本願発明者らは、水中での放電による細菌の繁殖の抑制効果をさらに検討した結果、水中での放電によって該水中の過酸化水素の濃度が増加すること、及びその際の過酸化水素の濃度は水を電気分解する場合と比べて条件によっては100倍程度にもなることを実験的に確認した。これは、放電によって生じた水酸ラジカル及び酸素ラジカルが最終的に過酸化水素になったためと考えられる。
さらに、殺菌能力は、過酸素水素よりも水酸ラジカルの方が高いため、水に超音波を照射して、過酸化水素から水酸ラジカルに戻すことにより、水の浄化能力がより高まることを突き止めた。
本願発明者らは、これらのことを考え合わせ、放電と超音波照射とを組み合わせることにより、水酸ラジカルによる効果的且つ継続的に水を浄化することができると共に、水の過酸化水素濃度を所定の範囲に制御することができることに想到した。
なお、以下の各実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物又はその用途の範囲を制限することを意図しない。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
《発明の実施形態1》
本発明の実施形態1に係る給湯システム(10)の全体構成について、図1を参照しながら説明する。給湯システム(10)は、浴槽(U1)及びシャワー(U2)に温水を供給するシステムである。給湯システム(10)は、いわゆるヒートポンプ式の給湯器であり、熱源ユニット(30)と給湯ユニット(40)とを備えている。
熱源ユニット(30)は、圧縮機(31)と加熱熱交換器(32)と膨張弁(33)と室外熱交換器(34)とを有している。熱源ユニット(30)は、圧縮機(31)、加熱熱交換器(32)、膨張弁(33)及び室外熱交換器(34)が冷媒配管を介して順次接続され、閉回路となる冷媒回路(11)が構成されている。冷媒回路(11)には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。
加熱熱交換器(32)は、一次側伝熱部(32a)と二次側伝熱部(32b)とを有している。一次側伝熱部(32a)は、圧縮機(31)と膨張弁(33)との間の高圧ラインと接続されている。二次側伝熱部(32b)は、給湯ユニット(40)側の第1循環流路(13)と接続されている。加熱熱交換器(32)において、一次側伝熱部(32a)を流れる冷媒と、二次側伝熱部(32b)を流れる水とが熱交換する。室外熱交換器(34)の近傍には、ファン(35)が設けられている。室外熱交換器(34)においては、その内部を流れる冷媒と、ファン(35)が送風する室外空気とが熱交換する。
冷媒回路(11)においては、圧縮機(31)が運転されて冷媒が循環することにより、蒸気圧縮式の冷凍サイクルが実行される。即ち、冷媒回路(11)では、圧縮機(31)により圧縮された冷媒が、一次側伝熱部(32a)で放熱し、膨張弁(33)により減圧される。減圧された冷媒は、室外熱交換器(34)で蒸発し、圧縮機(31)に吸入される。この冷凍サイクルは、冷媒としての二酸化炭素を臨界圧力以上にまで圧縮する、いわゆる超臨界サイクルである。
給湯ユニット(40)は、給湯タンク(41)と内部熱交換器(42)とを有している。
給湯タンク(41)は、縦長の円筒状の密閉容器によって構成されている。給湯タンク(41)は、円筒形の周壁部(41a)と、該周壁部(41a)の上側を閉塞する頂壁部(41b)と、周壁部(41a)の下側を閉塞する底壁部(41c)とから構成されている。給湯タンク(41)には、第1循環流路(13)と第2循環流路(14)と供給流路(15)とが接続されている。給湯タンク(41)には、該給湯タンク(41)に水道水を適宜補給する給水路(20)も接続されている。これらの流路(13,14,15,20)は、給湯タンク(41)と連通する水流路(12)を構成している。
第1循環流路(13)の始端は、給湯タンク(41)の周壁部(41a)の下部と接続され、給湯タンク(41)内の底壁部(41c)寄りに開口している。第1循環流路(13)の終端は、給湯タンク(41)の周壁部(41a)の上部と接続され、給湯タンク(41)内の頂壁部(41b)寄りに開口している。第1循環流路(13)には、第1ポンプ(43)が設けられている。第1ポンプ(43)は、第1循環流路(13)の始端側から終端側の方向(図1の矢印で示す方向)に水を搬送する搬送機構である。第1循環流路(13)には、第1ポンプ(43)の下流側に二次側伝熱部(32b)が接続されている。
第2循環流路(14)の始端は、給湯タンク(41)の周壁部(41a)の下部と接続され、給湯タンク(41)内の底壁部(41c)寄りに開口している。第2循環流路(14)の終端は、給湯タンク(41)の頂壁部(41b)と接続され、給湯タンク(41)内の頂壁部(41b)に開口している。第2循環流路(14)には、第2ポンプ(44)が設けられている。第2ポンプ(44)は、第2循環流路(14)の始端側から終端側の方向(図1の矢印で示す方向)に水を搬送する搬送機構である。第2循環流路(14)には、第2ポンプ(44)の下流側に内部熱交換器(42)の第1伝熱管(42a)が接続されている。
内部熱交換器(42)は、第1伝熱管(42a)と第2伝熱管(42b)とを有している。第1伝熱管(42a)は、第2循環流路(14)と接続されている。第2伝熱管(42b)は、供給流路(15)の第3循環流路(16)と接続されている。
供給流路(15)は、温水を浴槽(U1)及びシャワー(U2)へ供給する出湯流路であって、主供給路(17)、第1分岐路(18)、第2分岐路(19)及び第3循環流路(16)を含んでいる。
主供給路(17)の始端は、給湯タンク(41)の頂壁部(41b)と接続され、給湯タンク(41)内の頂壁部(41b)に開口している。主供給路(17)の終端側は、第1分岐路(18)と第2分岐路(19)とに分岐している。主供給路(17)には、第3ポンプ(45)が設けられている。第3ポンプ(45)は、主供給路(17)の始端側から終端側の方向(図1の矢印で示す方向)に水を搬送する搬送機構である。
第1分岐路(18)の終端は、第3循環流路(16)を介して浴槽(U1)と連通している。即ち、第1分岐路(18)は、浴槽(U1)側へ温水を供給するための浴槽側供給路を構成している。第1分岐路(18)には、第1開閉弁(46)が設けられている。第2分岐路(19)の終端は、シャワー(U2)と接続されている。即ち、第2分岐路(19)は、シャワー(U2)に温水を供給するシャワー側供給路を構成している。第2分岐路(19)には、第2開閉弁(47)が設けられている。
第3循環流路(16)は、浴槽(U1)の水を循環させる浴槽循環流路を構成している。第3循環流路(16)は、供給循環路(16a)と返送循環路(16b)とを有している。供給循環路(16a)の流出端は、浴槽(U1)の内部における上方寄りに開口している。返送循環路(16b)の流入端は、浴槽(U1)の内部における下方寄りに開口している。供給循環路(16a)には、第4ポンプ(48)が設けられている。第4ポンプ(48)は、主供給路(17)側の水、又は返送循環路(16b)側の水を浴槽(U1)に供給する搬送機構である。返送循環路(16b)には、内部熱交換器(42)の第2伝熱管(42b)が接続され、該第2伝熱管(42b)の下流側に第3開閉弁(49)が設けられている。
内部熱交換器(42)においては、第1伝熱管(42a)を流れる水と、第2伝熱管(42b)を流れる水とが熱交換する。給湯ユニット(40)では、返送循環路(16b)を流れる水と比較すると、第2循環流路(14)を流れる水の温度の方が高くなる。このため、内部熱交換器(42)においては、第1伝熱管(42a)を流れる水の熱が、第2伝熱管(42b)を流れる水に付与される。即ち、第2伝熱管(42b)は、第3循環流路(16)を流れる水を加熱する加熱部を構成する。
〈水浄化ユニットの詳細構造〉
図1に示すように、本実施形態に係る給湯システム(10)の給湯ユニット(40)は、水浄化ユニット(60)と、該水浄化ユニット(60)の動作を制御する制御部(50)とを有している。
図2に示すように、水浄化ユニット(60)は、水中での放電によって水中に水酸ラジカル及び過酸化水素等の浄化成分を生成する放電ユニット(放電部)(62)と、生成された過酸化水素から、より殺菌力が高い水酸ラジカルを生成する超音波発生部(94)とを有している。
−放電ユニット−
放電ユニット(62)は、給湯タンク(41)内に設けられている。具体的には、給湯タンク(41)内の底部に放電ユニット(62)が配置されている。
給湯タンク(41)と接続されている第1循環流路(13)の配管は銅管で構成されている。第1循環流路(13)の配管を銅管にしているため、内壁から水中に銅イオンが溶出する。溶出した銅イオンは、温水と共に給湯タンク(41)に戻る。即ち、第1循環流路(13)の配管は、給湯タンク(41)内に銅イオンを供給するイオン供給部を構成している。
図2に示すように、放電ユニット(62)は、電極A(64)及び電極B(65)からなる電極対(64,65)と、該電極対(64,65)に電圧を印加する高電圧発生部(電源部(70))と、電極A(64)を内部に収容する絶縁ケーシング(71)とを有している。
電極対(64,65)は、水中で放電を起こす。電極A(64)は、板状に形成され、絶縁ケーシング(71)の底部上に配置されている。電極A(64)は、高電圧発生部(70)と接続されている。
電極B(65)は、絶縁ケーシング(71)の外部に、即ち上方に設けられている。電極B(65)は、板状で且つ上下方向に貫通する複数の貫通孔(66)を有するメッシュ状又はパンチングメタル状に構成されている。電極B(65)は、電極A(64)とほぼ平行に配設される。また、電極B(65)は、高電圧発生部(70)と接続されている。これらの電極(64,65)は、耐腐食性が高い導電性の材料により構成されている。
高電圧発生部(70)は、例えば電極対(64,65)に所定の電圧を印加する電源により構成されていてもよい。即ち、高電圧発生部(70)は、電極対(64,65)に対して瞬時的に高電圧を繰り返し印加するパルス電源ではなく、電極対(64,65)に対して常に数キロボルト程度の電圧を印加する電源であってもよい。また、高電圧発生部(70)には、電極対(64,65)の放電電流を所定の値に制御する定電流制御部が設けられている(図示せず)。
絶縁ケーシング(71)は給湯タンク(41)の底部上に配置されている。絶縁ケーシング(71)は、例えばセラミックス等の絶縁材料により構成される。絶縁ケーシング(71)は、一面(上面)が開放された容器状のケース本体(72)と、該ケース本体(72)の上端の開放部を閉塞する板状の蓋部(仕切板)(73)とを有している。
ケース本体(72)は、角型筒状の側壁部(72a)と、該側壁部(72a)の底面を閉塞する底部(72b)とを有している。電極A(64)は、底部(72b)の上側に固定されている。絶縁ケーシング(71)は、蓋部(73)と底部(72b)との間の上下方向の距離が、電極A(64)の厚さよりも長くなっている。即ち、電極A(64)と蓋部(73)との間には、所定の間隔が確保されている。これにより、絶縁ケーシング(71)の内部では、電極A(64)とケース本体(72)と蓋部(73)との間に空間(S)が形成される。
図2及び図3に示すように、絶縁ケーシング(71)の蓋部(73)には、該蓋部(73)を厚さ方向に貫通する少なくとも1つの開口部(74)が形成されている。この開口部(74)により、電極A(64)と対向電極(65)との間での電界の形成が許容される。蓋部(73)の開口部(74)の内径は、0.02mm以上且つ0.5mm以下であることが好ましい。以上のような開口部(74)は、電極対(64,65)の間の電流経路の電流密度を上昇させる電流密度集中部を構成している。
以上のように、絶縁ケーシング(71)は、電極対(64,65)のうちの一方の電極(電極A(64))のみを内部に収容し、且つ電流密度集中部としての開口部(74)を有する絶縁部材を構成している。
加えて、絶縁ケーシング(71)の開口部(74)内では、電流経路の電流密度が上昇することにより、水がジュール熱によって気化して気泡が形成される。即ち、絶縁ケーシング(71)の開口部(74)は、該開口部(74)に気相部としての気泡を形成する気相形成部として機能する。
−超音波発生部−
図2に示すように、超音波発生部(94)は、板状の圧電セラミックス(95)と、厚さ方向の両側から圧電セラミックス(95)を挟むように設けられた一対の金属板(96a,96b)とから構成される。超音波発生部(94)を封入するケース(97)は密閉され、給湯タンク(41)の、例えば底部に配置される。
金属板(96a,96b)には、増幅器(49)によって増幅された超音波波形発生部(48)の出力信号(交流電圧)が供給される。これにより、超音波発生部(94)は任意の周波数の超音波を給湯タンク(41)の水に照射する。但し、過酸化水素を分解して水酸ラジカルを効率良く発生させるには、超音波の周波数が100kHz以上程度であれば特に好ましい。
なお、超音波発生部(94)は、給湯タンク(41)の水に超音波を照射できる範囲で任意の位置に設置されていてもよい。例えば、図4(a)に示すように、超音波発生部(94)が給湯タンク(41)の底部外側に設置されていてもよい。超音波発生部(94)が給湯タンク(41)の底部の外側に設置されている場合は、超音波は給湯タンク(41)の底部及び壁面を介して水中に伝達される。
また、超音波発生部(94)の構成は、図1に示す例に限られない。例えば、図4(b)に示すように、金属ケース(97a)の上部と金属板(96)とによって板状の圧電セラミックス(95)を挟み、両者の間に交流電圧を供給する構成であってもよい。
〈制御部の詳細構造〉
制御部(50)は、高電圧発生部(70)と接続された放電波形発生部(53)と、放電部(62)の電極対(64,65)に印加する電圧のオン又はオフを制御する制御部(51)と、増幅器(59)を介して超音波発生部(94)に所定の周波数の交流電圧を供給する超音波波形発生部(58)と、該超音波波形発生部(58)を介して超音波発生部(94)の動作を制御する制御部(55)と、給湯タンク(41)の水中の過酸化水素濃度をモニタするセンサ(57)とを有している。
なお、制御部(51,55)による放電ユニット(62)及び超音波発生部(94)に対する制御方法は、後述する。また、いわゆるフィードフォワード制御を行う場合は、センサ(47)は必ずしも設けられなくてもよい。
−給湯システムの運転動作−
給湯システム(10)の基本的な運転動作について図1を参照しながら説明する。本給湯システム(10)においては、浴槽内へ温水を供給する「給湯運転」と、浴槽内の水を循環させながら加熱する「追い焚き運転」とが可能である。
〈給湯運転〉
給湯運転を行う際には、熱源ユニット(30)を構成する圧縮機(31)が運転され、冷媒回路(11)において冷凍サイクルが実行される。給湯ユニット(40)では、第1ポンプ(43)及び第3ポンプ(45)が運転され、第2ポンプ(44)及び第4ポンプ(48)が停止状態となる。また、第1開閉弁(46)及び第2開閉弁(47)が開放状態となり、第3開閉弁(49)は閉鎖状態となる。
第1ポンプ(43)が運転されると、給湯タンク(41)の水が第1循環流路(13)に流出する。流出した水は、加熱熱交換器(32)の二次側伝熱部(32b)を流れる。加熱熱交換器(32)では、一次側伝熱部(32a)を流れる冷媒の熱が、二次側伝熱部(32b)を流れる水に放出され、放出された水が所定の温度にまで加熱される。加熱された水は、第1循環流路(13)を経由して給湯タンク(41)に流入する。これにより、給湯タンク(41)の内部には、所定の温度の温水が蓄えられる。また、このとき、第1循環流路(13)の配管から水中へ銅イオンが溶出し、その銅イオンが給湯タンク(41)へ導入される。
第3ポンプ(45)が運転されると、給湯タンク(41)の水(温水)は、主供給路(17)に流出し、第1分岐路(18)と第2分岐路(19)とに分流する。第1分岐路(18)を流れる水は、第3循環流路(16)の供給循環路(16a)に流入する。流入した水は、供給循環路(16a)から浴槽(U1)に放出される。これにより、浴槽(U1)に所定の温度の温水が供給される。一方、第2分岐路(19)を流れた水は、シャワー(U2)側に供給される。
〈追い焚き運転〉
追い焚き運転を行う際には、熱源ユニット(30)を構成する圧縮機(31)が運転され、冷媒回路(11)において冷凍サイクルが実行される。給湯ユニット(40)では、第1ポンプ(43)、第2ポンプ(44)及び第4ポンプ(48)が運転される。また、第1開閉弁(46)が閉鎖状態となり、第2開閉弁(47)及び第3開閉弁(49)が開放状態となる。
第1ポンプ(43)が運転されると、給湯タンク(41)の水が第1循環流路(13)を流れる。これにより、第1循環流路(13)の水は、加熱熱交換器(32)で加熱されて給湯タンク(41)へ返送される。
第2ポンプ(44)が運転されると、給湯タンク(41)の水は、第2循環流路(14)に流出する。流出した水は、内部熱交換器(42)の第1伝熱管(42a)を流れる。内部熱交換器(42)においては、第1伝熱管(42a)を流れる水の熱が、第2伝熱管(42b)を流れる水に放出される。第1伝熱管(42a)で放熱した水は、第2循環流路(14)を経由して給湯タンク(41)に流入する。
第4ポンプ(48)が運転されると、浴槽(U1)の水は第3循環流路(16)の返送循環路(16b)に吸い込まれる。返送循環路(16b)を流れる水は、内部熱交換器(42)により加熱され、その後、供給循環路(16a)を通って再度浴槽(U1)に供給される。これにより、浴槽(U1)の水の温度が徐々に高くなっていく。
−水浄化ユニットの運転動作−
本実施形態に係る給湯システム(10)においては、水浄化ユニット(60)が運転されることにより、給湯タンク(41)の水が浄化される。このような水浄化ユニット(60)による水の浄化動作について詳細に説明する。なお、水浄化動作は、主に「給湯運転」時に実行されるが、「追い焚き運転」時にも行って給湯タンク(41)の温水を常に清浄にしておくとよい。
図5は、実施形態1に係る水浄化ユニット(60)による運転動作の基本サイクルを示している。図5に示す基本サイクルによると、給湯タンク(41)に溜められた水は、放電ユニット(62)を構成する電極対(64,65)の間に生起される放電によって浄化される。この際に、放電によって水中に水酸ラジカル等の活性種が生成し、有機物等の分解及び殺菌等が行われる(図5中のステップSt1、St2)。水酸ラジカルは、短時間で過酸化水素に変化する(ステップSt3)。
次に、水浄化ユニット(60)を構成する超音波発生部(94)から水中に超音波を伝搬させ、水中の過酸化水素を分解して、水酸ラジカルに変化させる(ステップSt4)。超音波の照射により発生した水酸ラジカルは、再度過酸化水素に変化する。但し、除菌等、水の浄化反応に使われた水酸ラジカルは水に変化するため、放電を停止して超音波照射のみを行った場合には、過酸化水素の濃度は低下して行くことになる。
以下、放電と超音波処理とを組み合わせた給湯タンクの運転制御の具体例について説明する。図6(a)は、水中の過酸化水素の濃度を用いてフィードバック制御を行う場合の運転制御の一例を示すタイムチャートである。以下の方法では、水中の過酸化水素はセンサ(57)によって検知される。
まず、水浄化ユニット(60)の運転の開始時には、図2に示すように、絶縁ケーシング(71)が空間(S)の中まで浸水した状態となっている。高電圧発生部(70)から電極対(64,65)に所定の電圧(例えば1kV)が印加されると、電極対(64,65)の間に電界が形成される。電極A(64)の周囲は、絶縁ケーシング(71)によって覆われている。このため、電極対(64,65)の間での漏れ電流が抑制されると共に、開口部(74)内の電流経路の電流密度が上昇した状態となる。
開口部(74)内の電流密度が上昇すると、開口部(74)内のジュール熱が大きくなる。その結果、絶縁ケーシング(71)では、開口部(74)の近傍において、水の気化が促進されて気泡が形成される。形成された気泡は、開口部(74)のほぼ全域を覆う状態となり、対向電極(65)と導通する負極側の水と、正極側の電極A(64)との間に気泡が介在するようになる。従って、この状態では、気泡が、電極A(64)と電極B(65)との間での水を介した導電を阻止する抵抗として機能する。これにより、電極A(64)と電極B(65)との間の漏れ電流が抑制され、電極対(64,65)の間では、所望の電位差が保たれることになる。すると、気泡内では、絶縁破壊に伴って放電が発生する。
以上のようにして、気泡内で放電が発生すると、給湯タンク(41)の水中では、水酸ラジカル等の活性種及び過酸化水素等が生成される。水酸ラジカル等の活性種及び過酸化水素は、放電に伴う熱によって給湯タンク(41)内を対流する。これにより、水中での活性種及び過酸化水素の拡散が促される。また、気泡内で放電が発生すると、発生した放電に伴って、気泡によるイオン風を生成し易くなる。これにより、給湯タンク(41)内では、生成されたイオン風を利用して、活性種及び過酸化水素の拡散効果をさらに向上することができる。なお、この段階では、超音波発生部(94)はオフ状態にしておく。これにより、水が浄化されると共に、水中の過酸化水素の濃度が上昇する。
その後、水中の過酸化水素濃度が、あらかじめ設定された下限値を超えた場合は、制御部(51)は電極対(64,65)への電圧の供給を継続させ、且つ、制御部(55)は、超音波発生部(94)をオン状態として水中に超音波を照射させる。これにより、放電により生成された水酸ラジカルと、過酸化水素から生成された水酸ラジカルとによって水が浄化される。放電によって生成される過酸化水素の量は、超音波によって分解される過酸化水素の量よりも多いため、この期間にも水中の過酸化水素の濃度は上昇する。
次に、水の過酸化水素濃度があらかじめ設定された上限値を超えた場合は、制御部(51)は電極対(64,65)への電圧の供給を停止して、放電を停止させる。一方、制御部(55)は、引き続き超音波発生部(94)をオン状態として水中に超音波を照射させる。これにより、過酸化水素から生成された水酸ラジカルによって水が浄化される。この期間には、超音波によって過酸化水素が分解されるため、水中の過酸化水素の濃度は減少する。
その後、水の過酸化水素濃度が上述の下限値を下回った時点で、制御部(51)は電極対(64,65)への電圧の供給を再開する。これにより、水中の過酸化水素の濃度は再び上昇する。これ以後、同様に超音波照射のみを行う期間と超音波照射と放電とを組み合わせる期間とを繰り返すことにより、水中の過酸化水素濃度を下限値以上、且つ上限値以下の範囲に制御しながら、水を浄化することができる。
また、上述したように、第1循環流路(13)の配管に銅管を用いているため、給湯タンク(41)へは、第1循環流路(13)の配管から水中に溶出した銅イオンが導入される。過酸化水素及び銅イオンの存在下では、フェントン反応により、銅イオンが触媒的に作用して水酸ラジカルの生成が促進される。これにより、水酸ラジカルによる水の浄化効率が向上する。加えて、銅イオンは菌の繁殖を抑制する効果があるため、水中での殺菌作用も高くなる。
以上のように、水中に拡散した水酸ラジカル等の活性種は、水中に含まれる被処理成分(例えばアンモニア等)を酸化分解して水の浄化に利用される。また、水中に拡散した過酸化水素は、水の殺菌に利用される。「給湯運転」の場合は、このような水浄化動作が適宜実行され、浄化された水が浴槽(U1)及びシャワー(U2)に供給される。これにより、本実施形態に係る給湯システム(10)では、浴槽(U1)の清浄度が保たれる。また、「追い焚き運転」の場合も、給湯タンク(41)の温水を清浄に保つことができる。
−実施形態1の効果−
実施形態1においては、給湯タンク(41)の水中で放電を行って、水酸ラジカルと、該水酸ラジカルが変化した過酸化水素とを生成するようにしている。過酸化水素は、次亜塩素酸と比較して、水温が上昇しても分解されにくい。具体的には、過酸化水素であれば、水温が約40℃の条件下で約1時間放置されても、約8%程度しか濃度が低下しない。このため、実施形態1においては、給湯タンク(41)の水温が高温となっても、充分な殺菌効果を得ることができる。また、トリハロメタンが生成されることも防止することができる。
さらに、実施形態1においては、超音波発生部(94)から水中に超音波を照射することにより、放電により生成され、その後変化した過酸化水素よりも殺菌力が高い水酸ラジカルに変換することができる。
その上、水中での放電と水中への超音波照射とを組み合わせることにより、水中の過酸化水素濃度を上昇させることなく、浄化能力の向上を図ることが可能となる。
また、実施形態1においては、給湯タンク(41)の中に水浄化ユニット(60)を設けている。このため、水浄化ユニット(60)により生成された過酸化水素及び活性種を浴槽(U1)に供給することができる。これにより、浴槽(U1)の壁面の除菌及び洗浄を行うことができる。また、シャワー(U2)へも綺麗な水を供給できる。
実施形態1においては、給湯タンク(41)の水温が比較的に高温に維持される。給湯タンク(41)の水温が高温になると、熱による殺菌効果が向上する。加えて、過酸化水素の活性が高まり、過酸化水素による殺菌効果も向上する。従って、水浄化ユニット(60)による殺菌性能を高められる。
実施形態1においては、第1循環流路(13)の配管を銅管としている。このため、第1循環流路(13)の配管から水中に溶出した銅イオンを給湯タンク(41)に適宜供給することができる。給湯タンク(41)内において、過酸化水素と銅イオンとが併存した状態になると、フェントン反応により、水酸ラジカルの生成が促される。従って、生成された水酸ラジカルを用いて水中の有害物質を効果的に酸化分解することができる。
〈実施形態1の運転動作の一変形例〉
以下、実施形態1に係る給湯システムの運転動作の一変形例について説明する。
図6(b)は、過酸化水素の濃度変化の測定値を用いてフィードフォワード制御を行う場合の運転制御の一例を示すタイムチャートである。
フィードフォワード制御される給湯システムには、必ずしもセンサ(57)が設けられていなくてもよい。但し、放電のみを行った場合に給湯タンク(41)の水中の過酸化水素の濃度が0から下限値に達するまでに要する時間T1、放電と超音波照射とを同時に行った場合に水中の過酸化水素の濃度が下限値から上限値になるまでに要する時間T2、及び超音波照射のみを行った場合に上限値から下限値に達するのに要する時間T3を、それぞれあらかじめ測定しておき、それらの測定データを制御部(51,55)の内部又は外部に設けられたメモリ等(図示せず)に保持しておく。制御部(51,55)は、測定データに基づいて以下の制御を行う。また、制御部(51,55)の内部又は外部には、時間をカウントするタイマを設けておく。
本変形例に係る制御方法において、まず、制御部(51)は、電極対(64,65)の間に所定の電圧を印加させ、放電を生起させる。この際、超音波発生部(94)はオフ状態にしておく。これにより、水が浄化されると共に、水中の過酸化水素の濃度が上昇する。
次に、運転開始から時間T1が経過した時点で、制御部(51)は電極対(64,65)への電圧の供給を継続させ、制御部(55)は、超音波発生部(94)をオン状態にして水中に超音波を照射させる。これにより、放電により生成された水酸ラジカルと、過酸化水素から生成された水酸ラジカルとによって水が浄化される。この期間も水中の過酸化水素の濃度は上昇する。
次に、時間T2が経過した時点で、制御部(51)は電極対(64,65)への電圧の供給を停止し、放電を停止させる。制御部(55)は、引き続き超音波発生部(94)をオン状態として水中に超音波を照射させる。これにより、過酸化水素から生成された水酸ラジカルによって水が浄化される。この期間に、水中の過酸化水素の濃度は減少する。
次に、さらに時間T3が経過した時点で、制御部(51)は電極対(64,65)への電圧の供給を再開し、この状態を時間T2の間だけ継続する。これにより、水中の過酸化水素の濃度は再び上昇する。これ以後、同様に超音波照射のみを行う期間(時間T3)と超音波照射と放電とを組み合わせる期間(時間T2)とを繰り返すことにより、水中の過酸化水素濃度を下限値以上且つ上限値以下の範囲に制御しつつ、水を浄化する。
以上の制御方法によっても、水中の過酸化水素の濃度を下限値以上、且つ上限値以下の範囲に制御しながら、水を浄化することができる。なお、これは運転動作の一変形例であって、他の方法によっても水(温水)の浄化を行うことができる。
〈実施形態1の構成の一変形例〉
実施形態1においては、絶縁ケーシング(71)の蓋部(73)に1つの開口部(74)が形成されている。しかしながら、例えば図7及び図8に示すように、絶縁ケーシング(71)の蓋部(73)に複数の開口部(74)を設けてもよい。本変形例においては、絶縁ケーシング(71)の蓋部(73)がほぼ正方形の板状に形成され、該蓋部(73)に複数の開口部(74)が間隔をおいて碁盤目状に配列されている。一方、放電電極(64)及び対向電極(65)は、全ての開口部(74)に跨るような正方形の板状に形成されている。
本変形例においても、各開口部(74)が、電流密度集中部及び気相形成部として機能する。これにより、高電圧発生部(70)から電極対(64,65)に電圧が印加されると、各開口部(74)の電流密度が上昇して、各開口部(74)にそれぞれ気泡が形成される。その結果、各気泡においてそれぞれ放電が生起されて、水酸ラジカル等の活性種及び過酸化水素が生成される。
《発明の実施形態2》
実施形態2に係る給湯システム(10)は、上述した実施形態1と放電ユニット(62)の構成が異なる。以下には、実施形態1と異なる点を主として説明する。
図9に示すように、実施形態2の放電ユニット(62)は、給湯タンク(41)の外側から内部に向かって挿入されて固定される、いわゆるフランジユニット式に構成されている。また、実施形態2の放電ユニット(62)は、放電電極(64)と対向電極(65)と絶縁ケーシング(71)とが一体的に組立てられている。
実施形態2の絶縁ケーシング(71)は、大略の外形が円筒状に形成されている。絶縁ケーシング(71)は、ケース本体(72)と蓋部(仕切板)(73)とを有している。
絶縁ケーシング(71)のケース本体(72)は、ガラス質又は樹脂製の絶縁材料によって構成されている。ケース本体(72)は、円筒状の基部(76)と、該基部(76)から給湯タンク(41)側に向かって突出する筒状壁部(77)と、該筒状壁部(77)の外縁部からさらに給湯タンク(41)側に向かって突出する環状凸部(78)とを有している。また、ケース本体(72)には、環状凸部(78)の先端側に先端筒部(79)が一体に形成されている。基部(76)の軸心部には、円柱状の挿入口(76a)が軸方向に延びて貫通形成されている。筒状壁部(77)の内側には、挿入口(76a)と同軸となり、且つ挿入口(76a)よりも大径となる円柱状の空間(S)が形成されている。
実施形態2の蓋部(73)は、ほぼ円板状に形成されて環状凸部(78)の内側に嵌合している。蓋部(73)は、セラミックス材料で構成されている。蓋部(73)の軸心には、実施形態1と同様に、蓋部(73)を上下に貫通する円形状の1つの開口部(74)が形成されている。
放電電極(64)は、軸直角断面が円形状となる縦長の棒状電極により構成されている。放電電極(64)は、基部(76)の挿入口(76a)と嵌合している。これにより、放電電極(64)は、絶縁ケーシング(71)の内部に収容される。実施形態2においては、放電電極(64)の給湯タンク(41)とは反対側の端部(端面)が、給湯タンク(41)の外部に露出する状態となる。このため、給湯タンク(41)の外部に配置される放電用の電源部(70)と放電電極(64)とを電気配線によって容易に接続することができる。
放電電極(64)のうち給湯タンク(41)側の端部(64c)は、絶縁ケーシング(71)の内部の空間(S)に臨んでいる。なお、図9に示す例では、放電電極(64)の端部(64c)が、挿入口(76a)の開口面よりも上側(給湯タンク(41)側)に突出しているが、該端部(64c)の先端面を挿入口(76a)の開口面とほぼ面一としてもよく、また、該端部(64c)を挿入口(76a)の開口面よりも下側に陥没させてもよい。また、放電電極(64)は、実施形態1と同様に、開口部(74)を有する蓋部(73)との間に所定の間隔が確保されている。
対向電極(65)は、円筒状の電極本体(65c)と、該電極本体(65c)から径方向外方へ突出する鍔部(65d)とを有している。電極本体(65c)は、絶縁ケーシング(71)のケース本体(72)に外嵌している。鍔部(65d)は、給湯タンク(41)の底壁部(41c)に固定されて放電ユニット(62)を保持する固定部を構成している。放電ユニット(62)が給湯タンク(41)に固定された状態では、対向電極(65)の電極本体(65c)の一部が水中に浸漬した状態となる。つまり、鍔部(65d)は、電極本体(65c)の軸方向の中間部分に形成されている。
対向電極(65)は、電極本体(65c)よりも小径の内側筒部(65e)と、該内側筒部(65e)と電極本体(65c)との間に亘って形成される連接部(65f)とを有している。内側筒部(65e)及び連接部(65f)は、給湯タンク(41)の水中に浸漬している。また、対向電極(65)は、給湯タンク(41)内で水中に位置する先端側の部分が二重管構造になっている。内側筒部(65e)は、その内部に円柱空間(67)を形成している。放電電極(64)と対向電極の内側筒部(65e)は、蓋部(73)を挟んで両側に位置している。
内側筒部(65e)の軸方向の一端は、蓋部(73)と当接して該蓋部(73)を保持する保持部を構成している。また、電極本体(65c)と内側筒部(65e)と連接部(65f)の間には、ケース本体(72)の先端筒部(79)が内嵌している。内側筒部(65e)の軸方向の他端側には、円柱空間(67)を覆うようにメッシュ状の漏電防止材(68)が設けられている。漏電防止材(68)は、対向電極(65)と接触することにより、実質的にアースされている。これにより、漏電防止材(68)は、給湯タンク(41)の内部の空間(水中)のうち、円柱空間(67)の内側から外側への漏電を防止している。
対向電極(65)は、電極本体(65c)の一部が給湯タンク(41)の外部に露出する。このため、放電用の電源部(70)と対向電極(65)とを電気配線によって容易に接続することができる。
なお、本実施形態においては、電源部(70)に直流電源を用いたが、これに限られず、交流電源又はパルス電源を用いることができる。
−水浄化ユニットの運転動作−
実施形態2に係る給湯システム(10)においても、水浄化ユニット(60)が、上述したように、超音波発生部(94)を用いた制御方法によって運転されることにより、給湯タンク(41)の水が浄化される。
水浄化ユニット(60)の運転の開始時には、図9に示すように、絶縁ケーシング(71)の内の空間(S)に浸水した状態となっている。電源部(70)から電極対(64,65)に所定の直流電圧(例えば1kV)が印加されると、開口部(74)の内部の電流密度が上昇していく。
図9に示す状態から、電極対(64,65)へさらに直流電圧が継続して印加されると、開口部(74)内の水が気化されて気泡(B)が形成される(図10を参照。)。この状態では、気泡(B)が開口部(74)のほぼ全域を覆う状態となって、円柱空間(67)内の負極側の水と放電電極(64)との間に気泡(B)による抵抗が付与される。これにより、放電電極(64)と対向電極(65)との間の電位差が保たれ、気泡(B)内で放電が発生する。その後、超音波発生部(94)から、水中に超音波を適宜照射することにより、水中では、水酸ラジカル及び該水酸ラジカルが変化した過酸化水素が生成され、これらの成分が水の浄化に利用される。
〈実施形態2の一変形例〉
実施形態2においては、円板状の蓋部(73)の軸心に1つの開口部(74)を設けているが、該蓋部(73)に複数の開口部(74)を設けてもよい。図11に示す例では、蓋部(73)の軸心を中心とする仮想ピッチ円上に、5つの開口部(74)が等間隔で配列されている。このように、蓋部(73)に複数の開口部(74)を形成することにより、各開口部(74)の近傍で、それぞれ放電を生起させることができる。
《発明の実施形態3》
実施形態3に係る給湯システム(10)は、上述した実施形態1と放電ユニット(62)の構成が異なる。以下には、実施形態1と異なる点を主として説明する。
図12は、本発明の実施形態3に係る水浄化ユニット(60)の概略構成を示している。図12においては、実施形態1に係る水浄化ユニット(60)と同等の構成については、図2と同一の符号を付している。また、制御部(50)は、図12においては図示を省略しているが、実際には実施形態3に係る水浄化ユニット(60)に設けられている。以下では、主に実施形態1に係る水浄化ユニット(60)と異なる点について説明する。
実施形態3に係る水浄化ユニット(60)は、給湯タンク(41)の底部寄りの壁面上に配置された電極対(64a,65a)と、該電極対(64a,65a)と接続された高電圧発生部(電源部)(70a)と、給湯タンク(41)の底部に設置された超音波発生部(94)とを有している。
電極(64a)は絶縁ケーシング(71a)の内部に収納され、電極(65a)は絶縁ケーシング(71b)の内部に収納されている。電極(64a)及び電極(65a)は、それぞれ板状に形成されている。また、電極(64a)及び電極(65a)は耐腐食性が高い導電性材料により構成されている。高電圧発生部(70a)は、数キロボルト程度の電圧を電極対(64a,65a)に供給する。
絶縁ケーシング(71a,71b)は、例えばセラミックス等の絶縁材料により構成されており、図1に示す絶縁ケーシング(71)と同等の構成を有している。
すなわち、絶縁ケーシング(71a)は、一面(図12では右側の面)が開放された容器状のケース本体(180a)と、該ケース本体(180a)の開放部を閉塞する板状の蓋部(73a)とを有している。また、絶縁ケーシング(71b)は、一面(図12では左側の面)が開放された容器状のケース本体(180b)と、該ケース本体(180b)の開放部を閉塞する板状の蓋部(73b)とを有している。
絶縁ケーシング(71a)の蓋部(73a)には、該蓋部(73a)を厚さ方向に貫通する1つの開口部(74a)が形成されている。絶縁ケーシング(71b)の蓋部(73b)にも、該蓋部(73b)を厚さ方向に貫通する1つの開口部(74b)が形成されている。これらの開口部(74a,74b)により、電極(64a)と電極(65a)との間の電界の形成が許容されている。開口部(74a,74b)の内径は、0.02mm以上且つ0.5mm以下であることが好ましい。以上のような開口部(74a,74b)は、電極対(64a,65a)の間の電流経路の電流密度を上昇させる電流密度集中部を構成する。
絶縁ケーシング(71a,71b)は、給湯タンク(41)内に、蓋部(73a,73b)同士が対向するように設置されている。言い換えれば、一の電極(64a)と他の電極(65a)とは互いに対向するよう配置されている。
絶縁ケーシング(71a,71b)の開口部(74a,74b)内では、電流経路の電流密度が上昇することで、水がジュール熱によって気化して気泡が形成される。つまり、絶縁ケーシング(71a,71b)の開口部(74a,74b)は、該開口部(74a,74b)に気相部としての気泡を形成する気相形成部として機能する。この構成により、交流電圧が電極対(64a,65a)に供給された場合に電極対(64a,65a)の間の気泡内に放電を生起させることができる。
なお、超音波発生部(94)の具体的な構成は実施形態1に係る水浄化ユニット(60)と同等である。
−実施形態3の効果−
このように、実施形態3に係る給湯システムを、図6(a)又は図6(b)に示す制御方法によって運転することにより、水中の過酸化水素の濃度を所定の範囲内に保持しながら、給湯タンク(41)の水を効果的に浄化することができる。
《発明の実施形態4》
実施形態4に係る給湯システム(10)は、上述した実施形態1と放電ユニット(62)の構成が異なる。以下には、実施形態1と異なる点を主として説明する。
図13は、本発明の実施形態4に係る水浄化ユニット(60)の概略構成を示している。図13においては、実施形態1に係る水浄化ユニット(60)と同等の構成については、図2と同一の符号を付している。また、制御部(50)は、図13においては図示を省略しているが、実際には実施形態4に係る水浄化ユニット(60)に設けられている。以下では、主に実施形態1に係る水浄化ユニット(60)と異なる点について説明する。
実施形態4に係る水浄化ユニット(60)は、給湯タンク(41)の底部寄りの壁面上に配置された電極対(64,65)と、該電極対(64,65)と接続された高電圧発生部(電源部)(70b)と、給湯タンク(41)の底部に設置された超音波発生部(94)とを有している。
実施形態4に係る水浄化ユニット(60)においては、電極A(64)及び電極B(65)が高電圧発生部(70b)の正極側及び負極側にそれぞれ接続され、高電圧発生部(70b)から電極対(64,65)に高電圧のパルス電圧が供給される。
また、電極A(64)には、該電極A(64)を囲む絶縁ケーシング(71)は設けられない。電極A(64)及び電極B(65)は共に板状であり、給湯タンク(41)内の壁面上に、互いに対向するように設置される。但し、エアポンプ(99)によって給湯タンク(41)に外部から気体を供給してもよい。
さらに、水浄化ユニット(60)には、例えば給湯タンク(41)の底部等の、少なくとも電極対(64,65)の間であって、該電極対(64,65)よりも低い位置に設けられたノズル(吐出手段)(119)と、該ノズル(119)に空気等の気体を送るエアポンプ(送出手段)(99)とが設けられている。エアポンプ(99)によって給湯タンク(41)内の気体は、ノズル(119)を介して循環される。
超音波発生部(94)の構成は、実施形態1に係る水浄化ユニット(60)と同等である。超音波発生部(94)は、給湯タンク(41)の底部に設置されていてもよい。なお、給湯タンク(41)の水に超音波を照射できる限りは、任意の位置に設置可能である。
ノズル(119)からは、少なくとも放電処理を行う期間に、水中へ泡が吐出される。水中に泡が存在する状態で、電極対(64,65)にパルス電圧を供給することにより、泡の内部で放電が生起されて、水酸ラジカルが生成する。
実施形態4に係る給湯システムは、実施形態1に係る給湯システムと基本的に同一の制御方法、すなわち、図6(a)又は図6(b)に示す制御方法により、放電と超音波照射とを組み合わせた水(温水)の浄化が行われる。但し、図6(a)及び図6(b)に示す放電処理の期間には、高電圧発生部(70b)から電極対(64,65)へとパルス電圧が間欠的に供給され、電極対(64,65)の間には放電が間欠的に生起される。
−実施形態4の効果−
実施形態4に係る水浄化ユニット(60)を有する給湯システムの構成及び制御方法によれば、電極対(64,65)の間にパルス放電を発生させる場合でも効率良く水酸ラジカルを発生させることができるので、超音波照射と組み合わせることにより、過酸化水素濃度を上昇させることなく、高い浄化能力を発揮することができる。
《発明の実施形態5》
実施形態5に係る給湯システム(10)は、上述した実施形態1と放電ユニット(62)の構成が異なる。以下には、実施形態1と異なる点を主として説明する。
図14は、本発明の実施形態5に係る水浄化ユニット(60)の概略構成を示している。図14においては、実施形態1に係る水浄化ユニット(60)と同等の構成については、図2と同一の符号を付している。また、制御部(50)は、図14においては図示を省略しているが、実際には実施形態5に係る水浄化ユニット(60)に設けられている。以下では、主に実施形態1に係る水浄化ユニット(60)と異なる点について説明する。
実施形態5に係る水浄化ユニット(60)は、給湯タンク(41)の底部寄りの壁面上に配置された電極対(64b,65b)と、該電極対(64b,65b)と接続された高電圧発生部(電源部)(70c)と、給湯タンク(41)の底部に設置された超音波発生部(94)とを有している。
一の電極(64b)と他の電極(65b)とは、それぞれ給湯タンク(41)の底部寄りの壁面上に互いに対向するように設置されている。
電極(64b)は、少なくとも1つの導電部(164)と、該導電部(164)を囲む絶縁部(165)とを有している。
同様に、電極(65b)は、少なくとも1つの導電部(166)と、該導電部(166)を囲む絶縁部(167)とを有している。
以上のように、電極(64b)における導電部(164)の露出面、及び電極(65b)における導電部(166)の露出面の面積は共に小さいため、交流電圧を電極対(64b,65b)に供給した場合には、導電部(164,166)の表面で電流密度の集中部が形成される。このため、導電部(164,166)の各表面では水がジュール熱によって気化して泡が形成される。この泡によって、導電部(164,166)の各露出面が覆われた状態で高電圧発生部(70c)からの電圧供給を継続することにより、泡の内部で放電が生起される。
なお、超音波発生部(94)の具体的な構成は実施形態1に係る給湯システム(10)と同等である。
−実施形態5の効果−
実施形態5に係る給湯システムは、図6(a)又は図6(b)に示す制御方法を用いて運転することにより、水中の過酸化水素の濃度を所定の範囲内に保持しながら、給湯タンク(41)の水(温水)を効果的に浄化することができる。
以上の構成によっても、電極対(64b,65b)の間での放電と超音波照射と組み合わせることにより、過酸化水素濃度を上昇させることなく、高い浄化能力を発揮することができる。
《他の実施形態》
上記の各実施形態においては、以下のような構成としてもよい。
〈給湯システムの構成〉
各実施形態に係る給湯システム(10)を図15に示すような、他の方式としてもよい。
具体的に、図15に示す例の給湯システム(10)は、加熱熱交換器(32)と第1ポンプ(43)とが、熱源ユニット(30)及び給湯ユニット(40)とは異なる他のユニット(ハイドロボックス(30a))に収容されている。また、この例では、給湯タンク(41)の内部に、コイル型熱交換器(13a)が収容されている。コイル型熱交換器(13a)は、給湯タンク(41)の底壁部(41c)寄りに配設されている。コイル型熱交換器(13a)には、熱媒体としての水が流れる伝熱管が、給湯タンク(41)の周壁部(41a)に沿うように螺旋状に形成されている。コイル型熱交換器(13a)は、一端が第1循環流路(13)の始端と接続され、他端が第1循環流路(13)の終端と接続されている。
図15に示す給湯システム(10)においては、水浄化ユニット(60)は、給湯タンク(41)の周壁部(41a)に沿うように配置されている。水浄化ユニット(60)は、具体的には、コイル形熱交換器(13a)の螺旋状の伝熱管の近傍に配置されている。水浄化ユニット(60)の放電ユニット(62)には、図2及び図12に示したボックス状の構成、又は図13及び図14に示した対向電極状の構成を採用してもよい。また、図9及び図10に示したフランジユニット型を採用してもよい。
図15に示す給湯システム(10)においては、加熱熱交換器(32)により加熱された水が、コイル型熱交換器(13a)を流れる。これにより、コイル型熱交換器(13a)の伝熱管を流れる水の熱が伝熱管の外部に放出される。その結果、給湯タンク(41)に貯留された水が加熱されて、温水が生成される。
このように構成すると、放電ユニット(62)がコイル型熱交換器(13a)の伝熱管の近傍に位置するため、放電ユニット(62)の周囲の水温が高くなり、熱による殺菌効果が向上すると共に、過酸化水素の活性が高まって殺菌効果も向上する。また、放電ユニット(62)の周囲の水温が高くなるため、タンク内の温水に対流が生じ、放電によって発生した過酸化水素が温水中で拡散しやすくなる。
なお、放電ユニット(62)は必ずしも給湯タンク(41)の周壁部(41a)に沿って配置しなくてもよく、底壁部(41c)に沿って配置してもよい。
〈放電ユニットの構成>
上述した各実施形態の電源部(70)には、放電の放電電力を所定の値に制御する定電力制御部を用いている。しかしながら、定電力制御部に代えて、放電時の放電電流を一定に制御する定電流制御部を設けることもできる。定電流制御を行うと、水の導電率によらず放電が安定するため、スパークの発生をも未然に回避できる。
また、上述した各実施形態においては、高電圧発生部(70)が直流電源の場合に、正極に放電電極(又は電極A)(64)を接続し、負極に対向電極(又は電極B)(65)を接続している。しかしながら、直流電源の負極に放電電極(64)を接続し、正極に対向電極(65)を接続することにより、電極対(64,65)の間で、いわゆるマイナス放電を行うようにしてもよい。
〈イオン供給部の構成〉
上述した各実施形態においては、第1循環流路(13)の配管を銅管とすることにより、第1循環流路(13)の配管を、銅イオンを水中に供給するイオン供給部としている。しかしながら、イオン供給部としては、例えば鉄イオンを生成する鉄製の配管を用いることもできる。鉄イオンも銅イオンと同様に、過酸化水素の存在下でフェントン反応を促進するため、水酸ラジカルの生成量を増大することができる。
また、例えば、給湯タンク(41)と連通する第1循環流路(13)の配管に銅管又は鉄管を用いる代わりに、内部熱交換器(42)の第1伝熱管(42a)を銅管で構成したり、給湯タンク(41)の水中に例えば銅片又は鉄片を浸漬したりすることにより、これらの部材をイオン供給部とすることもできる。