JP2016117051A - スケール除去装置及び給湯器並びにスケール除去方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来よりも効率的に、液体との比重差の大きいスケールだけでなく液体との比重差が小さい微細なスケール粒子についても被処理水から分離するスケール除去装置及び給湯器並びにスケール除去方法を得る。【解決手段】液体に含まれるスケールを除去するスケール除去装置10であって、液体導入口が設けられる中空円筒状の筐体11と、液体導入口12aを介して筐体11と連通する中空筒状の液体導入部12と、筐体11の内部に設けられる液体導出部13と、を備え、液体導入口12aは、筐体11の上部側面を貫通するように設けられ、液体導入部12は、軸方向が筐体11の側面の接線方向となるように設けられている。【選択図】図2

Description

本発明は、スケール除去装置及び給湯器並びにスケール除去方法に関する。
浴室や台所に温水を供給する給湯器は、電気給湯器、ガス給湯器(ガスボイラー)、石油給湯器等に大別される。何れの給湯器においても、熱を水に伝えるための熱交換器が設けられている。
近年、特に省エネや地球温暖化対策として二酸化炭素を削減する観点から、電気給湯器の中でもヒートポンプ熱交換式の電気給湯器(ヒートポンプ給湯器)が注目されている。ヒートポンプ熱交換式の電気給湯器は、大気の熱を熱媒体に移し、熱媒体に移された熱で湯を沸かすものである。
熱交換器は水に対して熱を伝えるため、熱交換器の伝熱面を常に清浄な状態に保つことが重要である。伝熱面が汚れると有効な熱伝達面積が減少して熱伝達性能が低下する場合がある。さらに伝熱面への汚れが蓄積すると、流路が閉塞する場合がある。
特に、スケール(硬度成分、硫酸塩、ケイ酸成分、金属イオン等を含む結晶状の生成物)成分を含む水が給湯器等の冷熱機器に供給されると、スケールが熱交換器の伝熱面や給湯タンク内又は流路内に付着して、熱交換器における熱交換効率が低下したり流路が閉塞する等の問題が生じうる。そして、このような問題を解決するために、生成したスケール又は剥離したスケールを捕捉して、スケールが熱交換器に再付着することを抑制したり、流路が閉塞することを抑制する様々な方法が検討されている。
このようなものとして従来、例えば、管路から剥離されたスケールを含む液体の流入口と、この流入口に連続する流路拡大部と、流路拡大部の内側に配置され、周囲に複数個の液体流入孔を有する導出部と、流路拡大部に設けられ、導出部に連続する液体流出口と、流路拡大部の底部に取り付けられたドレン手段と、を備えたクローズド型スケールキャッチャーがあった(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のクローズド型スケールキャッチャーは、剥離スケールを含む液体を小径の流入口から流路拡大部へ流入させて、それの流速、ひいては剥離スケールの流速を低下させている。
特開平2−214509号公報
しかしながら、特許文献1に記載のクローズド型スケールキャッチャーにおいては、液体との比重差の小さい剥離スケール等が固形物である場合には、固形物がスケールキャッチャー内に満たされた液体中に浮遊してしまい、剥離スケールを含む液体から、液体と、剥離スケールと、を分離することができないという課題があった。
本発明は、上述のような課題を背景としてなされたものであり、液体との比重差の大きいスケール片だけでなく液体との比重差が小さい微細なスケール粒子についても効率的に被処理水から除去するスケール除去装置及び給湯器並びにスケール除去方法を得ることを目的としている。
本発明に係るスケール除去装置は、液体に含まれるスケールを除去するスケール除去装置であって、液体導入口が設けられる中空円筒状の筐体と、前記液体導入口を介して前記筐体と連通する中空筒状の液体導入部と、前記筐体の内部に設けられる液体導出部と、を備え、前記液体導入口は、該筐体の上部側面を貫通するように設けられ、前記液体導入部は、軸方向が前記筐体の側面の接線方向となるように設けられているものである。
本発明に係る給湯器は、水冷媒熱交換器と、前記水冷媒熱交換器において熱交換された水が供給される本発明のスケール除去装置と、前記スケール除去装置から流出する水が供給される貯湯タンクと、を備えたものである。
本発明に係るスケール除去方法は、液体に含まれるスケールを除去するスケール除去方法であって、液体が溜められた液層部を有する円筒状の筐体に液体を供給して前記筐体の内壁面において旋回させ、前記筐体の内壁面において旋回させた液体のうち前記液層部に供給された液体を前記筐体の内部に設けられる筒状の液体導出部に供給して前記筐体の外部に導出する。
本発明によれば、筐体内に流入した被処理水を筐体の内壁面において旋回させて、被処理水に含まれるスケールを除去する。このため、液体との比重差の大きいスケールだけでなく液体との比重差が小さい微細なスケール粒子についても効率的に被処理水から除去することができる。
本発明の実施の形態1に係る給湯器100の構成図である。 本発明の実施の形態1に係るスケール除去装置10の構成図である。 本発明の実施の形態1に係るスケール除去装置10の主要部を示す図である。 図3のA−B断面図である。 図3のC−D断面図である。 本発明の実施の形態1に係る給湯器100の構成図である。 本発明の実施の形態2に係るスケール除去装置10の構成図である。 本発明の実施の形態3に係る筐体11の概略図である。 本発明の実施の形態4に係るスケール除去装置10の構成図である。 図9のA−B断面図である。 図9のC−D断面図である。
実施の形態1.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。
図1は本発明の実施の形態1に係る給湯器100の構成図である。
図1に示されるように、給湯器100は、被処理水を貯める貯湯タンク1と、空気冷媒熱交換器2と、空気冷媒熱交換器2に送風する送風機3と、冷媒を圧縮する圧縮機4と、例えばプレート式熱交換器で構成される水冷媒熱交換器5と、圧縮された冷媒を減圧させる減圧手段6と、被処理水を送液するポンプ9と、スケール除去装置10と、を備える。給湯器100には、冷媒流路7及び水流路8が設けられている。
冷媒流路7内には、例えば、二酸化炭素(CO)冷媒が流れるようになっている。冷媒流路7における冷媒の流れ方向は、図1の矢印方向である。冷媒流路7には、空気冷媒熱交換器2、圧縮機4、水冷媒熱交換器5、減圧手段6、が順に設けられている。
水流路8には、ポンプ9によって供給される被処理水が流れるようになっている。水流路8における水の流れ方向は、図1の矢印方向である。水流路8には、貯湯タンク1、ポンプ9、水冷媒熱交換器5、及びスケール除去装置10、が順に設けられている。
なお、水冷媒熱交換器5としては、プレート式熱交換器に限定されるものではない。例えば、特開2010−133600号公報、特開2008−249163号公報、特開2005−003209号公報、特開2008−075898号公報、特開2004−085172号公報や特開平6−2947号公報に記載されている熱交換器を水冷媒熱交換器5としてもよい。具体的には例えば、水冷媒熱交換器5として、多管式熱交換器、二重管式熱交換器、マイクロチャンネル式熱交換器、ボイラー式熱交換器等を採用することができる。
図2は本発明の実施の形態1に係るスケール除去装置10の構成図である。
図2に示されるように、スケール除去装置10は、筐体11と、液体導入部12と、液体導出部13と、開閉弁14と、ドレン部材15と、ボールバルブ17と、水位センサー18と、圧力調整弁19と、制御手段22と、を備える。
筐体11は、例えば、上方から下方に向かって径が小さくなる筒状の部材であり、第1部位11a及び第2部位11bを備える。第1部位11aは、筐体11の上部を構成する部位であり、例えば、円筒形状となっている。第2部位11bは、筐体11の下部を構成する部位であり、例えば、上方から下方に向かって径が小さくなる円錐形状となっている。筐体11の寸法は、例えば、高さが250mm、外径が80mm、円筒状の高さが150mm、円錐状の高さが100mmとなるように構成されている。図2においては、第1部位11aの高さが気層部23の高さと同一であり、第2部位11bの高さが液層部24の高さと同一である例を示している。筐体11には液体導入部12が接続されている。
液体導入部12は、水冷媒熱交換器5から流出した被処理水を筐体11に導入するための部材であり、例えば中空筒状となるように構成されている。液体導入部12は、軸方向が筐体11の側面の接線方向となるように設けられている。液体導入部12には液体導入口12aが設けられている。液体導入口12aは、例えば、筐体11の上部側面を貫通するように設けられている。液体導入部12の内部を流れる被処理水は、液体導入口12aを介して筐体11の内部に流入する。
液体導出部13は、筐体11の内部に溜められた被処理水を筐体11の外部に排出するための部材であり、例えば中空筒状となるように構成されている。液体導出部13は、筐体11の軸方向に延びるように設けられている。筐体11の内部に液体導出部13が設けられた状態において、液体導出部13の軸中心は、例えば、筐体11の軸中心と一致している。なお、液体導出部13の具体的な位置は、これに限定されるものではなく、筐体11内に設けられる被処理水のうちスケールを含まない被処理水を通すことができるように設けられていればよい。液体導出部13には、液体導出口13a及び開閉弁14が設けられている。液体導出口13aは、筐体11の内部に溜められた被処理水を筐体11の外部に排出するための開口である。液体導出部13の内部に流入した被処理水は、筐体11の外部に排出される。
開閉弁14は、開放状態と閉止状態とを切替可能なように構成されている。開閉弁14が開放されることで、筐体11の内部の被処理水は、液体導出部13の内部を通って液体導出部13の外部に流出する。開閉弁14が閉止されることで、筐体11の内部の被処理水は、液体導出部13の内部を通って液体導出部13の外部から流出しなくなる。
ドレン部材15は、筐体11内部において被処理水から除去されたスケールを筐体11から排出させる部材であり、例えば、筐体11の底部よりも下方に設けられている。開閉弁14は、液体導出部13の内部を流れる液体の量を調整するための部材である。ボールバルブ17は、筐体11の底部からドレン部材15に流れる液体の量を調整するための部材である。ボールバルブ17は、開放状態と閉止状態とを切替可能なように構成されている。水位センサー18は、筐体11内の被処理水の水位を検知する検知手段である。圧力調整弁19は、筐体11内の圧力を調整する部材である。
制御手段22は、開閉弁14、ボールバルブ17、圧力調整弁19を制御する。制御手段22が、開閉弁14の開閉状態を調整することで、筐体11の内部から液体導出部13の内部を通って液体導出部13の外部に流出する被処理水の量が調整される。制御手段22が、ボールバルブ17の開閉状態を調整することで、筐体11の内部からドレン部材15を通過するスケールの量が調整される。制御手段22が水位センサー18の検出値に基づいて圧力調整弁19を制御することで、筐体11の内部の水位が調整される。なお、制御手段22は、例えば、この機能を実現する回路デバイス等のハードウェア、又はマイコン若しくはCPU等の演算装置上で実行されるソフトウェアで構成される。
次に、図1を参照して、本発明の実施の形態1に係る給湯器100の動作(冷熱サイクル)について説明する。冷媒流路7において、水冷媒熱交換器5は凝縮器として機能し、空気冷媒熱交換器2は蒸発器として機能する。
冷媒流路7を流れる冷媒のうち空気冷媒熱交換器2を流れる冷媒は、送風機3が駆動して空気冷媒熱交換器2に供給される大気と熱交換する。これにより、空気冷媒熱交換器2を流れる冷媒は大気から吸熱して温度上昇し、空気冷媒熱交換器2に供給された大気は冷媒に放熱して温度低下する。大気から吸熱して温度上昇した冷媒は、圧縮機4の吸入側に供給されて圧縮される。圧縮機4において圧縮されて高温及び高圧になった冷媒は、水冷媒熱交換器5の昇温部で伝熱面を介して、水流路8を流れる被処理水のうち水冷媒熱交換器5を流れる被処理水と熱交換する。冷媒流路7において水冷媒熱交換器5から流出した冷媒は、減圧手段6で減圧されて空気冷媒熱交換器2に供給される。
水流路8を流れる被処理水のうち水冷媒熱交換器5を流れる被処理水は、冷媒流路7を流れる冷媒のうち水冷媒熱交換器5を流れる冷媒と熱交換して温度上昇する。水冷媒熱交換器5から流出した被処理水は、スケール除去装置10に流入して該被処理水に含まれるスケールが除去され、スケール除去装置10から流出する。スケール除去装置10から流出した被処理水は、貯湯タンク1に供給されて流出する。貯湯タンクから流出した被処理水は、ポンプ9に供給されて流出する。ポンプ9から流出した被処理水は、水冷媒熱交換器5に流入する。以上のように説明した給湯器100の動作は、給湯器100の運転中繰り返される。
ここで、スケール成分(例えば硬度成分:炭酸カルシウム(CaCO))を含む被処理水中では、(1)式のような溶解平衡が保たれている。しかし、その水が加熱されると、炭酸ガス(CO)の溶解度が下がり、溶存していた炭酸ガスが脱気されるため、(1)式で示した溶解平衡が右辺にずれ、スケール(炭酸カルシウム)が析出する。
Ca(HCO ⇔ CaCO ↓ +CO ↑ + HO ・・・(1)式
さらに詳しく説明すると、スケール成分を含む水に熱等のエネルギーを加え、そのエネルギーがある閾値(臨界核生成エネルギー)を超えると、(1)式の溶解平衡がずれ、炭酸カルシウムが析出する、すなわち結晶核が生成される。この結晶核は、液相と接触する面積が小さい方がエネルギー的に有利(安定)なため、固液界面、例えば異物や壁面があると、そこに接するようにまずは微小なスケール核が形成される。その微小なスケール核を起点にスケールが成長し伝熱面に付着、堆積していく。また、伝熱面から剥離した微細なスケール粒子は被処理水中での結晶核生成を誘発するため、被処理水中に新たな微細なスケール粒子が増加していく。
このように、水冷媒熱交換器5において、スケール成分を含む被処理水が昇温部の伝熱面で加熱されると、その伝熱面からスケールが析出して伝熱面に付着するとともに、被処理水中にも微細なスケール粒子が混入する。また、伝熱面に付着したスケールも水流の勢いや伝熱面のヒートサイクル等で剥離して被処理水中に混入する。これら剥離したスケール片や微細なスケール粒子を含む被処理水が水流路8内を循環すると、被処理水に含まれるスケール片や微細なスケール粒子が水冷媒熱交換器5に再付着し、水冷媒熱交換器5の伝熱効率が低下したり水流路8が閉塞する可能性がある。
ここで例えば、旋回流による遠心力と、固液の自然落下速度差と、を利用して、被処理水から、液体と、液体との比重差の小さい微細なスケール粒子と、を固液分離する方法が考えられる。具体的には、筐体11内の空間の全てを被処理水で満たした状態で、微細なスケール粒子を含む被処理水を液体導入口12aから筐体11内に供給し、筐体11内で被処理水に旋回流を発生させて、被処理水から、液体と、比重差の小さい微細なスケール粒子と、を固液分離することが考えられる。このような場合には、筐体11内に流入した被処理水に含まれる微細なスケール粒子の一部は、発生させた旋回流による遠心力によって、筐体11の内壁面に押し出されて筐体11の底部に自然沈降する。一方で、筐体11内に流入した被処理水に含まれる微細なスケール粒子の大部分は、筐体11内に満たされた被処理水の旋回流によって撹拌されて分散してしまう。すなわち、被処理水から、液体と、微細なスケール粒子の大部分と、を分離させることはできないという問題がある。
そこで、本実施の形態1においては、液体との比重差が大きく、伝熱面から剥離したスケール片だけでなく、液体との比重差が小さく、固液分離が難しい微細なスケール粒子についても、効率的に被処理水から分離するようにしている。
以下に、図2を参照しながら、本発明の実施の形態1に係るスケール除去装置10の原理及び動作について説明する。図2に示されるように、筐体11内の空間の全てを被処理水で満たさないで、筐体11内の空間の一部を被処理水で満たしている。具体的には、気層部23と、液層部24と、を筐体11の内部に設けるようにしている。ここで、気層部23は、筐体11の内部の上部に設けられる空間であり、空気が満たされている。液層部24は、筐体11の内部の下部に設けられる空間であり、被処理水が満たされている。このように、気層部23と、液層部24と、を筐体11の内部に設けた状態で、微細なスケール粒子を含む被処理水を液体導入口12aから筐体11内の気層部23に供給し、筐体11内で被処理水に旋回流を発生させて、被処理水から、液体と、比重差の小さい微細なスケール粒子と、を固液分離することを試みた。その結果、筐体11内に流入した被処理水に含まれる微細なスケール粒子は、発生させた旋回流による遠心力によって、筐体11の内壁面に押し出されて筐体11の底部に自然沈降した。このようにして、被処理水から、液体と、大きなスケール片と、を分離することができ、さらに、被処理水から、液体と、微細なスケール粒子と、を分離させることができた。
図3は本発明の実施の形態1に係るスケール除去装置10の主要部を示す図である。図4は図3のA−B断面図である。図5は図3のC−D断面図である。図4に示されるように、微細なスケール粒子を含む被処理水を液体導入口12aから気層部23に供給することで、微細なスケール粒子を含む被処理水を気層部23中の筐体11内壁面に沿うように薄液膜28の状態で旋回させることができる。なお、図4中の仮想線Lは、筐体11の接線方向を示している。筐体11の接線方向は、液体導入部12の軸方向と一致している。
ここで、筐体11の内部に流入した被処理水は、筐体11の内壁面の表面を旋回する。このとき、図5に示されるように、微細なスケール粒子は、気層部23において筐体11の内壁面の表面を旋回し、遠心力及び固液の落下速度差によって、筐体11の内壁面の表面に徐々に押し出されながら落下する。一方、被処理水は、微細なスケール粒子29を含む被処理水を気層部23において薄液膜状で旋回させることで、微細なスケール粒子は、薄液膜28の厚みの範囲内において移動することになる。このため、微細なスケール粒子が、気層部23内の全域において分散することがなくなる。このようにして、気層部23において、被処理水から、液体と、スケール片と、を効率良く分離することができる。
また、筐体11の内壁面を伝って旋回して下方に落下した被処理水は、液層部24に流入する。液層部24に流入した被処理水のうち微細なスケール粒子を含む被処理水は、旋回流のため水面を荒立てることなく入水し、且つ液層部24内の被処理水にも旋回流を与える。気層部23において筐体11の内壁面に押し出されながら落下した微細なスケール粒子は、被処理水とともに水面を荒立てることなく且つスケール粒子29を巻き上げることなく液層部24に流入する。
そして、図5に示されるように、液体との比重差の大きいスケール片及び液体との比重差の小さいスケール粒子は、液層部24で発生させた旋回流及び自然沈降によって、筐体11の内壁面を沿いながら落下し、筐体11の底部に蓄積する。
筐体11の内部に流入した被処理水のうち微細なスケール粒子を含まない被処理水のみが、液体導出部13の内部を経由して、貯湯タンク1に供給される。制御手段22は、沸き上げ運転又は保温運転後毎に、ポンプ9の流量を調整するとともに、開閉弁14を「開」から「閉」に制御し、且つボールバルブ17を「閉」から「開」に切り替えるように制御する。これにより、筐体11の内部に被処理水を供給して筐体11内を洗浄し、スケール粒子を含まない被処理水を貯湯タンク1に供給し、筐体11の底部に蓄積したスケールを排出することができる。制御手段22は、水位センサー18が検出した液層部24の被処理水の水位情報に基づいて圧力調整弁19を制御し、液層部24の被処理水の水位を調整する。
制御手段22は、液体導出部13の下端部と液層部24の液面との距離が第1基準距離よりも小さいと判定した場合に、圧力調整弁19を「開」状態とする。このように、制御手段22が、圧力調整弁19を「開」状態とすることで、筐体11内の圧力は減少して液層部24の水位が上昇する。なお、第1基準距離とは、例えば、液体導出部13の下端部と液層部24の液面との距離が2cmとなるような水位を指す。
制御手段22は、液体導出部13の下端部と液層部24の液面との距離が第2基準距離よりも大きいと判定した場合に、圧力調整弁19を「閉」状態とする。このように、制御手段22が、圧力調整弁19を「閉」状態とすることで、筐体11内の圧力は増加して液層部24の水位が下降する。なお、第2基準距離とは、例えば、液体導出部13の下端部と液層部24の液面との距離が3cmとなるような水位を指す。
なお、最初の給湯器運転前の液層部24の被処理水は、予め液体導出部13の下端部と液層部24の液面との距離が3cmに達するように注入しておく。その後の給湯器運転時は、筐体11の底部に蓄積したスケールを排出した後、制御手段22は、開閉弁14を「閉」から「開」に切り替え、ボールバルブ17を「開」から「閉」に切り替え、液体導出部13の下端部と液層部24の液面との距離が例えば3cmになるように圧力調整弁19を制御する。
なお、以上の説明においては、制御手段22が、水位センサー18の検知値に基づいて圧力調整弁19を制御し、液層部24の被処理水の水位を保つ例について説明したが、これに限定されない。例えば、サイフォンの原理を応用して、液層部24の水位を保つようにしてもよい。具体的には例えば、液層部24の水位を維持できるように、液層部24の水位が貯湯タンク1内の水位よりも高くなるようにスケール除去装置10を設けるとともに、液体導出部13の内部に被処理水を満たしておき、サイフォンの原理で液体導出口13aから排出される量と同じになるように液体導入口12aからの流入量を調整してもよい。
図6は、本発明の実施の形態1に係る給湯器100の構成図である。図6を用いて、本発明の実施の形態1に係る給湯器100の変形例を説明する。図6における給湯器100は、図1の給湯器100とは異なり、水道水流入路25及び三方弁26を備える。水道水流入路25及び三方弁26は、貯湯タンク1とポンプ9との間に位置している。
本実施の形態1においては、水冷媒熱交換器5をプレート式熱交換器で構成し、所定の沸き上げ温度に達するまで、貯湯タンク1、水冷媒熱交換器5、及びスケール除去装置10内に被処理水を循環させるように被処理水の沸き上げ運転を行う例について説明する。なお、沸き上げ温度を60℃、循環平均水流量を15L/minとした。
また、本実施の形態1では、実機相当の沸き上げ運転及び保温運転とを1日で2回繰り返しできるように、被処理水を30分で沸き上げた後に11時間の保温運転を行った。そして、11時間の保温運転を行った後に保温運転を停止した。そして、保温運転を停止した後に貯湯タンク1内で30分間の冷却処理を行い、貯湯タンク1内の被処理水の温度を25℃付近まで下げた。30分間の冷却処理を実施する工程と並行してスケール除去装置10内から蓄積させたスケールを除去する工程も実施した。
具体的には、貯湯タンク1から水冷媒熱交換器5に循環していた流路を、三方弁26を用いて、水道水を水道水流入路25よりポンプ9を介して水冷媒熱交換器5に注入する流路に切り替えた。それと同時に、制御手段22は、開閉弁14が「閉」で且つボールバルブ17が「開」となるように開閉弁14及びボールバルブ17を制御し、水冷媒熱交換器5及びスケール除去装置10内に蓄積したスケールを水流路8外へ排出させるようにしている。
なお、本実施の形態1では、沸き上げ運転における循環平均水流量が15L/minである例について説明したが、これに限定されない。例えば、水用ポンプの最大水流量まで水量を増加させることで、せん断応力が増して、より一層スケールを除去することができる。ここで、水用ポンプの最大水流量は、例えば20L/minである。
そして、水温が常温の25℃まで下がり、筐体11の内部において蓄積されたスケールの排出処理が終了した後、再度沸き上げを開始する運転を行った。被処理水としては、一般試薬を水道水に添加して高カルシウム硬度に調整した模擬水(初期水質:pH7.8、カルシウム硬度200mgCaCO/L、Mアルカリ度250mgCaCO/L)を用いた。沸き上げ運転を開始した後、被処理水のカルシウム硬度が150mgCaCO/L以下まで低下すると、新規に調整した模擬水に入れ換えた。被処理水中のカルシウム硬度の測定は、定期的に貯湯タンク1内から被処理水を少量採取し、簡易水質キットを用いて行った。
なお、気層部23の高さは、被処理水が薄液膜状で少なくとも1回旋回できる高さであればよく、液層部24の高さは少なくとも蓄積させたスケール高さ以上で液体導出口13aから被処理水を排水できる高さであれば特に限定しないが、気層部23/液層部24の高さ比は0.04〜24.0が好ましく、さらに好ましくは0.25〜4.0が良い。
液体導入部12は、中空筒状の部材である。液体導入部12の軸方向の延出方向は、筐体11の接線方向である。筐体11の円筒状最上面における接線方向に設けられている。液体導入部12は、例えば、外径20mmの銅配管で構成される。
液体導出口13aの高さは、筐体11の円筒中心部に、被処理水の液面より30mm浸漬するように、すなわち筐体11最下部から70mmとなるように設置した。
液体導出部13は、例えば、外径20mmの銅配管で構成される。液体導出部13は、筐体11の内部に溜められた被処理水が液体導出口13aを介して筐体11の天面を通って筐体11の外に流出できるように設けられている。
また、液体導出部13の内部には、電気信号で開閉可能な開閉弁14も設置した。さらに、筐体11の円錐状の最下部には、外径20mmのドレン部材15と電気信号で開閉可能で開口部を大きく取れるボールバルブ17を設置した。
水位センサー18は、筐体11内部に溜められた被処理水の水位を検知するためのものであり、例えば、筐体11の外周に設けられている。水位センサー18は、例えば、水位を光学検知できる装置で構成されている。圧力調整弁19は、電気信号で開閉可能なもので構成されており、例えば、筐体11の天面に設けられている。
筐体11及びドレン部材15は、耐熱性に優れ、筐体11内部の状態も観察できるように、例えば、硬質塩化ビニル樹脂で構成されている。なお、筐体11及びドレン部材15は、これに限るものではなく、耐熱性を有する材質であればよい。筐体11及びドレン部材15の材質は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、AS樹脂、ABS樹脂、フッ素樹脂、銅、ステンレス等であれば特に限定しない。
以上の説明においては、液体導入部12及び液体導出部13の材質は、銅に限るものではなく、耐熱性や耐久性に優れたものであればよい。液体導入部12及び液体導出部13は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、AS樹脂、ABS樹脂、フッ素樹脂、ステンレス等であれば特に限定しない。
スケール除去装置10の構成で、スケール粒子を含む被処理水を液体導入口12aから筐体11に入水させると、被処理水は気層部23の壁面内を薄液膜状で少なくとも数回以上旋回して、固液分離しながら液層部の被処理水に着水した。その後、スケール粒子は液層部24の壁面に沿って旋回しながら自然沈降し液層部24下部に蓄積する様子が観察された。蓄積したスケールは、被処理水の冷却処理と並行して行われるスケールの排出処理によって保温運転後毎にドレンから排出した。
なお、液体導入口12a及び液体導出口13aを設ける位置や、気層部23及び液層部24の高さは、上述したような位置や高さとすることが好ましいがこれに限定されない。液体導入口12aから筐体11に供給された被処理水が、筐体11の内壁面を少なくとも1回旋回でき、気層部で固液分離が進行すれば特に限定しない。
上述したようにスケール除去装置10を構成し、上述した実験条件下において1000時間運転した結果、水冷媒熱交換器5へのスケール付着量は、スケール除去装置10を設置しなかった場合のスケール付着量に対して約1/40となり、大幅にスケール付着量を抑制することができた。
以上のように、本実施の形態1に係るスケール除去装置10は、液体に含まれるスケールを除去するスケール除去装置10であって、液体導入口が設けられる中空円筒状の筐体11と、液体導入口12aを介して筐体と連通する中空筒状の液体導入部12と、筐体11の内部に設けられる液体導出部13と、を備え、液体導入口12aは、該筐体11の上部側面を貫通するように設けられ、液体導入部12は、軸方向が筐体11の側面の接線方向となるように設けられる。
このため、従来よりも効率的に、液体との比重差の大きいスケール片だけでなく液体との比重差の小さい微細なスケール粒子についても被処理水から分離することができる。したがって、スケールが水冷媒熱交換器5や水流路8に再付着することを抑制し、長寿命な給湯器100を得ることができる。
実施の形態2.
本実施の形態2においては、実施の形態1とは異なり、気泡発生部20及びポンプ21を設けている。なお、本実施の形態2において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
図7は、本発明の実施の形態2に係るスケール除去装置10の構成図である。
図7に示されるように、液体導入部12の上流側端部(水冷媒熱交換器5側)には気泡発生部20及びポンプ21が設けられている。気泡発生部20は、スケール析出促進手段として機能する。ポンプ21は、気泡発生部20に空気を供給するものである。気泡発生部20が被処理水に気泡を注入することで、被処理水中に気液界面を形成してスケール結晶核が生成しやすい場(炭酸ガスが脱気しやすい界面)を発生させることができる。
なお、本実施の形態2においては、気泡発生部20に流入する被処理水の水流量は15L/minとし、ポンプ21から注入する空気流量は0.6L/minとした。
なお、気泡発生部20は、上述したような構成に限定されるものではなく、被処理水に気泡を注入することができる構成となっていればよい。また、スケール析出促進手段は被処理水への気泡注入だけに限るものではなく、気泡発生部20の代わりに、液体導入口12aの流路内又は外周に超音波発振素子を設け、キャビテーションの発生する周波数を印加して被処理水からスケールの析出を促進させてもよい。なお、キャビテーションの発生する周波数とは、例えば28kHz〜100kHzである。
なお、本実施の形態2においては、保温運転後毎に行うスケール除去装置10からの蓄積スケール排出処理を実施しなかったことを除き、実施の形態1と同様の条件で168時間運転を実施した。これにより、本実施の形態2においては、スケール析出促進手段を設けていない実施の形態1の構成と比較して、スケール除去装置10が捕捉したスケールの量は約1.8倍であり、水冷媒熱交換器5に付着したスケールの量は約2/3であった。
以上のように、本実施の形態2に係るスケール除去装置10は、液体導入部12のうち水冷媒熱交換器5側に設けられた気泡発生部20を備えている。このため、スケールが被処理水中から析出することを促進でき、被処理水中に溶解しているスケール成分濃度を低下させることができ、析出させたスケール粒子を後段のスケール除去装置10において捕捉して水冷媒熱交換器5や配管にスケールが付着することを抑制することができる。
このようにして、スケール除去装置10は、液体と比重差の大きい剥離したスケール片だけでなく、析出を促進させた液体との比重差の小さい微細なスケール粒子を、一層多く捕捉して被処理水から分離することができる。このため、スケールが水冷媒熱交換器5及び水流路8に再付着することを抑制することができる。したがって、長寿命な給湯器100を得ることができる。
実施の形態3.
本実施の形態3においては、実施の形態1とは異なり、筐体11の内壁に螺旋状の旋回流ガイド27を設けたものである。なお、本実施の形態3において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
図8は、本発明の実施の形態3に係る筐体11の概略図である。図8に示されるように、筐体11の内壁には螺旋状の旋回流ガイド27が設けられている。旋回流ガイド27は、筐体11の内部に流入した被処理水が筐体11の内部において旋回流を起こしやすく且つ維持させることができるようにするためのものである。旋回流ガイド27は、例えば、半径1mmの半円形の溝であり、螺旋ピッチ10mmで形成されている。
本実施の形態3においては、保温運転後毎に行うスケール除去装置10からの蓄積スケール排出処理を実施しなかったことを除き、実施の形態1と同様の条件で168時間運転を実施した。これにより、本実施の形態3においては、旋回流ガイド27を設けていない実施の形態1の構成と比較して、スケール除去装置10が捕捉したスケールの量は約1.2倍であり、水冷媒熱交換器5に付着したスケールの量は約3/4であった。
以上のように、本実施の形態3に係るスケール除去装置10は、筐体11の内壁に旋回流ガイド27を設けている。このため、筐体11の内部に流入した被処理水が旋回流を起こしやすく且つ旋回流を維持させることができる。本実施の形態3においては、旋回流ガイド27を設けない場合に比べて、被処理水に対して働く自重の影響を抑制することができる。具体的には、本実施の形態3においては、被処理水が筐体11の内部において旋回するピッチが長くなったり、被処理水が筐体11の内部において旋回しなくなってしまう可能性を低減することができる。したがって、本実施の形態3においては、旋回流ガイド27を設けない場合に比べて、スケール除去装置10が、被処理水から、液体と比重差の大きい剥離したスケール片だけでなく、スケール析出を促進させた液体との比重差の小さい微細なスケール粒子をさらに多く分離して捕捉することができる。このようにして、スケールが水冷媒熱交換器5や水流路8に再付着する可能性を低減することができ、長寿命な給湯器100を得ることができる。
なお、旋回流ガイド27は、上述したような構成に限定されるものではなく、筐体11の内部に流入した被処理水が旋回流を発生しやすく且つ発生した旋回流を維持できる構成となっていればよい。旋回流ガイド27は、例えば、厚み0.5mm、幅2mmの硬質塩化ビニル樹脂の薄板を螺旋ピッチ15mmで形成したもので構成されていてもよい。
また、実施の形態2の構成と実施の形態3の構成とを組み合わせて構成してもよい。すなわち、スケール除去装置10が、気泡発生部20及びポンプ21を備え、スケール除去装置10の筐体11の内壁に旋回流ガイド27を設けるようにしてもよい。
実施の形態4.
本実施の形態4においては、実施の形態1とは異なり、筐体11の内壁に気層部23と液層部24の境界を仕切る位置に泡化促進部30を設けたものである。なお、本実施の形態4において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
図9は、本発明の実施の形態4に係るスケール除去装置10の構成図である。図10は、図9のA−B断面図である。図11は、図9のC−D断面図である。図9に示されるように、気層部23と液層部24との境界面には泡化促進部30が設けられている。泡化促進部30は、気層部23の壁面を伝いながら旋回して下方に落下してくるスケール粒子を含む被処理水の少なくとも一部を泡化させ、液層部24の水面で荒立てることで発生させた泡に微細なスケール粒子を吸着させて固液分離を促進させるためのものである。その詳細を、図11を用いて説明する。
気層部23の壁面を伝いながら旋回して落下してくる被処理水中のスケール粒子の落下速度は、液層部24に到達してから自然沈降していくスケール粒子の沈降速度以上であり、「気層部23でのスケール粒子の落下速度A」と「液層部24でのスケール粒子の自然沈降速度B」の比(B/A)を数値で表すと、比(B/A)は0よりも大きく1以下の範囲内で動作している。
よって、気層部23で旋回しながら随時落下してくるスケール粒子は、図11の点線で囲ったスケール粒子凝集部31で示したように、液層部24の水面で一度滞留し凝集されるため、少なくともその一部が泡化する。そして泡化促進部30を設けることで、液層部24水面での泡化を促進させることができるため、気層部23で旋回しながら随時落下してくるスケール粒子をさらに泡に吸着させることで固液分離を促進させることができる。
また、スケール粒子凝集部31で泡に付着し滞留したスケール粒子の少なくとも一部は、液層部24の水面下から徐々に液層部24の壁面を沿いながら自然沈降していき液層部24の底部に沈殿する。泡化促進部30は、例えば図10に示した概略図のように、目開き1mmのステンレス金網メッシュで形成されている。
本実施の形態4においては、保温運転後毎に行うスケール除去装置10からの蓄積スケール排出処理を実施しなかったことを除き、実施の形態1と同様の条件で168時間運転を実施した。これにより、本実施の形態4のように構成した場合には、泡化促進部30を設けていない実施の形態1のように構成した場合と比較して、スケール除去装置10が捕捉したスケールの量は約1.5倍となり、水冷媒熱交換器5に付着したスケールの量は約3/5となった。
以上のように、本実施の形態4に係るスケール除去装置10は、気層部23と液層部24との境界に泡化促進部30を設けている。このため、筐体11の内壁面のうち気層部23が位置する内壁面を伝いながら旋回して下方に落下してくるスケール粒子を含む被処理水の少なくとも一部を、液層部24の水面で荒立てることで発生させた泡に微細なスケール粒子を吸着させて固液分離を促進させることができる。
具体的には、気層部23での旋回によって壁面方向に押し出された微細なスケール粒子を含む被処理水が泡化促進部30によって泡立つことによって、随時落下してくる被処理水中の微細なスケール粒子の少なくとも一部を、発生させた泡に吸着させることができる。これにより、液層部24での自然沈降が遅い微細なスケール粒子を低減できるため、固液分離を促進させることができる。
なお、泡化促進部30で発生させた泡に吸着したスケール粒子は、スケールの排水処理で排出することができる。したがって、本実施の形態4においては、泡化促進部30を設けない場合に比べて、スケール除去装置10が、被処理水から、液体と比重差の大きい剥離したスケール片だけでなく、液体との比重差の小さい微細なスケール粒子をさらに多く分離して捕捉することができる。このようにして、スケールが水冷媒熱交換器5や水流路8に再付着する可能性を低減することができ、長寿命な給湯器100を得ることができる。
なお、泡化促進部30は、上述したような構成に限定されるものではなく、気層部23の壁面を伝いながら旋回して下方に落下してくるスケール粒子を含む被処理水の少なくとも一部を泡立てることができる構成となっていればよい。泡化促進部30の位置は、例えば、気層部23と液層部24との境界面以上から気層部23で被処理水が薄液膜状で少なくとも1回旋回できる高さ以内であればよく、気層部23/液層部24の高さ比で0.04〜24.0以内であればよい。
泡化促進部30の材質は、例えば、ナイロン、ポリエステル、テフロン(登録商標)、カーボン、ポリエチレンなどの樹脂メッシュで形成したもので構成されていてもよい。泡化促進部30の幅は、例えば、図10に示すように、筐体11の壁面内周から液体導出口の外周まで気層部23と液層部24との境界を全て仕切っていなくてもよく、筐体11の壁面の内周から少なくとも気層部での液膜厚み以上あればよく、例えば幅1mm以上で構成されていてもよい。
また、実施の形態4の構成と、実施の形態2および実施の形態3と、を組み合わせて構成してもよい。すなわち、スケール除去装置10が、気泡発生部20及びポンプ21を備え、スケール除去装置10の筐体11の内壁に旋回流ガイド27を設け、さらに泡化促進部30を設けるようにしてもよい。
1 貯湯タンク、2 空気冷媒熱交換器、3 送風機、4 圧縮機、5 水冷媒熱交換器、6 減圧手段、7 冷媒流路、8 水流路、9 ポンプ、10 スケール除去装置、11 筐体、11a 第1部位、11b 第2部位、12 液体導入部、12a 液体導入口、13 液体導出部、13a 液体導出口、14 開閉弁、15 ドレン部材、17 ボールバルブ、18 水位センサー、19 圧力調整弁、20 気泡発生部、21 ポンプ、22 制御手段、23 気層部、24 液層部、25 水道水流入路、26 三方弁、27 旋回流ガイド、28 薄液膜、29 スケール粒子、30 泡化促進部、31 スケール粒子凝集部、100 給湯器、L 仮想線。

Claims (8)

  1. 液体に含まれるスケールを除去するスケール除去装置であって、
    液体導入口が設けられる中空円筒状の筐体と、
    前記液体導入口を介して前記筐体と連通する中空筒状の液体導入部と、
    前記筐体の内部に設けられる液体導出部と、を備え、
    前記液体導入口は、該筐体の上部側面を貫通するように設けられ、
    前記液体導入部は、
    軸方向が前記筐体の側面の接線方向となるように設けられている
    ことを特徴とするスケール除去装置。
  2. 前記液体導出部は、中空筒状であって前記筐体の軸方向に延びるように設けられ、
    前記筐体の軸中心と前記液体導出部の軸中心とが一致している
    ことを特徴とする請求項1に記載のスケール除去装置。
  3. 前記筐体内の圧力を調整する圧力調整弁と、
    前記筐体の内部に溜められる液層部の水位を検知する水位センサーと、
    前記水位センサーの検知値に基づいて前記圧力調整弁の開閉を制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、
    前記液体導出部の下端部と、前記水位センサーの検知値によって検知された前記液層部の液面と、の距離が基準距離になるように前記圧力調整弁を制御する
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のスケール除去装置。
  4. 前記液体導入部の上流側端部に設けられるスケール析出促進手段をさらに備え、
    前記スケール析出促進手段は、
    気泡を発生させる気泡発生部と、
    前記気泡発生部に空気を供給するポンプと、を有する
    ことを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか一項に記載のスケール除去装置。
  5. 前記筐体の内壁には螺旋形状の溝が設けられている
    ことを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか一項に記載のスケール除去装置。
  6. 前記筐体の内壁の気層部と液層部との境界面に設けられ、被処理水の少なくとも一部を泡化させる泡化促進部を備え、
    前記泡化促進部は、前記気層部と前記液層部との境界面の少なくとも一部を仕切る
    ことを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか一項に記載のスケール除去装置。
  7. 水冷媒熱交換器と、
    前記水冷媒熱交換器において熱交換された水が供給される請求項1〜6の何れか一項に記載の前記スケール除去装置と、
    前記スケール除去装置から流出する水が供給される貯湯タンクと、を備えた
    ことを特徴とする給湯器。
  8. 液体に含まれるスケールを除去するスケール除去方法であって、
    液体が溜められた液層部を有する円筒状の筐体に液体を供給して前記筐体の内壁面において旋回させ、前記筐体の内壁面において旋回させた液体のうち前記液層部に供給された液体を前記筐体の内部に設けられる筒状の液体導出部に供給して前記筐体の外部に導出する
    ことを特徴とするスケール除去方法。
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