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Dokumentenidentifikation DE10036600A1 15.02.2001
Titel Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme
Anmelder Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakusho, Kariya, Aichi, JP
Erfinder Suzuki, Shigeru, Kariya, Aichi, JP;
Niwa, Masami, Kariya, Aichi, JP;
Hoshino, Tatsuyuki, Kariya, Aichi, JP
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWÄLTE GBR, 70182 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 27.07.2000
DE-Aktenzeichen 10036600
Offenlegungstag 15.02.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2001
IPC-Hauptklasse B60H 1/14
Zusammenfassung Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme, wobei ein zähflüssiges Medium, zum Beispiel Silikonöl, einer Scherung unterworfen wird, umfaßt eine aus Eisenmetall gefertigte Antriebswelle, einen aus Aluminiummetall gefertigten Rotor und eine in diesen eingesetzte Buchse aus Eisenmetall. Der Rotor ist mit Hilfe der Buchse auf der Antriebswelle befestigt, wobei die Buchse so positioniert wird, daß sie in Kontakt mit dem inneren Laufring einer Lagereinrichtung gelangt. Der Hauptrotorkörper weist relativ zum inneren Laufring einen Spalt auf und kann so eine thermische Ausdehnung erfahren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai Nr. 10-217757) ist ein Wärmegenerator beschrieben, der als Heizvorrichtung für Fahrzeuge benutzt wird. Bei diesem Wärmegenerator schließt ein Gehäuse eine Wärmeerzeugungskammer und einen Wassermantel ein, wobei letzterer eine Wärmeaufnahmekammer bildet und der Wärmeerzeugungskammer benachbart ist. Durch die Wärmeaufnahmekammer kann Kühlwasser als zirkulierendes Medium strömen. Im Gehäuse ist drehbar eine Antriebswelle in einem Lager abgestützt, welches Wellenabdichtmittel einschließt. Mit dem vorderen Ende der Antriebswelle ist ein Rad fest verbunden, so daß die Antriebswelle über einen Riemen von einem Motor angetrieben werden kann. Am hinteren Ende der Antriebswelle ist ein scheibenförmiger Rotor durch Aufpressen befestigt, so daß er in der Wärmeerzeugungskammer rotiert. Flüssigkeitsdichte Spalte zwischen den Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer und den Außenseiten des Rotors sind mit einem viskosen Medium, beispielsweise Silikonöl oder dergleichen, gefüllt, welches sich beim Umlaufen des Rotors erhitzt.

Bei diesem bekannten Wärmegenerator läuft der Rotor in der Wärmeerzeugungskammer um, wenn die Antriebswelle vom Motor angetrieben wird. Das viskose oder zähflüssige Medium erzeugt aufgrund von Scherkräften oder Schervorgängen in den mediumdichten Spalten zwischen den Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer und den Außenseiten des Rotors Wärme. Die Wärme wird durch das Kühlwasser im Wassermantel ausgetauscht, und das erhitzte Kühlwasser dient über einen Heizkreislauf einer Erwärmung der Fahrzeugkabine oder dgl.

Bei diesem bekannten Wärmegenerator ist jedoch die Antriebswelle aus einem Eisenmetall von hoher Festigkeit gefertigt, während der mit der Antriebswelle verbundene Rotor als Ganzes aus einem Aluminiummetall hergestellt ist, wobei die Bearbeitbarkeit und das geringere Gewicht dieser Metallart eine Rolle spielt. In diesem Wärmegenerator ist daher, wenn er von der Antriebswelle in Umlauf versetzt wird, so daß das zähflüssige Medium aufgrund der in der Wärmeerzeugungskammer auftretenden Scherkräfte Wärme erzeugt, das Drehmoment der Antriebswelle nicht zuverlässig auf den Rotor übertragbar. Es kann zwischen der Antriebswelle und dem Rotor leicht ein Schlupf auftreten, und zwar aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Antriebswelle und Rotor, so daß es schwierig werden kann, daß die beiden gleichzeitig miteinander rotieren.

Um mit dieser Schwierigkeit fertig zu werden, könnte man daran denken, den Rotor aus einem scheibenähnlichen Hauptrotorkörper und einem Basisteil herzustellen, wobei letzteres zum Beispiel mit Hilfe von Nieten mit dem Hauptrotorkörper verbunden und durch eine Keilnut- oder Splintverbindung mit der Antriebswelle gekoppelt ist, wie dies bei dem Wärmegenerator in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 9-323534 beschrieben ist.

Bei diesem Wärmegenerator sind jedoch Glieder, beispielsweise Nieten, zur Befestigung des Basisteils am Hauptrotorkörper erforderlich, und die erhöhte Anzahl der Einzelteile treibt die Produktionskosten in die Höhe. Da bei diesem bekannten Wärmegenerator weiterhin der Basisteil mit der Antriebswelle durch eine Keilnut- oder Splintverbindung gekoppelt ist, muß zum Beispiel eine Keilnut in die Antriebswelle und den Basisteil eingeschnitten werden, was zu einer erhöhten Anzahl von Arbeitsschritten führt und die Herstellungskosten wiederum steigen läßt.

Man könnte ferner daran denken, einen Wärmegenerator mit einem Rotor zu versehen, der einen Hauptrotorkörper zum Scheren des zähflüssigen Mediums einschließt aus einem Werkstoff mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer als derjenige der Antriebswelle, wobei ferner ein Basisteil aus einem Werkstoff mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gleich demjenigen der Antriebswelle in den Hauptrotorkörper eingesetzt und mit der Antriebswelle fest verbunden ist. Ein solcher Wärmegenerator ließe sich kostengünstig herstellen und Antriebswelle und Rotor können in Betrieb zuverlässig gleichzeitig zusammen in Umlauf gehalten werden.

Bei diesem Wärmegenerator ist es jedoch offensichtlich, daß zwischen einer einfachen Fabrikation und der Standzeit (Lebensdauer) ein Konflikt vorliegt. In einem solchen Wärmegenerator, wie er in Fig. 8 dargestellt ist, kann ein Rotor 90 leicht zusammengebaut werden, wenn ein Basisteil 90a, der auf einer Antriebswelle 92 befestigt ist, so positioniert wird, daß er in Kontakt mit einer Lagereinrichtung 91 steht, die als Positionierglied dient oder konkreter, wenn der Basisteil 90a, der mit der Antriebswelle 92 fest verbunden ist, dadurch positioniert wird, daß er in Kontakt mit einem inneren Laufring 91a der Lagereinrichtung 91 steht. Wenn bei diesem Wärmegenerator jedoch der Basisteil 90a und der Hauptrotorkörper 90b so ausgebildet sind, daß sie dieselben Stirnflächen haben, ohne dabei der Beziehung zwischen dem Hauptrotorkörper 90b des Rotors und der Lagereinrichtung 91 Aufmerksamkeit zu schenken, oder konkreter, wenn man die Beziehung zwischen dem Hauptrotokörper 90b des Rotors und dem inneren Laufring 91a der Lagereinrichtung 91 nicht beachtet, dehnt sich der Hauptrotorkörper 90b thermisch stärker als der Basisteil 90a aus und stößt die Lagereinrichtung 91, oder konkreter, den inneren Laufring 91a der Lagereinrichtung 91 in axialer Richtung zur Seite, wenn in Betrieb das zähflüssige Medium Hitze erzeugt und die Innentemperatur ansteigt, weil der Hauptrotorkörper 90b aus einem Werkstoff mit größerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten als derjenige des Basisteils 90a besteht. Aufgrund der auftretenden Reaktionskräfte kann daher der Hauptrotorkörper 90b in Axialrichtung relativ zum Basisteil 90a seitlich abgelenkt werden, und es kann entlang dessen Randbereich zu einer Deformation kommen.

Die Erfindung basiert auf den oben erwähnten Umständen und vermittelt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme, die kostengünstig herstellbar ist, im Betrieb eine zuverlässige gemeinsame Rotation von Antriebswelle und Rotor ermöglicht, und sowohl einen leichten Zusammenbau wie auch eine hohe Lebensdauer gewährleistet.

Die Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 umfaßt die im Kennzeichnungsteil dieses Anspruchs stehenden Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen einer solchen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht einer Viskose- Heizvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2A eine Draufsicht einer Buchse der ersten Ausführungsform, und

Fig. 2B eine Seitenansicht dieser Buchse;

Fig. 3 eine Schnittansicht mit der Darstellung eines Hauptteils der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht des Hauptteils aus Fig. 3;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Viskose-Heizvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht mit der vergrößerten Darstellung eines Hauptteils der zweiten Ausführungsform;

Fig. 7 eine Schnittansicht mit der Darstellung eines Hauptteils einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 8 eine Schnittansicht in größerem Maßstab eines Hauptteils eines herkömmlichen Wärmegenerators.

Im nachstehenden werden drei Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung erläutert.

Erste Ausführungsform

In einer Viskose- oder Zähflüssigkeitsvorrichtung zur Erzeugung von Wärme VH, wie sie als erste Ausführungsform der Erfindung in Fig. 1 dargestellt ist, sind ein Frontgehäusekörper 1, eine Frontplatte 2, eine Rückplatte 3 von der näherungsweisen Gestalt eines Rings und ein hinterer Gehäusekörper 4 über O-Ringe miteinander verbunden und durch Verwendung mehrerer Bolzen 5 aneinander befestigt. Auf der Rückseite der Frontplatte 2 ist ein ausgesparter Teil von kreisförmiger Gestalt ausgebildet und definiert zusammen mit der Vorderseite der Rückplatte 3 eine Wärmeerzeugungskammer 6. Weiterhin wird von der Rückplatte 3 und dem hinteren Gehäusekörper 4 eine Reservoirkammer SR ausgebildet. Die Wärmeerzeugungskammer 6 und die Reservoirkammer SR bilden eine Betriebskammer.

Auf der Vorderseite der Frontplatte 2 ist eine Mehrzahl gebogener Rippen 2a ausgebildet, wobei diese Rippen in Axialrichtung nach vorne abstehen. Der Frontgehäusekörper 1 und die Rippen 2a bilden einen vorderen Wassermantel FW, der eine vordere Wärmeaufnahmekammer darstellt. Weiterhin ist eine Mehrzahl gebogener Rippen 3a auf der Rückseite der Rückplatte 3 vorgesehen, wobei diese Rippen in Axialrichtung nach rückwärts abstehen. Der hintere Gehäusekörper 4 und die Rippen 3a bilden einen hinteren Wassermantel RW, der eine hintere Wärmeaufnahmekammer darstellt. Kühlwasser, welches ein in den vorderen und hinteren Wassermänteln FW und RW zirkulierendes Medium ist, strömt entlang den Rippen 2a und 3a. Diese Rippen steigern die Wärmeaufnahme- oder Wärmeübergangsbereiche.

In einer Wellenbohrung der Frontplatte 2 sind mehrere Reihen von Lagereinrichtungen 7 vorgesehen, von denen jede einen inneren Laufring 7a, einen äußeren Laufring 7b und Kugeln 7c aufweist, wobei letztere durch eine Halteeinheit 7d zwischen dem inneren Laufring 7a und dem äußeren Laufring 7b festgehalten sind. Der innere Laufring 7a ist aus einem Eisenmetall (Kohlenstoffstahl für Lager) gefertigt und hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten β von etwa 10.7 × 10-6 (°C). Auf der Rückseite der Lagereinrichtung 7 ist ein (nicht dargestelltes) Dichtglied vorgesehen, und zwar auf der Rückseite zwischen dem inneren Laufring 7a und dem äußeren Laufring 7b.

Von der Lagereinrichtung 7 wird eine Antriebswelle 8 drehbar abgestützt. Die Antriebswelle 8 ist aus einem Eisenmetall (struktureller Kohlenstoffstahl) gefertigt und besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten β von etwa 10.7 × 10-6 (°C).

Am hinteren Ende der Antriebswelle 8 ist ein Rotor 9 befestigt, welcher in der Wärmeerzeugungskammer 6 umläuft. Der Rotor 9 besteht aus einem scheibenähnlichen Hauptrotorkörper 9a und einer Buchse 9b, die als Basisteil dient, welcher entlang seiner äußeren Umfangsfläche in den Hauptrotorkörper 9a eingesetzt ist und die Innenseite eines Vorsprungteils bildet, der seinerseits in Axialrichtung des Hauptrotorkörpers 9a verläuft. Der Hauptrotorkörper 9a ist aus einem Aluminiummetall (Spritzgußlegierung) gefertigt und hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten β von etwa 21.0 × 10-6 (°C). Die Buchse 9b besteht aus einem Eisenmetall (struktureller Kohlenstoffstahl) und besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten β von etwa 10.7 × 10-6 (°C). Wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt, ist die äußere Umfangsfläche der Buchse 9b im Doppelschnitt gerändelt oder geriffelt und weist rauhe, unebene Kerben 9c auf, die sich in schrägen Winkeln mit der Axialrichtung schneiden.

Bei der Herstellung des Rotors 9 wird die Buchse 9b, die im Doppelschnitt gerändelt oder geriffelt ist, in einem zweckmäßigen Arbeitsgang hergestellt und in einer Form montiert. Dann wird die Schmelze eines Aluminiummetalls (Sprizgußlegierung) in den Hohlraum eingegossen. Nach Abkühlung wird die Form geöffnet und der gegossene Gegenstand entnommen. Dann wird der gegossene Gegenstand einer Bearbeitung unterworfen, beispielsweise der Ausbildung von Bohrungen und Nuten, sowie einer Polierung. In diesem Falle werden, wie in Fig. 3 gezeigt, an der Vorderseite der Buchse 9b eine Bezugsfläche 9d und eine Fläche 9e mit einer Stufe Δ von einigen Mikron mit Bezug auf die Bezugsfläche 9d ausgebildet, und zwar auf der Seite des Hauptrotorkörpers 9a, wobei die Stufe Δ auch am Hauptrotorkörper 9a vorhanden ist. Somit ergibt sich ein Rotor 9, dessen Hauptrotorkörper 9a durch Verfestigung einer Schmelze aus Aluminiummetall (Sprizgußlegierung) gebildet ist und bei dem die Buchse 9b in den Hauptrotorkörper 9a eingesetzt ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, durchdringen eine Mehrzahl von Kommunikationsöffnungen 9d nach rückwärts und vorwärts den Hauptrotorkörper 9a an Positionen, die dicht bei der Buchse 9b liegen.

Der Rotor 9 wird dadurch befestigt, daß die Buchse 9b auf die Antriebswelle 8 aufgepreßt wird, wobei ein vorbestimmtes Übermaß (interference) als Schrumpfbereich aufrechterhalten wird. Somit weist, wie in Fig. 1 dargestellt, der Hauptrotorkörper 9a des Rotors 9 mediumdichte Spalte in der Wärmeerzeugungskammer 6 relativ zur Frontplatte 2 und Rückplatte 3 auf. Wie aus Fig. 4 weiterhin hervorgeht, weisen aufgrund der Stufe Δ ein Abschnitt der Vorderseite der Buchse 9b auf der Seite des Hauptrotorkörpers 9a und die Fläche 9e des Hauptrotorkörpers 9a einen Spalt Δ mit Bezug auf den inneren Laufring 7a der Lagereinrichtung 7 auf.

Der Reservoirkammer SR kann Silikonöl SO in einer Menge aufnehmen, die das Volumen in den mediumdichten Spalten übersteigt. Die mediumdichten Spalten zwischen der Frontplatte 2, der Rückplatte 3 und dem Rotor 9, und die Reservoirkammer SR werden mit dem Silikonöl SO gefüllt, wobei dieses Öl ein viskoses oder zähflüssiges Medium ist. Der Füllgrad beträgt 40 bis 70 Vol.%. Der Restanteil des Raumes ist mit Luft gefüllt. Die Rückplatte 3 stellt mit Bezug auf die Reservoirkammer SR eine Trennwand dar. Im Mittelbereich der Rückplatte 3 ist quer durch das Flüssigkeitsniveau des Silikonöls SO in der Reservoirkammer SR eine durchgehende Öffnung 3c als Durchlaß angebracht.

Der Frontgehäusekörper 1 und die Antriebswelle 8 sind mit einer elektromagnetischen Kupplung MC ausgerüstet. Hierzu ist ein Rad 11 drehbar vom Frontgehäuse 1 der Wärmeerzeugungs-Vorrichtung VH über eine Lagereinrichtung 10 abgestützt. Im Rad 11 ist eine Erregungsspule 12 angeordnet. Die Erregungsspule 12 ist mit einer (nicht dargestellten) Klimaanlage ECU verbunden. An der Antriebswelle 8 ist durch einen Bolzen 13 eine Nabe 14 befestigt. Die Nabe ist weiterhin über eine Blattfeder 15 mit einem Anker 16 gekoppelt. Das Rad 11 wird über einen Riemen von dem (nicht dargestellten) Motor eines Fahrzeugs angetrieben.

Wenn die Erregungsspule 12 der elektromagnetischen Kupplung MC in Abhängig von einer Instruktion aus der Klimaanlage ECU mit einem elektrischen Strom gespeist wird, haftet der Anker 16 magnetisch am Rad 11 und die Antriebswelle 8 wird daher von dem Motor angetrieben. Daher läuft der Rotor 9 in der Betriebskammer der Wärmeerzeugungs-Vorrichtung um und das Silikonöl SO erzeugt aufgrund der auftretenden Scherkräfte in den mediumdichten Spalten zwischen den Wandflächen der Frontplatte 2, der Rückplatte 3 sowie den Außenseiten des Rotors 9 Wärme. Die so gewonnene Wärme wird mit dem Kühlwasser in den vorderen und hinteren Wassermänteln FW und RW ausgetauscht, und das so erhitzte Kühlwasser zirkuliert durch den entsprechenden Heizkreis.

Dabei wird das Drehmoment der Antriebswelle auf die Buchse 9b des Rotors 9 übertragen. Das Drehmoment der Buchse 9b wird auf den Hauptrotorkörper 9 übertragen. Hier liegt ein kleiner Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten β zwischen der Antriebswelle 8 und der Buchse 9b vor. Ein sehr kleiner oder nahezu kein Unterschied tritt in der Größe zwischen der Antriebswelle 8 und der Buchse 9b auf. Dementsprechend ändert sich, obwohl die Buchse 9b auf der Antriebswelle 8 lediglich durch Aufpressen befestigt ist, das Übermaß zwischen der Antriebswelle 8 und der Buchse 9b nur sehr geringfügig gegenüber dem Übermaß während des Zusammenbaus, und das Drehmoment der Antriebswelle 8 wird zuverlässig auf die Buchse 9b übertragen. Außerdem sind der Hauptrotorkörper 9a und die Buchse 9b nach Abkühlung des Gusses fest miteinander verbunden, und zwar aufgrund des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten β zwischen dem Hauptrotorkörper 9a und der Buchse 9b. Da insbesondere die Kerben 9c auf der äußeren Umfangsfläche der Buchse 9, wie oben beschrieben, ausgebildet sind, wird die Kupplungsfestigkeit des Hauptrotorkörpers 9a mechanisch in zuverlässiger Weise in Drehrichtung und in Axialrichtung erhöht. Selbst wenn infolgedessen das Übermaß aufgrund des Unterschieds in der thermischen Ausdehnung in Radialrichtung zwischen dem Hauptrotorkörper 9a und der Buchse 9b aufgrund eines Temperaturanstiegs abnimmt, wird das Drehmoment der Buchse 9b zuverlässig auf den Hauptrotorkörper 9a übertragen. Daher tritt in der beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme gemäß der Erfindung während des Betriebs kein Schlupf zwischen der Antriebswelle 8 und dem Rotor 9 auf, und die Antriebswelle 8 und der Rotor 9 rotieren zuverlässig wie ein einstückiger Teil. Infolgedessen ist es bei der beschriebenen Wärmeerzeugungs-Vorrichtung VH möglich, während der Aufwärmphase des Motors jede gewünschte Erwärmung in der Fahrzeugkabine zu erzielen.

Bei der beschriebenen Vorrichtung sind weiterhin die Antriebswelle 8 und die Buchse 9b aus einem Metall des Eisentyps gefertigt, um hierdurch eine hohe Festigkeit aufrechtzuerhalten, und der Hauptrotorkörper 9b besteht aus einem Metall des Aluminiumtyps, wodurch eine leichte Bearbeitbarkeit und Gewichtsreduzierung erreicht wird.

Die Kerben 9c sind an der äußeren Umfangsfläche der Buchse 9b ausgebildet. Dadurch kann die mechanische Verbindungsfestigkeit zwischen der Buchse 9b und dem Hauptrotorkörper 9a auch in Axialrichtung erhöht werden, wodurch verhindert wird, daß sich der Hauptrotorkörper 9a in Axialrichtung relativ zur Buchse 9b verschiebt und der Hauptkörper 9a eine Störung mit den vorderen und hinteren Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer 6 vollzieht.

Die Buchse 9b wird in den Hauptrotorkörper 9a eingesetzt und in diesem Körper festgehalten, ohne daß dabei besondere Einzelteile wie Nieten oder dgl. benötigt werden. Hierdurch wird ein Anwachsen der Anzahl von Einzelteilen verhindert, und die Produktionskosten werden niedrig gehalten.

Weiterhin wird die Buchse 9b auf die Antriebswelle 8 aufgepreßt, so daß sie fest mit dieser verbunden ist. Auch hierdurch sinkt die Zahl der erforderlichen Arbeitsschritte und die Herstellungskosten bleiben in Grenzen.

Weiterhin wird der Rotor 9 durch Aufpressen der Buchse 9b auf die Antriebswelle 8 mit dieser Welle verbunden, wobei das vorgegebene Übermaß zum Zeitpunkt des Zusammenbaus aufrechterhalten bleibt. Daher bilden der Rotor 9 und die Antriebswelle 8 eine erste Untereinheit. Die Frontplatte 2, welche die Lagereinrichtung 7 haltert, bildet eine zweite Untereinheit. Die erste Untereinheit wird in den inneren Laufring 7a der Lagereinrichtung 7 der zweiten Untereinheit eingepreßt. In diesem Falle wird, wie in Fig. 4 dargestellt, die Buchse 9b, die auf die Antriebswelle 8 aufgepreßt ist, in Kontakt mit dem inneren Laufring 7a der Lagereinrichtung 7 positioniert, was den Zusammenbau des Rotors 9 erleichtert. Weiterhin ist der Hauptrotorkörper 9a aus einem Material gefertigt, das weicher als die Buchse 9b ist. Da jedoch die Fläche 9e des Hauptrotorkörpers 9a mit Bezug auf die Referenzfläche 9d der Buchse 9b eine Stufe Δ von einigen Mikron bildet, empfängt der Hauptrotorkörper 9a keine Belastung von dem inneren Laufring 7a der Lagereinrichtung 7 und wird somit nicht verformt. Der Hauptrotorkörper 9a kommt nicht in Kontakt mit dem inneren Laufring 7a und zwar auch nicht unter Bedingungen, bei denen keine Belastung vorliegt, was auf den Spalt Δ zurückzuführen ist. Ein Kontakt findet auch dann nicht statt, wenn die Innentemperatur durch die vom Silikonöl SO erzeugte Hitze während des Betriebs der Vorrichtung ansteigt. Dabei spielt die Tatsache eine Rolle, daß der Hauptrotorkörper 9a aus einem Werkstoff mit größerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten als derjenige der Buchse 9b gefertigt ist und eine thermische Ausdehnung in einem Ausmaß erfährt, das größer als diejenige der Buchse 9b ist. Dies bedeutet: die thermische Ausdehnung des Hauptrotorkörpers 9a ist aufgrund des Spalts zwischen dem Hauptrotorkörper 9a und dem inneren Laufring 7a der Lagereinrichtung möglich. Infolgedessen stößt der Hauptrotorkörper 9a nicht an diesen inneren Laufring 7a in Axialrichtung an und erfährt somit auch keine Reaktionskräfte. Dementsprechend wird der Hauptrotorkörper 9a in Axialrichtung relativ zur Buchse 9b nicht abgelenkt oder verschoben. Außerdem findet in seinem Randbereich keine Deformation statt.

Alles in allem wird von der Erfindung somit eine Vorrichtung geschaffen, die sowohl leicht zusammenbaubar ist und eine hohe Standzeit besitzt. Infolgedessen können die Antriebswelle 8 und der Rotor 9 während des Betriebs der Vorrichtung gemeinsam in zuverlässiger Weise umlaufen.

Zweite Ausführungsform

Bei der zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme gemäß der Erfindung, die in Fig. 5 dargestellt ist, bilden die Rückplatte 3 und der hintere Gehäusekörper 4 anders als bei der ersten Ausführungsform keine Reservoirkammer, und es ist in der Wellenbohrung der Rückplatte 3 eine Lagereinrichtung 17 in einer einzelnen Reihe angeordnet. Die Lagereinrichtung 17 schließt einen inneren Laufring 17a, einen äußeren Laufring 17b sowie Kugeln 17c ein, die durch eine Halteeinheit 17d zwischen dem inneren Laufring 17a und dem äußeren Laufring 17b festgehalten werden. Der innere Laufring 17a ist aus einem Eisenmetall (Kohlenstoffstahl für Lager) gefertigt und besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten β von etwa 10.7 × 10-6 (°C). Ein (nicht dargestelltes) Dichtelement ist an der Vorderseite zwischen dem inneren Laufring 17a und dem äußeren Laufring 17b vorgesehen.

Die Antriebswelle 8 wird von den Lagereinrichtungen 7 und 17 drehbar abgestützt. Der Rotor 9 ist zwischen den Lagereinrichtungen 7 und 17 auf der Antriebswelle 8 befestigt. Der Rotor 9 besitzt eine Buchse 9f, welche die Innenseite eines Vorsprungteils bildet, der nach rückwärts und vorwärts in Axialrichtung vorsteht und für den Hauptrotorkörper notwendig ist.

Bei der Bearbeitung des Rotors 9 oder des Gußstücks wird, wie aus Fig. 6 ersichtlich, eine Referenzfläche 9d auch an der Rückseite der Buchse 9f ausgebildet. Eine Fläche 9e mit einer Stufe Δ von einigen Mikron Höhe wird an einem Teil der rückseitigen Fläche der Buchse 9f auf der Seite des Hauptrotorkörpers 9a sowie an diesem selbst ausgebildet. Daher weist die Fläche 9e eines Teils der Rückseite der Buchse 9f auf der Seite des Hauptrotorkörpers 9a und dieser selbst einen Spalt Δ mit Bezug auf den inneren Laufring 17a auf. Im übrigen ist die Konstruktion dieser Ausführungsform die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.

Die Wärmeerzeugungs-Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt daher die gleichen Wirkungen wie diejenige entsprechend der ersten Ausführungsform.

Dritte Ausführungsform

Bei der dritten Ausführungsform ist gemäß Fig. 7 der Außendurchmesser der Buchse 9g so gewählt, daß er um einen Betrag H größer als der innere Laufring 7a der Lagereinrichtung 7 ist, und der Teil des Hauptrotorkörpers 9a des Vorsprungsteils liegt zwischen dem inneren Laufring 7a und dem äußeren Laufring 7b, so daß der vorspringende Teil des Hauptrotorkörpers 9a keine Störung mit der Halteeinheit 7d der Lagereinrichtung 7 oder mit dem (nicht dargestellten) Dichtungsglied verursacht. Im übrigen ist die Konstruktion wieder die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.

Obwohl bei der dritten Ausführungsform der Erfindung die Dicke des vorspringenden Teils des Hauptrotorkörpers 9a dadurch begrenzt ist, daß die Verbindungsöffnung 9d zwischen dem inneren Laufring 7a und dem äußeren Laufring 7b zu liegen kommt, sind dennoch die erzielbaren Wirkungen wiederum die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.

Wenn bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung die Antriebswelle so angetrieben wird, daß der Hauptrotorkörper des Rotors zum Zwecke der Wärmeerzeugung das zähflüssige Medium SO unter Scherung setzt, wird das Drehmoment der Antriebswelle auf den Basisteil des mit der Antriebswelle verbundenen Rotors übertragen. Das Drehmoment des Basisteils des Rotors wird auf den Hauptrotorkörper übertragen, in welchen der Basisteil eingesetzt ist. Hier liegt nur ein kleiner Unterschied oder praktisch kein Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Antriebswelle und dem Basisteil vor, und es tritt nur eine sehr geringfügige oder praktisch keine Änderung in der Größe zwischen der Antriebswelle und dem Basisteil auf. Obwohl dementsprechend der Basisteil nur dadurch an der Antriebswelle befestigt ist, daß er hierauf aufgepreßt ist, ändert sich das Übermaß zwischen den beiden Teilen nur sehr geringfügig oder überhaupt nicht gegenüber demjenigen Übermaß, welches beim Zusammenbau der Teile benutzt wird, und das Drehmoment der Antriebswelle wird daher zuverlässig auf den Basisteil übertragen. Außerdem werden der Hauptrotorkörper und der Basisteil, der in den Hauptrotorkörper eingesetzt ist, fest zusammengespannt, wenn sie abgekühlt werden, und zwar aufgrund des Unterschieds in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Teile. Dementsprechend läßt sich das Drehmoment des Basisteils zuverlässig auf den Hauptrotorkörper übertragen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung tritt daher während des Betriebs kein Schlupf zwischen der Antriebswelle und dem Rotor auf und die beiden Teile laufen zuverlässig gemeinsam um. Daher ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, eine Fahrzeugkabine während der Warmlaufphase des Motors zuverlässig zu erwärmen und auf eine gewünschte Temperatur zu bringen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird weiterhin der Basisteil in den Hauptrotorkörper eingesetzt und in diesem Körper befestigt, ohne daß dabei besondere Teile, wie beispielsweise Nieten oder dgl., erforderlich sind, wie sie bisher benutzt wurden. Dadurch sinkt die Anzahl der erforderlichen Einzelteile und die Produktionskosten werden niedriger.

Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Basisabschnitt nicht notwendigerweise auf der Antriebswelle durch eine Keilnut- oder eine Splintverbindung befestigt. Die Befestigung erfolgt lediglich durch Aufpressen, wodurch die Zahl der Arbeitsschritte abgesenkt werden kann.

Der Rotor läßt sich bei der Erfindung leicht zusammenbauen, wenn der Basisteil, der bereits mit der Antriebswelle verbunden ist, positioniert wird, wobei er in Kontakt mit dem Positionierglied (innerer Laufring 7a, 17a) gebracht wird. Das Hauptrotorglied stößt das Positionierglied nicht in axialer Richtung zur Seite, und zwar auch dann nicht, wenn die Innentemperatur durch die in der Vorrichtung erzeugte Wärme steigt. Der Hauptrotorkörper besteht aus einem Werkstoff mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als derjenige des Basisteils und vollzieht eine thermische Ausdehnung in einem Ausmaß, das größer als diejenige des Basisteils ist, da der Hauptrotorkörper mit Bezug auf das Positionierglied eine thermische Ausdehnung durchführen kann. Infolgedessen wirken auf den Hauptrotorkörper keine Reaktionskräfte und er wird relativ zum Basisteil nicht in axialer Richtung verschoben.

Auch wird sein Randbereich nicht verformt. Auch hierdurch ist eine leichte Zusammenbaubarkeit und eine hohe Standzeit der Vorrichtung gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Wärmeerzeugungs-Vorrichtung läßt sich leicht herstellen und gestattet es, daß die Antriebswelle und der Rotor in zuverlässiger Weise während des Betriebs gemeinsam rotieren, wobei leichte Zusammenbaubarkeit und hohe Standfestigkeit gewährleistet sind.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können als Positionierglieder benutzt werden: ein abgestufter Teil, der zu Positionierzwecken an der Antriebswelle ausgebildet ist, eine kreisförmige Klammer, die zu Positionerzwecken an der Antriebswelle befestigt ist, kreisförmige Klammern zur Befestigung der Lagervorrichtung und der Wellenabdichteinrichtung, eine Lagereinrichtung, die ohne kreisförmige Klammer auf der Antriebswelle befestigt ist, sowie eine Wellenabdichtungseinrichtung, die ohne kreisförmige Klammer mit der Antriebswelle verbunden ist. Wenn das Positionierglied eine Lagereinrichtung ist, wird der Basisteil derart positioniert, daß er in Kontakt mit dem inneren Laufring der Lagereinrichtung gelangt, und dem Hauptrotorteil wird es ermöglicht, relativ zum inneren Laufring eine thermische Ausdehnung zu erfahren.

Bei einer Ausführungsform, bei welcher der Hauptrotorkörper der Wärmeerzeugungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung eine thermische Ausdehnung relativ zur Lagereinrichtung vollziehen kann, kann der Hersteller eine solche Lagereinrichtung derart herstellen, daß deren innerer Laufring einen Spalt aufweist, welcher es dem Hauptrotorkörper ermöglicht, eine thermische Ausdehnung zu vollziehen. Um die Kosten der Lagereinrichtung weiterhin herabzudrücken, kann der Hersteller einen Rotor derart produzieren, daß dessen Basisteil einen Außendurchmesser hat, der größer als der innere Laufring der Lagereinrichtung ist. Wenn dann der Hauptrotorkörper einen vorspringenden Teil hat, wenn der Basisteil eingesetzt ist, wird dieser vorspringende Teil des Hauptrotorkörpers zwischen dem inneren Laufring und dem äußeren Laufring der Lagereinrichtung positioniert, so daß der vorspringende Teil des Hauptrotorkörpers weder mit der Halteeinheit noch mit dem Dichtungsglied der Lagereinrichtung eine Störung verursacht. Darüber hinaus kann der Hersteller einen Rotor derart fertigen, daß der Hauptrotorkörper einen Spalt aufweist, der es gestattet, daß der innere Laufring eine thermische Expansion erfährt. Wenn der innere Laufring der Lagereinrichtung einen Spalt hat, der es gestattet, daß der Hauptrotorkörper eine thermische Ausdehnung erfährt, oder wenn der Hauptrotorkörper einen Spalt hat, der es gestattet, daß der innere Laufring eine thermische Expansion vollzieht, kommen die beiden Teile nicht miteinander in Kontakt, oder sie kommen miteinander in Kontakt im Zustand fehlender Belastung, obwohl der Hauptrotorkörper in Axialrichtung thermisch expandiert.

Wenn der Hauptrotorkörper einen Spalt hat, der es ermöglicht, daß der innere Laufring eine thermische Ausdehnung erfährt, ist es erwünscht, daß der Bereich des Basisteils auf der Seite des Hauptrotorkörpers ebenfalls einen Spalt hat, der es gestattet, daß der innere Laufring eine thermische Ausdehnung vollzieht. Dann kann, nachdem der Rotor einschließlich Hauptrotorkörper und Basisteil, der in den Hauptrotorkörper eingesetzt ist, gegossen ist leicht und zuverlässig ein Spalt im Hauptrotorkörper durch Bearbeitung des Gußstücks ausgebildet werden, und es läßt sich leicht eine Referenzfläche an dem verbleibenden Abschnitt des Basisteils ausbilden, um so die Positionierung auszuführen, wobei ein Kontakt mit dem inneren Laufring der Lagereinrichtung hergestellt wird.

Die Antriebswelle wird aus einem Eisenmetall gefertigt, der Basisteil des Rotors ebenfalls aus einem Eisenmetall und der Hauptrotorkörper aus einem Aluminiummetall. Somit zeigen die Antriebswelle und der Basisteil, die aus Eisenmetall gefertigt sind, eine hohe Festigkeit, und der Hauptrotorkörper, der aus Aluminiummetall gefertigt ist, läßt sich leicht bearbeiten und führt zu einer Gewichtsreduzierung.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme

    mit einem eine Wärmeerzeugungskammer bildenden Gehäuse und einer dieser Kammer benachbarten, ein zirkulierendes Medium enthaltenden Wärmeaufnahmekammer;

    mit einer durch Lagereinrichtungen vom Gehäuse drehbar abgestützten Antriebswelle;

    mit einem in der Wärmeerzeugungskammer auf der Antriebswelle vorgesehenen, sich drehenden Rotor; und

    mit einem in die Zwischenräume zwischen den Wandflächen der Wärmeerzeugungskammer und den Außenflächen des Rotors eingefüllten, zähflüssigen (viskosen) Medium, welches bei sich drehendem Rotor aufgrund auftretender Scherkräfte Wärme erzeugt,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß der Rotor (9) einen das zähflüssige Medium unter Scherung setzenden Hauptrotorkörper (9a) einschließt, der aus einem Werkstoff mit größerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (β) als derjenige der Antriebswelle (8) hergestellt ist;

    daß der Rotor (9) weiterhin einen Basisteil (Buchse 9b, 9f, 9g) einschließt, hergestellt aus einem Werkstoff mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (β), der demjenigen der Antriebswelle äquivalent ist;

    daß der Basisteil (Buchse 9b, 9f, 9g) in den Hauptrotorkörper (9a) eingesetzt und auf der Antriebswelle (8) befestigt ist, wobei er so positioniert ist, daß er in Kontakt mit einem Positionierglied (Laufring 7a, 17a) gelangt;

    daß wenigstens der Hauptrotorkörper (9a) mit Bezug auf das Positionierglied (Laufring 7a, 17a) eine thermische Ausdehnung erfahren kann.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionierglied eine Lagereinrichtung (7, 17) ist, daß der Basisteil (Buchse 9b, 9f, 9g) in Kontakt mit einem inneren Laufring (7a, 17a) der Lagereinrichtung (7, 17) positioniert ist, und daß der Hauptrotorkörper (9a) mit Bezug auf diesen Laufring seine thermische Ausdehnung erfahren kann.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hauptrotorkörper (9a) ein Spalt (Δ) zugeordnet ist, welcher die thermische Ausdehnung relativ zum inneren Laufring (7a, 17a) ermöglicht.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des Basisteils (Buchse 9b, 9f) zum Hauptrotorkörper (9a) hin ebenfalls einen Spalt (Δ) aufweist, der eine thermische Ausdehnung relativ zum inneren Laufring (7a, 17a) ermöglicht.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (8) aus Eisenmetall, der Basisteil (Buchse 9b, 9f, 9g) aus Eisenmetall und der Hauptrotorkörper (9a) aus Aluminiummetall gefertigt sind.






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