JP5597723B2

JP5597723B2 - 水加熱器

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Publication number: JP5597723B2
Application number: JP2012546646A
Authority: JP
Inventors: 禎司齊藤; 一普宮; 誠司古川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: WO2012073380A1; JPWO2012073380A1

Description

この発明は、水加熱器内の流路へのスケールの析出を抑制するスケール析出抑制方法及びこの方法を用いた水加熱器に関する。

浴室や台所に温水を供給する給湯器は、電気給湯器、ガス給湯器（ガスボイラー）、石油給湯器などに大別される。これらの給湯器は、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。電気給湯器の中でも、最近特に、省エネや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。その原理は、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温まで戻す繰り返し（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。しかし、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。

熱交換器は水に対して熱を伝えるために、伝熱面を常に清浄な状態に保つことが非常に重要である。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、最悪の場合には流路の閉塞を招く。特に、スケール（硬度成分、硫酸塩、ケイ酸成分、金属イオンなどを含む結晶状の生成物）成分を含む水を給湯器などの冷熱機器へ供給すると、スケールが熱交換器表面や給湯タンクまたは配管内に付着し、熱交換効率の低下や流路を閉塞させるなどの課題があった。

これらの課題を解決する様々な方法が検討されている。その例として、特許文献１（特開平６−２９４７）や特許文献２（特開２００３−１１７５８８）を説明する。

特許文献１では、熱水器の給水源から被加熱部に至る範囲内に、その範囲内の水を振動させる超音波装置が少なくとも一箇所設けられている。供給源から供給される水がその範囲内で振動して脱気されるため、被加熱容器内における部分的な沸騰が防止され、その部分の損傷による熱水の漏れやスケールの付着を抑制できる。また、超音波振動発振器は被加熱部を構成する金属筒の外側に密着固定されているため、その振動が金属表面にも伝達され、被加熱部に析出し付着したスケールを剥離除去することができる。

次に、特許文献２では、循環冷却水系の冷却水に超音波を伝達し、炭酸カルシウム粒子及び／又はシリカゲル粒子と接触させることにより、冷却水中のスケール成分を炭酸カルシウム又はシリカゲル粒子の表面に析出させて除去することで、冷却塔ピットにおける冷却系熱交換器のスケール付着を防止できる。

特開平６−２９４７号公報特開２００３−１１７５８８号公報

（１）しかしながら、特許文献１では、供給源から供給される水を超音波で脱気し沸騰を防止しているが、水中に溶存している炭酸ガスも脱気される。溶存していた炭酸ガスが脱気されると、水中に硬度成分として溶解していた炭酸カルシウムの溶解度が下がるため、炭酸カルシウム（スケール）が析出してしまう。すなわち、超音波による脱気は、スケールの析出を促進させてしまう。析出したスケール粒子は、水中を浮遊したり被加熱部の金属表面に付着する。付着したスケール粒子は超音波によって剥離除去もされるが、そのまま残留したり、剥がれても再付着したりする粒子もあるため課題となる。
（２）また、超音波の使用周波数が記載されていないが、水中の脱気を行うにはキャビテーションが発生する低周波を使用していると推測される。キャビテーションの発生は、被加熱部の金属表面を損傷させてしまうという課題もある。
（３）さらに、超音波振動発振器が、被加熱部を構成する金属筒の外側に水流方向と振動方向が垂直になるように固定されているため、振動の減衰が激しく、被加熱部全体の付着物を剥離除去するには困難である。これを解決するために超音波振動発振器を複数設置するのは、コストアップになり、超音波の出力を上げる方法は被加熱部の金属表面をさらに損傷させてしまうという課題が生じる。

次に、特許文献２でも、冷却水に超音波を伝達させることで、炭酸カルシウム又はシリカゲル粒子の表面でスケールの析出を促進させている。析出したスケール粒子は、冷却塔ピットに戻る配管や冷却ピットにおける冷却系熱交換器に付着してしまう課題がある。特許文献１とは異なり、超音波発振器は配管内に設置してあるが、特許文献１と同様に、水流方向と振動方向が垂直に設置してあるため、振動の減衰は大きくなってしまうという課題がある。

以上のように、特許文献１または２では、超音波を用いることでスケールの析出を促進させており、析出したスケールは壁面などに付着したり、または剥離除去されても再付着してしまう課題があった。また、使用周波数帯域は、キャビテーションの発生する低周波数を使用しており、かつ超音波発振器の振動方向は水流方向と垂直方向のため振動の減衰が大きく、超音波の効果を上げるために出力をあげると配管などを損傷させてしまう課題があった。

本発明は、水加熱器の昇温部全体でスケールの析出を抑制することで、スケールの付着を確実に防止し、かつ昇温部の損傷を防止する水加熱器を提供することを目的とする。

この発明のスケール析出抑制方法は、
流入口と流出口とを有する流路であって、前記流入口から流入した水を通過中に昇温し、昇温した水を前記流出口から流出する流路である昇温流路へのスケールの付着を抑制するスケール付着抑制方法において、
前記昇温流路を流れる昇温中の水の内部にあってキャビテーションが発生しない所定の周波数の超音波を発振する振動部によって、前記昇温流路を流れる前記昇温中の水を振動させることを特徴とする。

本発明によれば、水加熱器における被加熱水の流路範囲において、スケールの付着と流路の損傷を防止することができる。これにより、水加熱器の熱交換率の低下を防ぐと共に、長寿命な水加熱器を提供できる。

実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００−１の構成図。実施の形態１における超音波発振器２００ａの構成図。実施の形態１における超音波発振器２００ａの正面図、側面図、上面図。実施の形態１における超音波振動子２１０の上面図と正面図。実施の形態１における超音波発振器２００ｂの構成図。実施の形態１における超音波発振器２００ｂの正面図、側面図、上面図。実施の形態１における超音波発振器２００ｃの構成図。実施の形態１における実験１の構成図。実施の形態１におけるスケール析出抑制方法の実験結果を示す図。実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００−２の構成図。実施の形態２における超音波発振器２００ａ内の被加熱水１８０の流れを示す図。実施の形態３におけるヒートポンプ装置１００−３の構成図。実施の形態４における超音波発振器２００ｃが取り付けられたプレート式熱交換器１２０Ｐの側面図。実施の形態４における超音波発振器２００ｃが取り付けられたプレート式熱交換器１２０Ｐの正面図。実施の形態４における超音波発振器２００ｃが被加熱水流路出口１２に取り付けられたプレート式熱交換器１２０Ｐの側面図。実施の形態５におけるヒートポンプ装置１００−５の構成図。実施の形態６におけるヒートポンプ装置１００−６の構成図。

実施の形態１．
以下、実施の形態１における水加熱器の構成と動作について、図１を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態１のヒートポンプ装置１００−１を示す。ヒートポンプ装置１００−１では、水加熱器として、水−冷媒用熱交換器１２０を用いる。まず、ヒートポンプ装置１００−１の構成について説明する。なお以下の実施の形態１〜６では、超音波発振器２００ａ、２００ｂ、２００ｃを説明する。これらを区別する必要がある場合には、アルファベットを添えて「超音波発振器２００ａ」のように表記する。また、超音波発振器２００ａ、２００ｂ、２００ｃを区別する必要がない場合や、すべてに当てはまる場合には、「超音波発振器２００」というようにアルファベットは省略する。

図１に示すように、ヒートポンプ装置１００−１は、冷媒を圧縮する圧縮機１１０と、水−冷媒用熱交換器１２０と、膨張弁などの減圧器１３０と、空気−冷媒用熱交換器１４０と、空気−冷媒用熱交換器１４０に送風する送風機１４１とを備える。さらに、ヒートポンプ装置１００−１は、超音波発振器２００ａと、超音波発振器２００ａを制御する超音波制御器３００とを備えている。

圧縮機１１０、水−冷媒用熱交換器１２０、減圧器１３０、及び空気−冷媒用熱交換器１４０は、この順番で冷媒用流路１０１に接続されている。冷媒用流路１０１内には、冷媒が循環している。冷液の種類は様々あるが、例えば冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ_２）が充填されている。水−冷媒用熱交換器１２０は、冷媒が流れる冷媒流路１２０ｅと、被加熱水が流れる昇温流路１２０ｄとを備えている。冷媒用流路１０１は、水−冷媒用熱交換器１２０の昇温部１２０ｃでは、昇温流路１２０ｄを流れる被加熱水と熱交換する冷媒流路１２０ｅとなっている。水−冷媒用熱交換器１２０には、冷媒用流路１０１の他に被加熱水用流路５０１も接続されている。被加熱水用流路５０１は、例えば給湯タンクに接続されている。被加熱水用流路５０１は、水−冷媒用熱交換器１２０の昇温部１２０ｃでは、冷媒流路１２０ｅを流れる冷媒と熱交換する被加熱水が流れる昇温流路１２０ｄとなっている。水−冷媒用熱交換器１２０の流入口１２０ａには、超音波発振器２００ａが接続されている。超音波発振器２００ａには、超音波発振器２００ａを制御する超音波制御器３００が接続されている。

次に、図１を参照して、ヒートポンプ装置１００−１の動作について説明する。空気−冷媒用熱交換器１４０では、冷媒が送風機１４１からの送風で大気の熱を吸収する。大気の熱を吸収した冷媒は、圧縮機１１０で圧縮される。圧縮機１１０で圧縮され高温、高圧になった冷媒は、水−冷媒用熱交換器１２０の昇温部１２０ｃの冷媒流路１２０ｅを流れる際に、伝熱面を介して、水−冷媒用熱交換器１２０の昇温部１２０ｃの昇温流路１２０ｄを流れる被加熱水と熱交換する。昇温部１２０ｃで加熱された被加熱水は、流出口１２０ｂから被加熱水用流路５０１を経て貯湯タンク（図示していない）に送られる。熱交換により温度が低下した冷媒は、減圧器１３０で減圧されて低圧になった後、再度、空気−冷媒用熱交換器１４０に送られる。これらの動作（冷熱サイクル）がヒートポンプ装置１００−１の運転中、繰り返される。

ここで、スケール成分（硬度成分：炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３））を含む被加熱水中では、下記（１）式のような溶解平衡が保たれている。しかし、被加熱水が加熱されると、炭酸ガス（ＣＯ_２）の溶解度が下がり、溶存していた炭酸ガスが脱気されるため、（１）式で示した溶解平衡が右辺にずれ、スケール（炭酸カルシウム）が析出する。
Ｃａ（ＨＣＯ_３）２⇔ＣａＣＯ_３↓＋ＣＯ_２↑＋Ｈ_２Ｏ・・・式（１）
これにより、水−冷媒用熱交換器１２０では、スケール成分を含む被加熱水が昇温部１２０ｃの伝熱面で加熱されると、その伝熱面（昇温流路１２０ｄの内部表面）からスケールが析出し、伝熱面に付着する。

次に、昇温部の伝熱面（昇温流路１２０ｄの内部表面）にスケールが析出する理由について説明する。上述したように、スケール成分を含む水に熱などのエネルギーを加えた場合、そのエネルギーがある閾値（臨界核生成エネルギー）を超えると、（１）式の溶解平衡が右辺にずれ、炭酸カルシウムが析出する。すなわち結晶核が生成する。結晶核の生成では、液相と接触する面積が小さいほうがエネルギー的に有利（安定）である。このため、結晶核は、例えば異物や壁面等の固液界面があると、固液界面に接するように微小なスケール核として形成される。このようなメカニズムにより、水−冷媒用熱交換器１２０の昇温部１２０ｃ（昇温流路１２０ｄの内部表面）にスケール核が形成され、成長する。

（スケール析出抑制方法）
発明者は、以下の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を有するスケール析出抑制方法により、スケール析出を抑制できることを見いだした。
（Ａ）水−冷媒用熱交換器１２０における昇温流路１２０ｄの範囲（流入口１２０ａ付近及び流出口１２０ｂ付近を含む）に、キャビテーションが発生しない周波数を発振する超音波振動子の振動部を設置する。
（Ｂ）振動部は、被加熱水の水中に設置される。
（Ｃ）振動部が設置された空間（後述の超音波振動子−流路接続ユニット２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃに形成された流路）に、振動部の振動方向と略同じ速度成分を持つ被加熱水が流れる流路を接続する。
以上の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）によって、スケールの析出を抑制し、スケールの付着を防止することができる。また、昇温部１２０ｃの損傷も防止することができる。
なお、スケール析出抑制方法としては、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のすべてを満たすことが好適であるが、（Ａ）だけでもよいし、（Ａ）と（Ｂ）だけでも良いし、（Ａ）と（Ｃ）だけでもよい。最低限、（Ａ）を採用することで、スケールの析出を抑制し、スケールの付着を防止する効果を得ることができる。

（スケール析出抑制方法の原理）
次に、実施の形態１のスケール析出抑制方法の原理を説明する。
（１）上述したように、水−冷媒用熱交換器１２０によって、スケール成分（硬度成分）を含む被加熱水を昇温していくと、被加熱水のバルクよりも温度の高い昇温部１２０ｃの伝熱面（固液界面、昇温流路１２０ｄの内部表面）に、まずは微小な結晶核が形成される。スケール成分（硬度成分）を含む被加熱水が加熱された場合、伝熱面でのスケール核の発生を防止するのは非常に難しい。
（２）しかし、発明者は、「生成したスケール核を微小な結晶状態のときに除去し、昇温部１２０ｃの伝熱面（昇温流路１２０ｄの内部表面）よりも温度の低い被加熱水のバルクで再溶解させるとすれば、見かけ上スケール成分（硬度成分）の濃度は下がらず、スケールの析出を抑制できる」との新しい発想を得た。
（３）この発想を実現する方法として、キャビテーションによりスケールの析出を促進させてしまう低周波の超音波ではなく、キャビテーションが被加熱水に発生しない高周波の超音波を使用する方法が良いことを見出した。
（Ａ）すなわち、高周波の超音波を用いることによって、キャビテーションを発生させずに振動（共振）により微小なスケール核を固液界面から剥離除去し、剥離除去した微小なスケール核を被加熱水のバルクに再溶解させる。
（Ｂ）そして、その振動子の振動部は、水中に設置する。
（Ｃ）そして、振動部が設置された部屋（空間）には、振動方向と同じ速度成分を持つ被加熱水の流れる流路を接続する。
以上の（Ａ）〜（Ｃ）により、昇温部１２０ｃの昇温流路１２０ｄの範囲全体でスケールの析出抑制と、スケールの付着防止とが可能であり、かつ流路の損傷も防止できることを新たに見出した。

（スケール析出抑制方法の特徴点）
以上に説明したスケール析出抑制方法の特徴点をまとめると以下の様である。
（Ａ）キャビテーションの発生しない周波数
高周波の超音波の周波数は、昇温流路１２０ｄを流れる被加熱水にキャビテーションの発生しない１００ｋＨｚ以上が好ましく、さらに好ましくは、メガヘルツ周波数帯域の周波数（１ＭＨｚ以上）がよい。
（Ｂ）振動部の設置位置
超音波を発する振動部の設置場所は、水加熱器における昇温部の被加熱水用流路（昇温流路）の範囲（昇温流路への流入口の付近、及び昇温流路の流出口の付近を含む）がよい。また、振動部を被加熱水用流路の外側に設置してもよいが、好ましくは、被加熱水用流路５０１を流れる被加熱水の水中となるように設置するのがよい。
（Ｃ）振動部の振動方向と水流の速度成分
また、振動部が設置された空間には、振動部の振動方向と同じ速度成分を持つ被加熱水が流れる流路が接続される。これについては、以下の各実施の形態で後述する。

（超音波発振器２００ａ）
図２は超音波発振器２００ａの構成を示す図（正面図）である。
図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、超音波発振器２００ａの正面図、側面図、上面図である。図２に示すように、超音波発振器２００ａは、超音波振動子２１０と、被加熱水用流路５０１ａ−１と被加熱水用流路５０１ａ−２とを接続する流路２２１ａが形成された超音波振動子−流路接続ユニット２２０ａと、接続継ぎ手２３０−１、２３０−２とから構成されている。超音波振動子２１０は、キャビテーションの発生しない周波数を発振するものであれば、どのようなものでもよい。例えば、超音波振動子２１０として、１．６ＭＨｚの周波数を発振できる、本田電子製の超音波装置ＨＭ−１６３０を用いることができる。

（超音波振動子２１０）
図４は、超音波振動子２１０の外観構成である。図４の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、上面図、正面図である。超音波振動子２１０は、振動部２１１と、パッキン２１２と、支持台２１３から構成されている。支持台２１３には固定穴２１４が形成されている。

図２において、超音波振動子２１０と超音波振動子−流路接続ユニット２２０ａとは、固定穴２１４に通されたネジによって固定される。図２に示すように、超音波発振器２００ａでは、被加熱水用流路５０１ａ−１、５０１ａ−２とは、接続継ぎ手２３０−１、２３０−２で流路２２１ａに連結される。図２に示す超音波発振器２００ａは、被加熱水用流路５０１が９０°程度に曲がった箇所、例えば、昇温流路１２０ｄの流入口１２０ａや流出口１２０ｂ、または昇温流路１２０ｄの中間部に設置される。

（超音波発振器２００ｂ）
図５は、超音波発振器２００ｂの外観構成を示す。
図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、超音波発振器２００ｂの正面図、側面図、上面図である。超音波発振器２００ｂは、図２の超音波発振器２００ａに対して、超音波振動子−流路接続ユニットの流路形状が異なる。超音波振動子−流路接続ユニット２２０ａはＬ字形状の流路２２１ａの流路を持つのに対して、超音波発振器２００ｂの超音波振動子−流路接続ユニット２２０ｂは、Ｕ字形状の流路２２１ｂを持つ。超音波発振器２００ｂは、超音波振動子２１０と、被加熱水用流路１２０ｄ−１と被加熱水用流路１２０ｄ−２とを接続する超音波振動子−流路接続ユニット２２０ｂと、接続継ぎ手２３０−１、２３０−２とから構成されている。超音波発振器２００ｂは、昇温部の中間部によくある、Ｕ字流路に設置（連結）される。

（超音波発振器２００ｃ）
図７は、超音波発振器２００ｃの外観構成を示す。超音波発振器２００ｃは、超音波振動子２１０ｃと、超音波振動子−流路接続ユニット２２０ｃと、接続継ぎ手２３０−１、２３０−２と、から構成される。超音波振動子−流路接続ユニット２２０ｃには、Ｌ字形状の流路２２１ｃが形成されている。図７において、超音波振動子−流路接続ユニット２２０ｃでは、Ｘ方向から被加熱水が流入し、Ｙ方向に流出する。超音波発振器２００ｃは、プレート型熱交換器のように、内部において昇温流路１２０ｄが何層にも分岐し、しかも昇温流路１２０ｄが狭い熱交換器に好適である。なお、超音波発振器２００ｃの使用例は、実施の形態４で後述する。図７のように、超音波振動子２１０ｃは、振動部突起物２１１ｃ−１が形成された棒状の振動部２１１ｃもつ。実施の形態４で後述するように、プレート式熱交換器の被加熱水の流入口または流出口に超音波発振器２００ｃを連結する。その場合、振動部２１１ｃの振動部突起物２１１ｃ−１が、プレート式熱交換器の内部の昇温流路の範囲内に入るように連結する。図７において、振動部突起物２１１ｃ−１の先端は、上下方向（突起方向）が振動方向２１１ｃ−２である。

図２、図５、図７に示したような形状の、超音波発振器２００ａ、２００ｂ、２００ｃであれば、様々な水加熱器、例えば、水−冷媒用熱交換器、水−水用熱交換器、あるいはガスボイラーなどにも適用できる。また、熱交換器にも様々な形状があるが、例えば特開２００８−２４９１６３号公報、特開２００５−００３２０９号公報、特開２００８−０７５８９８号公報、特開２００４−０８５１７２号公報や特開平６−２９４７号公報における昇温部の被加熱水の流路範囲にも設置することができる。

（冷媒流路への超音波発振器の設置）
以上の説明では、超音波発振器２００ａ〜２００ｃ等は、被加熱水用流路に設置したが、加えて、超音波発振器２００ａ〜２００ｃ等は、昇温部の冷媒流路１２０ｅの範囲（冷媒流路１２０ｅの流入口付近及び流出口付近を含む）に設置してもよい。冷媒流路１２０ｅ範囲への超音波発振器２００の設置は、一つでもよいし複数でもよい。これにより、冷媒流路１２０ｅからも伝熱面を介して昇温流路１２０ｄに振動を伝えるので、スケール析出をさらに抑制できる。超音波発振器２００の冷媒流路１２０ｅへの設置については、実施の形態６で述べる。

図８は、実施の形態１の実験１を実験装置を説明する図である。次に図８を参照して実施の形態１の実験１を説明する。以下の説明では、単位「Ｌ」はリットル（１Ｌ＝１×１０^−３ｍ^３）を示す。

（実験１）
（１）実験には実機の熱交換器（水−冷媒用熱交換器１２０）を使用した。
（２）被加熱水には、一般試薬で調製した模擬高硬度水（初期水質：硬度１００ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ以上、Ｍアルカリ度１４０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ以上、ｐＨ７．５）を用いた。
（３）被加熱水を６０Ｌのステンレス容器１５０に入れ、水−冷媒用熱交換器１２０の被加熱水用流路５０１をポンプ１６０で循環させた。
（４）なお、水−冷媒用熱交換器１２０で加熱された被加熱水は、水−冷媒用熱交換器１２０を出た後に冷却器１７０で冷やしてからステンレス容器１５０に返送した。
（５）超音波発振器は、図２の超音波発振器２００ａを用いた。超音波発振器２００ａは、昇温部の流入口１２０ａに設置した。このように設置することで、図２のように、被加熱水１８０は、振動部２１１の横（被加熱水用流路５０１ａ−２）から流入し、被加熱水用流路５０１ａ−１から振動部２１１の振動方向２１１−１と略同じ方向に流出する。図２において、被加熱水用流路５０１ａ−１へ流出した被加熱水１８０は、昇温流路１２０ｄに流れ込む。このように、振動部２１１は、流入口１２０ａの付近に設置される。そして、振動部２１１の設置位置の近傍には、振動部２１１の振動方向２１１−１と略同じ速度成分を持つ被加熱水が流れる被加熱水用流路５０１ａ−１が形成されている。被加熱水用流路５０１ａ−１は、昇温流路１２０ｄに接続する。図２において、振動部２１１は、被加熱水１８０が昇温流路１２０ｄを流れるときには、すなわち、被加熱水１８０が流路２２１ａを流れるときには、流路２２１ａを流れる被加熱水１８０の水中に沈む位置に設置されている。すなわち、超音波振動子−流路接続ユニット２２０ａには、振動部２１１がはまるように穴２２０ａ−１が形成されている。パッキン２１２は、穴２２０ａ−１からの水漏れを防止する。超音波振動子２１０としては、キャビテーションの発生しない周波数１．６ＭＨｚを発振できる、超音波装置ＨＭ−１６３０（本田電子製）を使用した。
（６）キャビテーションが発生する超音波振動子として、低周波数４０ｋＨｚを発振できるＷ２００５−４０（日本ヒューチャアー製）を、超音波発振器２００ａの超音波振動子２１０の代わりに用いた。なお、Ｗ２００５−４０の超音波振動子の振動部は、設置可能に加工した。
（７）図８に示す実験装置で、水−冷媒用熱交換器１２０の被加熱水の流出口１２０ｂの温度が８０℃になるように、水流速０．２３ｍ／ｓで２４時間循環させた。
（８）スケール析出量は、処理前後の模擬高硬度水のカルシウムイオン量の変化分から算出した。
（９）水−冷媒用熱交換器１２０の昇温流路１２０ｄ内に付着したスケール付着量は、実験終了後に、水−冷媒用熱交換器１２０を取り外し、高濃度に調整した炭酸水溶液を昇温流路１２０ｄを循環させて、付着したスケールを炭酸水溶液内に溶解させた。そして、その溶解したカルシウムイオン量を分析した。カルシウムイオン量は、高速液体クロマトグラフィ分析装置を使って測定した。

図９は、超音波振動の有無およびキャビテーションの有無で実験したときのスケール析出量とスケール付着量とを示す。棒グラフはスケール析出量（左側の縦軸）を示し、折れ線グラフはスケール付着量（右側の縦軸）を示す。超音波無（周波数０ｋＨｚ）と、キャビテーションを発生させる超音波有（周波数４０ｋＨｚ）との結果を比較すると、次の様である。キャビテーションを発生させている超音波有（周波数４０ｋＨｚ）は、超音波無に比べ、スケール付着量が約２／３までしか減少せず、逆にスケール析出量は約１．５倍増加した。これより、キャビテーション有の超音波処理では、スケールの析出を促進しているため、その析出物が伝熱面に残留したり流路の後段で再付着してしまい、結果としてスケールを剥離除去する効果を低減させていると考えられた。一方、キャビテーションが発生しない超音波有（周波数１．６ＭＨｚ）は、超音波無と比較すると、スケールの析出量は１／２以下に減少し、スケール付着量は１／１０以下に減少した。これより、キャビテーションを発生しない超音波処理（周波数１．６ＭＨｚ）によって、伝熱面でのスケールの析出を抑制し、スケールの付着を抑制できた。また、処理後の被加熱水の流路内も壊食等の腐食や超音波による損傷は見られなかった。

以上のように、水加熱器における昇温流路１２０ｄの流入口１２０ａの付近に、キャビテーションが発生しない周波数を発振する超音波振動子の振動部を、被加熱水が流れる場合に、水中になるように設置した。そして、その振動部が設置された空間（超音波振動子−流路接続ユニット２２０ａに形成された流路２２１ａ）に、振動部の振動方向２１１−１と同じ速度成分を持つ被加熱水１８０が流れる被加熱水用流路５０１ａ−１を接続した。これにより、昇温流路１２０ｄ内部でのスケール析出を抑制し、スケールの付着と昇温流路１２０ｄの損傷を防止することができる。そして、スケール付着と流路の損傷を防止することで熱交換率の低下を防ぎ、長寿命な水加熱器を提供できる。

また、例えば、特開２００８−２４９１６３号公報、特開２００５−００３２０９号公報、特開２００８−０７５８９８号公報および特開２００４−０８５１７２号公報に記載されている熱交換器や、特開平６−２９４７号公報に記載のガスボイラー式熱交換器等の水加熱器の入口部に、本実施の形態１と同じように超音波発振器２００を設置しても同様の効果が得られる。

実施の形態２．
図１０、図１１を参照して実施の形態２のヒートポンプ装置１１０−２を説明する。
図１０は、実施の形態２のヒートポンプ装置１１０−２の構成を示す図である。
図１１は、ヒートポンプ装置１１０−２で使用される超音波発振器２００ａにおける被加熱水１８０の流れを示す図である。図１１は図２の超音波発振器２００ａであるが、図２に対して被加熱水１８０の流れる方向が反対である。実施の形態２は、実施の形態１の図１に対して、超音波発振器２００ａを水−冷媒用熱交換器１２０の流出口１２０ｂ付近に設置した。また、超音波発振器２００ａを冷却するため、集風口４１０、通風路４３０及び送風口４２０からなる除熱機構を設けた点が図１と異なる。

図１０に使用される超音波発振器２００ａでは、図１１に示すように、被加熱水１８０は被加熱水用流路５０１ａ−１を振動部２１１に向かって流入し、被加熱水用流路５０１ａ−２から流出する。被加熱水１８０が流入する被加熱水用流路５０１ａ−１の先には、図１０に示すように、昇温流路１２０ｄがある。つまり、図１１の超音波振動子−流路接続ユニット２２０ａの流路２２１ａには、昇温流路１２０ｄからの被加熱水１８０が流入する。この示すように、振動部２１１は、流出口１２０ｂの付近に設置される。そして、図１１に示すように、振動部２１１の設置位置の近傍には、振動部２１１の振動方向２１１−１と略同じ速度成分を持つ水が流れる被加熱水用流路５０１ａ−１が形成されている。被加熱水用流路５０１ａ−１は、昇温流路１２０ｄに接続する。図１１において、振動部２１１は、被加熱水１８０が昇温流路１２０ｄを流れるときには、すなわち、被加熱水１８０が流路２２１ａを流れるときには、流路２２１ａを流れる被加熱水１８０の水中に沈む位置に設置されている。

図１０において、昇温流路１２０ｄの流出口１２０ｂの被加熱水は、出湯温度以上に昇温されるが、超音波振動子には、高温に弱い素子や部品が含まれる。よって、超音波振動子の故障を防ぐために、除熱する必要がある。そこで、空気−冷媒用熱交換器１４０の送風機１４１からの風の一部を集風口４１０で集め、通風路４３０を介して送風口４２０から超音波発振器２００ａに送風し除熱する。超音波発振器２００ａを流出口１２０ｂに設置したこと、及び除熱機構を設けたこと以外は、実施の形態１の「実験１」と同じ条件で試験した。その結果、超音波発振器２００ａを昇温流路１２０ｄの流出口１２０ｂに設置しても、実施の形態１の実験１とほぼ同様に、スケール析出抑制効果およびスケール付着防止効果を得ることができた。また、被加熱水用流路の損傷も防止できた。

これより、実施の形態２でも、スケール析出を抑制し、スケール付着と流路の損傷とを防止することで熱交換率の低下を防ぐことができる、長寿命な水加熱器を提供できる。また、例えば、特開２００８−２４９１６３号公報、特開２００５−００３２０９号公報、特開２００８−０７５８９８号公報および特開２００４−０８５１７２号公報に記載されている熱交換器や、特開平６−２９４７号公報に記載のガスボイラー式熱交換器等の水加熱器の被加熱水用流路（昇温流路）の出口部に、本実施の形態２と同じように超音波発振器２００ａを設置しても同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図１２は、ヒートポンプ装置１１０−３の構成を示す図である。図１２を参照して実施の形態３のヒートポンプ装置１００−３を説明する。実施の形態３は、実施の形態１の図１に対して、超音波発振器２００ｂを水−冷媒用熱交換器１２０の昇温流路１２０ｄの中間位置（途中）に設置した構成である。また、実施の形態２と同様に、超音波発振器２００ｂを冷却する除熱機構（集風口４１０、通風路４３０及び送風口４２０）を設けた。これら以外は図１と同じである。

実施の形態３の実験で用いた被加熱水用流路（昇温流路１２０ｄ）の中間位置はＵ字の流路であったので、超音波発振器２００ｂをＵ字流路に設置（連結）した。図５に示す被加熱水１８０の流れは、ヒートポンプ装置１１０−３の場合に相当する。すなわち図５に示すように、図１２では、昇温流路１２０ｄの一部をなす昇温流路１２０ｄ−２を流れる被加熱水１８０は、超音波振動子−流路接続ユニット２２０ｂに形成された流路２２１ｂに流入し、昇温流路１２０ｄの一部をなす昇温流路１２０ｄ−１に流出する。図５、図１２に示すように、振動部２１１は、昇温流路１２０ｄの途中に設置される。そして、図５に示すように、振動部２１１の設置位置の近傍には、振動部２１１の振動方向２１１−１と略同じ速度成分を持つ水が流れる昇温流路１２０ｄ−１と昇温流路１２０ｄ−２とが形成されている。昇温流路１２０ｄ−１と昇温流路１２０ｄ−２とは、昇温流路１２０ｄの一部をなす。図５において、図２の超音波発振器２００ａと同様に、振動部２１１は、被加熱水１８０が昇温流路１２０ｄを流れるときには、すなわち、被加熱水１８０が流路２２１ｂを流れるときには、流路２２１ｂを流れる被加熱水１８０の水中に沈む位置に設置されている。超音波振動子−流路接続ユニット２２０ｂへの超音波振動子２１０の取り付け方法も、超音波発振器２００ａと同じである。

また、超音波発振器２００ｂの故障を防ぐため、実施の形態２と同様の除熱機構によって、空気−冷媒用熱交換器１４０の送風機１４１からの風の一部を、超音波発振器２００ｂに送風する。これらの条件以外は、実施の形態１と同じ条件で試験した。その結果、超音波発振器２００ｂを被加熱水用流路（昇温流路１２０ｄ）の中間位置に設置しても、実施の形態１とほぼ同様にスケールの析出抑制および付着防止効果を得ることができた。また、被加熱水用流路の損傷も防止できた。なお、本実施の形態３では、超音波発振器２００ｂを昇温流路１２０ｄの中間位置に設置したが、超音波発振器２００ｂの設置位置は、昇温流路１２０ｄの範囲（流入口１２０ａの付近、及び流出口１２０ｂの付近を含む）であれば、同様の効果が得られる。これより、本実施の形態３でも、スケール析出を抑制しスケールの付着と流路の損傷を防止することで、熱交換率の低下を防ぎ長寿命な水加熱器を提供できる。

また、例えば特開２００８−２４９１６３号公報、特開２００５−００３２０９号公報、特開２００８−０７５８９８号公報および特開２００４−０８５１７２号公報に記載されている熱交換器や、特開平６−２９４７号公報に記載のガスボイラー式熱交換器等の水加熱器の被加熱水用流路の中間部（昇温流路の中間部）に本実施の形態３と同じように、超音波発振器２００ｂを設置しても同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図１３、図１４、図１５を参照して実施の形態４のヒートポンプ装置１００−４を説明する。実施の形態４は、超音波発振器２００ｃを、水−冷媒用熱交換器１２０であるプレート式熱交換器１２０Ｐに使用する場合を示す。なお図１のようなヒートポンプ装置１００−４の構成は示していないが、ヒートポンプ装置１００−４は、図１の水−冷媒用熱交換器１２０がプレート式熱交換器１２０Ｐとなった構成である。

図１３は、超音波発振器２００ｃが設置された状態のプレート式熱交換器１２０Ｐの概略図（側面図に相当）である。図１３は、プレート式熱交換器１２０Ｐの内部の流路の様子を示している。プレート式熱交換器１２０Ｐでは、被加熱水の分岐流路１２２と、冷媒の分岐流路１２３とが交互に形成されている。プレート式熱交換器１２０Ｐの両側は、押え板１２１で押さえられる。
図１４は、プレート式熱交換器１２０Ｐの正面図である。プレート式熱交換器１２０Ｐでは、被加熱水は、被加熱水流路入口１２８から流入し、被加熱水流路出口１２５から流出する。冷媒は、冷媒流路入口１２６から流入し、冷媒流路出口１２７から流出する。超音波発振器２００ｃは、プレート式熱交換器１２０Ｐの被加熱水用流路５０１の被加熱水流路入口１２８に固定した。振動部突起物２１１Ｃ−１は、図１３のように、被加熱水の分岐流路１２２の中に位置するように設置した。また図１４のように、正面から見て、振動部突起物２１１Ｃ−１の先端が、左斜め上４５°方向（Ｚ方向）を向くように、超音波発振器２００ｃを設置した。

また、側面図である図１３でみると、振動部突起物２１１Ｃ−１の設置位置の近傍には、振動部突起物２１１Ｃ−１の振動方向２１１ｃ−２と略同じ速度成分を持つ被加熱水１８０が流れる被加熱水の分岐流路１２２が形成されている。被加熱水の分岐流路１２２を昇温流路の一部とみた場合に、振動部突起物２１１Ｃ−１（振動部）は、昇温流路の途中に設置されているといえる。すなわち、振動部突起物２１１Ｃ−１は、昇温流路の途中に設置され、振動部突起物２１１Ｃ−１の設置位置の近傍には、振動部突起物２１１Ｃ−１の振動方向と略同じ速度成分を持つ被加熱水１８０が流れる被加熱水の分岐流路１２２であって、昇温流路の一部をなす被加熱水の分岐流路１２２が形成されている。また図１３に示すように、振動部突起物２１１Ｃ−１は、被加熱水１８０が被加熱水の分岐流路１２２を流れるときには、被加熱水１８０の水中になる。さらに図７において、振動部２１０ｃは、振動部突起物２１１Ｃ−１の振動方向２１１ｃ−２に加え、図２の振動方向２１１−１と同様の振動方向２１１ｃ−３の振動を発生させることも可能である。振動方向２１１ｃ−３の振動を発生させた場合、流路２２１ｃを流れる被加熱水１８０と振動方向２１１ｃ−３との関係は図２と同様となる。すなわち、振動部は、プレート式熱交換器１２０Ｐの被加熱水流路入口１２８（流入口）の付近に設置される。そして、振動部の設置位置の近傍には、振動部の振動方向２１１ｃ−３と略同じ速度成分を持つ水が流れる流路１２２−１（図１３に示した）であって、昇温流路に接続する流路１２２−１が形成されている。

なお、本実施の形態４では、図１４のように、振動部突起物２１１Ｃ−１の先端が正面から見て左斜め上４５°を向くように固定したが、振動部突起物２１１Ｃ−１の先端方向はこれに限るものではない。被加熱水は被加熱水流路入口１２８から流入して被加熱水流路出口１２５に向かって流れるが、振動部突起物２１１Ｃ−１の先端方向は、被加熱水が流れる方向の方向成分を持てば、どの方向でもよい。これらの条件以外は、実施の形態１と同じ条件で試験した。その結果、実施の形態１とほぼ同様にスケールの析出抑制および付着防止効果を得ることができた。また、被加熱水用流路の損傷も防止できた。

図１５は、超音波発振器２００ｃが、プレート式熱交換器１２０Ｐの被加熱水流路出口１２５に設置された状態を示す図である。図１３では超音波発振器２００ｃを被加熱水用流路（昇温流路）の加熱水流路入口１２８（流入口）に設置したが、図１５のように、被加熱水用流路（昇温流路）の被加熱水流路出口１２５（流出口）に設置しても同様の効果が得られる。本実施の形態４でも、スケールの析出を抑制しスケールの付着と流路の損傷を防止することで、熱交換率の低下を防ぎ長寿命な水加熱器を提供できる。

また、例えば特開２００４−０８５１７２号公報に記載されているプレート式熱交換器の入口部または出口部に、本実施の形態４と同じように超音波発振器２００ｃを設置しても同様の効果が得られる。

実施の形態５．
図１６は、実施の形態５のヒートポンプ装置１００−５の構成図である。図１６を参照して実施の形態５のヒートポンプ装置１００−５を説明する。ヒートポンプ装置１００−５は、発振器に超音波発振器２００ａを用い、水加熱器に水−水用熱交換器１２０Ｗを用いる構成である。超音波発振器２００ａは、水−水用熱交換器１２０Ｗの昇温流路１２０ｄの流入口１２０ａに設置される。超音波発振器２００ａが、水−水用熱交換器１２０Ｗにおける昇温流路１２０ｄの流入口１２０ａに設置された以外は、実施の形態１と同じ条件で試験した。つまり実施の形態５における超音波発振器２００ａは、図２と同一の状態である。図２の場合と異なるのは、被加熱水１８０を加熱する熱媒体が、冷媒ではなく湯であることである。実施の形態５の実験の結果、実施の形態１とほぼ同様にスケールの析出抑制および付着防止効果を得ることができ、被加熱水用流路の損傷も防止できた。また、実施の形態２および実施の形態３のように、超音波発振器２００を昇温流路のどの位置に設置しても同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態４のように水−水用熱交換器がプレート式熱交換器１２０Ｐの場合でも、同じ効果を得ることができる。これより、本実施の形態５の場合もスケールの析出を抑制しスケールの付着と流路の損傷を防止することで、熱交換率の低下を防ぎ長寿命な水加熱器を提供できる。

実施の形態６．
図１７を参照して実施の形態６を説明する。実施の形態６は、実施の形態１に対して、さらに、水−冷媒用熱交換器１２０の冷媒流路１２０ｅの流入口１２０ｆ付近に超音波発振器２００ａを設置した。すなわち、流入口１２０ｆ付近に振動部２１１（第２の振動部）を設置した。この場合、図２において、被加熱水１８０の流れが冷媒（熱媒体の一例）の流れとなる。なお以下では、冷媒流路１２０ｅの流入口１２０ｆ付近に設置された発振器を、超音波発振器２００ａ（２）と表記する場合がある。

図１７に示すように、超音波発振器２００ａを、昇温流路１２０ｄの流入口１２０ａに設置すると共に、超音波発振器２００ａ（２）を、冷媒用流路１０１の流入口１２０ｆに設置した。超音波発振器２００ａ（２）は、実施の形態２と同一の除熱機構で冷却される。すなわち、空気−冷媒用熱交換器１４０の送風機１４１からの風の一部を集風口４１０で集め、通風路４３０を介して送風口４２０から、超音波発振器２００ａ（２）に送風する。これらの条件以外は、実施の形態１と同じ条件で試験した。

その結果、超音波発振器２００ａ（２）を冷媒流路１２０ｅの流入口１２０ｆに追加して設置することで、水−冷媒用熱交換器１２０の冷媒流路１２０ｅからも伝熱面を介して昇温流路１２０ｄに振動を伝える。これにより、微小なスケール核の剥離除去を補助できるため、実施の形態１と同等以上にスケールの析出抑制および付着防止効果を得ることができた。また、被加熱水用（昇温流路１２０ｄ）および冷媒用流路（冷媒流路１２０ｅ）の損傷も防止できた。これより、本実施の形態６の構成では、スケールの析出を抑制しスケール付着と流路の損傷を防止することで、熱交換率の低下を防ぎ長寿命な水加熱器を提供できる。

また、本実施の形態６では、超音波発振器２００ａを、昇温流路１２０ｄの流入口１２０ａと、冷媒流路１２０ｅの流入口１２０ｆに設置した。しかし、超音波発振器の種類、設置場所はこれに限るものではない。超音波発振器２００は、昇温流路１２０ｄの範囲（流入口１２０ａ付近及び流出口１２０ｂ付近を含む）と冷媒流路１２０ｅの範囲（流入口１２０ｆ付近および流出口１２０ｇ付近を含む）との両方に少なくとも各一つ設置されれば、本実施の形態６と同様の効果が得られる。また、本実施の形態６は、実施の形態１に対して冷媒流路１２０ｅ範囲に超音波発振器２００を追加する構成だけではなく、実施の形態２〜４の水加熱器の冷媒流路の範囲に、超音波発振器２００を追加しても同様の効果が得られる。さらに、実施の形態５でも、水循環閉流路５０２のうち水−水用熱交換器１２０Ｗ内部の熱交換部流路１２０ｈの範囲（熱交換部流路１２０ｈの流入口と流出口とを含む）に、少なくとも一つ超音波発振器２００を設置する。これによって、熱交換部流路１２０ｈを流れる高温水（熱媒体の一例）を振動させてもよい。この構成により、実施の形態５についても実施の形態６と同様の効果が得られる。

以上の実施の形態で説明したスケール析出抑制方法では、水加熱器における昇温部の被加熱水流路の範囲に、キャビテーションが発生しない周波数を発振する超音波振動子の振動部を設置した。また、その振動子の振動部は水中に設置した。さらに、振動部が設置された空間（流路２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ）に、振動部の振動方向と同じ速度成分を持つ流路を接続した。以上の実施の形態のスケール析出抑制方法（あるいはスケール析出抑制方法を適用した水加熱器）によれば、昇温部の被加熱水用流路範囲（昇温流路）にキャビテーションの発生しない高い周波数の振動を伝播させることで、昇温部の伝熱面に生成したスケール（硬度成分を含む結晶状の生成物）核を微小な状態のうちに除去することができる。除去されたスケール核は、非常に微小なため、液中に再溶解し見かけ上硬度濃度が下がらない。ことため、スケールの析出を抑制でき、結果としてスケールの付着を防止することができる。また、振動部が設置された空間に振動部の振動方向と同じ速度成分を持つ被加熱水が流れる被加熱水流路を接続することで、昇温部の被加熱水用流路範囲でスケールの析出を抑制し、スケールの付着を防止することができる。さらに、キャビテーションが発生しない周波数を発振する超音波振動子の振動部を水中に設置することで、スケールの析出を抑制し、付着を防止するとともに、流路の損傷も防止することができる。

１００−１，１００−２，１００−３，１００−４，１００−５，１００−６ヒートポンプ装置、１０１冷媒用流路、１１０圧縮機、１２０水−冷媒用熱交換器、１２０Ｗ水−水用熱交換器、１２０Ｐプレート式熱交換器、１２０ａ流入口、１２０ｂ流出口、１２０ｃ昇温部、１２０ｄ昇温流路、１２０ｅ冷媒流路、１２０ｆ流入口、１２０ｇ流出口、１２０ｈ熱交換部流路、１２１押え板、１２２被加熱水の分岐流路、１２３冷媒の分岐流路、１２４被加熱水流路入口、１２５被加熱水流路出口、１２６冷媒流路入口、１２７冷媒流路出口、１３０減圧器、１４０空気−冷媒用熱交換器、１４１送風機、１５０容器、１６０ポンプ、１７０冷却器、１８０被加熱水、２００ａ，２００ｂ，２００ｃ超音波発振器、２１０超音波振動子、２１１振動部、２１１−１振動方向、２１１ｃ振動部、２１１ｃ−１振動部突起物、２１１ｃ−２振動方向、２１２パッキン、２１３支持台、２１４固定穴、２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ超音波振動子−流路接続ユニット、２２１ａ，２２１ｂ，２２１Ｃ流路、２３０−１，２３０−２接続継ぎ手、３００超音波制御器、４１０集風口、４２０送風口、４３０通風路、５０１被加熱水用流路。

Claims

水を加熱する水加熱器において、
流入口と流出口とを有する流路であって、前記流入口から流入した水を通過中に昇温し、昇温した水を前記流出口から流出する流路である昇温流路を有する昇温部と、
前記昇温流路を流れる昇温中の水の内部にキャビテーションが発生しない所定の周波数の超音波を発振することにより、前記昇温流路を流れる水を振動させる振動部と、
９０°程度に曲がった後に前記昇温流路の前記流入口に接続する流路と
を備え、
前記振動部は、
前記流路の９０°程度に曲がった箇所に配置され、９０°程度に曲がった前記箇所から前記流入口に向かう方向を振動方向として振動することを特徴とする水加熱器。
水を加熱する水加熱器において、
流入口と流出口とを有する流路であって、前記流入口から流入した水を通過中に昇温し、昇温した水を前記流出口から流出する流路である昇温流路を有する昇温部と、
前記昇温流路を流れる昇温中の水の内部にキャビテーションが発生しない所定の周波数の超音波を発振することにより、前記昇温流路を流れる水を振動させる振動部と、
前記流出口から流出した水を９０°程度に曲げて流す流路と
を備え、
前記振動部は、
前記流路の９０°程度に曲がった箇所に配置され、前記流出口から９０°程度に曲がった前記箇所に向かう方向を振動方向として振動することを特徴とする水加熱器。
前記昇温部は、さらに、
前記昇温流路を流れる水と熱交換することにより前記昇温流路を流れる水を昇温する熱媒体が流れる熱媒体流路を有し、
前記水加熱器は、さらに、
前記熱媒体流路に設置された第２の振動部であって、前記昇温流路を流れる水の内部にキャビテーションが発生しない所定の周波数の超音波を発振することにより、前記昇温流路を流れる水を振動させる第２の振動部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の水加熱器。