JP5430676B2

JP5430676B2 - 気泡供給方法及び給湯器

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Publication number: JP5430676B2
Application number: JP2011547152A
Authority: JP
Inventors: 禎司齊藤; 誠司古川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: WO2011077539A1; JPWO2011077539A1

Description

この発明は温水を供給する給湯器に関する。

浴室や台所に温水を供給する給湯器は、電気給湯器、ガス給湯器（ガスボイラー）、石油給湯器などに大別される。これらの給湯器は、いずれも熱を水に伝えるための熱交換器と呼ばれる機器を有する。電気給湯器の中でも、最近特に、省エネや地球温暖化対策としての二酸化炭素削減の観点から、ヒートポンプ熱交換式の電気給湯器（ヒートポンプ給湯器）が、注目されている。ヒートポンプ熱交換の原理は、大気の熱を熱媒体に移し、その熱でお湯を沸かすものである。具体的に言えば、気体を圧縮したときに発生する高熱を熱交換器を介して水へ移し、その気体を膨張させたときの冷気によって再び熱媒体の温度を大気温まで戻す繰り返し（冷熱サイクル）によるものである。理論上投入エネルギー以上の熱エネルギーを取り出すことはできないが、ヒートポンプ給湯器は大気の熱を活用する仕組みのため、運転に要するエネルギーよりも多くの熱エネルギーを利用することができる。熱交換器は水に対して熱を伝えるために、熱伝達面を常に清浄な状態に保つことが非常に重要である。壁面が汚れると有効な熱伝達面積が減少し、熱伝達性能の低下を招く。さらに汚れが蓄積すると、最悪の場合には流路の閉塞を招く。特に、スケール（硬度成分、硫酸塩、ケイ酸成分、金属イオンなどを含む結晶状の生成物）成分を含む水を給湯器などの冷熱機器へ供給すると、スケールが熱交換器表面や給湯タンク内または配管内に付着し、熱交換効率の低下や配管を閉塞させるなどの課題があった。これらの課題を解決する方法が、検討されている。

その中の一つとして、従来の冷却機を例にした特許文献１（特開２００７−２４８０２１）を説明する。この特許文献１では、熱媒体の流れるパイプに冷却水を接触させて上記熱媒体を冷却する冷却塔と、冷却塔の内部または外部にマイクロナノバブルを含む冷却水を作るマイクロナノバブル発生機とを備えた冷却装置を開示している。この冷却装置は、マイクロナノバブルを含む冷却水を循環させながら、この冷却水を熱媒体が流れるパイプに接触させることで、冷却塔内での細菌や水垢の発生を抑制する。これにより、殺菌剤の投入や冷却水の濃縮が不要になって、スケールやスライムの発生が抑制される。

特開２００７−２４８０２１号公報特開２００９−１８６０９２号公報

しかしながら、特許文献１は、熱媒体が流れるパイプ（熱交換器）表面において冷却水が昇温されて発生するスケールの抑制が目的ではない。特許文献１では、例えばマイクロナノバブルを含む冷却水を、熱媒体が流れるパイプ表面に散水させ接触させることで、パイプ表面への細菌や水垢の発生を抑制するものであった。特許文献１の運転動作は、熱媒体が流れるパイプにマイクロナノバブルを含む冷却水を散水として接触させるので、マイクロナノバブルの少なくとも一部が散水中に合一あるいは消滅してしまう。または、パイプの下側などには常時均一に冷却水を接触させることができず、細菌や水垢の除去が不均一になってしまうなどの課題があった。また、除去した細菌や水垢を含む冷却水を循環させているため、再付着の可能性も課題であった。また、細菌、微生物または藻類の再付着対策として、上部貯水部の内部にポリ塩化ビニリデン充填材や活性炭を設置しているが、定期的なメンテナンス（洗浄や取替え）が必要などコスト面でも課題もあった。

このように、特許文献１の方法では、冷熱機器部材への十分なスケール付着防止効果もしくはスケール除去効果が得られないという課題があった。

本発明は、熱媒体と被加熱水との間で熱交換させる熱交換器表面へのスケール付着を確実に防止する機能を有する給湯器の提供を目的とする。

この発明の給湯器は、
水を送る送水配管から水を供給される貯湯タンクであって、通過する加熱された冷媒と前記送水配管から供給された水との間で熱交換させて前記送水配管から供給された水を加熱する熱交換器を有する貯湯タンクと、
気体を吸い込む吸気口を有し、前記送水配管によって前記貯湯タンクに送られる途中の水であって前記貯湯タンクに供給される直前の水の内部に、前記吸気口から吸い込まれた気体に基づき、前記気体の気泡を供給する気泡供給部と、
前記吸気口から吸い込まれる前記気体を昇温する気体昇温部と
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、気体を吸い込み、被加熱水中にこの気体の気泡を供給する気泡供給部と、気泡供給部が吸い込む気体を昇温する気体昇温部とを備える気泡供給装置を設けたので、水と熱交換する熱交換器の表面へのスケール付着を防止できる。これにより、熱交換器の熱交換率の低下を防ぎ、長寿命な給湯器を提供できる。

実施の形態１における給湯器１−１の構成図。実施の形態１における空気−水熱交換器を説明する図。実施の形態１における気泡の注入有無によるスケール析出量と付着量との相関図。実施の形態１における供給気体の温度とスケール付着量との相関図。実施の形態２における給湯器１−２の構成図。実施の形態３における給湯器１−３の構成図。実施の形態４における給湯器１−４の構成図。実施の形態５における給湯器１−５の構成図。実施の形態６における給湯器１−６の構成図。実施の形態７における給湯器１−７の構成図。実施の形態８における給湯器１−８の構成図。実施の形態９における給湯器１−９の構成図。実施の形態１０における給湯器１−１０の構成図。実施の形態１１における給湯器１−１１の構成図。実施の形態１２における給湯器１−１２の構成図。

以下の実施の形態１〜１２で説明する給湯器は、気泡供給装置を備えている。また、気泡供給装置は、気泡供給部（気泡発生部４）と、気体昇温部（空気−水熱交換器２１）とを備えている点が特徴である。気泡発生部４は、水を加熱する、貯湯タンク（実施の形態１〜９，１２の熱交換パイプ１０）、熱交換器（実施の形態１０の熱交換器９ａ）、ガスボイラー２６等の加熱部に水を送る送水配管（給水管２、被加熱水流入配管１４ａ）の途中に配置される。気泡発生部４は、気体を吸い込む吸気口５を有し、吸気口５から吸い込まれた気体に基づき、加熱部に向かう水の内部に気体の気泡を供給する。空気−水熱交換器２１は、気泡発生部４の吸気口５から吸い込まれる気体を昇温する。この昇温により、気泡発生部４は、被加熱水よりも高い温度の気体（気泡）を被加熱水に供給する。気泡供給装置によって、昇温された気体の気泡が加熱対象の水の中に供給されることで、以下に説明するようにスケールの析出が促進され、熱交換器等の加熱部表面へのスケール付着を防止できる。以下に実施の形態１〜１２を説明する。

実施の形態１．
以下、図１〜図４を参照して実施の形態１の給湯器１−１を説明する。
図１は、給湯器１−１の構成図である。図１を参照して給湯器１−１の構成を説明する。

図１に示すように、給湯器１−１は、被加熱水熱交換パイプ１０が配置された貯湯タンク７、「空気−１次系熱媒体熱交換器８」（ＨｅａｔＰｕｍｐ：以後、ＨＰ８と記す）、「１次系熱媒体−２次系熱媒体熱交換器９」（ＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒ：以後、ＨＥＸ９と記す）、床暖房システム２２等を備える。
（１）貯湯タンク７（加熱部）は、被加熱水を貯める。貯湯タンク７は、第１冷媒が循環する第１冷媒循環回路（ＨＰ／ＨＥＸ配管１１、ＨＥＸ／ＨＰ配管１２等から構成）の第１冷媒を加熱するＨＰ８によって加熱された第１冷媒との熱交換によって第２冷媒を加熱するＨＥＸ９（冷媒加熱器）と一緒に第２冷媒が循環する第２冷媒循環回路を形成し、かつ、ＨＥＸ９によって加熱された第２冷媒と給水管２から供給された水との間で熱交換させて給水管２から供給された水を加熱する被加熱水熱交換パイプ１０（熱交換器）を有する。なお第２冷媒循環回路ではポンプを省略している。貯湯タンク７は、被加熱水熱交換パイプ１０によって加熱された加熱水が流出する出湯配管１５が接続される加熱水流出配管接続部１５−１を有する。
（２）ＨＰ８は、被加熱水を加熱するための外気の熱を１次系熱媒体（第１冷媒）に移す。
（３）ＨＥＸ９（冷媒加熱器）は、ＨＰ８によって加熱された１次系熱媒体（第１冷媒）の熱を２次系熱媒体（第２冷媒）に移す。
（４）床暖房システム２２は床に熱を移す暖房装置である。暖房装置としては床暖房装置に限らず、ラジエター、ファンコイルユニットなどでも構わない。
（１）〜（４）は、従来の給湯器の構成要素である。

（気泡供給装置１１０）
さらに、給湯器１−１は、気体を吸い込み、被加熱水中にこの気体の気泡を供給する気泡発生部４（気泡供給部）と、気泡発生部４が吸い込む気体を昇温する気体昇温部である「空気−水熱交換器２１」とを備える気泡供給装置１１０を備えている。気泡供給装置１１０により被加熱水熱交換パイプ１０などへのスケール付着を防止する。気泡発生部４は、図１のように、貯湯タンク７に加熱対象の水を送る給水管２（送水配管）の途中に配置されている。

（気泡発生部４）
貯湯タンク７には、被加熱水を供給する給水管２と加熱された被加熱水を出湯する出湯配管１５とが接続されている。気泡発生部４は、給水管２と貯湯タンク７との間に接続されている。気泡発生部４には、吸気口５を介して吸気配管６が接続されている。吸気配管６は、空気−水熱交換器２１を介して出湯配管１５と密着している。

（空気−水熱交換器２１）
空気−水熱交換器２１（気体昇温部の一例）は、吸気配管６を流れる空気と、出湯配管１５を流れる湯とが熱交換できる構造であればよい。なお、空気−水熱交換器２１において、空気が湯によって加熱されることを前提とする。
図２は、空気−水熱交換器２１の構成のバリエーションを示す。
（１）図２（ａ）は、吸気配管６が出湯配管１５に巻きついているタイプの熱交換器を示している。
（２）図２（ｂ）は、出湯配管１５が吸気配管６に巻きついているタイプの熱交換器を示している。
（３）図２（ｃ）は、出湯配管１５と吸気配管６とが、プレート式熱交換器２５を介して接続されているタイプの熱交換器を示している。空気−水熱交換器２１の構成としては、図２（ａ）〜（ｃ）のいずれでもよい。また、図２（ａ）〜（ｃ）以外の構成でもよい。また、出湯配管１５の流れ方向と吸気配管６の流れ方向とは、並行流でもよいが、好ましくは熱交換率のよい対向流がよい。

（冷媒回路）
被加熱水の加熱手段である「ＨＰ８、ＨＥＸ９、被加熱水熱交換パイプ１０」は、それぞれ、ＨＰ／ＨＥＸ配管１１、ＨＥＸ／ＨＰ配管１２、パイプ流入配管１３、パイプ流出配管１４を介して接続されている。また、床暖房システム２２は、床暖房行き配管２３と床暖房戻り配管２４とを介してＨＥＸ９と接続されている。

（動作）
次に、図１を参照して、給湯器１−１の動作を説明する。

（冷媒循環回路による熱交換）
まず、給水管２から供給された被加熱水は、貯湯タンク７に供給される。貯湯タンク７に供給された被加熱水は、ＨＰ８（ヒートポンプ装置）／ＨＥＸ９（冷媒加熱器）／被加熱水熱交換パイプ１０と順次に熱交換された熱によって加熱された第２冷媒が流れる被加熱水熱交換パイプ１０表面との熱交換により加熱され、出湯配管１５より出湯される。すなわち、ＨＰ８によって加熱された第１冷媒が循環する第１冷媒循環回路（ＨＰ／ＨＥＸ配管１１、ＨＥＸ／ＨＰ配管１２等から構成）と、第２冷媒が循環する第２冷媒循環回路（被加熱水熱交換パイプ１０、パイプ流出配管１４、パイプ流入配管１３等から構成）との間で、ＨＥＸ９（冷媒加熱器）において第１冷媒と第２冷媒とが熱交換し、第２冷媒が加熱される。そして、被加熱水熱交換パイプ１０（熱交換器）において加熱された第２冷媒と被加熱水との熱交換により、被加熱水熱が加熱される。被加熱水の温度は、出湯配管１５から流出する加熱された被加熱水と、給水管２から分岐した水温調整水配管３からの常温の被加熱水とを合流させることで、調整される。

（スケール析出）
ここで、スケール成分（硬度成分：炭酸カルシウム：ＣａＣＯ_３）を含む水中では、次の（１）式のような溶解平衡が保たれている。
Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２⇔ＣａＣＯ_３↓＋ＣＯ_２↑＋Ｈ_２Ｏ・・・（１）
しかし、その水が加熱されると、炭酸ガス（ＣＯ_２）の溶解度が下がり、溶存していた炭酸ガスが脱気されるため、（１）式で示した溶解平衡が右辺側に進行し、スケール（炭酸カルシウム）が析出する。これより、従来の給湯器では、スケール成分を含む被加熱水が被加熱水熱交換パイプ１０表面に接触し加熱されると、パイプ表面にスケールが析出し付着する。

（スケール析出の原理）
次に、パイプ表面へのスケール析出の理由を説明する。上述したように、例えばスケール成分を含む水に熱などのエネルギーを加え、そのエネルギーがある閾値（臨界核生成エネルギー）を超えると、上記（１）式の溶解平衡が右辺側に進行し、炭酸カルシウムが析出する。すなわち結晶核が生成される。この結晶核は、液相と接触する面積が小さいほうがエネルギー的に有利（安定）なため、例えば異物や壁面などの固液界面があると、そこに接するように結晶核が形成される。言い換えると、結晶核は、液相で析出してから固液界面に付着するのではない。結晶核は、固液界面があると、そこに接するように形成されるのである。このようなメカニズムにより、従来の給湯器では、温度の高い被加熱水熱交換パイプ１０表面に結晶核が形成され成長する。

（気泡発生部４の効果）
しかし、給湯器１−１は気泡供給装置１１０を備えたので、給水管２に配置された気泡発生部４から被加熱水に気泡を供給すると、貯湯タンク７の液相中でスケール析出を促進することができる。このため、被加熱水熱交換パイプ１０表面でのスケール析出、スケール付着を防止できる。そして、さらに、気泡発生部４に供給する気体を昇温する気体昇温部（空気―水熱交換器）を設けているため、スケール析出をさらに促進させることができるので、スケール付着を効果的に防止できる。

（スケール析出促進の原理）
次に、スケール析出促進の原理を説明する。
（１）上述したように、従来の給湯器では、スケールの結晶核は、温度の高い被加熱水熱交換パイプ１０表面といった固液界面に形成され付着していく。よって、「被加熱水熱交換パイプ１０表面へのスケール付着を防止するには、液相中に固液界面（被加熱水熱交換パイプ１０表面）よりも結晶核が生成しやすい場（炭酸カルシウムが脱気しやすい界面）を作ればよい」との新しい発想を得た。それを実現する方法として、液相中に気液界面を形成する、すなわち気泡発生部４から被加熱水に気泡を注入することを考案した。注入された気泡により、温度の高い被加熱水熱交換パイプ１０表面（固液界面）で起こる同様の現象を気液界面でも発生させる。
（２）そして、気泡界面へのスケール析出をさらに促進可能とするため、常温の気泡を注入するのではなく、気泡発生部４に供給する気体を昇温する構成とした。気体を昇温することにより、結晶核がより生成しやすい場を作れることを見出した。すなわち、スケールの析出をより一層促進できることを見出した。さらに、液相中で析出したスケールは、被加熱水熱交換パイプ１０表面には固着せず、付着しても簡単に除去できることがわかった。このように、気泡発生部４に供給する気体を昇温することで、スケールの析出をさらに促進させることができ、スケール付着を効果的に防止できることを新しく見出した。

（出湯配管１５の加熱水の熱利用）
また従来では、被加熱水の水温は、図１に示す出湯配管１５からの加熱された被加熱水と、給水管２から分岐した水温調整水配管３からの常温の被加熱水とを合流させることで調整されている。つまり、せっかく被加熱水を高温に昇温しても、サニタリーのお湯として使用するときは温度を下げて使用している。よって、出湯配管１５からの放熱は利用されず無駄となっていた。しかし、本実施の形態１の給湯器１−１では、従来では無駄に放熱されていた出湯配管１５からの熱を、気泡発生部４に供給する気体の昇温に利用する。このため、非常に省エネで熱効率の良い給湯器を提供できる。

（気体の昇温手段）
気泡発生部４に供給する気体の昇温手段としては、ヒーターなどで加熱した空気を供給してもよい。しかし、好ましくは図２に示したように、吸気配管６が出湯配管１５に巻きついている熱交換器（図２（ａ））、出湯配管１５が吸気配管６に巻きついている熱交換器（図２（ｂ））、出湯配管１５と吸気配管６とがプレート式熱交換器２５を介して接続されている熱交換器（図２（ｃ））のようなものがよい。

次に実施の形態１の給湯器１−１の構成に関する具体例を説明する。

（実験条件）
被加熱水熱交換パイプ１０での熱交換を模擬した実験を行った。長さ１５ｃｍ、内径６ｍｍ、厚み０．３ｍｍの銅直管を、高硬度水（硬度２７０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ）の入った容器に配置し、水温９０℃の高硬度水を２４時間循環させた。そして、そのときの高硬度水中に析出したスケール量と、銅直管表面に付着したスケール量とを分析した。気泡発生部４は、高硬度水を容器へ流入させる直前の循環経路に設置した。本実験では、気泡発生部４に、「ＭａｚｚｅｉＩｎｊｅｃｔｏｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製」の「ＭａｚｚｅｉＩｎｊｅｃｔｏｒＭｏｄｅｌ＃２８７」を使用した。気泡発生部４に流入する流速は０．４ｍ／ｓとし、注入する空気流量は０．３Ｌ／分とした。付着したスケールは、１モル／Ｌの希塩酸で抽出した後、高速液体クロマトグラフィ分析装置を使ってカルシウムイオン量を測定した。また、スケール析出量は、処理前後でのカルシウムイオン量の変化分から算出した。

図３は、気泡発生部４による気泡注入の有無および注入気泡の昇温有無（昇温された気体温度：９０℃）をパラメータとした実験結果を示す。

（常温気泡の場合）
図３からわかるように、常温の気泡を注入した場合、次の様である。まず常温の気泡を注入することで、スケール析出量は増加したにもかかわらず、スケール付着量は減少した。これは、液相中に気泡を注入することで気液界面が増加し、溶存している気体、特に二酸化炭素の脱気が促進されたため、スケールの析出が促進したと考えられる。そして、液相中でスケールの析出が促進したことにより、銅直管表面へのスケールの付着が抑制されたと共に、注入した気泡を銅直管に接触させたため、物理的除去効果でスケールの付着が抑制できたと考えられる。

（加熱気泡の場合）
また図３からわかるように、昇温した気泡を注入した場合、次の様である。気泡発生部４に昇温した気体を注入することで、スケール付着量をさらに低減することができた。これは、上述したように、気泡発生部４に供給する気体を昇温することで、結晶核がより生成しやすい場を作れたこと、すなわちスケールの析出をより一層促進させたことで、銅直管表面へのスケールの付着を抑制することができたと考えられる。

図４は、気泡発生部４に供給する気体の温度をパラメータとした実験結果を示している。図４からもわかるように、供給する気体の温度を上げていくことで、銅直管表面におけるスケール付着量が減少した。これは、供給する気体の温度を上げていくことで液相中でのスケール析出量がさらに増大したため、銅直管表面に固着するスケール量が減少し、また供給気泡が銅直管表面に直接当たり、スケールが付着してもすぐに除去されたためと考えられる。

このように、気泡発生部４に昇温した気体を供給することで、液相中でスケールの析出を促進させ、被加熱水を加熱する熱交換部、たとえば被加熱水熱交換パイプ１０へのスケール付着を防止することができた。これは、図１を模擬した給湯器でも同様の効果が得ることができる。

（気体昇温部の配置）
また、析出したスケールの粒子径は、成長してもせいぜい数μｍオーダーであり、熱交換部や配管等に詰まることなく流れ出てしまうことは確認済である。さらに、実施の形態１では、空気−水熱交換器２１を出湯配管１５に接続（配置）させた。しかし、気泡発生部４に供給する気体の昇温手段はこれに限るものではなく、給湯器の既存のポンプ表面や、貯湯タンク７の外周に接続し、昇温してもよい。これら他の昇温手段は、後述する実施の形態２〜８で後述する。

なお、実施の形態１では、気泡発生部４に、「ＭａｚｚｅｉＩｎｊｅｃｔｏｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製」の「ＭａｚｚｅｉＩｎｊｅｃｔｏｒＭｏｄｅｌ＃２８７」を使用したが、気泡を発生できる装置であればこれに限定されるものではない。供給する気泡径は、数ｍｍオーダーでもよいが、好ましくはμｍオーダー、さらに好ましくはｎｍオーダーの微細気泡の方がよい。微細気泡の場合には同じ空気量でも気泡表面積を大きく出来るため好適である。微細気泡を得る手段として、界面活性剤などを含んだ添加剤を用いてもよい。気泡発生部４に供給した気体は空気（大気）としたが、空気に限定されるものではない。被加熱水の降温防止のために加湿した空気や、好ましくは、より脱気効果の高い窒素ガスなどを使用してもよい。

実施の形態１の気泡供給装置１１０によれば、被加熱水が熱交換器の表面に接触する前に、被加熱水より高い温度の気体を被加熱水に供給することで液相でのスケール成分の析出を大幅に促進させることができる。このため、熱交換器表面へのスケール付着が確実に防止できる。

実施の形態２．
次に、図５を参照して実施の形態２の給湯器１−２を説明する。以下の実施の形態２〜８は、気体昇温部である空気−水熱交換器２１の配置箇所に関する実施形態である。

図５は、実施の形態２における給湯器１−２の構成図である。給湯器１−２は、空気−水熱交換器２１をパイプ流出配管１４に配置した以外は、図１の給湯器１−１と同じ構成である。給湯器１−２ように、空気−水熱交換器２１をパイプ流出配管１４に密着させても気泡発生部４に昇温させた気体を供給できるので、実施の形態１とほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

実施の形態３．
次に図６を参照して実施の形態３の給湯器１−３を説明する。
図６は、給湯器１−３の構成図である。給湯器１−３は、空気−水熱交換器２１をパイプ流入配管１３に設置した以外は、図１の給湯器１−１と同じ構成である。給湯器１−３のように、空気−水熱交換器２１をパイプ流入配管１３に密着させても気泡発生部４に昇温させた気体を供給できるので、実施の形態１とほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

実施の形態４．
次に図７を参照して実施の形態４の給湯器１−４を説明する。
図７は、給湯器１−４の構成図である。給湯器１−４は、空気−水熱交換器２１を、ＨＥＸ／ＨＰ配管１２に設置した以外は、図１の給湯器１−１と同じ構成である。給湯器１−４のように、空気−水熱交換器２１をＨＥＸ／ＨＰ配管１２に密着させても気泡発生部４に昇温させた気体を供給できるので、実施の形態１とほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

実施の形態５．
次に図８を参照して実施の形態５の給湯器１−５を説明する。
図８は、給湯器１−５の構成図である。給湯器１−５は、空気−水熱交換器２１を、ＨＰ／ＨＥＸ配管１１に設置した以外は、実施の形態１の給湯器１−１と同じ構成である。給湯器１−５のように、空気−水熱交換器２１をＨＰ／ＨＥＸ配管１１に密着させても気泡発生部４に昇温させた気体を供給できるので、実施の形態１とほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

実施の形態６．
次に図９を参照して実施の形態６の給湯器１−６を説明する。
図９は、給湯器１−６の構成図である。給湯器１−６は、吸気配管６の少なくとも一部を、貯湯タンク７の加熱水の中を通過させた以外は、図１の給湯器１−１と同じ構成である。給湯器１−６のように、吸気配管６の少なくとも一部を貯湯タンク７の中を通過させても気泡発生部４に昇温させた気体を供給できるので、実施の形態１とほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

実施の形態７．
次に図１０を参照して実施の形態７の給湯器１−７を説明する。
図１０は、給湯器１−７の構成図である。給湯器１−７は、空気−水熱交換器２１を、床暖房戻り配管２４に配置した以外は、給湯器１−１と同じである。給湯器１−７のように、空気−水熱交換器２１を床暖房戻り配管２４に密着させても気泡発生部４に昇温させた気体を供給できるので、実施の形態１とほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。なお、図１０の床暖房行き配管２３と床暖房戻り配管２４とは、第２冷媒が循環する第２冷媒循環回路から分岐した冷媒分岐回路である。

実施の形態８．
次に図１１を参照して実施の形態８の給湯器１−８を説明する。
図１１は、給湯器１−８の構成図である。給湯器１−８は、空気−水熱交換器２１を、床暖房行き配管２３に配置した以外は、実施の形態１の給湯器１−１と同じである。給湯器１−８のように、空気−水熱交換器２１を、床暖房行き配管２３に密着させても気泡発生部４に昇温させた気体を供給できるので、実施の形態１とほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

実施の形態９．
次に図１２を参照して実施の形態９の給湯器１−９を説明する。
図１２は、給湯器１−９の構成図である。給湯器１−９は、給湯器１−１の構成に加え、出湯配管１５からの被加熱水の一部を出湯分岐管１６を介して流入させる脱気槽１７と、脱気槽１７に流入した被加熱水をポンプ１９を介して気泡発生部４の手前に返送する返送配管２０とを備えている。また脱気槽１７には大気開放口１８が空いている。

（気泡供給装置１２０）
実施の形態９の気泡供給装置１２０は、実施の形態１の気泡供給装置１１０に対して、さらに、脱気槽１７を備える構成である。

次に、図１２を参照して、給湯器１−９（気泡供給装置１２０）の動作を説明する。通常、貯湯タンク７内は、給水管２から供給される被加熱水により、例えば０．１ＭＰａ程度の大気圧よりも高い圧力に加圧されている。この加圧下にある被加熱水の一部が出湯分岐管１６を介して脱気槽１７に供給されると、脱気槽１７内で大気開放され常圧に戻る。これは脱気槽１７に大気開放口１８があるためである。被加熱水が常圧に戻ると、加圧下で被加熱水の中に溶存していた気体が被加熱水中から脱気される。このとき、溶存していた炭酸ガスも脱気されるため、脱気槽１７で、スケール析出を促進できる。

（炭酸ガスを含む気体の利用）
そして、脱気された炭酸ガスを含む気体（大気）を、そのまま気泡発生部４に供給してもよい。この炭酸ガスを含む気体は、通常の空気（大気）よりも炭酸ガスを多く含むため、昇温に有利である。この気体の昇温の手段としては、図１２に示す実施の形態１と同様の方式で出湯配管１５の熱を用いてもよい。あるいは、実施の形態２〜８で示した方法で昇温の熱を取得しても、実施の形態１とほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

すなわち、被加熱水熱交換パイプ１０（熱交換器）は、継続して通過する加熱された冷媒と給水管２から供給された水との間で熱交換させて給水管２から供給された水を加熱する。貯湯タンク７は、被加熱水熱交換パイプ１０によって加熱された加熱水が流出する出湯配管１５が接続される加熱水流出配管接続部１５−１とを有する。脱気槽１７は、出湯配管１５から分岐した出湯分岐配管へ出湯配管１５から流れ込む加熱水を大気開放の状態で貯める。また、脱気槽１７は、貯められた加熱水から発生した発生気体を含む大気を気泡発生部４に送る吸気配管６によって気泡発生部４の吸気口５と接続されている。空気−水熱交換器２１は、吸気配管６によって気泡発生部４に送られる発生気体を含む大気を昇温する。気泡発生部４は、吸気配管６と接続する吸気口５から吸い込まれた発生気体を含む大気に基づき、貯湯タンク７に向かう水の内部に発生気体を含む大気の気泡を供給する。

（ポンプ１９）
さらに、脱気槽１７の中で既にスケールが析出した被加熱水を、例えばポンプ１９により返送配管２０を介して貯湯タンク７に返送することで低硬度水を供給できるので、スケール付着防止の効果をさらに向上できる。

実施の形態１０．
次に、図１３を参照して実施の形態１１の給湯器１−１０を説明する。
図１３は、給湯器１−１０の構成図である。気泡供給装置は、実施の形態９までに図示した間接加熱式ヒートポンプ給湯器だけではなく、ＨＰ８の冷媒によって被加熱水を直接加熱する直接加熱式ヒートポンプ給湯器にも適用できる。

まず実施の形態１０の給湯器１−１０の構成を説明する。図１３に示すように、給湯器１−１０では、貯湯タンク７と「１次系熱冷媒体−水熱交換器９ａ」（以下、ＨＥＸ９ａと記す）とは、被加熱水流出配管１３ａと被加熱水流入配管１４ａとで接続される。また、気泡発生部４が、ポンプ１９ａを介して被加熱水流入配管１４ａに接続されている。これ以外は、実施の形態１の給湯器１−１と同じ構成である。

次に図１３を参照して給湯器１−１０の動作を説明する。直接加熱式ヒートポンプでは、貯湯タンク７からポンプ１９ａで送液された被加熱水が、ＨＥＸ９ａ（熱交換器）で熱交換され、湯となって貯湯タンク７に返送される。従来であれば、スケールは、主に被加熱水を加熱するＨＥＸ９ａ内に析出し付着し、加えて被加熱水流出配管１３ａ、貯湯タンク７にも析出し付着する。しかし、図１３に示すように、空気−水熱交換器２１を出湯配管１５に密着させて昇温させた気体を気泡発生部４に供給する。

このように、ＨＥＸ９ａ（加熱部，熱交換器）は、貯湯タンク７を送水元とする被加熱水流入配管１４ａ（送水配管）から貯湯タンク７の水が流入する。またＨＥＸ９ａは、冷媒を加熱するＨＰ８と一緒に冷媒が循環する冷媒循環回路を形成し、かつ、ＨＰ８によって加熱された冷媒と被加熱水流入配管１４ａから供給された水との間で熱交換させて被加熱水流入配管１４ａから供給された水を加熱し、加熱された加熱水を貯湯タンク７に接続する被加熱水流出配管１３ａ（加熱水流出配管）から貯湯タンク７へ流出する。また気泡発生部４は、被加熱水流入配管１４ａに配置されている。

これにより、実施の形態１と同様に、ＨＥＸ９ａ内に関しても、ほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。空気−水熱交換器２１の接続位置は、図１３のように出湯配管１５に限定されるものではなく、実施の形態２〜８に示した位置でもよい。また、気泡発生部４の位置は、実施の形態１で示したように、給水管２と貯湯タンク７との間に設置しても同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

実施の形態１１．
次に、図１４を参照して実施の形態１１の給湯器１−１１を説明する。
図１４は、気泡発生によるスケール付着防止をガスボイラーに適用した場合の、ガスボイラー式給湯器である給湯器１−１１の概略図である。気泡発生によるスケール付着防止効果は、実施の形態９までに示した間接加熱式ヒートポンプ給湯器だけではなく、ガスボイラーにも適用できる。

実施の形態１１の構成を説明する。図１４に示したように、ガスボイラー２６には、給水管２と出湯配管１５とが接続されている。気泡発生部４は、ガスボイラー２６と給水管２との間に設置されている。空気−水熱交換器２１は、出湯配管１５に接続されている。

次に図１４を参照して実施の形態１１の動作を説明する。給水管２から供給された被加熱水は、ガスボイラー２６で加熱され、出湯配管１５から出湯される。従来であればスケールは、被加熱水が通水されるガスボイラー２６内に析出し付着する。しかし、図１４に示すように、空気−水熱交換器２１を出湯配管１５に密着させて昇温させた気体を気泡発生部４に供給することで、実施の形態１同様、ガスボイラー２６内でもほぼ同様のスケール付着防止効果を得ることができる。

実施の形態１２．
次に、図１５を参照して実施の形態１２の給湯器１−１２を説明する。
図１５は、実施の形態１２における給湯器１−１２の概略図である。給湯器１−１２は実施の形態１の給湯器１−１に対して、さらに散気管２７が配置されている。その他は、図１の給湯器１−１と同じである。

（気泡供給装置１３０）
実施の形態１２の気泡供給装置１３０は、実施の形態１の気泡供給装置１１０に対して、さらに、散気管２７７を備える構成である。

実施の形態１２の給湯器１−１２の構成は、図１５に示すように、気泡発生部４から流れてくる「気泡が含有された被加熱水」を通水する配管４１が、散気管２７に接続されている。そして、散気管２７から出る「被加熱水に含まれた気泡」が被加熱水熱交換パイプ１０の全体に当たるように、散気管２７が、被加熱水熱交換パイプ１０の下部と側面に配置されている。気泡発生部４は、被加熱水に含まれる気泡を散気管２７を通じて被加熱水熱交換パイプ１０の全体に当たるように噴射する。

以上のように、気泡供給装置１３０は、貯湯タンク７の被加熱水熱交換パイプ１０（熱交換器）の側面の側に配置され、配管４１を介して給水管２と接続された散気管２７を備えている。これによって、被加熱水熱交換パイプ１０表面に付着したスケールをいっそう効果的に除去でき、また、被加熱水熱交換パイプ１０へのスケール付着を防止できる。

以上の実施の形態１〜１２では、気泡供給装置を備える給湯器を説明したが、気泡供給装置の気泡発生部（気体供給部）及び気体昇温部の動作をステップととらえることで、気泡供給方法の実施形態としても把握することができる。

１−１〜１−１２給湯器、２給水管、３水温調整水配管、４気泡発生部、５吸気口、４２配管、６吸気配管、７貯湯タンク、８空気−１次系熱媒体熱交換器、９１次系熱媒体−２次系熱媒体熱交換器、９ａ１次系熱媒体−水熱交換器、１０被加熱水熱交換パイプ、１１ＨＰ／ＨＥＸ配管、１２ＨＥＸ／ＨＰ配管、１３パイプ流入配管、１３ａ被加熱水流出配管、１４パイプ流出配管、１４ａ被加熱水流入配管、１５出湯配管、１６出湯分岐管、１７脱気槽、１８大気開放口、１９，１９ａポンプ、２０返送配管、２１空気−水熱交換器、２２床暖房システム、２３床暖房行き配管、２４床暖房戻り配管、２５プレート式熱交換器、２６ガスボイラー、２７散気管、１１０，１２０，１３０気泡供給装置。

Claims

水を送る送水配管から水を供給される貯湯タンクであって、通過する加熱された冷媒と前記送水配管から供給された水との間で熱交換させて前記送水配管から供給された水を加熱する熱交換器を有する貯湯タンクと、
気体を吸い込む吸気口を有し、前記送水配管によって前記貯湯タンクに送られる途中の水であって前記貯湯タンクに供給される直前の水の内部に、前記吸気口から吸い込まれた気体に基づき、前記気体の気泡を供給する気泡供給部と、
前記吸気口から吸い込まれる前記気体を昇温する気体昇温部と
を備えたことを特徴とする給湯器。
前記気体昇温部は、
前記送水配管によって前記貯湯タンクに送られる途中の水であって前記貯湯タンクに供給される直前の水の温度よりも高い温度に、前記気体を昇温し、
前記気泡供給部は、
前記貯湯タンクに供給される直前の水の内部に、前記貯湯タンクに供給される直前の水の温度よりも高い温度に前記気体昇温部によって昇温され、前記吸気口から吸い込まれた気体に基づき、前記気体の気泡を供給することを特徴とする請求項１記載の給湯器。
前記気泡供給部は、
前記送水配管に配置されたことを特徴とする請求項１記載の給湯器。
前記貯湯タンクは、さらに、
前記熱交換器によって加熱された加熱水が流出する加熱水流出配管が接続される加熱水流出配管接続部を有し、
前記気体昇温部は、
前記加熱水流出配管を流れる前記加熱水の熱を用いて、前記気体を昇温することを特徴とする請求項１記載の給湯器。
前記貯湯タンクの前記熱交換器は、
冷媒を加熱する冷媒加熱器と一緒に前記冷媒が循環する冷媒循環回路を形成し、かつ、前記冷媒加熱器によって加熱された冷媒と前記送水配管から供給された水との間で熱交換させて前記送水配管から供給された水を加熱し、
前記気体昇温部は、
前記冷媒循環回路を流れる冷媒の熱を用いて、前記気体を昇温することを特徴とする請求項１記載の給湯器。
前記貯湯タンクの前記熱交換器は、
第１冷媒が循環する第１冷媒循環回路の第１冷媒を加熱するヒートポンプ装置によって加熱された第１冷媒との熱交換によって第２冷媒を加熱する冷媒加熱器と一緒に第２冷媒が循環する第２冷媒循環回路を形成し、かつ、前記冷媒加熱器によって加熱された第２冷媒と前記送水配管から供給された水との間で熱交換させて前記送水配管から供給された水を加熱し、
前記気体昇温部は、
前記ヒートポンプ装置の前記第１冷媒循環回路を流れる第１冷媒の熱を用いて、前記気体を昇温することを特徴とする請求項１記載の給湯器。
前記気体昇温部は、
加熱されて前記貯湯タンクの内部に貯えられた水の熱を用いて、前記気体を昇温することを特徴とする請求項１記載の給湯器。
前記貯湯タンクの前記熱交換器は、
冷媒を加熱する冷媒加熱器と一緒に前記冷媒が循環する冷媒循環回路を形成し、かつ、前記冷媒加熱器によって加熱された冷媒と前記送水配管から供給された水との間で熱交換させて前記送水配管から供給された水を加熱し、
前記気体昇温部は、
前記冷媒循環回路における前記冷媒加熱器の冷媒の出口側と入口側とから分岐した暖房装置用の冷媒分岐回路を流れる冷媒の熱を用いて、前記気体を昇温することを特徴とする請求項１記載の給湯器。
前記貯湯タンクは、さらに、
前記熱交換器によって加熱された加熱水が流出する加熱水流出配管が接続される加熱水流出配管接続部を有し、
前記給湯器は、さらに、
前記加熱水流出配管から分岐した分岐配管へ前記加熱水流出配管から流れ込む前記加熱水を大気開放の状態で貯めると共に、貯められた前記加熱水から発生した発生気体を含む大気を前記気泡供給部に送る吸気配管によって前記気泡供給部の前記吸気口と接続された脱気槽を備え、
前記気体昇温部は、
前記吸気配管によって前記気泡供給部に送られる前記発生気体を含む大気を昇温し、
前記気泡供給部は、
前記吸気配管と接続する前記吸気口から吸い込まれた前記発生気体を含む大気に基づき、前記貯湯タンクに向かう水の内部に前記発生気体を含む大気の気泡を供給することを特徴とする請求項１記載の給湯器。
前記貯湯タンクは、さらに、
前記熱交換器によって加熱された加熱水が流出する加熱水流出配管が接続される加熱水流出配管接続部を有し、
前記給湯器は、さらに、
前記貯湯タンクの前記熱交換器の側面の周囲に配置され、前記送水配管と接続された散気管を備えたことを特徴とする請求項１記載の給湯器。
所定の気体を昇温する昇温工程と、
昇温された前記気体の気泡を、通過する加熱された冷媒と送水配管から供給された水との間で熱交換させて前記送水配管から供給された水を加熱する熱交換器を有する貯湯タンクに前記送水配管によって送られる途中の水であって前記貯湯タンクに供給される直前の水の内部に供給する供給工程と
を備えたことを特徴とする気泡供給方法。
前記昇温工程は、
前記貯湯タンクに前記送水配管によって送られる途中の水であって前記貯湯タンクに供給される直前の水の温度よりも高い温度に、前記気体を昇温し、
前記供給工程は、
前記貯湯タンクに供給される直前の水の内部に、前記貯湯タンクに供給される直前の水の温度よりも高い温度に前記昇温工程によって昇温された前記気体の気泡を供給することを特徴とする請求項１１記載の気泡供給方法。
温水を供給する給湯器において、
気体を吸い込む吸気口を有し、水を加熱する加熱部によって加熱される加熱対象の水の内部に、前記吸気口から吸い込まれた気体に基づき、前記気体の気泡を供給する気泡供給部と、
前記吸気口から吸い込まれる前記気体を昇温する気体昇温部と
を備え、
前記気泡供給部は、
前記加熱部に加熱対象の水を送る送水配管に配置され、
前記加熱部は、
前記送水配管から水を供給される貯湯タンクであって、継続して通過する加熱された冷媒と前記送水配管から供給された水との間で熱交換させて前記送水配管から供給された水を加熱する熱交換器と、前記熱交換器によって加熱された加熱水が流出する加熱水流出配管が接続される加熱水流出配管接続部とを有する貯湯タンクであり、
前記給湯器は、さらに、
前記加熱水流出配管から分岐した分岐配管へ前記加熱水流出配管から流れ込む前記加熱水を大気開放の状態で貯めると共に、貯められた前記加熱水から発生した発生気体を含む大気を前記気泡供給部に送る吸気配管によって前記気泡供給部の前記吸気口と接続された脱気槽を備え、
前記気体昇温部は、
前記吸気配管によって前記気泡供給部に送られる前記発生気体を含む大気を昇温し、
前記気泡供給部は、
前記吸気配管と接続する前記吸気口から吸い込まれた前記発生気体を含む大気に基づき、前記貯湯タンクに向かう水の内部に前記発生気体を含む大気の気泡を供給することを特徴とする給湯器。
温水を供給する給湯器において、
気体を吸い込む吸気口を有し、水を加熱する加熱部によって加熱される加熱対象の水の内部に、前記吸気口から吸い込まれた気体に基づき、前記気体の気泡を供給する気泡供給部と、
前記吸気口から吸い込まれる前記気体を昇温する気体昇温部と
を備え、
前記気泡供給部は、
前記加熱部に加熱対象の水を送る送水配管に配置され、
前記加熱部は、
前記送水配管から水を供給される貯湯タンクであって、継続して通過する加熱された冷媒と前記送水配管から供給された水との間で熱交換させて前記送水配管から供給された水を加熱する熱交換器と、前記熱交換器によって加熱された加熱水が流出する加熱水流出配管が接続される加熱水流出配管接続部とを有する貯湯タンクであり、
前記給湯器は、さらに、
前記貯湯タンクの前記熱交換器の側面の周囲に配置され、前記送水配管と接続された散気管を備えたことを特徴とする給湯器。