DE10030864C2 - Wärmeerzeuger und Verfahren zum Entwerfen des Wärmeerzeugers - Google Patents

Abstract

Es wird ein Wärmeerzeuger vorgeschlagen, welcher eine Trennwandung 34 gegenüber dem Rotor in einem Wärmeerzeugungsbereich aufweist, wobei die Trennwandung mit einer Zuführungsnut 38 zum Zuführen des viskosen Fluids von einem Speicherbereich zum äußeren Umfangsbereich des Wärmeerzeugungsbereichs und mit einer Rückführungsnut 39 zum Abführen des viskosen Fluids von dem äußeren Umfangsbereich des Wärmeerzeugungsbereichs zu dem Speicherbereich ausgeführt ist. Gestalt, Lage und Anordnungswinkel der Zuführungsnut 38 und der Rückführungsnut 39 sind so ausgeführt, daß das Abflußverhältnis alpha nicht mehr als 0,92 beträgt. Das Abflußverhältnis alpha ist definiert als das Verhältnis (alpha = Qab1/Qzu) der Menge Qab1 an viskosem Fluid, die von dem Wärmeerzeugungsbereich infolge der Zwangsüberführungsfunktion der Rückführungsnut 39 abfließt, zu der Gesamtmenge Qzu an viskosem Fluid, die von dem Speicherbereich in den Wärmeerzeugungsbereich zufließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeerzeuger, um­ fassend einen in einem Gehäuse definierten Arbeitsraum, ein in dem Arbeitsraum aufgenommenes viskoses Fluid und einen von einer externen Energiequelle zu einer Drehbewegung an­ getriebenen Rotor. Im besonderen betrifft die Erfindung ei­ nen Wärmeerzeuger, bei dem der Arbeitsraum einen Wärmeer­ zeugungsbereich umfaßt zur Aufnahme des Rotors in der Wei­ se, daß ein fluiddichter Spalt zwischen einer Trennwand des Wärmeerzeugungsbereichs und dem Rotor sichergestellt ist, um durch Scherung des in dem fluiddichten Spalt befindli­ chen viskosen Fluids mit dem Rotor Wärme zu erzeugen, einen Speicherbereich zur Aufnahme des viskosen Fluids, das über das Volumen des fluiddichten Spaltes hinausgeht, und minde­ stens eine Öffnung in der Grenzfläche zwischen dem Wärmeer­ zeugungsbereich und dem Speicherbereich zum Verbinden der zwei Bereiche.

Ein Wärmeerzeuger, der ein viskoses Fluid umfaßt (im fol­ genden "das Öl" genannt), bei dem es sich z. B. um ein Sili­ conöl handeln kann, welches in einem in einem Gehäuse defi­ nierten fluiddichten Wärmeerzeugungsraum eingeschlossen ist, worin bei Scherung des Öls mit einem Rotor durch Flui­ dreibung Wärme erzeugt wird, ist als Hilfs- oder Zusatzwär­ mequelle für ein Fahrzeugheizungssystem bereits bekannt ge­ worden (siehe z. B. die japanische Offenlegungsschrift JP 2-246823 A1). Bei die­ ser Art von Wärmeerzeuger unterliegt das dauernd unter Scherung stehende Öl einer raschen Verschlechterung, und es gelingt nicht, die Wirksamkeit der Wärmeerzeu­ gung über eine lange Zeit hinweg aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund ist ein Wärmeerzeuger vorgeschlagen worden, der mechanisch so ausgebildet ist, daß die Ver­ schlechterung des Öls so weit wie möglich verhindert oder verzögert wird.

Beispielhaft sei eine Vorrichtung zum Heizen (Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme) mittels eines viskosen Fluids genannt, wie in der japanischen Offen­ legungsschrift JP 10-95224 A1 offenbart, umfassend einen Wärmeerzeugungsraum und einen Speicherraum in dem Ge­ häuse. Die Trennwandung zwischen dem Wärmeerzeugungs­ raum und dem Speicherraum weist mindestens eine Rück­ führungsöffnung (Rückführungspfad) und mindestens eine Zuführungsöffnung (Zuführungspfad) auf, durch die das viskose Fluid ersetzt und zwischen dem Wärmeerzeugungs­ raum und dem Speicherraum umlaufen gelassen wird. Der Ersatz/Umlauf vermeidet den Fall, daß spezifische Ölmo­ leküle längerdauernd ununterbrochen unter Scherung ste­ hen, und erlaubt dem viskosen Öl, in dem Speicherraum zu ruhen, um seine ursprüngliche Viskoelastizität zu­ rückzugewinnen. Damit wird die Verschlechterung des Öls verzögert. Ferner umfaßt der in der genannten Patent­ veröffentlichung beschriebene Wärmeerzeuger mindestens eine Rückführungsnut und mindestens eine Zuführungsnut, die sich im wesentlichen längs des Durchmessers in der Innenwandoberfläche des Wärmeerzeugungsraums gegenüber der Scherfläche des Rotors erstrecken. Die Rückfüh­ rungsnut dient dazu, das Öl von dem äußeren Umfangsbe­ reich des Rotors zu der Rückführungsöffnung zu leiten, und die Zuführungsnut ist dafür vorgesehen, das Öl von der Zuführungsöffnung zu dem äußeren Umfangsbereich des Rotors zu führen. Die Rückführungsnut und die Zufüh­ rungsnut begünstigen das Abströmen des Öls von dem Wär­ meerzeugungsraum und das Zuströmen des Öls von dem Speicherraum zu dem Wärmeerzeugungsraum, um dadurch die Wirksamkeit des Ersatzes/Umlaufs zu verbessern.

Wie oben ausgeführt, ist schon aus früheren Patentver­ öffentlichungen der Gedanke einer Vorrichtung zur Er­ zeugung von Wärme durch Scherung eines Öls, umfassend eine Rückführungsnut (und einen Rückführungspfad) sowie eine Zuführungsnut (und einen Zuführungspfad) in der Trennwandung zwischen einem Wärmeerzeugungsraum und ei­ nem Speicherraum, um den Ersatz/Umlauf des Öls zu be­ günstigen, bekannt geworden. Indes sind die Bedingungen für die Anordnung der Nuten und Pfade zur Sicherstel­ lung der erforderlichen Wärmeerzeugungsfähigkeit wäh­ rend des Vorgangs des Ersetzens und Zirkulierens des Öls noch nicht theoretisch analysiert oder tiefgründig untersucht worden. Es war deshalb bislang sehr schwie­ rig, den Gedanken in der wirklichen Maschine umzusetzen und zu kommerzialisieren. Selbst wenn die gewünschten Bedingungen für die Anordnung in der Phase der Entwick­ lung eines Arbeitsmodells des Produkts entdeckt wurden, so handelte es sich dabei um das zufällige Ergebnis von Versuch und Irrtum.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstel­ lung eines Wärmeerzeugers und eines Entwurfsverfahrens für den Wärmeerzeuger, worin die Faktoren zum Bestimmen der erwünschten Bedingungen für die Anordnung der Nuten und Pfade in der Trennwandung zwischen einem Wärmeer­ zeugungsbereich und einem Speicherraum geklärt sind, um dadurch den Ersatz/Umlauf des viskosen Fluids zwischen dem Wärmeerzeugungsbereich und dem Speicherbereich und zugleich die Wirksamkeit der Wärmeerzeugung des visko­ sen Fluids sicherzustellen.

Erfindungsgemäß wird ein Wärmeerzeuger bereitgestellt, umfassend einen in einem Gehäuse definierten Arbeits­ raum, ein in dem Arbeitsraum aufgenommenes viskoses Fluid und einen von einer externen Kraft zu einer Dreh­ bewegung angetriebenen Rotor,
wobei der Arbeitsraum einen Wärmeerzeugungsbereich um­ faßt zur Aufnahme des Rotors in der Weise, daß ein fluiddichter Spalt zwischen der Trennwandung und dem Rotor sichergestellt ist, und worin Wärme dadurch er­ zeugt wird, daß das in dem fluiddichten Spalt befindli­ che viskose Fluid durch die Rotation des Rotors eine Scherung erfährt, einen Speicherbereich zur Aufnahme des viskosen Fluids, das über das Volumen des fluid­ dichten Spaltes hinausgeht, und mindestens eine Öffnung in der Grenzfläche zwischen dem Wärmeerzeugungsbereich und dem Speicherbereich zum Verbinden der zwei Berei­ che,
wobei der Arbeitsraum umfaßt: Zuführungsmittel zum Überführen des viskosen Fluids in dem Speicherbereich zu dem Wärmeerzeugungsbereich, wenn sich der Rotor dreht, und Rückführungsmittel zum Überführen des visko­ sen Fluids in dem Wärmeerzeugungsbereich zu dem Spei­ cherbereich, wenn sich der Rotor dreht,
wobei die Rückführungsmittel umfassen: mindestens eine Rückführungsnut in der Trennwandung des Arbeitsraums gegenüber der Scherfläche des Rotors zum Auffangen des in dem fluiddichten Spalt befindlichen viskosen Fluids und zum zwangsweisen Überführen des viskosen Fluids zu der Öffnung hin, wenn sich der Rotor dreht, und
wobei die Zuführungsmittel und die Rückführungsmittel so gestaltet sind, daß das Abflußverhältnis (α), d. h. das Verhältnis der Menge an viskosem Fluid, die aus dem Wärmeerzeugungsbereich infolge der Zwangsüberführungs­ funktion der Rückführungsnut abströmt, zur Gesamtmenge an viskosem Fluid, die dem Wärmeerzeugungsbereich von dem Speicherbereich infolge der Überführungsfunktion der Zuführungsmittel zuströmt, nicht mehr als 0,92 be­ trägt.

Bei diesem Wärmeerzeuger geschieht der Ersatz/Umlauf des viskosen Fluids zwischen dem Speicherbereich und dem Wärmeerzeugungsbereich durch die Öffnung bei der Rotation des Rotors durch das Zusammenwirken zwischen den in dem Arbeitsraum angeordneten Zuführungs- und Rückführungsmitteln. Die Wirksamkeit der Wärmeerzeugung kann über einen langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten werden, als Folge des fortlaufenden Ersatzes/Umlaufs mit der dem Wärmeerzeugungsraum zufließenden Menge an viskosem Fluid und der aus dem Wärmeerzeugungsraum ab­ fließenden Menge an viskosem Fluid im Gleichgewicht. Das bloße Gleichgewicht zwischen der Zu- und Abflußrate des viskosen Fluids in den bzw. aus dem Wärmeerzeu­ gungsbereich zeigt aber nicht notwendigerweise die ma­ ximale Wirksamkeit der Wärmeerzeugung des Wärmeerzeu­ gers. Das hier definierte Abflußverhältnis (α) stellt einen neuen Index für die charakteristische Bewertung (oder ein Entwurfsmaß) bereit, welcher die Wirksamkeit der Wärmeerzeugung in dem Wärmeerzeugungsbereich auf das gewünschte Niveau zu setzen erlaubt, unter Ermögli­ chung von sowohl dem richtigen Ersatz/Umlauf des visko­ sen Fluids wie auch eines geeigneten Gleichgewichts zwischen Zufluß und Abfluß des viskosen Fluids in dem Wärmeerzeugungsbereich. Anhand von an Arbeitsmodellen ausgeführten Versuchen wurde nachgewiesen, daß dieses Abflußverhältnis α in einer bestimmten Beziehung zu der erzeugten Wärmemenge oder Wärmeerzeugungsleistung steht und einen einflußreichen Index bereitstellt zur Kon­ trolle des Füllgrades (oder Belegungsgrades) des fluid­ dichten Spaltes des Wärmeerzeugungsbereichs mit dem viskosen Fluid, unter Beibehaltung des Gleichgewichts zwischen Zufluß und Abfluß des viskosen Fluids in dem Wärmeerzeugungsbereich (siehe Beschreibung der bevor­ zugten Ausführungsformen und Fig. 9).

Das Konzept des Abflußverhältnisses α ist entstanden aus der theoretischen Analyse des Überführungsgleichge­ wichts und der Triebkraft der Überführung des viskosen Fluids zwischen Speicherbereich und Wärmeerzeugungsbe­ reich. Ein typisches Beispiel in der Diskussion des Überführungsgleichgewichts betrifft den Umstand, daß das Verhältnis (Qab/Qzu) der Gesamtmenge Qab des visko­ sen Fluids, welches aus dem Wärmeerzeugungsbereich durch die Rückführungsmittel abfließt, zur Gesamtmenge Qzu des viskosen Fluids, welches in den Wärmeerzeu­ gungsbereich durch die Zuführungsmittel zufließt, gleich Eins ist dort, wo die Gesamtzuflußmenge und die Gesamtabflußmenge im Gleichgewicht sind. Die Rückfüh­ rungsmittel des Wärmeerzeugers in Einklang mit der vor­ liegenden Erfindung umfassen eine Rückführungsnut wie im vorstehenden beschrieben, und der Vorgang des Über­ führens des viskosen Fluids von dem Wärmeerzeugungsbe­ reich zu dem Speicherbereich durch die Rückführungsmit­ tel ist zerlegt in die der Rückführungsnut inhärenten Zwangsüberführungsfunktion und eine von der Zwangsüber­ führungsfunktion verschiedene Druckfunktion (bei der es sich z. B. um den Vorgang handeln kann, der auf dem Druckunterschied zwischen dem Teil der flüssigen Phase des Wärmeerzeugungsbereichs und dem Teil der gasförmi­ gen Phase des Speicherbereichs beruht). Die Abflußrate infolge der Zwangsüberführungsfunktion der Rückfüh­ rungsnut läßt sich eindeutig bestimmen (berechnen), wenn Gestalt, Lage und Anordnungswinkel der Rückfüh­ rungsnut spezifiziert sind. Demgegenüber stellt die Ab­ flußrate infolge der Druckfunktion einen Nebenfaktor dar, bei dem sich spürbare Änderungen bemerkbar machen können, die zurückzuführen sind auf den Füllgrad des viskosen Fluids in dem Wärmeerzeugungsbereich und so fort. Von der Gesamtabflußmenge Qab, die über die Rückführungsmittel abströmt, wird die Abflußrate ΣQab1(n) infolge der Zwangsüberführungsfunktion der Rück­ führungsnut, die sich theoretisch spezifizieren läßt, berücksichtigt und durch die Gesamtzuflußrate Qzu divi­ diert, um das Abflußverhältnis α zu definieren (d. h. α = ΣQab1(n)/Qzu), worin ΣQab1(n) gegebenenfalls im wesentlichen als eine integrierte Abflußrate infolge der Zwangsüberführungsfunktionen von einer Mehrzahl von (n) Typen von Rückführungsnuten von unterschiedlicher Gestalt etc. betrachtet werden soll.

Indem das Überführungsvermögen der Zuführungsmittel und das Überführungsvermögen der Rückführungsmittel (insbesondere der Rückführungsnut) so gesetzt werden, daß das Abflußverhältnis α nicht mehr als 0,92 beträgt, kann die Wirksamkeit (oder der Wirkungsgrad) der Wärme­ erzeugung in dem Wärmeerzeugungsbereich so gesetzt wer­ den, daß sie nicht weniger als das erforderliche Niveau beträgt, während gleichzeitig sowohl das Gleichgewicht zwischen der Zufluß- und Abflußrate des viskosen Fluids in den bzw. aus dem Wärmeerzeugungsbereich wie auch der richtige Ersatz/Umlauf sichergestellt sind.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbin­ dung mit der beigefügten zeichnerischen Darstellung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Wärmeerzeugers für Fahr­ zeuganwendungen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie X-X in Fig. 1;

Fig. 3 eine Vorderansicht eines Scheibenrotors;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer vorderen Trennplatte, bei Betrachtung von deren Rückseite;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer hinteren Trennplatte, von deren Rückseite aus gesehen;

Fig. 6 eine Vorderansicht einer hinteren Trennplatte vom vorderen Ende aus gesehen, im an dem Fahrzeugaufbau montierten Zustand;

Fig. 7 eine Vorderansicht entsprechend Fig. 5, welche einen Wärmeerzeuger für Fahrzeuganwendungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 8 eine Vorderansicht einer hinteren Trennplatte vom vorderen Ende aus gesehen, im an dem Fahrzeugaufbau montierten Zustand;

Fig. 9 einen Graphen, der das Abflußverhältnis gegen die Wärmeerzeugungsleistung für jedes Arbeitsmodell ver­ anschaulicht.

Im folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsformen eines Wärmeerzeugers für Fahrzeuganwendungen beschrie­ ben.

Erste Ausführungsform

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Wärmeerzeuger für Fahrzeugan­ wendungen einen vorderen Gehäusekörper 1, eine vordere Trennplatte 2, eine hintere Trennplatte 3 und einen hinteren Gehäusekörper 4, die zusammengenommen ein Ge­ häuse des Wärmeerzeugers bilden.

Der vordere Gehäusekörper 1 weist einen nach vorne ste­ henden hohlen, zylindrischen Vorsprung 1a auf und einen zylindrischen Teil 1b, der sich in großbogiger Form vom basisseitigen Ende des Vorsprungs 1a nach hinten er­ streckt. Der hintere Gehäusekörper 4 ist in Form einer Abdeckung vorgesehen, welche die Öffnung des zylindri­ schen Teils 1b bedeckt. Der vordere Gehäusekörper 1 und der hintere Gehäusekörper 4, mit der vorderen Trenn­ platte 2 und der hinteren Trennplatte 3 in dem zylin­ drischen Teil 1b des vorderen Gehäusekörpers 1 mon­ tiert, sind durch eine Mehrzahl von Schrauben 5 mitein­ ander verbunden. Die vordere Trennplatte 2 und die hin­ tere Trennplatte 3 weisen jeweils einen ringförmigen Rand 21, 31 an ihrem Außenumfangsbereich auf. Die Rän­ der 21, 31 werden zwischen den durch die Schrauben 5 miteinander verbundenen Gehäusekörpern 1, 4 gehalten, so daß die Trennplatten 2, 3 unbeweglich in dem Gehäuse angeordnet sind.

Das hintere Ende der vorderen Trennplatte 2 bildet ei­ nen Rücksprung auf einer dem Rand 21 gegenüberliegenden Seite, und durch Ausnutzung dieses rückspringenden Be­ reichs wird der Wärmeerzeugungsbereich 7 des Arbeits­ raums 6 zwischen der vorderen und hinteren Trennplat­ te 2, 3 definiert. Das hintere Ende der vorderen Trenn­ platte 2 weist eine Endfläche (hintere Endfläche) 24 auf, die dem Boden des rückspringenden Bereichs ent­ spricht (Fig. 4). Diese Endfläche 24 wirkt als Trenn­ wandung zum Definieren des Arbeitsraums 6. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die vordere Trennplatte 2 einen Stützzylinderteil 22, der nach der Plattenmitte zu an der vorderen Seite gebildet ist, und eine Mehrzahl von Führungsrippen 23, die sich in Form von konzentrischen Bögen in Umfangsrichtung längs der äußeren Umfangs­ oberfläche des Stützzylinderteils 22 erstrecken. Ein Teil des Stützzylinders 22 der vorderen Trennplatte 2 ist in dem vorderen Gehäusekörper 1 gefügt, so daß er eng mit dem Innenwandbereich des vorderen Gehäusekör­ pers 1 in Berührung steht. Als Folge davon entsteht ein vorderer Wasserkühlmantel FW, der einen Wärmestrah­ lungsraum darstellt, benachbart zur vorderen Seite des Wärmeerzeugungsbereichs 7 des Arbeitsraums zwischen dem Innenwandbereich des vorderen Gehäusekörpers 1 und dem Körper der vorderen Trennplatte 2. In diesem vorderen Wasserkühlmantel FW wirken der Rand 21, der Stützzylin­ der 22 und die Führungsrippen 23 als Wandung zum Führen der Strömung des Umlaufwassers, welches das umlaufende Fluid repräsentiert (und bei dem es sich beispielsweise um Motorkühlwasser handeln kann), und stellen den Strömungspfad für das Umlaufwasser in dem vorderen Wär­ mestrahlungsraum FW.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt die hintere Trennplatte 3 zusätzlich zu dem Rand 31 an ihrem hinte­ ren Ende einen nach der Plattenmitte zu ausgebildeten zylindrischen Teil 32 und eine Mehrzahl von Führungs­ rippen 33, die sich in Form von konzentrischen Bögen in Umfangsrichtung längs der äußeren Umfangsoberfläche des zylindrischen Bereichs 32 erstrecken. Mit den Trenn­ platten 2, 3 zwischen dem vorderen und hinteren Gehäu­ se 1, 4 gehalten, steht der zylindrische Teil 32 der hinteren Trennplatte 3 in engem Kontakt mit der ring­ förmigen Wandung 4a des hinteren Gehäusekörpers 4. Als Folge davon entsteht ein hinterer Wasserkühlmantel RW, der einen Wärmestrahlungsraum darstellt, benachbart zu der hinteren Seite des Wärmeerzeugungsbereichs 7 des Arbeitsraums und dem Speicherbereich 8 des Arbeits­ raums 6 in dem zylindrischen Bereich 32 zwischen dem Körper der hinteren Trennplatte 3 und dem hinteren Ge­ häusekörper 4. In diesem hinteren Wasserkühlmantel RW wirken der Rand 31, der zylindrische Teil 32 und die Führungsrippen 33 als eine Wandung zum Führen der Strö­ mung des Umlaufwassers, welches das umlaufende Fluid repräsentiert, und stellen den Strömungspfad für das Umlaufwasser in dem hinteren Wärmestrahlungsraum RW. Ferner ist eine Endfläche (vordere Endfläche) 34 an dem vorderen Ende der hinteren Trennplatte 3 vorgesehen (Fig. 5). Diese Endfläche wirkt als Trennwandung für den Arbeitsraum 6.

Wie Fig. 2 zeigt, sind eine Zuleitungsöffnung 12 zum Einführen des Umlaufwassers von dem Heizkreis 11 des Fahrzeug-Klimatisierungssystems zu dem vorderen und hinteren Wasserkühlmantel FW, RW und eine Ableitungs­ öffnung 13 zum Abführen des Umlaufwassers von dem vor­ deren und hinteren Wasserkühlmantel FW, RW zu dem Heiz­ kreis 11 nebeneinander an der Seitenwand des vorderen Gehäusekörpers 1 angeordnet. Das Umlaufwasser zir­ kuliert über diese Öffnungen zwischen den zwei Wasser­ kühlmänteln FW, RW und dem Heizkreis 11 des Wärmeerzeu­ gers.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist in dem vorderen Gehäuse­ körper 1 und der vorderen Trennplatte 2 die Antriebs­ welle 16 in Lagern 14, 15 drehbar gelagert. Das zwi­ schen der inneren Umfangsoberfläche des Stützzylin­ ders 22 und der äußeren Umfangsoberfläche der Antriebs­ welle 16 angeordnete Lager 15 ist ein Lager mit einer Abdichtung und dichtet gegen den vorderen Teil des Wär­ meerzeugungsbereichs 7 ab. Ein Rotor 17 von im wesent­ lichen scheibenförmiger Gestalt ist im hinteren End­ bereich der Antriebswelle 16 befestigt. Dieser Rotor 17 ist in dem Wärmeerzeugungsbereich 7 so angeordnet, daß ein sehr kleiner Zwischenraum (fluiddichter Spalt) zwi­ schen der vorderen Endfläche (Scherfläche) des Rotors und der hinteren Endfläche 24 der vorderen Trennplat­ te 2 sowie zwischen der hinteren Endfläche (Scherfläche) des Rotors und der vorderen Endfläche 34 der hinteren Trennplatte 3 sichergestellt ist.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Scheibenteil des Ro­ tors 17 mit einer Mehrzahl von vertieften Aussparun­ gen 17a ausgeführt, die eine leichte Neigung in radia­ ler Richtung aufweisen. Jede vertiefte Aussparung 17a bildet in ihrem der Mitte zuliegenden Teil eine nut- oder rillenartige Vertiefung und in ihrem außen­ umfangsnahen Teil eine eindeutige Aussparung. Durch die vertiefte Aussparung 17a wird die auf das viskose Fluid in dem Wärmeerzeugungsbereich 7 bei der Drehung des Ro­ tors ausgeübte Scherwirkung verbessert und gleichzeitig die Überführung des viskosen Fluids zu dem Außenumfang des Wärmeerzeugungsbereichs gefördert. Ferner sind eine Mehrzahl von Verbindungslöchern 17b in Längsrichtung durch den Rotor hindurch in der Nähe des Zentrums des Rotors 17 vorgesehen. Diese Verbindungslöcher 17b er­ leichtern den Übertritt des viskosen Fluids zwischen dem vorderen und hinteren Teil des Wärmeerzeugungsbe­ reichs 7 mit dem dazwischenliegenden Rotor.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Riemenscheibe 19 durch eine Schraube 18 am vorderen Endbereich der An­ triebswelle 16 befestigt. Die Riemenscheibe 19 ist mit dem Fahrzeugmotor E operativ verbunden, welcher - über einen Riemen 19a - eine externe Antriebsquelle bereit­ stellt. Bei Betrieb des Motors E wird der Rotor 17 über die Riemenscheibe 19 und die Antriebswelle 16 in Rota­ tion versetzt. Die Querschnittsgestalten von Rotor 17, Wärmeerzeugungsbereich 7 und Speicherbereich 8 senk­ recht zur Drehachse C der Antriebswelle 16 sind konzen­ trisch um die Drehachse C angeordnet.

Wie in den Fig. 1, 2 und 5 gezeigt, weist der mitti­ ge Bereich der hinteren Trennplatte 3 eine Grenzflä­ chenöffnung 9 auf, um eine Verbindung zwischen dem Wär­ meerzeugungsbereich 7 und dem Speicherbereich 8 in dem Grenzflächenbereich zwischen den Bereichen 7 und 8 her­ zustellen. Die Bereiche 7, 8 und die Grenzflächenöff­ nung 9 bilden einen Arbeitsraum 6. Weiter ist, wie in Fig. 1 gezeigt, der mittige Bereich des hinteren Gehäu­ sekörpers 4 nach hinten vortretend ausgeführt, um die Kapazität des Speicherbereichs 8 so weit wie möglich zu vergrößern, und der mittige Bereich des hinteren Gehäu­ sekörpers 4 weist einen mittigen Vorsprung 4b auf, der von der vorderen Seite des Gehäusekörpers 4 weg in den Speicherbereich 8 ragt. Dieser mittige Vorsprung 4b ist mit einer durch ihn hindurchgehenden Ein­ spritzöffnung 4c versehen, die den Speicherbereich 8 mit der äußeren Umgebung verbindet. Diese Einspritzöff­ nung 4c ist dafür vorgesehen, die erforderliche Menge an Siliconöl (viskosem Fluid) in den Arbeitsraum 6 mit Hilfe eines Injektors (nicht gezeigt) einzuspritzen, und wird nach erfolgter Einbringung des Öls mit einer Schraube 10 über eine Dichtungsscheibe verschlossen. Diese Hälfte des Speicherbereichs 8 bildet einen ring­ förmigen, rückspringenden Bereich, der definiert ist durch die innere Umfangsoberfläche der ringförmigen Wandung 4a, die äußere Umfangsoberfläche des mittigen Vorsprungs 4b und die vordere Oberfläche des hinteren Gehäusekörpers 4.

Wie in den Fig. 2 und 5 gezeigt, ist die Grenzflä­ chenöffnung 9 von im wesentlichen halbkreisförmiger Gestalt, und ihre bogenartige Kontur verläuft längs des Teilkreises D1 mit einem bestimmten Radius um die Dreh­ achse C. Der Radius des Teilkreises D1 liegt im Bereich von 3/10 bis 5/10 (oder noch bevorzugter bei ca. 4/10) des Radius des Rotors 17. Eine im wesentlichen runde Überführungsöffnung 35, die sich außerhalb des Teil­ kreises D1 erstreckt, ist als Aussparung in der hinte­ ren Trennplatte 3 an einem Ende des Bogens der Grenz­ flächenöffnung 9 ausgebildet. Andererseits steht eine im wesentlichen rechteckige vortretende Wandung 36 von der inneren Umfangsoberfläche des zylindrischen Teils 32 der hinteren Trennplatte 3 weg. Die Höhe bzw. Tiefe des Vorsprungs der vortretenden Wandung 36 ent­ spricht im wesentlichen dem Radius des Teilkreises D1. Anders ausgedrückt: der Teil des Teilkreises D1, der nach Berücksichtigung der vortretenden Wandung 36 ver­ bleibt, bildet die Grenzflächenöffnung 9 (einschließlich der Überführungsöffnung 35).

Wenn die erforderliche Menge an Siliconöl in den Ar­ beitsraum 6 eingebracht ist, stehen das in dem Wärmeer­ zeugungsbereich 7 vorliegende Öl und das Öl im Spei­ cherbereich 8 durch den Teil der Grenzflächenöffnung 9, der unter dem Ölspiegel L liegt (Fig. 6), miteinander in Verbindung. Somit überträgt die Grenz­ flächenöffnung 9 unterhalb des Ölspiegels L den Rotati­ onseffekt des Rotors 17 von dem Öl in dem Wärmeerzeu­ gungsbereich 7 auf das Öl in dem Speicherbereich 8, wo­ durch im wesentlichen eine rotationsübertragende Flüs­ sigphasen-Einheit gebildet wird, um eine freifließende Ölströmung in dem Speicherbereich hervorzurufen.

Die vortretende Wandung 36 weist einen Seitenbereich k benachbart zu der Überführungsöffnung 35 auf. Dieser Seitenbereich k liegt stromab der Überführungsöff­ nung 35 in dem im Speicherbereich 8 fließenden Silicon­ öl. Dementsprechend wirkt der Seitenbereich k als Füh­ rung, um die Richtung der Ölströmung in dem Speicherbe­ reich 8 zu ändern und das Siliconöl durch die Über­ führungsöffnung 35 zu dem Wärmeerzeugungsbereich 7 zu lenken.

Des weiteren, wie in den Fig. 1, 2 und 5 darge­ stellt, ist in dem Speicherbereich 8 zusätzlich zu dem Seitenbereich k der vortretenden Wandung 36 ein Gitter oder Schirm 41 vorgesehen. Der Schirm 41 ist von dem Seitenbereich k nach hinten wegstehend auf der Rücksei­ te der vortretenden Wandung 36 (der Oberfläche, die dem Speicherbereich 8 zuliegt) angeordnet. Der Schirm 41 erstreckt sich in der gleichen Richtung wie die Zu­ führungsnut (Fig. 5) und weist ferner eine axiale Länge auf, die etwas kleiner ist als die axiale Länge des Speicherbereichs 8, wie in Fig. 1 dargestellt. Bei der Drehung des Rotors 17 wird die freifließende Siliconöl­ strömung in dem Speicherbereich 8, nach Stoß gegen den Schirm 41, in Axialrichtung den Schirm entlang umge­ lenkt. Das Siliconöl wird also zwangsweise in Richtung der Überführungsöffnung 35 geführt. Im einzelnen wirkt der Schirm 41 ebenfalls als Führung, um das Siliconöl durch die Überführungsöffnung 35 zu dem Wärmeerzeu­ gungsbereich 7 zu lenken, indem die Richtung der auf den Schirm 41 in dem Speicherbereich 8 auftreffenden Ölströmung geändert wird. Somit unterstützt der Schirm 41 die Funktion des Seitenbereichs k der vortre­ tenden Wandung 36.

Wie in Fig. 5 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Effekt- verbessernden Nuten 37 mit radialer Erstreckung als Vertiefungen um die Drehachse C an der vorderen Endflä­ che 34 der hinteren Trennplatte 3 vorgesehen. Diese Ef­ fekt-verbessernden Nuten 37 sind in Form von abwech­ selnd kurzen und langen, zueinander benachbarten Nuten ausgeführt und so angeordnet, daß der Abstand zwischen den einander benachbarten Nuten 37 im Gebiet des äuße­ ren Umfangs des Wärmeerzeugungsbereichs 7 vergleichs­ weise klein ist. Durch diese Effekt-verbessernden Nu­ ten 37 wird der Schereffekt des Rotors 17 auf das in dem fluiddichten Spalt des Wärmeerzeugungsbereichs 7 befindliche Siliconöl verbessert und dabei gleichzeitig der Wärmeübertragungseffekt von dem Wärme­ erzeugungsbereich 7 auf die Wärmestrahlungsräume FW, RW dadurch verbessert, daß eine größere Wärmeübertragungs­ fläche erzielt wird. Andererseits ist, wie in Fig. 4 gezeigt, die hintere Endfläche 24 der vorderen Trenn­ platte 2 gleichermaßen mit einer Mehrzahl von Effekt- verbessernden Nuten 25 als Vertiefungen versehen, ähn­ lich den Effekt-verbessernden Nuten 37. Die Effekt- verbessernden Nuten 25 haben die gleiche Funktion wie die Effekt-verbessernden Nuten 37.

Nach Fig. 5 weist die vordere Endfläche 34 der hinteren Trennplatte 3 ferner eine vertiefte Zuführungsnut 38 und eine Rückführungsnut 39 auf. Die Zuführungsnut 38 ist gegen die diametrale Linie L1 in Rotordrehrichtung vorwärts geneigt (Fig. 6), und ihr basisseitiger Be­ reich steht mit der Überführungsöffnung 35 in Verbin­ dung. Andererseits ist die Rückführungsnut 39 gegen die diametrale Linie L1 in Rotordrehrichtung rückwärts ge­ neigt (Fig. 6), und ihr basisseitiger Bereich hat un­ mittelbaren Anschluß an den bogenartigen Teil der Grenzflächenöffnung 9. Die Zuführungsnut 38 führt das von dem Speicherbereich 8 durch die Überführungsöff­ nung 35 zufließende Siliconöl nach dem äußeren Umfangs­ bereich des Wärmeerzeugungsbereichs 7. Die Rückfüh­ rungsnut 39 dagegen führt das Siliconöl von dem äußeren Umfangsbereich des Wärmeerzeugungsbereichs 7 zu der Grenzflächenöffnung 9. Zwischen den jeweiligen Tiefen der drei Arten von Nuten, die in der Endfläche 34 der hinteren Trennplatte 3 gebildet sind, nämlich den Ef­ fekt-verbessernden Nuten 37 (Tiefe d1), der Zuführungs­ nut 38 (Tiefe d2) und der Rückführungsnut 39 (Tiefe d3), besteht die Beziehung d1 < d3 < d2.

Der Arbeitsraum 6, der den Wärmeerzeugungsbereich 7, den Speicherbereich 8 und die Grenzflächenöffnung 9 um­ faßt, bildet einen fluiddichten Innenraum des Gehäuses des Wärmeerzeugers. Wie im vorstehenden beschrieben, kann in den Arbeitsraum 6 eine bestimmte Menge an Sili­ conöl, welches ein viskoses Fluid repräsentiert, einge­ bracht werden. Die Menge des so eingefüllten Siliconöls bei Normaltemperatur wird so bestimmt, daß sie 40% bis 95% des verfügbaren Volumens in dem Arbeitsraum 6 be­ trägt, unter Berücksichtigung der Wärmedehnung des Öls infolge seiner Erwärmung durch Scherung. Noch bevorzug­ ter wird die Ölmenge in der Weise bestimmt, daß der Ölspiegel L in dem Speicherbereich 8 bei stillstehendem Rotor 17 mindestens in gleicher Höhe wie die Drehach­ se C steht. Damit enthält zumindest in dem Spei­ cherbereich 8 und in der Grenzflächenöffnung 9 die un­ tere Hälfte unterhalb des Ölspiegels L den Flüssigpha­ senanteil des Siliconöls, während im restlichen Teil oberhalb des Ölspiegels L ein Gasphasenanteil in Form von Luft oder Inertgas existiert. Hierbei kann der Speicherbereich 8 auch viel mehr von dem Siliconöl auf­ nehmen, als das Volumen des fluiddichten Spaltes zwi­ schen den Trennwänden 24, 34 des Arbeitsraums und dem Rotor 17 in dem Wärmeerzeugungsbereich 7. Es sei ange­ merkt, daß ungeachtet dieses ziemlich kleinen Ölfüll­ grades das Siliconöl unterhalb des Flüssigkeitsspie­ gels L in dem Wärmeerzeugungsbereich 7 infolge seiner Dehnviskosität durch den Rotor 17 über die Flüssig­ keitsspiegelhöhe L angehoben wird und den gesamten fluiddichten Spalt gleichförmig bedeckt.

Die grundlegende Arbeitsweise dieses Wärmeerzeugers ist wie folgt. Durch die gemeinsame Drehung von Antriebs­ welle 16 und Rotor 17 bei Betrieb des Motors E gelangt das Siliconöl unter den Einfluß scherender Kräfte und entwickelt Wärme in dem fluiddichten Spalt an jeder Endfläche (Scherfläche) des Rotors 17 und den Trennwän­ den 24, 34 des Wärmeerzeugungsbereichs 7. Die in dem Wärmeerzeugungsbereich 7 erzeugte Wärme geht durch die Trennplatten 2, 3 auf das in dem vorderen und hinteren Wasserkühlmantel FW, RW strömende Umlaufwasser über. Das durch die Kühlmäntel FW, RW erwärmte Umlaufwasser wird zum Beheizen des Fahrgastraums durch den Heiz­ kreis 11 verwendet.

Während der Rotor 17 in dem Wärmeerzeuger angetrieben wird, wird der Effekt der Rotation des Rotors 17 in dem Wärmeerzeugungsbereich 7, d. h. der Bewegungseffekt des sich drehenden Rotors 17, durch den Siliconöl- Flüssigphasenteil unterhalb des Flüssigkeitsspiegels L der Grenzflächenöffnung 9 auf das Öl in dem Speicherbe­ reich 8 übertragen. Nun setzt eine freifließende Strö­ mung des Öls in der gleichen Richtung in dem Speicher­ bereich 8 ein, und der größte Teil des freifließenden Öls trifft gegen die in dem Öl unter dem Flüssigkeits­ spiegel L eingetauchten Führungseinheiten (Seitenbereich k der vortretenden Wandung und Schirm 41) und erfährt eine Änderung der Strömungs­ richtung, so daß also das Öl zwangsweise in Richtung der Überführungsöffnung 35 gelenkt wird. Das durch die Überführungsöffnung 35 zu dem Wärmeerzeugungsbereich 7 geleitete Öl wird von der Zuführungsnut 38 zu dem äuße­ ren Umfangsbereich des Wärmeerzeugungsbereichs 7 ge­ führt (dem Gebiet, wo eine relativ intensive Wärmeer­ zeugung stattfindet), wobei es gleichzeitig den ganzen fluiddichten Spalt gleichförmig bedeckt. Im einzelnen bilden die Überführungsöffnung 35, der Seitenbereich k der vortretenden Wandung 36, der Schirm 41 und die Zu­ führungsnut 38 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels L Zu­ führungsmittel zum Überführen des viskosen Fluids von dem Speicherbereich 8 zu dem Wärmeerzeugungsbereich 7.

Das Siliconöl, das nun den ganzen Wärmeerzeugungsbe­ reich 7 gleichförmig bedeckt, wird durch den Gasphasen­ teil der Grenzflächenöffnung 9 oberhalb des Flüssig­ keitsspiegels L zum Speicherbereich 8 zurückgeführt. Der größte Teil des Öls in dem Wärmeerzeugungsbereich 7 jedoch wird von der Rückführungsnut 39 bei der Rotation des Rotors 17 aufgefangen und zu dem Speicherbereich 8 durch den Gasphasenteil der Grenzflächenöffnung 9 und den basisseitigen Bereich der Rückführungsnut 39 ober­ halb des Flüssigkeitsspiegels L zurückgeführt. Im ein­ zelnen bilden der Gasphasenteil der Grenzflächenöff­ nung 9 und die Rückführungsnut 39 die Rückführungsmit­ tel zum Überführen des viskosen Fluids von dem Wärmeer­ zeugungsbereich 7 zu dem Speicherbereich 8. Auf diese Weise bilden die Überführungsöffnung 35 und andere Bau­ teile unterhalb des Flüssigkeitsspiegels L einen Öl­ zuführungspfad von dem Speicherbereich 8 zu dem Wärme­ erzeugungsbereich 7, während die Grenzflächenöffnung 9 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels L im wesentlichen ei­ nen Ölrückführungspfad von dem Wärmeerzeugungsbereich 7 zu dem Speicherbereich 8 bildet. Demnach wird, solange sich der Rotor 17 in Rotation befindet, der Er­ satz/Umlauf des viskosen Fluid zwischen dem Spei­ cherbereich 8 und dem Wärmeerzeugungsbereich 7 des Ar­ beitsraums 6 aufrechterhalten.

Es wird nun das Abflußverhältnis α und das Gleichge­ wicht von Zufluß und Abfluß des viskosen Fluids zwi­ schen dem Wärmeerzeugungsbereich 7 und dem Speicherbe­ reich 8 erörtert, mit der Annahme, der Wärmeerzeuger sei an dem Fahrzeugaufbau unter dem Anordnungswinkel nach Fig. 6 montiert, und der Flüssigkeitsspiegel L des Öls liege in der durch die Strich-Zweipunktlinie be­ zeichneten Höhe.

(1) Ölfluß vom Speicherbereich 8 in den Wärmeerzeu­ gungsbereich 7

Die wichtigsten treibenden Faktoren, damit eine Ölströ­ mung von dem Speicherbereich 8 durch die Überführungs­ öffnung 35 und die Zuführungsnut 38 in den Wärmeerzeu­ gungsbereich 7 auftreten kann, umfassen die Zwangsüber­ führungsfunktion der Zuführungsnut 38 bei sich drehen­ dem Rotor (Qzu1), das im Eintrittspunkt C1 der Zufüh­ rungsnut 38 unter dem Flüssigkeitsspiegel L wirkende Gewicht des Öls in dem Speicherbereich (Qzu2) und der Druckgradient zwischen den Enden der Zuführungsnut 38 (Qzu3). Die Summe dieser drei treibenden Faktoren er­ gibt die Gesamtzuflußrate (Qzu) in den Wärmeerzeugungs­ bereich 7 (Gleichung (1)).

Qzu = Qzu1 + Qzu2 + Qzu3 (1)

Bezugnehmend auf Fig. 6 sei das Zentrum C1 der Überfüh­ rungsöffnung 35 als Basispunkt (Eintrittspunkt) der Zu­ führungsnut 38 betrachtet, und der Basispunkt (Austrittspunkt) der Rückführungsnut 39 liege bei C2; die Punkte C1 und C2 befinden sich dann auf dem Teil­ kreis D1, und die Punkte C1, C und C2 befinden sich auf der vertikalen, ersten diametralen Linie L1. L2 ist die Mittellinie der Zuführungsnut 38, welche die erste dia­ metrale Linie L1 im Eintrittspunkt C1 schneidet. Bei sich drehendem Rotor 17 beschreibt der äußerste Um­ fangsrand des Rotors die bogenartige oder gekrümmte Bahn D2, in Fig. 6 mit unterbrochener Linie gezeichnet. Der Schnittpunkt zwischen der gekrümmten Bahn D2 und der Nut-Mittellinie L2 sei C3. Dann ist L3 die zweite diametrale Linie, welche den Schnittpunkt C3 und das Drehachsenzentrum C miteinander verbindet. Bei sich drehendem Rotor 17 beschreibt ein Punkt P (nicht ge­ zeigt) auf dem Rotor gegenüber dem Eintrittspunkt C1 der Zuführungsnut 38 eine Bahn, die sich mit dem Teil­ kreis D1 überlappt. Mit der Annahme, der Radius des durch den Punkt P auf dem Rotor beschriebenen Kreises sei a, entspricht der Radius a dem Abstand zwischen C1 und C, der als Nuteintrittsradius betrachtet werden soll. Weiter vorausgesetzt, der Radius des Rotor 17 sei b, so entspricht der Radius b dem Abstand zwischen C3 und C, der als dem Rotorradius entsprechender Radius bezeichnet werden soll. Weiter sei der durch die erste diametrale Linie L1 und die Nutmittellinie L2 gebildete Winkel (nomineller Nutwinkel) θi, und der durch die Nutmittellinie L2 und die zweite diametrale Linie L3 gebildete Winkel (effektiver Nutwinkel am dem Rotorra­ dius entsprechenden Radius) sei θo. Ferner sei das Ver­ hältnis Kreisumfang zu Kreisdurchmesser π, die Winkel­ geschwindigkeit des Rotors 17 sei Ω, die Breite der Zuführungsnut 38 sei w, und die Tiefe der Zuführungs­ nut 38 sei h. Strenggenommen ist die Nuttiefe h die Tiefe von der Endfläche 34 bis zur Bodenfläche der Nut 38, plus des Zwischenraums zwischen der Endflä­ che 34 und der Scherfläche des Rotors 17. Indes ist dieser Zwischenraum so klein, daß seine Berücksichtigung für die Berechnung der Nuttiefe h impraktikabel ist.

Die mittlere Geschwindigkeit v1 des sich von Punkt C1 nach C3 die Zuführungsnut 38 entlang bewegenden Öls und die Flußrate Qzu infolge der Zwangsüberführungsfunktion der Zuführungsnut 38 ergeben sich aus den folgenden Gleichungen (2) und (3).

v1 = (Ω/2) × (a.cos(π/2 - θi) + b.cos(π/2 - θo))/2 (2)

Qzu1 = wh × v1 = whΩ(a.cos(π/2 - θi) + b.cos(π/2 - θo))/4 (3)

Wie in Fig. 6 gezeigt, wird die Höhe des Ölspiegels L in dem Speicherbereich 8 auf Basis des Eintritts­ punkts C1 der Zuführungsnut 38 als H angenommen. Die Schwerebeschleunigung sei g. Dann ergeben sich die Ge­ schwindigkeit v2 des Öls infolge seines Eigengewichts im Eintrittspunkt C1 und die Flußrate Qzu2 des Öls in­ folge seines Eigengewichts im Eintrittspunkt C1 aus den Gleichungen (4) und (5).

v2 = (2gH)^1/2 = √2gH (4)

Qzu2 = wh × v2 = wh√2gH (5)

Weiter sei Po der Druck des Flüssigphasenteils am äuße­ ren Umfang des Wärmeerzeugungsbereichs 7, Pi sei der Druck des Gasphasenteils des Speicherbereichs 8, ΔP (= Po - Pi) sei die Druckdifferenz zwischen Po und Pi, ρ sei die Dichte des Siliconöls und µ sei die Viskosi­ tät des Siliconöls. Der Druck an der Stelle C1 auf der Seite des Speicherbereichs 8 ist gegeben als (Pi + ρgH). Weiter ergibt sich die Flußrate Qzu3 infol­ ge des Druckgradienten zwischen den Enden der Zufüh­ rungsnut 38 bei sich drehendem Rotor aus Gleichung (6).

Qzu3 = -{wh³(Po - (Pi + ρgH))}/12µ(b - a) = -(wh³(ΔP - ρgH))/12µ(b - a) (6)

Da die Gleichung (6) einen negativen Wert annimmt, wirkt der Druckgradient der Richtung des Ölflusses von dem Speicherbereich 8 zu dem Wärmeerzeugungsbereich 7 entgegen.

(2) Ölfluß aus dem Wärmeerzeugungsbereich 7 zu dem Speicherbereich 8

Die wichtigsten treibenden Faktoren in Verbindung mit dem Ölfluß aus dem Wärmeerzeugungsbereich 7 durch die Rückführungsnut 39 oder dergleichen zu dem Speicherbe­ reich 8 umfassen die Zwangsüberführungsfunktion der Rückführungsnut 39 bei sich drehendem Rotor (Qab1) und den Druckgradienten zwischen den Enden der Rückfüh­ rungsnut 39 (Qab2). Die Summe dieser zwei treibenden Faktoren ergibt die Gesamtabflußmenge (Qab) von dem Wärmeerzeugungsbereich 7 (Gleichung (7)).

Qab = Qab1 + Qab2 (7)

Wie oben bereits ausgeführt, bezeichnet C2 in Fig. 6 den Basispunkt (Austrittspunkt) der Rückführungsnut 39 auf der vertikalen, ersten diametralen Linie L1. L4 ist die Mittellinie der Rückführungsnut 39, welche die er­ ste diametrale Linie L1 im Austrittspunkt C2 kreuzt. Der Schnittpunkt zwischen der vom äußersten Umfangsrand des Rotors beschriebenen gekrümmten Bahn D2 und der Nut-Mittellinie L4 sei C4. L5 ist die dritte diametrale Linie, welche den Schnittpunkt C4 und die Drehachse C miteinander verbindet. Bei sich drehendem Rotor 17 be­ schreibt ein Punkt P (nicht gezeigt) auf dem Rotor ge­ genüber dem Austrittspunkt C2 der Rückführungsnut 39 eine mit dem Teilkreis D1 überlappte Bahn. Der Radius des durch den Punkt P auf dem Rotor beschriebenen Krei­ ses sei a. Dann entspricht a dem Abstand zwischen C und C2, der als "Nutaustrittsradius" betrachtet werden soll. Weiter entspricht der Radius b des Rotors 17 dem Abstand zwischen C und C4, der als "dem Rotorradius entsprechender Radius" zu verstehen ist. Der zwischen der ersten diametralen Linie L1 und der Nutmittelli­ nie L4 gebildete Winkel (nomineller Nutwinkel) sei θi', und der Winkel zwischen der Nutmittellinie L4 und der dritten diametralen Linie L5 (effektiver Nutwinkel am dem Rotorradius entsprechenden Radius) sei θo'. Ferner sei Ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 17, w' sei die Breite der Rückführungsnut 39, und h' sei die Tiefe der Rückführungsnut 39. Die Tiefe h' ist streng be­ trachtet die Tiefe von der Endfläche 34 bis zur Boden­ fläche der Nut 39, plus des Zwischenraums zwischen der Endfläche 34 und der Scherfläche des Rotors 17. Der Zwischenraum ist jedoch so klein, daß es impraktikabel ist, den Zwischenraum bei der Bestimmung der Nuttie­ fe h' zu berücksichtigten.

Damit werden die mittlere Geschwindigkeit v3 des sich von Punkt C4 nach Punkt C2 die Rückführungsnut 39 ent­ lang bewegenden Öls und die Flußrate Qab1 infolge der Zwangsüberführungsfunktion der Rückführungsnut 39 durch die folgenden Gleichungen (8) und (9) ausgedrückt.

v3 = (Ω/2) × (a.cos(π/2 - θi') + b.cos(π/2 - θo'))/2 (8)

Qab1 = w'h' × v3 = (w'h'Ω)(a.cos(π/2 - θi') + b.cos(π/2 - θo'))/4 (9)

Wie im oben erwähnten Fall ergibt sich mit der Annahme, die Druckdifferenz zwischen dem Druck Po des Flüssig­ phasenteils am äußeren Umfang des Wärmeerzeugungsbe­ reichs 7 und dem Druck Pi des Gasphasenteils des Spei­ cherbereichs 8 sei ΔP (= Po - Pi), die Flußrate Qab2 infolge des Druckgradienten zwischen den Enden der Rückführungsnut 39 aus der untenstehenden Glei­ chung (10).

Qab2 = (w'h'³(Pi - Po))/12µ(b - a) = (w'h'³ΔP)/12µ(b - a) < 0 (10)

(3) Analyse des Zufluß/Abfluß-Gleichgewichts und des Abflußverhältnisses α

Bei im Beharrungszustand und mit stabiler Wärmeerzeu­ gungsleistung laufendem Wärmeerzeuger sind der Gesamt­ zufluß und der Gesamtabfluß im Gleichgewicht (Qzu = Qab). Solange dieses Gleichgewicht besteht, gilt Gleichung (11), die dann umgeschrieben werden kann, um die Druckdifferenz ΔP zum Ausdruck zu bringen, wie in der nachstehenden Gleichung (12) gezeigt.

Qzu1 + Qzu2 + Qzu3 = Qab1 + Qab2 (11)

ΔP = {(12µ(b - a))/(wh³ + w'h'³)}(Qzu1 + Qzu2 - Qab1) + wh³ρgH/(wh³ + w'h'³) (12)

Die Parameter, umfassend Qzu1 in der Gleichung (3), Qzu2 in der Gleichung (5), Qab1 in der Gleichung (9) und ΔP in der Gleichung (12), ausgenommen die Rotor- Winkelgeschwindigkeit Ω, werden durch die Wahl von Ge­ stalt, Lage und Anordnungswinkel jeder Nut sowie Art und Füllgrad des Öls in der Entwurfsphase eindeutig be­ stimmt. In anderen Worten, sobald die geeignet an­ genommene Winkelgeschwindigkeit Ω gegeben ist, können die Werte, welche Qzu1, Qzu2, Qab1 und ΔP umfassen, rechnerisch bestimmt werden. Nachdem auf diese Weise ΔP bestimmt wurde, kann auch Qzu3 aus Gleichung (6) be­ stimmt werden, so daß die Gesamtzuflußrate Qzu nach Gleichung (1) aus den Werten Qzu1, Qzu2 und Qzu3 ermit­ telt werden kann.

Solange Ersatz/Umauf des Öls in dem Wärmeerzeuger im Gleichgewicht sind, ist das Verhältnis der Gesamtab­ flußrate zur Gesamtzuflußrate (Qab/Qzu) gleich Eins. Die Beziehung Qab/Qzu = 1 zeigt jedoch einfach das Gleichgewicht zwischen Zufluß und Abfluß, nicht aber den Ölfüllgrad (oder Belegungsgrad) des fluiddichten Spalts des Wärmeerzeugungsbereichs 7. Von den einzelnen Elementen, welche die Gesamtabflußrate Qab nach Glei­ chung (7) ausmachen, kann die Flußrate Qab1 infolge der Zwangsüberführungsfunktion der Rückführungsnut 39 ein­ deutig bestimmt (festgelegt) werden, sobald Gestalt, Lage und Anordnungswinkel der Rückführungsnut 39 und die Rotor-Winkelgeschwindigkeit Ω spezifiziert sind. Dagegen ist die Flußrate Qab2 infolge des Druckgradien­ ten proportional zu ΔP (= Po - Pi), wie in Glei­ chung (10) gezeigt. Für den Fall, wo der Ölfüllgrad des fluiddichten Spaltes des Wärmeerzeugungsbereichs 7 100% erreicht hat, ist es jedoch sehr schwierig, die nachfolgende Änderung des Drucks Po des Flüssigphasen­ teils am äußeren Umfang des Wärmeerzeugungsbereichs vorherzusagen. Im einzelnen ist Qab ein instabiler Fak­ tor, der von der Gasphase und vom Ölfüllgrad des Wärme­ erzeugungsbereichs 7 beeinflußt wird und einer eindeu­ tigen theoretischen Bestimmung nicht zugänglich ist. Eine Berücksichtigung der Flußrate Qab2, die sehr von anderen Faktoren abhängig ist, leistet in keinem Fall einen Beitrag zur charakteristischen Bewertung oder zum Entwurf des Wärmeerzeugers. Wenn statt dessen ein neuer charakteristischer Bewertungsindex definiert wird, der sich auf rechnerischem Wege theoretisch bestimmen läßt, und wenn die Charakteristika des Wärmeerzeugers mit Hilfe eines derartigen Index entworfen werden können, dann kann die Arbeits- und Zeitverschwendung für die Durchführung von Trial-und-Error-Versuchen unfehlbar vermieden werden.

In Anbetracht dessen wird in Einklang mit der vorlie­ genden Ausführungsform das Abflußverhältnis α wie in Gleichung (13) dargestellt definiert.

α = Qab1/Qzu = Qab1/(Qzu1 + Qzu2 + Qzu3) (13)

Der Zähler in dieser Gleichung, die das Abflußverhält­ nis α definiert, ist die Flußrate Qab1 infolge der Zwangsüberführungsfunktion der Rückführungsnut 39. Es versteht sich, daß dies das Resultat daraus ist, daß von der Gesamtabflußrate Qab nur ein festgelegter Fak­ tor (Qab1), unter Ausschluß des Nebenfaktors (Qab2), benutzt wird. Das so definierte Abflußverhältnis α ist ein charakteristischer Bewertungsindex, der sich ein­ deutig bestimmen läßt, sobald die angenommene Winkelge­ schwindigkeit (Ω) des Rotors 17, die Gestalt (h, h', w, w'), die Lage (a, b) und der Anordnungswinkel (θi, θi', θo, θo') der Zuführungsnut 38 und der Rückfüh­ rungsnut 39 sowie Art (ρ, µ) und Füllgrad (H) des vis­ kosen Fluids gewählt sind.

Es wurde experimentell nachgewiesen, daß das Abflußver­ hältnis α ein einflußreicher Entwurfsindex zum Einstellen der Wärmeerzeugungsleistung von Wärmeerzeugern die­ ser Art sein kann. Der Graph von Fig. 9 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem berechneten Abflußverhält­ nis α und dem tatsächlich gemessenen Betrag der Wärme­ erzeugung oder Wärmeerzeugungsleistung bei einer ange­ nommenen Drehzahl (Ω = ca. 1400 U/min) für drei Ar­ beitsmodelle. In dem Graphen steht das Arbeitsmodell 1 für den Wärmeerzeuger gemäß der ersten Ausführungsform, und die Arbeitsmodelle 2 und 3 repräsentieren den Wär­ meerzeuger gemäß der zweiten Ausführungsform, wie im weiteren noch beschrieben werden wird. Beim Arbeitsmo­ dell 1 beträgt das Abflußverhältnis α 0,84, mit einer Wärmeerzeugungsleistung von ca. 1,65 kW. Die Wärmeer­ zeugungsleistung von 1,65 kW entspricht im wesentlichen der theoretischen Wärmeerzeugungsleistung für die ange­ nommene Drehzahl (Ω = ca. 1400 U/min) bei mit zu fast 100% ölgefülltem fluiddichtem Spalt des Wärmeerzeu­ gungsbereichs 7. Weiter ist in dem Graphen das Arbeits­ modell 2 mit einem Abflußverhältnis α von 0,92 und ei­ ner Wärmeerzeugungsleistung von 1,60 kW verbunden und das Arbeitsmodell 3 mit einem Abflußverhältnis α von 0,82 und einer Wärmeerzeugungsleistung von 1,65 kW. Was das Ergebnis des Versuchs an den Arbeitsmodellen 1 bis 3 anbelangt, ist offensichtlich, daß das Abflußver­ hältnis α und die Wärmeerzeugungsleistung in umgekehr­ ter wechselseitiger Beziehung stehen. Indem der Wärme­ erzeuger mit einem Abflußverhältnis α von ca. 0,80 bis 0,86 entworfen wird, kann jedoch die Wärmeerzeugungs­ leistung, die im wesentlichen der theoretischen Wärme­ erzeugungsleistung bei der angenommenen Drehzahl ent­ spricht, sichergestellt werden.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die das Ab­ flußverhältnis α definierende Gleichung und Qab2 stets einen positiven Wert annehmen, ist das Abflußverhält­ nis α kleiner als Eins für den Gleichgewichtsfall des Ersatzes/Umlaufs des Öls (Qab/Qzu = 1). Obschon es un­ möglich ist, den Wert zu bestimmen, den Qab2 annehmen wird, ist leicht abzuschätzen, daß, je kleiner der Wert α mit der niedrigeren relativen Funktion (Qab) der Rückführungsnut 39, desto größer die Neigung, daß ein Mehrzufluß in den Wärmeerzeugungsbereich 7 erfolgt, so daß Zufluß und Abfluß bei nahezu 100% Ölfüllgrad des Wärmeerzeugungsbereichs 7 ausgeglichen sein werden. Es ist ebenfalls leicht abzuschätzen, daß, je näher das Abflußverhältnis α bei Eins liegt, desto größer die Möglichkeit, das Gleichgewicht zwischen Zufluß und Ab­ fluß zu verwirklichen, ohne 100% Ölfüllgrad des Wärme­ erzeugungsbereichs 7 zu erreichen. Das experimentelle Ergebnis von Fig. 9 stimmt mit dieser Schätzung über­ ein.

Die erste Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf. Durch Festlegung von Gestalt, Lage und Anordnungs­ winkel der Zuführungsnut 38 und der Rückführungsnut 39 sowie durch die Wahl der Art und des Füllgrades des viskosen Fluids in der Weise, daß das Abflußverhält­ nis α 0,84 beträgt, kann die Wärmeerzeugungsleistung des Wärmeerzeugers auf im wesentlichen den gleichen Wert wie der theoretische Wert für die angenommene Drehzahl des Rotors 17 gesetzt werden.

Indem der Wärmeerzeuger so entworfen wird, daß das Ab­ flußverhältnis 0,84 beträgt, kann der Füllgrad von na­ hezu 100% des viskosen Fluids in dem fluiddichten Spalt des Wärmeerzeugungsbereichs 7 zumindest in dem Fall erreicht werden, wo der Wärmeerzeuger im Behar­ rungszustand mit der angenommenen Drehzahl läuft. An­ ders ausgedrückt: der Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung des Wärmeerzeugers kann für Betrieb bei der angenomme­ nen Drehzahl maximiert werden.

Das von dem Wärmeerzeugungsbereich 7 zum Speicherbe­ reich 8 rückgeführte Siliconöl bleibt für eine bestimm­ te Zeitdauer, die der Zykluszeit des Ersatzes/Umlaufs entspricht, in dem Speicherbereich 8. Das Öl weist un­ mittelbar nach seiner Rückführung von dem Wärmeerzeu­ gungsbereich 7 eine hohe Temperatur auf. Während der Zeit, in der das Öl in dem Speicherbereich bleibt, wird die Wärme jedoch zum Teil auf die Trennelemente (hintere Trennplatte 3 und hinterer Gehäusekörper 4) des Speicherbereichs 8 übertragen und dadurch dem Sili­ conöl Wärme entzogen. Dementsprechend wird das Hochtem­ peratur-Siliconöl abgekühlt ("abgeschreckt") und vor der Verschlechterung geschützt, die andernfalls durch ein längerandauerndes Halten der Wärme verursacht wer­ den könnte.

Zweite Ausführungsform

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Bei der ersten Ausführungsform ist je­ weils eine Zuführungsnut 38 und eine Rückführungsnut 39 an der Endfläche 34 der hinteren Trennplatte 3 vorgesehen. Demgegenüber weist die zweite Ausführungsform zwei Paare von Zuführungs- und Rückführungsnuten an der Plattenendfläche 34 auf, mit entsprechend veränderter Gestalt der Grenzflächenöffnung 9. Um Wiederholungen der Beschreibung zu vermeiden, werden nachfolgend vor­ nehmlich nur die Punkte behandelt, die sich von der er­ sten Ausführungsform unterscheiden. Konfigurationen und Arbeitsweisen, auf die im folgenden Teil der Beschrei­ bung nicht besonders Bezug genommen wird, sollen als ähnlich den entsprechenden Konfigurationen und Arbeits­ weisen der ersten Ausführungsform verstanden werden.

Wie in Fig. 7 gezeigt, verläuft die Kontur der Grenz­ flächenöffnung 9 im wesentlichen längs des Teilkrei­ ses D1 mit einem bestimmten Radius (a) um die Drehach­ se C. Die hintere Trennplatte 3 ist mit zwei Aussparun­ gen ausgeführt, die zwei im wesentlichen runde Überfüh­ rungsöffnungen 35A, 35B bilden, und zwar so, daß diese sich außerhalb des Teilkreises D1 erstrecken. Die zwei Öffnungen 35A, 35B sind im wesentlichen symmetrisch um einen Punkt auf der Drehachse C angeordnet. Das Zen­ trum C1 jeder Öffnung ist auf dem Teilkreis D1 angeord­ net, und die beiden Zentren C1 und C liegen auf der er­ sten diametralen Linie L1 (Fig. 8).

Wie in Fig. 7 gezeigt, stehen zwei im wesentlichen rechteckige Wandungen 36A, 36B von der inneren Umfangs­ oberfläche des zylindrischen Teils 32 der hinteren Trennplatte 3 weg. Die beiden vortretenden Wandun­ gen 36A, 36B sind im wesentlichen symmetrisch um einen Punkt auf der Drehachse C angeordnet und erstrecken sich, sich einander annähernd, gegen die Drehachse C hin. Die Höhe bzw. Tiefe des Vorsprungs jeder der vor­ tretenden Wandungen 36A, 36B ist kleiner als der Radius des Teilkreises D1, wodurch ein Abstand zwischen den vortretenden Wandungen 36A, 36B bleibt. Die vortreten­ den Wandungen 36A, 36B sind im wesentlichen rechteckig, und demnach ist die Grenzflächenöffnung 9, von der Vor­ der- oder Rückseite gesehen, von im wesentlichen H-förmiger Gestalt und wird durch den Teilkreis D1 und die zwei vortretenden Wandungen 36A, 36B definiert. An­ ders ausgedrückt: die Grenzflächenöffnung 9 umfaßt ein Paar von Überführungsöffnungen 35A, 35B sowie die ihren restlichen Teil ausmachenden, im wesentlichen H-förmige Öffnung. Die Fläche der Grenzflächenöffnung 9 ist genü­ gend groß, so daß das Siliconöl unter dem im Wärmeer­ zeugungsbereich 7 herrschenden Effekt der Rotation des Rotors in dem Speicherbereich 8 frei fließen kann. Wenn die erforderliche Menge an Siliconöl (viskosem Fluid) in den Arbeitsraum 6 eingebracht ist, bildet der Teil der Grenzflächenöffnung 9 unter dem Ölspiegel L (Fig. 8) im wesentlichen einen Flüssigphasenteil, der den Effekt der Rotation des Rotors 17 von dem Siliconöl in dem Wärmeerzeugungsbereich 7 auf das Siliconöl in dem Speicherbereich 8 zu übertragen vermag und dadurch das Siliconöl frei fließen läßt.

Wie in Fig. 7 dargestellt, weisen die vortretenden Wan­ dungen 36A, 36B jeweils einen Seitenbereich k benach­ bart zu der entsprechenden Überführungsöffnung 35A bzw. 35B auf. Außerdem sind zusätzlich zu dem Seitenbe­ reich k der vortretenden Wandungen 36A, 36B ein Paar Gitter oder Schirme 41A, 41B in dem Speicherbereich 8 angeordnet. Die Schirme 41A, 41B sind ebenfalls symme­ trisch um einen Punkt auf der Drehachse C angeordnet. Die Schirme 41A, 41B sind von dem der Überführungsöff­ nung benachbarten Seitenbereich k der vortretenden Wan­ dungen 36A, 36B nach hinten wegstehend auf der Rücksei­ te der vortretenden Wandungen (Oberfläche, die dem Speicherbereich 8 zuliegt) angeordnet. Der zu der Über­ führungsöffnung benachbarte Seitenbereich k der vor­ tretenden Wandungen 36A, 36B liegt stromabwärts der entsprechenden Überführungsöffnung 35A, 35B in dem im Speicherbereich 8 fließenden Siliconöl. Die Schir­ me 41A, 41B erstrecken sich jeweils in der gleichen Richtung wie die entsprechenden Zuführungsnu­ ten 38A, 38B und haben, wie der Schirm 41 von Fig. 1, eine axiale Länge, die etwas kleiner ist als die axiale Länge des Speicherbereichs 8. Bei der Rotation des Ro­ tors 17 wird das Siliconöl, welches im freien Fluß in der Rotordrehrichtung in dem Speicherbereich 8 strömt und gegen einen der Schirme prallt, in Axialrichtung längs des entsprechenden Schirms umgelenkt und so zwangsweise in Richtung der entsprechenden Überfüh­ rungsöffnung 35 geführt. Im einzelnen unterstützen die Schirme 41A, 41B die Funktion des Seitenbereichs k der vortretenden Wandungen 36A, 36B. Diese Teile wirken als Führung, um die Strömungsrichtung des Siliconöls in dem Speicherbereich 8 zu ändern und das Siliconöl durch die Überführungsöffnung zu dem Wärmeerzeugungsbereich 7 zu führen.

Die Endfläche 34 der hinteren Trennplatte 3 ist ferner mit zwei Zuführungsnuten 38A, 38B und zwei Rückfüh­ rungsnuten 39A, 39B ausgeführt. Die zwei Zuführungsnu­ ten 38A, 38B sind um einen Punkt auf der Drehachse C angeordnet; desgleichen die zwei Rückführungsnu­ ten 39A, 39B. Jeder der zwei Überführungsöffnun­ gen 35A, 35B ist eine Zuführungsnut und eine Rückfüh­ rungsnut zugeordnet. Im einzelnen ist bei der Überfüh­ rungsöffnung 35A die Zuführungsnut 38A in Drehrichtung des Rotors vorwärts geneigt und steht mit der Öff­ nung 35A in Verbindung; die Rückführungsnut 39B ist in Rotordrehrichtung rückwärts geneigt und steht mit der Öffnung 35A in Verbindung. Ähnlich haben bei der Über­ führungsöffnung 35B die Zuführungsnut 38B und die Rück­ führungsnut 39B Anschluß. Die Zuführungsnuten 38A, 38B führen das von dem Speicherbereich 8 durch die entspre­ chende Überführungsöffnung zufließende Siliconöl in den äußeren Umfangsbereich des Wärmeerzeugungsbereichs 7 ein. Die Rückführungsnuten 39A, 39B dagegen führen das Siliconöl an dem äußeren Umfangsbereich des Wärmeerzeu­ gungsbereichs 7 zu der entsprechenden Überführungs­ öffnung.

In den Arbeitsraum 6, der den Wärmeerzeugungsbereich 7, den Speicherbereich 8 und die Grenzflächenöffnung 9 um­ faßt, wird die erforderliche Menge an Siliconöl, wel­ ches das viskose Fluid repräsentiert, eingebracht. In Einklang mit der zweiten Ausführungsform wird die Öl­ menge in der Weise bestimmt, daß der Ölspiegel L in dem Speicherbereich 8 bei stillstehendem Rotor 17 nicht niedriger ist als die Höhe der Drehachse C (Fig. 8).

Dies dient dazu, eine der beiden Überführungsöffnun­ gen 35A, 35B an einer Stelle anzuordnen, die unter dem Ölspiegel L liegt, und die andere Öffnung an einer Stelle oberhalb des Ölspiegels L.

Der Wärmeerzeuger gemäß der zweiten Ausführungsform wird an dem Fahrzeugaufbau angeordnet, z. B. in dem in Fig. 8 gezeigten Anordnungswinkel, und arbeitet bei Be­ trieb des Motors E in der gleichen Weise wie in der er­ sten Ausführungsform. Im einzelnen wird der Rotations­ effekt (Bewegungseffekt des Rotors 17) in dem Wärmeer­ zeugungsbereich 7 durch den die untere Hälfte der Grenzflächenöffnung 9 einnehmenden Flüssigphasenanteil des Siliconöls auf das Siliconöl in dem Speicherbe­ reich 8 übertragen, so daß ein freier Fluß des Öls in dem Speicherbereich 8 in der gleichen Richtung ein­ setzt. Der größte Teil des unter der Wirkung des Rotors in dem Speicherbereich 8 fließenden Öls trifft dann ge­ gen die in dem Öl unter dem Ölspiegel L eingetauchten Führungseinheiten (d. h. gegen den Seitenbereich k der vortretenden Wandung 36A und den Schirm 41A) und wird, nach Änderung der Strömungsrichtung, zwangsweise zu der der jeweiligen Führungseinheit zugeordneten Überfüh­ rungsöffnung 35A hin gelenkt. Das durch die Überfüh­ rungsöffnung 35A zu dem Wärmeerzeugungsbereich 7 gelei­ tete Öl wird von der Zuführungsnut 38A gleichförmig über den fluiddichten Spalt verteilt.

Das Siliconöl, das nun gleichförmig verteilt über den Wärmeerzeugungsbereich 7 vorliegt, kann durch den Gas­ phasenteil der Grenzflächenöffnung 9 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels L zum Speicherbereich 8 zurückgeführt werden. Der größte Teil des Öls in dem Wärmeerzeugungs­ bereich 7 aber wird von der Rückführungsnut 39A aufge­ fangen, welche mit der Überführungsöffnung 35B oberhalb des Flüssigkeitsspiegels L in Verbindung steht, und wird durch die betreffende Überführungsöffnung 35B zu dem Speicherbereich 8 zurückgeführt. Während des Rotor­ betriebs sucht die mit der Überführungsöffnung 35A un­ terhalb des Flüssigkeitsspiegels L verbundene Rückfüh­ rungsnut 39B ebenfalls, das Öl zu sammeln und es zu der Überführungsöffnung 35A zu schicken. In Anbetracht der Tatsache aber, daß der Druck des Öls, welches dem Wär­ meerzeugungsbereich 7 von der Überführungsöffnung 35A mit Hilfe des Seitenbereichs k der vortretenden Wan­ dung 36A und des Schirms 41A zufließt, den Öldruck in­ folge der Rückführungsnut 39B bei weitem übersteigt, ist offensichtlich, daß die Rückführungsnut 39B nicht tätig werden kann.

Solange sich der Rotor 17 unter der Bedingung nach Fig. 8 in Rotation befindet, wirkt die Überführungsöff­ nung 35A unterhalb des Ölspiegels L als Ölzuführungs­ pfad von dem Speicherbereich 8 zu dem Wärmeerzeugungs­ bereich 7, während die Überführungsöffnung 35B oberhalb des Ölspiegels L im wesentlichen als Ölrückführungspfad von dem Wärmeerzeugungsbereich 7 zu dem Spei­ cherbereich 8 wirkt. Klar ersichtlich zeigt somit die Zuführungsnut 38A, die im Zusammenwirken mit der Über­ führungsöffnung 35A einen Ölzuführungspfad bildet, ihre volle Leistungsfähigkeit, so daß die mit der Überfüh­ rungsöffnung 35B verbundene Rückführungsnut 39A, welche eine Ölrückführungspfad bildet, ebenfalls ihre volle Leistungsfähigkeit zeigen kann. Demgegenüber treten die Zuführungsnut 38B und die Rückführungsnut 39B offen­ sichtlich in den Zustand des Untätigseins. Zurückzufüh­ ren ist dies auf den speziellen Umstand, daß die Nu­ ten 38A, 38B mit derselben Überführungsöffnung 35A kom­ munizieren und die Nuten 38B, 39A mit derselben Über­ führungsöffnung 35B kommunizieren. Im einzelnen bilden die Überführungsöffnung 35A unterhalb des Ölspiegels L und die entsprechenden Führungseinheiten (Seitenbereich k der vortretenden Wandung 36A und Schirm 41A) einen Ölzuführungspfad von dem Speicherbe­ reich 8 zu dem Wärmeerzeugungsbereich 7, und der übrige Teil der Grenzflächenöffnung 9 (insbesondere die andere Überführungsöffnung 35B, die einen Teil des Gasphasen­ teils der Grenzflächenöffnung 9 ausmacht), mit Ausnahme der Überführungsöffnung 35A, die den Ölzuführungspfad bildet, stellt einen Ölrückführungspfad von dem Wärme­ erzeugungsbereich 7 zu dem Speicherbereich 8 dar. Dem­ entsprechend wird, solange sich der Rotor 17 dreht, der Ersatz/Umlauf des Siliconöls zwischen dem Wärmeerzeu­ gungsbereich 7 und dem Speicherbereich 8 des Arbeits­ raums 6 aufrechterhalten.

Es wird nun das Abflußverhältnis α des Wärmeerzeugers in Einklang mit der zweiten Ausführungsform unter Be­ zugnahme auf Fig. 8 erläutert.

In Fig. 8 kann das Zentrum C1 jeder der beiden Überfüh­ rungsöffnungen 35A, 35B als Basispunkt (Eintrittspunkt) der entsprechenden Zuführungsnut bzw. als Basispunkt (Austrittspunkt) der entsprechenden Rückführungsnut an­ gesehen werden. Im einzelnen entspricht C1 nach Fig. 8 C1 und C2 in Fig. 6. Zwei Punkte C1 sind auf dem Teil­ kreis D1 angeordnet, und C1, C liegen auf der vertika­ len, ersten diametralen Linie L1. L2 ist die Mittelli­ nie jeder der Zuführungsnuten 38A, 38B, welche die er­ ste diametrale Linie L1 im Eintrittspunkt C1 schneidet. C3 ist der Schnittpunkt zwischen der vom äußersten Um­ fangsrand des Rotors 17 beschriebenen bogenförmigen oder gekrümmten Bahn D2 und der Nutmittellinie L2, und L3 ist die zweite diametrale Linie, die jeden Schnitt­ punkt C3 und die Drehachse C verbindet. L4 ist die Mit­ tellinie jeder der Rückführungsnuten 39A, 398, welche die erste diametrale Linie L1 im Austrittspunkt C1 schneidet. C4 ist der Schnittpunkt zwischen der vom äu­ ßersten Umfangsrand des Rotors 17 beschriebenen ge­ krümmten Bahn D2 und der Nut-Mittellinie L4, und L5 ist die dritte diametrale Linie, welche jeden Schnitt­ punkt C4 und die Drehachse C miteinander verbindet. Der nominelle Nutwinkel θi ist der Winkel, der durch die erste diametrale Linie L1 und die Nutmittellinie L2 ge­ bildet wird, und der effektive Nutwinkel θo ist der von der Nutmittellinie L2 und der zweiten diametralen Li­ nie L3 gebildete Winkel. Weiter ist der nominelle Nut­ winkel θi' der durch die erste diametrale Linie L1 und die Nutmittellinie L4 gebildete Winkel, und der effek­ tive Nutwinkel θo' ist der durch die Nutmittellinie L4 und die dritte diametrale Linie L5 gebildete Winkel.

Die wichtigsten treibenden Faktoren, die bewirken, daß das Öl in dem Speicherbereich 8 in den Wärmeerzeugungsbereich 7 einströmt, umfassen die Zwangsüberführungs­ funktion der zwei Zuführungsnuten 38A, 38B bei sich drehendem Rotor (2 × Qzu1), das im Eintrittspunkt C1 der Zuführungsnut 38A unterhalb des Flüssig­ keitsspiegels L wirkende Eigengewicht des Öls (Qzu2), der Druckgradient zwischen den Enden der Zuführungs­ nut 38A unterhalb des Flüssigkeitsspiegels L (Qzu3) und der Druckgradient zwischen den Enden der Zuführungs­ nut 38B oberhalb des Flüssigkeitsspiegels L (Qzu4). Die Gesamtsumme dieser vier treibenden Faktoren repräsen­ tiert die Gesamtzuflußrate (Qzu) des Öls in den Wärme­ erzeugungsbereich 7 (Gleichung (14)).

Qzu = 2 × Qzu1 + Qzu2 + Qzu3 + Qzu4 (14)

Die Flußrate Qzu1 infolge der Zwangsüberführungsfunkti­ on einer Zuführungsnut ergibt sich analog Glei­ chung (3). Die Flußrate Qzu2 infolge des Eigengewichts des Öls im Eintrittspunkt C1 der Zuführungsnut 38A er­ gibt sich analog Gleichung (5). Die Flußrate Qzu3 in­ folge des Druckgradienten in der Zuführungsnut 38A er­ gibt sich analog Gleichung (6). Hingegen wird die Fluß­ rate Qzu4 infolge des Druckgradienten der Zufüh­ rungsnut 38A, im Eintrittspunkt C1 oberhalb des Flüs­ sigkeitsspiegels L gegen die Gasphase offen, durch die folgende Gleichung (15) ausgedrückt.

Qzu4 = (wh³(Po - Pi))/12µ(b - a) = -(wh³ΔP/12µ(b - a) (15)

Da sowohl die Gleichung (6) wie auch die Gleichung (15) einen negativen Wert annehmen, wirkt der Druckgradient in den Zuführungsnuten 38A, 38B gegen die Richtung des Ölflusses in den Wärmeerzeugungsbereich 7.

Die wichtigsten treibenden Faktoren für den Ölabfluß von dem Wärmeerzeugungsbereich 7 zu dem Speicherbe­ reich 8 umfassen die Zwangsüberführungsfunktion der zwei Rückführungsnuten 39 bei sich drehendem Rotor (2 × Qab1), den Druckgradienten zwischen den Enden der Rückführungsnut 39A oberhalb des Flüssigkeitsspiegels L (Qab2) und den Druckgradienten zwischen den Enden der Rückführungsnut 39B unterhalb des Flüssigkeitsspie­ gels L (Qab3). Die Gesamtsumme dieser drei treibenden Faktoren repräsentiert den Gesamtabfluß (Qab) von dem Wärmeerzeugungsbereich 7 (Gleichung (16)).

Qab = 2 × Qab1 + Qab2 + Qab3 (16)

Die Flußrate Qab1 infolge der Zwangsüberführungsfunkti­ on einer Rückführungsnut ergibt sich analog Glei­ chung (9). Die Flußrate Qab2 infolge des Druckgradien­ ten der Rückführungsnut 39A ergibt sich analog Glei­ chung (10). Hingegen kommt die Flußrate Qab3 infolge des Druckgradienten der Rückführungsnut 39B unterhalb des Flüssigkeitsspiegels L, mit ihrem Eintrittspunkt C1 in der Flüssigphase, in Gleichung (17) zum Ausdruck.

Qab3 = -{w'h'³((Pi + ρgH) - Po)}/12µ(b - a) = -w'h'³(-ΔP + ρgH/12µ(b - a) (17)

Die Flußrate Qab2 in der Gleichung (10) nimmt stets ei­ nen positiven Wert an, aber ob die Flußrate Qab3 in der Gleichung (17) einen positiven Wert αnnimmt, Null wird oder einen negativen Wert annimmt, ist abhängig von dem Flüssigkeitsspiegel H und den Betriebsbedingungen.

Wenn der Wärmeerzeuger gemäß der zweiten Ausführungs­ form im Beharrungszustand und mit stabiler Wärmeerzeu­ gungsleistung läuft, sind Gesamtzufluß und Gesamtabfluß im Gleichgewicht (Qzu = Qab). Solange dieses Gleichge­ wicht besteht, gilt die Gleichung (18), die dann umge­ schrieben werden kann, um die Druckdifferenz ΔP zum Ausdruck zu bringen, wie in der Gleichung (19) gezeigt.

2 × Qzu1 + Qzu2 + Qzu3 + Qzu4 = 2 × Qab1 + Qab2 + Qab3 (18)

ΔP = {6µ(b - a)/(wh³ + w'h'³)} × (2Qzu1 + Qzu2 - 2Qab1) + ρgH/2 (19)

Die Parameter, umfassend Qzu1 in der Gleichung (3), Qzu2 in der Gleichung (5), Qab1 in der Gleichung (9) und ΔP in der Gleichung (19), mit Ausnahme der Rotor- Winkelgeschwindigkeit Ω, werden durch die Wahl von Ge­ stalt, Lage und Anordnungswinkel jeder Nut sowie Art und Füllgrad des Öls in der Entwurfsphase eindeutig be­ stimmt. Im einzelnen können, sobald die geeignet ange­ nommene Winkelgeschwindigkeit Ω gegeben ist, die Werte Qzu1, Qzu2, Qab1 und ΔP auf rechnerischem Wege bestimmt werden. Nachdem ΔP bestimmt wurde, können Qzu3 in der Gleichung (6) und Qzu4 in der Gleichung (15) ebenfalls rechnerisch ermittelt werden, so daß die Gesamtzufluß­ rate Qzu in der Gleichung (14) aus den Werten Qzu1, Qzu2, Qzu3 und Qzu4 ermittelt werden kann. Im Gegensatz dazu sind, aus dem gleichen Grund wie in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform ausgeführt, Qab2 und Qab3 infolge des Druckgradienten instabile Faktoren, die in großem Maße vom Ölfüllgrad des Wärmeerzeugungs­ bereichs 7 abhängen und die einer eindeutigen Bestim­ mung durch theoretische Behandlung nicht leicht zugäng­ lich sind. Die Flußrate Qab1 infolge der Zwangsüberfüh­ rungsfunktion jeder Rückführungsnut hingegen kann ein­ deutig bestimmt (festgelegt) werden, sobald Gestalt, Lage und Anordnungswinkel der Rückführungsnut 39 und die Rotor-Winkelgeschwindigkeit Ω spezifiziert sind. Somit kann, wie bei der ersten Ausführungsform, da­ durch, daß von der Gesamtabflußrate Qab nach Glei­ chung (16) die Flußrate (2 × Qab1), unter Ausschluß der Nebenfaktoren (Qab2, Qab3), berücksichtigt wird, das Abflußverhältnis α als charakteristischer Bewer­ tungsindex definiert werden. Anders ausgedrückt: gemäß der zweiten Ausführungsform kann das Abflußverhältnis α als Gleichung (20) definiert werden.

α = (2 × Qab1)/Qzu = (2 × Qab1)/(2 × Qzu1 + Qzu2 + Qzu3 + Qzu4) (20)

Das so definierte Abflußverhältnis α läßt sich durch rechnerische Behandlung eindeutig erhalten, indem die angenommene Winkelgeschwindigkeit (Ω) des Rotors 17, die Gestalt (h, h', w, w'), die Lage (a, b) und der Anordnungswinkel (θi, θi', θo, θo') der Zuführungsnu­ ten 38A, 38B und der Rückführungsnuten 39A, 39B sowie Art (ρ, µ) und Füllgrad (H) des viskosen Fluids geeig­ net gewählt werden. Es sei angemerkt, daß die Un­ tersuchung, der die Gleichungen (14) bis (20) zugrunde liegen, allgemein Anwendung finden kann auf den Fall, wo die Zuführungsnut und die Rückführungsnut nicht mit der gleichen, einzelnen Überführungsöffnung verbunden sind.

Wie im vorstehenden beschrieben, zeigt der Graph von Fig. 9 die Beziehung zwischen dem für jedes Arbeitsmo­ dell berechneten Abflußverhältnis α und dem tatsächlich gemessenen Betrag der Wärmeerzeugung oder Wärmeerzeu­ gungsleistung bei einer angenommenen Drehzahl (Ω = ca. 1400 U/min). In dem Graphen stehen die Ar­ beitsmodelle 2 und 3 für die Wärmeerzeuger gemäß der zweiten Ausführungsform. Bei dem Arbeitsmodell 2 ist das Abflußverhältnis α gleich 0,92 gesetzt und beim Ar­ beitsmodell 3 gleich 0,82. Die beiden Arbeitsmodelle 2 und 3 sind nach Lage (a, b) und Anordnungswinkel (θi, θi', θo, θo') von Zuführungsnut und Rückführungsnut so­ wie Art (ρ, µ) und Füllgrad (H) des viskosen Fluids identisch. Lediglich in der Gestalt (h, h', w, w') der Zuführungsnut und der Rückführungsnut unterscheiden sich die Arbeitsmodelle 2 und 3. Im einzelnen ist die Breite w' der Rückführungsnut des Arbeitsmodells 2 grö­ ßer als die Breite w' der Rückführungsnut des Arbeits­ modells 3, während die Tiefe h' der Rückführungsnut des Arbeitsmodells 2 geringer ist als die Tiefe h' der Rückführungsnut des Arbeitsmodells 3. Indes ist bei beiden Arbeitsmodellen 2 und 3 die Breite w der Zufüh­ rungsnut gleich, wohingegen die Tiefe h der Zuführungs­ nut des Arbeitsmodells 2 geringer ist als die Tiefe h der Zuführungsnut des Arbeitsmodells 3. Anders ausge­ drückt: durch geringfügige Variation der Beträge der drei Parameter h, h' und w' kann das Abflußverhältnis α um etwa 0,1 variieren. Bei dem Arbeitsmodell 2, mit ei­ nem Abflußverhältnis α von mehr als 0,86, kann eine ge­ eignete Wärmeerzeugungsleistung (1,6 kW) sichergestellt werden, um eine geeignete Zusatzwärmequelle zu stellen. Diese Wärmeerzeugungsleistung ist jedoch nicht immer befriedigend. Bei dem Arbeitsmodell 3, mit einem Ab­ flußverhältnis von nicht mehr als 0,86, kann dagegen eine Wärmeerzeugungsleistung (ca. 1,65 kW) sicherge­ stellt werden, die im wesentlichen der theoretischen Wärmeerzeugungsleistung bei der angenommenen Drehzahl (Ω = ca. 1400 U/min) für den Fall eines Ölfüllgrades des fluiddichten Spaltes des Wärmeerzeugungsbereichs 7 von nahezu 100% entspricht.

Mit dem Wärmeerzeuger in Einklang mit der zweiten Aus­ führungsform ist eine ähnliche Wirkung wie bei der er­ sten Ausführungsform erzielbar, indem Gestalt, Lage und Anordnungswinkel der Zuführungsnut und der Rückfüh­ rungsnut sowie Art und Füllgrad des viskosen Fluids in der Weise gewählt werden, daß das Abflußverhältnis α von 0,82 sichergestellt ist.

Äquivalente Paare von Elementen (35A & 35B; 36A & 36B; 38A & 38B; 39A & 39B; 41A & 41B) sind jeweils an der hinteren Trennplatte 3 symmetrisch um einen Punkt auf der Drehachse C angeordnet. Als Folge davon kann unab­ hängig von dem Winkel, in dem der Wärmeerzeuger um die Achse C an dem Fahrzeugaufbau angeordnet wird, unter der Voraussetzung, daß der Ölspiegel L nicht niedriger steht als die Achse C, eine der beiden Überfüh­ rungsöffnungen 35A, 35B mit dem zu der jeweiligen Öff­ nung gehörenden Element stets in einer Höhe angeordnet werden, die nicht höher ist als der Flüssigkeitsspie­ gel L. In anderen Worten, der zulässige Bereich für den Anordnungswinkel des Wärmeerzeugers kann 360 Grad be­ tragen, ohne dadurch die Funktion Ersatz/Umlauf des Öls abträglich zu beeinflussen. Somit kann mit dieser An­ ordnung der Spielraum für die Montage des Wärmeerzeu­ gers an dem Fahrzeugaufbau erheblich verbessert und da­ mit die Montage erleichtert werden.

Zusammenfassend sei gesagt, daß die Definition des Ab­ flußverhältnisses α für die erste und zweite Ausfüh­ rungsform für allgemeine Anwendungszwecke induktiv er­ weitert werden kann. Als Beispiel sei angenommen, ein Nutenpaar sei von einer Zuführungsnut an der Endflä­ che 34 der hinteren Trennplatte 3 und einer entspre­ chenden Rückführungsnut gebildet, und es seien N Paare von Nuten an der Plattenendfläche 34 ausgebildet; das Abflußverhältnis α des betreffenden Wärmeerzeugers wird dann definiert als

α = N × Qab1/Qzu (21)

In der obigen Gleichung (21) bedeutet Qzu den Gesamtzu­ fluß des viskosen Fluids von dem Speicherbereich 8 in den Wärmeerzeugungsbereich 7, und Qab1 steht für den Abfluß infolge der Zwangsüberführungsfunktion pro Rückführungsnut. Für praktische Zwecke wird jedoch N = 1 (erste Ausführungs­ form) oder N = 2 (zweite Ausführungsform) genügen. Der Wert N = 3 oder mehr, der die Gestalt verwickelter macht und die Fertigungskosten erhöht, ist in der Praxis von geringer Be­ deutung.

Die im vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen können wie folgt modifiziert werden.

Die in der ersten und zweiten Ausführungsform vorgesehenen Schirme 41, 41A, 41B können eliminiert werden, und die Füh­ rungseinheit kann so ausgeführt werden, daß sie nur den Seitenbereich k der vortretenden Wandungen 36, 36A, 36B um­ faßt.

Das "viskose Fluid", welches stellvertretend für alle Medi­ en zur Erzeugung von Wärme über den Mechanismus der Flui­ dreibung infolge des Schereffekts des Rotors steht, ist nicht auf ein flüssiges oder halbflüssiges Medium von hoher Viskosität und, selbstverständlich, nicht auf Siliconöl be­ grenzt.

Wie im vorstehenden ausführlich beschrieben, wird erfin­ dungsgemäß ein Wärmeerzeuger bereitgestellt, bei dem der Ersatz/Umlauf des viskosen Fluids zwischen dem Wärmeerzeu­ gungsbereich und dem Speicherbereich des Arbeitsraums auf­ rechterhalten und gleichzeitig die erforderliche Wärmeer­ zeugungsleistung leicht sichergestellt werden kann.

Claims (9)

1. Wärmeerzeuger, umfassend einen in einem Gehäuse definierten Arbeitsraum, ein in dem Arbeitsraum aufgenommenes viskoses Fluid und einen von einer externen Kraft zu einer Drehbewegung angetriebenen Rotor,
wobei der Arbeitsraum einen Wärmeerzeugungsbereich umfaßt zur Aufnahme des Rotors in der Weise, daß ein fluiddichter Spalt zwischen einer Trennwandung und dem Rotor sichergestellt ist, und zur Erzeu­ gung von Wärme dadurch, daß das in dem fluiddich­ ten Spalt befindliche viskose Fluid durch den Ro­ tor eine Scherung erfährt, einen Speicherbereich zur Aufnahme des viskosen Fluids, das über das Vo­ lumen des fluiddichten Spaltes hinausgeht, und mindestens eine Öffnung in der Grenzfläche zwi­ schen dem Wärmeerzeugungsbereich und dem Speicher­ bereich zum Verbinden der zwei Bereiche,
wobei der Arbeitsraum umfaßt: Zuführungsmittel zum Überführen des viskosen Fluids in dem Speicherbe­ reich zu dem Wärmeerzeugungsbereich, wenn sich der Rotor dreht, und Rückführungsmittel zum Überführen des viskosen Fluids in dem Wärmeerzeugungsbereich zu dem Speicherbereich, wenn sich der Rotor dreht,
wobei die Rückführungsmittel umfassen: mindestens eine Rückführungsnut in der Trennwandung des Ar­ beitsraums gegenüber der Scherfläche des Rotors zum Auffangen des in dem fluiddichten Spalt be­ findlichen viskosen Fluids und zum zwangsweisen Überführen des viskosen Fluids zu der Öffnung hin, wenn sich der Rotor dreht, und
wobei die Zuführungsmittel und die Rückführungs­ mittel so gestaltet sind, daß das Abflußverhält­ nis (α), d. h. das Verhältnis der Menge an viskosem Fluid, die aus dem Wärmeerzeugungsbereich infolge der Zwangsüberführungsfunktion der Rückführungsnut abfließt, zur Gesamtmenge an viskosem Fluid, die dem Wärmeerzeugungsbereich von dem Speicherbereich infolge der Überführungsfunktion der Zuführungs­ mittel zufließt, nicht mehr als 0,92 beträgt.

2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, bei dem das Abfluß­ verhältnis α ausgedrückt ist als α = N.Qab1/Qzu, worin N die Anzahl der Rückführungsnuten ist, wor­ in Qab1 die Menge an viskosem Fluid ist, die durch eine Rückführungsnut abfließt, und worin Qzu die Gesamtmenge an viskosem Fluid ist, die durch die Zuführungsmittel zufließt.

3. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Abflußverhältnis α im Bereich von 0,50 bis 0,92 angesiedelt ist.

4. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Zuführungsmittel aufweisen: mindestens eine Zuführungsnut in der Trennwandung des Ar­ beitsraums gegenüber der Scherfläche des Rotors zum Bewegen des viskosen Fluids von der Öffnung in den Wärmeerzeugungsbereich und zum zwangsweisen Überführen des viskosen Fluids zu dem äußeren Um­ fangsbereich des Wärmeerzeugungsbereichs hin, wenn sich der Rotor dreht.

5. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Rückführungsnut gegen die diametrale Linie, die längs des Durchmessers des Arbeitsraums verläuft, in Drehrichtung des Rotors rückwärts ge­ neigt ist.

6. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Zuführungsnut gegen die diametrale Li­ nie, die längs des Durchmessers des Arbeitsraums verläuft, in Drehrichtung des Rotors vorwärts ge­ neigt ist.

7. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die in der Grenzflächenöffnung zwischen dem Wärmeerzeugungsbereich und dem Speicherbereich gebildete Öffnung eine solche Fläche aufweist, daß das viskose Fluid in dem Speicherbereich unter der Wirkung der Rotation des Rotors in dem Wärmeerzeu­ gungsbereich fließen kann.

8. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Zuführungsmittel eine Führungseinheit umfassen, welche in dem Speicherbereich des Ar­ beitsraums angeordnet ist, um die Strömungsrich­ tung des viskosen Fluids in dem Speicherbereich zu ändern und das viskose Fluid durch die Öffnung zu dem Wärmeerzeugungsbereich zu lenken.

9. Wärmeerzeuger nach Anspruch 8, bei dem die Füh­ rungseinheit mindestens einen Schirm umfaßt, der von einem den Speicherbereich definierenden Ele­ ment vorsteht.