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

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_２）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_３））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_２）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_３）_２ ⇔ ＣａＣＯ_３ ↓ ＋ＣＯ_２ ↑ ＋ Ｈ_２Ｏ ・・・（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_３／Ｌ、Ｍアルカリ度２５０ｍｇＣａＣＯ_３／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_３／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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