JP2010091121A - スケール防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波振動を利用した加熱部のスケール防止装置において、超音波振動手段に熱損傷を与えることなく、超音波振動を加熱部に伝えて加熱部のスケール付着を予防することを目的とする。
【解決手段】加熱部２が加熱作動中に、水槽１の水位を低下させて超音波振動手段９の設置部と加熱部２との間に空気などの気体を導入して加熱部２から超音波振動手段９への熱伝導を抑制することによって超音波振動手段９の熱損傷を防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器などに生じるスケールの付着と成長を防止するスケール防止装置に関するものである。

ヒートポンプ給湯機などの水熱交換器は二重の管からなる構造を持ち、内側の冷媒管には高温の二酸化炭素冷媒が流れ、外側の水管には常温の水を冷媒と逆の方向から通水することによって冷媒から水に熱交換がおこなわれる。水管中のカルシウム、マグネシウム、シリカ、鉄水酸化物の濃度が高い場合、冷媒管の高温部分（概ね８０℃以上）の表面にスケールが沈着する。スケールが沈着すると、無機成分であるスケールの熱伝導度は金属性冷媒管の熱伝導度よりも小さいために、熱交換効率が低下する。熱交換効率が低下すると、冷媒管の高温部は水が導入される側に分布が拡大し、その結果スケールの沈着しやすい部分は水が導入される側に拡大する。そのようにして、スケールの沈着部分が拡大したり沈着した厚みが拡大したりすると、熱交換性能が低下するばかりでなく、熱交換器の圧力損失が大きくなりやがて給湯流量が低下して機器の目的が果たせなくなる。

スケール付着の問題は特に硬水地帯で顕著に問題となるため、さまざまな解決方法が提案されたり実用化されたりしている。例えば、水に含まれる硬水成分（カルシウム、マグネシウム）を吸着除去する陽イオン交換樹脂を備えた軟水化装置を用いてスケールが生じにくい水を供給したり、定期的にスケールを溶解する薬剤を配管に投入してスケールを除去したりという方法がある。軟水化装置は定期的に陽イオン交換樹脂を再生するために食塩などを投入する必要があり、薬剤による方法も使用者に投入の手間を要する。いずれも煩雑であり一般家庭において長期にわたって適切なメンテナンスがなされるとは考えにくい。一方、使用者の手間を要さない方法としては、磁気を利用してスケール成分の沈着を防ぐ方法があるが常に効果が発揮されるとは限らない。定期的に熱交換器の内部に高圧の水を噴射するなどして物理的にスケールを除去する方法もあるが、熱交換器の耐圧性能、耐衝撃性能が高くなるように製造する必要があるなど制約がある。

上記に述べたような手間や制約がなく十分なスケール除去性能を発揮する手法として、超音波振動を利用した超音波式スケール防止装置がある（例えば文献１参照）。一般的に、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの周波数の超音波振動によって、水溶液中でキャビテーション現象が生じて、気泡が崩壊する際に強い剥離効果がみられる。
特開昭５９−２０９６９１号公報

前記文献１の超音波振動によるスケール剥離技術を、ヒートポンプ給湯機の熱交換器に応用しようとした場合、超音波振動子が熱により損傷を受けるという問題がある。超音波振動を冷媒管に伝播させようとしたら、保持層を介して振動子と水管とを密着する必要があり水管から熱が振動子に伝わる。超音波振動子はキュリーポイントの温度を超えると圧電特性を失うが、キュリーポイント以下の温度でも長時間さらされると特性が変化して性能が劣化する。例えば、ＰＺＴ圧電素子の場合、キュリーポイントは２９０℃程度であるが、振動特性が変化することを避けるため非稼動時でも保管温度は約８５℃以下とするように推奨される。また、圧電素子の稼動時は水温は６５℃以下とするように推奨される。ヒートポンプ給湯機の熱交換器は９０℃程度で運転されることもあるため、熱交換器の高温部に超音波振動子を密着させることは不適当である。

本発明は、超音波振動手段に熱損傷を与えることなく、超音波振動を加熱部に伝えて加熱部のスケール付着を予防することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスケール防止装置は、水または水溶液（以下、水と記す）を内部に貯留または通水して加熱する加熱部と、前記加熱部を覆うように設けられ内部に水を貯留する水槽と、前記水槽の外側に配置された超音波振動手段と、前記水槽に水を供給する給水部と、前記給水部による給水を開始／停止する給水弁と、前記水槽の水を排水する排水部と、前記排水部による排水を開始／停止する排水弁を備え、前記加熱部を作動させる際に前記水槽内の水を排出して前記加熱部と前記超音波振動手段との間に気相を設け、また前記加熱部が不作動の際に前記加熱部が水面下に浸るまで水槽に水を貯留して前記超音波振動手段を作動させるもので、加熱部から超音波振動手段への伝熱を抑制し超音波振動手段の温度を所定の温度以下に保つようにすることができる。

超音波洗浄手段が加熱部の熱によって損傷することなく、超音波振動を加熱部に伝えて加熱部のスケール付着を予防できる。

第１の発明は、水または水溶液を内部に貯留または通水して加熱する加熱部と、前記加熱部を覆うように設けられ内部に水を貯留する水槽と、前記水槽の外側に配置された超音波振動手段と、前記水槽に水を供給する給水部と、前記給水部による給水を開始／停止する給水弁と、前記水槽の水を排水する排水部と、前記排水部による排水を開始／停止する排水弁を備え、前記加熱部を作動させる際に前記水槽内の水を排出して前記加熱部と前記超音波振動手段との間に気相を設け、また前記加熱部が不作動の際に前記加熱部が水面下に浸るまで水槽に水を貯留して前記超音波振動手段を作動させることによって前記加熱部内のスケールを剥離するようにしたスケール防止装置である。加熱部が加熱作動中に、水槽の水位を低下させて超音波振動手段の設置部と加熱部との間に空気などの気体を導入することによって加熱部から超音波振動手段への熱伝導率を水槽の水に比べて大幅に低下させることによって超音波振動手段の熱損傷を防ぐことができる。

第２の発明は、超音波振動手段は水槽外側の下面または側面の中央より下側に位置し、加熱部は前記超音波振動手段よりも高い位置に位置し、前記加熱部の加熱中に給水弁を開いて前記水槽内に常温水を供給することによって前記超音波振動手段の温度を所定の温度以下に保たれるようにしたものである。加熱部の加熱作動中に、加熱部と超音波振動手段の配置位置との間に気相を保持しつつ水槽に継続的または断続的に給水をおこなうことによって、超音波振動手段を冷却して超音波振動手段の熱損傷を防ぐことができる。

第３の発明は、水槽の加熱部よりも低く超音波手段の設置位置よりも高い内部の位置に水位検知手段を有し、前記加熱部の加熱中に所定の間隔で給水弁を開いて前記水位検知手段の深さまで給水をおこない、所定の間隔で排水弁を開いて排水することによって超音波振動手段の温度を所定の温度以下に保たれるようにしたものである。加熱部の加熱作動中に、加熱部と超音波振動手段の配置位置との間に気相を保持しつつ水槽に断続的に貯水することによって、超音波振動手段を冷却して超音波振動手段の熱損傷を防ぐことができる。

第４の発明は、給水部および配水部は、給水速度よりも排水速度が大きいように設けられ、前記加熱部の加熱中に給水弁および排水弁を同時に開いて給排水をおこなうことによって前記超音波振動手段の温度を所定の温度以下に保たれるようにしたものである。加熱部の加熱作動中に、加熱部と超音波振動手段の配置位置との間に気相を保持しつつ水槽に断続的または継続的に通水することによって、超音波振動手段を冷却して超音波振動手段の熱損傷を防ぐことができる。

第５の発明は、水槽の加熱部よりも低く超音波手段の設置位置よりも高い内部の位置に水位検知手段を有し、前記加熱手段を加熱作動中に前記水槽内の水位を前記水位検知手段の設置高さまで貯水するように給水弁と排水弁を制御するようにしたものである。超音波振動手段の接する部位のヒートマスを水槽の水の分だけ大きくすることによって、超音波振動手段の温度上昇を遅くする。

第６の発明は、水槽内および前記水槽と接合する部分の加熱部を相対的に熱伝導率の低い材料で設け、前記水槽外の部分を相対的に熱伝導率の高い材料で設け、前記加熱部の作動時に超音波振動手段よりも前記熱伝導率の高い部位により多くの熱が伝導するようにしたものである。上記前述の発明において加熱部から超音波洗浄手段への熱伝導は、主に水槽の壁面を通じておこなわれる。加熱部の水槽内の部位を水槽外の部位に比べて相対的に熱伝導率の低い材料で設けることによって、加熱部から水槽への熱伝導を抑制することによって超音波振動手段の熱損傷を防ぐことができる。

第７の発明は、加熱部が加熱を停止してから超音波振動手段が振動を開始するまでの間に水槽内に水を導入して排水をおこなうように給水弁と排水弁を制御するようにしたものである。加熱部が加熱を停止してからすぐに水槽内に水を導入すると、加熱部の余熱によって水の温度が上昇して超音波振動手段の作動時に超音波振動手段の発する熱とあわせて超音波振動手段を熱損傷する恐れがある。その様な状況を防ぐために、一度水を導入した後排水することによって加熱部の余熱を排出してから、超音波振動手段を作動させる。

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、こ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スケール防止装置の構成図を示す。水槽１は加熱部２を覆うように設けられ、加熱部２が水没するように水槽の水を貯水する。加熱部２は内部に通水しながら加熱する二重管構造であり、内部にスケールが付着する。水槽１には給水部３および排水部４が接続されて、水槽の水の供給および排出がおこなわれる。給水部３および排水部４はそれぞれ給水弁５および排水弁６を有する。水槽１の内部の加熱部２よりも高い位置（水深Ｄ１）に水位検知手段７が設けられる。水槽１はその最上部に大気開放部８を有し、外側底部に超音波振動手段９を有する。加熱部２、給水弁５、排水弁６、水位検知手段７、超音波振動手段９は制御部１０と接続され制御信号のやり取りをおこなう。加熱部２は、耐熱樹脂製の継ぎ手１１によって、水槽１および加熱部２’に接続される。

次に、図２の作動シーケンス図にそって、本実施の形態のスケール防止装置の作動方法を記す。図２の時点Ａでは加熱部は非稼動であり、水槽１内には水が水深Ｄ１まで貯留される。この状態で超音波振動手段９を稼動して加熱部２に超音波振動が伝播させ加熱部２内のスケールを剥離する。超音波振動手段９の駆動周波数は２０ｋ〜５０ｋＨｚのものが剥離性能が高く、稼働時間は一度に１０〜３０分程度が適当である。

加熱部２が稼動する時点Ｂでは、排水弁６を開いて排水して熱が超音波振動手段９に伝導することを防ぐ。加熱部２からの放射熱や水槽１の壁面を通じた熱伝導によって、超音波振動手段９の温度は徐々に上昇するが最高温度Ｔ１は、８５℃以下となるようにする。また、水位検知手段７によって加熱部２が水槽の水に浸っていないことが検知されて、超音波振動手段９は稼動することができないように制御部１０で制御される。

時点Ｃでは加熱部２が加熱停止後、水槽１に常温の水がいったん導入された後排水されて、再度給水がおこなわれて図１に示す状態にもどる。一度目の給排水によって加熱部２の熱は冷却されるため、２度目の給水がおこなわれた後の超音波洗浄手段９の温度は６５℃以下である。水位検知手段７により水槽の水が加熱部２を浸していることが検知されて、超音波振動手段９は稼動可能になるように制御部１０によって制御される。

加熱手段２の外表面は、熱伝導率が相対的に低く、かつ超音波振動によるキャビテーション壊食を受けにくいように硬度が高い金属材料で形成することが望ましい。例えば、ＳＵＳ３０４などの材質が適する。また、加熱部２’はそのような制約がないため工作上扱いやすい金属材料を用いることができる。加熱部２と加熱部２’との間で異なる種類の金属を用いる場合は、異種金属接触による錆の発生を防ぐために樹脂製の継ぎ手１１を用いることが欠かせない。また、継ぎ手１１を介して加熱部２と加熱部２’が水槽１に接合されることで、加熱部２、２’から水槽１と超音波振動手段９への熱伝導が抑制される。熱伝導が大きいと加熱部２の加熱性能が低下したり、超音波振動手段９を熱損傷したりするため、熱伝導を抑制することは重要である。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施形態は、時点Ｂでの作動方法を除いて第１の実施形態と共通部分が多いため、異なる部分のみを説明する。図３は、本発明の第２の実施形態におけるスケール防止装置の構成図であり、図５の作動シーケンスの時点Ｂにおける状態を示す。図４は図３のＡＡ断面である。水槽１の内部の加熱部２よりも低い位置（水深Ｄ２）に水位検知手段７’が設けられる。加熱部２が稼動する時点Ｂでは、排水弁６を開いて排水して熱が超音波振動手段９に伝導することを防ぐ。しかしながら、加熱部２からの放射熱や水槽１の壁面を通じた熱伝導によって、超音波振動手段９の温度は徐々に上昇する。断続的に給水弁５を開いて水深Ｄ２までの貯水と排水を繰り返すことによって超音波振動手段９を水冷して、最高温度Ｔ１が８５℃を超えないようにする。ただし、給水部３は図４のように加熱部２の真上から外れるように設置されおり、給水される水槽の水が加熱部２にあたって加熱中の加熱部を冷却しないようにする。

実施形態１と比較すると、水冷を併用することによって超音波振動手段９の熱損傷がより確実に防ぐことができるため、加熱部２と超音波振動手段９との距離を短くでき、また水槽１の壁面材料や継ぎ手１１の材料の選択肢が増えるため、水槽のサイズを小型化できたり設計上の自由度が広がったりする。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施形態は、時点Ｂでの作動方法を除いて第２の実施形態と共通部分が多いため、異なる部分のみを説明する。図６は、本発明の第３の実施形態におけるスケール防止装置の構成図であり、加熱部２が加熱作動中において断続的に給水する際の状態を示す。排水部４の排水流量は、給水部３の給水流量よりも大きく設けられる。断続的に、給水弁５と排水弁６を同時に開いて、常温の水を矢印のように供給して超音波振動手段９を水冷する。超音波振動手段９の最高温度は８５℃を超えないようにする。ただし、給水部３は加熱部２の真上から外れるように設置され、給水される水槽の水が加熱部２にあたって加熱中の加熱部を冷却しないようにする。

実施形態２と比較すると、流水式の水冷を併用することによって、加熱部２と超音波振動手段９との距離をさらに短くできたり、水槽１の壁面材料や継ぎ手１１の材料の選択肢がさらに増したりして、水槽のサイズをさらに小型化できたり設計上の自由度が広がったりする。

家庭用ヒートポンプ給湯機に限らず産業用の給湯機、ボイラー、加圧水型原子炉の蒸気発生器においても利用可能である。特に、硬水地域において水道水や地表水を産業用に利用する場合に利用範囲が広い。

本発明の実施の形態１におけるスケール防止装置の構成図 同スケール防止装置の作動シーケンス図 本発明の実施の形態２におけるスケール防止装置の構成図 図３のＡ−Ａ断面図 同スケール防止装置の作動シーケンス図 本発明の実施の形態３におけるスケール防止装置の構成図

符号の説明

１ 水槽
２、２’ 加熱部
３ 給水部
４ 排水部
７、７’ 水位検知手段
９ 超音波振動手段

Claims (7)

1. 水または水溶液（以下、水と記す）を内部に貯留または通水して加熱する加熱部と、前記加熱部を覆うように設けられ内部に水を貯留する水槽と、前記水槽の外側に配置された超音波振動手段と、前記水槽に水を供給する給水部と、前記給水部による給水を開始／停止する給水弁と、前記水槽の水を排水する排水部と、前記排水部による排水を開始／停止する排水弁を備え、
   前記加熱部を作動させる際に前記水槽内の水を排出して前記加熱部と前記超音波振動手段との間に気相を設け、また前記加熱部が不作動の際に前記加熱部が水面下に浸るまで水槽に水を貯留して前記超音波振動手段を作動させるようにしたスケール防止装置。
2. 超音波振動手段は水槽外側の下面または側面の中央より下側に設け、加熱部は前記超音波振動手段よりも高い位置に設け、前記加熱部の加熱中に給水弁を開いて前記水槽内に常温水を供給するようにした請求項１記載のスケール防止装置。
3. 水槽の加熱部よりも低く超音波手段の設置位置よりも高い位置に水位検知手段を設け、前記加熱部の加熱中に所定の間隔で給水弁を開いて前記水位検知手段の深さまで給水をおこない、所定の間隔で排水弁を開いて排水するようにした請求項２記載のスケール防止装置。
4. 給水部および配水部は、給水速度よりも排水速度が大きいように設けられ、前記加熱部の加熱中に給水弁および排水弁を同時に開いて給排水をおこなうようにした請求項２記載のスケール防止装置。
5. 水槽は加熱部よりも低く超音波手段の設置位置よりも高い内部の位置に水位検知手段を有し、前記加熱手段を加熱作動中に前記水槽内の水位を前記水位検知手段の設置高さまで貯水するように給水弁と排水弁を制御するようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載のスケール防止装置。
6. 加熱部は、水槽内および前記水槽と接合する部分を相対的に熱伝導率の低い材料で設け、前記水槽外の部分を相対的に熱伝導率の高い材料で設けるようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載のスケール防止装置。
7. 加熱部が加熱を停止してから超音波振動手段が振動を開始するまでの間に水槽内の水を導入して排水をおこなうように給水弁と排水弁を制御するようにした請求項１〜６のいずれか１項に記載のスケール防止装置。

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