JP4341141B2

JP4341141B2 - 人体洗浄装置

Info

Publication number: JP4341141B2
Application number: JP2000098760A
Authority: JP
Inventors: 真畠山; 賢吾岩田; 隆弘大橋; 浩二峯; 靖夫濱田
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP2001279786A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体に温水を浴びせる人体洗浄装置に関する。特には、様々な改良を加えた温水器を備える人体洗浄装置に関する。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
局部洗浄装置等の人体洗浄装置の温水供給手段の一種に、セラミックや金属等で作られた管内を流れる流水を、管外面に配置したヒータ等で所定の温度に加熱する加熱器がある。このような加熱器は、基材パイプを有し、同基材パイプの外表面上に、絶縁層、ヒータエレメント、絶縁保護層からなる層構造のヒータ部が形成されている。
【０００３】
基材パイプは、例えば厚さ０．５mm程度のステンレス鋼パイプを用いる。同基材パイプ上には、絶縁ガラスからなる絶縁層が形成されている。絶縁層上には銀パラジウム等の発熱抵抗体が形成されている。同発熱抵抗体の表面は、絶縁ガラスからなる絶縁保護層で保護されている。発熱抵抗体の両端部は絶縁保護層の外部に位置し、銀等で作られた電極となって端子を形成している。この端子間に電圧を印加すると、発熱抵抗体が発熱し、基材パイプ内を流れる流体を加熱する。
【０００４】
上述の加熱器においては、ステンレス製の金属基材パイプは、厚さが０．５ｍｍ程度であり、熱抵抗が小さいため、発熱抵抗体の熱量はパイプ内孔を流れる水に伝わりやすい。そして、この熱の伝達率は流水本体の熱伝達率に大きく依存する。
【０００５】
ここで、基材パイプ中孔を流れる水が層流の場合は、ヒータ（基材パイプ内面）と接触する水はほぼ一定の部分である。このため基材パイプ内面との接触部で水の局部加熱が起こり、また、パイプの断面中心付近を流れる水に熱が伝わりにくく、熱伝達率は上がりにくい。したがって、熱伝達率を向上させるには、流水が基材パイプ内面と接触する時間を長くするか、基材パイプ内の流水に何らかの手段により乱流を起こさせて、流水全体を撹拌して熱を伝えて熱伝達率を向上させることが必要である。
【０００６】
近年、局部洗浄装置は一層の小型化が図られており、局部洗浄装置に使用される加熱器も小型で高い熱伝導率を有するものが必要とされている。
【０００７】
一方、上述のステンレスヒータは、発熱抵抗体の表面温度が１７０℃程度に達すると、沸騰音が発生する場合がある。これは、流水の局部加熱によるためであり、局部洗浄装置の使用者に不快感を与えるものである。したがって、ヒータと流水間の熱伝達率を向上させて、ヒータの表面温度を沸騰音が発生しない程度に抑えることが必要である。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小型で高い熱伝達率を有する加熱器（温水器）を有する人体洗浄装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の人体洗浄装置は、冷水を加熱して温水を生成する温水器と、生成された温水を人体に浴びせるノズルと、を備える人体洗浄装置であって、前記温水器が、内孔に水の流れる流路を有する円筒状の金属基材パイプと、前記金属基材パイプの外表面に絶縁ガラスからなる絶縁層を介し形成された、端子間に電圧を印加することにより発熱する発熱抵抗体と、前記金属基材パイプの内孔に配置された、内孔に流れる水の流速を早くする中子と、を備え、前記発熱抵抗体が形成された前記金属基材パイプの内孔に位置する部分の中子の形状が螺旋形であるとともに、中子の螺旋形の部分の長さが前記発熱抵抗体が形成された金属基材パイプの部分の長さよりやや長く、前記中子は、軸の外周面の一部に前記金属基材パイプの長さ方向に沿って螺旋状にねじ山が形成されたことを特徴とする。
ここで、パイプヒータの断面積は、流路の断面積を狭くするための加工等を施さない場合の仮想的なパイプヒータの断面積を示す。
【００１０】
パイプヒータの内側に、らせん状、蛇行状等の流路を形成して、流水の流路をパイプヒータの外形的な長さよりも長くしたことによって、パイプヒータの内面と接触する距離が長くなって熱伝達距離が長くなる。さらに、流路の断面積を狭くしたことにより、流路を流れる水の速度が上昇し、熱伝達率を向上させることができる。このため、ヒータの表面温度が過度に上昇することがなく、沸騰音が発生しない。また、筒状の電気加熱部材による加熱であるため熱応答性がよく、温度制御が容易となる。したがって、洗浄装置使用開始後の洗浄水の温度の立ち上がりが早いため、温水供給初期のヒヤリ感が少ない。また、温度応答性が良いので、マッサージ用の温冷制御等が容易となる。さらに初期の捨て水の量が減り、待ち時間が短縮される。
【００１１】
本発明の他の態様の人体洗浄装置は、冷水を加熱して温水を生成する温水器と、生成された温水を人体に浴びせるノズルと、を備える人体洗浄装置であって；前記温水器が、内孔に水の流れる流路を有する管状の電気加熱部材（パイプヒータ）を具備し、該パイプヒータの内孔中央部を塞ぐ部材が設けられており、前記流路が前記パイプヒータ内面に沿う部分に限定されていることを特徴とする。
パイプヒータ内に内孔中央部を塞ぐ部材を設け、流路をパイプヒータ内面に沿って形成したことで水の流速が早くなるため、熱伝達率をより向上させることができる。
【００１２】
以上の態様においては、前記パイプヒータが、金属製の基材と、該基材の上に層状に形成されたヒータ層と、を有することとが好ましい。金属製とすることで基材の厚さを薄くすることができ、電気加熱制御の応答性も速くなる。このため、温度差の大きい温冷制御が容易となる。
【００１３】
さらに、前記パイプヒータの長手方向の限定された部分にのみ加熱部が形成されており、同加熱部における前記流路の断面積が、他のパイプヒータの部分の断面積の１／２以下であることが好ましい。加熱部のみを狭くすることで、不必要な圧力損失を起こさずに流速を上げることができる。
【００１４】
さらに、前記流路が、該流路の長さ方向に沿ったらせん形であることとしてもよい。らせん形とすることにより、流路の長さをパイプヒータの長さの２〜５倍にすることができる。このため、流速が早くなり、熱伝達率も向上する。さらに流水に遠心力が作用して気泡が内側に移動し伝熱面（ヒータとの接触面）に気泡がなく、乱流がさらに促進されて熱伝達率がより向上する。
【００１５】
また、前記流路が、複数の流路への分岐と合流を繰り返す形状であってもよい。あるいは、前記流路が、該流路の断面積が大きい部分と小さい部分が交互に形成されていることとしてもよい。このような形状とすることで乱流がさらに促進される。
【００１６】
また、前記流路が、前記パイプヒータの発熱抵抗体の配設パターンと合致した形状であることとしてもよい。発熱抵抗体の配設位置を選択し、流路をこの位置と合致した形状とすることで、効率的に熱を伝えることができる。さらに、流水から気泡が滞留し易い部分（重力方向で上側）に発熱抵抗体を配設しない（流路も設けない）場合は、沸騰音の発生をより抑制できる。
【００１７】
さらに、前記パイプヒータの表面温度が１６０℃以下であることが好ましい。熱伝達率が上がることなり、さらに沸騰音の発生を確実に防ぐことができる。
【００１８】
さらに、前記流路を流れる流体の速度が０．２ｍ／ｓ以上であることが好ましい。局部加熱を防ぎ、沸騰音の発生を抑えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の１実施例に係る人体洗浄装置に使用される温水器の構造を示す側面断面図である。
この温水器１は、円筒状の基材パイプ３と外筒５からなる二重管構造を有している。基材パイプ３の外面の一部にはヒータ部７が設けられている。また、基材パイプ３の内孔９にはらせん中子１１が挿入されている。
【００２０】
基材パイプ３は、ステンレス鋼やアルミニウム、銅等の熱伝導性の高い材料で作られ、流水が流れる内孔９を形成している。同基材パイプ３の外面の一部には、ヒータ部７（詳細後述）が印刷形成されている。基材パイプ３上のヒータ部７が設けられている部分の外側には、外筒５がヒータ部７を取り囲むように設けられている。このように構成された加熱器１は、局部洗浄装置に適用される場合、基材パイプ３の径が５〜１０mm、外筒５の径が９〜１６mm程度の大きさを有する。
【００２１】
基材パイプ３の内孔９にはらせん中子１１が挿入されている。らせん中子１１は金属や耐熱樹脂等で作製され、軸１５の外周面の一部に、軸１５の長さ方向に沿ってらせん状にねじ山１７が形成されたものである。このねじ山１７間が流水の流路１９となる。一例として、軸１５の径は５ｍｍ、ねじ山１７が形成された軸１５の径は９ｍｍ、流路１９のピッチは３ｍｍ、流路１９の幅は２ｍｍ、ねじ山１７の高さは２ｍｍである。ねじ山１７が形成された部分の長さは、基材パイプ３上にヒータ部７が形成された部分の長さよりやや長くなっている。ねじ山１７の外径は、らせん中子１１が基材パイプ３の内孔９に挿入されたとき、ねじ山１７の先端がパイプ内面に略接触する程度に設定されている。これにより、流路１９は、ねじ山１７とらせん中子１１の軸１５、さらに基材パイプ３の内面に囲まれた断面の流路１９となる。この流路１９は、軸１５の長さ方向に沿って延びるらせん形流路である。この流路１９は、らせん中子１１が挿入されていない場合の流路の長さより長く、らせん中子１１が挿入されていない場合に比べて流水がヒータ部７と接触する距離が長くなる。さらに、流路１９の断面積は基材パイプ３の断面積よりも狭いため、流水の速度はらせん中子１１を挿入していない場合よりも早くなる。
【００２２】
外筒５は金属や樹脂で作られる。外筒５と基材パイプ３は同心円上に配置され、ブッシュ１３とＯリング２９によって基材パイプ３に取り付けられている。基材パイプ３の外面と外筒５の内面間の距離は、基材パイプ３の軸方向に沿って一定である。一例でこの距離は１〜３mmが好ましい。ここで、基材パイプ３と外筒５の間の空間は空気からなる断熱層２１が形成される。つまり、ヒータ部７が作動し、ヒータ部７自身及びヒータ部７が設けられている基材パイプ３が高温になっても、この熱量は断熱層で隔離されて外筒５に伝達されにくい。このため、外筒５が過度に温度上昇することを防ぐことができる。
【００２３】
図２は、図１の温水器に使用されるヒータ部の構造を模式的に示す断面図である。
このヒータ部７は、通水面側２２からステンレス製の金属基材パイプ３、絶縁層２３、発熱抵抗体２５、絶縁保護層２７からなる層構造を有する。
【００２４】
この例では、金属基材パイプ３は、厚さ０．３mmのステンレス（例えばＳＵＳ３０４又はＳＵＳ４４４グレード）を使用している。同基材パイプ３上には、ステンレスと同程度の熱膨張率の絶縁ガラス（例えばＤＵＰＯＮＴ社製ＭｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔＭａｔｅｒｉａｌのＧＬＡＺＥ３５００Ｎ）からなる絶縁層２３がスクリーン印刷等により形成されている。同絶縁層２３の厚さは０．１mmである。絶縁層２３上には銀パラジウム等の発熱抵抗体２５がスクリーン印刷等により形成されている。同発熱抵抗体２５の表面は、厚さ０．０４mmの絶縁ガラスからなる絶縁保護層２７で保護されている。絶縁ガラスは２ｋＶ程度の絶縁耐圧を有する。発熱抵抗体２５の両端部は絶縁保護層２７の外部に位置し、銀等で作られた電極となって端子（図示されず）を形成している。この端子間に電圧を印加すると、発熱抵抗体２５が発熱する。
このとき、ヒータ部７の電力密度を２０Ｗ／ｃｍ²以上とすることにより、小型で加熱能力に優れた温水器を供給できる。
また、ヒータ部７には温度検出抵抗体（図示されず）が形成されている。
【００２５】
次に、本発明の一実施形態に係る局部洗浄装置について説明する。
図３は、本実施形態に係る局部洗浄装置を示す概略図である。
この局部洗浄装置は、以上で説明したような温水器１を含む。温水器１には給水管４１が接続されており、水道水等の水が供給される。供給された水は、温水器において加熱されて局部洗浄用の温水となり、便器に付設された吐水口４２（ノズル）から噴射される。局部洗浄用水の水温や水量を制御するため、コントロールパネル４３や図示しない回路が設けられている。
【００２６】
図４は、図３の局部洗浄装置の回路構成を示すブロック図である。
コントロールパネル４３において設定された水温や水量の情報は、制御部４４に入力される。制御部４４の制御により、ヒータ駆動回路４５は、端子を介して温水器１のヒータ部７の発熱抵抗体２５に通電する。なお、安全のため、ヒータ部７は、アース端子４６を介して接地されている。
【００２７】
一方、ヒータ部７に含まれる温度検出用抵抗体４７は、端子４８を介して温度検出回路４９に接続されている。温度検出用抵抗体４７は、ヒータ部７の温度に従って抵抗値が変化し、温度検出回路４９は、その抵抗値に基づいてヒータ部７の温度を検出する。温度検出回路４９が検出した温度の情報は、制御部４４に入力される。制御部４４は、コントロールパネル４３からの入力情報と温度検出回路４５からの入力情報とに基づいて、局部洗浄用水の水温や水量を制御する。
【００２８】
図５〜図８は、図１の温水器に使用される中子の様々な形状を示す図であり、図５（Ａ）は斜視図、図５（Ｂ）は断面図、図６〜図８は側面図である。
図５の中子５１は断面が円形の円柱状である。この中子５１を、基材パイプ３に挿入すると、中子５１の外表面と基材パイプ３の内表面間に環状の流路５３が形成される。この流路５３の厚さは１ｍｍ程度である。流路５３を薄い環状とすることにより、断面積が小さくなって流速が早くなるため、熱伝達率をより向上させることができる。さらに、局部加熱が起こりにくく沸騰音が発生しない。
【００２９】
図６の中子６１は、図１の中子と同様にらせん形に流路が形成されているが、ねじ山１７ａの幅が厚くなっており、流路１９ａの断面積が図１の中子より狭い（幅狭単純らせん）。この中子６１の流路１９ａのピッチは２ｍｍ、幅は１ｍｍ、高さは２ｍｍである。
このような形状とすることにより図１の中子より流速が上がり、熱伝達率がより向上する。
【００３０】
図７の中子７１は、図１の中子と同様にらせん形に流路１９ｂが形成されているが、流路１９ｂの中央付近に、らせん方向に沿って突起７３が設けられている。さらに、ねじ山１７ｂにところどころ突部１７ｃが形成されている。これらの突起７３と突部１７ｃによって、並んだ２つの突起７３の間で、流路１９ｂが内側に絞られた形状となっている。このような形状によって、流路１９ｂは、突起７３の部分で二つに分岐し、絞られた部分で合流する形状となり、この形状が繰り返されている（離合らせん）。
このような形状とすることにより乱流が促進される。
【００３１】
図８の中子８１は、図１の中子と同様にらせん形に流路１９ｃが形成されているが、流路１９ｃの断面積が大きい部分と小さい部分が交互に繰り返されている（拡縮らせん）。
このような形状にすることにより乱流がさらに促進される。この場合は流路の断面の側面間の距離を変えて拡縮させているが、基材パイプ（流路の底になる部分）に凹部を設けて、断面の上下面間の距離を変えて拡縮させてもよい。
【００３２】
図９は、本発明の他の実施例に係る温水器の構造を示す斜視図である。
この例の温水器は、基材パイプ３上に配設された発熱抵抗体２５の配置パターンと、中子９１の流路９３の配置パターンが合致している。つまり、発熱抵抗体２５が配置されている部分のみに流路９３が形成されており、効率的に熱を伝えることができる。さらに、流水から気泡が滞留し易い部分である重力方向上側に発熱抵抗体を配設しない場合は、流水への熱伝達率をさらに向上させることができる。
【００３３】
以下に、中子を使用したときの効果及び中子の形状による熱伝達性を確認した実験の結果を示す。
図１０は、流速と発熱抵抗体の平均表面温度との関係を示すグラフである。横軸は流速、縦軸は表面温度を表す。流速は、図１のらせん中子を用いて、ねじ山が形成された部分の軸の径と流路の幅を変える方法を用いた。各流速でのヒータ部の表面温度を放射温度計を使用して計測した。ヒータの電力密度は５５Ｗ／ｃｍ²、通水量は３００ｃｃ／ｍｉｎである。
このグラフより、流速が早くなるほど表面温度は低下し、ほぼ１３０℃付近で一定となる。つまり、同じ電力密度でヒータを加熱しても、流速が早くなると、その発熱量がヒータ自身の温度（表面温度）の上昇に向けられるのではなく、ほとんどが流水に伝えられていることとなる。
【００３４】
図１１は、流速と電力密度の関係から沸騰音の発生域を示すグラフである。横軸は流速、縦軸は電力密度を表す。流速は、図１のらせん中子を用いて、図１０の説明と同様に、ねじ山が切られた部分の軸の径と流路の幅を変えて変化させた。各流速でヒータの電力密度を上げていき、沸騰音が発生し始めたときの電力密度をプロットした。グラフ中の実線より上の部分が沸騰音の発生する領域であり、実線より下の部分が沸騰音の発生しない領域である。通水量は３００ｃｃ／ｍｉｎである。
このグラフから、流速が速くなると沸騰音は発生しにくくなっている。
【００３５】
図１０、図１１より、流速が０．２ｍ／ｓ以上の場合、沸騰音は発生しなかった。したがって、流速を０．２ｍ／ｓ以上とすることで、熱伝達率が大幅に向上し、さらに表面温度は１６０℃以下となり、沸騰音の発生が抑えられる。また、電力密度が７０Ｗ／ｃｍ²以下で、流速が０．２ｍ／ｓ以上ならば沸騰音は発生しない。このとき、図１０のグラフより、電力密度が５５Ｗ／ｃｍ²の場合、表面温度は１６０℃程度である。
【００３６】
図１２は、らせん中子の形状による電力密度と表面温度の関係を示すグラフである。横軸は電力密度、縦軸は表面温度を表す。実線はらせん中子の形状が図７に示すもの（離合らせん）、破線は図１に示すもので流路の断面積が広い（単純らせん）である。ここで、離合らせんの流路の平均断面積は１１．３ｍｍ²、単純らせんの流路の断面積は６ｍｍ²である。
各場合において電力密度の上昇とともに表面温度もほぼ同様に上昇している。離合らせんの断面積は単純らせんの断面積の約２倍であり、流速が遅いにもかかわらずほぼ同様の結果が得られる。これは流水の分離と合流の離合効果により乱流が促進されて伝熱効率が上昇したためである。
【００３７】
図１３は、らせん中子の形状による電力密度と表面温度の関係を示すグラフである。横軸は電力密度、縦軸は表面温度を表す。実線はらせん中子の形状が図６に示すもの（幅狭単純らせん）、破線は図８に示すもの（拡縮らせん）である。らせん中子の幅狭単純らせんの流路の断面積は４ｍｍ²、拡縮らせんの流路の平均断面積は５ｍｍ²である。
各場合において電力密度の上昇とともに表面温度も上昇している。このとき、拡縮らせんの方が（平均）断面積が大きいにもかかわらず、表面温度が低い。つまり、ヒータの発熱量がヒータ自身の温度上昇でなく、流水に伝達されていることとなり、熱伝達率が上がっている。これは、拡縮らせんの方が乱流が促進されているためである。
【００３８】
上述の実験において、部分的な小沸騰や水中に混入した空気の分離等の理由により流水中に気泡が発生した場合は、らせん形の流路を流れる間に気泡が内側に離脱し、気泡が基材パイプの内面と接することがなく、熱伝達率がさらに向上している。
なお、以上の結果は基材パイプが断面が円形の直管である場合について得られたものであるが、基材パイプとして断面が楕円や角形の場合や曲管の場合でも同様な結果を得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、パイプヒータの熱伝達率を向上させることができ、小型で熱伝達率の高い温水器を提供することができ、この温水器を使用した小型で高効率の人体洗浄装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係る人体洗浄装置に使用される温水器の構造を示す側面断面図である。
【図２】図１の温水器に使用されるヒータ部の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】本実施形態に係る局部洗浄装置を示す概略図である。
【図４】図３の局部洗浄装置の回路構成を示すブロック図である。
【図５】図１の温水器に使用される中子の形状を示す図であり、図５（Ａ）は斜視図、図５（Ｂ）は断面図である。
【図６】図１の温水器に使用される中子の形状を示す側面図である。
【図７】図１の温水器に使用される中子の形状を示す側面図である。
【図８】図１の温水器に使用される中子の形状を示す側面図である。
【図９】本発明の他の実施例に係る温水器の構造を示す斜視図である。
【図１０】流速とヒータの表面温度の関係を示すグラフである。
【図１１】流速と電力密度の関係から沸騰音の発生域を示すグラフである。
【図１２】らせん中子の形状による電力密度と表面温度の関係を示すグラフである。
【図１３】らせん中子の形状による電力密度と表面温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１温水器３基材パイプ
５外筒７ヒータ部
９内孔
１１、５１、６１、７１、８１、９１中子
１３ブッシュ１５軸
１７ねじ山１９、５３、９３流路
２１断熱層２２流水面
２３断熱層２５発熱抵抗体
２７絶縁保護層２９Ｏリング
４１給水管４３コントロールパネル
４４制御部４５ヒータ駆動回路
４６アース端子４７温度検出用抵抗体
４８端子４９温度検出回路

Claims

冷水を加熱して温水を生成する温水器と、
生成された温水を人体に浴びせるノズルと、
を備える人体洗浄装置であって、
前記温水器が、
内孔に水の流れる流路を有する円筒状の金属基材パイプと、
前記金属基材パイプの外表面に絶縁ガラスからなる絶縁層を介し形成された、端子間に電圧を印加することにより発熱する発熱抵抗体と、
前記金属基材パイプの内孔に配置された、内孔に流れる水の流速を早くする中子と、を備え、
前記発熱抵抗体が形成された前記金属基材パイプの内孔に位置する部分の中子の形状が螺旋形であるとともに、中子の螺旋形の部分の長さが前記発熱抵抗体が形成された金属基材パイプの部分の長さよりやや長く、
前記中子は、軸の外周面の一部に前記金属基材パイプの長さ方向に沿って螺旋状にねじ山が形成されたことを特徴とする人体洗浄装置。
前記中子の形状は、前記発熱抵抗体の配設パターンと合致した形状であることを特徴とする請求項１記載の人体洗浄装置。