JP4574151B2 - 人体洗浄装置及び瞬間式水加熱器 - Google Patents

Description

本発明は、瞬間的に加熱された洗浄水を人体に向け吐出する人体洗浄装置、そして人体洗浄装置に用いるのに特に好適である、流路中を流れる水を瞬間的に加熱するヒータ、及びそのヒータを用いた水加熱器に関する発明である。

従来の流路中を流れる水を瞬間的に加熱するいわゆる瞬間加熱式ヒータを使用した身近な商品として、人体局部洗浄装置がある。以下、人体局部洗浄装置を例に、背景技術の説明を行なう。
従来の瞬間的に加熱された洗浄水を人体に向け吐出する人体局部洗浄装置として、図６に示すようなものがある。（特許文献１参照）本装置では、水道本管から分岐された水道水（冷水）を本体ケーシング１０１内に配設される水閉止弁１０２を開閉することにより人体局部洗浄装置内に引き込み、洗浄水加熱手段１０３に備えられたヒータ（図示せず）で瞬間的に加熱し、その加熱された洗浄水を洗浄ノズル１０９より人体局部に向けて噴出させ、人体局部を洗浄する。
洗浄水を予め貯湯タンク内で温め、貯留しておく貯湯式の人体局部洗浄装置では、常に洗浄水を保温しておかないといけないため、装置の非使用時にも電力を消費してしまうのに対して、装置使用時にのみ洗浄水を瞬間的に加熱する瞬間式の人体洗浄装置では、装置使用待機時の洗浄水保温の必要がないため、貯湯式に比べて消費電力が少なくて済むという利点があった。
特開２００１−３３６２０３（第４頁、第２図、第３図）

その一方、瞬間式の洗浄水加熱手段に用いられるヒータは、流路中を流れる洗浄水を瞬間的に加熱する必要があるため、貯湯式のヒータに比べて一般的に瞬間消費電力が高く、そのため洗浄水加熱時のヒータ表面温度は貯湯式のものに比べて高温となり、気泡が発生しやすい。また、ここで発生した気泡は、ヒータ表面から離脱するまで加熱されるため周囲の洗浄水に比べて高温になっている。ヒータへの通電量を制御して洗浄水を設定された温度に保つよう、加熱された洗浄水の温度を検知するためにヒータの下流に設けられた湯温センサ（図示せず）が、ヒータ表面から離脱した高温気泡の温度を検知してしまうと検知温度が安定せず、特に高速な制御応答性を必要とする瞬間加熱式の熱交換器のヒータ通電制御においては、洗浄水温の制御性に影響を与え、洗浄水温が不安定になってしまう。その際、ヒータ表面からの気泡離脱性が悪く、気泡がヒータ表面で大きく成長してしまうと、気泡はより高温に加熱され、熱容量も増加するため、湯温センサで検知されやすくなり、検知温度がより大きくばらつき、洗浄水温制御性に大きな影響を与えてしまうという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題はヒータ表面に発生する気泡の離脱性を向上させ、加熱された洗浄水中に混入する気泡径を小さく抑えることにより、特に瞬間式熱交換器による洗浄水温の制御性を向上させることである。

かかる課題を解決するためになされた第１の発明（請求項１）における人体局部洗浄装置では、瞬間的に加熱された洗浄水を人体に向け吐出する人体洗浄装置において、洗浄水を供給する給水路と、前記給水路に接続し、供給された洗浄水を流水させる熱交換流路と、前記熱交換流路内に設けられ、前記洗浄水を流水させながら瞬間的に加熱するシーズヒータと、前記シーズヒータによって加熱された洗浄水の温度を検知する湯温検知手段と、前記湯温検知手段の信号を取り込むとともに、前記シーズヒータの制御を行う制御部と、前記熱交換流路の下流に設けられ、前記洗浄水を噴出する洗浄ノズルと、を備え、前記シーズヒータと前記熱交換流路は、直管形状であり、且つ略同軸上に配置し、前記シーズヒータの発熱部における前記熱交換流路の断面積を略一定となるよう構成し、前記シーズヒータの表面に親水化処理を施したことを特徴とした。シーズヒータの表面を親水化処理し、濡れ性が向上すると、シーズヒータの表面で発生した気泡とシーズヒータの表面との間に水が回り込みやすくなり、気泡の離脱性が向上する。それによって、加熱された洗浄水中に混入する気泡径を小さく抑えることができ、洗浄水温の制御性を向上させることが可能となる。

また、水を加熱するヒータとしてはセラミックヒータやシーズヒータなどがあるが、シーズヒータの表面部材として一般的に用いられているステンレス材は、セラミックに比べて親水性に劣る。しかしシーズヒータの表面に親水化処理を施すことによって気泡の離脱性を向上させ、洗浄水温の制御性を向上させることができる。よって、セラミックヒータよりも比較的安価なシーズヒータも加熱手段として人体局部洗浄装置に適用することが可能となる。

またさらに、熱交換流路断面積が一定でない場合は、シーズヒータ表面を通過する洗浄水の流速が変化し、シーズヒータ周囲の洗浄水に与える熱量が局所的に変化してしまうため、洗浄水に与える熱量が大きい箇所では気泡が多く発生し、その気泡が結合して大きく成長してしまうことがある。そこで熱交換流路断面積を略一定にすることにより、熱交換流路を流れる洗浄水の流速が略一定となるため、シーズヒータから洗浄水に与える熱量が常に略一定となり、局所的に気泡が多く発生し、その気泡が結合して大きく成長してしまうことを抑えることが可能となる。

またさらに、前記シーズヒータと前記熱交換流路は、直管形状であることを特徴とした。シーズヒータや熱交換流路が屈曲している場合は、熱交換流路内の洗浄水の流速分布が均一でなくなり、流速が遅い箇所、特に屈曲流路の内側部分ではよどみ点が発生してヒータが洗浄水に与える熱量が大きくなるため、気泡が多く発生し、その気泡が結合して大きく成長してしまうことがある。そこでシーズヒータと熱交換流路を直管形状にすることにより、熱交換流路を流れる洗浄水の流速を局所的に変化させることがなくなるため、シーズヒータから洗浄水に与える熱量が局所的に増加する箇所をつくることなく、局所的に気泡が多く発生し、その気泡が結合して大きく成長してしまうことを抑えることが可能となる。

またさらに、シーズヒータと熱交換流路が同軸上に配置されていない場合は、シーズヒータ表面から熱交換流路内面までの距離が狭くなっている箇所で、局所的に温度が上昇してしまい、そのため気泡が多く発生し、その気泡が結合して大きく成長してしまうことがある。そこでシーズヒータと熱交換流路を略同一軸上に配置させることにより、シーズヒータが洗浄水に与える熱量が均一となり、局所的に気泡が多く発生し、その気泡が結合して大きく成長してしまうことを抑えることが可能となる。

またさらに、前記シーズヒータの下流側かつ前記湯温検知手段の上流側に前記洗浄水中の気泡を破砕する気泡破砕手段を備えたことを特徴とした。湯温検知手段の上流側に気泡破砕手段を備えることにより、シーズヒータ表面で発生、離脱して洗浄水中に混入した気泡が湯温検知手段まで到達する前に結合することがあっても、気泡破砕手段にて再び気泡を微細化することができ、湯温検知手段での洗浄水温検知温度が安定させることが可能となる。

請求項２における人体局部洗浄装置では、前記気泡破砕手段は格子状平板であることを特徴とした。格子状平板とすることで、簡便な構造にて気泡破砕手段を実現することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、ヒータ表面に親水化処理を施すことによって、ヒータ表面に発生する気泡の離脱性を向上させ、加熱された洗浄水中に混入する気泡径を小さく抑えることができる。それにより、ヒータへの通電量を制御して洗浄水を設定された温度に保つよう、加熱された洗浄水の温度を検知するためにヒータの下流に設けられた湯温検知手段での検知温度を安定させ、洗浄水温制御性を向上させることが可能となる。更には、熱交換流路内の洗浄水の流れを均一かつ安定化させる構成としたり、気泡破砕手段を備えたり、熱交換流路内面の表面を気泡の付着し難い性状とし、加熱された洗浄水中に混入する気泡径を小さく保つことによって、洗浄水温制御性をより向上させることも可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面に基づき説明する。
本発明における実施の形態による人体局部洗浄装置の水路図を図１に示す。ここで図１は、洗浄水の供給系を示す概略構成図である。
図１において、洗浄水を供給する給水配管１１には、上流側から順に、圧力調整弁１２、電磁弁１３、熱交換器１４が接続されている。また熱交換器１４の上流側には、熱交換器１４に供給される洗浄水の温度を検知する冷水サーミスタ２３が設けられている。熱交換器１４の出口部には、バキュームブレーカ３３が接続されており、バキュームブレーカ３３の下流は安全弁１５において二方に分岐し、一方は余剰の水を便器内に直接排出するための捨水配管１６へ、他方は流路切替兼流量調整弁１８が接続されている。流路切替兼流量調整弁１８の下流は二方に分岐し、一方は捨水路１９へ、他方はアキュームレータ２９を介して脈動発生装置１７に接続されている。脈動発生装置１７の下流には、流路切替弁２０を介して洗浄水を人体へ噴出する洗浄ノズル２１へ接続されている。なおこの例では、流路切替弁２０は洗浄ノズル２１と一体的に構成されている。

洗浄ボタン（図示せず）が押されると、電磁弁１３が開弁し、洗浄ノズル２１は装置内に収納された状態で流路への通水が開始される。通水を開始した洗浄水は、圧力調整弁１２によって所定の圧力まで減圧されるため、熱交換器１４に供給される洗浄水の給水圧力は常に一定に保たれる。熱交換器１４に供給された洗浄水は、所定の温度まで瞬間的に加熱され、流路切替兼流量調整弁１８によって所定の流量に調整されたうえで、洗浄ノズルの全てのノズル流路２５，２６，２７から吐出され、流路内の予熱を行う。流路内の予熱が充分に行われたら、流路切替兼流量調整弁１８によって捨水路１９への通水に切り替えられたうえで洗浄ノズル２１が所定の洗浄位置まで進出する。捨水路１９はノズル装置３５内に設けられたノズル洗浄室（図示せず）に接続されており、洗浄ノズル２１は胴体を洗浄されながら伸出する。また、洗浄ノズル２１の進出中には、ノズル内流路が流路切替弁２０によって所定の位置に切り替えられる。洗浄ノズル２１が所定の位置まで進出を完了すると、流路切替兼流量調整弁１８によって、洗浄ノズル２１側へと通水が切り替えられ、所定のノズル流路から、所定の流量にて洗浄水が吐出する。

瞬間加熱式の人体洗浄装置は、貯湯式と違い、充分温かい温度まで加熱できる洗浄水の流量が制限されているが、加熱された洗浄水は脈動発生装置１７によって脈動を与えられた状態で吐出されるため、少ない流量でも洗浄力とたっぷり感を確保した状態での洗浄が可能となる。本実施の形態では、脈動発生装置１７の上流にアキュームレータ２９を設けており、脈動発生装置１７で発生した圧力の脈動が上流へ伝播するのを防ぎ、熱交換器１４への影響を防止している。

洗浄水を所定の温度まで加熱するためのヒータ２２への通電制御は、冷水サーミスタ２３にて検知される熱交換器１４への入水温度と、温水サーミスタ２４にて検知される加熱された水温を制御部２８に取り込むことによって、フィードフォワード制御とフィードバック制御の組合せにて行われる。

次に、熱交換器１４の詳細構造について説明する。
図２は、本発明における実施の形態による熱交換器の断面図である。
熱交換器本体４２には、直管形状の熱交換流路５９が設けられており、支持部材５６ａ，ｂにて、熱交換流路５９と同軸にシーズヒータ４１が支持されている。またシーズヒータ４１の軸方向の位置決めは、固定部材５４ａ，ｂにて行っている。熱交換流路５９とシーズヒータ４１の気密性は、Ｏリング５３にて保たれており、Ｏリング５３はバックアップリング６０にて位置決めされている。シーズヒータ４１の外形はφ８、熱交換流路５９の内径はφ１３であり、流路のクリアランスは２．５ｍｍとなっている。熱交換流路５９の一端には入水口５５が設けられており、ここから加熱するための洗浄水が給水される。熱交換流路５９の上流側端近傍には、シーズヒータ４１と同軸に整流板５８が配置されており、熱交換流路５９内の流速分布均一化を図っている。そうすることにより、シーズヒータ４１周囲を流れる洗浄水がヒータ表面から受ける熱量を均一にすることができ、シーズヒータ４１表面の温度分布が均一となり、局所的な温度上昇による大きな気泡の発生やヒータ発熱線の断線、耐久性の劣化、洗浄水の温度ムラなどを防止することが可能となる。整流板５８の構造は、図４に示すように、シーズヒータ４１が貫通するための穴が中心に開いており、その周囲に複数の絞り部８１が均等に円周配置された構成となっている。ヒータ周囲を流れる洗浄水流速が均一でない場合は、この複数の絞り部８１で高い流速成分をより大きく減速させることによって、熱交換流路５９内の流速分布の均一化を図ることができる。なお、本実施の形態による構造だけでなく、例えば、入水口５５を、熱交換流路５９の中心軸に対して偏心して配置させ、熱交換流路５９を流れる洗浄水を螺旋流としたり、入水口５５部分に圧力緩衝室を設け、入水口５５からの洗浄水の流入流速を充分低減させてから熱交換流路５９へと洗浄水を導くようにしたり、入水口５５を熱交換流路５９の中心軸に対して対称に複数配置することで、入水口５５からの洗浄水の流入流速を相殺させるなどといった構造をとることでも熱交換流路５９内の流速分布均一化を図ることが可能である。

入水口５５から供給され、整流板５８によって整流された洗浄水は、熱交換流路５９内を流れながらシーズヒータ４１によって瞬間的に加熱される。その際、加熱されることにより洗浄水中に溶存している空気が飽和状態に達すると、ヒータ表面に気泡として析出、付着し、その大きさはだんだん成長していく。ある程度の大きさまで達してヒータ表面から離脱し洗浄水中に混入した気泡は、加熱された洗浄水に比べて高温であるため、熱交換流路５９の下流に設置された温水サーミスタ４３で気泡温を検知してしまうと正確な洗浄水温が検知できなくなり、洗浄水温制御性に悪影響を与えることとなる。洗浄水中に混入した気泡が小さいものであれば、温水サーミスタ４３での検知水温に与える影響の度合いは小さいが、ヒータ表面での気泡の離脱性が悪ければ悪いほど、ヒータ表面で気泡が大きく成長し、洗浄水温制御性に与える影響も大きくなってしまう。

そこで、本発明における実施の形態ではヒータ表面に親水化処理を施すことによって、気泡の離脱性を向上させ、洗浄水中に混入する気泡のサイズをできるだけ小さく保ち、温水サーミスタ４３での検知温度の安定化を図ることとした。

図３は、本発明の実施の形態におけるヒータ断面図である。
シース管７１の表面をシリカ系材料皮膜７４にて被覆し、シース管の材質であるステンレス材に比べ、ヒータ表面での水の濡れ性を向上させている。濡れ性が向上し、ヒータ表面での水の接触角が小さくなることで、気泡のヒータ表面への接触面積が小さく、即ち気泡とヒータ表面の間に洗浄水が回り込みやすくなり、気泡の離脱性が向上する。それによって気泡が大きく成長する前に、ヒータ表面から気泡を離脱させることができ、洗浄水中に混入する気泡を小さく保つことが可能となる。

ここで親水性皮膜としては、シリカ系材料だけでなく、アルミナやジルコニアなど、親水性の高い素材であれば、同様な効果が得られることは言うまでもない。皮膜処理の方法としては、ディッピングやスプレー塗布などが可能であり、皮膜素材の結晶化のために焼付処理などを行う際は、ヒータの製造工程での通電検査時に、結晶化処理も併せて済ませてしまうことなども可能である。また、シリカやアルミナ、ジルコニアなど、無機化合物の皮膜処理については、エアロゾルディポジット法（ＡＤ法）を採用することで、皮膜の耐久性を格段に向上させることも可能である。

また、熱交換流路５９の内面を鏡面状態として気泡の付着性を低く抑えることで、洗浄水中に混入した気泡が流路内壁に付着、成長してしまうことを防止することが可能である。熱交換器本体４２が樹脂製の場合、成形金型を鏡面仕上げすることで簡便に上述の効果を得ることができる。更には、熱交換流路５９の内面にも親水性処理を施すことにより、気泡の付着、成長をより効果的に防止することも可能である。

熱交換流路５９と温水サーミスタ４３の間には、気泡破砕板５２を配置しており、洗浄水中に混入した気泡が万一結合、成長してしまった場合でも、気泡を再び細かく破砕することにより、洗浄水温の検知性能をより向上することが可能となる。本実施の形態において、気泡破砕手段５２は図５に示すように、リング状部材にステンレス若しくは樹脂のメッシュ９１を一体化させた構造をとっている。これにより、ヒータ表面で発生、離脱した気泡が洗浄水中で結合、成長することがあっても、確実にメッシュサイズ以下の気泡に破砕し、洗浄水温の検知性能を確保し、洗浄水温の安定化を図ることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、ヒータ表面に親水化処理を施すことによって、ヒータ表面で発生する気泡の離脱性を向上させ、加熱された洗浄水中に混入する気泡径を小さく抑えることができる。それにより、ヒータへの通電量を制御して洗浄水を設定された温度に保つよう、加熱された洗浄水の温度を検知するためにヒータの下流に設けられた湯温検知手段での検知温度を安定させ、洗浄水温制御性を向上させることが可能となる。更には、熱交換流路内の洗浄水の流れを均一かつ安定化させる構成としたり、気泡破砕手段を備えたり、熱交換流路内面の表面を気泡の付着し難い性状とし、加熱された洗浄水中に混入する気泡径を小さく保つことによって、洗浄水温制御性をより向上させることも可能となる。

なお、上記の実施の形態で説明したヒータは、最良の実施形態であるシーズヒータを例に説明したがこれに拘泥されるものではなく、本発明をマイクロヒータに適用することも可能である。

本発明における実施の形態による人体洗浄装置の水路図 本発明における実施の形態による熱交換器の断面図 シーズヒータの断面図 整流板の構造図 気泡破砕板の構造図 従来技術における温水洗浄装置のブロック図

符号の説明

１１ 給水配管（給水路）
１４ 熱交換器（洗浄水加熱手段）
２１ 洗浄ノズル
２８ 制御部
３０ フロートスイッチ
３１ 整流手段
３２ 気泡破砕手段
４１ ヒータ
４３ 温水サーミスタ（湯温検知手段）
４４ フロートスイッチ
４５ フロート
４６ バキュームブレーカ
４７ コマ
４８ 安全弁
４９ コマ
５０ スプリング
５１ 出水口
５９ 熱交換流路
６０ バックアップリング
７２ 充填材
７３ 発熱線

Claims (2)

1. 瞬間的に加熱された洗浄水を人体に向け吐出する人体洗浄装置において、
   洗浄水を供給する給水路と、
   前記給水路に接続し、供給された洗浄水を流水させる熱交換流路と、
   前記熱交換流路内に設けられ、前記洗浄水を流水させながら瞬間的に加熱するシーズヒータと、
   前記シーズヒータによって加熱された洗浄水の温度を検知する湯温検知手段と、
   前記湯温検知手段の信号を取り込むとともに、前記シーズヒータの制御を行う制御部と、
   前記熱交換流路の下流に設けられ、前記洗浄水を噴出する洗浄ノズルと、を備え、
   前記シーズヒータと前記熱交換流路は、直管形状であり、且つ略同軸上に配置し、
   前記シーズヒータの発熱部における前記熱交換流路の断面積を略一定となるよう構成し、
   前記シーズヒータの表面に親水化処理を施し、
   前記シーズヒータの下流側かつ前記湯温検知手段の上流側に前記洗浄水中の気泡を破砕する気泡破砕手段を備えたことを特徴とする人体洗浄装置。
2. 請求項１に記載の人体洗浄装置において、
   前記気泡破砕手段は格子状平板であることを特徴とする人体洗浄装置。

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