WO2010089807A1

WO2010089807A1 - 給湯機

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Publication number: WO2010089807A1
Application number: PCT/JP2009/000511
Authority: WO
Inventors: 笹部茂; 安井圭子; 桶田岳見; 堀木泰佑
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-08-12
Also published as: CN102123952A; EP2402289A1; EP2402289A4; JP5292414B2; EP2402289B1; CN102123952B; JPWO2010089807A1

Abstract

【解決手段】　本発明の給湯機は、少なくとも一対の電極３２Ａ、３２Ｂと、陽イオン交換体３３Ａと陰イオン交換体３３Ｂを有する一対の水分解イオン交換体３３と、水分解イオン交換体３３に接する流路３４と、流路３４につながる入口部３５及び出口部３６とから構成される軟水化手段３０を備えた給湯機であって、軟水化手段３０には、加温された温水を導入することを特徴とし、メンテナンスの必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができ、低消費電力量で高硬度の原水を軟水化して再生することができる給湯機を提供する。

Description

給湯機

　本発明は、電気温水器やヒートポンプ給湯機等の給湯機において、配管内のスケール生成を防止する技術に関する。

　従来、給湯機の配管内のスケール生成を防止する技術として、イオン交換樹脂を用いて軟水化する以下のような技術がある。（例えば、特許文献１参照）。
　図６は、従来の配管のスケール生成を防止する給湯機の構成図である。
　図６において、風呂給湯器１１７に水を供給する水路となる原水供給パイプ１０１は、三方弁１０２を介して電気分解装置１０３の下部及び軟水化装置１１３の上部に接続されている。そして、採水時には軟水化装置１１３に通水し、再生時には電気分解装置１０３に通水するように、三方弁１０２を切り換える構成となっている。電気分解装置１０３は、ポーラスな隔膜１０４、例えば素焼きの隔膜によって、陽極室１０７と陰極室１０８に仕切られている。そして、これら極室に、それぞれ電極１０５及び１０６を配設している。
　また、陽極室１０７の上部には、酸性水出口パイプ１１０が、三方弁１１１を介して、陽イオン交換樹脂１１２を充填した軟水化装置１１３の上部に接続され、及び三方弁１１８を介して、浴槽１２１への水供給パイプ１２３に接続されている。そして、再生時には軟水化装置１１３に通水し、浴槽１２１で酸性風呂に入浴するときには、浴槽１２１への水供給パイプ１２３に通水するように、三方弁１１１を切り換える構成となっている。
　また、陰極室１０８の上部には、アルカリ水出口パイプ１０９が、三方弁１１９を介して、排水パイプ１２２及び飲用水パイプ１２０に接続されている。そして、アルカリ水飲用時には飲用水パイプ１２０に通水し、飲用以外のときには排水パイプ１２２から排水するように、三方弁１１９を切り換える構成になっている。
　また、軟水化装置１１３の下部には、三方弁１１４を介して排水パイプ１１５が接続され、及びパイプ１１６を介して風呂給湯器１１７が接続されている。
　上記構成において、水は原水供給パイプ１０１を通り、採水時には三方弁１０２を切り換えて、陽イオン交換樹脂１１２の充填してある軟水化装置１１３上部から供給される。そして、陽イオン交換樹脂１１２により、水中のカルシウム、マグネシウム等の陽イオンは、水素イオンと置換されて、水が軟水化される。そして、軟水がパイプ１１６、風呂給湯器１１７を介して、パイプ１２３により、浴槽１２１に供給される。
　陽イオン交換樹脂再生時には、水は、三方弁１０２を切り換えて、隔膜１０４によって陽極室１０７及び陰極室１０８を分離形成した及びこれらの極室にそれぞれ電極１０５，１０６を配設したところの、電気分解装置１０３に供給される。電極１０５，１０６の両極間に直流電圧を印加し、陽極室１０７で得られた酸性水を、三方弁１１１を切り換えて、軟水化装置１１３の上部から供給する。このとき、三方弁１１４を排水パイプ１１５側に切り換え、水を風呂給湯器１１７に通水しないようにする。
　酸性風呂入浴時には、三方弁１１１及び１１８を切り換え、陽極室１０７で得られた酸性水を、パイプ１１０、パイプ１２３を介して浴槽１２１に供給する。このとき、三方弁１１８が切り換えられているため、風呂給湯器１１７に酸性水は通水しない。また、浴室内でアルカリ水を飲用するときには、三方弁１１９を切換える。
　以上のように、陽イオン交換樹脂１１２で水中のカルシウム、マグネシウム等の硬度成分を除去し、風呂給湯器１１７の配管及び浴槽１２１内へのスケール付着を防止できる。これにより、浴槽掃除の頻度を減らすこともできる。
　さらに、水の電気分解で得られる酸性水で、陽イオン交換樹脂１１２を再生するため、食塩等の供給が不要になり、連続的に軟水を供給することができる。また、酸性水を浴槽に通水することで、酸性風呂を楽しむこともでき、アルカリ水を浴室内で飲用することもできる。
　一方、水を軟水化する技術として、水分解イオン交換膜を用いた技術がある。（特許文献２参照）
　この方式では、一対の電極間に、陽イオン交換層と陰イオン交換層の２層から成る水分解イオン交換膜を挟み込んだ構成とする。そして、電極に通電すると、水分解イオン交換膜の表面にて、硬度成分が吸着してイオン交換されて、水が軟水化される。また、極性を逆にして電圧を印加すると、陽イオン交換層と陰イオン交換層の界面で水が解離し、解離により生成した水素イオン、水酸化物イオンにより、水分解イオン交換膜を再生することができる。
特開平７－６８２５６号公報特許４０４４１４８号公報

　しかしながら、特許文献１に示した構成では、陽イオン交換樹脂１１２を再生する時、電気分解装置１０３によって、電気分解により水を解離させ、そして酸性水を生成している。しかし、通常電気分解するには、水中に多量のイオン成分が必要であり、高い電圧が必要となる。
　また、電気分解装置１０３と軟水化装置１１３が別個に備えられているので、装置が複雑となると共に、大きな設置スペースを必要とするという課題があった。
　一方、特許文献２に示した水分解イオン交換膜を用いた方式では、水分解イオン交換膜表面にて、硬度成分を吸着しイオン交換して、硬度成分を除去している。そして再生時には、硬度成分がイオン交換した水分解イオン交換膜の界面で、水を解離させて水素イオンと水酸化物イオンを生成することで、水分解イオン交換膜を再生する。したがって、再生時の電流効率が高く、有効な軟水化技術と考えられる。しかし、このような水分解イオン交換膜を給湯機へ適用する上で、以下のような課題がある。
　給湯機に供給される原水は、上水道はもちろん地下水を用いる場合があり、非常に硬度の高い原水の硬度成分を除去する必要がある。また、近年の省エネ指向の高まりから、給湯機の消費電力量を維持する必要があり、軟水化する上でも消費電力量の低減が必要である。特に、水分解イオン交換膜の再生時には余分に消費電力が必要なことから、再生時の消費電力量を低減する必要があった。

　したがって本発明は、前記従来の課題を解決するもので、メンテナンスの必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができ、低消費電力量で高硬度の原水を軟水化して再生することができる給湯機を提供することを目的としている。

　請求項１記載の本発明の給湯機は、少なくとも一対の電極と、陽イオン交換体と陰イオン交換体を有する一対の水分解イオン交換体と、前記水分解イオン交換体に接する流路と、前記流路につながる入口部及び出口部とから構成される軟水化手段を備えた給湯機であって、前記軟水化手段には、加温された温水を導入することを特徴とする。
　請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の給湯機において、膜状に構成した前記陽イオン交換体と膜状に構成した前記陰イオン交換体とを張り合わせて前記水分解イオン交換体を層構造としたことを特徴とする。
　請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の給湯機において、水を加温する水加熱手段と、前記水加熱手段で加温された温水を貯湯する貯湯タンクとを備え、前記軟水化手段には前記貯湯タンク内の前記温水を導入することを特徴とする。
　請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の給湯機において、前記貯湯タンクが、原水を前記貯湯タンクの下部に供給する給水配管と、前記貯湯タンクの下部に貯留する低温水を前記水加熱手段に導入する流出配管と、前記水加熱手段で加熱された高温水を前記貯湯タンクの上部に戻す流入配管とを備えた積層方式のタンクであって、前記軟水化手段を、前記流出配管の途中に設けたことを特徴とする。
　請求項５記載の本発明は、請求項３に記載の給湯機において、前記水分解イオン交換体の再生時に前記貯湯タンク内の前記温水を用いることを特徴とする。
　請求項６記載の本発明は、請求項４に記載の給湯機において、軟水化時には、前記貯湯タンクの下部に貯留する前記低温水を前記軟水化手段に導入し、前記水分解イオン交換体の再生時には、前記貯湯タンクの上部に貯留する高温水を前記軟水化手段に導入することを特徴とする。
　請求項７記載の本発明は、請求項１に記載の給湯機において、再生時には、前記出口部から前記温水を導入し、前記入口部から前記温水を導出することを特徴とする。
　請求項８記載の本発明は、請求項３に記載の給湯機において、前記貯湯タンクの周囲に断熱材を備えたことを特徴とする。
　請求項９記載の本発明は、請求項３に記載の給湯機において、前記軟水化手段を前記貯湯タンクの近傍に設置したことを特徴とする。
　請求項１０記載の本発明は、請求項３に記載の給湯機において、前記軟水化手段は、前記水加熱手段の近傍に設置したことを特徴とする。

　本発明の給湯機は、メンテナンスの必要がなく、その装置構成が簡易で小型化が図られると共に、低消費電力量で高硬度の原水の軟水化とイオン交換体の再生とをすることができる。

本発明の第１の実施例における給湯機の構成図本実施例の軟水化時の軟水化手段の構成図本実施例の再生時の軟水化手段の構成図本発明の第２の実施例における給湯機の構成図本発明の第３の実施例における給湯機の構成図従来の配管のスケール生成を防止する給湯機の構成図

符号の説明

　１０　貯湯ユニット
　１１　貯湯タンク
　１３　流出配管
　１４　流入配管
　１７　断熱材
　２０　ヒートポンプユニット
　２２　水熱交換器（水加熱手段）
　３０　軟水化手段
　３２Ａ　３２Ｂ　電極
　３３　水分解イオン交換体
　３３Ａ　陽イオン交換体
　３３Ｂ　陰イオン交換体
　３４　流路
　３５　入口部
　３６　出口部

発明を実施するため最良の形態

　本発明の第１の実施の形態による給湯機は、軟水化手段には、加温された温水を導入するものである。本実施の形態によれば、軟水化時に、水分解イオン交換体で硬度成分を吸着して、温水に含まれている硬度成分を除去する。そして再生時には、水分解イオン交換体の界面で水を解離させて、水素イオンと水酸化物イオンを生成する。そして、硬度成分を水素イオンと交換することで水分解イオン交換体から硬度成分を除去する。したがって、温水からの硬度成分の除去と水の解離との双方を、水分解イオン交換体で行うので、軟水化手段と電気分解装置を別個に設置する必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができる。また、軟水化手段には、軟水化される水又は再生に使用する水が、加温されて導入される。そして、硬度成分であるカルシウムやマグネシウムの陽イオンが、水分解イオン交換体の陽イオン交換体でイオン交換される。このとき、軟水化される水又は再生に使用する水が加温されているので、イオン交換速度が速くなる。従って、陽イオン交換体表面上でのイオン交換が活発に行われて、硬度の高い水を、より硬度の低い軟水に処理することができる。さらに、水分解イオン交換体では、陽イオン交換体側を陰極、陰イオン交換体側を陽極となるよう電極に電圧を印加すると、イオン交換体の界面で水が解離して水素イオンと水酸化物イオンが生成する。そして、これらの水素イオン等が硬度成分とイオン交換し、再生が行われる。ここで、再生に使用する水が加温されているので、水の解離速度、及び水素イオンのイオン交換速度が速くなる。これにより、水分解イオン交換体の再生が効率よく行われるため、再生時の消費電力を低減することができる。
　本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による給湯機において、膜状に構成した陽イオン交換体と膜状に構成した陰イオン交換体とを張り合わせて水分解イオン交換体を層構造としたものである。本実施の形態によれば、陽イオン交換体と陰イオン交換体を電極の極性方向に対して一定に配置して、陽イオン交換体と陰イオン交換体間に大きな面積の界面を形成することができる。これにより、再生時のイオン交換体界面でのイオン移動が起こり易く、イオン交換体界面の抵抗が高くなる。従って、水の解離が効率的に行われ、水分解イオン交換体の再生をさらに効率良く行うことができる。
　本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による給湯機において、水を加温する水加熱手段と、水加熱手段で加温された温水を貯湯する貯湯タンクとを備え、軟水化手段には貯湯タンク内の温水を導入するものである。本実施の形態によれば、イオン交換速度が速くなり、より硬度の低い軟水に処理することができる。また、水分解イオン交換体の再生が効率よく行われ、再生時の消費電力を低減することができる。
　本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による給湯機において、貯湯タンクが、原水を貯湯タンクの下部に供給する給水配管と、貯湯タンクの下部に貯留する低温水を水加熱手段に導入する流出配管と、水加熱手段で加熱された高温水を貯湯タンクの上部に戻す流入配管とを備えた積層方式のタンクであって、軟水化手段を、流出配管の途中に設けたものである。本実施の形態によれば、水加熱手段による沸き上げが進むと、貯湯タンク上部に貯留する高温水によって、貯湯タンク下部に貯留する硬度の高い水が加温される。そして、この硬度の高い加温された水が、軟水化手段に送られて軟水化される。したがって、原水の硬度成分の水分解イオン交換体によるイオン交換速度が速くなり、より硬度の低い軟水に処理することができる。そして、この軟水が水加熱手段で加熱されるので、炭酸カルシウムなどの水加熱手段でのスケール成分の生成を防止することができる。また、水分解イオン交換体の再生時にも、貯湯タンクで加温された水を用いることができるので、再生が効率よく行われ、再生時の消費電力を低減することができる。
　本発明の第５の実施の形態は、第３または第４の実施の形態による給湯機において、水分解イオン交換体の再生時に貯湯タンク内の温水を用いるものである。本実施の形態によれば、温水を用いて水分解イオン交換体を再生するので、水の解離に必要なエネルギーを低減することができると共に、解離した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度を速くすることができる。また、軟水化手段により処理された軟水によって、水分解イオン交換体を再生するので、低電流で水の解離が起き易くなるため、再生時の消費電力をさらに低減することができる。
　本発明の第６の実施の形態は、第４の実施の形態による給湯機において、軟水化時には、貯湯タンクの下部に貯留する低温水を軟水化手段に導入し、水分解イオン交換体の再生時には、貯湯タンクの上部に貯留する高温水を軟水化手段に導入するものである。本実施の形態によれば、沸き上げ途中でも、高温水を用いて再生を行えるため、水分解イオン交換体の再生が効率的に行われ、再生による沸き上げ停止時間を短縮化できる。その結果、沸き上げ中に軟水化と再生を繰り返して運転することができるので、水分解イオン交換体の面積を大きくして処理容量を上げることなく、貯湯タンクに沸き上げられる数百リットルの多量の原水を一定の硬度の軟水に処理することができる。
　本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態による給湯機において、再生時には、出口部から温水を導入し、入口部から温水を導出するものである。本実施の形態によれば、再生時に生成する硬度成分の濃縮水が、水分解イオン交換体の表面全体に広がることなく、外部へ排出される。これにより、水分解イオン交換体への濃縮水の再付着を防止することができ、膜の耐久性を確保することができる。
　本発明の第８の実施の形態は、第３の実施の形態による給湯機において、貯湯タンクの周囲に断熱材を備えたものである。本実施の形態によれば、貯湯タンク内の加温された水あるいは水加熱手段により沸き上げられた温水の、温度を維持することができる。そのため、軟水化手段に導入される水の温度低下を防止し、イオン交換速度を維持することができる。これにより、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。また、水の解離に必要なエネルギーの低減を維持すると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度を維持することができる。これにより、水分解イオン交換体の再生がさらに効率よく行われるため、再生時の消費電力をさらに低減することができる。
　本発明の第９の実施の形態は、第３の実施の形態による給湯機において、軟水化手段を貯湯タンクの近傍に設置したものである。本実施の形態によれば、貯湯タンク内の沸き上げられた温水の熱によって、軟水化手段が加熱されるので、軟水化手段を通過する水が加温される。これにより、イオン交換速度を向上することができるため、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。また、水の解離に必要なエネルギーを低減すると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度を向上することができる。これにより、水分解イオン交換体の再生がさらに効率よく行われるため、再生時の消費電力をさらに低減することができる。
　本発明の第１０の実施の形態は、第３の実施の形態による給湯機において、軟水化手段は、水加熱手段の近傍に設置したものである。本実施の形態によれば、水加熱手段の放熱によって、軟水化手段が加温されるので、軟水化手段を通過する水が加温される。これにより、イオン交換速度を向上することができるため、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。また、再生時の水の解離に必要なエネルギーを低減すると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度を向上することができる。これにより、水分解イオン交換体の再生がさらに効率よく行われるため、再生時の消費電力をさらに低減することができる。

　以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施例によって本発明が限定されるものではない。
　図１は、本発明の第１の実施例における給湯機の構成図であり、図２は、本実施例の軟水化時の軟水化手段の構成図であり、図３は、本実施例の再生時の軟水化手段の構成図である。
　図１に示すように、本実施例による給湯機は、貯湯ユニット１０、ヒートポンプユニット２０、軟水化手段３０とを備えている。
　貯湯ユニット１０には、沸き上げた高温水を上部から順に貯留する積層方式の貯湯タンク１１が設置されている。貯湯タンク１１の下部には、水道水から原水を貯湯タンク１１へ供給する給水配管１２が接続されている。
　また、貯湯タンク１１の下部には流出配管１３が、上部には流入配管１４が接続されている。そして、下部の流出配管１３を通じて、貯留タンク１１の水を、沸き上げポンプ１５によってヒートポンプユニット２０に送る。そして、流入配管１４を通じて、ヒートポンプユニット２０で沸き上げた高温水を、貯湯タンク１１の上部に供給する。
　さらに、貯湯タンク１１の上部には、給湯配管１６が接続されている。この給湯配管１６で、貯湯タンク１１の上部に貯湯される高温水を風呂等へ供給するように構成されている。

　ヒートポンプユニット２０は、圧縮機２１と、水熱交換器（水加熱手段）２２と、外気から吸熱する空気熱交換器２３とが冷媒配管２４で接続され、ＣＯ_２等の冷媒を用いてヒートポンプサイクルを構成している。
　貯湯ユニット１０の貯湯タンク１１の下部に貯留する低温水は、流出配管１３によってヒートポンプユニット２０の水熱交換器２２に導入される。水熱交換器２２で加熱された高温水は、流入配管１４によって貯湯タンク１１の上部へ戻される。
　軟水化手段３０は、水熱交換器２２よりも上流側の貯湯ユニット１０内にあって、貯湯タンク１１の下流側の流出配管１３の経路途中に接続されている。そして、軟水化手段３０の設置位置は、貯湯タンク１１の上部側面近傍としている。なお、軟水化手段３０は貯湯タンク１１からの放熱を利用できる位置が好ましく、貯湯タンク１１と接するように配置し、更に貯湯タンク１１の上部側面又は上面がより好ましい。
　また、貯湯タンク１１の側面周囲には、タンク内の水温の低下を防止するための断熱材１７が備えられている。この断熱材１７によって貯湯タンク１１とともに軟水化手段３０を覆うことが好ましい。

　図２において、本実施例の軟水化手段３０では、ケーシング３１内の両側端に一対の電極３２Ａ、３２Ｂが設けられている。これらの電極３２Ａ、３２Ｂはチタンに白金がメッキされたものであり、電極３２Ａ、３２Ｂの耐消耗性を確保している。一対の電極３２Ａ、３２Ｂの間には、一対の水分解イオン交換体３３が流路３４を挟んで設けられている。
　強酸性のイオン交換基を持つ陽イオン交換体３３Ａと強塩基性のイオン交換基を持つ陰イオン交換体３３Ｂとがそれぞれ膜状に構成されており、陽イオン交換体３３Ａと陰イオン交換体３３Ｂとが張り合わされて、水分解イオン交換体３３は２層構造となっている。そして、陽イオン交換体３３Ａは、軟水化時に正極となる電極３２Ａ側に配置され、陰イオン交換体３３Ｂは、軟水化時に負極となる電極３２Ｂ側に設置されている。従って、正極となる電極３２Ａ側に配置される水分解イオン交換体３３の陰イオン交換体３３Ｂと、負極となる電極３２Ｂ側に配置される水分解イオン交換体３３の陽イオン交換体３３Ａとは、流路３４を挟んで向き合って配置される。ここで、陽イオン交換体３３Ａは、－ＳＯ_３Ｈを官能基とする強酸性イオン交換基を含み、陰イオン交換体３３Ｂは、－ＮＲ_３ＯＨを官能基とする強塩基性イオン交換基を含む。
　ケーシング３１には、流路３４につながる入口部３５及び出口部３６が形成されており、これら入口部３５と出口部３６は、図１に示す流出配管１３に接続される。
　軟水化手段３０の出口部３５には、水分解イオン交換体３３を再生する時に生成する濃縮水を排出するための排水配管１８が、図１に示すように流出配管１３から分岐して設けられている。分岐部には、切換え弁１９が設けられて、流路を切り換えるように構成されている。

　以上のように構成された給湯機について、以下、その動作について説明する。
　まず、給水配管１２を通じて、貯湯ユニット１０の貯湯タンク１１へ原水が供給される。ここで、原水には硬度成分のカルシウムやマグネシウムが含まれている。水源が地下水を利用している地域や温泉地などの場合では、原水はその硬度が１００ｐｐｍ以上の硬水であり、給湯機の加熱手段の配管内にスケールを形成する原因となり得る。
　通常、ヒートポンプ給湯機の沸き上げは、電気代の安価な深夜電力の時間帯に行われる。深夜電力の開始時刻になると、貯湯タンク１１内の硬度の高い低温水が、沸き上げポンプ１５により送られて、流出配管１３を通じて軟水化手段３０に導入される。
　原水中の硬度成分の炭酸カルシウムは、イオン化した状態で、ケーシング３１の入口部３５から流入し、流路３４を流れる。このとき、ケーシング３１に設置された電極３２Ａ、３２Ｂには、直流電圧が印加される。軟水化時において、陽イオン交換体３３Ａ側の電極３２Ａには、プラスの電圧が印加されて、正極となり、陰イオン交換体３３Ｂ側の電極３２Ｂは負極となる。

　この結果、低温水中のカルシウムイオンは陽イオン交換体３３Ａへ、炭酸イオンは陰イオン交換体３３Ｂへ、電気泳動して層内に入り込む。そして、カルシウムイオンは、陽イオン交換体３３Ａの強酸性イオン交換基である－ＳＯ_３Ｈの、水素イオンとイオン交換する。そして、炭酸イオンは、陰イオン交換体３３Ｂの強塩基性イオン交換基である－ＮＲ_３ＯＨの、水酸化物イオンとイオン交換する。こうして、流路３４を流れる低温水中の硬度成分が除去されて、低温水は軟水化される。そして、軟水化された低温水は、ケーシング３１の出口部３６から処理水として流出する。
　この処理水が、流出配管１３を通って、ヒートポンプユニット２０の水熱交換器２２に流入する。
　ヒートポンプサイクルにおいて、圧縮機２１の運転により、空気熱交換器２３内の冷媒が蒸発し、外気から吸熱する。そして、外気から吸熱した冷媒が、圧縮機２１で高温高圧に圧縮され、水熱交換器２２で放熱する。この放熱により、水熱交換器２２内の処理水が加熱される。このようにして、軟水化された低温水が沸き上げられる。
　ここで、加熱された高温水は、その硬度成分が除去されているので、水熱交換器２２の内面に、炭酸カルシウムや硫酸マグネシウムなどのスケール付着を防止することができる。そして、この水熱交換器２２で沸き上げられた高温水が、流入配管１４を通じて、貯湯タンク１１の上部から貯湯タンク１１の内部に導入される。

　このようにして、給湯機での沸き上げ運転時に、軟水化手段３０で低温水が軟水化される。そして、低温水は、切換え弁１９を介して流出配管１３を通り、水熱交換器２２で加熱されて高温水となる。そして高温水が貯湯タンク１１に溜められる。使用者が、風呂（図示せず）などにおいて温水を使用する時は、貯湯タンク１１の上層に貯留する高温水が、風呂の浴槽へ供給される。
　ここで、貯湯タンク１１の下層に存在して、軟水化される原水の温度は、沸き上げ開始前は水道水と同じ温度である。しかしながら、水熱交換器２２での沸き上げが進むと、貯湯タンク１１の上層には、沸き上げられた６０℃以上の高温水が存在する。そのため、この高温水によって、下層の原水が加温される。したがって、沸き上げ時間が進むにつれて、貯湯タンク１１内の下層に存在する硬度の高い原水の温度は高くなる。
　そして、硬度の高い低温水は軟水化手段３０に送られて、軟水化される。これによって、硬度成分であるカルシウムやマグネシウムの陽イオンが、軟水化手段３０の水分解イオン交換体３３の陽イオン交換体３３Ａで、イオン交換される。このとき、原水が加温されているので、イオン交換速度が速くなる。したがって、陽イオン交換体３３Ａの表面上での、イオン交換が活発に行われる。そのため、硬度の高い原水を、より硬度の低い軟水に処理することができる。

　次に、沸き上げ運転中あるいは沸き上げ完了後に、軟水化手段３０の再生運転が行われる。
　軟水化手段３０の再生運転時、貯留タンク１１の下部から一定量の低温水が、沸き上げポンプ１５により送られて、流出配管１３を通じて軟水化手段３０に導入される。そして、切換え弁１９は閉じた状態とする。
　図３に示すように、再生時において、軟水化手段３０の電極３２Ａ、３２Ｂには、軟水化時とは逆方向の電圧が印加される。陰イオン交換体３３Ｂ側の電極３２Ｂが正極となり、陽イオン交換体３３Ａ側の電極３２Ａは負極となる。水分解イオン交換体３３の両側に電圧を印加すると、陽イオン交換体３３Ａと陰イオン交換体３３Ｂの界面中のイオン成分が減少して、界面中の抵抗が高くなる。そして、ある時点で水の解離が行われ、水素イオン及び水酸化物イオンが生成する。
　陽イオン交換体３３Ａでは、軟水化時にイオン交換されたカルシウムイオンが、生成した水素イオンとイオン交換し、陽イオン交換体３３Ａが再生される。そして、カルシウムイオンは流路３４中に放出される。一方、陰イオン交換体３３Ｂでは、軟水化時にイオン交換された炭酸イオンが、生成した水酸化物イオンとイオン交換し、陰イオン交換体３３Ｂが再生される。そして、炭酸イオンは流路３４中に放出される。

　ここで、図２及び図３において、硬度成分が炭酸カルシウムの場合について説明したが、硫酸マグネシウムの場合についても同様の作用で除去することができる。
　また、海水中に含まれる塩化ナトリウムや、地下水に多く含まれる鉄イオンやその他鉛、亜鉛、ヒ素といった重金属類も、陽イオン交換体で除去することが可能である。さらに、腐食の原因となる硝酸イオン、塩素イオンや、リン酸イオン、クロム酸イオン等も、陰イオン交換体で除去することが可能である。
　さらに、本実施例では、陽イオン交換体３３Ａには、強酸性イオン交換基の－ＳＯ_３Ｈを用い、陰イオン交換体３３Ｂには、強塩基性イオン交換基の－ＮＲ_３ＯＨを用いたが、弱酸性イオン交換基、弱塩基性イオン交換基を用いて、陽イオン交換体３３Ａ及び陰イオン交換体３３Ｂを形成してもよい。弱酸性イオン交換基、弱塩基性イオン交換基を用いることで、イオン交換できる成分に制限があるが、イオン交換体の再生率は高くなる。
　このように、水分解イオン交換体３３の両側に、軟水化時とは逆極性の電圧を印加することによって、水解離が行われ、膜の再生が行われる。本実施例の膜状の水分解イオン交換体３３は、陽イオン交換体３３Ａと陰イオン交換体３３Ｂの界面の面積を大きく取ることができるので、水の解離が低電圧で効率的に行われることとなり、膜の再生を低い消費電力で行うことができる。

　一定時間、水分解イオン交換体３３に電圧を印加して再生した後、切換え弁１９により、流路を排水配管１８に切換える。そして、軟水化手段３０の流路３４中の硬度成分の濃縮水を、排水配管１８を通じて外部へ排出する。この排出された濃縮水は、貯湯ユニット１０の下部にある排水溝（図示せず）へ流される。
　濃縮水が排出された後、切換え弁１９は再度閉じた状態とする。そして、再び貯留タンク１１から一定量の水が軟水化手段３０に導入されて、水分解イオン交換体３３の再生が行われる。その後、切換え弁１９により流路が切換えられ、排水配管１８を通じて再生後の濃縮水が排出される。このような運転を数回繰り返すことで、軟水化手段３０の再生が行われる。
　このように、軟水化手段３０で、軟水化と再生を行うので、再生のために別個に電気分解装置を設置する必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができる。

　ここで、軟水化手段３０の再生時に使用される水は、軟水化時と同様に、貯湯タンク１１の下層の低温水である。したがって、沸き上げ時間が進むにつれて、貯湯タンク１１内の下層に存在する低温水は、温度が上昇し、加温された状態で軟水化手段３０に供給される。
　このように、再生時に使用する水が加温されているので、水の解離に必要なエネルギーが低減されると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度が速くなる。これにより、水分解イオン交換体３３の再生が効率よく行われるため、再生時の消費電力を低減することができる。
　さらに、水熱交換器２２による沸き上げを完了した後に、貯湯タンク１１の高温水を軟水化手段３０に導入して、水分解イオン交換体３３の再生を行うことで、６０℃以上の高温水を軟水化手段３０に導入して、水分解イオン交換体３３を再生することができる。従って、さらに水の解離に必要なエネルギーを低減することができると共に、解離した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度を速くすることができる。
　また、軟水化手段３０により処理された軟水によって、水分解イオン交換体３３を再生することで、低電流で水の解離が起き易くなるため、再生時の消費電力をさらに低減することができる。
　また、軟水化手段３０の設置位置は、貯湯タンク１１の上部側面近傍となるように設けることで、貯湯タンク１１の熱によって、軟水化手段３０が加熱されるので、軟水化手段３０を通過する温水を更に加温することができる。
　また、貯湯タンク１１の側面周囲には、タンク内の水温の低下を防止するための断熱材１７が備えられているため、貯湯タンク１１内の温度を維持することができる。そのため、軟水化手段３０に導入される水の温度低下を防止することができる。

　以上のように、本実施例の給湯機は、貯湯タンク１１と水加熱手段２２と軟水化手段３０を設けている。そして、軟水化手段３０は、少なくとも一対の電極３２Ａ、３２Ｂと、それらの電極３２Ａ、３２Ｂに挟まれて設置された陽イオン交換体３３Ａと陰イオン交換体３３Ｂの２層を有する一対の水分解イオン交換体３３と、水分解イオン交換体３３に接する流路３４とから構成され、軟水化手段３０には、水加熱手段２２により沸き上げられた貯湯タンク１１内の温水を導入するよう構成したものである。この構成により、硬度成分の除去と、再生に必要な水の解離との、双方を水分解イオン交換体３３内で行うので、軟水化手段３０と電気分解装置を別個に設置する必要がなく、装置の構成が簡易で小型化を図ることができる。
　また、軟水化手段３０には、加温された温水が導入されるので、イオン交換速度が速くなり、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。
　さらに、水分解イオン交換体３３の再生に使用する水が加温されているので、水の解離に必要なエネルギーを低減すると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度が速くなる。これにより、水分解イオン交換体３３の再生が効率よく行われるため、再生時の消費電力を低減することができる。

　なお、本実施例では、水分解イオン交換体３３が膜状の場合について説明したが、粒状のイオン交換樹脂を陽イオン交換体３３Ａ及び陰イオン交換体３３Ｂとして用いてもよい。この構成であれば、イオン交換樹脂をそのまま用いるので、イオン交換容量が高くなるというメリットがある。
　但し、この構成では、膜状のイオン交換体を用いる構成に比べて、圧力損失が大きくなる。このため、軟水化手段を通過する流量が低下し、通過時間が長くなる。これにより、粒状のイオン交換樹脂を適用した場合は、加温された原水あるいは再生に使用する水の温度が低下し、軟水化時のイオン交換速度あるいは再生時の水の解離速度が低下する。また、陽イオン交換体と陰イオン交換体を電極の極性方向に対して一定に配置することが困難である。従って、再生時のイオン交換体界面でのイオン移動が起き難く、水の解離が非効率的であり、水分解イオン交換体の再生効率が低いという欠点がある。

　さらに、繊維状のイオン交換体を陽イオン交換体３３Ａ及び陰イオン交換体３３Ｂとして用いてもよい。この構成であれば、粒状のイオン交換樹脂に比べて、圧力損失が小さく、必要な処理流量を維持することができる。但し、繊維状は膜状に比べて、陽イオン交換体と陰イオン交換体の界面の面積が小さくなるため、水分解イオン交換体３３の再生効率が低くなるという欠点がある。
　また、本実施例においては、低温水が貯湯タンク１１の下部から取り出され、沸き上げられた高温水が貯湯タンク１１の上部に戻される構成であるが、低温水が貯湯タンク１１の側面下部から取り出され、沸き上げられた高温水が貯湯タンク１１の側面上部に戻される構成でも、同様の効果が得られる。
　また、本実施例では、ヒートポンプサイクルの水加熱手段２２により水加熱する方法を説明したが、ヒーター加熱あるいはガス加熱による方法を適用しても、同様の効果が得られる。

　図４は、本発明の第２の実施例における給湯機の構成図である。
　本実施例の給湯機は、実施例１の給湯機の構成と、再生時の軟水化手段へ水を導入する構成と、再生時の軟水化手段から濃縮水を排出する構成とが異なる。この異なる構成について説明し、他の構成の説明は省略する。
　図４において、再生用流水配管１９Ｃが貯湯タンク１１の上部に開口して接続されている。そして、流出配管１３の経路途中に設置した軟水化手段３０の出口部３６には、第２切換え弁１９Ｂが設けられて、この第２切換え弁１９Ｂは再生用流水配管１９Ｃと接続されている。また、軟水化手段３０の入口部３５には、再生時に凝縮水を排出する排水配管１８と、切換え弁１９Ａとが設けられている。そして、第２切換え弁１９Ｂにより、流路を流出配管１３と再生用流水配管１９Ｃとに切換えられるように構成されている。

　以上のように構成された給湯機について、以下、その動作について説明する。
　軟水化手段３０の軟水化時は、実施例１と同様に、貯湯タンク１１の下部から硬度の高い低温水が、沸き上げポンプ１５によって送られる。そして、切換え弁１９Ａ及び流出配管１３を通じて、軟水化手段３０に導入されて、低温水が軟水化される。このとき、第２切換え弁１９Ｂは、流出配管１３側に流路を設定している。従って、軟水化された水は、ヒートポンプユニット２０に導かれ、水熱交換器２２で沸き上げられる。そして、沸き上げられた高温水が流入配管１４を通じて、貯湯タンク１１の上部に導入されて、貯湯タンク１１の内部に貯湯される。

　次に、軟水化手段３０の再生時には、第２切換え弁１９Ｂは、再生用流水配管１９Ｃから軟水化手段３０の出口部３６へ通じるように、その流路を設定する。そして、一定時間、切換え弁１９Ａの流路を、軟水化手段３０の入口部３５から排水配管１８側へ通じるように切り換える構成とする。この構成で、貯湯タンク１１の上層に存在する６０℃以上の軟水化された高温水が、軟水化手段３０に導入される。そして、切換え弁１９Ａを閉状態にすることで、一定量の軟水化された高温水が軟水化手段３０内に貯留される。
　軟水化手段３０に一定量の軟水化された高温水が貯留されると、実施例１と同様に、電極３２Ａ、３２Ｂには軟水化時とは逆方向の電圧が印加される。そして、水の解離が行われ、水素イオン及び水酸化物イオンが生成する。
　陽イオン交換体３３Ａでは、軟水化時にイオン交換されたカルシウムイオンが、生成した水素イオンとイオン交換し、陽イオン交換体３３Ａが再生される。そして、カルシウムイオンは流路３４中に放出される。一方、陰イオン交換体３３Ｂでは、軟水化時にイオン交換された炭酸イオンが、生成した水酸化物イオンとイオン交換し、陰イオン交換体３３Ｂが再生される。そして、炭酸イオンは流路３４中に放出される。

　一定時間、水分解イオン交換体３３に電圧を印加して再生した後、切換え弁１９Ａの流路を軟水化手段３０から排水配管１８側に通じるように切り換える。これにより、流路３４中の硬度成分の濃縮水が、排水配管１８を通じて外部へ排出される。この排出された濃縮水は、貯湯ユニット１０の下部にある排水溝（図示せず）へ流される。
　そして、軟水化手段３０には、貯湯タンク１１の高温水が上部から新たに導入される。そして、同様に電極３２Ａ、３２Ｂに電圧が印加されて、水分解イオン交換体３３の再生が行われる。その後、切換え弁１９Ａにより流路が切換えられ、排水配管１８を通じて再生後の濃縮水が外部へ排出される。このような運転を数回繰り返すことで、軟水化手段３０の再生が行われる。

　このように、沸き上げ途中でも、６０℃以上の高温の軟水化された高温水を、軟水化手段３０に導入することができるので、水分解イオン交換体３３の再生が効率的に行われ、再生による沸き上げ停止時間を短縮化できる。この時間短縮により、沸き上げ処理時間に対する影響を軽減することができる。その結果、沸き上げ中に、軟水化と再生を繰り返して運転することができるので、水分解イオン交換体３３の面積を大きくして処理容量を上げることなく、貯湯タンク１１に沸き上げられる数百リットルの多量の温水を、一定の硬度の軟水に処理することができる。
　また、水分解イオン交換体３３における再生時の流水方向は、軟水化時の流水方向と逆にされる。軟水化時には、水分解イオン交換体３３では、軟水化手段３０の入口部３５に、硬度成分が多量にイオン交換されて集まった状態となっている。言い換えれば、再生時には、軟水化手段３０の入口部３５で濃縮水の濃度が高くなっている状態となっている。
　したがって、再生時に、軟水化時とは逆方向から軟水化手段３０に高温水を導入する。すなわち、軟水化手段３０の出口部３６から流水する。この逆流水によって、濃縮水が水分解イオン交換体３３の表面全体に広がることなく、排水配管１８から排出される。その結果、水分解イオン交換体３３への濃縮水の再付着を防止することができる。

　以上のように、本実施例の給湯機は、軟水化時には、低温水を貯湯タンク１１の下部から軟水化手段３０に供給して軟水化し、軟水化手段３０の水分解イオン交換体３３の再生時には、温度の高い水を貯湯タンク１１の上部から軟水化手段３０に供給して再生する構成としたものである。
　この構成により、水分解イオン交換体３３の再生が効率的に行われ、再生による沸き上げ停止時間を短縮化できる。また、沸き上げ中に、軟水化と再生を繰り返して運転することができるので、水分解イオン交換体３３（例えば、バイポーラ荷電膜）の面積を大きくして処理容量を上げることなく、貯湯タンク１１に沸き上げられる数百リットルの多量の温水を、一定の硬度の軟水に処理することができる。
　また、再生時には、軟水化時とは逆方向から流水する構成である。この構成により、濃縮水が水分解イオン交換体３３の表面全体に広がることなく、排水配管１８から排出されるので、水分解イオン交換体３３への濃縮水の再付着を防止することができる。

　図５は、本発明の第３の実施例における給湯機の構成図である。
　図５において、軟水化手段３０は、貯湯タンク１１の下部から出た流水配管４の経路途中にあって、ヒートポンプユニット２０内の水熱交換器２２の近傍に設置されている。そして、実施例１と同様に、水分解イオン交換体３３を再生する時に生成する濃縮水を排出する排水配管１８は、軟水化手段３０の出口部３６にて、流出配管１３から分岐して設けられている。その分岐部に切換え弁１９が設けられて、流路を切り換える。そして、排水配管１８は、ヒートポンプユニット２０のドレン口（図示せず）を通じて、ユニット外部へ凝縮水を排出するように構成されている。

　以上のように構成された給湯機について、以下、その動作について説明する。
　給湯機での沸き上げ運転時に、ヒートポンプサイクルが作動すると、水熱交換器２２の放熱によって、流出配管１３を流れる水が沸き上げられる。それと同時に、軟水化手段３０は、水熱交換器２２の近傍に設置されているので、水熱交換器２２の放熱により加温される。これにより、軟水化手段３０内を通過する低温水が、より加温されてイオン交換速度を向上することができる。そのため、硬度の高い低温水を、より硬度の低い軟水に処理することができる。
　また、再生時に使用される低温水も、水熱交換器２２の放熱により加温されるので、再生時の水の解離に必要なエネルギーを低減すると共に、解離して生成した水素イオンによる膜再生時のイオン交換速度を向上することができる。これにより、水分解イオン交換体３３の再生がさらに効率よく行われるため、再生時の消費電力をさらに低減することができる。
　さらに、排水配管１８が、屋外に設置されるヒートポンプユニット２０内に設けられている。そして、ヒートポンプユニット２０のドレン口から、再生時に生成する濃縮水をユニット外部へ排出する。この構成で、再生時に発生して濃縮水中に含まれるガスが大気中に拡散し易くなるので、より安全性を向上することができる。

　以上のように、本実施例の給湯機は、軟水化手段３０を水熱交換器２２の近傍に設置するため、水熱交換器２２の放熱によって軟水化手段３０が加温されるので、軟水化手段３０を通過する低温水が加温されて、イオン交換速度を向上することができる。そのため、硬度の高い原水をより硬度の低い軟水に処理することができる。
　また、再生時の水の解離に必要なエネルギーを低減すると共に、解離して生成した水素イオンによるところの、膜再生時のイオン交換速度を向上することができる。これにより、水分解イオン交換体の再生がさらに効率よく行われるため、再生時の消費電力をさらに低減することができる。
　さらに、再生時の濃縮水の排出が屋外で行われるため、濃縮水中に含まれるガスが大気中に拡散し易くなり、より安全性を向上することができる。

　以上のように、本発明にかかる給湯機は、メンテナンスの必要がなく、且つ装置構成が簡易で小型化を図ることができる。そして、低消費電力量であり、高硬度の原水の硬度成分を除去して再生することができるので、洗濯機や食器洗い機の用途にも適用できる。

Claims

　少なくとも一対の電極と、陽イオン交換体と陰イオン交換体を有する一対の水分解イオン交換体と、前記水分解イオン交換体に接する流路と、前記流路につながる入口部及び出口部とから構成される軟水化手段を備えた給湯機であって、
前記軟水化手段には、加温された温水を導入することを特徴とする給湯機。
　膜状に構成した前記陽イオン交換体と膜状に構成した前記陰イオン交換体とを張り合わせて前記水分解イオン交換体を層構造としたことを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
　水を加温する水加熱手段と、前記水加熱手段で加温された温水を貯湯する貯湯タンクとを備え、前記軟水化手段には前記貯湯タンク内の前記温水を導入することを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
　前記貯湯タンクが、原水を前記貯湯タンクの下部に供給する給水配管と、前記貯湯タンクの下部に貯留する低温水を前記水加熱手段に導入する流出配管と、前記水加熱手段で加熱された高温水を前記貯湯タンクの上部に戻す流入配管とを備えた積層方式のタンクであって、前記軟水化手段を、前記流出配管の途中に設けたことを特徴とする請求項３に記載の給湯機。
　前記水分解イオン交換体の再生時に前記貯湯タンク内の前記温水を用いることを特徴とする請求項３に記載の給湯機。
　軟水化時には、前記貯湯タンクの下部に貯留する前記低温水を前記軟水化手段に導入し、前記水分解イオン交換体の再生時には、前記貯湯タンクの上部に貯留する高温水を前記軟水化手段に導入することを特徴とする請求項４に記載の給湯機。
　再生時には、前記出口部から前記温水を導入し、前記入口部から前記温水を導出することを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
　前記貯湯タンクの周囲に断熱材を備えたことを特徴とする請求項３に記載の給湯機。
　前記軟水化手段を前記貯湯タンクの近傍に設置したことを特徴とする請求項３に記載の給湯機。
　前記軟水化手段は、前記水加熱手段の近傍に設置したことを特徴とする請求項３に記載の給湯機。