DE19834223A1 - Fahrzeugheizeinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fahrzeugheizeinrichtung, die einen Schermechanismus anwendet, der durch eine Kraftquelle über eine Antriebswelle angetrieben wird. Dabei wird Wärme durch ein Scheren eines viskosen Fluides in einer Heizkammer mit dem Schermechanisinus erzeugt und zu einem Fluid in der Wärmetauscherkammer übertragen

Die Druckschrift US 4 454 861 offenbart ein häusliches Heizsystem, das eine Fluidreibungsheizeinrichtung verwendet. Dieses wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 kurz beschrieben, wobei die Bezugszeichen der US Patendruckschrift verwendet werden.

Eine Heizeinrichtung 70 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 74. Ein Schermechanismus oder eine Trommel 72 ist drehbar in dem Gehäuse 74 gestützt. Das Gehäuse 74 ist von einem Mantel 80 umgeben. Der Mantel 80 und das Gehäuse 74 definieren einen äußeren kreisförmigen Raum 82. Dieser äußere Raum 82 steht mit einem Einlaß 85 und einem Auslaß 86 in Verbindung. Eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, strömt von dem Einlaß 85 zu dem Auslaß 86 durch den äußeren Raum 82. Ein Innenraum ist zwischen der Innenwand des Gehäuses 74 und der Außenfläche der Trommel 72 definiert. Der Innenraum steht mit einem Einlaß 89 und einem Auslaß 90 in Verbindung. Ein Fluid, wie beispielsweise Wasser, strömt von dem Einlaß 89 zu dem Auslaß 90 durch den Innenraum.

Die Trommel 72 wird durch einen Elektromotor 78 gedreht. Wenn sie gedreht wird, schert die Trommel 72 das Fluid zwischen der Innenwand des Gehäuses 74 und der Außenwand der Trommel 72. Die Drehung der Trommel 72 erwärmt das Fluid (das Wasser) aufgrund von Fluidreibung. Das erwärmte Fluid wird zu einem (nicht gezeigten) Leitungssystem geliefert. Das Wasser in dem Leitungssystem erwärmt das Innere eines Hauses und wird für andere Zwecke verwendet. Das Fluid, von dem die Wärme entnommen wurde, kehrt dann zu dem Einlaß 89 zurück. Ein Teil der Wärme, die in dem Innenraum zwischen der Trommel 72 und dem Gehäuse 74 erzeugt wird, wird zu dem Wasser in dem Außenraum 82 durch die Wand des Gehäuses 74 übertragen, wodurch das warme Wasser erwärmt wird. Das erwärmte Wasser wird dann zu einem Leitungssystem in dem Haus durch den Auslaß 86 geliefert und wird zur Heißwasserversorgung in dem Haus verwendet.

In der Heizeinrichtung 70 wird ein Fluid oder Wasser auf der Grundlage von Fluidreibung erwärmt, die durch ein mechanisches Scheren einer Flüssigkeit (Wasser) erzeugt wird. Wasser hat verhältnismäßig geringe Viskosität und es ist somit nicht einfach, aufgrund eines mechanischen Scherens von Wasser Wärme zu erzeugen. Daher hat die Heizeinrichtung 70 komplizierte Nuten in der Außenwand der Trommel 72 der Innenwand des Gehäuses 74, um den Scherwirkungsgrad drastisch zu verbessern. Des weiteren muß, um einen zufriedenstellenden Heizwert zu erzielen, die Heizkammer oder Raum zwischen der Innenwand des Gehäuses 74 und Außenwand der Trommel 72 vergrößert werden. Dadurch ist eine größere Trommel 72 und ein größerer Elektromotor 78 erforderlich.

Eine derartige schwerfällige und große Heizeinrichtung ist für ein häusliches Heizsystem praktisch. Jedoch kann diese Art Heizeinrichtung nicht als eine Hilfsheizquelle für Fahrzeuge verwendet werden. Somit besteht ein Bedarf an einer kompakten Heizeinrichtung, die einen verbesserten Scherwirkungsgrad und einen verbesserten Heizwirkungsgrad aufweist.

Von diesem Standpunkt ausgehend wurde eine Heizeinrichtung für Fahrzeuge vorgeschlagen. Diese Heizeinrichtung hat eine Heizkammer und eine Wärmetauscherkammer, die in einem Gehäuse separat definiert sind. Die Heizeinrichtung umfaßt auch einen Rotor, der als eine Schervorrichtung dient. Die Heizkammer ist mit einem hochgradig viskosen Fluid, wie beispielsweise Silikonöl gefüllt. Der Rotor schert das viskose Fluid in der Heizkammer, wodurch Wärme erzeugt wird. Die in der Kammer erzeugte Wärme wird zu einem zirkulierenden Fluid (beispielsweise ein Motorkühlmittel) in der Wärmetauscherkammer übertragen. Dadurch wird das zirkulierende Fluid erwärmt und erwärmt den Fahrgastraum.

Falls Silikonöl als das zu scherende Fluid (als das viskose Fluid) verwendet wird, muß die Temperatur des Silikonöls unterhalb seiner maximalen Wärmebeständigkeit verbleiben. Ein Erwärmen des Silikonöls über seine maximale Wärmebeständigkeit (beispielsweise 250 Grad) hinaus verschlechtert das Öl, das heißt die Viskosität des Öles sinkt. Dies führt zu einem geringem Wirkungsgrad beim Scheren und Erwärmen. Die Temperatur des gescherten Fluides erhöht sich mit der Zunahme der Rotordrehzahl. Daher wird verhindert, daß das viskose Fluid übermäßig erwärmt wird, indem die Kraftübertragung von einer externen Antriebsquelle (wie beispielsweise von einem Fahrzeug eines Motors) zu dem Rotor mechanisch gesteuert wird. Jedoch wird durch eine Vorrichtung zum mechanischen Steuern der Kraftübertragung zu dem Rotor, das heißt zum Steuern der Drehzahl des Rotors, der Antriebszug kompliziert und seine Größe nimmt zu, wobei der Antriebszug die Heizeinrichtung an die Antriebsquelle kuppelt. Dies steht im Gegensatz zu dem ursprünglichen Zweck des Vorsehens einer kompakten Heizeinrichtung, die an Fahrzeugen montiert werden kann.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fahrzeugheizeinrichtung mit variabler Leistung zu schaffen, die ihren Heizwert selbst steuert, wodurch verhindert wird, daß ein viskoses Fluid durch übermäßige Wärme verschlechtert wird, und somit die erforderliche Wärmeerzeugungsleistung eine lange Zeitspanne lang aufrecht erhalten bleibt.

Um die vorstehend erwähnte und andere Aufgaben zu lösen, wird erfindungsgemäß eine verbesserte Heizeinrichtung geschaffen. Die Heizeinrichtung hat ein Gehäuse, eine Antriebswelle, die durch das Gehäuse drehbar gestützt ist, eine Heizkammer und eine Wärmetauscherkammer, die in dem Gehäuse definiert ist, und eine Schervorrichtung, die sich in der Heizkammer befindet und durch eine Antriebsquelle über die Antriebswelle angetrieben wird. Der Schermechanismus schert ein viskoses Fluid in der Heizkammer, um das viskose Fluid zu erwärmen. Die Wärme wird zu einem Kühlmittelfluid in der Wärmetauscherkammer übertragen. Die Heizeinrichtung umfaßt des weiteren einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor. Der erste Rotor ist in der Heizkammer drehbar gestützt und ist mit der Antriebswelle betriebsfähig beziehungsweise operativ gekuppelt. Der zweite Rotor ist in der Heizkammer derart drehbar gestützt, daß der zweite Rotor unabhängig von dem ersten Rotor frei drehbar ist. Der zweite Rotor wirkt als die Schervorrichtung. Der erste Rotor, der zweite Rotor und ein Teil des viskosen Fluides, der sich zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor befindet, bilden eine Fluidkupplung zum Übertragen eines Momentes von dem ersten Rotor zu der Schervorrichtung.

Die Erfindung ist zusammen mit ihren Aufgaben und Vorteilen in der nachstehenden Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verständlich dargelegt.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Heizeinrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Abwicklung eines Stators der Heizeinrichtung von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine bildliche Ansicht mit Maßen von der Heizeinrichtung von Fig. 1.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Heizeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer Heizeinrichtung nach dem Stand der Technik.

Eine Heizeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben. Die Heizeinrichtung wird als eine Heizeinrichtung für Fahrzeuge verwendet.

Fig. 1 zeigt eine Fahrzeugheizeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Heizeinrichtung umfaßt ein zylindrisches mittleres Gehäuse 1, einen zylindrischen Stator 2, der sich in dem Gehäuse befindet, ein vorderes Gehäuse 3 und ein hinteres Gehäuse 4. Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ist das vordere Gehäuse 3 an der vorderen Öffnung des mittleren Gehäuses 1 über eine ringförmige Dichtung 3a gekuppelt und das hintere Gehäuse 4 ist an die hintere Öffnung des mittleren Gehäuses 1 über eine ringförmige Dichtung 4a gekuppelt. Das mittlere Gehäuse 1, der Stator 2 und das vordere und das hintere Gehäuse 3 und 4 sind aneinander durch Schrauben befestigt, wodurch ein Gehäuse gebildet wird.

Eine Heizkammer 5 ist in dem Stator 2 definiert. Außerdem definieren die Außenwand des Stators 2 und die Innenwand des mittleren Gehäuses 1 eine Wärmetauscherkammer oder einen Wassermantel 6 zwischen ihnen. Daher definieren das mittlere Gehäuse 1, der Stator 2 und das vordere und das hintere Gehäuse 3 und 4 die Heizkammer 5 und den Wassermantel 6. Der Wassermantel 6 umgibt die Heizkammer 5.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Abwicklung von der Außenfläche des Stators 2, wobei der Stator 2 abgerollt ist und sich die Achse des Stators 2 in der horizontalen Richtung der Zeichnung erstreckt. Wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, sind Vorsprünge 7 an der Außenwand des Stators 2 ausgebildet. Die Vorsprünge 7 erstrecken sich in der Umfangsrichtung des Stators 2. Wenn der Stator 2 mit dem mittleren Gehäuse 1 verbunden ist, stehen die Vorsprünge 7 mit der Innenwand des mittleren Gehäuses 1 in Kontakt und definieren einen gewundenen Kanal P in dem Wassermantel 6. In dieser Weise wirken die Vorsprünge 7 als Führungswände, die das durch den Wassermantel 6 strömende Fluid führen.

Das mittlere Gehäuse 1 wirkt als die Außenwand des Wassermantels 6. Ein Einlaß 9 und Auslaß 10 sind in dem mittleren Gehäuse 1 ausgebildet. Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, entsprechen der Einlaß 9 und der Auslaß 10 jeweils dem Anfangspunkt bzw. dem Endpunkt des Kanals P. Der Einlaß 9 ermöglicht, daß das Fluid in die Wärmetauscherkammer eintritt, und der Auslaß 10 ermöglicht, daß das Fluid heraus gelangt.

Nuten 8 sind in der Außenwand des Stators 2 oder in der Innenwand des Kanals P ausgebildet. Die Nuten 8, von denen Teile in Fig. 2 gezeigt sind, erstrecken sich entlang des Kanals P oder in der Strömungsrichtung des Fluides. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Nuten 8. Die Nuten 8 verbessern die Wärmeübertragung von der Heizkammer 5 zu dem Wassermantel 6. Ähnliche Nuten 8 können ebenfalls in der Innenwand des mittleren Gehäuses 1 ausgebildet sein.

Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Antriebswelle 12 in dem vorderen Gehäuse 3 durch ein vorderes abgedichtetes Lager 11 drehbar gestützt. Das Lager 11 befindet sich zwischen der Innenwand des vorderen Gehäuses 3 und der Antriebswelle 12, um die Heizkammer 5 abzudichten. Eine zylindrische Wand oder einen Nabe ist in dem vorderen Abschnitt des vorderen Gehäuses 3 ausgebildet. Das vordere Ende der Antriebswelle 12 befindet sich in der zylindrischen Wand. Eine angetriebene Welle 15 ist in dem hinteren Gehäuse 4 durch ein hinteres abgedichtetes Lager 14 drehbar gestützt. Das hintere Lager 14 befindet sich zwischen der Innenwand des hinteren Gehäuses 4 und der angetriebenen Welle 15, um die Heizkammer 5 anzudichten. Das vordere Ende der angetriebenen Welle 15 befindet sich in der Heizkammer 5. Die Antriebswelle 12 und die angetriebene Welle 15 haben eine gemeinsame Achse C.

In der fluiddichten Heizkammer 5 ist ein scheibenförmiger erster Rotor 13 und ein zylindrischer zweiter Rotor 16 untergebracht. Der erste Rotor 13 ist an dem hinteren Ende der Antriebswelle 12 preßgepaßt, damit er sich einstückig mit der Antriebswelle 12 dreht. Wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, ist der Radius r₁ des Rotors 13 größer als seine Dicke (die Länge in der axialen Richtung) L₁ (r₁ < L₁) . Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ist der zweite Rotor 16 an dem vorderen Ende der angetriebenen Welle 15 preßgepaßt, damit er sich einstückig mit der angetriebenen Welle 15 dreht. Wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, ist der Radius r₂ des Rotors 16 kürzer als seine Länge L₂ in der axialen Richtung (r₂ < l₂).

Die hintere Endseite 13a des ersten Rotors 13 ist parallel zu der vorderen Endseite 16a des zweiten Rotors 16 und die beiden Seiten 13a und 16a sind um eine bestimmte Entfernung h₁ beabstandet. Der Durchmesser (2xr₁) der hinteren Endseite 13 des ersten Rotors 13 ist kleiner als der Durchmesser (2xr₂) der vorderen Endseite 16a des zweiten Rotors 16. Die Endseiten 13a und 16a definieren einen Kupplungsraum 17 zwischen ihnen. Der Kupplungsraum 17 ist mit dem viskosen Fluid gefüllt.

Ein enger Zwischenraum h₂ ist zwischen dem zweiten Rotor 16 und der Innenwand des Stators 2 definiert (siehe Fig. 4).

Die Heizkammer 5 enthält eine vorbestimmte Menge an Silikonöl, die das viskose Fluid darstellt. Die Menge Vf an Silikonöl wird derart bestimmt, daß der Füllfaktor des Öls 80-90 Prozent des freien Volumens Vc der Heizkammer 5 beträgt. Das freie Volumen Vc der Heizkammer 5 wird durch ein Subtrahieren des kombinierten Volumens des ersten Rotors 13, des zweiten Rotors 16 und der Abschnitte der Wellen 12 und 15, die sich zwischen den Gehäusen 3 und 4 und den Rotoren 13 und 16 jeweils erstrecken, von dem berechneten Volumen der Heizkammer 5 erhalten. Der Füllfaktor des Silikonöls wird bestimmt, um zu ermöglichen, das sich das Silikonöl ausdehnt, wenn es erwärmt wird.

Das Silikonöl in dem Kupplungsraum 17 wirkt als ein Kupplungsmedium. Anders ausgedrückt wirkt das Silikonöl in dem Kupplungsraum 17 zusammen mit dem ersten Rotor 13 und dem zweiten Rotor 16 als ein Fluidkupplung oder eine Fluidkupplungseinrichtung.

Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Gewindeloch 12a in dem vorderen Ende der Antriebswelle 12 ausgebildet. Eine Riemenscheibe 18 ist an der Antriebswelle 12 durch ein Einschrauben einer Schraube in das Loch 12a gesichert. Ein Riemen 19 steht mit der Riemenscheibe 18 im Eingriff. Die Antriebswelle 12 ist an eine externe Antriebsquelle oder an einen Fahrzeugmotor E über die Riemenscheibe 18 und den Riemen 19 gekuppelt. Daher werden, wenn die Riemenscheibe 18 durch den Motor E gedreht wird, die Antriebswelle 12 und der erste Rotor 13 einstückig mit der Riemenscheibe 18 gedreht.

Die Wärme wird durch die Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 folgendermaßen erzeugt. Wenn der zweite Rotor 16 gedreht wird, schert er das viskose Fluid in der Heizkammer 5, wodurch Wärme durch Fluidreibung erzeugt wird. Das Scheren des viskosen Fluides wird hauptsächlich durch die Umfangsfläche des zweiten Rotors 16 ausgeführt. Das heißt, das viskose Fluid in dem Zwischenraum h₂ wird hauptsächlich geschert und erwärmt. Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist der zweite Rotor 16 nicht mit der externen Antriebsquelle mechanisch gekuppelt, sondern mit dem ersten Rotor 13 durch die Fluidkupplung indirekt gekuppelt. Anders ausgedrückt wird der zweite Rotor 16 wahlweise durch den ersten Rotor 13 in Abhängigkeit von der Momentübertragung durch den ersten Rotor 13, den zweiten Rotor 16 und das Fluidkupplungsmedium gedreht oder von dem ersten Rotor getrennt. Somit ist die wichtigste Eigenschaft der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 die wahlweise erfolgende Momentübertragung von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16.

Der Betrieb der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 wird nachstehend qualitativ erläutert. Insbesondere wird die wahlweise erfolgende Momentübertragung von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16 beschrieben.

Die Kraft des Motors E wird zu der Riemenscheibe 18 durch den Riemen 19 übertragen. Dadurch wird die Antriebswelle 12 und der erste Rotor 13 durch die Riemenscheibe 18 gedreht. Wenn der erste Rotor 13 mit dem Drehen beginnt, steht der zweite Rotor 16 still. Anders ausgedrückt schert der zweite Rotor 16 das viskose Fluid nicht. Die Temperatur des viskosen Fluides ist daher verhältnismäßig gering und seine Viskosität ist hoch. In diesem Zustand wirkt das viskose Fluid in dem Kupplungsbereich 17 äußerst wirkungsvoll als Kupplungsmedium und überträgt die Umdrehung des ersten Rotors 13 zu dem zweiten Rotor 16. Als ein Ergebnis wird das Fluid in dem Zwischenraum h₂ zwischen der Innenwand des Stators 2 (eine feststehende Wand) und der Umfangsfläche des zweiten Rotors 16 (eine bewegliche Wand) auf der Grundlage des Unterschiedes zwischen der Geschwindigkeit der feststehenden Wand und der Geschwindigkeit der beweglichen Wand geschert. Dadurch wird das Fluid erwärmt. Die erzeugte Wärme wird zu dem Wasser in dem Wassermantel 6 durch die Wand des Stators 2 übertragen. Das erwärmte Wasser wird dann über den Heizkreislauf zum Erwärmen des Fahrgastraumes verwendet.

Die Umdrehung des ersten und des zweiten Rotors 13 und 16 bewirkt ein Zirkulieren des viskosen Fluides in der Heizkammer 5. Daher wird das Fluid in dem Zwischenraum h₂ durch das Fluid in dem Kupplungsbereich 17 ersetzt oder mit diesem vermischt.

Da der zweite Rotor 16 gedreht wird, wird das viskose Fluid in dem Zwischenraum h₂ erwärmt und seine Viskosität wird gesenkt. Das eine hohe Temperatur und eine geringe Viskosität aufweisende Fluid in dem Zwischenraum h₂ wird durch das eine geringe Temperatur und eine äußerst hohe Viskosität aufweisende Fluid in dem Kupplungsbereich 17 ersetzt oder mit diesem vermischt. Das heißt, da sich die Rotoren 13 und 16 drehen, werden die Temperatur und Viskosität des Fluides der Heizkammer homogen gestaltet. Örtlich erhöht sich die Temperatur des Fluides in dem Kupplungsbereich 17 und seine Viskosität wird gesenkt.

Die geringere Viskosität des Fluides in dem Kupplungsbereich 17 senkt seine Fähigkeit als ein Kupplungsmedium, das ein Moment von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16 überträgt. Dadurch wird schließlich die Geschwindigkeit des zweiten Rotors 16 gesenkt. Anders ausgedrückt wird die Scherkraft des zweiten Rotors 16 gesenkt. Dadurch wird bewirkt, daß die Wärmeerzeugung in dem Zwischenraum zwischen der Innenwand des Stators 2 und dem zweiten Rotor 16 allmählich niedriger wird. Als ein Ergebnis wird die Temperatur des Fluides in der Heizkammer 5 begrenzt oder es wird verhindert, daß sie ansteigt.

Wenn die Riemenscheibe 18 und der erste Rotor 13 bei einer normalen Geschwindigkeit gedreht werden, wird das Moment von dem Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16 zwangsweise übertragen, wodurch bewirkt wird, das der Rotor 16 das viskose Fluid schert. Die durch das Scheren erzeugte Wärme bewirkt nicht, das der zweite Rotor 16 von dem ersten Rotor 13 getrennt wird. Eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit des Motors E bewirkt, das der zweite Rotor 16 sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht. Dadurch wird die Temperatur des viskosen Fluides erhöht und seine Viskosität gesenkt. Als ein Ergebnis überträgt die Fluidkupplung ein geringeres Moment von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16. In dieser Weise wird der Heizwert der Heizeinrichtung automatisch selbst gesteuert.

Wenn das Fluidscheren durch den zweiten Rotor 16 unterdrückt wird und die Temperatur des viskosen Fluides beginnt zu sinken, wird das Moment des ersten Rotors 13 wiederum wirkungsvoller zu dem zweiten Rotor 16 übertragen. Dadurch wird der Heizwert der Heizeinrichtung erhöht. Das heißt, die geringere Temperatur des viskosen Fluides erhöht die Viskosität des Fluides in dem Kupplungsbereich 17 und bewirkt, daß das Fluid wirkungsvoll als ein Kupplungsmedium fungiert. In dieser Weise steuert die Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 automatisch ihre Scherkraft und ihren Heizwert, wenn die Geschwindigkeit des Motors verhältnismäßig hoch oder gering ist.

Nachstehend wird die Momentübertragung, das Fluid scheren und die Wärmeerzeugung der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 quantitativ erläutert. Die dynamische Viskosität des viskosen Fluides (des Silikonöls) wird durch µ dargestellt, die Winkelgeschwindigkeit des ersten Rotors wird durch ω₁ dargestellt und die Winkelgeschwindigkeit des zweiten Rotors 16 wird durch ω₂ dargestellt. Die Symbole r₁, r₂, h₁, h₂, L₁ und L₂ wurden bereits eingeführt und sind in Fig. 4 gezeigt.

Das Moment T_t, das von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16 übertragen wird, wird durch die nachstehende Gleichung dargestellt.

Die nachstehende Gleichung stellt ein Moment dar, das zum Drehen des zweiten Rotors 16 bei einer Winkelgeschwindigkeit von ω₂ erforderlich ist. Anders ausgedrückt stellt die Gleichung ein Moment Th dar, daß zur Wärmeerzeugung beiträgt.

T_h = 2πr₂ ²L₂µ × (r₂ω₂/h₂) = 2πµr₂ ³L₂ω₂/h₂ (Gleichung 2).

Da die Wärme hauptsächlich durch den zweiten Rotor 16 in der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 erzeugt wird, wird der theoretische Heizwert Q der Heizeinrichtung durch die nachstehende Gleichung dargestellt.

Q = T_hω₂(= T_tω₂) = 2πµr₂ ³L₂ω₂ ²/h₂ (Gleichung 3).

Der zweite Rotor 16 wird einzig durch den ersten Rotor 13 gedreht. Daher soll das übertragene Moment T_t dem Heizmoment T_h gleich sein. Anders ausgedrückt gilt eine Gleichung T_t = T_h. Die Entwicklung dieser Gleichung führt zu einer Beziehung zwischen den Winkelgeschwindigkeiten ω_i und ω₂, die durch die nachstehende Gleichung dargestellt wird.

ω₂ = h₂r₁ ⁴/(4h₁r₂ ³L₂ + h₂r₁ ⁴) × ω₁ = 1/[1 + (4h₁L₂r₂ ³/h₂r₁ ⁴)] × ω₁ (Gleichung 4).

Wie aus Gleichung 4 hervorgeht, ist die Winkelgeschwindigkeit ω₂ des zweiten Rotors 16 immer geringer als die Winkelgeschwindigkeit ω₁ des ersten Rotors 13. Die Gleichung 4 umfaßt nicht die dynamische Viskosität µ und die Werte h₁, h₂, r₁, r₂, L₂ sind sämtlich feststehende Werte. Daher wird die Winkelgeschwindigkeit ω₂ des zweiten Rotors 16 durch die Winkelgeschwindigkeit ω₁ des ersten Rotors 13 bestimmt.

Das übertragene Moment T_t ist eine Funktion der Differenz zwischen den Winkelgeschwindigkeiten (ω₁-ω₂). Die Gleichung 4 stellt die Beziehung zwischen den Werten ω₁ und ω₂ dar. Somit wird ω₂ aus der Gleichung 1 durch Zuordnen der Gleichung 4 zu der Gleichung 1 ersetzt. Folglich wird das übertragene Moment T_t durch eine Funktion T_t = µxf(ω₁) dargestellt. Obwohl die Elemente in der Funktion f(ω₁) nicht beschrieben sind, ist offensichtlich, das der Wert der Funktion f(ω₁) nur durch die Winkelgeschwindigkeit ω₁ verändert wird. Die dynamische Viskosität µ ist eine Funktion der Temperatur des viskosen Fluides.

Wie aus der Gleichung T_t = µxf(ω₁) hervorgeht, ergibt sich aus einer geringeren dynamischen Viskosität µ ein kleinerer Wert für das Moment T_t das von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16 übertragen wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit ω₁ konstant ist. Gemäß der Gleichung 3 wird der theoretische Heizwert Q um so kleiner desto geringer das übertragene Moment T_t ist. Das Ergebnis der quantitativen Analyse stimmt mit dem Ergebnis der qualitativen Analyse überein.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 hat die nachstehend beschriebenen Vorteile.

Das Silikonöl (das viskose Fluid) in dem Kupplungsbereich 17 zwischen den Flächen 13a und 16a des ersten und zweiten Rotors 13 und 16 wirkt als ein Kupplungsmedium. Das Kupplungsmedium und die Rotoren 13 und 16 bilden eine Fluidkupplung. Die Fluidkupplung stellt die Momentübertragung von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16 in Übereinstimmung mit der Temperatur des viskosen Fluides in der Heizkammer 5 ein. In dieser Weise regelt die Fluidkupplung automatisch die Kraft, die zu dem zweiten Rotor 16 übertragen wird, der hauptsächlich das Scheren ausführt. Das heißt, die Fluidkupplung regelt die Geschwindigkeit des Rotors 16 selbst. Anders ausgedrückt kann die Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 ihren Wärmeabgabewert selbst steuern, ohne durch Veränderungen in Bezug auf die Kraft der externen Antriebsquelle beeinflußt zu werden.

Bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 wird ein Moment von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16 durch die Fluidkupplung übertragen, die einen ziemlich einfachen Aufbau hat. Daher besteht kein Bedarf an einem Vorsehen eines zusätzlichen Mechanismus, wie beispielsweise einer elektromagnetischen Kupplung außerhalb der Heizeinrichtung. Somit ist die Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 weder kompliziert noch wird durch sie ein Fahrzeugheizsystem vergrößert.

Die Wärmeerzeugung des zweiten Rotors 16 wird auf der Grundlage der Temperatur des viskosen Fluides automatisch gesteuert. Dadurch wird verhindert, daß das viskosen Fluid über seine maximale Wärmebeständigkeitstemperatur hinaus erwärmt wird. Anders ausgedrückt wird das viskose Fluid nicht durch übermäßige Erwärmung verschlechtert und es hat daher eine lange Lebensdauer.

Die Vorsprünge 7 befinden sich in dem Wassermantel 6, um einen Kanal P von dem Einlaß 9 zu dem Auslaß 10 zu definieren. Die Nuten 8 sind in dem Kanal P ausgebildet. Die Vorsprünge 7 führen die Strömung des Wassers um die Heizkammer 5 herum. Der Kanal P bewirkt, daß das strömende Wasser mit dem Stator 2, der als ein Wärmeleiter wirkt, eine verhältnismäßig lange Zeitspanne lang in Kontakt verbleibt. Die Nuten 8 vergrößern den Kontaktbereich des Wassers mit dem Wasserstator 2. Dadurch wird die Wärmeübertragung von der Heizkammer 5 zu dem Wassermantel 6 oder der Wärmetauscherkammer verbessert und stabilisiert.

Fig. 5 zeigt eine Fahrzeugheizeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Heizeinrichtung von Fig. 5 weist die Gehäuseelemente 1, 2, 3 und 4, den Wassermantel (die Wärmetauscherkammer) 6 und die Riemenscheibe 18 der Heizeinrichtung von Fig. 1 bis 4 auf. Der Aufbau innerhalb der Heizkammer 5 unterscheidet sich von dem Aufbau der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4. Insbesondere unterscheiden sich der erste Rotor 13, der zweite Rotor 16 und die Fluidkupplung zwischen ihnen von jenen der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4. Nachstehend werden diese Unterschiede beschrieben.

Die Heizeinrichtung der Fig. 5 hat eine Antriebswelle 12, die durch das vordere und das hintere Gehäuse 3 und 4 durch abgedichtete Lager 19 und 20 drehbar gestützt ist. Die Lager 19 und 20 dichten das vordere und das hintere Ende der Heizkammer 5 ab, wodurch die Heizkammer 5 flüssigkeitsdicht gestaltet ist.

Die Antriebswelle 12 erstreckt sich in Längsrichtung der Heizkammer 5. Ein erster zylindrischer Rotor 13 ist an einem Abschnitt der Welle 12, der der Mitte der Heizkammer 5 entspricht, gesichert, um einstückig mit der Welle 12 gedreht zu werden. Der erste Rotor 13 kann hohl oder massiv sein. In der Heizkammer 5 ist außerdem ein zylindrischer zweiter Rotor 16 untergebracht. Der zweite Rotor 16 umgibt den ersten Rotor 13 und die Antriebswelle 12. Ein Lager 21 befindet sich an dem inneren vorderen Ende des zweiten Rotors 16 und ein Lager 22 befindet sich an dem inneren hinteren Ende des zweiten Rotors 16. Die Lager 21 und 22 halten den zweiten Rotor 16 an der Antriebswelle 12 koaxial, wodurch dem Rotor 16 ermöglicht ist, sich relativ zu der Antriebswelle 12 zu drehen.

Die Umfangsfläche des ersten Rotors 13 und die Umfangsfläche der Antriebswelle 12 stehen der Innenwand des zweiten Rotors 16 mit einem dazwischen befindlichen vorbestimmten Zwischenraum gegenüber. Der Zwischenraum wirkt als ein Kupplungsbereich 17. Ein vorbestimmter Zwischenraum ist zwischen der Außenwand des zweiten Rotors 16 und der Innenwand des Stators 2 vorhanden. Wie bei der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 ist die Heizkammer 5 mit einer vorbestimmten Menge an Silikonöl (an viskosem Fluid) gefüllt. Das viskose Fluid ist gleichmäßig in dem Raum der Heizkammer 5 verteilt. Das viskose Fluid in dem Kupplungsbereich 17 wirkt als ein Kupplungsmedium. Wie bei der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 bildet das Kupplungsmedium in dem Kupplungsbereich 17 zusammen mit dem ersten und dem zweiten Rotor 13 und 16 eine Fluidkupplung.

Die Heizeinrichtung der Fig. 5 wirkt in einer Weise, die der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 ähnlich ist. Die Fluidkupplung steuert die Momentübertragung von dem ersten Rotor 13 und der Antriebswelle 12 zu dem zweiten Rotor 16. Daher hat die Heizeinrichtung von Fig. 5 die gleichen Vorteile wie die Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4. Außerdem ist der zweite Rotor 16 an der Antriebswelle 12 (dem ersten Rotor 13) durch die Lager 21 und 22 gestützt, die von der Mitte der Welle 12 in Längsrichtung durch vorbestimmte Abstände beabstandet sind. Durch diesen Aufbau wird der konstante Kupplungsbereich 17 aufrechterhalten.

Für Fachleute sollte offensichtlich sein, das die vorliegende Erfindung in vielen anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Insbesondere sollte verständlich sein, daß die Erfindung auch in den nachstehend beschriebenen Formen ausgeführt werden kann.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Kupplungsbereich 17 durch einen Aufbau zur Verbesserung der Momentübertragung des ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16 vorgesehen sein. Beispielsweise können Rippen an den sich gegenüber stehenden Wänden des ersten Rotors 13 bzw. des zweiten Rotors 16 jeweils ausgebildet sein, um einen labyrinthartigen Zwischenraum 17 zu erzeugen. Insbesondere können bei der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 konzentrische ringförmige Nuten und Vorsprünge um die Achse der Antriebswelle 12 herum an der hinteren Endseite 13a des ersten Rotors und an der vorderen Endseite 16a des zweiten Rotors 16 ausgebildet sein. Bei der Heizeinrichtung von Fig. 5 können Nuten und Vorsprünge, die sich in der Umfangsrichtung der Antriebswelle 12 erstrecken, an der Umfangsfläche des ersten Rotors 13 und an der Innenwand des zweiten Rotors 16 ausgebildet sein. Diese Aufbauarten haben die gleichen Vorteile wie die Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 5 und verbessern den Wirkungsgrad der Momentübertragung von dem ersten Rotor 13 zu dem zweiten Rotor 16. Als ein Ergebnis wird der Wärmeerzeugungswert in dem Zwischenraum zwischen dem zweiten Rotors 16 und dem Stator 2 erhöht.

Bei der Heizeinrichtung der Fig. 1 bis 4 ist der erste Rotor 13 wie eine Scheibe geformt und wirkt hauptsächlich als ein Momentlieferer bei der Fluidkupplung. Jedoch kann der erste Rotor 13 wie der zweite Rotor 16 zylindrisch geformt sein. Dieser Aufbau ermöglicht dann, daß der erste Rotor 13 das viskose Fluid schert und Wärme erzeugt.

Daher werden die vorliegenden Beispiele und Ausführungsbeispiele als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung betrachtet und die Erfindung ist nicht auf die hierbei aufgezeigten Einzelheiten beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche abgewandelt werden.

Die Heizeinrichtung weist das Gehäuse 1, 2, 3, 4 und die Antriebswelle 12 auf, die in dem Gehäuse drehbar gestützt ist. Die Heizkammer 5 und die Wärmetauscherkammer 6 sind in dem Gehäuse definiert. Die Schervorrichtung 16 befindet sich in der Heizkammer und wird durch die Antriebsquelle über die Antriebswelle 12 angetrieben. Die Schervorrichtung 16 schert das viskose Fluid in der Heizkammer 5, um das viskose Fluid zu erwärmen. Der Wärmeaustausch findet zwischen dem erwärmten Fluid und dem zirkulierenden Fluid in der Wärmetauscherkammer 6 statt. Der erste Rotor 13 ist in der Heizkammer 5 drehbar gestützt und ist an der Antriebswelle 12 operativ gekuppelt. Der zweite Rotor 16, der als die Schervorrichtung wirkt, ist in der Heizkammer 5 drehbar untergebracht, jedoch ist er nicht an der Antriebswelle 12 oder an dem ersten Rotor 13 mechanisch gekuppelt. Der erste Rotor 13 und der zweite Rotor 16 bilden zusammen mit dem dazwischen befindlichen viskosen Fluid eine Fluidkupplung. Da die Effektivität des viskosen Fluides als eine Kupplungseinrichtung von seiner Temperatur abhängt, die dadurch beeinflußt wird, wie hoch das zu übertragende Moment ist, regelt die Heizeinrichtung sich selbst.

Claims (10)

1. Heizeinrichtung mit
einem Gehäuse (1, 2, 3, 4),
einer Antriebswelle (12), die durch das Gehäuse drehbar gestützt ist,
einer Heizkammer (5) und einer Wärmetauscherkammer (6), die in dem Gehäuse definiert sind,
einer Schervorrichtung (16), die sich der Heizkammer befindet und durch eine Antriebsquelle über die Antriebswelle (12) angetrieben wird,
wobei der Schermechanismus (16) ein viskoses Fluid in der Heizkammer (5) schert, um das viskose Fluid zu erwärmen, und wobei die Wärme zu einem Kühlmittelfluid in der Wärmetauscherkammer übertragen wird, wobei die Heizeinrichtung
gekennzeichnet ist durch
einen ersten Rotor (13), der in der Heizkammer (5) drehbar gestützt ist, wobei der erste Rotor (13) an der Antriebswelle (12) operativ gekuppelt wird,
einen zweiten Rotor (16), der in der Heizkammer (5) derart drehbar gestützt ist, daß der zweite Rotor (16) unabhängig von dem ersten Rotor (13) drehbar ist,
wobei der zweite Rotor (16) als die Schervorrichtung (16) wirkt und wobei der erste Rotor (13), der zweite Rotor (16) und ein Teil des viskosen Fluides, der sich zwischen dem ersten Rotor (13) und dem zweiten Rotor (16) befindet, eine Fluidkupplung zum übertragen eines Momentes von dem ersten Rotor (13) zu der Schervorrichtung (16) bilden.

2. Heizeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rotor (13) eine Fläche (13a) hat und der zweite Rotor (16) eine Fläche (16a) hat, die einander zugewandt sind, wobei sich die einander zugewandten Flächen (13a, 16a) in der Heizkammer (5) befinden und um eine vorbestimmte Entfernung (h₁) voneinander beabstandet sind, um einen Kupplungsbereich (17) zu bilden, und wobei der Kupplungsbereich mit dem viskosen Fluid während des Normalbetriebs gefüllt ist.

3. Heizeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rotor (16) zylindrisch ist und eine vorbestimmte Entfernung (h₂) zwischen der Umfangsfläche des zweiten Rotors (16) und einer Innenwandfläche der Heizkammer (5), die der Umfangsfläche des zweiten Rotors (16) zugewandt ist, vorhanden ist.

4. Heizeinrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherkammer (6) den ersten Rotor (13) und den zweiten Rotor (16) umgibt.

5. Heizeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Riemenscheibe (18) an einem Ende der Antriebswelle (12) vorgesehen ist und die Antriebswelle (12) und der erste Rotor (13) durch eine externe Antriebsquelle (E) über einen Riemen (19), der mit der Riemenscheibe (18) im Eingriff steht, direkt angetrieben werden.

6. Heizeinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung in einem Fahrzeug verwendet wird und die externe Antriebsquelle ein Fahrzeugmotor (E) ist.

7. Heizeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1, 2, 3, 4) einen Umfangsraum erfaßt und die Wärmetauscherkammer (6) in dem Umfangsraum definiert ist und eine Vielzahl an sich axial erstreckenden ersten Kanälen und eine Vielzahl an sich in Umfangsrichtung erstreckenden zweiten Kanälen, die mit den ersten Kanälen in Verbindung stehen, umfaßt.

8. Heizeinrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste Kanal eine Bodenfläche hat und eine Nut (8) in der Bodenfläche ausgebildet ist und sich entlang des ersten Kanals erstreckt.

9. Heizeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rotor (13) an der Antriebswelle (12) gesichert ist und der zweite Rotor (16) den ersten Rotor umgibt und an der Antriebswelle drehbar gestützt ist.

10. Heizeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rotor (13), der zweite Rotor (16) und die Antriebswelle (12) sich auf einer gemeinsamen Achse befinden.