(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの温水圧力タンクと、圧力下の水を引き込み、最低でも８０℃まで加熱して保存するために公共給水本管に接続される給水管と、飲料用蛇口に接続される排水管とを備え、前記温水タンクは、全体が耐食性金属からなり、中心軸を中心として形成された少なくとも１つの円筒壁を有する少なくとも１つの壁を備え、前記円筒壁は、前記タンクの内側の少なくとも一部を取り囲み、前記温水タンク内に配置された加熱体と、温度制御装置とが設けられた温水器であって、
前記タンクは、前記タンク内の水の圧力によって前記中心軸に平行な方向に変形可能に構成され、前記タンクを膨張および圧縮可能にする変形可能部を有し、
前記タンクの前記変形可能部は、圧力下のガスを収容し、前記タンクの膨張に対して釣り合いを保つことができるガス室に隣接し、
前記変形可能部は、前記タンクの前記金属の円筒壁に設けられ、変形可能なひだまたは折り畳み部が設けられた前記タンクの端部近傍の壁部を有し、前記円筒タンク壁の前記変形可能部および隣接する前記タンクの端壁は、前記ガス室によって作動可能に取り囲まれることを特徴とする温水器。
【請求項２】
請求項１に記載の温水器において、
少なくとも前記円筒壁部分、および前記端壁は、金属からなることを特徴とする温水器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の温水器において、
前記ガス室は、前記温水タンクとガス室壁との間に形成され、前記ガス室壁は少なくとも前記ガス室の端壁と前記変形可能部を取り囲む周壁を有することを特徴とする温水器。
【請求項４】
請求項３に記載の温水器において、
前記ガス室の前記周壁は、前記ガス室の前記端壁から遠方であって前記変形可能部に隣接する端部において、前記タンクの前記周壁に取り付けられることを特徴とする温水器。
【請求項５】
請求項１に記載の温水器において、
前記変形可能部は、前記タンクが最大で、非膨張時の容積に対して１０％まで膨張できるように設計されていることを特徴とする温水器。
【請求項６】
請求項４に記載の温水器において、
前記タンクには、前記タンク壁の前記変形可能部の少なくとも収縮動作を制限するためのストッパが設けられていることを特徴とする温水器。
【請求項７】
請求項６に記載の温水器において、
前記ストッパは前記ガス室の前記周壁の内側に設置され、前記変形可能部の少なくとも１つのひだと係合することを特徴とする温水器。
【請求項８】
請求項１に記載の温水器において、
前記給水管には、前記タンク内の圧力を制御する減圧弁が設けられていることを特徴とする温水器。
【請求項９】
請求項１に記載の温水器において、
前記変形可能部は、無負荷状態の長さが、使用時における前記変形可能部の最大長さと最小長さの  およそ中間の長さであることを特徴とする温水器。
【請求項１０】
請求項１または請求項５に記載の温水器において、
前記変形可能部は、非膨張状態において、前記周壁の全長の３０〜５０％を占めることを特徴とする温水器。
【請求項１１】
請求項１または請求項５に記載の温水器において、
前記ガス室の容積は、非膨張状態における前記タンクの容積の１０〜５０％であることを特徴とする温水器。
【請求項１２】
請求項１に記載の温水器において、
前記加熱体および前記温度制御装置は、超大気圧下で１００℃を超える温度まで水を加熱するように設計されていることを特徴とする温水器。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の温水器において、
前記変形可能部に隣接する前記タンクの前記端壁は、前記タンクの底壁を形成することを特徴とする温水器。
【請求項１４】
請求項１に記載の温水器において、
前記加熱体は、前記タンクの前記変形可能部によって囲まれた部分内まで延びていることを特徴とする温水器。
【請求項１５】
請求項２に記載の温水器において、
前記金属はステンレス鋼であり、壁厚が最大で０．６ｍｍであることを特徴とする温水器。
【請求項１６】
請求項１または請求項２に記載の温水器において、
前記円筒壁部分と前記端壁は１つの部材として形成されていることを特徴とする温水器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプレアンブル部分に記載された温水器に関する。
【背景技術】
【０００２】
温水器において、給水本管からの水は所望の温度に加熱される。加熱により水は２〜５％程度、膨張する。膨脹した分の水は、どこかへ逃がす必要がある。これについて、従来技術は、温水器の種類によって種々の方法を提案している。ここで、無加圧（常圧）ヒータと圧力タンクを備えるヒータとは区別しなければならない。膨張問題の解決には、設置に関する国内規制を考慮する必要がある。
【０００３】
常圧温水器は一般的に、給水口側に弁が設けられ、温水排水口が開放されている。多くの場合、膨張した温水は排水口から漏出するように構成されており、シンプルだが洗練された解決策ではない。蛇口から漏水しているとユーザにとっては煩わしく、また、水および（加熱）エネルギの浪費につながる。
【０００４】
常圧温水器には、タンクに通気孔が設けられており、水蒸気がそこから逃げてしまうという難点がある。そのため、常圧温水器は、８０℃を超える温水の保存にはあまり適していない。したがって、温水器は適切に換気された部屋に設置する必要がある。
【０００５】
本発明のように温水の保存に圧力タンクを用いる場合、種々の膨張システムが利用される。
【０００６】
第１のシステムでは、逆止弁、溢れ弁、および流出漏斗（入口側コンビネーション）を利用する。溢れ弁はタンク直前の冷水供給管に取り付けられる。最大給水圧力よりも高い所定圧力を超えると、当該弁が開放し、開放連結部と、一般的にドレン管に通じる漏斗形部材とから膨張水が排水される。この方法には以下の難点がある。すなわち、（１）例えば台所の戸棚内のドレン管がつまった場合、ドレンとの開放連結部によってオーバーフローする可能性がある。（２）湯温に応じて２〜５％の水が無駄になる。（３）各加熱サイクルの間、タンク内の圧力が必然的に最大給水圧力より上昇する。（４）膨脹水ドレンを設置するために余分な設置作業が必要になるとともに、戸棚内の利用可能なスペースが犠牲になる。
【０００７】
第２のシステムでは、逆止弁と膨脹タンクが冷水注入口の前に設置される。加熱が行われると、膨脹水は膨張タンクに導かれる。これにより、以下の事柄が生じる。すなわち、（１）ガスと水との間を分離する（ＥＰＤＭまたはブチルゴムの）膜は完全に気密ではないため、定期的にタンクを加圧する必要がある。（２）かなり大きな追加部材を設置する必要があり、コストが増大するとともにスペースが必要となる。（３）膨張タンク内の水の流れが確保されず（供給管１本）、一定の条件下では細菌増殖を引き起こす可能性がある。
【０００８】
従って、この方法は給湯装置に無条件に適用できるものではない。さらに、作業面も大きな難点となっている。
【０００９】
第３のシステムでは、膨張水を回収するために内部空気室が利用される。このシステムによると、膨張水を排水したり、外部に回収することによる難点の解決策として、温水タンクの上部に大量の空気が溜められる。タンクが充填される際に十分に大量の空気を減少給水圧力（reduced water supply pressure）まで圧縮するように、排水路がボイラ内を下方に延びている。水が加熱されると、膨張タンクは閉じ込められた空気を圧縮する。その結果、空気圧、さらにはタンク内の圧力が増加する。空気が加熱されることによって圧力はさらに増加する。最終的に、湯の上に存在する飽和水蒸気の非常に高い圧力によって、膨張チャンバ内の圧力が上昇する。これらの３つの要素によって、最初にタンクを加熱すると圧力を大きく増加させることができる。最終圧力を制限する唯一の方法は、水の加熱による圧縮を抑制するように、比較的大きい空気の空間を使うことである。しかし、大きな空気室は、必要な（冷たい）空気の圧縮を得るために温水排出口をより深くボイラ内に延在させることによってのみ、実現できる。初めに冷たい空気を圧縮して膨張バッファを生成する必要があることが、「エアバブル」膨張システムの主な障害である。これにより、蛇口から水を出すときに、温水の大部分が出てこないという結果になる。保存温度が７５℃より高い場合、これは重大な欠点になる。
【００１０】
別の問題は、ガス（空気／水蒸気）と水との間が分離しておらず、空気量が増減可能ということである。空気量の増加は、蛇口が開けられたときに空気の流出につながり、一方、空気量の減少は、加熱の際にボイラ内の過圧を引き起こしかねない。さらに、内部空気／蒸気気泡は、高温の水蒸気および酸素と、液体レベルの変動との組み合わせにより、腐食リスクを増大させてしまう。
【００１１】
ＤＥ８８０６０９７Ｕ１には、家庭用の温水タンク用温水ヒータが開示されており、ゴムまたは他の弾性材料からなる膜を備え、水が加熱されたときに水の容量増加を吸収するように、膜とタンクカバーまたはタンク壁との間にガス室が形成されている。
【００１２】
ＤＥ３０４０４５０Ａ１には、壁に変形可能なひだ部が設けられた常圧温水タンクが開示されている。ひだ部にはバイメタル層が設けられており、温度変化の際にひだ部を活発に変形させて、タンク容量を変化させるようにしている。別の実施の形態では、温度変化の際に、タンクを膨張または収縮させることができるバイメタルプリーツを備える圧縮バーが、タンクに設けられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、既知の温水器の難点をできるだけ解消し、なるべく設置が簡単で構成がコンパクトな新しい温水器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明による温水器は、請求項１の特徴部分に記載された構成を有する。
【００１５】
本発明による温水器を利用することにより、固定ガス室と協働するタンクを用いるので、空気／蒸気気泡膨張チャンバの問題が大幅に解消される。これにより、以下の効果が得られる。
（１）タンクを完全に水で満たすことができるので、タンク全体の容積分、湯を供給できる。
（２）水蒸気による圧力増加がない。
（３）分離されたガス室にガスが閉じ込められ、水から隔離されるので、ガスの量が一定である。
【００１６】
変形可能なひだすなわち（ジグザグの）折り畳み部により、温水器の作動圧力で伸縮することなく変形可能な材料を利用することが可能となる。
【００１８】
ひだまたは折り畳み部により容易に変形可能な蛇腹部を形成することができ、伸縮可能な材料の使用が必要となることなく、比較的大きな体積変化を伴う、制御の容易な膨張および圧縮を実現できる。
【００１９】
そこで、壁の変形可能部、および望ましくは壁の全体は、金属、とくに、１枚のステンレス鋼からなり、壁厚は約０．６ｍｍ以下、望ましくは約０．４ｍｍとしてもよい。
【００２０】
タンクの変形可能部は、タンクが最大で、非膨張時の容積に対して多くても約１０％、望ましくは多くて５％、膨張できるように設計されていることが望ましい。多くの場合、タンク内で加熱された水の膨張分を吸収するにはこれで十分である。
【００２１】
タンクには、タンク壁の変形可能部の少なくとも圧縮動作を制限するためのストッパが設けられ、このストッパはガス室壁の内側、例えば、とくにガス室の周壁に設置され、蛇腹部の少なくとも１つのひだと係合することができる。
【００２２】
これにより、タンクの最小容積が確立され、そこから、水の膨張によって予測可能な形でタンクの膨張が発生する。
【００２３】
無負荷状態において蛇腹部の長さは、使用時における蛇腹部の最大長さと最小長さとの間、望ましくは最大長さと最小長さのおよそ中間の長さとすることができる。
【００２４】
その結果、蛇腹部は無負荷状態にとる位置から遠くまで移動せず、また、静止状態において負荷を受けたとしても大きな負荷は受けないので、通常の使用において蛇腹部がうける負荷が小さくなる。
【００２５】
ガス室の容積は、非膨張状態におけるタンクの容積の、約１０〜５０％、望ましくは１０〜２５％とすることができる。容積が比較的小さいことから、ガス室によって温水器全体の容積は少ししか増加しない。
【００２６】
本発明による温水器の望ましい実施の形態において、加熱体および温度制御装置は、超大気圧（super-atmospheric pressure conditions）下で１００℃を超える温度まで水を加熱するように設計されている。
【００２７】
したがって、温水器は沸騰水を直接供給するのに適している。
【００２９】
以下に、本発明による温水器の実施の形態を示す図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明による温水器の一実施例の概略図を示す。
【図２】図２は、図１の温水器の可能な実施形態の断面図を示す。
【図３】図３は、本発明による温水器の別の実施例におけるタンクの変形可能壁部が膨張した状態を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明による温水器の別の実施例におけるタンクの変形可能壁部の図３とは異なる膨張状態を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明による温水器のタンクの変形可能壁部の別の実施例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、温水器の可能な実施形態を概略的に示している。温水器は、温水タンク１、公共給水本管Ｍに接続可能な給水管２、および蛇口Ｔに接続可能な排水管３を備える。給水管２には、給水本管Ｍから水が供給される際に、タンク１内の圧力を制御するための逆止弁４および減圧弁５が設けられている。さらに、温水器には加熱体６が設けられている。
【００３２】
温水器のタンク１は、周壁部１１、上壁部１２、および底壁部１３を備えている。本実施の形態では、周壁部１１の一部１４、この場合は下部が、タンク１内の圧力を受けて弾性変形可能に形成されており、これにより、タンク１を伸縮可能にしている。本実施の形態では、前記部分１４はしわ（corrugations）またはひだ（pleats）、すなわち蛇腹形状によって変形可能に構成されている。本実施の形態において、蛇腹形状部１４は、非変形の状態において、周壁部１１の長さの半分よりも若干短い部分（例えば約３０％から、４，５０％程度）を占めており、蛇腹形状部は、タンク内の水容量の５〜１０％の増加を吸収できるように設計されている。蛇腹形状部は加熱体の一部の周囲に延在し、タンク１の一体部分を形成する。タンク１の蛇腹部材の収縮および場合によっては膨張は、ひだの少なくとも一部と係合するストッパ１５によって制限可能である。この場合、蛇腹形状部材１４が収縮すると、蛇腹形状部材１４の最も下のひだ１４’がストッパ１５に当接する。
【００３３】
本実施の形態では、（この場合は）環状のストッパ１５が、端壁部１７とともにガス室１８、とくに空気室を画定する周壁部１６に形成されており、ガス室はタンク１の蛇腹形状部１４と底壁部１３を包囲している。ガス室１８の周壁部１６は、タンク１の周壁部１１の蛇腹形状部１４のすぐ上の位置に、例えば溶接によって固定されている。これにより、ガス室壁１６，１７がタンク１とともに、使用中は実質的に変形しない固定ユニットを形成し、蛇腹形状部１４がガス室壁１６，１７に対して相対的に移動可能となる。その結果、蛇腹形状部１４の伸縮に応じてガス室１８の容積が増減し、ガス室１８内の圧力がタンク１の底壁部１３に作用し、蛇腹部材１４を圧縮状態とするような付勢力を与えることで、ガス室１４が温水タンク１のガススプリングとして機能することができる。タンク１の蛇腹形状部１４の伸縮度合は、タンク１内の水の圧力（および重量）と、ガス室１８内の圧力および蛇腹形状部材の剛性との間のバランスに依存する。そこで、柔軟性の高い蛇腹はより剛性の高い蛇腹よりもタンク内の最大圧力を小さくできるので、蛇腹形状部１４のばね定数が比較的小さいほうが有利である。ガス室の容積は、非膨張状態のタンク１の容積の、例えば約１０〜５０％、好ましくは１０〜２５％とすることができる。
【００３４】
蛇腹形状部１４および望ましくはタンク１の全周壁部１１は、１枚のステンレス鋼から形成することができる。ここで、壁厚は約０．６ｍｍ以下、望ましくは０．４ｍｍとすることができる。タンクの周壁部は、例えばハイドロフォーミングによって形成できる。ステンレス鋼はとくに、衛生的で飲料用温水器への使用に非常に適していることから選択されている。蛇腹形状部１４は、無負荷状態の長さが使用時における蛇腹部１４の最大長さと最小長さとの間、望ましくは最大長さと最小長さのおよそ中間の長さとなるように設計されるのが望ましい。これは、蛇腹部１４の最も下のひだ１４’がストッパ１５に当接し、タンク１内の圧力が（実質的に）ゼロになった場合に、蛇腹部１４はガス室１８内の圧力によってスプリング圧に抗して圧縮されることを意味する。水の加熱によって蛇腹部１４が膨張し、タンク内の圧力が増加すると、蛇腹部１４は初め弛緩し、その後、無負荷点を通過した後、スプリング圧に抗して膨張する。
【００３５】
図１示す温水器の作用は以下のとおりである。
【００３６】
温水器を使用する際、タンク１は給水本管からの水で完全に満たされる。このとき、タンク１内の水およびガス室１８内の空気は冷たく、通常、温度は１０〜２０℃である。このような低温の場合、ガス室１８内の空気によってタンク１の底壁部１３に作用する力は、水温および空気温が約１１０℃となる通常の使用状態よりも、約２５％小さくなる。したがって、蛇腹形状部１４は、最も下のひだがストッパ１５に当接し、タンク１の容積が最小となる位置をとる。その結果、蛇腹形状部１４、さらにはタンク１は最大限、膨張することが可能となる。ガス室１８内の圧力は、若干圧縮された蛇腹形状部１４の圧力、およびタンク１内の水の圧力に対抗する。
【００３７】
タンク１内の水が加熱体６によって加熱されると、水は膨張し、容積が増大して蛇腹形状部１４を膨張させる。その結果、タンク１の底壁部１３は下方に移動し、ガス室１８内の圧力はガス室の容積減少とガス室１８内の空気の温度上昇に伴って増加する。タンク１の底壁部１３は力の釣り合いを保つように常に位置が調整される。実際には、通常の使用状態においては、蛇腹部１４は、２番目のひだがストッパ１５に当接するまでしか膨張しない。なお、タンク１内の水は実際に膨張しているのにタンク１はそれ以上膨張できないような状態では、タンク１内の圧力が非常に高いレベルに到達するので、このような状況はもちろん回避しなければならない。
【００３８】
タンク１内の水の容積は、タンクが冷水で完全に満たされ、その水が加熱されたときに最も大きくなる。これは、通常の開始／終了温度（average starting and end temperatures）の差が最も大きくなるからである。
【００３９】
温水器が利用開始され、最初に蛇口Ｔが開けられると、膨張容積分（３Ｌタンクの場合、通常、１２５ｍｌ）、水が蛇口Ｔから流出し、蛇腹形状部がストッパ１５に当接する最上位置に戻り、水圧は減少給水本管圧力近傍の圧力まで低下する。蛇口Ｔを閉じた後、減圧弁の作用によってタンク１の底壁部１３の下方への力は徐々に増大するが、この状況においても、ガス室１８内の加熱空気は冷却状態よりも約２５〜３０％高くなっているので、蛇腹形状部はストッパ１５と接したままである。
【００４０】
新たに供給された冷水は、加熱体６によって加熱される。蛇口Ｔから流出した温水の量（したがって供給された冷水の量）に応じて、タンク１内の水は加熱により大なり小なり膨張するが、この場合の膨張は常に、タンクが全て冷水で充填された場合よりも小規模であることは明らかである。したがって、蛇腹形状部１４は最大限までは膨張しない。タンク１から排水され、タンク内に水が補給されるたびに、以上のサイクルが繰り返し行われる。
【００４１】
図２は、図１に示す温水器の一実施の形態を示しており、温度センサ７と電子温度制御装置８が設けられ、タンク１内の水温がサーモスタット制御される。タンク１の上壁部１２は、ボルト等の固定部材によってタンクのフランジに固定されるカバーによって形成される。カバーが取り外されると、カバーに取り付けられた温度センサ７、加熱体６、給水／排水管３，４もタンクから取り外される。さらに、ガス室１８の周壁部１６がタンク１の周壁部の上部に滑らかに当接し、タンク１の外側を滑らかにしている様子が図示されている。これにより、ＵＳＰ６，６１２，２６８Ｂ１に開示された真空断熱タンクを構成することが可能となる。当該公報記載の内容は引用文としてここに組み込まれる。簡単のため、断熱材１９によってタンク１の断熱を表している。
【００４２】
図３，４は、本発明による温水器の別の実施の形態の、とくにタンク１の壁部の変形可能部分を概略的に示している。図３，４は、タンク１の周壁部１１、タンク１の底壁部１３、およびガス室１８の周壁部１６と底壁部１７を示す。この場合、タンク１には環状横断隔壁（annular cross bulkhead)２０が設けられ、ここではアコーディオン形状を有する変形可能壁部１４が隔壁に取り付けられている。圧縮状態では、アコーディオン形壁部１４はストッパとして機能する横断隔壁２０に当接している。当該アコーディオン形壁部１４は金属、とくに容易に成形および溶接でき、さらに耐食性の高いステンレス鋼から形成することができる。アコーディオンは、要求される耐圧性（例えば内部と外部で３barの圧力差）をもたらすように２ｘ０．２５ｍｍの複数のセグメントから構成することができる。ガス室１８の容積は約４５０ｍｌとすることができ、この場合、容量３Ｌのタンクを使用した場合、変形可能部１４によって１５０ｍｌの膨張容積を得ることができる（図３に示す位置と図４に示す位置との差）。
【００４３】
図５は、変形可能壁部の別の実施の形態を概略的に示しており、この場合、タンク１の底壁部１３に変形可能壁部２２が設けられている。本実施の形態では、変形可能壁部２２は、缶底に見られるような円形プリーツ２３を備えている。この場合のプリーツは、タンク１を伸縮可能とするためにより顕著なものとなっている。図５には、円筒タンクの中心軸に平行な方向に移動する変形可能部２２の異なる変形状態に相当する２つの位置における底壁部１３が示されている。少なくとも底壁部の中央は作動可能にガス室に接する必要がある。ここでは、底壁部の全体がガス室に取り囲まれている。
【００４４】
上記から明らかなように、本発明によって非常にシンプルでコンパクトな温水器を提供できる。さらに、膨脹水を無駄にすることがなく、温水器を経済的に使用できる。本発明の態様によって温水器の通常の動作および効率に悪影響を与えることはなく、また、衛生レベルも維持できる。本発明による態様は、とくに、例えば台所シンク下の戸棚に機器を設置し、台所で沸騰水を提供する温水器として非常に有効に実施できる。
【００４５】
本発明は、図示された上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく変形が可能である。
【００４６】
非伸縮性材料と円筒タンクの場合、膨張の大部分はタンクの中心軸に平行な方向に沿って発生し、移動する各端壁部（端壁部の全体もしくは中央部分）は作動可能にガス室に接する、もしくはガス室に包囲される。上述したように、変形可能部は、ばね定数、さらには要求される変形力が比較的低く、水の圧力と釣り合いを保つための力が主にガスの圧力によって生成されるように、変形可能部が設計および構成される。
【００４７】
蛇口Ｔもしくは蛇口Ｔの前において、または別の水栓位置において、温水器からの温水を冷水と混合することができ、これにより温水器から所望の温度の温水を得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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