JP2014173768A

JP2014173768A - 貯湯式給湯機

Info

Publication number: JP2014173768A
Application number: JP2013045349A
Authority: JP
Inventors: Shoji Miyashita; 章志宮下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP6003725B2

Abstract

【課題】簡易な構成で水中の溶存ガスを効率的に低減しスケールの発生を抑制することが可能な貯湯式給湯機を提供する。
【解決手段】貯湯タンク２０１と、導入された水を加熱して導出する加熱手段１と、一端が貯湯タンクの下部の水導出口２０５に接続され、他端が加熱手段１への導入口に接続された第１の配管２０７と、一端が加熱手段１からの導出口に接続され、他端が貯湯タンクの上部の温水導入口２０４に接続された第２の配管２０８と、水導出口２０５又は第１の配管２０７に設置されたスケール抑制装置３と、スケール抑制装置３の下流側から分岐して、温水導入口２０４よりも下方水導入口２１１に接続された循環戻り配管２０９と、第１の配管２０７と循環戻り配管２０９との接続部に配置された三方弁２１０と、三方弁２１０の上流側に設置されたポンプ２０６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、貯湯式給湯機に係り、特にスケールの発生を抑制する技術に関する。

水を加熱してタンクに貯湯する貯湯式給湯機において、加熱する水にカルシウム、マグネシウム或いはシリコンなどの成分が多く含まれる場合、水の加熱手段の配管部や加熱された湯が流れる部位で酸化物や炭酸塩がスケール（固形析出物）として析出することが知られている。貯湯式給湯機では、このようなスケールの堆積により流路が閉塞する故障の例が多く見られる。

水中の溶存ガスが微細気泡として配管内壁に付着すると、泡と配管内壁の間でスケール成分が濃縮されてスケール核が生成される。スケールの析出はこのスケール核が起点となり起こると考えられる。このため、スケール析出を抑制するためには、加熱する水から予めガスを低減させることが効果的であり、微細孔材や溶存ガス成分のみを浸透させる膜などを利用した溶存ガス低減装置が考案され実用化に至っている。

特開２０１０−２７６３０３号公報

上記特許文献１に開示されている溶存ガス低減方法は、気液分離膜によって隔てられた一方の空間に水を流通させ、他方の空間を真空状態にすることにより、水から溶存ガスを分離させるものである。しかしながらこのような従来の構成では、真空状態を実現するための真空ポンプ、駆動電源および制御回路が必要なため、低コストで実現することは困難であった。また、水の流量が増えると気液分離膜による脱ガス能力が追いつかず、定常的に溶存ガス量を十分に低減することができなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであって、簡易な構成で水中の溶存ガスを効率的に低減しスケールの発生を抑制することが可能な貯湯式給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯機は、湯水を貯湯させるための貯湯タンクと、導入された水を加熱して導出する加熱手段と、一端が貯湯タンクの下部に設けられた水導出口に接続され、他端が加熱手段への導入口に接続された第１の配管と、一端が加熱手段からの導出口に接続され、他端が貯湯タンクの上部に設けられた第１の水導入口に接続された第２の配管と、水導出口又は第１の配管に設置された気液分離部と、第１の配管における気液分離部の下流側から分岐して、第１の水導入口よりも下方に設けられた貯湯タンクの第２の水導入口に接続された第３の配管と、第１の配管と第３の配管との接続部に配置され、水導出口から導出された水の流通先を第１の配管と第３の配管との間で切り替える切替装置と、第１の配管における切替装置よりも上流側に設置されたポンプと、を備えるものである。

本発明によれば、簡易な構成で水中の溶存ガスを効率的に低減しスケールの発生を抑制することが可能な貯湯式給湯機を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の回路構成図である。スケール抑制装置の内部構成を説明するための図であり、（Ａ）はスケール抑制装置を水の流通方向に沿って切断した断面図を、（Ｂ）は（Ａ）中のスケール抑制装置をＡ−Ａで切断した断面図をそれぞれ示している。本発明の実施の形態２における貯湯式給湯機の回路構成図である。本発明の実施の形態２のスケール抑制装置の内部構成を示す断面図である。本発明の実施の形態２のスケール抑制装置が貯湯タンクに固定された状態を示す部分断面図である。本発明の実施の形態３のスケール抑制装置の内部構成を示す断面図である。スケール抑制装置の内部構成の他の例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において同一部分または相当部分は、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の回路構成図である。この図に示すように、実施の形態１の貯湯式給湯機は、加熱手段１とタンクユニット２とを備えている。加熱手段１は、圧縮機１０１、放熱器１０２、膨張弁１０３、及び蒸発器１０４を順に配管１０５で接続して構成されている。この加熱手段１は自然冷媒である二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。

タンクユニット２は、貯湯タンク２０１を内蔵している。貯湯タンク２０１としては、上部に高温水が下部に低温水が温度層ごとに分離して蓄えられる積層式貯湯タンクが使用される。貯湯タンク２０１には、貯湯タンク２０１の上部に温水導出口２０２および温水導入口２０４が、下部に水導入口２０３および水導出口２０５がそれぞれ設けられている。水導入口２０３には市水を導入するための水導入配管２１２が接続され、図示しない減圧弁によって水道水圧から所定圧に調圧された市水が貯湯タンク２０１に常時供給され、所定圧力が印加された状態となる。また、温水導出口２０２には給湯配管２１３が接続されている。

加熱手段１とタンクユニット２とは、第１の配管２０７および第２の配管２０８により接続されている。より詳しくは、第１の配管２０７は、貯湯タンク２０１の水導出口２０５と放熱器１０２の導入口とを接続し、第２の配管２０８は、放熱器１０２の導出口と貯湯タンク２０１の温水導入口２０４とを接続している。また、第１の配管２０７の途中には、貯湯タンク２０１の下端よりも下方となる位置にスケール抑制装置３が設けられている。また、第１の配管２０７におけるスケール抑制装置３の下流側（放熱器１０２の導入口側）には、沸き上げ用送水ポンプ２０６が設けられている。なお、スケール抑制装置３の構成についてはその詳細な説明を後述する。

また、実施の形態１の貯湯式給湯機は、第１の配管２０７における沸き上げ用送水ポンプ２０６と放熱器１０２との間から分岐して、貯湯タンク２０１の中間部に設けられた水導入口２１１に接続された循環戻り配管２０９を備えている。第１の配管２０７における循環戻り配管２０９との分岐部には、沸き上げ用送水ポンプ２０６から送水された水の流通方向を第１の配管２０７と循環戻り配管２０９との間で切り替え可能に構成された三方弁２１０が配設されている。

三方弁２１０が第１の配管２０７側（放熱器１０２側）に連通されると、貯湯タンク２０１の水導出口２０５から導出された水が第１の配管２０７、スケール抑制装置３、沸き上げ用送水ポンプ２０６、三方弁２１０、加熱手段１の放熱器１０２、第２の配管２０８へと流通して温水導入口２０４から貯湯タンク２０１内に戻される貯湯回路が形成される。一方、三方弁２１０が循環戻り配管２０９側（水導入口２１１側）に連通されると、貯湯タンク２０１の水導出口２０５から導出された水が第１の配管２０７、スケール抑制装置３、沸き上げ用送水ポンプ２０６、三方弁２１０、循環戻り配管２０９へと流通して水導入口２１１から貯湯タンク２０１内に戻される循環回路が形成される。

次に、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機における特徴的な構成であるスケール抑制装置３の構成について詳細に説明する。図２は、スケール抑制装置の内部構成を説明するための図であり、（Ａ）はスケール抑制装置を水の流通方向に沿って切断した断面図を、（Ｂ）は（Ａ）中のスケール抑制装置をＡ−Ａで切断した断面図をそれぞれ示している。この図に示すように、スケール抑制装置３は、円筒形状の給水脱気配管３０４と、その端部を覆う入口側端面３０５と出口側端面３０６とを備えている。給水脱気配管３０４の内部には、管状に構成された気液分離材３０１が軸方向全域に渡り配置されている。気液分離材３０１は、例えば中空糸膜を用いて構成され、その外周面側を覆うように配置された管状の支持部材３０２と内周面側を覆うように配置された管状の支持部材３０３とによって挟持されることにより固定されている。また、支持部材３０２，３０３には複数の孔３０７が設けられている。

スケール抑制装置３は、第１の配管２０７における水導出口２０５と沸き上げ用送水ポンプ２０６との間の位置に介設される。より詳しくは、第１の配管２０７の水導出口２０５側は、スケール抑制装置３における気液分離材３０１の内周面側（支持部材３０３の内側）に連通するように入口側端面３０５に接続され、第１の配管２０７の沸き上げ用送水ポンプ２０６側は、気液分離材３０１の内周面側（支持部材３０３側）に連通するように出口側端面３０６に接続される。また、出口側端面３０６における気液分離材３０１の外周面側（支持部材３０２の外側）には、溶存ガスを排出するための配管３０８が設けられている。以下、気液分離材３０１が隔てられて形成された給水脱気配管３０４内の２空間のうち、水導出口２０５および第１の配管２０７に連通する側の空間を「第一室」と称し、配管３０８に連通する側の空間を「第二室」と称することとする。

次に、本実施の形態１の動作について説明する。図１に示す貯湯式給湯機は、その特徴的な動作として、スケール抑制運転による貯湯タンク２０１内の水の溶存ガスの分離動作を実施可能に構成されている。スケール抑制運転を実施する場合には、制御部からのスケール抑制運転信号を受けて三方弁２１０が制御されて循環回路が形成されるととともに、沸き上げ用送水ポンプ２０６が駆動される。これにより、水導出口２０５から出水された貯湯タンク２０１内の水は、第１の配管２０７を流通してスケール除去装置３に導入される。スケール抑制装置３内では、導入された水が気液分離材３０１の内側（第一室）を流通する。この際、気液分離材３０１の内側には貯湯タンク２０１内の水による水圧が作用するため、気液分離材３０１の内側（第一室）と外側（第二室）との間に差圧が発生する。これにより、スケール除去装置３では溶存ガスが気液分離材３０１の内側から外側へと分離される。

溶存ガスが分離された後の水は、スケール抑制装置３から第１の配管へと導出される。そして、沸き上げ用送水ポンプ２０６及び三方弁を介して循環戻り配管２０９を流通し、水導入口２１１から貯湯タンク２０１の内部へ順次戻される。

このように、本実施の形態の貯湯式給湯機によるスケール抑制運転によれば、貯湯タンク２０１内の水がスケール抑制装置３に導入されて溶存ガスが分離されるとともに、溶存ガスが分離された後の水が貯湯タンク２０１内に順次戻される。これにより、貯湯タンク２０１内の溶存ガスを減らすことができるので、スケールの発生を有効に抑制することが可能となる。また、本実施の形態１の貯湯式給湯機によれば、貯湯タンク２０１内の水をスケール抑制装置３に導入した後、加熱手段を経由することなく再び貯湯タンク２０１内に循環させることができるので、沸き上げ運転の実施有無によらずスケール抑制運転を実施することができる。また、スケール抑制装置３から導出された低温の水は貯湯タンク２０１の中間部に設けられた水導入口２１１から戻されるので、貯湯タンク２０１の上部に貯湯されている高温水に当該低温の水が混合される事態を回避することができる。

また、本実施の形態１の貯湯式給湯機によれば、スケール抑制装置３が貯湯タンク２０１の下端よりも下方に配置されているので、圧力を調整するための装置を別途設けることなく気液分離材３０１の内側と外側との間に有効に差圧を発生させることができる。

ところで、上述した実施の形態１では、沸き上げ運転を実施していないときに実施するスケール抑制運転について説明したが、沸き上げ運転の実施中にスケール抑制運転を行うこともできる。すなわち、沸き上げ運転による貯湯タンク２０１への給湯動作を実施する場合には、制御部からの貯湯運転信号を受けて加熱手段１が運転される。この場合、冷媒は圧縮機１０１で圧縮され高温高圧となり、放熱器１０２で熱交換して冷却される。そして、冷却された冷媒は膨張弁１０３により減圧され、蒸発器１０４により大気から吸熱して蒸発し、圧縮機１０１に戻る。一方、タンクユニット２では、制御部からの貯湯運転信号を受けて三方弁２１０が制御されて貯湯回路が形成されるととともに、沸き上げ用送水ポンプ２０６が駆動される。そして、水導出口２０５から出水された貯湯タンク２０１内の水は、スケール抑制装置３に導入されて溶存ガスが分離される。溶存ガスの分離後の水は第１の配管２０７を通って放熱器１０２に供給される。放熱器１０２では、熱交換により水が加熱される。加熱されて高温となった温水は第２の配管２０８を通って貯湯タンク２０１の上部の温水導入口２０４から順次貯湯される。このように、沸き上げ運転の実施中においても貯湯タンク２０１内の溶存ガスを有効に減らすことが可能となる。

また、上述した実施の形態１では、気液分離材３０１として中空糸膜を用いることとしているが、気液分離材として使用可能な材料はこれに限られず、ガス分離能を有する材料であれば他の材料でもよい。

また、上述した実施の形態１では、スケール除去装置３を貯湯タンク２０１の下方に配置することとしているが、スケール除去装置３の配置はこれに限られない。但し、気液分離材３０１の内側と外側との間に発生させる差圧を極力大きくするためには、貯湯タンク２０１の底部よりも下方に配置することが好ましい。

実施の形態２．
次に、図３乃至図５を参照して本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２の貯湯式給湯機は、スケール抑制装置３の配置に特徴を有している。図３は、本発明の実施の形態２における貯湯式給湯機の回路構成図である。この図に示すように、実施の形態２の貯湯式給湯機は、スケール抑制装置３が貯湯タンク２０１内に突出して配置されている点を除き、図１に示す貯湯式給湯機と同様の構成を有している。

図４は、本発明の実施の形態２のスケール抑制装置の内部構成を示す断面図である。この図に示すように、スケール抑制装置３は、円筒形状の給水脱気配管３０４と、その一端側を覆うように設けられ、貯湯タンク２０１へ固定されるフランジ３１０と、他端側から貯湯タンク２０１の底部へ向かって延びその端部が貯湯タンク２０１の内部空間に開放された給水部３１１とを備えている。また、給水部３１１にはフィルタ３１２が設けられている。

給水脱気配管３０４の内部には、気液分離材３０１がフランジ３１０から給水脱気配管３０４の軸方向に向かって管状に延び且つその端部を覆うように構成されている。気液分離材３０１は、例えば中空糸膜を用いて構成され、その外周面側を覆うように配置された管状の支持部材３０２と内周面側を覆うように配置された管状の支持部材３０３とによって挟持されることにより固定されている。また、支持部材３０２，３０３には複数の孔３０７が設けられている。また、フランジ３１０における気液分離材３０１の外周面側（支持部材３０２の外側）には、給水部３１１から導入された水が導出されるための水導出口３１３が設けられており、フランジ３１０における気液分離材３０１の内側面側（支持部材３０３の内側）には、溶存ガスを外部へ排出するための配管３０８が設けられている。これにより、フランジ３１０における気液分離材３０１の外周面側（支持部材３０２の外側）には第一室が形成され、気液分離材３０１の内側面側（支持部材３０３の内側）には第二室が形成される。

図５は、本発明の実施の形態２のスケール抑制装置が貯湯タンクに固定された状態を示す部分断面図である。この図に示すように、スケール抑制装置３のフランジ３１０は、Ｏリング３１４を介して、ボルト３１５により貯湯タンク２０１の下部に設けられた水導出口２０５に固定される。

スケール抑制運転を実施する場合には、制御部からのスケール抑制運転信号を受けて三方弁２１０が制御されて循環回路が形成されるととともに、沸き上げ用送水ポンプ２０６が駆動される。これにより、貯湯タンク２０１内の水は、給水部３１１から吸い込まれフィルタ３１２を通過して給水脱気配管３０４内の第一室に導かれる。第一室に導かれた水は、支持部材３０２を通して気液分離材３０１と接するが、貯湯タンク２０１内は、前述の減圧弁により水道水圧が調圧されて２００〜３００ＫＰａの高圧状態にあるので、第二室側の外気との差圧により溶存ガスのみが気液分離材３０１を通過する。第二室へ透過した溶存ガスは配管３０８から貯湯タンク２０１外部の空気中に放出される。給水脱気配管３０４の中の水の流れは１Ｌ／分程度であるので、脱気するのに十分な時間を気液分離膜と接することができる。溶存ガスが低減された水は水導出口２０５から第１の配管２０７へと導出される。

このように、本実施の形態２の貯湯式給湯機によれば、スケール抑制装置３が貯湯タンク２０１の内部に配置されるので、スケール抑制装置３を設置する場所が不要となりタンクユニット２のスペース効率を高めることができる。また、スケール抑制装置を備えていない従来のタンクユニットであっても、貯湯タンクを入れ替えるだけでスケール抑制機能を有する給湯機に容易に変更することができる。更に、スケール抑制装置３はボルト３１５により貯湯タンク２０１に固定される構造のため、スケール抑制装置３の機能が劣化した場合であっても新品との交換を容易に行うことができる。

また、本実施の形態２の貯湯式給湯機によれば、給水部３１１が貯湯タンク２０１の内部において底部に向かって延びているので、貯湯タンク２０１の底部の水を効率よくスケール抑制装置３内に導入して溶存ガスを分離することができる。また、給水部３１１にはフィルタ３１２が設けられているので、スケール抑制装置３内への異物の混入を有効に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態２の貯湯式給湯機では、沸き上げ運転を実施していないときに実施するスケール抑制運転について説明したが、沸き上げ運転の実施中にスケール抑制運転を行うこともできる。また、上述した実施の形態２では、気液分離材３０１として中空糸膜を用いることとしているが、気液分離材として使用可能な材料はこれに限られず、ガス分離能を有する材料であれば他の材料でもよい。

実施の形態３．
次に、図６及び図７を参照して本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３の貯湯式給湯機はスケール抑制装置３の内部構造に特徴を有している。図６は、本発明の実施の形態３のスケール抑制装置の内部構成を示す断面図である。この図に示すように、スケール抑制装置３は、給水脱気配管３０４の内部にヒータ３１６とそれを防水するシース３１７が配置されている点を除き、図４に示すスケール抑制装置３と同様の構成を有している。

ヒータ３１６の発熱量は非常に小さく水温を上昇させるほどの熱量はないが、局所的に１００℃に近い温度領域を出現させることができるものである。このような構成によれば、スケール抑制運転中にヒータ３１６を駆動することにより、溶存ガス飽和限度を下げて溶存ガスの泡化を促進させることができるので、効率的に溶存ガス量を減らす効果を有する。なお、貯湯タンク２０１内の水は局所的に加熱されるだけで水温の上昇はわずかであるので、加熱源の沸き上げ効率を低下させることはない。

ところで、上述した実施の形態３の貯湯式給湯機では、給水脱気配管３０４の内部にヒータ３１６を配置する構成としたが、ヒータ３１６の配置はこれに限られない。図７は、スケール抑制装置の内部構成の他の例を示す断面図である。この図に示すスケール抑制装置３では、給水部３１１の外側にヒータ３１６を配置している。また、ヒータ３１６は、貯湯タンク２０１内の水温が上昇しないようにタンク内の水に対して断熱構造を有している。このような構成によれば、給水脱気配管３０４へ導入される水を有効に加熱することができる。

また、上述した実施の形態３の貯湯式給湯機では、貯湯タンク２０１内に配置されたスケール抑制装置３においてヒータ３１５を配置することとしたが、図２に示すスケール抑制装置３においてその内部にヒータ３１６を配置することとしてもよい。

１加熱手段、２タンクユニット、２０１貯湯タンク、２０４温水導入口（第１の水導入口）、２０５水導出口、２０６沸き上げ用送水ポンプ、２０７第１の配管、２０８第２の配管、２０９循環戻り配管（第３の配管）、２１０三方弁（切替装置）、２１１水導入口（第２の水導入口）、３スケール抑制装置（気液分離部）、３０１気液分離材、３１１給水部、３１２フィルタ、３１６ヒータ

Claims

湯水を貯湯させるための貯湯タンクと、
導入された水を加熱して導出する加熱手段と、
一端が前記貯湯タンクの下部に設けられた水導出口に接続され、他端が前記加熱手段への導入口に接続された第１の配管と、
一端が前記加熱手段からの導出口に接続され、他端が前記貯湯タンクの上部に設けられた第１の水導入口に接続された第２の配管と、
前記水導出口又は前記第１の配管に設置された気液分離部と、
前記第１の配管における前記気液分離部の下流側から分岐して、前記第１の水導入口よりも下方に設けられた前記貯湯タンクの第２の水導入口に接続された第３の配管と、
前記第１の配管と前記第３の配管との接続部に配置され、前記水導出口から導出された水の流通先を前記第１の配管と前記第３の配管との間で切り替える切替装置と、
前記第１の配管における前記切替装置よりも上流側に設置されたポンプと、
を備える貯湯式給湯機。
前記気液分離部は、
前記水導出口に連通する第１室と、
外部空間と連通する第２室と、
を備え、前記第１室と前記第２室とは、液体の中からガスを分離可能に構成された気液分離材によって隔てられている請求項１記載の貯湯式給湯機。
前記切替装置を操作して前記第１の配管と前記第３の配管を連通させた状態で前記ポンプを駆動する制御手段を更に備える請求項１または２記載の貯湯式給湯機。
前記気液分離部は、前記水導出口から前記貯湯タンク内部へ突出して設置されている請求項１乃至３の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
前記気液分離部は、前記第１の配管の途中且つ前記貯湯タンクの底部よりも低い位置に設置されている請求項１乃至３の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
前記気液分離部は、前記水導出口から着脱自在に構成されている請求項１乃至５の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
前記気液分離部へ水を導入する給水部にフィルタが設けられている請求項１乃至５の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
前記気液分離部は、その内部にヒータが設けられている請求項１乃至７の何れか１項記載の貯湯式給湯機。