JPH10920A - ビスカスヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ビスカスヒータにおけるシール材の破損やオイ
ル漏れを未然に防止してビスカスヒータの耐久性及び信
頼性を向上させる。 【解決手段】相互連結された前後ハウジング１，６内に
は発熱室７が形成されている。発熱室７内には、駆動軸
１２の一部及びロータ１３がオイルシール１０と共に収
納され、また、粘性流体としてのオイルＦが充填されて
いる。オイル充填率が発熱室７の実質内容積に対して５
０％〜７０％の範囲となるように、オイルＦの量が決め
られている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハウジング内に区
画された収納空間に粘性流体を収納すると共に、ロータ
の回動による当該粘性流体の剪断作用に基づいて発生し
た熱を放熱室の循環流体に熱交換するビスカスヒータに
関する。特に、本発明は、前記収納空間における粘性流
体の適正な充填率に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】車載用の補助熱源として、自動車のエン
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。かかるビスカスヒータはそのハウジング内に、エン
ジンからの駆動力を伝達する駆動軸と、その駆動軸の一
端部に作動連結されたロータとを備えている。ハウジン
グ内には発熱室が区画され、当該発熱室内には前記駆動
軸の一端部と前記ロータとが収納される。そして、前記
発熱室に所要量の粘性流体（一般的にはシリコーンオイ
ル）を充填し、発熱室の内壁面とロータの外面との間隙
にシリコーンオイルを介在させている。この場合、発熱
室におけるオイルの充填率は、例えば８０％以上と高く
設定されている。また、前記発熱室内において前記駆動
軸周りにはオイルシールが設けられ、発熱室を気密とし
て発熱室からのオイル漏れを防止している。

【０００３】前記オイル充填率を８０％以上としたの
は、ビスカスヒータと発熱原理を同じくするビスカスカ
ップリングの例に倣ったものである。ビスカスカップリ
ングでは、作動媒体としてのオイルの発熱に起因する容
積膨張を二つのクラッチプレートの相互圧着動作に利用
し、いわゆるハンプ現象を利用して入力側から出力側へ
のトルク伝達を制御している。このため、ビスカスカッ
プリングでは、両クラッチプレートの略直結状態を確実
にするため、オイル充填率を可能な限り高く設定する設
計が好まれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、ビスカスヒータ
では、発熱室の内壁面とロータの外面との間隙に介在さ
れる粘性流体をロータで剪断することによって熱を発生
させている。この発熱による粘性流体の温度上昇に伴
い、発熱室内に閉じこめられた粘性流体及び空気が共に
膨張し、その膨張の程度に応じて発熱室の内部圧力が上
昇傾向を示す。

【０００５】しかし、発熱室内における粘性流体の占有
体積が空気の占有体積に比して相当程度大きい場合（即
ち、オイル充填率が高い場合）、両者の熱膨張係数の相
違により、発熱室の内圧がオイルシールの耐圧（最大許
容圧力）を超えて過度に高まるおそれがある。このよう
な過度な内圧の高まりは、オイルシールの破損やオイル
漏れの原因となる。

【０００６】本発明の目的は、ビスカスヒータに用いら
れたシール材の破損やオイル漏れを未然に防止して、耐
久性及び信頼性に優れたビスカスヒータを提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ハウジング内
に区画された収納空間に粘性流体を収納し、ロータの回
動による当該粘性流体の剪断作用に基づいて発生した熱
を放熱室の循環流体に熱交換するビスカスヒータにあっ
て、前記収納空間における粘性流体の充填率を５０％〜
７０％の範囲内に設定することをその要旨とする。

【０００８】この発明によれば、粘性流体が所期の発熱
温度に達したときでも、粘性流体その他の内容物の熱膨
張に基づく内圧の高まりを、ビスカスヒータに用いられ
たシール材の耐圧範囲内に抑えることが可能となる。
尚、粘性流体の充填率が７０％を超える場合、前記粘性
流体等の熱膨張に基づく内圧の高まりを前記シール材の
耐圧範囲内に抑えることが困難となり、ビスカスヒータ
の気密性を損なって流体漏れ等の不都合を生ずるおそれ
がある。一方、粘性流体の充填率を５０％未満とする
と、ロータの剪断作用を受ける粘性流体の絶対量が不足
し、ヒータの発熱性能を低下させるおそれがある。

【０００９】前記粘性流体の収納空間は、前記ロータが
収納されると共に該ロータを作動連結する駆動軸の一部
が収納され、シール材によって気密化された発熱室を含
んでなることは好ましい。

【００１０】発熱室内にロータを収納すると共にそのロ
ータを駆動軸に作動連結する必要から、駆動軸の外周面
に沿った流体漏れを防止するためのシール材が必要とな
る。このシール材を、過度な内圧の高まりによる損傷や
磨耗から保護することがビスカスヒータの耐久性向上に
直接的につながるためである。

【００１１】前記粘性流体の収納空間における内部雰囲
気、即ち、当該収納空間において粘性流体が占有しない
空間を非酸化性ガスで満たすことは好ましい。これによ
り粘性流体の収納空間から酸素が排除され、粘性流体の
酸化による劣化が未然に防止される。このことは、ビス
カスヒータの発熱性能を長期にわたり安定化させる。
尚、この目的にかなう非酸化性ガスとしては、窒素、炭
酸ガス及び希ガスがあげられる。希ガスとしては、ヘリ
ウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）又はアルゴン（Ａｒ）が
あげられる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本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実施形態を図
面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１３】図１は本発明の実施形態に従うビスカスヒ
ータを示す。前部ハウジング１、区画プレート２及び後
部ハウジング本体３が、区画プレート２と後部ハウジン
グ本体３との間にガスケット４を介しつつ、各々積層さ
れた状態で複数本のボルト５（１本のみ図示）により締
結されている。区画プレート２及び後部ハウジング本体
３は、後部ハウジング６を構成する。

【００１４】前部ハウジング１の後端に設けられた凹部
は、区画プレート２の平坦な前端面と共に発熱室７を形
成している。一方、区画プレート２の後端面と後部ハウ
ジング本体３の内壁面とによって、発熱室７に隣接する
放熱室としてのウォータジャケット８が形成されてい
る。後部ハウジング本体３の後部外側には、車両内に設
けられた暖房回路（図示略）からジャケット８に、循環
流体としての循環水を取り入れる入水ポート９と、当該
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）とが並設されている。

【００１５】区画プレート２の中央部後端には短円柱状
の凸部２ａが突設され、また、プレート２の後端面には
入水ポート９と出水ポートとの間において凸部２ａから
一径方向に延在する隔壁２ｂが突設されている。更に、
プレート２の後端面には、入水ポート９近傍から出水ポ
ート近傍にわたり凸部２ａ周りに円弧状に延在する複数
条のフィン２ｃ〜２ｆが突設されている。これらの凸部
２ａ、隔壁２ｂ及びフィン２ｃ〜２ｆの先端は後部ハウ
ジング本体３の内壁面に当接され、ウォータジャケット
８内における循環水の循環経路を形成している。

【００１６】前部ハウジング１には、発熱室７に隣接し
て軸受装置１１が設けられ、この軸受装置１１を介して
駆動軸１２が回動可能に支承されている。駆動軸１２の
後端部には、その軸方向に平行に延びる外スプライン１
２ａが形成されている。駆動軸１２上には、発熱室７内
に収納される円板形のロータ１３が装着されており、そ
のロータ１３の中心部に穿設されたハブ孔内には、前記
外スプライン１２ａに対応する内スプライン１３ａが形
成されている。内外スプライン１２ａ，１３ａの係合関
係に基づき、ロータ１３は駆動軸１２に対して相対回動
不能かつその軸芯方向（スラスト方向）に変位可能に嵌
合されている。また、発熱室７の前端側において駆動軸
１２周りには、シール材としての環状のオイルシール１
０が設けられている。こうして、発熱室７は、駆動軸１
２の後端部、ロータ１３及びオイルシール１０を収容し
つつ気密状態に保たれている。

【００１７】このビスカスヒータの製造過程において、
発熱室７には、粘性流体としてのシリコーンオイルＦが
充填される。オイルシール１０、駆動軸１２及びロータ
１３の組み付け後でオイル充填前の発熱室７の実質内容
積をＶt1とした場合、前記シリコーンオイルの充填容量
ＶF は、Ｖt1の５０％〜７０％の範囲（本実施形態では
約６０％）となるように設定されている。この場合、粘
性流体の収納空間としての発熱室７におけるオイル充填
率Ｒは、ＶF ／Ｖt1で計算される。即ち、本実施形態で
は、Ｒ＝０．６０に設定されている。

【００１８】オイルの充填容量ＶF は実質内容積Ｖt1に
対して相当程度低いが、発熱室７の内壁面とロータ１３
の外面との間のクリアランスはかなり狭いため、ひとた
びロータ１３が回転されるや、発熱室７の内壁面とロー
タ１３の外面との対向間隙には表面張力に基づいてシリ
コーンオイルが満遍なく介在される。故に、シリコーン
オイルの充填容量ＶF を前記範囲に設定する限り、オイ
ル充填率Ｒを従来の慣行よりも低く設定したことで発熱
性能が低下することを危惧する必要はない。

【００１９】オイル充填後の発熱室７の残余空間（本実
施形態ではＶt1の約４０％の体積を占める）には、大気
圧相当の空気が充填されたままでもよいが、空気の代わ
りに非酸化性ガスを封入することは更に好ましい。非酸
化性ガスとしては、窒素ガス、炭酸ガス及び希ガス（ヘ
リウム、ネオン、アルゴン等）があげられる。尚、発熱
室７内に充填される空気又は非酸化性ガスは、大気圧
（通常１気圧）以下の低圧とされてもよい。

【００２０】駆動軸１２の前端部にはボルト１４によっ
てプーリ１５が固着されている。当該プーリ１５はその
外周部にかけられるベルト（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。従っ
て、プーリ１５を介してエンジンの駆動力によって駆動
軸１２が回転され、ロータ１３が一体回転される。これ
に伴い、シリコーンオイルが発熱室内壁面とロータ外面
との間隙で剪断されて発熱する。この熱はウォータジャ
ケット８内の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に供され
る。

【００２１】図２のグラフは、粘性流体の発熱温度ごと
に、オイル充填率Ｒと発熱室７内の内部圧力Ｐとの関係
を実測した結果を示す。発熱温度としては、１５０℃、
２００℃及び２５０℃の３種類が選ばれた。このビスカ
スヒータが補助熱源として実用に供されるためには、そ
の発熱温度が２００℃〜２５０℃程度であることが好ま
しい。粘性流体の温度が１５０℃未満では、ウォータジ
ャケット（放熱室）８内の循環水が高温となった場合
に、発熱室７とウォータジャケット８との間において十
分な温度勾配を得ることができず、循環水に対して十分
な熱交換を行うことができなくなるおそれがある。一
方、２５０℃を超える温度に耐えるシリコーンオイルは
入手が難しく、又、入手できても極めて高価となるた
め、発熱温度を２５０℃以上とする設計は現実性を欠
く。

【００２２】図２のグラフからわかるように、粘性流体
の温度が２５０℃の場合でも、オイル充填率Ｒを０．７
以下に設定する限り、内部圧力Ｐが３ｋｇｆ／ｃｍ2 を
超えることがない。３ｋｇｆ／ｃｍ2 という値は、一般
に汎用されているオイルシールの最大許容圧力（耐圧）
に相当する。

【００２３】以下に、この実施形態の効果を列挙する。 （イ）オイル充填率Ｒを０．７（７０％）以下に設定
し、ロータ１３の回転により粘性流体Ｆが発熱・膨張し
ても、発熱室７の内部圧力Ｐが３ｋｇｆ／ｃｍ2を超え
ないようにした。このため、オイルシールの破損を危惧
することなく、平均的な耐圧（３ｋｇｆ／ｃｍ2 ）を持
つ汎用のシール材を本件ヒータのオイルシール１０とし
て使用することができる。

【００２４】（ロ）オイルシールは一般に、封止領域の
内部圧力の上昇に応じて磨耗の程度が大きくなるが、本
実施形態のビスカスヒータでは、発熱室７の内部圧力Ｐ
を適正な低い値に維持することができるため、オイルシ
ール１０自体の寿命を延ばすことができる。

【００２５】（ハ）オイルシールの耐圧を向上させる最
も安易な手法は、シール材の肉厚を増し、あるいは、高
耐圧規格のシール材を用いることであるが、いずれもビ
スカスヒータの製造コストを増加させる。これに対し、
本実施形態によれば、上述のように、比較的安価な汎用
シール材を用いることができる。即ち、製造コストの増
加を招来せずにビスカスヒータの耐久性及び信頼性を改
善することが可能となる。

【００２６】（ニ）発熱室７内の残余空間（内部雰囲
気）を窒素ガス等の非酸化性ガスで満たした場合、シリ
コーンオイルの高温酸化による劣化を効果的に防止する
ことができる。従って、シリコーンオイルの所期の特性
を長期にわたり維持することができ、この点で、ビスカ
スヒータの発熱効率の低下を防止することができる。

【００２７】尚、本発明は上記実施形態に限定されるも
のではなく、例えば次のような態様にて実施することも
可能である。 （ａ）プーリ１５と駆動軸１２との間に電磁クラッチ機
構を採用し、エンジンの駆動力をビスカスヒータの駆動
軸１２に断続的に伝達可能とすること。

【００２８】（ｂ）図３に示すように、発熱室７に隣接
して副オイル室としてのオイル貯留室２０を設けたビス
カスヒータに本発明が適用されてもよい。即ち、区画プ
レート２の後端面と後部ハウジング本体６との間の空間
をオイル貯留室２０として区画する。そのオイル貯留室
２０の周囲に、入水ポート２１及び出水ポート２２につ
ながれたウォータジャケット２３を配置する。そして、
区画プレート２には、それを貫通するオイル回収通路２
４と、オイル供給通路２５とを形成し、両通路２４，２
５を介して発熱室７とオイル貯留室２０とを連通させ
る。従って、このビスカスヒータにおいては、発熱室７
及びオイル貯留室２０によって粘性流体Ｆの収納空間が
構成される。

【００２９】ここで、オイルシール１０、駆動軸１２及
びロータ１３の組み付け後でオイル充填前の発熱室７の
実質内容積をＶt1とし、オイル充填前におけるオイル貯
留室２０、通路２４及び２５の内容積の合計をＶt2と
し、発熱室７及びオイル貯留室２０へのシリコーンオイ
ルＦの充填容量をＶF2とする。すると、この場合のオイ
ル充填率Ｒは、ＶF2／（Ｖt1＋Ｖt2）で計算される。こ
の場合でも、オイル充填率Ｒが０．５〜０．７の範囲と
なるようにシリコーンオイルＦの充填容量ＶF2が設定さ
れる限り、前記（イ）〜（ニ）と同様の効果を奏するこ
とができる。

【００３０】尚、本明細書で言う「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。

【００３１】また、「粘性流体の収納空間」とは、ビス
カスヒータ内にあって粘性流体が収納され又は移動し得
る空間、部屋、通路、キャビティー等の全領域を意味す
るものであり、発熱室７やオイル貯留室２０に限定され
るものではない。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、各請求項に記載の
ビスカスヒータによれば、粘性流体の充填率を適正に設
定することで、粘性流体の収納空間における内部圧力の
高まりをビスカスヒータに用いられるシール材の耐圧範
囲内に抑えることができる。このため、シール材の破損
やオイル漏れを未然に防止して、ビスカスヒータの耐久
性及び信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に従うビスカスヒータの縦断
面図。

【図２】オイル充填率と内部圧力との関係を示すグラ
フ。

【図３】本発明に従うビスカスヒータの別例の縦断面
図。

【符号の説明】

１…前部ハウジング、６…後部ハウジング、７…発熱室
（ハウジング内において粘性流体の収納空間の一部を区
画する）、８…放熱室としてのウォータジャケット、１
０…シール材としてのオイルシール、１２…駆動軸、１
３…ロータ、２０…オイル貯留室（ハウジング内におい
て粘性流体の収納空間の一部を区画する）、Ｆ…粘性流
体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 廣瀬 達也 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング内に区画された収納空間に粘
   性流体を収納し、ロータの回動による当該粘性流体の剪
   断作用に基づいて発生した熱を放熱室の循環流体に熱交
   換するビスカスヒータにおいて、前記収納空間における
   粘性流体の充填率を５０％〜７０％の範囲内に設定した
   ビスカスヒータ。
2. 【請求項２】 前記粘性流体の収納空間は、前記ロータ
   が収納されると共に該ロータを作動連結する駆動軸の一
   部が収納され、シール材によって気密化された発熱室を
   含んでなる請求項１に記載のビスカスヒータ。
3. 【請求項３】 前記粘性流体の収納空間の内部雰囲気を
   非酸化性ガスで満たした請求項１又は２に記載のビスカ
   スヒータ。