JP2015029920A - 水処理装置およびそれを備えた給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でイオン交換体の再生処理時に発生するガスを排出することが可能な水処理装置を提供すること。【解決手段】一対の電極２２と、一対の電極２２の間に配設され、陽イオン交換体２３および陰イオン交換体２４を有するイオン交換体２５と、一対の電極２２とイオン交換体２５とが内部に配設されるケーシング２１と、を備え、ケーシング２１は、一対の電極２２の間に形成される水の主流入口３０および主流出口３１ａと、一対の電極２２のそれぞれの外側に形成される水の副流出口３１ｂとを有し、主流入口３０からケーシング２１の内部へと流入する水が、主流出口３１ａと副流出口３１ｂとからケーシング２１の外部へと流出するように構成されているので、簡易な構成で、イオン交換体２５の再生処理時に装置内で発生するガスを排出することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、液体に含まれる不純物の分離や除去を行う水処理装置に関するものである。

従来、給湯装置の配管内におけるスケールの析出を防止する技術として、イオン交換体を用いて水中の硬度成分を除去し、薬剤を用いることなく、イオン交換体を再生させる水処理装置がある。（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の水処理装置を示すものである。図４に示すように、この水処理装置１８０は、一対の電極１２４の間に、陽イオン交換体１２２と陰イオン交換体１２３とからなる水分解イオン交換体１９０と、ガス透過性の無い陽イオン交換体１４１と、陰イオン交換体１４２とを設け、陽イオン交換体１４１と陰イオン交換体１４２とにより、水処理装置の内部を電極室１５１と処理室１５２とに隔離するように構成されている。電極室１５１には水の副流入口１３６と水の副流出口１３１ｂとが配置され、処理室１５２には、水の主流入口１３０と水の主流出口１３１ａとが配置されている。

上記構成において、被処理水は主流入口１３０から処理室１５２に流入する。電極１２４への電圧印加時に、電極室１５１内の電極表面部で発生するガスは、電極室１５１の内部に隔離されて水処理装置１８０の外部へと排出されるため、軟水化処理した処理室１５２内の水にガスが混入するのを防止できる。本構成をとることにより、電気分解によって生成したガスが主流出口１３１ａに混入することを防止できる。

特開２０１２−８１３７３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、処理室と電極室とが区画されているため、特に再生処理時に発生するガスを排出するために、電極室５１にも水を供給する必要があり、電極室に水を供給するための副流入口を設ける必要がある。よって、水処理装置の構成が複雑になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡易な構成で再生処理時に発生するガスを排出することが可能な水処理装置を提供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、本発明の水処理装置は、一対の電極と、一対の前記電極の間に配設され、陽イオン交換体および陰イオン交換体を有するイオン交換体と、一対の前記電極と前記イオン交換体とが内部に配設されるケーシングと、を備え、前記ケーシングは、一対の前記電極の間に形成される水の主流入口および主流出口と、一対の前記電極のそれぞれの外側に形成される水の副流出口とを有し、前記主流入口から前記ケーシングの内部へと流入する水が、前記主流出口と前記副流出口とから前記ケーシングの外部へと流出するように構成されることを特徴とするものである。

これにより、電極の外側に設けた副流出口によって、特にイオン交換体の再生処理時に発生するガスを水処理装置の外部への排出することができる。

本発明の水処理装置によれば、簡易な構成で装置内に発生するガスを排出することができる。

本発明の実施の形態１における水処理装置の概略構成を示す模式断面図 （ａ）同水処理装置のテーパ形状部の構成を示す模式断面図、（ｂ）同水処理装置において副流出口が複数も受けられている場合のテーパ形状部の構成を示す模式断面図 本発明の実施の形態２における水処理装置の概略構成を示す模式断面図 従来の水処理装置の概略構成を示す模式断面図

第１の発明は、一対の電極と、一対の前記電極の間に配設され、陽イオン交換体および陰イオン交換体を有するイオン交換体と、一対の前記電極と前記イオン交換体とが内部に配設されるケーシングと、を備え、前記ケーシングには、一対の前記電極の間に形成される水の主流入口および主流出口と、一対の前記電極のそれぞれの外側に形成される水の副流出口とが設けられ、前記主流入口から前記ケーシングの内部へと流入する水が、前記主流出口と前記副流出口とから前記ケーシングの外部へと流出するように構成されることを特徴とする水処理装置である。これにより、簡易な構成の水処理装置で、特に電極に電圧を印加して行われるイオン交換体の再生処理時に、電極周辺の水が電気分解されて生じるガスを排出することができる。また、再生処理に使用される水の量を低減することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記主流入口から前記主流出口に流れる水の圧力損失は、前記主流入口から前記副流出口に流れる水の圧力損失よりも大きいことを特徴とするものである。これにより、主流入口から副流出口に向かって流れる水の流れを誘引することができ、イオン交換体の再生処理時に、水が電気分解されて発生するガスを副流出口に向かって流して、水処理装置の外部に排出することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記主流出口の断面積は、前記副流出口の断面積よりも大きいことを特徴とするものである。これにより、主流入口から流出する水の量を副流路から流出する水の量よりも多くして、イオン交換体と接触する水の量を増大させ、再生処理時に発生するガスを水処理装置の外部に排出しながらもイオン交換体の再生能力を確保することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれかの発明において、前記ケーシングは、前記副流出口に向かって流路断面積が減少するテーパ形状部を有することを特徴とするものである。これにより、水が電気分解されて発生するガスが水処理装置の内部に滞留することを防止して、発生したガスによって、イオン交換体のイオン吸着能力および再生能力が減少することを防止することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれかの発明の水処理装置を備えた給湯装置である。これにより、給湯装置の内部を流れる水に含まれる炭酸カルシウム等のスケール成分が水処理装置によって除去されるので、給湯装置内でスケールが析出することを防止して、配管の詰まり等の不具合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、本実施の形態における水処理装置の概略構成を示す断面図である。図１に示す断面図は、水処理装置２０において、板状の電極２２ａ、２２ｂおよび膜状のイオン交換体２５に対して垂直な面で、水の主流入口３０、主流出口３１ａ、副流出口３１ｂを含む断面を示すものである。

図１において、水処理装置２０は、ケーシング２１と、ケーシング２１の内部に配設され、板状の電極２２ａ、２２ｂとで構成される一対の電極２２と、一対の電極２２の間に配設される複数の膜状のイオン交換体２５とを備えている。板状の電極２２ａ、２２ｂと複数のイオン交換体２５とはケーシング２１の内部に積層されて収容されている。

イオン交換体２５は、陽イオン交換樹脂を含有し、多孔性で膜状の陽イオン交換体２３と、陰イオン交換樹脂を含有し、多孔性で膜状の陰イオン交換体２４とが１枚に張り合わされて構成され、２層構造となっている。陽イオン交換樹脂としては、交換基−ＳＯ３Ｈを有する強酸性陽イオン交換樹脂が好適である。また、陰イオン交換樹脂としては、例えば、交換基−ＮＲ３ＯＨ有する強塩基性イオン交換樹脂が好適である。陽イオン交換体２３と陰イオン交換体２４とが１枚に張り合わされて構成された複数のイオン交換体２５は、陽イオン交換体２３と陰イオン交換体２４とが電極２２ａと電極２２ｂとの間で交互に並ぶように積層されて、ケーシング２１の内部に配置される。

ケーシング２１は、直方体形状である。ケーシング２１には、一対の電極２２の間に形成される水の主流入口３０および主流出口３１ａと、電極２２ａ、２２ｂの外側にそれぞれ少なくとも１つ形成される水の副流出口３１ｂとが設けられている。なお、外側とは、板状の電極２２ａ、２２ｂを境界として、イオン交換体２５が配設されている側と反対側をいうものである。主流入口３０と主流出口３１ａとは、それぞれケーシング２１の対向する表面に設けられている。また、主流入口３０と副流出口３１ｂとは、ケーシング２１の対向する表面に設けられ、主流出口３１ａと副流出口３１ｂとは、直方体形状のケーシング２１において、同一方向の面に設けられている。これにより、主流入口３０からケーシング２１の内部へと流入する水が、主流出口３１ａと副流出口３１ｂとからケーシング２１の外部へと流出するように構成されている。なお、主流入口３０、主流出口３１ａ、及び副流出口３１ｂには、それぞれ、配管が接続される。また、副流出口３１ｂには配管を閉塞または開放する弁（図示せず）が設けられている。

また、主流出口３１ａの断面積は、副流出口３１ｂの断面積よりも大きい。副流出口３１ｂが複数ある場合には、複数の副流出口３１ｂの断面積の合計が主流出口３１ａの断面積より大きくなってもよいが、いずれの場合にも、主流出口３１ａから流出する水の量が、複数の副流出口３１ｂから流出する水の量よりも多くなるように形成されていることが好ましい。

電極２２ａ、２２ｂは、板状かつメッシュ状に形成されており、水を透過するように構成されている。特に、板状の電極２２ａ、２２ｂの表面に垂直な方向への水の流れを阻害しないように構成されている。電極２２ａ、２２ｂは、母材としてチタンが使用され、表面に、厚さ０．１μｍ〜０．５μｍの白金、イリジウム、ルテニウム、ジルコニウム、あるいはタンタルが単一金属あるいは合金化された、コーティング層を有している。これにより、水と接触する電極２２ａ、２２ｂの表面が保護され、長期的な耐久性を確保している。電極２２ａ、２２ｂの一部は、電気配線等の接続のため、ケーシング２１から突出している。すなわち、電極２２ａ、２２ｂのすべてがケーシング２１内に収容されていなくてもよい。

また、電極２２ａ、２２ｂとイオン交換体２５との間、主流入口３０および主流出口３１ａと複数のイオン交換体２５との間には、それぞれ均圧板２６が配置されている。均圧板２６は、多孔性のポリエチレンからなるもので、イオン交換体２５よりも通水抵抗が大きい。このため、主流入口３０からケーシング２１内に流入した水は、均圧板２６により、ケーシング内に拡散し、複数のイオン交換体２５の全体に行き渡り、水の流れ方向に対して下流側のイオン交換体２５へと流れていく。

以上のように構成された水処理装置２０について、以下その動作、作用を説明する。この水処理装置２０は、複数のイオン交換体２５によってイオンを吸着し、水中からイオン成分を除去する軟水化処理と、一対の電極２２に電圧を印加して、複数のイオン交換体２５に吸着したイオンを脱離する再生処理とを行うものである。なお、軟水化処理時にも一対の電極２２に電圧を印加してもよい。この場合、軟水化処理時と再生処理時とでは、異なる極性の電圧を印加することになる。

軟水化処理は、副流出口３１ｂに接続された配管に設けられた弁（図示せず）により配管を閉塞した状態で行われる。軟水化処理（水処理）時には、水を圧送するポンプ（図示せず）により、主流入口３０から主流出口３１ａに向けて、水中のイオン成分を除去する水（処理用水）が流れる。ここで、ケーシング２１の内部には、主流入口３０から主流出口３１ａに向かって流れる水の流通方向と平行に、膜状のイオン交換体２５が配置されている。よって、処理用水は、主流入口３０からケーシング２１内に流入し、均圧板２６によって拡散した後、その大部分が膜状のイオン交換体２５の表面に沿って平行に流れる。また、イオン交換体２５は多孔質であるため、処理用水の一部は、イオン交換体２５の内部を透過する。

処理用水に含まれるカルシウムイオン、マグネシウムイオン等の硬度成分（陽イオン）は、陽イオン交換体２３内に存在する陽イオン交換樹脂の粒子と接触して、吸着される。一方、処理用水に含まれる塩化物イオン等の陰イオンは、陰イオン交換体２４内に存在する陰イオン交換樹脂の粒子と接触して、吸着される。このようにして、処理用水は、ケーシング２１の内部に配設された複数のイオン交換体２５の間を流れる間に、含有するイオンがイオン交換体に吸着され、軟水処理される。軟水化処理された水は、主流出口３１ａから、水処理装置２０の外部に流出する。このようにして、水処理装置２０は、水中の硬度成分を除去する軟水化処理を実行する。

一方、イオン交換体２５の再生処理は、一対の電極２２間に直流電圧を印加するとともに、副流出口３１ｂに接続される配管に設けられた弁を開放した状態で行われる。これにより、主流入口３０からケーシング２１内に流入した水は、主流出口３１ａおよび副流出口３１ｂの双方から流出可能になる。

次に、再生処理時における、イオン交換体２５に吸着されたイオンを脱離するための水（再生用水）の流れを説明する。再生用水は、軟水処理時と同様に、主流入口３０からケーシング２１内に流入する。ケーシング２１内に流入した再生用水は、均圧板２６によりケーシング２１内に拡散し、その大部分が膜状のイオン交換体２５の表面に沿って平行に流れて主流出口３１ａから流出し、一部がイオン交換体２５を透過して、均圧板２６、電極２２ａまたは２２ｂを通過して、副流出口３１ｂから流出する。

ここで、主流入口３０から流入した再生用水が主流出口３１ａおよび副流出口３１ｂの双方から流出するのは、主流入口３０から主流出口３１ａに流れる水の圧力損失が、主流入口３０から副流出口３１ｂに流れる水の圧力損失よりも大きくなるように、均圧板２６、イオン交換体２５、電極２２ａ、２２ｂの流通抵抗が設定されているためである。なお、副流出口３１ｂから流出する水の単位時間当たりの水の量は、水の主流出口３１ａから
流出する単位時間当たりの水の量よりも少ないことが好ましい。

再生処理時には、一対の電極２２のうち、陽イオン交換体２３が最も近接する電極２２ａが陰極、陰イオン交換体２４が最も近接する電極２２ｂが陽極となるように直流電圧を印加する。なお、印加電圧は、ケーシング２１内に配置したイオン交換体２５の枚数や処理用水の硬度等に応じて適宜に設定されるが、１００Ｖ以上３００Ｖ以下であることが、イオン交換体２５の耐久性、イオン交換体２５の再生能力（イオン交換体２５から脱離させることが可能なイオン交換容量）を確保する点で好ましい。

一対の電極２２に直流電圧を印加すると、イオン交換体２５の陽イオン交換体２３と陰イオン交換体２４とが張り合わされて形成される界面では、電位差が大きくなり、水が解離して、水素イオンおよび水酸化物イオンが生成される。そして、陽イオン交換体２３内に吸着されたカルシウムイオン、マグネシウムイオン等の硬度成分（陽イオン）は、生成された水素イオンと置換されて脱離し、これにより、陽イオン交換体２３が再生される。一方、陰イオン交換体２４内に吸着された塩化物イオン等の陰イオンは、生成された水酸化物イオンと置換されて脱離し、これにより、陰イオン交換体２４が再生される。このように、一対の電極２２に直流電圧を印加することで、イオン交換体２５を再生することができる。

ここで、イオン交換体２５の再生処理時に一対の電極２２に直流電圧を印加すると、電極２２ａ、２２ｂの表面では水が解離して、水素イオンおよび水酸化物イオンのみならず、水素ガスおよび酸素ガス等の気体（ガス）が発生する場合がある。これらのガスは、イオン交換体２５の内部に混入すると、イオン交換体２５の再生能力と吸着能力（イオン交換体２５が吸着可能なイオン交換容量）とを減退させる要因になる。すなわち、イオン交換体２５にガスが混入することで、一対の電極２２間に流れる電流値が低下し、イオン交換体２５の再生能力が減退するとともに、また、イオン交換体２５が十分に再生されないまま軟水化処理（イオン吸着）を行うことになるので、イオン交換体２５の吸着能力が減退してしまう。

一方、本実施の形態では、ケーシング２１には副流出口３１ｂが形成されるので、ケーシング２１の内部には、主流入口３０から副流出口３１ｂへと向かう水流が形成される。また、主流出口３１ａと副流出口３１ｂとの間に電極２２ａ、２２ｂが配置されている。これにより、電極２２ａ、２２ｂの表面で発生した水素ガスならびに酸素ガスは、主流出口３１ａに向かうことなく、また、ケーシング２１の内部に滞留することなく副流出口３１ｂへと向かう水流によってケーシング２１外部へと排出されることとなる。

これにより、ガスがイオン交換体２５に混入することを防ぐことができ、その結果、一対の電極２２の間に生じる電流値の低下を抑制することが可能となり、イオン交換体２５の再生能力を確保することができるとともに、直流電圧を印加するため消費電力を低減させ、水処理装置の高効率化を実現することができる。

また、ケーシング２１の内部には、図２（ａ）（ｂ）に示すように、副流出口３１ｂに向かって流路断面積が連続的に減少するテーパ形状部２１ａが設けられていると、再生処理時に発生したガスをケーシング２１内に滞留させることなく、より円滑にケーシング２１の外部へと排出することができる。なお、図２は、板状の電極２２ａ、２２ｂおよび膜状のイオン交換体２５に平行な面で、副流出口３１ｂを含む面を水処理装置２０の外方側から見た断面図で、当該断面から視認可能な電極２２ａまたは２２ｂを図示しているものである。

なお、副流出口３１ｂが複数設けられている場合には、図２（ｂ）に示すように、テー
パ形状部２１ａは、複数の副流出口３１ｂのうち、端にある副流出口３１ｂに向かって流路断面積が減少するように形成されていればよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一の箇所については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図３は、本実施の形態における水処理装置の概略構成を示す断面図である。

本実施の形態の水処理装置２０は、軟水化処理と再生処理とで、水の主流入口および主流出口が異なる態様を示すものである。

図３に示すように、本実施の形態の水処理装置２０のケーシング２１には、軟水化処理において処理用水が流入する処理用水流入口３４と、処理用水が流出する処理用水流出口３５とが設けられている。処理用水流入口３４は、直方体形状のケーシング２１のうち、主流入口３０、主流出口３１ａが設けられる面とは異なる面に形成されている。また、処理用水流出口３５は、直方体形状のケーシング２１のうち、主流入口３０、主流出口３１ａが設けられる面とは異なる面に形成され、処理用水流入口３４が設けられる面と対向する面に形成されている。

軟水化処理は、主流入口３０、主流出口３１ａ、副流出口３１ｂに接続される配管を弁（図示せず）によって閉塞した状態で、処理用水を処理用水流入口３４からケーシング２１に流入させるとともに、処理用水を処理用水流出口３５から流出させて行われる。すなわち、処理用水は、ケーシング２１の内部を、板状の電極２２ａ、膜状のイオン交換体２５の表面に対して垂直な方向に流れる。処理用水に含まれるイオンは、ケーシング２１の内部を流動する間に、イオン交換体２５に吸着され、これにより軟水化処理が行われる。ここで、処理用水は、膜状のイオン交換体２５に垂直な方向に、多孔性のイオン交換体２５を透過するように流れるので、イオン交換体２５に含まれるイオン交換樹脂と接触する処理用水の量が増大し、イオンの吸着能力を増大させることができる。

一方、再生処理時には、主流入口３０、主流出口３１ａ、副流出口３１ｂに接続される配管に設けられた弁を開放する。これにより、主流入口３０から主流出口３１ａおよび副流出口３１ｂに向けて、再生用水が流れるようにして、再生処理を行う。

本発明によれば、簡易な構成で再生処理時に発生するガスを装置の外部に排出して、イオン交換体のイオン吸着能力と再生能力とを高く維持することできるので、水中の硬度成分を除去するための水処理装置や、洗濯機や給湯機に搭載される水処理装置として有用である。

２０ 水処理装置
２１ ケーシング
２１ａ テーパ形状部
２２、２２ａ、２２ｂ 電極
２３ 陽イオン交換体
２４ 陰イオン交換体
２５ イオン交換体
２６ 均圧板
３０ 主流入口
３１ａ 主流出口
３１ｂ 副流出口
３４ 処理用水流入口
３５ 処理用水流出口

Claims (5)

1. 一対の電極と、
   一対の前記電極の間に配設され、陽イオン交換体および陰イオン交換体を有するイオン交換体と、
   一対の前記電極と前記イオン交換体とが内部に配設されるケーシングと、を備え、
   前記ケーシングは、一対の前記電極の間に形成される水の主流入口および主流出口と、一対の前記電極のそれぞれの外側に形成される水の副流出口とを有し、
   前記主流入口から前記ケーシングの内部へと流入する水が、前記主流出口と前記副流出口とから前記ケーシングの外部へと流出するように構成されることを特徴とする水処理装置。
2. 前記主流入口から前記主流出口に流れる水の圧力損失は、前記主流入口から前記副流出口に流れる水の圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記主流出口の断面積は、前記副流出口の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の水処理装置。
4. 前記ケーシングは、前記副流出口に向かって流路断面積が減少するテーパ形状部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の水処理装置を備える給湯装置。

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