(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンクと、
このタンク内に対向して配設された陽極及び陰極、及び陽極と陰極との間に電圧を印加する電源を有し、タンク内の水に溶存したスケール成分を析出するスケール析出手段を備えたスケール析出装置であって、
前記スケール析出手段は、前記タンクに前記水を供給する水供給配管中に酸素ガスを供給して水に溶解する、酸素ガス供給・溶解手段を有し、
前記酸素ガス供給・溶解手段は、前記水供給配管に取り付けられたエジェクタと、前記タンクに一端部が前記陽極の上部空間に臨んで接続され、他端部が前記エジェクタに接続された戻し配管とを備え、
前記印加により前記陽極で発生した前記酸素ガスは、前記戻し配管を通じて前記エジェクタに吸引されることを特徴とするスケール析出装置。
【請求項２】
前記戻し配管は、途中前記戻し配管内に空気を供給する第１の空気供給配管が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のスケール析出装置。
【請求項３】
タンクと、
このタンク内に対向して配設された陽極及び陰極、及び陽極と陰極との間に電圧を印加する電源を有し、タンク内の水に溶存したスケール成分を析出するスケール析出手段を備えたスケール析出装置であって、
前記スケール析出手段は、前記タンクに前記水を供給する水供給配管中に酸素ガスを供給して水に溶解する、酸素ガス供給・溶解手段を有し、
前記陽極と前記陰極との間であって前記タンクの天井には、前記酸素ガスが陽極側から天井に沿って前記陰極側に流れるのを阻止する仕切り板が設けられていることを特徴とするスケール析出装置。
【請求項４】
前記水供給配管、前記タンク内の前記水を外部に排出する水出口配管は、タンクに対してそれぞれ、水が前記陽極から前記陰極に流れるように接続されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載のスケール析出装置。
【請求項５】
前記陽極と前記陰極との間には、前記酸素ガスの通過を遮断し、前記水及び水素イオンの通過が可能な隔膜が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載のスケール析出装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１項に記載のスケール析出装置と、
このスケール析出装置の下流に設けられ前記水が導かれる伝熱流路と、
この伝熱流路で熱交換により前記水を加熱する熱源とを備えたことを特徴とする給湯器。
【請求項７】
前記スケール析出装置の下流側には、スケール析出装置で析出された前記スケール成分を捕捉するスケール捕捉手段が設けられており、このスケール捕捉手段で前記スケール成分が除去された水は、前記伝熱流路に導かれることを特徴とする請求項６に記載の給湯器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水に溶存したスケール成分を析出するスケール析出手段を備えたスケール析出装置、及びそのスケール析出装置を用いた給湯器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、石油給湯器などに大別されるが、いずれも熱を水に伝えるための熱交換器と呼ばれる部分が存在する。
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。
その原理は、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。
【０００３】
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。
特に水中の硬度成分（カルシウムイオンやマグネシウムイオン）が高い地域では、加熱によりスケールと呼ばれる炭酸塩結晶が析出し、熱交換器内に付着しやすいという問題点がある。
【０００４】
この問題点を解決する給湯器として、熱交換においてスケール成分の核発生手段を熱交換器の前段に設け、熱交換器の銅または銅合金製基材からなる部分の少なくとも使用時に水と接しうる面を被膜したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
このものの場合、上記核発生手段は、複数の電極と、電極間に電圧を印加する電源とを備えており、水の電気分解により、陰極付近の水のｐＨが上昇し、炭酸カルシウム結晶を陰極付近に核発生させることで、熱交換器表面でＣａが過飽和状態になりにくくなり、難溶性のＣａ化合物を析出しにくくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３１７８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１においては、水電気分解により陰極近傍のｐＨを上昇させて炭酸カルシウムのスケール粒子を液中に析出させる場合、アルカリ源となる溶存酸素が不足するため、スケール粒子が効率よく発生しないという問題点があった。
また、アルカリ源となる酸素が不足するとスケール粒子を含む水溶液のｐＨが８以下となり、水溶液中のスケール粒子が正に帯電するが、陰極は負に帯電しているため、水溶液中の発生したスケール粒子が静電気的に陰極上に引き寄せられて付着する。その結果、陰極上へのスケールの付着が進行し、陰極上に導電性の低い層が形成されるため、核発生手段が有効に働かないという問題点もあった。
【０００８】
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、水中に溶解したスケール成分を効率よく析出するスケール析出装置を得ることを目的とする。
【０００９】
また、このスケール析出装置の下流に設けられた伝熱流路へのスケール成分の付着を抑制した給湯器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るスケール析出装置は、タンクと、このタンク内に対向して配設された陽極及び陰極、及び陽極と陰極との間に電圧を印加する電源を有し、タンク内の水に溶存したスケール成分を析出するスケール析出手段を備えたスケール析出装置であって、前記スケール析出手段は、前記タンクに前記水を供給する水供給配管中に酸素ガスを供給して水に溶解する、酸素ガス供給・溶解手段を有し、前記酸素ガス供給・溶解手段は、前記水供給配管に取り付けられたエジェクタと、前記タンクに一端部が前記陽極の上部空間に臨んで接続され、他端部が前記エジェクタに接続された戻し配管とを備え、前記印加により前記陽極で発生した前記酸素ガスは、前記戻し配管を通じて前記エジェクタに吸引される。
【００１１】
また、この発明に係る給湯器は、タンク内の水に溶存したスケール成分を析出するスケール析出手段を備えたスケール析出装置と、このスケール析出装置の下流に設けられ前記水が導かれる伝熱流路と、この伝熱流路で熱交換により前記水を加熱する熱源とを備えている。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係るスケール析出装置によれば、供給水に酸素ガスを供給して溶解する酸素ガス供給・溶解手段を有しているので、陰極近傍のｐＨを増加させることができ、効率的にスケール粒子が発生し、また陰極へのスケールの付着量が抑制されるという効果がある。
【００１３】
また、この発明に係る給湯器によれば、スケール成分を効率良く析出するスケール析出装置を備えているので、スケール析出装置の下流の伝熱流路へのスケールの付着量が抑制され、伝熱流路での熱伝達性能が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１における給湯器を示す構成図である。
【図２】図１のエジェクタを示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２における給湯器を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３における給湯器を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４における給湯器を示す構成図である。
【図６】この発明の実施例１と比較例１との比較値を示す図である。
【図７】この発明の実施例１におけるｐＨとゼータ電位との関係を示す図である。
【図８】この発明の実施例１、２及び比較例１の各比較値を示す図である。
【図９】この発明の実施例１-３の各比較値を示す図である。
【図１０】この発明の実施例４と比較例２との比較値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一または相当部材、部位については、同一符合を付けて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における給湯器を示す概略構成図である。
この給湯器は、水を加熱する給湯装置本体１と、この給湯装置本体１に送られる水に含まれるスケール成分を析出するスケール析出装置２と、このスケール析出装置２で析出されたスケールを回収するスケール捕捉手段３とを備えている。
【００１６】
上記給湯装置本体１は、加熱外気の熱を熱媒体に移すための空気−熱媒体熱交換器である蒸発器４と、この蒸発器４で気化した熱媒体を圧縮するための圧縮機５と、熱媒体の熱で被加熱液である水を加熱するための熱媒体−水熱交換器であり、熱媒体を液化させる凝縮器６と、この凝縮器６からの熱媒体を滞留する受液器７と、この受液器７からの高温高圧の液化した熱冷媒を急速に断熱膨張させるための膨張弁８とを備え、これらは順次接続され、冷熱サイクルを構成している。
【００１７】
熱源である凝縮器６は、熱媒体と並流する水が通過する伝熱流路９と熱接触している。
この伝熱流路９の上流側は、切替バルブ１２が取り付けられた被加熱水入口配管１０と接続され、伝熱流路９の下流側は、被加熱水出口配管１１と接続されている。被熱水入口配管１０からの水は、伝熱流路９を通じて被加熱水出口配管１１に流れるが、伝熱流路９を通過中に熱媒体と熱交換されて加熱される。被加熱水出口配管１１は、水栓、シャワー等の出湯手段（図示せず）に接続されている。
なお、この実施の形態では、凝縮器６中を流れる熱媒体と伝熱流路９中を流れる水とは、並流であるが、熱媒体と水とが逆向きに流れる向流であってもよい。
【００１８】
上記スケール析出装置２は、タンク１３と、タンク１３内の水に溶存したスケール成分を析出するスケール析出手段とを備えている。
スケール析出手段は、タンク１３内に対向して配設された、陽極１４及び陰極１５と、＋極が陽極１４に接続され−極が陰極１５に接続された第１の電源１６と、陽極１４と陰極１５との間であってタンク１３の天井に取り付けられタンク１３の全高の１/１００〜１/２の長さの仕切り板３１と、タンク１３に水を供給する水供給配管１８中に酸素ガスを供給し、水に溶解する、酸素ガス供給・溶解手段とを備えている。
酸素ガス供給・溶解手段は、水供給配管１８に取り付けられたエジェクタ２０と、タンク１３に一端部が陽極１４の上部空間に臨んで接続され、他端部がエジェクタ２０に接続された戻し配管２４とを備えている。
また、水供給配管１８には給水検知手段である流量センサ３６が取り付けられている。
この流量センサ３６は第１の電源１６と接続されており、水供給配管１８に水が流れると、流量センサ３６からの電気信号により第１の電源１６はＯＮとなり、陽極１４と陰極１５との間に電圧が印加される。
【００１９】
陽極１４は、基材上における水の酸化反応を促進する酸化触媒から構成されている。基材としては、チタン（Ｔｉ）金属繊維の焼結体（繊維径２０μｍ、長さ５０〜１００ｍｍの単繊維を織り込んで焼結体としたもの）からなる密度２００ｇ／ｃｍ２の布（厚み３００μｍ）や、チタン製の網目構造を持つエキスパンドメタルを用いる。触媒となる白金（Ｐｔ）または、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を０．２５〜２ｍｇ/ｃｍ２の密度でめっきすることにより陽極１４を形成する。
水の酸化反応は、陽極１４上でのみ進行するので、基材としてエキスパンドメタルを用いる場合には、網目の密度によって反応面の面積に影響する。具体的には、１インチあたり１０個以上の穴が開いたエキスパンドメタルを用いることが好ましい。
【００２０】
一方、陰極１５は、モリブデン、ステンレス鋼、アルミ、銅、鉄、タングステンなどを用いるか、酸素の還元反応を促進する炭素系基材と酸素の還元反応を促進する還元触媒から構成される電極を使用できる。炭素系基材としては例えば厚さ２００μｍの炭素繊維（繊維径約５〜５０μｍ、空隙率５０〜８０％）を用いる。炭素繊維は、フッ素ガスによる撥水化処理されていることが望ましい。
タンク１３は、塩化ビニル、アクリルなどの樹脂材料かステンレス鋼、アルミなどの金属材料から構成するのがよい。
【００２１】
スケール析出装置２のサイズは、被水の流量によって変化するため一義的には決められない。具体的には被水の流量に比例して、通電電流、タンク１３の体積、陽極１４と陰極１５の表面積を増大させるのが望ましい。
一方、陽極１４と陰極１５との電極間距離や電極面積などの形状因子や電極間に存在する媒体の水質（導電率）によって印加電圧に対する電流の特性が変化する。
望ましくは電極間距離を１ｍｍ〜４０ｍｍ以内で設計することが好ましい。
電極間距離１ｍｍ未満では、陰極１５近傍の反応と陽極１４近傍の反応がお互いに干渉するため、効率的ではないためである。
また、通常の水道水の水質では導電率が低いため、極間距離が４０ｍｍよりも大きくなると必要な処理能力を得るためには４０Ｖ以上の電圧が必要となる。４０Ｖ以上では陽極１４に用いる金属材料の腐食が激しくなるため、実用上望ましくない。
【００２２】
上記エジェクタ２０は、水噴射空気吸引方式のものであり、図２に示すように、ノズル２１と、スロート２２と、ディフューザ２３とから構成されており、一例としては、ｌｆ=２-１００ｍｍ、ｌｄ=１０-２００ｍｍ、ｄｎ=１．０-１０ｍｍ、θ=１０-３０ｄｅｇの範囲で設計するのが望ましい。
エジェクタ２０には、一端部が混合室２５に臨んだ戻し配管２４が接続されている。戻し配管２４の他端部は、陽極１４の上部空間に臨んでタンク１３の天面に接続されている。
このエジェクタ２０では、ポンプ（図示せず）の駆動で水が水供給配管１８からタンク１３内に流入する際に、タンク１３の上部空間の酸素ガスは、戻し配管２４を通じて混合室２５内に流入して、水中に溶解し、タンク１３内に供給される水中における溶存酸素濃度が高くなる。
【００２３】
上記スケール捕捉手段３は、タンク２６と、このタンク２６内に対向して配設された、陽極２７及び陰極２８と、＋極が陽極２７に接続され−極が陰極２８に接続された第２の電源２９とを備えている。陽極２７及び陰極２８は、交互に１組以上配設されている。
陽極２７及び陰極２８の表面は、例えば針状もしくはブラシ状にすることで、陽極２７及び陰極２８の表面の電界強度が急激に増加し、比表面積も大きくなるので効率的にスケール粒子を捕捉することができる。
対向した、陽極２７と陰極２８との間隔としては、０.１５ｍｍ〜１０ｍｍとすることが望ましい。これは、陽極２７、陰極２８における電界強度は、４ｋＶ/ｃｍ以上とするためである。
０．１５ｍｍ未満では陽極２７、陰極２８同士の間隔を短縮しても電界強度が変化しないことがわかった。また、間隔を短縮しすぎると、補足したスケール粒子によって陽極２７と陰極２８との間が容易に閉塞するため、望ましくない。対向した、陽極２７と陰極２８との間隔を１０ｍｍよりも大きくなると、陽極２７、陰極２８における電界強度は、４ｋＶ/ｃｍ未満となり、効率的にスケール粒子を捕捉することができない。
【００２４】
陽極２７及び陰極２８は、陽極酸化されやすい金属、例えばモリブデン、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、鉄、タングステン等が用いられ、これらの金属を用いることで、陽極２７及び陰極２８の溶解と共に、その上に形成されたスケール層を容易に剥がし取ることができる。
タンク２６に接続された被加熱水入口配管１０は、途中において切替バルブ３３が取り付けられたスケール除去配管３２が分岐されている。
【００２５】
上記構成の給湯器では、水は、水供給配管１８を通じて、スケール析出装置２のタンク１３内に流入する。陽極１４の下方から流入した水は、その後陽極１４から陰極１５に向かって流れ、陰極１５の上方から水出口配管３０を通じて排出される。
タンク１３内では、第１の電源１６により１．２Ｖ以上の電圧を印加すると、陽極１４側では、次式（１）に示すように、水の電離が起きて酸素が発生する。
Ｈ２Ｏ → ２Ｈ+＋ １/２ Ｏ２＋２ｅ-‥‥‥‥‥‥……（１）
陰極１５側では、次式（２）に示すように、酸素と水素イオンと電子との反応によりＯＨ-イオンが発生する。
２Ｈ+＋ Ｏ２＋２ｅ- →２ＯＨ- …………‥‥‥‥‥‥（２）
酸素の還元反応によりＯＨ-イオンが発生する結果、陰極１５付近のｐＨが上昇する。
これにより、陰極１５側では、次式（３）に示すように、水中に溶解するＣａイオンとＨＣＯ３イオンとが反応して炭酸カルシウムの核が生成される。
Ｃａ２＋＋ ＨＣＯ３−＋ ＯＨ-→ ＣａＣＯ３↓ ＋ Ｈ２Ｏ ……（３）
【００２６】
なお、水供給配管１８に水が流れると同時に、流量センサ３６からの電気信号により、第１の電源１６はＯＮとなり、陽極１４と陰極１５との間は電圧が印加される。
【００２７】
一方、陰極１５付近で発生した炭酸カルシウムは、陽極１４近傍に到達すると、上式（１）で発生したＨ+により再び炭酸カルシウムが溶解する。
したがって、スケール析出装置２における水の入口、出口の位置やタンク１３の構造は、図１に示された点線矢印のように、水が陽極１４から陰極１５に一様に流れるようになっている。
また、陽極１４側に蓄積された酸素ガスがタンク１３の天井に沿って陰極１５側に漏れ出るのを仕切り板３１で防止している。
【００２８】
また、水を導入するポンプの駆動に伴い、タンク１３の上部空間の酸素ガスが戻し配管２４、エジェクタ２０を通じて、水供給配管１８を流れる水中に混入し、陽極１４側には、溶存酸素濃度が高い水が供給される。
スケール析出装置２のタンク１３の水出口付近では、陽極１４近傍で発生した酸性水と、陰極１５近傍で発生したＣａＣＯ３を含むアルカリ性水とが混合し、中性となる。
ここで、スケール析出装置２とスケール捕捉手段３との間の水の滞留時間が長いと、スケール析出装置２によって生成したＣａＣＯ３を主成分とするスケール粒子が再溶解するおそれがある。
具体的には、陰極１５側でタンク１３の天井から導出された水出口配管３０については、生成したスケール粒子の粒径が１μｍよりも大きい場合には１０秒以下、１０ｎｍ〜１μｍの場合には３秒以下の滞留時間となるように、設計すればよい。
【００２９】
その後、スケール粒子を含む水は、陰極１５の上方から水出口配管３０を通じて排出され、スケール捕捉手段３に送られる。
スケール捕捉手段３では、第２の電源２９により電圧印加により陽極２７と陰極２８との間に電界が形成されており、帯電したスケール粒子は、反対の電荷を有する、陽極２７、陰極２８に引き寄せられる。
一定の電荷を帯びたスケール粒子の移動速度は、電界密度によって支配される。
陰極２８、陽極２７は、表面の凹凸が大きく、例えば針状もしくはブラシ状になったものを用いており、陽極２７、陰極２８の先端における電界強度が急激に増加し、比表面積も大きくなるので、効率的にスケール粒子を捕捉することができる。
【００３０】
次に、スケール捕捉手段３でスケールが除かれた水は、被加熱水入口配管１０を通じて伝熱流路９に流れ、そこで熱源である凝縮器６からの熱で加熱され、加熱された水は、水栓、シャワー等の出湯手段（図示せず）に送られる。
【００３１】
スケール捕捉手段３で捕捉されたスケールは、定期的に除去しないと捕捉性能が低下する。具体的には、陽極２７、陰極２８の表面に付着したスケール厚みの平均値が０．１ｍｍ増加する毎に性能が増加前と比較して１０％低下する。つまり、スケール付着のない初期の捕捉効率を１００％とすると、０．１ｍｍでは９０％、０．２ｍｍでは８１％、０．３ｍｍでは７２％というように低下する。
これは、スケール自体は導電性が低いため、陽極２７、陰極２８がスケールで被覆されると、高い電界を形成できる面積が減少することが原因である。
【００３２】
従って、スケール捕捉手段３で捕捉されたスケールを定期的に除去する必要がある。
このときには、被加熱水入口配管１０の切替バルブ１２を閉弁し、スケール除去配管３２の切替バルブ３３を開弁する。
次に、スケール粒子捕捉時と逆の電位を陽極２７及び陰極２８に印加する。この結果、層状に蓄積されたスケールが一旦陽極２７から剥がされた後、対向する陰極２８に向かって引き寄せる力が働くが、スケールの重量が大きいため、陰極１５に捕捉される前に自然に沈降し分離される。
スケールを自然沈降によって陽極２７から分離する観点からすると、スケール厚みの平均値が０．１〜１０ｍｍの範囲において逆電位の印加による除去操作を実施することが望ましい。
０．１ｍｍ未満であるとスケール層の重量が小さいため、除去操作時における陽極２７、陰極２８の再付着が発生するため、除去効率が著しく低下する。
一方、１０ｍｍまで成長すると、捕捉効率が３０％まで低下するだけでなく、陽極２７、陰極２８との間が閉塞するおそれがある。
【００３３】
以上説明したように、この実施の形態による給湯器によれば、スケール析出装置２は、タンク１３と、タンク１３内の水に溶存したスケール成分を析出するスケール析出手段とを備え、スケール析出手段は、タンク１３に水を供給する水供給配管１８中に酸素ガスを供給し、水に溶解する、酸素ガス供給・溶解手段を有するので、陰極１５付近においてアルカリ源となる酸素ガスが不足することなく水のｐＨを上昇させることができるので、効率よく炭酸カルシウムを主成分とするスケール成分を効率良く析出することができる。
また、スケールの陰極１５付近においては、アルカリ性を示しているので、スケール粒子はマイナスに帯電されており、スケール粒子の陰極１５への付着が抑制される。
【００３４】
また、酸素ガス供給・溶解手段は、水供給配管１８に取り付けられたエジェクタ２０と、タンク１３に一端部が陽極１４の上部空間に臨んで接続され、他端部がエジェクタ２０に接続された戻し配管２４とを備え、印加により陽極１４で発生した酸素ガスは、戻し配管２４を通じてエジェクタ２０に吸引され、水に溶解されるので、酸素ガスをわざわざ外部から供給する必要性がない。
また、酸素ガスの水中への溶解は、エジェクタ２０により水供給配管１８に流れる水の吸い込み効果を利用しており、酸素ガスは水中に簡単に、効率よく溶解される。
【００３５】
また、陽極１４と陰極１５との間であってタンク１３の天井には、酸素ガスが陽極１４側から天井に沿って陰極１５側に流れるのを阻止する仕切り板が設けられているので、水の電気分解により陽極１４で発生した酸素ガスは、戻し配管２４、エジェクタ２０を通じて回収され、回収効率が向上する。
【００３６】
また、水供給配管１８、水出口配管３０は、タンク１３に対してそれぞれ、水が陽極１４から陰極１５に流れるように接続されているので、陰極１５付近で生じたスケールが陽極１４側に流れ、陽極１４付近で析出したスケール成分が再び溶解するのが防止される。
【００３７】
また、スケール析出装置２の下流側に、スケール捕捉手段３が設けられており、このスケール捕捉手段３でスケール成分が除去された水は、伝熱流路９に導かれるので、伝熱流路９でのスケールの付着量は低減され、給湯装置本体１の凝縮器６からの熱伝達性能が向上する。
【００３８】
また、水供給配管１８には、流量センサ３６が取り付けられており、この流量センサ３６により、タンク１３に給水されているときのみ、スケール析出装置２が常に作動し、給水されていないときには、作動しない。
従って、アルカリ源となる酸素ガスが不足し、陰極１５付近では、スケール粒子を含む水溶液のｐＨが８以下となり、水溶液中のスケール粒子が正に帯電し、水溶液中の発生したスケール粒子が静電気的に陰極１５上に引き寄せられて被覆し、その結果陰極１５付近の高い電界が形成されず、スケール析出ができない状態になるのを防止することができる。
【００３９】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における給湯器を示す概略構成図である。
この実施の形態２では、戻し配管２４に第１の空気供給配管３４を接続し、エジェクタ２０に供給される酸素を、タンク１３内からと併せて第１の空気供給配管３４からも供給し、水の溶存酸素濃度が実施の形態１のものと比較してより増加させることができるとともに、アルカリ源となる酸素ガスをタンク１３に供給される水に確実に供給することができる。
他の構成、作用及び効果は、実施の形態１と同じである。
【００４０】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における給湯器を示す概略構成図である。
この実施の形態３では、スケール析出装置２において、陽極１４と陰極１５とを隔てる、酸素ガスの通過を遮断し、水及び水素イオンの通過が可能な隔膜３５が設けられている。
隔膜３５としては、プロトン伝導性のイオン交換膜、アニオン伝導性のイオン交換膜、多孔質性の有機膜、多孔質性の無機膜等が使用される。
具体的には、隔膜３５として、パーフルオロスルホン酸膜を使用することができる。また、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水分および水素イオンのみを伝導する材料であればよく、他にポリベンゾイミダゾール系イオン交換膜、ポリベンズオキサゾール系イオン交換膜、ポリアリーレンエーテル系イオン交換膜なども用いることができ、
このとき高分子電解質膜中に含まれる水の分子数に対して約２〜６倍のリン酸分子を添加すると水素イオン伝導性が高まり、スケール粒子の析出効率を改善できる。
【００４１】
隔膜３５のない実施の形態１，２のものと比較して、この実施の形態３の給湯器では、陰極１５の近傍の反応と陽極１４の近傍の反応とがお互いに干渉することがないため、電極間距離の設定範囲が広く、電極近傍を流れる水流制御の必要がない点で利点がある。
他の構成、作用及び効果は、実施の形態１と同じである。
【００４２】
なお、上記各実施の形態１-３では、水中にスケールの生成成分としてＣａイオンが溶解した例で説明したが、Ｃａイオンと同じく硬度成分であるＭｇイオンが水中に溶解して場合でも、この発明は適用することができる。
また、給水検知手段として流量センサ３６を用いて説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、例えば圧力センサであってもよい。
【００４３】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４における給湯器を示す概略構成図である。
この実施の形態４では、エジェクタ２０に、第２の空気供給配管１３４の先端部が接続されている。第２の空気供給配管１３４の先端開口部は、エジェクタ２０の混合室２５に臨んでいる。
この実施の形態では、実施の形態１-３で示された、エジェクタ２０に酸素ガスを供給する戻し配管２４が無い。
しかしながら、ポンプの駆動で水が水供給配管１８からタンク１３内に流入する際に、エジェクタ２０内の混合室２５内が減圧され、第２の第２の空気供給配管１３４を通じて外気である空気が混合室２５内に吸引され、水中に溶解し、タンク１３内に供給される水中における溶存酸素濃度が高くなる。
なお、酸素ガス供給量を増加させる必要があれば、エアポンプを第２の空気供給配管１３４に取付ければよい。エアポンプを取付けることで、エアポンプの下流側の第２の空気供給配管１３４内の圧力と混合室２５内の圧力との圧力差をより大きくすることが可能となり、それだけより多くの空気、即ち酸素ガスを水中に混入させることができる。
【００４４】
この実施の形態では、第２の空気供給配管１３４を通じて供給する空気は加圧する必要はなく、水がエジェクタ２０を通過することで発生する吸引圧によって吸引された、無尽の空気中の酸素ガスを利用しており、またこの酸素ガスは、エジェクタ２０の混合室２５内で簡単に、かつ効率よく水中に溶解される。
他の構成、作用及び効果は、実施の形態１と同じである。
【実施例】
【００４５】
次に、上記実施の形態１-４の給湯器において、給湯装置本体１の伝熱流路９におけるスケール付着防止効果の具体例を説明する。
【００４６】
実施例１．
実施例１は実施の形態１における給湯器を用いた場合においてスケール析出装置２のみを運転し、スケール捕捉手段３の運転を停止した場合の性能を調べた。つまり、第２の電源２９をＯＦＦし、第１の電源１６のみをＯＮにして運転を行った。
スケール析出装置２の設定条件として、電極面積１ｄｍ２、流量１００ｍｌ/Ｌ、電圧１２Ｖ、電極間距離５ｍｍに設定した。タンク１３の体積は０．５Ｌ、エジェクタ２０は、ｌｆ=２ｍｍ、ｌｄ=１０ｍｍ、ｄｎ=０．１ｍｍ、θ=１５ｄｅｇ.のものを使用して、陽極１４で発生した酸素ガスを、戻し配管２４、エジェクタ２０を通じて水に混入した。
そして、直流電圧を印加したところ、電流は定常的に１．０Ａ流れた。
水としては、Ｃａ２＋濃度１２０ｍｇ/Ｌ、ｐＨ６．８、溶存酸素濃度５ｍｇ/Ｌのものを用いた。
エジェクタ２０を使用して陽極１４で発生した酸素ガスをタンク１３の手前の水供給配管１８で混合することにより、溶存酸素濃度は定常状態で５ｍｇ/Ｌから１５ｍｇ/Ｌに増加した。
スケール捕捉手段３は、電極面積ｌｄｍ２、流量１００ｍｌ/Ｌ、電圧０Ｖ、電極間距離５ｍｍ、陽極２７と陰極２８を２組並列して実験を行った。タンク２６の体積は０．５Ｌであった。
なお、これらの条件は実施の形態１の実施例を具体的に説明する制御因子の一例であり、実施の形態１を動作させる際の操作条件を限定するものではない。
【００４７】
上記実施例１の結果を図６に示す。
直流電圧１２Ｖを印加することによって、溶存Ｃａ２＋濃度が１２０ｍｇ/Ｌ→３０ｍｇ/Ｌまで７５％減少した。これは、陰極１５の近傍においてＣａイオンを主成分とするスケール粒子が析出したことに起因する。陰極１５の近傍の水溶液を採取してｐＨを測定したところ、ｐＨは１２と強アルカリ性を示した。
一方、エジェクタ２０による酸素溶解を停止した場合の結果を比較例１に示す。Ｃａ２＋の除去能力はわずか５％（溶解能力１２０→１１４ｍｇ/Ｌに減少）と低く、陰極１５の近傍の水溶液を採取したｐＨを測定したところ、ｐＨは７．２とほぼ中性を示した。
また、スケール析出装置２を連続的に１０００時間運転し、陰極１５に付着した単位電極面積当たりのスケール量を測定したところ、実施例１では０.０１ｍｇ/ｃｍ２であったのに対して、比較例１では０．１ｍｇ/ｃｍ２付着していた。
【００４８】
更に、スケール析出装置２によって発生したスケール粒子についてゼータ電位を測定した。溶液に別の相(例えば電極やコロイド粒子)が接触したとき、その界面では電荷分離が起こり、電気二重層が形成され電位差が生じる。 溶液に対して接触した相が相対的に運動しているとき、接触相の表面からある厚さの層にある溶液は粘性のために接触相とともに運動する。この層の表面(滑り面)と界面から充分に離れた溶液の部分との電位差をゼータ電位という。スケール粒子のゼータ電位がプラスであれば、陰極１５に静電気的に引き付けられ、マイナスであれば陰極１５から反発する。
【００４９】
水溶液のｐＨによるスケール粒子（平均粒径２．５μｍ）のゼータ電位の変化に関する測定結果を図７に示す。
ゼータ電位は水のｐＨ=６．８では、+２５ｍＶ程度のプラス電位を持っているが、ｐＨの上昇に伴って減少してｐＨ=８ではほぼゼロになった（当電位点）。ｐＨ＞８ではゼータ電位が更に減少し、-１８〜-２２ｍＶを示した。
つまり、前記エジェクタ２０によって酸素溶解を実施した、実施例１では溶存酸素濃度の増加によってアルカリ性を示し、スケール粒子をマイナスに帯電させるｐＨ範囲にあったため、陰極１５への付着が抑制されたと説明できる。
一方、比較例１では、溶存酸素濃度が不足していたため、陰極１５の近傍ではスケール粒子がわずかに発生する程度のＯＨ-量しか発生しなかったため、ｐＨ＜８となり粒子が徐々に陰極１５に析出したと考えられる。
【００５０】
実施例２．
この実施例２では、上記実施の形態１の給湯器において、スケール析出装置２とスケール捕捉手段３との両方を運転した場合の性能を調べた。つまり、第１の電源１６及び第２の電源２９を共に通電運転を行った。
スケール析出装置２の設定条件として、電極面積１ｄｍ２、流量１００ｍｌ/Ｌ、電圧１２Ｖ、電極間距離５ｍｍに設定した。タンク１３の体積は０.５Ｌ、エジェクタは、ｌｆ=２ｍｍ、ｌｄ=１０ｍｍ、ｄｎ=０.１ｍｍ、θ=１５ｄeg.のものを使用して、陽極１４で発生した酸素ガスをタンク１３の手前で混合した。直流電圧を陽極１４及び陰極１５に印加したところ、電流は定常的に１.０Ａ流れた。
水としては、Ｃａ２＋濃度１２０ｍｇ/Ｌ、ｐＨ６.８、溶存酸素濃度５ｍｇ/Ｌのものを用いた。
エジェクタ２０を使用して陽極１４で発生した酸素ガスをタンク１３の手前で混合することにより、溶存酸素濃度は定常状態で５ｍｇ/Ｌから１５ｍｇ/Ｌに増加した。
スケール捕捉手段３は、電極面積１ｄｍ２、流量１００ｍｌ/Ｌ、電極間距離５ｍｍ、陽極２７と陰極２８を２組並列して実験を行った。タンク２６の体積は０.５Ｌであった。実施の形態１において説明した考え方で電極の電界強度は５ｋＶ/ｃｍとなるように電源２９を制御した。
【００５１】
実施例２の結果を図８に示す。
直流電圧１２Ｖを印加することによって溶存Ｃａ２＋濃度が１２０ｍｇ/Ｌ→３０ｍｇ/Ｌまで7５％減少した。これは、陰極近傍においてＣａイオンを主成分とするスケール粒子が析出したことに起因する。
また、スケール析出装置２を連続的に１０００時間運転し、陰極１５に付着した単位電極面積当たりのスケール量を測定したところ、実施例１では０.０１ｍｇ/ｃｍ２であったのに対して、実施例２では０.０１ｍｇ/ｃｍ２と同等であった。
スケール捕捉手段３の後段にある給湯装置本体１の伝熱流路９に付着したスケール量を比較したところ、実施例１では０.０５ｍｇ/ｃｍ２であったのに対して、実施例２では０.０１ｍｇ/ｃｍ２と大幅に減少した。
これは、スケール捕捉手段３によって、スケール粒子の９０％が除去できたため、後段にある伝熱流路９に付着するスケール粒子が減少したためと考えられる。
【００５２】
実施例３．
この実施例３は、実施の形態３における給湯器を用いた場合において、パーフルオロスルホン酸で構成された隔膜３５を使用したスケール析出装置２とスケール捕捉手段３との両方を運転した場合の性能を調べた。つまり、第１の電源１６及び第２の電源２９を共に通電運転を行った。
スケール析出装置２の設定条件として、電極面積１ｄｍ２、流量１００ｍｌ/Ｌ、電圧１２Ｖ、電極間距離５ｍｍに設定した。タンク１３の体積は０.５Ｌ、エジェクタ２０はｌｆ=２ｍｍ、ｌｄ=１０ｍｍ、ｄｎ=０.１ｍｍ、θ=１５ｄeg.のものを使用して、陽極１４で発生した酸素ガスをタンク１３の手前で混合した。直流電圧を印加したところ、電流は定常的に１.０Ａ流れた。
水としては、Ｃａ２＋濃度１２０ｍｇ/Ｌ、ｐＨ６.８、溶存酸素濃度５ｍｇ/Ｌのものを用いた。
エジェクタ２０を使用して陽極１４で発生した酸素ガスをタンク１３の手前で混合することにより、溶存酸素濃度は定常状態で５ｍｇ/Ｌから１５ｍｇ/Ｌに増加した。
スケール捕捉手段３は、電極面積１ｄｍ２、流量１００ｍｌ/Ｌ、電極間距離５ｍｍ、陽極２７と陰極２８を２組並列して実験を行った。タンク１３の体積は０.５Ｌであった。実施の形態１において説明した考え方で電極の電界強度は５ｋＶ/ｃｍとなるように第２の電源２９を制御した。
【００５３】
この実施例３の結果を図９に示す。
直流電圧１２Ｖを印加することによって溶存Ｃａ２＋濃度が１２０ｍｇ/Ｌ→６ｍｇ/Ｌまで９５％減少した。これは、陰極１５近傍の反応と陽極１４近傍の反応が全く干渉せず、陰極１５近傍においてＣａイオンを主成分とするスケール粒子が効率的に析出したことに起因する。
また、スケール析出装置２を連続的に１０００時間運転し、陰極１５に付着した単位電極面積当たりのスケール量を測定したところ、実施例２では０.０１ｍｇ/ｃｍ２であったのに対して、実施例３では０.０１ｍｇ/ｃｍ２と同等であった。
スケール捕捉手段３の後段にある伝熱流路９に付着したスケール量を比較したところ、実施例２では０.０１ｍｇ/ｃｍ２であったのに対して、実施例３では０.００２ｍｇ/ｃｍ２と大幅に減少した。これは、スケール析出装置２によって、溶存するＣａ２＋の大部分が粒子として析出でき、後段のスケール捕捉手段３によりスケール粒子の９０％が除去できたため、後段にある伝熱流路９に付着するスケール粒子が減少したためと考えられる。
【００５４】
実施例４．
実施例４は実施の形態４における給湯器を用いた場合においてスケール析出装置２のみを運転し、スケール捕捉手段３の運転を停止した場合の性能を調べた。
つまり、第２の電源２９をＯＦＦし、第１の電源１６のみをＯＮにして運転を行った。
スケール析出装置２の設定条件として、電極面積ｌｄｍ２、流量１００ｍｌ/Ｌ、電圧１２Ｖ、電極間距離５ｍｍに設定した。タンク１３の体積は０．５Ｌ、エジェクタ２０は、ｌｆ=２ｍｍ、ｌｄ=１０ｍｍ、ｄｎ=０．１ｍｍ、θ=１５ｄｅｇ.のものを使用して、エジェクタ２０を通じて空気中の酸素を水に混入した。そして、直流電圧を印加したところ、電流は定常的に１．０Ａ流れた。
水としては、Ｃａ２＋濃度１２０ｍｇ/Ｌ、ｐＨ６．８、溶存酸素濃度５ｍｇ/Ｌのものを用いた。
エアーポンプによって空気圧力を調節して空気中の酸素ガスをタンク１３の手前のエジェクタ２０で混合することにより、溶存酸素濃度は定常状態で５ｍｇ/Ｌから１２ｍｇ/Ｌに増加した。
スケール捕捉手段３は、電極面積ｌｄｍ２、流量１００ｍｌ/Ｌ、電圧０Ｖ、電極間距離５ｍｍ、陽極２７と陰極２８を２組並列して実験を行った。タンク２６の体積は０．５Ｌであった。
なお、これらの条件は実施の形態４の実施例を具体的に説明する制御因子の一例であり、実施の形態４を動作させる際の操作条件を限定するものではない。
【００５５】
上記実施例４の結果を図１０に示す。
直流電圧１２Ｖを印加することによって、溶存Ｃａ２＋濃度が１２０ｍｇ/Ｌ→４８ｍｇ/Ｌまで６０％減少した。これは、陰極１５の近傍においてＣａイオンを主成分とするスケール粒子が析出したことに起因する。陰極１５の近傍の水溶液を採取してｐＨを測定したところ、ｐＨは１１．２と強アルカリ性を示した。
一方、エジェクタ２０による酸素ガス溶解を停止した場合の結果を比較例２に示す。Ｃａ２＋の除去能力はわずか５％（溶解能力１２０→１１４ｍｇ/Ｌに減少）と低く、陰極１５の近傍の水溶液を採取したｐＨを測定したところ、ｐＨは７．２とほぼ中性を示した。
また、スケール析出装置２を連続的に１０００時間運転し、陰極１５に付着した単位電極面積当たりのスケール量を測定したところ、実施例４では０.０６ｍｇ/ｃｍ２であったのに対して、比較例２では０．１ｍｇ/ｃｍ２付着していた。
【符号の説明】
【００５６】
１  給湯装置本体、２  スケール析出装置、３  スケール捕捉手段、６  凝縮器（熱源）、９  伝熱流路、１０  被加熱水入口配管、１１  被加熱水出口配管、１２，３３  切替バルブ、１３，２６  タンク、１４，２７  陽極、１５，２８  陰極、１６  第１の電源、１８  水供給配管、２０  エジェクタ（酸素ガス供給・溶解手段）、２４  戻し配管（酸素ガス供給・溶解手段）、２９  第２の電源、３０  水出口配管、３１  仕切板、３２  スケール除去配管、３４  第１の空気供給配管、３５  隔膜、３６  流量センサ（給水検知手段）、１３４  第２の空気供給配管。
【図１】
0005383716.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005383716.tif 000008
【図８】
0005383716.tif 000009
【図９】
0005383716.tif 000010
【図１０】
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