JP4900398B2

JP4900398B2 - 給湯機

Info

Publication number: JP4900398B2
Application number: JP2009019171A
Authority: JP
Inventors: 泰佑堀木; 圭子安井; 笹部　　茂; 岳見桶田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: JP2010172837A

Description

本発明は、水に溶解しているイオンを吸着する水処理装置を備えた給湯機に関するものである。

従来、この種の給湯機は、図２に示すような構成であった（例えば、特許文献１参照）。以下、その構成について説明する。電気透析を行うための一対の電極２１、２２、陽イオン交換膜２３、陰イオン交換膜２４を有し、電極２１が陰極、電極２２が陽極となるように電圧が印加される。Ｃｌ⁻やＮＯ_３ ⁻イオンをＯＨ⁻イオンと交換する陰イオン交換樹脂２５、Ｍｇ^２＋やＣａ^２＋イオンをＨ^＋イオンと交換する陽イオン交換樹脂２６、陽イオン交換樹脂６に吸着されなかったＭｇ^２＋やＣａ^２＋を濃縮した水を排出できる排出口２７、セル内を分割するイオンが通過可能な隔膜２８を配置している。

上記の構成において、その動作を説明する。軟水化を行う際は、各イオン交換樹脂２５、２６によるイオン交換と、電気透析手段による電気透析作用とが同時に行われる。浴槽水ｗは吸水口２９から循環ポンプ３０により吸引され、流路３１、３２、３３に分流される。

まず、イオン交換による軟水化について説明する。流路３２に分流された浴槽水ｗは、隔膜２８でセル内を仕切られた希釈室３４、３５に分流される。希釈室３５には陽イオン交換樹脂２６が充填されており、陽イオン交換樹脂２６により浴槽水ｗ中の硬度成分であるＣａ^２＋やＭｇ^２＋がＨ^＋にイオン交換される。また、希釈室３４には陰イオン交換樹脂２５が充填されており、浴槽水ｗ中の陰イオンであるＣｌ⁻やＮＯ_３ ⁻イオンがＯＨ⁻にイオン交換され、樹脂を流出させない網３６を通り、切換え弁３７および切換え弁３８を通って合流し、そして、イオン交換された浴槽水ｗは吐出口４０より浴槽３９に還流される。

次に、電気透析による軟水化について説明する。陽イオン交換膜２３を介して浴槽水ｗ
中の硬度成分であるＣａ^２＋やＭｇ^２＋が電気透析力により濃縮室４１に移動し、切換え弁４２を通って排出口２７より排出される。また、陰イオン交換膜２４を介して、浴槽水ｗ中の陰イオンであるＣｌ⁻、ＨＣｌＯ_３ ⁻、ＳＯ_４ ^２−等の陰イオンが濃縮室４３に移動し、切換え弁４４を通って、排出口２７より排出される。
特開２００１−３４０８６３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、軟水化する際に電気透析を行っており、水に電圧を印加しているが印加電圧を制御していないため処理水は水が電気分解して発生する水素ガスおよび酸素ガスを含む。処理水に溶け込んでいたガスは、やがて成長して気泡となり、処理水を導く流路の引き回しによっては、ガス溜まりができる可能性があった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯機は、表裏に極性の異なるようにイオン交換膜を張り合わせたイオン交換体、前記イオン交換膜に電圧を印加する２つの電極、前記電極に電圧を供給する制御手段を有し、前記イオン交換体に水中に溶解したイオンを吸着させる際には、前記イオン交換膜の陽イオン交換体側の電極を陽極、陰イオン交換体側の電極を陰極となるよう前記電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加し、前記イオン交換体に吸着したイオンを脱離する際には、前記イオン交換膜の陽イオン交換体側の電極を陰極、陰イオン交換体側の電極を陽極となるよう前記電極間に電圧を印加する水処理装置と、貯湯タンクと、加熱手段と、ポンプとを備え、前記貯湯タンクの水を前記ポンプにて前記水処理装置に搬送し、前記水処理装置にて水中に溶解したイオンを吸着させた後の水を前記加熱手段にて加熱し、再度前記貯湯タンクに搬送するとともに、前記水処理装置と前記加熱手段との間に、排水流路を配設したことを特徴とするものである。

これによって、水中のイオンが吸着され軟水となった処理水を得る際、水が電気分解してガスを発生することがないので、処理水は水の電気分解ガスを含んでおらず、処理水を導く流路にガスが溜まる可能性がなく安全性の面で優れている。

特に給湯機の場合、水や湯を貯める貯湯タンクは導かれる水に含まれる気体が分離して溜まりやすいが、処理水は水の電気分解ガスを含んでいないため、処理水が貯湯タンクに導かれても水の電気分解ガスが貯湯タンクに溜まる可能性がない。

本発明の給湯機は、水中のイオンを吸着し軟水となった処理水に水の電気分解ガスを含まないので、処理水の導く流路にガスが溜まることが原理的になく、安全な製品を提供することができる。

第１の発明は、表裏に極性の異なるようにイオン交換膜を張り合わせたイオン交換体、前記イオン交換膜に電圧を印加する２つの電極、前記電極に電圧を供給する制御手段を有し、前記イオン交換体に水中に溶解したイオンを吸着させる際には、前記イオン交換膜の陽イオン交換体側の電極を陽極、陰イオン交換体側の電極を陰極となるよう前記電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加し、前記イオン交換体に吸着したイオンを脱離する際には、前記イオン交換膜の陽イオン交換体側の電極を陰極、陰イオン交換体側の電極を陽極となるよう前記電極間に電圧を印加する水処理装置と、貯湯タンクと、加熱手段と、ポンプとを備え、前記貯湯タンクの水を前記ポンプにて前記水処理装置に搬送し、前記水処理装置にて水中に溶解したイオンを吸着させた後の水を前記加熱手段にて加熱し、再度前記貯湯タンクに搬送するとともに、前記水処理装置と前記加熱手段との間に、排水流路を配設
したことを特徴とする給湯機で、水中のイオンが除去された処理水は水の電気分解ガスを含むことがなく、処理水を導く流路にガスが溜まる可能性がない。

また、貯湯タンクに導かれる処理水は水の電気分解ガスを含むことがなく、貯湯タンクにガスが溜まる可能性がない。

また、加熱手段に導かれる処理水は水の電気分解ガスを含むことがなく、加熱手段により処理水に溶解したガスが水から分離して気泡に成長する際に水の電気分解ガスを含有しない。

第２の発明は、イオン交換体に吸着したイオンを脱離する際は、電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加することにより、水中のイオンを吸着したイオン交換体を再生する再生水に水の電気分解ガスを含むことがなく、再生水を導く流路にガスが溜まる可能性がない。

第３の発明は、イオン交換体に吸着したイオンを脱離する際は、前記電極間に水解離電圧以上の電圧を印加することにより、水を解離してＨ^＋イオンとＯＨ⁻イオンを生成し、水中のイオンを吸着したイオン交換体を再生することができる。

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、本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、本発明の第１の実施の形態における構成図である。図１において、水と製造した湯を蓄える貯湯タンク１は、水道水、工業用水、地下水等の水源から供給される原水ラインに原水流路２により接続しており、原水流路２の水は、水の不溶物を分離除去する粗ろ過手段３に導かれている。原水流路２は、貯湯タンクへ通じるタンク流路４と、給水流路５に分岐している。水処理装置６は、貯湯タンク１の水が処理水流路７でポンプ８により圧送されており、三方弁９は水処理装置６により処理した水を、加熱手段（熱交換器）１０に通じる熱交流路１１と、給湯機から排出される排水流路１２とに、分岐している。加熱手段１０により生成した湯は、貯湯流路１３により貯湯タンク１へ送られる。貯湯タンク１の湯は、給湯流路１４により送られ、給水流路５の水と混合して出湯する。

水処理装置６の構成について、さらに詳しく説明する。水処理装置６は、対向する１組の電極１５ａ、１５ｂと、水に溶解している陽イオンを吸着する陽イオン交換体１６と水に溶解している陰イオンを吸着する陰イオン交換体１７とが、表裏に極性が異なるよう張り合わせたイオン交換膜から構成している。イオン交換膜は、電極１５間に複数枚積層しており、平板状の対向した電極１５間に平面上にイオン交換膜を積層、また、半径の異なる同心円柱状の対向した電極１５間に同心円状や螺旋状にイオン交換膜を積層してもよい。

イオン交換体はスチレンまたはジビニルベンゼンの重合体または共重合体高分子を基本骨格とし、陽イオン交換体１６はスルホン酸基またはアクリル酸やメタクリル酸等のカルボン酸基を導入しており、陰イオン交換体１７は第４級アンモニウム基または第１〜３級アミノ基を導入している。イオン交換体をイオン交換膜に成形する際、イオン交換体をポリエチレンやポリプロピレン等の熱可塑性樹脂に混練分散させることで、膜の成形性が向上することができる。表裏に極性が異なるようイオン交換体を張り合わせたイオン交換膜は、バイポーラ膜と呼ばれ、電圧を印加することでイオン交換体の界面で水の解離が促進されるので、低電圧で水の解離を行うことができる。

以上のように構成した給湯機について、以下その動作、作用を説明する。通常、貯湯タンク１は湯および水で満たされており、原水ラインの水圧がかかっている。給湯機から出湯する際は、給水流路５の水と、水がタンク流路４を通り貯湯タンクに流入することで貯湯タンク１から押し出した給湯経路１４の湯とを、任意の温度になるよう混合し出湯する。

水処理装置６は、水中に溶解しているイオンをイオン交換体で吸着する際と、イオン交換体に吸着したイオンを脱離する際とで、動作が異なるので、まず、水処理装置６が水中のイオンをイオン交換体で吸着する際について説明する。

水処理装置６が水中に溶解しているイオンを吸着する際は、ポンプ８を駆動し、貯湯タンク１内の水を処理水流路７により吸引し、水処理装置６へ圧送する。水処理装置６で処理された水は、三方弁９で熱交流路１１に切換えられ、加熱手段１０へ送られる。水処理装置６では、水中に溶解した陽イオンＣａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｍｎ、Ｆｅ等の各イオンは陽イオン交換体１６で水素イオンに、水中に溶解した陰イオンＣｌ、炭酸、硫酸、硝酸等の各イオンは陰イオン交換体１７で水酸化物イオンにイオン交換することで、水中に溶解している各種イオンをイオン交換体に吸着する。イオン交換体がイオンを吸着する際、イオン交換膜の陽イオン交換体１６側の電極１５ａを陽極、陰イオン交換体１７側の電極１５ｂを陰極となるよう電圧を印加することで、水処理装置６内のイオンがイオン交換体に移動するので、イオン交換体のイオン吸着速度を増加させることができる。その際、水分子が電気分解し水素分子と酸素分子を生成する水の理論分解電圧は１．２２６Ｖであるので、水の分解電圧未満の電圧を印加することで、水素ガスおよび酸素ガスが発生することなく水に溶解しているイオンをイオン交換体で効率的に吸着することができる。

水処理装置６で水に溶解しているイオンを吸着することで、加熱手段１０で昇温する際、ＣａやＭｇの硬度成分が析出することによる加熱手段の閉塞や加熱効率の低下、陰イオンによる腐食の促進等を防止することができる。また、ｐＨの偏った水を処理した場合は、酸性の場合はアニオン種を水酸化物イオンに、塩基性の場合はカチオン種を水素イオンに交換することで中性の水に近づけることができるので、水処理装置６により処理した水は、ｐＨによる腐食を防止することができる。また、水の分解電圧未満の電圧を印加していることで、処理水は水の分解ガスを含有しておらず、加熱手段１０より加熱され気体の溶解度が低下した場合であっても、水の分解ガスは生成せず、貯湯タンクおよび流路に蓄積することがない。

なお、水処理装置６で水に溶解しているイオンを吸着する際に、電極１５間に電圧を印加しなくてもよい。イオン交換体が水に溶解しているイオンを吸着する作用に変わりはなく、処理水に水の分解ガスを含有しない効果も変わらない。

次に、水処理装置６がイオン交換体に吸着したイオンを脱離する際の動作、作用を説明する。イオン交換体がイオンを脱離する際は、処理水流路７により水処理装置６に導かれた水は、水処理装置６で処理された後、三方弁９で切換えられ排水流路１２と通って給湯機から排出される。水処理装置６では、イオン交換膜の陽イオン交換体１６側の電極１５ａを陰極、陰イオン交換体１７側の電極１５ｂを陽極となるよう電圧を印加する。水分子が水素イオンと水酸化物イオンに解離する水の理論解離電圧は０．８２８Ｖであるので、水の解離電圧以上の電圧を印加することでイオン交換膜の陽イオン交換体１６と陰イオン交換体１７の界面で水が解離し、イオン交換体に吸着したイオンと交換し脱離することでイオン交換体が再生する。印加電圧を水の分解電圧未満にすれば、処理水は水の分解ガスを含有しないので、給湯機から排出する間の排水流路１２に溶存ガスが成長して気泡となり溜まることを防止することができる。

なお、印加電圧を水の分解電圧以上にした場合は、排水流路１２の配管径を細くし排水流路１２の流速を十分に増加し排水流路１２内に気泡が滞留しないようにすることで、水の分解ガスが排水流路１２に溜まることを防止することができる。水の分解ガスを確実に給湯機から排出できることから、水を解離しイオン交換体を再生するのに十分な電流を与えることができ、再生効率を向上することができるので、再生時間を短縮、再生排水を低減することができる。

粗ろ過手段３について説明する。水処理装置は、水に溶解しているイオンをイオン交換体で確実に吸着するため、イオン交換膜が近接した状態で積層することが望ましが、イオン交換膜の間が僅少であるため、不溶物が堆積する可能性がある。粗ろ過手段３の除去性能は、イオン交換膜の間隔と同様またはより細かな不溶物を除去することができるようにする必要がある。粗ろ過手段３は、糸巻きフィルタ、プリーツフィルタ、中空糸フィルタ等の精密ろ過（ＭＦ）により形成し、原水に含まれる砂や鉄さび等の不溶性物質をろ過除去する。配置場所は、給湯機の貯湯タンク１に導かれる水、および給湯機から出湯する湯の全てを処理することが可能な、原水流路に設置することが望ましい。給湯機から出湯した先の流路や湯を取出す蛇口に不溶物が混入したり詰まったりすることがなく、また、貯湯タンク１内を清浄に保つことができる。

なお、粗ろ過手段３を処理水流路７に設置してもよい。原水に不溶物が多く含まれているとき、粗ろ過手段３が短時間で閉塞してしまい洗浄や取替え等のメンテナンスが頻繁に発生するような場合は、処理水流路７で水処理装置６に導かれる水のみを処理することで給湯機全体としてメンテナンスの頻度を減らすことができる。

なお、給湯機の加熱手段１０は、ヒートポンプ式、ガス加熱式、電気加熱式等、限定されることなく自由に選択することができる。なお、処理水流路７と排水流路１２を切換えるために三方弁９を用いているが、流路の切換えは三方弁に限定されることはなく、流路の開閉を行う二方の電磁弁等を複数組み合わせても、流路の切換えを行うことができれば構わない。

このように本発明の給湯機は、水に溶解しているイオンをイオン交換体で吸着、また、電圧を印加することで水を解離させ吸着したイオンを脱離しイオン交換体を再生することができる。交互に吸着脱離運転を行うことで、使用者はメンテナンスすることなく連続的にイオンを除去した処理水を利用することができ、また、得られる処理水は水の分解ガスを含まないことから安全である。給湯機の信頼性および寿命を向上することができ、さらに高硬度地域や井戸水等の機器に過酷な原水に対しても適応することができる。

以上のように、本発明にかかる給湯機は、原水の溶解イオンを吸着除去することができ、また得られた処理水は水の分解ガスを含まないことから、家庭用、産業用に制限されることなく、安全な処理水を利用する水処理システムに適応することができる。

本発明の第１の実施の形態における水処理装置を備えた給湯機の構成図従来の給湯機の構成図

１貯湯タンク
６水処理装置
１０加熱手段
１５電極
１６陽イオン交換体
１７陰イオン交換体

Claims

表裏に極性の異なるようにイオン交換膜を張り合わせたイオン交換体、前記イオン交換膜に電圧を印加する２つの電極、前記電極に電圧を供給する制御手段を有し、前記イオン交換体に水中に溶解したイオンを吸着させる際には、前記イオン交換膜の陽イオン交換体側の電極を陽極、陰イオン交換体側の電極を陰極となるよう前記電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加し、前記イオン交換体に吸着したイオンを脱離する際には、前記イオン交換膜の陽イオン交換体側の電極を陰極、陰イオン交換体側の電極を陽極となるよう前記電極間に電圧を印加する水処理装置と、貯湯タンクと、加熱手段と、ポンプとを備え、前記貯湯タンクの水を前記ポンプにて前記水処理装置に搬送し、前記水処理装置にて水中に溶解したイオンを吸着させた後の水を前記加熱手段にて加熱し、再度前記貯湯タンクに搬送するとともに、前記水処理装置と前記加熱手段との間に、排水流路を配設したことを特徴とする給湯機。
前記請求項１に記載の水処理装置において、イオン交換体に吸着したイオンを脱離する際は、電極間に水の分解電圧未満の電圧を印加する給湯機。
前記請求項１または２に記載の水処理装置において、イオンを吸着または脱離する際に、電極間に水の解離電圧以上の電圧を印加する給湯機。