(57)【要約】【課題】内部に熱交換器を備える貯湯タンクにおいて、熱交換器へのスケールの付着を抑制することを課題とする。【解決手段】本発明の貯湯タンクは、給水経路及び出湯経路を有する貯湯タンク本体と、貯湯タンク本体内に配置され内部に流れる冷媒と貯湯タンク内の水とを熱交換させる熱交換器と、貯湯タンク本体に配置される電極と、熱交換器と電極とを接続する電源部とを備え、電源部が熱交換器及び電極に通電することにより、電極が陽極電極として機能し熱交換器が電極に対する陰極電極として機能する、又は、電極が陰極電極として機能し熱交換器が電極に対する陽極電極として機能する。本発明によれば、熱交換器自体を電極として機能させることにより、熱交換器へのスケール付着を抑制することができ、従って、長期使用における熱交換効率の低下も抑制することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水口及び出湯口を有する貯湯タンク本体と、
前記貯湯タンク本体内に配置され、内部に流れる冷媒と前記貯湯タンク内の水とを熱交換させる熱交換器と、
前記貯湯タンク本体内に配置される電極と、
前記熱交換器と前記電極とを接続する電源部と、を備え、
前記電源部が前記熱交換器及び前記電極に通電することにより、
前記電極が陽極電極として機能し、前記熱交換器が前記電極に対する陰極電極として機能する、又は、
前記電極が陰極電極として機能し、前記熱交換器が前記電極に対する陽極電極として機能する貯湯タンク。
【請求項２】
請求項１において、前記熱交換器は銅により構成され、
前記電極は銅、鉄、アルミニウム、亜鉛、又はこれらの合金により構成され、
前記電源部により前記熱交換器及び前記電極に通電することにより、前記電極が陽極電極として機能し、前記熱交換器が前記電極に対する陰極電極として機能する貯湯タンク。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記電源部により前記陽極電極及び前記陰極電極の極性を反転させる貯湯タンク。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかにおいて、前記電極は、アルミニウム、亜鉛、又はこれらの合金で構成され、
前記電源部が前記熱交換器及び前記電極に通電せずに、且つ、前記電極と前記貯湯タンク本体とが電気的に接続される貯湯タンク。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかにおいて、前記熱交換器の先端部の水温が摂氏４０〜８５度の場合に前記電源部が前記熱交換器及び前記電極に通電する貯湯タンク。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかにおいて、前記電源部が印加する電圧が１.２〜５.０Ｖであり、前記熱交換器の先端部と前記電極の高さ方向中心との距離が２５〜８０センチメートルである貯湯タンク。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかにおいて、前記熱交換器は漏洩検知機構を備えた二重管構造を有する貯湯タンク。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかにおいて、前記貯湯タンク本体の上部又は前記出湯口に接続された出湯経路の経路中に気体を捕集する空間を備え、前記空間に少なくとも水素又は塩素を吸着する吸着剤を配置する貯湯タンク。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかにおいて、前記貯湯タンク本体の高さ方向を五等分したとき、
前記電極の中心が、前記貯湯タンクの底面から前記貯湯タンクの２／５〜３／５の高さに位置し、
前記熱交換器の先端部が、前記貯湯タンクの底面〜前記貯湯タンクの１／５の高さに位置し、
前記熱交換器の冷媒導入部が、前記貯湯タンクの底面から前記貯湯タンクの１／５〜２／５の高さに位置する貯湯タンク。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れかに記載の貯湯タンク、及び、
前記貯湯タンク内に配置された前記熱交換器と、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機と、ヒートポンプ運転により大気中から熱量を吸収する大気側熱交換器と、冷媒の圧力状態を制御する膨張弁と、を接続して構成された冷凍サイクル装置、
を備えるヒートポンプ式温水給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に熱交換器を備える貯湯タンク、及びこの貯湯タンクを用いたヒートポンプ式温水給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒を利用したヒートポンプ式温水給湯機の加熱方式として、貯湯タンク内に設けられた熱交換器に熱源機からの冷媒を供給し、熱交換器を介してこの冷媒から貯湯タンク内の水に熱カロリーを与えることにより、貯湯タンク内の水を加熱するものがある。貯湯タンク内の水を加熱する場合、水の加熱過程で水中の溶解塩類が濃縮されてその濃度が上昇する。その結果、炭酸カルシウムやシリカに代表されるスケール成分が析出して熱交換器に固着し、伝熱効率の低下を生じる。特に、炭酸カルシウムは、４５℃以上の水温においてより顕著に析出することから、熱交換器に極めて容易に固着し、熱交換効率の低下を引き起こす。一方、シリカは酸性度が上昇すると析出するため、循環システム配管等で問題になる。
【０００３】
このような課題に対して、スケール防止剤等の薬剤を投入して、スケールの固着を抑制する方法がある。しかしながら、給湯の使用目的が家庭用であり直接人体に対して使用する場合には、投入した薬剤による肌荒れや経口摂取の可能性がある。
【０００４】
薬剤を使用しないスケール防止法として、水中に溶解している二酸化炭素を水中に溶出させた金属イオンと反応させて、加熱部における炭酸カルシウムの生成・析出を抑制させる方法がある。例えば、一対の金属電極間に電流を発生させて、スケール防止効果のあるアルミニウムイオンの金属イオンを水中に溶出させる。アルミニウムイオンは炭酸カルシウムの生成・析出を抑制することから、陰極と陽極にステンレスとアルミニウム又はカーボンとアルミニウムを用いることで、水中にアルミニウムを溶出させて熱交換器へのスケールの付着を抑制することができる。また、外部電源を用いて一対の銅電極に直流電圧を印加して銅イオンを溶出させ、スケールを防止する方法もある（特許文献１参照）。
【０００５】
一方、タンク内に加熱用の熱交換器を有するヒートポンプ式温水給湯機においては、長期使用により炭酸カルシウムを主体とするスケールが熱交換器に付着し、熱交換効率の低下が避けられない。連続的・長期的な運転状況下では、特許文献１に開示の技術を用いても、主たる加熱部である熱交換器へのスケールの付着を避けることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２９６９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、内部に熱交換器を備える貯湯タンクにおいて、熱交換器へのスケールの付着を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の貯湯タンクは、給水口及び出湯口を有する貯湯タンク本体と、貯湯タンク本体内に配置され内部に流れる冷媒と貯湯タンク内の水とを熱交換させる熱交換器と、貯湯タンク本体内に配置される電極と、熱交換器と電極とを接続する電源部とを備え、電源部が熱交換器及び電極に通電することにより、電極が陽極電極として機能し熱交換器が電極に対する陰極電極として機能する、又は、電極が陰極電極として機能し熱交換器が電極に対する陽極電極として機能する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱交換器自体を電極として機能させることにより、熱交換器へのスケール付着を抑制することができ、長期使用における熱交換効率の低下も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ヒートポンプ式温水給湯機の概略図。
【図２】貯湯タンクの概略図。
【図３】犠牲陽極と貯湯タンク本体とを電気的に接続した図。
【図４】吸着剤を配置した図。
【図５】熱交換器と犠牲陽極の距離と電圧との関係を示す図。
【図６】貯湯タンクに対する熱交換器及び犠牲陽極の位置関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の第１の実施例について図１，図２，図４−図６を用いて説明する。図２は本実施例のヒートポンプ式温水給湯機の概略図である。図２が示す冷凍サイクルのうち左側の機能は概ね暖房運転時の空気調和機の室外機と同様である。つまり、本実施例のヒートポンプ式温水給湯機は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機９、冷房・暖房を切り替える四方弁１０、ヒートポンプ暖房運転により大気中から熱量を吸収する大気側熱交換器１１、及び、冷媒の圧力状態を制御する膨張弁１２により冷凍サイクルを構成する。尚、給湯のみを考慮すると四方弁１０は必ずしも必要ではない。
【００１２】
これらが冷媒配管により図２右部の貯湯タンク１に接続される。ヒートポンプ運転により貯湯タンク１内部の熱交換器４に高温高圧の冷媒を流入させてタンク内の水と熱交換し、タンク内の水を加熱して湯とする。
【００１３】
貯湯タンク１の内部には給水経路３に接続された給水口より水が供給され満水の状態が維持される。使用者がシャワー等の給水設備を使用すると出湯口から出湯経路２を介して給水設備に湯が供給され、使用した水量が新たに給水経路３より供給される。給水された水は貯湯タンク１に配置された複数の温度検出装置（図示せず）により温度が検知され、この検知結果に基づいて、制御部（図示せず）が圧縮機９の運転を制御する。
【００１４】
図１は本実施例の貯湯タンクの概略図である。貯湯タンク１に対して貯湯タンク１上部に出湯経路２を備え、貯湯タンク１に対して貯湯タンク１下部に給水経路３を備える。
【００１５】
貯湯タンク１内には圧縮機９から吐出された高温高圧の冷媒が供給される熱交換器４が配置され、熱交換器４は熱交換器絶縁部５を介して貯湯タンク１に固定される。また、貯湯タンク１内には熱交換器４よりも下方に犠牲陽極６が配置され、犠牲陽極６は犠牲陽極絶縁部７を介して貯湯タンク１に固定される。熱交換器絶縁部５及び犠牲陽極絶縁部７は貯湯タンク１を通電回路にしないために設けられる。直流電源部８は電子制御されたスイッチを内包し、制御部からの指令により熱交換器４と犠牲陽極６に電圧を印加する。
【００１６】
熱交換器４により加熱された貯湯タンク１内の水は密度が小さくなり、貯湯タンク１内の上部に向けて循環する。従って、貯湯タンク１の下方に配置された熱交換器４周辺には比較的温度の低い水が集まるので、加熱効率が良い。
【００１７】
しかしながら、熱交換器４自体が圧縮機９から吐出された高温高圧の冷媒により加熱されるので、熱交換器４の周辺ではカルシウムイオン濃度が上昇して炭酸カルシウムが析出する。
【００１８】
これに対して、直流電源部８より熱交換器４と犠牲陽極６に電圧を印加することにより、犠牲陽極６から金属イオンが溶出して水中に取り込まれる。その結果、犠牲陽極６から溶出した金属イオンと水中の二酸化炭素が先に結合して粉末状のスケールを形成する。
【００１９】
例えば犠牲陽極６にアルミニウムを使用した場合、水中の二酸化炭素との結合物は炭酸アルミニウムであり、この炭酸アルミニウムは不定組成塩基性塩であることから、過渡的な生成物質として水中の水酸化物イオンによってさらに反応し、水酸化アルミニウムとなる。水酸化アルミニウムは水に対し不溶であり固着性がないので、犠牲陽極６周辺で生成した後、貯湯タンク１下部に粉末状にスラッジとして堆積する。
【００２０】
貯湯タンク１下部に堆積したスラッジは清掃により容易に取り除くことができる。また、給水設備に取り付けられたフィルタ式の浄水装置を用いても除去が可能である。尚、犠牲陽極６には、例えば、アルミニウム以外にも、鉄、亜鉛、銅、又は、これらの合金を用いることができる。
【００２１】
このように、犠牲陽極６近傍では、溶解した二酸化炭素を過渡的に反応させることで、カルシウムイオンとの継続的な結合を阻害して炭酸カルシウムスケールの析出を抑制する。また、熱交換器４の主材料を陽極よりもイオン化係数が小さい銅とし、表面処理を陽極よりもイオン化係数が小さいスズやニッケルとすることにより、陰極（熱交換器４）で電子の供給極を形成して水の電気分解が生じ、水素イオン及び気体水素の発生／誘因が励起され、熱交換器４周辺でのｐＨが上昇する。熱交換器４周辺でｐＨが上昇することにより、カルシウムイオンの熱交換器４周囲への移動を抑制できる。従って、カルシウムイオンの濃度が低下することに加えて、カルシウムイオンと二酸化炭素との結合を抑制し、且つ、カルシウムイオンの熱交換器４周囲への移動を抑制することから、熱交換器へのスケール付着を抑制することができる。
【００２２】
さらに、カルシウムイオンが陰極で還元され単カルシウムが生成されたとしても、炭酸カルシウムと異なり熱交換器に固着することなく貯湯タンク１の底部に堆積する。
【００２３】
さらには、ｐＨの上昇により局所的なシリカスケールの発生も抑制できることから総合的なスケール抑制効果が高い。水道水は一般的には地熱熱水由来ではないが、シリカの析出はゼロではないことから一定の効果が期待できる。
【００２４】
これらの原理により、熱交換器４へのスケールの付着が強力に抑制され、長期使用における熱交換器４の熱交換効率の低下を避けることができる。
【００２５】
尚、本実施例においては、犠牲陽極６に対して熱交換器４を陰極電極としたが、これらの陽極電極及び陰極電極の極性を直流電源部８により反転させるようにしてもよい。
【００２６】
また、発明者による検討の結果、温度検出装置（図示せず）による水温情報に基づいて直流電源の入切を制御することで、好適な防食及びスケール防止作用が得られることが判明した。具体的には熱交換器の先端部の水温が摂氏４０〜８５度の場合に通電することで、より効果的な防食及びスケール防止作用が得られる。
【００２７】
図５は、熱交換器と犠牲陽極の距離と電圧との関係を示す図である。発明者による検討の結果、印加電圧と極間距離（熱交換器４先端部と犠牲陽極６高さ方向中心との距離）との間に好適な関係があることが判明した。具体的には極間距離が２５センチメートルから８０センチメートルの場合には印加電圧が１.５Ｖから５.０Ｖ程度で十分であり、この値より小さい場合はスケール付着防止効果に乏しく、大きい場合には電解反応が進行しすぎて水素や塩素の発生量が増えてしまい使用者の利便性を損ねる。従って、極間距離（熱交換器４先端部と犠牲陽極６高さ方向中心との距離）は２５〜８０センチメートルとし、熱交換器４及び犠牲陽極６への印加電圧は１.５〜５.０Ｖ程度が望ましい。
【００２８】
図６は、貯湯タンクに対する熱交換器及び犠牲陽極の位置関係を示す図である。発明者による検討の結果、貯湯タンク１に対する熱交換器４及び犠牲陽極６の配置について好適な位置関係があることが判明した。具体的には貯湯タンク１を高さ方向で概ね五等分し、貯湯タンク１の底面から１／５，２／５，３／５，４／５，５／５とすると、熱交換器４の冷媒導入部が概ね貯湯タンク１の１／５〜２／５の位置にあり、熱交換器４の先端部（最奥部）が概ね貯湯タンク１底面〜貯湯タンク１の１／５までの位置にあり、かつ、犠牲陽極６が概ね貯湯タンク１の２／５〜３／５の位置に配置することで良好なスケール防止効果や熱交換効率を得ることができた。
【００２９】
ここで、熱交換器４を、漏洩検知機構を備える二重管構造とすることができる。これにより、冷媒及び水の漏洩を検知することができるとともに、冷媒流入部と通電部を完全に分離することができる。一般に電流は表層を通過することが判明している。熱交換器においても直流電源部８からの電流は熱交換器の表層を流れる。一方で突然の電流の流入は意図しない火花等を発生する場合がある。熱交換器４に二重管を使用することで、これら火花の発生による冷媒の引火の可能性を極めて低くすることができる。また、万一、冷媒が漏洩する事態になっても、二重管方式の漏洩検知管であれば、貯湯タンク１内に冷媒が流出して圧力が急激に上昇することや、冷凍サイクルに含まれる冷凍機油等の流入も回避できることから、使用者の安全性が大きく向上する。貯湯タンク１の水側からの漏洩であっても冷凍サイクルと水が混入することがないので修理が容易である。
【００３０】
さらに、貯湯タンク１の上部又は出湯経路２の経路中に気体を捕集する空間を備え、その空間に少なくとも水素又は塩素を吸着する吸着剤を配置してもよい。本実施例では電解回路を使用しているため、水中の不純物に起因する水自身の電気分解が生じる。そのため、本発明の実施に際しては水の電気分解による水素及び消毒に使用する塩素の発生が予想され、発明者による検討においてもこれら水素及び塩素の発生が確認された。これらの気体は使用者が湯を使用することで蛇口等から放出されるが、配管内に留まると圧力変動やエアロックによる配水不良等の原因となる可能性があるので、可能な限り除去することが望ましい。そこで本実施例においては、貯湯タンク１の上部又は出湯経路２の経路中に気体を捕集するトラップを備え、その空間に少なくとも水素又は塩素を吸着する吸着剤を配置することにより、電気分解により発生する水素及び塩素を除去することとする。
【００３１】
以上、本実施例の貯湯タンクは、給水経路及び出湯経路を有する貯湯タンク本体と、貯湯タンク本体内に配置され内部に流れる冷媒と貯湯タンク内の水とを熱交換させる熱交換器と、貯湯タンク本体内に配置される電極と、熱交換器と電極とを接続する電源部とを備え、電源部が熱交換器及び電極に通電することにより、電極が陽極電極として機能し熱交換器が電極に対する陰極電極として機能する、又は、電極が陰極電極として機能し熱交換器が電極に対する陽極電極として機能する。熱交換器自体を電極として機能させることにより、熱交換器へのスケール付着を抑制することができる。特に、カルシウムイオンの濃度が低下することに加えて、カルシウムイオンと二酸化炭素との結合を抑制し、且つ、カルシウムイオンの熱交換器への移動を抑制することから、熱交換器へのスケール付着を抑制することができる。従って、長期使用における熱交換器の熱交換効率の低下も抑制することができる。また、熱交換器自体を電極として用いるので、陽極・陰極を別途必要とせず安価に構成することができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施例について図３を用いて説明する。基本的な冷凍サイクルや貯湯タンク等の構成は実施例１と同様であるので、実施例１と異なる点について説明する。
【００３３】
実施例１では直流電源部８から熱交換器４及び犠牲陽極６へ直流電圧を印加したが、熱交換器４及び犠牲陽極６へ電圧を印加しない場合に、犠牲陽極６と貯湯タンク１本体を電気的に接続可能なように（犠牲陽極６と貯湯タンク１の金属部を接続可能なように）回路を構成する。犠牲陽極６と貯湯タンク１を電気的に接続することにより、電圧の印加がなくても、貯湯タンク１（一般的にはステンレス鋼）の防食効果を得ることができる。このとき、犠牲陽極６の材料には熱交換器４と同じ銅材は使用できないので、アルミニウムや亜鉛及びその合金を用いることが好ましい。
【符号の説明】
【００３４】
１  貯湯タンク
２  出湯経路
３  給水経路
４  熱交換器
５  熱交換器絶縁部
６  犠牲陽極
７  犠牲陽極絶縁部
８  直流電源部
９  圧縮機
１０  四方弁
１１  大気側熱交換器
１２  膨張弁
１３  吸着剤
【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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