CN113007236B - 采用剪切力传递能量的方法 - Google Patents

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Abstract

采用剪切力以传输能量的方法包括提供具有外部壳体组件、圆盘和储液器的设备；在所述外部壳体组件内旋转转子以产生流过作业腔体的作业流体并且施加剪切力于流过作业腔体的所述作业流体；以及沿横行于所述作业流体的邻近于所述外部壳体组件的第一表面的边界层的方向，在所述外部壳体组件上的多个位置处引发所述作业流体的移动。

Description

采用剪切力传递能量的方法
本申请是申请号为201610954585.X、申请日为2016年11月3日、名称为“采用剪切力传递能量并具有构造成增加工作流体排热的流量改变结构的设备及相关方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种采用剪切力传递能量的方法。
背景技术
本节提供了与本发明相关的背景信息，这些背景信息并不一定是现有技术。
Figure BDA0002981607650000011
风扇驱动器是将剪切力施加于作业流体以传递旋转动力的装置的实例，其由美国密歇根州奥尔本山的BorgWarner Inc.公司商业制造。在这种装置中，粘度相对较高的作业流体(诸如硅油)被传送到圆盘和外部壳体组件之间的作业腔体中。圆盘连接到输入构件，并随其旋转，而所述外部壳体组件可以联接到风扇共同旋转。驱动圆盘的输入构件可以由前置发动机附件传动系统的皮带驱动，前置发动机附件传动系统由发动机曲轴驱动。圆盘和外部壳体组件配合形成流动路径，该路径配置成在作业流体中生成剪切力，并接着产生扭矩驱动(即，旋转)外部壳体组件。在作业流体中生成剪切力，特别是希望获得较高级别的扭矩时，会在作业流体中产生热量。
为了有助于这些装置排放热量，通常由铝制成的外部壳体可以由多个冷却散热片构成。冷却散热片有效地增大了外部壳体组件的外表面面积，并增强了这些装置通过传导、对流和辐射向大气排放热量的能力。然而，冷却散热片并不能促进热量从作业流体传递到外部壳体组件。
外部壳体组件相对于输入部件滑动时产生的热量，通常称为“滑动热量”。给定操作条件下产生的滑动热量的量值相当于该条件下风扇扭矩和相关的“滑动速度”(例如，输入部件和输出部件之间的旋转速度差)的乘积。因此，“滑动热量”在0％滑动和100％滑动的极端条件下是最小的。在这些限值之间，在输出速度与输入速度的比率约为50％到60％的区域里，能以最大的速率产生“滑动热量”。对于这种最坏的情况—“滑动热量”情况，只有一小部分可用作业流体存在于作业腔体内。该小部分的作业流体中的大多数留在与转子(圆盘)的OD相邻的区域内。这产生了一个有待解决的特别困难的问题。较高“滑动热量”量级进入相对较小体积的流体内，该流体具有与输出壳体壁相接触的相对较小潮湿表面。该问题自1950年到1960年前后在汽车发动机冷却中开始使用粘性风扇驱动器时起一直存在。
应该理解的是，本领域的普通技术人员可以假定“滑动热量”是一个固有问题，并且上述最坏情况——“滑动热量”情况可以简单地设计回避，因为输入和输出表面之间典型的流体剪切间隙通常非常小(约为0.4mm)，在那个微小的剪切区域内存在较高的热梯度是不可想象的。对流体材料认知的新进展已经通过利用CFD(计算流体动力学)成为可能。为了理解如何针对给定的粘性风扇离合器优化本发明，我们研究了存在于圆盘和外部壳体组件(典型情况下以不同的旋转速度旋转)之间的薄流体剪切区域中的热梯度。我们对存在于薄流体剪切区域中的热梯度的研究显示：建立完全地层状剪切层，并不能有效地逐层传输热能。而且，我们观察到梯度分布往往极其非线性，我们认为这是由与温度和剪切速率一起变薄的硅氧烷作业流体的非牛顿性质引起的。我们发现这种非线性造成与输出壳体的较冷壁相邻的边界层异常地厚和绝热。
美国专利号5,577,555公开了一种热交换器，该交换器具有一个固定管道，其配置成传输水溶液(例如，包括表面活化剂的溴化锂水溶液)。管道限定出热交换壁，该热交换壁具有多个在其内形成的“凹部”。所述“凹部”具有一定的深度，该深度大于管壁厚度并介于0.6mm到2.0mm之间。管道大小没有公开，但是水溶液通过管道的流速优选地为0.7-0.25kg/(m*s)。尽管‘555专利没有描述凹部对流过管道的水溶液的影响，但看起来凹部引起一部分接近管道壁的水溶液流体由层流向湍流转变。如果假设锂溴化物的水溶液具有1500kg/m3的密度，0.006Pa·sec的动态粘度和0.475kg/sec的质量流动速率，并且假设管道直径为25mm，那么平均流动速度将是0.645m/s。相应的雷诺数是4031.
在流体力学中，称为雷诺数的无量纲量被用来预测流动型态。雷诺数是惯性力与粘性力的比，并且可以通过以下公式计算：
Re＝(V·L)/ν
其中，Re是雷诺数，V是流动速度，L是特征长度，ν是流体的运动粘度。在管道中，层流是与小于2000的雷诺数相关的，湍流是与大于4000的雷诺数相关。
因此，由于水溶液的相对高的速度(这有助于计算雷诺数时提供式中相对大的分子)和水溶液的相对低的运动粘度(在计算雷诺数公式中提供一个相对小的分母)，在'555专利中公开的引起管道中从层流到湍流的转变似乎是可能的。
相比之下，上述风扇驱动器中的作业流体是高粘性的(即，参数ν在雷诺数公式的分母中是比较大的)。这样，在雷诺数公式中分母是比较大的，使得所得的雷诺数相对较小，所以不可能引起湍流。例如，风扇驱动器在50％的滑动条件下以1500rpm的滑动速度运行，其中圆盘具有118mm的圆盘半径、圆盘和外壳组件之间的径向剪切间隙为1.2mm、环境温度下工作流体的运动粘度为500cSt，由此所得雷诺数是44.5，这显著低于向湍流转变起始雷诺数即超过2000。
鉴于以上陈述，现有技术仍然需要一种利用剪切力传递能量的设备，其中所述设备更好地配置成排放来自作业流体的热量，在作业流体中热边界层的湍流混合并不可能。
发明内容
本节提供了本发明的大体内容，并不是其所有特征和范围的全面的公开内容。
在一种形式中，本教导提供了一种采用剪切力传输能量的设备。所述设备包括外部壳体组件、圆盘和储液器。外部壳体组件具有由第一环形壁、第二环形壁和圆周延伸壁限定的作业腔体，所述圆周延伸壁被设置在第一环形壁与第二环形壁之间并且连接第一环形壁和第二环形壁。第一环形壁具有多个第一同心流体凹槽。圆盘可旋转地容纳在外部壳体组件中并且具有容纳在作业腔体中的转子部分。转子部分具有第一侧、第二侧和外圆周表面。第一侧具有多个第一同心肋部，且每个第一同心肋部容纳在多个第一同心流体凹槽中的相关同心流体凹槽中。储液器中具有作业流体且与作业腔体流体连通地联接。作业流体流动路径延伸在储液器与作业腔体之间并且包括第一间隙、第二间隙和第三间隙，所述第一间隙被轴向地设置在外部壳体组件的第一环形壁与转子部分的第一侧之间，所述第二间隙被轴向地设置在外部壳体组件的第二环形壁与转子部分的第二侧之间，所述第三间隙被径向地设置在外部壳体组件的圆周延伸壁的径向内表面与转子部分的外圆周表面之间。第一环形壁和圆周延伸壁中的至少一个包括多个流量改变结构，其配置成当圆圆盘相对于外部壳体组件旋转且作业流体的部分在作业流体流动路径中时，在流量改变结构的局部区域中促进邻近于所述第一间隙和所述第三间隙中的相关一个或多个间隙中的作业流体的层流中的湍流。减小作业流体的边界层的厚度是相对于第一环形壁和圆周延伸壁中的至少一个而配置，所述配置不包括多个流量改变结构。
当所述设备在与完全层流(即，显著小于500的雷诺数)相关联的流动条件下通过超高粘度、非牛顿剪切-薄化和温度薄化作业流体以相对较高剪切速率在相对较薄剪切间隙中传输旋转动力时，所述设备以此方式进行配置可包括引发剪切层的整体混合以完成整个剪切区域的更均匀温度梯度和/或可薄化外部壳体组件的相对较冷壁上的边界层。
流量改变结构可包括形成在圆周延伸壁的径向内表面中的腔体，每个腔体从圆周延伸壁的径向内表面向外径向地延伸。每个腔体可具有至少部分与圆周延伸壁的径向内表面同心的径向外壁。
每个腔体可具有一对端部区段，所述一对端部区段被设置在径向外壁的相对侧上，使得一个端部区段的至少一部分在径向外壁与圆周延伸壁的径向内表面之间渐缩。
每个腔体可具有一对端部区段，其设置在径向外壁的相对侧上，使得每个端部区段将径向外壁连接至圆周延伸壁的径向内表面并且至少一个端部区段是至少部分由半径限定。
每个环形壁腔体可相对于圆周延伸壁的径向内表面具有径向深度，所述径向深度大于或等于0.2mm且小于或等于3.5mm。腔体的径向深度可大于或等于0.5mm且小于或等于2.8mm。优选地，腔体的径向深度大于或等于0.8mm且小于或等于2.5mm。
理论柱体可由圆周延伸壁的径向内表面限定，其中流量改变结构被设置在连续区域内圆周延伸壁的径向内表面上。流量改变结构可调整大小并且填充在连续区域中，使得连续区域中的流量改变结构设置在位于该连续区域内的理论柱体表面的至少50％的表面积上。优选地，流量改变结构可调整大小并且填充在连续区域中，使得连续区域中的流量改变结构设置在位于连续区域内的理论柱体表面的至少75％的表面积上。
每个腔体可具有由以下等式定义的纵横比：AR＝C/R，其中，C是在圆周延伸壁的径向内表面处测量的腔体的最大圆周长度；且R是所述腔体的径向最外表面与所述转子部分的表面之间沿与所述圆圆盘的旋转轴线相交的线截取的径向距离；且其中纵横比大于或等于0.2且小于或等于4.0。优选地，纵横比大于或等于0.25且小于或等于2.75。更优选地，纵横比大于或等于0.5且小于或等于2.5。还更优选地，纵横比大于或等于1.0且小于或等于1.5。
多个流量改变结构可数量上编号为至少五个(5)并且被设置在圆周延伸壁上。
多个流量改变结构的至少一部分可设置在圆周延伸壁上，使得它们并未围绕圆周延伸壁的圆周均匀地分开。
所述设备可被配置成使得流量改变结构均未被设置在圆周延伸壁的横跨至少70度的扇区中。
第一同心流体凹槽可各自限定扁平环形根部表面，且其中流量改变结构可包括形成在外部壳体组件中与至少一个扁平环形根部表面相交的环形壁腔体。
每个环形壁腔体可具有腔体侧壁和由腔体侧壁限定的腔体底壁，且腔体底壁的至少一部分可平行于至少一个扁平环形根部表面。
每个环形壁腔体可具有一对相对圆周端部，且至少一个圆周端部可至少部分由其中圆周端部与相关联的一个扁平环形根部表面相交的位置处的半径限定。
每个环形壁腔体可相对于相关联的一个扁平环形根部表面具有一定深度，所述深度大于或等于0.2mm且小于或等于3.5mm。优选地，环形壁腔体的深度大于或等于0.5mm且小于或等于2.8mm。更优选地，环形壁腔体的深度大于或等于0.8mm且小于或等于2.5mm。
每个环形壁腔体可具有腔体侧壁，且其中腔体侧壁的至少一部分在其中腔体侧壁的部分与相关联的一个扁平环形根部表面相交的位置处垂直于相关联的一个扁平环形根部表面。
第一环形壁上的流量改变结构可被设置在一个或多个区域内，其中每个区域与相关联的一个扁平环形根部表面重合并且具有平坦环形形状或环形区段形状。流量改变结构可调整大小且填充在一个或多个区域中，使得一个或多个区域中的流量改变结构设置在一个或多个区域的至少50％的表面积上。优选地，流量改变结构可调整大小且填充在一个或多个区域中，使得一个或多个区域中的流量改变结构设置在一个或多个区域的至少75％的表面积上。
每个环形壁腔体可具有由以下等式定义的纵横比：AR＝C/R，其中，C是在相关联的一个扁平环形根部表面处测量的环形壁腔体的最大圆周长度；R是环形壁腔体的表面与相关联的其中一个第一同心肋部之间的最大距离，通过平行于圆盘围绕着相对于外部壳体组件旋转的轴得到；且纵横比(AR)大于或等于0.2且小于或等于4.0。优选地，纵横比大于或等于0.25且小于或等于2.75。更优选地，纵横比大于或等于0.5且小于或等于2.5。还更优选地，纵横比大于或等于1.0且小于或等于1.5。
多个流量改变结构的至少一部分可被设置在第一环形壁上，使得它们并未围绕第一环形壁的圆周均匀地分开。例如，所述设备可被配置成使得流量改变结构均未被设置在第一环形壁的横跨至少70度的扇区中。
所述设备可优选地包括与储液器和作业腔体流体连通的阀。阀可联接至圆盘以随着圆盘旋转。
作业流体可包括硅氧烷。
储液器可至少部分由圆盘限定。
在另一种形式中，本教导提供了一种方法，其包括：提供具有外部壳体组件、圆盘和储液器的设备，所述外部壳体组件具有作业腔体，所述圆盘可在外部壳体组件中旋转，所述圆盘具有可旋转地容纳在作业腔体中的转子部分，所述作业腔体与储液器流体连通；在外部壳体组件内旋转转子以产生流过作业腔体的作业流体并且施加剪切力于流过作业腔体的作业流体；以及沿横行于作业流体的邻近于第一环形表面的边界层的方向，在外部壳体组件上的多个位置处引发作业流体的移动。
第一表面可形成在外部壳体组件的环形壁上或外部壳体组件的圆周延伸壁上。
如果第一表面是外部壳体组件的圆周延伸壁，那么所述方法可进一步包括随着作业流体在设备的操作期间通过作业腔体而在邻近于作业流体的第二表面的第二区域中的作业流体的层流中引发湍流。第二表面可形成在外部壳体组件的环形壁上。
所述方法可进一步包括在外部壳体组件上形成多个流量改变结构。流量改变结构可与外部壳体组件的限定多个同心流体凹槽的部分形成为一体。
流量改变结构可形成为腔体。
所述方法可进一步包括浇铸外部壳体组件的至少一部分，使得当外部壳体组件的部分被浇铸时在外部壳体组件的部分上形成腔体的至少一部分。
外部壳体组件上的位置是其中作业流体通过作业腔体的流量具有小于100的雷诺数的位置。
所述方法可进一步包括去除外部壳体组件的部分中的材料以形成腔体的至少一部分。可在选自由以下项组成的组的操作中去除外部壳体组件的部分中的材料：研磨、钻孔、蚀刻、拉削和放电加工。
所述方法可进一步包括在选自由以下项组成的组的操作中形成外部壳体组件的部分：冲压、压印、锻压、精密冲裁和滚花以形成一个或多个流量改变结构。
在另一种形式中，本教导提供了一种设备，其包括外部壳体组件、可在外部壳体组件旋转的圆盘以及储液器。外部壳体组件具有由第一环形壁、第二环形壁和圆周延伸壁限定的作业腔体，所述圆周延伸壁被设置在第一环形壁与第二环形壁之间并且连接第一环形壁和第二环形壁。第一环形壁具有多个第一同心流体凹槽。第二环形壁具有多个第二同心流体凹槽。圆盘具有容纳在作业腔体中的转子部分。转子部分具有第一侧、第二侧和外圆周表面。第一侧具有多个第一同心肋部且第二侧具有多个第二同心肋部。每个第一同心肋部容纳在多个第一同心流体凹槽中的相关同心流体凹槽中。每个第二同心肋部容纳在多个第二同心流体凹槽中的相关同心流体凹槽中。储液器中具有作业流体且与作业腔体流体连通地联接。作业流体流动路径延伸在储液器与作业腔体之间并且包括第一间隙、第二间隙和第三间隙，所述第一间隙被轴向地设置在外部壳体组件的第一环形壁与转子部分的第一侧之间，所述第二间隙被轴向地设置在外部壳体组件的第二环形壁与转子部分的第二侧之间，所述第三间隙被径向地设置在外部壳体组件的圆周延伸壁与转子部分的外圆周表面之间。第一环形壁和圆周延伸壁中的至少一个包括多个流量改变结构，其被配置成当圆盘相对于外部壳体组件旋转且作业流体的部分在作业流体流动路径中时在流量改变结构的局部区域中促进邻近于所述第一间隙和所述第三间隙中的相关一个或多个间隙中的作业流体的层流中的湍流。
在又另一种形式中，本教导提供了一种方法，其包括：提供具有外部壳体组件、圆盘和储液器的设备，所述外部壳体组件具有作业腔体，所述圆盘可在外部壳体组件中旋转，所述圆盘具有可旋转地容纳在作业腔体中的转子部分，所述作业腔体与储液器流体连通；以及随着作业流体在设备的操作期间通过作业腔体而在邻近于作业流体的第一表面的第一区域中的作业流体的层流中引发湍流。
从本文提供的详述将会清楚其它应用领域。总之，详述和具体实例只旨在用于说明目的并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所述的图式只是为了选定实施例而非全部可能实施方案的说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是根据本公开的教导构造的示例性粘性风扇离合器的正视图，所述粘性风扇离合器通过与示例性风扇操作地关联进行说明；
图2是图1的风扇离合器的分解透视图；
图3是图1的风扇离合器的纵向截面图；
图4是图3的放大部分；
图5是根据本公开的教导构造的另一个风扇离合器的透射、部分截面图；
图6是图1的风扇离合器的部分的分解透视图，其更详细地说明外部壳体组件的部分；
图7是风扇离合器组件的部分的后视图，其更详细地说明外部壳体组件的部分；
图8是图7的放大部分；
图9是类似于图7但是说明外部壳体组件的替代性配置部分的视图；
图10和11是类似于图8但是说明外部壳体组件的替代性配置部分的视图；
图12是说明根据本公开的教导构造的另一个外部壳体组件的一部分的透视图；
图13是说明根据本公开的教导构造的另一个外部壳体组件的一部分的透视图；
图14是图13的外部壳体组件的一部分的后视图；
图15是取自图13的外部壳体组件的一部分的剖面图；
图16是根据本公开的教导构造的另一个外部壳体组件的一部分的后视图；
图17是根据本公开的教导构造的另一个外部壳体组件的一部分的透视图；
图18是图17的外部壳体组件的一部分的放大视图；
图19是使用图17的外部壳体组件的粘性风扇离合器的纵向截面图的一部分；
图20是现有技术的粘性风扇离合器的一部分的示意图，描述了在圆盘和外部壳体组件之间的间隙中的作业流体，该作业流体形成相对较厚的边界层，与现有技术的外部壳体组件相邻；
图21是图19的粘性风扇离合器的一部分的示意图，描述了在圆盘和外部壳体组件之间的间隙中的作业流体，该作业流体形成相对较薄的边界层，与外部壳体组件相邻；并且
图22是描述了现有技术的粘性风扇离合器和图19的粘性风扇离合器到达预定最大温度的输入和输出速度的等温组合的曲线图，在该最大温度下在这些离合器中的作业流体的温度局限于预定温度。
在附图的若干视图中，对应的参数指代对应的部分。
具体实施方式
参照图1，一种示例性设备配置成使用剪切力来传输旋转能量并根据本公开的教导构造，通常是由附图标记10指示。在所提供的特定的例子中，该设备是粘性风扇离合器，其以与风扇12运行性关联的方式示出，但可以理解，本公开的教导可应用于其他装置，包括但不限于离合器、加热器和泵。
参照图2和图3，设备10可包含输入轴20、圆盘22、外部壳体组件24以及储液器26。输入轴20可作为设备10的输入部件，并可以由旋转电源直接驱动(例如，输入轴20可以直接与电机输出轴联接或与电机输出轴整体形成)或可以通过环形传动装置与旋转电源联接。环形传动装置可包含皮带(未示出)，诸如V形带或多楔带，其可以是传统的前置发动机附件传动系统(FEAD)的一部分。FEAD的皮带可以安装在多个滑轮上(未示出)，包括曲轴滑轮，其可联接到发动机曲轴上来一起旋转，以及辅助滑轮，其可安装在输入轴20上来共同旋转。可替代地，环形传动装置可包含链条和链轮，或可包含多个啮合齿轮。
参照图3和图4，圆盘22可安装到输入轴20上来与其一起旋转。圆盘22可包含转子部分30，该部分可具有第一侧32、第二侧34以及外部圆周表面36。第一侧32可具有多个第一同心肋部42，该肋部可设置为同心环绕输入轴20的旋转轴线A。在所提供的例子中，每个第一同心肋部42从转子部分30的主体44的轴向侧以平行于旋转轴线A的方向延伸，并且每个第一同心肋部42终止于垂直于旋转轴线A的第一肋部端面46。可选地，第二侧34可具有多个第二同心肋部54，该肋部可围绕旋转轴线A同心地设置。在所提供的例子中，每个第二同心肋部54从转子部分30的主体44的相对轴向侧以平行于旋转轴线A的方向延伸，并且每个第二同心肋部54终止于垂直于旋转轴线A的第二肋部端面56。可以理解，第一同心肋部42的配置和/或第二同心肋部54的配置(如果包括的话)可能会偏离本文所述的特定配置。
在所提供的例子中，外部壳体组件24是设备10的输出部件，并且其由一个或多个轴承58支承，该轴承安装在输入轴20上从而可围绕旋转轴线A独立于圆盘22和输入轴20转动。外部壳体组件24可限定作业腔体60，该腔体由第一环形壁62、第二环形壁64和圆周延伸壁66限定，该圆周延伸壁被设置在第一环形壁与第二环形壁62和64之间并连接第一环形壁和第二环形壁。在所示的例子中，外部壳体组件24包含第一壳体部件70和第二壳体部件72，它们相互配合形成了作业腔体60。第一环形壁62可限定多个第一同心流体凹槽74，该凹槽可围绕旋转轴线A同心地设置。在所提供的例子中，每个第一同心流体凹槽74以平行于旋转轴线A的方向延伸进入第一壳体部件70，并且每个第一同心流体凹槽74终止于垂直于旋转轴线A的第一根部表面76，并且每个第一根部表面76设置在公共平面上。如果圆盘22包括第二同心肋部54，第二环形壁64可限定多个第二同心流体凹槽86，该凹槽可围绕旋转轴线A同心地设置。在所提供的例子中，每个第二同心流体凹槽86以平行于旋转轴线A的方向延伸进入第二壳体部件72，并且每个第二同心流体凹槽86终止于垂直于旋转轴线A的第二根部表面88，并且每个第二根部表面88设置在公共平面上。可以理解，第一同心流体凹槽74的配置和/或第二同心流体凹槽86的配置(如果包括的话)可能会偏离本文所述的特定配置。
圆盘22可容纳在外部壳体组件24中，使得转子部分30设置在作业腔体60中。每个第一同心肋部42可容纳在相关的一个第一同心流体凹槽74中，并且如果转子部分30包括第二同心肋部54，每个第二同心肋部54可容纳在相关的一个第二同心流体凹槽86中。
储液器26可与作业腔体60以流体连通形式联接，并且可容纳合适的作业流体，其中诸如聚硅氧烷流体。更具体而言，作业流体流动路径可延伸在储液器26和作业腔体60之间，并可包括第一间隙90、第二间隙92以及第三间隙94，该第一间隙被轴向地设置在第一环形壁62与转子部分30的第一侧32之间，该第二间隙被轴向地设置在第二环形壁64与转子部分30的第二侧34之间，该第三间隙被径向地设置在圆周延伸壁66的径向内部表面98与圆盘22的外部圆周表面36之间。第一、第二以及第三间隙，90、92以及94，通常非常小(相对于圆盘22的直径而言)，通常小于3mm宽(即，圆盘22和外部壳体组件24之间的在第一、第二以及第三间隙，90、92以及94，任一个中的空间在尺寸上通常小于3mm)。
储液器26可设置在任何需要的位置，而不必位于外部壳体组件24内。在所提供的例子中，储液器26部分地由圆盘22并部分地由外部壳体组件24的第一壳体部件70限定而成。如果需要的话，阀100可被用来控制储液器26和作业腔体60之间的流体连通。在所提供的例子中，阀100与圆盘22联接来一起旋转。阀100可运行在任何需要的方式下，例如，诸如与双金属元件、电磁体或气动汽缸一起。排出作业腔体60的流体可通过回流管线102返回到储液器26。回流管线102可形成在外部壳体组件24中，例如图3中所示的在第一壳体部件70中。可替代地，回流管线102可被形成为径向穿过圆盘22，如图5中所示。
参照图3、图4和图6，外部壳体组件24可包括多个流量改变结构110，这些流量改变结构被构造成，当圆盘22相对于外部壳体组件24旋转且作业流体的一部分处于作业流体流动路径中时，局部地减小邻近外部壳体组件24的作业流体的边界层的厚度。在所提供的实例中，流量改变结构110设置在圆周延伸壁66上，但是应当理解的是，除了或代替圆周延伸壁66，流量改变结构110可设置在第一环形壁62和/或第二环形壁64上。另外，在所提供的实例中，流量改变结构110在数量上编号至少为五个(5)并且被设置在圆周延伸壁66上。
参照图9，流量改变结构110'可形成为从外部壳体组件24'的内表面98延伸的突起。然而，在图6至图8的实例中，流量改变结构110包括在圆周延伸壁66的径向内表面98中形成的腔体120。每个腔体120径向向外延伸圆周延伸壁66的径向内表面98。
腔体120的结构可以变化以适应多个目的，例如可以容易形成腔体120的方式，作业流体被吸入到腔体120中的方式，和/或作业流体离开腔体120的方式。例如并且参照图10，每个腔体120可选地可具有与圆周延伸壁66的径向内表面98至少部分同心的径向向外壁130。每个腔体120可具有设置在径向向外壁130的相对侧上的一对端部区段132。一个或两个端部区段132可选地可以在径向向外壁130与圆周延伸壁66的径向内表面98之间全部或部分成锥形。作为另一个实例并且参照图11，每个端部区段132可将径向向外壁130连接至圆周延伸壁66的径向内表面98，并且可选地，一个或两个端部区段132可至少部分地由一半径限定。
返回图6至图8，腔体120的深度D可设定为任何期望的深度。然而，我们已经发现，如果腔体120相对于圆周延伸壁66的径向内表面98具有大于或等于0.2mm且小于或等于3.5mm的径向深度D是最实际的。优选地，腔体120的径向深度可大于或等于0.5mm且小于或等于2.8mm。更优选地，腔体120的径向深度可大于或等于0.8mm且小于或等于2.5mm。
在所提供的具体实例中，圆周延伸壁66的径向内表面98可以定义理论(正圆)柱体，流量改变结构110围绕该理论柱体填充。流量改变结构110可围绕理论柱体的表面在一个或多个连续区域中以一种或多种期望的群体密度填充。对于这种讨论的目的：a)任何连续区域的宽度由垂直于旋转轴线A延伸的平行平面定义，其中每个平面与至少一个流量改变结构110上的至少一个点相切，并且该连续区域内的所有流量改变结构110轴向设置在两个平行平面之间；以及b)延伸超出一定面积(该面积小于理论柱体的整个表面)的任何连续区域具有由相交平面形成的(直)端部，相交平面包含旋转轴线A并延伸通过理论柱体的表面，该理论柱体与圆周延伸壁66的径向内表面98重合，其中每个相交平面与至少一个流量改变结构110上的至少一个点相切，并且该连续区域内的所有流量改变结构110轴向设置在两个平行平面之间。
例如，流量改变结构110可设置在扩展理论柱体的整个圆周的单个区域中(即，流量改变结构110可分布在圆周延伸壁66的整个径向内表面98上)。可替代地，流量改变结构110可围绕理论柱体的表面在一个或多个连续区域中以一种或多种期望的群体密度填充，使得理论柱体表面的一个或多个区域未填充任何流量改变结构110。在图7的实例中，理论柱体表面的一区域未填充任何流量改变结构110，以确保流量改变结构110不会干扰作业流体传输到回流管线102(图6)。在此实例中，流量改变结构110设置在圆周延伸壁66的扇区上方的单个连续区域中，且在圆周延伸壁66的横跨至少70度的剩余扇区中未设置流量改变结构110。在所提供的具体实例中，圆周延伸壁66的未被填充的剩余扇区横跨约90度。这种方式的配置在某些情况下可能是需要的或期望的，例如，为了防止在设备10(图1)的结构中在回流管线102(图6)附近形成不期望的流动特征，该设备采用雨刷元件W(图12)以引导作业流体进入与作业腔体60(图4)相交的回流管线102(图6)的端部中。
然而，可以理解的是，流量改变结构110可设置在完全横跨或几乎完全横跨大约圆周延伸壁66的周边的扇区上方的单个连续区域中，如图12中所示。此外，不采用雨刷元件的设备10(图1)的结构(诸如图5的实施例)采用径向延伸穿过圆盘22'的回流管线102，可以受益于如下配置：其中流量改变结构110设置在横跨圆周延伸壁的径向内表面98的整个圆周的单个连续区域中。
返回到图7，由于圆周延伸壁66的扇区未填充流量改变结构110，流量改变结构110可被认为是围绕圆周延伸壁66的圆周以不均匀方式间隔开。可替换地，设置在连续区域内的流量改变结构110之间的可变或变化间隔可被用来提供流量改变结构110的不均匀间距。
在由流量改变结构110填充的连续区域内，可设计流量改变结构110的尺寸并填充在圆周延伸壁66的径向内表面98上，使得该连续区域内的流量改变结构110设置在位于该连续区域内的理论柱体表面的至少50％的表面积上。更优选地，连续区域内的流量改变结构110可设置在位于该连续区域内的理论柱体的至少75％的表面积上。
重新参照图7和图8，当流量改变结构110为形成在圆周延伸壁66的径向内表面98中的腔体120时，每个腔体120可具有由以下等式定义的纵横比(AR)：
AR＝C/R
其中，C是在圆周延伸壁66的径向内表面98处测量的腔体120的最大圆周长度；且R是腔体120的径向最外表面与转子部分30(图4)的外部圆周表面36(图4)之间的沿与圆盘22(图3)的旋转轴线A相交的线截取的径向距离。在一些形式中，纵横比(AR)可以大于或等于0.2且小于或等于4.0。优选地，纵横比大于或等于0.25且小于或等于2.75。更优选地，纵横比大于或等于0.5且小于或等于2.5。还更优选地，纵横比大于或等于1.0且小于或等于1.5。
在图13至图15的实例中，流量改变结构110a设置在第一环形壁62a上。流量改变结构110a可包括从第一环形壁62a沿轴向延伸的突起，但在所提供的具体实例中，流量改变结构110a包括形成在外部壳体组件24a中并与至少一个第一根部表面76相交的环形壁腔体120a。
每个环形壁腔体120a可相对于相关联的一个第一根部表面76具有一定深度，所述深度大于或等于0.2mm且小于或等于3.5mm。优选地，环形壁腔体120a的深度大于或等于0.5mm且小于或等于2.8mm。更优选地，环形壁腔体120a的深度大于或等于0.8mm且小于或等于2.5mm。
每个环形壁腔体120a可具有腔体侧壁140和可由腔体侧壁140限定的腔体底壁142。如果需要，腔体侧壁140的至少一部分可在其中腔体侧壁140的部分与相关联的一个第一根部表面76相交的位置处垂直于相关联的一个第一根部表面76。环形壁腔体120a可被配置成使得腔体底壁142的至少一部分平行于至少一个第一根部表面76。每个环形壁腔体120a可进一步具有一对相对圆周端部144。至少一个圆周端部144可至少部分由其中圆周端部144与相关联的一个第一根部表面76相交的位置处的半径限定。
每个环形壁腔体120a具有由以下等式定义的纵横比(AR)：
AR＝C/R
其中，C是在相关联的一个第一根部表面76处测量的环形壁腔体120a的最大圆周长度；且R是底壁142与相关联的一个第一同心肋部42(图4)的第一肋部端面46(图4)之间平行于圆盘22(图3)围绕着相对于外部壳体组件24a旋转的纵轴A(图3)截取的最大距离。在某些实例中，纵横比(AR)可大于或等于0.2且小于或等于4.0。优选地，纵横比大于或等于0.25且小于或等于2.75。更优选地，纵横比大于或等于0.5且小于或等于2.5。还更优选地，纵横比大于或等于1.0且小于或等于1.5。
第一环形壁62a上的流量改变结构110a可被设置在一个或多个区域内，其中每个区域与相关联的一个第一根部表面76重合并且具有平坦环形形状或环形区段形状。每个区域内的流量改变结构110a可被调整大小且被填充在一个或多个区域中，使得一个或多个区域中的流量改变结构110a可被设置在一个或多个区域的至少50％的表面积上。优选地，流量改变结构110a被调整大小且被填充在一个或多个区域中，使得一个或多个区域中的流量改变结构110a可被设置在一个或多个区域的至少75％的表面积上。为了此讨论的目的，如果第一环形壁62a上的区域并未完全围绕第一环形壁62a延伸，那么所述区域可由彼此相交的一对平面限定，每个平面在一个或多个点处可与一个或多个流量改变结构110a相切，且所述区域内的全部流量改变结构110a被设置在所述对相交平面之间。
流量改变结构110a可以任何期望方式设置在第一环形壁62a上。例如，流量改变结构110a的至少一部分可被设置在第一环形壁62a周围，使得它们并未围绕第一环形壁62a的圆周均匀地分开。关于这一点，可采用流量改变结构110a之间的变化或可变间距，和/或流量改变结构110a的(多个)区域可被配置成使得它们并未完全围绕第一环形壁62a的圆周延伸。在所提供的特定实例中，流量改变结构110a被设置在第一环形壁62a的扇区上方的单个连续区域中，且其中流量改变结构110a均未被设置在第一环形壁62a的横跨至少70度的剩余扇区中。在所提供的特定实例中，第一环形壁62a的未填充的剩余扇区横跨约90度。
在粘性风扇离合器的领域中，第一同心流体凹槽74的径向最外侧凹槽74a稍微宽于从第一同心流体凹槽74中的径向最外侧凹槽74a径向向内的第一同心流体凹槽74是相对常见的。因此，如果第一环形壁62a中的流量改变结构110a仅仅被设置在第一同心流体凹槽74中的径向最外侧凹槽74a内，那么可以更容易地制造外部壳体组件24a。然而，将明白的是，本公开的教导还扩展至在其中流量改变结构110a仅仅被限于从第一同心流体凹槽74中的径向最外侧凹槽74a径向向内的一个或多个第一同心流体凹槽74的情形以及它们被设置在第一同心流体凹槽74中的径向最外侧凹槽74a以及从第一同心流体凹槽74中的径向最外侧凹槽74a径向向内的一个或多个第一同心流体凹槽74的情形中使用流量改变结构110a。
本领域技术人员将明白的是，流量改变结构110a可以类似于上文针对第一环形壁62a描述的方式设置在第二环形壁64(图3)上，且除被设置在第一环形壁62a上的流量改变结构110a之外或代替所述流量改变结构110a的是，可使用第二环形壁64上的流量改变结构110a。
虽然流量改变结构110a已经被描述为被设置在第一同心流体凹槽74中或其上的圆周延伸腔体120a，但是本领域技术人员将明白的是，流量改变结构110a可稍微不同地形成。例如，流量改变结构110a'可形成在第一环形表面62a'上以便沿如图16中所示的径向方向延伸。在此实例中，流量改变结构110a'是与多个第一同心流体凹槽74相交的腔体120a'。
参考图17和18，示出了根据本公开的教导构造的另一个外部壳体组件24b的部分。除流量改变结构110b形成在圆周延伸壁66b以及第一环形壁62b中的第一同心流体凹槽74中的径向最外侧凹槽74a二者上之外，外部壳体组件24b可类似于上文所述的任何外部壳体组件。在此实例中，每个流量改变结构110b包括第一部分和第二部分，所述第一部分由形成在圆周延伸壁66b的径向内表面98中的腔体120b-1组成，所述第二部分由形成在第一环形壁62b中的第一同心流体凹槽74中的径向最外侧凹槽74a的第一根部表面76中的环形壁腔体120b-2组成。所提供的特定实例中的流量改变结构110b是经由端铣刀(未示出)形成，但是本领域技术人员将明白的是，流量改变结构110b也可以任何适当方式(包含浇铸(例如，压模浇铸、熔模浇铸、砂型浇铸))形成。将明白的是，流量改变结构110b的大小、填充密度等可类似于与相似于上文针对前两个实施例描述的流量改变结构的大小、填充密度。
参照图19，具有以图17的方式构造的外部壳体组件24b的设备10b被说明为在操作中，其中旋转动力被提供至输入轴20以驱动圆盘22，且阀100以打开状态操作，所述打开状态允许通过工作流体流动路径从储液器26至作业腔体60的流体连通。在操作中，通过工作流体流动路径行进的流体在第一间隙90与第二间隙92之间迁移，且圆盘22相对于外部壳体组件24b的旋转在第一间隙90和第二间隙92中的工作流体中产生剪切力。此剪切力产生扭矩，所述扭矩抵着外部壳体组件24b施加并且导致外部壳体组件24b围绕纵向轴线A旋转。剪切力还在工作流体中产生了热量。第一间隙90和第二间隙92中的工作流体自身沿径向向外方向逐渐工作直至其被容纳在第三间隙94中。第三间隙94中的工作流体最终被引导至回流管线102的入口并且回流至储液器26。归因于工作流体的相对较高粘性自己第一间隙90、第二间隙92和第三间隙94的相对较小尺寸，工作流体流动路径的延伸穿过作业腔体60的部分中的工作流体的雷诺数小于100，其明显低于从层流至湍流的转变，我们将所述转变理解为以约2000的雷诺数发生。作为参考，我们进一步理解在约4000的雷诺数下将发生全湍流。
参考图20，(在CFD软件的辅助下产生)示出了经常规配置(即，现有技术)的粘性风扇离合器PAVFC的工作流体流动路径中的工作流体的大幅放大部分。为了此讨论的目的，除现有技术的粘性风扇离合器PAVFC不采用或不包括上述任何流量改变结构之外，现有技术的粘性风扇离合器PAVFC与图19的设备10b相似。如所示，现有技术的外部壳体组件OHA的圆周延伸壁CEW的径向内表面RIS与现有技术的转子部分RP的外圆周表面OCS之间的工作流体的相对较厚且绝缘边界层BL-1抵着现有技术的外部壳体组件OHA的径向内表面RIS堆叠。边界层BL-1的相对较厚大小限制了工作流体与现有技术的外部壳体组件OHA的径向内表面RIS之间的热传递。在此实例中，邻近于现有技术的转子部分RP的外圆周表面OCS的工作流体具有251℃的温度，靠近边界层BL-1的开始的指示点处的工作流体具有219℃的温度，且邻近于现有技术的外部壳体组件OHA的径向内表面RIS的工作流体具有104℃的温度。
参考图21，图19的设备10b的工作流体流动路径中的工作流体的大幅放大部分是在输入和输出状态下示出，所述输入和输出状态与用于产生图20中采用的数据的状态相似。显而易见的是，邻近于流量改变结构110b的局部区域中的圆周延伸壁66b的径向内表面98的工作流体的边界层BL-2的厚度显著更小，这大幅提高了热量可从工作流体排放至旋转的外部壳体组件24b的速率。在此实例中，邻近于转子部分30的外部圆周表面36的工作流体具有164℃的温度，靠近边界层BL-2的开始的指示点处的工作流体具有151℃的温度，且邻近于外部壳体组件24b的径向内表面98的工作流体具有107℃的温度。与图20的现有技术的粘性风扇离合器PAVFC相比，横跨在转子部分30的外部圆周部分36与圆周延伸壁66b的径向内表面98之间(在流量改变结构110b的局部区域中)的工作流体的温度差是44℃，与现有技术的粘性风扇离合器PAVFC(图20)获得的差(即，115℃)相比降低了71℃。另外，由于排热(从工作流体至外部壳体组件24b)的速率提高，设备10中的工作流体的最大温度与现有技术的粘性风扇离合器PAVFC(图20)相比降低了87℃。
图22中的曲线描绘了一对粘性风扇离合器(第一或现有技术的粘性风扇离合器和根据本公开的教导构造并且具有流量改变结构的第二粘性风扇离合器)的输入和输出速度的等温结合，其将这些离合器中的工作流体的温度限制为预定最大温度。在所提供的特定实例中，预定最大温度是232℃，且因而，每个曲线(200、202)表示相应的一个离合器的操作速度界限(以滑动热量马力表达)，在超出所述界限时，硅酮工作流体将迅速降解，从而导致离合器出现故障。所述两个曲线由描绘图20的现有技术的粘性风扇离合器在其中的工作流体达到最大临界温度(即，现有技术的粘性风扇离合器的操作边界)之前可承受的最大滑动热量马力的基线曲线202以及描绘图19的粘性风扇离合器在工作流体达到最大临界温度(即，图19的粘性风扇离合器的操作边界)之前可承受的最大滑动热量马力的另一个曲线200组成。每个曲线将相应的一个粘性风扇离合器的最大滑动热量马力描绘为粘性风扇离合器的输入速度以及风扇离合器的风扇或输出速度的函数。每次测试CS-47438.0对以下风扇均产生数据：由BorgWarner公司以零件编号010023275(
Figure BDA0002981607650000201
英寸x9x2.52英寸)和
Figure BDA0002981607650000202
英寸(660.4mm直径)的环护罩制造的风扇结合由BorgWarner以零件编号010026784生产的现有技术的型号664粘性风扇离合器(其用于产生基线曲线202)或结合由BorgWarner以零件编号010026784生产并且如图19的实例中所述般修改的型号664粘性风扇离合器。线(即，50％的线210)描绘了其中粘性风扇离合器的风扇或输出速度是粘性风扇离合器的输入速度的一半(即，50％)的情形。如根据两个曲线202和200明白，现有技术的粘性风扇离合器PAVFC(图20)的最大滑动热量马力在其中基线曲线202与50％线210相交之处是3.4HP，而根据本公开的教导构造的粘性风扇离合器10b(图19)的最大滑动热量马力在其中曲线200与50％线210相交之处是4.0HP。最大滑动热量马力的0.6HP增加与可直接归因于由本公开的教导提供的改进的排热能力相比提高了17％。
鉴于上述讨论，提供了一种方法，其包括：提供具有外部壳体组件、圆盘和储液器的设备，所述外部壳体组件具有作业腔体，所述圆盘可在外部壳体组件中旋转，所述圆盘具有可旋转地容纳在作业腔体中的转子部分，所述作业腔体与储液器流体连通；在所述外部壳体组件内旋转所述转子以产生流过作业腔体的所述作业流体并且施加剪切力于流过作业腔体的所述作业流体；以及在外部壳体组件上的其中工作流体的流量通过作业腔体的多个分散位置处，沿横行于作业流体的邻近于第一环形表面的边界层的方向，在外部壳体组件上的多个分散位置处引发作业流体的移动。外部壳体组件上的位置可为其中工作流体通过作业腔体的流量具有小于100的雷诺数的位置。
第一表面可形成在外部壳体组件的环形壁上。另外或替代地，第一表面可形成在外部壳体组件的圆周延伸壁上。因而，所述方法可进一步包括随着作业流体在设备的操作期间通过作业腔体而在邻近于作业流体的第二表面的第二区域中的作业流体的层流中引发湍流。
所述方法可进一步包括在外部壳体组件上形成多个流量改变结构。流量改变结构可与外部壳体组件的限定多个同心流体凹槽的部分形成为一体，且流动改变结构可选用地形成为腔体。如果流量改变结构形成为腔体，那么所述方法可进一步包括浇铸外部壳体组件的至少一部分，其中当外部壳体组件的部分被浇铸时在外部壳体组件的部分上形成腔体的至少一部分。另外或替代地，所述方法可进一步包括去除外部壳体组件的部分中的材料以形成腔体的至少一部分。可在选自由以下项组成的组的操作中去除外部壳体组件的部分中的材料：研磨、钻孔、蚀刻、拉削和放电加工。
另外或替代地，所述方法可进一步包括在选自由以下项组成的组的操作中形成外部壳体组件的部分：冲压、压印、锻压、精密冲裁和滚花以形成一个或多个流量改变结构。
为了说明和描述目的已提供实施例的前述描述。前述描述不旨在穷举或限制本公开。特定实施例的个别元件或特征大体上不限于特定实施例，但是如果合适的话是可互换的并且可在选定实施例中使用，即便没有具体示出或描述。同样这也可以按照许多方式改变。这样的变化不应被视为脱离本公开，且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (13)

1.一种采用剪切力传递能量的方法，其包括：
提供具有外部壳体组件、圆盘和储液器的设备，所述外部壳体组件具有在所述外部壳体组件上形成的多个流量改变结构，所述外部壳体组件限定作业腔体，所述圆盘可在所述外部壳体组件中旋转，所述圆盘具有可旋转地容纳在所述作业腔体中的转子部分，所述作业腔体与所述储液器流体连通；以及
在所述外部壳体组件内旋转所述转子以产生流过所述作业腔体的作业流体并且施加剪切力于流过作业腔体的所述作业流体；
其中，所述作业流体在每个所述流量改变结构的局部的多个区域中的流过引发所述作业流体在所述区域中横行于所述作业流体的邻近于所述外部壳体组件的第一表面的边界层的移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一表面形成在所述外部壳体组件的环形壁上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一表面形成在所述外部壳体组件的圆周延伸壁上。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括随着所述作业流体在所述设备的操作期间通过所述作业腔体而在邻近于所述作业腔体的第二表面的第二区域中的所述作业流体的层流中引发湍流。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二表面形成在所述外部壳体组件的环形壁上。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流量改变结构与所述外部壳体组件的限定多个同心流体凹槽的部分形成为一体。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流量改变结构是腔体。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括浇铸所述外部壳体组件的至少一部分，其中，当所述外部壳体组件的所述部分被浇铸时在所述外部壳体组件的所述部分上形成所述腔体的至少一部分。
9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括从所述外部壳体组件的部分去除材料以形成所述腔体的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在选自由以下项组成的组的操作中从所述外部壳体组件的所述部分去除材料：研磨、钻孔、蚀刻、拉削和放电加工。
11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在选自由以下项组成的组的操作中形成所述外部壳体组件的部分：冲压、压印、锻压、精密冲裁和滚花以形成一个或多个流量改变结构。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，每个所述流量改变结构的局部的多个区域是所述外部壳体组件上的、其中所述作业流体通过所述作业腔体的流量具有小于100的雷诺数的位置。
13.一种采用剪切力传递能量的方法，其包括：
提供具有外部壳体组件、圆盘和储液器的设备，所述外部壳体组件具有多个流量改变结构，所述外部壳体组件限定作业腔体，所述圆盘可在所述外部壳体组件中旋转，所述圆盘具有可旋转地容纳在所述作业腔体中的转子部分，所述作业腔体与所述储液器流体连通；以及
其中，在所述设备的操作期间，每个所述流量改变结构在邻近于所述作业腔体的第一表面的、所述流量改变结构的局部的第一区域中的作业流体的层流中引发湍流。
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