JP2012002491A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 熱伝達率の向上を図りつつ、スケールの生成及び付着を抑制でき、高寿命の熱交換器を提供する。
【解決手段】 熱交換器10は、上流側スペース25aと下流側スペース25bとの間に他の部分よりも通流断面積の小さい絞り流路37,47が設けられ、かつ平板状ヒータ20は出水口25bに近い側の発熱密度が入水口25aに近い側の発熱密度より低く形成されている。これにより、熱伝達率の向上を図りつつ、洗浄水の温度が高くなる出水口25bに近い側の平板状ヒータ20とこれに接触する洗浄水との境界層においても、局所的な沸騰現象が生じるような高温になることが抑制される。その結果、気泡の発生を抑制し、発生した気泡は速やかに出水口25bへ誘導されるため、平板状ヒータ20へのスケールの生成及び付着を防止でき、長寿命の熱交換器を提供することができる。
【選択図】図3
【解決手段】 熱交換器10は、上流側スペース25aと下流側スペース25bとの間に他の部分よりも通流断面積の小さい絞り流路37,47が設けられ、かつ平板状ヒータ20は出水口25bに近い側の発熱密度が入水口25aに近い側の発熱密度より低く形成されている。これにより、熱伝達率の向上を図りつつ、洗浄水の温度が高くなる出水口25bに近い側の平板状ヒータ20とこれに接触する洗浄水との境界層においても、局所的な沸騰現象が生じるような高温になることが抑制される。その結果、気泡の発生を抑制し、発生した気泡は速やかに出水口25bへ誘導されるため、平板状ヒータ20へのスケールの生成及び付着を防止でき、長寿命の熱交換器を提供することができる。
【選択図】図3
Description
本発明は、用便後に人体局部を温水により洗浄することのできる衛生洗浄装置に用いる瞬間加熱式の熱交換器に関する。
衛生洗浄装置には、用便後の人体局部を水で洗浄する際に洗浄水を適温にするための熱交換器が備えられている。この熱交換器には様々のタイプがあり、そのうちの1つとして特許文献1に開示されているような平板型のものがある。これは、幅寸法の小さい直方体形状のケーシング内に平板状のヒータを縦置きに収納し、該平板状ヒータの両伝熱面の夫々に沿って水平方向に蛇行させつつ上方へ向かう2つの流路が形成された構成となっている。そして、平板状ヒータを駆動している間に各流路に沿って洗浄水を通流させることにより、この洗浄水を適温にまで昇温させている。このような特許文献1に開示された熱交換器の場合、流路断面積が小さいため、洗浄水の流速を高速化且つ均一化できて熱伝達率を高めることができ、またコンパクト化を図ることができるという利点がある。
しかしながら、前記従来のような熱交換器では、ケーシングの入水口から流入した水が、該入水口から出水口に到る流路において平板状ヒータの表面で加熱されるが、流路中の水は出水口に近づくにしたがって温度が上昇し、出水口に近い平板状ヒータの表面において局所的な沸騰現象が生じる可能性がある。このように平板状ヒータと水との境界面において局所的な高温部が生じると、流路中の洗浄水に含まれるカルシウム成分等によって、いわゆるスケールが生成され平板状ヒータの表面にスケールが付着する可能性がある。このように熱交換器の平板状ヒータの表面においてスケールが付着した部分は、スケールによって水への熱伝達が阻害される。そのため、平板状ヒータの表面温度の局所的な高温化を招き、スケール付着が助長されることで、堆積したスケールで流路抵抗が高くなり、必要な洗浄水の流量が確保できなくなる可能性がある。また、平板状ヒータがセラミックヒータのような場合には、スケールによって生じる部分的な温度差による熱歪によって平板状ヒータの亀裂や割れなどを招く可能性もある。
また、平板状ヒータの両伝熱面に沿って流路を形成した上記従来の平板型の熱交換器においては、一般に、平板状ヒータの一方の伝熱面側と他方の伝熱面側とで洗浄水への伝熱量がほぼ同じであることを前提として設計する。そのため、仮に両側の伝熱量に大きな相違が生じると、何れか一方側の流路中の洗浄水に局所的な沸騰現象が発生して気泡が生じる可能性がある。このような気泡が生じると、流路中の洗浄水の通流抵抗が高くなり、平板状ヒータの両側での流量バランスが更に崩れて伝熱量の差がより大きくなってしまう。また、熱交換器の出水口近傍に、流出水の温度によって作動するサーミスタが設けられている場合には、大きく成長した気泡によってこのサーミスタが適切に作動しにくくなる可能性もある。
更に、上記のような気泡が平板状ヒータの伝熱面に付着して生じ、これが大きく成長すると、平板状ヒータの伝熱面と洗浄水との間に気泡が介在して両者を解離させてしまう。この場合、平板状ヒータの熱を洗浄水へ伝達することが困難になり、平板状ヒータの伝熱面の温度が大きく上昇してしまう。このようにして平板状ヒータの一方の伝熱面だけが大きく温度上昇し、両伝熱面での温度差が大きくなってしまうと、熱応力に起因して平板状ヒータに変形等が生じてしまう可能性がある。
このようなスケールの伝熱面への付着現象は、伝熱面温度が最も支配的な発生要因であり、一般的には伝熱面温度を沸騰が発生する100℃以下、好ましくは80℃以下にするなど、水道水のスケール濃度や、ヒータの所要耐久時間などにより、適宜所要伝熱面温度を決めている。伝熱面温度の一部でも所要温度を超えると、その部分にスケールが付着して伝熱障害要因となるため、これを回避しなくてはならない。これを回避するためには、単純に伝熱面の面積を増やせば良いが、これは熱交換器のコスト増となるため、好ましくない。そこで、熱交換器の伝熱面積を最小にしつつ所要伝熱面温度を満足させるためには、伝熱面の局所温度分布が伝熱面の全面においてほぼ均一になるように、平板状ヒータのワット密度の局所分布、あるいは、熱交換器の局所熱伝達率の分布を設定するように熱交換器を構成する必要がある。
一方、洗浄水の通流速度を更に大きくすることによって、熱伝達率を向上させて気泡の発生を抑制したり、発生した気泡を速やかに出水口から外部へ排出し、更には熱伝達率を向上させることにより伝熱面積を小さくすることが考えられる。しかしながら、一般に温水洗浄便座に使用される熱交換器では、洗浄水の1回当たりの使用水量が少ないため、熱交換器内の流速を高めるためには、流路の幅を非常に狭く設定して流速を確保する必要がある。通常、この流量の最大値は500cc/min程度に設定され、この流量値に対して、熱交換器の流速をさらに高めるためには、平板状ヒータの伝熱面との間に形成する流路の隙間を0.5mm以内に設定する必要がある。しかし、このようにすると流路の幅が非常に狭くなるため、局所的な流速の不均一性が生じやすい構成となる。さらに熱交換器内の洗浄水の流速を高めることは、熱交換器の圧力損失を高めることとなるため、流速の大幅な増大は熱交換器の構成上困難であった。また、特許文献1のように水平方向に蛇行させた流路の場合には、入水口から出水口までの距離が長いため、内部で生じた気泡を出水口まで移動させるのに長時間を要する他、流路断面積が小さいために、発生した気泡により洗浄水の流れが滞りやすいという事情もある。
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するべく、平板状ヒータを、水温の低い入水口側に比べて、相対的に水温の高い出水口側を、ワット密度が低くなるように構成することで、伝熱面温度の均一化を図り、ヒータの表面最高温度を抑制することにより、スケールの生成及び付着を抑制できる、長寿命の熱交換器を提供することを目的とする。また、これに加えて、内部で生じる気泡の発生を抑制し、発生した気泡は速やかに出水口へ誘導できる熱交換器を提供することを目的とする。
本発明に係る熱交換器は、入水口及び出水口を有するケーシングと、該ケーシング内に配設されて表面が伝熱面を成すヒータと、前記ヒータ内に形成され、前記入水口から流入した流体が前記ヒータの伝熱面との間で熱交換されつつ前記出水口に至るように案内する流路スペースとを備え、前記ヒータは、前記出水口に近い部分の発熱密度が前記入水口に近い部分の発熱密度より小さく形成されている(請求項1)。
これによって、ケーシングの入水口から流入した流体(例えば、洗浄水)が流路を流れながら、ヒータ表面の伝熱面により加熱され、出水口に近づくに従って流体の温度が次第に上昇する。そして、入水口に近い側のヒータの表面温度は、ヒータの高い発熱密度によって高温になろうとするが、まだ加熱されていない低い温度の流体に熱を多く奪われる(すなわちサブクールの値が大きい)ため、局所的な沸騰現象が生じるほどの高温にはならない。一方、出水口に近い側のヒータの表面温度は、ヒータの表面に接触する流体が既に加熱されているため、入水口に近い側に比べて高い温度になりやすい。しかしながら、ヒータの表面から流体に奪われる熱は少なくなりサブクールの値は小さくなるが、ヒータは出水口に近い側の発熱密度が入水口に近い側の発熱密度より小さくなるように形成されているので、局所的な沸騰現象が生じるほどの高温にはならない。
このように、ヒータは出水口に近い側の発熱密度が入水口に近い側の発熱密度より小さく形成されていることによって、流体の温度が高くなる出水口に近い側のヒータと水との境界面においても、局所的な沸騰現象が生じるような高温になることが抑制されて、スケールの生成付着を防止でき、長寿命の熱交換器を提供することができる。一方、流体の温度が相対的に低く、また一般的に出水口に比べて流速が大きくなりがちの入水口側で、ヒータの発熱密度を大きくしているため、該入水口近傍での熱交換効率の向上が図れる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記ヒータは、鉛直方向に対して略平行に配置された平板状ヒータであって、表裏2つの主面が前記伝熱面を成しており、前記流路スペースは、前記平板状ヒータの表裏の前記伝熱面の夫々に沿って、下部の前記入水口から上部の前記出水口まで形成されていてもよい(請求項2)。
なお、通常の平板状ヒータで発熱密度の局所的な分布が伝熱面の全面にわたって均一な場合にあっては、平板状ヒータの出水口に近い側が最高温度となり、この部分にまずスケールが生成される。しかしながら、平板状ヒータの発熱密度分布は、出水口付近が入水口付近よりも小さくなるように設定されており、その結果、熱交換器の熱流束は、ヒータの発熱密度の大きい箇所では高く、発熱密度が小さい箇所では低くなるため、伝熱面温度の均一化が図られ、局所的に温度が上昇してそこにスケールが付着することはない。
このような構成とすることにより、平板状ヒータの熱が表裏の両面に接触して流れる洗浄水に伝熱され、放熱ロスの無駄がほとんどない熱効率の高い熱交換ができ、平板状ヒータの表裏両面とも伝熱面積として活用できるので小型コンパクトにできる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記ヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体上に抵抗体をパターン印刷して形成された発熱抵抗体と、電極とから成るセラミックヒータであり、前記印刷パターンの線幅は、前記入水口に近い部分より前記出水口に近い部分の方が太く形成されていてもよい(請求項3)。
このような構成とすることにより、発熱抵抗体である印刷パターンの線幅が太いほど、電流を流したときの電気抵抗が小さく発熱量が小さくなる。従って、印刷パターンの線幅が細い入水口に近い側は発熱量が大きく(即ち、発熱密度が大きく)、印刷パターンの線幅が太い出水口に近い側は発熱量が小さい(即ち、発熱密度が小さい)セラミックヒータとなる。そのため、流体の温度が高くなる出水口に近い側のセラミックヒータと流体との境界面においても、局所的な沸騰現象が生じるほどの高温になることが抑制され、スケールの生成及び付着を防止できる。その結果、高い熱交換効率を維持できるとともに、金属と比較して熱容量は小さい特長を有するが割れやすいとされるセラミックを用いたヒータにおいて、割れを防止できて長寿命の熱交換器を実現することができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記ヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体上に抵抗体をパターン印刷して形成された発熱抵抗体と、電極とから成るセラミックヒータであり、前記印刷パターンの線間の隙間は、前記入水口に近い部分より前記出水口に近い部分の方が広く形成されていてもよい(請求項4)。
このような構成とすることにより、印刷パターンの線間の隙間が狭い入水口に近い側は発熱量が大きく(即ち、発熱密度が大きく)、印刷パターンの線間の隙間が広い出水口に近い側は発熱量が小さい(即ち、発熱密度が小さい)セラミックヒータとなる。そのため、上述したのと同様の理由から、スケールの生成及び付着を防止できると共に、セラミックヒータの割れを防止できて、長寿命の熱交換器を実現することができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記流路スペースは、前記入水口の開口部を含む上流側スペースと、前記出水口の開口部を含む下流側スペースとを有し、前記上流側スペースと前記下流側スペースとの間には、他の部分よりも通流断面積の小さい絞り流路が設けられていてもよい(請求項5)。
これによって、上流側スペースから下流側スペースへ向かう流体は、絞り流路を通過した直後が最大流速となり、その後流速は次第に低下する。よって、この絞り流路による伝熱面上の熱伝達率は、絞り流路を通過した直後の流速が最大となるときに最大となり、その後徐々に低下する傾向となるため、通常の自然対流のみでの熱伝達率と比較するとその値は大幅に増加する。したがって、下流側スペースにおいて平板状ヒータから流体への熱伝達率の向上を図ることができると共に、絞り流路を通過する際の流体の大きな流速によって、気泡を出水口へと速やかに誘導することができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記流路スペースは、前記平板状ヒータの一方の伝熱面側と他方の伝熱面側とで対称的に形成されていてもよい(請求項6)。
これによって、ヒータの両伝熱面での伝熱量のバランスを確保することができ、熱応力に起因するヒータの変形を防止することができる。
なお、本発明において、「2つの流路スペースが、平板状ヒータの一方の伝熱面側と他方の伝熱面側とで対称的に形成されている」状態とは、「2つの流路スペースの間に平板状ヒータが配置されており、2つの流路スペースの位置関係が、平板状ヒータの伝熱面(2つのうちの少なくとも一方)を対称面としてほぼ面対称の位置関係となるように互いに対向配置されている」状態をいう。具体例としては、例えば、後述の図2および図3に示す、伝熱面(第一伝熱面20aまたは第二伝熱面20b)を対称面として面対称の位置関係となるように互いに対向配置されている2つの流路スペース25,25の位置関係があげられる。
さらに、本発明に係る熱交換器は、前記上流側スペースよりも前記下流側スペースの方が大きい容量を有していてもよい(請求項7)。
このような構成とすることにより、容量の大きい下流側スペースにおいて、流体の流速を増大させることができるため、熱伝達率の更なる向上を図ることができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記絞り流路は、前記下流側スペースへ向けて上向きに流体を流入させるべく、前記入水口近傍から略水平方向に向かって延設された水平絞り流路を有していてもよい(請求項8)。
このような構成とすることにより、水平絞り流路を通った流体は、ヒータにより加熱されて相対的に高温の流体が自然対流によって上昇するのと同一方向の上方向に向かう。このようにして、水平絞り流路を経た流体を、自然対流と同じ上方へ向かわせることにより、流速のより一層の向上を図ることができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記絞り流路は、前記下流側スペースへ向けてさらに水平向きに流体を流入させるべく、前記水平絞り流路において前記入水口から離隔する方の端部から、略垂直上方へ向かって延設された垂直絞り流路を有していてもよい(請求項9)。
このような構成とすることにより、水平絞り流路を経た水流に対して垂直絞り流路を経た水流を導入して乱流を発生させ、流体を撹拌することができるため、熱伝達率の向上を図ることができる。
さらに、本発明に係る熱交換器において、前記絞り流路はスリット状を成し、該絞り流路は他の部分よりも開口幅寸法の大きい拡幅部を有していてもよい(請求項10)。
このような構成とすることにより、絞り流路のうち拡幅部を通過した流体の流速とそれ以外の部分を通過した流体の流速とに差が生じる。このようにして、流速の異なる水流が下流側スペースに浸入すると、乱流化によって該下流側スペースの流体が撹拌されるので、熱伝達率の向上を図ることができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記下流側スペースには、流体を撹拌させるための撹拌壁が前記平板状ヒータに沿って略上下方向に延設されており、該撹拌壁は、水平方向に波打った形状を有していてもよい(請求項11)。
このような構成とすることにより、撹拌壁によって下流側スペース内の流体をより一層撹拌して熱伝達率の向上を図ることができる。また、撹拌壁を上下方向に延設しているため、発生した気泡は、その浮力による上昇動が妨げられず、速やかに出水口へと移動させて排出することができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記下流側スペースには、前記平板状ヒータに沿って略水平方向へ延設されたバッファ壁が設けられていてもよい(請求項12)。
このような構成とすることにより、下流側スペースを通流する流体は、各バッファ壁の手前で一旦堰き止められ、バッファ壁と平板状ヒータとの間の狭い隙間を通る際に拡散する。従って、流体を撹拌して熱伝達率の向上を図ることができる。
さらに、本発明に係る熱交換器において、前記バッファ壁は上下方向に複数並設されており、該バッファ壁には、平面視したときに上下に隣接するバッファ壁において互いに位置が異なるように切欠部が形成されていてもよい(請求項13)。
このような構成とすることにより、バッファ壁において切欠部と平板状ヒータとの隙間が大きな通流断面積を有するため、一部の流体は切欠部へ向かって略水平方向へ向かおうとする。従って、下流側スペースには、切欠部へと略水平方向へ向かう水流とバッファ壁を超えて鉛直上方へ向かう水流とが混在し、両者が入り乱れて流体が撹拌されるため、熱伝達率の向上を図ることができる。
また、本発明に係る熱交換器は、前記平板状ヒータを挟んで配設される一対の流路形成部材を備え、前記流路形成部材は、前記平板状ヒータに対面配置される平板状のベース部と、該ベース部における前記平板状ヒータとの対向面に突設されたリブとを有し、該リブとこれに対向する前記平板状ヒータとによって、両者間にスリット状の前記絞り流路が構成されていてもよい(請求項14)。
このような構成とすることにより、比較的簡単な構成によって絞り流路を備える熱交換器を実現することができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記ヒータは、鉛直方向に対して略平行に配置された平板状ヒータであって、表裏2つの主面が前記伝熱面を成しており、前記流路スペースは、前記平板状ヒータの表裏の前記伝熱面の夫々に沿って、下部の前記入水口から上部の前記出水口まで延設された蛇行流路に形成されていてもよい(請求項15)。
このような構成とすることにより、平板状ヒータの熱が表裏の両面に接触して流れる洗浄水に伝熱され、放熱ロスの無駄がほとんどない熱効率の高い熱交換ができ、平板状ヒータの表裏両面とも伝熱面積として活用できるので小型コンパクトにできる。また、蛇行流路によって流路長を長くできるとともに流速が速められるので、流体においてヒータ表面から実質的に伝熱される層(温度境界層)の厚みがより薄くなる。従って、熱伝達効率が向上するとともにヒータ表面の温度もより低下することとなり、局所的な沸騰現象の発生をより抑制でき、スケールの生成及び付着を防止する効果をより高めることができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記蛇行流路は、略水平方向へ延びて鉛直方向に並設された複数の壁部により画定され、前記入水口から前記出水口まで、流体を略水平方向の一方向へ導く流路と他方向へ導く流路とが交互に下方から上方へ設けられた構成となっており、前記壁部の長手方向の途中部分には、上下に隣接する前記流路を連通する上下方向のバイパス路が形成されていてもよい(請求項16)。
このような構成とすることにより、洗浄水の高速での通流により熱伝達率の向上を図りつつ、蛇行流路の途中に形成された上下方向のバイパス路を介して、気泡を出水口へと速やかに導くことができる。即ち、蛇行流路によって流路断面積が小さくなっているため、洗浄水の通流速度を高速化且つ均一化することができる。また、上述したように、ヒータは、出水口に近い部分の発熱密度が入水口に近い部分の発熱密度より低くしてあるため、伝熱面が、洗浄水の局所的な沸騰現象が生じるような高温になることが抑制され、気泡の発生も抑制される。一方、もし気泡が発生した場合であっても、上記のようにバイパス路を形成したことから、発生した気泡を、このバイパス路を介して、蛇行流路の全長より短い流路長の流路を経て、出水口まで速やかに移動させることができる。その結果、気泡に起因してヒータの一方の伝熱面側の流路抵抗が他方に比べて偏って大きくなったり、ヒータの一方の伝熱面の温度だけが他方に比べて大きく上昇したりするのを防止することができる。また、これにより、スケールの生成及び付着の原因になる局所的な沸騰現象を更に抑制することができる。また、ヒータの表面で発生した気泡は、上記の通り、バイパス路を経て速やかに出水口から排出されるので、気泡が大きく成長することを抑制できる。従って、気泡が大きく成長して出水口付近のサーミスタの作動を阻害することを防止できる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記蛇行流路及び前記バイパス路は、前記平板状ヒータの一方の伝熱面側と他方の伝熱面側とで対称的に形成されていてもよい(請求項17)。
このような構成とすることにより、上記に加えて、ヒータの表裏両伝熱面での伝熱量のバランスを適切に確保することができ、熱応力に起因するヒータの変形を防止することができる。
ここで、本発明において、「2つの蛇行流路が、平板状ヒータの一方の伝熱面側と他方の伝熱面側とで対称的に形成されている」状態とは、「2つの蛇行流路の間に平板状ヒータが配置されており、2つの蛇行流路の位置関係が、平板状ヒータの伝熱面(2つのうちの少なくとも一方)を対称面としてほぼ面対称の位置関係となるように互いに対向配置されている」状態をいう。具体例としては、例えば、後述の図15及び図16に示す伝熱面(第一伝熱面120a又は第二伝熱面120b)を対称面として面対称の位置関係となるように互いに対向配置されている2つの蛇行流路(蛇行流路135及び蛇行流路145)の位置関係があげられる。
また、「2つのバイパス路が、平板状ヒータの一方の伝熱面側と他方の伝熱面側とで対称的に形成されている」状態とは、「2つのバイパス路の間に平板状ヒータが配置されており、2つの蛇行流路の位置関係が、平板状ヒータの伝熱面(2つのうちの少なくとも一方)を対称面としてほぼ面対称の位置関係となるように互いに対向配置されている」状態をいう。
また、本発明に係る熱交換器において、複数の前記壁部に形成された前記バイパス路は、平面視したときの位置が略一致するようにして設けられていてもよい(請求項18)。
このような構成とすることにより、上記に加えて、気泡は、各バイパス路を通って真っ直ぐ上方へ向かって上昇することができ、速やかに出水口まで到達することができる。
また、本発明に係る熱交換器は、前記平板状ヒータを挟んで配設される一対の流路形成部材を備え、該流路形成部材は、前記平板状ヒータに対面配置される平板状のベース部と、該ベース部における前記平板状ヒータとの対向面に突設されて前記壁部を成す複数のリブと、を有し、前記リブの長手方向の途中部分には、他の部分よりも該リブの先端が窪んで前記バイパス路を成す切欠部が形成されていてもよい(請求項19)。
このような構成とすることにより、上記に加えて、平板状ヒータと一対の流路形成部材とを備える熱交換器において、リブ先端の一部を切り欠くことによってバイパス路を形成することができる。
また、本発明に係る熱交換器において、前記リブの切欠部は、切り欠き深さが大きくなるに従って切り欠き幅が小さくなるように平面視でテーパ状を成していてもよい(請求項20)。
また、本発明に係る熱交換器において、前記リブの切欠部は、切り欠き幅の中央部分の切り欠き深さが大きくなるように平面視で円弧状を成していてもよい(請求項21)。
これらのような構成とすることにより、上記に加えて、気泡の径が大きいものも切欠部(バイパス路)を通過させることができる。
また、本発明に係る熱交換器は、相対的に下方に設けられた前記リブよりも上方に設けられた前記リブの方が、切欠部の切り欠き幅が大きく形成されていてもよい(請求項22)。
このような構成とすることにより、上記に加えて、下方(即ち、上流側)ではまだ水温が十分に高くなく気泡が発生しにくいため、切欠部の切り欠き幅を小さくして流速の向上を図ることができる。一方、水温が高くなる上方(即ち、下流側)では、切欠部の切り欠き幅を大きくして、気泡を確実に通過させるようにすることができる。
また、本発明に係る熱交換器は、相対的に下方に設けられた前記リブには前記切欠部が形成されておらず、相対的に上方に設けられた前記リブに対して前記切欠部が形成されていてもよい(請求項23)。
このような構成とすることにより、上記に加えて、気泡が生じにくい下方では切欠部を設けずに流速の更なる向上を図りつつ、気泡が生じやすい上方では切欠部を設けて、気泡を確実に通過させるようにすることができる。
本発明によれば、局所的な沸騰現象が生じるような高温になることが抑制され、熱伝達率の向上を図りつつ、内部で生じる気泡の発生を抑制し、スケールの生成及び付着を防止でき、長寿命の熱交換器を提供することができる。また、流路内で生じる気泡の発生を抑制し、発生した気泡は速やかに出水口へ誘導できる熱交換器を提供する。
以下、本発明の実施の形態に係る熱交換器について、衛生洗浄装置に適用したものを例にとり、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。
[衛生洗浄装置]
図1は、本発明の実施の形態に係る熱交換器を備える衛生洗浄装置を示す外観斜視図である。図1に示すように、衛生洗浄装置1は便器2の上面に配設されており、本体部3、便座部4、便蓋部5、および操作部6などを備えている。このうち本体部3は、便座部4の後側(着座した使用者から見て背後側)に配設されており、横長で中空の筐体3a内に、図示しない洗浄ユニット、乾燥ユニット、およびこれらの動作を制御する制御ユニットの他、本実施の形態に係る熱交換器10(破線で図示)などが収納されている。この熱交換器10には、便器2の設置建物に付随の水道設備から水道水(流体,液体,洗浄水)が導入され、内部で適温にまで暖められる。そして、使用者が操作部6を操作して所定の入力を行うと、洗浄ユニットが駆動して、該洗浄ユニットが有するノズルからシャワー状に人体局部に対して洗浄水が噴射されるようになっている。
図1は、本発明の実施の形態に係る熱交換器を備える衛生洗浄装置を示す外観斜視図である。図1に示すように、衛生洗浄装置1は便器2の上面に配設されており、本体部3、便座部4、便蓋部5、および操作部6などを備えている。このうち本体部3は、便座部4の後側(着座した使用者から見て背後側)に配設されており、横長で中空の筐体3a内に、図示しない洗浄ユニット、乾燥ユニット、およびこれらの動作を制御する制御ユニットの他、本実施の形態に係る熱交換器10(破線で図示)などが収納されている。この熱交換器10には、便器2の設置建物に付随の水道設備から水道水(流体,液体,洗浄水)が導入され、内部で適温にまで暖められる。そして、使用者が操作部6を操作して所定の入力を行うと、洗浄ユニットが駆動して、該洗浄ユニットが有するノズルからシャワー状に人体局部に対して洗浄水が噴射されるようになっている。
(実施の形態1)
[熱交換器]
図2,図3は、熱交換器10(10A)の構成を示す図面であり、図2は外観構成を示す正面図、図3は図2のB−B線での断面図を夫々示している。図2,図3に示すように、熱交換器10Aは厚み寸法が小さく正面視で長方形状を成す平板状の外観形状に構成されており、図3に示すように、矩形平板状を成す平板状ヒータ20と、その一方の面(第一伝熱面)20aに対向配置された第一流路形成部材21と、他方の面(第二伝熱面)20bに対向配置された第二流路形成部材22と、これらを収容して入水口23aおよび出水口23bを有するケーシング23とを備えている。このうち平板状ヒータ20はセラミック製であり、第一流路形成部材21および第二流路形成部材22は、ABS樹脂にガラス繊維をコンパウンドした強化ABS樹脂製としている。
[熱交換器]
図2,図3は、熱交換器10(10A)の構成を示す図面であり、図2は外観構成を示す正面図、図3は図2のB−B線での断面図を夫々示している。図2,図3に示すように、熱交換器10Aは厚み寸法が小さく正面視で長方形状を成す平板状の外観形状に構成されており、図3に示すように、矩形平板状を成す平板状ヒータ20と、その一方の面(第一伝熱面)20aに対向配置された第一流路形成部材21と、他方の面(第二伝熱面)20bに対向配置された第二流路形成部材22と、これらを収容して入水口23aおよび出水口23bを有するケーシング23とを備えている。このうち平板状ヒータ20はセラミック製であり、第一流路形成部材21および第二流路形成部材22は、ABS樹脂にガラス繊維をコンパウンドした強化ABS樹脂製としている。
なお、以下の説明では特に言及する場合を除き、このような熱交換器10Aを平板状ヒータ20の伝熱面が鉛直方向に平行になるように縦置きした状態について説明することとする。また、図2に示すように鉛直方向をZ方向とし、これに直交して平板状ヒータ20の伝熱面に平行な方向をX方向、そしてこれら2方向の何れにも直交する方向(第一伝熱面20aに垂直な方向)をY方向とする。
図3に示すように、第一流路形成部材21は、第一伝熱面20aに対向する矩形平板状のベース部30と、該ベース部30において第一伝熱面20aに対向する面(ベース面)30aに突設された1本のリブ31とを有している。同様に、第二流路形成部材22は、第二伝熱面20bに対向する矩形平板状のベース部40と、該ベース部40において第二伝熱面20bに対向する面(ベース面)40aに突設された1本のリブ41とを有している。
また、第一流路形成部材21のベース部30の周縁部には壁状のフランジ部32が周設されており、該フランジ部32は、第二流路形成部材22に近接する方向へ向かって所定寸法だけ延設されている。このフランジ部32の先端部には、該フランジ部32に沿って周回する係合溝33が形成されている。一方、第二流路形成部材22のベース部40の周縁部にも壁状のフランジ部42が周設されており、該フランジ部42は、第一流路形成部材21から離隔する方向へ向かって所定寸法だけ延設されている。このフランジ部42の先端部は第一流路形成部材21側へ折り返されており、その端部には、該フランジ部42に沿って周回する係合突起43が形成されている。
このような第一流路形成部材21は、そのベース面30aが第二流路形成部材22のベース面40aに対向するようにして第二流路形成部材22に外嵌装着される。より詳しく説明すると、第一流路形成部材21のフランジ部32が、第二流路形成部材22のフランジ部42に外嵌され、さらに、第一流路形成部材21の係合溝33に第二流路形成部材22の係合突起43が嵌入される(例えば、係合突起43は超音波溶着により係合溝33に固定される)。これにより、第一流路形成部材21と第二流路形成部材22とは液密的に接合され、内部に流路スペース25が形成される。
また、図2,図3に示すように、ケーシング23のX方向の一端下部には入水口23aが設けられ、一端上部には出水口23bが設けられている。そして、図3に示すようにこれらの入水口23aおよび出水口23bは、何れも上記流路スペース25に連通している。
図4は、図3に示す熱交換器の平板状ヒータ20に形成された抵抗体のパターン例を示す平面図である。図4に示すように、平板状ヒータ20は、セラミック基体20kに抵抗体(ヒータ線)パターン20pが印刷された構成となっている。この抵抗体パターン20pは、平板状ヒータ20の入水口23aに近い側の部分ではヒータ線幅20sが細く、出水口23bに近い側の部分ではヒータ線幅20sが太くなるように構成してある。要するに、この抵抗体のパターン20pによれば、平板状ヒータ20の入水口23aに近いほどヒータ線幅20sが細くなって抵抗値が高くなり、出水口23bに近いほどヒータ線幅20sが太くなって抵抗値が低くなる。換言すれば、平板状ヒータ20は出水口23bに近い側の部分の発熱密度が入水口23aに近い側の部分の発熱密度より低くなるように形成されている。
図5は、図3に示す熱交換器の平板状ヒータ20に形成された抵抗体の別のパターン例を示す平面図である。図5に示す抵抗体(ヒータ線)パターン20pも図4に示したものと同様に、平板状ヒータ20は、セラミック基体20kに抵抗体(ヒータ線)パターン20pが印刷された構成となっている。一方、図5に示す抵抗体パターン20pの場合は、平板状ヒータ20の入水口23aに近い側の部分では隣接するヒータ線間隔20hが狭く、出水口23bに近い側の部分では該ヒータ線間隔20hが広くなるように構成してある。つまり、平板状ヒータ20は、入水口23aに近いほどヒータ線間隔20hが狭くなって発熱密度が高くなり、出水口23bに近いほどヒータ線間隔20hが広くなって発熱密度が低くなるように形成されている。
なお、図4,図5に示す平板状ヒータ20に関する抵抗体のパターン20pを含む構成は、本実施の形態1の他、後述する実施の形態2〜7にて説明する熱交換器の平板状ヒータ20,及び実施の形態8〜11にて説明する熱交換器の平板状ヒータ120においても同様になっている。
図6は、熱交換器10Aを分解したときの図面であり、(a)は第二流路形成部材22および平板状ヒータ20を取り外した状態の熱交換器10Aを第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成、(b)は第二流路形成部材22をそのベース面40a側から見たときの構成を示している。図6(a)に示すように、第一流路形成部材21のベース部30のベース面30aには、略水平方向(X方向)に沿って延びる1本のリブ31が配設されている。
より詳しく説明すると、このリブ31のX方向一端部31aは、入水口23aの流路スペース側開口の上方近傍に位置し、フランジ部32のX方向一端側部分の内壁面に当接している。リブ31は、このX方向一端部31aからX方向に沿ってベース面30a上を延設され、そのX方向他端部31bは、フランジ部32のX方向他端側部分の内壁面に当接している。
図6(b)に示すように、第二流路形成部材22のベース部40のベース面40aにも、略水平方向(X方向)に沿って延びる1本のリブ41が配設されている。リブ31,41に関して第一流路形成部材21および第二流路形成部材22は対称的な構成となっている。即ち、このリブ41も上記リブ31と同様に、X方向一端部41aが入水口23aの上方近傍であって、流路形成部材21,22が接合されたときにフランジ部32のX方向一端側部分の内壁面に当接する箇所に位置している。リブ41は、このX方向一端部41aからX方向に沿ってベース面40a上を延設され、そのX方向他端部41bは、流路形成部材21,22が接合されたときにフランジ部32のX方向他端側部分の内壁面に当接する箇所に位置している。
そして、上述したようなリブ31,41によって、流路スペース25は相対的に下方の上流側スペース25aと上方の下流側スペース25bとに区分けされている。図3にも示すように、この上流側スペース25aには入水口23aが開口し、下流側スペース25bには出水口23bが開口しており、下流側スペース25bは上流側スペース25aよりも大きい容量を有している。また、このような流路形成部材21,22が、間に平板状ヒータ20を挟んだ状態で互いに接合されることにより、上流側スペース25aおよび下流側スペース25bは、それぞれの厚み方向(Y方向)の中央箇所に位置する平板状ヒータ20を境にして、第一伝熱面20a側と第二伝熱面20b側とに二分される(図3参照)。
また、上述したリブ31,41によって、上流側スペース25aおよび下流側スペース25bの各通流断面積よりも小さい通流断面積を有する絞り流路(水平絞り流路)37,47が形成されている。図7は、絞り流路37,47の構成を示すべく、組立後の熱交換器10Aのリブ31,41近傍をX方向に沿って見たときの構成を示しており、(a)は図3の部分VIIaの拡大図であり、(b)は絞り流路37,47の変形例を示している。
図7(a)に示すように、本実施の形態1に係るリブ31,41は何れも、その先端部(平板状ヒータ20に近接する側のY方向端部)の端面50が平板状ヒータ20の伝熱面20a,20bと平行ではない。即ち、リブ31,41の端面50は上方に開いた傾斜面となっており、より具体的には、所定の角度Aを有して上部が下部に比べて伝熱面20a,20bから離隔する傾斜面とされている。そのため、リブ31の先端部は、その下部が鋭角形状に突出した頂部51を有するように三角形状に形成されている。そして、リブ31,41の頂部51の先端は、平板状ヒータ20の伝熱面20a,20bそれぞれから所定の寸法D1だけ離隔するように設定されている。
その結果、リブ31,41と平板状ヒータ20の伝熱面20a,20bとの間に、開口幅寸法D1を有するスリット状の絞り流路37,47が形成される。なお、本実施の形態に係る熱交換器10Aの上流側スペース25aは、入水口23aおよび絞り流路37,47を除いて閉じられた空間となっており、下流側スペース25bは、出水口23bおよび絞り流路37,47を除いて閉じられた空間となっている。従って、上流側スペース25aと下流側スペース25bとは、狭小な開口幅寸法D1の絞り流路37,47のみで互いに連通した構成となっている。
次に、上述した熱交換器10A内での洗浄水の流れについて説明する。図6(a)に示すように、熱交換器10Aの流路スペース25へは入水口23aから洗浄水が導入され、この洗浄水は上流側スペース25aに浸入する。上流側スペース25aは下流側スペース25bに流入する洗浄水の流れが均一化するための圧力均一化の機能を有する。上述したように、上流側スペース25aは入水口23aおよび狭小な絞り流路37,47を除いて閉じられた空間になっているため、内部の洗浄水には所定の比較的高い内圧が生じる。従って、このような高圧の洗浄水が絞り流路37,47を通じて下流側スペース25bへ浸入することにより、下流側スペース25bにおける洗浄水の流速を増大させることができる。
この場合の、下流側スペース25bにおける洗浄水の流速パターンを、図3にて符号V1,V2,V3で模式的に示す。これに示すように、絞り流路37,47を経た直後の洗浄水は、特に平板状ヒータ20の表面に近い側での流速が速く、符号V1で示すような流速パターンとなる。そして、出水口23bに近づくにしたがって、符号V2,V3で示すように徐々に平均化された流速パターン(流速が最も早い部分が、第二伝熱面20b及びベース面40aの両者の中間位置に近付いていく流速パターン)となる。なお、平板状ヒータ20を挟む何れの下流側スペース25b,25bにおいても、上記と同様の流速パターンとなる。このように、絞り流路37,47を通過した直後の洗浄水の流速パターンが、符号V1で示すような流速パターンになることによって、平板状ヒータの伝熱面20a,20bからの熱伝達率の向上を図ることができる。さらに、入水口23a側から出水口23b側へ向かうに従ってヒータ表面近くの流速が徐々に減速していくことにより、入水口23a側では熱伝達率が高く、出水口23b側では熱伝達率が低くなる。
また、下流側スペース25bでの上記強制対流による流れ(即ち、絞り流路37,47を経て下流側スペース25bへと上方へ向かう流れ)は、平板状ヒータ20が加熱されることにより生ずる洗浄水の自然対流による流れと同一方向であり、この二つの流れが互いに流速を高めることで、より熱伝達率を高めることができる。
また、図7(a)に示したようにリブ31,41の先端部は、その下部が鋭角形状に突出した頂部51を有する構成となっているため、絞り流路37,47を通過した直後の水流は、下流側スペース25b内の洗浄水に衝突するなどして乱流を発生させる。このように、下流側スペース25b内の洗浄水の水流の乱流化を図ることにより、洗浄水を撹拌させることができ、平板状ヒータ20の伝熱面20a,20bからの熱伝達率の向上を図ることができる。
さらに、上流側スペース25aからの流れは、頂部51を経て下流側スペース25bに流入する際、急激に縮小された流れとなるため、流れ自体が平板状ヒータ20と頂部51との隙間よりも狭くなって流入することとなる。そのため、流速はさらに大きくなって熱伝達率を高めることができる。
しかも、図4,図5を用いて説明したように、平板状ヒータ20は出水口23bに近い部分の発熱密度が入水口23aに近い部分の発熱密度より低く形成されており、かつ、入水口23aに近い部分では、流路スペース25に設けた絞り流路37,47によって、平板状ヒータ20の伝熱面20a,20bに接触しつつ流れる洗浄水の流速が増大される。これにより、相対的に低温の洗浄水が流れる入水口23aに近い部分では多くの熱を効率よく洗浄水に伝達でき、相対的に高温の洗浄水が流れる出水口23bに近い部分では、過剰の熱を洗浄水に伝熱するのを防止することができる。その結果、平板状ヒータ20の発熱分布と、熱交換効率の分布とを整合させることができ、平板状ヒータ20の表面で局所的な沸騰現象およびこれによる気泡の発生が抑制される。
また、出水口23bを含む下流側スペース25bは、障壁となる構造物がない比較的広い空間として形成されているため、仮に気泡が発生した場合であっても、これが浮力によって上昇しつつ水流と共に出水口23bへ向かうのを阻害しないようになっている。従って、気泡が発生した場合であっても、これを速やかに外部へ排出することができる。このように、本実施の形態に係る熱交換器10Aは、気泡の速やかな排出を実現しつつ、熱伝達率の向上を図ることができる。
なお、本実施の形態では絞り流路37,47の形状として図7(a)に示した構成のものについて説明したが、これに限られない。例えば、図7(b)に示すような構成も採用することができる。
詳しく説明すると、図7(b)に示すリブ31,41は何れも、その先端部(平板状ヒータ20に近接する側のY方向端部)の端面54が平板状ヒータ20の伝熱面20a,20bと平行ではない。即ち、リブ31,41の端面54は下方に開いた傾斜面となっており、より具体的には、所定の角度Aを有して下部が上部に比べて伝熱面20a,20bから離隔する傾斜面とされている。そのため、リブ31の先端部は、その上部が鋭角形状に突出した頂部55を有するように三角形状に形成されている。そして、リブ31,41の頂部55の先端は、平板状ヒータ20の伝熱面20a,20bそれぞれから所定の寸法D1だけ離隔するように設定されている。その結果、リブ31,41と平板状ヒータ20の伝熱面20a,20bとの間に、開口幅寸法D1を有するスリット状の絞り流路38,48が形成される。
このような絞り流路38,48を採用した場合においても、上記絞り流路37,47の場合と同様に、高圧の洗浄水が当該絞り流路38,48を通過して上流側スペース25aから下流側スペース25bへと移動する。一方、この絞り流路38,48の場合は、リブ31,41の端面54が下方(上流側スペース25a側)に開いた傾斜面を成しているため、平板状ヒータ20の各伝熱面20a,20bに近接して流れる高速の水流を形成することができる。そのため、伝熱面20a,20b近傍での洗浄水の滞留を抑制でき、熱伝達率の向上を図ることができる。
以上のように本実施の形態は、平板状ヒータ20の出水口23bに近い部分の発熱密度が入水口23aに近い部分の発熱密度より小さくなるように形成されている。また、流路スペース25は、入水口23aの開口部を含む上流側スペース25aと、出水口23bの開口部を含む下流側スペース25bとを有し、上流側スペース25aと下流側スペース25bとの間には、他の部分よりも通流断面積の小さい絞り流路37,47が設けられている。これらにより、ケーシング23の入水口23aから流入した洗浄水は、平板状ヒータ20の伝熱面によって画定される流路スペース25を流れながら加熱され、出水口23bに近づくにしたがって温度が次第に上昇する。
以上のように本実施の形態は、平板状ヒータ20の出水口23bに近い部分の発熱密度が入水口23aに近い部分の発熱密度より小さくなるように形成されている。また、流路スペース25は、入水口23aの開口部を含む上流側スペース25aと、出水口23bの開口部を含む下流側スペース25bとを有し、上流側スペース25aと下流側スペース25bとの間には、他の部分よりも通流断面積の小さい絞り流路37,47が設けられている。これらにより、ケーシング23の入水口23aから流入した洗浄水は、平板状ヒータ20の伝熱面によって画定される流路スペース25を流れながら加熱され、出水口23bに近づくにしたがって温度が次第に上昇する。
この場合、入水口23aに近い部分の平板状ヒータ20の表面温度は、相対的に高い発熱密度によってより高温になろうとするが、まだ加熱されていない低い温度の洗浄水に熱を多く奪われるため、局所的な沸騰現象が生じるような高温にはならない。かつ、上流側スペース25aから下流側スペース25bへ向かう洗浄水は、絞り流路37,47を通ることによって流速が大きくなる。そのため、特に下流側スペース25bにおいて、平板状ヒータ20から洗浄水への熱伝達率の向上と、熱伝達率の分布の最適化とを図ることができると共に、気泡を出水口23bへと速やかに誘導することができる。そしてまた、出水口23bに近い部分では、平板状ヒータ20の表面に接触する洗浄水は既にある程度加熱されていて高温になっているため、当該部分では平板上ヒータ20の表面温度を一定とすれば、洗浄水に奪われる熱量が少なくなる。しかしながら、当該部分の平板状ヒータ20の発熱密度は、入水口23aに近い部分の発熱密度より小さくなるように形成されているので、局所的な沸騰現象が生じるような高温にはならない。
このように、上流側スペース25aと下流側スペース25bとの間に他の部分よりも通流断面積の小さい絞り流路37,47が設けられ、かつ平板状ヒータ20は出水口23bに近い部分の発熱密度が入水口23aに近い部分の発熱密度より小さくなるように形成されている。これにより、熱伝達率の向上と熱伝達率の分布の最適化とを図りつつ、洗浄水の温度が高くなる出水口23bに近い部分の平板状ヒータ20と洗浄水との境界面においても、局所的な沸騰現象が生じるような高温になることが抑制される。その結果、気泡の発生を抑制し、発生した気泡は速やかに出水口23bへ誘導され、平板状ヒータ20へのスケールの生成及び付着を防止でき、長寿命の熱交換器を実現することができる。
(実施の形態2)
図8は、熱交換器10の他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は洗浄水の流れの一例を示している。図8(a)に示すように、この熱交換器10(10B)では、入水口23a近傍から水平方向へ延びるリブ61を有し、該リブ61は途中で屈曲して垂直方向上方へ向かって延設された構成となっている。
図8は、熱交換器10の他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は洗浄水の流れの一例を示している。図8(a)に示すように、この熱交換器10(10B)では、入水口23a近傍から水平方向へ延びるリブ61を有し、該リブ61は途中で屈曲して垂直方向上方へ向かって延設された構成となっている。
より詳しく説明すると、リブ61のX方向一端部61aは、入水口23aの流路スペース側開口の上方近傍に位置し、フランジ部32のX方向一端側部分の内壁面に当接している。リブ61は、このX方向一端部61aからX方向に沿ってベース面30a上を延設され、そのX方向他端部61bは、フランジ部32のX方向他端側部分の内壁面から所定距離だけ離隔して位置している。リブ61は、この他端部61bにて屈曲して上方へ向かい、その上端部61cは、フランジ部32の上側部分の内壁面に当接している。そして、このようなリブ61によって流路スペース25は、略L字状の上流側スペース25aと矩形状の下流側スペース25bとに二分されている。
このうち上流側スペース25aは、リブ61の端部61a,61b間の部分により画定されて水平方向に延びる部分(水平スペース)62と、リブ61の端部61b,61c間の部分により画定されて垂直方向に延びる部分(垂直スペース)63とを備えることにより、上記のように略L字状を成している。なお、第二流路形成部材22についても、上記リブ61と対称的なリブを有している。
このようなリブ61によって、上流側スペース25aおよび下流側スペース25bの各通流断面積よりも小さい通流断面積を有する絞り流路(水平絞り流路および垂直絞り流路)65が形成される。即ち、各流路形成部材21,22および平板状ヒータ20を組み合わせることにより、リブ61における端部61a,61b間の部分と平板状ヒータ20の第一伝熱面20aとの間に、スリット状の水平絞り流路65aが形成される。また、リブ61における端部61b,61c間の部分と第一伝熱面20aとの間にも、スリット状の垂直絞り流路65bが形成される。
なお、本実施の形態では、リブ61はその端部61a〜61c間の全長に亘ってベース面30aからの高さ寸法を一定としており、且つベース面30aと第一伝熱面20aとを平行に配置している。従って、水平絞り流路65aおよび垂直絞り流路65bは、略同一の開口幅を有している。
図8(b)に示すように、このような絞り流路65を備える熱交換器10Bの場合、実施の形態1において説明したのと同様に、水平スペース62から水平絞り流路65aを通って高速の水流が下流側スペース25bへと浸入し、垂直上方へ流れる。また、本実施の形態に係る熱交換器10Bでは、これに加えて、垂直スペース63から垂直絞り流路65bを通じて高速の水流が下流側スペース25bへと浸入し、この水流は水平方向へ流れる。従って、下流側スペース25bでは、垂直上方への水流と水平方向への水流とが混在するため、乱流が発生して洗浄水が撹拌され、熱伝達率の向上を図ることができる。なお、平板状ヒータ20の出水口23bに近い部分の発熱密度が入水口23aに近い部分の発熱密度より小さく形成されていることや、気泡が発生した場合にこれを速やかに出水口23bから外部へ排出可能であることは、実施の形態1の場合と同様である。
(実施の形態3)
図9は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は洗浄水の流れの一例を示している。図9(a)に示すように、この熱交換器10(10C)は実施の形態1に示したものと同様の真直ぐ且つ水平なリブ31を有している一方、下流側スペース25b内に、波形形状を成す複数の撹拌壁67が設けられている。
図9は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は洗浄水の流れの一例を示している。図9(a)に示すように、この熱交換器10(10C)は実施の形態1に示したものと同様の真直ぐ且つ水平なリブ31を有している一方、下流側スペース25b内に、波形形状を成す複数の撹拌壁67が設けられている。
より詳しく説明すると、第一流路形成部材21のベース面30aには、フランジ部32におけるX方向一端側の内壁面から他端側の内壁面に亘って水平方向へ延びるリブ31が突設されている。従って、このリブ31によって実施の形態1の場合と同様に構成された絞り流路37を有している。また、このリブ31からは、ベース面30aに沿って撹拌壁67が上方へ延設されている。当該撹拌壁67は、X方向に所定の振幅を有するサイン波形のように、円弧状に湾曲しながら上方へ向かって延設されている。そして、このような撹拌壁67が、略等間隔でX方向に複数並設されている(本実施の形態では6つ)。
なお、この撹拌壁67のベース面30aからの高さ寸法は、リブ31の高さ寸法と略同一、または、リブ31の高さ寸法に対してやや低く設定されている。また、隣り合う2つの撹拌壁67は、これらをZ方向に沿って平面視した場合に、互いに重複する部分がないように離隔して配設されている。即ち、隣り合う2つの撹拌壁67の間には、両撹拌壁67を回避するように水平方向に移動しなくても、下方から上方へと直線的に移動可能なルートが確保されている。
このような熱交換器10Cによると、図9(b)に示すように、絞り流路37から高速で下流側スペース25bに流れ込んだ水流は、撹拌壁67に衝突することによって撹拌されるため、熱伝達率の向上を図ることができる。また、このような撹拌壁67による洗浄水の撹拌にもかかわらず、気泡について速やかに出水口23bへと移動させることができる。即ち、上記のように隣り合う撹拌壁67間には直線的な上下方向の移動ルートが確保されているため、浮力等により上昇しようとする気泡は、撹拌壁67によって移動が邪魔されにくく、速やかに上昇することができる。
(実施の形態4)
図10は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は洗浄水の流れの一例を示している。図10(a)に示すように、この熱交換器10(10D)は実施の形態2に示したものと同様の略L字状のリブ61を有している一方、下流側スペース25b内には、実施の形態3に示したものと同様の撹拌壁67が設けられている。
図10は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は洗浄水の流れの一例を示している。図10(a)に示すように、この熱交換器10(10D)は実施の形態2に示したものと同様の略L字状のリブ61を有している一方、下流側スペース25b内には、実施の形態3に示したものと同様の撹拌壁67が設けられている。
このような熱交換器10Dによると、図10(b)に示すように、絞り流路65aからの垂直上方への水流と絞り流路65bからの水平方向への水流とによって、下流側スペース25b内にて乱流を発生させ、水流を撹拌させるのに加え、実施の形態3にて説明したのと同様に撹拌壁67によっても水流を撹拌させることができる。従って、熱伝達率のより一層の向上を図ることができる。また、気泡についても、撹拌壁67によって移動が邪魔されにくくなっているため、速やかに上方へ移動させて出水口23bから外部へ排出することができる。
(実施の形態5)
図11は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)はそのB−B断面を示し、(c)はC−C断面を示している。図11(a)に示すように、本実施の形態に係る熱交換器10(10E)は、実施の形態1にて示したものと大部分において同一の構成を備えている一方、実施の形態1に係るリブ31とは若干異なる構成のリブ71を備えている。従って、以下ではこのリブ71の構成に関して詳しく説明する。
図11は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)はそのB−B断面を示し、(c)はC−C断面を示している。図11(a)に示すように、本実施の形態に係る熱交換器10(10E)は、実施の形態1にて示したものと大部分において同一の構成を備えている一方、実施の形態1に係るリブ31とは若干異なる構成のリブ71を備えている。従って、以下ではこのリブ71の構成に関して詳しく説明する。
図11(a)に示すように、本実施の形態に係るリブ71は、実施の形態1のリブ31と同様に、そのX方向一端部71aが入水口23aの流路スペース側開口の上方近傍に位置し、フランジ部32のX方向一端側部分の内壁面に当接している。リブ71は、このX方向一端部71aからX方向に沿ってベース面30a上を延設され、そのX方向他端部71bは、フランジ部32のX方向他端側部分の内壁面に当接している。
一方、リブ71には、その先端部に複数の切欠部72が設けられている。これらの切欠部72は、図11(a)に示すようにリブ71の長手方向に沿って略等間隔で配設されている。また、図11(c)に示すように、リブ71の先端部(平板状ヒータ20の伝熱面20aに近接する側のY方向端部)の端面74は、図7(b)に示した構成と同様に、下方に開いた傾斜面となっており、リブ71の先端部は、その上部が鋭角形状に突出した頂部75を有するように三角形状に形成されている。そして、この頂部75に所定深さの切欠部72が形成されている。
その結果、図11(b)に示すように、リブ71と平板状ヒータ20の第一伝熱面20a(二点鎖線で示す)との間には開口幅寸法D1のスリット状の絞り流路78が形成され、さらに、切欠部72によって、開口幅寸法D2が他の部分の寸法D1よりも大きい拡幅部78aが形成されている。なお、図示は省略するが、第二流路形成部材22においても、上記と同様の構成を有して対称的に形成されたリブ71が設けられており、平板状ヒータ20の第二伝熱面20bとの間に同様の構成の絞り流路78が形成される。
このような本実施の形態に係る熱交換器10Eによると、絞り流路78の開口幅が一定ではなく、寸法D1の箇所と、拡幅部78aにおける寸法D2(>D1)の箇所とを有するようになっている。そのため、洗浄水がこの絞り流路78を介して上流側スペース25aから下流側スペース25bへ流れ込むに際して、拡幅部78aを通る水流とその他の部分を通る水流とで流速が異なってくる。その結果、下流側スペース25bにおいて流速の異なる複数の水流によって洗浄水が撹拌され、熱伝達率の向上を図ることができる。
なお、図11(c)に示すように、ここで例示したリブ71は、図7(b)に示したリブ31と同様にその先端部の上部に頂部75を有するものであるが、これに限られない。例えば、図7(a)に示したように先端部の下部に頂部を有するリブに対し、その頂部に切欠部を形成したものを採用してもよい。
(実施の形態6)
図12は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は当該熱交換器10のB−B線での断面図を示している。
図12は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は当該熱交換器10のB−B線での断面図を示している。
図12(a)に示すように、この熱交換器10(10F)は、実施の形態5(図11)にて説明したリブ71を有する熱交換器10Eと同様の構成を備えており、さらに、熱交換器10Fが備える第一流路形成部材21および第二流路形成部材22には、その下流側スペース25bに対応する領域内に、水平方向(X方向)に延設されて上下方向(Z方向)に並設された複数のバッファ壁81が形成されている。
第一流路形成部材21のバッファ壁81は、ベース面30aからリブ71と略同一寸法だけ突設しており、且つ、該リブ71と同様にフランジ部32のX方向一端側部分から他端側部分に亘って延設されている。また、図12(b)に示すように下流側スペース25bは、このバッファ壁81によって上下に並ぶ複数のバッファスペース82(本実施の形態では3つのバッファスペース82a〜82c)に区分けされている。そして、上下に隣接する各バッファスペース82間は、バッファ壁81と平板上ヒータ20の第一伝熱面20aとの間に形成されるスリット状の絞り流路83のみを通じて連通している。なお、第二流路形成部材22においても同様の構成を有するバッファ壁81が形成されている。
このバッファ壁81の高さ寸法は、リブ71の高さ寸法よりも低く設定されている。
このような熱交換器10Fによると、リブ71が形成する絞り流路78を通じて下流側スペース25bの最下方のバッファスペース82aに流入した洗浄水は乱流化して撹拌される。また、リブ71に対して比較的近い位置にバッファ壁81が存在しているため、絞り流路78を経た比較的高速の水流がこのバッファ壁81に衝突し、バッファスペース82aでの乱流化が促進される。
次に、バッファスペース82aの洗浄水は、上側に隣接するバッファスペース82bへ流入するに際し、狭小な絞り流路83を通過することによって流速が増大する。このように、平板状ヒータ20の第一伝熱面20aに接触する水流の速度が大きくなるため、第一伝熱面20aから洗浄水への熱伝達率の向上が図れる。さらに、速度の大きい水流が次のバッファ壁81に衝突してバッファスペース82b内での乱流化が促進されるため、これによっても熱伝達率の向上が図られる。以降同様に、バッファスペース82cでも同様の現象が発生して熱伝達率の向上が図られるようになっている。
また、先に述べたように、このバッファ壁81の高さ寸法は、リブ71の高さ寸法よりも低く設定されているので、発生した気泡を上方に排出することができる。
(実施の形態7)
図13は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は当該熱交換器10のB−B線での断面図を示している。図13(a)に示すように、この熱交換器10(10G)は、実施の形態6(図12)にて説明した熱交換器10Fと同様の構成を備えており、さらに、バッファ壁81の適所に切欠部88が設けられている。
図13は、熱交換器10のさらに他の構成を示す図面であり、(a)は第二流路形成部材22を取り外した状態の熱交換器10を第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示し、(b)は当該熱交換器10のB−B線での断面図を示している。図13(a)に示すように、この熱交換器10(10G)は、実施の形態6(図12)にて説明した熱交換器10Fと同様の構成を備えており、さらに、バッファ壁81の適所に切欠部88が設けられている。
より詳しく説明すると、図13(a)に示すように本実施の形態に係る熱交換器10Gは、上下に並設された3本のバッファ壁81(81a〜81c)を有している。そして、これらのバッファ壁81a〜81cには、平面視(Z方向視)したときに、上下に隣接するバッファ壁81a,81bにおいて互いに位置が異なるようにして切欠部88が設けられており、同様に、上下に隣接するバッファ壁81b,81cにおいても互いに位置が異なるようにして切欠部88が設けられている。
具体的には、最も下方のバッファ壁81aには、その長手方向(X方向)の中央部付近に1つの切欠部88が形成されている。また、その上のバッファ壁81bには、その長手方向の一端部近傍と他端部近傍との2箇所に切欠部88が形成されている。さらにその上のバッファ壁81cには、上記バッファ壁81aと同様に長手方向の中央部付近に1つの切欠部88が形成されている。なお、このような切欠部88の個数と位置とは一例であり、上述したように隣接するバッファ壁81において平面視で重ならない位置であれば、上記とは異なる箇所に切欠部88を設けてもよい。また、切欠部88の切り欠き深さ寸法や長さ寸法は特に限定されない。
このような熱交換器10Gによると、各バッファスペース82a〜82cの洗浄水には、絞り流路78において切欠部88が形成されていない狭小部分を通じて上昇しようとする流れと、切欠部88による拡幅部分を通るべく該切欠部88の方向へ水平方向に移動しようとする流れとが生じる。このような垂直上方への水流と水平方向への水流とが混在することにより、下流側スペース25b内での乱流化が促進され、平板状ヒータ20から洗浄水への熱伝達率の向上を図ることができる。
ところで、流路スペース25内で気泡が発生した場合に、この気泡を出水口23bへ速やかに誘導するために、下流側スペース25bを画定する天井面を傾斜面としてもよい。図14は、実施の形態1で説明した熱交換器10Aの変形例を示す図面であり、第二流路形成部材22および平板状ヒータ20を取り外した状態の熱交換器10Aを第一流路形成部材21のベース面30a側から見たときの構成を示している。
この図14に示すように、下流側スペース25bを画定する天井面(ここでは、第一流路形成部材21の内上面)21aは、出水口23b近傍から遠ざかるに従って低くなる傾斜面に形成されている。このような構成により、下流側スペース25b内で、洗浄水の流れや浮力によって上昇する気泡は、傾斜した天井面21aに沿って出水口23bへと円滑に誘導される。従って、流路スペース25内の気泡を速やかに出水口23bから排出することができる。なお、このような傾斜させた天井面21aの構成は、実施の形態1に係る熱交換器10Aだけでなく、既に説明した他の熱交換器10B〜10Gに加え、以下に説明する熱交換器10H〜10Jにも適用することができる。
[バイパス路を備える構成]
次に、流路スペースに、入水口から水平方向の一方向へ洗浄水を導く流路と他方向へ導く流路とが交互に下方から上方へ設けられて出水口へ至る蛇行流路と、該蛇行流路において上下に隣接する流路間を連通する上下方向のバイパス路とを形成した熱交換器について、実施の形態8〜11にて説明する。なお、これらの実施の形態に示す各熱交換器10は、何れも図1に示した衛生洗浄装置1の熱交換器10として適用可能なものである。また、既に説明したように、以下に説明する熱交換器10が備える平板状ヒータ120は、図4,図5を用いて説明した平板状ヒータ20(特に、抵抗体のパターン20pに関する構成)と同様の構成を備えている。
次に、流路スペースに、入水口から水平方向の一方向へ洗浄水を導く流路と他方向へ導く流路とが交互に下方から上方へ設けられて出水口へ至る蛇行流路と、該蛇行流路において上下に隣接する流路間を連通する上下方向のバイパス路とを形成した熱交換器について、実施の形態8〜11にて説明する。なお、これらの実施の形態に示す各熱交換器10は、何れも図1に示した衛生洗浄装置1の熱交換器10として適用可能なものである。また、既に説明したように、以下に説明する熱交換器10が備える平板状ヒータ120は、図4,図5を用いて説明した平板状ヒータ20(特に、抵抗体のパターン20pに関する構成)と同様の構成を備えている。
(実施の形態8)
[熱交換器]
図15は、熱交換器10(10H)の構成を示す図面であり(a)は外観構成を示す正面図、(b)はB−B線での断面図を夫々示している。図15(a),(b)に示すように、熱交換器10Hは厚み寸法が小さく正面視で長方形状を成す平板状の外観形状に構成されており、図15(b)に示すように、矩形平板状を成す平板状ヒータ120と、その一方の面(第一伝熱面)120aに対向配置された第一流路形成部材121と、他方の面(第二伝熱面)120bに対向配置された第二流路形成部材122と、これらを収容して1入水口23a及び出水口123bを有するケーシング123とを備えている。このうち平板状ヒータ120はセラミック製であり、第一流路形成部材121及び第二流路形成部材122は、ABS樹脂にガラス繊維をコンパウンドした強化ABS樹脂製としている。
[熱交換器]
図15は、熱交換器10(10H)の構成を示す図面であり(a)は外観構成を示す正面図、(b)はB−B線での断面図を夫々示している。図15(a),(b)に示すように、熱交換器10Hは厚み寸法が小さく正面視で長方形状を成す平板状の外観形状に構成されており、図15(b)に示すように、矩形平板状を成す平板状ヒータ120と、その一方の面(第一伝熱面)120aに対向配置された第一流路形成部材121と、他方の面(第二伝熱面)120bに対向配置された第二流路形成部材122と、これらを収容して1入水口23a及び出水口123bを有するケーシング123とを備えている。このうち平板状ヒータ120はセラミック製であり、第一流路形成部材121及び第二流路形成部材122は、ABS樹脂にガラス繊維をコンパウンドした強化ABS樹脂製としている。
なお、以下の説明では特に言及する場合を除き、このような熱交換器10Hを平板状ヒータ120の伝熱面が鉛直方向に平行になるように縦置きした状態について説明することとする。また、図15に示すように鉛直方向をZ方向とし、これに直交して平板状ヒータ120の伝熱面に平行な方向をX方向、そしてこれら2方向の何れにも直交する方向(第一伝熱面120aに垂直な方向)をY方向とする。
図15(b)に示すように、第一流路形成部材121は、第一伝熱面120aに対向する矩形平板状のベース部130と、該ベース部130において第一伝熱面120aに対向する面(ベース面)130aに突設された複数の壁部(リブ)131とを有している。同様に、第二流路形成部材122は、第二伝熱面120bに対向する矩形平板状のベース部140と、該ベース部140において第二伝熱面120bに対向する面(ベース面)140aに突設された複数の壁部(リブ)141とを有している。
また、第一流路形成部材121のベース部130の周縁部には壁状のフランジ部132が周設されており、該フランジ部132は、第二流路形成部材122に近接する方向へ向かって所定寸法だけ延設されている。このフランジ部132の先端部には、該フランジ部132に沿って周回する係合溝133が形成されている。一方、第二流路形成部材122のベース部140の周縁部にも壁状のフランジ部142が周設されており、該フランジ部142は、第一流路形成部材121から離隔する方向へ向かって所定寸法だけ延設されている。このフランジ部142の先端部は第一流路形成部材121側へ折り返されており、その端部には、該フランジ部142に沿って周回する係合突起143が形成されている。
このような第一流路形成部材121は、そのベース面130aが第二流路形成部材122のベース面140aに対向するようにして第二流路形成部材122に外嵌装着される。より詳しく説明すると、第一流路形成部材121のフランジ部132が、第二流路形成部材122のフランジ部142に外嵌され、更に、第一流路形成部材121の係合溝133に第二流路形成部材122の係合突起143が嵌入される(例えば、係合突起143は超音波溶着により係合溝133に固定される)。これにより、第一流路形成部材121と第二流路形成部材122とは液密的に接合され、内部に流路スペース125が形成される。
また、図15(a)に示すように、ケーシング123のX方向の一端下部には入水口123aが設けられ、一端上部には出水口123bが設けられている。そして、図15(b)に示すようにこれらの入水口123a及び出水口123bは、何れも上記流路スペース125に連通している。
図16は、熱交換器10Hを分解したときの図面であり、(a)は第二流路形成部材122及び平板状ヒータ120を取り外した状態の熱交換器10Hを第一流路形成部材121のベース面130a側から見たときの構成、(b)は第二流路形成部材122をそのベース面140a側から見たときの構成を示している。図16(a)に示すように、第一流路形成部材121のベース部130のベース面130aには、略水平方向(X方向)に沿って延びる複数(本実施の形態では7本)の壁部(リブ)131(131a〜131g)が、上下方向(Z方向)に並設されている。
このうち下から奇数番目の壁部(リブ)131a,131c,131e,131gは、その長手方向の一端部(X方向の一方側端部)がフランジ部132の内壁面に当接し、他端部はフランジ部132の内壁面から所定寸法だけ離隔している。また、下から偶数番目の壁部(リブ)131b,131d,131fは、その長手方向の一端部(X方向の一方側端部)がフランジ部132の内壁面から離隔し、他端部がフランジ部132の内壁面に当接している。そして、流路スペース125には、これらの壁部(リブ)131a〜131gによって画定された蛇行流路135が形成されている。
即ち、フランジ部132の下側部分と最下方の壁部(リブ)131aとにより上下が画定された流路135aは、入水口123aの位置するX方向の一方側から他方側へと洗浄水を導く。この流路135aの下流端に到達した洗浄水は、ここで折り返され、壁部(リブ)131aとその上の壁部(リブ)131bとにより上下が画定された流路135bを通ってX方向の他方側から一方側へと導かれる。以降は同様にして、流路135c〜135hに沿って順次折り返されながら反対方向へ導かれ、洗浄水は出水口123bへと導かれるようになっている。そして、これらの流路135a〜135hによって、蛇行流路135が構成されている(後述の図19参照)。
一方、図16(b)に示すように、第二流路形成部材122の壁部(リブ)141は、上述した第一流路形成部材121の壁部(リブ)131と対称的な構成となっている他は同様の構成であるため詳細な説明は省略するが、同様に入水口123aから出水口123bに至る蛇行流路145を構成している。そして、このような第一流路形成部材121と第二流路形成部材122とに挟まれるようにして、厚み寸法が略一定の矩形の平板状ヒータ120が設けられている(図4,5の平板状ヒータ20参照)。
図17は、図16(a)に示す熱交換器10HのXVII−XVII線での断面図である。図17に示すように、壁部(リブ)131は、長手方向寸法(X方向の寸法)がL1を成し、且つ、長手方向に沿ってベース面130aからの高さ寸法H1が略一定になっている。但し、長手方向の途中部分(本実施の形態では中央部分)に、開口寸法(X方向寸法)L2で深さ寸法H2の切欠部136が形成されている。
図18は、壁部(リブ)131及び切欠部136の構成を示す図面であり、(a)は、切欠部136をZ方向に沿って見たときの構成を示すべく図17の部分XVIIIaの拡大図、(b)は、切欠部136をX方向に沿って見たときの構成を示すべく図15の部分XVIIIbの拡大図である。図18(a)に示すように、この切欠部136は、壁部(リブ)131の先端部を長方形状に切り欠いた形状となっており、壁部(リブ)131の他の部分よりも窪んで、その最深部136aは壁部(リブ)131の上端と略平行に形成されている。なお、本実施の形態に係る熱交換器10Hにおいては、切欠部136の開口寸法L2は壁部(リブ)131の長さ寸法L1に対して、下記の(1)式
1/2≧(L2/L1)≧1/5 ・・・(1)
を満たすように設定されている。例えば、L2=20mmとすることができる。
1/2≧(L2/L1)≧1/5 ・・・(1)
を満たすように設定されている。例えば、L2=20mmとすることができる。
一方、図18(b)の断面図に示すように、壁部(リブ)131の先端面は、平板状ヒータ120の表面(第一伝熱面120a)に対して平行ではなく所定の角度Aを有する傾斜面とされており、壁部(リブ)131の先端部は、下部が断面鋭角形状の頂部137を成すように三角形状に形成されている。そして、この頂部137に上述した切欠部136が形成されている。このような切欠部136によって、壁部(リブ)131により画定された下側の流路と上側の流路とを連通するバイパス路138が形成されている。
また、図18(b)に示すように、平板状ヒータ120を挟んで第一流路形成部材121及び第二流路形成部材122を配置した状態では、壁部(リブ)131において切欠部136が設けられていない部分の先端部は、平板状ヒータ120の第一伝熱面120aから寸法H3だけ離隔している。ここで本実施の形態に係る熱交換器10Hにおいては、この離隔寸法H3は第一流路形成部材121のベース面130aから第一伝熱面120aまでの離隔寸法H4に対して、下記(2)式
1/4≧(H3/H4)≧1/10 ・・・(2)
を満たすように設定されている。例えば、H3=0.2mm、H4=1.9mmとすることができる。
1/4≧(H3/H4)≧1/10 ・・・(2)
を満たすように設定されている。例えば、H3=0.2mm、H4=1.9mmとすることができる。
なお、第二流路形成部材122が有する壁部(リブ)141も上記壁部(リブ)131と同様の断面形状を成して上記(2)式を満たすように配設され、且つ、上記(1)式を満たして深さ寸法H2を有する切欠部146が形成されている(図18(b)参照)。そして、この切欠部146により、壁部(リブ)131を挟んで隣接された上下の流路を連通するバイパス路148が形成されている。
ここで、先に述べた(1)式における(L2/L1)を(1/2)以下とすることにより、バイパス流路138(又はバイパス流路148)を上流から下流に向けて流れる水の流れ(流量)よりも蛇行流路135(又は蛇行流路145)を上流から下流に向けて流れる水の流れ(流量)をより容易かつ十分に確保できるようになり、熱交換器10Hに要求される本来の水の熱交換機能をより十分に発揮させることができるようになる。
また、(1)式における(L2/L1)を(1/5)以上とすることにより、蛇行流路135(又は蛇行流路145)の断面積に対してバイパス流路138(又はバイパス流路148)の断面積をより十分に確保して、気泡を当該バイパス流路138(又はバイパス流路148)を利用して出水口123bへ誘導し外部へ排出することがより容易且つより確実にできるようになる。
更に、先に述べた(2)式における(H3/H4)を(1/4)以下とすることにより、壁部(リブ)131(又は141)と第一伝熱面120a(又は第二伝熱面120b)との間の隙間へ流出する水の流れ(流量)よりも、蛇行流路135の最上流に位置する流路135a(又は蛇行流路145の最上流に位置する当該流路135aに対し面対称の位置に配置される流路。以下「流路145a」という)を上流から下流に向けて流れる水の流れ(流量)をより容易かつ十分に確保できるようになる。このように蛇行流路135の最上流に位置する1流路35a(又は蛇行流路145の最上流に位置する流路145a)を上流から下流に向けて流れる水の流れ(流量)をより容易かつ十分に確保することが、ひいては、蛇行流路135(又は蛇行流路145)を上流から下流に向けて流れる水の流れ(流量)をより容易かつ十分に確保できることとなり、熱交換器10Hに要求される本来の水の熱交換機能をより十分に発揮させることができることになる。
また、(2)式における(H3/H4)を(1/10)以上とすることにより、壁部(リブ)131(又は141)と第一伝熱面120a(又は第二伝熱面120b)との間隔をより十分に確保できるようになる。これにより、第一伝熱面120a(又は第二伝熱面120b)から壁部(リブ)131(又は141)への熱による影響(熱溶解、熱変形など)をより容易かつより確実に防止できるようになる。
また、図18(b)に示すように、平板状ヒータ120の下端部は、第一流路形成部材121のフランジ部132の下側の内壁面から離隔して位置している。従って、平板状ヒータ120の下端部より下方のスペースは、平板状ヒータ120の第一伝熱面120a側の蛇行流路135と第二伝熱面120b側の蛇行流路145との共用スペース(上流側共用スペース)125aとなっており、入水口123aから流路スペース125内へ浸入した洗浄水は、この上流側共用スペース125aを通じて各蛇行流路135,145へ配分される。同様に、図15(b)に示すように平板状ヒータ120の上端部は第一流路形成部材121のフランジ部132の上側の内壁面から離隔して位置しており、平板状ヒータ120の上端部より上方のスペースは蛇行流路135,145の共用スペース(下流側共用スペース)125bとなっている。従って、各蛇行流路135,145を通流してきた洗浄水は、この下流側共有スペース125bにて合流し、出水口123bへと向かう。
図19は、以上のような構成の熱交換器10Hにおける洗浄水及び気泡の流れを示す図面であり、図16(a)と同様に、第一流路形成部材121のベース面130a側から見たときの構成を示している。図19に示すように、入水口123aから浸入した低温(例えば、5℃)の洗浄水の大半は、流路135a〜135hの順にX方向の一方向及び他方向へと向きを反転させながら上方へ向かうように、蛇行流路135(及び蛇行流路145)に沿って流れる(図19中の実線矢印参照)。そしてその間に、平板状ヒータ120からの伝熱によって適温(例えば、40℃)まで昇温されて、出水口123bから外部へ排出される。このようにして昇温された洗浄水が、既に説明したように洗浄ユニットが有するノズルからシャワー状に人体局部に対して噴射されることになる。
以上のように構成された熱交換器について、以下、その動作及び作用について説明する。まず、ケーシング123の入水口123aから流入した洗浄水は、平板状ヒータ120の表面の伝熱面で画定された流路135を流れながら加熱され、出水口123bに近づくにしたがってその温度が次第に上昇する。そして、入水口123aに近い部分の平板状ヒータ120の表面温度は、相対的に高い発熱密度によって高温になろうとするが、まだ加熱されていない低い温度の洗浄水に熱を多く奪われるため、局所的な沸騰現象が生じるような高温にはならない。
また、出水口123bに近い部分では、入水口123aに近い部分に比べると洗浄水が高温になっているため、当該部分の平板状ヒータ120の表面は、洗浄水に奪われる熱量が少なくなるが、出水口123bに近い部分の発熱密度が入水口123aに近い部分の発熱密度より小さくなるように形成されているので、当該部分についても局所的な沸騰現象が生じるような高温にはならない。
このように、平板状ヒータ120は、出水口123bに近い部分の発熱密度が入水口123aに近い部分の発熱密度より小さくなるように構成しているため、洗浄水の温度が高くなる出水口123bに近い部分の平板状ヒータ120と水との境界面においても、局所的な沸騰現象が生じるような高温になることが抑制される。その結果、スケールの生成及び付着を防止でき、長寿命の熱交換器を実現することができる。
また、本実施の形態の熱交換器10Hによれば、平板状ヒータ120の熱が表裏両面の伝熱面に接触して流れる洗浄水に伝熱され、放熱ロスがほとんどない熱効率の高い熱交換となり、小型化できる。また、蛇行流路135,145によって流路長を長くできるとともに流速が速められるので、この蛇行流路135,145を流れる洗浄水において、平板状ヒータ120表面から実質的に伝熱される境界層の厚みが、より薄くなる。そのため、熱伝達効率が向上するとともにヒータ表面の温度の上昇を抑制できるので、局所的な沸騰現象が抑制でき、スケールの生成及び付着を防止する効果をより高めることができる。
なお、既に説明したように、本実施の形態に係る平板状ヒータ120においても、その出水口123bに近い部分の発熱密度が入水口123aに近い部分の発熱密度より小さく形成されている。そして、このような構成によって本実施の形態に係る熱交換器10Hにもたらされる作用効果は、上述した実施の形態1において説明したのと同様である。
また、本実施の形態の熱交換器10Hは、蛇行流路135(又は蛇行流路145)が、略水平方向へ延びて鉛直方向に並設された複数の壁部131により画定されている。そして、該蛇行流路135(又は蛇行流路145)は、入水口123aから出水口123bまで、洗浄水を略水平方向の一方向へ導く流路135aと他方向へ導く流路135bとが交互に下方から上方へ設けられた構成になっており、更に、壁部131の長手方向の途中部分には、上下に隣接する流路135を連通する上下方向のバイパス路138(又はバイパス流路148)が形成されている。これにより、洗浄水が高速で通流することによって熱伝達率の向上が図れ、且つ、蛇行流路135(又は蛇行流路145)の途中に形成された上下方向のバイパス路138(又はバイパス路148)を介して、気泡を出水口123bへと速やかに導くことができる。
即ち、熱交換器10Hには蛇行流路135が設けられ、流路断面積が小さくなっているため、洗浄水の通流速度を高速化且つ均一化することができる。また、前記のように平板状ヒータ120が、出水口123bに近い部分の発熱密度が入水口123aに近い部分の発熱密度より小さくなっていて、局所的な沸騰現象が生じるような高温になることが抑制されるため、気泡の発生も抑制される。一方、もし気泡が発生した場合でも、洗浄水を入水口123aから出水口123bへ導く流路長の長い蛇行流路135,145の途中に、これをショートカットする上下方向のバイパス路138,148を設けているため、発生した気泡は、このバイパス路138(又はバイパス路148)によって、蛇行流路135の全長より短い流路長を通って出水口123bまで速やかに移動させることができる。
その結果、気泡に起因して平板状ヒータ120の一方の伝熱面120a(又は120b)側の流路抵抗が他方に比べて極端に大きくなったり、平板状ヒータ120の一方の伝熱面120a(又は120b)の温度だけが大きく上昇したりするのを防止することができ、スケールの生成及び付着の原因になる局所的な沸騰現象をさらに抑制することができる。また、平板状ヒータ120の表面で発生した気泡は、バイパス路138(又はバイパス路148)によって出水口123bへ速やかに排出されるので、気泡が大きく成長することを抑制でき、大きな気泡が出水口123b付近のサーミスタの作動を阻害することを防止できる。
また、本実施の形態の熱交換器10Hは、蛇行流路135,145及びバイパス路138,148が、平板状ヒータ120の一方の伝熱面120a側と他方の伝熱面120b側とで対称的に形成された構成となっている。これにより、平板状ヒータ120の表裏の両伝熱面での伝熱量のバランスを好適に確保することができ、熱応力に起因する平板状ヒータ120の変形を防止することができる。
さらに、本実施の形態の熱交換器10Hは、上下に並ぶ複数の壁部131に形成されたバイパス路138が、平面視したときの位置が略一致するようにして設けられた構成となっている。同様に、上下に並ぶ複数の壁部141に形成されたバイパス路148も、平面視したときに各位置が略一致するように設けられている。これにより、気泡は、各バイパス路138,148を通って真っ直ぐ上方へ向かって上昇することができ、速やかに出水口まで到達することができる。
平板状ヒータ120によって洗浄水が熱せられることにより、洗浄水に溶け込んでいた気体成分が再び気化するなどして気泡が生じる場合がある。このような気泡の流れ(図19中の白抜き矢印参照)について説明すると、例えば、蛇行流路135のうち流路135aにて発生した気泡は、洗浄水と共にこの流路135aを流れる。しかしながら、気泡には洗浄水中を上方へ向かわせようとする浮力が作用するため、流路135aの下流端に行き着く前に、壁部(リブ)131aに形成された切欠部136から成るバイパス路138を通り、上側に隣接する流路135bへとショートカットして移動する。更に、壁部(リブ)131b〜131gの各切欠部136から成るバイパス路138を通って、最も上方の流路135hまで移動する。そして、その後は該流路135h内の洗浄水と共に移動し、出水口123bから外部へ排出される。なお、流路135a以外の流路135b〜135gにて発生した気泡も同様にバイパス路138を通って上側の流路へ移動し、蛇行流路145内に発生した気泡についても同様にバイパス路148を通って各流路をショートカットして上方へ移動する。
上述したような熱交換器10Hによれば、内部で生じた気泡を速やかに出水口123bへ誘導して外部へ排出することができる。
(実施の形態9)
図20は、切欠部の他の構成を示すべく切欠部をZ方向に沿って見たときの拡大図であり、(a)は切欠部の最深部がテーパ状のもの、(b)は切欠部の最深部が円弧状のもの、(c)は最深部が傾斜面のものを夫々示している。
図20は、切欠部の他の構成を示すべく切欠部をZ方向に沿って見たときの拡大図であり、(a)は切欠部の最深部がテーパ状のもの、(b)は切欠部の最深部が円弧状のもの、(c)は最深部が傾斜面のものを夫々示している。
まず、図20(a)に示す切欠部150は、壁部(リブ)131の先端からの切り欠き深さ寸法(Y方向寸法)が大きくなるに従って、切り欠き幅寸法(X方向寸法)が小さくなっており、Z方向に沿って平面視すると、最深部151がテーパ状になっている。換言すると、平面視したときに切欠部150は、壁部(リブ)131の先端部から一段深くなった最深部151を有し、この最深部151は、X方向の略中央部分の深さ寸法が最も大きくなるように、傾斜した輪郭を成している。
図20(b)に示す切欠部153の場合は、切り欠き幅寸法(X方向寸法)の中央部分における切り欠き深さ寸法(Y方向寸法)が大きくなるように、平面視したときに最深部154が円弧状に形成されている。
図20(c)に示す切欠部156の場合は、最深部157が洗浄水の通流方向の上流側端部157aから下流側端部157bへ向かうに従って切り欠き深さが大きくなるように傾斜面を成している。
このような切欠部150,153,156によってバイパス路を形成すると、径の小さい気泡だけでなく径の比較的大きい気泡も、最深部151,154,157を通過させることができる。また、切欠部156のように通流方向の下流側ほど切り欠き深さを大きくすると、洗浄水と共に移動する気泡を切り欠き深さの大きい部分で確実に捉え、切欠部156を通じて上方の流路へショートカット移動させることができる。
(実施の形態10)
図21は、熱交換器の他の構成を示す図面であり、第一流路形成部材121のベース面130a側から見たときの構成を示している。図21に示す熱交換器10(10I)では、切欠部136の開口寸法L2を各壁部(リブ)131a〜131gに応じて異ならせている。より詳しく説明すると、最も下方に位置する壁部(リブ)131aの切欠部136については、開口寸法L2が最も小さくなるように形成する。そして、壁部(リブ)131b〜131fの順に各切欠部136の開口寸法L2を大きくしていき、最も上方に位置する壁部(リブ)131gの切欠部136は開口寸法L2が最も大きくなるように形成している。その他の構成については、実施の形態9において説明した熱交換器10Hと同様であるため、ここではその説明は省略する。
図21は、熱交換器の他の構成を示す図面であり、第一流路形成部材121のベース面130a側から見たときの構成を示している。図21に示す熱交換器10(10I)では、切欠部136の開口寸法L2を各壁部(リブ)131a〜131gに応じて異ならせている。より詳しく説明すると、最も下方に位置する壁部(リブ)131aの切欠部136については、開口寸法L2が最も小さくなるように形成する。そして、壁部(リブ)131b〜131fの順に各切欠部136の開口寸法L2を大きくしていき、最も上方に位置する壁部(リブ)131gの切欠部136は開口寸法L2が最も大きくなるように形成している。その他の構成については、実施の形態9において説明した熱交換器10Hと同様であるため、ここではその説明は省略する。
このような構成の熱交換器10Iによれば、蛇行流路135,145に沿った洗浄水の流速を大きくすることができ、伝熱性の向上や気泡の搬送効率の向上を図ることができる。即ち、切欠部136から成るバイパス路138,148には、気泡だけでなく洗浄水がショートカットして通流する場合がある。一方で、入水口123aの近傍では洗浄水が十分に昇温されていないため、発生する気泡も少ない。従って、このように気泡の発生が少なく相対的に下方に位置する流路を画定する壁部(リブ)131については、これに形成する切欠部136の開口寸法L2を小さくすることにより、該切欠部136を洗浄水が通流するのを抑制し、洗浄水の通流速度の向上を図ることができる。また、気泡が生じる可能性が高い相対的に上方の流路を画定する壁部(リブ)131については、相対的に大きな開口寸法L2を有するように切欠部136を形成することにより、発生した気泡をより確実に上方の流路へショートカットして移動させることができる。
なお、図21に示す例では、全ての壁部(リブ)131に設けた切欠部136の開口寸法L2を互いに異ならせた場合について説明したが、これに限られない。例えば、下方に位置する2つの壁部(リブ)131a,131bの切欠部136の開口寸法L2を同一の最小値とし、上方に位置する2つの壁部(リブ)131f,131gの切欠部136を同一の最大値とし、中間に位置する3つの壁部(リブ)131c〜131eの切欠部136を同一の所定値(前記最小値と最大値との間の所定値)とするようにしてもよい。要は、最下方の壁部(リブ)131aより最上方の壁部(リブ)131gの方が切欠部136の開口寸法L2が大きく、且つ、これらの壁部(リブ)131,131gの間に位置する壁部(リブ)131b〜131fのうち、相対的に下方に位置する壁部(リブ)131よりも上方に位置する壁部(リブ)131の方が切欠部136の開口寸法L2が小さくならないように設定すればよい。
(実施の形態11)
図22は、熱交換器の更に他の構成を示す図面であり、第一流路形成部材121のベース面130a側から見たときの構成を示している。図22に示す熱交換器10(10J)では、上側の一部の壁部(リブ)131(ここでは、上側の2つの壁部(リブ)131f,131g)についてのみ、切欠部136を形成することとし、その他の壁部(リブ)131(131a〜131e)には切欠部136を形成していない。
図22は、熱交換器の更に他の構成を示す図面であり、第一流路形成部材121のベース面130a側から見たときの構成を示している。図22に示す熱交換器10(10J)では、上側の一部の壁部(リブ)131(ここでは、上側の2つの壁部(リブ)131f,131g)についてのみ、切欠部136を形成することとし、その他の壁部(リブ)131(131a〜131e)には切欠部136を形成していない。
このような構成の熱交換器10Jによれば、気泡の発生確率の低い下側の流路においては、切欠部136を通じた洗浄水の移動を防止して流速の向上を図りつつ、洗浄水が高温化する上側の流路において発生した気泡については、切欠部136を通じて上方へ移動させ、速やかに出水口123bから外部へ排出させることができる。
なお、切欠部136の形成対象とする壁部(リブ)131は図22に示したように2つの場合に限定されず、各流路での気泡の発生度合いや、洗浄水の流速などに応じて適宜設定すればよい。従って、最も上方の壁部(リブ)131gの1つのみでもよいし、上方の3つの壁部(リブ)131e〜131gでもよく、それ以上の個数を対象にしてもよい。
本発明は、熱伝達率の向上を図りつつ、スケールの生成及び付着を抑制でき、発生した気泡を速やかに出水口へ誘導することができる長寿命の平板型の熱交換器に適用することができる。
1 衛生洗浄装置
10,10A〜10J 熱交換器
20,120 平板状ヒータ
20a,120a 第一伝熱面
20b,120b 第二伝熱面
20h ヒータ線間隔
20k セラミック基体
20p パターン
20s ヒータ線幅
21,121 第一流路形成部材
22,122 第二流路形成部材
23,123 ケーシング
23a,123a 入水口
23b,123b 出水口
25 流路スペース
25a 上流側スペース
25b 下流側スペース
30,40 ベース部
31,41,61,71 リブ
31a,31b,61a,61b,61c,71a,71b 端部
37,38,47,48,65,78,83 絞り流路
65a 水平絞り流路
65b 垂直絞り流路
67 撹拌壁
72,88,136,150,153,156 切欠部
78a 拡幅部
81,81a,81b,81c バッファ壁
131,131a〜131g,141 壁部(リブ)
135,135a〜135h,145 蛇行流路
138,148 バイパス路
10,10A〜10J 熱交換器
20,120 平板状ヒータ
20a,120a 第一伝熱面
20b,120b 第二伝熱面
20h ヒータ線間隔
20k セラミック基体
20p パターン
20s ヒータ線幅
21,121 第一流路形成部材
22,122 第二流路形成部材
23,123 ケーシング
23a,123a 入水口
23b,123b 出水口
25 流路スペース
25a 上流側スペース
25b 下流側スペース
30,40 ベース部
31,41,61,71 リブ
31a,31b,61a,61b,61c,71a,71b 端部
37,38,47,48,65,78,83 絞り流路
65a 水平絞り流路
65b 垂直絞り流路
67 撹拌壁
72,88,136,150,153,156 切欠部
78a 拡幅部
81,81a,81b,81c バッファ壁
131,131a〜131g,141 壁部(リブ)
135,135a〜135h,145 蛇行流路
138,148 バイパス路
Claims (23)
- 入水口及び出水口を有するケーシングと、
該ケーシング内に配設されて表面が伝熱面を成すヒータと、
前記ケーシング内に形成され、前記入水口から流入した流体が前記ヒータの伝熱面との間で熱交換されつつ前記出水口に至るように案内する流路スペースとを備え、
前記ヒータは、前記出水口に近い部分の発熱密度が前記入水口に近い部分の発熱密度より小さく形成されていることを特徴とする熱交換器。 - 前記ヒータは、鉛直方向に対して略平行に配置された平板状ヒータであって、表裏2つの主面が前記伝熱面を成しており、
前記流路スペースは、前記平板状ヒータの表裏の前記伝熱面の夫々に沿って、下部の前記入水口から上部の前記出水口まで形成されている、請求項1に記載の熱交換器。 - 前記ヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体上に抵抗体をパターン印刷して形成された発熱抵抗体と、電極とから成るセラミックヒータであり、前記印刷パターンの線幅は、前記入水口に近い部分より前記出水口に近い部分の方が太く形成されている、請求項1又は2に記載の熱交換器。
- 前記ヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体上に抵抗体をパターン印刷して形成された発熱抵抗体と、電極とから成るセラミックヒータであり、前記印刷パターンの線間の隙間は、前記入水口に近い部分より前記出水口に近い部分の方が狭く形成されている、請求項1又は2に記載の熱交換器。
- 前記流路スペースは、前記入水口の開口部を含む上流側スペースと、前記出水口の開口部を含む下流側スペースとを有し、前記上流側スペースと前記下流側スペースとの間には、他の部分よりも通流断面積の小さい絞り流路が設けられている、請求項2乃至4の何れかに記載の熱交換器。
- 前記流路スペースは、前記平板状ヒータの一方の伝熱面側と他方の伝熱面側とで対称的に形成されている、請求項5に記載の熱交換器。
- 前記上流側スペースよりも前記下流側スペースの方が大きい容量を有している、請求項5又は6に記載の熱交換器。
- 前記絞り流路は、前記下流側スペースへ向けて上向きに流体を流入させるべく、前記入水口近傍から略水平方向に向かって延設された水平絞り流路を有している、請求項5〜7の何れかに記載の熱交換器。
- 前記絞り流路は、前記下流側スペースへ向けてさらに水平向きに流体を流入させるべく、前記水平絞り流路において前記入水口から離隔する方の端部から、略垂直上方へ向かって延設された垂直絞り流路を有している、請求項8に記載の熱交換器。
- 前記絞り流路はスリット状を成し、該絞り流路は、他の部分よりも開口幅寸法の大きい拡幅部を有する、請求項5〜9の何れかに記載の熱交換器。
- 前記下流側スペースには、流体を撹拌させるための撹拌壁が前記平板状ヒータに沿って略上下方向に延設されており、前記撹拌壁は、水平方向に波打った形状を有している、請求項5〜10の何れかに記載の熱交換器。
- 前記下流側スペースには、前記平板状ヒータに沿って略水平方向へ延設されたバッファ壁が設けられている、請求項5〜11の何れかに記載の熱交換器。
- 前記バッファ壁は上下方向に複数並設されており、該バッファ壁には、平面視したときに上下に隣接するバッファ壁において互いに位置が異なるように切欠部が形成されている、請求項12に記載の熱交換器。
- 前記平板状ヒータを挟んで配設される一対の流路形成部材を備え、
前記流路形成部材は、前記平板状ヒータに対面配置される平板状のベース部と、該ベース部における前記平板状ヒータとの対向面に突設されたリブとを有し、
前記リブとこれに対向する前記平板状ヒータとによって、両者間にスリット状の前記絞り流路が構成されている、請求項5〜13の何れかに記載の熱交換器。 - 前記ヒータは、鉛直方向に対して略平行に配置された平板状ヒータであって、表裏2つの主面が前記伝熱面を成しており、
前記流路スペースは、前記平板状ヒータの表裏の前記伝熱面の夫々に沿って、下部の前記入水口から上部の前記出水口まで延設された蛇行流路に形成されている、請求項1に記載の熱交換器。 - 前記蛇行流路は、略水平方向へ延びて鉛直方向に並設された複数の壁部により画定され、前記入水口から前記出水口まで、流体を略水平方向の一方向へ導く流路と他方向へ導く流路とが交互に下方から上方へ設けられた構成となっており、
前記壁部の長手方向の途中部分には、上下に隣接する前記流路を連通する上下方向のバイパス路が形成されている、請求項15に記載の熱交換器。 - 前記蛇行流路及び前記バイパス路は、前記平板状ヒータの一方の伝熱面側と他方の伝熱面側とで対称的に形成されている、請求項16に記載の熱交換器。
- 複数の前記壁部に形成された前記バイパス路は、平面視したときの位置が略一致するようにして設けられている、請求項16又は17に記載の熱交換器。
- 前記平板状ヒータを挟んで配設される一対の流路形成部材を備え、
該流路形成部材は、前記平板状ヒータに対面配置される平板状のベース部と、該ベース部における前記平板状ヒータとの対向面に突設されて前記壁部を成す複数のリブと、を有し、
前記リブの長手方向の途中部分には、他の部分よりも該リブの先端が窪んで前記バイパス路を成す切欠部が形成されている、請求項16〜18の何れかに記載の熱交換器。 - 前記リブの切欠部は、切り欠き深さが大きくなるに従って切り欠き幅が小さくなるように平面視でテーパ状を成している、請求項19に記載の熱交換器。
- 前記リブの切欠部は、切り欠き幅の中央部分の切り欠き深さが大きくなるように平面視で円弧状を成している、請求項19に記載の熱交換器。
- 相対的に下方に設けられた前記リブよりも上方に設けられた前記リブの方が、切欠部の切り欠き幅が大きく形成されている、請求項19〜21の何れかに記載の熱交換器。
- 相対的に下方に設けられた前記リブには前記切欠部が形成されておらず、相対的に上方に設けられた前記リブに対して前記切欠部が形成されている、請求項19〜21の何れかに記載の熱交換器。
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