DE19752431A1 - Heizgerät mit viskosem Fluid und Verfahren zum Zirkulieren von Wärmetauscherfluid - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Heizgerät mit viskosem Fluid, das Wärme durch Scheren von viskoser Flüssigkeit in einer Heizkammer mittels eines Rotors erzeugt und die erzeugte Wärme zu einem Wärmetauscherfluid in einer Wärmetauscherkammer überträgt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Zirkulieren von einem Wärmetauscherfluid in einem Heizgerät mit viskosem Fluid.

In letzter Zeit wurde motorgetriebenen Heizgeräten mit viskosem Fluid als Hilfswärmequellen für Fahrzeuge viel Aufmerksamkeit gewidmet. Beispielsweise offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2-246823 ein Heizgerät zum Aufwärmen eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs. Das Heizgerät umfaßt einen Heizkreislauf. Der Heizkreislauf ist unabhängig von einem Kühlkreislauf konzipiert, der einen Radiator zur Kühlung eines Motors umfaßt. Der Heizkreislauf verwendet Kühlwasser in dem Kühlkreislauf als wärmetauscherfluid und umfaßt einen Heizgerätetyp mit viskosem Fluid (Wärmeerzeuger) und einen Radiator zum Aufwärmen des Fahrgastraumes.

Dieses Heizgerät mit viskosem Fluid umfaßt ein Vordergehäuse und ein Rückgehäuse, die aneinander befestigt sind. Eine Heizkammer und eine Wärmetauscherkammer (ein Wassermantel), die die Heizkammer umgibt, sind zwischen den Gehäusen ausgebildet. Eine Antriebswelle ist durch eine Lagerung in den Gehäusen drehbar gelagert. Die Antriebswelle hat einen Rotor, der an einem Ende der Welle befestigt ist. Der Rotor befindet sich in der Heizkammer und dreht sich zusammen mit der Welle. Die Heizkammer beherbergt ein viskoses Fluid (zum Beispiel Silikonöl), das gleichmäßig in dem Raum zwischen dem Rotor und der Innenwand der Heizkammer verteilt wird, wenn der Rotor gedreht wird.

In dem Vordergehäuse sind eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung ausgebildet. Motorkühlwasser oder ein Wärmetauscherfluid wird in die Wärmetauscherkammer eingeführt und durch die Auslaßöffnung ausgestoßen. Mit anderen Worten bildet die Wärmetauscherkammer einen Teil des Heizkreislaufs. Der Kreislauf umfaßt ferner eine motorgetriebene Wasserpumpe. Die Pumpe bewirkt, daß das Motorkühlwasser in dem Heizkreislauf konstant zirkuliert. Wenn die Motorkraft beispielsweise durch eine elektromagnetische Kupplung auf die Antriebswelle des Heizgerätes übertragen wird, dreht die Antriebswelle den Rotor in der Heizkammer. Demgemäß schert der Rotor das viskose Fluid zwischen dem Rotor und der Innenwand der Heizkammer und erzeugt dadurch eine Wärme, basierend auf einer Fluidreibung. Die erzeugte Wärme wird über die Gehäusewände (einschließlich der Außenwände der Heizkammer) auf das Kühlwasser in der Wärmetauscherkammer übertragen. Das erwärmte Kühlwasser wird an den Heizradiator geliefert, um den Fahrgastraum aufzuwärmen.

In dem obigen Heizgerät mit viskosem Fluid ist die Geschwindigkeit des Fluidscherens an dem peripheren Bereich des Rotors oder an Bereichen, die weit von der Antriebswelle entfernt sind, schneller als diejenige in dem Mittelbereich des Rotors oder den Bereichen nahe der Antriebswelle. Somit ist die Temperatur des viskosen Fluids nahe der Peripherie des Rotors höher als diejenige des Fluids nahe der Mitte des Rotors. Demgemäß ist die Temperatur der Heizkammer zu ihrer Peripherie hin höher. Um das Kühlwasser effektiv zu erwärmen, ist es erforderlich, daß ein Wärmeaustausch zwischen dem peripheren Bereich der Heizkammer und dem peripheren Bereich der Wärmetauscherkammer effizient ist.

Jedoch ist der Raum in der Wärmetauscherkammer nur zum Unterbringen des Kühlwassers konstruiert und anderen Funktionen des Raumes wurde wenig Beachtung geschenkt. Das Heizgerät hat keine spezielle Konstruktion oder Vorrichtung zur Verbesserung der Wärmeaustauscheffizienz von der Heizkammer zur Wärmetauscherkammer. Desweiteren offenbart der Stand der Technik kein Verfahren zum Zirkulieren von Kühlwasser zur Verbesserung der Wärmeaustauscheffizienz zwischen der Heizkammer und der Wärmetauscherkammer. Luft kann deshalb in die Wärmetauscherkammer geraten und in dem oberen peripheren Bereich verbleiben, was eine extrem wichtige Rolle beim Wärmeaustausch spielt. Der mit der eingefangenen Luft gefüllte Bereich versagt nicht nur bei der Übertragung von Wärme, sondern verhindert ferner, daß das Kühlwasser gleichmäßig in der Wärmetauscherkammer zirkuliert.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Zirkulieren eines Wärmetauscherfluids in einem Heizgerätetyp mit viskosem Fluid zu schaffen, um dadurch die Wärmeaustauscheffizienz in dem Heizgerät zu verbessern.

Um die vorstehende Aufgabe und andere Vorteile in Abhängigkeit von dem Zweck der vorliegenden Erfindung zu erreichen, ist ein Verfahren zum Zirkulieren von Wärmetauscherfluid in einer Wärmetauscherkammer eines Heizgerätetyps mit viskosem Fluid vorgesehen. Ein Rotor ist in einer Heizkammer vorgesehen und dreht sich, um viskoses Fluid zu scheren und zu erwärmen. Die in der Heizkammer erzeugte Wärme wird auf das Wärmetauscherfluid übertragen. Das Heizgerät umfaßt eine erste Öffnung, eine zweite Öffnung und einen bogenförmigen Durchlaß. Die erste Öffnung führt das Wärmetauscherfluid in die Wärmetauscherkammer ein, während die zweite Öffnung das Wärmetauscherfluid von der Wärmetauscherkammer drainiert. Der bogenförmige Durchlaß verbindet die erste Öffnung und die zweite Öffnung. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Einführens des Wärmetauscherfluids in die Wärmetauscherkammer durch die erste Öffnung, des Strömens des Wärmetauscherfluids durch den Durchlaß und des Drainierens des Wärmetauscherfluids von einer Position, die sich in derselben Höhe gleich oder höher zu der Position der ersten Öffnung befindet.

Die vorliegende Erfindung kann auch in einem Heizgerättyp mit viskosem Fluid verkörpert sein. Das Heizgerät umfaßt eine Heizkammer, eine Wärmetauscherkammer und erste und zweite Öffnungen. Die Heizkammer beherbergt viskoses Fluid darin. Die Wärmetauscherkammer befindet sich benachbart zur Heizkammer zum Unterbringen eines Wärmetauscherfluids darin. Die erste Öffnung ist mit der Wärmetauscherkammer zum Einführen des Wärmetauscherfluids in die Wärmetauscherkammer verbunden. Die zweite Öffnung ist mit der Wärmetauscherkammer zum Drainieren des Wärmetauscherfluids von der Wärmetauscherkammer verbunden. Ein bogenförmiger Durchlaß ist in der Wärmetauscherkammer zur Verbindung der ersten Öffnung mit der zweiten Öffnung angeordnet. Die zweite Öffnung befindet sich an einer Position, die dieselbe Höhe hat oder höher liegt, als die Position der ersten Öffnung.

Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft veranschaulichen.

Die Erfindung wird am besten zusammen mit deren Merkmalen und Vorteilen durch Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung von derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit den dazugehörigen Zeichnungen verstanden.

Fig. 1 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie 1-1 aus Fig. 2, die einen Heizgerätetyp mit viskosem Fluid gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie 2-2 aus Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Vorderansicht, die die Befestigungskonstruktion eines Paares von Verbindungsrohren zeigt.

Fig. 4 ist eine Querschnittansicht, die den Zustand eines Zirkulationsdurchlasses in einem Vergleichsexperiment zeigt.

Fig. 5 ist eine Querschnittansicht, die ein Heizgerät mit viskosem Fluid gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

Fig. 6 ist eine Querschnittansicht, die ein Heizgerät mit viskosem Fluid gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel zeigt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Heizgerätetyps mit viskosem Fluid gemäß der vorliegenden Erfindung, das in eine Heizung eines Fahrzeuges eingebaut ist, wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.

In Fig. 1 ist die linke Seite als Vorderseite des Heizgerätes definiert und die rechte Seite als Rückseite des Heizgerätes definiert. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt das Heizgerät einen Vordergehäusekörper 1 und einen Rückgehäusekörper 2. Der Vordergehäusekörper 1 hat eine hohle zylindrische Nabe 1a, die nach vorne ragt, und einen Zylinder 1b, der sich von dem nächst gelegenen Ende der Nabe 1a nach hinten erstreckt. Der Durchmesser des Zylinders 1b nimmt zu seinem hinteren Ende hin zu. Ein Rückgehäusekörper 2 dient als Deckel zum Abdecken der Öffnung des Zylinders 1b. Der Vordergehäusekörper 1 und der Rückgehäusekörper 2 sind durch eine Mehrzahl an Schraubenbolzen 3 aneinander befestigt. Eine vordere Teilungsplatte 5 und eine hintere Teilungsplatte 6 sind in einem Raum untergebracht, der zwischen den Gehäusekörpern 1 und 2 definiert ist.

Die Platten 5, 6 haben periphere Rippen 5a, 6a. Die Rippen 5a, 6a sind zwischen den Endwänden der Gehäusekörper 1, 2 befestigt. Das Gehäuse des Heizgerätes wird durch den Vordergehäusekörper 1, den Rückgehäusekörper 2, die vordere Teilungsplatte 5 und die hintere Teilungsplatte 6 gebildet. Eine Ausnehmung ist in der Rückseite der vorderen Teilungsplatte 5 ausgebildet. Die Ausnehmung und die Vorderseite der hinteren Teilungsplatte 6 bilden eine Heizkammer 7 zwischen den Platten 5 und 6.

Die vordere Teilungsplatte 5 umfaßt eine zylindrische Wand 5b, die sich von dem Mittelabschnitt ihrer Vorderseite nach vorne erstreckt, und eine Mehrzahl von Rippen 5c, 5d, 5e, die sich kreisförmig um die zylindrische Wand 5b herum erstrecken. Die vordere Teilungsplatte 5 befindet sich in dem Vordergehäusekörper 1, wobei die zylindrische Wand 5b in einer Ausnehmung eingepaßt ist, die in der Innenwand des Gehäusekörpers 1 ausgebildet ist. Die Innenwand des Vordergehäusekörpers 1 und die Vorderseite der Teilungsplatte 5 bilden einen ringförmigen vorderen Wassermantel 8. Der Wassermantel 8 ist um die zylindrische Wand 5b und angrenzend zur Heizkammer 7 angeordnet. Der Wassermantel 8 dient als Wärmetauscherkammer.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, bilden die kreisförmigen Rippen 5c, 5d, 5e und der Rand 5a eine Mehrzahl von kreisförmigen Kanälen P1, P2 und P3 (drei Durchlässe in diesem Ausführungsbeispiel) Die Rippen 5c, 5d, 5e und der Rand 5a dienen als konzentrische kreisförmige Führungswände, die die Strömung des Kühlwassers (Wärmetauscherwassers) führen. Die Breite W1 (in der Radialrichtung gemessen) des Kanals P1 ist die kleinste, wohingegen die Breite W3 des Kanals P3 die größte ist. Mit anderen Worten nimmt die Breite der Kanäle P1, P2, P3 schrittweise zur Peripherie des Wassermantels 8 hin zu (W1 < W2 < W3).

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die hintere Teilungsplatte 6 eine zylindrische Wand 6b, die sich von dem mittleren Abschnitt ihrer Rückseite nach hinten erstreckt und eine Mehrzahl von Rippen 6c, 6d, die sich kreisförmig um die zylindrische Wand 6b herum erstrecken. Die hintere Teilungsplatte 6 ist in dem Vordergehäusekörper eingepaßt, wobei die zylindrische Wand 6b eine andere zylindrische Wand 2a, die auf der Vorderseite des Rückgehäusekörpers 2 ausgebildet ist, berührt. Die Innenwand des Rückgehäusekörpers 2 und die Rückseite der hinteren Teilungsplatte 6 bilden einen ringförmigen hinteren Wassermantel 9. Der Wassermantel 9 ist angrenzend an das hintere Ende der Heizkammer 7 angeordnet. Die zylindrische Wand 6b und die mittige Innenwand des Rückgehäusekörpers 2 bilden eine Ölkammer 16.

Ähnlich zu dem Wassermantel 8 bilden der Rand 6a, die Rippen 6c, 6d und der zylindrische Abschnitt 6b eine Mehrzahl von Zirkulationsdurchlässen (drei Durchlässe in diesem Ausführungsbeispiel). Der Rand 6a, die Rippen 6c, 6d und die zylindrische Wand 6b dienen als konzentrische kreisförmige Führungswände, die die Strömung des Wärmetauscherwassers führen. Wie in dem Wassermantel 8 nimmt die Breite der Kanäle, die in dem Wassermantel 9 gebildet sind, schrittweise zur Peripherie hin zu.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind vertikal angeordnete erste und zweite Öffnungen 10 und 11 auf einer Seite des Vordergehäusekörpers 1 ausgebildet. Jede der Teilungsplatten 5, 6 hat eine radiale Wand 4, die sich horizontal erstreckt (Fig. 2 zeigt nur die Wand 4 auf der Platte 5). Die Wand 4 erstreckt sich in einer Richtung, die die Kanäle P1 bis P3 schneidet. Die Wand 4 trennt den Einlaß der Kanäle P1 bis P3 von den Auslässen der Kanäle P1 bis P3. Die Wand 4 bringt somit die Einlässe mit der ersten Öffnung 10 (die untere Öffnung) und die Auslässe mit der zweiten Öffnung 11 (die obere Öffnung) in Verbindung.

Verbindungsrohre 300 und 301 sind mit den ersten und zweiten Öffnungen 10, 11 gekoppelt, um das Heizgerät mit dem Heizkreislauf (nicht gezeigt) des Fahrzeugs zu verbinden. Die Verbindungsrohre 300, 301 umfassen nächstliegende Enden 30a, die in die Öffnungen 10, 11 eingepaßt sind, Flansche 30b, die in in den Öffnungen 10, 11 ausgebildeten angesenkten Nabenflächen eingesetzt sind, und entfernte Enden 30c, die mit dem Heizkreislauf verbunden sind. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, ist eine Platte 31 auf den Flanschen 30b angeordnet, so daß die Flansche 30b zwischen den angesenkten Nabenflächen und der Platte 31 gehalten werden. Schraubenbolzen 32 werden durch die Platte 31 in den Gehäusekörper 1 geschraubt. Auf diese Art und Weise werden die Rohre 300, 301 an der Seite des Vordergehäusekörpers 1 befestigt. O-Ringe 33 sind zwischen den nächstliegenden Abschnitten 30a der Rohre 300, 301 und der Innenwand der Öffnungen 10, 11 angeordnet.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich eine Antriebswelle 14 durch den Vordergehäusekörper 1 und die vordere Teilungsplatte 5 und ist durch eine Lagerung 12 und eine gedichtete Lagerung 13 drehbar gelagert. Die gedichtete Lagerung 13 ist zwischen dem zylindrischen Abschnitt 5b der vorderen Teilungsplatte 5 und dem Umfang der Antriebswelle 14 zum Abdichten des vorderen Endes der Heizkammer 7 angeordnet.

Ein scheibenförmiger Rotor 15 ist an dem hinteren Ende der Antriebswelle 14 befestigt und in der Heizkammer 7 untergebracht. Der Rotor 15 dreht sich zusammen mit der Welle 14. Eine Mehrzahl von Bohrungen 6e (nur eine ist gezeigt) sind in der hinteren Teilungsplatte 6 ausgebildet und eine Mehrzahl an Nuten 6f sind radial auf der Vorderseite der hinteren Teilungsplatte 6 ausgebildet. Jede Nut 6f entspricht einer der Bohrungen 6e. Die Heizkammer 7 steht durch die Bohrungen 6e und die Nuten 6f mit der Ölkammer 16 in Verbindung. Die Heizkammer 7 und die Ölkammer 16 bilden einen gedichteten Innenraum. Der Innenraum beherbergt eine vorbestimmte Menge an Silikonöl, die ein viskoses Fluid ist. Die Menge des Silikonöls ist so bestimmt, daß der Füllgrad des Öls 50% bis 80% relativ zum Volumen des Innenraums bei gewöhnlicher Temperatur beträgt, der das Volumen der Kammern 7 und 16 umfaßt. Trotz dem relativ niedrigen Füllgrad des Silikonöls bewirkt die hohe Viskosität des Silikonöls, daß das Silikonöl aus der Ölkammer 16 herausgezogen wird und gleichmäßig in dem Raum zwischen dem Rotor 15 und der Innenwand der Heizkammer 7 durch Rotation des Rotors 15 verteilt wird.

Eine Riemenscheibe 18 ist an dem vorderen Ende der Antriebswelle 14 durch einen Schraubenbolzen 17 befestigt. Ein V-Riemen (nicht gezeigt) ist mit dem Umfang der Riemenscheibe 18 in Eingriff. Der Riemen koppelt die Riemenscheibe 18 wirksam mit einem Fahrzeugmotor. Somit wird die Antriebskraft des Motors durch die Riemenscheibe 18 auf die Antriebswelle 14 übertragen und dreht den Rotor 15 zusammen mit der Antriebswelle 14. Dies bewirkt, daß der Rotor 15 das Silikonöl in dem Raum zwischen der Oberfläche des Rotors 15 und der Innenwand der Heizkammer 7 schert, was Wärme erzeugt. Die in der Heizkammer 7 erzeugte Wärme wird durch die Teilungsplatten 5, 6 auf das Wärmetauscherwasser in den Wassermänteln 8, 9 übertragen. Das erwärmte Wasser wird anschließend durch den Heizkreislauf (nicht gezeigt) zum Erwärmen des Fahrgastraumes verwendet.

Ein Verfahren zum Zirkulieren von Wärmetauscherwasser in dem vorstehend beschriebenen Heizgerät wird nun beschrieben.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Teilungsplatten 5, 6 in dem Motorraum des Fahrzeugs vertikal angeordnet (in Bezug zum Boden). Die erste Öffnung 10 ist in dem unteren Abschnitt des Heizgerätes angeordnet, während die zweite Öffnung 11 in dem oberen Abschnitt des Heizgerätes angeordnet ist. Die Öffnungen 10, 11 erstrecken sich horizontal. Die Verbindungsrohre 300, 301 sind mit Rohren des Heizkreislaufes verbunden, der die motorgetriebene Wasserpumpe (nicht gezeigt) umfaßt.

Die Wasserpumpe liefert Wasser durch das untere Verbindungsrohr 300 und die erste Öffnung 10 an das Heizgerät. Wasser wird anschließend zu den Einlässen der Kanäle P1 bis P3 geleitet. Wasser in jedem der Kanäle P1 bis P3 sinkt temporär zum tiefsten Punkt LP und steigt anschließend zum höchsten Punkt HP. Danach erreicht das Wasser die Auslässe der Kanäle P1 bis P3, die niedriger als der höchste Punkt HP angeordnet sind, und wird durch die zweite Öffnung 11 und das obere Verbindungsrohr zu einem Heizkreislauf 301 ausgestoßen.

Die konzentrischen Führungswände (5a, 5c, 5d, 5e) bilden eine Mehrzahl von Kanälen P1 bis P3 in den Wassermänteln 8, 9. Jeder der Kanäle P1 bis P3 hat eine konstante Querschnittsfläche vom Einlaß zum Auslaß. Wenn die Höhen der Rippen 5d, 5e, die den Kanal P2 bilden, durch h dargestellt werden, und die Breite des Kanals P2 gleich W2 ist, hat der Kanal P2 eine konstante Querschnittsfläche von h × W2 vom Einlaß zum Auslaß. Zusätzlich ist die Strömung des zirkulierenden Wassers auf eine Richtung von der ersten Öffnung 10, die an einer unteren Position angeordnet ist, zur zweiten Öffnung 11, die an einer höheren Position angeordnet ist, durch die Wassermäntel 8, 9 begrenzt. Demgemäß strömt Wärmetauscherwasser in den Kanälen P1 bis P3 in einer Richtung vom niedrigsten Punkt LP zum höchsten Punkt HP. Die Kombination der Konstruktion der Kreislaufkanäle P1 bis P3 in den Wassermänteln 8, 9 und die eingeschränkte Strömungsrichtung vom Wärmetauscherwasser in den Kanälen P1 bis P3 erlaubt es den Kanälen P1 bis P3, konstant mit zirkulierendem Wasser gefüllt zu sein.

Wenn die Wassermäntel 8, 9 zum Beispiel vollständig mit Luft gefüllt sind, füllt Wasser, das von der ersten Öffnung 10 eingeführt wird, anfangs die unteren Abschnitte der Kanäle P1 bis P3, die die niedrigsten Punkte LP enthalten. Anschließend hebt eine allmähliche Zunahme der Wassermenge den Wasserpegel von den niedrigsten Punkten LP in den Kanälen P1 bis P3 zu den höchsten Punkten HP an. Wenn die Wasserpegel die höchsten Punkte HP erreichen, wird die Luft, die sich anfangs bis zu den höchsten Punkten HP in den Kanälen P1 bis P3 befand, vollständig aus den Wassermänteln 8, 9 ausgestoßen. Eine weitere Einleitung von Wasser in die Kanäle P1 bis P3 bewirkt, daß das Wasser in den Kanälen P1 bis P3 von den höchsten Punkten HP zur zweiten Öffnung 11 strömt. Der Auftrieb wirkt, um die Luft zurück zu den höchsten Punkten HP zu schieben. Jedoch schiebt die Wasserströmung, die von den Kanälen P1 bis P3 zur zweiten Öffnung 11 fortdauert, die Luft zur zweiten Öffnung 11. Die Abstände von den höchsten Punkten HP zur zweiten Öffnung 11 sind ein relativ kurzer Viertelkreisumfang der Kanäle P1 bis P3. Deshalb stößt sogar eine niedrige Wasserströmung Luft aus den Wassermänteln 8, 9 vollständig aus. Je näher sich die zweite Öffnung 11 an den höchsten Punkten HP der Kanäle P1 bis P3 befindet, desto leichter wird die Luft in den Kanälen P1 bis P3 von den Mänteln 8, 9 ausgestoßen.

Wenn der Motor gestoppt wird, das heißt, wenn die Wasserpumpe gestoppt wird, wird der Wasserspiegel in den Wassermänteln 8, 9 gesenkt. Dies kann bewirken, daß Luft in die Wassermäntel 8, 9 gelangt. Jedoch wird die in den Kanälen P1 bis P3 eingefangene Luft entlang der Kanäle P1 bis P3 geschoben und aus den Wassermänteln 8, 9 ausgestoßen, wenn die Pumpe den Betrieb wieder aufnimmt. Andererseits erzeugt die Wasserpumpe unmittelbar nachdem der Motor gestartet wurde (oder wenn sich der Motor im Leerlauf befindet) einen relativ niedrigen Wasserdruck. Daraus resultiert, daß das Wärmetauscherwasser an der ersten Öffnung 10 einen relativ niedrigen Druck hat. Da jedoch das Wasser in den Kanälen P1 bis P3 hauptsächlich nach oben strömt, wird Luft in den Wassermänteln 8, 9 sicher aus dem Wassermantel 8, 9 ausgestoßen. Die nach oben gerichtete Wasserströmung wirkt in derselben Richtung wie die Auftriebskraft auf die Luft, was den Ausstoß der Luft unterstützt. Auf diese Art und Weise werden die Kanäle P1 bis P3 bald nachdem der Motor gestartet wurde, vollständig mit Wasser gefüllt.

Es wurde ein erstes Experiment unter Verwendung eines Prototyps eines Heizgerätetyps mit viskosem Fluid gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit einer konstanten Motordrehzahl von 1000 U/min durchgeführt. Bei diesem Experiment waren die leeren Wassermäntel 8 und 9 vollständig mit Wärmetauscherwasser gefüllt, nachdem zehn Sekunden seit dem Start der Wasserpumpe verstrichen waren.

In dem ersten Experiment wurde Wasser von der unteren ersten Öffnung 10 in die Wassermäntel 8, 9 eingeführt und aus der oberen zweiten Öffnung 11 ausgestoßen. In einem zweiten Vergleichsexperiment wurde derselbe Prototyp verwendet, aber die Strömungsrichtung des Wassers wurde umgedreht. Das heißt, Wasser wird von der oberen zweiten Öffnung 11 in die Wassermäntel 8, 9 eingeführt. Andere Bedingungen waren die gleichen wie in dem ersten Experiment. Das Wasser floß abwärts in die Kanäle P1 bis P3 und wurde anschließend aus der ersten Öffnung 10 ausgestoßen. Die Ergebnisse dieses Vergleichsexperiments werden nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, erzeugte eingefangene Luft Bläschen 100 in den oberen Abschnitten der Kanäle P1 bis P3 und verhinderte, daß der Wassermantel 8, 9 vollständig mit Wasser gefüllt wurde. Der Füllgrad an Wasser in dem in Fig. 4 gezeigten Zustand betrug annähernd 60% im Vergleich zu dem Zustand, in dem die Wassermäntel 8, 9 vollständig mit Wasser gefüllt sind. Der Füllgrad wurde mit der Zeit nicht verbessert.

Aufgrund des niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten von Luft verhindern die Bläschen 100, daß eine Wärmeübertragung von der Heizkammer 7 auf die Wände der Teilungsplatten 5, 6 (einschließlich der Ränder und Rippen) auf das entlang der Führungswände strömende Wasser stattfindet. Deshalb wird in dem in Fig. 4 veranschaulichten Zustand Wärme nicht effizient von dem viskosem Fluid auf das Kühlwasser übertragen.

Wenn die Motordrehzahl auf 3000 U/min in dem Zustand in Fig. 4 angehoben wurde, erhöhte die verbesserte Lieferung der Wasserpumpe den Wasserdruck und die Menge an geliefertem Wasser pro Zeiteinheit an die zweite Öffnung 11. Demgemäß wurde die in den oberen Abschnitten der Kanäle P1 bis P3 eingefangene Luft (Bläschen 100) schnell ausgestoßen und die Wassermäntel 8, 9 wurden mit Wasser gefüllt. Einer der Gründe, daß die Zunahme der Motordrehzahl bewirkt, daß die Wassermäntel 8, 9 mit Wasser gefüllt wurden, liegt darin, daß die Wassermäntel 8, 9 eine Mehrzahl von Kanälen P1 bis P3 haben. Das heißt, daß eine Mehrzahl von Wassermantelkanälen die Strömungsgeschwindigkeit von Wasser stark anhebt. Das Wasser wurde deshalb schnell von der zweiten Öffnung 11 nach oben geschoben und danach nach unten zur ersten Öffnung 10 geschoben. Demgemäß wurde die in den oberen Abschnitten der Kanäle P1 bis P3 aus Fig. 4 eingefangene Luft ausgestoßen. Es soll angenommen werden, daß die Wassermäntel 8, 9 keine Rippen 5e, 5d, 6c, 6d haben und daß keine Kanäle P1 bis P3 gebildet sind. In diesem Fall wird die in einem Bereich eingefangene Luft, der höher als die obere Öffnung 11 liegt, nie aus den Wassermänteln 8, 9 ausgestoßen, ungeachtet dessen, wie hoch die Motordrehzahl angehoben wird.

Das Ausführungsbeispiel aus den Fig. 1 und 2 hat die folgenden Vorteile:

• (1) Die Gestalt der kreisförmigen Kanäle P1 bis P3 und die eingeschränkte Richtung der Wasserströmung in den Wassermänteln 8, 9 erlaubt es den Wassermänteln 8, 9 konstant und vollständig mit Kühlwasser gefüllt zu sein. Dies erhöht die Wärmeübertragungsmenge von dem viskosem Fluid auf das Wasser über die Wände der Platten 5, 6 und verbessert somit die Wärmetauschereffizienz des Heizgerätes. Die verbesserte Wärmetauschereffizienz verhindert, daß das viskose Fluid Wärme zurückhält. Die Temperatur des viskosen Fluids wird somit nicht übermäßig erhöht. Demgemäß widersteht das Heizgerät einer Verschlechterung des viskosen Fluids durch Wärme.
• (2) In den Kanälen P1 bis P3 ist die Richtung der Wasserströmung auf eine Richtung von den niedrigsten Punkten LP zu den höchsten Punkten HP begrenzt. Deshalb wird verhindert, daß Luft in den Kanälen P1 bis P3 verbleibt, sogar wenn der Druck des Wassers, das an die Wassermäntel 8, 9 geliefert wird, niedrig ist, oder sogar wenn die Menge des gelieferten Wassers pro Zeiteinheit gering ist. Somit sind die Wassermäntel 8, 9 immer mit Wasser gefüllt.
• (3) Der äußere Kanal P3 ist länger als der innere Kanal P1 und der Widerstand, der auf das Wasser wirkt, ist in dem äußeren Kanal P3 größer als in dem inneren Kanal P1. Jedoch sind die Breiten W1, W2, W3 der Kanäle P1 bis P3 zu der Peripherie der Wassermäntel 8, 9 hin breiter. Dies gleicht die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in den Kanälen P1 bis P3 aus, wodurch es erlaubt ist, daß Wärme von der Heizkammer 7 an allen Bereichen der Wände der Teilungsplatten 5, 6 auf das Wasser in den Wassermänteln 8, 9 übertragen wird. Die Menge an Kühlwasser, das in dem äußersten Kanal P3 strömt, ist größer als diejenige der Kanäle P1 und P2. Dies verbessert die Wärmeübertragung von dem peripheren Abschnitt des Rotors 15, wo die größte Wärmemenge erzeugt wird.

Es sollte für den Fachmann offensichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung in vielen anderen spezifischen Formen verkörpert werden kann, ohne den Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sollte klar sein, daß die Erfindung in den folgenden Formen verkörpert werden kann.

• (a) Wie in Fig. 5 gezeigt ist, kann ein Paar vertikaler Öffnungen 21, 22 in dem oberen Abschnitt des Gehäuses 20 des Heizgeräts ausgebildet sein. Die Auslässe und Einlässe der Kanäle P1 bis P3 sind die höchsten Punkten HP und die mittleren Punkte der Kanäle P1 bis P3 sind die niedrigsten Punkte LP. Wenn das Kühlwasser konstant in einer Richtung fließt, kann eine der Öffnungen 21 und 22 die Einlaßöffnung sein (oder die Auslaßöffnung). In Fig. 5 wird Kühlwasser durch die Öffnung 21 eingeführt und durch die Öffnung 22 ausgestoßen. Die Öffnung 22, durch die das Wasser ausgestoßen wird, ist an der Oberseite der Kanäle P1 bis P3 angeordnet. Diese Konstruktion stößt sicher die in den Kanälen P1 bis P3 eingefangene Luft aus. Auf diese Art und Weise stößt das Verfahren zum Zirkulieren von Wasser aus Fig. 5 Luft aus den Wassermänteln aus, wodurch es den Kanälen P1 bis P3 erlaubt ist, vollständig mit Wasser gefüllt zu sein. Kühlwasser kann von der Öffnung 21 zu der Öffnung 22 strömen und umgekehrt, wenn die Strömungsrichtung festgelegt ist. In beiden Fällen fließt das Wasser von den niedrigsten Punkten LP zu den höchsten Punkten HP.
• (b) Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann eine erste Einlaßöffnung 10 in dem Bodenabschnitt des Heizgerätegehäuses 20 ausgebildet sein und eine zweite Auslaßöffnung 11 kann in dem oberen Abschnitt des Gehäuses 20 ausgebildet sein. In diesem Fall wird Wasser durch die erste Öffnung 10 eingeführt und fließt nach oben zur zweiten Öffnung 11. Das Wasser wird anschließend von der zweiten Öffnung 11 ausgestoßen. Die Auslässe der Kanäle P1 bis P3 sind die höchsten Punkte HP und die Einlässe der Kanäle P1 bis P3 sind die niedrigsten Punkte LP. Dies erlaubt es der Luft in den Wassermänteln 8, 9, aus der Öffnung 11 leicht ausgestoßen zu werden. Wenn mit der Lieferung von Wasser begonnen wird, steigt der Wasserspiegel in den Kanälen P1 bis P3 allmählich an. Dies schiebt Luft in den Kanälen P1 bis P3 nach oben und stößt die Luft schließlich aus der Öffnung 11 aus. Auf diese Art und Weise bewirkt das Definieren der Strömungsrichtung des Wassers von den niedrigsten Punkten LP zu den höchsten Punkten HP, daß die Kanäle P1 bis P3 vollständig mit Kühlwasser gefüllt sind.
• (c) In dem in Fig. 1 gezeigten Heizgerät mit viskosem Fluid kann eine elektromagnetische Kupplung zwischen der Riemenscheibe 18 und der Antriebswelle 14 zur wahlweisen Übertragung der Antriebskraft des Motors zur Antriebswelle 14 bei Bedarf angeordnet sein.
• (d) Das Silikonöl kann durch ein anderes ersetzt werden, das Wärme basierend auf Fluidreibung erzeugt, wenn es durch einen Rotor 15 geschert wird. Das Medium ist nicht auf hochviskoses Fluid oder Semifluidmaterial begrenzt.
• (e) Die Anzahl an Zirkulationskanälen in den Wassermänteln 8, 9 kann zwei oder mehr als drei betragen. In jedem Fall ist die Breite des äußeren Kanals größer als diejenige des inneren Kanals.

Es wird ein Heizgerätetyp mit viskosem Fluid und ein Verfahren zur Zirkulation von Wärmetauscherfluid in einer Wärmetauscherkammer 8, 9 des Heizgerätes offenbart. Ein Rotor 15, der sich in einer Heizkammer 7 befindet, rotiert, um viskoses Fluid zu scheren und zu erwärmen, und die in der Heizkammer 7 erzeugte Wärme wird auf das Wärmetauscherfluid übertragen. Eine erste Öffnung 10; 21 ist zur Einführung des Wärmetauscherfluids in die Wärmetauscherkammer 8, 9 vorgesehen. Eine zweite Öffnung 11; 22 ist zur Drainage des Wärmetauscherfluids in der Wärmetauscherkammer 8, 9 vorgesehen. Ein bogenförmiger Durchlaß P1, P2, P3 verbindet die erste Öffnung 10; 21 und die zweite Öffnung 11; 22. Das Wärmetauscherfluid wird durch die erste Öffnung 10; 21 in die Wärmetauscherkammer 8, 9 eingeführt. Anschließend strömt das Wärmetauscherfluid durch den Durchlaß P1, P2, P3 und wird von der zweiten Öffnung 11; 22 drainiert, die in derselben Höhe oder höher als die erste Öffnung 10, 21 angeordnet ist. Luftpakete werden aus der Wärmetauscherkammer 8, 9 ausgeschoben, wenn das Wärmetauscherfluid zu strömen beginnt, was die Wärmeübertragungseffizienz verbessert.

Claims (17)

1. Verfahren zur Zirkulation von Wärmetauscherfluid in einer Wärmetauscherkammer (8, 9) eines Heizgerätetyps mit viskosem Fluid, wobei ein Rotor (15), der in einer Heizkammer (7) vorgesehen ist, rotiert, um viskoses Fluid zu scheren und zu erwärmen, wobei die in der Heizkammer (7) erzeugte Wärme auf das Wärmetauscherfluid übertragen wird, wobei das Heizgerät die folgenden Bauteile aufweist:
eine erste Öffnung (10; 21) zur Einführung des Wärmetauscherfluids in die Wärmetauscherkammer (8, 9);
eine zweite Öffnung (11; 22) zur Drainage des Wärmetauscherfluids von der Wärmetauscherkammer (8, 9); und
einen bogenförmigen Durchlaß (P1, P2, P3), der die erste Öffnung (10; 21) und die zweite Öffnung (11; 22) verbindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einführen des Wärmetauscherfluids durch die erste Öffnung (10; 21) in die Wärmetauscherkammer (8, 9), und Strömen des Wärmetauscherfluids durch den Durchlaß (P1, P2, P3), wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt der Drainage des Wärmetauscherfluids von einer Position, die in derselben Höhe, die gleich ist oder höher als die Position der ersten Öffnung (10; 21) ist, angeordnet ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Einführung des Wärmetauscherfluids an einer Position, die sich zwischen dem niedrigsten Punkt und dem höchsten Punkt des Durchlasses (P1, P2, P3) befindet.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Schritt des Teilens der Strömung des Wärmetauscherfluids in eine Mehrzahl von separaten konzentrischen bogenförmigen Strömungen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Schritt des Anhebens der Strömungsgeschwindigkeit der äußersten Strömungen in Bezug zu den innersten Strömungen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Drainage des Wärmetauscherfluids von der Position, die dem höchsten Punkt des Durchlasses (P1, P2, P3) am nächsten ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens der ersten Öffnung (10; 21) in derselben Höhe wie die zweite Öffnung (11; 22).

7. Verfahren gemäß einen der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den Schritt der Einführung des Wärmetauscherfluids in einer Position, die dem niedrigsten Punkt des Durchlasses (P1, P2, P3) am nächsten ist; und der Drainage des Wärmetauscherfluids von einer Stelle, die dem höchsten Punkt des Durchlasses (P1, P2, P3) am nächsten ist.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den Schritt des Strömens des Wärmetauscherfluids in eine Mehrzahl von separaten Kanälen, die konzentrisch in dem Durchlaß (P1, P2, P3) ausgebildet sind.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den Schritt des Strömens des Wärmetauscherfluids durch den niedrigsten Punkt des Durchlasses (P1, P2, P3) zum höchsten Punkt des Durchlasses (P1, P2, P3).

10. Verfahren zur Zirkulation von Wärmetauscherfluid in einer Wärmetauscherkammer (8, 9) eines Heizgerätetyps mit viskosem Fluid, wobei ein Rotor (15), der in der Heizkammer (7) angeordnet ist, rotiert, um das viskose Fluid zu scheren und zu erwärmen, wobei die in der Heizkammer (7) erzeugte Wärme auf ein Wärmetauscherfluid übertragen wird, wobei das Heizgerät einen bogenförmigen Durchlaß (P1, P2, P3) zur Strömung des Wärmetauscherfluids hat, wobei das Verfahren den Schritt der Einführung des Wärmetauscherfluids an einer ersten Stelle in die Wärmetauscherkammer (8, 9) aufweist, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
Strömen des Wärmetauscherfluids in eine Richtung durch den Boden des Durchlasses (P1, P2, P3) zur Oberseite des Durchlasses (P1, P2, P3); und
Drainieren des Wärmetauscherfluids außerhalb von der Wärmetauscherkammer (8, 9) an einer zweiten Stelle.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch den Schritt des Teilens der Strömung des Wärmetauscherfluids in eine Mehrzahl von separaten konzentrischen bogenförmigen Strömungen.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Anhebens der Strömungsgeschwindigkeit der äußersten Strömungen in Bezug zu den innersten Strömungen.

13. Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens der zweiten Stelle in derselben Höhe oder höher als die erste Stelle.

14. Ein Heizgerätetyp mit viskosem Fluid, der die folgenden Bauteile aufweist:
eine Heizkammer (7) zum Unterbringen von viskosem Fluid darin;
eine Wärmetauscherkammer (8, 9), die angrenzend an die Heizkammer (7) zum Unterbringen von Wärmetauscherfluid darin angeordnet ist;
eine erste Öffnung (10; 21), die mit der Wärmetauscherkammer (8, 9) zur Einführung des Wärmetauscherfluids in die Wärmetauscherkammer (8, 9) verbunden ist;
eine zweite Öffnung (11; 22), die mit der Wärmetauscherkammer (8, 9) zur Drainage des Wärmetauscherfluids von der Wärmetauscherkammer (8, 9) verbunden ist; wobei das Heizgerät dadurch gekennzeichnet ist, daß ein bogenförmiger Durchlaß (P1, P2, P3) in der Wärmetauscherkammer (8, 9) zur Verbindung der ersten Öffnung mit der zweiten Öffnung angeordnet ist, wobei die zweite Öffnung (11; 22) an einer Position angeordnet ist, die in derselben Höhe oder höher als die Position der ersten Öffnung (10; 21) ist.

15. Heizgerät gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (P1, P2, P3) konzentrisch in ein Mehrzahl an separaten bogenförmigen Kanälen unterteilt ist, wobei der Bogen, der sich mehr in der Peripherie befindet, eine größere Querschnittsfläche hat.

16. Heizgerät gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (10; 21) und die zweite Öffnung (11; 22) nahe der Oberseite des Durchlasses (P1, P2, P3) angeordnet sind.

17. Heizgerät gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (10; 21) am Boden des Durchlasses (P1, P2, P3) angeordnet ist, während die zweite Öffnung (11; 22) an der Oberseite des Durchlasses (P1, P2, P3) angeordnet ist.