入口端が接続され、また、上記入湯口（29）に水循環回路（21）の出口端が接続されている。この水循環回路（21）は、貯湯ユニット（20）と熱源ユニット（40）とに跨って設けられている。

上記水循環回路（21）には、入口端から出口端へ向かって順に、ポンプ（13）と、後述する微細気泡発生手段（50）と、水熱交換器（43）とが設けられている。このうちポンプ（13）は貯湯ユニット（20）に収容され、微細気泡発生手段（50）及び水熱交換器（43）は熱源ユニット（40）に収容されている。水循環回路（21）では、ポンプ（13）によって貯湯ユニット（20）から送り出された水が、熱源ユニット（40）を通過した後に貯湯ユニット（20）に戻ってくるように構成されている。

（熱源ユニット）
上記熱源ユニット（40）には、圧縮機（41）と空気熱交換器（42）と膨張弁（44）と水熱交換器（43）とが設けられた冷媒回路（45）が収納されるとともに、空気熱交換器（42）に室外空気を送る室外ファン（46）が設けられている。冷媒回路（45）は二酸化炭素やフロン系冷媒が充填された閉回路であり、この冷媒回路（45）は、冷媒を循環させることによって蒸気圧縮冷凍サイクルを行う。

上記熱源ユニット（40）では、圧縮機（41）の吐出側が水熱交換器（43）に接続され、また、圧縮機（41）の吸入側が空気熱交換器（42）に接続されている。また空気熱交換器（42）と水熱交換器（43）との間に膨張弁（44）が配置されている。

上記圧縮機（41）は、運転容量可変に構成され、インバータを介して電力が供給される。圧縮機（41）は、インバータの出力周波数を変化させることによって、その運転容量を段階的に調節することができるように構成されている。

上記空気熱交換器（42）は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成され、室外ファン（46）によって供給された室外空気を冷媒と熱交換させるものである。また、膨張弁（44）は、開度可変の電動膨張弁（44）として構成されている。

また、上記水熱交換器（43）は、いわゆるプレート式熱交換器により構成されており、互いに仕切られた水流路（43a）と冷媒流路（43b）とを備えている。水熱交換器（43）は、水流路（43a）の流体と冷媒流路（43b）の流体との間で熱交換を行うことができるように構成されている。水流路（43a）は、上記水循環回路（21）に接続されていて、貯湯タンク（25）の底部から取水した水が流入するようになっている。一方、冷媒流路（43b）は冷媒回路（45）に接続され、圧縮機（41）と膨張弁（44）との間に配置されて、圧縮機（41）から吐出された高温高圧の冷媒が流入するようになっている。

上記水熱交換器（43）では、圧縮機（41）及びポンプ（13）をそれぞれ運転させることによって、冷媒流路（43b）を流れる冷媒が水流路（43a）を流れる水に対して放熱し、水流路（43a）を流れる水が冷媒流路（43b）を流れる冷媒によって加熱される。この給湯装置（10）では、このように圧縮機（41）及びポンプ（13）をそれぞれ運転させることによって、貯湯タンク（25）内に温水を供給する補給運転（いわゆる沸増運転）が行われる。この実施形態では、熱源ユニット（40）及び水循環回路（21）が貯湯タンク（25）から取水した水を加熱してから貯湯タンク（25）へ戻す加熱手段を構成している。

（微細気泡発生手段）
上記微細気泡発生手段（50）は、図２に示すように、上記ポンプ（13）及び水熱交換器（43）の間に配設され、入口端がポンプ（13）側の水循環回路（21）に接続され、出口端が水熱交換器（43）側の水循環回路（21）に接続された気泡側流路（50a）を備えている。

上記気泡側流路（50a）には、上流側（図２の左側）から下流側（図２の右側）に向かって順に、気体導入器（12）、加圧溶解タンク（14）、気液分離タンク（15）及び気泡発生器（17）が接続されている。

上記気体導入器（12）には、いわゆる炭酸ガスボンベのような二酸化炭素供給装置（16）が接続されていて、気泡側流路（50a）内へ気泡源となる二酸化炭素を含んだ気体を導入する。なお、この二酸化炭素供給装置（16）は必ずしも必要ではなく、気体導入器（12）が、その内部の水流によって発生する負圧を利用して空気を吸入する、いわゆるエジェクター方式の気体導入器（12）であって、気泡側流路（50a）内へ外部から空気を導入するように構成されていてもよい。この気体導入器（12）では、その内部を通過する水流により負圧が生じ、この負圧によって二酸化炭素供給装置（16）からの二酸化炭素を含む気体や外部の空気が気泡側流路（50a）に導入されて、水に気体が混入された気液混合流体となる。

上記加圧溶解タンク（14）は、水が加圧溶解タンク（14）内の液面上に噴射されることで水中に気体を加圧溶解させて、気液混合流体を気体溶解液にするものである。

具体的には、上記加圧溶解タンク（14）は、縦長円筒形の密閉容器状に形成され、下部に水の液層を有し、上部に未溶解気体の気層を有している。加圧溶解タンク（14）は、その上部に気泡側流路（50a）が接続されて気層に臨む溶解入口（14a）が設けられ、また、側壁下部に気液分離タンク（15）に向かって延びる気泡側流路（50a）が接続されて気体溶解液が吐出される溶解出口（14b）が設けられている。水が加圧溶解タンク（14）内に送り込まれることで気密状の加圧溶解タンク（14）が加圧されるとともに、水流により水が攪拌されることで気体が溶解されるようになっている。

上記気液分離タンク（15）は、上記加圧溶解タンク（14）から吐出された気体溶解液と過剰気体としての気泡とを分離するものである。

具体的には、上記気液分離タンク（15）は、縦長円筒形の密閉容器状に形成され、側壁下部の一端側に加圧溶解タンク（14）の溶解出口（14b）から延びる気泡側流路（50a）が接続される分離器入口（15a）が設けられ、また、側壁下部の他端側に気泡発生器（17）に向かって延びる気泡側流路（50a）が接続されて気体溶解液が吐出される分離器出口（15b）が設けられている。また、気液分離タンク（15）の上壁には、過剰気体を排出する排気筒（15c）が設けられている。

上記気泡発生器（17）は、気体が加圧溶解された気体溶解液を減圧することによって微細な気泡を発生させるものである。気泡発生器（17）は、出口が水熱交換器（43）の水流路（43a）に接続するように設置されている。この気泡発生器（17）は、図３に示すように、内部に流路絞り部（17a）と流路拡大部（17b）とが形成されている。気泡発生器（17）では、流路拡大部（17b）が流路絞り部（17a）の上流に比べて低圧になる。加圧溶解タンク（14）で気体を溶解した水は、流路絞り部（17a）から流路拡大部（17b）へ流入する際に減圧され、溶解した気体が微細な気泡（マイクロバブル）となって現れる。微細な気泡は水とともに吐出ノズル（17c）を通じて水熱交換器（43）へ流入する。

（運転動作）
次に、給湯装置（10）の運転動作について説明する。

まず、貯湯ユニット（20）は、図１に示すように、水栓金具（33）が開かれたり浴槽（30）への湯張りが開始されると、貯湯タンク（25）内の高温の温水が出湯口（27）から主給湯管（36）へ流出する。主給湯管（36）へ流出した高温水は、各混合弁（35a,35b）において各給水管（32a,32b）からの水道水と混合され、所定の温度の温水となって各供給管（39a,39b）を通って水栓金具（33）や浴槽（30）へ供給される。貯湯タンク（25）には、主給湯管（36）へ流出した高温水と同量の水道水が主給水管（31）から給水口（26）に補充される。

一方、熱源ユニット（40）では、圧縮機（41）から吐出された高温高圧の冷媒が水熱交換器（43）の冷媒流路（43b）へ流入し、水流路（43a）を流れる水に対して放熱する。水熱交換器（43）で放熱した高圧冷媒は、膨張弁（44）を通過する際に減圧されて低圧冷媒となり、空気熱交換器（42）へ送られ、室外空気から吸熱して蒸発する。空気熱交換器（42）から流出した低圧のガス冷媒は、圧縮機（41）へ吸入される。圧縮機（41）は吸入した冷媒を高圧にまで圧縮し、再び水熱交換器（43）の冷媒流路（43b）へ吐出する。

次に、水循環回路（21）の動作について、図２に基づいて説明する。

上記水循環回路（21）では、ポンプ（13）が貯湯タンク（25）の取水口（28）から水を吸い込む。水循環回路（21）に吸い込まれた水は、微細気泡発生手段（50）の気泡側流路（50a）に流入する。

上記微細気泡発生手段（50）においては、まず水は気体導入器（12）に流入する。気体導入器（12）には、二酸化炭素供給装置（16）から二酸化炭素を含む気体が供給されて水に混入される。気体導入器（12）から流出した気体と水との気液混合流体は、加圧溶解タンク（14）に流入する。

上記加圧溶解タンク（14）では、気液混合流体は溶解入口（14a）から加圧状態の加圧溶解タンク（14）内の液面上に噴射され、気体が水中に加圧溶解して気体溶解液となる。そして、この気体溶解液と水に溶けなかった過剰気体とが溶解出口（14b）から吐出される。

上記加圧溶解タンク（14）の溶解出口（14b）から吐出された気体溶解液及び過剰気体は、分離器入口（15a）から気液分離タンク（15）に流入し、過剰気体が気体溶解液から分離して排気筒（15c）から排出される。一方、過剰気体が分離した気体溶解液は分離器出口（15b）から気泡側流路（50a）に吐出される。

上記気液分離タンク（15）の分離器出口（15b）から吐出された気体溶解液は、上記気泡発生器（17）に流入し、流路絞り部（17a）から流路拡大部（17b）へ流入する際に減圧される。その際、水に溶解した気体が微細な気泡（マイクロバブル）となって現れる。この微細な気泡を含む水は吐出ノズル（17c）を通って水熱交換器（43）の水流路（43a）に流入する。

上記水熱交換器（43）では、水流路（43a）を流れる微細気泡を含んだ水が、冷媒流路（43b）を流れる高温の冷媒によって加熱されて高温の温水となる。この水流路（43a）で加熱された水は、入湯口（29）から貯湯タンク（25）に戻る。

（実施形態の効果）
本実施形態の給湯装置（10）においては、水循環回路（21）において、微細気泡発生手段（50）で発生した微細気泡を水熱交換器（43）に供給される水中に含ませることで、水熱交換器（43）の水流路（43a）内の水中における微細気泡を核としてスケールが析出し、水中におけるスケールの析出部分が分散されるので、水熱交換器（43）の水流路（43a）内面でのスケールの結晶成長が阻害される。

また、水熱交換器（43）の水流路（43a）内面に微細気泡が付着することで、水流路（43a）内面でのスケールの結晶成長も阻害される。

さらに、水中で微細気泡がはじける際に、その衝撃により水熱交換器（43）の水流路（43a）内に付着しかかっているスケールが剥がれると考えられる。

したがって、水熱交換器（43）に微細気泡が含まれた水を供給することで、スケールの析出が抑制され、水流路（43a）内にスケールが付着するのを抑制することができる。

また、上記微細気泡発生手段（50）では、二酸化炭素供給装置（16）によって気体導入器（12）に二酸化炭素を含む気体が供給され、加圧溶解タンク（14）で二酸化炭素を含む気体が水中に溶解する。二酸化炭素濃度が高いほど、炭酸カルシウムは溶解しやすくなるため、二酸化炭素を含まない気体と水との気液混合流体に比べて、本実施形態の二酸化炭素を含む気体と水との気液混合流体では、炭酸カルシウムの析出が抑制されるので、スケールの析出を効果的に抑制することができる。

（その他の実施形態）
なお、上述の実施形態は、本発明の例示であって、本発明はこの例に限定されるものではない。例えば、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態の給湯装置（10）の冷媒回路（45）や貯湯タンク（25）の構成は特に限定されない。冷媒回路（45）は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒回路であればよく、水熱交換器（43）は冷媒と貯湯用水とが熱交換を行うものであれば、プレート式熱交換器でなくてもよいし、空気熱交換器（42）はクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器でなくてもよい。

以上説明したように、本発明は、冷凍サイクルを行う冷媒回路と貯湯タンクとを備えた給湯装置について有用である。

本発明の実施形態に係る給湯装置の概略構成図である。 微細気泡発生手段の概略構成図である。 気泡発生器の概略構成を示す縦断面図である。

符号の説明

21 水循環回路
25 貯湯タンク
43 水熱交換器
45 冷媒回路
50 微細気泡発生手段

Claims (2)

1. 給湯用の温水を蓄える貯湯タンク（25）と、水を冷媒と熱交換させて加熱するための水熱交換器（43）が接続された冷凍サイクルを行う冷媒回路（45）と、上記貯湯タンク（25）の下部の水を上記水熱交換器（43）へ供給するとともに、該水熱交換器（43）で加熱された水を貯湯タンク（25）の上部へ送り返す水循環回路（21）とを備える給湯装置であって、
   上記水循環回路（21）には、上記貯湯タンク（25）から水熱交換器（43）に供給される水中に気体を加圧溶解させた後、減圧することによって微細気泡を発生させる微細気泡発生手段（50）が設けられていることを特徴とする給湯装置。
2. 請求項１の給湯装置において、
   上記微細気泡発生手段（50）により水中に加圧溶解させる気体に二酸化炭素が含まれることを特徴とする給湯装置。

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