JPH1081125A - ビスカスヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発熱室内における粘性流体の過加熱による劣
化を未然に防止する。 【解決手段】 このビスカスヒータには、ロータ１５の
回転中心に近い発熱室７の中心域と、ロータ１５の外周
部に近い発熱室７の周域をつなぐ連通路１８が設けられ
ている。この連通路１８は、前部および後部のウォータ
ジャケット８，９を貫通するように配設されたパイプに
よって構成されている。ロータ１５回転時において、連
通路１８は発熱室７とともに粘性流体の循環経路を形成
する。連通路１８を流れる高温の粘性流体は、前部およ
び後部ウォータジャケット８，９を経由することで過加
熱が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ハウジング内に
区画された発熱室および放熱室を備え、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】

【従来の技術】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が注目されてい
る。例えば、特開平２−２４６８２３号公報は、車両用
暖房装置に組み込まれるビスカスヒータを開示する。

【０００３】このビスカスヒータでは、前部および後部
ハウジングが対設された状態で相互に連結され、その内
部には発熱室と、この発熱室の外域にウォータジャケッ
ト（放熱室）とが形成されている。前部ハウジングには
軸受装置を介して駆動軸が回動可能に支承されており、
この駆動軸の一端には発熱室内で一体回動可能にロータ
が固定されている。ロータの前後外壁部およびそれらと
対向する発熱室の内壁部は、相符合するラビリンス溝を
構成すべく凹凸条形成されており、両者の近接配置によ
って当該内外壁部間にラビリンス状のクリアランスを確
保している。そして、前記発熱室内に所要量の粘性流体
（例えばシリコーンオイル）を封入し、これを前記ラビ
リンス状のクリアランスにもいきわたらせている。

【０００４】エンジンの駆動力が駆動軸に伝達される
と、駆動軸とともにロータが発熱室内で回転し、発熱室
内壁部とロータ外壁部との間に介在される粘性流体が前
記ロータによって剪断されて流体摩擦に基づく熱を発生
する。発熱室で発生した熱は、前記ウォータジャケット
内を流れる循環水に熱交換され、その加熱循環水は外部
暖房回路に供給されて車両の暖房等に供される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来のビスカス
ヒータでは、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。しかし、粘性流体がその耐熱限界を超
えるほど過度に高温となると、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。

【０００６】仮に相対的に温度の低い発熱室の中心域と
相対的に温度の高い発熱室の周域との間において粘性流
体の移動や循環が円滑に行われれば、上述のような発熱
室の周域における粘性流体の過加熱による局部劣化を防
止することも可能となる。

【０００７】ところが、前記従来のビスカスヒータで
は、前述のように、ロータ外壁部と発熱室内壁部との間
にラビリンス状のクリアランスを設けている。かかるラ
ビリンス構成は、発熱性能向上の観点から粘性流体の剪
断に寄与するロータ作用面の総面積を大きくするという
利点がある反面、発熱室内における粘性流体の円滑な循
環をむしろ阻害するという欠点がある。このため、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
う問題を常に内包している。

【０００８】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ビスカスヒータを
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、ハウジング内に区画さ
れた発熱室および放熱室を備え、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お
いて、前記のロータの回転中心に近い発熱室の中心域
と、前記ロータの外周部に近い発熱室の周域とをつなぐ
とともに、粘性流体の冷却に関与する連通路を設けたこ
とをその要旨とする。

【００１０】このビスカスヒータでは、連通路は発熱室
とともに粘性流体の循環経路を構築する。したがって、
この循環経路を介して発熱室の中心域と周域との間で粘
性流体の円滑な移動が可能となる。故に、発熱室の中心
域と周域との間によって発熱量の差異が顕著である場合
でも発熱室内における粘性流体の温度の均一化が図ら
れ、局所での粘性流体の過加熱が回避される。

【００１１】請求項２に記載の発明においては、前記連
通路が、前記放熱室内を貫通するように設定されてい
る。このため、粘性流体が連通路を移動することで、放
熱室を流れる循環流体に熱が逃がされ、結果として高温
の粘性流体が低温化される。

【００１２】請求項３に記載の発明においては、前記連
通路は、前記放熱室を区画するための区画部材内に埋設
されている。この構成によれば、連通路を流れる粘性流
体の熱は区画部材を介して放熱室を流れる循環流体に伝
熱され、高温の粘性流体は低温化される。

【００１３】請求項４に記載の発明においては、前記連
通路は、前記ハウジングの外側を迂回するように設定さ
れている。この構成によれば、連通路を流れる粘性流体
の熱は、ハウジングの外域に放出され、高温の粘性流体
は低温化される。

【００１４】請求項５に記載の発明においては、前記ハ
ウジングの外側を迂回する連絡路には、粘性流体の冷却
手段が並設されている。このため、より積極的に粘性流
体を冷却することができ、冷却効果が高められる。

【００１５】請求項６に記載の発明においては、上記各
請求項に記載のビスカスヒータにあって、前記ロータの
第１および第２作用面と、それらと対向する前記発熱室
の内壁面との間には第１および第２のクリアランスが形
成され、前記連通路は、前記第１クリアランス側におい
て発熱室中心域への開口端を有するとともに、前記第２
クリアランス側において発熱室周域への開口端を有して
おり、前記第２クリアランスは前記第１クリアランスよ
りも狭くなっている。

【００１６】この場合、両クリアランスの広狭の関係に
基づき、発熱室周域への開口端における流体圧が発熱室
中心域への開口端での流体圧よりも相対的に更に大きく
なり、発熱室周域から連通路を介して発熱室中心域へい
たる粘性流体の移動が促進される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明を車両の暖房装置
に組み込まれるビスカスヒータに具体化した一実施形態
を図１および図２にしたがって説明する。

【００１８】図１に示すように、前部ハウジング本体１
および後部ハウジング本体２は、各ハウジング本体１，
２に設けられた凹部が互いに対向する状態で、かつ、両
ハウジング本体１，２間にガスケット４を介しつつ、複
数本のボルト３（図１では一本のみ図示）によって締結
されている。相互連結された両ハウジング本体１，２内
には、内部収容空間が形成され、この収容空間内には、
区画部材としての前部区画プレート５と後部区画プレー
ト６とがそれらの外周縁部を互いに当接させながら収容
されている。このように、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お
よび後部区画プレート６から構成されている。そして、
前部区画プレート５の後端側および後部区画プレート６
の前端側には、それぞれ各区画プレートの外周縁部に対
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。

【００１９】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５ａと、当該支持
筒部５ａの外側に沿って周方向にのびる円弧状に形成さ
れた複数のフィン５ｂとを有している。

【００２０】前部区画プレート５は、支持筒部５ａの一
部およびフィン５ｂの各先端が前部ハウジング本体１の
内壁面に当接するように、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、前記円弧状のフィン５ｂは循環流体と
しての循環水の流れをガイドしており、前側放熱室内に
おける循環水の流通経路を設定する。

【００２１】また、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６ａと、当該筒
部６ａの外側に沿って周方向にのびる円弧状に形成され
た複数のフィン６ｂとを有している。

【００２２】後部区画プレート６は、筒部６ａおよびフ
ィン６ｂの各先端が後部ハウジング本体２の内壁面に当
接するように、後部ハウジング本体２内に嵌め込まれて
いる。この結果、後部ハウジング本体２の内壁と後部区
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、前記円弧状のフィン６ｂは循環流体としての循環
水の流れをガイドしており、後側放熱室内における循環
水の流通経路を設定する。

【００２３】前部ハウジング本体１の上部には、車両内
に設けられた暖房回路（図示略）から前部ウォータジャ
ケット８に循環水を取り入れる入水ポート１０が形成さ
れている。また、前部ウォータジャケット８から循環水
を暖房回路に送り出す出水ポート（図示略）が入水ポー
ト１０に並設されている。これと同様に、後部ハウジン
グ本体２の上部にも、前記暖房回路から後部ウォータジ
ャケット９に循環水を取り入れる入水ポート１１、およ
び、後部ウォータジャケット９から循環水を暖房回路に
送り出す出水ポート（図示略）が並設されている。

【００２４】前部ハウジング本体１と前部区画プレート
５とからなる前部ハウジングには、軸受１２およびシー
ル付き軸受１３を介して駆動軸１４が回動可能に支承さ
れている。そのシール付き軸受１３は、前部区画プレー
ト５の支持筒部５ａの内周面と、駆動軸１４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。

【００２５】駆動軸１４の後端部には、発熱室７内に収
納される円盤形のロータ１５が一体回転可能に圧入固定
されている。また、後部区画プレート６の筒部６ａ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、副オイル室１９が設けられている。発熱室７と副オ
イル室１９とは後部区画プレート６に形成された孔６ｃ
（複数箇所）および後部区画プレート６の前面に半径方
向に延びるように形成された溝６ｄを介して相互に連通
している。

【００２６】そして、発熱室７と副オイル室１９はヒー
タハウジング内において、気密な内部空間を構成してい
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発熱室７と副オイル室１９とに
よって形成される内部空間内の自由体積に対して、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、シリコーンオイルは、その高い粘性ゆえに、
ロータ１５の回転時には、発熱室７の内壁面とロータ１
５の外面との間の微少なクリアランスの全体に満遍なく
いきわたる。

【００２７】図１に示すように、前部および後部区画プ
レート５，６内には、連通路１８が設けられている。こ
の連通路１８は、前部区画プレート５において、ロータ
１５の回転中心となる駆動軸１４に近い発熱室７の中心
域に開口する第１開口端１６と、後部区画プレート６に
おいて、ロータ１５の外周部が収まる発熱室７の周域に
開口する第２開口端１７とを有している。第１開口端１
６から第２開口端１７にいたる連通路１８は、前部区画
プレート５およびそれによって区画される前部ウォータ
ジャケット８内、ならびに、後部区画プレート６および
それによって区画される後部ウォータジャケット９内を
貫通するように配設されたパイプによって構成されてい
る。

【００２８】なお、図１では、一本の連通路１８のみが
図示されているが、かかる連通路１８を複数本、駆動軸
１４を中心としてハウジングの半径方向に放射状に設定
してもよい。この場合、複数の連通路１８は、等角度間
隔にて放射配置されることが好ましい。

【００２９】駆動軸１４の前端部にはボルト２０によっ
てプーリ２１が固着されている。プーリ２１はその外周
部に巻き掛けらるベルト（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。したがっ
て、プーリ２１を介するエンジンの駆動力によって駆動
軸１４が回転され、駆動軸１４とともにロータ１５も一
体回転される。これにともない、シリコーンオイルが発
熱室７の内壁面とロータ１５の外面との間隙において剪
断されて発熱する。

【００３０】発熱室７で生じた熱は、前部ウォータジャ
ケット８および後部ウォータジャケット９を流れる循環
水に熱交換され、加熱された循環水が暖房回路（図示
略）を介して車室内の暖房等に供される。

【００３１】次にこの実施形態のビスカスヒータの特徴
的作用について説明する。図２（Ａ）および（Ｂ）は、
駆動軸１４およびロータ１５の回転時におけるシリコー
ンオイルの動きを模式的に示す。なお、説明の便宜上、
ロータと発熱室内壁とのクリアランスは誇張して描かれ
ている。

【００３２】図２（Ａ）は、ロータ１５の起動時または
低速回転時の状況を示す。この場合、発熱室７内の粘弾
性流体であるシリコーンオイルには、ロータ１５の低速
回転によって遠心作用よりもむしろワイセンベルク効果
が優位となり、発熱室７周域のオイルは、その中心域に
集まる傾向をみせる。このため、第１開口端１６付近の
オイル圧が、第２開口端１７付近のオイル圧よりも相対
的に高くなり、連通路１８内において第１開口端１６か
ら第２開口端１７に向かう流れが生じる。結果として、
連通路１８を介しての第１開口端１６から第２開口端１
７へ向かう流れ、および発熱室７内における周域から中
心域に向かう流れが一連のオイル循環を生じさせる。こ
のように、低速回転時には、ワイセンベルク効果主導の
形で、発熱室周域にあるオイルがロータ１５の表面に沿
って発熱室中心域に送り込まれる。

【００３３】図２（Ｂ）は、ロータ１５の高速回転時の
状況を示す。この場合、発熱室７内のシリコーンオイル
には、ロータ１５の高速回転によってワイセンベルク効
果よりも遠心作用が相当優位となり、発熱室７中心域の
オイルは、周域に押しやられる傾向を顕著にみせる。こ
のため、第２開口端１７付近のオイル圧が、第１開口端
１６付近のオイル圧よりも相対的に高くなり、連通路１
８内において第２開口端１７から第１開口端１６に向か
う流れが生じる。結果として、連通路１８を介しての第
２開口端１７から第１開口端１６へ向かう流れ、および
発熱室７内における中心域から周域に向かう流れが一連
のオイル循環を生じさせる。このように、高速回転時に
は、遠心力主導の形で、発熱室周域にあるオイルが、連
通路１８を介して、発熱室中心域に送り込まれる。な
お、ロータ１５の高速回転時には発熱室周域での剪断発
熱も著しい。この際、連通路１８は前部および後部ウォ
ータジャケット８，９内を経由しているため、高温のシ
リコーンオイルの熱が循環水に逃がされる。

【００３４】この実施形態は、次のような利点を有す
る。 （イ） 連通路１８が第１開口端１６と第２開口端１７
を結ぶことによって、発熱室７内の中心域と周域との間
でシリコーンオイルを移動循環させることができる。こ
のため、特にロータ１５が高速回転した場合、発熱室７
内のシリコーンオイルは、相対的に高温の周域から相対
的に低温の中心域へ移動するとともに、低温の中心域か
ら高温の周域へ移動して発熱室７内の温度の均一化を実
現することができる。したがって、この移動によってシ
リコーンオイルの局所における発熱過多が抑制され、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
のばすことになる。

【００３５】（ロ） 連通路１８が前部および後部ウォ
ータジャケット８，９を経由するように設定されている
ため、連通路１８を移動するシリコーンオイルを冷却す
ることができる。特にロータ１５の高速回転時におい
て、発熱室７の周域で高温に達したシリコーンオイルを
冷却し、発熱室７の中心域に送り込むため、一部のシリ
コーンオイルのみが過加熱となることがない。したがっ
て、シリコーンオイルの発熱量過多が抑制され、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。

【００３６】（ハ） 連通路１８を流れる高温のシリコ
ーンオイルの熱は、前部および後部ウォータジャケット
８，９内を流れる循環水に与えられるので、熱を無駄に
することがない。

【００３７】なお、この発明は次のような態様にて具体
化することも可能である。 （１） 図３に示すように、前部および後部区画プレー
ト５，６の本体肉部内に、連通路１８を埋設すること。
この連通路１８は、前部区画プレート５において、ロー
タ１５の回転中心となる駆動軸１４に近い発熱室７の中
心域に開口する第１開口端１６と、後部区画プレート６
において、ロータ１５の外周部が収まる発熱室７の周域
に開口する第２開口端１７とを有している。第１開口端
１６から第２開口端１７にいたる連通路１８は、前部お
よび後部区画プレート５，６を貫通するように埋設され
ている。

【００３８】このように構成すれば、連通路１８を移動
するシリコーンオイルの熱が、前部および後部ウォータ
ジャケット８，９を流れる循環水に各区画プレート５，
６の壁部を介して伝導伝熱することができる。したがっ
て、シリコーンオイルを冷却することができるととも
に、その劣化を防止することができる。

【００３９】（２） 発熱室７の第１開口端１６と第２
開口端１７とを結ぶ連通路１８をハウジング外部を迂回
するように経路設定すること（図４参照）。このように
構成すれば、高温に達したシリコーンオイルを外気で冷
却することができる。その結果、シリコーンオイルの劣
化を防止することができる。

【００４０】（３） 図４に示すように、前記（２）の
ように構成した連通路１８の途中に冷却手段としてのク
ーラー２３を並設すること。かかるクーラー２３は、空
冷式または水冷式のいずれでもよい。

【００４１】このように構成すれば、高温に達したシリ
コーンオイルをより積極的に冷却することができ、冷却
効果が高まる。 （４） 図５に示すように、ロータ１５の前後のクリア
ランスＬ１，Ｌ２を異ならせること。即ち、ロータ１５
前面の第１作用面と発熱室７の前側内壁面との間には第
１クリアランスＬ１が、ロータ１５後面の第２作用面と
発熱室７の後側内壁面との間には第２クリアランスＬ２
がそれぞれ形成されている。そして、連通路１８は、第
１クリアランスＬ１側において発熱室７中心域への第１
開口端１６を、第２クリアランスＬ２側において発熱室
７周域への第２開口端１７をそれぞれ有している。この
とき、発熱室７において、第２クリアランスＬ２が第１
クリアランスＬ１よりも狭く設定されている。

【００４２】ロータ１５の高速回転時には、発熱室周域
は前述の遠心力作用によりその中心域に対し高圧にな
る。本別例の如くビスカスヒータを構成すれば、両クリ
アランスＬ１，Ｌ２の広狭関係に基づき、第２開口端１
７付近のオイル圧が第１開口端１６付近でのオイル圧よ
りも相対的に大きくなる。したがって、発熱室７周域か
ら連通路１８を介して発熱室７中心域へいたる粘性流体
の移動が促進される。

【００４３】

【発明の効果】各請求項に記載のビスカスヒータによれ
ば、前述のように連通路が発熱室とともに発熱室の中心
域と周域との間で粘性流体の循環経路を構築することか
ら、粘性流体はこの連通路を介して冷却されつつ移動す
ることができる。このため、発熱室内における粘性流体
の温度の均一化が図られて、粘性流体の劣化を未然に防
止することができる。それ故、ビスカスヒータは優れた
発熱性能を持続的に発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施形態のビスカスヒータの縦断面図。

【図２】 粘性流体の動きを模式的に示す図であり、
（Ａ）は低速回転時、（Ｂ）は高速回転時の状況を示
す。

【図３】 別の実施形態におけるビスカスヒータの一部
拡大断面図。

【図４】 別の実施形態におけるビスカスヒータの一部
拡大断面図。

【図５】 別の実施形態におけるビスカスヒータの一部
拡大断面図。

【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、５
…前部区画プレート、６…後部区画プレート（１，２，
５，６は、ハウジングを構成する）、７…発熱室、８…
放熱室と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、…、１４…駆動軸、１
５…ロータ、１６…発熱室中心域への開口端としての第
１開口端、１７…発熱室周域への開口端としての第２開
口端、１８…連通路、２３…冷却手段としてのクーラ
ー、Ｌ１…第１クリアランス、Ｌ２…第２クリアラン
ス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 努 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング内に区画された発熱室および
   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おいて、 前記ロータの回転中心に近い発熱室の中心域と、前記ロ
   ータの外周部に近い発熱室の周域とをつなぐとともに、
   粘性流体の冷却に関与する連通路を設けたビスカスヒー
   タ。
2. 【請求項２】 前記連通路は、前記放熱室内を貫通する
   ように設定されている請求項１に記載のビスカスヒー
   タ。
3. 【請求項３】 前記連通路は、前記放熱室を区画するた
   めの区画部材内に埋設されている請求項１に記載のビス
   カスヒータ。
4. 【請求項４】 前記連通路は、前記ハウジングの外側を
   迂回するように設定されている請求項１に記載のビスカ
   スヒータ。
5. 【請求項５】 前記ハウジングの外側を迂回する連絡路
   には、粘性流体の冷却手段が並設されている請求項４に
   記載のビスカスヒータ。
6. 【請求項６】 前記ロータの第１および第２作用面と、
   それらと対向する前記発熱室の内壁面との間には第１お
   よび第２のクリアランスが形成され、前記連通路は、前
   記第１クリアランス側において発熱室中心域への開口端
   を有するとともに、前記第２クリアランス側において発
   熱室周域への開口端を有しており、前記第２クリアラン
   スは前記第１クリアランスよりも狭くなっている請求項
   １〜５のいずれか一項に記載のビスカスヒータ。