DE19725500C2 - Mit einer eingestellten Menge eines viskosen Fluids gefüllter Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ - Google Patents
Mit einer eingestellten Menge eines viskosen Fluids gefüllter Wärmegenerator vom Viskosfluid-TypInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmegenerator vom
Viskosfluid-Typ, bei dem ein viskoses Fluid in eine vorbe
stimmte, in einer Gehäuseanordnung ausgebildete Fluidauf
nahmekammer eingefüllt und durch die Drehung eines Rotor
elements einer wiederholten Scherwirkung unterworfen wird,
um Wärme zu erzeugen, welche wiederum auf ein zirkulieren
des Wärmetauschfluid in einer Wärmeaufnahmekammer übertra
gen wird. Die Wärme wird durch das Wärmetauschfluid zu ei
nem zu beheizenden Bereich, wie beispielsweise einem Fahr
gastraum in einem Kraftfahrzeug, gebracht. Insbesondere be
trifft die vorliegende Erfindung einen Wärmegenerator vom
Viskosfluid-Typ, bei dem die vorbestimmte Fluidaufnahmekam
mer der Gehäuseanordnung mit einem viskosen Fluid bei einem
Füllungsverhältnis gefüllt ist, welches zum Erzeugen von
Wärme, deren Temperatur für die Verwendung bei einem Heiz
system genügend hoch ist, geeignet ist, während es das Ent
stehen eines Schadens an einer in dem Wärmegenerator vom
Viskosfluid-Typ enthaltenen Öldichtungseinrichtung verhin
dert.
Aus der DE 44 20 841 A1 ist es bekannt, einen Wärmegenera
tor vom Viskosfluid-Typ als eine Zusatzheizvorrichtung für
Kraftfahrzeug-Heizsysteme zu verwenden. Die Zusatzheizvor
richtung weist eine Antriebswelle auf, die mit einem Kraft
fahrzeugmotor in Wirkverbindung steht und von demselben an
getrieben wird. Die Antriebswelle ist drehbar in einer Ge
häuseanordnung gelagert, in der ein antreibbar mit einem
inneren Ende der Antriebswelle verbundenes Rotorelement un
tergebracht ist. In der Gehäuseanordnung ist eine Wärmeer
zeugungskammer ausgebildet, in die eine vorbestimmte Menge
eines viskosen Fluids, wie beispielsweise Silikonöl, so
eingefüllt ist, daß das viskose Fluid in zwischen den In
nenwänden der Wärmeerzeugungskammer und der Außenfläche des
Rotorelements vorgesehenen Zwischenräumen zurückgehalten
wird. Das Füllungsverhältnis des viskosen Fluids für die
Wärmeerzeugungskammer wird im allgemeinen auf beispielswei
se mehr als 80% eingestellt, in der DE 44 20 841 A1 wird
ein Füllungsverhältnis von 100% vorgeschlagen, und die
Wärmeerzeugungskammer ist mittels eines Öldichtungselements
oder eines Wellendichtungselements luftdicht verschlossen,
das innerhalb der Wärmeerzeugungskammer um die Antriebswel
le angeordnet ist, um ein Auslaufen des viskosen Fluids aus
der Wärmeerzeugungskammer zu verhindern.
Die Anwendung eines Fluid-Füllungsverhältnisses von 80%
oder mehr beruht auf der Tatsache, daß dieses Füllungsver
hältnis bei der herkömmlichen Viskoskupplungsvorrichtung,
die dasselbe Wärmeerzeugungsprinzip wie der Wärmegenerator
vom Viskosfluid-Typ verwendet, mit zufriedenstellendem Er
gebnis angewandt worden ist. Bei der Viskoskupplungsvor
richtung wird das viskose Öl als ein Arbeitsmedium verwen
det, und ein Anstieg des Volumens des Arbeitsmediums auf
grund der Reibungswärmeerzeugung des Arbeitsmediums wird
dazu benutzt, eine einstellbare Fluidkopplung zwischen zwei
Kupplungsplatten zu schaffen, um ein eingestelltes Drehmo
ment von dem Eingang der Kupplungsvorrichtung zu deren Aus
gang zu übertragen. Daher ist es bei der Viskoskupplungs
vorrichtung häufig erforderlich, eine starke Verbindung
herzustellen, die im wesentlichen einer direkten Verbindung
zwischen den beiden Kupplungsplatten entspricht, um das
volle Drehmoment von dem Eingang zu dem Ausgang der Kupp
lungsvorrichtung zu übertragen. Dementsprechend muß das
Füllungsverhältnis des viskosen Fluids auf einen möglichst
hohen Wert festgelegt und eingestellt werden.
Jedoch tritt bei dem herkömmlichen Wärmegenerator vom Viskos
fluid-Typ die Wärmeerzeugung aufgrund der Ausübung einer
Scherwirkung auf das zwischen den Innenwänden der Wärmeerzeu
gungskammer und den Außenflächen des Rotorelements gehaltene
viskose Fluid durch die Drehung des Rotorelements auf. Die
Wärmeerzeugung des viskosen Fluids erzeugt einen Anstieg der
Temperatur des viskosen Fluids, und daher tritt eine Volumen
ausdehnung sowohl des viskosen Fluids als auch der in der
Wärmeerzeugungskammer eingeschlossenen Luft auf. Deshalb
steigt der in der Wärmeerzeugungskammer herrschende innere
Druck in Abhängigkeit von der Volumenausdehnung des viskosen
Fluids und der Luft an. Wenn das von dem viskosen Fluid
innerhalb der Wärmeerzeugungskammer eingenommene Volumen
beträchtlich größer ist als das von der Luft innerhalb der
Wärmeerzeugungskammer eingenommene Volumen, d. h., wenn das
Füllungsverhältnis des viskosen Fluids für die Wärmeerzeu
gungskammer groß ist, kann der innere Druck innerhalb der
Wärmeerzeugungskammer aufgrund einer Differenz der thermi
schen Ausdehnungskoeffizienten des viskosen Fluids und der
Luft übermäßig über einen vorgegebenen Haltbarkeitsdruck (den
maximal zulässigen Druck) für die Öldichtung hinaus anstei
gen. Als Ergebnis hiervon kann ein Schaden an der Öldichtung
und ein Auslaufen des viskosen Fluids aus der Wärmeer
zeugungskammer auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
einen Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ zu schaffen, der
während einer langen Betriebsdauer eine hohe Betriebszu
verlässigkeit aufweist, ohne daß ein Schaden an einer darin
enthaltenen Öldichtungseinrichtung oder ein Auslaufen des
viskosen Fluids aus einer Wärmeerzeugungskammer desselben
auftritt.
Ferner soll der verbesserte Wärmegenerator vom Viskosfluid-
Typ eine ausreichende und zuverlässige Wärmeerzeugungs
leistung aufweisen, ohne daß Bauelemente hinzugefügt werden
müssen, die einen Anstieg der Herstellungskosten des Wärme
generators verursachen könnten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmegenerator
vom Viskosfluid-Typ gelöst, der folgendes umfaßt:
eine Gehäuseanordnung, in der eine Fluidaufnahmekammer zum Aufnehmen eines viskosen Fluids und eine von einem Wärme tauschfluid durchströmbare Wärmeaufnahmekammer ausgebildet sind;
eine Antriebswelle, die drehbar an der Gehäuseanordnung ge lagert ist und deren Drehbewegung von einer externen An triebsquelle antreibbar ist, wobei die Antriebswelle einen Teil umfaßt, welcher sich in die Gehäuseanordnung erstreckt;
ein Rotorelement, das auf dem Teil der Antriebswelle so ange ordnet ist, daß es in der Fluidaufnahmekammer drehbar ist, wobei die Drehung des Rotorelements eine Scherwirkung auf das viskose Fluid ausübt, um Wärme zu erzeugen;
ein Wärmeübertragungselement, das zwischen der Fluidaufnahme kammer und der Wärmeaufnahmekammer angeordnet ist, um Wärme von dem viskosen Fluid zu dem Wärmetauschfluid zu übertragen; und
ein Dichtungselement, das an einer der Fluidaufnahmekammer benachbarten Stelle um die Antriebswelle angeordnet ist, um
das viskose Fluid daran zu hindern, aus der Fluidaufnahme kammer auszulaufen,
wobei das viskose Fluid in die Fluidaufnahmekammer mit einem vorgegebenen volumetrischen Füllungsverhältnis aus dem Be reich von 50% bis 70%, bezogen auf das gesamte Volumen der Fluidaufnahmekammer, eingefüllt ist.
eine Gehäuseanordnung, in der eine Fluidaufnahmekammer zum Aufnehmen eines viskosen Fluids und eine von einem Wärme tauschfluid durchströmbare Wärmeaufnahmekammer ausgebildet sind;
eine Antriebswelle, die drehbar an der Gehäuseanordnung ge lagert ist und deren Drehbewegung von einer externen An triebsquelle antreibbar ist, wobei die Antriebswelle einen Teil umfaßt, welcher sich in die Gehäuseanordnung erstreckt;
ein Rotorelement, das auf dem Teil der Antriebswelle so ange ordnet ist, daß es in der Fluidaufnahmekammer drehbar ist, wobei die Drehung des Rotorelements eine Scherwirkung auf das viskose Fluid ausübt, um Wärme zu erzeugen;
ein Wärmeübertragungselement, das zwischen der Fluidaufnahme kammer und der Wärmeaufnahmekammer angeordnet ist, um Wärme von dem viskosen Fluid zu dem Wärmetauschfluid zu übertragen; und
ein Dichtungselement, das an einer der Fluidaufnahmekammer benachbarten Stelle um die Antriebswelle angeordnet ist, um
das viskose Fluid daran zu hindern, aus der Fluidaufnahme kammer auszulaufen,
wobei das viskose Fluid in die Fluidaufnahmekammer mit einem vorgegebenen volumetrischen Füllungsverhältnis aus dem Be reich von 50% bis 70%, bezogen auf das gesamte Volumen der Fluidaufnahmekammer, eingefüllt ist.
Vorzugsweise umfaßt die Fluidaufnahmekammer eine Wärmeerzeu
gungskammer, in der das Rotorelement und der Teil der An
triebswelle angeordnet sind, wobei die Wärmeerzeugungskammer
mittels des benachbart zu dem Teil der Antriebswelle angeord
neten Dichtungselementes fluiddicht verschlossen ist, so daß
ein Auslaufen des viskosen Fluids über den Außenumfang der
Antriebswelle verhindert wird. Da das Dichtungselement durch
die besondere Einstellung des Füllungsverhältnisses des vis
kosen Fluids in der Fluidaufnahmekammer des Wärmegenerators
gegen Bruch und Verschleiß geschützt ist, kann die Betriebs
dauer des Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ mit Sicherheit
eine lange sein.
Der Rest des Volumens der Fluidaufnahmekammer des Wärmegene
rators vom Viskosfluid-Typ außer dem mit dem viskosen Fluid
gefüllten Volumen ist vorzugsweise mit einem nicht-oxidieren
den Gas gefüllt. Das Einfüllen des nicht-oxidierenden Gases
in die Fluidaufnahmekammer erlaubt es, die Luft aus der
Fluidaufnahmekammer zu entfernen. Demgemäß kann verhindert
werden, daß das viskose Fluid oxidiert wird. So werden die
chemischen und physikalischen Eigenschaften des viskosen
Fluids über eine lange Betriebsdauer des Wärmegenerators
unverändert erhalten. Daher kann eine stabile Wärmeerzeu
gungsleistung des Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ während
der Betriebsdauer des Wärmegenerators aufrechterhalten
werden.
Das nicht-oxidierende Gas kann eines der Gase Stickstoff oder
Kohlendioxid oder ein Edelgas sein, das Helium (He), Neon
(Ne) und/oder Argon (Ar) umfaßt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Wärmegenerator vom Viskos
fluid-Typ kann auch dann, wenn das viskose Fluid innerhalb
der Fluidaufnahmekammer genügend Wärme zum Erreichen einer
erforderlichen hohen Temperatur erzeugt, der Inhalt der
Fluidaufnahmekammer, d. h., das viskose Fluid und das nicht-
oxidierende Gas, sich nicht so thermisch ausdehnen, daß er
einen Druck aufweist, der weit oberhalb eines Grenzdrucks
liegt, den das in dem Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ ent
haltene Dichtungselement physisch aushalten kann. Somit wird
das Dichtungselement ständig mit einem zulässigen Druck be
aufschlagt, und deshalb kann die mechanische Beständigkeit
des Dichtungselements während einer langen Betriebsdauer auf
rechterhalten werden.
Wenn das Füllungsverhältnis des viskosen Fluids in der
Fluidaufnahmekammer des Wärmegenerators größer ist als 70%,
verursacht die thermische Ausdehnung des viskosen Fluids und
des Gasgehalts der Fluidaufnahmekammer einen Anstieg des
inneren Drucks in der Fluidaufnahmekammer bis auf ein hohes
Druckniveau, welches das Dichtungselement des Wärmegenerators
nicht aushalten kann. Als Ergebnis hiervon kann ein Defekt
auftreten, durch den der luftdichte Verschluß der Fluidauf
nahmekammer zerstört wird, was es dem viskosen Fluid erlaubt,
aus der Fluidaufnahmekammer auszulaufen.
Beträgt andererseits das Füllungsverhältnis des viskosen
Fluids in der Fluidaufnahmekammer weniger als 50%, so ist
die Menge des viskosen Fluids, die der mittels des sich
drehenden Rotorelements innerhalb der Fluidaufnahmekammer
ausgeübten Scherwirkung unterworfen wird, nicht ausreichend,
um die Wärme zu erzeugen, die dem Kraftfahrzeugheizungssystem
zugeführt werden soll. Dementsprechend ist in diesem Fall die
Wärmeerzeugungsleistung des Wärmegenerators vom Viskosfluid-
Typ gering.
Die vorstehend genannten und weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung
und zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Aus
führungsform eines erfindungsgemäßen Wärme
generators vom Viskosfluid-Typ;
Fig. 2 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen
dem Füllungsverhältnis des viskosen Fluids
und dem in der Fluidaufnahmekammer herrschen
den inneren Druck darstellt; und
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Aus
führungsform des erfindungsgemäßen Wärme
generators vom Viskosfluid-Typ.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ
eine Gehäuseanordnung, die von einem vorderen Gehäuse 1,
einer Trennplatte 2, einem hinteren Gehäusekörper 3 und einem
Dichtungsring 4 gebildet wird. Das vordere Gehäuse 1, die
Trennplatte 2, der hintere Gehäusekörper 3 und der Dichtungs
ring 4 sind nebeneinanderstehend angeordnet und mittels meh
rerer langer Schraubenbolzen 5 (von denen nur einer in Fig. 1
dargestellt ist) miteinander verbunden. Die Trennplatte 2 und
der hintere Gehäusekörper 3 bilden ein hinteres Gehäuse 6,
das eine Flüssigkeits-Einlaßöffnung 9 und eine Flüssigkeits-
Auslaßöffnung (die in Fig. 1 nicht dargestellt ist, aber in
ähnlicher Weise wie die Flüssigkeits-Einlaßöffnung 9 angeord
net ist) aufweist.
Das vordere Gehäuse 1 ist mit einer inneren Stirnfläche ver
sehen, in der eine große Ausnehmung so ausgebildet ist, daß
sie einer vorderen Stirnfläche der Trennplatte 2 gegenüber
steht und mit derselben eine Wärmeerzeugungskammer 7 um
schließt. Eine hintere Stirnfläche der Trennplatte 2 und eine
Innenwandfläche des hinteren Gehäusekörpers 3 umschließen ge
meinsam eine Wärmeaufnahmekammer 8, die benachbart zu der
Wärmeerzeugungskammer 7 angeordnet ist. Die Trennplatte 2
trennt die Wärmeaufnahmekammer 8 von der Wärmeerzeugungs
kammer 7 und dient als Wärmeübertragungselement zwischen den
Kammern 7 und 8. Die Wärmeaufnahmekammer 8 nimmt eine Wärme
tauschflüssigkeit durch die Flüssigkeits-Einlaßöffnung 9 auf
und gibt diese Flüssigkeit durch die Auslaßöffnung an ein
externes Heizsystem, wie beispielsweise ein Kraftfahrzeug
heizsystem, ab. Die Wärmetauschflüssigkeit zirkuliert durch
die Wärmeaufnahmekammer 8 des Wärmegenerators und das externe
Kraftfahrzeugheizsystem.
Die Trennplatte 2 ist in ihrer Mitte mit einem säulenförmigen
Vorsprung 2a versehen, der von der Trennplatte 2 nach hinten
zu der inneren Stirnfläche des hinteren Gehäusekörpers 3 hin
vorsteht. Die hintere Stirnfläche der Trennplatte 2 ist mit
einem radialen Wandbereich 2b versehen, der so ausgebildet
ist, daß er sich von einem Bereich der Außenfläche des
säulenförmigen Vorsprungs 2a aus in radialer Richtung er
streckt. Die hintere Stirnfläche der Trennplatte 2 ist ferner
mit mehreren Rippen 2c bis 2f versehen, die sich in Umfangs
richtung von einer der Einlaßöffnung 9 benachbarten Stelle
bis zu einer der Auslaßöffnung benachbarten Stelle er
strecken. Der säulenförmige Vorsprung 2a, der radiale Wandbe
reich 2b und die mehreren Rippen 2c bis 2f werden so mit der
inneren Stirnfläche des hinteren Gehäusekörpers 3 in Kontakt
gehalten, daß sie Strömungskanäle für die Wärmetauschflüssig
keit innerhalb der Wärmeaufnahmekammer 8 bilden.
Das vordere Gehäuse 1 ist in seiner Mitte mit einem vorderen
Nabenbereich versehen, in dem eine Lagereinrichtung 11 unter
gebracht ist, welche eine Antriebswelle 12 drehbar lagert.
Die Antriebswelle 12 ist mit einem hinteren Teil derselben
versehen, um welchen ein axiales Außen-Polygonprofil 12a aus
gebildet ist und welcher in der Wärmeerzeugungskammer 7 ange
ordnet ist.
Ein Rotorelement 13 in der Form einer ebenen Platte ist auf
dem hinteren Teil der Antriebswelle 12 angeordnet und so
innerhalb der Wärmeerzeugungskammer 7 angeordnet, daß es
zusammen mit der Antriebswelle 12 gedreht werden kann. Das
Rotorelement 13 weist einen mittigen Nabenbereich auf, in dem
eine mittige Bohrung, welche ein axiales Innen-Polygonprofil
13a aufweist, ausgebildet ist. Das Innen-Polygonprofil 13a
des Rotorelements 13 steht mit dem Außen-Polygonprofil 12a
der Antriebswelle 12 in Eingriff. D. h., daß das Rotorelement
13 in axialer Richtung relativ zu dem hinteren Teil der An
triebswelle 12 beweglich ist, aber keine Drehbewegung relativ
zu der Antriebswelle 12 ausführen kann. Eine axiale Bewegung
des Rotorelements 13 relativ zu der Antriebswelle 12 tritt
auf, wenn das Rotorelement 13 mit einer axialen Schubkraft
beaufschlagt wird.
Eine Öldichtungseinrichtung 10 in der Form eines ringförmigen
Dichtungsteils ist an einer vorderen Stelle der Wärmeerzeu
gungskammer 7 um die Antriebswelle 12 angeordnet, um die
Wärmeerzeugungskammer 7 luftdicht zu verschließen.
Beim erstmaligen Zusammenbau des Wärmegenerators vom Viskos
fluid-Typ wird ein viskoses Fluid F, beispielsweise Sili
konöl, in die Wärmeerzeugungskammer 7 eingefüllt. Wenn die
Wärmeerzeugungskammer 7, die die Öldichtungseinrichtung 10,
den hinteren Teil der Antriebswelle 12 und das Rotorelement
13 enthält, vor dem Einfüllen des Silikonöls ein noch ver
bleibendes oder freies inneres Volumen Vt1 aufweist, so
sollte das Volumen VF des in die Wärmeerzeugungskammer 7 ein
gefüllten Silikonöls 50% bis 70% des freien inneren Volu
mens Vt1 der Wärmeerzeugungskammer 7 betragen. Dabei ist,
wenn auch die Wärmeerzeugungskammer 7 einen Großteil einer
zur Aufnahme des viskosen Fluids (des Silikonöls) fähigen
Fluidaufnahmekammer bildet, jeder Bereich, in den das einge
füllte viskose Fluid gelangen kann, als Teil der Fluidauf
nahmekammer anzusehen. Somit kann das Füllungsverhältnis R
des viskosen Fluids in der Fluidaufnahmekammer durch die
folgende Gleichung definiert werden:
R = VF/Vt1.
Das Füllungsverhältnis R sollte bei der ersten Ausführungs
form des Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ auf einen Wert
von 50% bis 70% eingestellt werden und vorzugsweise unge
fähr 60% (R = 0,60) betragen.
Es versteht sich, daß das Füllungsvolumen VF des viskosen
Fluids (des Silikonöls) beträchtlich kleiner ist als das
freie innere Volumen Vt1 der Fluidaufnahmekammer. Da jedoch
der Zwischenraum zwischen den Innenwandflächen der Wärmeer
zeugungskammer 7 und der Außenfläche des Rotorelements 13
sehr klein ist, wird das Silikonöl, sobald das Rotorelement
13 sich zu drehen beginnt, aufgrund von auf das Silikonöl
wirkender Oberflächenspannung gleichmäßig in alle Bereiche
des kleinen Zwischenraums zwischen den Innenwandflächen der
Wärmeerzeugungskammer 7 und der Außenfläche des Rotorelements
13 verteilt. Daher kann, wenn das viskose Fluid, beispiels
weise das Silikonöl, in dem vorstehend erwähnten Füllungsver
hältnis R in die Wärmeerzeugungskammer 7 gefüllt wird, das
viskose Fluid innerhalb der Wärmeerzeugungskammer 7 mit
Sicherheit Wärme erzeugen, die ausreicht, um bei dem Kraft
fahrzeugheizsystem verwendet zu werden.
Ferner kann der Rest des Volumens der Fluidaufnahmekammer,
d. h., der Wärmeerzeugungskammer 7, der nicht mit dem visko
sen Fluid gefüllt ist, mit Luft unter Atmosphärendruck ge
füllt sein. (Wenn beispielsweise das Füllungsverhältnis R des
viskosen Fluids auf 60% eingestellt ist, beträgt der Rest
des Volumens der Fluidaufnahmekammer 40% von Vt1.)
Jedoch wird der Rest des Volumens der Fluidaufnahmekammer
vorzugsweise mit einem nicht-oxidierenden Gas, beispielsweise
mit Stickstoff oder Kohlendioxid oder mit einem Edelgas, wie
beispielsweise Helium, Neon, Argon usw., gefüllt. Das in die
Fluidaufnahmekammer eingefüllte Gas kann unter einem Druck,
der geringer ist als der Atmosphärendruck, welcher normaler
weise 1,013 . 105 Pa (1 atm) beträgt, eingefüllt werden.
Eine Riemenscheibe 15 ist mittels eines Schraubenbolzens 14
an einem vorderen Ende der Antriebswelle 12 festgelegt. Die
Riemenscheibe 15 ist über einen (nicht dargestellten) Riemen
mit einer externen Antriebsquelle, wie beispielsweise einem
Kraftfahrzeugmotor, verbunden. Deshalb wird die Drehbewegung
der Antriebswelle 12 durch den Kraftfahrzeugmotor so ange
trieben, daß sich das Rotorelement 13 innerhalb der Wärme
erzeugungskammer 7 dreht. Dementsprechend übt die Drehung des
Rotorelements 13 eine Scherwirkung auf das zwischen den
Innenwänden der Wärmeerzeugungskammer 7 und der Außenfläche
des Rotorelements 13 gehaltene viskose Fluid aus. Dadurch
erzeugt das viskose Fluid Wärme, die wiederum auf die durch
die Wärmeaufnahmekammer 8 strömende Wärmetauschflüssigkeit
übertragen wird. Die Wärmetauschflüssigkeit wird durch die
Auslaßöffnung des Wärmegenerators abgegeben und bringt die
Wärme zu dem externen Kraftfahrzeugheizsystem, das einen
Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs aufheizt.
Das Schaubild in Fig. 2 stellt das Ergebnis von Messungen
dar, die eine Beziehung zwischen dem (längs der Abszisse auf
getragenen) Füllungsverhältnis R des viskosen Fluids und dem
in der Wärmeerzeugungskammer 7 herrschenden inneren Druck bei
verschiedenen Temperaturen des viskosen Fluids, die auf der
Wärmeerzeugung beruhen, aufzeigen. Die für die Wärmemessung
ausgewählten Temperaturen waren 150°C, 200°C und 250°C. Damit
der Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ als eine Zusatzheiz
quelle für ein Kraftfahrzeugheizsystem verwendet werden kann,
sollte der Wärmegenerator vorzugsweise Wärme mit einer Tempe
ratur zwischen 200°C und 250°C erzeugen. Wenn die Temperatur
des viskosen Fluids geringer ist als 150°C, kann die Wärme
tauschflüssigkeit innerhalb der Wärmeaufnahmekammer 8 nicht
genügend Wärme aufnehmen, um für das Kraftfahrzeugheizsystem
verwendet zu werden. Das liegt daran, daß in dem Kraftfahr
zeugheizsystem ein Motorkühlwasser, das um den Fahrzeugmotor
zirkuliert, als Wärmetauschflüssigkeit verwendet wird und
demgemäß die Wärmetauschflüssigkeit an sich schon eine rela
tiv hohe Temperatur aufweisen kann. Als ein Ergebnis hiervon
kann, wenn die Temperatur des viskosen Fluids innerhalb der
Wärmeerzeugungskammer 7 relativ niedrig ist, aufgrund des
kleinen Temperaturgradienten keine effektive Wärmeübertragung
von dem viskosen Fluid zu der Wärmetauschflüssigkeit in der
Wärmeaufnahmekammer 8 stattfinden. Andererseits ist ein vis
koses Fluid, das eine ausreichende thermische Beständigkeit
gegenüber einer Temperatur oberhalb von 250°C aufweist, nicht
leicht erhältlich und wäre überdies sehr teuer, wenn es er
hältlich wäre. Deshalb muß der Wärmegenerator vom Viskos
fluid-Typ so ausgelegt werden, daß die durch die Wärme
erzeugung des viskosen Fluids erhaltene Temperatur ständig
niedriger als 250°C gehalten wird.
Aus dem Schaubild der Fig. 2 ist ersichtlich, daß sogar in
dem Fall, in dem die Temperatur des viskosen Fluids 250°C
beträgt, der innere Druck P in der Wärmeerzeugungskammer 7
weniger als 2,943 . 105 Pa (3 kp/cm2) beträgt, was dem maxi
mal zulässigen Druck entspricht, dem herkömmliche Öldich
tungseinrichtungen standhalten können, wenn das Füllungsver
hältnis R des viskosen Fluids auf einen Wert niedriger als
oder gleich 0,7 eingestellt wird.
Die Vorteile der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ sind die folgenden:
- a) Das Füllungsverhältnis R des viskosen Fluids in der Wärmeerzeugungskammer 7 ist auf einen Wert unterhalb von 0,7 (70%) eingestellt. Als ein Ergebnis hiervon steigt der in der Wärmeerzeugungskammer 7 herrschende innere Druck nicht über 2,943 . 105 Pa (3 kp/cm2) an, wenn das viskose Fluid F innerhalb der Wärmeerzeugungskammer 7 in Abhängigkeit von der Drehung des Rotorelements 13 Wärme erzeugt. Daher wird die Öldichtungseinrichtung 10 weder beschädigt noch zerbrochen. Somit kann als Öldichtungs einrichtung 10 eine herkömmliche Öldichtungseinrichtung verwendet werden, die eine durchschnittliche Druckbe ständigkeit von 2,943 . 105 Pa (3 kp/cm2) aufweist und ohne weiteres am Markt erhältlich ist.
- b) Die Öldichtungseinrichtung 10, die die Fluidaufnahme kammer, welche im wesentlichen der Wärmeerzeugungskammer 7 entspricht, luftdicht verschließt, wird nicht mit einem übermäßig hohen Druck beaufschlagt, der sonst auf grund eines Anstiegs des inneren Druckes P der Wärmeer zeugungskammer 7 während des Betriebs des Wärmegenera tors vom Viskosfluid-Typ entstehen könnte. Daher kann die Betriebsdauer der Öldichtungseinrichtung 10 an sich ausreichend lange sein.
- c) Die Dichtungseinrichtung 10 kann aus einer der herkömm lichen, preiswerten Öldichtungseinrichtungen, die am Markt erhältlich sind, gebildet sein. Dadurch können die Herstellungskosten des Wärmegenerators vom Viskosfluid- Typ an sich niedrig gehalten werden, während die Be triebsdauer der darin enthaltenen Öldichtungseinrichtung verlängert und die Betriebszuverlässigkeit des Wärme generators verbessert werden.
- d) Wenn ein nicht-oxidierendes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, in den nicht von dem viskosen Fluid ausge füllten Bereich der Wärmeerzeugungskammer 7 eingefüllt wird, kann eine Degradation oder Zersetzung des viskosen Fluids, beispielsweise des Silikonöls, aufgrund von Oxidation bei einer hohen Temperatur in effektiver Weise verhindert werden. Dadurch können die chemischen und physikalischen Eigenschaften des viskosen Fluids, bei spielsweise des Silikonöls, während einer langen Be triebsdauer des Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ unverändert erhalten werden. Auf diese Weise kann die Wärmeerzeugungsleistung des Wärmegenerators vom Viskos fluid-Typ während einer langen Betriebsdauer des Wärme generators stabil gehalten werden.
Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform eines er
findungsgemäßen Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ kann in
der nachfolgend beschriebenen Weise modifiziert werden.
Eine Magnetkupplung kann zwischen der Riemenscheibe 15 und
der Antriebswelle 12 des Wärmegenerators so angeordnet
werden, daß eine Antriebskraft von dem Fahrzeugmotor über die
Magnetkupplung zu der Antriebswelle 12 übertragen werden
kann. Auf diese Weise kann die Übertragung der Antriebskraft
von der externen Antriebsquelle zu dem Wärmegenerator vom
Viskosfluid-Typ mittels eines von außen angelegten Steuer
signals gesteuert werden.
Fig. 3 stellt eine zweite Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ dar. Die zweite
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmegenerators vom
Viskosfluid-Typ, die in Fig. 3 dargestellt ist, unterscheidet
sich von der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmegenerators, die in Fig. 1 dargestellt ist, dadurch, daß
eine zusätzliche Hilfs-Fluidaufnahmekammer 20, die als ein
Fluidreservoir dient, benachbart zu der Wärmeerzeugungskammer
7 angeordnet ist, um das viskose Fluid F darin zu speichern.
Die Hilfs-Fluidaufnahmekammer 20 ist zwischen der hinteren
Stirnfläche der Trennplatte 2 und dem hinteren Gehäusekörper
3 ausgebildet, und eine Wärmeaufnahmekammer 23, die dieselbe
Funktion wie die Kammer 8 der ersten Ausführungsform aus Fig.
1 hat, ist um die Hilfs-Fluidaufnahmekammer 20 herum angeord
net. Eine Einlaßöffnung 21 und eine Auslaßöffnung 22 sind für
die Wärmeaufnahmekammer 23 zum Zuführen der Wärmetauschflüs
sigkeit zu der Kammer 23 bzw. zum Abgeben der Wärmetausch
flüssigkeit aus der Kammer 23 vorgesehen.
Die Trennplatte 2 des hinteren Gehäuses 6 ist mit einer darin
ausgebildeten Fluidabführöffnung 24 und einer darin ausgebil
deten Fluidzuführöffnung 25 versehen. Diese Öffnungen 24 und
25 sind vorgesehen, um die Wärmeerzeugungskammer 7 mit der
Hilfs-Fluidaufnahmekammer 20 zu verbinden. D. h., daß bei der
zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmegenerators
vom Viskosfluid-Typ die Fluidaufnahmekammer zum Aufnehmen des
viskosen Fluids F durch die Wärmeerzeugungskammer 7 und die
Hilfs-Fluidaufnahmekammer 20 gebildet wird.
Wenn das noch verbleibende oder freie innere Volumen der
Wärmeerzeugungskammer 7, die die Öldichtungseinrichtung 10,
das hintere Ende der Antriebswelle 12 und das Rotorelement 13
enthält, vor dem Einfüllen des viskosen Fluids als Vt1 be
zeichnet wird, das gesamte Volumen der Hilfs-Fluidaufnahme
kammer 20 und der beiden Öffnungen 24 und 25 als Vt2 bezeich
net wird und die volumetrische Menge des in die Wärmeerzeu
gungskammer 7 und in die Hilfs-Fluidaufnahmekammer 20 ge
füllten viskosen Fluids als VF2 bezeichnet wird, kann das
Füllungsverhältnis R des viskosen Fluids durch die folgende
Gleichung definiert werden:
R = VF2/(Vt1 + Vt2).
Wenn das Füllungsverhältnis R des viskosen Fluids bei der
zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmegenerators
vom Viskosfluid-Typ auf einen Wert von 0,5 bis 0,7 einge
stellt wird, weist der Wärmegenerator in entsprechender Weise
die vorstehend erwähnten Vorteile (a) bis (d) auf.
Es versteht sich, daß die Fluidaufnahmekammer der zweiten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmegenerators von der
Wärmeerzeugungskammer 7, der Hilfs-Fluidaufnahmekammer 20 und
allen weiteren Hohlräumen und Öffnungen gebildet wird, in die
das viskose Fluid eindringen kann.
Aus der vorstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei
spiele der vorliegenden Erfindung ergibt sich, daß ein erfin
dungsgemäßer Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ eine verbes
serte Betriebszuverlässigkeit und eine längere Betriebsdauer
aufweist.
Das viskose Fluid, von dem in der vorstehenden Beschreibung
die Rede ist, ist nicht auf das beispielhaft beschriebene
Silikonöl beschränkt. Alle Arten fluider Medien, die dazu
fähig sind, bei Anwendung einer Scherwirkung Reibungswärme zu
erzeugen, können bei dem erfindungsgemäßen Wärmegenerator vom
Viskosfluid-Typ verwendet werden.
Ferner ergeben sich für den Fachmann zahlreiche Modifikatio
nen und Abwandlungen des erfindungsgemäßen Wärmegenerators,
ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen.
Claims (5)
1. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ, der folgendes um
faßt:
eine Gehäuseanordnung (1, 6), in der eine Fluidaufnah mekammer (7; 7, 20) zum Aufnehmen eines viskosen Fluids und eine von einem Wärmetauschfluid durchström bare Wärmeaufnahmekammer (8; 23) ausgebildet sind;
eine Antriebswelle (12), die an der Gehäuseanordnung (1, 6) drehbar gelagert ist und deren Drehbewegung von einer externen Antriebsquelle antreibbar ist, wobei die Antriebswelle (12) einen Teil umfaßt, der sich in die Gehäuseanordnung (1, 6) erstreckt;
ein Rotorelement (13), das auf dem Teil der Antriebs welle (12) so angeordnet ist, daß es in der Fluidauf nahmekammer (7; 7, 20) gedreht werden kann, wobei die Drehung des Rotorelements (13) eine Scherwirkung auf das viskose Fluid ausübt, um Wärme zu erzeugen;
ein Wärmeübertragungselement (2), das zwischen der Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20) und der Wärmeaufnahme kammer (8; 23) angeordnet ist, um Wärme von dem visko sen Fluid zu dem Wärmetauschfluid zu übertragen; und
ein Dichtungselement (10), das an einer zu der Flui daufnahmekammer (7; 7, 20) benachbarten Stelle um die Antriebswelle (12) angeordnet ist, um zu verhindern, daß das viskose Fluid aus der Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20) ausläuft,
wobei das viskose Fluid in die Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20) mit einem volumetrischen Füllungsverhältnis (R) aus dem Bereich von 50% bis 70%, bezogen auf das ge samte Volumen der Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20), ein gefüllt ist.
eine Gehäuseanordnung (1, 6), in der eine Fluidaufnah mekammer (7; 7, 20) zum Aufnehmen eines viskosen Fluids und eine von einem Wärmetauschfluid durchström bare Wärmeaufnahmekammer (8; 23) ausgebildet sind;
eine Antriebswelle (12), die an der Gehäuseanordnung (1, 6) drehbar gelagert ist und deren Drehbewegung von einer externen Antriebsquelle antreibbar ist, wobei die Antriebswelle (12) einen Teil umfaßt, der sich in die Gehäuseanordnung (1, 6) erstreckt;
ein Rotorelement (13), das auf dem Teil der Antriebs welle (12) so angeordnet ist, daß es in der Fluidauf nahmekammer (7; 7, 20) gedreht werden kann, wobei die Drehung des Rotorelements (13) eine Scherwirkung auf das viskose Fluid ausübt, um Wärme zu erzeugen;
ein Wärmeübertragungselement (2), das zwischen der Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20) und der Wärmeaufnahme kammer (8; 23) angeordnet ist, um Wärme von dem visko sen Fluid zu dem Wärmetauschfluid zu übertragen; und
ein Dichtungselement (10), das an einer zu der Flui daufnahmekammer (7; 7, 20) benachbarten Stelle um die Antriebswelle (12) angeordnet ist, um zu verhindern, daß das viskose Fluid aus der Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20) ausläuft,
wobei das viskose Fluid in die Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20) mit einem volumetrischen Füllungsverhältnis (R) aus dem Bereich von 50% bis 70%, bezogen auf das ge samte Volumen der Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20), ein gefüllt ist.
2. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidaufnahmekammer eine
Wärmeerzeugungskammer (7) umfaßt, in der das Rotorele
ment (13) und der Teil der Antriebswelle (12) angeordnet
sind, wobei die Wärmeerzeugungskammer (7) mittels des
dem Teil der Antriebswelle (12) benachbart angeordneten
Dichtungselementes (10) so fluiddicht verschlossen ist,
daß ein Auslaufen des viskosen Fluids über einen Außen
umfang der Antriebswelle (12) verhindert wird.
3. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidaufnahmekammer
ferner eine zusätzliche Hilfs-Fluidaufnahmekammer (20)
umfaßt, die benachbart zu der Wärmeerzeugungskammer (7)
angeordnet ist und in Fluidverbindung mit der Wärme
erzeugungskammer (7) steht.
4. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest
des Volumens der Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20) des
Wärmegenerators vom Viskosfluid-Typ, der nicht von dem
viskosen Fluid eingenommen wird, mit einem nicht-oxidie
renden Gas gefüllt ist.
5. Wärmegenerator vom Viskosfluid-Typ nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-oxidierende Gas,
das die Fluidaufnahmekammer (7; 7, 20) füllt, Stick
stoff, Kohlendioxid, Helium, Neon oder Argon umfaßt.
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8381 | Inventor (new situation) |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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