DE19827097C2 - Heizeinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einem in einer mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllten Ringkammer umlaufenden ange­ triebenen Rotor, der einen Scherspalt mit mindestens einer Wandung der Ringkammer bildet, die Teil eines unverdrehbar gehaltenen und von einer die durch die Scherung entstehende Wärme aufnehmenden Flüssigkeit umspülten Gehäuses ist, wobei der Rotor zur Einstellung der Spaltbreite axial verschiebbar auf seiner Antriebswelle angeordnet ist.

Es ist bekannt, für den Fahrgastraum eines eine flüssigkeits­ gekühlte Brennkraftmaschine aufweisenden Kraftfahrzeuges eine zusätzliche Heizvorrichtung dadurch zu schaffen (EP 0 361 053 B1), daß man ihr den grundsätzlichen Aufbau einer Flüssig­ keitsreibungskupplung gibt, das die Ringkammer mit dem rotie­ renden Rotor enthaltende Gehäuse aber von einer Flüssigkeit umspülen läßt, die dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors entnommen ist. Durch diese Ausgestaltung kann daher die durch die Drehung des Rotors innerhalb der flüssigkeitsgefüllten Ringkammer entstehende Wärme zusätzlich dem Kühlmittelkreis­ lauf und von diesem aus dann einer Heizung für den Fahr­ gastraum zugeleitet werden.

Das bei solchen Heizeinrichtungen auftretende Problem, daß der Rotor ständig vom Motorantrieb aus mitgedreht wird und daher bei hohen Motordrehzahlen eine Überhitzung nicht ausge­ schlossen werden kann, hat man bei der vorher erwähnten Ein­ richtung nach der EP 0 361 053 B1 durch die Steuerung der Flüssigkeitsmenge in der Ringkammer zu beeinflussen gesucht, was in von Flüssigkeitsreibungskupplungen her bekannter Weise durch die Überführung der viskosen Flüssigkeit von der Ring­ kammer in einer vorgelagerte Vorratskammer oder umgekehrt er­ folgt.

Andere Vorschläge zur Lösung dieses Problems (DE 44 20 841 A1) sehen eine schaltbare Kupplung für den Rotorantrieb vor, um so das ständige Mitlaufen zu verhindern. Dies erfordert je­ doch die zusätzliche Anordnung einer Kupplung.

Eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art schließlich ist aus der DE 196 31 722 A1 bekannt, wo man zur Regelung der Wärmeerzeugung die Größe des Scherspaltes innerhalb der Ring­ kammer dadurch einstellbar gestaltet hat, daß die konzen­ trisch verlaufenden Ringrippen des Rotors aus den entspre­ chenden Ausnehmungen des Gehäuses herausgeschoben werden, so daß die bei hoher Drehzahl entstehende Wärmeleistung geregelt werden kann. Der Rotor ist im übrigen aber so auf seiner An­ triebswelle verschiebbar angeordnet, daß er mit höher werden­ dem Drehmoment den Scherspalt verkleinert, so daß auch die Wärmeleistung größer wird, wenn nicht von außen eine gewollte Spaltvergrößerung eingeleitet wird. Dies allerdings setzt zu­ sätzliche Steuereinrichtungen voraus, die relativ aufwendig sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu­ grunde, eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Heizleistung auf ein bestimmtes Maß be­ grenzt wird, ohne daß aufwendige Steuerungsmaßnahmen oder An­ triebsregelungen getroffen werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Heizeinrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, daß der Rotor einer dreh­ fest mit seiner Antriebswelle verbundenen, in der Ringkammer angeordneten Schleuderscheibe zugeordnet und durch eine Feder in Richtung zu der den Scherspalt begrenzenden Wandung der Ringkammer beaufschlagt ist.

Durch diese Ausgestaltung wird der Rotor in einen im wesent­ lichen die Scherwirkung erzeugenden und in einen für die Er­ zeugung eines Druckes in der radial nach außen geschleuderten Flüssigkeit zuständigen Teil unterteilt. Durch den in der Schleuderscheibe rotierenden Ölring wird am Außendurchmesser der Schleuderscheibe und der Ringkammer ein Druck erzeugt, der auch bei nicht vollständig mit viskoser Flüssigkeit be­ füllter Ringkammer eine vollständige Füllung des drehmoment­ übertragenden Scherspaltes bewirkt. Da dieser Druck mit wach­ sender Drehzahl auch immer größer wird, wird der Rotor auf­ grund der unterschiedlichen Wirkflächen des Scherspaltes und des in der Schleuderscheibe vorhandene Flüssigkeitsringes mit zunehmender Drehzahl und damit zunehmenden Druck der Flüssig­ keit gegen die Wirkung der Feder in die Schleuderscheibe zu­ rückgedrückt. Der Scherspalt wird breiter und das Drehmoment geht zurück. Damit kann der drehzahlabhängige Druck als Steu­ er- und Stellgröße für die Wärmeerzeugung ausgenützt werden. Da die Heizleistung somit selbsttätig ab einer gewissen Dreh­ zahl auf einen bestimmten Wert zurückgefahren werden kann, werden das Zu- und Abschalten der neuen Viskoheizung und die damit verbundenen Schaltstöße vermieden. Auch das Zuschalt­ verhalten der Heizung bei Kaltstart des Motors ist sanfter und somit günstiger, da der Scherspalt bei abgeschalteter Heizung nur teilweise gefüllt ist. Die Heizung kann sanft an­ gefahren werden, bis der Scherspalt in einer bestimmten Zeit druckabhängig völlig gefüllt ist. Eine aufwendige Steuerelek­ tronik oder andere Steuermittel werden überflüssig.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Schleuderscheibe auf der vom Scherspalt abgewandten Seite mit einer Dichtung ver­ sehen sein, die als Labyrinth-Dichtung ausgebildet ist und mit der Wand der Ringkammer einen Dichtspalt bildet. Dadurch wird ein Übertreten von viskoser Flüssigkeit zum Lager hin vermieden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Schleuder­ scheibe auch topfförmig ausgebildet sein und der Rotor in dieser unter Bildung eines radialen Umfangsspaltes geführt sein. Diese Ausgestaltung begünstigt die Förderung der Vis­ koflüssigkeit zum Scherspalt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Rotor mit konzentrisch zur Drehachse oder auch sinusförmig verlaufenden Rippen versehen sein, die in die Zwischenräume korrespondie­ render Ringrippen der Ringkammerwand passen. Diese von Flüs­ sigkeitsreibungskupplungen her an sich bekannte Ausgestaltung ergibt eine Vergrößerung der Länge des Scherspaltes und damit die Möglichkeit, größere Drehmomente und höhere Wärmeleistun­ gen zu erzielen.

Auf der Gehäuseaußenseite kann die Ringkammerwand mit Rippen versehen sein, die in eine die Flüssigkeit zur Wärmeaufnahme führende Kammer hereinragen.

In Weiterbildung der Erfindung kann der Rotor auch axial mit Wälzlagern verschiebbar auf seiner Antriebswelle geführt sein und so besonders leicht druckabhängig verschoben werden, um die Begrenzung der Wärmeleistung zu erreichen. In der Schleu­ derscheibe können schließlich auch Überströmöffnungen zu ei­ nem Ausgleichsraum, oder zu einer vor der Ringkammer angeord­ neten Vorratskammer angeordnet sein, wobei die letztere in Ausgestaltung der Erfindung auch über eine von einem Ventil­ hebel steuerbare Verbindungsöffnung mit der Ringkammer in Verbindung stehen kann. Dieser Ventilhebel seinerseits kann in an sich bekannter Weise durch einen Elektromagneten steu­ erbar und als Wipphebel ausgestaltet sein, so daß auch die Zu­ fuhr der Viskoflüssigkeit in die Ringkammer steuerbar ist, wenn dies gewünscht sein sollte.

Zur Begrenzung der Rotorverschiebung auf seine Antriebswelle können Anschläge vorgesehen sein. Eine besonders kompakte Bauform ergibt sich, wenn die Rotornabe in einer zentralen Ausnehmung des Gehäuses untergebracht ist.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt, die im folgenden beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung, wobei in der oberen Hälfte die Position des Rotors bei nied­ riger Drehzahl und in der unteren Hälfte die Posi­ tion bei hohen Drehzahlen gezeigt ist,

Fig. 2 die teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf die Heizeinrichtung der Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II der Fig. 1 gesehen und

Fig. 3 ein Diagramm mit der Darstellung der Betriebscha­ rakteristik der Heizeinrichtungen nach der Erfin­ dung.

Die Fig. 1 zeigt ein Gehäuse 1 für eine sogenannte Viskohei­ zung, das aus den beiden axial aneinandergesetzten und ver­ bundenen Teilen 2 und 3 besteht.

In dem Teilgehäuse 3 ist über ein Wälzlager 4 eine Antriebs­ welle 5 drehbar gelagert, die drehfest mit einer Riemenschei­ be 6 verbunden ist, die beispielsweise über einen nicht näher gezeigten Vielkeilriemen vom Motor her angetrieben ist. Das Gehäuse 1 seinerseits ist in nicht näher dargestellter Weise, z. B. mit Hilfe von Schrauben gestellfest angeordnet und könn­ te beispielsweise fest am Motorblock eines nicht gezeigten Verbrennungsmotors angeordnet sein. In dem Gehäuseteil 3 ist ein Ringraum 34 ausgebildet, der eine Vorratskammer für die Betriebsflüssigkeit, in der Regel Silikonöl, bildet. In die­ sen Ringraum herein münden Verbindungsöffnungen 9 und 10, die in eine Ringkammer 11 führen, die innerhalb des Gehäuseteils 2 ausgebildet ist.

Der Gehäuseteil 2 ist auf einer Seite der Ringkammer 11 mit konzentrisch verlaufenden Rippen 12 ausgerüstet und mit einer konzentrischen Vertiefung 13 versehen, in der die Nabe 14 ei­ nes drehfest, aber axial verschiebbar auf der Antriebswelle 5 gelagerten Rotors 15 untergebracht ist. Das Gehäuseteil 2 be­ sitzt außerdem auf der von den Rippen 12 abgewandten Seite weitere Kühlrippen 16, welche Strömungsräume 17 bilden, die nach außen verschlossen sind und von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden können, die durch einen Zufuhrstutzen 19 in die Strömungsräume 17 ein- und von dort auch wieder aus­ tritt. Diese Kühlflüssigkeit kann beispielsweise die Kühl­ flüssigkeit des Motors sein, die üblicherweise auch zu Heiz­ zwecken für den Fahrgastinnenraum des mit dem Motor ausgerü­ steten Fahrzeuges ausgenützt wird. Die Viskoheizung 1 nach Fig. 1 liegt somit im Kühlmittelstrom und dient zur zusätzli­ chen Erwärmung des Kühlmittels und damit des Fahrgastraumes.

Innerhalb der Ringkammer 11 im Gehäuseteil 2 ist koaxial zum Rotor 15 eine Schleuderscheibe 20 angeordnet, die topfförmig ausgebildet ist und an einer Wand mit einer Ringdichtung 21 versehen ist, die eine Labyrinth-Dichtung mit der Wand 33 bildet, die die Vorratskammer 34 von der Ringkammer 11 trennt. Dar Labyrinth-Spalt kann 0,1 mm betragen, so daß zwar eine geringe Ölmenge durchtreten kann, die aber keinen Ein­ fluß auf die Funktion der Heizung hat. Die topfförmige Schleuderscheibe 20 besitzt radial innerhalb des Bereiches der Dichtung 21 Bohrungen 22, durch die eine Verbindung über die Öffnung 10 zu der Kammer 34 besteht. An der Schleuder­ scheibe 20 ist eine Tellerfeder oder eine Speichenfeder 23 gehalten, die mit ihrem freien Rand auf eine Seite des Rotors 15 drückt und diesen daher, wie in der oberen Hälfte der Fig. 1 gezeigt ist, gegen die Rippen 12 des Gehäuseteils 2 drückt. Der Rotor 15 selbst ist dabei ebenfalls mit konzentrisch von ihm abragenden Rippen 24 ausgerüstet, die so angeordnet sind, daß sie in die Zwischenräume zwischen den Rippen 12 des Ge­ häuseteils 2 passen, wie die obere Hälfte der Fig. 1 auch zeigt. Dadurch entsteht zwischen dem Rotor 15 und dem festen Gehäuseteil 2 ein Scherspalt mit verhältnismäßig großer Län­ ge, der bei Rotation des über die Riemenscheibe 6 angetriebe­ nen Rotors zur Erzeugung von Reibungswärme in einer in der Kammer 11 und in dem Scherspalt 25 vorhandene viskosen Flüs­ sigkeit führt.

In der Kammer 11 befindet sich diese viskose Scherflüssig­ keit; sie kann von dort durch die Öffnung 9 in die Vorrats­ kammer zurückgebracht oder durch die Öffnung 10 von der Vor­ ratskammer in die Ringkammer 11 gebracht werden. Dies ge­ schieht dadurch, daß ein Ventilhebel 36, der als Wipphebel ausgebildet ist, die Öffnung 10 freigibt und dabei die Öff­ nung 9 verschließt oder die Öffnung 9 freigibt und die Öff­ nung 10 verschließt. Im ersten Fall tritt die Scherflüssig­ keit in die Kammer 11 ein. Im zweiten Fall wird sie aus der Kammer 11 in die Vorratskammer 34 gefördert.

Die Antriebswelle 5 ist beim Ausführungsbeispiel an dem von der Riemenscheibe 6 abgewandten Ende mit einer aufgeschobenen Hülse zur Führung von Wälzlagern 31 versehen, die einen An­ schlagkragen 40 zur Begrenzung der Axialbewegung der Nabe 14 des Rotors 15 in der einen Richtung bildet. In der anderen Richtung wird der Anschlag durch die Schleuderscheibe 20 ge­ bildet.

Die Rotation der Schleuderscheibe 20 und des Rotors 15 be­ wirkt nun ausgehend von der Stellung in der oberen Hälfte der Fig. 1, daß sich die viskose Flüssigkeit aufgrund der Rota­ tion in einem bis zu einem bestimmten Niveau reichenden ro­ tierenden Außenring ansammelt, in dem bei Zunahme der Dreh­ zahl aufgrund der Zentrifugalkräfte auch der Druck ansteigt. Dies bewirkt wiederum, daß viskose Flüssigkeit durch den Ringspalt 27 zwischen dem Rotor 15 und der Schleuderscheibe 20 in den Scherspalt 25 gedrückt wird und in diesen aufgrund des Druckgefälles zwischen dem rotierenden Flüssigkeitsring und dem auf einer Seite mit einer stillstehenden Wand verse­ henen Scherspalt vollständig eindringt und dann drehzahlab­ hängig zu einer Verschiebung des Rotors 15 in Richtung zur Schleuderscheibe 20 führt, bis die Nabe 14 des Rotors 15 an dem Nabenteil 28 der Schleuderscheibe 20 anschlägt. Diese Rückstellbewegung des Rotors 15 in die in der unteren Hälfte der Fig. 1 gezeigte Lage wird ausgelöst durch die unter­ schiedlichen Wirkflächen der unter Druck stehenden Viskoflüs­ sigkeit im Scherspalt 25 einerseits und in dem rotierenden Flüssigkeitsring in der Schleuderscheibe 20 andererseits. Durch geeignete Auslegung der Schleuderscheibe und des als Heizscheibe dienenden Rotors 15 sowie der Kraft der Rück­ stellfeder 23 kann ein bestimmtes Betriebsverhalten der Vis­ koheizung eingestellt werden.

Fig. 3 läßt dabei erkennen, daß diese selbsttätige Erniedri­ gung des Drehmomentes zwischen Rotor 15 und Gehäuse 1, die bedingt ist durch die Verbreiterung des Scherspaltes 25, bei einer bestimmten Auslegung beispielsweise im Bereich von Drehzahlen von etwa 2000 pro Minute eintritt. Das Drehmoment 29 (in Nm) das bis zu dieser Drehzahl zunimmt, erhält durch die Scherspaltvergrößerung einen Knick und fällt dann mit weiter zunehmender Drehzahl n ab.

Dies wiederum bewirkt, daß die Heizleistung 30 (Kw) etwa ab einer Drehzahl von 3000 in etwa konstant bleibt. Die Druck­ kennlinie 31 steigt mit zunehmender Drehzahl an.

Fig. 1 zeigt auch, daß die Nabe 14 des Rotors 15 über in Nu­ ten 32 der Hülse 40a geführte Wälzlager 31 drehfest, aber axial verschiebbar auf der Welle 5 geführt ist. Der Rotor 15 läßt sich daher leicht axial verschieben.

Das Gehäuseteil 2 des Gehäuses 1 besteht aus einer Kappe, die mit der eingesetzten Trennwand mit den Ringrippen 12 in einen zunächst zylindrischen Aufnahmestutzen des Gehäuseteils 3 eingeschoben und dann durch Umbördeln des Randes 38 dieses Gehäuseteils 3 in seiner Endlage gehalten wird. Die Herstel­ lung des Gehäuses 1 ist auf diese Weise einfach. Durch den permanenten Antrieb über die Riemenscheibe 6 steht ununter­ brochen eine bestimmte Heizleistung zur Verfügung. Das Zu- und Abschalten der Heizung allerdings und die damit verbunde­ nen Schaltstöße werden vermieden. Jede zusätzliche Steuerein­ richtung wird überflüssig.

Claims (12)

1. Heizeinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einem in einer mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllten Ringkammer (11) umlaufenden angetriebenen Rotor (15), der einen Scherspalt (25) mit mindestens einer Wandung der Ringkammer bildet, die Teil eines unverdrehbar gehaltenen und von einer die durch die Scherung entstehende Wärme auf­ nehmenden Flüssigkeit umspülten Gehäuses (1) ist, wobei der Rotor zur Einstellung der Breite des Scherspaltes (25) axial verschiebbar auf seiner Antriebswelle (5) angeordnet ist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) einer drehfest mit seiner Antriebswelle (5) verbundenen, in der Ringkammer (11) angeordneten Schleuderscheibe (20) zugeordnet ist und durch eine Feder (23) in Richtung zu der den Scherspalt (25) be­ grenzenden Wandung der Ringkammer (11) beaufschlagt ist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schleuderscheibe (20) auf der vom Scherspalt (25) abgewandten Seite mit einer axial abstehenden Dichtung (21) zusammenwirkt, die eine Abdichtung zu der angrenzenden Gehäusewand (33) des Gehäuseteils (3) bewirkt.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schleuderscheibe (20) topfförmig ausgebil­ det ist und der Rotor (15) in dieser unter Bildung eines ra­ dialen Umfangspaltes geführt ist.

4. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) mit Rippen (24) ver­ sehen ist, die in die Zwischenräume korrespondierender Rippen (12) an der Ringkammerwand passen.

5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ringwand auf der Gehäuseaußen­ seite mit Rippen (16) versehen ist, die in eine die Flüssig­ keit zur Wärmeaufnahme führende Kammer (17) hereinragen.

6. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor mit Wälzlagern (31) axial verschiebbar auf seiner Antriebswelle (5) geführt ist.

7. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schleuderscheibe (20) mit Über­ strömöffnungen (22) versehen ist, die radial innerhalb des Bereiches der Dichtung (21) liegen.

8. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß vor der Ringkammer (11) eine Vor­ ratskammer (34) vorgesehen ist, die über eine von einem Ven­ tilhebel (36) steuerbare Verbindungsöffnung (10) mit der Ringkammer (11) in Verbindung steht.

9. Heizeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ventilhebel als Wipphebel ausgebildet ist und entweder die Zulauföffnung (10) freigibt und eine Ablauföff­ nung (9) verschließt oder die Ablauföffnung (9) freigibt und die Zulauföffnung (10) verschließt.

10. Heizeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilhebel (36) durch einen Elektromagne­ ten (37) steuerbar ist.

11. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß Anschläge (28, 40) zur Begrenzung der Axialverschiebbarkeit des Rotors (15) vorgesehen sind.

12. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rotornabe (14) in einer zentra­ len Ausnehmung (13) des Gehäuses (1) untergebracht ist.