JP2010091123A - スケール防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二重管式熱交換器の外側配管の外表面にキャビテーション壊食を与えることなく、超音波振動を外側配管の内部に伝えて内部でのスケール付着を予防することを目的とする。
【解決手段】水を内部に貯留または通水して加熱する加熱部２と、前記加熱部２を覆うように設けられ不揮発性の液体または分散媒が不揮発性のゲルからなる伝播媒体３を貯留し前記加熱部２が前記伝播媒体３に浸るようにした伝播槽１と、前記伝播媒体３を超音波振動させて前記加熱部２内の水に超音波振動を伝播させて前記加熱部の内部に付着した付着物を剥離する超音波振動手段４と、前記超音波振動手段４および前記加熱部２を制御する制御部８とを有し、前記加熱部２と前記伝播媒体３との界面ではキャビテーションを発生させることなく前記加熱部２内の水中でキャビテーションを発生させるようにする。
【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を通液し、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の周波数が使われることが多い。その様な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により強い剥離効果がみられる。キャビテーション現象とは振動により瞬間的に生じる低圧によって水が揮発して気泡を生じる現象で、生じた気泡が高圧時に特異な崩壊をする際に強い物理力が生じる。
特開昭５９−２０９６９１号公報

超音波振動によるスケール剥離技術を二重管方式の熱交換器に応用しようとした場合、外側の水管を水に浸漬して超音波洗浄すると水管の外表面が超音波キャビテーションにより壊食を受けるという問題がある。スケールが付着する可能性があるのは、外側の水管の内表面と内側の冷媒管の外表面であり、水管の内面にキャビテーションを発生させて上記前述のスケール付着面に作用させようとすると、水管の内部で必要な音圧よりもさらに大きな音圧の超音波振動を水管の外表面に与える必要がある（一般に、厚さ０．７ｍｍの鉄鋼製配管を数十ｋＨｚの超音波振動が通過する際に、音圧が１〜３割低下する）。また、水管の外表面にはスケールが付着しにくいので、キャビテーションに伴う物理的衝撃が直接水管の素材に作用することになる。これらのことから、水管の内表面よりも外表面の方がキャビテーションによるダメージは大きいと考えられる。

本発明は、水管の外表面にキャビテーション壊食を与えることなく、超音波振動を水管の内部に伝えてスケール付着を予防することを目的とする。

水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不揮発性の液体または分散媒が不揮発性のゲルからなる伝播媒体を貯留し前記加熱部が前記伝播媒体に浸るようにした伝播槽と、前記伝播媒体を超音波振動させて前記加熱部内の水に超音波振動を伝播させて前記加熱部の内部に付着した付着物を剥離する超音波振動手段と、前記超音波振動手段を有し、前記加熱部と前記伝播媒体との界面ではキャビテーションを発生させることなく前記加熱部内の水中でキャビテーションを発生させるようにする。

不揮発性の液体中では液体の揮発による気泡が生じないためにキャビテーション壊食も発生しない。そのため、水管の外表面にキャビテーション壊食を与えることなく、超音波振動を水管の内部に伝えてスケール付着を予防することができる。

第１の発明は、水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不揮発性の液体または分散媒が不揮発性のゲルからなる伝播媒体を貯留し前記加熱部が前記伝播媒体に浸るようにした伝播槽と、前記伝播媒体を超音波振動させて前記加熱部内の水に超音波振動を伝播させて前記加熱部の内部に付着した付着物を剥離する超音波振動手段を有し、前記加熱部と前記伝播媒体との界面ではキャビテーションを発生させることなく前記加熱部内の水中でキャビテーションを発生させるようにしたスケール防止装置である。不揮発性の液体からなる伝播媒体中ではキャビティ（気泡）が発生しないために、水中と違って加熱部の外表面にキャビテーション壊食を引き起こすことがない。

第２の発明は、伝播槽は加熱部と伝播媒体との間の熱伝導を抑制する熱伝導制御手段を有し、制御部は超音波振動手段の非作動時に熱伝導制御手段を作動させて前記加熱部から伝播媒体への熱伝導を抑制するようにしたものである。例えば油脂などの伝播媒体は、加熱部によって加熱されると徐々に酸化変性を受けて有機酸や過酸化物を生成する可能性がある。どちらも金属性の加熱部を腐食させる可能性や、一部の有機酸は揮発性であることから気泡を生じてキャビテーション壊食を引き起こす可能性がある。また、加熱部の加熱作動時に加熱部と伝播媒体とが接触すると、熱が伝播媒体によって奪われるために加熱部の加熱効率が低下する。このような可能性を防ぐためには、加熱部から伝播媒体への熱伝導を防ぐことが最も根本的な解決法である。

第３の発明は、伝播媒体は液体で、熱伝導制御手段は伝播槽と連通して設けられた貯留槽および前記伝播槽と前記貯留槽との間に前記伝播媒体を移送する移送手段であり、加熱部の加熱作動時に前記移送手段によって前記伝播媒体を前記貯留槽に移送して前記加熱部が前記揮発液の気相中に露出するようにしたものである。このような構成にすることにより、加熱中の加熱部と伝播媒体の接触を防ぐことができて伝播媒体の熱変性を防止でき、その結果キャビテーション壊食や腐食を防ぐことが可能である。

第４の発明は、伝播媒体は液体で、熱伝導制御手段は伝播槽の底部と連通して設けられ外部大気圧に開口した開口部を有する貯留槽および前記伝播槽内に貯留され前記伝播媒体とは混合せず加熱部の作動温度よりも低い沸点を持つ揮発液であり、前記伝播槽および前記貯留槽は前記開口部以外に開口部分を持たない密閉状態に設けられて、前記加熱部の加熱作動時に前記揮発液が気化して前記伝播槽内の気圧を上昇させることによって前記伝播媒体を前記貯留槽に移送して前記加熱部が前記揮発液の気相中に露出するようにしたものである。加熱時に揮発液が揮発することによって専用の動力機構を必要とせずに伝播媒体と加熱部との接触を防ぐことができて伝播媒体の熱変性を防止でき、その結果キャビテーション壊食や腐食を防ぐことが可能である。

第５の発明は、伝播媒体は水よりも比重が小さく水と混合しない液体で、熱伝導制御手段は前記伝播槽内に所定量の水を供給する給水部と前記伝播槽から所定量の水を排出する排水部であり、加熱部は前記伝播槽内で水の貯留される高さよりも高い位置に配置され、前記加熱部の非作動時には前記給水部により給水して前記加熱部が前記伝播媒体に浸漬するようにし、前記加熱部の加熱作動時には前記排水部により排水することによって加熱部は液面上に露出するようにしたものである。伝播媒体は比重が水よりも小さいために給水された非加熱時にのみ加熱部と接触して超音波振動を伝播するが、加熱時には水位低下によって非接触となり伝播媒体の熱変性を防止してキャビテーション壊食や腐食を防止できる。

第６の発明は、伝播媒体は加熱部の周囲に保持された液体またはゲルで、伝熱制御手段は前記伝播媒体が浸漬されるまで水を供給する給水部と前記伝播媒体が浸漬されなくなるまで水を排出する排水部とを有し、超音波振動を行う時に前記給水部により給水して前記加熱部に振動が伝播されるようにして、超音波振動を行わない時には前記排水手段により排水して前記加熱部と前記伝播媒体は水面上に露出するようにしたものである。加熱部に接触する伝播媒体を比較的少量にとどめることによって熱伝導により失われる熱量を少なくして加熱部の加熱効率を比較的高く保持しつつ、加熱部のキャビテーション壊食を防止することができる。

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。伝播槽１は加熱部２を覆うように設けられ、液体の伝播媒体３を貯留する。加熱部２は内部に高温の冷媒が流れてその周囲の水を加熱する二重管構造であり、内部にスケールが付着する。伝播槽１の外側底部に超音波振動手段４が設けられる。伝播槽１は伝播媒体をたたえた配管によって貯液部５と連通し、その途中に伝播媒体３を移送するポンプなどの移送手段６が設けられる。伝播槽１内部の加熱部２よりも高い位置および低い位置の２箇所に液深検知手段７が設けられる。加熱部２、超音波振動手段４、移送手段６、液深検知手段７は制御部８と接続され電気信号のやり取りをおこなう。伝播媒体３は例えばマシンオイルなど、比較的粘性が低く不揮発性の液体である。不揮発性のため、キャビテーション気泡を生じることがないので壊食の可能性がない。伝播槽１および貯液部５の気相部分は伝播媒体３の酸化変性を防ぐために窒素充填されている。

本実施の形態のスケール防止装置の動作を説明する。図１（ａ）では加熱部が非稼動であり伝播媒体３は加熱部２に接触している。この状態で超音波振動手段４を稼動して加熱部２に超音波振動が伝播されて加熱部２内のスケールを剥離する。超音波振動手段４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５〜３０分程度が適当である。図１（ｂ）では加熱部２が加熱していて、移送手段によって伝播媒体３の相当部分は貯液部５に移送されて、伝播媒体３の加熱は抑制されている。また結果的に超音波振動手段４が加熱される事も防がれるので超音波振動手段４の熱損傷も防ぐことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１と共通の部分があるため、異なる部分を中心に説明する。図２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を示す。伝播槽１は、貯液部５の大気開放部９を除いて気密に設けられる。伝播媒体３はシリコーンオイルなど酸化変性が非常に起こりにくい液体であり、伝播媒体３には溶解せず伝播媒体３よりも比重が小さく揮発性の揮発液３’を含む。

本実施の形態のスケール防止装置の動作を説明する。図２（ａ）は加熱部２の非加熱状態を示し、揮発液３’は伝播媒体３とは分離して伝播媒体３の液面に浮かぶ。この状態で超音波振動手段４を稼動して加熱部２に超音波振動が伝播されて加熱部２内のスケールを剥離する。図２（ｂ）では加熱部２が加熱していて、揮発液３’は蒸発して伝播槽１内の気相部分が加圧され拡大している。その結果、伝播媒体３の相当部分は貯液部５に移送されて、伝播媒体３と加熱部２とは非接触になって、伝播媒体３の加熱は抑制されている。また結果的に超音波振動手段４が加熱される事も防がれるので超音波振動手段４の熱損傷も防ぐことができる。

（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態１と共通の部分があるため、異なる部分を中心に説明する。図３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を示す。伝播槽１に水道水を供給する給水管１０と排水管１１が接続されていて、それぞれ給水弁１２と排水弁１３によって給排水がおこなわれる。給水弁１２は液深検知手段７ａによって検知される液深まで給水をおこない、排水弁１３は液深検知手段７ｂによって検知される液深まで排水する。伝播媒体３は、水道水よりも比重が小さく水に溶解しない鉱物性オイルなどである。

本実施の形態のスケール防止装置の動作を説明する。図３（ａ）は加熱部２の非加熱状態を示し、水道水が給水された状態である。伝播媒体３は水道水１４とは分離して上部に浮かび加熱部２を覆う。この状態で超音波振動手段４を稼動して加熱部２に超音波振動が伝播されて加熱部２内のスケールを剥離する。図３（ｂ）では加熱部２が加熱していて、水道水が排水された状態である。加熱部２は伝播媒体３から露出した状態であるため、伝播媒体３の加熱は抑制されている。また結果的に超音波振動手段４が加熱される事も防がれるので超音波振動手段４の熱損傷も防ぐことができる。

実施の形態１、２と比べると水道水を液深変化の動力として用いるため移送手段６や伝播槽１を密閉状態に構成することが不要であるため、低コストで省スペースに構成できるというメリットがある。

（実施の形態４）
本実施の形態は、他の実施の形態と共通の部分があるため、異なる部分を中心に説明する。図４は、本発明の第４の実施形態におけるスケール防止装置の構成図を示す。伝播槽１に水道水を供給する給水管１０と排水管１１が接続されていて、それぞれの構成や作動は実施の形態３と同じである。伝播媒体３は、シリコーンオイルなど熱変性を受けにくい不揮発性オイルまたは不揮発性液体を成分とするゲル状物質であり、円筒状のフィルムに包まれて加熱部２の周囲に保持される。

本実施の形態のスケール防止装置の動作を説明する。図４（ａ）は加熱部２の非加熱状態を示し、水道水１４が給水された状態である。超音波振動手段４から発振された振動は水道水１４、次に伝播媒体３を伝播して加熱部２内のスケールを剥離する。図４（ｂ）では加熱部２が加熱していて、水道水が排水された状態である。加熱部２および伝播媒体３は水道水１４から露出した状態であるため、加熱部２の熱が水道水に伝播して失われないように抑制されている。また結果的に超音波振動手段４が加熱される事も防がれるので超音波振動手段４の熱損傷も防ぐことができる。他の実施の形態と比べると、伝播媒体３がフィルムに包まれたりゲル化していたりして熱酸化を受けにくいというメリットがある。

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 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 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 本発明の実施の形態４におけるスケール防止装置の構成図

符号の説明

１ 伝播槽
２ 加熱部
３ 伝播媒体
３’揮発液
４ 超音波振動手段
５ 貯液部

Claims (6)

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不揮発性の液体または分散媒が不揮発性のゲルからなる伝播媒体を貯留し前記加熱部が前記伝播媒体に浸るようにした伝播槽と、前記伝播媒体を超音波振動させて前記加熱部内の水に超音波振動を伝播させて前記加熱部の内部に付着した付着物を剥離する超音波振動手段を備えたスケール防止装置。
2. 伝播槽は加熱部と伝播媒体との間の熱伝導を抑制する熱伝導制御手段を有し、制御部は超音波振動手段の非作動時に熱伝導制御手段を作動させて前記加熱部から伝播媒体への熱伝導を抑制するようにした請求項１のスケール防止装置。
3. 伝播媒体は液体で、熱伝導制御手段は伝播槽と連通して設けられた貯留槽および前記伝播槽と前記貯留槽との間に前記伝播媒体を移送する移送手段であり、加熱部の加熱作動時に前記移送手段によって前記伝播媒体を前記貯留槽に移送して前記加熱部が前記揮発液の気相中に露出するようにした請求項２記載のスケール防止装置。
4. 伝播媒体は液体で、熱伝導制御手段は伝播槽の底部と連通して設けられ外部大気圧に開口した開口部を有する貯留槽および前記伝播槽内に貯留され前記伝播媒体とは混合せず加熱部の作動温度よりも低い沸点を持つ揮発液であり、前記伝播槽および前記貯留槽は前記開口部以外に開口部分を持たない密閉状態に設けられて、前記加熱部の加熱作動時に前記揮発液が気化して前記伝播槽内の気圧を上昇させることによって前記伝播媒体を前記貯留槽に移送して前記加熱部が前記揮発液の気相中に露出するようにした請求項２記載のスケール防止装置。
5. 伝播媒体は水よりも比重が小さく水と混合しない液体で、熱伝導制御手段は前記伝播槽内に所定量の水を供給する給水部と前記伝播槽から所定量の水を排出する排水部であり、加熱部は前記伝播槽内で水の貯留される高さよりも高い位置に配置され、前記加熱部の非作動時には前記給水部により給水して前記加熱部が前記伝播媒体に浸漬するようにし、前記加熱部の加熱作動時には前記排水部により排水することによって加熱部は液面上に露出するようにした請求項２記載のスケール防止装置。
6. 伝播媒体は加熱部の周囲に保持された液体またはゲルで、伝熱制御手段は前記伝播媒体が浸漬されるまで水を供給する給水部と前記伝播媒体が浸漬されなくなるまで水を排出する排水部とを有し、超音波振動を行う時に前記給水部により給水して前記加熱部に振動が伝播されるようにして、超音波振動を行わない時には前記排水手段により排水して前記加熱部と前記伝播媒体は水面上に露出するようにした請求項１記載のスケール防止装置。

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