(57)【要約】  給湯器１は、熱交換を行う熱交換器４と、給湯タンク３と、給湯タンク３から熱交換器４へ湯水を送る送り配管と、熱交換器４から給湯タンク３へ湯水を送る戻り配管と、スケール付着体１０とを備える。スケール付着体１０は、給湯タンク３、送り配管、熱交換器４および／または戻り配管の湯水の経路中に配置される。かつ、スケール付着体１０の開口部の面積をＳ、外周をＰとした場合、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される開口部の代表長さＬは、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
2013094410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換を行う熱交換部と、給湯タンクと、前記給湯タンクから前記熱交換部へ湯水を送る送り配管と、前記熱交換部から前記給湯タンクへ湯水を送る戻り配管と、前記給湯タンク、前記送り配管、前記熱交換部および／または前記戻り配管の湯水の経路中に配置されるスケール付着体とを備え、
前記スケール付着体の開口部の面積をＳ、外周をＰとした場合、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される前記開口部の代表長さＬは、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、給湯器。
【請求項２】
前記スケール付着体は、銅、黄銅、シリコーンゴム、ガラス、鉄、酸化鉄（III、II）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、イソプレンゴム、ブタジエンゴムもしくはスチレンブタジエンゴムのうちのいずれかの材料、または、表面における炭酸カルシウムのスケールの核生成エネルギーが２．０×１０−２０（Ｊ）以下となる材料から構成される、請求項１に記載の給湯器。
【請求項３】
前記スケール付着体は、スケール捕捉部の内部に配置されており、
前記スケール捕捉部は、洗浄液または空気を導入する配管、および洗浄液と共にスケール粒子を排出する配管を備える、請求項１または２に記載の給湯器。
【請求項４】
熱交換を行う熱交換部と、給湯タンクと、前記給湯タンクから前記熱交換部へ湯水を送る送り配管と、前記熱交換部から前記給湯タンクへ湯水を送る戻り配管と、前記給湯タンク、前記送り配管、前記熱交換部および／または前記戻り配管の湯水の経路中に配置されるスケール付着体とを備え、
前記スケール付着体がカール状繊維から構成され、カール径Ｄ１は、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、給湯器。
【請求項５】
熱交換を行う熱交換部と、給湯タンクと、前記給湯タンクから前記熱交換部へ湯水を送る送り配管と、前記熱交換部から前記給湯タンクへ湯水を送る戻り配管と、前記給湯タンク、前記送り配管、前記熱交換部および／または前記戻り配管の湯水の経路中に配置されるスケール付着体とを備え、
前記スケール付着体の見かけ上の空隙率が、９１．０％以上９９．５％以下である、給湯器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器内でのスケール粒子の付着を抑制する機構を有する給湯器に関する。
【背景技術】
【０００２】
浴室または台所に温水を供給する給湯器は電気給湯器、ガス給湯器または石油給湯器等に大別され、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。最近は特にこれらのうち、省エネルギーおよび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。【０００３】
ヒートポンプ給湯器の原理は、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の温度まで戻す繰り返し（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。【０００４】
ヒートポンプ給湯器における熱交換器は、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。熱伝達面の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、熱交換器に水が流動する際に発生する圧力損失が増大し、最悪の場合には流路の閉塞を招く。【０００５】
特に水中の硬度成分（カルシウムイオン、マグネシウムイオン、イオン状シリカまたは分子状シリカ等）が高い地域では、加熱によりスケール（スケール粒子）と呼ばれる溶解度の低い無機化合物塩が析出し、熱交換器内に付着するという問題点がある。水中の硬度成分がスケールとして熱交換器の内部に付着する機構として、熱交換器の熱伝達面など高温表面上で炭酸カルシウムの核が発生し、スケールの結晶成長が進行するというものがある。そのため、給湯器のタンク内部の水を熱交換器にポンプで循環させながら加熱する場合には、熱交換器によって加熱した温水中で発生した炭酸カルシウムの核もしくは粒子が熱交換器に再び導入されて、熱伝達面に付着する場合もある。【０００６】
特許文献１には、前述したようなスケール粒子を水中から分離する方法について記載されている。当該方法とは、処理対象水をケイ酸カルシウムを含有する固体粒子を充填したカラムに通水するといった水系のスケール付着防止方法である。具体的には、トバモライト（粒子径２０μｍ）、ゾノトライト（粒子径５μｍ）、非晶質ケイ酸カルシウム（粒子径４５μｍ）、ポリアクリル酸（分子量３０００）、重質炭酸カルシウム（粒径０．１〜１．０μｍ）またはシリカゲル（平均粒径８５μｍ、比表面積８００ｍ２／ｇ）を、被処理水に２０〜１００ｍｇ／Ｌ添加することにより、溶存シリカ濃度とカルシウムイオン濃度を最大でそれぞれ５５％、または３６％除去可能であると記載されている。【０００７】
また、特許文献２にも、スケール粒子を水中から分離する機構を持つ給湯器について記載されている。具体的には、当該給湯器の給湯水回路は、貯湯タンク、ならびに、湯水を沸き上げる外部加熱器、および、外部加熱器と貯湯タンクの上部を連結し鉛直に配設された配管から構成されている。ここでは、スケール粒子を水中から分離する機構をスケールキャッチャーとして記載している。すなわち、配管の曲がり部の下端部に温水の沸き上げ時に析出するスケールを捕集するようスケールキャッチャーを形成し、スケール粒子の重力による沈降を利用してスケールキャッチャーに堆積させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１１７５８９号公報
【特許文献２】特開２０１１−０５８７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述したように、特許文献１に記載の方法では、処理対象水中のカルシウムまたはシリカの析出および吸着現象を利用し、固体粒子を充填したカラムに当該処理対象水を通水している。しかし、このような方法を以て熱交換器におけるスケール付着を抑制するためには、多量の固体粒子の充填材が必要である。また、１００μｍ以下の粒子から構成される充填カラムを用いて給湯器内で発生するスケール粒子の除去を行うと、充填物同士の隙間が狭く、スケール粒子による目詰まりが起こりやすい。【００１０】
一方、特許文献２では、水中からスケール粒子を除去するために、主にスケール自体の沈降性を利用している。一般に、粒子の沈降速度は粒子が大きいほど大きいため、粒子径が１００μｍ以上の大きなスケール粒子であればこの方法で水中から除去できる。しかし、粒径が１００μｍ以下のスケール粒子に対しては沈降速度が小さいため、十分な除去効果を得られず、熱交換器におけるスケール付着を抑制することができない。【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スケール粒子の吸着に伴う付着体の目詰まりによる吸着能力の低下を抑制し、かつ沈降性の大きなスケール粒子だけでなく、沈降性の小さな微小なスケール粒子についても長期間効率的に水中から除去することが可能な給湯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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る給湯器は、熱交換を行う熱交換部と、給湯タンクと、給湯タンクから熱交換部へ湯水を送る送り配管と、熱交換部から給湯タンクへ湯水を送る戻り配管と、スケール付着体とを備える。スケール付着体は、給湯タンク、送り配管、熱交換部および／または戻り配管の湯水の経路中に配置される。かつ、スケール付着体の開口部の面積をＳ、外周をＰとした場合、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される開口部の代表長さＬは、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、スケール粒子の吸着に伴う付着体の目詰まりによる吸着能力の低下を抑制し、かつ沈降性の大きなスケール粒子だけでなく、沈降性の小さな微小なスケール粒子についても長期間効率的に水中から除去することが可能な給湯器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係る給湯器を示す概略構成図である。
【図２】実施の形態１に係る給湯器のスケール捕捉器の構成を示す図である。
【図３Ａ】実施の形態１に係るスケール付着体の構成を示す図である。
【図３Ｂ】実施の形態１に係るスケール付着体の構成を示す図である。
【図３Ｃ】実施の形態１に係るスケール付着体の構成を示す図である。
【図３Ｄ】実施の形態１に係るスケール付着体の構成を示す図である。
【図４Ａ】実施の形態１に係る他のスケール付着体のカール状繊維の構造を示す図である。
【図４Ｂ】実施の形態１に係る他のスケール付着体の外観を示す上面図である。
【図４Ｃ】実施の形態１に係る他のスケール付着体のカール状繊維の構造を示す上面図である。
【図４Ｄ】実施の形態１に係る他のスケール付着体のカール状繊維の構造を示す側面図である。
【図５】実施の形態１に係るスケール付着体の特性を示す図である。
【図６】実施の形態２に係る給湯器のスケール捕捉器を示す概略構成図である。
【図７】実施例１および比較例１に係る熱交換器へのスケール付着量を示す図である。
【図８Ａ】実施例１に係るスケール粒子の吸着状態のイメージを示す図である。
【図８Ｂ】比較例１−１に係るスケール粒子の吸着状態のイメージを示す図である。
【図８Ｃ】比較例１−２に係るスケール粒子の吸着状態のイメージを示す図である。
【図９】実施例２に係るスケール付着量と炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーとの関係を示す図である。
【図１０】実施例３および比較例３に係る熱交換器でのスケール付着量を示す図である。
【図１１】実施例４に係る開口部の代表長さと再生時間との関連を示す図である。
【図１２】実施例５および比較例５に係る熱交換器でのスケール付着量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一または同等の部分には同一の符号を付し、それらについての詳細な説明は省略する。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る給湯器を示す概略構成図である。まず、図１に示す給湯器１の構成について簡単に説明する。図１に示すように、給湯器１は、主として、熱源２と給湯タンク３と熱交換器４とスケール捕捉器５とから構成されている。また、給湯器１の内部では、二つの回路が循環している。一つは、熱源２と熱交換器４の内部とを熱が循環する回路（熱媒体循環回路）である。もう一方は、給湯タンク３と熱交換器４の内部とスケール捕捉器５とを湯水（水の場合も含む）が循環する回路（湯水循環回路）であり、送り配管および戻り配管で接続されている。湯水循環回路の配管には、給湯器１の運転のための循環ポンプ６および流路開閉バルブ７、８も設置されている。
【００１７】
図２は、実施の形態１に係る給湯器のスケール捕捉器の構成を示す図である。図２に示すように、スケール捕捉器５は、スケール付着体保持容器９と、当該スケール付着体保持容器９に充填されたスケール付着体１０とを備えている。さらに、スケール捕捉器５は、スケール捕捉器入口配管１１、流路開閉バルブ７、８、スケール捕捉器出口配管１２と接続されている。なお、図１および図２に示される給湯器１の変形例としては、熱媒体循環回路は必ずしもヒートポンプ式等の循環する回路である必要はなく、循環する湯水を加熱できる媒体を使用することが可能であるならばどのような媒体を用いても構わない。例えば、当業者であれば、他の湯水電気給湯器、ガス給湯器または石油給湯器等にも応用することが可能である。また、スケール捕捉器５（スケール付着体１０）を接続する位置は、図１に示すような熱交換器４と給湯タンク３との間が最も好ましいが、湯水循環回路における変形例としては、当該位置以外でも湯水循環回路の配管内において接続されていれば、どこに接続されていても構わない。
【００１８】
図３Ａ〜図３Ｄは、実施の形態１に係るスケール付着体の構成を示す図である。スケール付着体保持容器９に充填されているスケール付着体１０の全体構造は、例えば、図３Ａ〜図３Ｄに示すような、開口部１３を多数有する部分的構造をスケール捕捉器５の流れに直交する方向（例えば、図２のスケール捕捉器５の場合、左から右または下から上へ向かう方向）に１０層以上積層することにより構成されている。変形例としては、このような部分的構造においてねじられているもの、または曲がっているものを用いても構わない。また、スケール付着体１０の積層については、湯水中のスケール粒子とスケール付着体１０との衝突確率を高めるために、スケール付着体１０の開口部１３が、湯水の流れの方向に対し一列に並ぶことのないよう１０層以上積層すると好ましい。例えば、開口部１３が互い違い、または不規則になるよう１０層以上積層すると好ましい。
【００１９】
しかしながら、図３Ｃまたは図３Ｄのような付着体の部分構造を積層する場合、任意の層の開口部１３が上下に積まれる層の非開口部（開口部１３に該当しない領域）で完全に覆われると、水が局所的に流れなくなる。すると、そこでのスケール付着体１０によるスケール粒子の捕捉が行えなくなる。そこで、任意の層の開口部１３と上下に積まれる層の非開口部とが重なることがないよう、積層される層同士の間隔を１ｍｍ以上あけることが望ましい。間隔をあける方法としては、０．１ｍｍ以上の厚みのスペーサーを挿入すること、または、間に図３Ａまたは図３Ｂのような構造の付着体の部分構造を挿入することが挙げられる。
【００２０】
スケール付着体１０および開口部１３の詳細について説明する。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、スケール付着体１０の部分構造は、メッシュ状または円状の穴（開口部１３）が多数空いた平板形状のものであり、開口率が大きいものを使用することができる。具体的には、図３Ａに示すようにメッシュを構成する線が等間隔Ｒで並んだもの、図３Ｂに示すようにメッシュを構成する線が間隔Ｒ１およびＲ２で規則的に並んだもの、図３Ｃに示すように円状の開口部１３が直径Ｒの円形のもの、または図３Ｄに示すように円状の開口部１３が長軸長Ｒ１および短軸長Ｒ２の楕円形のもの等を使用できる。開口部１３の形状については、上述した以外の他にも三角、四角、多角形または星形等の開口率が大きくできる形状であれば限定されるものではない。より詳細には、本実施の形態１における開口率は、スケール付着体１０の開口部１３の面積をＳ、外周をＰとした場合、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される開口部１３の代表長さＬが、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるものであればよい。
【００２１】
より詳細には、スケール捕捉器５を使用することによる循環水路における圧力損失増加は、流量２０Ｌ／分において通常は５０ｋＰａ以下であることが求められるため、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される開口部１３の代表長さＬは、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが望ましい。また、スケール捕捉器５を使用することによる循環水路における圧力損失増加を流量２０Ｌ／分において２０ｋＰａ以下に抑制することが求められる場合には、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される開口部１３の代表長さＬは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
一方、スケール付着体保持容器９に充填されているスケール付着体１０の他の構造として、図４Ａに示すようなカール状繊維の構造から構成されるスケール付着体１０を用いることもできる。このようなカール状繊維から構成されるスケール付着体１０は、開口部の代表長さに相当するカール径Ｄ１、カール状繊維の繊維径Ｄ２、カール状繊維の外径（および当該カール状繊維から構成される集合体の外径）、ならびに高さなどの特性因子によって規定される。カール状繊維の断面が円形でない場合、カール状繊維の断面積をＴ、外周をＱとすると、Ｍ＝４Ｔ／Ｑで定義される代表長さＭが繊維径Ｄ２に等しいとする。カール径Ｄ１は、繊維の内寸法で定義される。従って、繊維径Ｄ２とは関係なく、カール径Ｄ１が小さいほど開口部の代表長さに相当するものは小さくなり、集合体の空隙率は減少する。実用的には、カール繊維の引っ張り強度は２〜４ｋｇあることが望ましい。この条件は、６０℃以上に加熱する給湯器において１０年以上の腐食耐久力に対応する。ステンレス製のカール状繊維であれば、Ｄ２は１０μｍ以上であっても対応できる。
【００２３】
カール状繊維は所定のステンレス線（例えばＳＵＳ３０４）を専用ローラーで平坦に圧縮することで作成できる。図４Ｂは、実施の形態１に係る他のスケール付着体の外観を示す上面図である。図４Ｂに示すとおり、上面から見たそのカール状繊維から構成される集合体（スケール付着体１０）の外径は、Ｗ１である。また、図４Ｃおよび図４Ｄは、それぞれ、実施の形態１に係る他のスケール付着体のカール状繊維の構造を示す上面図および側面図である。図４Ｃに示すとおり、上面から見たカール状繊維の外径はＷ２である。図４Ｃおよび図４Ｄを、図４Ｂに示すカール状繊維から構成される集合体における模式図と捉えると、Ｗ１＝Ｗ２であり、図４Ｄに示す高さＨは集合体の高さである。
【００２４】
カール状繊維を、例えば、図４Ｃおよび図４Ｄに示すように、Ｘ軸方向に直行する一定方向に規則的に丸めると、図４Ｂの上面図に示される円筒状の立体的な形状になる。一般的に、スケール付着体保持容器９は円筒形にすることが望ましいため、カール状繊維から構成される集合体も容器に沿った円筒状にすることが望ましい。また、スケール付着体保持容器９の円筒形の内壁の直径をＲとすると、図４Ｂに示すカール状繊維から構成される集合体の外径Ｗ１は、カール状繊維から構成される集合体の持つ弾力性や密度によって決めることができ、具体的にはＲの１．０１倍以上、３倍以下にすることが望ましい。
【００２５】
カール状繊維を不規則に絡ませて集合体を構成することもできる（図示しない）が、カール状繊維の集合体の密度分布が不均一だと、当該集合体がスケール付着体保持容９の形状に沿って変形することができず、スケール付着体保持容器９に当該集合体に封入した際に、スケール付着体保持容器９と集合体との間に隙間が発生する可能性がある。スケール付着体保持容器９とスケール付着体１０（カール状繊維の集合体）との隙間はカール径Ｄ１（図４Ａ参照）の２倍以下にすることが望ましい。
【００２６】
このようなカール状繊維から構成されるものも含め、スケール付着体１０の材料としては、銅、黄銅、ステンレス、シリコーンゴム、ガラス、鉄、酸化鉄（III、II）、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標）樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ））、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリスルフォン、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴムまたは芳香族ポリアミド（ナイロン６またはナイロン６−６等）等を用いることができる。これらのうち、銅、黄銅、ステンレス、シリコーンゴム、ガラス、鉄、酸化鉄（III、II）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリスルフォン、イソプレンゴム、ブタジエンゴムまたはスチレンブタジエンゴムのいずれかの材料が好ましい。
【００２７】
図５は、実施の形態１に係るスケール付着体の特性を示す図である。具体的には、スケール付着体１０の構成材料の表面において、炭酸カルシウムの核生成が起きる場合のエネルギー障壁（０〜９０℃）を表現している。図示されていないが、例えば、ステンレス表面における炭酸カルシウムの核生成エネルギーΔＧは０．８〜１．０×１０−２０（Ｊ）の範囲である。炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが小さいほど、スケール付着体１０の表面において核生成が起きやすい材料と言える。なお、スケール付着体１０の材料としては、上述の材料に限定されず、炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが同程度であればスケール付着体１０の材料として使用することが可能である。好ましくは、表面における炭酸カルシウムのスケール粒子の核生成エネルギーが２．０×１０−２０（Ｊ）以下となる材料から構成される材料を挙げることができる。
【００２８】
次に、給湯器１の運転方法について説明する。図１に示すように、まず、水道水を水道配管１４から給湯タンク３に導入し、満水となった時点で熱源２を運転し、循環配管１５内に高温の熱媒体を循環させる。これと同時に循環ポンプ６を動作させ、熱交換器入口配管１６を通して給湯タンク３内の水を熱交換器４に供給し、熱媒体との熱交換によって加熱する。熱交換器４において加熱された湯水は、スケール捕捉器入口配管１１を通してスケール捕捉器５に供給され、スケール捕捉器５内のスケール付着体１０と接触した後、スケール捕捉器出口配管１２を通って給湯タンク３へと戻る。給湯タンク３内の水温が所定の温度となるまで、熱媒体および給湯タンク３内の湯水の循環を続け、加熱終了後、給湯タンク３内の湯水を必要に応じて給湯配管１７を通して給湯し、温水として使用する。スケール捕捉器５（スケール付着体１０）のスケール粒子の吸着性能が低下した場合には、運転を停止した後、流路開閉バルブ７、８の手前で取り外し、スケール粒子が付着していないスケール付着体１０が充填されたスケール捕捉器５と交換することも可能である。
【００２９】
このように、本実施の形態１に係る給湯器１によると、スケール付着体１０は、特定の充分な大きさの開口部１３を持ち、かつ表面における炭酸カルシウムの核生成エネルギーが特定量以下の材料から構成されている。そのため、スケール粒子の吸着に伴うスケール付着体１０の目詰まりによる吸着能力の低下を抑制し、かつ沈降性の大きなスケール粒子だけでなく、沈降性の小さな微小なスケール粒子についても効率的に水中から除去することが可能となり、ヒートポンプ給湯器等の熱交換器４へのスケール粒子の付着を長期間にわたって抑制することができる。
【００３０】
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る給湯器のスケール捕捉器を示す概略構成図である。なお、スケール捕捉器５に吸着したスケール粒子を洗浄し、スケール付着体１０を再生する機構を持つ以外は、前述の実施の形態１と同様の構成である。スケール付着体１０の形状、材料および充填方法等に関しても同様である。
【００３１】
図６に示すように、スケール捕捉器５は、スケール付着体１０を充填したスケール付着体保持容器９およびスケール貯留部１８を有し、スケール捕捉器入口配管１１、スケール捕捉器出口配管１２、水道水供給配管１９およびスケール排出配管２０に接続されている。
【００３２】
本実施の形態２に係るスケール捕捉器５のスケール粒子の吸着性能が低下した場合の洗浄方法を説明する。まず、循環ポンプ６（図１参照）を停止して、水道水の循環を停止した後、流路開閉バルブ７、８を閉める。次いで、図６に示す流路開閉バルブ２１、２２をを空けて、水道水をスケール捕捉器５に供給し、スケール粒子を含まない水道水によってスケール付着体１０を洗浄する。洗浄後の水はスケール排出配管２０より排出される。
【００３３】
水道水以外の洗浄液を使用する場合には、流路開閉バルブ２１、２２を空けた後、ポンプを用いて洗浄液を供給してもよい。洗浄液としてはｐＨ＜５の酸性を呈する水溶液が望ましい。酸としては、塩酸、硫酸、硝酸または酢酸等を使用することが可能である。洗浄液による洗浄効果を高めるために、水道水供給配管１９の先端を空気開放した状態で流路開閉バルブ２１、２２を開け、スケール捕捉器５の内部に残留した水を排出してから、水道水または洗浄液を導入してもよい。気液界面にはスケール粒子の吸着性能が高いことから、スケール捕捉器５内へ水または洗浄液の供給・排出を繰り返すことにより、水面を上下させてスケール粒子が付着したスケール付着体１０を洗浄してもよい。
【００３４】
気液界面によってスケール粒子を効率的に吸着するには、気液界面の上昇または下降速度を０．１ｃｍ／ｓ以上１０ｃｍ／ｓ以下の範囲に制御するのが望ましい。また、空気を用いた微細気泡をスケール付着体１０に導入して、高密度の気液界面によってスケール付着体１０を洗浄すると、スケール付着体１０の再生時間を短縮することができる。微細気泡のサイズは１μｍ以上１ｍｍ以下の範囲に制御するのが望ましい。
【００３５】
このように本実施の形態２に係る給湯器１によると、より簡便な操作によってスケール付着体１０に吸着したスケール粒子の除去、およびスケール付着体１０の洗浄・再生を行うことができる。その結果、より長期間にわたって給湯器１における熱交換器４へのスケール粒子の付着を抑制することができる。
【実施例】
【００３６】
実施例１および比較例１．
実施例１は、図１に示す実施の形態１の給湯器１を用いた場合の、湯水循環回路の配管における熱交換器４内の伝熱面に形成されるスケール付着防止効果、およびスケール捕捉器５の性能の実験に関する。【００３７】
実験方法としては、まず、硬度３００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ７．８、温度２０℃、容積２００Ｌの水を給湯タンク３に保持し、給湯タンク３内の水をプレート型水−水熱交換器に循環させながら加熱した。熱交換器４の総伝熱面積は０．９ｍ２であった。熱交換器４の熱媒体循環回路側には加熱した高温水を循環させ、給湯タンク３内の水を熱交換器４の湯水循環回路側に２０Ｌ／分の流量で循環し、約１時間で６０℃まで加熱した。給湯タンク３の容積に対する加熱期間内の循環水量の比率を循環比率と定義すると、循環比率は６（＝２０Ｌ／分×６０分／２００Ｌ）となる。このような条件で、水中のスケール捕捉手段として以下のものを用いた場合における、熱交換器４の湯水循環回路側の伝熱面に形成されるスケール付着量を比較した。【００３８】
実施例１は、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）のスケール付着体１０として、ステンレスメッシュ片を３０層積層して充填したものを用いた。メッシュ片は、線径２００μｍのステンレス線で構成されるメッシュであり、線同士の間隔Ｒ（開口の幅）は等間隔で３００μｍであった（図３Ａ参照）。メッシュ片全体の大きさは６ｍｍ×６ｍｍの正方形であった。すなわち、開口部１３の代表長さＬは３００μｍである。【００３９】
比較例１−１は、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）のスケール付着体１０として、テフロン（登録商標）樹脂メッシュ片を３０層積層して充填したものを用いた。メッシュ片は、線径２００μｍのテフロン（登録商標）線で構成されるメッシュであり、テフロン（登録商標）線同士の間隔Ｒ（開口の幅）は等間隔で３００μｍであった（図３Ａ参照）。メッシュ片の大きさは６ｍｍ×６ｍｍの正方形であった。すなわち、開口部１３の代表長さＬは３００μｍである。【００４０】
比較例１−２は、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）のスケール付着体１０として、ステンレスメッシュ片を３０層積層して充填したものを用いた。メッシュ片は、線径２００μｍのステンレス線で構成されるメッシュであり、線同士の間隔Ｒ（開口の幅）は等間隔で５０μｍであった（図３Ａ参照）。メッシュ片の大きさは６ｍｍ×６ｍｍの正方形であった。すなわち、開口部１３の代表長さＬは５０μｍである。【００４１】
さらに、他の比較例として、前述した重力による沈降を利用しスケール粒子を堆積させる方法を用いた場合（比較例１−３）と、スケール捕捉器５を取り除いた場合（比較例１−４）とについてもスケール付着量を評価した。【００４２】
図７は、実施例１および比較例１に係る熱交換器へのスケール付着量を示す図である。具体的には、実施例１および比較例１−１ないし４において、前述の条件で給湯器１を１ヶ月連続運転した場合での湯水循環回路側の熱交換器４へのスケール付着量を示したものである。なお、スケール捕捉器５を取り除いた場合（比較例１−４）の付着量を１００％とした相対値で示している。図７に示すように、実施例１では低減率９０％と高い性能が得られたが、比較例１−１では低減率５５％、比較例１−２では低減率は６５％に留まった。比較例１−３の重力を利用したスケール捕捉手段では、低減率は９％と低かった。【００４３】
加熱に伴って生成したスケール粒子の粒子径を測定したところ、０．５〜５０μｍの範囲に分布を持ち、１〜４０μｍの間にピークを持つ分布が得られた。図８Ａ〜図８Ｃは、実施例１、比較例１−１および比較例１−２に係るスケール粒子の吸着状態のイメージを示す図であり、本発明で利用する核生成捕捉効果を模式化したものである。実施例１において、熱交換器４へのスケール付着量の低減率が高かった理由を図８Ａ〜図８Ｃを用いて説明する。【００４４】
実施例１では、スケール付着体１０の表面における炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが０．８〜１．０×１０−２０（Ｊ）と十分に小さいため、スケール付着体１０の表面において核生成が進行し、核生成捕捉効果により多くのスケール粒子を捕捉できたと考えられる。また、スケール付着体１０の開口部１３の代表長さＬ（開口部１３の面積Ｓ、外周をＰとして、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される）が１００μｍ以上であったので、１〜４０μｍの粒子径を持つスケール粒子によって付着体が目詰まりすることはなかった。【００４５】
比較例１−１では、スケール付着体１０の表面における炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが４．５〜５．０×１０−２０（Ｊ）と大きく、スケール付着体１０の表面において核生成が進行しないため、核生成捕捉効果が利用できず、スケール粒子の付着量が少なくなったと考えられる。また、一旦付着したスケール粒子が剥がれ易いため、スケール粒子の捕捉性能が低くなることがわかった。【００４６】
比較例１−２では、スケール付着体１０表面における炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが充分に小さいため、スケール付着体１０の表面において核生成が進行し、核生成捕捉効果により多くのスケール粒子を捕捉できたと考えられる。しかし、スケール付着体１０の開口部１３の代表長さＬが５０μｍと狭いため、１〜４０μｍの粒子径を持つスケール粒子によって付着体が目詰まりしたため、スケール粒子の捕捉性能が低下したと考えられる。なお、比較例１−３のスケール捕捉手段では、粒径が１００μｍ以下のスケール粒子に対しては沈降速度が小さいため、充分なスケール粒子の捕捉性能が得られなかったと考えられる。【００４７】
このように、本実施例１および比較例１の結果から、スケール捕捉器５を備える給湯器１において、スケール付着体１０が充分な開口部１３（開口部１３の面積Ｓ、外周をＰとして、４Ｓ／Ｐ＞１００μｍ）を持ち、スケール付着体１０の表面における炭酸カルシウムの核生成エネルギーが２．０×１０−２０（Ｊ）以下の材料から構成されるものが、核生成捕捉効果を利用することができ、スケール付着体１０のスケール捕捉能力が高く、スケール粒子の吸着に伴う付着体の目詰まりによる吸着能力の低下を抑制できるという効果があるということがわかった。さらに、沈降性の大きなスケール粒子だけでなく、沈降性の小さな微小なスケール粒子を水中から効率よく除去することによって、給湯器１の熱交換器４へのスケール付着を長期間にわたり抑制することが可能であることも確認された。【００４８】
実施例２．
実施例２は、図１に示す実施の形態１の給湯器１を用いた際（開口部１３の代表長さＬは３００μｍ）での、スケール付着体１０に様々な材料を用いた場合の実験に関する。水中のスケール捕捉手段として以下のものを用いた場合について、スケール捕捉器５内部に捕捉されたスケール量を比較した。【００４９】
スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）内には、スケール付着体１０として、銅、黄銅、ステンレス、シリコーンゴム、ガラス、鉄、酸化鉄（III、II）、テフロン（登録商標）樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリスルフォン、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴムまたは芳香族ポリアミド（ナイロン６またはナイロン６−６等）から構成されるメッシュ片を充填した。メッシュ片は線径２００μｍの線材で構成されるメッシュであり、線同士の間隔Ｒ（開口の幅）は等間隔で３００μｍであった（図３Ａ参照）。スケール付着体１０の材料以外の運転条件は、実施例１と同一に設定した。【００５０】
図９は、実施例２に係るスケール付着量と炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーとの関係を示す図である。具体的には、給湯器１を６ヶ月間連続運転した後のそれぞれのスケール捕捉器５内部に捕捉されたスケール量（ｇ／ｇ）と、炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギー２．０×１０−２０（Ｊ）との関係を示す図である。【００５１】
図９の矢印は、当該核発生エネルギーが２．０×１０−２０（Ｊ）以下となる横軸の区切りを示している。このようなスケール付着体１０の材料としては、銅、黄銅、ステンレス、シリコーンゴム、ガラス、鉄、酸化鉄（III、II）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリスルフォン、イソプレンゴム、ブタジエンゴムまたはスチレンブタジエンゴムが挙げられる。これらをスケール付着体１０の材料として用いると、スケール付着体１０の表面において核生成が進行し、核生成捕捉効果を利用することができ、より多くのスケール粒子を捕捉できた。また、前述したように、加熱に伴って生成したスケール粒子の粒子径を測定したところ、０．５〜５０μｍの範囲に分布を持ち、１〜４０μｍの間にピークを持つ分布が得られる。これらのスケール付着体１０の開口部１３の代表長さＬ（開口部１３の面積Ｓ、外周をＰとして、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される）は、１００μｍ以上であったので、１〜４０μｍの粒子径を持つスケール粒子によって付着体が目詰まりすることはなかった。【００５２】
ここで、スケール付着体１０表面における炭酸カルシウムの核生成エネルギーΔＧは、臨界核半径をｒｃ（ｍ）、炭酸カルシウムとスケール付着体１０の材料との間の界面張力をγ（Ｊ／ｍ２）とすると、下記の（式１）で表される。
（式１）
ΔＧ＝４πγｒｃ２／３【００５３】
また、核生成は主に熱励起過程なので、核生成速度Ｊは下記の（式２）で与えられる。
（式２）
Ｊ＝Ａｅｘｐ（−ΔＧ／ｋＴ）【００５４】
上記（式２）において、Ａは頻度因子（定数）、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度を表す。実施例２において当該核生成エネルギーの値が２．０×１０−２０（Ｊ）で区切りとされることは、次のように説明できる。核生成エネルギーΔＧが２．０×１０−２０（Ｊ）の場合の核生成速度をＪ０とすると、核生成エネルギーΔＧが、１．０×１０−２０（Ｊ）または３．０×１０−２０（Ｊ）の場合の核生成速度は、それぞれ１１Ｊ０または０．０９１Ｊ０となる。【００５５】
実施の形態１に示すような給湯器１に接続したスケール付着体１０を用いスケール粒子を水中から効率よく除去することによって、給湯器１の熱交換器４へのスケール付着を長期間にわたり抑制するには、実用的にＪ＝Ｊ０程度以上の核生成速度が必要である。すなわち、付着材表面の核生成エネルギーが２．０×１０−２０（Ｊ）よりも大きい材料の場合には核生成速度Ｊが指数関数的に減少するため、核生成捕捉効果を利用することができず、望ましくない。このため、伝熱性能が通常程度（総括伝熱係数０．５〜５ｋＷ／ｍ２／Ｋ）の熱交換器４を用いる給湯器１に対して核生成捕捉効果を利用するスケール付着体１０の当該核生成エネルギーは２．０×１０−２０（Ｊ）以下であることが好ましい。【００５６】
また、熱交換器４として特に水流路が１．５ｍｍ以下と狭いものを用いる給湯器１に対しては、スケール付着体１０によるスケール粒子捕捉性能をより高めることが望ましいので、スケール付着体１０の当該核生成エネルギーは１．５×１０−２０（Ｊ）以下であることが好ましい。このようなスケール付着体１０の材料としては、銅、黄銅、ステンレス、シリコーンゴム、ガラス、鉄または酸化鉄（III、II）等が挙げられる。熱交換器４として伝熱性能が高い（総括伝熱係数５ｋＷ／ｍ２／Ｋ以上）ものを用いる給湯器１に対しては、スケール付着体１０によるスケール粒子捕捉性能をさらに高めることが望ましいので、スケール付着体１０の当該核生成エネルギーは１．０×１０−２０（Ｊ）以下であることが好ましい。このようなスケール付着体１０の材料として、銅、黄銅、ステンレスまたはシリコーンゴム等が挙げられる。【００５７】
なお、スケール付着体１０の材料としては、本実施例２で使用した上記の材料に限定されない。炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが同程度であれば、核生成捕捉効果を利用することができ、スケール付着体１０の材料として使用することができる。核生成エネルギーΔＧが未知の材料に対しては、炭酸カルシウムと付着体材料の間の界面張力γ（Ｊ／ｍ２）を接触角法などで評価することにより、（式１）によりΔＧを見積もることが可能である。【００５８】
このように、本実施例２から、スケール捕捉器５を備える給湯器１において、スケール付着体１０の表面における炭酸カルシウムの核生成エネルギーが２．０×１０−２０（Ｊ）以下となる材料から構成されると、核生成捕捉効果を利用することができ、スケール付着体１０のスケール捕捉能力が高くなることが確認された。【００５９】
実施例３および比較例３．
実施例３は、図６に示す実施の形態２のスケール捕捉器５を備えた給湯器１を用いた場合の実験に関する。具体的には、スケール捕捉器５を定期的に洗浄して再生操作を行い、かつ水中のスケール捕捉手段として種々のものを用い実験を行った。【００６０】
実験方法としては、硬度３００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ８．７、温度２０℃、容積２００Ｌの水を給湯タンク３に保持し、給湯タンク３内の水をプレート型水−水熱交換器に循環させながら加熱した。このような条件で、水中のスケール捕捉手段として以下のものを用いた場合における、熱交換器４の湯水循環回路側の伝熱面に形成されるスケール付着量を比較した。【００６１】
実施例３は、前述の実施例１と同様の充填材を用い、開口部１３の代表長さＬは３００μｍで、実施例１と同様の運転条件で連続運転した。さらに、１ヶ月に１回の頻度で４０Ｌ／分の流量で水道水を１０分間供給し、スケール捕捉器５内部に吸着したスケール粒子を洗浄した。比較例３−１は、前述の比較例１−１と同様の充填材を用い、開口部１３の代表長さＬは３００μｍで、実施例３と同様の運転条件で連続運転した。比較例３−２は、前述の比較例１−２と同様の充填材を用い、開口部１３の代表長さＬは５０μｍで、実施例３と同様の運転条件で連続運転した。比較例３−３は、前述の実施例１と同様の充填材を用い、開口部１３の代表長さＬは３００μｍで、実施例１と同様の運転条件で連続運転したが、連続運転中での洗浄、再生操作は行わなかった。【００６２】
図１０は、実施例３および比較例３に係る熱交換器でのスケール付着量を示す図である。具体的には、給湯器１を１２ヶ月間連続運転した場合において、スケール捕捉器５を取り除いた場合のスケール付着量を１００％としたときの各場合での、スケール付着量の相対値を示した図である。図１０に示すように、実施例３では低減率９０％と高い性能が１２ヶ月間維持され、比較例３−１では低減率５５％程度で１２ヶ月間維持された。比較例３−２では初期の低減率は６０％程度だったが、４ヵ月後では低減率が４０％、６ヶ月以降では低減率が３０％まで劣化した。再生操作を行わない比較例３−３では、最初の２ヶ月は６０％以上の高い低減率が得られたが、４ヶ月以降スケール捕捉性能が低下し、６ヶ月以降では低減率が１０％以下まで低くなった。【００６３】
ここで、実施例３において、熱交換器４へのスケール付着量の低減率が長期間にわたって高かった理由を説明する。前述したように、加熱に伴って生成したスケール粒子の粒子径は、０．５〜５０μｍの範囲に分布を持ち、１〜４０μｍの間にピークを持つ分布が得られるものである。【００６４】
実施例３では、スケール付着体１０表面における炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが０．８〜１．０×１０−２０（Ｊ）と十分に小さいため、スケール付着体１０の表面において核生成が進行し、より多くのスケール粒子を捕捉できたと考えられる。また、スケール付着体１０の開口部１３の代表長さＬ（開口部１３の面積Ｓ、外周をＰとして、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される）が１００μｍ以上であったので、水道水を供給するという簡易な洗浄操作によって付着したスケール粒子が充分に除去できたので、長期間高い性能が維持できたと考えられる。【００６５】
一方、比較例３−１では、スケール付着体１０表面における炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが４．５〜５．０×１０−２０（Ｊ）と大きく、スケール付着体１０の表面において核生成が進行しないため、スケール粒子の付着量が少なかったと考えられる。しかし、スケール付着体１０の開口部１３の代表長さＬ（開口部１３の面積Ｓ、外周をＰとして、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される）が１００μｍ以上であり、スケール粒子の付着量が少なかったので、水道水を供給するという簡易な洗浄操作によって付着したスケールが充分に除去できたので、長期間性能が維持できたと考えられる。【００６６】
比較例３−２では、スケール付着体１０表面における炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが充分に小さいため、スケール付着体１０の表面において核生成が進行し、より多くのスケール粒子を捕捉できたと考えられる。しかし、スケール付着体１０の開口部１３の代表長さＬが５０μｍと狭いため、１〜４０μｍの粒子径を持つスケール粒子によって捕捉体が目詰まりしたため、スケール粒子の捕捉性能が低下したことが考えられる。従って、水道水を供給するという簡易な洗浄操作では付着したスケールの一部しか除去できなかったので、徐々に捕捉性能が低下したと考えられる。なお、比較例３−３では、付着体の捕捉性能が高いが、再生操作を行わないとスケール付着量が過剰となり徐々に捕捉性能が低下したと考えられる。【００６７】
このように、スケール捕捉器５を備える給湯器１において、スケール捕捉器５の洗浄、再生操作を行うと、吸着したスケール粒子を排出でき、長期間スケール付着体１０の捕捉性能が維持できることが確認された。さらに、スケール付着体１０が充分な開口部１３を持ち、スケール付着体１０表面における炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが充分に小さいと、より多量のスケール粒子を除去する状態において、長期間より高い性能を維持できるということが解明された。【００６８】
実施例４．
実施例４は、実施例３と同様に、図６に示す実施の形態２のスケール捕捉器５を備えた給湯器１を用いた場合の実験に関する。具体的には、スケール捕捉器５を定期的に洗浄して再生操作を行った場合の必要な再生時間が、スケール付着体１０の開口部１３の代表長さＬによってどのように変化するかについての実験に関する。【００６９】
実験方法は、前述の実施例３と同一の運転条件において行い、水中のスケール捕捉手段としては以下のものを用いた。その後、それぞれの再生時間について比較した。ここで、再生時間とは、再生前のスケール付着量が重量比で１／２０まで低下するために要する時間と定義する。【００７０】
スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）にスケール付着体１０としてステンレスメッシュ片を３１５ｇ充填した。メッシュ片は線径２００μｍおよび５０μｍのステンレス線で構成されるメッシュであり、ステンレス線同士の間隔Ｒは等間隔で１０μｍ〜５０ｍｍであった（図３Ａ参照）。また、同様にステンレスで構成され、開口部１３の形状として三角、四角、円形、多角形または星型のものについても使用した。ここで、開口部１３の面積Ｓ、外周をＰとして、開口部１３の代表長さＬは、Ｌ＝４Ｓ／Ｐとして定義される。【００７１】
三角、四角、円形、多角形または星型の開口部１３を持つスケール付着体１０は、開口部１３の代表長さＬを、１０μｍ〜５０ｍｍとなるように設定した。図１１は、実施例４に係る開口部の代表長さと再生時間との関連を示す図である。図１１に示すように、スケール付着体１０として様々な形状を用いた場合の再生時間は開口部１３の代表長さＬによって一義的に整理できることがわかった。具体的には、開口部１３の代表長さＬの増加に伴って、再生時間が指数関数的に減少した。【００７２】
加熱に伴って生成したスケール粒子の粒子径を測定すると、０．５〜５０μｍの範囲に分布を持ち、１〜４０μｍの間にピークを持つ分布が得られる。ここで、実用的な観点では、再生時間は４５分以下が望ましいので、開口部１３の代表長さＬは１００μｍ以上が望ましいことがわかった（図１１の矢印による区切り参照）。開口部１３の代表長さＬが増加すると、スケール付着体１０の単位体積あたりの表面積が減少するので、スケール付着体１０の絶対量は減少する。ここで、実用的には、開口部１３の代表長さＬは２０ｍｍ以下に設定するのが望ましい。【００７３】
さらに、前述したように、スケール捕捉器５を使用することによる循環水路における圧力損失増加は、流量２０Ｌ／分において通常は５０ｋＰａ以下であることが求められるため、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される開口部１３の代表長さＬは１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが望ましい。また、前述したように、スケール捕捉器５を使用することによる循環水路における圧力損失増加を流量２０Ｌ／分において２０ｋＰａ以下に抑制することが求められる場合には、Ｌ＝４Ｓ／Ｐで定義される開口部１３の代表長さＬは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。【００７４】
水道水の硬度が９０ｍｇＣａＣＯ３／Ｌ以上２００ｍｇＣａＣＯ３／Ｌ以下、Ｍアルカリ度５０ｍｇＣａＣＯ３／Ｌ以上１００ｍｇＣａＣＯ３／Ｌ以下の水質条件であり、給湯配管１７から供給される水温が４０℃以上の場合には、スケール発生量が比較的多いので、開口部１３の代表長さＬは１５ｍｍ以下に設定するのが望ましい。水道水の硬度が２００ｍｇＣａＣＯ３／Ｌ以上、Ｍアルカリ度１００ｍｇＣａＣＯ３／Ｌ以上の水質条件であり、給湯配管１７から供給される水温が４０℃以上の場合には、スケール発生量が更に増加するので開口部１３の代表長さＬは２０ｍｍ以下に設定するのが望ましい。【００７５】
このように、給湯器１としての実用的な観点において、再生・除去操作されるスケール捕捉器５でのスケール付着体１０の開口部１３を設計するのであれば、開口部１３の代表長さＬを、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが使用する際の再生時間の観点から最も好ましいことが確認された。さらに、この開口部１３の代表長さＬの範囲については、開口部１３の形状に依らないということもわかった。【００７６】
実施例５および比較例５．
実施例５は、図１に示す実施の形態１の給湯器１を用いた場合の、湯水循環回路の配管における熱交換器４内の伝熱面に形成されるスケール付着防止効果、およびスケール捕捉器５の性能の実験であり、特に、スケール付着体１０がカール状繊維集合体である場合に関するものである。【００７７】
硬度３００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ７．８、温度２０℃、容積２００Ｌの水を給湯タンク３に保持し、給湯タンク３内の水をプレート型水−水熱交換器に循環させながら加熱した。熱交換器４の総伝熱面積は０．９ｍ２であった。熱交換器４の熱媒体循環回路側には加熱した高温水を循環させ、給湯タンク３内の水を熱交換器４の湯水循環回路側に２０Ｌ／分の流量で循環し、約１時間で６０℃まで加熱した。給湯タンク３の容積に対する加熱期間内の循環水量の比率を循環比率と定義すると、循環比率は６（＝２０Ｌ／分×６０分／２００Ｌ）となる。このような条件にて、水中のスケール捕捉手段として以下のものを用いた場合における、熱交換器４の湯水循環回路側の伝熱面に形成されるスケール付着量を比較した。【００７８】
実施例５−１では、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）にスケール付着体１０として、ステンレス製のカール繊維を３００ｇ充填した。カール径Ｄ１は５．０ｍｍ、繊維断面の代表径Ｄ２は０．１７ｍｍであった。また、スケール付着体１０の空隙率は９７．７％であった。【００７９】
実施例５−２では、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）にスケール付着体１０として、ステンレス製のカール繊維を３００ｇ充填した。カール径Ｄ１は２．６ｍｍ、繊維断面の代表径Ｄ２は０．１３ｍｍであった。また、スケール付着体１０の空隙率は９６．８％であった。【００８０】
実施例５−３では、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）にスケール付着体１０として、ステンレス製のカール繊維を３００ｇ充填した。カール径Ｄ１は１．０ｍｍ、繊維断面の代表径Ｄ２は０．１６ｍｍであった。また、スケール付着体１０の空隙率は９１．０％であった。【００８１】
実施例５−４では、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）にスケール付着体１０として、ステンレス製のカール繊維を３００ｇ充填した。カール径Ｄ１は８．５ｍｍ、繊維断面の代表径Ｄ２は０．２ｍｍであった。また、スケール付着体１０の空隙率は９９．０％であった。【００８２】
実施例５−５では、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）にスケール付着体１０として、ステンレス製のカール繊維を３００ｇ充填した。カール径Ｄ１は２０．０ｍｍ、繊維断面の代表径Ｄ２は０．４ｍｍであった。また、スケール付着体１０の空隙率は９９．５％であった。【００８３】
比較例５−１では、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）にスケール付着体１０として、ステンレス製のカール繊維を３００ｇ充填した。カール径Ｄ１は０．５ｍｍ、繊維断面の代表径Ｄ２は０．０５ｍｍであった。また、スケール付着体１０の空隙率は９１．０％であった。【００８４】
比較例５−２では、スケール捕捉器５（容積１．７Ｌ）にスケール付着体１０として、ステンレス製のカール繊維を３００ｇ充填した。カール径Ｄ１は２５．０ｍｍ、繊維断面の代表径Ｄ２は０．２ｍｍであった。また、スケール付着体１０の空隙率は９９．９％であった。【００８５】
図１２は、実施例５および比較例５に係る熱交換器でのスケール付着量を示す図である。具体的には、前述の条件における実施例５−１ないし５、ならびに比較例５−１および２において、給湯器１を１ヶ月連続運転した場合での湯水循環回路側の熱交換器４へのスケール付着量を示したものである。なお、スケール捕捉器５を取り除いた場合（前述の比較例１−４の場合）の付着量を１００％とした相対値で示している。図１２に示すように、実施例５−１ないし３では低減率８０％以上と高い性能が得られたが、比較例５−２では低減率５％と低かった。実施例５−４および５では低減率が２０〜４０％であったが、核生成捕捉効果により熱交換器へ付着するスケール量を減少することができたと考えられる。【００８６】
比較例５−１では低減率は９５％と高いが、スケール捕捉器を使用することによって生じる圧力損失増加は１２０ｋＰａと非常に大きくなっていた。スケール捕捉器５を使用することによる循環水路における圧力損失増加は、流量２０Ｌ／分において通常は５０ｋＰａ以下であるので、カール径Ｄ１は１．０ｍｍ以上にすることが望ましいと考えられる。【００８７】
次に、スケール付着体１０のカール径と、空隙率と、熱交換器に付着したスケール量との関連性について考察する。カール径Ｄ１の増加（１ｍｍから５ｍｍ）に伴い、空隙率は９１％から９７．７％に増加し、スケール付着量の低減率は９５％から８０％へ減少した。これは空隙率の増加に伴い、スケール付着体１０の表面積が減少したことが原因であると考えられる。【００８８】
結果として、実用的な観点からは、カール径Ｄ１は１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが望ましい。これはスケール付着体１０の空隙率に換算すると、９１．０％〜９９．５％に対応する。なお、給湯器の出口水温が８０℃以上と高い場合には、スケール発生量が６０℃の場合よりも相対的に増加する可能性があるので、カール径Ｄ１は１．０ｍｍ以上８．５ｍｍ以下にすることが望ましい。これはスケール付着体の空隙率に換算すると、９１．０％〜９９．０％に対応する。【００８９】
スケール付着体１０のカール径と、空隙率と、スケール捕捉器を使用することによって発生する圧力損失との関連性について考察する。カール径Ｄ１の増加（１ｍｍから５ｍｍ）に伴い、流量２０Ｌ／分における圧力損失は４５ｋＰａから１５ｋＰａに減少した。これはカール径Ｄ１の増加により空隙率が９１．０から９７．７％へ増加したことが原因であると考えられる。【００９０】
結果として、スケール捕捉器５を使用することによる循環水路における圧力損失増加は、流量２０Ｌ／分において通常は５０ｋＰａ以下であることが求められるため、カール径Ｄ１は１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが望ましい。また、スケール捕捉器５を使用することによる循環水路における圧力損失増加を流量２０Ｌ／分において２０ｋＰａ以下に抑制することが求められる場合には、カール径Ｄ１は２．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが望ましい。【００９１】
実施例５−１ないし５の条件では、スケール付着体１０の表面における炭酸カルシウムの核生成に必要なエネルギーが０．８〜１．０×１０−２０（Ｊ）と十分に小さいため、スケール付着体１０の表面において核生成が進行し、より多くのスケール粒子を捕捉できたと考えられる。また、スケール付着体１０のカール径Ｄ１が１ｍｍ以上であったので、１〜４０μｍの粒子径を持つスケール粒子によって付着体が目詰まりすることはなかった。【００９２】
このように、実施例５−１ないし５の条件では、スケール捕捉器５を備える給湯器１において、スケール付着体１０が充分な開口部（スケール付着体１０を構成するカール状繊維のカール径Ｄ１＞１ｍｍ）を持ち、かつ、スケール付着体１０の表面における炭酸カルシウムの核生成エネルギーが２．０×１０−２０（Ｊ）以下の材料から構成されるので、核生成捕捉効果を利用することができる。その結果、スケール付着体１０のスケール捕捉能力が高く、スケール粒子の吸着に伴う付着体の目詰まりによる吸着能力の低下を抑制できるという効果があるということがわかる。さらに、沈降性の大きなスケール粒子だけでなく、沈降性の小さな微小なスケール粒子を水中から効率よく除去することによって、給湯器１の熱交換器４へのスケール付着を長期間にわたり抑制することが可能であることが確認された。【００９３】
上記実施の形態および実施例は、いずれも本発明の趣旨の範囲内で各種の変形が可能である。上記実施の形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は実施形態よりも添付した請求項によって示される。請求項の範囲内、および発明の請求項と均等の範囲でなされた各種変形は本発明の範囲に含まれる。【００９４】
本出願は、２０１１年１２月２０日に出願された、明細書、特許請求の範囲、図、および要約書を含む日本国特許出願２０１１−２７８５０５号に基づく優先権を主張するものである。この元となる特許出願の開示内容は参照により全体として本出願に含まれる。
【符号の説明】
【００９５】
１  給湯器、２  熱源、３  給湯タンク、４  熱交換器、５  スケール捕捉器、６  循環ポンプ、７，８，２１，２２  流路開閉バルブ、９  スケール付着体保持容器、１０  スケール付着体、１１  スケール捕捉器入口配管、１２  スケール捕捉器出口配管、１３  開口部、１４  水道配管、１５  循環配管、１６  熱交換器入口配管、１７  給湯配管、１８  スケール貯留部、１９  水道水供給配管、２０  スケール排出配管。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年1月28日(2014.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る給湯器は、熱交換を行う熱交換部と、給湯タンクと、給湯タンクから熱交換部へ湯水を送る送り配管と、熱交換部から給湯タンクへ湯水を送る戻り配管と、スケール捕捉部とを備える。スケール捕捉部は、給湯タンク、送り配管、熱交換部および／または戻り配管の湯水の経路中に配置される。スケール捕捉部は保持容器に充填されたスケール付着体を備える。スケール付着体は、カール状繊維を不規則に絡ませた集合体で構成される。かつ、カール状繊維のカール径Ｄ１は、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換を行う熱交換部と、給湯タンクと、前記給湯タンクから前記熱交換部へ湯水を送る送り配管と、前記熱交換部から前記給湯タンクへ湯水を送る戻り配管と、前記給湯タンク、前記送り配管、前記熱交換部および／または前記戻り配管の湯水の経路中に配置されるスケール捕捉部とを備え、
前記スケール捕捉部は保持容器に充填されたスケール付着体を備え、
前記スケール付着体は、カール状繊維を不規則に絡ませた集合体で構成され、
前記カール状繊維のカール径Ｄ１は、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、給湯器。
【請求項２】
前記スケール付着体は、表面における炭酸カルシウムのスケールの核生成エネルギーが２．０×１０−２０（Ｊ）以下となる材料から構成される、請求項１に記載の給湯器。
【請求項３】
前記スケール付着体は、銅、黄銅、シリコーンゴム、ガラス、鉄、酸化鉄（III、II）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、イソプレンゴム、ブタジエンゴムもしくはスチレンブタジエンゴムのうちのいずれかの材料から構成される、請求項１または２に記載の給湯器。
【請求項４】
前記スケール付着体の見かけ上の空隙率が、９１．０％以上９９．５％以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の給湯器。
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月20日(2015.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る給湯器は、熱交換を行う熱交換部と、給湯タンクと、給湯タンクから熱交換部へ湯水を送る送り配管と、熱交換部から給湯タンクへ湯水を送る戻り配管と、スケール捕捉部とを備える。スケール捕捉部は、給湯タンク、送り配管、熱交換部および／または戻り配管の湯水の経路中に配置される。スケール捕捉部は保持容器に充填されたスケール付着体を備える。スケール付着体は、カール状繊維を不規則に絡ませた集合体で構成される。かつ、カール状繊維のカール径Ｄ１は、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。かつ、カール状繊維の開口部が水の流れ方向に対して一列に並ぶことのないよう、多層状かつ不規則に充填される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
熱交換を行う熱交換部と、給湯タンクと、前記給湯タンクから前記熱交換部へ湯水を送る送り配管と、前記熱交換部から前記給湯タンクへ湯水を送る戻り配管と、前記給湯タンク、前記送り配管、前記熱交換部および／または前記戻り配管の湯水の経路中に配置されるスケール捕捉部とを備え、
前記スケール捕捉部は保持容器に充填されたスケール付着体を備え、
前記スケール付着体は、カール状繊維を不規則に絡ませた集合体で構成され、
前記カール状繊維のカール径Ｄ１は、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、
前記カール状繊維の開口部が水の流れ方向に対して一列に並ぶことのないよう、多層状かつ不規則に充填される、給湯器。
【国際調査報告】
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