JP4411954B2 - 熱交換器とそれを備えた衛生洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷水を温水に加熱するヒータを備えた熱交換器と、それを用いて人体の局部を洗浄する衛生洗浄装置に関するものである。

従来、この種の熱交換器は、図１０に示すように、円筒状の基材パイプ１と外筒２からなる二重管構造をしている。そして、基材パイプ１の外面の一部にはヒータ部３が設けられている。また、基材パイプ１の内孔４には、らせん中子５が挿入されている（例えば、特許文献１参照）。

上記構成において、流体としての水は、基材パイプ１の内孔４を流れるものであり、その際、水は基材パイプ１の内孔４に挿入されたらせん中子５のねじ山６に沿って流れるも
のであり、ヒータ部からの熱と熱交換されて温水が吐出されるものである。
特開２００１−２７９７８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、基材パイプの外にヒータ部を設けているために、ヒータ部を熱絶縁して囲うための外筒が必要となり大きな構成となっていた。また、ヒータ部の熱が外部へ逃げるため熱交換効率が悪いという課題があった。

本発明は、小型で熱交換効率のよい熱交換器において、乱流生成手段を設けることで発熱部のスケール付着を低減することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、円柱状のシーズヒータにてなる発熱体と、前記発熱体の外周に設けた流路と、前記流路を囲うケースと、前記発熱体および前記ケースとは別部材を用いた乱流生成手段とを備え、前記乱流生成手段は、前記ケースに固定せず、水流から受ける流力により可動な状態で保持され、前記発熱体との間および前記ケースの内壁との間の両方に間隙を設けたものである。

これによって、発熱体の外周に流路を設けることで熱絶縁が流路によって行われるので、熱的な絶縁層を設ける必要がなく小型にすることができる。そして、発熱部を流路で囲うことで外部へ熱を逃がさない構成とすることができ、熱交換効率を高めることができる。

また、流路に設けた乱流生成手段によって、流路に乱流が生成されることで、発熱部表面や流路に発生するスケールなどの付着を防止することができる。

特に、乱流生成手段は、発熱体との間およびケースの内壁との間の両方に間隙を設けた構成により、乱流生成手段は発熱体に直接接触しないので、熱が乱流生成手段に伝熱されにくくなり、乱流生成手段の熱損傷を防げ、長寿命とすることができるとともに、乱流生成手段を介して発熱体からの熱がケースへ伝熱されにくくなるので、ケースの熱損傷が発生しにくくなる。

本発明の熱交換器は、シーズヒータにてなる発熱体の外周に設けた流路と、流路を囲うケースと、発熱体および前記ケースとは別部材を用いた乱流生成手段とを備え、前記乱流生成手段は、前記ケースに固定せず、水流から受ける流力により可動な状態で保持され、前記発熱体との間および前記ケースの内壁との間の両方に間隙を設けたことで、流路に乱流が生成され、発熱体表面に生成するスケールなどの付着物を剥離することができるので発熱体や流路へのスケール付着を防止することができ、小型で高効率を実現しかつ、特に、乱流生成手段は、発熱体との間およびケースの内壁との間の両方に間隙を設けた構成により、乱流生成手段は発熱体に直接接触しないので、熱が乱流生成手段に伝熱されにくくなり、乱流生成手段の熱損傷を防げ、長寿命とすることができるとともに、乱流生成手段を介して発熱体からの熱がケースへ伝熱されにくくなるので、ケースの熱損傷が発生しにくくでき、長寿命とすることができる。

第１の発明は、円柱状のシーズヒータにてなる発熱体と、発熱体の外周に設けた流路と、流路を囲うケースと、発熱体およびケースとは別部材を用いた乱流生成手段とを備え、乱流生成手段は、前記ケースに固定せず、水流から受ける流力により可動な状態で保持さ
れ、発熱体との間およびケースの内壁との間の両方に間隙を設けた構成とすることにより、乱流生成手段をケースあるいは発熱体に完全固定せずに、流れから受ける流力などにより、乱流生成手段を可動な状態で保持することによって、乱流がさらに生じて発熱体に付着したスケールが剥離可能となり、高効率を実現しかつ長寿命とすることができる。

さらに、乱流生成手段は、発熱体との間に間隙を設けた構成により、乱流生成手段は発熱体に直接接触しないので、熱が乱流生成手段に伝熱されにくくなり、乱流生成手段の熱損傷を防げ、長寿命とすることができる。

さらにまた、乱流生成手段は、ケース内壁との間に間隙を設けた構成により、乱流生成手段を介して発熱体からの熱がケースへ伝熱されにくくなるので、ケースの熱損傷が発生しにくくなる。

第２の発明は、特に、第１の発明の熱交換器を備えた衛生洗浄装置は、熱交換器を小型化することで衛生洗浄装置本体の小型化が実現でき、狭いトイレ空間にも容易に設置することができるとともに、スケールの付着を早期に防止することで、衛生洗浄装置の洗浄ノズルにスケール破片が詰まることを防止でき、長寿命で、かつ動作不良の発生しにくい装置とすることができる。

以下、参考形態および本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（参考形態１）
図１は、本発明の参考形態１における熱交換器の断面図を示すものである。

図１において、熱交換器は、加熱する発熱体としてのシーズヒータ７と、シーズヒータ７の外周を囲って流路８を構成するケース９と、ケース９の内壁には流路８を螺旋状に構成するためのケース９と一体となった乱流生成手段１０から構成されている。そして、入水口１１と、吐水口１２と、シーズヒータの電極端子１３、１４と、流路をシールするためのＯリング１５を備えている。また、図中１６の矢印は水の流れを示す。

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、作用を説明する。

まず、発熱体であるシーズヒータ７は、図２に示すように、酸化マグネシウム（図示せず）が封入された銅パイプ１７の中に電熱線１８がコイル状に配設されているものである。そして、その電熱線１８と接続された電極端子１３、１４に電気を通電することで電熱線１８が加熱され、銅パイプ１７に熱が伝わることで、銅パイプ１７の外周を流れる水が加熱されて温水となり、熱交換されるものである。

ここで、水は、図３に示すように、ケース９の中心から偏芯した側面位置に設けた入水口１１から入水し、銅パイプ１７の外周に流れ込み、さらに、ケース９の内壁に螺旋状に備えられた乱流生成手段１０によって、銅パイプ１７の外周を螺旋状に旋回して流れ、再び側面に設けた吐出口１２より吐出されることになる。ここで、螺旋状に設けた乱流生成手段１０は、螺旋状のピッチ間を構成する流路断面積が、ケース９と銅パイプ１７の間に構成されたドーナツ状の流路の断面積より狭くなるようなピッチで旋回させるようにした。この結果、乱流生成手段１０に沿って螺旋状に流れる旋回流の流速は、乱流生成手段１０がない場合に比べて速くなり、乱流が生成されることとなる。

また、ケース９と銅パイプ１７で囲まれた流路空間は、アスペクト比の大きな流路断面となり、流体が流れる距離が長くなると、徐々に整流効果が働き層流となりやすい特徴が
ある。しかし、本発明の参考形態１では、流れの方向が旋回流として、常に偏向していく流れであり、かつ流速を速くしているので乱流状態が継続し、銅パイプ１７と流体である水の境界層の領域が非常に狭くなる。その様子を示す流速分布図を、図４と図５に模式的に示す。このように、図４に示す層流で流速の遅い部分１９が、図５に示す乱流流速分布の境界層２０のように少なくなり、シーズヒータ７の銅パイプ１７に付着するスケールなどが蓄積することを防止することができる。

また、析出したスケール分は、乱流により生じた速い流れによって下流側に流されてしまう効果があるとともに、乱流の旋回流によってスケールが小さく砕かれて下流側に流れていくので、下流側で詰まることがない。そして、熱交換器内にスケールが付着しにくくなることによって、熱交換器としての寿命を延ばすことができる。また、螺旋状のスムーズな流れとすることで、速い流速でありながら、流路８の圧損を少なく実現できるとともに、乱流とすることで熱交換効率を向上することができ、小型化を実現することができる。

このように、発熱体７の外周に設けた流路８と、流路８を囲うケース９と、ケース９の内壁に乱流生成手段１０を備えた構成とすることにより、流路８を流れる水は、遠心力によりケース９の内壁に沿って流れるので、ケース９の内壁に備えられた乱流生成手段１０により最後まで乱流を保つことができる。さらに、流路８に乱流が生成されることで、発熱体７表面に発生するスケールなどの付着を防止することができる。また、流路８に乱流が生成されると、発熱体７表面に発生するスケールなどの付着物を乱流により剥離することができるので付着を防止することができ、高効率を実現しかつ長寿命とすることができる。また、ケース９と乱流生成手段１０を一体に構成することにより、組み立て性が向上する。

そして、発熱体７の外周に流路８を設けることで熱絶縁が流路によって行われるので、熱的な絶縁層を設ける必要がなく小型にすることができる。また、発熱部を流路で囲うことで外部へ熱を逃がさない構成とすることができ、熱交換効率を高めることができる。また、流速を速くすることで、気泡の発生を低減し、スケールの発生を抑制すると共に、銅パイプ１７表面の温度を低く抑えることができるので、沸騰音の発生を低減することができる。なお、銅パイプ１７で説明したが、ＳＵＳパイプなど他の金属パイプでも同様の効果がある。

また、乱流生成手段１０は、発熱体７との間に間隙Ａを設けた構成としたことにより、乱流生成手段１０は発熱体７に直接接触しないので、熱が乱流生成手段１０に伝熱されにくくなり、乱流生成手段１０の熱損傷を防げる。さらに、ケース９側へも伝熱されにくくなるので、ケース９の熱損傷も発生しにくくなり、長寿命とすることができる。

さらに、衛生洗浄装置に用いる場合は、流量が１００から２０００ｍＬ／分程度であるため、銅パイプ１７は外径が、φ３から２０ｍｍ程度で、螺旋のピッチは３から２０ｍｍ程度がよい。ケースの内径は、φ５から３０ｍｍの範囲で、流速を速めた構成とすることができ、乱流を生成することができる。また、乱流生成手段１０は、高さが０．１から３ｍｍ程度のものがよく加工性にも優れている。また、螺旋状の乱流生成手段１０のピッチは一定にしても、部分的にピッチを狭くしたり広くしたり、徐々に変化させることでも可能である。

さらに、乱流生成手段１０を流路８全体に設けた例を示したが、乱流を保つことができスケール付着を軽減できる構成とすることができれば、乱流生成手段１０は流路８の一部に設けても何ら問題はない。

また、乱流生成手段１０は、ケース９と一体になっている例を示したが、乱流発生手段１０は、ケース９に接着されていたりしても、ケース９内壁と接して、乱流を保つ構成となっていれば何ら問題はない。

また、乱流の生成として説明したが、乱流とは、流れの方向が変化する乱れや、流速が変化する乱れなどを総称して乱流と称していることを付記しておく。その意味から、本発明では乱流生成手段１０を螺旋状のものとして説明したが、螺旋状以外に流れを乱すような乱れ促進翼やガイドのようなものでもスケールの付着防止効果は得られる。

（参考形態２）
図６、７は本発明の参考形態２の熱交換器の断面図である。参考形態１に示した図１と異なる点は、発熱体としてのシーズヒータ７の表面に流路９を螺旋状に構成するための乱流生成手段１０をシーズヒータ７と一体になるように備えた点である。その他は図１に示した参考形態１と同様であり、同一番号を伏して詳細な説明を省略する。

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、作用を説明する。

発熱体としてのシーズヒータ７表面に乱流生成手段１０を備えた構成とすることにより、シーズヒータ７の表面積が大きくなり放熱性が向上し、発熱体７の表面温度上昇が抑えられ、発熱体７表面に生成するスケールの付着を防止することができる。さらに、シーズヒータ７のワット密度も低くなり、高効率を実現しかつ長寿命とすることができる。また、シーズヒータ７の表面積が大きくなるので、シーズヒータ７のワット密度を上げることも可能となり、応答性が向上する。また、シーズヒータ７と乱流生成手段１０を一体に構成することにより、組み立て性が向上する。なお、乱流発生手段１０は、発熱体７に接着されていたり、ロウ付けされていたりしても、発熱体７と接してさえいれば同様の効果が得られる。また、乱流生成手段１０を発熱体７全長に設けた例を示したが、乱流を生成しスケール付着を軽減できる構成とすることができれば、乱流生成手段１０は発熱体７の一部に設けても何ら問題はない。

また、ケース９内壁との間に間隙Ｂを設けた構成とすることにより、乱流生成手段１０を介してシーズヒータ７からの熱がケース９へ伝熱されにくくなるので、ケースの熱損傷が発生しにくくなり、長寿命とすることができる。さらに、螺旋状に流れる水は遠心力によって、ケース９内壁に沿って流れようとするため、剥離したスケールはケース９内壁に沿って流れ、乱流生成手段１０に引っかかり再びシーズヒータ７表面に堆積するのを防止でき、長寿命とすることができる。

（実施の形態１）
図８は本発明の第１の実施の形態の熱交換器の断面図である。参考形態１に示した図１と異なる点は、流路９を螺旋状に構成するための乱流生成手段１０を別部材とした点である。その他は図１に示した参考形態１と同様であり、同一番号を伏して詳細な説明を省略する。

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、作用を説明する。

ケース９とは別部材を用いた乱流生成手段１０を備える構成にすることによって、乱流生成手段１０は、ケース９に完全固定せずに、流れから受ける流力などにより、乱流生成手段１０を可動な状態で保持することによって、乱流がさらに生じて発熱体７に付着したスケールが剥離可能となり、高効率を実現しかつ長寿命とすることができる。さらに、水道水のスケール成分の少ない地域や、水道水圧の低い地域で使用する場合は、低圧損となるように、別部材の乱流生成手段１０を取り外して、乱流生成手段１０を圧力損失が低く
なるように形状を変更したり、取り付ける場所を流速の遅くなる場所に取り付けたりすることで、低圧損かつ流速を速めて乱流を発生させることでスケールの付着を防止することができる。

また、乱流生成手段１０は、発熱体７との間に間隙を設けた構成とすることにより、乱流生成手段１０は発熱体７に直接接触しないので、熱が乱流生成手段１０に伝熱されにくくなり、乱流生成手段１０の熱損傷を防げ、長寿命とすることができる。さらに、熱が乱流生成手段１０に伝熱されにくくなるので、乱流生成手段１０は樹脂などの加工性の良い材料で製造することができ、軽量とすることができる。なお、乱流発生手段１０は、全ての範囲において発熱体７との間に間隙を設ける必要はなく、例えば、乱流発生手段１０と発熱体７とが一部で接していても何ら問題はない。

また、乱流生成手段１０は、ケース９内壁との間に間隙を設けた構成とすることにより、乱流生成手段１０を介して発熱体７からの熱がケース９へ伝熱されにくくなるので、ケース９の熱損傷が発生しにくくなり、長寿命とすることができる。さらに、水は遠心力によって、ケース９内壁に沿って流れようとするため、剥離したスケールはケース９内壁に沿って流れ、乱流生成手段１０に引っかかり再びシーズヒータ７表面に堆積するのを防止でき、長寿命とすることができる。なお、乱流発生手段１０は、全ての範囲においてケース９内壁との間に間隙を設ける必要はなく、例えば、乱流発生手段１０とケース９内壁とが一部で接していても何ら問題はない。

（実施の形態２）
図９は本発明の第２の実施の形態の衛生洗浄装置を示す断面図である。そして、実施の形態１の熱交換器を用いた衛生洗浄装置の構成であり、便器３１の上に暖房便座３２と衛生洗浄装置本体３３を設置している。そして、衛生洗浄装置本体３３の中に、熱交換器３４を備え、熱交換された温水が洗浄ノズル３５から噴出して人体３６の局部を洗浄するものである。そして、衛生洗浄装置本体の中には主用部品として遮断弁３７と流量制御装置３８を備えている。その他、制御基板などの部品は、省略する。

このような衛生洗浄装置において、小型でスケールの付着の少ない熱交換器を衛生洗浄装置の本体に内蔵することで、本体の小型化を実現すると共に、熱交換器の長寿命化とともに衛生洗浄装置としての寿命も伸ばすことができ、熱交換器はもとより洗浄ノズルなどが詰まることがなく動作の安定した衛生洗浄装置とすることができる。

特に、円筒状の小型熱交換器とすることで、伸縮する洗浄ノズルの設置によって死空間となっていたノズルの下部に、熱交換器３４を設置することができ、本体全体の小型化に貢献できる。

また、スケールが付着しにくい熱交換器ということで、スケールの流出も抑制されているので、洗浄ノズル３５や流量制御装置３８などでスケールが詰まることなく、安定した動作で長期間使用でき、これは衛生洗浄装置に適しており、これを用いた衛生洗浄装置は、安定した動作で長期間使用できる装置となる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、ケース内壁に乱流生成手段を備えることで、流路に乱流が生成され、発熱部表面に発生するスケールなどの付着物を剥離することができるので付着を防止することができ、小型で高効率を実現しかつ長寿命とすることができる。そして、それを用いた衛生洗浄装置は、熱交換器を小型化することで衛生洗浄装置本体の小型化が実現でき、狭いトイレ空間にも容易に設置することができるとともに、長寿命で、かつ動作不良の発生しにくい装置とすることができる。

本発明の参考形態１における熱交換器の断面図 同熱交換器の断面図 同熱交換器の断面図 熱交換器内の流れ分布図 熱交換器内の流れ分布図 本発明の参考形態２における熱交換器の断面図 同熱交換器の断面図 本発明の実施の形態１における熱交換器の断面図 本発明の実施の形態２における衛生洗浄装置の断面図 本発明の従来例を示す熱交換器の断面図

７ 発熱体であるシーズヒータ
８ 流路
９ ケース
１０ 乱流生成手段
３３ 衛生洗浄装置
３４ 熱交換器
Ａ、Ｂ 間隙

Claims (2)

1. 円柱状のシーズヒータにてなる発熱体と、
   前記発熱体の外周に設けた流路と、
   前記流路を囲うケースと、
   前記発熱体および前記ケースとは別部材を用いた乱流生成手段とを備え、
   前記乱流生成手段は、前記ケースに固定せず、水流から受ける流力により可動な状態で保持され、前記発熱体との間および前記ケースの内壁との間の両方に間隙を設けた熱交換器。
2. 請求項１記載の熱交換器を備えた衛生洗浄装置。

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