DE19835765A1

DE19835765A1 - Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ

Info

Publication number: DE19835765A1
Application number: DE19835765A
Authority: DE
Inventors: Takanori Okabe; Takashi Ban; Shigeru Suzuki; Tatsuya Hirose
Original assignee: Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK; Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2018-08-08
Also published as: US6039264A; FR2767189B1; FR2767189A1; KR100287586B1; DE19835765C2; JPH1148762A; KR19990023131A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ, der ein Gehäuse umfaßt, welches mit einer Wärmeerzeugungskammer und einer Wärmeaufnah mekammer versehen ist, die voneinander getrennt sind, sowie ein Rotorelement, um ein in der Wärmeerzeugungs kammer enthaltenes viskoses Fluid einer Scherwirkung zu unterwerfen zur Erzeugung von Wärme, die wiederum auf ein durch die Wärmeaufnahmekammer zirkulierendes Wärme tauschfluid übertragen wird, um von dem Wärmetausch fluid zu einem gewünschten zu erwärmenden Bereich transportiert zu werden.

Wärmegeneratoren vom Viskosfluid-Typ, die in ein Fahr zeug-Heizsystem eingebaut werden können, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Beispiel ist in der Ja panischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 8-337110 (JP-A-8-337110) offenbart. Bei diesem Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ definiert eine Gehäuseanordnung in sich eine Wärmeerzeugungskammer und eine benachbart zur Wärmeerzeugungskammer angeordnete Wärmeaufnahmekammer. Die Wärmeerzeugungskammer ist von der Wärmeaufnahmekam mer durch eine Trennwand abgetrennt, durch welche Wärme zwischen einem in die Wärmeerzeugungskammer aufgenomme nen viskosen Fluid und einem durch die Wärmeaufnahme kammer strömenden Wärmetauschfluid ausgetauscht wird. Das Wärmetauschfluid wird durch eine Einlaßöffnung in die Wärmeaufnahmekammer eingeführt und durch eine Aus laßöffnung aus der Wärmeaufnahmekammer in einen exter nen Heizkreislauf abgegeben.

Eine Antriebswelle ist durch eine Lagereinheit in der Gehäuseanordnung drehbar gelagert und durch eine Ab dichtvorrichtung darin abgedichtet. Ein Rotorelement, welches aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein kann, ist fest auf die Antriebswelle an deren hinterem Ende in einer Weise angebracht, daß es sich innerhalb der Wärmeerzeugungskammer drehen kann. Eine elektroma gnetische Kupplung ist auf der Antriebswelle an deren vorderem Ende vorgesehen, um das Ausgangsdrehmoment ei nes Fahrzeugmotors über die Kupplung auf die Antriebs welle zu übertragen. Das Rotorelement umfaßt Außenflä chen, die gegenüberliegend zu den inneren Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer angeordnet sind, um dazwi schen einen fluidgefüllten Spalt zu definieren. Das viskose Fluid wird in die Wärmeerzeugungskammer gege ben, um in dem fluidgefüllten Spalt enthalten zu sein.

Wenn das Ausgangsdrehmoment des Fahrzeugmotors durch die elektromagnetische Kupplung auf die Antriebswelle übertragen wird, um die Antriebswelle zu einer Drehbe wegung anzutreiben, wird das Rotorelement ebenfalls in nerhalb der Wärmeerzeugungskammer gedreht. In dieser Situation unterwirft das Rotorelement das viskose Fluid, welches in dem Spalt zwischen den inneren Wand flächen der Wärmeerzeugungskammer und den Außenflächen des Rotorelementes enthalten ist, einer Scherwirkung, und dabei erzeugt das viskose Fluid Wärme. Die erzeugte Wärme wird dann von dem viskosen Fluid auf das Wärme tauschfluid übertragen, welches durch die Wärmeaufnah mekammer zirkuliert, und das Wärmetauschfluid bringt die übertragene Wärme zu dem Heizkreislauf des Fahr zeug-Heizsystems, um einen Fahrgastraum zu erwärmen.

Bei den bekannten Wärmegeneratoren vom Viskosfluid-Typ ist es im allgemeinen schwierig, sowohl den hohen Wert der Wärmeerzeugung als auch die Haltbarkeit der Be standteile des Wärmegenerators sicherzustellen.

Das heißt, um den hohen Wert der Wärmeerzeugung bei diesem Typ von Wärmegenerator sicherzustellen, ist es erwünscht, daß der fluidgefüllte Spalt zwischen den in neren Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer und den Au ßenflächen des Rotorelementes eng ist. Jedoch steigt, wenn das Rotorelement sich ständig dreht, nachdem es mit der Drehung begonnen hat, die Temperatur des visko sen Fluids aufgrund der Wärmeerzeugung desselben auf einen hohen Wert an, und dabei dehnen sich Teile der Gehäuseanordnung, welche die Wände der Wärmeerzeugungs kammer bilden, ebenso wie das Rotorelement aufgrund des Temperaturanstieges in merklichem Umfang aus.

Folglich gibt es einige Fälle, in denen die Abmessung des fluidgefüllten Spaltes weiter verringert wird, ob gleich die Fälle von der Wahl der Materialien der Kam merwand-Teile der Gehäuseanordnung und des Rotorelemen tes abhängen, und in denen der verringerte Spalt ein Anstoßen oder ein Aneinanderreiben des Kammerwand- Teiles und des Rotorelementes hervorruft. Auch in sol chen Fällen, selbst wenn der Fahrgastraum ausreichend oder zufriedenstellend erwärmt worden ist, erzeugt das viskose Fluid ständig und in zunehmenden Maße Wärme, was zu einer thermischen und/oder mechanischen Beschä digung oder Verschlechterung der Bestandteile des Wär megenerators führen kann.

Insbesondere wenn der bekannte Wärmegenerator, wie in der JP-A-8-337110 beschrieben, ein Kunststoff- Rotorelement und eine metallische Gehäuseanordnung um faßt, kann unter Berücksichtigung der Wärmebeständig keit der Gehäuseanordnung die Haltbarkeit der Bestand teile des Wärmegenerators verschlechtert werden, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kunststoff normalerweise größer ist als derjenige von Metall. Wenn ferner dieser Wärmegenerator in ein Fahrzeug-Heizsystem eingebaut wird, treibt der Fahrzeugmotor häufig die An triebswelle mit einer hohen Drehgeschwindigkeit an, z. B. Tausende von Umdrehungen pro Minute, und dabei kann das viskose Fluid bei einer Temperatur von mehre ren Hundert Grad (°C) Wärme erzeugen. Folglich neigt, wenn das Rotorelement aus einem Kunststoffmaterial ge fertigt ist, das Rotorelement selbst dazu, eine niedri ge Wärmebeständigkeit aufzuweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu grunde, einen Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ zur Verfügung zu stellen, der sowohl den hohen Wert der Wärmeerzeugung als auch die gute Haltbarkeit der Be standteile des Wärmegenerators sicherstellen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ, der folgendes um faßt
eine Gehäuseanordnung, die in sich eine Wärmeerzeu gungskammer definiert, in welcher Wärme erzeugt wird, wobei die Wärmeerzeugungskammer innere Wandflächen auf weist, sowie eine Wärmeaufnahmekammer, welche benach bart zu der Wärmeerzeugungskammer angeordnet ist, wobei die Wärmeaufnahmekammer einem Wärmetauschfluid gestat tet, durch die Wärmeaufnahmekammer hindurch zu zirku lieren, um dabei von der Wärmeerzeugungskammer übertra gene Wärme aufzunehmen;
eine Antriebswelle, welche von der Gehäuseanordnung um eine Drehachse der Antriebswelle drehbar gelagert ist, wobei die Antriebswelle mit einer externen Drehan triebsquelle in Wirkverbindung steht;
ein Rotorelement, welches von der Antriebswelle zu ei ner Drehbewegung in der Wärmeerzeugungskammer antreib bar ist, wobei das Rotorelement Außenflächen aufweist, die den inneren Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer über einen dazwischen definierten Spalt gegenüberlie gen;
und ein viskoses Fluid, welches in dem zwischen den in neren Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer und den Au ßenflächen des Rotorelementes definierten Spalt enthal ten ist, um Wärme zu erzeugen, wenn es durch die Dre hung des Rotorelementes einer Scherwirkung unterworfen wird,
wobei mindestens ein Teil der Gehäuseanordnung, welcher die Wärmeerzeugungskammer definiert, aus einem Material gefertigt ist, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des Materials des Rotorelemen tes.

Bei diesem Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ kann die Gehäuseanordnung mindestens eine Trennplatte aufweisen, welche zwischen der Wärmeerzeugungskammer und der Wär meaufnahmekammer angeordnet ist, wobei die Trennplatte die inneren Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer um faßt, und die Trennplatte kann aus dem Material gefer tigt sein, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient grö ßer ist als derjenige des Materials des Rotorelementes.

Auch kann die Gehäuseanordnung mindestens eine Trenn platte aufweisen, welche zwischen der Wärmeerzeugungs kammer und der Wärmeaufnahmekammer angeordnet ist, wo bei die Trennplatte die inneren Wandflächen der Wärme erzeugungskammer umfaßt, sowie mindestens ein Gehäuse teil, welches außerhalb der Trennplatte angeordnet ist, um die Wärmeaufnahmekammer zwischen dem Gehäuseteil und der Trennplatte zu definieren, und die Trennplatte und das Gehäuseteil können aus dem Material gefertigt sein, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des Materials des Rotorelementes.

Es ist vorteilhaft, wenn das Material des in Rede ste henden, mindestens einen Teiles der Gehäuseanordnung ein Aluminium-Material ist.

In diesem Fall kann das Aluminium-Material ein Druck guß-Aluminium mit einem linearen Ausdehnungskoeffizien ten von 2,10 × 10^-5 (1/K) sein.

Es ist auch vorteilhaft, wenn das Material des Rotore lementes ein Eisen-Material ist.

In diesem Fall kann das Eisen-Material ein Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt mit einem linearen Ausdeh nungskoeffizienten von 1,17 × 10^-5 (1/K) sein.

Die vorstehend genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs beispiele unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt eines Ausführungs beispieles eines Wärmegenerators vom Viskos fluid-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teiles des Wärmegenerators von Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Rotorele mentes, welches in den Wärmegenerator von Fig. 1 eingebaut ist; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit einer An triebswelle und einem Heizwert-Verhältnis des Ausführungsbeispieles zu einem Ver gleichsbeispiel.

In den Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Bestand teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ. Der Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann als eine zusätzliche Wärmequelle verwendet werden, die in ein Fahrzeug-Heizsystem eingebaut ist, er kann aber auch für andere Anwendungen ausgestaltet sein.

Der Wärmegenerator gemäß diesem Ausführungsbeispiel um faßt ein vorderes Gehäuseteil 1, eine vordere Trenn platte 2, eine hintere Trennplatte 3 und ein hinteres Gehäuseteil 4. Die vordere und die hintere Trennplatte 2 bzw. 3 sind aneinander gestapelt unter Zwischenlegen eines O-Ringes, welcher zwischen den äußeren Randberei chen der einander gegenüberliegenden Flächen der Trenn platten 2 und 3 hermetisch abdichtet. Die gestapelten vorderen und hinteren Trennplatten 2 und 3 werden zwi schen den vorderen und hinteren Gehäuseteilen 1 und 4 durch Zwischenlegen mehrerer O-Ringe sicher und dicht gehalten. Die O-Ringe sind so angeordnet, daß sie zwi schen den inneren und äußeren Randbereichen des vorde ren Gehäuseteiles 1 und der vorderen Trennplatte 2 ebenso wie zwischen den inneren und äußeren Randberei chen des hinteren Gehäuseteiles 4 und der hinteren Trennplatte 3 hermetisch abdichten. Die so gestapelten vorderen und hinteren Gehäuseteile 1 und 4 und vorderen und hinteren Trennplatten 2 und 3 sind axial zusammen gefügt und werden dicht zusammengehalten durch eine Mehrzahl von Schraubbolzen oder Schrauben 5 (nur eine Schraube 5 ist in Fig. 1 dargestellt), um eine Gehäu seanordnung des Wärmegenerators zu bilden.

Das vordere Gehäuseteil 1 umfaßt einen ebenen, ringför migen Plattenbereich 1a und eine zentrale Nabe 1b, die sich vom radial inneren Rand des ringförmigen Platten bereichs 1a aus einstückig in axialer Richtung nach vorne erstreckt, um in sich eine zentrale Durchgangs bohrung 1c zu definieren. Das hintere Gehäuseteil 4 um faßt einen ebenen Plattenbereich 4a und Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen 13 bzw. 14, die sich vom ebenen Plat tenbereich 4a aus einstückig nach hinten erstrecken. Die Öffnungen 13 und 14 werden nachfolgend genauer be schrieben.

Die vordere Trennplatte 2 weist axial voneinander abge wandte, vordere und hintere Flächen 2a bzw. 2b und ein zentrales Durchgangsloch 2c auf. Die hintere Trennplat te 3 weist axial voneinander abgewandte, vordere und hintere Flächen 3a bzw. 3b und ein zentrales Durch gangsloch 3c auf. Die hintere Fläche 2b der vorderen Trennplatte 2 definiert in sich eine ringförmige Ver tiefung. Ein ebener, ringförmiger, hinterer Flächenteil und ein zylindrischer Umfangs-Flächenteil der in der hinteren Fläche 2b der vorderen Trennplatte 2 ausgebil deten, ringförmigen Vertiefung wirkt mit dem ebenen, ringförmigen, vorderen Flächenteil der vorderen Fläche 3a der hinteren Trennplatte 3 zusammen, um eine Wärme erzeugungskammer 6 zu definieren. So bilden der hintere Flächenteil und der Umfangs-Flächenteil der hinteren Fläche 2b sowie der vordere Flächenteil der vorderen Fläche 3a die inneren Wandflächen der Wärmeerzeugungs kammer 6.

Die vordere Fläche 2a der vorderen Trennplatte 2 defi niert in sich eine ringförmige Vertiefung, und drei C- förmige Rippen 2d, welche in axialer Richtung nach vor ne vorspringen und sich konzentrisch um das zentrale Durchgangsloch 2c herum erstrecken, sind in der ring förmigen Vertiefung vorgesehen. Der Flächenteil der vorderen Fläche 2a der vorderen Trennplatte 2 wirkt un ter Einbeziehung der Flächen der ringförmigen Vertie fung und der C-förmigen Rippen 2d mit einer ebenen, hinteren Fläche des ringförmigen Plattenbereichs 1a des vorderen Gehäuseteiles 1 zusammen, um eine C-förmige, vordere Wärmeaufnahmekammer 15 zu definieren, welche in der Nähe der Vorderseite der Wärmeerzeugungskammer 6 angeordnet ist. Die vordere Wärmeaufnahmekammer 15 ist auf fluiddichte Weise von der Wärmeerzeugungskammer 6 durch die dazwischen eingebrachte vordere Trennplatte 2 getrennt.

Die hintere Fläche 3b der hinteren Trennplatte 3 defi niert in sich eine ringförmige Vertiefung, und drei C- förmige Rippen 3d, welche in axialer Richtung nach hin ten vorspringen und sich konzentrisch um das zentrale Durchgangsloch 3c herum erstrecken, sind in der ring förmigen Vertiefung vorgesehen. Der Flächenteil der hinteren Fläche 3b der hinteren Trennplatte 3 wirkt un ter Einbeziehung der Flächen der ringförmigen Vertie fung und der C-förmigen Rippen 3d mit einer ebenen, vorderen Fläche des Plattenbereichs 4a des hinteren Ge häuseteiles 4 zusammen, um eine C-förmige, hintere Wär meaufnahmekammer 16 zu definieren, welche in der Nähe der Rückseite der Wärmeerzeugungskammer 6 angeordnet ist. Die hintere Wärmeaufnahmekammer 16 ist auf fluid dichte Weise von der Wärmeerzeugungskammer 6 durch die dazwischen eingebrachte hintere Trennplatte 3 getrennt.

Die an dem hinteren Gehäuseteil 4 ausgebildete Einlaß öffnung 13 steht mit der vorderen und der hinteren Wär meaufnahmekammer 15 bzw. 16 in Verbindung über (nicht dargestellte) Kanäle oder Leitungen, die jeweils in der vorderen und der hinteren Trennplatte 2 bzw. 3 und dem hinteren Gehäuseteil 4 ausgebildet sind. Auch die an dem hinteren Gehäuseteil 4 ausgebildete Auslaßöffnung 14 steht mit der vorderen und der hinteren Wärmeaufnah mekammer 15 bzw. 16 in Verbindung über (nicht darge stellte) andere Kanäle oder Leitungen, die jeweils in der vorderen und der hinteren Trennplatte 2 bzw. 3 und dem hinteren Gehäuseteil 4 ausgebildet sind.

Ein Wärmetauschfluid, welches durch den (nicht darge stellten) Heizkreislauf des Fahrzeug-Heizsystems zirku liert, wird durch die Einlaßöffnung 13 in die vordere und die hintere Wärmeaufnahmekammer 15 bzw. 16 einge führt, strömt entlang der im wesentlichen kreisbogen förmigen Kanäle, welche durch die bogenförmigen Rippen 2d und 3d in der vorderen bzw. der hinteren Wärmeauf nahmekammer 15 bzw. 16 definiert werden, und wird von der vorderen und der hinteren Wärmeaufnahmekammer 15 bzw. 16 durch die Auslaßöffnung 14 in den Heizkreislauf abgegeben. Die bogenförmigen Rippen 2d und 3d dienen dazu, die Wärmeaustauschflächen zwischen dem Wärme tauschfluid und der vorderen und der hinteren Trenn platte 2 bzw. 3 zu vergrößern.

Eine Antriebswelle 10, typischerweise in einer im we sentlichen horizontalen Lage angeordnet, erstreckt sich in die zentrale Durchgangsbohrung 1c des vorderen Ge häuseteiles 1 und in die zentralen Durchgangslöcher 2c und 3c der vorderen bzw. der hinteren Trennplatte 2 bzw. 3 und wird für eine Drehung durch Lagereinheiten 7 bzw. 8 gelagert, die jeweils in die zentralen Durch gangslöchern 2c bzw. 3c eingebracht sind. Beide Lage reinheiten 7 bzw. 8 sind mit (nicht dargestellten) Wel lenabdichtmitteln versehen. Folglich ist die Wärmeer zeugungskammer 6 in einer fluiddichten Weise vom Äuße ren des Wärmegenerators abgedichtet.

Ein Rotorelement 11 in Gestalt einer flachen, kreisför migen Scheibe ist fest aufgebracht oder aufgepreßt auf die Antriebswelle 10 an einer Stelle zwischen den Lage reinheiten 7 und 8 und ist innerhalb der Wärmeerzeu gungskammer 6 angeordnet für eine Drehung zusammen mit der Antriebswelle 10. Das Rotorelement 11 weist in axialer Richtung voneinander abgewandte, vordere und hintere, ringförmige Flächen 11c bzw. 11d und eine äu ßere Umfangsfläche 11e auf, welche die Außenflächen des Rotorelementes 11 bilden. Die Außenflächen des Rotore lementes 11 kommen zu keiner Zeit mit den inneren Wand flächen der Wärmeerzeugungskammer 6 in Kontakt und de finieren so einen relativ engen, fluidgefüllten Spalt 20 zwischen sich, der ein viskoses Fluid 21 enthält, wie nachfolgend beschrieben wird.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das Rotorelement 11 mit einer Mehrzahl von radialen Schlitzen 11a versehen, von denen sich jeder zwischen der vorderen Fläche 11c, der hinteren Fläche 11d und der Umfangsfläche 11e des Roto relementes 11 erstreckt. Die Schlitze 11a dienen dazu, die Scherwirkung auf das viskose Fluid 21 aufgrund des sich drehenden Rotorelementes 11 zu steigern, und sie dienen auch dazu, die radiale Verschiebung des im fluidgefüllten Spalt 20 enthaltenen viskosen Fluids 21 in Richtung des äußeren Randbereichs desselben zu er leichtern, wenn das Rotorelement 11 sich dreht. Das Ro torelement 11 ist außerdem mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern 11b versehen, die in dem radial inne ren Bereich des Rotorelementes 11 ausgebildet sind. Je des Durchgangsloch 11b erstreckt sich zwischen der vor deren und der hinteren Fläche des Rotorelementes 11, um die Vorderseite und die Rückseite des letzteren mitein ander zu verbinden.

Das viskose Fluid 21, wie beispielsweise Silikonöl, ist innerhalb des fluidgefüllten Spaltes 20 in der Wärmeer zeugungskammer 6 in einer Menge von ungefähr 40 bis 70 Volumenprozenten eingeschlossen.

Bei dem Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ der vorlie genden Erfindung ist mindestens ein Teil der Gehäusean ordnung, welcher die Wärmeerzeugungskammer 6 definiert, aus einem Material gefertigt, dessen linearer Ausdeh nungskoeffizient größer ist als derjenige des Materials des Rotorelementes 11. Im beschriebenen Ausführungsbei spiel ist die Gehäuseanordnung, die durch das vordere Gehäuseteil 1, die vordere Trennplatte 2, die hintere Trennplatte 3 und das hintere Gehäuseteil 4 gebildet wird, vollständig aus einem Aluminium-Material gefer tigt, d. h. einem Druckguß-Aluminium (JIS/ADC12) mit ei nem linearen Ausdehnungskoeffizienten von
2,10 × 10^-5 (1/K). Andererseits ist das Rotorelement 11 aus einem Eisen-Material gefertigt, d. h. aus einem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (JIS/S45C) mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 1,17 × 10^-5 (1/K).

Eine Riemenscheibe 18 wird durch eine Lagereinheit 17 auf der zentralen Nabe 1b des vorderen Gehäuseteils 1 drehbar gelagert und ist auf der Antriebswelle 10 an dem vorderen Ende derselben durch eine Schraube 19 und eine Nut-Feder-Verbindung 22 fest angebracht. Die Rie menscheibe 18 steht über einen (nicht dargestellten) Riemen in Wirkverbindung mit einem (nicht dargestell ten) Fahrzeugmotor als Drehantriebsquelle. Es wird ver ständlich sein, daß die Antriebswelle 10 durch eine be kannte elektromagnetische Kupplung anstatt durch die Riemenscheibe 18 an den Fahrzeugmotor angeschlossen werden kann.

Bei dem Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel wird, wenn die Antriebswelle 10 durch den Fahrzeugmotor angetrieben wird, das Roto relement 11 innerhalb der Wärmeerzeugungskammer 6 ge dreht. Dadurch wird das viskose Fluid 21, wie bei spielsweise Silikonöl, das in dem fluidgefüllten Spalt 20 zwischen den inneren Wandflächen der Wärmeerzeu gungskammer 6 und den Außenflächen des Rotorelementes 11 enthalten ist, durch das sich drehende Rotorelement 11 einer Scherwirkung unterworfen. Folglich erzeugt das viskose Fluid 21 Wärme, die auf das Wärmetauschfluid übertragen wird, typischerweise Wasser, welches durch die vordere und die hintere Wärmeerzeugungskammer 15 bzw. 16 strömt. Dann wird die Wärme von dem Wärme tauschfluid zu einem Heizkreislauf des Heizsystems ge bracht, um einen bestimmten Bereich des Fahrzeuges zu erwärmen, wie beispielsweise einen Fahrgastraum oder den Motor.

Wenn das Rotorelement 11 sich ständig über eine lange Zeit hinweg dreht und die Temperatur des viskosen Fluids 21 aufgrund der Wärmeerzeugung darin auf einen hohen Wert ansteigt, dehnen sich die vordere und die hintere Trennplatte 2 bzw. 3, welche die Wände der Wär meerzeugungskammer 6 bilden, ebenso wie das Rotorele ment 11 mit dem Temperaturanstieg in merklichem Umfang aus. Da die vordere und die hintere Trennplatte 2 bzw. 3 aus einem Druckguß-Aluminium mit einem linearen Aus dehnungskoeffizienten von 2,10 × 10^-5 (1/K) gefertigt sind und das Rotorelement 11 aus einem Stahl mit mitt lerem Kohlenstoffgehalt mit einem linearen Ausdehnungs koeffizienten von 1,17 × 10^-5 (1/K) gefertigt ist, deh nen sich in dieser Situation die vordere und die hinte re Trennplatte 2 bzw. 3 thermisch in größerem Maße aus als das Rotorelement 11.

Folglich wird bei dem Wärmegenerator vom Viskosfluid- Typ gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel, selbst wenn das Rotorelement 11 sich ständig über eine lange Zeit hinweg dreht, die Abmessung des fluidgefüllten Spaltes 20 vor einer Verkleinerung bewahrt, und der Spalt 20 wird aufgrund des Temperaturanstieges des viskosen Fluids 21 erweitert. Dadurch wird ein Anstoßen oder ein Aneinanderreiben zwischen der vorderen und der hinteren Trennplatte 2 bzw. 3 und dem Rotorelement 11 wirkungs voll verhindert. Wurde der Fahrgastraum ausreichend oder zufriedenstellend erwärmt, während die vordere und die hintere Trennplatte 2 bzw. 3 und das Rotorelement 11 sich ausdehnen, so ist der fluidgefüllte Spalt 20, welcher in sich das viskose Fluid 21 enthält, ausge dehnt worden, so daß die Scherwirkung, der das viskose Fluid 21 unterworfen wird, verringert wird, um eine übermäßige Wärmeerzeugung des viskosen Fluids 21 zu un terdrücken. Folglich wird eine thermische und/oder me chanische Beschädigung oder Verschlechterung der Be standteile des Wärmegenerators wirksam verhindert.

Insbesondere ist bei dem obigen Wärmegenerator das Ro torelement 11, als eine kreisförmige Scheibe ausgestal tet, und so ist die Bahngeschwindigkeit oder Drehge schwindigkeit des Rotorelementes 11 in dem radial äuße ren Bereich desselben größer als diejenige in dem radi al inneren Bereich desselben, so daß die Wärmeerzeugung des viskosen Fluids 21 in dem radial äußeren Bereich des Spaltes 20 größer ist als diejenige in dem radial inneren Bereich des Spaltes 20. Folglich ist der Unter schied zwischen der Abmessungsvergrößerung der vorderen Trennplatte 2 und derjenigen des Rotorelementes 11 in den radial äußeren Bereichen desselben größer als in den radial inneren Bereichen desselben (wie durch Pfei le in Fig. 2 angedeutet), wobei der fluidgefüllte Spalt 20 im radial äußeren Bereich, in welchem das viskose Fluid 21 dazu neigt, einer relativ großen Scherwirkung unterworfen zu werden, desselben in relativ starkem Ausmaß vergrößert wird.

Folglich kann die Dimensionierung des fluidgefüllten Spaltes 20 in obigem Wärmegenerator auf solch eine Ab messung verringert werden, daß der hohe Wert der Wärme erzeugung sicher erzielt wird, während die Haltbarkeit der Bestandteile des Wärmegenerators, insbesondere der vorderen und der hinteren Trennplatte 2 bzw. 3 und des Rotorelementes 11, sichergestellt ist.

Versuch

Es wird angenommen, daß bei dem Wärmegenerator vom Vis kosfluid-Typ gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel die ringförmige Vertiefung der vorderen Trennplatte 2, wel che zusammen mit der hinteren Trennplatte 3 die Wärme erzeugungskammer 6 definiert, eine Tiefe S = 5,2 mm aufweist, das Rotorelement 11 eine Dicke L = 5,0 mm hat, und der fluidgefüllte Spalt 20 einen vorderen Ab stand C₁ = 0,1 mm und einen hinteren Abstand C₂ = 0,1 mm aufweist (siehe Fig. 2), und zwar bei einer gewöhnlichen Temperatur von 20°C der Umgebungsluft, wenn der Wärmegenerator zusammengebaut wird. Die vorde re und die hintere Trennwand 2 bzw. 3 sind aus einem Druckguß-Aluminium (JIS/ADC12) mit einem linearen Aus dehnungskoeffizienten β₂ = 2,10 × 10^-5 (1/K) gefertigt, und das Rotorelement 11 sei aus einem Stahl mit mittle rem Kohlenstoffgehalt (JIS/S45C) mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten β₁ = 1,17 × 10^-5 (1/K) gefer tigt.

Andererseits weise ein Vergleichs-Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ die gleiche Ausgestaltung und Abmessung wie das obige Ausführungsbeispiel auf mit der Ausnahme, daß sowohl das Rotorelement 11 als auch die vordere und die hintere Trennplatte 2 bzw. 3 aus einem Druckguß- Aluminium (JIS/ADC12) mit einem linearen Ausdehnungs koeffizienten β₂ = 2,10 × 10^-5 (1/K) gefertigt sind.

Wenn die Temperatur des viskosen Fluids 21 von 20°C auf t°C ansteigt, werden die aufgrund des Temperaturan stiegs vergrößerten Abstände C₁(t) und C₂(t) nach fol genden Gleichungen berechnet:

(Ausführungsbeispiel)

C₁(t) = C₂(t) = ({S + β₂ S (t - 20)} - {L + β₁ L (t -20)}) × 1/2 (1)

(Vergleichs-Wärmegenerator)

C₁(t) = C₂(t) = ({S + β₂ S (t - 20)} - {L + β₂ L (t - 20)}) × 1/2 (2).

Der theoretische Heizwert Q (in cal) des viskosen Fluids 21, welches in dem vorderen und dem hinteren Spaltbereich des fluidgefüllten Spaltes 20 enthalten ist, berechnet sich nach folgender Gleichung:

wobei µ die Viskosität (in Poise) des viskosen Fluids 21, ω die Winkelgeschwindigkeit (in rad/sec) des Roto relementes 11 und r₀ der Radius (in mm) des Rotorele mentes 11 ist.

Wie aus den Gleichungen (1) und (2) verständlich wird, ist die Abmessung von C₁(t) (oder C₂(t)) bei dem Wärme generator gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel größer als diejenige bei dem Vergleichs-Wärmegenerator. Ferner wird aus Gleichung (3) verständlich, daß der theoreti sche Heizwert Q(t) bei einer Temperatur von t°C im um gekehrten Verhältnis zu C₁(t) (oder C₂(t)) steht. Dar aus ist zu ersehen, daß der Wärmegenerator gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel eine übermäßige Wärmeerzeu gung durch das viskose Fluid 21 bei einer hohen Tempe ratur unterdrückt, indem die Abmessung des fluidgefüll ten Spaltes 20 im Vergleich zu dem Vergleichs-Wärme generator vergrößert wird.

Fig. 4 stellt die Beziehung dar zwischen der Drehge schwindigkeit der Antriebswelle 10 oder des Rotorele mentes 11 und dem Verhältnis eines theoretischen Heiz wertes Q(t) des Ausführungsbeispiels zu demjenigen des Vergleichs-Wärmegenerators, wie man es als Ergebnis ei nes Versuches erhalten hat. Wie aus Fig. 4 verständlich wird, unterdrückt der Wärmegenerator gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel eine übermäßige Wärmeerzeugung durch das viskose Fluid 21 bei einer hohen Drehgeschwindigkeit des Rotorelementes 11, d. h. bei einer hohen Temperatur, im Vergleich zu dem Vergleichs-Wärmegenerator.

Die obige Abschätzung berücksichtigt nicht den Zuwachs des Umfangs-Spaltbereichs des fluidgefüllten Spaltes 20 aufgrund des Temperaturanstieges, da das Rotorelement 11 eine kreisscheibenförmige Gestalt aufweist und daher das Volumen des Umfangs-Spaltbereichs sich nicht bedeu tend vergrößern sollte. Es wird jedoch verständlich sein, daß der Zuwachs des Umfangs-Spaltbereichs bedeu tend wird, wenn ein Rotorelement mit zylindrischer Ge stalt eingebaut wird.

Während die Erfindung im Einzelnen dargestellt und be schrieben worden ist unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele, wird es für einen Fachmann ver ständlich, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne dabei die Idee und den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann eine Gehäuseanordnung mit einer unterschiedlichen Aus gestaltung verwendet werden, bei der nur die vordere und die hintere Trennplatte 2 bzw. 3 aus dem Druckguß- Aluminium (JIS/ADC12) mit einem linearen Ausdehnungs koeffizienten von 2,10 × 10^-5 (1/K) gefertigt sind und das vordere und das hintere Gehäuseteil 1 bzw. 4 aus einem anderen Material gefertigt sind, beispielsweise aus einem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (JIS/S45C) mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 1,17 × 10^-5 (1/K). In jedem Fall ist daher der Er findungsgedanke durch die beigefügten Ansprüche zu be stimmen.

Claims

1. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ, der folgendes umfaßt:
eine Gehäuseanordnung (1, 2, 3, 4), die in sich eine Wärmeerzeugungskammer (6) definiert, in wel cher Wärme erzeugt wird, wobei die Wärmeerzeu gungskammer (6) innere Wandflächen (2b, 3a) auf weist, sowie eine Wärmeaufnahmekammer (15, 16), welche benachbart zu der Wärmeerzeugungskammer (6) angeordnet ist, wobei die Wärmeaufnahmekammer (15, 16) einem Wärmetauschfluid gestattet, durch die Wärmeaufnahmekammer (15, 16) hindurch zu zirkulie ren, um dabei von der Wärmeerzeugungskammer (6) übertragene Wärme aufzunehmen;
eine Antriebswelle (10), welche von der Gehäusean ordnung (1, 2, 3, 4) um eine Drehachse der An triebswelle (10) drehbar gelagert ist, wobei die Antriebswelle (10) mit einer externen Drehan triebsquelle in Wirkverbindung steht;
ein Rotorelement (11), welches von der Antriebs welle (10) zu einer Drehbewegung in der Wärmeer zeugungskammer (6) antreibbar ist, wobei das Ro torelement (11) Außenflächen (11c, 11d, 11e) auf weist, die den inneren Wandflächen (2b, 3a) der Wärmeerzeugungskammer (6) über einen dazwischen definierten Spalt (20) gegenüberliegen;
und ein viskoses Fluid (21), welches in dem zwi schen den inneren Wandflächen (2b, 3a) der Wärme erzeugungskammer (6) und den Außenflächen (11c, 11d) des Rotorelementes (11) definierten Spalt (20) enthalten ist, um Wärme zu erzeugen, wenn es durch die Drehung des Rotorelementes (11) einer Scherwirkung unterworfen wird,
wobei mindestens ein Teil der Gehäuseanordnung (1, 2, 3, 4), welcher die Wärmeerzeugungskammer (6) definiert, aus einem Material gefertigt ist, des sen linearer Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des Materials des Rotorelementes (11).

2. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseanord nung (1, 2, 3, 4) mindestens eine Trennplatte (2, 3) aufweist, welche zwischen der Wärmeerzeugungs kammer (6) und der Wärmeaufnahmekammer (15, 16) angeordnet ist, wobei die Trennplatte (2, 3) die inneren Wandflächen (2b, 3a) der Wärmeerzeugungs kammer (6) umfaßt, und wobei die Trennplatte (2, 3) aus dem Material gefertigt ist, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des Materials des Rotorelementes (11).

3. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseanord nung (1, 2, 3, 4) mindestens eine Trennplatte (2, 3) aufweist, welche zwischen der Wärmeerzeugungs kammer (6) und der Wärmeaufnahmekammer (15, 16) angeordnet ist, wobei die Trennplatte (2, 3) die inneren Wandflächen (2a, 3a) der Wärmeerzeugungs kammer (6) umfaßt, sowie mindestens ein Gehäuse teil (1, 4), welches außerhalb der Trennplatte (2, 3) angeordnet ist, um die Wärmeaufnahmekammer (15, 16) zwischen dem Gehäuseteil (1, 4) und der Trenn platte (2, 3) zu definieren, wobei die Trennplatte (2, 3) und das Gehäuseteil (1, 4) aus dem Material gefertigt sind, dessen linearer Ausdehnungskoeffi zient größer ist als derjenige des Materials des Rotorelementes (11).

4. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des mindestens einen Teiles der Gehäu seanordnung (1, 2, 3, 4) ein Aluminium-Material ist.

5. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium- Material ein Druckguß-Aluminium mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 2,10 × 10^-5 (1/K) ist.

6. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Rotorelementes (11) ein Eisen- Material ist.

7. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen-Material ein Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt mit ei nem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 1,17 × 10^-5 (1/K) ist.