(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湯を貯える貯湯槽と、加熱手段で作られた高温の冷媒と前記貯湯槽下部から送られてきた水とが熱交換する給湯熱交換器と、前記給湯熱交換器と前記貯湯槽の下部とを接続する入水管路と、前記給湯熱交換器と前記貯湯槽の上部とを接続する出湯管路とを備え、前記入水管路に並列に設けられたスケールの生成を抑制するスケール抑制剤を添加するスケール抑制手段を有し、前記貯湯槽下部から送られ前記給湯熱交換器にて所定温度に加熱される水の流量が変化しても、前記給湯熱交換器にて前記所定温度に加熱される水の流量に対する前記スケール抑制手段を流れる水の分岐流量の比率、および、前記給湯熱交換器にて前記所定温度に加熱される水の前記スケール抑制剤の溶解濃度は、ほぼ一定となるように構成したことを特徴とする給湯装置。
【請求項２】
前記スケール抑制剤は、ポリリン酸塩とすることを特徴とする前記請求項１に記載の給湯装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、ヒートポンプユニットであることを特徴とする前記請求項１または２に記載の給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯槽に溜めた高温の湯を用いて給湯を行う給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の給湯装置として、貯湯槽に溜めた高温の湯を用いて給湯を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６は、前記公報の第一実施形態として記載された従来の給湯装置を示すものである。同図に示すように、この給湯装置は、ガスクーラ（給湯熱交換器）１を有するヒートポンプユニット２と、ガスクーラ１にて沸き上げられた湯水が貯留される貯湯タンク３を有する貯湯ユニット４とから構成されている。また、ヒートポンプユニット２の冷媒循環路は、圧縮機５、ガスクーラ１、膨張弁（減圧装置）６、蒸発器７などから構成され、貯湯ユニット４の水回路は、循環ポンプ８、ガスクーラ１、貯湯槽３などから構成されている。
【０００４】
そして、圧縮機５によって圧縮された高温高圧のガス冷媒をガスクーラ１において貯湯槽３に貯湯された水と熱交換させて水を加熱して沸き上げる。そして、貯湯槽３からガスクーラ１に至るまでの水循環路に、スケールの生成を抑制する添加剤を供給する添加器（スケール抑制手段）９を備えた構成としている。
【０００５】
また、前記公報の第二実施形態として記載された従来の給湯装置（図示せず）は、添加器９を迂回するバイパス回路（図示せず）を設け、このバイパス回路の分岐箇所には三方弁（図示せず）を備えた構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−６９５７２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、前記従来の第一実施形態の構成では、貯湯槽３からガスクーラ１に至るまでの水循環路に直列に添加器９を備えているため、次のような課題を有していた。すなわち、循環ポンプ８によって貯湯槽３からガスクーラ１に送られる水に含まれる添加剤の濃度が、このガスクーラ１に送られる水の流量によって大きく変化し、スケール生成の抑制効果に影響を与えるため、必要な効果が得られず、添加剤が過剰で無駄になることがある。
【０００８】
図７は、横軸に外気温度をとり、縦軸に市水温度、沸き上げ流量および添加剤濃度をとり、外気温度に対する市水温度、沸き上げ流量および添加剤濃度の変化を示したものである。一般に給湯装置の加熱能力は外気温度が変化してもほぼ一定である。一方、外気温度が変化するとそのときの水道水の温度である市水温度も変化する（一般に外気温度が高い方が市水温度も高い）。貯湯槽３に貯留する温度（ガスクーラ１で沸き上げる温度）が同じ場合、外気温度が高くなれば、市水温度も高くなり、沸き上げ流量が大きくなるため、それに応じて、添加剤濃度は小さくなる。
【０００９】
いま、外気温度の低い冬条件（例えば、外気温度７℃）で、スケール生成の抑制効果が現れる添加剤の必要濃度に設計した場合、中間期や夏などには、スケール生成の抑制効果が少なくなり、ガスクーラ１にスケールが付着成長するという課題がある。逆に、外気温度が高い夏条件（例えば、深夜の外気温度２５℃）でスケール生成の抑制効果が現れる添加剤の必要濃度に設計した場合、冬などには、必要以上の添加剤が溶け出すことになり、添加剤の寿命が短くなり、その交換や補充などのメンテナンスが増え、維持コストが増加するという課題がある。
【００１０】
図７は、季節変化など外気温度が変わった場合であるが、外気温度が同じでも、次のような課題がある。図８は、横軸に貯湯槽３に湯を貯留するための沸き上げ時間を取り、縦軸にガスクーラー１に供給される入水温度、ガスクーラー１を流れる水の流量である沸き上げ流量および添加剤濃度をとり、沸き上げ時間に対する入水温度、沸き上げ流量および
添加剤濃度の変化を示したものである。
【００１１】
例えば、貯湯槽３全体が９℃の水で満たされている状態から貯湯槽３全体を沸き上げる場合、貯湯槽３下部の水が循環ポンプ８によってガスクーラー１に送られ、必要な温度（例えば８５℃）まで水の温度を上昇させた後、貯湯槽３の上部に送られることによって、貯湯槽３の上部から高温の湯が貯留される。
【００１２】
このとき、貯湯槽３の内部では、上部には８５℃の高温の湯の層があり、下部には９℃の水の層がある。この２つの層の間は、８５℃から９℃に変化する混合層が存在する。貯湯槽３の全量を沸き上げる場合、最終的には、この混合層の部分を沸き上げることになる（同図に示す混合層の部分）。このとき、ガスクーラ１に送られる水の温度である入水温度が上昇するため、沸き上げ流量が増加し、添加剤濃度は小さくなる。このように、外気温度が同じでも、入水温度が変化するため、結果として、添加剤濃度が変化するため、図７の説明と同様の課題が生じる。
【００１３】
前記従来の第二実施形態の構成では、バイパス回路と添加器９のある回路とを切り替える構成になっているので、添加器９のある回路を使用する場合は、図７及び図８で説明したことと同様な動作になるため、前述の説明と同様の課題が生じる。
【００１４】
また、ポリリン酸塩などのスケール抑制剤は、炭酸カルシウムがスケール化する場合、炭酸カルシウムの結晶の成長を防止するため、ガスクーラー１などに付着、堆積することを防止する効果が大きい。
【００１５】
しかし、一旦、堆積し硬いスケールの状態になった場合は、その結晶構造を微細化するという働きは少ないので、従来の第二実施形態の構成では、従来の第一実施形態の構成のように沸き上げ動作中連続して添加剤を溶解させる場合よりも、スケール生成の抑制効果が少なくなるので、スケール抑制剤を消費する割りに、ガスクーラー１などの熱交換器が詰まる場合があるという課題もある。これを防止するためには、必要以上のスケール抑制剤を添加する必要がある。
【００１６】
本発明は上記課題を解決するもので、スケール抑制剤の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストを低減させることを図った給湯装置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】
【００１７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置は、湯を貯える貯湯槽と、加熱手段で作られた高温の冷媒と前記貯湯槽下部から送られてきた水とが熱交換する給湯熱交換器と、前記給湯熱交換器と前記貯湯槽の下部とを接続する入水管路と、前記給湯熱交換器と前記貯湯槽の上部とを接続する出湯管路とを備え、前記入水管路に並列に設けられたスケールの生成を抑制するスケール抑制剤を添加するスケール抑制手段を有し、前記貯湯槽下部から送られ前記給湯熱交換器にて所定温度に加熱される水の流量が変化しても、前記給湯熱交換器にて前記所定温度に加熱される水の流量に対する前記スケール抑制手段を流れる水の分岐流量の比率、および、前記給湯熱交換器にて前記所定温度に加熱される水の前記スケール抑制剤の溶解濃度は、ほぼ一定となるように構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
これによって、入水温度が変わってもスケール抑制剤の濃度がほぼ一定になり、効果的にスケール生成の抑制ができるので、スケール抑制剤の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストを低減さることができる給湯装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の給湯装置は、スケール抑制剤を添加するスケール抑制手段を前記入水管路に並列に設けたことによって、スケール抑制剤の交換頻度を低減し、長寿命化を図ることができる。さらに、短期的には、貯湯槽の混合層を沸き上げるときにも前記入水温度が大きく変化してもスケール抑制剤の濃度をほぼ一定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１における給湯装置の構成図
【図２】同給湯装置の流量に対する特性の変化を示す特性図
【図３】（ａ）同給湯装置のスケール抑制手段の入水管路の回路構成を説明する説明図、（ｂ）同給湯装置のスケール抑制手段の別の入水管路の回路構成を説明する説明図
【図４】本発明の参考例１における給湯装置の構成図
【図５】本発明の参考例２における給湯装置の構成図
【図６】従来の給湯装置の構成図
【図７】同給湯装置の外気温度に対する特性の変化を示す特性図
【図８】同給湯装置の沸き上げ時間に対する特性の変化を示す特性図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
第１の発明は、湯を貯える貯湯槽と、加熱手段で作られた高温の冷媒と前記貯湯槽下部から送られてきた水とが熱交換する給湯熱交換器と、前記給湯熱交換器と前記貯湯槽の下部とを接続する入水管路と、前記給湯熱交換器と前記貯湯槽の上部とを接続する出湯管路とを備え、前記入水管路に並列に設けられたスケールの生成を抑制するスケール抑制剤を添加するスケール抑制手段を有し、前記貯湯槽下部から送られ前記給湯熱交換器にて所定温度に加熱される水の流量が変化しても、前記給湯熱交換器にて前記所定温度に加熱される水の流量に対する前記スケール抑制手段を流れる水の分岐流量の比率、および、前記給湯熱交換器にて前記所定温度に加熱される水の前記スケール抑制剤の溶解濃度は、ほぼ一定となるように構成したことを特徴とする給湯装置である。
【００２２】
これにより、入水温度が変わってもスケール抑制剤の濃度がほぼ一定になる。
【００２３】
このため、効果的にスケール生成の抑制ができるので、スケール抑制剤の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストを低減さることができる。
【００２４】
第２の発明は、スケール抑制剤はポリリン酸塩を用いた構成としている。
【００２５】
これにより、炭酸カルシウムがスケール化する場合、炭酸カルシウムの結晶の成長を防止するため、ガスクーラなど熱交換器内部にスケールの付着、堆積することを防止する効果が大きい。
【００２６】
このため、機器の耐久性を向上させるとともに、ガスクーラなどの熱交換器の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストを低減させることができる。
【００２７】
第３の発明は、加熱手段としてヒートポンプユニットを用いた構成としている。
【００２８】
これにより、省エネルギーを図ることができる。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における給湯装置の構成図である。図１において、給湯装置の熱源である加熱手段は、圧縮機５１、給湯熱交換器５２、減圧装置５３および大気熱を吸熱する蒸発器５４からなるヒートポンプサイクルを構成したヒートポンプユニ
ット５５である。
【００３０】
そして、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる二酸化炭素を冷媒とする。貯湯ユニット５６に収納された貯湯槽５７への給水は貯湯槽５７下部に接続された給水管５８を通ってなされ、貯湯槽５７上部の高温の湯は給湯管路５９を通り給湯混合弁６０で給水と混合することによって所定の温度の湯にしてから給湯配管６１を通って給湯端末（蛇口６２）から給湯される。
【００３１】
また、貯湯槽５７の下部から循環ポンプ６３，入水管路６４、給湯熱交換器５２、出湯管路６５および貯湯槽５７の上部を順次接続することによって沸き上げ回路を構成し、貯湯槽５７から循環ポンプ６３で送られてきた水は前記給湯熱交換器５２で冷媒熱により加熱されて貯湯槽５７の上から貯留される。
【００３２】
給湯熱交換器５２の水側出口に接続された出湯管路６５に備えた沸き上げ温度検出手段６６によってヒートポンプ熱源で加熱した湯温を検出する。さらに、入水管路６４に並列にスケール抑制剤６７を充填したスケール抑制手段６８が接続されている。
【００３３】
以上のように構成された給湯装置について、以下にその動作、作用を説明する。図１において、貯湯槽５７を沸き上げる給湯加熱運転について説明する。いま、貯湯槽５７を沸き上げる要求（図示せず）があると、ヒートポンプユニット５５で大気熱を利用した給湯加熱運転を行う。この場合、圧縮機５１から吐出された臨界圧力以上の高温高圧の冷媒が給湯熱交換器５２に流入し、ここで貯湯槽５７の下部から送られてきた水と熱交換し放熱した後、減圧装置５３で減圧し、さらに、蒸発器５４で大気から熱を吸熱し、ガス化して圧縮機５１に戻る。
【００３４】
この時、給湯熱交換器５２に流入する貯湯槽５７の下部から入水管路６４を通って送られてきた水は、給湯熱交換器５２の出口での温度が所定温度となるように循環ポンプ６３の回転数を制御することによって、所定の温度の湯が貯湯槽５７の上部から流入し貯留される。
【００３５】
このとき、入水管路６４に並列にスケール抑制剤６７を充填したスケール抑制手段６８が接続されているので、循環ポンプ６３によって貯湯槽５７の下部から送られてきた水の一部は、分岐点Ａでスケール抑制手段６８を備えた回路に流れる。そして、スケール抑制手段６８に流入して、スケール抑制剤６７を溶解させた水は、合流点Ｂで、スケール抑制手段６８側を循環しなかった水と混合する。
【００３６】
そして、給湯熱交換器５２に流入して、前述したように所定の温度になるように加熱される。このとき、水に含まれるスケール抑制剤は、給湯熱交換器５２中で生成する炭酸カルシウムの結晶の成長を抑制し、スケールの発生を防止する。
【００３７】
図２は、横軸に沸き上げの流量をとり、縦軸に沸き上げ流量に対するスケール抑制手段６８を備えた回路（点Ａ→点Ｃ→点Ｂ）を流れる分岐流量の比率と、スケール抑制剤の濃度とを取り、沸き上げ流量の変化に対する分岐流量の比率とスケール抑制剤の濃度の変化を示したものである。同図からわかるように、沸き上げ流量が変化しても、分岐流量の比率とスケール抑制剤の濃度は余り変化が無いことがわかる。
【００３８】
例えば、入水管路６４の分岐点Ａと合流点Ｂ間の流量が増加すれば、その間の圧力損失は増加する。そして、点ＡＢ間の圧力損失が大きくなるということは、スケール抑制手段６８を備えた回路（点Ａ→点Ｃ→点Ｂ）を流れる分岐流量も増えることになり、結局、分岐流量の比率はほぼ一定の傾向がある。また、通水した時のスケール抑制剤６７の溶解量
は概ね流量に比例するので、同図のような特性となる。
【００３９】
図３は、任意の分岐流量の比率を設定する方法を示す。同図（ａ）は、入水管路６４の分岐点Ａと合流点Ｂ間の流路抵抗を変化させることで点ＡＢ間の圧力損失を設定し、その差圧に応じて分岐流量の比率を決定することができる。また、スケール抑制手段６８の流路抵抗が大きい場合には、同図（ｂ）に示すように、スケール抑制手段６８を備えた回路側に流体の動圧がかかるような構成にし、そして点ＡＢ間の入水管路６４の形状を変更することで、点ＡＢ間の圧力損失を設定し、その差圧に応じて分岐流量の比率を決定することができる。
【００４０】
このように、入水管路６４に並列にスケール抑制剤６７を充填したスケール抑制手段６８を設けると、分岐点Ａでスケール抑制手段６８側に分岐して流れる流量の比率がほぼ一定になるため、合流点Ｂの下流におけるスケール抑制剤６７の濃度をほぼ一定にすることが出来る。
【００４１】
図７で説明したように、季節変化など外気温度が変わった場合に水道水の温度である市水温度も変化し、その結果、沸き上げ流量が変化することになるが、上述で説明したように、沸き上げ流量の影響を余り受けずに、安定したスケール抑制剤６７の濃度を得ることが出来るので、無駄なスケール抑制剤６７の消費がなくなるため、スケール抑制剤６７の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストが少なくなるという効果がある。
【００４２】
さらに、図８で説明したように、混合層の部分を沸き上げる時に入水温度が変化（上昇）し、沸き上げ流量が変化（増加）しても、安定したスケール抑制剤６７の濃度を得ることが出来るので、上述と同様、無駄なスケール抑制剤６７の消費がなくなるため、スケール抑制剤６７の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストが少なくなるという効果がある。
【００４３】
（参考例１）
図４は、本発明の参考例１における給湯装置の構成図である。図１の実施の形態１と異なる点は、入水管路６４の分岐点Ａと合流点Ｂの間に流量調節手段６９を設けたことであり、制御手段７０はこの流量調節手段６９の動作を制御する。その他の構成は図１と同様なので、説明は省略する。この流量調節手段６９としては、例えば、給湯機で一般に使用されている流量制御弁（図示せず）があり、ステッピングモーターを駆動させることによって、流体が通過する流路断面積を変えることによって流量を変更するものである。
【００４４】
以上のように構成された給湯装置について、以下にその動作、作用を説明する。図４において、合流点Ｂの下流におけるスケール抑制剤６７の濃度を所定の濃度に変更する場合、流量調節手段６９の流路抵抗を変更（例えば、前述したように流路断面積を変更）し、分岐点Ａと合流点Ｂの間の圧力損失を変えることによって、スケール抑制手段６８側に分岐して流れる流量（分岐流量）の比率を変更する。
【００４５】
すなわち、流量調節手段６９の流路抵抗を大きく（例えば、流路断面積を小さく）すると、分岐点Ａと合流点Ｂの間の圧力損失が大きくなるので、前記分岐流量の比率が大きくなり、入水管路６４の合流点Ｂの下流側のスケール抑制剤６７の濃度を大きくすることができる。逆に、濃度を小さくしたい場合は、流量調節手段６９の流路抵抗を小さく（例えば、流路断面積を大きく）すればよい。
【００４６】
例えば、高硬度水の地域とか井戸水を給水に利用する場合、給水の硬度を検出する硬度検出手段７１からの情報をもとに前記濃度を決定すればよい。そして、給水の硬度が高け
れば、前記濃度をスケールの生成が起こらない濃度となる前記分岐流量の比率に設定するために、制御手段７０が流量調節手段６９を調整する構成とすればよい。
【００４７】
また、給水の硬度は、入力手段（図示せず）で直接、前記制御手段７０を備えた給湯装置のリモコン７２に入力する構成としても良い。更に、給水の硬度とスケールの生成が起こらないスケール抑制剤６７の濃度との関係や、流量調節手段６９の流路抵抗とスケール抑制剤６７の濃度との関係などは、事前に求めておいて、リモコン７２に記憶させるようにしても良い。
【００４８】
このように、給水の硬度が高い場合、スケールの生成が起こらないスケール抑制剤６７の濃度を設定できるので、安全目に高濃度に設定して使用する場合に比べ、添加剤の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストが少なくなるという効果がある。
【００４９】
また、給湯熱交換器５２の寿命が長くなり、その交換などのメンテナンスや維持コストが少なくなるという効果もある。
【００５０】
給湯熱交換器５２内にスケールが付着、成長する主な要因としては、前述の給水の硬度の要因と貯湯槽５７に貯留する温度（沸き上げ温度）の要因とがある。沸き上げ温度が高い方がスケールの生成と成長が大きい。そこで、沸き上げ温度に対するスケールの生成と成長がないスケール抑制剤６７の濃度を求め、この濃度となるように前記分岐流量の比率に設定するために、制御手段７０が流量調節手段６９を調整する構成とすればよい。
【００５１】
このとき、沸き上げ温度に対するスケールの生成と成長がないスケール抑制剤６７の濃度の関係を事前に求めておき、この関係をリモコン７２に記憶させるようにしても良い。
【００５２】
このように、沸き上げ温度に応じて、スケールの生成が起こらないスケール抑制剤６７の濃度を設定できるので、安全目に高濃度に設定して使用する場合に比べ、スケール抑制剤６７の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストが少なくなるという効果がある。
【００５３】
また、給湯熱交換器５２の寿命が長くなり、その交換などのメンテナンスや維持コストが少なくなるという効果もある。
【００５４】
貯湯槽５７に貯留される温度（沸き上げ温度）は、一般的に、６５〜９０℃程度である。そして、沸き上げ温度が高い方がスケールの生成と成長が大きいが、６５℃前後であれば、スケールの生成が少なく、成長もほとんど無い。この場合、スケール抑制剤６７の濃度を最小にするように、制御手段７０が流量調節手段６９を調整する構成とすればよい。すなわち、流量調節手段６９の流路抵抗を最小（流量調節手段６９の流体が通過する流路断面積を最大）になるように制御する。
【００５５】
このように、スケールの生成が少なく、成長もほとんど無いような沸き上げ温度の場合には、スケール抑制剤６７の濃度を最小に設定できるので、安全目に高濃度に設定して使用する場合に比べ、添加剤の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストが少なくなるという効果がある。
【００５６】
（参考例２）
図５は、本発明の参考例２における給湯装置の構成図である。図１の実施の形態１と異なる点は、スケール抑制剤６７を充填したスケール抑制手段６８に直列に開閉弁７３を設けたことであり、制御手段７０はこの開閉弁７３の動作を制御する。その他の構成は図１
と同様なので、説明は省略する。
【００５７】
以上のように構成された給湯装置について、以下にその動作、作用を説明する。図５において、開閉弁７３を開いた場合、貯湯槽５７の下部の水は、入水管路６４の点Ａと点Ｂ間側とスケール抑制手段６８側との両方に流れる。また、開閉弁７３を閉じた場合、貯湯槽５７の下部の水は、入水管路６４の点Ａと点Ｂ間側だけに流れ、スケール抑制手段６８側には流れない。
【００５８】
前述したように、沸き上げ温度が、６５℃前後であれば、スケールの生成が少なく、成長もほとんど無い。この場合、スケール抑制剤６７を消費する必要がないので、制御手段７０が開閉弁７３を閉じる構成とすればよい。
【００５９】
このように、スケールの生成が少なく、成長もほとんど無いような沸き上げ温度の場合には、スケール抑制剤６７の消費が無いように設定できるので、安全目に高濃度に設定して使用する場合に比べ、添加剤の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストが少なくなるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明にかかる給湯装置は、入水温度が変わってもスケール抑制剤の濃度がほぼ一定になり、効果的にスケール生成の抑制ができるので、スケール抑制剤の寿命が長くなり、その交換や補充などのメンテナンスや維持コストを低減さることができるものである。
【符号の説明】
【００６１】
５２  給湯熱交換器
５５  ヒートポンプユニット（加熱手段）
５７  貯湯槽
６４  入水管路
６５  出湯管路
６７  スケール抑制剤
６８  スケール抑制手段
６９  流量調節手段
７３  開閉弁
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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