本発明は、温水循環式の温水暖房装置に用いられる温水加熱装置に関し、さらに詳しくいえば、水に含まれるカルシウム成分の除去手段を備えている温水加熱装置に関する。

最近では、石油やガスなどの化石燃料を使用する燃焼系の温水暖房装置に代えて、ヒートポンプユニットを熱源とする温水暖房装置が提案されている。その一例として、例えば特許文献1には、ヒートポンプユニット(通常は屋外に設置)を熱源とし、温水ユニット(通常は屋内に設置)との間で熱交換することで温水を生成して、閉ループ型の温水循環路を循環させて給湯や床暖房器で放熱するヒートポンプ式温水暖房装置が提案されている。

特許文献1に記載のヒートポンプ式温水暖房装置によれば、ヒートポンプユニットを熱源としているため、火災などの事故が起きにくく、またCO₂排出量も少ないため地球環境にも優しい。また、ヒートポンプユニットの駆動制御が細かく設定できるため、温水の設定温度を低温から高温まで幅広く設定することができる。

しかしながら、この種の温水暖房装置は、熱媒体として水が用いられているため、水温が60℃を越えると、水の中に溶存しているカルシウム成分(炭酸水素カルシウム:Ca(HCO₃)₂)が炭酸カルシウム:CaCO₃として析出して管壁などに付着する。

この付着物は、スケール(水垢とも言う)と呼ばれ、特に熱交換器は高温であり、そのパス長も長いため、スケールが付着しやすい。長期間の使用でスケールの付着量が多くなると、熱交換効率の低下や、最悪の場合は管の閉塞も懸念される。

とりわけ、この種の温水暖房装置の多くは、欧米諸国において流通しているが、これらの地域において、水はカルシウムやマグネシウムなどのミネラルを多く含んだ、いわゆる「硬水」であるため、スケールが付着しやすく、このスケールの除去が大きな課題となっている。

他方において、例えば特許文献2には、流体中のゴミや不純物を除去するストレーナが開示されている。このストレーナは、円筒状のフィルタの中心に磁石を配置したものであって、流路内に配置することにより、フィルタで配管内を流れるゴミを除去するとともに、磁石で鉄くずなどを吸着して除去できるようになっている。

しかしながら、このストレーナは、管内を流れる浮遊物や磁性を有する異物を除去することはできるが、大きさがミクロンサイズと小さく、さらに磁性を有していないスケールをストレーナで捕捉除去することは困難であった。

特開2013−185803号公報

特開2010−279887号公報

そこで、本発明の課題は、熱媒体としての水に含まれるカルシウム成分の除去手段を備え、熱交換器などにおけるスケールの析出を予防して、常に熱効率の良い状態を持続可能な温水暖房装置を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、熱交換器と循環ポンプとを含み水が封入された温水循環路を有する温水ユニットと、上記熱交換器を介して上記温水循環路内の水を所定温度の温水とする熱源ユニットと、上記温水循環路の一部に含まれる放熱回路を有する暖房ユニットとを備えている温水暖房装置において、上記温水ユニットは、上記熱源ユニットによることなく、上記温水循環路内の水を60℃以上に加熱して、その水中に溶解しているカルシウム成分を析出して除去するカルシウム除去手段を備えていることを特徴としている。

より好ましい態様として、上記カルシウム除去手段は、上記温水循環路の配管内に含まれる継手管部と、上記温水循環路内の水に浸かるように上記継手管部内に配置された析出用電気ヒータを有し、上記析出用電気ヒータの周囲の水を60℃以上に加熱する加熱ユニットとを備えている。

また、少なくとも上記析出用電気ヒータと上記循環ポンプとを制御する制御部をさらに備え、上記制御部は、上記熱源ユニットが休止しているとき、上記循環ポンプを駆動して上記温水循環路内に水を循環させた状態で、上記析出用電気ヒータに通電して上記温水循環路内の水を加熱し、上記析出用電気ヒータにより上記析出用電気ヒータの周囲の水温が60℃以上となるように維持して、水中に溶解しているカルシウム成分を上記析出用電気ヒータの周りに析出させる。

さらに、上記温水循環路内の水を加熱する補助用電気ヒータをさらに備え、上記制御部は、上記析出用および補助用の各電気ヒータの両方に通電して上記温水循環路内の水を加熱し、その水温が60℃未満の所定温度に達した時点で、上記補助用電気ヒータへの通電をオフとし、以後は上記析出用電気ヒータにのみ通電する。

より好ましい態様として、上記カルシウム除去手段は、上記温水循環路のうち、上記放熱回路から上記熱交換器に至る温水の復路側に設けられている。

また、上記補助用電気ヒータは、上記温水循環路のうち、上記熱交換器から上記放熱回路に至る温水の往路側に設けられている。

これによれば、閉ループ回路からなる温水循環路の一部にカルシウム除去手段を設け、水を循環させながら、析出用電気ヒータで析出用電気ヒータの周囲の水を析出温度(60℃)まで加熱して、その周囲にスケールを積極的に析出させ付着させて除去するカルシウム除去工程を、装置の設置時や循環水を交換したメンテナンス時に行うことで、本運転(ユーザーによって通常使用される暖房運転)時での熱交換器などにおけるスケールの発生を予防することができ、ひいては熱効率の良い状態を持続させることができる。

本発明の一実施形態に係る温水暖房装置の構成を示すブロック図。

上記温水暖房装置のカルシウム除去装置の構造を示す模式図。

カルシウム除去の流れを示すフローチャート。

カルシウム除去装置を往路側配管に配置した状態を示すブロック図。

以下、図面を参照しながら、本発明の温水暖房装置の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。

図1に示すように、この温水暖房装置10は、熱源ユニットであるヒートポンプユニット20と、ヒートポンプユニット20で生成された熱を利用して、温水を生成する温水ユニット30と、利用側の暖房端末42を備えた暖房ユニット40とを備えている。

ヒートポンプユニット20は、冷媒を圧縮する圧縮機21、凝縮器22、膨張弁23および蒸発器24を備え、それらを冷媒配管25で接続した冷媒回路を有している。

本発明において、ヒートポンプユニット20は、暖房用の熱源として用いるため、可逆サイクルのため四方弁は特に必要としない。したがって、温水を生成する熱源となりうる最小限の機能を備えていればよく、各構成要素の具体的な構成は、仕様に応じて任意に選定されて良い。

ヒートポンプユニット20は、四方弁を備えた冷房と暖房の切換が可能な可逆サイクル方式であってもよいが、本発明において、ヒートポンプユニット20は、暖房用の熱源として用いるため、可逆サイクルのため四方弁は特に必要としない。したがって、温水ユニット30の循環水を加熱する熱源となりうる最小限の機能を備えていればよく、各構成要素の具体的な構成は、仕様に応じて任意に選定されてよい。

熱交換器60は、水−冷媒熱交換器であって、この実施形態において、温水ユニット30の温水循環路31の一部分に設けられている所定容積の循環水用のタンク61内に凝縮器22が収納され、タンク61内で循環水が凝縮器22により加熱されて温水が生成される。なお、図示しないが、熱交換器60を例えば二重管熱交換器としてもよい。この実施形態において、熱交換器60は、スケール発生の予防対象となる熱源部の1つである。

温水ユニット30は、熱交換器60で生成された温水が循環する温水循環路31を備えている。温水循環路31は、往路側(温水送出側)の温水接続口31aと復路側(温水戻り側)の温水接続口31bを介して暖房ユニット40側の放熱回路41と接続される。なお、以下の説明において、温水循環路31内を循環する水または温水をまとめて循環水と称する。

このように、温水循環路31の一部に、暖房ユニット40側の放熱回路41が含まれるが、以下の説明において、温水循環路31と放熱回路41を特に区別する必要がない場合には、放熱回路41を含めて温水循環路31と言う。

温水循環路31のうちの熱交換器60と温水接続口31aとの間の往路側配管311には、循環水をさらに加熱する補助ヒータ装置32を備えている。補助ヒータ装置32は、上部側に温水流入口32b、下部側に温水流出口32cを有する筒状ケーシング32aを備え、図示しないが、筒状ケーシング32a内には、補助用電気ヒータが収納されている。

補助ヒータ装置32は、循環水の温度が所定温度に達していない場合に、図示しない給電電源から補助用電気ヒータに通電され、循環水の温度を所定温度にまで高める。なお、補助用電気ヒータへの通電制御は、温水ユニット30に設けられている制御部(CPU)70によって行われる。この実施形態において、補助ヒータ装置32もスケール発生の予防対象となる熱源部に含まれる。

循環水を補助ヒータ装置32によって加熱すると、その際に発生する気体が、筒状ケーシング32aに溜まり、そのままにしておくと気泡が循環水に混ざり循環効率が悪くなる。そこで、筒状ケーシング32aの上端には、空気抜き弁33を設けて筒状ケーシング32a内に溜まった空気を外気に放出するようになっている。

温水接続口31bから熱交換器60に至る復路側配管312には、ストレーナ34、圧力計35、膨張タンク36、給排水弁37、圧力安全弁38および循環ポンプ39がそれぞれ配置されている。

ストレーナ34は、温水循環路31内を流れる循環水に含まれるゴミや不純物を除去する。ストレーナ34の具体的な構成は、本発明において任意的事項である。

圧力計35は、暖房ユニット40が接続されることにより閉ループ回路となる温水循環路31内の管内圧力を測定するために用いられる。圧力計35の測定データは、制御部70に送られる。

膨張タンク36は、循環水の熱膨張を吸収するタンクである。給排水弁37は、温水循環路31内に水を注水したり、温水循環路31内の循環水を抜き取るために設けられており、先端には、水道管などに接続されるニップルと開閉コック(ともに図示しない)が設けられている。

圧力安全弁38は、循環水が沸騰するなどして温水循環路31内の管圧が規定値以上となった際に、管破裂を防ぐために強制的に温水循環路31を外気に開放するリリーフバルブである。

循環ポンプ39は、温水循環路31内の循環水を一方向(この実施形態では時計回り)に循環させるためのポンプであって、制御部70により、その駆動が制御される。

復路側配管312の温水循環路31にはさらに、循環水中に溶解しているカルシウム成分を除去するためのカルシウム除去装置50が設けられている。図2を併せて参照して、カルシウム除去装置50は、ストレーナ34と圧力計35との間の配管に直結された継手管部51と、継手管部51に着脱自在に取り付けられる加熱ユニット52とを備えている。

継手管部51は、金属製の円筒状筐体を備え、両端に温水循環路31に対して接続される配管接続口53,54が設けられている。この実施形態において、右側の配管接続口53が上流側で、左側の配管接続口54が下流側である。これにより、継手管51内の流路51aには、循環水が図2に示す矢印方向(右から左)に流れる。

継手管51には、加熱ユニット52を継手管51の流路51a内に導き入れるためのユニット装着部55が設けられている。ユニット装着部55は、継手管51の管壁から循環水の流れ方向に沿って斜め方向に一体として引き出された傾斜管部551と、傾斜管部551よりも下流側で継手管51の管壁からほぼ垂直に一体として引き出された垂直管部552とを含む、軸線が傾けられた分岐管状に形成されている。

この実施形態において、ユニット装着部55は、循環水の流れ方向(図2では右→左)に対して斜めに延設され、流れ方向に対して逆らうように配置されている。

加熱ユニット52は、ユニット装着部55の開口部に対して螺子止めされる基部56を有し、基部56には、循環水の中に浮遊するゴミなどを捕捉するフィルタ部57と、スケール(カルシウム成分)を析出させる析出用ヒータ58とが設けられている。

基部56は、ユニット装着部55の開口部を塞ぐ円盤状であって、外周面の一部には図示しないねじ込み用のボルト面が形成されている。基部56の他端側には、析出用ヒータ58に通電するための端子部561が設けられている。

フィルタ部57は、透水性を有するメッシュシートを円筒状に丸めて、基部56の一端に取り付けたものからなる。フィルタ部57は、金属製であっても樹脂製であってもよいが、析出用ヒータ58の発熱による変形にも耐え得る素材が用いられている。これによれば、後述するカルシウム除去工程と同時に、循環水に含まれる不純物を除去することができる。

析出用ヒータ58は、フィルタ部57の中心に配置された電気ヒータであり、析出用ヒータ58で温められた循環水から炭酸カルシウム:CaCO₃が析出用ヒータ58の表面に析出する。この実施形態において、加熱ユニット52はねじ込み式の着脱ユニットであるが、継手管部51に一体化されたユニットであってもよい。

この実施形態において、カルシウム除去装置50は、温水ユニット30の復路側配管312に配置されているが、図4に示すように、温水ユニット30の往路側配管311の補助ヒータ装置32の流出側に配置されていてもよい。これによれば、補助ヒータ装置32の流出側に配置することで、補助ヒータ装置32で温められた循環水をより速やかに加熱することが可能となり、結果、スケールの除去効率が高められる。

暖房ユニット40は、往路側の温水接続口31aと復路側の温水接続口31bとを介して、温水ユニット30側の温水循環路31に接続される放熱回路41を備えている。放熱回路41には、熱源の利用側としての暖房端末42が設けられている。暖房端末42は、例えば床暖房装置やラジエータ、ファンコンベクタなどであってよい。

次に、図3のフローチャートを参照して、カルシウム除去手順の一例について説明する。このカルシウム除去工程は、温水暖房装置10の設置後か、もしくは、メンテナンス時に配管内の循環水を入れ替えた後に行われ、ユーザーの使用に供する本運転前に、循環水に含まれているカルシウム成分を予め除去する。

設置時について説明すると、ヒートポンプユニット20と温水ユニット30は予め連結されているとして、温水ユニット30に暖房ユニット40を配管接続して、ヒートポンプユニット20、温水ユニット30および暖房ユニット40の電源を含む温水暖房装置10のすべての電源をオフとし(ステップST1)、温水ユニット30の空気抜き弁33を開放する(ステップST2)。

次に、給排水弁37に図示しない給水パイプを接続し、温水循環路31内に水(例えば、水道水)を注水する(ステップST3)。その際、圧力計35を確認して、配管内が規定圧力になるまで注水をしたのち(ステップST4)、給水パイプを抜き、給排水弁37を閉じる(ステップST5)。以上により、温水循環路31内に循環水が注水される。

注水が完了したのち、温水ユニット30の電源を投入し、カルシウム除去モードを選択する(ステップST6)。このとき、ヒートポンプユニット20の電源はオフであり、ヒートポンプユニット20は停止している。

これにより、制御部70は、循環ポンプ39を駆動して、温水循環路31内の水を循環させるとともに(ステップST7)、析出用ヒータ58および補助ヒータ装置32への通電を開始し、温水循環路31内の循環水を加熱する(ステップST8)。

制御部70は、図示しない温度センサを介してカルシウム除去装置50の継手管51内を流れる循環水の水温を監視し、その水温が60℃未満で予め設定されている所定温度(例えば50℃)となったと判断すると(ステップST9)、補助用ヒータ装置32の電源をオフとし、析出用ヒータ58への通電を継続する(ステップST10)。

継手管51内を流れる循環水の水温が60℃以上になると、循環水に含まれているカルシウム成分(炭酸水素カルシウム:Ca(HCO₃)₂)が析出用ヒータ58の表面に炭酸カルシウム(CaCO₃)として析出し始める。

そこで、制御部70は、継手管51内を流れる循環水の水温が60℃に達したと判断すると(ステップST11)、図示しないタイマーを起動して、所定の設定時間(例えば30分)になるまで析出用ヒータ58への通電を継続する(ステップST12)。この通電時間の設定は、循環水の水量や水質等に応じて適宜決められてよい。

上記ステップST12での判定がYESで、所定の設定時間が経過すると、制御部70は、循環ポンプ39と析出用ヒータ58への通電をともにオフとして(ステップST13)、一連のカルシウム除去工程を終える。

このカルシウム除去工程は、例えばメンテナンスなどの際に、循環水を入れ替えた際にも、同様にして本運転開始前に行われる。

なお、上記実施形態では、補助用ヒータ装置32とメッシュスクリーン55との双方に通電して、循環水の水温を析出温度域よりも低い60℃未満の所定温度まで加熱しているが、当初からメッシュスクリーン55のみに通電して、循環水を60℃以上に加熱するようにしてもよい。このような態様も本発明に含まれる。また、循環水を60°未満の所定温度まで昇温させるためにヒートポンプユニット20を運転してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、ユーザによる本運転の開始前にカルシウム除去手段を用いて水に含まれるカルシウムを析出させて除去することにより、本運転時に温水ユニット30内の熱交換器60と補助ヒータ装置32においてカルシウムが析出して熱効率が低下することが防止できる。

10 温水暖房装置 20 ヒートポンプユニット 21 圧縮機 22 凝縮器 23 膨張弁 24 蒸発器 30 温水ユニット 31 温水循環路 32 補助ヒータ装置 33 空気抜き弁 34 ストレーナ 35 圧力計 36 膨張タンク 37 給排水弁 38 圧力安全弁 39 循環ポンプ 40 暖房ユニット 41 放熱回路 42 暖房端末 50 カルシウム除去装置 51 継手管部 52 加熱ユニット 53,54 配管接続口 55 ユニット装着部 56 基部 57 フィルタ部 58 析出用ヒータ 60 熱交換器 70 制御部