(57)【要約】【課題】超音波振動を利用した加熱部のスケール防止装置において、超音波振動手段に熱損傷を与えることなく、超音波振動を加熱部に伝えて加熱部のスケール付着を予防することを目的とする。【解決手段】加熱部２と超音波振動手段５との間に揮発性の内部液３を貯留する液槽１を設け、加熱部２によって内部液３が沸点以上に加熱された場合は内部液３の蒸気圧が液槽１内で上昇して内部液３が液槽１の外に押し出され、連通して設けられた貯液部７に一時的に移送されるようにして、内部液３を媒介とする超音波振動手段５の加熱が起こらないようにする。また、加熱部２が所定温度以下に冷却された場合には、貯液部７内の内部液３が液槽１に戻るようにして、超音波振動が内部液３を伝播して加熱部２を振動することが可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水または水溶液（以下、水と記す）を内部に貯留または通水して加熱する加熱部と、
前記加熱部を覆うように設けられ内部に水よりも低沸点の低沸点液体を含む内部液を貯留する液槽と、前記液槽の外側に配置され前記内部液を超音波振動させて前記加熱部内の水に超音波振動を伝播させる超音波振動手段と、
前記液槽に送液管を介して連通して設けられ、前記内部液を貯留できる貯液部を備え、
前記加熱部が前記内部液の低沸点液体の沸点まで加熱された時に、前記液槽内で前記低沸点液体が気化し、その蒸気圧が上昇することによって前記内部液が前記送液管を通って前記貯液部に移動して前記加熱部と前記超音波振動手段との間に気相を生じさせて前記超音波振動手段の温度が所定温度以下に保たれるようにしたスケール防止装置。
【請求項２】
内部液は沸点が常温以上８５℃以下の低沸点液体を含み、加熱部周囲の内部液の温度が常温以上８５℃以下の場合にのみ、液槽内の内部液の液面を前記加熱部の高さまで満たして前記加熱部の熱が超音波振動手段に伝播するようにした請求項１記載のスケール防止装置。
【請求項３】
内部液は沸点が常温以上６５℃以下の低沸点液体を含み、液槽内に内部液の液面の高さを検知する液深検知手段を有し、内部液の液面が所定の高さ以上である場合にのみ、超音波振動手段が作動するように制御するようにした請求項１または２記載のスケール防止装置。
【請求項４】
加熱部の加熱動作が停止した状態で超音波振動手段を作動するように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のスケール防止装置。
【請求項５】
貯液部の上部に大気開放部分を設け、その内部に内部液よりも比重が軽くかつ不揮発性で前記内部液と混合しない性質の蒸発防止液を貯留することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のスケール防止装置。
【請求項６】
貯液部の容積を可変可能としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のスケール防止装置。
【請求項７】
液槽は、内部液の液面が高い位置にある際に内部液に浸漬する部分に多孔質物体からなる突沸防止手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のスケール防止装置。
【請求項８】
突沸防止手段は、内部液が貯液部に移動する際に液面上に露出する高さに位置しかつ加熱部に接合または隣接した位置に配置したことを特徴とする請求項７記載のスケール防止装置。
【請求項９】
加熱部は液槽の上下方向の中心よりも上方に設けられ、超音波振動手段は前記液槽の上下方向の中心よりも下方に設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のスケール防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器などに生じるスケールの付着と成長を防止するスケール防止装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ給湯機などの水熱交換器は二重の管からなる構造を持ち、内側の冷媒管には高温の二酸化炭素冷媒が流れ、外側の水管には常温の水を冷媒と逆の方向から通水することによって冷媒から水に熱交換がおこなわれる。水管中のカルシウム、マグネシウム、シリカ、鉄水酸化物の濃度が高い場合、冷媒管の高温部分（概ね８０℃以上）の表面にスケールが沈着する。スケールが沈着すると、無機成分であるスケールの熱伝導度は金属性冷媒管の熱伝導度よりも小さいために、熱交換効率が低下する。熱交換効率が低下すると、冷媒管の高温部は水が導入される側に分布が拡大し、その結果スケールの沈着しやすい部分は水が導入される側に拡大する。そのようにして、スケールの沈着部分が拡大したり沈着した厚みが拡大したりすると、熱交換性能が低下するばかりでなく、熱交換器の圧力損失が大きくなりやがて給湯流量が低下して機器の目的が果たせなくなる。
【０００３】
スケール付着の問題は特に硬水地帯で顕著に問題となるため、さまざまな解決方法が提案されたり実用化されたりしている。例えば、水に含まれる硬水成分（カルシウム、マグネシウム）を吸着除去する陽イオン交換樹脂を備えた軟水化装置を用いてスケールが生じにくい水を供給したり、定期的にスケールを溶解する薬剤を配管に投入してスケールを除去したりという方法がある。軟水化装置は定期的に陽イオン交換樹脂を再生するために食塩などを投入する必要があり、薬剤による方法も使用者に投入の手間を要する。いずれも煩雑であり一般家庭において長期にわたって適切なメンテナンスがなされるとは考えにくい。
【０００４】
一方、使用者の手間を要さない方法としては、磁気を利用してスケール成分の沈着を防ぐ方法があるが常に効果が発揮されるとは限らない。定期的に熱交換器の内部に高圧の水を噴射するなどして物理的にスケールを除去する方法もあるが、熱交換器の耐圧性能、耐衝撃性能が高くなるように製造する必要があるなど制約がある。
【０００５】
上記に述べたような手間や制約がなく十分なスケール除去性能を発揮する手法として、超音波振動を利用した超音波式スケール防止装置がある（例えば文献１参照）。一般的に、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの周波数の超音波振動によって、水溶液中でキャビテーション現象が生じて、気泡が崩壊する際に強い剥離効果がみられる。
【特許文献１】特開昭５９−２０９６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記文献１の超音波振動によるスケール剥離技術を、ヒートポンプ給湯機の水熱交換器に応用しようとした場合、超音波振動子が熱により損傷を受けるという問題がある。超音波振動を冷媒管に伝播させようとしたら、保持層を介して振動子と水管とを密着する必要があり水管から熱が振動子に伝わる。超音波振動子はキュリーポイントの温度を超えると圧電特性を失うが、キュリーポイント以下の温度でも長時間さらされると特性が変化して性能が劣化する。例えば、ＰＺＴ圧電素子の場合、キュリーポイントは２９０℃程度であるが、振動特性が変化することを避けるため非稼動時でも保管温度は約８５℃以下とするように推奨される。また、圧電素子の稼動時は水温は６５℃以下とするように推奨される。ヒートポンプ給湯機の熱交換器では９０℃程度で運転されることもあるため、熱交換器
の高温部にＰＺＴ振動子を密着させることは不適当である。
本発明は、超音波振動手段に熱損傷を与えることなく、超音波振動を加熱部に伝えて加熱部のスケール付着を予防することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
水または水溶液（以下、水と記す）を内部に貯留または通水して加熱する加熱部と、前記加熱部を覆うように設けられ内部に水よりも低沸点の液体を含む内部液を前記加熱部の一部が液面下に浸るまで貯留し後記の送液管を除いて気密状態に設けられた液槽と、前記液槽の外側に配置され前記内部液を超音波振動させて前記加熱部内の水に超音波振動を伝播させて前記加熱部の内部に付着した付着物を剥離する超音波振動手段と、前記液槽と連通して設けられ前記内部液を貯液する事のできる貯液部と、前記液槽と前記貯液部とを接続し内部が前記内部液で満たされた送液管と、前記超音波振動手段および前記加熱部を制御する制御部とを有し、前記加熱部が前記内部液に含まれる低沸点液体の沸点まで加熱された時に前記液槽内で前記低沸点液体の蒸気圧が上昇することによって前記内部液は前記送液管を通って前記貯液部に移動して前記加熱部と前記超音波振動手段との間に気相を生じて前記加熱部から前記超音波振動手段への伝熱が抑制され前記超音波振動手段の温度が所定の温度以下に保たれるようにする。
【発明の効果】
【０００８】
超音波洗浄手段が加熱部の熱によって損傷することなく、超音波振動を加熱部に伝えて加熱部のスケール付着を予防できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、水または水溶液を内部に貯留または通水して加熱する加熱部と、前記加熱部を覆うように設けられ内部に水よりも低沸点の低沸点液体を含む内部液を貯留する液槽と、前記液槽の外側に配置され前記内部液を超音波振動させて前記加熱部内の水に超音波振動を伝播させる超音波振動手段と、前記液槽に送液管を介して連通して設けられ、前記内部液を貯留できる貯液部を備え、前記加熱部が前記内部液の低沸点液体の沸点まで加熱された時に、前記液槽内で前記低沸点液体が気化し、その蒸気圧が上昇することによって前記内部液が前記送液管を通って前記貯液部に移動して前記加熱部と前記超音波振動手段との間に気相を生じさせて前記超音波振動手段の温度が所定温度以下に保たれるようにしたスケール防止装置である。
【００１０】
内部液が所定の温度以上の場合は低沸点液体の蒸気圧が液槽内で上昇して内部液が貯液部に一時的に移送されることによって、内部液を媒介とする超音波振動手段の加熱が起こらないようにする。また、内部液が所定温度以下まで冷却された場合には、貯液部内の内部液が液槽に戻るようにして、超音波振動が内部液を伝播して加熱部を振動することが可能にする。
【００１１】
第２の発明は、内部液は沸点が常温以上８５℃以下の液体を含み、加熱部周囲の内部液の温度が常温以上８５℃以下の場合にのみ液槽を前記加熱部の深さまで満たして前記加熱部の熱が超音波振動手段に伝播するようにしたものである。超音波振動手段として最も一般的なＰＺＴ圧電素子は、非作動の場合でも８５℃以下で保管するように推奨される。このため、内部液の温度が８５℃を超えると貯液部に移送されるようにして、超音波振動手段の熱損傷を防ぐようにした。
【００１２】
第３の発明は、内部液は沸点が常温以上６５℃以下の液体を含み、液槽内に内部液の液面の高さを検知する液深検知手段を有し、制御手段は内部液の液面が所定の高さ以上である場合にのみ超音波振動手段が作動するように制御し、前記内部液の温度が常温以上６５℃以下の場合にのみ前記超音波振動手段が作動するようにしたものである。超音波振動手
段として最も一般的なＰＺＴ圧電素子は、作動時に接する部分の温度が６５℃以下とするように推奨される。内部液の温度が６５℃を超えると液槽内の液面が低下して超音波振動手段が作動しないようにして、熱損傷を防ぐことができる。
【００１３】
第４の発明は、加熱部の加熱動作を停止した状態で超音波振動手段を作動するように制御して、超音波振動手段の作動時の温度を所定の温度以下に保つようにしたものである。内部液の温度にかかわらず加熱部が加熱している状態で超音波振動手段を稼動すると、ＰＺＴ振動子が過熱する恐れがある。したがって加熱部と超音波振動手段とを同時に稼動させないような制御をおこなうのが安全である。
【００１４】
第５の発明は、貯液部は送液管よりも上方に内部と外部とを連通する大気開放部分を有し、内部に内部液よりも比重が軽く不揮発性で前記内部液と混合しない性質の蒸発防止液を貯留して前記内部液が直接大気に接触しないようにしたものである。内部液は低沸点液体を含むために、内部液が大気に接触すると長期の使用の間に低沸点液体やそれ以外の揮発成分が大気中に揮発して失われる恐れがある。また、空気中の酸素によって酸化変性されるおそれもある。これら成分の揮発や酸化を防止するために、内部液と大気との間に蒸発防止液を置いて大気との接触を防ぐことにする。その結果、内部液の容量は一定に保持されて超音波振動が確実に加熱部に伝播させたり熱損傷を防いだりすることができる。
【００１５】
第６の発明は、貯液部は容積が可変で気密状に設けられた容積可変貯液部であり、内部液に含まれる低沸点成分が加熱部によって加熱されて気化した際に容積が拡大し、前記低沸点成分が液化した際に容積が縮小するようにしたものである。貯液部の容積を可変とすることによって、貯液部および液槽および送液管を気密に設けることが可能になり内部液の揮発を防ぐことができる。その結果、内部液の容量は一定に保持されて超音波振動が確実に加熱部に伝播させたり熱損傷を防いだりすることができる。
【００１６】
第７の発明は、液槽は内部液の液面が高い位置にある際に内部液に浸漬する部分に多孔質物体からなる突沸防止手段を有し、前記内部液が徐々に気化するようにしたものである。加熱部によって内部液が急速に加熱された場合、内部液に含まれる低沸点成分が急速な沸騰を起こして体積が急拡大するおそれがある。第５の発明の大気開放型の場合、内部液を噴きこぼしてしまう恐れがあり、第６の発明の密閉型の場合、容積可変型貯液部の容積可変機構を損傷する恐れがある。多孔質物体からなる突沸防止手段を設けることによって、多孔質物体に含まれる気泡が核になって緩やかな沸騰が起こるようにして、上記のような問題を避けることができる。
【００１７】
第８の発明は、突沸防止手段は内部液が貯液部に移動する際に液面上に露出する高さに位置しかつ加熱部に接合または隣接した位置に配置され、前記内部液が前記貯液部に移動した際に気相中で前記加熱部の熱が伝達されることによって多孔質物体の内部に浸入した前記内部液が乾燥されて突沸防止機能が回復するようにしたものである。突沸防止手段は、通常は一度使用した後は多孔質部の内部に液体が侵入しているために気泡を供給して突沸防止性能が低下する。加熱部が稼動する際に、突沸防止手段が気相中で加熱部によって加熱乾燥されるような配置にすることによって、自動的に突沸防止機能が回復される。
【００１８】
第９の発明は、加熱部は液槽の上下方向の中心よりも上方に設けられ、超音波振動手段は前記液槽の上下方向の中心よりも下方に設けられたものである。加熱された内部液は密度低下によって液槽内で主に上方に集まり、比較的低温の内部液は超音波振動手段の配置された下方に集まるため、超音波振動手段が熱損傷がより確実に防ぐことができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態におけるスケール防止装置の構成図を示す。液槽１は加熱部２を覆うように設けられ、内部液３を貯留する。加熱部２は内部に通水しながら加熱する二重管構造であり、内部にスケールが付着する。多孔質物体からなる突沸防止手段４が加熱部２に接合して設けられる。液槽１の外側底部に超音波振動手段５が設けられる。液槽１は内部液をたたえた送液管６によって貯液部７と連通する。貯液部７は大気開放部８を有し、その内部は常に大気圧である。貯液部７内の内部液３の液面は蒸発防止液９によって覆われる。液槽１内部の加熱部２よりも高い位置に液深検知手段１０が設けられる。加熱部２、超音波振動手段５、液深検知手段１０は制御部１１と接続され電気信号のやり取りをおこなう。
【００２１】
本実施形態では、内部液３は少量のアセトン（沸点５６．５℃）を含有する水である。アセトン以外でも沸点が６５℃以下で水に溶解する液体であればよい。アセトンの含有量は、液槽１の大きさと加熱部２の設置位置によって決まる。すなわち、アセトンの気化によって加熱部２が内部液３の液面から露出するように必要な量を加える必要がある。例えば、図１と図２に示される液槽１内の内部液の量に０．５Ｌの差があるとした場合、気化して０．５Ｌの蒸気を生じるアセトン量が必要である。１気圧の場合０．５Ｌのアセトン蒸気は１．６ｍｌのアセトン液体に相当する。しかし、図２の液槽１内部は、貯液部７内の内部液の重量によって加圧されているため、１気圧の場合よりも多くのアセトンを必要とし、約２ｍｌのアセトンが必要である。
【００２２】
次に、図３の作動シーケンス図にそって、本実施の形態のスケール防止装置の作動方法を記す。図３の時点Ａでは加熱部は非稼動であり内部液３の温度は常温であるため、内部液３に含まれるアセトンは液体で図１に示すように液槽１の液深は高い。この状態で超音波振動手段５を稼動して加熱部２に超音波振動が伝播させて加熱部２内のスケールを剥離する。超音波振動手段５の駆動周波数は２０ｋ〜５０ｋＨｚのものが剥離性能が高く、稼働時間は一度に１０〜３０分程度が適当である。
【００２３】
次に、時点Ｂでは加熱部２が稼動しているために内部液３の温度がアセトンの沸点（５６．５℃）を超えるためアセトンが気化して、液槽１内を加圧する。その結果、内部液３は送液管６を通じて貯液部７に移動される。図２は時点Ｂの状態を示す。加熱部２の発する熱は、主に液槽１の壁面を伝導して超音波振動子５を加熱するので、加熱部２と液槽１との接続部を樹脂など熱伝導率の低い素材で構成することによって超音波振動子５が８５℃以上に加熱されることを防ぐ。
【００２４】
また、液深検知手段１０によって加熱部２が内部液３に浸っていないことが検知されて、超音波振動手段５は稼動することができないように制御部１１によって制御される。
【００２５】
次に、時点Ｃでは加熱部２が加熱停止後、放冷されて内部液３の液温がアセトンの沸点を下まわって液槽１内の気圧は常圧に戻り、再度図１に示す状態になる。液深検知手段１０により内部液３が加熱部２を浸していることが検知されて、超音波振動手段５は稼動することができるように制御部１１によって制御される。
【００２６】
蒸発防止液９は内部液と空気とが直接触れることを防ぐ機能を持ち、内部液の揮発を防ぐ目的で用いられる。蒸発防止液９に求められる特性は、アセトンの溶解性が低いこと、内部液３よりも比重が小さいこと、不揮発性であることである。さらに、空気に直接長時間触れるので酸化変性に対する耐性が高いこと、および熱変性に対する耐性が高いことが望ましい。例えば、シリコーンオイルなどが適している。
【００２７】
突沸防止手段４は多孔質物体から構成され内部に気体を多く含むため、加熱手段２の作動時に加熱されて体積の膨張した気泡を放出してその気泡がアセトンの気化の核になって穏やかな気化が起こる。突沸防止手段４を設けないと、アセトンの沸騰が突然起こって内部液の一部が大気開放部８から貯液部７の外にこぼれる恐れや蒸発防止液９が送液管６を通って液槽１に混入する恐れがある。突沸防止手段４は加熱部２と接合して設けられるため、図２に示すように加熱部２が稼動中は気相中で加熱されて、多孔質部の内部にしみこんだ内部液が乾燥されて再度、多孔質部に気体を含むようになる。その結果、突沸防止機能が回復する。
【００２８】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施形態は、貯液部７を除いて第１の実施形態と共通部分が多いため、異なる部分のみを説明する。図４は、本発明の第２の実施形態におけるスケール防止装置の貯液部１２の構成図を示す。貯液部１２は蛇腹構造を持ち容積が可変であり、液槽１および送液管６とあわせて気密に設けられる。図４（ａ）は、図３の時点Ａの状態であり、内部液３の大部分は液槽１を満たす。図４（ｂ）は、図３の時点Ｂの状態であり、内部液３の大部分は貯液部１２を満たす。アセトンの気化によって液槽１、送液管６、貯液部１２の内部は加圧されて、貯液部１２の容積が拡大している。実施の形態１における大気開放型の貯液部７に比べると蒸発防止液９を用いなくても内部液の蒸発が防止できることおよび、大気開放部８がないためにスケール防止装置の移送中などに内部液３がこぼれる恐れがないことが長所である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
家庭用ヒートポンプ給湯機に限らず産業用の給湯機、ボイラー、加圧水型原子炉の蒸気発生器においても利用可能である。特に、硬水地域において水道水や地表水を産業用に利用する場合に利用範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスケール防止装置の非加熱時の状態図
【図２】同スケール防止装置の加熱時の状態図
【図３】同スケール防止装置の作動シーケンス図
【図４】本発明の実施の形態２におけるスケール防止装置の貯液部の構成図
【符号の説明】
【００３１】
１  液槽
２  加熱部
３  内部液
４  突沸防止手段
５  超音波振動手段
７  貯液部
９  蒸発防止液
１２  貯液部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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