(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、流体が流れる複数の流体用貫通孔の一部を規定している開口部を備え、第１及び第２の端部の間を延びる熱伝導体を形成する、複数の層を形成する工程と、
前記熱伝導体に関連させてヒータを取り付け、前記複数の流体用貫通孔は、同心状に延びている通路内のこのヒータを囲み、このヒータは、作動された場合、前記熱伝導体に熱を供給する、工程と、
前記複数の流体用貫通孔の各々の一端で流体入口を規定し、これら複数の流体用貫通孔の各々の対向する端で流体出口を規定し、前記流体入口と流体出口との間で、前記複数の流体用貫通孔を通る、らせん状で並列している複数の流路を規定し、前記複数の流体用貫通孔内の流体は、前記熱伝導体から熱を吸収する、工程と、
個々に形成された前記複数の層を互いに重ね合わせ前記熱伝導体を形成し、対向する前記第１及び第２の端部の間にらせん状の前記複数の流路を規定し、これららせん状の流路は、互いに相対的に周方向の距離だけオフセットされた、前記複数の貫通孔を備えている隣接する層で形成され、この結果、前記第１及び第２の端部の間で前記層のスタックを通して前記複数の流体用貫通孔は、階段状の流路を規定している、工程とを具備する流体ヒータを製造するための方法。
【請求項２】
前記複数の流体用貫通孔は、同一の流れ断面積を備えている請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記熱伝導体内に前記ヒータを受容する、ヒータ用貫通孔の一部を規定する他の開口部を形成する工程をさらに具備し、
前記熱伝導体は、同心状で周方向に離間している第１及び第２のリングを有し、これら第１及び第２のリングには、前記複数の流体用貫通孔と、前記ヒータ用貫通孔とを配置が配置されている請求項１に記載の方法。
【請求項４】
最も内側の前記第１のリング中での複数の前記ヒータ用貫通孔の最大断面寸は、最も外側の前記第２のリングでの前記複数の流体用貫通孔の最大断面寸法よりも小さく形成されている請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記層の各々が、前記複数の流体用貫通孔の一部を規定している開口部と、前記ヒータ用貫通孔を規定している他の開口部とを備えている請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の流体用貫通孔の各々を備えている個々の層が形成され、この個々に形成された層が組立てられ、対向する前記第１及び第２の端部の間でらせん状の前記流路が規定され、前記層に形成されている前記複数の流体用貫通孔は、隣接している層に形成されている前記複数の流体用貫通孔の位置から周方向にオフセットされる一方、組立てられた場合に、直線状の経路を規定するように同心状に整列させて複数の前記ヒータ用貫通孔が形成される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記層を組立てている間、前記層の各々が隣接する層から周方向にオフセットされる請求項５に記載の方法。
【請求項８】
同心状に整列された前記複数の流体用貫通孔を備えた複数の層を形成する工程と、
同心状に整列された前記複数の流体用貫通孔を備えた他の組の層を形成する工程と、
前記層を組立てる間に、各組の前記層を互いに周方向にオフセットする工程とをさらに具備する請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の流体用貫通孔の断面平面に径方向に位置している長手方向の複数の軸に対して同心状に位置する共通の円を規定するように、前記断面平面に径方向に位置している長手方向の複数の軸を有している前記熱伝導体にヒータを受容する他の複数の貫通孔を形成し、これらヒータを受容する他の複数の貫通孔は、前記ヒータを受容するために適合されている、工程をさらに具備する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
各々が複数の流体用貫通孔の一部を規定している開口部を備えている複数の層から形成され、第１及び第２の端を通って延びている熱伝導体と、
前記熱伝導体と関連し、作動された場合、前記熱伝導体に熱を供給するヒータであって、前記複数の流体用貫通孔が、同心状に延びている経路内の前記ヒータを囲んでいる、ヒータと、
前記複数の流体用貫通孔の各々の一端で規定されている流体入口と、これら流体用貫通孔の各々の対向する端で規定されている流体出口とであって、これら流体入口と流体出口との間で、前記複数の流体用貫通孔を通して、らせん状で並列している複数の流路を規定し、前記複数の流体用貫通孔内の流体は、前記熱伝導体から熱を吸収する、流体入口と、流体出口とを具備し、
前記複数の流体用貫通孔の各々は、隣接する層の前記複数の流体用貫通孔から周方向の距離だけオフセットされた、前記複数の流体用貫通孔を備えている隣接する層を重ねることにより、前記第１及び第２の端の間の前記層のスタックを通して、前記複数の流体用貫通孔内で、階段状の前記複数の流路を規定している、流体のヒータ装置。
【請求項１１】
前記複数の流体用貫通孔は、同一流れ断面積を有している請求項１０に記載のヒータ装置。
【請求項１２】
前記熱伝導体は、ヒータを受容する、ヒータ用貫通孔の一部を規定する、この熱伝導体に形成されている他の開口部をさらに有し、複数の前記ヒータ用貫通孔と、前記複数の流体用貫通孔とは、前記熱伝導体で同心状で周方向に離間された第１及び第２のリングに配置されている請求項１１に記載のヒータ装置。
【請求項１３】
最も内側の前記第１のリングの前記複数のヒータ用貫通孔の最大断面寸法は、最も外側の前記第２のリングの前記複数の流体用貫通孔の最大断面寸法より小さい請求項１２に記載のヒータ装置。
【請求項１４】
前記熱伝導体は、複数の層で形成されており、各層は、この層を通っている、前記複数の流体用貫通孔の一部を規定する開口部と、前記ヒータ用貫通孔の一部を規定する開口部とを有している請求項１２に記載のヒータ装置。
【請求項１５】
前記複数の流体用貫通孔は、隣接する層の前記複数の流体用貫通孔から周方向距離だけオフセットされ、前記スタックの第１及び第２の端の間の層のスタックを通る前記複数の流体用貫通孔に階段状でらせん状の進みが生じている一方で、隣接する層の前記複数のヒータ用貫通孔は、直線状の経路を規定するように、互いに同軸状の配置を維持されている請求項１４に記載のヒータ装置。
【請求項１６】
各層の前記複数の流体用貫通孔は、隣接する層の前記複数の流体用貫通孔から周方向にオフセットされている請求項１５に記載のヒータ装置。
【請求項１７】
組立てられた状態で、複数の層が、互いに同心状に整列された前記複数の流体用貫通孔を備えて積み重ねられ、互いに同心状に配列された前記複数の流体用貫通孔を備えている同数の層からなるスタックに隣接して重ねられ、これら同数の複数のスタックの界面では、前記複数の流体用貫通孔は、互いに対して周方向にオフセットされている請求項１５に記載のヒータ装置。
【請求項１８】
前記ヒータは、少なくとも１つの円柱状のヒータ素子を有している請求項１０に記載のヒータ装置。
【請求項１９】
前記ヒータは、複数のヒータ素子を有している請求項１０に記載のヒータ装置。
【請求項２０】
前記複数のヒータ素子の各々の作動を制御するコントローラをさらに具備している請求項１９に記載のヒータ装置。
【請求項２１】
前記ヒータの作動を制御するコントローラをさらに具備している請求項１０に記載のヒータ装置。
【請求項２２】
前記複数の流体用貫通孔の断面平面で径方向に位置している長手方向の複数の軸に対して同心状に位置している共通の円を規定している断面平面で径方向に位置している長手方向の複数の軸を有している前記熱伝導体に形成された少なくとも１つの他のヒータを受容する貫通孔をさらに具備し、前記他のヒータを受容する貫通孔は、前記ヒータを受容するように適合され、前記ヒータは、前記熱伝導体を加熱し、前記熱伝導体からの熱が、この熱伝導体内の複数の流体用貫通孔内の流体により吸収されることを可能とする請求項１０に記載のヒータ装置。
【請求項２３】
前記熱伝導体は、各々が、前記流体用貫通孔の一部を規定している開口部と、この熱伝導体を通る前記ヒータを受容するためのヒータ用貫通孔の一部を規定している開口部とを有している複数の層と、
複数グループで配置された前記複数の層であって、各グループは同数の層から形成され、前記グループの層は、互いに同心状に整列された前記複数の流体用貫通孔を備えている、複数の層とを有し、
各グループの層は、前記スタックの第１及び第２の端の間の層のスタックを通る前記複数の流体用貫通孔に、階段状でらせん状の進みを生じさせるように、隣接するグループの層の流体が流れる複数の貫通孔から、角度方向のオフセット距離だけ周方向にずらされた、複数の流体用貫通孔を備えている請求項１０に記載のヒータ装置。
【請求項２４】
前記角度方向のオフセット距離は、周方向に離間された、前記ヒータを受容するための２つの前記ヒータ用貫通孔の間の距離に等しい請求項２３に記載のヒータ装置。
【請求項２５】
各グループの層は、少なくとも２つの層を有している請求項２３に記載のヒータ装置。
【請求項２６】
前記熱伝導体は、複数の層で形成されており、各層は、前記複数の流体用貫通孔の部分を規定する開口部と、前記ヒータを受容する、ヒータ用貫通孔の一部を規定する開口部とを有している請求項１０に記載のヒータ装置。
【請求項２７】
前記スタックの第１及び第２の端の間の層のスタックを通る前記流体用貫通孔で、階段状でらせん状の進みを生じさせるように、角度方向のオフセット距離だけ隣接する層からオフセットされた層をさらに具備する請求項２６に記載のヒータ装置。
【請求項２８】
各層は、隣接する層から角度方向にオフセットされている請求項２７に記載のヒータ装置。
【請求項２９】
複数の層が、互いに同心状に整列され、流体が流れる複数の層を有し互いに同心状に整列された同数の複数の層から角度方向にオフセットされている請求項２７に記載のヒータ装置。
【請求項３０】
前記ヒータ装置は、車両の表面洗浄装置で使用され、この洗浄装置は、
洗浄流体を供給する流体源と、
前記流体源に流体的に結合されて、リザーバからポンプで送られた流体を放出する流体放出装置と、
前記ヒータに結合されて、このヒータに電力を供給するコントローラと、
を備え、前記ヒータは、前記流体源と流体放出装置との間の流体連通部内に配置される、請求項１０に記載のヒータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、流体ヒータ装置に関し、詳細には、加熱洗浄流体をクリーニングできる表面に供給する流体ヒータ装置、さらに詳細には、車両のフロントガラス洗浄システム用の加熱洗浄流体に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の温度を高い使用温度まで急速に上げることは、多くの様々な用途において必要とされる。例えば、家庭、オフィスおよびキャンパーに使用する、ならびに工業プロセスで使用する温水を瞬間的に供給できることが望ましい。
【０００３】
クリーニング用途においては、高温流体は、低温流体に比べて、より効果的および高速で、ゴミおよび他の残がい物を表面から除去することは、公知である。1つの加熱流体用途は、カメラレンズ、戸外ランプおよびランプレンズ、ミラー等に利用される、フロントガラス洗浄システムならびに車両線状システム車両のフロントガラス洗浄システムである。車両は一般に、少なくとも1つ、通常は複数フロントガラス洗浄装置を備え、それを用いて視界範囲または後部バックライトをクリーニングする。
【０００４】
一般に、ノズル、即ち、スプレー装置はフロントガラスワイパーに隣接またはそれの一部として設けられ、ワイパーを作動させる前およびその間にフロントガラスに洗浄流体のパターンを噴射し、ワイパー動作の効率を向上させて、運転者または乗客の視野範囲を鮮明にする。洗浄流体は一般に、エンジン室内のリザーバに収容され、車両運転者が制御アクチュエータを手動で起動することにより、スプレー装置を通してポンプ作用で噴出される。
【０００５】
加熱された流体は低温度流体に比べて優れたクリーニング効率を示すことは知られているため、加熱洗浄流体を車両の窓の噴霧装置に供給することは、公知である。様々な洗浄流体加熱装置が開発されてきたが、それらのすべては熱交換器設計を利用し、熱源は本体内に配置され、その本体を通して洗浄流体が流れる。洗浄流体は熱交換器内の熱源からの熱を捕獲して、スプレーノズルを通して車両の窓に噴射する前にそれの温度を上昇させる。
【０００６】
ただし、このような従来の洗浄流体加熱装置は、熱伝達能力の点で不十分であり、また少量または短時間、加熱洗浄流体を車両の窓に供給できるだけである。さらに、流体が熱源に直接接触するため、流体および熱源に接触していない低温度流体部分内にホットスポットを発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、効率的な方法で加熱流体を提供し、最少電力必要量を有し、かつほぼ瞬間的に加熱洗浄流体および多量の加熱洗浄流体を提供して、以前に考案された洗浄流体加熱装置に比べて長時間、クリーニング可能な表面上に加熱流体を供給できる、流体加熱装置を実現することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は流体を加熱するのに最適なヒータ装置である。
【０００９】
ヒータ装置は第１の端および第２の端を貫通してから延びる複数の貫通穴を有している熱伝導体を有している。ヒータ手段は、複数の貫通穴内に同心状に取り付けられ、かつ貫通穴により囲まれている。ヒータ手段は、作動中は、熱伝導体に熱を供給する。複数の貫通穴のそれぞれの一端に流体結合される入口および貫通穴の他端のそれぞれに流体結合される出口は、入口と出口の間に、複数の開口を通る並列流路を形成し、貫通穴を通って流れる流体が熱伝導体から熱を吸収する。
【００１０】
１つの態様においては、複数の貫通穴のそれぞれは、両端間にらせん状流路を有している。
【００１１】
別の態様においては、貫通穴は、同一の流路断面積を有している。
【００１２】
１つの態様においては、貫通穴は、熱伝導体に、第１および第２の同心状の、周囲に間隔を空けた内側および外側リング状に配置される。内側リング内の開口の最大断面寸法は、外側リング内の貫通穴の最大断面寸法より小さい。
【００１３】
別の態様においては、熱伝導体は複数の層から構成され、各層は貫通穴およびヒータ素子（複数の場合もある）を収納する開口を有している。
【００１４】
特定の層は、オフセット距離だけ隣接する層から回転可能にオフセットされることにより、スタックの第１および第２の端間の層のスタックを通過する貫通穴内にステップ状のらせん状進行経路を生成する。
【００１５】
１つの態様においては、複数の層は同心状に整列され、別の層に同心状に整列している同数の層から回転可能にオフセットされている。
【００１６】
本発明のヒータ装置はまた、非車両および非クリーニング流体用途にも利用できる。例えば、本発明のヒータ装置は、家庭、オフィスおよびキャンパーに使用する、ならびに工業プロセスで使用する高温流体を提供する用途に適合できる。
【００１７】
要約すれば、様々な用途で必要とされる、異なる流体放出温度を提供するために、可変調整できる流体ヒータ装置モジュールを開示してきた。それぞれの異なる用途に必要とされる流体放出温度は変化するが、ヒータ装置の全体構造はほぼ同一であり、それにより、製造コスト、アセンブリおよび部品の増加を最少にできる。
【００１８】
本発明の様々な機能、利点および他の用途は、以下の詳細な説明および図面により明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１には、本発明の内容に従って構成されたヒータ装置、即ち、モジュール１０を有利に利用できる環境を示す。本発明のヒータモジュール１０の以下の利用は、車両の窓の洗浄システムに関連して述べているが、本発明のヒータモジュールは、あらゆる車両の窓、すなわちフロントガラス、後部バックライト、または側面窓をクリーニングするのに用いられるあらゆるクリーニングシステム、ならびに車両ミラー、カメラ、レンズ、またはセンサカバー等のクリーニングシステムなどのような、加熱流体を必要とする他の用途においても使用できることは理解されるであろう。
【００２０】
従来と同様に、フロントガラス、後部バックライトまたは窓のような車両窓１２は、洗浄流体１６のパターンを窓１２の外側面上に供給、即ち、噴射する位置に置かれた、スプレーノズル１４などの１つまたは複数の流体送出装置を有している。洗浄流体１６の噴射は通常、窓１２上のフロントガラスワイパー１８の作動に連動している。
【００２１】
洗浄流体１６は、リザーバ、即ち、コンテナ２０などの流体源から供給される。リザーバ２０内の流体は、通常リザーバ２０の近くに置かれるか、またはリザーバに取り付けられたポンプ２２によりノズル１４に送られる。
【００２２】
従来と同様に、車両のステアリングコラム軸スイッチに取り付けられることのできるオン／オフスイッチ２４は、車両バッテリー２６から電力を供給され、このスイッチにより、車両運転者は洗浄ポンプ２２のオンまたはオフ動作を制御できる。
【００２３】
本発明によれば、リザーバ２０からスプレーノズル１４にポンプで送られる洗浄流体は、周囲温度から所定の高温度（例として、１６０°Ｆ〜１７０°Ｆ）まで、ヒータモジュール１０により加熱される。適正な制御回路、即ち、コントローラ２８を設けて、ヒータモジュール１０内のヒータ素子の動作を制御する。コントローラ２８もまた、車両バッテリー２６から電力を供給される。コントローラ２８は車両イグニッション３０からの「オン」信号により起動され、以後に述べるように、車両イグニッションが「オン」状態にあるときに、ヒータモジュール１０中の流路内に含まれる流体を加熱する。
【００２４】
バッテリー２６とコントローラ２８の間に、任意選択のオン／オフスイッチ２５を接続して、コントローラ２８への電力を遮断することにより、ヒータシステム全体のオンおよびオフ動作を実現できる。これにより、車両運転者の選択で、ヒータシステムを作動状態または停止状態に維持できる。以後に述べるとおり、オン／オフスイッチ２５は、車両本体のコントローラなどの外部信号源からのコントローラ２８への別個の入力信号に置き換えて、熱的故障、バッテリー電力の低下等の特定環境において、ヒータモジュール１０の選択的機能停止を実現できる。
【００２５】
ヒータモジュール２０の詳細は図２〜１４に示されている。ヒータモジュール２０は一般に、両端間に延びる中空貫通穴を有している円筒形の管状スリーブ４２で形成されたハウジング４０を有している。スリーブ４２は、発泡樹脂材料などの熱絶縁材料で形成され、ハウジング４０内に取り付けられた熱交換、熱伝導体５０を通過する高温流体を熱的に絶縁する。
【００２６】
図３に示すとおり、熱交換器５０は、スリーブ４２内に取り付けられている。熱交換器５０はスリーブ４２内に上端カバー５２および底面カバー５４により所定の位置に保持され、この両カバーは、かしめ、溶接、ねじ等のような適切な手段により、スリーブ４２の両端に取り付けて固定される。
【００２７】
図３および５に示すように、上端カバー５２は、一端に大きい直径の末端フランジ５６と、ここから反対端に延びている、ほぼ円形のスリーブ５８とを有している。側面タブ６０および６２は、スリーブ５８の直径の互いに反対側部分に沿って、スリーブ５８の端部から外側方向に突出し、ハウジング９４の突起部分６４に連結されている。末端フランジ５６は、スリーブ４２内の熱交換器５０の一端に接合している。スリーブ５８は、フランジ５６から軸方向に突出し、電気コネクタハウジング６４および電気端子アセンブリ６６に結合している（両方は以下に詳しく述べる）。
【００２８】
スリーブ５８の内側の末端フランジ５６内には、周辺に互いに離間して配置された複数のくぼみ６８が形成されている。このくぼみ６８の所々には、複数のボス７０がある（例として、４つを図示している）。各ボス７０は、貫通穴、即ち、開口７１を有し、以下に説明するとおり、この開口に円筒形ヒータ素子７２またはグラウンドロッド７４またはアース線フレームを収納する。
【００２９】
図３および５に示すとおり、入口結合部７６も上端カバー５２に形成され、例としてはスリーブ５８と一体になっている。穴７８は結合部７６および末端フランジ５６を貫通して延びている。
【００３０】
前記ヒータ素子７２またはグラウンドロッド７４は、任意の適正な加熱素子で形成できる。１つの態様においては、ヒータ素子７２は、「カロッド線」で製作される。各種の異なる材料も使用されるが、カロッド線構造の一例は、ステンレス鋼シース内にニクロム線を入れたものである。
【００３１】
図３に示すとおり、フランジ７５は、各ヒータ素子７２およびグラウンドロッド７４のシースの一端に形成されている。これらフランジ７５は、Ｏリングなどのシール素子７７を保持して、ヒータ素子７２およびグラウンドロッド７４および上端カバー５２の間の取付け接続を密封している。
【００３２】
図３および６に、底面カバー５４を詳細に示す。この底面カバー５４は、円形の断面を有しているほぼ平坦な壁８０を有しており、図４に示すようにスリーブ４２内側端に固定されている。以下に詳細に説明するが、複数のくぼみ８２が、底面カバー５４の壁８０内に周辺に沿って間隔をあけて円形状配置で形成され、熱交換器５０の特定の開口内に突出している。出口、即ち、出口結合部８４は、壁８０から突き出ている。貫通穴８６は出口、即ち、出口結合部８４および壁８０を貫通して延び、内側スリーブ４２の内側と連通している。
【００３３】
電気コネクタハウジング６４は、前記内側スリーブ４２の一端内に固定されている。コネクタハウジング６４は、図３および７に示すとおり、適正な電気的および熱的絶縁プラスチックの一体型構造体９０として形成されている。この一体構造体９０は、１つの周辺部分に溝、即ち、回転止め９４を有しているほぼ円形の第１の端部９２を有している。この第１の端部９２は、端子リード１０１の一端を取り囲む内側凹みを形成している。これら端子リード１０１は、例えば第１の端部９２の中心壁面に形成されたスロットを通して、第１の端部９２内に固定して取り付けられている。図示されていないが、端子リード１０１の一端は、図３に示す、第１の端部９２の内側に取り付けられている制御回路を有している回路基板６６に接続されている。
【００３４】
前記端子リード１０１は、コネクタハウジング６４の第２の端部９２から、各ヒータ素子７２またはグラウンドロッド７４の内側配線部分の露出端を有している電気接続部まで延びている。
【００３５】
コネクタハウジング６４の第２部分１０２は、ほぼ円形の端部を有している長方形であり、ここでは図８に示すように、中に形成された、複数の貫通穴１０６を有している細いリブ１０４により第１部分９０に接続されている。
【００３６】
図９に詳細に示すとおり、端子リード１００は、最初、もろいウェブ１０８により、複数対あるいはグループの３または４つのリード１００に結合されている。端子リード１００をコネクタハウジング６４の第１の端部９２の内側壁を貫通して取り付けることにより、端子リード１００を接続するウェブ１０８は共に、図８および９に示すとおり、開口１０６を通してウェブ１０４に露出されるようになる。端子リード１００をコネクタハウジング６４内に固定して取り付けた後、ウェブ１０８を破壊して、端子リード１００から分離し、各端子１００を他の端子１００から分離する。端子リード１００はコネクタハウジング６４の第２の端部１０２内で露出され、相補ソケットを有しているプラグと結合して、電力、グラウンドおよび外部信号を端子リード１００に接続する。端子リード１００の他端はソケットに取り付けられるか、またはコネクタハウジング６４の第１の端部９２に取り付けられる回路基板６６の端子にハンダ付けされる。
【００３７】
図３に示すとおり、少なくとも１つ、好ましくは、１対の直径方向で反対側のラッチ素子７９が、コネクタハウジング６４に形成されている。これらラッチ素子７９は、上端カバー５２のラッチ受部、即ち、凹みに結合し、コネクタハウジング６４を上端カバー５２に連結して、回路基板６６をコネクタハウジング６４の近位端フランジと上端カバー５２の間に挟み込んでいる。
【００３８】
図３および詳細には図１１〜１７に示すように、熱交換器５０（以後は「スタック」と呼ぶ）は、図１０に示すような、複数の個別の熱交換素子、即ち、層１２０から形成されている。各層１２０は、同一形状を有し、アルミニウム、セラミック、圧縮アルミナ粉末等のような、適正な高熱伝導材料の薄板として形成されている。また、各層１２０は、円形断面を有していることにより、内側スリーブ４２の内径に対してしっかりと適合している。
【００３９】
図１０および１１に示すとおり、層１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃを有している各同一構造の層１２０は、決められた周辺に、参照符号１２４で示された中心間間隔で、ほぼ環状に配置された複数の内部開口１２２を備えている。以後、この間隔１２４を用いて、「らせん状オフセット」を定義する。
【００４０】
前記開口１２２の内径は、いずれの開口１２２内にも、円筒形ヒータ素子７２またはグラウンドロッド７４を摺動可能に受け入れることができるサイズである。したがって、以後に述べるとおり、隣接層１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃの間に、１ステップ、２ステップ、３ステップ、５ステップらせん状オフセット（helical  offset）等のいずれかの、らせん状または角度オフセット（helical  or  angular  offset）があっても、各隣接層１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃ等の開口１２２は、隣接層１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃの開口１２２に縦軸方向に同軸的に整列された状態を維持する。これにより、熱交換器、即ち、スタック５０全体の開口１２２は、図１２に示すとおり、細長い軸方向の貫通穴１２６を形成し、この貫通穴にヒータ素子７２またはグラウンドロッド７４の１つを滑り込ませることができる。ヒータ素子７２およびグラウンドロッド７４は、熱交換スタック５０の貫通穴１２６に挿入されると、以後に定義されるように、所望のらせん状オフセット配置に層１２０を維持する。
【００４１】
図１０および１１を再度参照すると、各層１２０（１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ等）は、また、開口１３０の内側グループと開口１３２の外側グループとからなる２つのグループに配設された複数の半径外方向に配列された開口を有している。この配列は単に例であって、開口１３０または１３２は、別の構成で配列できることは理解されるであろう。ただし、等しい半径方向間隔の内側開口１３０の間の周辺方向間隔と、差はあるが、大きい半径方向間隔で配置された等しい半径方向間隔の開口１３２グループとにより、以後に述べるように、開口１３０の内側グループがスタック５０を通り流れる流体の熱交換効率について、スタック５０を貫通する最適数の流路を提供する。図１０および１１に示すとおり、開口１３０および１３２は各層１２０の周辺まわりに交互に設けられている。
【００４２】
図１２および１３に示すように、１ステップのらせん状オフセットに対しては、層１２０は、層１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ等を有しているスタックに配置され、図１２の上端カバー５２から見て、１つの周辺中心またはヒータ素子７２を収容する開口１２２の中心間隔１２４に対するらせん状オフセットだけ、各層は１つの隣接層から回転可能にオフセットされている。これにより、内側の一連の開口１３０については参照符号１４０で示され、また外側の一連の開口１３２については参照符号１４２で示され、らせん状に延びる、階段状の流路を実現している。図１３に示す１ステップらせん状オフセットの例は、各らせん状に延びる開口、即ち、流路１４０および１４２を通して露出されるスタックの表面積を大幅に増加し、流路１４０および１４２を通り流れる流体による大きい熱吸収を実現する。この大きい熱吸収の理由は、全開口１３０が隣接する層１２０の同一開口１３０に軸方向に整列され、開口１３２が隣接する層１２０の同一開口１３２に軸方向に整列されている配置に比べて、流体と流路１４０および１４２等を形成する層１２０との表面接触時間が増加するからである。
【００４３】
流路１４０および１４２などの各流路は、上端カバー５２とスタック５０の一端の間に形成された入口チャンバと、底面カバー５４とスタック５０の反対端との間に形成された出口チャンバとの間を、らせん状に延びている。スタック５０の長さに応じて、流路１４０および１４２は、例えば、入口と出口の間で、スタック５０の縦軸まわりにほぼ５４０度まで延びることができる。直線的貫通穴、即ち、流路に比べて、この延びた長さにより、流体とスタック５０の周辺表面の間の接触時間が大幅に長くなり、流体が層１２０から大量の熱を吸収できるようになり、本発明のヒータモジュール１０の効率を上げる。
【００４４】
開口１３０および１３２の別の機能は、図１４を参照して完全に理解できる。図に示すように、２つの別の層１２０ａおよび１２０ｂの外側開口１３２ａおよび１３２ｂとして、図１４に示されるように、外側開口１３２は、第１半径Ｒ１上に配置されている。層１２０ａおよび１２０ｂの開口１３０ａおよび１３０ｂは異なる小さい半径Ｒ２上に配置されている。同様に、外側開口１３２ａおよび１３２ｂの直径、即ち、最大断面は、内側に配置された開口１３０ａおよび１３０ｂに比べて大きい。ただし、らせん状オフセットは、隣接する層１２０ａの開口１３０ａから階段状に進行する状態を発生させ、および層１２０ａの開口１３２ａから層１２０ｂの開口１３２ｂ間に、内側開口１３０（１３０ａ、１３０ｂ等）および外側開口１３２（１３２ａ、１３２ｂ等）により形成された開口１３０および１３２のそれぞれの同一断面積を発生する。これにより、らせん状開口１４０および１４２のそれぞれ内の流路に対し等しい断面流路および等しい抵抗を生成し、その結果、熱交換スタック５０全体を通して、開口１４０および１４２のそれぞれを通る等しい流量を発生させる。
【００４５】
動作においては、前述のように一体に組み立てられたヒータモジュール１０では、ポンプ２２からの流体供給部は入口結合部７６に取り付けることができる。同様に、スプレーノズル１４に接続された別のコンジットは出口８４に接続できる。イグニッション３０を「オン」にすると、コントローラ２８は、スタック５０の特定の内側開口１２２内に置かれた１つまたは複数のヒータ素子７２に電力を供給する。開口１４０および１４２内に含まれる流体の温度を急速に高めるために、すべてのヒータ素子７２を作動させることができる。スタック５０内の流体の温度がノズル１４から放出するのに適する所定の温度に達すると、スタック５０に結合されるか、または開口１４０および１４２の１つ内に置かれるか、または底面カバー５４に近接して置かれる熱電対（図示なし）が、フィードバック信号をコントローラ２８に供給し、コントローラ２８は１つまたは複数のヒータ素子７２を非作動にし、流体温度を所望の放出温度（例えば、１６０°Ｆ〜１７０°Ｆ）に維持するまで、１つのヒータ素子７２だけを連続的または周期的にオンにする。あるいは、流体を加熱するのに利用できる時間が長い場合、１つまたは２つのヒータ素子７４だけを作動させる。
【００４６】
車両運転者がオン／オフスイッチ２４をオンにすると、ポンプ２２が作動して、流体送出配管を加圧し、流体を、ヒータモジュール１０を通してスプレーノズル１４に送る。これにより、スタック５０内の液を、出口８４を通してスプレーノズル１４から放出できる。次に、低温流体が入口７６から入り、加熱されることにより、開口１４０および１４２を通過して流れ、出口８４を通してスプレーノズル１４から放出されるようになる。
【００４７】
プログラム、即ち、論理制御により、各ヒータ素子７２を個別に制御するために、コントローラ２８はヒータ素子７２のそれぞれに、個別のスイッチ可能信号を供給することができるが、制御の簡単な方法には、１つの端子１０１への電力接続と、追加のヒータ素子７２に接続された他の端子１０１のそれぞれとの間に取り付けられる、バイメタル素子、即ち、スイッチを有している。バイメタル素子を所定の温度（例えば５０℃）で開くように設定することにより、関連するヒータ素子７２を停止させることができる。これにより、追加のヒータ素子７２を、例えば、高温加熱の要求が起動されるまで、停止状態に維持できる。
【００４８】
本発明の重要な機能は、各開口１４０および１４２の全表面積を容易に変化させることにより、開口１４０および１４２を通過する流体に供給する熱量を変化させる能力である。図１３には、１ステップオフセットを示す。別のステップ配置も可能である。
【００４９】
例えば、図１５には、２つのペアのステップを示す。本発明のこの態様においては、２つの隣接する層１２０ａおよび１２０ｂは相互に同軸に配置され、したがって開口１３０および１３２は軸方向に整列している。ただし、その次の隣接する対の層１２０ｃおよび１２０ｄはらせん状オフセットにより回転可能にオフセットされている。これにより、第１対の層１２０ａおよび１２０ｂと第２対の層１２０ｃおよび１２０ｄの間にステップを生成している。このステップにより、開口１４０および１４２を通過する流体に露出される全体表面積が増加する。層１２０がヒータ素子７２により加熱されるとき、熱は各層１２０を通り伝導され、外側方向に開口１４０および１４２内に放射され、そこで、開口１４０および１４２を通過する流体により吸収されて、流体温度を所望の出口放出温度の急速に上昇させる。
【００５０】
図１６には、本発明による別のステップ構成の例を示す。この例では、３つの隣接する層１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃ、または１２０ｄ、１２０ｅおよび１２０ｆが、他の層の対応する開口に軸方向に整列したそれぞれの開口１３０および１３２に対し同一に配置されて、３ステップのオフセットを形成している。隣接する３ステップのグループの層１２０ｄ、１２０ｅおよび１２０ｆもまた、軸方向に整列したそれぞれの開口１３０および１３２を有し、図１６に示すとおり、１つのらせん状オフセットステップにより回転可能にオフセットされている。残りのグループの層は同一らせん状オフセットステップにより回転可能にオフセットされ続け、開口１４０および１４２に露出された層の表面積を増加させる。
【００５１】
図１７には、５層のグループのステップ配置を示す。この配置では、開口１３０および１３２は５つの隣接する層１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄおよび１２０ｅは軸方向に整列している。次の５層１２０ｆ〜１２０ｊも同様に、それらの開口１３０および１３２に軸方向に整列しているが、５層のグループにらせん状オフセットにより回転可能にオフセットされている。
【００５２】
このようにして、開口１４０および１４２の全表面積を容易に増加または減少できることを明らかである。これにより、増加または減少した熱量を、層１２０から放射および流体により吸収して、流体の放出温度を特定の用途の必要性に応じて変化させることができる。
【００５３】
ヒータモジュール１０の全体寸法の設計においては、図１３および１５〜１７に示すような層のステップ状グループは、所望の放出温度を得るために、特定数の層１２０で形成されるスタック５０の全長に沿って考えることができる。
【００５４】
以上をまとめると、多くの異なる用途における必要性に応じて、特定スタック長さを用いて異なる所定の放出温度を容易に提供するように可変調整できる、独自の流体ヒータを開示した。様々な用途に必要とされる流体放出温度は変化するが、ヒータの全体構造は同一であり、それにより、製造コスト、アセンブリおよび部品の増加を最少にできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】代表的な車両窓洗浄流体送出システムにおいて使用される、本発明による流体加熱装置のシステムブロック図である。
【図２】本発明によるヒータ装置の上面斜視図である。
【図３】図２に示すヒータ装置の分解斜視図である。
【図４】図２および３に示すヒータ装置の底面斜視図である。
【図５】図３に示すヒータ装置の上端カバーの内側斜視図である。
【図６】図３に示すヒータ装置のベースおよびカバーの斜視図である。
【図７】図３に示すヒータ装置のコネクタハウジングの内側斜視図である。
【図８】図７に示すコネクタハウジングの底面図である。
【図９】図３、７および８に示す端子リードアセンブリの斜視図である。
【図１０】本発明のヒータ装置に使用される熱交換層の平面図である。
【図１１】本発明によるヒータ装置の組み立てた熱交換スタックの一部を削除した部分斜視図である。
【図１２】図３に示すヒータ装置の全体熱交換器スタックの断面図である。
【図１３】図１２に示す熱交換器スタックを通るらせん状流路を図示する側面図であり、外側ハウジングを削除して、環状に配置されたらせん状流路を２次元表示で示している。
【図１４】本発明による熱交換スタックの層の１つの部分拡大図である。
【図１５】図３と同様の部分側面図であるが、２ステップの熱交換器スタックの層のオフセットを示す。
【図１６】図３と同様の部分側面図であるが、３ステップの熱交換器スタックの層のオフセットを示す。
【図１７】図３と同様の部分側面図であるが、５ステップの熱交換器スタックの層のオフセットを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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