JP2015161437A - 温水加熱装置および温水暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源部におけるカルシウムの析出を防止して、熱効率の良い状態を持続可能な温水暖房装置を提供する。【解決手段】ケーシング５１内に、水を加熱する第１電気ヒータ５６とは別に、水に含まれるカルシウム成分を析出させるための第２電気ヒータ５７をさらに備え、ユーザによって温水暖房装置が使用される通常運転を行う前に、第２電気ヒータ５７にカルシウムを析出させて水に溶解しているカルシウム成分を除去する。【選択図】図１

Description

本発明は、温水循環式の温水暖房装置に用いられる温水加熱装置に関し、さらに詳しくいえば、水に含まれるカルシウム成分の除去手段を備えている温水加熱装置に関する。

最近では、石油やガスなどの化石燃料を使用する燃焼系の温水暖房装置に代えて、ヒートポンプユニットを熱源とする温水暖房装置が提案されている。その一例として、例えば特許文献１には、ヒートポンプユニット（通常は屋外に設置）を熱源とし、温水ユニット（通常は屋内に設置）との間で熱交換することで温水を生成して、閉ループ型の温水循環路を循環させて給湯や床暖房器で放熱するヒートポンプ式温水暖房装置が提案されている。

特許文献１に記載のヒートポンプ式温水暖房装置によれば、ヒートポンプユニットを熱源としているため、火災などの事故が起きにくく、ＣＯ_２排出量も少ないため地球環境にも優しい。また、ヒートポンプユニットの駆動制御が細かく設定できるため、温水の設定温度を低温から高温まで幅広く設定することができる。

しかしながら、この種の温水暖房装置は、熱媒体として水が用いられているため、水温が６０℃を越えると、水の中に溶解しているカルシウム成分（炭酸水素カルシウム：Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２）が炭酸カルシウム：ＣａＣＯ_３として析出して管壁などに付着する。

この付着物は、スケール（水垢とも言う）と呼ばれ、特に熱交換器は、高温であり、そのパス長も長いため、スケールが付着しやすい。長期間の使用でスケールの付着量が多くなると、熱交換効率の低下や、最悪の場合は管の閉塞も懸念される。

とりわけ、この種の温水暖房装置の多くは、欧米諸国において流通しているが、これらの地域において、水はカルシウムやマグネシウムなどのミネラルを多く含んだ、いわゆる「硬水」であるため、スケールが付着しやすく、このスケールの除去が大きな課題となっている。

また、この種の温水ユニットには、ヒートポンプユニットによって温められた温水をさらに加熱する補助ヒータを備えているものもあるが、この補助ヒータにスケールが析出して、熱効率が落ちることもある。

特開２０１３−１８５８０３号公報 特開２０１０−２７９８８７号公報

そこで、本発明の課題は、熱媒体としての水に含まれるカルシウム成分の除去手段を備え、熱交換器などにおけるスケールの発生を予防して、常に熱効率の良い状態を持続可能な温水暖房装置を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、温水循環路に接続される温水流入配管接続部および温水流出配管接続部と、上記温水流入配管接続部から流入する循環水を所定温度まで加熱する電気ヒータとを有する温水加熱装置において、上記電気ヒータは、上記循環水を加熱するための第１電気ヒータと、上記循環水に含まれているカルシウム成分を析出させるための第２電気ヒータとを備えていることを特徴とすることを特徴としている。

本発明には、この温水加熱装置を有する温水暖房装置も含まれる。すなわち、ヒートポンプユニットと、上記ヒートポンプユニットを熱源として生成された温水が循環する温水循環路を有する温水ユニットと、上記温水循環路の一部に含まれる放熱回路を有する暖房ユニットとを備えている温水暖房装置において、上記温水ユニットの上記温水循環路内に、本発明の温水加熱装置が組み込まれていることを特徴としている。

より好ましい態様として、上記温水循環路内の水を循環させる循環ポンプと、少なくとも上記第１電気ヒータ、上記第２電気ヒータおよび上記循環ポンプを制御する制御部とをさらに備え、上記制御部は、上記ヒートポンプユニットが休止しているとき、上記循環ポンプを駆動して上記温水循環路内に水を循環させた状態で、上記第２電気ヒータに通電して上記第２電気ヒータの周りの水温がカルシウム析出温度以上となるように維持して、水中に溶解しているカルシウム成分を上記第２電気ヒータの周りに析出させる。

さらに好ましい態様として、上記制御部は、上記第１電気ヒータにも通電して上記温水循環路内の水を加熱し、その水温が６０℃未満の所定温度に達した時点で、上記第１電気ヒータへの通電をオフとし、以後は上記第２電気ヒータにのみ通電する。

本発明によれば、温水加熱装置のケーシング内に温水加熱用の第１電気ヒータとは別に、カルシウム析出用の第２電気ヒータを設けて、ユーザによって温水暖房装置が使用される通常運転を行う前に、水に溶解しているカルシウム成分を除去することで、通常運転時に熱交換器などにおけるスケールの発生を防止できる。

本発明の一実施形態に係る温水加熱装置を備えた温水暖房装置の構成を示すブロック図。 上記温水加熱装置の（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）底面図、（ｄ）右側面図および（ｅ）内部構造を示すＡ−Ａ線断面図。 本発明のスケール除去の制御方法の流れを示すフローチャート。

次に、図１ないし図３を参照して、本発明の温水加熱装置および温水暖房装置について説明するが、本発明はこれに限定されない。

図１に示すように、この実施形態に係る温水暖房装置１０は、ヒートポンプユニット２０と、ヒートポンプユニット２０を熱源とする温水ユニット３０と、利用側の暖房端末を備えた暖房ユニット４０とを備えている。

ヒートポンプユニット２０は、冷媒を圧縮する圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３および蒸発器２４を備え、それらを冷媒配管２５で接続した冷媒回路を有している。

本発明において、ヒートポンプユニット２０は、暖房用の熱源として用いるため、可逆サイクルのため四方弁は特に必要としない。したがって、温水を生成する熱源となりうる最小限の機能を備えていればよく、各構成要素の具体的な構成は、仕様に応じて任意に選定されて良い。

熱交換器６０は、水−冷媒熱交換器であって、この実施形態において、温水ユニット３０の温水循環路３１の一部分に設けられている所定容積の循環水用のタンク６１内に凝縮器２２が収納され、タンク６１内で循環水が凝縮器２２により加熱されて温水が生成される。なお、図示しないが、熱交換器６０を例えば二重管熱交換器としてもよい。この実施形態において、熱交換器６０は、スケール発生の予防対象となる熱源部の１つである。

温水ユニット３０は、熱交換器６０で生成された温水が循環する温水循環路３１を備えている。温水循環路３１は、往路側（温水送出側）の温水接続口３１ａと復路側（温水戻り側）の温水接続口３１ｂを介して暖房ユニット４０側の放熱回路４１と接続される。

このように、温水循環路３１の一部に、暖房ユニット４０側の放熱回路４１が含まれるが、以下の説明において、温水循環路３１と放熱回路４１を特に区別する必要がない場合には、放熱回路４１を含めて温水循環路３１と言う。

温水循環路３１のうちの熱交換器６０と温水接続口３１ａとの間の往路側配管３１１には、熱交換器６０で生成された温水をさらに加熱する温水加熱装置５０を備えている。この実施形態において、温水加熱装置５０（より詳しく言えば、その内部に含まれる第１電気ヒータ５６）もスケール発生の予防対象となる熱源部に含まれる。

温水加熱装置５０は、熱交換器６０で生成された温水の温度が所定温度に達していない場合に、図示しない給電電源から電気ヒータに通電され、温水の温度を所定温度にまで高める。なお、温水加熱装置５０への通電制御は、温水ユニット３０に設けられている制御部（ＣＰＵ）７０によって行われる。

温水循環路３１のうちの温水接続口３１ｂと熱交換器６０との復路側配管３１２には、ストレーナ３４、圧力計３５、膨張タンク３６、給排水弁３７、圧力安全弁３８および循環ポンプ３９がそれぞれ配置されている。

ストレーナ３４は、温水循環路３１内を流れる水または温水（以下、まとめて循環水とする）に含まれるゴミや不純物を除去する。ストレーナ３４の具体的な構成は、本発明において任意的事項である。

圧力計３５は、暖房ユニット４０が接続されることにより閉ループ回路となる温水循環路３１内の管内圧力を測定するために用いられる。圧力計３５の測定データは、制御部７０に送られる。

膨張タンク３６は、水の熱膨張を吸収するタンクである。給排水弁３７は、温水循環路３１内に水を注水したり、温水循環路３１内の水を抜き取るために設けられており、先端には、水道管などに接続されるニップルと開閉コック（ともに図示しない）が設けられている。

圧力安全弁３８は、循環水が沸騰するなどして温水循環路３１内の管圧が規定値以上となった際に、管破裂を防ぐために強制的に温水循環路３１を外気に開放するリリーフバルブである。

循環ポンプ３９は、温水循環路３１内の循環水を一方向（この実施形態では時計回り）に循環させるためのポンプであって、制御部７０により、その駆動が制御される。

暖房ユニット４０は、往路側の温水接続口３１ａと復路側の温水接続口３１ｂとを介して、温水ユニット３０側の温水循環路３１にそれぞれ接続される放熱回路４１を備えている。放熱回路４１には、熱源の利用側としての暖房端末４２が設けられている。暖房端末４２は、例えば床暖房装置やラジエータ、ファンコンベクタなどであってよい。

本発明の特徴は、温水加熱装置５０にある。すなわち、図２に示すように、温水加熱装置５０は、例えばアルミニウムなどの熱伝導性のよい金属製で、内部が中空な円筒状のケーシング５１を備えている。ケーシング５１は角筒状であってもよいが、その外周面には、図示しない断熱材が取り付けられていることが好ましい。

ケーシング５１の上端には、蓋板５１１が設けられ、下端には底板５２が設けられている。蓋板５１１は、例えば絞り加工などによってケーシング５１と一体成形されてもよいが、別体でロウ付けされてもよい。

蓋板５１１の中央には、空気抜き孔５３が設けられている。空気抜き孔５３には、空気抜き弁３３（図１参照）が装着されている。

ケーシング５１の外周面の上端側には、ケーシング５１内に水を引き込むための温水流入配管接続部５４が設けられている。温水流入配管接続部５４には、熱交換器６０の流出側の配管が接続される。

温水流入配管接続部５４は、ケーシング５１の上部に空気溜まり室ＢＣを確保するため、ケーシング５１の蓋板５１１から軸線方向に所定高さ低い位置に設けられている。空気溜まり室ＢＣには、循環水を加熱した際に気泡として生じる空気が貯留される。

ケーシング５１の外周面の下端側には、温水流出配管接続部５５が設けられている。温水流出配管接続部５５には、往路側の温水接続口３１ａに至る配管が接続される。

底板５２は、ケーシング５１の下面開放口を塞ぐように、ケーシング５１の底部に例えばロウ付けされる。

底板５２には、ケーシング５１内の循環水を加熱するための第１電気ヒータ５６と、循環水に含まれるカルシウム成分を析出させるための第２電気ヒータ５７とを備えている。

この実施形態において、第１電気ヒータ５６は、内部に図示しない電熱線を有する２本の発熱チューブをそれぞれ中央からＵ字状に折り曲げて、その折曲部分が上を向くように底板５２から９０°で交差させた状態で立設されている。この実施形態において、第１電気ヒータ５６は、その高さが底板５２から温水流入配管接続部５４に至る高さまで形成されている。

第１電気ヒータ５６の両端は、図示しないヒータ電源への接続端子５６１として、底板５２に設けられた挿通孔５２１から外側に引き出されている。第１電気ヒータ５６は、別の態様として、複数本の発熱チューブを単に底板５２から立てたものや、１本の発熱チューブを螺旋状に形成したものであってもよい。

この実施形態において、第２電気ヒータ５７は、第１電気ヒータ５６と同種の内部に電熱線を有する発熱チューブからなり、中央からＵ字状に折り曲げて、その折曲部分が上を向くように底板５２から立設されている。

第２電気ヒータ５７は、その高さが、少なくとも底板５２からの温水流出配管接続部５５に至る高さまで設けられていることが好ましい。第２電気ヒータ５７の両端は、図示しないヒータ電源への接続端子５７１として、底板５２に設けられた挿通孔５２２から外側に引き出されている。

この実施形態において、第１電気ヒータ５６の容量は３〜９ｋＷであり、これに対して第２電気ヒータ５７の容量は５０Ｗ程度である。第２電気ヒータ５７は、少なくとも第２電気ヒータ５７の周囲の循環水のカルシウム析出温度まで加熱することができる容量を備えていればよい。

この温水加熱装置５０によれば、熱交換器６０によって生成された温水は、温水流入配管接続部５４を通ってケーシング５１内に流入し、第１電気ヒータ５６によってさらに加熱されたのち、下端側の温水流出配管接続部５５から往路側の温水接続口３１ａに向けて流れる。

循環水を加熱する際に発生した空気は、ケーシング５１の上部にある空気溜まり室ＢＣに集められ、上端の空気抜き孔５３を通って空気抜き弁３３から外気に放出される。

さらには、循環水に含まれるカルシウム成分を析出させる専用の第２電気ヒータ５７を、第１電気ヒータ５６とは別に設けることで、温水暖房装置の設置時や水抜きメンテナンスを行った際に、第２電気ヒータ５７を用いて予めスケール（炭酸カルシウム：ＣａＣＯ_３）の除去を行うことで、ユーザによって温水暖房装置１０が使用される際の通常運転時に第１電気ヒータ５６や熱交換器６０でのスケールの付着を防止できる。

この実施形態において、底板５２はケーシング５１の下端に沿ってロウ付けによって一体的に取り付けられているが、溶接であってもよく、底板５２のケーシング５１との取付態様は仕様に応じて任意に変更されて良い。

次に、図３のフローチャートを参照して、カルシウム除去手順の一例について説明する。このカルシウム除去工程は、温水暖房装置１０の設置後か、もしくは、メンテナンス時に配管内の循環水を入れ替えた後に行われ、ユーザーの使用に供する本運転前に、循環水に含まれているカルシウム成分を予め除去する。

設置時について説明すると、ヒートポンプユニット２０と温水ユニット３０は予め連結されているとして、温水ユニット３０に暖房ユニット４０を配管接続して、ヒートポンプユニット２０、温水ユニット３０および暖房ユニット４０の電源を含む温水暖房装置１０のすべての電源をオフとし（ステップＳＴ１）、温水ユニット３０の空気抜き弁３３を開放する（ステップＳＴ２）。

次に、給排水弁３７に図示しない給水パイプを接続し、温水循環路３１内に水（例えば、水道水）を注水する（ステップＳＴ３）。その際、圧力計３５を確認して、配管内が規定圧力になるまで注水をしたのち（ステップＳＴ４）、給水パイプを抜き、給排水弁３７を閉じる（ステップＳＴ５）。以上により、温水循環路３１内に循環水が注水される。

注水が完了したのち、温水ユニット３０の電源を投入し、カルシウム除去モードを選択する（ステップＳＴ６）。このとき、ヒートポンプユニット２０の電源はオフであり、ヒートポンプユニット２０は停止している。

これにより、制御部７０は、循環ポンプ３９を駆動して、温水循環路３１内の水を循環させるとともに（ステップＳＴ７）、第１電気ヒータ５６および第２電気ヒータ５７への通電を開始し、温水循環路３１内の循環水を加熱する（ステップＳＴ８）。

制御部７０は、図示しない温度センサを介して温水加熱装置５０内の循環水の水温を監視し、その水温が６０℃未満で予め設定されている所定温度（例えば５０℃）となったと判断すると（ステップＳＴ９）、第１電気ヒータ５６の電源をオフとし、第２電気ヒータ５７への通電を継続する（ステップＳＴ１０）。

温水加熱装置５０内の循環水の水温が６０℃以上になると、循環水に含まれているカルシウム成分（炭酸水素カルシウム：Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２）が第２電気ヒータ５７の表面に炭酸カルシウム：ＣａＣＯ_３として析出し始める。

そこで、制御部７０は、温水加熱装置５０内の循環水の水温が６０℃に達したと判断すると（ステップＳＴ１１）、図示しないタイマーを起動して、所定の設定時間（例えば３０分）になるまで第２電気ヒータ５７への通電を継続する（ステップＳＴ１２）。この通電時間の設定は、循環水の水量や水質等に応じて適宜決められてよい。

上記ステップＳＴ１２での判定がＹＥＳで、所定の設定時間が経過すると、制御部７０は、循環ポンプ３９と第２電気ヒータ５７への通電をともにオフとして（ステップＳＴ１３）、一連のカルシウム除去工程を終える。

この実施形態において、カルシウム除去工程は、新規設置すると同時に行う場合について説明したが、例えばメンテナンスなどの際に、循環水を入れ替えた際にも同様のカルシウム除去工程が行われる。

また、この実施形態において、カルシウム除去工程は、まず最初に第１電気ヒータ５６と第２電気ヒータ５７との両方に通電して、水温を析出温度域よりも低い６０℃未満の所定温度まで昇温したのち、第１電気ヒータ５６への通電をオフとし、そこから第２電気ヒータ５７のみで６０℃以上に昇温しているが、第２電気ヒータ５７のみで常温状態から析出温度（６０℃）まで昇温してもよい。このような態様も本発明に含まれる。また、循環水を６０°未満の所定温度まで昇温させるためにヒートポンプユニット２０を運転してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、温水加熱装置５０のケーシング５１内に温水加熱用の第１電気ヒータ５６とは別に、カルシウム析出用の第２電気ヒータ５７を設けたことにより、ユーザによって温水暖房装置が使用される通常運転を行う前に、水に溶解しているカルシウム成分を除去することができ、その結果、通常運転時において、温水ユニット３０内の熱交換器６０や温水加熱装置５０の第１電気ヒータ５６でスケールが発生することを防止することができる。

１０ 温水暖房装置
２０ ヒートポンプユニット
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
３０ 温水ユニット
３１ 温水循環路
３３ 空気抜き弁
３４ ストレーナ
３５ 圧力計
３６ 膨張タンク
３７ 給排水弁
３８ 圧力安全弁
３９ 循環ポンプ
４０ 暖房ユニット
４１ 放熱回路
４２ 暖房端末
５０ 温水加熱装置
５１ ケーシング
５２ 底板
５３ 空気抜き孔
５４ 温水流入配管接続部
５５ 温水流入配管接続部
５６ 第１電気ヒータ
５７ 第２電気ヒータ
６０ 熱交換器
７０ 制御部

Claims (4)

1. 温水循環路に接続される温水流入配管接続部および温水流出配管接続部と、上記温水流入配管接続部から流入する循環水を所定温度まで加熱する電気ヒータとを有する温水加熱装置において、
   上記電気ヒータは、上記循環水を加熱するための第１電気ヒータと、上記循環水に含まれているカルシウム成分を析出させるための第２電気ヒータとを備えていることを特徴とする温水加熱装置。
2. ヒートポンプユニットと、上記ヒートポンプユニットを熱源として生成された温水が循環する温水循環路を有する温水ユニットと、上記温水循環路の一部に含まれる放熱回路を有する暖房ユニットとを備えている温水暖房装置において、
   上記温水ユニットの上記温水循環路内に、請求項１に記載の温水加熱装置が組み込まれていることを特徴とする温水暖房装置。
3. 上記温水循環路内の水を循環させる循環ポンプと、少なくとも上記第１電気ヒータ、上記第２電気ヒータおよび上記循環ポンプを制御する制御部とをさらに備え、
   上記制御部は、上記ヒートポンプユニットが休止しているとき、上記循環ポンプを駆動して上記温水循環路内に水を循環させた状態で、上記第２電気ヒータに通電して上記第２電気ヒータの周りの水温がカルシウム析出温度以上となるように維持して、水中に溶解しているカルシウム成分を上記第２電気ヒータの周りに析出させることを特徴とする請求項２に記載の温水暖房装置。
4. 上記制御部は、上記第１電気ヒータにも通電して上記温水循環路内の水を加熱し、その水温が６０℃未満の所定温度に達した時点で、上記第１電気ヒータへの通電をオフとし、以後は上記第２電気ヒータにのみ通電することを特徴とする請求項３に記載の温水暖房装置。

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