WO1997000179A1 - Heizvorrichtung für das kühlwasser eines mit einer kühlwasser-pumpe versehenen verbrennungs-motors - Google Patents

Heizvorrichtung für das kühlwasser eines mit einer kühlwasser-pumpe versehenen verbrennungs-motors Download PDF

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Hans-Peter Bauer
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Suspa Compart Aktiengesellschaft
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    • F01P5/00Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60HARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
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    • B60H1/03Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived from the propulsion plant and from a source other than the propulsion plant
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24VCOLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/18Heater

Definitions

  • the invention relates to a heating device according to the preamble of claim 1.
  • Such a heating device is described in the older, unpublished DE 44 20 481 A. It enables the cooling water of the engine to be heated up very quickly with simple means and with little effort using the rotational energy derived from the internal combustion engine itself, so that, on the one hand, the heating of the passenger compartment, which is usually carried out with the engine heat, is in full function. On the other hand, this accelerates the warming-up of the engine, which reduces wear and tear in cold operation.
  • the heating device is further characterized in that it has a closed working space in the housing, so that the viscous liquid is only contained in this working space at all times. There is only one possibility of compensation by means of an elastic wall, by means of which temperature-related changes in the volume of the liquid are compensated.
  • the drive takes place via a controllable, i.e. switchable clutch.
  • the heater is attached to the engine in some form as an independent unit.
  • heating devices which, in the general principle, use a similar principle to generate mechanical energy through liquid convert shear shear into heat by generating internal friction of the liquid.
  • the object of the invention is to further simplify the design of the heating device of the generic type.
  • the heating device is integrated into the cooling water pump, which is already present in a water-cooled internal combustion engine, so that the drive of the cooling water pump on the one hand and the drive of the heating device on the other hand no longer separate, but instead done together.
  • the heating device can be integrated into the cooling water pump in a very space-saving manner. 5
  • a cooling water pump of a water-cooled internal combustion engine that is to say a diesel engine or a gasoline engine
  • a bearing housing 2 in which a drive shaft designed as a hollow shaft 3 is formed for the pump rotor, not shown, is rotatably supported by means of roller bearings 4.
  • the hollow shaft 3 is closed at its free end facing away from the pump housing 1.
  • a pulley 5 is attached to it in a rotationally fixed manner.
  • a housing 6 of a heating device 7 encompassed by the belt wheel 5 is freely rotatably supported relative to the hollow shaft 3.
  • This housing 6 has two annular disk-shaped end walls 8, 9 which are arranged radially to the central longitudinal axis 10 of the hollow shaft 3, that is to say parallel to one another.
  • the two end walls 8, 9 are connected to one another on their outer circumference by means of an annular circumferential wall 11 arranged concentrically to the axis 10.
  • the two end walls 8, 9 have hubs 12, 13 which extend concentrically to the axis 10 and each extend away from the housing 6, in each of which a roller bearing 14 is arranged, which on its inside is opposite a spacer sleeve 15 or 16 supports.
  • the spacer sleeves 15, 16 are basically non-rotatable with respect to the hollow shaft 3, but at least not freely rotatable.
  • a seal 17 is arranged between each spacer sleeve 15 or 16 and the hollow shaft 3. 5
  • the housing 6 of the heating device 7 encloses a working chamber 18, in which an annular cylindrical disk-shaped rotor 19 is arranged, which delimits an annular cylindrical disk-shaped gap 20, 21 to the end walls 8, 9 and an annular gap 22 to the peripheral wall 11. All columns 20, 21, 22 are connected to each other.
  • the rotor 19 is connected to the hollow shaft 3 in a rotationally fixed manner and firmly clamped between the spacer sleeves 15, 16 in the direction of the axis 10.
  • the spacing sleeves 15, 16 and the rotor 19 are clamped together and their frictionally rotationally fixed connection to the hollow shaft 3 takes place by means of a clamp connection 23. 5
  • the working chamber 18 is filled with a viscous liquid, for example silicone oil. It is sealed in front of the roller bearings 14 in each case with a diaphragm direction 24 which is so elastic that it can compensate for temperature-related changes in volume of the viscous liquid in the working chamber o 18 in a resilient manner. The working chamber 18 is completely closed.
  • a viscous liquid for example silicone oil. It is sealed in front of the roller bearings 14 in each case with a diaphragm direction 24 which is so elastic that it can compensate for temperature-related changes in volume of the viscous liquid in the working chamber o 18 in a resilient manner.
  • the working chamber 18 is completely closed.
  • An annular electromagnet 25 is attached to the bearing housing 2 concentrically with the axis 10. This electromagnet 25 is therefore stationary and non-rotatable relative to the 5 pump housing 1. It overlaps the clamp connection 23.
  • a spring-elastic holder 26 On the hub 13 of the housing facing the electromagnet 25 Ses 6 is a spring-elastic holder 26 rotatably attached to which one of the ring shape of the electromagnet 25 adapted annular armature plate
  • the rotor 19 is hollow so that the cooling water of the combustion engine can flow through it. It has two cylindrical disk-shaped spaces, namely an inlet space 30 and an outlet space
  • the inlet space 30 is via an inlet channel 34 which passes through the hollow shaft 3 and has an annular cylinder shaped from the hollow shaft
  • a tube serving as a cooling water discharge channel 36 is also arranged concentrically to the axis 10 and is therefore arranged in the feed channel 35.
  • This discharge channel 36 is connected via an outlet channel 37 in the hollow shaft 3 to the outlet space 31 in the rotor 19. That from the engine
  • the viscous liquid 40 located in the working chamber 18 becomes high in the columns 20, 21, 22 Subject to shear. This shearing work exerted on the liquid 40 is converted into heat, which in turn is removed by the cooling water 41 pumped by the rotor 19.
  • the width of the gaps 20, 21, 22 depends on the viscosity of the liquid 40 and on the change in viscosity over 5, the temperature.
  • the housing 6 is held by the switchable coupling 42 formed by the electromagnet 25 and the armature disk 27 with the holder 26 and thus the heating device 7 is put into operation and converts part of the mechanical energy of the motor into heat.
  • the control of the electromagnet 25 of the clutch 42 can take place automatically via a thermostat and / or manually.

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Abstract

Eine Heizvorrichtung für das Kühlwasser eines mit einer Kühlwasser-Pumpe versehenen Verbrennungs-Motors weist ein Gehäuse (6) und einen in diesem befindlichen Rotor (19) auf, die abgeleitet vom Motor gegeneinander drehantreibbar sind. Durch Scherung wird hierbei in dem Gehäuse (6) befindliche viskose Flüssigkeit (40) erwärmt, deren Wärme auf das Kühlwasser übertragen wird. Die Heizvorrichtung (7) ist in eine Kühlwasser-Pumpe des Motors integriert, wobei der Kühlwassertransport durch eine Hohlwelle (3) erfolgt, die gemeinsame Antriebs-Welle der Heizvorrichtung (7) und der Kühlwasser-Pumpe ist.

Description

Heizvorrichtung für das Kühlwasser eines mit einer Kühlwasser-Pumpe versehenen Verbrennungs-Motors
Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des An¬ spruches 1.
Eine derartige Heizvorrichtung ist in der älteren nicht vorveröffentlichten DE 44 20 481 A beschrieben. Sie ermöglicht es, mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand mit vom Verbrennungsmotor selbst abgeleiteter Rota¬ tionsenergie das Kühlwasser des Motors sehr schnell aufzuheizen, so daß zum einen die üblicherweise mit der Motorwärme durchgeführte Beheizung des Fahrgastraumes in voller Funktion ist. Zum andern wird hierdurch die Erwärmung des Motors beschleunigt, wodurch der im kalten Betrieb hohe Verschleiß reduziert wird. Die Heizvorrichtung zeichnet sich weiter¬ hin dadurch aus, daß sie in dem Gehäuse einen geschlossenen Arbeitsraum hat, so daß die viskose Flüssigkeit ständig nur in diesem Arbeitsraum enthalten ist. Es ist lediglich eine Kompensationsmöglichkeit durch eine 5 elastische Wand geschaffen, durch die temperaturbedingte Änderungen des Volumens der Flüssigkeit kompensiert werden. Der Antrieb erfolgt über eine steuerbare, d.h. schaltbare Kupplung. Bei diesem Motor wird die Heizvorrichtung in irgendeiner Form als eigenständige Einheit am Motor angebracht. o
Aus der EP 0 361 053 Bl (entsprechend US-Patent 4 974 778) und dem US-Patent 3 591 079 sind Heizvorrichtungen bekannt, die in dem allgemei¬ nen Prinzip nach gleichartiger Weise mechanische Energie durch Flüssig- keitsscherung, d.h. durch Erzeugung innerer Reibung der Flüssigkeit, in Wärme umsetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Heizvorrichtung der gat- 5 tungsgemäßen Art weiter in ihrem konstruktiven Aufwand zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeich¬ nungsteil des Anspruches 1 gelöst. Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Heizvorrichtung in die ohnehin bei einem wassergekühlten Ver- o brennungs-Motor vorhandene Kühlwasser-Pumpe integriert wird, so daß der Antrieb der Kühlwasser-Pumpe einerseits und der Antrieb der Heizvorrich¬ tung andererseits nicht mehr gesondert, sondern gemeinsam erfolgen. Die Integration der Heizvorrichtung in die Kühlwasser-Pumpe kann sehr platz¬ sparend erfolgen. 5
Zahlreiche vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich o aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung, die in schematischer Darstellung eine in eine Wasserpumpe integrierte Heizvorrichtung zeigt.
Von einer Kühlwasser-Pumpe eines wassergekühlten Verbrennungs-Motors, 5 also eines Dieselmotors oder eines Ottomotors, ist nur ein Teil des Pum¬ pen-Gehäuses 1 dargestellt, an dem ein Lagergehäuse 2 ausgebildet ist, in dem eine als Hohlwelle 3 ausgebildete Antriebs-Welle für den nicht dargestellten Pumpenrotor mittels Wälzlagern 4 drehbar gelagert ist. Die Hohlwelle 3 ist an ihrem dem Pumpen-Gehäuse 1 abgewandten freien Ende o verschlossen. An diesem Ende ist an ihr ein Riemenrad 5 drehfest befe¬ stigt. Dieses Riemenrad 5 wird, wenn die Kühlwasser-Pumpe mit einem Verbrennungs-Motor zusammengebaut ist, mittels eines Riemens angetrie¬ ben, der wiederum vom Motor angetrieben wird. Hiermit wird die Hohlwelle 3 und damit die Wasserpumpe vom Motor selber ständig angetrieben, des- 5 sen Kühlwasser die Pumpe umwälzt. Auf der Hohlwelle 3 ist ein Gehäuse 6 einer vom Riemenrad 5 umfaßten Heizvorrichtung 7 gegenüber der Hohlwelle 3 frei drehbar gelagert. Dieses Gehäuse 6 weist zwei ringscheibenförmige Stirnwände 8, 9 auf, die radial zur Mittel-Längs-Achse 10 der Hohlwelle 3, also parallel zueinander, an- 5 geordnet sind. Die beiden Stirnwände 8, 9 sind an ihrem Außenumfang mittels einer kreisringförmigen, konzentrisch zur Achse 10 angeordneten Umfangswand 11 miteinander verbunden. Die beiden Stirnwände 8, 9 wei¬ sen konzentrisch zur Achse 10 verlaufende, sich jeweils vom Gehäuse 6 wegerstreckende Naben 12, 13 auf, in denen jeweils ein Wälzlager 14 angeordnet ist, das sich auf seiner Innenseite gegenüber einer Distanz¬ hülse 15 bzw. 16 abstützt. Die Distanzhülsen 15, 16 sind grundsätzlich gegenüber der Hohlwelle 3 undrehbar, zumindest aber nicht frei drehbar. Zwischen jeder Distanzhülse 15 bzw. 16 und der Hohlwelle 3 ist jeweils eine Dichtung 17 angeordnet. 5
Das Gehäuse 6 der Heizvorrichtung 7 umschließt eine Arbeitskammer 18, in der ein ringzylinderscheibenförmiger Rotor 19 angeordnet ist, der jeweils zu den Stirnwänden 8, 9 einen ringzylinderscheibenförmigen Spalt 20, 21 und zur Umfangswand 11 einen Ringspalt 22 begrenzt. Alle Spalte 20, 21, o 22 sind miteinander verbunden. Der Rotor 19 ist drehfest mit der Hohl¬ welle 3 verbunden und zwischen den Distanzhülsen 15, 16 in Richtung der Achse 10 fest eingespannt. Das Zusammenspannen der Distanzhülsen 15, 16 und des Rotors 19 und deren reibschlüssig drehfeste Verbindung mit der Hohlwelle 3 erfolgt mittels einer Klemmverbindung 23. 5
Die Arbeitskammer 18 ist mit einer viskosen Flüssigkeit, beispielsweise Silikonöl gefüllt. Sie ist vor den Wälzlagern 14 jeweils mit einer Mem¬ brandichtung 24 abgedichtet, die so elastisch sind, daß sie temperatur¬ bedingte Volumenänderungen der viskosen Flüssigkeit in der Arbeitskammer o 18 elastisch nachgiebig kompensieren können. Die Arbeitskammer 18 ist vollkommen geschlossen.
Am Lagergehäuse 2 ist konzentrisch zur Achse 10 ein ringförmiger Elek¬ tromagnet 25 angebracht. Dieser Elektromagnet 25 ist also gegenüber dem 5 Pumpen-Gehäuse 1 ortsfest und undrehbar. Er übergreift die Klemmverbin¬ dung 23. Auf der dem Elektromagnet 25 zugewandten Nabe 13 des Gehäu- ses 6 ist ein federelastischer Halter 26 drehfest angebracht, an dem eine der Ringform des Elektromagneten 25 angepaßte ringförmige Ankerscheibe
27 befestigt ist, die bei nicht erregtem Elektromagneten 25 einen Luftspalt
28 von höchstens einigen Zehntel Millimetern zum Elektromagneten 25 bil- o5 det, so daß bei Erregung des Elektromagneten 25 durch Stromzufuhr über elektrische Anschlußleitungen 29 die Ankerscheibe 27 gegen den Elektro¬ magneten 25 gezogen wird, wodurch die beiden drehfest miteinander ver¬ kuppelt werden, d.h. bei Erregung des Elektromagneten 25 wird das Ge¬ häuse 6 der Heizvorrichtung 7 undrehbar festgehalten. In diesem Fall lo dreht sich also der Rotor 19 mit der Drehzahl der Hohlwelle 3 relativ zum Gehäuse 6 der Heizvorrichtung 7. Wenn dagegen der Elektromagnet 25 nicht erregt ist, wird die Ankerscheibe 27 aufgrund der federelastischen Rückstellkräfte des Halters 26 vom Elektromagneten 25 abgehoben, so daß sich dann das Gehäuse 6 aufgrund der Flüssigkeitskupplung zwischen dem
15 Rotor 19 und dem Gehäuse 6 mit dem Rotor 19 dreht.
Der Rotor 19 ist hohl ausgebildet, damit er vom Kühlwasser des Verbren¬ nungs-Motors durchströmt werden kann. Er weist zwei zylinderringschei- benförmige Räume, und zwar einen Einlaßraum 30 und einen Auslaßraum
2o 31 auf, die mittels einer radial zur Achse 10 angeordneten Trennwand 32 im wesentlichen voneinander getrennt und nur im radial außen liegenden Bereich mittels eines ringförmigen Verbindungsraums 33 miteinander ver¬ bunden sind. Der Einlaßraum 30 ist über einen die Hohlwelle 3 durchset¬ zenden Einlaßkanal 34 mit einem ringzylinderförmigen, von der Hohlwelle
25 3 umschlossenen Kühlwasser-Zuführkanal 35 verbunden. In der Hohlwelle 3 ist weiterhin konzentrisch zur Achse 10 ein als Kühlwasser-Abführkanal 36 dienendes Rohr angeordnet, das also im Zuführkanal 35 angeordnet ist. Dieser Abführkanal 36 ist über einen Auslaßkanal 37 in der Hohlwelle 3 mit dem Auslaßraum 31 im Rotor 19 verbunden. Das aus dem Motor durch
3o das Pumpen-Gehäuse 1 mittels des Pumpenrotors geförderte Kühlwasser strömt also entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 38 durch den ring¬ zylindrischen Kühlwasser-Zuführkanal 35 in der Hohlwelle 3 und den Ein¬ laßkanal 34 in den Einlaßraum 30 des Rotors 19. Dort strömt es radial nach außen durch den Einlaßraum 30, dann konzentrisch zur Achse 10
35 durch den Verbindungsraum 33 in den Auslaßraum 31 des Rotors 19. Dort wird es in eine radial zur Achse 10 verlaufende Richtung umgelenkt und durchströmt diesen Auslaßraum 31 und verläßt ihn durch den Auslaßkanal 37 und verläßt dann die Heizvorrichtung 7 durch den Kühlwasser- Abführ¬ kanal 36 entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 39. Es durchströmt dann in nicht dargestellter Weise konzentrisch zur Hohlwelle 3 die Kühl- 5 wasser-Pumpe und wird in den Motor zurückgefördert.
Wenn das Gehäuse 6 der Heizvorrichtung 7 mittels des Elektromagneten 25 undrehbar festgehalten wird, wenn also der Rotor 19 sich relativ zum Ge¬ häuse 6 dreht, dann wird die in der Arbeitskammer 18 befindliche viskose Flüssigkeit 40 in den Spalten 20, 21, 22 einer hohen Scherung unterwor¬ fen. Diese auf die Flüssigkeit 40 ausgeübte Scherarbeit wird in Wärme umgesetzt, die wiederum von dem durch den Rotor 19 gepumpten Kühlwas¬ ser 41 abgeführt wird. Die Breite der Spalte 20, 21, 22 hängt von der Viskosität der Flüssigkeit 40 und von der Veränderung der Viskosität über 5 der Temperatur ab.
Wenn das Motorkühlwasser einen großen Wärmebedarf hat, insbesondere weil von dem noch kalten Motor der Fahrgastraum eines Fahrzeuges ge¬ heizt werden soll, dann wird über die durch den Elektromagneten 25 und o die Ankerscheibe 27 mit Halter 26 gebildete schaltbare Kupplung 42 das Gehäuse 6 festgehalten und damit die Heizvorrichtung 7 in Betrieb gesetzt und setzt einen Teil der mechanischen Energie des Motors in Wärme um. Die Ansteuerung des Elektromagneten 25 der Kupplung 42 kann automatisch über einen Thermostaten und/oder manuell erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Heizvorrichtung für das Kühlwasser eines mit einer Kühlwasser-Pumpe versehenen Verbrennungs-Motors, mit einem eine Arbeitskammer (18) mit viskoser Flüssigkeit (40) um¬ schließenden Gehäuse (6), o5 mit einem in der Arbeitskammer (18) angeordneten, Spalte (20, 21, 22) zu Wänden (8, 9, 11) des Gehäuses (6) begrenzenden Rotor (19), mit einer vom Motor drehantreibbaren, eine Drehbewegung von Gehäuse (6) und Rotor (19) relativ zueinander mittels einer schaltbaren Kupplung (42) bewirkenden Welle (3) lo und mit einem der Arbeitskammer (18) benachbarten Kühlwasserraum, dadurch gekennzeichnet. daß die Welle als Hohlwelle (3) ausgebildet und mit einem Kühlwasser-Zu¬ führkanal (35) und einem Kühlwasser-Abführkanal (36) versehen ist, die mit dem Kühlwasserraum verbunden sind,
15 und daß die Hohlwelle (3) die Antriebs-Welle der Kühlwasser-Pumpe ist.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (19) hohl ausgebildet und mit dem Zuführkanal (35) und dem Ab¬ führkanal (36) für Kühlwasser verbunden ist.
2o
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (19) drehfest mit der Hohlwelle (3) verbunden ist.
4. Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das 25 Gehäuse (6) gegenüber der Hohlwelle (3) frei drehbar gelagert ist und mittels der Kupplung (42) gegenüber einem Pumpen-Gehäuse (1) der Kühl¬ wasser-Pumpe undrehbar koppelbar ist.
5. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- 3o zeichnet, daß die Kupplung (42) einen Elektromagneten (25) und eine
Ankerscheibe (27) aufweist, von denen ein Teil mit dem Gehäuse (6) und ein Teil mit einem Pumpen-Gehäuse (1) der Kühlwasser-Pumpe verbunden ist.
6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Arbeitskammer (18) vollständig geschlossen ist.
7. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn- o5 zeichnet, daß die Hohlwelle (3) mit einem Riemenrad (5) versehen ist, das die Heizvorrichtung (7) zumindest teilweise umgreift.
PCT/EP1996/002546 1995-06-14 1996-06-12 Heizvorrichtung für das kühlwasser eines mit einer kühlwasser-pumpe versehenen verbrennungs-motors WO1997000179A1 (de)

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