KR100517057B1 - 비스코스 히터_ - Google Patents

Abstract

본 발명은 점성유체에 전단력을 가하여 마찰열을 발생시키고 그 열을 순환유체에 열교환시켜서 난방열원으로 사용하는 비스코스 히터(Viscous Heater)에 관한 것으로, 특히, 고속 주행시 점성 유체의 일부를 회수하여 발열량을 줄임으로써 엔진 출력을 과다하게 소모하지 않는 자동차용의 비스코스 히터에 관한 것이다.

본 발명의 비스코스 히터는, 맞대어 접합되어 그 사이의 내부에 발열실(11a) 및 상기 발열실에 접하여 순환유체를 순환시키는 방열실(13a)을 형성하는 전,후부 하우징(12)(13); 그리고, 상기 하우징에 회전가능하게 지지되는 구동축(14)과; 상기 발열실 내에서 상기 구동축에 의해 회전하는 것으로, 그 표면이 상기 발열실의 내면에 대하여 소정의 간극을 가지는 로터(10)와; 상기 발열실에 충전됨과 동시에 상기 로터와 발열실 내벽사이에 개재되어 상기 로터의 회전으로 생성되는 전단력에 의하여 발열하는 점성유체를 포함하는 비스코스 히터에 있어서, 상기 발열실은 후단으로 갈수록 단면적이 작아지는 대략 원추형이고; 상기 로터는 내부에 체적을 가지는 저유실(10a)이 형성되고 그 표면은 상기 발열실의 내면 전체에 대하여 소정의 간극을 가지며, 전면에 회전중심으로부터 거리를 두고 형성되는 적어도 하나의 회수공(10c) 및 후측 외주의 경사면에 형성되는 적어도 하나의 공급공(10b)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비스코스 히터

본 발명은 점성유체에 전단력을 가하여 마찰열을 발생시키고 그 열을 순환유체에 열교환시켜서 난방열원으로 사용하는 비스코스 히터(Viscous Heater)에 관한 것으로, 특히, 고속 주행시 점성 유체의 일부를 회수하여 발열량을 줄임으로써 엔진 출력을 과다하게 소모하지 않는 자동차용의 비스코스 히터에 관한 것이다.

최근, 자동차에는 혹한기의 초기 기동시 엔진 냉각수가 정상온도로 가열되지 않음에 따라 난방장치가 제기능을 수행하지 못할 경우 자동차 실내를 난방하고자 하거나 혹은 초기 기동시가 아니더라도 급속난방하고자 할 경우에 사용되는 보조 난방장치로서 점성유체의 마찰열을 이용하는 비스코스 히터가 장착되고 있다. 특히, 연료를 직접 분사하는 방식이 채용되는 디젤 차량은 엔진의 초기 발열량이 작아 난방효율이 좋지 못하기 때문에 이 비스코스 히터의 필요성이 높다.

비스코스 히터는 발열실에 충전된 점성유체에 회전하는 로터로 전단력을 가하여 마찰열을 발생시키고, 이 열을 상기 발열실에 접하는 방열실을 순환하는 순환유체로 열교환시켜 난방 열원으로 사용하는 장치로서, 로터의 형상에 따라 실린더 타입과 플레이트 타입의 두 종류로 분류된다.

실린더 타입의 비스코스 히터는 원통형의 로터를 가진 것으로서 발열효과는 좋으나 부피가 커서 장착성이 불량하며, 반면에, 플레이트 타입은 발열효과는 다소 떨어지지만 장착성이 좋아서 현재 주로 사용되고 있다.

첨부된 도면의 도 1은 종래 플레이트 타입 비스코스 히터의 일 예를 보인 단면도이다.

도시된 바와 같이, 종래 비스코스 히터는, 플레이트(1)를 개재한 채로 접합되어, 플레이트(1)를 사이에 두고 서로 인접하는 발열실(2a)과 방열실(3a)을 형성하는 전,후부 하우징(2)(3)과; 상기 전부 하우징(2)에 지지되는 구동축(4)과; 상기 발열실(2a) 내에서 상기 구동축(4)의 후단에 직결되어 이 구동축(4)에 의해 회전하는 로터(5); 그리고, 상기 구동축(4) 선단에서 엔진에 벨트로 연결되는 풀리(6) 등을 주요 구성으로 하고 있다. 상기 발열실(2a), 즉, 로터(5) 표면과 발열실(2a) 내벽 사이의 간극에는 점성유체인 실리콘 오일이 충전되고, 이 발열실(2a)과 접하는 방열실(3a)에는 순환유체가 충전된다.

설명되지 않은 참조 부호 7과 8이 지시하는 것은 각각 발열실(2a)을 밀폐시키는 축 밀봉장치와 구동축(4)을 지지하는 베어링이고, 부호 3b는 방열실(3a)의 유입구이며, 부호 9는 전,후부 하우징(2)(3)을 결합하는 볼트이다.

이상과 같은 구성들에 의하여, 종래의 비스코스 히터는, 구동축(4)을 통하여 전해지는 엔진의 구동력에 의해 로터(5)가 회전하면서 발열실(2a) 내에 점성유체에 전단력을 가하여 발열실(2a)의 벽면과 로터(5) 사이의 간극에서 마찰열을 발생시키고, 이 마찰열은 방열실(3a)의 순환유체에 열교환되며, 이 때 가열된 순환유체는 방열실(3a)로부터 외부의 난방회로로 순환되므로써, 점성유체의 마찰열을 순환유체를 통하여 난방열원으로 제공한다. 이상의 구성과 작용에 있어서 점성유체 발열량은 로터(5)의 회전수 제곱에 비례한다.

한편, 앞서 인용된 종래의 비스코스 히터는, 로터(5)가 엔진에 의해 구동되는 것으로서, 엔진 회전수가 높은 고속주행에서 엔진 회전수에 비례하는 속도로 회전하는 로터(5)가 고속 회전하여 과다한 열량을 발생시키기 때문에 보조 난방이 거의 필요없는 고속 주행에서 그 열량 만큼의 엔진 출력을 불필요하게 소진시키는 문제점을 안고 있었다.

이러한 문제를 해소한 것으로, 일본 공보 특개평 9-136536호와 9-254636호에는 발열실의 점성유체의 충전량을 제어하므로써 고속 주행에서 발열량을 감소시킬 수 있는 비스코스 히터가 개시되어 있다. 이들은 각각 발열실의 점성유체의 온도가 설정치 이상으로 올라가는 경우, 발열실(2a)로부터 점성유체의 일부를 빼내어 마찰되는 점성유체의 양을 줄이므로써, 발열량이 작아지도록 한 것이다.

그러나, 이상의 두 가지 종래의 비스코스 히터들은 각각 별도의 다이아프램 밸브(Diaphram Valve) 또는 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)등과 같은 점성유체 회수장치가 설치되어야 한다. 따라서 이 히터들은 구조가 복잡하고 부품수가 많기 때문에 설계가 어렵고 제작단가가 높다는 문제점을 가지고 있었다. 뿐만 아니라, 상기 밸브들이 각각 발열실의 외곽에 설치되기 때문에 전체 부피가 커져서 장착성 면에서도 좋지 못하다는 문제점도 가지고 있었다.

이에, 본 발명은, 상기와 같은 종래의 비스코스 히터들이 가진 제반 문제점들이 일소된 것으로, 플레이트 타입과 실린더 타입의 장점이 취합되어, 고속주행에서는 발열량이 작아서 엔진의 출력을 불필요하게 소진시키지 않음은 물론 구조가 간단하여 제작비도 낮고 게다가 부피가 작아서 장착성도 크게 개선된 비스코스 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 가지고 안출된 본 발명은, 맞대어 접합되어 그 사이의 내부에 발열실 및 상기 발열실에 접하여 순환유체를 순환시키는 방열실을 형성하는 전,후부 하우징과; 상기 하우징에 회전가능하게 지지되는 구동축과; 상기 발열실 내에서 상기 구동축에 의해 회전하는 것으로, 그 표면이 상기 발열실의 내면에 대하여 소정의 간극을 가지는 로터와; 상기 발열실에 충전됨과 동시에 상기 로터와 발열실 내벽사이에 개재되어 상기 로터의 회전으로 생성되는 전단력에 의하여 발열하는 점성유체를 포함하는 비스코스 히터에 있어서, 상기 발열실은 후단으로 갈수록 단면적이 작아지는 대략 원추형이고; 상기 로터는, 그 내부에 체적을 가지는 저유실이 형성되고, 표면은 상기 발열실 내벽 전체에 대하여 소정의 간극을 가지며, 전면에 회전중심으로부터 거리를 두고 형성되는 적어도 하나의 회수공 및 후측 외주의 경사면에 형성되는 적어도 하나의 공급공을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 방열실은 상기 발열실의 표면 전체를 둘러싸도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 회수공은 상기 공급공에 비해 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 발열실의 표면에 이 발열실 표면적을 확장하는 다수의 방열핀을 바람직한 구성으로 포함한다.

이하, 첨부된 도면으로 제시된 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 이상의 각 구성들의 기능과 작용을 보다 구체적으로 설명한다.

본 실시예를 설명함에 있어, 명료성을 위하여, 가능한 종래와 중복되지 않게 개선된 부분만을 주로 설명한다.

첨부도면 중 도 2가 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 비스코스 히터를 보인 것으로 그 내부 구조를 보인 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 비스코스 히터는, 속이 비어있는 대략 원추형의 로터(10), 이 로터(10)를 둘러싸 발열실(11a)을 형성하는 플레이트 조립체(11), 플레이트 조립체(11)의 외곽을 밀봉하여 방열실(13a)을 형성하는 전,후부 하우징(12)(13), 상기 로터(10)를 구동하는 구동축(14)을 주요 구성으로 구비하며, 상기 발열실(11a)에 충전되는 점성유체와 방열실(13a)에 충전되는 순환유체를 소모성 구성으로 포함하고 있다.

상기 로터(10)는 내부에 저유실(10a)을 가지는 대략 원추형의 회전체로서, 그 전면에는 구동축(14)으로부터 이격된 적어도 2 개의 회수공(10c)이 형성되어 있으며, 경사진 후면에는 중심으로부터 약간의 거리를 두고 적어도 2 개의 공급공(10b)이 형성되어 있다. 공급공(10b)은 상기 회수공(10c)보다 작게 형성된다. 이 로터의 내부 저유실(10a)과 그 외곽의 발열실(11a)에는 점성유체가 충전된다.

플레이트 조립체(11)는, 열전도성이 좋은 알루미늄 재질의 속 빈 원추체로서, 그 내벽이 상기 로터(10)의 표면과 사이에 미세한 간극을 가지도록 로터(10)를 에워싸 발열실(11a)을 형성한다. 표면에는 표면적을 넓히므로써 열교환율를 높이는 방열핀(11b)이 일체로 성형되어 있으며, 내부에는 점성유체인 실리콘 오일이 충전되어 로터(10)의 저유실(10a)까지 채워진다. 그 충전량은 발열실(11a)과 저유실(10a)을 합친 부피의 70 ∼ 80 % 정도가 바람직하다. 이 점성유체는 로터(10)의 회전에 따라 점성유체가 축의 중심에 모이는 와이젠버그 효과(Weissenberg Effect)에 의한 상승력으로 로터(10)의 저유실(10a)에서 공급공(10b), 발열실(11a), 회수공(10c), 다시 저유실(10a)의 순서, 즉, 도면의 화살표방향으로 순환한다.

전,후부 하우징(12)(13)은, 서로 결합되었을 때 상기 플레이트 조립체(11)에 상응하는 내부구조를 갖는다. 즉, 전부 하우징(12)은 원판형이고 후부 하우징(13)은 원추형의 구조로서 서로 마주보는 쪽이 오목하게 성형된 철제(鐵製) 케이스이며, 상기 전부 하우징(12)의 전면 중심에는 원통형으로 돌출된 구동축 장착용 허브(12a)가 성형된다. 이들은 서로 마주보며 플레이트 조립체(11)를 개재한 채로 접합하여 플레이트 조립체(11) 외곽에 방열실(13a)을 형성한다. 상기 발열실(11a)과 방열실(13a)에는 각각 점성유체와 순환유체가 충전되는데, 발열실(11a)의 점성유체는 발열실(11a)이 밀폐되어 있어서 그 내부에서만 순환하며, 반면에 순환유체는 후부 하우징(13)의 상부에 설치된 유입구(13b) 및 유출구(도시되지 않음)를 통하여 방열실(13a)과 난방회로 사이를 순환한다.

상기 구동축(14)은 전부 하우징(12)에 지지되고, 선단에는 풀리(도시되지 않음)이 장착된다. 반대측 후단은 전부 하우징(12)을 관통하여 발열실(11a)에 수용되며 로터(10)에 결합된다.

설명되지 않은 참조 부호 15 와 16은 각각 발열실(11a)을 밀폐시키는 축 밀봉장치와 구동축(14)을 지지하는 베어링이고, 부호 17은 전,후부 하우징(12)(13)을 결합하는 볼트이다.

이상의 기능을 수행하는 구성들을 포함함에 따라 본 발명의 비스코스 히터는, 기계에너지인 엔진의 구동력 일부를 방열실(13a)내의 순환유체가 갖는 열에너지로 변환시켜 실내를 난방한다. 즉, 엔진의 구동력이 풀리와 구동축(14)을 통하여 로터(10)를 회전시키면, 이 로터(10)에 의하여 발열실(11a) 내의 점성유체에 전단력이 가해져 마찰열이 발생한다. 이 열은 플레이트(11)를 통한 열교환으로 방열실(13a)의 순환유체로 전달되며, 뜨거워진 순환유체는 방열실(13a)로부터 외부의 난방회로로 순환되면서 난방을 위한 열원으로 사용된다.

한편, 이상의 과정에서 발생되는 점성유체 단위체적당 발열량(L), 즉, 비스코스 히터의 용량은

L=πμo⁴δ

으로 산출할 수 있다.(여기서, μ은 점성유체의 점성계수이고, ω는 로터(10)의 회전각속도, R은 로터(10)의 반경이고, δ는 로터(10) 표면과 발열실(11a) 내벽사이의 간극이다)

반면, 자동차 엔진의 동력은 상기한 바와 같이 발생되는 비스코스 히터의 용량에 비례하는 만큼 손실된다. 이 손실동력(T)은 발열량에 각속도(ω=2πN/60)의 제곱을 곱한 값, 즉,

T=π³μ²⁴δ

으로 구할 수 있으며, 이는 수식에서 알 수 있는 바와 같이 로터(10)의 회전수(N)의 제곱에 비례한다. 따라서, 비스코스 히터에 의한 엔진 출력 손실은 저속 주행시에 비하여 보조 난방이 거의 불필요한 고속주행시에 훨씬 크다.

이러한 점이 고려되어 안출된 본 실시예의 비스코스 히터는, 점성유체가 로터(10) 내에 저유실(10a)과 발열실(11a) 사이를 순환될 수 있게 하므로써, 난방이 보다 많이 요구되는 시동시나 저속주행에서는 발열량을 크게 하여 난방할 수 있으며, 반면에, 실내가 어느 정도 난방되고 난 상태인 고속주행에서는 발열량을 작게 하므로써 엔진 출력 손실을 감소시킬 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면, 저속 주행시, 점성유체에 전단력을 가하는 로터(10)가 저속으로 회전하기 때문에 비스코스 히터의 발열량이 작아서 점성유체는 낮은 온도로 유지되어 점도가 높은데 반해, 저유실(10a)의 점성유체는 로터(10)의 낮은 회전수로 인해 와이젠버그 효과(Weissenberg Effect)에 의한 상승력을 작게 받는다. 이 때문에, 저유실(10a)과 발열실(11a) 사이의 점성유체 순환은 거의 이루어지지 않는다. 따라서 로터(10)의 원심력에 의하여 발열실(11a)에 많은 양의 점성유체가 머물게 되므로 보다 큰 마찰열을 생성하여 난방에 이용할 수 있다.

반면에, 고속 주행시, 로터(10)는 고속으로 회전하므로 점성유체의 발열량이 크다. 이 때 점성유체는 높은 온도이므로 점도가 낮고 로터(10)의 회전수는 커서 와이젠버그 효과와 발열실에서의 원심력에 의한 상승력을 크게 받는다. 이 때문에, 저유실(10a)과 발열실(11a) 사이의 점성유체 순환은 저속일때에 비하여 훨씬 활성화된다. 한편, 로터(10)의 회수공(10c)은 공급공(10b)에 비해 상대적으로 크기 때문에, 저유실(10a)에 회수되는 점성유체의 양은 발열실(11a)로 공급되는 점성유체의 양보다 상대적으로 많아서 저유실(10a)의 점성유체양은 늘고 발열실(11a)에 머무는 양이 적어지게 된다. 따라서 로터(10)가 고속으로 회전함에도 불구하고 마찰되는 점성유체의 양이 적기 때문에 발열량은 크게 감소한다. 이렇게 본 실시예의 비스코스 히터는 고속주행에서 엔진 동력 손실을 크게 줄일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 비스코스 히터는, 별도의 점성유체 회수 장치없이 저속 주행시와 고속 주행시를 구별하여 발열량을 제어하므로써 난방능력을 스스로 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 비스코스 히터는, 플레이트 타입과 실린더 타입의 장점이 취합된 것으로, 높은 난방효과에 비하여 부피가 작아서 장착성이 좋다. 뿐만 아니라, 고속주행에서 발열량을 스스로 감소시켜 엔진 출력을 불필요하게 소진시키지 않으며, 구조가 비교적 간단하여 제작비도 저렴하다는 장점을 가지고 있다.

본 발명은 특허청구의 범위에서 청구하는 요지를 벗어나지 않고 당해 발명이 속하는 분야에 대한 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변경실시될 수 있다.

도 1은 종래 플레이트 타입 비스코스 히터의 일 예를 보인 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 비스코스 히터 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 로터 10a: 저유실

10b: 공급공 10c: 회수공

11a: 발열실 11 : 플레이트 조립체

12 : 전부 하우징 13 : 후부 하우징

14 : 구동축

Claims (4)

1. 맞대어 접합되어 그 사이의 내부에 발열실(11a) 및 상기 발열실에 접하여 순환유체를 순환시키는 방열실(13a)을 형성하는 전,후부 하우징(12)(13)과, 상기 하우징에 회전가능하게 지지되는 구동축(14)과, 상기 발열실 내에서 상기 구동축에 의해 회전하는 것으로, 그 표면이 상기 발열실의 내면에 대하여 소정의 간극을 가지는 로터(10)와, 상기 발열실에 충전됨과 동시에 상기 로터와 발열실 내벽 사이에 개재되어 상기 로터의 회전으로 생성되는 전단력에 의하여 발열하는 점성유체를 포함하는 비스코스 히터에 있어서,

   상기 발열실은 후단으로 갈수록 단면적이 작아지는 대략 원추형이고,

   상기 로터는 내부에 체적을 가지는 저유실(10a)이 형성되고 그 표면은 상기 발열실의 내면 전체에 걸쳐 소정의 간극을 가지며, 전면에 회전중심으로부터 거리를 두고 형성되는 적어도 하나의 회수공(10c) 및 후측 외주의 경사면에 형성되는 적어도 하나의 공급공(10b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비스코스 히터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 방열실은 상기 발열실의 표면 전체를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 비스코스 히터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 회수공은 상기 공급공에 비해 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 비스코스 히터.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 발열실의 표면에 표면적을 확장하는 다수의 방열핀이 성형되는 것을 특징으로 하는 비스코스 히터.