KR100287586B1 - 열발생기 - Google Patents

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다카시 반
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다쓰야 히로세
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이시카와 타다시
가부시키가이샤 도요다지도숏키 세이사쿠쇼
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    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24V—COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

큰 발열량의 확보와 내구성을 확실히 양립시킬 수 있는 열발생기를 제공한다.
발열실(6)을 구성하는 전면부 플레이트(2)및 후면부 플레이트(3)가 선열팽창계수β가 큰 알루미늄다이캐스트(ADC12)이며 회전자(11)의 선열팽창계수β가 적은 중탄소강(S45C)이다.

Description

열발생기
본 발명은 점성유체를 전단력(shearing force)에 의해 발열시켜 방열실내를 순환하는 순환유체에 열교환해서 난방열원으로 이용하는 열발생기에 관한 것이다.
종래에 일본국 특개평 8-337110호공보에 차량용난방장치에 이용될 수 있는 열발생기가 제안되어 있다.
이 열발생기에서는 하우징(housing)내에 발열실과 물자키트(water jacket)가 형성되고 발열실에 인접하는 물자키트에는 냉각수가 순환하도록 되어 있다.
또 하우징에는 축받이장치 및 축밀봉장치를 거쳐서 구동축이 회전가능하게 지지되고 구동축의 후부단말에는 발열실내의 발열실내에서 회전가능한 회전자(rotor)가 설치되고 구동축의 전면단말에는 전자클러치가 설치되어 있다.
그리고 발열실의 벽면과 회전자 외면의 액밀적(液密的)간격에는 실리콘오일등의 점성유체가 개재되어 있다.
차량의 난방장치에 조립된 이 열발생기에서는 구동축이 엔진에 의해 구동되면 발열실내에서 회전자가 회전하기 때문에 점성유체가 발열실의 벽면과 회전자의 외면과의 액밀적간격에서 전단력에 의해 발열한다.
이 발열은 물자키트내의 냉각수에 열교환되고 가열된 냉각수가 난방회로로 차실등의 난방에 제공되게 된다.
그러나 종래의 열발생기에서는 반드시 큰 발열량의 확보와 내구성을 양립시킬 수가 없었다.
즉, 이런 종류의 열발생기에 있어서 큰 발열량을 확보하기 위해서는 발열실의 벽면과 회전자 외면의 액밀적간격이 적은 쪽이 바람직하다.
한편, 기동 후, 운전을 계속하고 있으면 점성유체는 발열에 의해 고온화하기때문에 하우징 중, 발열실을 구성하는 것이나 회전자가 열팽창한다.
이 때문에 발열실을 구성하는 하우징이나 회전자의 재질의 선택여하에 따라서는 액밀적간격이 다시또 적게 되고 하우징과 회전자의 사이에서 간섭, 마모등을 발생시키게 된다.
또 이미 충분히 차실등의 난방이 얻어져 있다고 해도 점성유체는 점점 발열하여 열적열화나 기계적열화가 진행해버린다.
특히, 상기한 공보에 제시된 회전자가 프라스틱으로된 열발생기에서는 하우징을 내열성의 관점으로부터 금속재료로 구성한 경우, 일반적으로 프라스틱의 열팽창계수가 금속재료의 열팽창계수보다도 크기때문에 상기한 내구성이 위태롭게 된다.
또 열발생기를 차량에 탑재시키는 것이면 엔진은 매분 수천회정도의 고속회전으로 구동축을 구동시키는 경우도 있고, 이 경우에는 점성유체는 수100℃의 환경하에 놓여지게 되므로 프라스틱으로 된 회전자에서는 그 자체로 내열성이 위태롭게 되는 것은 말할 것도 없다.
본 발명은 상기한 종래의 실상을 감안하여 이루어진 것으로서 큰 발열량의 확보와 내구성을 확실히 양립시킬 수가 있는 열발생기를 제공하는 것을 해결해야 할 과제로 한다.
도1은 실시형태의 비스커스히터의 세로단면도
도2는 실시형태의 비스커스히터의 일부확대단면도
도3은 구동축의 회전수와 발열량비와의 관계를 나타내는 그래프
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
2. 전면부 플레이트
3. 후면부 플레이트
6. 발열실
7,8. 축받이장치
10. 구동축
11. 회전자
본 발명의 열발생기는 내부에 발열실 및 그 발열실에 인접해서 순환유체를 순환시키는 방열실을 형성하는 하우징과 그 하우징에 축받이장치를 거쳐서 회전이 가능하게 지지된 구동축과 발열실내에서 구동축에 의해 회전가능하게 설치된 회전자와 발열실의 벽면과 회전자 외면의 액밀적간격에 개재되고 회전자의 회전에 의해 발열시키는 점성유체를 갖는 열발생기에 있어서, 상기한 하우징중 발열실을 구성하는 것의 열팽창계수는 회전자의 열팽창계수보다도 큰 것을 특징으로 한다.
이 열발생기에서는 큰발열량을 확보하기 위해 발열실의 벽면과 회전자의 외면과의 액밀적간격을 적게 할 수가 있다.
그리고 기동 후, 운전의 계속에 의해 점성유체가 발열에 의해 고온화되면 발열실을 구성하는 하우징 및 회전자는 열팽창하겠지만 발열실을 구성하는 하우징의 열팽창계수가 회전자의 열팽창계수보다 크기때문에 발열실을 구성하는 하우징이 회전자보다 크게 열팽창한다.
이 때문에 액밀적간격은 적게 되지 않고 하우징과 회전자의 사이에서 간섭, 마모등이 생기지 않는다.
결국 발열실을 구성하는 하우징이나 회전자의 재질의 선택여하에 따라서는 액밀적간격이 크게 되기때문에 그 시점에서 이미 충분히 차실등의 난방이 얻어지고 있으면 점성유체의 발열은 억제되고 열적열화나 기계적열화를 방지할 수가 있다.
따라서, 이 열발생기에서는 큰 발열량의 확보와 내구성을 확실히 양립시킬 수가 있다.
하우징중 발열실을 구성하는 것으로서는 알루미늄계금속이나 동계금속을 채용할 수가 있고 회전자로서는 철계합금이나 세라믹스를 채용할 수가 있다.
제조비용 성형성의 관점으로부터 발열실을 구성하는 하우징은 알루미늄계금속, 회전자는 철계합금인 것이 바람직하다.
발열실을 알루미늄계금속으로 구성하면 열전도도 양호하므로 방열실내의 순환유체에의 열교환율이 우수하다.
또 발열실을 구성하는 하우징이나 회전자를 이들 금속재료로 구성하면 열발생기를 차량에 탑재시킨다고해도 내열성의 염려는 없다.
(실시예)
다음에 본 발명을 구체화한 실시형태를 도면을 참조해서 설명한다.
실시형태에 있어서의 열발생기로서의 비스커스히터(viscous heater)에서는 도1에 나타내는 바와 같이 전면부하우징본체(1), 전면부 플레이트(2), 후면부 플레이트(3) 및 후면부하우징 본체(4)가 각각 적층되고 이들 각각 사이에 오(O)링을 거쳐서 복수개의 볼트(5)에 의해 체결되어 있다.
전면부 플레이트(2)의 후면에는 원형의 오목한부가 형성되어 있고 이 오목한부는 후면부 플레이트(3)의 전면에 의해 발열실을 형성하고 있다.
여기서 전면부하우징 본체(1), 전면부 플레이트(2), 후면부 플레이트(3)및 후면부하우징 본체(4)는 모두 선열팽창계수 β가 2.10×10-5(1/K)의 알루미늄다이캐스트(ADC12)로 이루어진다.
또 전면부 플레이트(2)의 전면에는 원호상의 핀(fin)(2b)가 복수개 축방향전방으로 돌출설치되어 있고 전면부하우징 본체(1)와 이들 핀(2b)에 의해 전면부방열실로서의 전면부물자키트(FW)가 형성되어 있다.
또 후면부 플레이트(3)의 후면에도 원호상의 핀(3b)이 복수개 축방향후방으로 돌출설치되고 후면부하우징 본체(4)와 이들 핀(3b)에 의해 후면부방열실로서의 후면부물자키트(RW)가 형성되어 있다.
후면부하우징본체(4)에는 도시하지 않은 난방회로에 접속된 입수포트(13)및 출수포트(14)가 설치되어 있고 입수포트(13)로부터 도입된 순환유체로서의 냉각제는 전면부 및 후면부물자키트(FW),(RW)내를 순환하여 출수포트(14)로부터 도출되도록 되어 있다.
그 사이 냉각제는 핀(2b),(3b)에 따라서 흐르도록 되어 있고 핀(2b),(3b)는 그때에 수열면적(受熱面積)을 향상시키고 있다.
전면부 플레이트(2) 및 후면부 플레이트(3)의 축구멍에는 축밀봉장치내장의 축받이장치(7),(8)가 설치되고 이들 축받이장치(7),(8)에 의해 구동축(10)이 회전가능하게 지지되어 있다.
또 구동축(10)에는 축받이장치(7),(8)간에 위치하고 발열실(6)내에서 회전가능한 회전자(11)가 삽입되어 있다.
여기서 회전자(11)는 선열팽창계수 β가 1.17×10-5(1/K)의 중탄소강(S45C)으로 이루어진다.
이 회전자(11)는 원판상을 이루고 있고 점성유체로서의 실리콘오일의 전단효과를 높임과 동시에 발열실(6)내의 실리콘오일을 외부원주영역으로 이행시키는 복수개의 공극(slit)을 갖고 있다.
또 이 회전자(11)의 중앙영역에는 전후로 관통하는 연통구멍(11b)이 복수개 형성되어 있다.
발열실(6)과 회전자(11)의 액밀적간격에는 실리콘오일이 40∼70vol%의 충전율로 충전되어 있다.
이 비스커스히터에서는 큰 발열량을 확보하기 위해 액밀적간격을 적게 하고 있다.
그리고 전면부하우징 본체(1)의 보스(boss)에는 축받이장치(17)를 거쳐서 풀리(18)가 회전가능하게 설치되어 있고 풀리(18)는 스플라인 및 볼트(19)에 의해 구동축(10)의 전면단말에 체결되어 있다.
이 풀리(18)는 도시하지 않은 엔진과 벨트에 의해 접속되어 있다.
이상과같이 구성된 비스커스히터에서는 구동축(10)이 엔진에 의해 구동되면 발열실(6)내에서 회전자(11)가 회전하므로 실리콘오일이 발열실(6)의 벽면과 회전자(11)의 외면과의 액밀적간격에서 전단력에 의해 발열한다.
이 발열은 전면부 및 후면부물자키트(FW),(RW)내의 냉각제에 열교환되고 가열된 냉각제가 난방회로로 차실의 난방 및 엔진의 가열에 제공되게 된다.
기동 후, 운전의 계속으로 실리콘오일의 발열에 의해 고온화되면 전면부 플레이트(2)도 후면부 플레이트(3)도 회전자(11)도 열팽창한다.
그러나 전면부 플레이트(2)및 후면부 플레이트(3)의 선열팽창계수β가 2.10×10-5(1/K)이며 회전자(11)의 선열팽창계수β가 1.17×10-5(1/K)이기때문에 전면부 플레이트(2)및 후면부 플레이트(3)가 회전자(11)보다 크게 열팽창한다.
특히, 이 비스커스히터에서는 원판상의 회전자(11)를 채용하고 있으므로 도2에 나타내는 바와 같이 회전자(11)의 원주속도가 큰 외부원주영역쪽이 원주속도가 적은 내부원주영역보다도 실리콘오일을 발열시키는 것으로부터 전면부 플레이트(2)및 후면부 플레이트(3)의 열팽창길이(화살표로 나타낸다)와 회전자(11)의 열팽창길이(화살표로 나타낸다)와의 차이는 외부원주영역쪽이 내부원주영역보다 커지게 된다.
이 때문에 비스커스히터에서는 액밀적간격은 적게 되지 않고 전면부 플레이트(2)및 후면부 플레이트(3)와 회전자(11)의 사이에서 간섭, 마모등이 생기지 않는다.
결국, 이 비스커스히터에서는 액밀적간격이 커지게 되므로 그 시점에서 이미 충분히 차실등의 난방이 얻어지고 있으면 실리콘오일의 발열은 억제되고 열적열화나 기계적열화를 방지할 수가 있다.
따라서, 이 비스커스히터에서는 큰 발열량의 확보와 내구성을 확실히 양립시킬 수가 있다.
(평가)
20℃의 상온의 조립시에 있어서 도2에 나타내는 바와 같이 발열실(6)을 구성하는 전면부 플레이트(2)의 오목한부의 깊이 S를 5.2mm, 회전자(11)의 두께 L을 5.0mm, 전면측의 액밀적간격의 폭 C1을 0.1mm,후면측의 액밀적간격의 폭 C2를 0.1mm로 한다.
그리고 전면부 플레이트(2)및 후면부 플레이트(3)를 ADC12로 구성하고 회전자(11)를 S45C로 구성하고 기타는 상기한 실시형태와 같은 모양으로해서 실시예의 비스커스히터를 조립한다.
또 전면부 플레이트(2)및 후면부 플레이트(3)를 ADC12로 구성하고 회전자(11)도 ADC12로 구성하고 기타는 상기실시예와 같은 모양으로해서 비교예의 비스커스히터를 조립한다.
여기서 S45C의 선열팽창계수 β1은(β1=1.17×10-5(1/K), ADC12의 선열팽창계수 β2는(β2=2.10×10-5(1/K)로 한다.
그러면 온도 t°C인때의 전면측 또는 후면측의 액밀적간격의 폭 C1, C2는
로 표시된다.
또 실리콘오일의 점도를 μ(포어스)로 하고 회전자(11)의 각속도를 ω(rad/초)로 하고 회전자(11)의 반경을 r0mm로 하면 양측의 이론발열량 Q(cal)는
로표시된다.
이것을 변형하면,
가얻어진다.
그리고 실시예의 비스커스히터와 비교예의 비스커스히터에 대해서 (1)식과 (3)식으로부터 회전자(11)의 회전수(rpm)와 발열량비(실시예의 비스커스히터의 발열량/비교예의 비스커스히터의 발열량)과의 관계를 구한다.
결과를 도3에 나타낸다.
도3으로부터 실시예의 비스커스히터는 비교예의 비스커스히터에 대해서 액밀적간격이 커지게 되어 발열을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한 상기한 실시예에서는 회전자가 원판상이였으나 회전자가 원통형의 비스커스히터의 경우는 직경방향의 액밀적간격의 변화가 주가 된다.
큰 발열량의 확보와 내구성과를 확실히 양립시킬 수 있는 열발생기를 제공한다.

Claims (2)

  1. 내부에 발열실(6) 및 그 발열실(6)에 인접해서 순환유체를 순환시키는 방열실을 형성하는 하우징과 그 하우징에 축받이장치(7),(8)를 거쳐서 회전이 가능하게 지지된 구동축(10)과 발열실(6)내에서 구동축(10)에 의해 회전가능하게 설치된 회전자(11)와 발열실(6)의 벽면과 회전자(11) 외면의 액밀적간격에 개재되고 회전자(11)의 회전에 의해 발열시키는 점성유체를 갖는 열발생기에 있어서, 상기한 하우징중 발열실(6)을 구성하는 것의 열팽창계수는 회전자(11)의 열팽창계수보다도 큰것을 특징으로 하는 열발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    하우징 중, 발열실(6)을 구성하는 것은 알루미늄계금속으로 되고 회전자(11)는 철계금속인 것을 특징으로 하는 열발생기.
KR1019980017335A 1997-08-07 1998-05-14 열발생기 KR100287586B1 (ko)

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