JP5465208B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、給湯装置において、水を加熱することにより発生する炭酸カルシウムスケールによる悪影響を低減する技術に関する。

硬度成分（カルシウム、マグネシウムなど）が溶解している水をある温度以上に加熱すると、水に溶解していた硬度成分が炭酸カルシウムスケール（以下、スケールと呼ぶ）として析出する。
例えば、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱するヒートポンプ式の給湯装置において、冷媒と水とを熱交換させる熱交換器の伝熱面にスケールが固着することがある。その結果、熱交換器の熱伝達効率が低下する場合や、熱交換器内の流路の閉塞が起こる場合がある。また、伝熱面から剥離したスケールが水回路へ流れ出ることにより、水回路が閉塞する場合や、水を流すポンプを損傷させる場合がある。その結果、給湯装置の運転が困難になる場合がある。

剥離したスケールが貯湯タンクから水回路に戻ることの対策としては、貯湯タンク内部に穴の開いた仕切り板を設置して、貯湯タンクからスケールが流出しないようにする技術がある（特許文献１）。
また、冷媒と水とを熱交換させる熱交換器の伝熱面に付いたスケールを積極的に剥がす技術もある（特許文献２）。

特開２００６−２７５４４５号公報 特開２００６−２６６５１４号公報

特許文献１に記載された技術では、冷媒と水とを熱交換させる熱交換器の伝熱面でのスケール発生を抑制する効果はない。また、流路などの閉塞防止という意味では、スケールを水回路に流入させないことによる再付着防止という限定的な効果しかない。
また、特許文献２は、スケールを機械的に剥ぎ落とす技術であるため、スケールを剥がす機構で熱交換器を傷つける恐れや機構そのものが動かなくなってスケールによる閉塞を助長する虞がある。
本発明は、スケールによる水回路の閉塞やポンプの損傷等、スケールによる悪影響を低減することを目的とする。

この発明に係る給湯装置は、
水を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置が加熱した水を内部に蓄える貯湯タンクと、
前記加熱装置と前記貯湯タンクとを接続し、前記貯湯タンク側の端部が前記貯湯タンク内部に挿入され、前記貯湯タンク内部に挿入された挿入部分に複数の孔が開けられた流入配管であって、前記加熱装置で加熱された水を前記挿入部分に開けられた複数の孔から前記貯湯タンク内部へ流入させる流入配管と、
前記流入配管の前記挿入部分を覆うように設けられ、前記挿入部分に開けられた前記複数の孔から流出した水が通る流路が設けられたスケールトラップであって、水の硬度成分が析出したスケールが付着する所定の材質で形成され、前記挿入部分に開けられた前記複数の孔から前記水とともに流出した前記スケールを捕捉するスケールトラップと
を備えることを特徴とする。

この発明に係る給湯装置では、貯湯タンクの流入口付近に設けられたスケールトラップによりスケールを捕捉し、貯湯タンク内に入ったスケールを水回路に流出させない。そのため、スケールによる水回路の閉塞やポンプの損傷等、スケールによる悪影響を低減することができる。

実施の形態１に係るヒートポンプ式の給湯装置３０の回路構成図。 実施の形態１に係るスケールトラップ１３の説明図。 実施の形態２に係るスケールトラップ１３の説明図。 実施の形態３に係るスケールトラップ１３の説明図。 実施の形態４に係るスケールトラップ１３の説明図。 実施の形態５に係る支柱１６の説明図。 実施の形態６に係るスケール蓄積部１７の説明図。 実施の形態７に係るヒートポンプ式の給湯装置３０の回路構成図。

以下、図面を用いて、この発明の実施の形態について説明する。
なお、図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るヒートポンプ式の給湯装置３０の回路構成図である。
給湯装置３０は、圧縮機１と、熱交換器２と、膨張機構３と、熱交換器４とが順次配管によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路５を備える。なお、熱交換器４の近傍には、ファン６が設けられる。
また、給湯装置３０は、熱交換器２と、貯湯タンク７と、ポンプ８とが順次配管によって接続され、水が循環する水回路９を備える。

冷媒回路５では、圧縮機１で高温高圧となったガス冷媒が、熱交換器２で水回路９を循環する水と熱交換され、液冷媒になる。液冷媒は、膨張機構３で膨張され、気液二相冷媒になる。気液二相冷媒は、熱交換器４でファン６により送られた外気と熱交換され、ガス冷媒になり、再び圧縮機１に吸入される。
一方、水回路９では、熱交換器２でガス冷媒と熱交換されることにより、加熱された水（温水）が貯湯タンク７の上部に接続された配管（流入配管９ａ）から貯湯タンク７内に流入して、貯湯タンク７内に蓄えられる。貯湯タンク７内に蓄えられた水（温水）は、貯湯タンク７の上部に接続された送水配管１０からサニタリー設備等へ送水される。送水配管１０から送水されることにより不足した分、水（冷水）が貯湯タンク７の下部に接続された給水配管１１から貯湯タンク７内に供給される。また、ポンプ８により、貯湯タンク７の下部に接続された配管（流出配管９ｂ）から貯湯タンク７内の水が流出して、熱交換器２へ流入する。

給湯装置３０において、貯湯タンク７と流入配管９ａとの接続部分には、スケールトラップ１３が設けられている。スケールトラップ１３は、流入配管９ａから貯湯タンク７へ流入するスケールを捕捉して、貯湯タンク７へ流入したスケールが流出配管９ｂから再び水回路９へ流出することを防止するものである。

図２は、実施の形態１に係るスケールトラップ１３の説明図である。
流入配管９ａの先端部分（挿入部分１２）は、貯湯タンク７の上部から貯湯タンク７内に挿入されている。なお、ここでは、挿入部分１２は、熱交換器２と接続された配管とフランジ式継ぎ手１４により接続されている。挿入部分１２には、配管の終端部１２ａも含め、多数の孔が開けられている。
スケールトラップ１３は、挿入部分１２の周囲を覆うように設けられた網状体１３ａと、網状体１３ａと挿入部分１２との間に充填されたシリコンゴムチップ１３ｂとにより構成される。

シリコンゴムチップ１３ｂは、球体状、楕円球体状、円柱状、歪な形状など、隣接するチップ間で必ず隙間が生じる曲面や凸部を多く持つ形状である。隙間を確実に確保することで、流入配管９ａから流入した水の流れを邪魔することがない。シリコンゴムチップ１３ｂは、シリコンゴムチップ１３ｂ間で形成される隙間が１〜１０ｍｍ程度になることと、表面積を多くすることとを考慮して、球体状であれば粒径５〜１０ｍｍ程度が望ましい。楕円球体状であれば短軸長が５〜１０ｍｍ程度で長軸長が短軸長の３倍以下程度が望ましい。円柱状であれば、胴径が５〜１０ｍｍ程度で高さが胴径と同一長さから３倍以下程度が望ましい。歪な形状の場合もチップの最短幅が５〜１０ｍｍ程度で最長幅が最短幅と同一長さから３倍以下程度とすることが望ましい。

網状体１３ａの網目の大きさは、シリコンゴムチップ１３ｂが漏れることなく、水の流れを邪魔しないようにするため、シリコンゴムチップ１３ｂの最短径や幅の９０％程度がよい。網状体１３ａの材質は、挿入部分１２と同質の金属か、１００℃の熱水に耐える樹脂材料のネット等を適用して、異種金属が接触することによる腐食（異種金属接触腐食）を起こさないようにする。

流入配管９ａから流入する水は、挿入部分１２に開けられた多数の孔を通り、シリコンゴムチップ１３ｂの間に形成された隙間（流路）を通り、網状体１３ａの網目を通って、貯湯タンク７内に蓄えられる。シリコンゴムチップ１３ｂの間に形成された隙間を通る際、水とともに貯湯タンク７内に流入したスケールは、シリコンゴムチップ１３ｂの表面にスケールが付着する。したがって、貯湯タンク７内にスケール微粒子が拡散することを防止できる。また、貯湯タンク７へ流入したスケールが再び、流出配管９ｂから水回路９へ流出することも防止できる。さらに、シリコンゴムチップ１３ｂの表面は、水に溶解しているカルシウム成分が析出し成長する箇所にもなる。

なお、多くのスケールを捕捉するため、挿入部分１２に開けられた孔から出た水がシリコンゴムチップ１３ｂの間に形成された隙間を通過する距離は長い方が望ましい。しかし、スケールトラップ１３が大きすぎると、フランジ式継ぎ手１４によって脱着できなくなることが予測される。そのため、シリコンゴムチップ１３ｂの挿入部分１２からの厚みは５０ｍｍ程度とするのがよい。

また、シリコンゴムは、スケールが付着しやすい性質を持っているため、スケールトラップの構成材料として有効である。スケールが付着しやすい材料としては、この他に、ガラス、ポリプロピレン、ゼオライト等があり、シリコンゴムの代わりにこれらの材質のチップを用いてもよい。

また、挿入部分１２には、配管の終端部１２ａの部分も含め、多数の孔が開けられている。そのため、シリコンゴムチップ１３ｂを通過する流路が挿入部分１２を中心に全方向に存在する。したがって、ある部分のパスが閉塞しても、それまで流れていなかったパスが流路となり、詰まりが起こりにくい。

また、挿入部分１２は、フランジ式継ぎ手１４で貯湯タンク７に取り付けられているため、スケールトラップ１３の交換も容易である。

また、貯湯タンク７の下に位置する流出配管９ｂの入口近傍に防御板１５を取り付け、スケールトラップからスケールが零れ出た場合でも、そのスケールが水回路に入ることを防止する。防御板１５の材質は異種金属接触腐食を避けるため、貯湯タンク７と同質が望ましい。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１とは異なる構成のスケールトラップ１３について説明する。

図３は、実施の形態２に係るスケールトラップ１３の説明図である。
実施の形態２に係るスケールトラップ１３は、シリコンゴムで形成された網状体であるシリコンゴムメッシュ１３ｃを、挿入部分１２を覆うように、挿入部分１２の周りに複数重ねて巻きつけて構成される。

シリコンゴムメッシュ１３ｃは、メッシュの目の大きさが５〜１０ｍｍ程度であり、メッシュを構成するシリコンゴムの太さは１〜３ｍｍ程度である。この程度のメッシュ口径と太さであれば、１〜１０ｍｍ程度の隙間がスケールトラップ内に流路として形成される。シリコンゴムメッシュ１３ｃを重ねて巻く巻き数は、厚みが５０ｍｍ程度となるようにするのが、フランジ式継ぎ手１４の脱着とトラップスケール量の観点から望ましい。

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１，２とは異なる構成のスケールトラップ１３について説明する。

図４は、実施の形態３に係るスケールトラップ１３の説明図である。
実施の形態３に係るスケールトラップ１３は、シリコンゴムで形成された紐状体であるシリコンゴム紐１３ｄを、挿入部分１２を覆うように、挿入部分１２の周りに複数吊るして構成される。

シリコンゴム紐１３ｄの太さは、シリコンゴム紐１３ｄ間に流路を形成する観点から１〜３ｍｍ程度が望ましい。シリコンゴム紐１３ｄは、フランジ式継ぎ手１４の脱着を可能とすることと、捕捉するスケールの量とを考慮して、挿入部分１２からの厚みが５０ｍｍ程度となるように吊るすのが望ましい。

実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態１−３とは異なる構成のスケールトラップ１３について説明する。

図５は、実施の形態４に係るスケールトラップ１３の説明図である。
実施の形態４に係るスケールトラップ１３は、シリコンゴムチップを数珠状に連ねた数珠紐１３ｅを、挿入部分１２を覆うように、挿入部分１２の周りに複数吊るして構成される。

数珠の粒径は、数珠紐１３ｅ間に流路を形成する観点から５〜１０ｍｍ程度が望ましい。数珠紐１３ｅは、フランジ式継ぎ手１４の脱着を可能とすることと、捕捉するスケールの量とを考慮して、挿入部分１２からの厚みが５０ｍｍ程度となるのが望ましい。
数珠を繋ぐ糸は、ナイロンなど耐熱性が高いものが望ましい。

実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態１−４で説明したスケールトラップ１３の破損、落下を防止する支柱１６について説明する。

図６は、実施の形態５に係る支柱１６の説明図である。なお、図６では、スケールトラップ１３の一例として、実施の形態１に係るスケールトラップ１３を示している。
スケールトラップ１３によって捕捉されるスケールの量が多く、重量が重くなると、スケールトラップ１３が破損して、落下してしまう虞がある。そこで、このようなことが想定される場合に、スケールトラップ１３を支えるための支柱１６を設ける。

支柱１６は、貯湯タンク７の内壁に固定されるとともに、挿入部分１２又はスケールトラップ１３に固定される。支柱１６と挿入部分１２やスケールトラップ１３とは、取り外しが可能な締結方法、例えばスクリューネジによる締結や、凸凹の継ぎ合わせによる締結とする。
支柱１６の材質は、異種金属接触腐食を避けるため貯湯タンク７と同質が望ましい。

なお、図６では、支柱１６は貯湯タンク７の底部に固定されていたが、支柱１６は貯湯タンク７の側部等に固定されていてもよい。また、支柱１６は、スケールトラップ１３の下側全体を支えるように設けられてもよい。

実施の形態６．
実施の形態６では、貯湯タンク７内に流入したスケールを蓄積するスケール蓄積部１７について説明する。

図７は、実施の形態６に係るスケール蓄積部１７の説明図である。
スケール蓄積部１７は、挿入部分１２の下に設けられ、貯湯タンク７の底から挿入部分１２側へ向かって徐々に内周が大きくなる逆円錐状の筒型に形成される。特に、スケール蓄積部１７は、挿入部分１２の下側の周囲を囲うように、挿入部分１２の終端部１２ａよりも高い位置まで形成される。また、スケール蓄積部１７の底には、排出口１８が設けられる。
なお、挿入部分１２は、実施の形態１−５とは異なり、配管の終端部１２ａにのみ孔（流入口）が開けられている。

流入配管９ａから流入する水は、挿入部分１２の終端部１２ａから貯湯タンク７内へ流入する。なお、貯湯タンク７内には、通常一定量以上（例えば、図７の破線ａより上まで）の水が溜まっている。終端部１２ａから貯湯タンク７内へ流入した水は、流入する勢いにより一旦スケール蓄積部１７内へ入る（図７（１））。なお、スケール蓄積部１７が終端部１２ａよりも高い位置まで形成されているため、スケール蓄積部１７内へ入ることなくスケール蓄積部１７の外部へ流れることはない。しかし、終端部１２ａから貯湯タンク７内へ流入した水は、温度が高いため、貯湯タンク７に溜まった水との温度差により徐々に上側へ移動して、スケール蓄積部１７の外部へ出る（図７（２））。このとき、水とともにスケール蓄積部１７へ入ったスケールは、重みによりスケール蓄積部１７の底に溜まる（図７（３））。したがって、スケール蓄積部１７の外部へスケールが出ることを防止できる。
スケール蓄積部１７の底に溜まったスケールは、排出口１８の蓋を開けることにより、取り除くことができる。
スケール蓄積部１７の材質は、異種金属接触腐食を避けるため貯湯タンク７と同質が望ましい。

なお、図７では、スケールトラップ１３が設けられていない例を示したが、実施の形態１−４で説明したスケールトラップ１３が設けられていてもよい。特に、実施の形態３，４で説明したスケールトラップ１３では、シリコンゴム紐１３ｄや数珠紐１３ｅの先端からスケールが落下することも考えられるので、実施の形態３，４で説明したスケールトラップ１３とともにスケール蓄積部１７を設けると効果的である。

実施の形態７．
実施の形態７では、熱交換器２にスケールが付着しにくくする方法について説明する。

図８は、実施の形態７に係るヒートポンプ式の給湯装置３０の回路構成図である。
実施の形態７に係る給湯装置３０は、図１に示す実施の形態１に係る給湯装置３０の構成に加え、ポンプ８と熱交換器２との間に開閉弁１９が設けられている。また、ポンプ８と開閉弁１９の間から、開閉弁１９と熱交換器２の間までを繋ぐバイパス配管２０が設けられている。さらに、開閉弁１９を所定の時間毎に開閉する制御装置３１が設けられている。
なお、バイパス配管２０が設けられているため、開閉弁１９が閉じている場合であっても、ポンプ８から熱交換器２への水の流れは完全には止まらない。

制御装置３１により開閉弁１９の開閉が行われると、水回路９を流れる水流に脈動が生じる。特に、熱交換器２へ流入する水流に脈動が生じる。そのため、熱交換器２を流れる水の流速に大きな変化が付く。流速の大きな変化より、熱交換器２の伝熱面と流体界面との剪断応力が変化し、伝熱面に析出したスケールを剥がす力が生じる。そのため、析出したスケールが伝熱面に付着しづらくなる。
その結果、貯湯タンク７へ流入するスケールの量は増える。しかし、貯湯タンク７には、実施の形態１−４で説明したスケールトラップ１３（又は実施の形態６で説明したスケール蓄積部１７）が設けられており、貯湯タンク７へ流入したスケールはスケールトラップ１３（又はスケール蓄積部１７）に捕捉される。

なお、実施の形態２に係るシリコンゴムメッシュ１３ｃや、実施の形態３に係るシリコンゴム紐１３ｄや、実施の形態４に係る数珠紐１３ｅのシリコンゴムチップは、シリコンの代わりに、ガラス、ポリプロピレン、ゼオライト等で形成されてもよい。

１ 圧縮機、２ 熱交換器、３ 膨張機構、４ 熱交換器、５ 冷媒回路、６ ファン、７ 貯湯タンク、８ ポンプ、９ 水回路、９ａ 流入配管、９ｂ 流出配管、１０ 送水配管、１１ 給水配管、１２ 挿入部分、１２ａ 終端部、１３ スケールトラップ、１３ａ 網状体、１３ｂ シリコンゴムチップ、１３ｃ シリコンゴムメッシュ、１３ｄ シリコンゴム紐、１３ｅ 数珠紐、１４ フランジ式継ぎ手、１５ 防御板、１６ 支柱、１７ スケール蓄積部、１８ 排出口、１９ 開閉弁、２０ バイパス配管、３０ 給湯装置、３１ 制御装置。

Claims (8)

1. 水を加熱する加熱装置と、
   前記加熱装置が加熱した水を内部に蓄える貯湯タンクと、
   前記加熱装置と前記貯湯タンクとを接続し、前記貯湯タンク側の端部が前記貯湯タンク内部に挿入され、前記貯湯タンク内部に挿入された挿入部分に複数の孔が開けられた流入配管であって、前記加熱装置で加熱された水を前記挿入部分に開けられた複数の孔から前記貯湯タンク内部へ流入させる流入配管と、
   前記流入配管の前記挿入部分を覆うように設けられ、前記挿入部分に開けられた前記複数の孔から流出した水が通る流路が設けられたスケールトラップであって、水の硬度成分が析出したスケールが付着する所定の材質で形成され、前記挿入部分に開けられた前記複数の孔から前記水とともに流出した前記スケールを捕捉するスケールトラップと、
   前記貯湯タンクの内部における前記スケールトラップの下に設けられ、前記スケールトラップから落下したスケールが蓄積される蓄積部と
   を備えることを特徴とする給湯装置。
2. 前記スケールトラップは、前記挿入部分を覆うように設けられた網状体と、前記網状体と前記挿入部分との間に充填されたチップであって前記所定の材質で形成されたチップとによって構成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記スケールトラップは、前記所定の材質で形成された網状体を、前記挿入部分を覆うように前記挿入部分の周りに複数重ねて巻きつけて構成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
4. 前記スケールトラップは、前記所定の材質で形成された紐状体を、前記挿入部分を覆うように前記挿入部分の周りに複数吊るして構成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
5. 前記スケールトラップは、前記所定の材質で形成されたチップを数珠状に連ねた数珠紐を、前記挿入部分を覆うように前記挿入部分の周りに複数吊るして構成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
6. 前記流入配管は、前記貯湯タンクの上部に挿入され、
   前記給湯装置は、さらに、
   前記貯湯タンクの内部に固定され、前記スケールトラップの下部を支える支持部材
   を備えることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の給湯装置。
7. 前記給湯装置は、さらに、
   前記貯湯タンクと前記加熱装置とを接続し、前記貯湯タンクから流出した水を前記加熱装置へ流入させる流出配管であって、途中に開閉機構が設けられた流出配管と、
   前記貯湯タンクから前記流出配管へ流出した水を、前記開閉機構をバイパスして前記加熱装置へ流入させるバイパス配管と、
   前記開閉機構を所定の間隔で開閉制御する制御部と
   を備えることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の給湯装置。
8. 前記所定の材質は、シリコン、ガラス、ポリプロピレン、ゼオライトのいずれかである
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の給湯装置。

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