JPH02306059A - 沸騰気泡ポンプヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、電気ヒータを用いた沸騰気泡ポンプヒータに
係り、特に貯湯容器と組み合わせるのに適したヒータに
関する。

（従来の技術） 周知のように、電気ヒータを熱源とする給湯器あるいは
湯沸し器には瞬間形と貯湯形とがある。

瞬間形は水道から送られてきた水を大容量の電気加熱部
で瞬時に加熱して出湯させるようにしたものであり、ま
た貯湯形は予め貯湯容器に温湯を蓄えておき、この温湯
を必要時に出湯させるようにしている。瞬間形では、通
常、５〜２０ｋｗと言った大容量の電気ヒータを使用し
ない限り充分な出湯量が得られない。このため、一般住
宅では専ら貯湯形が用いられている。

ところで、貯湯形の給湯器は、通常、第４図に示すよう
に、外面が断熱材１で覆われた貯湯容器２を設け、この
貯湯容器２内の下部にシース形の電気ヒータ３を配置し
たものとなっている。大型の給湯器では、貯湯容器２の
下部に給水管４を接続するとともに貯湯容器２の上部に
出湯口５を設け、この出湯口５を図示しない蛇口に接続
している。したがって、蛇口を開くと、給水管４から貯
湯容器２内の下部に水が供給され、この圧力で湯が出湯
口５を通って蛇口から出ることになる。このタイプでは
、通常、電気ヒータ３を図示しないタイマスイッチを介
して深夜電力で付勢し、深夜に貯湯容器２内に、たとえ
ば８５℃の温湯を蓄えるように構成されている。

このような深夜電力使用式の給湯器にあっては次のよう
な問題があった。すなわち、貯湯容器２の大きさは限ら
れているので、使用中に湯が無くなってしまう不便さが
ある。そのために、昼間電力で付勢できる電気ヒータ３
′を設けるようにした深夜電力給湯器も出現している。

しかし、電気ヒータ３′が貯湯容器２内の比較的上部に
配置されているので、電気ヒータ３より上部の水だけが
加熱されることになる。電気ヒータ３′が使われる時間
帯は屁間である。この時間帯では他の電力機器も使われ
るので、電気ヒータ３′の容量を大きくするには問題が
ある。このため、深夜電力用の電気ヒータ３の２〜４分
の１程度の容量の電気ヒータ３′が組み込まれるのが一
般的である。このような低容量の電気ヒータ３′では、
電源投入後、十分な温度の湯が供給できるまでに２〜４
時間かかるのが一般的で、湯が無くなってからヒータ電
源を投入したのでは役に立たないことになる。

そこで、最近では上述した不具合を解消できる給湯器、
つまり、貯湯容器内の水を上から任意の量だけ所定温度
に加熱できる温度層状性の保たれた給湯器を得ようとす
る試みや提案が幾つかなされている。もし、このような
給湯器が実現すれば、容量の小さな電気ヒータを用い、
通電を開始してから短時間に熱い湯の使用が可能で、し
かも必要な量だけ湯を蓄えることが可能となるはずであ
る。

第５図はそのような試みの１つを示している。すなわち
、この給湯器は、貯湯容器２内の底部と上部とを管路６
で接続するとともに管路６内に電気ヒータ７を装着し、
自然対流で管路６内に水を流し、加熱された温湯を貯湯
容器２内の上部に溜めるようにしている。

しかしながら、このように自然対流を利用したものにあ
っては、電気ヒータ７へ通電後、貯湯容器２内の各部温
度が第６図に示す傾向で上昇する。

このため、通電後、短時間で熱い湯を取り出すことは困
難であった。

また、第５図に示す管路６に自然対流で水を流すのでは
なく、ポンプを使って水を流す方式も提案されている。

しかし、このような方式では全体が高価格化すること、
機械的な可動部分が存在するため信頼性が低いこと、水
温が変わると管路６から出てくる湯温が変化すること、
長期間に亘って管路６に流れる水量を一定に保てる保証
がないこと、等の理由からいまだに商品化されていない
。

また最近、ポンプを使用する代わりに沸騰気泡ポンプヒ
ータを使う提案もなされている。第７図には沸騰気泡ポ
ンプヒータを組み込んだ給湯器の一例が示されている。

　この給湯器は、貯湯容器１１と、この容器を覆う断熱
材１２と、貯湯容器１１の下部壁に設けられた給水口１
３と、貯湯容器１１の上部壁に設けられた出湯口１５と
を備えている。なお、給水口１３は給水管１４に接続さ
れており、出湯口１５は配管工６を介して蛇口１７に接
続されている。そして、断熱材１２中に沸騰気泡ポンプ
ヒータ２１を設置している。

この沸騰気泡ポンプヒータ２１は次のように構成されて
いる。すなわち、両端が閉じられた管体２２を軸心線を
上下方向に向けて配置し、この管体２２内に軸心線に沿
わせてシース形の電気ヒータ２３を配置している。管体
２２の下部中途位置には管体２２内と連通ずる関係に導
入管２４が接続されており、この導入管２４は給水管２
６を介して貯湯容器１１の給水口１３に接続されている
。

また、管体２２の上部中途位置には管体２２に連通する
関係に導湯管２７が接続されており、この導湯管２７は
配管２８を介して貯湯容器１１の出湯口１５に接続され
ている。導入管２４内および導湯管２７内には、それぞ
れ逆流防止弁２９，３０が配置されている。逆流防止弁
２９は管体２２へ流れ込む方向だけを許容する関係に設
けられており、また逆流防止弁３０は管体２２から流れ
出す方向だけ許容する関係に設けられている。なお、図
中３４は使用者が電気ヒータ２３の付勢時間を選択的に
設定するタイマスイッチを示し、３５はガス抜き弁を示
している。

この給湯器は次のように動作する。電気ヒータ２３へ通
電開始すると、管体２２内の水が急速に加熱される。そ
して、管体２２内の水の一部が沸騰点に達すると、蒸気
泡が発生して急速に水の体積が増加し、管体２２内の圧
力が上昇する。この結果、逆流、防止止弁３０が開いて
熱い湯が導湯管２７から送り出される。蒸気泡が浮力で
上昇して導入管２４との接続口近傍まで達すると、この
蒸気泡は導入管２４内の冷たい水によって冷やされて凝
縮する。この結果、管体２２内の圧力が低下する。この
ように、管体２２内の圧力が低下すると、逆流防止弁３
０が閉じ、代りに逆流防止弁２９が開いて導入管２４を
介して冷たい水が管体２２内へと流れ込む。この流入に
よって管体２２内の温度が低下し、蒸気泡が急速に消滅
する。蒸気泡が消滅すると導入管２４を介しての水の流
入が止まり、この結果、管体２２内の温度が再び上昇に
転じ、再び蒸気泡が発生する。以下、上述した沸騰気泡
ポンプ動作が繰り返される。したがって、導湯管２７か
ら間欠的に、たとえば８５℃の熱い湯が送り出される。

この送り出された熱い湯は、配管２８を通って出湯口１
５がら貯湯容器１１内の上部へと送り込まれる。したが
って、貯湯容器１１内には熱い湯Ｈが上から層状、つま
り温度層状性を保つ状態に溜る。そして、この層の厚み
、つまり湯量は電気ヒータ２３の付勢時間によって決ま
ることになる。

このような給湯器では、貯湯容器１１内に熱い湯が層状
に溜まっていくので、貯湯容器１１内に少量しか湯が溜
まっていない場合でも、熱い湯を確実に出すことができ
る。上述した気泡ポンプ作用が起こるためには、気泡を
発生させる加熱沸騰域と、その上部に気泡を消滅させる
低温領域とを存在させることである。上部に低温水層を
保つには、加熱部と低温水層との間で対流が起き難くす
ることが必要である。

しかしながら、上記のように構成された沸騰気泡ポンプ
ヒータにあっても次のような問題があった。すなわち、
第８図に示すように、給水温度が変化すると、それに伴
って出湯温度も変化すると言う問題があった。第８図は
貯湯容器内を大気圧と同じ圧力に保って行った実験結果
を示している。

そして、図中縦棒は、出湯温度の変動幅を示している。

この図から判るように、たとえば冬季において冷たい水
を加熱するような場合と、一度貯湯容器に蓄えられた湯
が使用されないで、５０〜６０℃の状態で残っているよ
うな時に再加熱する場合とでは出湯温度に大きな差が生
じ、使い難いと言う問題があった。また、気泡ポンプを
動作させると、気泡の破壊音が発生し、これが原因して
設置場所が制限される問題もあった。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の沸騰気泡ポンプヒータにあっては、
給水温度が変化すると、それに応じて出湯温度が変化す
ると言う問題があるばかりが、騒音が大きいと言う問題
もあった。

そこで本発明は、給水温度が５〜６０’Ｃ変化１゜でも
、出湯温度の変化をその数分の１に抑えることができ、
しかも騒音の低減化を図ることができ、一般住宅用給湯
器に組み込むのに適した沸騰気泡ポンプヒータを提供す
ることを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明に係る沸騰気泡ポン
プヒータでは、一端側を上に他端側を下にして配置され
た外管と、この外管内に上記外管とで二重管を構成する
如く挿設されるとともに、その下端部が上記外管に連結
された導入管と、前記外管と前記導入管との間に形成さ
れた環状のスペースに設置された電気ヒータと、前記導
入管の上端部を覆うように配置されて前記外管と上記導
入管とで局部的に三重菅を構成するとともに上端部が閉
じられた形の液菅と、前記導入菅内もしくはこれに接続
される給水菅内に配置されて上記導入管の下端から上方
へ向かう流れのみを許す第１の逆流防止弁と、前記外管
の上端部内もしくはこれに接続される導湯菅内に配置さ
れて外管から上方へ向かう流れのみを許す第２の逆流防
止弁とを備えている。

（作　用） 第１の逆流防止弁を介して導入管内に流れ込んだ水は、
導入管内を上昇する。この期間に、導入管と外管との間
に形成されている環状のスペース内、つまり沸騰域の熱
い湯と導入管の管壁を介して熱交換して十分に加熱され
る。この加熱によ７て、たとえ給水温度に変化があって
も、この変化分が吸収される。つまり、導入管を上昇し
た後の水の温度の変化分は、給水温度の変化分の数分の
１に抑えられる。したがって、出湯温度の変化分も給水
温度の変化分の数分の１に抑えられる。

また、導入管を上昇した水は上述した熱交換によって十
分な高温となっている。この高温水は、導入管の上端部
から導入管と液菅との間に入り、下方向へと折り返して
流れ、沸騰域へと流れ込む。

Ｉ３騰域で発生して気泡は、導入管を介して流れ込んだ
水に接触して凝縮するのであるが、導入管を介して流れ
込んだ水が十分に高温に保たれているので、気泡の激し
い破壊が防止され、騒音の発生も抑制される。また、導
入管から出て下方向へと流れる水は、液菅の壁を介して
外管から流れ出ようとしている湯と熱交換する。このた
め、気泡ポンプ作用によって外管から流れ出る湯の温度
、つまり出湯温度も高くなり過ぎないよおうに抑えられ
る。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る沸騰気泡ポンプヒー
タを組み込んだ給湯器が示されている。

同図において、５１は縦長の貯湯容器を示し、５２は貯
湯容器５１を覆うように設けられた断熱機構を示してい
る。

貯湯容器５１の下壁部分には、この貯湯容器１１内に給
水するための給水口５３が形成されており、この給水口
５３は給水管５４に接続されている。なお、給水管５４
の途中には貯湯容器５１内に流入する水の圧力をＩＫｇ
／ｃｍ２以下の値まで減圧する減圧弁５５が直列に接続
されている。貯湯容器５１の上壁部分には、この貯湯容
器５１内の湯を外部へ導くための出湯口５６が形成され
ており、この出湯口５６は給湯管５７を介して厨房や浴
室等に配置された蛇口５８に接続されている。

断熱機構５２内には、沸騰気泡ポンプヒータ６０が埋め
込まれている。この沸騰気泡ポンプヒータ６０は、下端
開口部が貯湯容器５１の下壁部分に形成された吸込み口
６１に接続され、上端開口部が貯湯容器５１の上壁部分
に形成された吐出口６２に接続され、貯湯容器５１とで
閉ループを形成する温水路６３と、この温水路６３内の
特定区間に位置する水、この例では中間部に位置する水
を加熱するための電気ヒータ６４と、温水路６３内で上
述した中間部の両側位置にそれぞれ設けられ、温水路６
３内を通って吸込み口６１が、ら吐出口６２に向かう方
向の水の流れだけを許す逆流防止弁６５．６６とで構成
されている。

温水路６３は、軸心線を上下方向に向けて配置され、両
端開口が閉じられた外管６７と、一端部が外管６７の下
部閉塞壁６８に設けられた孔６９に液密に通じるととも
に他端部が吸込みロ６１１；通じた給水管７０と、一端
部が外管６７の上部閉塞壁７１に設けられた孔７２に液
密に通じるとともに他端部が吐出口６２に通じた導湯管
７３とで構成されている。

外管６７内の下部には仕切り板７４が設けてあり、この
仕切り板７４の中央部には孔７５が形成されている。そ
して、孔７５の内側には導入管７６の下端部が液密に接
続されている。この導入管７６は、熱伝導率の良い材料
で形成されており、その上端側は外管６７の軸心線に沿
って上方まで延びている。外管６７内の上方位置にも仕
切り板７７が設けてあり、この仕切り板７７の中央部に
は孔７８が形成されている。そして、仕切り板７７の下
面には外管６７より小径で、導入管７６より大径の液菅
７９の上端部が孔７８に通じる関係に接続されている。

この液菅７９の下端側は、導入管７６の上部を覆う位置
まで延びている。そして、液菅７９内で導入管７６の上
端部に近接した位置には仕切り板８０が設けられている
。また、仕切り板８０と仕切り板７７との間に位置する
部分の周壁には孔８１が複数形成されている。

電気ヒータ６４は、金属菅シースヒータで構成されてお
り、導入管７６と外管６７との間に形成された環状のス
ペース内で、かつ液菅７９の下端部より下方位置に、下
部程密となる関係にスノくイラル状に装着されている。

断熱機構５２の外側面には端子ボックス８５が設けてあ
り、この端子ボックス８５を介して電気ヒータ６４へ図
示しない給電制御装置から給電される。なお、貯湯容器
５１の外面下部には温度センサ８６が取り付けてあり、
この温度センサ８６が動作したとき、または人為的な操
作が行われたときに給電が停止される。なお、図中８３
はガス抜き弁を示し、８４は圧力調整弁を示している。

次に、上記のように構成された給湯器の作用を説明する
。

まず、貯湯容器５１内は低温の水で満たされており、ま
た蛇口５８は閉じらでいるものとする。

この状態では水の流れが全くないので逆流防止弁６５．
６６は共に閉じられており、また沸騰気泡ポンプヒータ
６０の外管６７内は低温の水で満たされている。

給電制御装置を操作して電気ヒータ６４へ給電を開始さ
せると、外管６７と導入管７６との間で電気ヒータ６４
に接触している水が急速に加熱される。そして、水の一
部が沸騰点に達すると、蒸気泡が発生して急速に水の体
積が増加し、外管６７内の圧力が上昇する。この結果、
逆流防止弁６６が開いて熱い湯が外管６７から導湯管７
３へと送り出される。そして、蒸気泡が浮力で上昇して
液菅７９の下端部位置まで達すると、この蒸気泡は上記
近傍に存在する比較内冷たい水によって冷やされて凝縮
する。この結果、外管６７内の圧力が低下する。外管６
７内の圧力が低下すると、逆流防止弁６６が閉じ、代り
に逆流防止弁６５が開いて貯湯容器５１内の下部に存在
している冷たい水が導入管７６を介して外管６７内へと
流れ込む。

この流入によって外管６７内の温度がさらに低下し、蒸
気泡が急速に消滅する。蒸気泡が消滅すると導入管７６
を介しての水の流入が止まる。この結果、外管６７内の
温度が再び上昇に転じ、再び蒸気泡が発生する。以下、
上述した動作が繰返される。したがって、外管６７から
間欠的に、たとえば８５℃の熱い湯が送り出される。こ
の熱い湯は貯湯容器５１内に上部から層状に溜まってい
く。

この場合、従来のものとは異なり、給水温度が変化して
も沸騰気泡ポンプヒータ６０から出湯温度の変化を数分
の１と小さくでき、しかも騒音も小さくできる。すなわ
ち、この例では導入管７６を上昇する水が沸騰域の飽和
温度の湯と熱交換し、温度上昇した状態で沸騰域に入り
込む経過を辿る。

このため、給水温度の変化分に対して出湯温度の変化分
を極めて小さくできる。沸騰温度は圧力によって決まり
、入り口水温の影響で変化することはないので、導入管
７６で熱交換させて、給水を沸騰域に流れ込むる前に沸
騰温度近くまで温度上昇させておくと、入り口水温が変
化しても沸騰域に達するときの給水温度の変化を小さく
できる。

この結果、出湯温度の変化を小さくできる。また、沸騰
域に供給される水の温度が高ければ、気泡消滅時に急速
に消滅して衝撃音を発生することも少なく、騒音も低減
できることになる。なお、沸騰域に流れ込む供給水の温
度が高くなると、出湯温度も高くなる。たとえば、深夜
電力給湯器に利用する場合、貯湯容器内の圧力が１　ｋ
ｇ　／　ａｍ　２（ゲージ）であるとすると、沸騰温度
が１２０℃であるから、出湯温度が１００℃を越える可
能性がある。

したがって、安全性に適合しなくなる。しかし、この例
では液菅７９を設けているので、液菅７９の外側を流れ
る高温水と液菅７９の内側を流れる低温の供給水とを熱
交換させることができるので、出湯温度を下げることが
できる。また、沸騰域に供給する水温が高くなると、何
等かのきっかけで沸騰域の気泡全体が増大し、液が減少
して、ヒータ温度が上り、気泡消滅サイクルに入ること
無く、ヒータ管内が気泡で充満するベーパロック不安定
現象を起し易いという問題も出てくる。しかし、液菅７
９があると、ヒータ管内が気泡で充満されそうになった
とき、液菅内上部に存在している低温水が落下してくる
ので、蒸気が冷却される。そして、気泡が収縮すると、
さらに下部の逆流防止弁が開いて水が供給される。した
がって、ベーパーロックに至ることがない。このように
、液菅７９の存在によって気泡ポンプの動作を安定化さ
せることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

すなわち、上述した実施例では、電気ヒータを１つだけ
設けているが、第２図および第３図に示すように、深夜
電力利用の電気ヒータと６４ａと、これとは絶縁された
昼ｍ１電力利用の電気ヒータ６４ｂとを設けるようにし
てもよい。また、第２図に示す例では仕切り壁８０に小
さい孔９１を設けているが、これはあっても無くてもよ
い。

さらに、導入管７６の上端部で液菅７９で覆われている
部分を伝熱性の悪い材料（熱伝導率がＩＷ／履℃）で形
成してもよい。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、沸騰気泡ポンプヒー
タで起こり易い出湯温度□の変動や騒音の発生を抑制で
き、使い易さを一層向上させることができる。また、電
気ヒータを水中に設置するようにしているので、外管の
温度上昇を低く抑えるこトカでき、この結果、熱損失を
抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る沸騰気泡ポンプヒータ
を組み込んだ給湯器の構成図、第２図および第３図は沸
騰気泡ポンプヒータの変形例をそれぞれ示す図、第４図
から第７図は給湯器の従来例をそれぞれ説明するための
図、第８図は第７図に示す給湯器の出湯温度特性を示す
図である。 ５１−・・貯湯容器、６０　ａ　、　６０　ｂ　、　６
０　ｃ−・・沸騰気泡ポンプヒータ、６３・・・温水路
、６４．６４　ａ。 ６４ｂ・・・電気ヒータ、６５．６６・・・逆流防止弁
、６７・・・外管、７６・・・導入管、７９・・・液菅
。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第　２図 第４図 第７図 第８図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端側を上に他端側を下にして配置された外管と
   、この外管内に上記外管とで二重管を構成する如く挿設
   されるとともに、その下端部が上記外管に連結された導
   入管と、前記外管と前記導入管との間に形成された環状
   のスペースに設置された電気ヒータと、前記導入菅の上
   端部を覆うように配置されて前記外管と上記導入菅とで
   局部的に三重菅を構成するとともに上端部が閉じられた
   形の液菅と、前記導入菅内もしくはこれに接続される給
   水菅内に配置されて上記導入菅の下端から上方へ向かう
   流れのみを許す第１の逆流防止弁と、前記外管の上端部
   内もしくはこれに接続される導湯菅内に配置されて外管
   から上方へ向かう流れのみを許す第２の逆流防止弁とを
   具備してなることを特徴とする沸騰気泡ポンプヒータ。
2. （２）前記電気ヒータは、スパイラル状に形成された金
   属菅シースヒータである請求項１に記載の沸騰気泡ポン
   プヒータ。
3. （３）前記電気ヒータは、互いに絶縁された２つのヒー
   タより構成されている請求項１または２に記載の沸騰気
   泡ポンプヒータ。