JP2011094938A

JP2011094938A - 給湯機

Info

Publication number: JP2011094938A
Application number: JP2009251704A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sasabe; 笹部　　茂; Takemi Oketa; 岳見桶田; Katsuhiko Uno; 克彦宇野; Yasusuke Horiki; 泰佑堀木
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-11-02
Also published as: JP5251831B2

Abstract

【課題】低コストで装置構成が簡易で小型であり、低消費電力で水分解イオン交換体を再生して軟水を供給することができる給湯機を提供すること。
【解決手段】少なくとも一対の電極２０、陽イオン交換体２２、陰イオン交換体２３を有する水分解イオン交換体２１、前記水分解イオン交換体２１の表面に接する流路２４から形成される軟水化手段７を備え、前記軟水化手段７により軟水化処理された軟水を、前記軟水化手段７に再び導入して前記水分解イオン交換体２１を再生する構成としたことを特徴とするもので、再生時に使用される水中のイオン成分は低くなり、水分解イオン交換体２１に電圧印加した時に低電流で、水分解イオン交換体２１の界面の抵抗が増加して水が解離されるので、水分解イオン交換体２１の再生を低消費電力で行うことができる。
【選択図】図２

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器において、メンテナンスフリーで軟水処理された水を使用者に提供すること、あるいは機器の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、イオン交換樹脂によって軟水化及び薬剤を用いずにメンテナンスフリーで再生する以下のような技術がある（例えば、特許文献１参照）。

図５は、従来配管のスケール生成を防止する給湯機の構成図を示すものである。
風呂給湯機に水を供給する水路となる原水供給パイプ１は、三方弁２を介して電気分解装置３の下部及び軟水化装置１３の上部に接続されており、採水時には軟水化装置１３に通水し、再生時には電気分解装置３に通水するように三方弁２を切り換える構成となっている。電気分解装置３はポーラスな隔膜４、例えば素焼きの隔膜によって陽極室７と陰極室８に仕切られ、これら極室にそれぞれ電極５及び６を配設している。

また陽極室７の上部には酸性水出口パイプ１０が三方弁１１を介して、陽イオン交換樹脂１２を充填した軟水化装置１３の上部及び三方弁１８を介して浴槽２１への水供給パイプ２３に接続されており、再生時には軟水化装置１３に通水し、浴槽２１で酸性風呂に入浴するときには、浴槽２１への水供給パイプ２３に通水するように三方弁１１を切り換える構成となっている。

また、陰極室８の上部にはアルカリ水出口パイプ９が三方弁１９を介して排水パイプ２２及び飲用水パイプ２０に接続されており、アルカリ水飲用時には飲用水パイプ２０に通水し、飲用以外のときは排水パイプ２２から排水するように三方弁１９を切り換える構成になっている。また、軟水化装置１３の下部には三方弁１４を介して排水パイプ１５及びパイプ１６を介して風呂給湯機１７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１を通り、採水時には三方弁２を切り換えて、陽イオン交換樹脂１２の充填してある軟水化装置１３上部から供給し、陽イオン交換樹脂１２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、軟水がパイプ１６、風呂給湯機１７を介して、パイプ２３により浴槽２１に供給される。

陽イオン交換樹脂再生時には、水は三方弁２を切り換えて、隔膜４によって陽極室７及び陰極室８を分離形成し、これら極室にそれぞれ電極５、６を配設した電気分解装置３に供給される。電極５、６の両極間に直流電圧を印加し、陽極室７で得られた酸性水を三方弁１１を切り換えて軟水化装置１３の上部から供給する。

このとき、三方弁１４を排水パイプ１５側に切り換え、水を風呂給湯機１７に通水しないようにする。

酸性風呂入浴時には、三方弁１１及び１８を切り換え陽極室７で得られた酸性水をパイプ１０、パイプ２３を介して浴槽２１に供給する。このとき、三方弁１８が切り換えられているため、風呂給湯機１７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１９を切換える。以上のように、
陽イオン交換樹脂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、風呂給湯機配管及び浴槽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。

一方、軟水化処理する技術として、水分解イオン交換膜を用いた技術がある（例えば、特許文献２参照）。

この方式では、一対の電極間に陽イオン交換層と陰イオン交換層の２層から成る水分解イオン交換膜を挟み込んだ構成であり、電極に通電すると水分解イオン交換膜の表面に硬度成分が吸着してイオン交換されて軟水化処理される。また、極性を逆にして電圧を印加すると陽イオン交換層と陰イオン交換層の界面で水が解離し、解離により生成した水素イオン、水酸化物イオンにより水分解イオン交換膜を再生することができる。

特開平７−６８２５６号公報特許第４０４４１４８号公報

しかしながら、特許文献１に示した前記従来の構成では、電気分解装置３と軟水化装置１３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な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は、水分解イオン交換膜表面に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、電極に電圧を印加することにより、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して再生する。

したがって、軟水化処理と再生処理をひとつの装置内で行うことができる為、装置が簡易であり省スペース化が図れるとともに、薬剤を使わずにメンテナンスフリーで軟水化及び再生することができ、給湯機への応用が期待できる有効な軟水化技術と考えられる。

しかし、このような水分解膜を用いた方式を給湯機に採用する上で、低電力化が課題となる。水分解イオン交換膜方式では、特にその再生時に電力を必要とする。高硬度な地域での設置も想定される給湯機においては、再生時に原水である高硬度の水により水分解イオン交換膜に電圧を印加しても、イオン成分が多量に存在する為、水分解イオン交換体界面の抵抗は上がり難く水の解離が起こり難い。また、電流も高くなる為、再生時に大きな消費電力が必要となるという課題があった。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、低コストで装置構成が簡易で小型であり、低消費電力で水分解イオン交換体を再生して軟水を供給することができる給湯機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の給湯機は、水加熱手段と、少なくとも一対の電極
、陽イオン交換体、陰イオン交換体を有する水分解イオン交換体、前記水分解イオン交換体の表面に接する流路から形成される軟水化手段とを備え、前記軟水化手段により軟水化処理された軟水を、前記軟水化手段に再び導入して前記水分解イオン交換体を再生する構成としたことを特徴とするもので、再生時に使用される水中のイオン成分は低くなり、水分解イオン交換体に電圧印加した時に低電流で水分解イオン交換体界面の抵抗が増加して水が解離されるので、水分解イオン交換体の再生を低消費電力で行うことができる。

また、再生時に必要な軟水を生成するのに、別途電気分解装置のような特別な装置を必要としないので、低コストで装置が簡易であり省スペース化を図ることができる。

本発明によれば、低コストで装置構成が簡易で小型であり、低消費電力で水分解イオン交換体を再生して軟水を供給することができる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軟水処理時の軟水化手段の断面図同再生時の軟水化手段の断面図同軟水化手段再生時の流水経路図従来の給湯機の構成図

第１の発明は、水加熱手段と、少なくとも一対の電極、陽イオン交換体、陰イオン交換体を有する水分解イオン交換体、前記水分解イオン交換体の表面に接する流路から形成される軟水化手段とを備え、前記軟水化手段により軟水化処理された軟水を、前記軟水化手段に再び導入して前記水分解イオン交換体を再生する構成としたことを特徴とするもので、再生時に使用される水中のイオン成分は低くなり、水分解イオン交換体に電圧印加した時に低電流で水分解イオン交換体界面の抵抗が増加して水が解離されるので、水分解イオン交換体の再生を低消費電力で行うことができる。

第２の発明は、軟水化手段により軟水化処理され、水分解イオン交換体の再生に用いる軟水を貯留する軟水貯留タンクを設けたことを特徴とするもので、軟水化手段の水分解イオン交換体の再生に必要な軟水を一定量貯留することができるので、軟水化手段の再生のタイミングで軟水を軟水化手段に供給して再生することができる。

第３の発明は、軟水貯留タンクの内容積は、少なくとも水分解イオン交換体の再生工程に使用する水量を貯留できる容積量としたことを特徴とするもので、再生工程に必要な軟水を過不足なく貯留するので、水分解イオン交換体を十分に再生した後軟水化処理することができる。また、貯留タンクは少なくとも再生工程に必要な水量を貯留できる内容積を確保したので、装置のサイズがコンパクトで省スペース化を図ることができる。

第４の発明は、軟水化手段と軟水貯留タンクとは並列して設けられ、前記軟水化手段及び前記軟水貯留タンクの上流側で水配管を分岐するとともに、前記軟水化手段及び前記軟水貯留タンクの下流で水配管は結合し、前記分岐部には第１の流路切換三方弁、前記結合部には第２の流路切換三方弁、前記軟水化手段と前記第１の流路切換三方弁との間の水配管途中に第１の排水用三方弁、前記軟水貯留タンクと第１の流路切換三方弁との間の水配管途中に第２の排水用三方弁をそれぞれ設けたことを特徴とするもので、三方弁によって
、軟水化手段による軟水化処理、軟水貯留タンクへの軟水の供給、軟水化手段への軟水の供給、再生時の排水等の各工程の流水経路の切換えを行い、少ない部品点数で低コストの水回路を構築することができる。

第５の発明は、軟水化手段で軟水化処理された軟水を前記軟水化手段に再び導入した後、一定時間貯留した状態で、電圧を印加してイオン交換体を再生することを特徴とするもので、ケーシング内に少量の水を貯留して水分解イオン交換体にイオン交換した硬度成分を電圧印加により脱着し、濃縮水として外部に排水するので、再生に使用する水量を低減することができる。

第６の発明は、軟水化処理時には軟水化手段の下部から上部へ原水を流水し、再生時には前記軟水化手段の上部から下部へ軟水化処理した軟水を流水する構成としたことを特徴とするもので、軟水化処理時に主に水分解イオン交換体の下部にイオン交換された硬度成分は、再生時に上部から下部へ流水される軟水によって外部へ排水されるので、脱着した硬度成分が水分解イオン交換体に再付着すること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化手段の断面図を示す。図３には、本発明の第１の実施の形態の再生時の軟水化手段の断面図を示す。図４には、軟水化手段再生時の流水経路図を示す。

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へ供給する原水配管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の下部及には、貯湯タンク２の水を水加熱手段４で沸き上げて貯湯タンク２へポンプ５により導入する為の水配管６が開口して接続されている。

軟水化手段７と、軟水化手段７で軟水化処理され再生に用いる為の軟水を貯留する軟水貯留タンク８は、軟水化手段７及び軟水貯留タンク８の上流側で分岐した水配管６の途中に並列に設けられ、軟水化手段７及び軟水貯留タンク８の下流で水配管６は結合している。また、内容積は、少なくとも軟水手段７の再生工程に使用する水量を貯留する容積量としている。

そして、上流側の分岐部には第１の流路切換三方弁９、下流側の結合部には第２の流路切換三方弁１０を具備しており流水経路を切り換えるように構成されている。さらに、軟水化手段７と第１の流路切換三方弁９の間の水配管６途中には、第１の排水用三方弁１１、軟水貯留タンク８と第１の流路切換三方弁９の水配管６途中には、第２の排水用三方弁１２を具備しており、排水用三方弁には水配管６と分岐して排水配管１３が接続されており、排水用三方弁により排水配管１３側へ流水の切り換えが行われる。

そして、軟水化手段７で軟水化処理された軟水は、水配管６を通じてヒートポンプユニット１４で沸き上げられて貯湯タンク２の上部へ供給される。さらに、貯湯タンク２の上部には給湯配管１５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。

ヒートポンプユニット１４内には、圧縮機１５、水加熱手段４である水熱交換器、外気の熱を吸熱する空気熱交換器１６が冷媒配管１７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サイクル１８を内蔵している。

図２において、軟水化手段７は、ケーシング１９内に１対の電極２０が両端に設けられている。電極２０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２０の間には、１対の水分解イオン交換体２１が流路２２を挟んで設けられている。

水分解イオン交換体２１は、強酸性のイオン交換基を持つ陽イオン交換体２２と強塩基性のイオン交換基を持つ陰イオン交換体２３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２２と陰イオン交換体２３が向き合うように設置されている。ここで、陽イオン交換体２２は、−ＳＯ_３Ｈを官能基とする強酸性イオン交換基を含み、陰イオン交換体２３は、−ＮＲ_３ＯＨを官能基とする強塩基性イオン交換基を含む。

そして、水分解イオン交換体２１の陽イオン交換体２２と陰イオン交換体２３に水が接するように流路２４が構成されている。ここで、軟水化処理された水または再生時に生成した濃縮水が流出する出口部は、ケーシング１９の上部に設けられ水配管６と接続している。

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。

図１において、まず、原水配管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、原水には硬度成分のカルシウムやマグネシウムが含まれており、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、沸き上げを行う水加熱手段４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、ポンプ５によって貯湯タンク２内の硬度の高い原水が水配管６を通じて送られる。

この時、第１の流路切換三方弁９及び第１の排水用三方弁１１は、軟水化手段７側の水配管６に流水経路が設定されており、原水は軟水化手段７に導入される。また、第２の流路切換三方弁１０ヒートポンプユニット１４側の水配管６に流水経路が設定されている。

図２に示すように、ケーシング１９の下部から導入された原水中には硬度成分の炭酸カルシウムがイオン化した状態で、流路２４の下部から流入し上方へ流れる。このとき、ケーシング１９に設置された電極２０には直流電圧が印加され、陽イオン交換体２２側の電極２０にはプラスの電圧が印加され正極となる。一方、陰イオン交換体２３側の電極２０は負極となる。

この結果、原水中のカルシウムイオンは陽イオン交換体２２へ、炭酸イオンは陰イオン交換体２３へ電気泳動して入り込む。そして、カルシウムイオンは、陽イオン交換体２２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、炭酸イオンは、陰イオン交換体２３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２４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１９の上部に接続された水配管６を通じて処理水が流出する。そして、軟水化処理された水は水配管６を通じてヒートポンプユニット１４の水熱交換器４に流入する。

ヒートポンプサイクル１８において、圧縮機１４の運転により空気熱交換器１６内の冷媒が蒸発し外気の熱を吸熱する。そして、冷媒配管１７を通じて外気を吸熱した冷媒が高圧に圧縮され水熱交換器４で放熱される。この熱により水熱交換器４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、水熱交換器４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、この水熱交換器４で沸き上げられた湯が貯湯タンク２の上部から導入される。

水熱交換器４による沸き上げが終了した後、軟水化手段７の再生工程が開始する。再生工程が開始する直前に図４（ａ）に示すように、第２の流路切換三方弁１０は、軟水貯留タンク８側の水配管６に、第２の排水用三方弁１２は排水配管１３に流水経路が設定される。そして、軟水化手段７で軟水化処理された軟水が軟水貯留タンク８に導入される。

そして、元々タンク内に貯留していた原水は排水配管１３を通じて外部へ排出される。軟水貯留タンク８内が軟水で満たされると、図４（ｂ）に示すように、第２の排水用三方弁１２は閉状態となり流水が停止する。

次に、図４（ｃ）に示すように、第１の流路切換三方弁９が軟水貯留タンク８側の水配管６に、第２の排水用三方弁１２が軟水貯留タンク８側の水配管６に、第１の排水用三方弁１１が排水配管１３に流水経路が設定される。

そして、軟水貯留タンク８内の一定量の軟水が軟水化手段７の上部から導入され、ケーシング１９内が軟水で満たされると、図４（ｄ）に示すように第１の排水用三方弁１１が閉状態となり流水が停止する。

そして、図３に示すように、軟水化手段７において、ケーシング１９の上部から流路２４に一定量の軟水が流入すると、電極２０には軟水化時とは逆方向の電圧が印加される。陰イオン交換体２３側の電極２０が正極となり、陽イオン交換体２２側の電極２０は負極となる。水分解イオン交換体２１の両側に電圧を印加すると、陽イオン交換体２２と陰イオン交換体２３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２２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２４中に放出される。一方、陰イオン交換体２３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２４中に放出される。

ここで、水分解イオン交換体２１の再生には、軟水化手段７で軟水化処理された軟水を用いているので、ケーシング１９内の水中のイオン成分は低くなり、水分解イオン交換体２１に電圧印加した時に低電流で水分解イオン交換体界面の抵抗が増加して水が解離されるので、水分解イオン交換体の再生を低消費電力で行うことができる。

そして、電圧印加により水分解イオン交換体２１が再生された後、図４（ｃ）に示すように第１の排水用三方弁１１が排水配管１３に流水経路が設定され、ケーシング１９内に生成した硬度成分の炭酸カルシウムの濃縮水が排水配管１３から外部へ排出される。また、これと同時に軟水貯留タンク８内の軟水が再び軟水化手段７に導入される。

そして、再び図４（ｄ）に示すように第１の排水用三方弁１１が閉状態となり流水が停
止して、水分解イオン交換体２１の再生が行われる。このように、一定時間ケーシング内に軟水を貯留した状態で電圧印加して再生を行うバッチ処理を数回繰り返して水分解イオン交換体２１の再生工程が終了する。

このようなバッチ再生処理によって、水分解イオン交換体２１にイオン交換した硬度成分を脱着し、濃縮水として外部に排水するので、再生に使用する水量を低減することができる。

また、軟水貯留タンク８の内容積は、少なくとも水分解イオン交換体２１の再生工程に使用する水量を貯留する容積量なので、再生工程に必要な軟水を過不足なく貯留するので、水分解イオン交換体２１を十分に再生した後軟水化処理することができる。また、軟水貯留タンク８は少なくとも再生工程に必要な水量を貯留できる内容積なので、装置のサイズがコンパクトで省スペース化を図ることができる。

さらに、軟水化処理時は、軟水化手段７の下部から上部へ原水を流水し、再生時は軟水化手段７の上部から下部へ軟水化処理した軟水を流水するので、軟水化処理時に主に水分解イオン交換体２１の下部にイオン交換された硬度成分は、再生時に上部から下部へ流水される軟水によって外部へ排水されるので、脱着した硬度成分が水分解イオン交換体２１に再付着することを防止することができる。

このように、再生工程が終了した後、軟水化手段７は、水熱交換器４による沸き上げ時の軟水化処理に備えられる。

以上のように、本実施の形態においては、軟水化手段７のケーシング１９の内部に、一対の電極２０と、水分解イオン交換体２１と、水分解イオン交換体２１の表面に接する流路２４とから構成されており、軟水化手段７により軟水化処理された軟水を軟水化手段７に再び導入して水分解イオン交換体２１を再生することとしたことにより、再生時に使用される水中のイオン成分は低くなり、水分解イオン交換体に電圧印加した時に低電流で水分解イオン交換体２１界面の抵抗が増加して水が解離されるので、水分解イオン交換体２１の再生を低消費電力で行うことができる。

以上のように、本発明にかかる給湯機は、低コストで装置構成が簡易で小型であり、低消費電力で水分解イオン交換体を再生して軟水を供給することができるので、洗濯機や浄水システムにも適用できる。

４水加熱手段
６水配管
７軟水化手段
８軟水貯留タンク
９第１の流路切換三方弁
１０第２の流路切換三方弁
１１第１の排水用三方弁
１２第２の排水用三方弁
１９ケーシング
２０電極
２１水分解イオン交換体
２２陽イオン交換体
２３陰イオン交換体
２４流路

Claims

水加熱手段と、少なくとも一対の電極、陽イオン交換体、陰イオン交換体を有する水分解イオン交換体、前記水分解イオン交換体の表面に接する流路から形成される軟水化手段とを備え、前記軟水化手段により軟水化処理された軟水を、前記軟水化手段に再び導入して前記水分解イオン交換体を再生する構成としたことを特徴とする給湯機。
軟水化手段により軟水化処理され、水分解イオン交換体の再生に用いる軟水を貯留する軟水貯留タンクを設けたことを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
軟水貯留タンクの内容積は、少なくとも水分解イオン交換体の再生工程に使用する水量を貯留できる容積量としたことを特徴とする請求項２に記載の給湯機。
軟水化手段と軟水貯留タンクとは並列して設けられ、前記軟水化手段及び前記軟水貯留タンクの上流側で水配管を分岐するとともに、前記軟水化手段及び前記軟水貯留タンクの下流で水配管は結合し、前記分岐部には第１の流路切換三方弁、前記結合部には第２の流路切換三方弁、前記軟水化手段と前記第１の流路切換三方弁との間の水配管途中に第１の排水用三方弁、前記軟水貯留タンクと第１の流路切換三方弁との間の水配管途中に第２の排水用三方弁をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の給湯機。
軟水化手段で軟水化処理された軟水を前記軟水化手段に再び導入した後、一定時間貯留した状態で、電圧を印加してイオン交換体を再生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の給湯機。
軟水化処理時には軟水化手段の下部から上部へ原水を流水し、再生時には前記軟水化手段の上部から下部へ軟水化処理した軟水を流水する構成としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の給湯機。