Water heater

本発明は、スケール抑制手段を備えた給湯装置に関するものである。

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）。

図７は、前記公報に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。

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。

しかしながら、前記従来の構成では、沸き上げ運転終了後に、添加器の内部に滞留する高温の湯水に添加剤が溶解して、添加剤の消費量が増大するという課題を有していた。

図８は、横軸に貯湯槽３に湯を貯留するための沸き上げ運転における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をとった場合の、沸き上げ時間に対する入水温度の変化を示したものである。

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。

よって、貯湯槽３の内部では、上部には８５℃の高温の湯の層が形成され、下部には９℃の水の層があることになる。 また、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、添加器９の内部の水温も同様に変化し、同図で示すように最終的には６０℃程度の水で満たされる。

このように、添加器９の内部が高温の水で満たされた場合、添加剤の溶解度は大きくなり、時間とともに溶解量が増加するため、必要以上の添加剤濃度となり、添加剤の消費量が増大する。

また、添加剤として、ポリリン酸塩を用いた場合、高温になればなるほど加水分解の進行速度が大きくなり、ポリリン酸がオルトリン酸に変化する。 これによって、スケール生成の抑制効果が小さくなり、スケール抑制効果に対する信頼性が低下する。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、スケール防止剤の溶解量の適正化を図ることで、スケール防止剤を高寿命化させ、低コスト化を実現する給湯装置を提供することを目的とする。

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、前記貯湯槽からの湯水を加熱する給湯熱交換器と、前記貯湯槽と前記給湯熱交換器とを接続する入水管路および出湯管路と、前記給湯熱交換器に流入する入水温度を検出する入水温度検出手段と、制御手段と、前記入水管路に着脱可能な、スケール生成を抑制するスケール防止剤を添加するスケール抑制手段とを備え、前記スケール抑制手段の装着の有無によって、前記給湯熱交換器により前記貯湯槽の湯水を加熱する沸き上げ運転を終了させるときの、前記入水温度を変更することを特徴とするものである。

これにより、給湯装置を設置した後にスケール抑制手段を装着した場合でも、スケール抑制手段に滞留する湯水の温度を調整することができるので、スケール防止剤の高寿命化を図り、その交換や補充などの維持コストを低減させることができる。

本発明によれば、スケール防止剤の溶解量の適正化を図ることで、スケール防止剤を高寿命化させ、低コスト化を実現する給湯装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における給湯装置においてスケール抑制手段を装着した場合の構成図

同給湯装置のスケール抑制手段を装着しない場合の構成図

同給湯装置の沸き上げ時間に対する入水温度の変化を説明する説明図

同給湯装置において入力手段を設けた場合の構成図

同給湯装置においてリモコンを入力手段とした場合の構成図

同給湯装置においてフローセンサを入力手段とした場合の構成図

従来の給湯装置の構成図

同給湯装置の沸き上げ時間に対する入水温度の変化を説明する説明図

第１の発明は、湯を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽からの湯水を加熱する給湯熱交換器と、前記貯湯槽と前記給湯熱交換器とを接続する入水管路および出湯管路と、前記給湯熱交換器に流入する入水温度を検出する入水温度検出手段と、制御手段と、前記入水管路に着脱可能な、スケール生成を抑制するスケール防止剤を添加するスケール抑制手段とを備え、前記スケール抑制手段の装着の有無によって、前記給湯熱交換器により前記貯湯槽の湯水を加熱する沸き上げ運転を終了させるときの、前記入水温度を変更することを特徴とする給湯装置である。

これにより、給湯装置を設置した後にスケール抑制手段を装着した場合でも、スケール抑制手段に滞留する湯水の温度を調整することができるので、スケール防止剤の高寿命化を図り、その交換や補充などの維持コストを低減させることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記スケール抑制手段が装着されている場合は、前記スケール抑制手段が装着されていない場合に比べて、前記沸き上げ運転を終了させるときの、前記入水温度は低いことを特徴とする給湯装置である。

これにより、沸き上げ運転停止後にスケール抑制手段に滞留する湯水の温度を低くして、添加剤の溶解量や溶解度、および、加水分解を少なくすることができるので、スケール防止剤の寿命を長くして、交換や補充などの維持コストを低減させることができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、リモコンに、前記スケール抑制手段の装着の有無の情報を入力する機能を設けたことを特徴とする給湯装置である。

これにより、新たな入力手段を設けることなく、スケール抑制手段の装着の有無を判別することができるので、給湯装置の構成を簡素にして、また、装着工事の簡易化を図ることができる。

第４の発明は、特に第１〜３の発明において、前記スケール抑制手段は、水の通水を検出するフローセンサを備え、前記フローセンサの検出値に基づき、前記スケール抑制手段の装着を認識することを特徴とする給湯装置である。

これにより、スケール抑制手段を装着した場合には、フローセンサからの信号が給湯機の制御手段に入力されるので、自動的にスケール抑制手段を装着したことを前記制御手段が判断できるので、給湯装置としての信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（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スケール抑制手段を装着した場合の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。 本実施の形態では、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。

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。

給湯熱交換器５２の水側出口の温度を検出する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。 また、給湯熱交換器５２の水側入口の温度検出する入水温度検出手段６７によって給湯熱交換器５２の入水温度を検出する。

さらに、入水管路６４は、入水管６８と入水側接続配管６９からなり、出湯管路６５は、出湯管７０と出湯側接続配管７１からなる。

入水側接続配管６９を接続する貯湯槽５７とヒートポンプユニット５５側には、それぞれ入水貯湯側接続口７２と入水熱源側接続口７３が設けられている。 また、出湯側接続配管７１を接続する貯湯槽５７とヒートポンプユニット５５側には、それぞれ出湯貯湯側接続口７４と出湯熱源側接続口７５が設けられている。

また、給湯装置に給水される給水温度を検出する給水温度検出手段８５を給水管５８に設ける。

スケール抑制手段７６は、スケール抑制手段７６の入口と出口にそれぞれ設けた入接続口７７、出接続口７８と、その間に接続された水流路７９の途中に設けたスケール防止剤８０を収納した容器８１と、スケール抑制手段７６の全体を覆うケーシング８２とからなる。

スケール抑制手段７６を給湯装置に接続する場合は、図１に示すように、入水側接続配管６９を、先ず、入水貯湯側接続口７２と入接続口７７に接続し、さらに、出接続口７８と入水熱源側接続口７３とを接続する。

また、制御手段８３は、ヒートポンプユニット５５と貯湯ユニット５６の動作を制御して貯湯槽５７の水を沸かす運転である沸き上げ運転を制御するものであり、リモコン８４は、使用者が希望する給湯温度である給湯設定温度などを設定するものである。 ここで、蛇口６２が開かれると、リモコン８４で設定された給湯設定温度の湯が蛇口６２に給湯される。

一方、スケール抑制手段７６を装着しない場合は、図２に示す構成となる。 この場合は、入水側接続配管６９を、入水貯湯側接続口７２と入水熱源側接続口７３とに接続する。 その他は、図１と同様である。

以上のように構成された給湯装置について、比較のため、先に図２に示すスケール抑制手段７６を装着しない構成の給湯装置について、以下にその動作、作用を説明する。

まず、図２に示す構成の給湯装置において、貯湯槽５７内の湯水を沸き上げる、沸き上げ運転について説明する。

貯湯槽５７を沸き上げる要求（図示せず）があると、制御手段８３は、ヒートポンプユニット５５で、大気熱を利用した沸き上げ運転を行う。

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で減圧される。 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。

この時、貯湯槽５７の下部から入水管路６４を通って送られて、給湯熱交換器５２に流入した水は、沸き上げ温度検出手段６６で検出した給湯熱交換器５２の出口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、前記貯湯槽５７に設けられた温度検出手段（図示せず）によって検出される貯湯量に基づいて、沸き上げ運転を停止する。

あるいは、制御手段８３は入水温度検出手段６７で検出した給湯熱交換器５２の入水温度を検出し、所定の入水温度になれば、沸き上げ運転を停止する。

図３は、横軸に沸き上げ時間を取り、縦軸に入水温度検出手段６７で検出した入水温度を取って、沸き上げ時間に対する入水温度の変化を示したものである。 沸き上げの初期は、入水温度は給湯装置に給水される給水温度とほぼ同様であり、貯湯槽５７の沸き上げの終盤になれば、従来例で説明した混合層を加熱することになり、入水温度は時間とともに上昇する。

そして、入水温度が、同図のＴ１（例えば６０℃）になれば、制御手段８３は沸き上げ運転を停止する。 このＴ１が、スケール抑制手段７６を装着しない場合の所定の入水温度である。 このとき、入水管路６４の中の水温は、Ｔ１と同等の温度（６０℃）となる。 この温度Ｔ１は、ポリリン酸塩の溶解速度も加水分解の速度も大きい温度である。

次に、図１に示すスケール抑制手段７６を装着する場合について、以下にその動作、作用を説明する。

まず、図１において、貯湯槽５７を沸き上げる、沸き上げ運転について説明する。

貯湯槽５７を沸き上げる要求（図示せず）があると、制御手段８３は、ヒートポンプユニット５５で大気熱を利用した、沸き上げ運転を行う。

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で減圧される。 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。

このとき、給湯熱交換器５２の出口温度が所定温度となるように動作する循環ポンプ６３によって貯湯槽５７の下部から送られてきた水は、貯湯ユニット５６側の入水側接続配管６９を通ってスケール抑制手段７６の容器８１に入る。

スケール抑制手段７６において、スケール防止剤８０としてのポリリン酸塩が水に溶解されて、所定のポリリン酸塩濃度の水となる。 そして、水はヒートポンプユニット５５側の入水側接続配管６９を通って、給湯熱交換器５２に入る。 さらに、熱源であるヒートポンプユニットで加熱され、所定の温度となって、貯湯槽５７の上部から流入し貯留される。

このとき、給湯熱交換器５２で加熱される水に含まれるスケール防止剤は、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。 また、制御手段８３は、入水温度検出手段６７で検出した給湯熱交換器５２の入水温度を検出し、所定の入水温度になれば、沸き上げ運転を停止する。

このスケール抑制手段７６を装着する場合の所定の入水温度は、前述したスケール抑制手段７６を装着しない給湯装置における、所定の入水温度よりも低い温度に設定する。 例えば、図３において、スケール抑制手段７６を装着する場合の所定の入水温度をＴ２とする。 Ｔ２をＴ１よりも低く設定することで、ポリリン酸塩の溶解速度も加水分解の速度も小さくすることができる。

なお、所定の入水温度Ｔ２をＴ１よりも低くすることにより、貯湯槽５７に貯湯される湯量が僅かに減少するが、貯湯槽５７の湯が減少してきた場合、スケール抑制手段７６を装着しない場合よりも早めに沸き上げ運転を行えば、特に問題が生じることは無い。

このように、スケール抑制手段７６を装着する場合の所定の入水温度Ｔ２を低く設定する方が、ポリリン酸塩の溶解速度も加水分解の速度も小さくすることができ、ポリリン酸塩の消費量の増大を低減することができる。

ここで、沸き上げ運転終了時の入水温度を給水温度よりも高い温度に設定しなければ、貯湯槽５７内の湯水の沸き上げ運転が開始されないので課題となる。 また、給水温度は、季節（外気温度）によって変化し、冬は低く、夏は高い温度である。

よって、効率よく所定の入水温度Ｔ２を決定するには、所定の入水温度Ｔ２を、給水温度＋ΔＴとして設定すれば、季節による給水温度の変化にも対応が簡単にできることになる。 ΔＴとしては、例えば、５Ｋとか１０Ｋとかの値を用いればよい。

図４は、スケール抑制手段を装着したことを制御手段に入力するための入力手段８６を設けた構成としている。 その他は図１の場合と同様である。 一旦給湯機を装着後、スケール抑制手段７６を追加で装着する場合に、スケール抑制手段の装着の有無を簡単に設定できるため、容易に所定の入水温度の変更ができるので、給湯装置の運転制御に反映することがでる。

図５は、スケール抑制手段７６を装着したことを制御手段に入力するための入力手段８６の機能を、給湯設定温度などを設定するリモコン８４に設けた構成としている。 その他は図１の場合と同様である。 このようにすれば、リモコン８４とは別の入力手段８６を設ける必要が無いので、給湯装置の構成が簡単になり、また装着工事の簡易化を図ることもできる。

図６は、スケール抑制手段７６に水の通水を検出するフローセンサ８７を設け、前記フローセンサ８７を入力手段８６とした構成としている。 その他は図１の場合と同様である。 このようにすれば、スケール抑制手段７６を使用した場合に、フローセンサ８７からの信号が給湯機の制御手段８３に入力されるので、スケール抑制手段７６を装着したことを、自動的に前記制御手段８３が判断でき、信頼性の向上を図ることができる。

なお、リモコン８４によるスケール抑制手段７６の有無の判別と、フローセンサ８７によるスケール抑制手段７６の有無の判別とは、併用してもよい。

このように、スケール抑制手段７６を装着した場合と装着しない場合とで、沸き上げ運転を終了させるときの入水温度を変更可能な構成とし、所定の入水温度を適切に変更することによって、沸き上げ運転停止後に消費されるスケール防止剤の溶解量や溶解度、および、スケール防止剤の加水分解を少なくすることができるので、スケール防止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、さらに、スケール抑制手段７６の装着の自由度を図ることができる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、沸き上げ運転の終了を判断する所定の入水温度を変更して、スケール抑制手段の高寿命化を図ることができるので、家庭用や業務用などの給湯装置に適用することができる。

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 入水温度検出手段 ７６ スケール抑制手段 ８０ スケール防止剤 ８３ 制御手段 ８４ リモコン ８５ 給水温度検出手段 ８７ フローセンサ