JP2011078936A - 水処理装置および給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスフリーで且つ構成が簡易で小型化を図れ、低消費電力量で高硬度の原水を軟水化して再生すること。
【解決手段】水に溶解しているイオンを吸着するイオン交換体（１９、２０）と、前記イオン交換体（１９、２０）に吸着したイオンを脱離するイオン交換膜１７と、前記イオン交換膜１７に電圧を印加する少なくとも一対の電極（１６ａ、１６ｂ）とを備え、前記イオン交換膜１７に温水を供給するとともに、前記イオン交換体（１９、２０）が水中のイオンを吸着する際は、前記電極（１６ａ、１６ｂ）間に水の分解電圧未満の電圧を印加する構成としたことを特徴とする水処理装置で、水中のイオンが除去された処理水は水の電気分解ガスを含むことがなく、処理水を導く流路にガスが溜まる可能性がない。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気温水器やヒートポンプ給湯機等の給湯機において、配管内のスケール生成を防止する技術に関するものである。

従来、給湯機の配管内のスケール生成を防止する技術として、イオン交換樹脂を用いて軟水化する以下のような技術がある（例えば、特許文献１参照）。

図６は、従来の配管のスケール生成を防止する給湯機の構成図である。

図６において、風呂給湯機１１７に水を供給する水路となる原水供給パイプ１０１は、三方弁１０２を介して電気分解装置１０３の下部及び軟水化装置１１３の上部に接続されている。そして、採水時には軟水化装置１１３に通水し、再生時には電気分解装置１０３に通水するように、三方弁１０２を切り換える構成となっている。電気分解装置１０３は、ポーラスな隔膜１０４、例えば素焼きの隔膜によって、陽極室１０７と陰極室１０８に仕切られている。そして、これら極室に、それぞれ電極１０５及び１０６を配設している。

また、陽極室１０７の上部には、酸性水出口パイプ１１０が、三方弁１１１を介して、陽イオン交換樹脂１１２を充填した軟水化装置１１３の上部に接続され、及び三方弁１１８を介して、浴槽１２１への水供給パイプ１２３に接続されている。そして、再生時には軟水化装置１１３に通水し、浴槽１２１で酸性風呂に入浴するときには、浴槽１２１への水供給パイプ１２３に通水するように、三方弁１１１を切り換える構成となっている。

また、陰極室１０８の上部には、アルカリ水出口パイプ１０９が、三方弁１１９を介して、排水パイプ１２２及び飲用水パイプ１２０に接続されている。そして、アルカリ水飲用時には飲用水パイプ１２０に通水し、飲用以外のときには排水パイプ１２２から排水するように、三方弁１１９を切り換える構成になっている。

また、軟水化装置１１３の下部には、三方弁１１４を介して排水パイプ１１５が接続され、及びパイプ１１６を介して風呂給湯機１１７が接続されている。

上記構成において、水は原水供給パイプ１０１を通り、採水時には三方弁１０２を切り換えて、陽イオン交換樹脂１１２の充填してある軟水化装置１１３上部から供給される。そして、陽イオン交換樹脂１１２により、水中のカルシウム、マグネシウム等の陽イオンは、水素イオンと置換されて、水が軟水化される。そして、軟水がパイプ１１６、風呂給湯機１１７を介して、パイプ１２３により、浴槽１２１に供給される。

陽イオン交換樹脂再生時には、水は、三方弁１０２を切り換えて、隔膜１０４によって陽極室１０７及び陰極室１０８を分離形成した及びこれらの極室にそれぞれ電極１０５，１０６を配設したところの、電気分解装置１０３に供給される。電極１０５，１０６の両極間に直流電圧を印加し、陽極室１０７で得られた酸性水を、三方弁１１１を切り換えて、軟水化装置１１３の上部から供給する。このとき、三方弁１１４を排水パイプ１１５側に切り換え、水を風呂給湯機１１７に通水しないようにする。

酸性風呂入浴時には、三方弁１１１及び１１８を切り換え、陽極室１０７で得られた酸性水を、パイプ１１０、パイプ１２３を介して浴槽１２１に供給する。このとき、三方弁
１１８が切り換えられているため、風呂給湯機１１７に酸性水は通水しない。また、浴室内でアルカリ水を飲用するときには、三方弁１１９を切換える。

以上のように、陽イオン交換樹脂１１２で水中のカルシウム、マグネシウム等の硬度成分を除去し、風呂給湯機１１７の配管及び浴槽１２１内へのスケール付着を防止できる。これにより、浴槽掃除の頻度を減らすこともできる。

さらに、水の電気分解で得られる酸性水で、陽イオン交換樹脂１１２を再生するため、食塩等の供給が不要になり、連続的に軟水を供給することができる。また、酸性水を浴槽に通水することで、酸性風呂を楽しむこともでき、アルカリ水を浴室内で飲用することもできる。

さらに、水処理装置を備えた給湯機として図７に示すような構成が考案されている。（例えば、特許文献２参照）。

以下、その構成について説明する。

電気透析を行うための一対の電極１３１、１３２、陽イオン交換膜１３３、陰イオン交換膜１３４を有し、電極１３１が陰極、電極１３２が陽極となるように電圧が印加される。Ｃｌ⁻、ＮＯ_３ ⁻イオンをＯＨ⁻イオンと交換する陰イオン交換樹脂１３５、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋イオンをＨ^＋イオンと交換する陽イオン交換樹脂１３６、陽イオン交換樹脂１３６に吸着されなかったＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋を濃縮した水を排出できる排出口１３７、セル内を分割するイオンが通過可能な隔膜１３８を配置している。

上記の構成において、その動作を説明する。軟水化を行う際は、各イオン交換樹脂１３５、１３６によるイオン交換と、電気透析手段による電気透析作用とが同時に行われる。浴槽水ｗは吸水口１３９から循環ポンプ１４０により吸引され、流路１４１、１４２、１４３に分流される。

まず、イオン交換による軟水化について説明する。流路１４２に分流された浴槽水ｗは、隔膜１３８でセル内を仕切られた希釈室１４４、１４５に分流される。希釈室１４５には陽イオン交換樹脂１３６が充填されており、陽イオン交換樹脂１３６により浴槽水ｗ中の硬度成分であるＣａ^２＋やＭｇ^２＋がＨ^＋にイオン交換される。また、希釈室１４４には陰イオン交換樹脂１３５が充填されており、浴槽水ｗ中の陰イオンであるＣｌ⁻やＮＯ_３ ⁻イオンがＯＨ⁻にイオン交換され、樹脂を流出させない網１４６を通り、切換え弁１４７および切換え弁１４８を通って合流し、そして、イオン交換された浴槽水ｗは吐出口１５０より浴槽１４９に還流される。

次に、電気透析による軟水化について説明する。陽イオン交換膜１３３を介して浴槽水ｗ中の硬度成分であるＣａ^２＋やＭｇ^２＋が電気透析力により濃縮室１５１に移動し、切換え弁１５２を通って排出口１３７より排出される。また、陰イオン交換膜１３４を介して、浴槽水ｗ中の陰イオンであるＣｌ⁻、ＨＣｌＯ_３ ⁻、ＳＯ_４ ^２−等の陰イオンが濃縮室１５３に移動し、切換え弁１５４を通って、排出口１３７より排出される。

特開平７−６８２５６号公報 特開２００１−３４０８６３号公報

しかしながら、特許文献１に示した構成では、陽イオン交換樹脂１１２を再生する時、電気分解装置１０３によって、電気分解により水を解離させ、そして酸性水を生成している。しかし、通常電気分解するには、水中に多量のイオン成分が必要であり、高い電圧が必要となる。

また、電気分解装置１０３と軟水化装置１１３が別個に備えられているので、装置が複雑となると共に、大きな設置スペースを必要とするという課題があった。

一方、特許文献２に示した水分解イオン交換膜を用いた方式では、水分解イオン交換膜表面にて、硬度成分を吸着しイオン交換して、硬度成分を除去している。そして再生時には、硬度成分がイオン交換した水分解イオン交換膜の界面で、水を解離させて水素イオンと水酸化物イオンを生成することで、水分解イオン交換膜を再生する。したがって、再生時の電流効率が高く、有効な軟水化技術と考えられる。しかし、このような水分解イオン交換膜を給湯機へ適用する上で、以下のような課題がある。

給湯機に供給される原水は、上水道はもちろん地下水を用いる場合があり、非常に硬度の高い原水の硬度成分を除去する必要がある。また、近年の省エネ指向の高まりから、給湯機の消費電力量を維持する必要があり、軟水化する上でも消費電力量の低減が必要である。特に、水分解イオン交換膜の再生時には余分に消費電力が必要なことから、再生時の消費電力量を低減する必要があった。

また、特許文献２に示した構成では、軟水化する際に電気透析を行っており、水に電圧を印加しているが印加電圧を制御していないため処理水は水が電気分解して発生する水素ガスおよび酸素ガスを含む。処理水に溶け込んでいたガスは、やがて成長して気泡となり、処理水を導く流路の引き回しによっては、ガス溜まりができる可能性があった。

したがって本発明は、前記従来の課題を解決するもので、メンテナンスの必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができ、低消費電力量で高硬度の原水を軟水化して再生することができ、かつガス発生のない水処理装置および給湯機を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、水に溶解しているイオンを吸着するイオン交換体と、前記イオン交換体に吸着したイオンを脱離するイオン交換膜と、前記イオン交換膜に電圧を印加する少なくとも一対の電極とを備え、前記イオン交換膜に温水を供給するとともに、前記イオン交換体が水中のイオンを吸着する際は、前記電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加する構成としたことを特徴とする水処理装置である。

これにより、水分解イオン交換体で硬度成分を吸着しイオン交換して硬度成分を除去し、そして再生時には、硬度成分がイオン交換した水分解イオン交換体の界面で水を解離させて水素イオンと水酸化物イオンを生成して再生することで、硬度成分の除去と再生に必要な水の解離の双方を水分解イオン交換体内で行うので、水処理装置と別に電気分解装置を設置する必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができる。

また、水処理装置には、軟水化される原水あるいは再生に使用する水が加温されて導入される。この時、硬度成分であるカルシウムやマグネシウムの陽イオンが水分解イオン交換体の陽イオン交換体でイオン交換されるが、加温されているのでイオン交換速度が速くなる。したがって、陽イオン交換体表面上でのイオン交換が活発に行われる為、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。

さらに、水分解イオン交換体の再生は、電極の陽イオン交換体側を陰極、陰イオン交換体側を陽極として電圧を印加すると、イオン交換体の界面で水が解離して水素イオンと水酸化物イオンが生成し、この水素イオンがイオン交換された硬度成分とイオン交換し再生する。ここで、再生に使用する水が加温されているので、水の解離速度及び解離して生成した水素イオンによる再生時のイオン交換速度が速くなる。

これにより、水分解イオン交換体の再生が効率よく行われる為、再生時の消費電力を低減することができる。

さらに、イオン交換体が水中のイオンを吸着する際は、前記電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加する構成とすることにより、水中のイオンが吸着され軟水となった処理水を得る際、水が電気分解してガスを発生することがないので、処理水は水の電気分解ガスを含んでおらず、処理水を導く流路にガスが溜まる可能性がない。

特に給湯機の場合、水や湯を貯める貯湯タンクは導かれる水に含まれる気体が分離して溜まりやすいが、処理水は水の電気分解ガスを含んでいないため、処理水が貯湯タンクに導かれても水の電気分解ガスが貯湯タンクに溜まる可能性がない。

本発明によれば、メンテナンスの必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができ、低消費電力量で高硬度の原水を軟水化して再生することができ、かつガス発生のない水処理装置および給湯機を提供できる。

本発明の実施の形態１における給湯機の構成図 同水処理装置の浄化時の構成図 同水処理装置の再生時の構成図 本発明の実施の形態２における給湯機の構成図 本発明の実施の形態３における給湯機の構成図 従来の給湯機の構成図 他の従来の給湯機の構成図

第１の発明は、水に溶解しているイオンを吸着するイオン交換体と、前記イオン交換体に吸着したイオンを脱離するイオン交換膜と、前記イオン交換膜に電圧を印加する少なくとも一対の電極とを備え、前記イオン交換膜に温水を供給するとともに、前記イオン交換体が水中のイオンを吸着する際は、前記電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加する構成としたことを特徴とする水処理装置で、水中のイオンが除去された処理水は水の電気分解ガスを含むことがなく、処理水を導く流路にガスが溜まる可能性がない。

また、水処理装置には、軟水化される原水あるいは再生に使用する水が加温されて導入される。この時、硬度成分であるカルシウムやマグネシウムの陽イオンが水分解イオン交換体の陽イオン交換体でイオン交換されるが、加温されているのでイオン交換速度が速くなり、陽イオン交換体表面上でのイオン交換が活発に行われる為、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。

さらに、水分解イオン交換体の再生は、電極の陽イオン交換体側を陰極、陰イオン交換体側を陽極として電圧を印加すると、イオン交換体の界面で水が解離して水素イオンと水酸化物イオンが生成し、この水素イオンがイオン交換された硬度成分とイオン交換し再生
する。ここで、再生に使用する水が加温されているので、水の解離速度及び解離して生成した水素イオンによる再生時のイオン交換速度が速くなる。

これにより、水分解イオン交換体の再生が効率よく行われる為、再生時の消費電力を低減することができる。

第２の発明は、イオン交換膜がイオン交換体に吸着したイオンを脱離する際は、電極間に水解離電圧以上の電圧を印加する水処理装置で、水中のイオンを吸着したイオン交換体を再生する再生水に水の電気分解ガスを含むことがなく、再生水を導く流路にガスが溜まる可能性がない。また、前記電極間に水解離電圧以上の電圧を印加することにより、水を解離してＨ^＋イオンとＯＨ⁻イオンを生成し、水中のイオンを吸着したイオン交換体を再生することができる。

第３発明は、第１または第２のいずれかの発明の水処理装置と、水を加温する水加熱手段と、前記水加熱手段で加温された温水を貯湯する貯湯タンクとを備え、前記水処理装置に前記貯湯タンク内の前記温水を導入することを特徴とする給湯機で、イオン交換速度が速くなり、より硬度の低い軟水に処理することができる。また、水分解イオン交換体の再生が効率よく行われ、再生時の消費電力を低減することができる。

第４の発明は、市水を貯湯タンクの下部に供給する給水配管と、前記貯湯タンク内の下部の水を前記水加熱手段に導入する流出配管と、水加熱手段で加熱された温水を前記貯湯タンクの上部に戻す流入配管とを有し、水処理装置を前記流出配管に設けたことを特徴とする給湯機で、水加熱手段による沸き上げが進むと、貯湯タンク上部に貯留する高温水によって、貯湯タンク下部に貯留する硬度の高い水が加温される。

そして、この硬度の高い加温された水が、水処理装置に送られて軟水化される。したがって、原水の硬度成分の水分解イオン交換体によるイオン交換速度が速くなり、より硬度の低い軟水に処理することができる。

そして、この軟水が水加熱手段で加熱されるので、炭酸カルシウムなどの水加熱手段でのスケール成分の生成を防止することができる。また、水分解イオン交換体の再生時にも、貯湯タンクで加温された水を用いることができるので、再生が効率よく行われ、再生時の消費電力を低減することができる。

第５の発明は、軟水化時には、貯湯タンク内の下部の温水を水処理装置に導入し、前記水分解イオン交換体の再生時には、前記貯湯タンク内の上部の温水を、水処理装置に導入することを特徴とする給湯機で、沸き上げ途中でも、高温水を用いて再生を行えるため、水分解イオン交換体の再生が効率的に行われ、再生による沸き上げ停止時間を短縮化できる。

その結果、沸き上げ中に軟水化と再生を繰り返して運転することができるので、水分解イオン交換体の面積を大きくして処理容量を上げることなく、貯湯タンクに沸き上げられる数百リットルの多量の原水を一定の硬度の軟水に処理することができる。

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、本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に、本発明の第１の実施の形態の給湯機の構成図を示す。図２には、本発明の第１の実施の形態の軟水処理時の水処理装置の構成図を示す。図３には、本発明の第１の実施
の形態の再生時の水処理装置の構成図を示す。

図１において、貯湯ユニット１には、原水と沸き上げられた湯を貯留する貯湯タンク２が設置されている。貯湯タンク２の下部には、水道水から原水を貯湯タンク２へ供給する給水配管３が開口して接続されて設けられている。

また、貯湯タンク２の下部及び上部には流水配管４が開口して接続されており、貯留タンク２の水を沸き上げポンプ５によってヒートポンプユニット６に送り、そこで沸き上げた湯を貯湯タンク２の上部から供給されるように構成されている。さらに、貯湯タンク２の上部には給湯配管７が開口して接続されており、沸き上げられて貯湯タンク２の上部に存在する湯を風呂等へ供給する。

水処理装置１３は、水加熱手段９よりも上流側となる貯湯ユニット１内に貯湯タンク２の下流側の流水配管４の途中に接続されている。そして、水処理装置１３の設置位置は、貯湯タンク２の上部側面近傍となるように設けられている。

ヒートポンプユニット６内には、圧縮機８、水加熱手段９、外気の熱を吸熱する空気熱交換器１０が冷媒配管１１で接続されて構成されたＣＯ_２等の冷媒を用いたヒートポンプ際クル１２を内蔵している。貯湯ユニット１の貯湯タンク２の下部から出た流水配管４は、ヒートポンプユニット６内の水加熱手段９に導入され、水加熱手段９で加熱された湯が流入配管１４を介して貯湯タンク２の上部へ戻されるようになっている。

図２において、水処理装置１３は、ケーシング１５内に１対の電極１６が両端に設けられている。電極１６はチタンに白金がメッキされたものであり、電極の耐消耗性を確保している。電極１６の間には、イオン交換膜１７が流路１８を挟んで設けられている。イオン交換膜１７は、強酸性のイオン交換基を持つ陽イオン交換体１９と強塩基性のイオン交換基を持つ陰イオン交換体２０が１枚に張り合わされた２層構造となっている。

そして、陽イオン交換体１９と陰イオン交換体２０が向き合うように設置されている。イオン交換膜は、電極１６間に複数枚積層してもよく、平板状の対向した電極１６間に平面上にイオン交換膜を積層、また、半径の異なる同心円柱状の対向した電極１６間に同心円状や螺旋状にイオン交換膜を積層してもよい。イオン交換体はスチレンまたはジビニルベンゼンの重合体または共重合体高分子を基本骨格とし、陽イオン交換体１９はスルホン酸基またはアクリル酸やメタクリル酸等のカルボン酸基を導入しており、陰イオン交換体２０は第４級アンモニウム基または第１〜３級アミノ基を導入している。

イオン交換体をイオン交換膜に成形する際、イオン交換体をポリエチレンやポリプロピレン等の熱可塑性樹脂に混練分散させることで、膜の成形性が向上することができる。表裏に極性が異なるようイオン交換体を張り合わせたイオン交換膜は、バイポーラ膜と呼ばれ、電圧を印加することでイオン交換体の界面で水の解離が促進されるので、低電圧で水の解離を行うことができる。

水処理装置１３の出口側には、イオン交換膜１７を再生する時に生成する濃縮水を排水する排水配管２１が流水配管４と分岐して設けられている。その分岐部には、切換え弁２２が設けられており流路を切り換えるようにしている。

以上のように構成された給湯機について、以下その動作について説明する。

まず、給水配管３を通じて、貯湯ユニット１の貯湯タンク２へ原水が供給される。ここで、原水には陽イオンＣａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｍｎ、Ｆｅが含まれており、水源が地下水を利
用している地域や温泉地などでは硬度は１００ｐｐｍ以上の硬水となっており、給湯機の加熱手段の配管内にスケールを形成する原因となり得る。

通常、ヒートポンプ給湯機の沸き上げは、電気代の安価な深夜電力の時間帯を通じて行われる。深夜電力の開始時刻になると、沸き上げポンプ５によって貯湯タンク２内の硬度の高い原水が流水配管４を通じて水処理装置１３に導入される。

水処理装置１３では、水中に溶解した陽イオンＣａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｍｎ、Ｆｅ等の各イオンは陽イオン交換体１９で水素イオンに、水中に溶解した陰イオンＣｌ、炭酸、硫酸、硝酸等の各イオンは陰イオン交換体２０で水酸化物イオンにイオン交換することで、水中に溶解している各種イオンをイオン交換体に吸着する。イオン交換体がイオンを吸着する際、イオン交換膜の陽イオン交換体１９側の電極１６ａを陽極、陰イオン交換体２０側の電極１６ｂを陰極となるよう電圧を印加することで、水処理装置１３内のイオンがイオン交換体に移動するので、イオン交換体のイオン吸着速度を増加させることができる。

イオン交換体がイオンを吸着する際、イオン交換膜の陽イオン交換体１９側の電極１６ａを陽極、陰イオン交換体２０側の電極１６ｂを陰極となるよう電圧を印加することで、水処理装置１３内のイオンがイオン交換体に移動するので、イオン交換体のイオン吸着速度を増加させることができる。

その際、水分子が電気分解し水素分子と酸素分子を生成する水の理論分解電圧は１．２２６Ｖであるので、水の分解電圧未満の電圧を印加することで、水素ガスおよび酸素ガスが発生することなく水に溶解しているイオンをイオン交換体で効率的に吸着することができる。水処理装置１３で水に溶解しているイオンを吸着することで、加熱手段１０で昇温する際、ＣａやＭｇの硬度成分が析出することによる水加熱手段９の閉塞や加熱効率の低下、陰イオンによる腐食の促進等を防止することができる。

また、ｐＨの偏った水を処理した場合は、酸性の場合はアニオン種を水酸化物イオンに、塩基性の場合はカチオン種を水素イオンに交換することで中性の水に近づけることができるので、水処理装置１３により処理した水は、ｐＨによる腐食を防止することができる。また、水の分解電圧未満の電圧を印加していることで、処理水は水の分解ガスを含有しておらず、水加熱手段９より加熱され気体の溶解度が低下した場合であっても、水の分解ガスは生成せず、貯湯タンクおよび流路に蓄積することがない。

なお、水処理装置１３で水に溶解しているイオンを吸着する際に、電極１６間に電圧を印加しなくてもよい。イオン交換体が水に溶解しているイオンを吸着する作用に変わりはなく、処理水に水の分解ガスを含有しない効果も変わらない。

次に、水処理装置１３がイオン交換体に吸着したイオンを脱離する際の動作、作用を説明する。

イオン交換体がイオンを脱離する際は、流水配管４により水処理装置１３に導かれた水は、水処理装置１３で処理された後、切換え弁２２で切換えられ排水流路２１と通って給湯機から排出される。水処理装置１３では、イオン交換膜の陽イオン交換体１９側の電極１６ａを陰極、陰イオン交換体２０側の電極１６ｂを陽極となるよう電圧を印加する。

水分子が水素イオンと水酸化物イオンに解離する水の理論解離電圧は０．８２８Ｖであるので、水の解離電圧以上の電圧を印加することでイオン交換膜１７の陽イオン交換体１９と陰イオン交換体２０の界面で水が解離し、イオン交換体に吸着したイオンと交換し脱離することでイオン交換体が再生する。さらに、印加電圧を水の分解電圧未満にすれば、
処理水は水の分解ガスを含有しないので、給湯機から排出する間の排水流路２１に溶存ガスが成長して気泡となり溜まることを防止することができる。

なお、排水流路２１の配管径を細くし排水流路２１の流速を十分に増加し排水流路２１内に気泡が滞留しないようにすることで、水の分解ガスが排水流路２１に溜まることを防止することができる。水の分解ガスを確実に給湯機から排出できることから、水を解離しイオン交換体を再生するのに十分な電流を与えることができ、再生効率を向上することができるので、再生時間を短縮、再生排水を低減することができる。

以上のようにして、原水中の陽イオンＣａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｍｎ、Ｆｅは陽イオン交換体１９へ、陰イオンＣｌ、炭酸、硫酸、硝酸等は陰イオン交換層体２０へ電気泳動して層内に入り込む。そして、陽イオンは、陽イオン交換層１９の強酸性イオン交換基の−ＳＯ_３Ｈの水素イオンとイオン交換し、陰イオンは、陰イオン交換体２０の強塩基性イオン交換基の−ＮＲ_３ＯＨの水酸化物イオンとイオン交換する。こうして、流路１８中の硬度成分は除去されて軟水化される。そして、軟水化された水は、ケーシング１５の上部のから処理水が流出する。

この流出液が切換え弁２２を介して流水配管４を通じてヒートポンプユニット６の水加熱手段９に流入する。ヒートポンプ際クル１２において、圧縮機８の運転により空気水加熱手段９内の冷媒が蒸発し外気の熱を吸熱する。そして、冷媒配管１１を通じて外気を吸熱した冷媒が高圧に圧縮され水加熱手段９で放熱される。この熱により水加熱手段９内の水が加熱されて原水が沸き上げられる。

ここで、加熱された処理水は硬度成分が除去されているので、水加熱手段９の内面で炭酸カルシウムや硫酸マグネシウムといったスケールが付着することを防止することができる。そして、この水加熱手段９で沸き上げられた湯が流水配管４を通じて貯湯タンク２の上部から導入される。

このようにして、給湯機の沸き上げ時に水処理装置１３で原水が軟水化され、処理水は切換え弁２２を介して流水配管４を通って水加熱手段９で加熱されて軟水化処理された湯が貯湯タンク２に溜められる。使用者が風呂（図示せず）などにおいて湯を使用する時は、貯湯タンク２に溜められた上層の湯が風呂の浴槽へ供給される。

ここで、貯湯タンク２の下層に存在して軟水化処理される水の水温は、沸き上げ開始前は水道水と同じ水温であるが、水加熱手段９での沸き上げが進むと、貯湯タンク２の上層には沸き上げられた６０℃以上の湯が存在するため、この熱によって下層の水が加温されていく。したがって、沸き上げ時間が進むにつれて、貯湯タンク２内の下層に存在して軟水化処理される硬度の高い原水の水温は高くなり、加温された状態で水処理装置１３に送られて軟水化処理される。

これによって、硬度成分であるカルシウムやマグネシウムの陽イオンが水処理装置１３のイオン交換膜１７の陽イオン交換体１９でイオン交換されるが、加温されているのでイオン交換速度が速くなる。したがって、陽イオン交換体１９表面上でのイオン交換が活発に行われる為、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。

次に、沸き上げ運転中あるいは沸き上げ完了後に水処理装置１３の再生工程が行われる。水処理装置１３の再生運転時、貯留タンク２の下部から一定量の水が沸き上げポンプ５により、流水配管４を通じて水処理装置１３に導入される。そして、切換え弁２２は閉じた状態となる。

図３に示すように、水処理装置１３において、電極１６には軟水化時とは逆の極性の電圧が印加される。陰イオン交換体２０側の電極１６が正極となり、陽イオン交換体１９側の電極１６は負極となる。

イオン交換膜１７の両側に電圧を印加すると、陽イオン交換体１９と陰イオン交換体２０の界面中のイオン成分が減少して抵抗が高くなり、ある時点で水の解離が行われ、水素イオン及び水酸化物イオンが生成する。陽イオン交換体１９では、軟水化時にイオン交換されたカルシウムイオンが、生成した水素イオンとイオン交換し再生される。そして、カルシウムイオンは流路１８中に放出される。

一方、陰イオン交換体２０では、軟水化時にイオン交換された炭酸イオンが、生成した水酸化物イオンとイオン交換し再生される。そして、炭酸イオンは流路１８中に放出される。

ここで、図２及び図３において、主に硬度成分の場合について説明したが、海水中に含まれる塩化ナトリウムや、地下水に多く含まれる鉄イオンやその他鉛、亜鉛、ヒ素といった重金属類も陽イオン交換体で除去することが可能である。さらに、腐食の原因となる硝酸イオン、塩素イオンや、リン酸イオン、クロム酸イオン等も陰イオン交換体で除去することが可能である。

さらに、ここでは陽イオン交換体１９には、強酸性イオン交換基の−ＳＯ_３Ｈ、陰イオン交換体２０には、強塩基性イオン交換基の−ＮＲ_３ＯＨを用いたが、弱酸性イオン交換基、弱塩基性イオン交換基を用いて陽イオン交換体１９及び陰イオン交換体２０を形成してもよい。弱酸性イオン交換基、弱塩基性イオン交換基を用いることで、イオン交換できる成分に制限があるが、イオン交換体の再生率は高くなる。

このようにして、イオン交換膜１７の両側に軟水化時とは逆極性の電圧を印加することによって、水解離が行われ膜の再生が行われる。ここで、イオン交換膜１７は、陽イオン交換体１９と陰イオン交換体２０の界面の面積を大きく取ることができるので、水の解離が低電圧で効率的に行われることにより、膜の再生を低い消費電力で行うことができる。

一定時間、イオン交換膜１７に電圧を印加して再生した後、切換え弁２２により流路を排水配管２１の方へ切換える。そして、水処理装置１３の流路１８中の硬度成分の濃縮水が排水配管２１を通じて外部へ排水される。この排水は貯湯ユニット１の下部にある排水溝（図示せず）へ流される。

濃縮水が排水された後、切換え弁２２は再度閉じた状態となる。そして、再び貯留タンク２から一定量の水が水処理装置１３に導入されて、イオン交換膜１７の再生が行われる。その後、切換え弁２２により流路が切換えられ、排水配管２１を通じて再生後の濃縮水が排出される。このような工程を数回繰り返すことで、水処理装置１３の再生が行われる。
このように、水処理装置１３で、軟水化と再生を行うので、再生の為に別に電気分解装置を設置する必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができる。

ここで、水処理装置１３の再生に使用される水は、軟水化処理時と同様に貯湯タンク２の下層の原水である。したがって、沸き上げ時間が進むにつれて、貯湯タンク２内の下層に存在して再生に使用される原水の水温は高くなり、加温された状態で水処理装置１３に供給される。

このように、再生に使用する水が加温されているので、水の解離に必要なエネルギーが
低減されると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度が速くなる。これにより、イオン交換膜１７の再生が効率よく行われる為、再生時の消費電力を低減することができる。

さらに、水加熱手段９により原水の沸き上げが完了した後、貯湯タンク２の湯を水処理装置１３に導入してイオン交換膜１７の再生を行うことで、６０℃以上の高温の湯を水処理装置１３に導入してイオン交換膜１７を再生するので、さらに水の解離に必要なエネルギーを低減することができると共に解離した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度を速くすることができる。また、水処理装置１３により処理された軟水によってイオン交換膜１７を再生するので、低電流で水の解離が起き易くなる為、再生時の消費電力をさらに低減することができる。

また、水処理装置１３の設置位置は、貯湯タンク２の上部側面近傍となるように設けられているので、貯湯タンク２内の沸き上げられた湯の熱によって水処理装置１３が加熱されるので、水処理装置１３を通過する水の加温を促進することができる。

また、貯湯タンク２の側面周囲にはタンク内の水温の低下を防止するための断熱材１４が備えられているので、貯湯タンク２内の下層の加温された水あるいは水加熱手段９により沸き上げられた湯の水温を維持することができる為、水処理装置１３に導入される水の水温低下を防止することができる。

以上のように、本実施の形態においては、貯湯タンク２と水加熱手段９と水処理装置１３を設け、水処理装置１３は、少なくとも一対の電極１６と、電極１６に挟まれて設置された陽イオン交換体１９と陰イオン交換体２０の２層を有するイオン交換膜１７と、イオン交換膜１７の表面に接する流路１８とから構成されており、水処理装置１３には沸き上げられた湯によって加温された水を導入するようにしたことにより、硬度成分の除去と再生に必要な水の解離の双方を水分解イオン交換体内で行うので、水処理装置と別に電気分解装置を設置する必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができる。

また、水処理装置には、軟水化される原水あるいは再生に使用する水が加温されて導入されるので、イオン交換速度が速くなり硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。さらに、水分解イオン交換体の再生に使用する水が加温されているので、水の解離に必要なエネルギーを低減すると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度が速くなる。これにより、水分解イオン交換体の再生が効率よく行われる為、再生時の消費電力を低減することができる。

尚、ここでは、イオン交換膜１７は膜状の場合について説明したが、粒状のイオン交換樹脂を陽イオン交換体１９、陰イオン交換体２０として電極１６間に詰めて構成してもよい。イオン交換樹脂をそのまま用いるのでイオン交換容量が高くなるというメリットがある。

但し、この構成では、膜状のイオン交換体を用いた方法に比べて圧力損失が大きくなる。この為、水処理装置を通過する流量が低下し通過時間が長くなってしまう。これにより、粒状のイオン交換樹脂を適用した場合は、加温された原水あるいは再生に使用する水の水温が低下し軟水処理時のイオン交換速度あるいは再生時の水の解離速度が低下する。また、陽イオン交換体と陰イオン交換体を電極の極性方向に対して一定に配置するのが困難であり、再生時のイオン交換体界面でのイオン移動が起き難く水の解離が非効率であり、水分解イオン交換体の再生効率が低いという欠点はある。

さらに、繊維状のイオン交換体を陽イオン交換体１９、陰イオン交換体２０として電極
１６間に詰めて構成してもよい。粒状のイオン交換樹脂に比べ圧力損失が低く必要な処理流量を維持することができる。

但し、膜状に比べて陽イオン交換体と陰イオン交換体の界面の面積が小さくなるため、水分解イオン交換体の再生効率が低くなるという欠点はある。

また、本実施の形態において、軟水化される原水は貯湯タンク２の下部から取り出され、軟水化処理して沸き上げられた湯は貯湯タンク２の上部に戻されるが、貯湯タンク２の側面下部から原水を取り出し、沸き上げられた湯は貯湯タンク２の側面上部に戻される構成でも同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図４に、本発明の第２の実施の形態の給湯機の構成図を示す。

図４において、再生用流水配管２３が貯湯タンク２の上部に開口して接続して設けられている。そして、流水配管４の水処理装置１３の出口部には第２切換え弁２４が設けられており、再生用流水配管２３と接続されている。そして、流路を流水配管４と再生用流水配管２３に切換えられるように構成されている。

以上のように構成された給湯機について、以下その動作について説明する。

軟水化処理時は、実施の形態１と同様に貯湯タンク２の下部から硬度の高い原水が沸き上げポンプ５によって切換え弁２２を介して流水配管４を通じて水処理装置１３に導入されて軟水処理される。そして、第２切換え弁２４は、流水配管４側に流路が設定されており、軟水処理された水はヒートポンプユニット６の水加熱手段９で沸き上げられ、流水配管４を通じて貯湯タンク２の上部から内部に貯留される。

次に、水処理装置１３の再生工程時には、第２切換え弁２４は、再生用流水配管２３から、水処理装置１３の上部へ流水するように流路が設定される。そして一定時間、切換え弁２２を水処理装置１３の下部から排水配管２１側に流れるように切り換えることで、貯湯タンク２の上層に存在する６０℃以上の軟水処理された湯が水処理装置１３の上部から導入される。そして、切換え弁２２を閉状態にすることで一定量の軟水処理された湯が水処理装置１３内に貯留される。

水処理装置１３に一定量の軟水処理された湯が貯留されると、実施の形態１と同様に電極１６には軟水化時とは逆方向の電圧が印加されて水の解離が行われ、水素イオン及び水酸化物イオンが生成する。陽イオン交換層１９では、軟水化時にイオン交換されたカルシウムイオンが、生成した水素イオンとイオン交換し再生される。

そして、カルシウムイオンは流路１８中に放出される。一方、陰イオン交換層２０では、軟水化時にイオン交換された炭酸イオンが、生成した水酸化物イオンとイオン交換し再生される。そして、炭酸イオンは流路１８中に放出される。

一定時間、イオン交換膜１７に電圧を印加して再生した後、切換え弁２２を水処理装置１３の下部から排水配管２１側に流れるように切り換えることで、流路１８中の硬度成分の濃縮水が排水配管２１を通じて外部へ排水される。この排水は貯湯ユニット１の下部にある排水溝（図示せず）へ流される。

そして、水処理装置１３には貯湯タンク２の湯が上部から新たに導入される。そして、同様に電極１６に電圧が印加されてイオン交換膜１７の再生が行われる。その後、切換え
弁２２により流路が切換えられ、排水配管２１を通じて再生後の濃縮水が外部へ排水される。このような工程を数回繰り返すことで、水処理装置１３の再生が行われる。

このように、沸き上げ途中でも６０℃以上の高温の軟水化された湯を水処理装置１３に導入することができるので、イオン交換膜１７の再生が効率的に行われ、再生による沸き上げ停止時間を短縮化できるので沸き上げ処理時間に対する影響を軽減することができる。

その結果、沸き上げ中に軟水処理と再生を繰り返して運転することができるので、水分解イオン交換体の面積を大きくして処理容量を上げることなく、貯湯タンク２に沸き上げられる数百Ｌの多量の原水を一定の硬度の軟水に処理することができる。

また、イオン交換膜１７の再生時の流水方向は、軟水化処理時とは逆方向から流水される。軟水化処理によりイオン交換膜１７は入口部（図２、図３における水処理装置１３の下部）に硬度成分が多量にイオン交換された状態となっており、再生時にはこの入口部で濃縮水の濃度が高くなっている。したがって、再生時に軟水化処理時とは逆方向の出口部から入口部（図２、図３における上部から下部）に流水することによって、濃縮水がイオン交換膜１７の表面全体に広がることなく排水配管２１から排出されるので、イオン交換膜１７への濃縮水の再付着を防止することができる。

以上のように、本実施の形態においては、軟水化する原水は貯湯タンク２の下部から水処理装置１３に供給して軟水処理し、水処理装置１３のイオン交換膜１７の再生時には水温の高い貯湯タンク２の上部から水を水処理装置１３に供給して再生することとしたことにより、イオン交換膜１７の再生が効率的に行われ、再生による沸き上げ停止時間を短縮化できるので、沸き上げ中に軟水処理と再生を繰り返して運転することができ、バイポーラ荷電膜の面積を大きくして処理容量を上げることなく、貯湯タンク２に沸き上げられる数百Ｌの多量の原水を一定の硬度の軟水に処理することができる。

また、再生時の流水方向は、軟水化処理とは逆方向から流水するので、濃縮水がイオン交換膜１７の表面全体に広がることなく排水配管２１から排出されるので、イオン交換膜１７への濃縮水の再付着を防止することができる。

（実施の形態３）
図５に、本発明の第３の実施の形態の給湯機の構成図を示す。図５において、水処理装置１３は、貯湯タンク２の下部から出た流水配管４の経路途中において、水加熱手段９の上流側に接続されヒートポンプユニット６内の水加熱手段９の近傍に設置されている。

そして、実施の形態１と同様に、バイポーラ荷電膜１７を再生する時に生成する濃縮水を排水する排水配管２１は、水処理装置１３の出口側に流水配管４と分岐して設けられている。その分岐部に切換え弁２２が設けられており流路を切り換えるようにしている。排水配管２１はヒートポンプユニット６のドレン口（図示せず）を通じてユニット外へ排出される。
以上のように構成された給湯機について、以下その動作について説明する
給湯機の沸き上げ運転時に、ヒートポンプ際クル１２が作動すると、水加熱手段９からの放熱によって流水配管４を流れる水が沸き上げられる。それと同時に、水処理装置１３は水加熱手段９の近傍に設置されているので、水加熱手段９の放熱により加温される。
これにより、水処理装置１３内を通過する原水がより加温されてイオン交換速度を向上することができる為、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。

また、再生時に使用される水も水加熱手段９の放熱により加温されるので、水の解離に
必要なエネルギーを低減すると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度を向上することができる。これにより、イオン交換膜１７の再生がさらに効率よく行われる為、再生時の消費電力をさらに低減することができる。

さらに、排出配管２１が屋外に設置されるヒートポンプユニット６内に設けられて、そのドレン口から再生時に生成する濃縮水をユニット外部へ排出することができるので、再生時に発生して濃縮水中に含まれるガスが大気中に拡散しやすくなるので、より安全性を向上することができる。

以上のように、本実施例の給湯機は、水処理装置３０を熱交換器２２の近傍に設置するため、熱交換器２２の放熱によって水処理装置３０が加温されるので、水処理装置３０を通過する低温水が加温されて、イオン交換速度を向上することができる。そのため、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。

また、再生時の水の解離に必要なエネルギーを低減すると共に、解離して生成した水素イオンによるところの、膜再生時のイオン交換速度を向上することができる。これにより、水分解イオン交換体の再生がさらに効率よく行われるため、再生時の消費電力をさらに低減することができる。

なお、粗ろ過手段２５を設けることにより水処理装置１３の信頼性がさらに向上する。水処理装置１３は、水に溶解しているイオンをイオン交換体で確実に吸着するため、イオン交換膜が近接した状態で積層することが望ましが、イオン交換膜の間が僅少であるため、不溶物が堆積する可能性がある。

粗ろ過手段３の除去性能は、イオン交換膜の間隔と同様またはより細かな不溶物を除去することができるようにする必要がある。粗ろ過手段３は、糸巻きフィルタ、プリーツフィルタ、中空糸フィルタ等の精密ろ過（ＭＦ）により形成し、原水に含まれる砂や鉄さび等の不溶性物質をろ過除去する。配置場所は、給湯機の貯湯タンク２に導かれる水、および給湯機から出湯する湯の全てを処理することが可能な、原水流路に設置することが望ましい。給湯機から出湯した先の流路や湯を取出す蛇口に不溶物が混入したり詰まったりすることがなく、また、貯湯タンク２内を清浄に保つことができる。

なお、給湯機の水加熱手段９は、ヒートポンプ式、ガス加熱式、電気加熱式等、限定されることなく自由に選択することができる。

また、流水配管４と排水流路２１を切換えるために切換え弁２２を用いているが、流路の切換えは三方弁に限定されることはなく、流路の開閉を行う二方の電磁弁等を複数組み合わせても、流路の切換えを行うことができれば構わない。

このように本発明の給湯機は、水に溶解しているイオンをイオン交換体で吸着、また、電圧を印加することで水を解離させ吸着したイオンを脱離しイオン交換体を再生することができる。交互に吸着脱離運転を行うことで、使用者はメンテナンスすることなく連続的にイオンを除去した処理水を利用することができ、また、得られる処理水は水の分解ガスを含まないことから安全である。給湯機の信頼性および寿命を向上することができ、さらに高硬度地域や井戸水等の機器に過酷な原水に対しても適応することができる。

以上のように、本発明にかかる水処理装置および前記水処理装置を備えた給湯機は、メンテナンスの必要がなく、且つ装置構成が簡易で小型化を図ることができる。そして、低消費電力量であり、高硬度の原水の硬度成分を除去して再生することができ、また得られ
た処理水は水の分解ガスを含まないことから、洗濯機や食器洗い機の家庭用用途、産業用用途に制限されることなく、安全な処理水を利用する水処理システムに適応することができる。

２ 貯湯タンク
３ 給水配管
４ 流出配管
９ 水加熱手段
１３ 軟水化手段
１４ 流入配管
１６ａ、１６ｂ 電極
１７ イオン交換膜
１８ 流路
１９ 陽イオン交換体
２０ 陰イオン交換体

Claims (5)

1. 水に溶解しているイオンを吸着するイオン交換体と、前記イオン交換体に吸着したイオンを脱離するイオン交換膜と、前記イオン交換膜に電圧を印加する少なくとも一対の電極とを備え、前記イオン交換膜に温水を供給するとともに、前記イオン交換体が水中のイオンを吸着する際は、前記電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加する構成としたことを特徴とする水処理装置。
2. イオン交換膜がイオン交換体に吸着したイオンを脱離する際は、電極間に水解離電圧以上の電圧を印加する請求項１に記載の水処理装置。
3. 請求項１または２に記載の水処理装置と、水を加温する水加熱手段と、前記水加熱手段で加温された温水を貯湯する貯湯タンクとを備え、前記水処理装置に前記貯湯タンク内の前記温水を導入することを特徴とする給湯機。
4. 市水を貯湯タンクの下部に供給する給水配管と、前記貯湯タンク内の下部の水を前記水加熱手段に導入する流出配管と、水加熱手段で加熱された温水を前記貯湯タンクの上部に戻す流入配管とを有し、水処理装置を前記流出配管に設けたことを特徴とする請求項３に記載の給湯機。
5. 軟水化時には、貯湯タンク内の下部の温水を水処理装置に導入し、前記水分解イオン交換体の再生時には、前記貯湯タンク内の上部の温水を、水処理装置に導入することを特徴とする請求項３または４に記載の給湯機。