JP3564916B2 - ビスカスヒータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハウジング内に区画された発熱室及び放熱室を備え、駆動軸に作動連結されたロータを、粘性流体を収容した発熱室内で回転させて粘性流体の剪断作用に基づく熱を発生させ、その熱を放熱室を流れる循環流体に熱交換するビスカスヒータに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本件出願人は、車載用の補助熱源として、車両のエンジンの駆動力を利用するビスカスヒータを種々提案している。例えば、ハウジング内に区画された発熱室及びウォータジャケット（放熱室）、並びに、駆動軸を介してエンジンに作動連結されたロータを備え、このロータにより発熱室内に収容された粘性流体（例えば、高粘性シリコーンオイル）を剪断して流体摩擦に基づく熱を発生させ、その熱でウォータジャケットを流れる循環流体（例えば、エンジン冷却水）を加熱するビスカスヒータがある。
【０００３】
この種のビスカスヒータでは略円盤状のロータを採用することが多く、ロータ軸芯付近のロータ中心部よりも、軸芯から離れたロータの外周部ほど粘性流体の剪断速度が大きくなる。このため、ロータ中心部が位置する発熱室の中心域にある粘性流体の温度よりも、ロータ外周部あたりの発熱室の周域における粘性流体の温度の方が高くなる傾向にある。そして、粘性流体がその耐熱限界を超えるほど過度の高温に達すると、粘性流体が急速に劣化し、剪断による発熱作用を発揮することができなくなる。このように、この種のビスカスヒータは、ロータの形状により程度の差こそあれ、発熱室の周域における粘性流体の局部劣化という問題を内包している。
【０００４】
また、ビスカスヒータが運転されると、発熱室で生じる熱のために、発熱室内に配設される駆動軸及びロータが熱膨張する。かかる熱膨張にもかかわらず、両者の圧入固定状態を維持するためにロータの構成材料は駆動軸と同じ材料（例えば、炭素鋼：熱伝導率３５〜６０Ｗ／（ｍＫ））が用いられることが多い。しかしながら、炭素鋼よりなるロータは、成形加工や切削加工がしにくく、また、製品の軽量化にも不都合である。
【０００５】
この発明の目的は、発熱室内における粘性流体の過加熱による劣化を未然に防止して、優れた発熱性能を持続的に発揮することができると共に、加工性を高め軽量化を実現したロータを装着したビスカスヒータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、ハウジングと、該ハウジング内に区画された発熱室及び放熱室と、前記発熱室内に回動可能に設けられた駆動軸及びロータとを備え、前記発熱室内に収納された粘性流体を前記ロータで剪断することにより発生した熱を前記放熱室内の循環流体に熱交換するビスカスヒータにおいて、前記ロータは、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍＫ）以上の材料で構成されることをその要旨とする。
【０００７】
このビスカスヒータに装着されるロータの構成材料は、熱伝導率１００Ｗ／（ｍＫ）以上の比較的に熱伝導率の高い材料が採用される。従って、ロータ自体が伝熱体としての役割を果たすため、発熱室の中心域と周域との間に生じる温度格差が緩和され、発熱室内の温度均一化に貢献する。故に、過加熱を原因とする粘性流体の局部劣化が未然に防止され、期待される発熱能力が持続的に発揮される。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のビスカスヒータにおいて、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍＫ）以上の材料は、アルミニウム系金属であることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、例えば、炭素鋼等を用いる場合に比べて、成形加工性や切削加工性の向上が実現されると共に、ロータの軽量化が達成される。尚、アルミニウム系金属とは、純アルミニウムとアルミニウム含有合金とを含む概念であり、その具体例は後述する。また、アルミニウム系金属の熱伝導率は、１００〜２２２Ｗ／（ｍＫ）の範囲にある。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のビスカスヒータにおいて、前記ロータには、当該ロータを前記駆動軸に圧入固定するためのボス部が一体形成されていることを特徴とする。
【００１１】
ロータの構成材料（例えば、アルミニウム系金属）の熱膨張率が、駆動軸の構成材料（例えば、炭素鋼）の熱膨張率を上回る場合、発熱時にはロータの方が膨張傾向となるものの、ロータが駆動軸に圧入固定されることと、ボス部の一体形成に伴って駆動軸とロータとの締めしろ（接触面積）が大きく確保されることの相乗効果により、駆動軸に対するロータの締め付け力は過度に弱まらない。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のビスカスヒータにおいて、前記ロータは、駆動軸と直交する方向を半径方向とする略円盤形状をなしていることを特徴とする。
【００１３】
このように、駆動軸と直交する方向（半径方向）に広がる円盤型ロータを採用した場合には、発熱室の内部形状もそれに応じて半径方向に広がるため、発熱室の中心域と周域との温度格差を是正することの必要性が大きいという事情があり、この点で本発明の意義が特に認められる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態について図１及び図２に基づいて説明する。
【００１５】
図１に示すように、ビスカスヒータの外郭は前部ハウジング本体１及び後部ハウジング本体２によって構成されている。前部ハウジング本体１は、前方（図示左方）に向かって突出した中空筒状のボス部１ａと、該ボス部１ａの基端部から後方に向かって大きく碗形状に延在した円筒部１ｂとを有している。後部ハウジング本体２は、前記円筒部１ｂの開口側を覆う蓋形状とされている。前部ハウジング本体１と後部ハウジング本体２とは、前部ハウジング本体１の円筒部１ｂ内に一対の前部区画プレート５及び後部区画プレート６を内装しつつ、複数本のボルト３によって締結されている。このように、ビスカスヒータのハウジングは、前部ハウジング本体１、後部ハウジング本体２、前部区画プレート５及び後部区画プレート６から構成されている。
【００１６】
前部区画プレート５と後部区画プレート６とはそれぞれ、その外周部に環状のリム部５ａ，６ａを有している。これらリム部５ａ，６ａを相互連結される両ハウジング本体１，２の対向壁面間に挟着することにより、両ハウジング本体１，２内に両区画プレート５，６が移動不能に収納されている。また、前部区画プレート５の後端側はそのリム部５ａに対して凹んだ形状となっており、両区画プレート５，６の相互接合によって両者間には発熱室７が形成される。
【００１７】
前部区画プレート５は、その前端側において、その中央部に形成された支持筒部５ｂと、当該支持筒部５ｂの外側に沿って周方向に延びる同心円弧状に形成された複数のガイドフィン５ｃとを有している。前部区画プレート５は、支持筒部５ｂの一部が前部ハウジング本体１の内壁部と密接するように、前部ハウジング本体１内に嵌め込まれている。この結果、前部ハウジング本体１の内壁部と前部区画プレート５の本体部との間には、発熱室７の前側に隣接する放熱室としての円環状の前部ウォータジャケット８が区画される。この前部ウォータジャケット８内において、前記リム部５ａ、支持筒部５ｂ及びガイドフィン５ｃは、循環流体としての循環水の流れをガイドするガイド壁の役目を果たし、前側放熱室内における循環水の流通経路を設定する。
【００１８】
後部区画プレート６は、その後端側において、その中央部に形成された筒部６ｂと、当該筒部６ｂの外側に沿って周方向にのびる同心円弧状に形成された複数のガイドフィン６ｃとを有している。後部区画プレート６が前部区画プレート５と共に前部ハウジング本体１内に嵌め込まれた状態では、後部区画プレート６の筒部６ｂが後部ハウジング本体２の環状壁２ａと密接する。この結果、後部ハウジング本体２と後部区画プレート６の本体部との間には、発熱室７の後側に隣接する放熱室としての円環状の後部ウォータジャケット９、及び、筒部６ｂ内側に位置する貯留室としての副オイル室１０が区画される。この後部ウォータジャケット９内において、前記リム部６ａ，筒部６ｂ及びガイドフィン６ｃは、循環流体としての循環水の流れをガイドするガイド壁の役目を果たし、後側放熱室内における循環水の流通経路を設定する。
【００１９】
また、前部ハウジング本体１の側壁部には、車両内に設けられた暖房回路（図示略）から前部及び後部ウォータジャケット８，９の各々に循環水を取り入れる入水ポート（図示略）と、前部及び後部ウォータジャケット８，９から循環水を前記暖房回路に送り出す出水ポート（図示略）とが並設されている。
【００２０】
図１に示すように、前部ハウジング本体１及び前部区画プレート５には、軸受け１１及びシール付き軸受け１２を介して駆動軸１３が回動可能に支承されている。シール付き軸受け１２は、前部区画プレート５の支持筒部５ｂの内周面と、駆動軸１３の外周面との間に介在され、発熱室７の前方を封止している。
【００２１】
駆動軸１３の後端部には、発熱室７内に収容されるロータ１４が一体回転可能に圧入固定されている。ロータ１４は、略円盤形状をなしており、平円板状の本体部１４ａと、当該本体部１４ａの中央に位置するボス部１４ｂとからなる。平円板状の本体部１４ａは、全体にわたり均一な厚みを有する。ボス部１４ｂの厚み（軸方向長さ）は、前記本体部１４ａよりも厚く、その追加厚み分だけボス部１４ｂは前方に向かって突出している。また、ボス部１４ｂ中央の孔の内半径（即ち、駆動軸１３の半径）をｒ１、ボス部１４ｂの半径をｒ２とすると、ボス部１４ｂの半径方向における厚みは、（ｒ２−ｒ１）で表される。この半径方向の厚み（ｒ２−ｒ１）は、ボス部１４ｂの軸方向の長さＬをＬ＝ｒ１としたときには、駆動軸１３の半径ｒ１の０．９〜１．２倍範囲となるように設定されている。ロータ１４の周縁近傍には前後に貫通する複数のロータ連通孔１４ｃが形成されている。これらロータ連通孔１４ｃは、駆動軸１３の中心軸線から等距離の位置において、駆動軸１３を取り囲んで等角度間隔にて配置されている。
【００２２】
後部区画プレート６の筒部６ｂと後部ハウジング本体２の後端壁とによって囲まれる領域には、貯留室としての副オイル室１０が提供されている。後部区画プレート６は、その本体部を前後に貫通する回収通路としての上側連通孔６ｄ及び供給通路としての下側連通孔６ｅ、並びに、該区画プレート６の前面において半径方向に延びる誘導溝６ｆを有している。発熱室７と副オイル室１０とは、上側及び下側連通孔６ｄ，６ｅを介して相互に連通する。尚、下側連通孔６ｅの連通断面積は、上側連通孔６ｄのそれよりも大きく設定されている。
【００２３】
下側及び上側連通孔６ｅ，６ｄを介して相互に連通する発熱室７と副オイル室１０とは、ヒータのハウジング内において液密な内部空間を形成する。この内部空間には、粘性流体としてのシリコーンオイルが所要量入れられている。シリコーンオイルの量は、その常温時充填率が前記内部空間内の空き容積に対して、５〜８割となるように決められている。かかる充填量にもかかわらず、ロータ１４の回転時にはシリコーンオイルの伸張粘性のためにシリコーンオイルが下側連通孔６ｅ及び誘導溝６ｆを介して副オイル室１０から引き出されて発熱室７の内壁面とロータ１４の外面との間の微少なクリアランスの全体に万遍なく行き渡る。尚、シリコーンオイルの充填時において、回収通路としての上側連通孔６ｄは、副オイル室１０内に貯留されたシリコーンオイルの液位よりも上方に位置し、供給通路としての下側連通孔６ｅは当該液位よりも下方に位置する。
【００２４】
駆動軸１３の前端部にはボルト１５によってプーリ１６が固着されている。プーリ１６はその外周部に巻き掛けられるＶベルト（図示略）を介して、外部駆動源としての車両のエンジンと駆動連結される。
【００２５】
次に、このビスカスヒータの機械的な作用を説明する。エンジンの起動前、即ち駆動軸１３の停止時において、発熱室７と副オイル室１０とにおけるシリコーンオイル（粘性流体）の液位は等しい。故に、駆動軸１３の起動時にはロータ１４の粘性流体との接触面積は小さく、小さなトルクで、プーリ１６、駆動軸１３及びロータ１４を起動することができる。プーリ１６を介してのエンジンの駆動力によって駆動軸１３と共にロータ１４が一体回転されるに伴い、シリコーンオイルが発熱室７の内壁面とロータ１４の外面との間隙において剪断されて発熱する。発熱室７で生じた熱は、各区画プレート５，６を介して前部及び後部ウォータジャケット８，９を流れる循環水に熱交換される。加熱された循環水は、暖房回路（図示略）を介して車室内の暖房等に供される。
【００２６】
このビスカスヒータでは、副オイル室１０は上側連通孔６ｄを介して発熱室７の中央域と連通すると共に、ロータ１４の回転によって発熱室７内のシリコーンオイルは駆動軸１３に向かって移動する傾向（ワイセンベルク効果）を見せる。このため、シリコーンオイルが上側連通孔６ｄを介して発熱室７から副オイル室１０内に回収される。他方、副オイル室１０に回収されたシリコーンオイルの自重と、シリコーンオイルの伸張粘性に起因するロータ１４のオイル引き込みから発熱室７にシリコーンオイルが供給される。
【００２７】
このように、駆動軸１３及びロータ１４の駆動時には、発熱室７と副オイル室１０との間でシリコーンオイルの入れ替え循環が行われる。この場合、下側連通孔６ｅは上側連通孔６ｄよりも大きな連通断面積を有しているため、シリコーンオイルの副オイル室１０への回収量よりも発熱室７への供給量の方が多くなる。故に、副オイル室１０に貯留されていたシリコーンオイルは、誘導溝６ｆを経由して発熱室７の外周域に迅速かつ滑らかに供給され、発熱室７の外周域に供給されたシリコーンオイルは、ワイセンベルク効果により迅速に発熱室７の中央域に達するので、発熱室７の内壁面とロータ１４の外面との間のクリアランスの全域にシリコーンオイルが万遍なく行き渡る。
【００２８】
また、上側連通孔６ｄを介して発熱室７から副オイル室１０内に回収されたシリコーンオイルは、入れ替え循環のサイクルタイムに応じた一定時間だけ、副オイル室１０に滞在する。発熱室７から回収直後のシリコーンオイルは高温状態にあるが、副オイル室１０での滞在中にその熱量の一部を副オイル室１０の区画部材（後部区画プレート６）に伝達することで、シリコーンオイルは熱を奪われる。その結果、高温のシリコーンオイルは冷却（除熱）されて長時間の熱保持による劣化から守られる。
【００２９】
本実施形態の特徴は、ロータ１４の構成材料として、熱伝導率が比較的に高い材料を用いたことにある。以下、本実施形態において使用可能な材料を例示する。尚、以下に示す各材料の熱伝導率Ｔ（Ｗ／（ｍＫ））は、日本機械学会編「機械工学便覧」Ｂ４材料学工業材料からの引用である。
【００３０】
ロータ１４に用い得る比較的に熱伝導率が高い材料としては、アルミニウム系金属及び銅系金属があげられる。特に、好ましいアルミニウム系金属としては、工業用純アルミニウム（例：Ａ１１００−Ｈ１８（Ａｌが９９重量％以上），Ｔ＝２２２Ｗ／（ｍＫ））、ジュラルミン（例：Ａ２０１７−Ｔ４（Ａｌ−４．０Ｃｕ−０．６Ｍｇ−０．５Ｓｉ−０．６Ｍｎ），Ｔ＝２０１Ｗ／（ｍＫ））、アルミニウム鋳物用合金（例：ＡＣ４ＣＨ−Ｔ６（Ａｌ−７．０Ｓｉ−０．３Ｍｇ），Ｔ＝１５１Ｗ／（ｍＫ））、アルミニウムダイカスト用合金（例：ＡＤＣ１２（Ａｌ−１１Ｓｉ−２．５Ｃｕ），Ｔ＝１００Ｗ／（ｍＫ））があげられる。また、好ましい銅系金属としては、銅の純度が９９．９重量％以上のもの、例えば、無酸素銅（例：Ｃ１０２０，Ｔ＝３８４Ｗ／（ｍＫ））やタフピッチ銅（例：Ｃ１１００，３８４Ｗ／（ｍＫ））があげられる。尚、銅系金属が採用される場合、アルミニウム系金属に比べ熱伝導率がさらに高いため、発熱室７内の温度均一化に大きく寄与するという長所を有する一方、アルミニウム系金属が採用される場合には、発熱室７内の温度均一化と共に、ロータ１４の軽量化や加工性の向上に寄与するという長所を有する。
【００３１】
図２のグラフは、発熱室７内のオイル温度分布について、ロータ１４を構成する材料に炭素鋼を採用した場合と、アルミニウム系金属を採用した場合とを比較した結果を示す。このグラフからわかるように、熱伝導率が相対的に低い炭素鋼を用いた場合、ロータ１４の中心からの距離ｒが小さい領域（発熱室７の中心域）とロータ１４の中心からの距離ｒが大きい領域（発熱室７の周域）との間で相当大きな温度格差が生じる。これに対し、熱伝導率が炭素鋼よりも大きいアルミニウム系金属を用いた場合、発熱室７の中心域と周域とで温度差があまり生じない。これは、ロータ１４自体が良熱伝導体となって、発熱室７の周域の熱量を発熱室７の中心域に伝え、発熱室７全体の温度均一化に貢献するためである。
【００３２】
以下に本実施形態の効果について説明する。
○ 駆動軸１３及びロータ１４の回転時においては、発熱室７の中心域にあるシリコーンオイルの温度よりも、発熱室７の周域におけるシリコーンオイルの温度の方が高くなる傾向にある。しかし、本実施形態におけるロータ１４は、熱伝導率の高い材料から構成される。このため、ロータ１４が伝熱体としての役割を果たし、発熱室７の周域の温度を低減する結果、発熱室７でのロータ１４半径方向におけるシリコーンオイルの温度格差を緩和することができる。従って、シリコーンオイルの局所（特に周域）における過熱が抑制され、シリコーンオイルの耐熱限界超過を未然に防止でき、その結果としてシリコーンオイルの劣化を防止することができる。このことは、ビスカスヒータの寿命（耐久性）を延ばすことに繋がる。
【００３３】
○ ロータ１４はアルミニウム系金属により構成されているため、炭素鋼等を用いる場合に比べて、成形加工や切削加工が簡易となる。また、ロータ１４の重量低減化にも寄与することができる。ちなみに、炭素鋼よりなるロータ１４と比較した場合、アルミニウム系金属製のロータ１４の重量は、炭素鋼製のロータ１４の約３分の１の重量になる。
【００３４】
○ 駆動軸１３は炭素鋼からなり、炭素鋼の熱膨張係数は、アルミニウム系金属の熱膨張係数よりも小さい。このため、発熱時には、駆動軸１３よりもロータ１４の方が熱膨張傾向が大きい。しかし、ロータ１４は、駆動軸１３に対して圧入により固定されていることと、ロータ１４に形成されたボス部１４ｂによって、駆動軸１３とロータ１４との締めしろ（接触面積）を大きく確保していることのために、駆動軸１３に対するロータ１４の締め付け力が過度に緩むことがない。
【００３５】
○ 発熱室７以外の副オイル室１０にシリコーンオイルを追加収容することができ、ロータ１４の剪断に供されるシリコーンオイルの量に余裕が生じる。また、ヒータの作動時には、発熱室７と副オイル室１０との間でシリコーンオイルを入れ替え循環させることができる。従って、特定のシリコーンオイルのみが常に剪断される状況を回避しながら、シリコーンオイルの一部を休ませつつ使用することができるため、シリコーンオイルの熱劣化を防止することができる。
【００３６】
尚、「粘性流体」とは、ロータの剪断作用を受けて流体摩擦に基づく熱を発生するあらゆる媒体を意味するものであり、高粘度の液体や半流動体に限定されず、ましてやシリコーンオイルに限定されるものではない。
【００３７】
【発明の効果】
各請求項に記載のビスカスヒータによれば、ロータが１００Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率が高い材料から構成されることに伴って、ロータ自体が伝熱体としての役割を果たすため、発熱室内でのロータ半径方向における粘性流体の温度均一化に大きく貢献することができる。従って、粘性流体の局所における過熱が抑制され、粘性流体の劣化を防止することができる。故に、ビスカスヒータの寿命（耐久性）を延ばすことができる。また、ロータにアルミニウム系金属を採用した場合、成形加工や切削加工が簡易化し、ロータの重量低減化も達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に従うビスカスヒータの縦断面図。
【図２】発熱室内のオイル温度分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１…前部ハウジング本体、２…後部ハウジング本体、７…発熱室、８…放熱室しての前部ウォータジャケット、９…放熱室としての後部ウォータジャケット、１３…駆動軸、１４…ロータ、１４ｂ…ボス部。

Claims (4)

1. ハウジングと、該ハウジング内に区画された発熱室及び放熱室と、前記発熱室内に回動可能に設けられた駆動軸及びロータとを備え、前記発熱室内に収納された粘性流体を前記ロータで剪断することにより発生した熱を前記放熱室内の循環流体に熱交換するビスカスヒータにおいて、
   前記ロータは、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍＫ）以上の材料で構成されることを特徴とするビスカスヒータ。
2. 熱伝導率が１００Ｗ／（ｍＫ）以上の材料は、アルミニウム系金属である請求項１に記載のビスカスヒータ。
3. 前記ロータには、当該ロータを前記駆動軸に圧入固定するためのボス部が一体形成されている請求項１又は請求項２に記載のビスカスヒータ。
4. 前記ロータは、駆動軸と直交する方向を半径方向とする略円盤形状をなしている請求項１〜３のいずれか一項に記載のビスカスヒータ。

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