JP5550130B2 - 給湯方法および給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、給湯方法および給湯システムに関するものである。

従来、燃料方式の給湯方法は、燃焼ガスとの熱交換よって水を加熱する熱交換手順を含み、給湯システムには熱交換を行う熱交換器が備えられている。近時、エコノマイザ等を備えることで高効率の給湯が実用化されるようになってきた。

このような高効率の給湯システムは、限られた体積でできるだけ高効率の熱交換が得られるように、熱交換器は、例えば、乱流を促進する機構を備え、伝熱面積も広く取られている。このため、水の物質境界層厚さが薄く、水の滞留時間が長くなることから、熱交換器の水と接触する部分に炭酸カルシウムまたはこれを主体とするスケールが付着しやすい。

また、炭酸カルシウムの、二酸化炭素が溶存する水への溶解度は、水中の炭酸ガス濃度に依存する（図１１参照）。これによると水温が高いほど炭酸ガスの放出が促進されて炭酸カルシウムの溶解度が低下するため、水温が高くなる部分において炭酸カルシウムが特に析出しやすい。このため、熱交換器の水温が高温になる部分ほどスケール付着が発生しやすくなる。

一旦、スケールが付着した部分では、付着したスケールの部分の熱抵抗が増大し、所定の給湯温度が得られないため、加熱温度を上げる、又は水量を絞る制御を行うことから不要に温度が高くなったり、水の流速が低くなったりすること等から、スケール付着が更に進み、スケールが厚く成長してしまう。このように厚く成長したスケールは、熱交換性能の低下、水流路の断面積減少による流通水量の低下、ポンプ圧の上昇に伴うポンプの消費電力増大等の問題が発生し、その改善が求められている。

また、冷媒等との熱交換によって水を加熱するヒートポンプ式の給湯方法および給湯システム、特に冷媒として超臨界状態の炭酸ガス冷媒またはフロン系冷媒等を使用することにより高効率の給湯を実現したヒートポンプ式の給湯方法および給湯システムにおいても、その量は少ないものの、スケール付着が発生し、その改善が求められている。

このような問題を解決するため、水を冷却媒体または加熱媒体として循環して使用する熱交換器においては、カルシウム系スケールの防止のため、マレイン酸、アクリル酸、イタコン酸等を重合したカルボキシル基を有する重合体等からなるスケール防止剤が循環水に添加されている。しかしながら、飲用または風呂用の給湯水を加熱する熱交換器等においては、その性質上、スケール防止剤を添加することができない。

また、熱交換器の一部に強力な磁石を設置し、熱交換器内の水に磁力を作用させることにより、スケール付着を防止することも行われているが、強磁場を発生させる磁石そのものが高価であることに加え、熱交換器筐体の限られたスペースに磁石を組み込むことが難しい等の問題がある。したがって、以下のような種々のスケール付着抑制方法がとられた熱交換器が提案されている。

例えば、特許文献１の熱交換器では、熱交換器内面へフロロシリコンまたはフッ素樹脂を被覆している。

特許文献２の熱交換器では、内部に冷媒用流路を形成する内管と、この内管の外側に設けられ、内管との間に水用流路を形成する外管とを有する二重管式の熱交換器において、冷媒用流路の断面積に対する水用流路の断面積の割合が３．５ないし２４．５となるようにしている。また、外管の曲げ半径をこの外管の内径の３倍以上としている。

特許文献３の熱交換器では、冷却水が流通する管内にねじり板を回転自在に設けている。

特許文献４の熱交換器（スケール防止装置）では、水系流体として冷却水を循環させる循環路を形成する配管の少なくとも一部に電解部を設け、前記電解部に金属粒子を充填している。

特許文献５の熱交換器では、内部に冷媒用流路が形成された内管と、内管の外側に設けられ、内管との間に水用流路が形成された外管とを有し、渦巻状に曲成された二重管式熱交換器において、水用流路を水が内側に向かって渦巻状に流通するように形成された内巻き２重管を有する熱交換ユニットと、水用流路を水が外側に向かって渦巻状に流通するように形成された外巻き２重管を有する熱交換ユニットとが交互に積層されており、水出側の熱交換ユニットには外巻き２重管が設けられた構造としている。また、水出側近傍の高温部位における流路断面積を大きくしている。

特許文献６の熱交換器では、銅または銅合金製基材からなる部分と、前記部分の少なくとも使用時に水と接しうる面に親水性被膜を形成している。

特許文献７の熱交換器では、流路出側近傍の高温部位における流路断面積を大きくしている。

特許文献８の熱交換器（水処理システム）では、薬剤を用いることなく、軟水処理部で軟水化処理した給水を濾過膜部へ透過させ、前記濾過膜部からの透過水および前記濾過膜部からの濃縮水のいずれかの硬度分の検出値に応じて、濃縮水の排出量を調節している。

特開昭６１−１４９７９４号公報 特開２００５−６９６２０号公報 実開平２−１０９１９０号公報 特開２００５−２３８０２３号公報 特開２００５−１４７５６９号公報 特開２００２−９８４９６号公報 特開２００４−９３０３７号公報 特開２００６−３０５５００公報

しかしながら、特許文献１の熱交換器は、被覆層の厚みが大きいため、熱伝導率の点で大きく劣り、熱交換性能の低下を招きかねない。

特許文献２の熱交換器は、スケール付着を積極的に防止するものでなく、スケールが付着することを前提として、スケールによる管の閉塞までの期間を延長させるもので、熱交換器の使用可能期間の延長を図るものである。したがって、実際には、熱交換器の水温が高くなる部分に炭酸カルシウムを主体とするスケールの付着が避けられず、それによる熱交換性能の低下、流通水量の低下等を防止することは難しい。

特許文献３の熱交換器は、管内に回転可能なねじり板を設置するものであるため、管に曲がり部がある熱交換器、管内径が小さい熱交換器には適用できず、実際的ではない。

特許文献４の熱交換器は、金属粒子によりスケールの成長を防止するものであるため、水中に金属イオン（例えば、亜鉛イオン）が溶出し汚染されるため、水が人体に接触するような給湯システムの熱交換器には適さない。

特許文献５の熱交換器は、熱交換器の水出側で銅管の直線部を長くすることにより、水中に浮遊するスケールの沈積を抑制することができるが、銅管壁へのスケール析出については抑制できず、スケール付着抑制効果が不十分である。

特許文献６の熱交換器は、水温が比較的低温では、親水性被膜による局所的な高温部をなくす効果が現れやすい。しかしながら、給湯システムの熱交換器のように、高温の水では、熱交換器全体がスケール生成温度になるため、スケール付着抑制効果が不十分となる。

特許文献７の熱交換器は、水流路断面積を大きくすることで、水温が高温になる部位での熱交換率を犠牲にしてしまい、流路断面積を大きくしない場合と同等の熱交換率を確保するためには、更に流路長さを取らなければならなくなり、熱交換器のコンパクト化や設計の自由度を阻害する。

特許文献８の熱交換器は、軟水器、濾過フィルター等の付随機器が多くなり、高価かつスペースを必要とするため、家庭用または業務用の給湯システムの熱交換器としては現実的ではない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、加熱された水の流路において、炭酸カルシウムを主成分とするスケールの付着量が少ない給湯方法および給湯システムを提供することを目的とする。

本発明に係る給湯方法は、タンクから導入した水を熱交換器によって加熱して、加熱された水を前記タンクに導出する加熱工程と加熱された水を前記タンクに貯留する貯留工程とを行う循環ヒートポンプサイクル工程と、加熱された水を使用時に前記タンク外に送出する送出工程とを含む炭酸カルシウムスケールの析出を抑制するヒートポンプ式の給湯方法であって、
前記加熱工程において加熱された水の圧力を、前記熱交換器から加熱された水を貯留する前記タンクに導出される直前の位置において、０．２〜０．３ＭＰａに制御して炭酸カルシウムスケールの析出を抑制することを特徴とする。

前記手順によれば、ヒートポンプ式の給湯方法の加熱工程において圧力が０．２〜０．３ＭＰａに制御されることによって、加熱された水での炭酸ガスの発生量が抑制され、炭酸カルシウムの析出量が少なくなる。

本発明に係る給湯システムは、請求項１の給湯方法を用いて炭酸カルシウムスケールの析出を抑制するヒートポンプ式の給湯システムであって、水および加熱された水を貯留するタンクと、前記タンクから導入した水を冷媒との熱交換によって加熱する熱交換器と、前記タンクから前記熱交換器に水を導入する導入流路に配置され、前記導入流路、および、前記熱交換器から前記タンクに加熱された水を導出する導出流路を介して、前記タンクと前記熱交換器との間で水を循環させる循環ポンプと、前記導出流路の加熱された水の圧力を、前記熱交換器から加熱された水を貯留する前記タンクに導出される直前の位置において、０．２〜０．３ＭＰａにする調圧手段とを備えることを特徴とする。

前記構成によれば、ヒートポンプ式の給湯システムにおいて、加熱された水の圧力を０．２〜０．３ＭＰａにする調圧手段を備えることによって、加熱された水での炭酸ガスの発生量が抑制され、炭酸カルシウムの析出量が少なくなる。

本発明に係る給湯システムは、前記給湯システムにおいて、前記調圧手段が圧力調整バルブであって、前記導出流路の前記タンク側に配置されることを特徴とする。また、本発明に係る給湯システムは、前記圧力調整バルブが、前記タンク側の流路を、前記流路を流れる加熱された水に負の圧力勾配がつくように、流路断面積を拡大することを特徴とする。さらに、本発明に係る給湯システムは、前記圧力調整バルブが、前記タンク側の流路を、前記流路を流れる加熱された水が圧力の降下を急激に起こすように流路断面積を拡大し、かつ、前記タンクに向かって下向きにしたことを特徴とする。

前記構成によれば、調圧手段が圧力調整バルブであることによって、加熱された水の圧力を０．２〜０．３ＭＰａに容易に調整できる。また、圧力調整バルブが導出流路のタンク側に配置されることによって、炭酸ガスの発生量を抑制する流路範囲が大きくなり、炭酸カルシウムの析出量がさらに少なくなる。

本発明に係る給湯システムは、前記給湯システムにおいて、前記圧力調整バルブの上流側の前記導出流路に配置された圧力計をさらに備えることを特徴とする。

前記構成によれば、圧力計を備えることによって、圧力計から出される出力信号（圧力計測値）を圧力調整バルブで受けて、加熱された水の圧力を０．２〜０．３ＭＰａに精度よく調整できる。それによって、炭酸ガスの発生量を抑制でき、炭酸カルシウムの析出量をさらに少なくできる。

本発明に係る給湯システムは、前記給湯システムにおいて、前記循環ポンプの下流側の導入流路に配置された流量調整バルブと、前記流量調整バルブの下流側に配置された流量計とをさらに備えることを特徴とする。

前記構成によれば、流量調整バルブと流量計を備えることによって、圧力変動によって変化する加熱された水の流量を、循環ポンプの出力を調整することで所定量に調整できる。それによって、流量を一定に維持し、流量の不要な低下による冷媒からの過剰の受熱を抑え、湯温の過度の上昇を抑えることができるので、不要な炭酸カルシウム堆積増加を抑制することができる。

本発明に係る給湯方法および給湯システムによれば、加熱された水の流路において、炭酸カルシウムを主成分とするスケールの付着量が少なくなる。その結果、熱交換性能の低下、水流路の断面積減少による流通水量の低下、ポンプ圧の上昇に伴うポンプの消費電力増大等の問題が発生しないため、省エネルギーに貢献できる。また、ヒートポンプ式の給湯方法および給湯システムにおいては、冷媒配管長さを短くすることができるため、冷媒圧力損失を低減させることでヒートポンプ効率を上げることができる。

本発明に係る給湯システムの構成を示す模式図である。 給湯システムに使用される熱交換器の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は拡大図である。 スケール析出度と圧力の関係を示すグラフである。 スケール付着試験装置の構成を示す模式図である。 スケール付着量の測定結果を示すグラフである。 圧力調整バルブの断面とその圧力分布を示す概念図である。 圧力調整バルブの断面とその圧力分布を示す概念図である。 圧力調整バルブの断面とその圧力分布を示す概念図である。 圧力調整バルブの断面とその圧力分布を示す概念図である。 圧力調整バルブの配置を示すタンクの部分側面図である。 炭酸カルシウム溶解度と温度の関係を示すグラフである。

まず、本発明の目的が、加熱された水の流路における炭酸カルシウムを主成分とするスケールの付着量を減少させることにあるため、スケールの主成分である炭酸カルシウムの発生メカニズムについて以下に説明する。
水中でのカルシウムは、下式（１）に示すように炭酸水素カルシウムが平衡状態にある形態で存在する。そして、加熱されると、下式（２）に示すように炭酸ガスを放出して、炭酸水素カルシウムが下式（３）に示すように炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）となって析出する。

そして、発明者らは、水質（硬度成分であるカルシウムイオンＣａ^２＋、炭酸成分であるＨＣＯ^３−や炭酸ガスＣＯ_２、ｐＨ）、水温、水圧を変化させて試験をした結果、水圧を高く維持して炭酸ガスＣＯ_２の放出量を抑制すると、炭酸カルシウムの析出が抑制されることを見出した。このことは、上式（２）に示す炭酸ガスＣＯ_２の放出を抑制すると、上式（３）の反応が右に進まなくなり、加熱された水においても炭酸カルシウムＣａＣＯ_３の析出が抑えられることを意味し、加熱された水の流路、具体的には給湯システムにおける熱交換器および導出流路でのスケール付着を防止できることを意味する。また、図３に示すように、圧力を０．０５ＭＰａ以上にすれば、炭酸カルシウムスケール析出量を無圧状態（０．００ＭＰａ）の半分以下に抑えることができることを実験から見出した。

＜給湯方法＞
次に、本発明に係る給湯方法の実施の形態について説明する。
本発明に係る給湯方法は、熱交換器に導入された水を加熱して、加熱された水を熱交換器から導出する加熱工程を含む炭酸カルシウムスケールの析出を抑制する給湯方法であって、前記加熱工程において加熱された水の圧力を０．０５ＭＰａ以上に制御して炭酸カルシウムスケールの析出を抑制することを特徴とする。

給湯方法には、燃焼ガスとの熱交換によって水を加熱する燃料方式と、冷媒等との熱交換によって水を加熱するヒートポンプ式とがあり、家庭用および業務用のいずれにも適用できる。以下、ヒートポンプ式の給湯方法を例にとって説明する。

ヒートポンプ式の給湯方法は、加熱工程を含む循環ヒートポンプサイクル工程と、送出工程とを含むものである。そして、本発明に係るヒートポンプ式の給湯方法には、例えば、タンク２と熱交換器３とを備える給湯システム１が用いられる（図１参照）。以下、各工程について説明する。

（循環ヒートポンプサイクル工程）
循環ヒートポンプサイクル工程は、タンク２から導入した水を熱交換器３によって加熱して、加熱された水をタンク２に導出する加熱工程と、加熱された水をタンク２に貯留する貯留工程とを行う工程である。

加熱工程において、タンク２から導入される水の流量は、給湯システム１の設置スペースが限定されることが多く、限られた体積でできるだけ高温の水が得られるように、１Ｌ／ｍｉｎ程度と低い流量に設定される。そして、熱交換器３による加熱方法は、９０℃程度の水が得られる方法であれば、特に限定されず従来公知の加熱方法（熱交換方法）が用いられる。

加熱工程では、加熱された水の圧力を０．０５ＭＰａ以上、好ましくは０．０５〜０．３ＭＰａ、さらに好ましくは０．１５〜０．３ＭＰａに制御する。そして、圧力を０．０５ＭＰａ以上に制御することによって、加熱された水（湯）の流路での炭酸ガスの発生量を抑制でき、それによって、炭酸カルシウムスケールの析出を少なくできる。
圧力が０．０５ＭＰａ未満では、炭酸カルシウムスケールの析出を抑制することができない。また、圧力が０．３ＭＰａを超えると、加熱された水（湯）をタンク２に導出するために用いる循環ポンプ４の負荷が高くなり易い。その結果、消費電力が大きくなったり、循環ポンプ４の寿命が短くなり易い。

ここで、加熱された水の圧力は、熱交換器３等での圧力低下を考慮して、熱交換器３からタンク２に導出される直前の圧力を使用する。また、加熱された水の圧力の制御方法は、特に限定されず、加熱された水を熱交換器３からタンク２に導出する導出流路６に配置された圧力調整バルブ８、水をタンク２から熱交換器３に導入する導入流路５に配置された循環ポンプ４、水を水道管からタンク２に供給する配管１７に配置された減圧弁（図示せず）等の調圧手段７によって行う。また、調圧手段７を備えていない従来の給湯システムにおいては、０．０５ＭＰａ未満である。

貯留工程においては、タンク２の内部に貯留される加熱された水（湯）の量は、後記する送出工程で送出される湯の量、すなわち、給湯システム１を使用する際の湯の使用量に応じて、適宜所定量に設定され、例えば、４６０Ｌである。そして、タンク２の内部に所定量の湯が貯留するまで、前記した加熱工程と貯留工程を繰り返し行う（タンク２と熱交換器３との間で水を循環させる）。

（送出工程）
送出工程は、加熱された水を使用時にタンク２の外部に送出する工程である。具体的には、蛇口、シャワー等から出湯、風呂湯張り等の出湯、風呂浴槽から汲み上げて低下した湯量を補うための足し湯動作での出湯等を意味する。なお、図示しないが、タンク２の内部に貯留された湯（加熱された水）を用いて熱交換によって足し湯を製造してもよい。

本発明に係る給湯方法は、以上説明したとおりであるが、本発明を行うにあたり、前記各工程に悪影響を与えない範囲において、前記各工程の間あるいは前後に、例えば、加熱された水を再加熱する工程、または、加熱された水を冷却する工程等、他の工程を含めてもよい。

次に、本発明に係る給湯システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
本発明に係る給湯システムは、前記給湯方法を用いて炭酸カルシウムスケールの析出を抑制する給湯システムであって、水を熱交換によって加熱する熱交換器と、前記熱交換器に水を導入する導入流路と、前記熱交換器から加熱された水を導出する導出流路と、前記導出流路の加熱された水の圧力を０．０５ＭＰａ以上にする調圧手段とを備えることを特徴とする。

給湯システムには、燃料方式とヒートポンプ式とがあり、家庭用および業務用のいずれにも適用できる。以下、ヒートポンプ式の給湯システムを例にとって説明する。
ヒートポンプ式の給湯システムは、前記したヒートポンプ式の給湯方法を用いる給湯システムであって、図１に示すように、給湯システム１は、タンク２と、熱交換器３と、導入流路５と、導出流路６と、循環ポンプ４と、調圧手段７とを備える。以下、各構成について説明する。

（タンク）
タンク２は、水および加熱された水を貯留するものであって、タンク２の下部には図示しない水道管から配管１７を介して水が給水され、タンク２の上部には熱交換器３から導出流路６を介して加熱された水が供給される。したがって、タンク２では、水の比重差によって、上部に高温の水（湯）が貯留され、下部には低温の水が貯留される。また、タンク２としては、従来の給湯システムで使用されているものを使用する。

（熱交換器）
熱交換器３は、タンク２から導入した水（導入流路５を介して導入した水）を冷媒との熱交換によって加熱するものである。そして、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、熱交換器３は、水が流通する水流路部３ａと、冷媒が流通する冷媒流路部３ｂとを備える。なお、冷媒としては、通常の熱交換器に使用される冷媒を使用すればよいが、超臨界状態の炭酸ガス冷媒またはフロン系冷媒を使用することが好ましい。また、水流路部３ａおよび冷媒流路部３ｂを構成する材料は、水と冷媒との熱交換効率を考慮して、銅または銅合金が好ましい。そして、水流路部３ａは管状の大径管、冷媒流路部３ｂは大径管より管径が小さい小径管で構成され、大径管の内部に小径管が配置されていることが好ましい。

銅は、水に対する耐食性が高く、長期間水と接触する用途においては好適である。また、本願発明においては、水圧を上昇させることで炭酸ガスの放出を抑えて炭酸カルシウムの析出を抑制することを特長とするが、炭酸ガスは水中で遊離炭酸として存在し、ｐＨを低下させて水の腐食性を高くする成分である。このため、耐食性に優れる銅管、または遊離炭酸を含んでｐＨの低くなった水質に好適な、耐食性銅合金管（特許第３３７４３９８号公報参照）などを使用することが更に好ましい。これら銅または銅合金管は、曲げ加工性に優れる、ろう付けが容易に行える、殺菌効果があり本願発明用途に対し衛生的である等の特徴を兼ね備るので、他の金属を用いるよりはるかに製造コストを低く抑えることが可能になる。

熱交換器３の形態は、図２（ａ）、（ｂ）に示された管状の水流路部（大径管）３ａと管状の冷媒流路部（小径管）３ｂとを備えた熱交換器３に限定されず、箱状の水流路部と管状の冷媒流路部を備えた熱交換器（図示せず）であってもよい。また、冷媒の外側に水を流通させる熱交換器３を記載したが、水の外側に冷媒を流通させる熱交換器（図示せず）であってもよい。さらに、水流路部３ａがらせん状に巻回された熱交換器３を記載したが、渦巻状に巻回した熱交換器（図示せず）であってもよい。

熱交換器３への冷媒の供給は、冷媒ユニット１２によって行われる。冷媒ユニット１２は、冷媒が炭酸ガスの場合には、蒸発器１３と、圧縮器１４と、膨張弁１５と、これらと熱交換器３とで回路を構成するように接続された冷媒流路１６とを備える。そして、炭酸ガス（ＣＯ_２）は、蒸発器１３において大気熱を吸収した後、圧縮器１４により圧縮され、高温高圧の流体として冷媒流路１６を介して熱交換器３に送られる。熱交換器３に供給されたＣＯ_２は、導入流路５によって熱交換器３に導入された水との熱交換によって低温の流体となって冷媒流路１６を介して膨張弁１５に送られる。ＣＯ_２は膨張弁１５により膨張し、蒸発器１３で再度吸熱する。

（導入流路、導出流路）
導入流路５は、タンク２から熱交換器３に水を導入するものである。また、導出流路６は、熱交換器３からタンク２に加熱された水を導出するものである。そして、導入流路５および導出流路６の形態は、特に限定されず、従来の給湯システムで使用されている金属管等で構成することが好ましい。

（循環ポンプ）
循環ポンプ４は、導入流路５と導出流路６を介して、タンク２と熱交換器３との間で水を循環させるもので、タンク２の下流側の導入流路５に配置される。循環ポンプ４の形態は、特に限定されず、従来の給湯システムで使用されているものを使用する。

（調圧手段）
調圧手段７は、導出流路６の加熱された水を０．０５ＭＰａ以上、好ましくは０．０５〜０．３ＭＰａ、さらに好ましくは０．１５〜０．３０ＭＰａに調圧する。加熱された水の圧力を前記範囲に調圧することで、熱交換器３の内部の受熱部（図示せず）、導出流路６での炭酸ガスの発生量を抑制でき、それによって、炭酸カルシウムスケールの析出を少なくできる。圧力範囲の数値限定理由については、前記した給湯方法と同様であるので省略する。なお、調圧手段７を備えていない従来の給湯システムにおいては、導出流路の加熱された水の圧力は０．０５ＭＰａ未満である。

また、調圧手段７としては、加熱された水を熱交換器３からタンク２に導出する導出流路６に配置された圧力調整バルブ８、水をタンク２から熱交換器３に導入する導入流路５に配置された循環ポンプ４、水を水道管からタンク２に供給する配管１７に配置された減圧弁（図示せず）等を用いることができる。

調圧手段７は、流路断面積を調整することによって圧力を容易に調整できる圧力調整バルブ８であることが好ましい。具体的には、図６に示すように、圧力調整バルブ８（ゲートバルブの場合）は、バルブ内部の流路８ａの流路断面積を熱交換器側で縮小させることで導出流路６の圧力を高めている。一方、バルブ内部の流路８ａは、タンク側では流路断面積が拡大されて、流路８ａの圧力が減少する。圧力が減少すると炭酸ガスの溶解度も減少するため炭酸ガスの発生量が増大して、炭酸カルシウムが生成され易くなる（前記式（３）の反応が右に進み易くなる）。このため、バルブ内の急激な低圧が起こる箇所で、ここまでの経路で放出の抑制されていた炭酸ガスが一気に放出し、炭酸カルシウムが多量に析出、堆積して、結局の所この部位で炭酸カルシウムスケールによる詰まりを発生させる懸念がある。この点について、以下の２種の形態により、同部位での炭酸カルシウム堆積による流路の閉塞を回避することができる。

第１の形態は、図７に示すように、圧力調整バルブ８の低圧側（タンク側）の流路８ａでは急激な流路断面積の拡大による圧力減少が発生しないように、圧力勾配をつける、すなわち、緩やかに流路断面積を拡大させる。このように、バルブ内部の流路８ａの低圧側に圧力勾配をつけることによって、圧力が高圧から低圧に変化した際に発生する炭酸ガス量が抑制される。それによって、炭酸ガス量の増加に伴う炭酸カルシウム（スケール）の生成が抑制され、スケール付着によるバルブの流路閉塞を防止できる。なお、低圧側に圧力勾配をつける手段としては、図７に示すように流路８ａを次第に拡大させることでもよいし、図８に示すように、オリフィス板８ｂを１箇所または多段に介して次第に減圧させることでも達成できる。

第２の形態は、図９に示すように、圧力調整バルブ８の低圧側（タンク側）の流路８ａを急激に拡大させて、意図的に圧力の降下を急激に起こすことによって、この部位でスケールを発生させ、その発生したスケールを下流側（タンク側）に流す。その結果、この部位でスケールが堆積し難くなり、炭酸カルシウム堆積による流路８ａの閉塞を回避することができる。この場合、意図的にこの部位（低圧側）で析出された炭酸カルシウムが、拡大された流路８ａに接触せずに下流に流れていくよう、流路８ａは下向き(図１０参照)になっている方が更に好ましい。

図９は、ゲートバルブにおいて低圧側（タンク側）の流路８ａを急激に拡大させた場合の模式図である。図示しないが、ボールバルブであれば、バルブの前後の管径が拡く維持されているので、より炭酸カルシウムスケールの堆積が起こり難い。

また、図示しないが、導出流路６を複数の流路８ａで構成し、各流路８ａ、８ａ・・・に圧力調整バルブ８を配置してもよい。このような複数の圧力調整バルブ８を配置することによって、給湯システム１の運転中に流路閉塞した圧力調整バルブ８を清掃または交換することができる。

また、図示しないが、圧力調整バルブ８の流路８ａを狭小化させて熱交換器側の圧力を上昇させることから、高圧側から流れてくる、炭酸カルシウムとは異なるゴミなどの異物の流入により、これが流路狭小部に堆積して、結果、流路８ａを閉塞させやすくなることがある。このことに対して、圧力調整バルブ８の直前（熱交換器側）に、ストレーナなどの異物を除去する機構を設けると更によい。

また、図示しないが、第１の形態と第２の形態とを合わせて、バルブ内では圧力勾配を付け、その下流側の配管を高圧側の配管径よりも太径にして流路８ａの急拡大を図ることで、相乗的な効果を得ることもできる。

図１０に示すように、調圧手段７（圧力調整バルブ８）は、導出流路６のタンク側に配置される（タンク２の直前の導出流路６に配置される）ことが好ましい。これによって、炭酸ガスの発生量を抑制する流路範囲が大きくなり、炭酸カルシウムの管壁への付着による流路８ａの閉塞を回避できる。

このような構成の場合、炭酸カルシウムは、圧力が開放されたタンク２の内部で析出し、タンク２の底部に堆積することとなるが、この部位への堆積は、機器の運転に全く支障をきたさないため好適である。また、図示しないが、底部にスケール排出ポートを設けることで、定期的なメンテナンスにより、堆積したスケールを除去できるようにしておいても良い。

本発明に係る給湯システム１は、圧力計９をさらに備えたものであってもよい。そして、圧力計９は、圧力調整バルブ８の上流側の導出流路６に配置される。それによって、圧力計９から出される出力信号（圧力計測値）を圧力調整バルブ８で受けて、加熱された水の圧力を０．０５ＭＰａ以上に精度よく調整できる。その結果、炭酸ガスの発生量を抑制でき、炭酸カルシウム（スケール）の析出量をさらに少なくできる。

また、給湯システム１は、流量調整バルブ１０および流量計１１をさらに備えるものであってもよい。そして、流量調整バルブ１０は、循環ポンプ４の下流側の導入流路５に配置され、流量計１１は、流量調整バルブ１０の下流側に配置される。それによって、圧力変動によって変化する加熱された水の流量を、循環ポンプ４の出力を調整することで所定量（例えば、１Ｌ／ｍｉｎ程度）に調整できる。その結果、流量を一定に維持し、流量の不要な低下による冷媒からの過剰の受熱を抑え、湯温の過度の上昇を抑えることができるので、不要な炭酸カルシウム堆積増加を抑制することができる。

次に、以下に示すようなスケール付着試験を実施して、本発明の給湯方法および給湯システムの特徴である加熱された水の圧力範囲について、その効果を確認した。

＜スケール付着試験＞
（１）ＮａＨＣＯ_３（０．０１２ｍｏｌ／Ｌ）とＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ（０．００６ｍｏｌ／Ｌ）の混合水溶液を２０℃で調製し、Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２を含むスケール生成溶液（ＣａＣＯ_３硬度６００ｍｇ／Ｌ）とした。

（２）供試材として、外径１２．７ｍｍ×長さ１０００ｍｍ×肉厚０．８ｍｍのりん脱酸銅管（ＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１２２０）を曲げピッチ８０ｍｍでＵ字に曲げたものを１５本作製した。各供試材をフレア加工により全て接続して図４に示す試験用熱交換器とした。

（３）図４のスケール付着試験装置に示すように、試験用熱交換器をサブタンクに接続して、９０℃以上に昇温させたオイルバスに試験用熱交換器を浸漬させ、試験用熱交換器にメインタンク、サブタンクからスケール生成溶液を流した。また、通液は一過式（常に新しい液を通液）とし、一時受け容器に排出した。そして、出湯側から送出されるスケール生成溶液の温度が９０℃になるように、オイルバスの温度を調整した。なお、メインタンクに入れたスケール生成溶液は、炭酸ガス（ｐＨを下げる）もしくは窒素ガス（ｐＨを上げる）をバブリングすることによって、ｐＨ：６．０に調整した。

また、出湯側に圧力調整バルブ、入水側に流量調整ニードルバルブを設け、これらを開閉させながら圧力計（出湯側）および流量計（入水側）を確認しながらインバーターによってポンプ出力を調整して、所定の流量および圧力に調整した。所定の流量および圧力でスケール生成溶液を５時間通液して試験を終了とした。

（４）流量を０．８Ｌ／ｍｉｎ、圧力を０．００、０．０５、０．２０、０．２８の４通りに変化させて、前記試験を４回行った。

（５）試験終了後、各供試材の接続を外し、試験前と試験後の各供試材の重量を測定して差し引くことにより、その供試材１本に付着した炭酸カルシウムスケール付着量を算出した。その結果を図５に示す。

図５に示すように、圧力：０．０５、０．２０、０．２８ＭＰａ（本発明の給湯方法および給湯システムの圧力）の場合には、圧力：０．００ＭＰａの場合（従来の給湯方法および給湯システムの圧力）に比べて、スケール付着量が少なかった。特に、水温が９０℃に近くになる供試材Ｎｏ．１において顕著であった。
したがって、給湯方法および給湯システムの圧力を０．０５〜０．３０ＭＰａに調整すれば、９０℃の水（湯）でも炭酸カルシウムスケールの付着を抑制できることが確認された。

１ 給湯システム
２ タンク
３ 熱交換器
４ 循環ポンプ
５ 導入流路
６ 導出流路
７ 調圧手段

Claims (7)

1. タンクから導入した水を熱交換器によって加熱して、加熱された水を前記タンクに導出する加熱工程と加熱された水を前記タンクに貯留する貯留工程とを行う循環ヒートポンプサイクル工程と、加熱された水を使用時に前記タンク外に送出する送出工程とを含む炭酸カルシウムスケールの析出を抑制するヒートポンプ式の給湯方法であって、
   前記加熱工程において加熱された水の圧力を、前記熱交換器から加熱された水を貯留する前記タンクに導出される直前の位置において、０．２〜０．３ＭＰａに制御して炭酸カルシウムスケールの析出を抑制することを特徴とする給湯方法。
2. 請求項１の給湯方法を用いて炭酸カルシウムスケールの析出を抑制するヒートポンプ式の給湯システムであって、
   水および加熱された水を貯留するタンクと、
   前記タンクから導入した水を冷媒との熱交換によって加熱する熱交換器と、
   前記タンクから前記熱交換器に水を導入する導入流路に配置され、前記導入流路、および、前記熱交換器から前記タンクに加熱された水を導出する導出流路を介して、前記タンクと前記熱交換器との間で水を循環させる循環ポンプと、
   前記導出流路の加熱された水の圧力を、前記熱交換器から加熱された水を貯留する前記タンクに導出される直前の位置において、０．２〜０．３ＭＰａにする調圧手段とを備えることを特徴とする給湯システム。
3. 前記調圧手段が圧力調整バルブであって、前記導出流路の前記タンク側に配置されることを特徴とする請求項２に記載の給湯システム。
4. 前記圧力調整バルブは、前記タンク側の流路を、前記流路を流れる加熱された水に負の圧力勾配がつくように、流路断面積を拡大することを特徴とする請求項３に記載の給湯システム。
5. 前記圧力調整バルブは、前記タンク側の流路を、前記流路を流れる加熱された水が圧力の降下を急激に起こすように流路断面積を拡大し、かつ、前記タンクに向かって下向きにしたことを特徴とする請求項３に記載の給湯システム。
6. 前記圧力調整バルブの上流側の前記導出流路に配置された圧力計をさらに備えることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の給湯システム。
7. 前記循環ポンプの下流側の導入流路に配置された流量調整バルブと、前記流量調整バルブの下流側に配置された流量計とをさらに備えることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか一項に記載の給湯システム。

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