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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, der als ein Zwischenkühler/Ladeluftkühler in
einer Verbrennungsluftladevorrichtung, wie beispielsweise einen
Turbolader oder einen Lader für Antriebsmaschinen
eingesetzt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Verbrennungsluftlader,
wie beispielsweise Turbolader oder Lader, sind viele Jahre entwickelt worden
mit Motoren, insbesondere mit internen Verbrennungsmotoren. In einem
Turbolader wird zumindest ein drehbares Verdichterrad angetrieben
durch das Abgas des Motors. Im Fall eines Laders wird zumindest
ein drehbares Verdichterrad mechanisch angetrieben, gewöhnlich durch
die Ausgangsdrehkraft des Motors. In beiden Fällen wird ein Verdichterrad zum
Verdichten von Umgebungsluft vor ihrem Einlass in den Motor eingesetzt,
um darin die Verbrennung zu unterstützen. Da die Luft verdichtet
wird, hat ein gegebenes Volumen davon einen größeren Moll-Anteil von Sauerstoff
als andernfalls ein gleiches Volumen von Luft bei Umgebungsdruck.
Dies hat zur Folge, dass der zusätzliche
Sauerstoff die Verbrennung einer größeren Menge von Treibstoff
erlaubt, so dass mit einem Triebwerk von gegebener Größe ein größerer Energieoutput
erhalten werden kann durch die Beladung der Verbrennungsluft.
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Über die
Jahre hinweg ist ermittelt worden, dass die Effizienz einer solchen
Verbrennungsluftladevorrichtung durch die Verwendung eines sogenannten
Zwischenkühlungssystems
verbessert werden kann. Da die Luft erwärmt wird wenn sie verdichtet
wird, wird ein Teil der Leistung durch den Einsatz der Verbren nungsluftladevorrichtung
von vornherein abgeleitet, i. e. die Verdichtung der Verbrennungsluft, geladen
an den Motor geht verloren, da ein Volumen von heißer verdichteter
Luft weniger Sauerstoff beinhaltet als ein gleiches Volumen von
kühlerer
verdichteter Luft, wenn beide denselben Druck aufweisen. Bei einem
gegebenen Druck erlaubt daher nach Eingang zur Verbrennung in einen
Motor eine kühlere Verbrennungsluftladung
die Entwicklung von mehr Energie innerhalb des Motors als dieselbe
Ladung bei gleichem Druck bei einer höheren Temperatur.
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Infolgedessen
wurden Ladeluftkühler,
wie vorangehend genannt entwickelt, um Luft zu kühlen nach ihrem Austritt aus
dem Verbrennungsluftlader (oder eine Stufe davon) und vor ihrem
Eintritt in den Motor, um so bei jedem gegebenen Druck einen maximalen
Moll-Inhalt von Sauerstoff bereitzustellen.
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In
vielen Fällen
wird der Zwischenkühler
eingesetzt als ein üblicher,
rechtwinkelig geformter Wärmetauscher
und ist Seite an Seite oder vor oder hinter einem üblichen
Wärmetauscher,
der zur Kühlung von
Motorenkühlmittel
eingesetzt wird, befestigt. Obwohl diese Art der Anordnung die Kühlung von
verdichteter Verbrennungsluft adäquat
behandelt, kann es bestimmte Beschränkungen bezüglich der Größe und des
Volumens, welches in einen Motoreninnenraum zur Verfügung steht,
geben, beispielsweise in einem Fahrzeug, das sowohl unterschiedliche
Wärmetauscher,
die zur Kühlung
eingesetzt werden, aufnimmt. Auch können umfangreiche Schlauchverbindungen
zwischen dem Turbolader, dem Ladeluftkühler und dem Verbrennungslufteinlass
des Motors notwendig sein, die notwendigerweise relativ große Schlauchdurchmesser
aufgrund der geringen Dichte der Verbrennungsluft und dem konsequenter
Weise großen
Volumen davon benötigen.
Es ist daher vorgeschlagen worden, den Ladeluftkühler innerhalb des Verbrennungsluftladers
selbst einzugliedern, um ein kompakteres Verbrennungsluftlade- und
Ladeluftkühlungssystem
bereitzustellen, sowie um große, sperrige
Schlauchverbindungen weitestgehend zu vermeiden. Das vorliegende
Ziel ist es, den Ladeluftwärmetauscher
innerhalb des Verbrennungsluftladers derart ein zugliedern, dass
dieser einfach gewartet bzw. bedient werden kann, ein Minimum von
zu installierenden Verbindungen benötigt und nicht übermäßig die
Größe des Verbrennungsluftladers
erhöht.
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Aus
der
CH 416 920 ist ein
Ringkühler
bekannt, der parallel zur Laufradachse eines Gebläses im Gehäuse des
Gebläses
angeordnet ist und dessen Achse ausgerichtet ist mit der Achse der
Welle des Gebläses.
Dadurch liegt das Gebläse
eines Laufrads ebenfalls scheibenförmig ist und der Ringkühler Seite
an Seite liegt in einer flachen Art und Weise. Ihre Verbindung kann
in einem Bereich von ihren äußeren Umfängen erfolgen,
wobei durch ein entsprechendes Design des Auslassraumes für die verdichtete
Luft, die das Laufrad verlässt,
der Effekt der bislang allgemein bekannten Auslassspirale kombiniert werden
kann mit einem vorteilhaften Strömungsdesign
des Transfers der Luft in den Ringkühler.
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Die
EP 1 191 206 A2 beschreibt
ein Zwischenkühlungssystem
für einen
Turbolader eines internen Verbrennungsmotors. Dabei werden die Diffuserklappen,
Umkehrklappen und/oder Entwirbelklappen als Wärmetauscher in einem Zwischenkanal
verwendet. Ein Kühlmittelfluid
wird zu den Wärmetauschern
geführt
und strömt
zwischen den Wärmetauschern
in Reihe durch interne Kühlmittelverbindungen
oder durch interne Hohlräume,
die durch das Turboladergehäuse
definiert werden.
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In
der
DE 1 093 140 wird
ein Mehrstufenkreiselkompressor offenbart, der einen Zwischenkühlerkanal
aufweist, wobei die Kanäle
dieses um die Verdichterachse und parallel zu letzterer im Rückführbereich
der Kompressorstufe, die stromaufwärts des Kompressors zu der
Kompressorstufe stromabwärts des
Kompressors angeordnet sind, i. e. die Kanäle werden vom Medium, welches
gekühlt
wird, durchströmt
in Richtung der Kompressorachse. Ein Nachteil dieses Kreiselkompressors
ist, dass um den Kühler
aus dem Gehäuse
auszubauen, beispielsweise für
Wartungszwecke, zunächst
eine Wand, an welche der Kühler
starr verbunden ist entfernt werden muss. Darüber hinaus kann sich aufgrund
der starren Verbindung der Kühler
nicht axial innerhalb des Gehäuses
erstrecken, so dass dies eine Quelle für Spannungen ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist die Hauptaufgabe der Erfindung eine neue und verbesserte Rotationskompressormaschine
mit Kühlung,
die zur Bereitstellung von gekühlter, verdichteter
Luft für
jede einer Vielzahl von Verwendungen, verwendet wird. Es ist ebenfalls
eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Verbrennungsluftladevorrichtung
mit einem internen Ladeluftkühler bereitzustellen,
die kompakter ist als derartig bekannte Systeme, die einfach gewartet
werden kann und/oder mit einem Minimum von zu installierenden Verbindungen
mit dem Motor, mit welchem das System verwendet wird.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung erfüllt eine
beispielhafte Ausführungsform
hiervon eine oder mehrere der oben genannten Aufgaben in einer Rotationsmaschine,
die eine rotierende Welle umfasst und zumindest ein Kompressorrad
daran aufweist und ein Gehäuse,
das das Kompressorrad enthält
und einen Einlass zum Kompressorrad und einen Auslass aufweist;
ein Wärmetauscher
in dem Gehäuse,
der zwischen den Kompressorrad und dem Auslass positioniert ist,
wobei der Wärmetauscher
einen Gasströmungspfad
aufweist, der eine im Wesentlichen radiale Ausdehnung aufweisen
und einen Gaseinlass in Fluidverbindung mit dem Kompressorrad und
einen Gasauslass in Fluidverbindung mit dem Gehäuseauslass besitzt, wobei der
Wärmetauscher einen
torrusförmigen
Kern mit einer zentralen Öffnung,
konzentrisch um die Welle herum und mit dem Gaseinlass, der durch
einen radialen äußeren Umfang
des Kerns definiert wird und dem Gasauslass, der durch einen radialen
inneren Umfang des Kerns definiert wird und Kühlmittelströmungspfade in dem Kern, die
sich darin im allgemein von Seite zur Seite erstrecken, wobei die
Kühlmittelströmungspfade
gemeinsame Einlässe
und gemeinsame Auslässe
aufweisen. Wobei die gemeinsamen Einlässe und die gemeinsamen Auslässe sich
an derselben Seite des Kerns befinden und durch jeweilige kreisförmige Behälter, die
axial gerichtete Anschlüsse
aufweisen, die mit axialer gerichteten Anschlüssen in dem Gehäuse ausrichtbar
sind, definiert werden, wobei der Kern an dem Gehäuse abnehmbar
befestigt ist, wobei die Behälteranschlüsse und
die Gehäuseanschlüsse abgedichtete,
zusammenpassende männliche/weibliche Konstruktionen
aufweisen, die der Seite des Kerns, die gegenüber derselben Seite ist, erlauben
sich relativ axial zum Gehäuse
zu bewegen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die zusammenpassenden männlichen/weiblichen Konstruktionen „Einsteck"-Konstruktionen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die zentrale Öffnung einen größeren Radius
als das Kompressorrad auf.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die zentrale Öffnung einen kleineren Radius
als das Kompressorrad auf.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Wärmetauscher
aus einer Mehrzahl von bogenförmigen
Segmenten zusammengesetzt.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Teilansicht eines Verbrennungsluftladers, hergestellt
gemäß der Erfindung;
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2 ist
eine fragmentarische, perspektivische Ansicht einer Form des Wärmetauschers,
eingesetzt in der Erfindung;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine alternative Form eines Wärmetauschers
zeigt, eingesetzt in der Erfindung;
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4 ist
eine vergrößerte, fragmentarischer, Teilansicht
des Wärmetauschers,
der in 2 gezeigt ist, wenn dieser in dem Verbrennungsluftlader installiert
ist;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht, die einen Typ von Rippenkonstruktionen
darstellt, der in der Erfindung einsetzbar sind;
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6 ist
eine Ansicht ähnlich
der in 5, die jedoch eine alternative und bevorzugte
Form der Rippenkonstruktion darstellt;
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7 ist
eine schematische, vergrößerte, Teilansicht
ungefähr
entlang der Linie 7-7
in 6;
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8 ist
eine vergrößerte, Querschnittsansicht
eines Typs von Kanälen,
die in der Erfindung eingesetzt werden kann;
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9 ist
eine Ansicht, ähnlich
der in 8, die einen anderen Typ des Kanals zeigt;
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10 ist
eine fragmentarische Teilansicht, ähnlich der in 7,
die jedoch einen abgeflachten Kanal darstellt, Plattenrippenkonstruktion;
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11 ist
eine fragmentarische Teilansicht, vergleichbar zu der in 8,
die jedoch die Kanäle
in benachbarten Reihen von Kanälen,
die aneinander ausgerichtet sind, zeigt; und
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12 ist
eine fragmentarische Teilansicht, wie 8 und 11,
die eine einzelne Reihe von Kanälen
von abgeflachtem Querschnitt in einer Plattenrippenkonstruktion
zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung, die hierin beschrieben werden, werden speziell offenbart
als Verbrennungsluftlader in der Form eines Zweistufenturboladers.
Allerdings ist zu verstehen, dass diese Beschreibung zum Zwecke der
Erläuterung
erfolgt und keine Beschränkung
auf Verbrennungslader oder auf Turbolader oder auf die Anzahl der
Stufen intendiert. Beispielsweise kann die Erfindung ebenfalls mit
Effizienz in einem Einzelstufenturbolader eingesetzt werden und
kann in Einzel- oder Multistufenlader eingesetzt werden. Ebenso kann
die Erfindung in einer Rotationsmaschine, die ein Rotationsgaskompressorrad
an einer Welle aufweist eingesetzt werden, falls eine Applikation,
die Kühlung
eines verdichteten Gases zu einem Kompressorrad umfasst, erwünscht ist.
Mit dem vorangehenden im Sinn, wird die Aufmerksamkeit auf 1 gerichtet.
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Es
wird ersehen, dass die beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ein
Gehäuse,
allgemein bezeichnet mit 10, das aus zumindest zwei separaten Abschnitten 12 bzw. 14 ausgebildet
ist, umfasst. Eine drehbare Welle 18 ist innerhalb des
Gehäuses 10 durch
irgendein geeignetes Lager (nicht gezeigt) gelagert. In der dargestellten
Ausführungsform
umfasst die drehbare Welle ein erstes Kompressorrad 20,
ein zweites Kompressorrad 22 und ein Turbinenrad 24, die
der Reihe nach innerhalb eines Gehäuses (nicht gezeigt) angeordnet
werden. Wie durch einen Pfeil 26 angezeigt, wird das Turbinenrad 24 durch
das Abgas von einen internem Verbrennungsmotor angetrieben, um die
Welle 18 anzutreiben. Verbrauchtes Abgas wird vom Turbinenrad 24,
wie durch Pfeil 28 angezeigt, ausgelassen.
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Das
Gehäuse 12 umfasst
einen Umgebungslufteinlass 30, während das Gehäuse 14 einen Auslass
für verdichtete
Luft umfasst, schematisch angezeigt durch einen Pfeil 32.
Der Einlass 30 ist zur Einlassseite des Kompressorrads 20 gerichtet,
während
der Auslass 32 zu einem Verdichtergehäuse führt, schematisch gezeigt bei 34,
an der Auslassseite des Kompressorrads 25.
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Ein
gemäß der Erfindung
hergestellter Wärmetauscher
ist allgemein bezeichnet mit 36, ist innerhalb der Gehäuse 12, 14 beinhaltet,
in dem die zwei miteinander verbunden werden, wie angezeigt schematisch
durch lösbare
Befestigungsmittel 38. Der Wärmetauscher 36 ist
torusförmig
oder ringförmig und
umfasst eine radiale äußere zylindrische
Oberfläche 40,
die einen Lufteinlass zum Durchtritt von Luft durch den Wärmetauscher 36 definiert.
Eine radial innere zylindrische Oberfläche 42 formt einen Lufteinlass
für den
Wärmetauscher 36.
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Die
Seiten des Wärmetauschers
sind bereitgestellt mit einem ersten Einlass/Auslasssammler und
Behälter,
allgemein bezeichnet mit 44, an der Seite des Wärmetauschers 36,
die innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet
ist und einen zurückfahrenden Sammler
und Behälter,
der allgemein mit 46 bezeichnet ist an der Seite des Wärmetauschers 36,
die innerhalb des Gehäuses 12 liegt.
Ein Kühlmittelverteiler 48 ist
innerhalb des Gehäuses 14 an
einer Seite des Verdichtergehäuses 34 und
radial einwärts
am radialen äußeren Teil
des Verdichtergehäuses 34 angeordnet.
Der Verteiler 48 ist durch ein inneres Netz oder Blech 50 in
einen radial inneren Verteilerabschnitt 52 und einen radial äußeren Verteilerabschnitt 54 unterteilt.
Das System ist mit einem Kühlmitteleinlass,
schematisch dargestellt durch einen Pfeil 56, der sich
durch den radial inneren Verteilerabschnitt 52 erstreckt
und einen Kühlmittelauslass 58,
schematisch dargestellt durch einen Pfeil, der sich durch den radial äußeren Verteilerabschnitt 54 erstreckt, bereitgestellt.
Durch eine Konstruktion, die nachfolgend detaillierter beschrieben
wird, fahrt ein Kühlmittel,
wie ein Kühlmittel
für den
internen Verbrennungsmotor, durch den Einlass 56 in den
Turbolader und wird zum radial inneren Verteilerabschnitt geführt, von
welchen aus es in den ersten Sammler und Behälter 44 an einem radialen
inneren Teil davon strömt,
um axial durch den Wärmetauschers 36 zum Rückeintrittssammler
und Behälter 46 strömt, wo seine
Richtung umgekehrt wird, um durch den radialen äußeren Teil des Wärmetauschers 36 zurück zum Einlass/Auslasssammler
und Behälter 44 zu
strömen.
Vom Sammler und Behälter 44 wird
das Kühlmittel
in den radialen äußeren Verteilerabschnitt 54 zum
Kühlmittelauslass 58 abgeführt. Diese
Strömung des
Kühlmittels
ist durch eine Serie von Pfeilen 60, 62 und 64 angezeigt.
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Die
Luftströmung
durch den Turbolader ist wie folgt. Umgebungsluft kommt durch den
Einlass 30 und passiert die Einlassseite des Kompressorsrads 20.
In dem das Kompressorrad 20 durch das Turbinenrad 24 angetrieben
wird, wird die Luft verdichtet und mit einem erhöhtem Druck an die radiale äußere Peripherie
des Kompressorrads 20, wie angezeigt durch den Pfeil 66,
abgegeben. Die verdichtete Luft strömt weiter radial auswärts durch
einen ringförmigen
Raum 68 (ein Diffuser, nicht gezeigt, ist üblicherweise
angeordnet in dem Raum 68) zwischen dem Gehäuse 12 und
dem Wärmetauscher 36,
der teilweise definiert wird durch den Rückführsammler und Behälter 46,
einem radialen Leitblech 70, das sich radial nach innen
vom Rückführsammler und
Behälter 46 erstreckt
und ein axiales Leitblech 72, das sich vom Leitblech 70 an
seinem radial am innersten liegenden Teil erstreckt, um ein Teil
des Gehäuses 12 (nicht
gezeigt) in Nachbarschaft zum Kompressorrad 20 zu lagern.
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Die
radial äußere Seite
oder Peripherie 40 des Wärmetauschers 36 ist
radial nach innen von den Gehäusen 12 und 14 beabstandet
und erlaubt dies die durch das Turbinenrad 20 verdichtete
Luft, wie durch die Pfeile 64 angedeutet, zurückzuführen, um
den Wärmetauscher 36 an
der radialen äußeren Peripherie 40 hiervon
zu betreten.
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Die
Luft führt
dann durch den Wärmetauscher 36 in
einer radial nach innen gerichteten Richtung und wird durch das
Kühlmittel
gekühlt,
das axial durch den Wärmetauscher 36,
wie vorangehend erwähnt,
strömt.
Die gekühlte,
verdichtete Luft wird anschließend
aus dem Wärmetauscher 36 herausgeführt, wie
durch die Pfeile 76 angezeigt, in die Einlassseite des
Kompressorrads 22, wobei es weiter verdichtet wird und
dann ausgelassen wird in das Verdichtergehäuse 34, wie angezeigt
durch die Pfeile 78. Diese verdichtete Luft wird dann als
verdichtete Verbrennungsluft zum internen Motor ausgelassen, um
dort die Verbrennung zu unterstützen.
Falls erwünscht
können
zusätzliche
Kühlschritte
zwischen dem Kompressorrad 22 und dem Motor einbezogen werden.
Alternativ, wie vorangehend erwähnt,
kann in einem Einzelstufenturbolader das Kompressorrad 22 weg gelassen
werden, wobei in diesem Fall die Luft, die von der radial inneren
Seite der Peripherie 42 des Wärmetauschers 36 ausgelassen
wird, direkt in das Verdichtergehäuse 34 ausgelassen
werden könnte.
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Ein
Merkmal, wie bislang beschrieben umfasst die Tatsache, dass die
radiale innere Peripherie 42 des Wärmetauscher einen größeren Durchmesser
aufweist als der äußere Durchmesser
des Turbinenrades 20, wie in 1 zu sehen.
Durch Lösen
der Befestigungsmittel 38 und Abtrennen des Gehäuses 12 vom
Gehäuse 14 kann
daher der Wärmetauscher 36 axial
nach Links, wie in 1 gezeigt, gleiten und über das
Turbinenrad 20 zur Wartung. Dies heißt, dass es nicht notwendig
ist, dass Turbinenrad 20 von der Welle zu entfernen, um
eine Entfernung des Wärmetauschers 36 zu
ermöglichen.
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Es
wird ebenfalls gewürdigt
werden, dass viele der Rohrleitungen sowohl für Luft als auch für Kühlmittel
innerhalb des Turboladers selbst eingebunden werden, wobei ein kompakter
Zusammenbau und minimierte Leitungsverluste bereitgestellt werden.
Beispielsweise werden große
Durchmesser und externe Schlauchverbindungen völlig vermieden.
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Nunmehr
mit Bezug zu 2, wird eine Ausführungsform
des Wärmetauschers 36 detaillierter beschrieben.
Der Wärmetauscher 36 umfasst
einen Kern, allgemein bezeichnet mit 80, der zwischen den Sammlern
und Behältern 44 und 46 angeordnet
ist. Der Sammler und Behälter 44 ist
eine kranzförmige oder
ringförmige
Wanne mit einem Boden 82, flankiert durch radiale äußere Seitenwände 84 und
einer radialen inneren Seitenwand 86, die an den Kern 80 angrenzen
und dort an der radialen äußeren und
radialen inneren Peripherie 40 bzw. 42 abgedichtet werden.
Innerhalb der Wanne ist ein kranzförmiges Ablenkblech 88,
das eine ringförmige,
zylindrische Auslassöffnung 90 am
radialen äußeren Teil
des Bodens 82 von einer ringförmigen, zylindrischen Einlassöffnung 92 am
radialen inneren Teil des Bodens 82 abtrennt. Falls erwünscht, können mehrere
der Öffnung 90, 92 bereitgestellt
werden, vorzugsweise an gleichen winkelbeabstandeten Positionen
um den Sammler und Behälter 44.
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Der
Kern selbst, wie in 2 dargestellt, ist hergestellt
aus einer Mehrzahl von ringförmigen
Plattenrippen 94, die mit geeigneten Kanalaussparungen bereitgestellt
werden, um axial gestreckte Rohre 96, die in vier Reihen
angeordnet sind, wie in 2 dargestellt, aufzunehmen.
Wenn Plattenrippen, solche wie die Plattenrippen 94 verwendet
werden, haben die Öffnungen
in den Plattenrippen 94, die die Kanäle 96 aufnehmen denselben
Querschnitt wie die Rohre und werden derart konstruiert, dass eine
mechanische Presspassung erhalten wird, um den Wärmetransfer zu verbessern.
Löten oder
Hartlöten
von Metall kann ebenfalls eingesetzt werden, um die Rippen 94 und
die Kanäle 96 zusammen
zu fixieren. Die Kanäle 96 sind
im allgemein vom abgeflachten Typ, von einer im Allgemeinen ovalen
Art oder haben einen keilförmigen
Querschnitt, wie in weiteren noch beschrieben wird. Ein keilförmiger Querschnitt
ist bevorzugt in Konstruktionen, in denen Serpentinenrippen eingesetzt
werden, während
abgeflachte Kanäle
sowohl in Plattenrippen als auch in Serpentinenrippenkonstruktionen
verwendet werden können.
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Der
Sammler und Behälter 46 ist
ebenfalls ein wannenförmiger
Kranzring, der einen Boden 100 aufweist, flankiert durch
Seitenwände 102 und 104 an
dem radialen inneren und radialen äußeren Teil des Kerns 80 und
metallurgisch verbunden und abgedichtet daran sind. Daher wird das
Kühlmittel,
welches in die Einlassöffnungen 92 fließt, durch
die zwei radialen inneren Kanäle 96 axial
zu dem Rückführungssammler
und Behälter 46 geführt. Da
der Sammler und Behälter 46 kein
Ablenkblech wie das Ablenkblech 88 aufweist, bewegt sich
der Strom von Kühlmittel,
wenn es die Kanäle 96 verlässt und
in den Sammler und Behälter
eintritt radial nach außen
an die zwei am äußersten
liegenden Kanäle 96,
wo dieser an die Auslassöffnung 90 zurückgeführt wird.
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Wie
in 2 gezeigt, ist der Wärmetauscher 36 als
einzelner Ring ausgebildet, der sich um 360° erstreckt. Allerdings, wie
in 3 gezeigt, kann der Wärmetau scher 36 in
eine Mehrzahl von unabhängigen
Segmenten, gezeigt bei 106, 108 und 110,
aufgebrochen werden. Jedes der Segmente 106, 108 und 110 wird
mit Öffnungen 90 und 92 bereitgestellt, ebenso
mit Rippen 94 und den Kanälen 96 (nicht gezeigt
in 3). Diese Konstruktion erlaubt, falls erwünscht, die
Verwendung eines größeren Wärmetauschers.
Im speziellen, wie mit der Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist, kann die radiale innere Peripherie 42 im
Radius kleiner sein als das Kompressorrad 20 und immer
noch eine Wartung erlauben. In diesem Fall ist es lediglich notwendig
den Wärmetauscher 36 Segment
für Segment
durch jeweilige Bewegung der Segmente 106, 108, 110 in
einer Kombination von axialen und radialen Richtungen, nachdem das
Gehäuse 12 (1)
entfernt wurde, vom Gehäuse 14 zu
entfernen.
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4 zeigt
fragmentarisch die Installation der Ausführungsform aus 2 in
den Verteiler 48. Im Besonderen umfasst der Verteiler 48 eine
radiale äußere Öffnung oder
Bohrung 112 und eine radiale innere Öffnung oder Bohrung 114,
die ausgerichtet sind mit den Öffnungen 90 bzw. 92.
Innerhalb jeder Öffnungen 112, 114 ist
eine rohrförmige
Tülle/Dichtung 116,
welche gleitend und abdichtend eine jeweilige der Öffnungen 90, 92 aufnimmt,
um den Wärmetauscher 36 an
den Verteiler 48 abzudichten. Dadurch wird eine „Einsteck"-Anordnung bereitgestellt, wobei
der Wärmetauscher 36 einfach
vom Turbolader installiert oder entfernt werden kann. Wichtig ist, dass
der Wärmetauscher 36 an
dem Gehäuse
am Verteiler 48 gesichert ist und nicht am Turboladergehäuse an anderen
Positionierungen gesichert ist. Demzufolge kann sich der Wärmetauscher 36 axial innerhalb
des Gehäuses 10 erstrecken.
Dies minimiert die Belastung, die durch den Wärmezyklus generiert werden,
die auftreten wenn der Wärmetauscher
in Betrieb genommen wird und außer
Betrieb genommen wird und dann wieder in Betrieb genommen wird,
etc, ebenso wenn der Motor betrieben wird, abgeschaltet wird und
wieder gestartet wird.
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5 zeigt
eine modifizierte Ausführungsform
der Erfindung, wobei der Wärmetauscher 36 aus
einer Mehrzahl von Segmenten hergestellt ist, wobei lediglich eine
hiervon fragmentarisch in 5 gezeigt
ist. Die Plattenrippen 94 können einfach gesehen werden
und es wird verstanden, dass in dieser speziellen Ausführungsform
die Kopfplatte 120, einer der Sammler 44, 46 geöffnet ist,
um lediglich zwei Reihen von Kanälen 96 bereitzustellen.
Die Kanalreihen sind getrennt durch einen unperforierten Bereich 122,
der ausgerichtet ist mit dem Ablenkblech 88 des Sammlers 44.
Wie ebenfalls in den 5 und 6 erkannt
wird, sind die Kanäle 96 von
keilförmigen Querschnitt
und haben beabstandete flache Seiten 124, 126,
die sich dazwischen erstrecken und eine relativ kleine radiale innere
Extremität 128 mit
einer relativ großen
radialen äußeren Extremität 130 verbinden.
Die Anzahl der Kanäle
in jeder Reihe ist die gleiche.
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In
der in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen
können
Serpentinenrippen 126 eingesetzt werden, da gegenüberliegende
flache Seiten 124, 126 von benachbarten keilförmigen Kanälen 86 bewirken,
dass diese parallel zu einander sind und dadurch die Verwendung
von Serpentinenrippen erlauben. Dies ist in vielen Fällen erwünscht, da
konventionelle Serpentinenrippen ohne Modifikationen eingesetzt
werden können,
wobei Plattenrippen einer speziellen Werkzeugbereitstellung bedürfen. Gleichzeitig
erlauben die Plattenrippen, dass der äußere Querschnitt eines jeden
Kanals 96 einwenig variiert werden kann, um eine erwünschte Strömungscharakteristik
zu erreichen, falls dies wichtig ist in einer gegebenen Applikation.
Es wird aus 6 verstanden werden, dass falls
erwünscht,
die Kanäle 96 sowohl
in einer Serpentinenrippen- oder in einer Plattenrippenkonfiguration
eingesetzt werden können,
was meint, dass die Kanäle 96 in
der radialen inneren Reihe ausgerichtet werden mit den Rippen 126 in
der radialen äußeren Reihe
und umgekehrt. Dies erhöht
die Windungen des Pfads des Luftstroms durch den Kern 80 und
verbessert dadurch den Wärmetransfer.
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In
Hochdruckanwendungen kann jeder der Kanäle eine Mehrzahl von Strömungspfaden
umfassen, separiert durch Stege (Webs) ums dadurch zu verhindern,
dass die Kanäle
unter dem Einfluss des Hochdrucks „Rundwerden". Im Allgemeinen wird
dies keine Aufgabe sein, wo Plattenrippen verwendet werden sondern
kann eine Aufgabe sein, wo Serpentinenrippen eingesetzt werden.
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Es
ist ebenfalls möglich
eine einzelne Reihe von Kanälen
bereitzustellen, beispielsweise den Kanal der in 8 dargestellt
ist. Dies ist ein extrudierter keilförmiger Kanal mit einem einzelnen
Steg 134, der den Innenbereich des Kanals in einen radialen
inneren Strömungspfad 136 und
einen radialen äußeren Strömungspfad 138 unterteilt.
Der Sammler 44 ist so konfiguriert, dass das Umlenkblech 88 mit
dem Steg 134 ausgerichtet ist, um die Strömung in
den Kanälen 136 und 138 zu
unterteilen.
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Es
wird angemerkt, dass der Steg 134 vom Zentrum verschoben
ist, von Rechts nach Links des Kanals, gezeigt in 8,
so dass die Querschnittsflächen
der Strömungspfade 136 und 138 die
gleichen sind.
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Falls
erwünscht
kann ein Kanal, wie er in 9 verwendet
wird, eingesetzt werden. Dieser hat wieder einen keilförmigen Querschnitt
und kann extrudiert sein. Dieser Kanal ist bereitgestellt mit einer Serie
von radialen inneren Strömungspfaden 140, separariert
durch Stege 142, um eine verbesserte Druckresistenz bereitzustellen.
Ebenfalls umfassend eine Serie von radialen äußeren Strömungspfaden 144, die
ebenfalls separiert sind durch Stege 142, wiederum für die Druckresistenz.
Jeder der Strömungspfade 141 und 144 weist
die gleiche Querschnittsfläche
auf, so dass die Geschwindigkeit des Kühlmittels in dem radial inneren
Strömungspfad 140 zusammen
passt zur Geschwindigkeit des Kühlmittels
in den radial äußeren Strömungspfaden 144.
Die Strömungspfade 140 und 144 können separiert
werden durch einen schmalen leeren Bereich 146, der dazu
bestimmt ist mit dem Leitblech 88 ausgerichtet zu sein.
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Die
speziellen Ausführungsformen,
die bisher beschrieben wurden, setzten keilförmige Kanäle ein, um die Verwendung von
Serpentinenrippen erlauben zu können,
es können
allerdings auch Plattenrippen verwendet werden. Wie oben ange deutet, sind
Serpentinenrippen einfach erhältlich
und können ohne
Modifikationen zur Verwendung in einem Wärmetauscher, der gemäß der Erfindung
bereitgestellt wird, hergestellt werden. Allgemein gesprochen benötigt eine
Hochdruckapplikation extrudierte Kanäle. Dagegen können geschweißte keilförmige Kanäle mit flacher,
mit Vertiefungen versehen oder in gewalzter Form mit variablen Höheneinsetzen,
verbunden an den inneren Wänden
der Kanäle
oder ähnlich flachen
Kanälen
mit konstanten Höheneinsetzen
in einer relativ Niederdruckapplikation verwendet werden. Eigentlich
ist es nicht notwendig überhaupt
Kanäle
zu verwenden, wie diese allgemein verstanden werden. Wo Plattenrippen
eingesetzt werden, kann jede Plattenrippe mit einer Öffnung als
Teil eines Kanals dienen, die mit einem Flansch bereitgestellt werden
kann, der in eine ausgerichtete Öffnung
in der benachbarten Rippe eingesetzt wird und abgedichtet wird.
Auf diese Art stellt ein Stapel von Plattenrippen mit integrierten
Verbindungen, die als Kanäle
dienen, eine Kanalkonstruktion bereit. Diese Technik leistet keinen
Beitrag zur Erfindung, er ist im Stand der Technik bekannt. Diese
ist lediglich erwähnt
als eine akzeptable Alternative zur Verwendung von Kanälen, wie
sie hierin offenbart werden.
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Wenn
die inneren und äußeren Reihen
Kanäle
aufweisen, die denselben äußeren Querschnitt haben,
ist die Rippenhöhe
der äußeren Reihen
erhöht,
wie in 6 festgestellt werden kann, wobei dadurch ein
erhöhtes
Maß von
seitlicher Oberfläche in
dem Wärmetauscher
bereitstellt wird, um so die Leistung zu verbessern. Andererseits
können
Rippen mit derselben Rippenhöhe
in allen Reihen verwendet werden, wenn die Querschnitte der radial äußeren Kanäle größer gemacht
werden, um eine identische Beabstandung zwischen benachbarten Kanälen zu erhalten.
Soweit dies den Kühlmittelstrombereich
in dem radial äußeren Teil
der Kanäle
erhöht
und dadurch die Leistung auf der Kühlmittelseite des Wärmetauschers
reduzieren werden kann, ist es möglich dies
zu überwinden
durch Anwendung der Kanäle aus 9.
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Nun
mit Bezug auf die 10 bis 12 können andere
Kanäle
und Rippenkonstruktionen eingesetzt werden. In 10 umfassen
Plattenrippen 150 (lediglich eine davon ist gezeigt) in
inneren und äußeren Reihen,
allgemein bezeichnet mit 152 bzw. 154 abgeflachte
Kanäle 96.
Die Anzahl der Kanäle 96 in
der äußeren Reihe 154 kann
identisch sein mit der Anzahl der Kanäle 96 in der inneren
Reihe 152 und es kann erkannt werden, dass die Kanäle in der äußeren ([sic.]
innere) Reihe 152 versetzt sind bezüglich der Kanäle in der äußeren Reihe 154.
Insbesondere sind die Kanäle 96 in
der inneren Reihe 152 mit den Abständen zwischen zwei benachbarten der
Kanäle 96 in
der äußeren Reihe 154 ausgerichtet,
um einen torusförmigen
Strömungspfad
für die verdichtete
Luft bereitzustellen, wenn diese durch die Rippen 150 und
die Kanäle 196 strömt.
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Darüber hinaus
kann erkannt werden, dass die Hauptachse 153 der Kanäle 96,
wenn diese verlängert
wird, nicht durch das Zentrum 155 des Kerns hindurchgeht
sondern tangential zu einem Kreis (nicht gezeigt) ist, konzentrisch
mit dem Zentrum 155 des Kerns. Wie gut bekannt ist, ist
die Art eines Rotationskompressors, wie zum Beispiel bei 20 (1) gezeigt,
derart, dass die Ausströmung
von verdichtete Luft davon umlaufend verwirbelt wird, zum Beispiel in
eine Richtung die durch einen Pfeil 156 in 10 angedeutet
ist, sowie sich axial entlang der radialen äußeren Seite 40 (1)
des Kerns bewegen. Die Kippung der Kanäle 96 ist gegen die
Richtung der wirbelnden Luftströmung 156 und
stellt einen reibungsloseren Durchgang des Gases in die Räume zwischen
den Kanälen 96 bereit,
um Rotationsverluste des Gasstroms zu minimieren und dadurch den Druckverlust
zu reduzieren.
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11 zeigt
einen alternativen Typ einer Kanal- und Rippenanordnung, die identisch
ist zu der, die in 10 gezeigt ist, mit Ausnahme
von der Tatsache, dass die Kanäle 96 in
der inneren Reihe 152 ausgerichtet sind mit den Kanälen 96 in
der äußeren Reihe 154.
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12 zeigt
eine weitere andere Ausführungsform,
bei der Plattenrippen 150 mit einer einzelnen Reihe von
Kanälen,
allgemein bezeichnet mit 160, eingesetzt sind. In diesem
Fall sind die Kanäle 96 in
der Reihe 160 abgeflachte Kanäle, die mit Mehrfachkanälen konstruiert
werden können,
wie in Fall der Ausführungsformen,
die beschrieben und gezeigt sind in Verbindung mit den 8 und 9. Nochmals,
die Kanäle 96 sind
abgeschrägt
entgegen zum Drall 156 des Luftstroms.
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Wie
für den
Fachmann evident ist, verringert sich in den Ausführungsformen,
die in den 6, 7 und 10 bis 12 gezeigt
sind, die Querschnittsfläche
des Gasströmungspfads
durch den Kern, wenn man von der radialen äußeren Seite 40 des
Kerns zur radialen inneren Seite 42 fortschreitet. Im Falle
dieser Ausführungsformen,
die in 6 und 7 gezeigt sind, ist dies aufgrund
der unterschiedlichen Rippenhöhe,
der Rippen 126 in der radialen inneren Reihen und der Rippen 126 in
der radialen äußeren Reihe
offensichtlich aus 7. Diese Ausführungsform
setzt selbstverständlich
keilförmige
Kanäle
ein.
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Im
Fall der Ausführungsformen
in den 10 bis 12 gezeigt
sind, wo abgeflachte Kanäle 96 eingesetzt
werden, ist es der Tatsache, dass die Hauptachsen der Kanäle 96 sich
aneinander annähern,
ebenso wie dies die Seitenwände
davon tun, wenn man von der radialen äußeren Seite 40 des Kerns
zur radialen inneren Seite 42 läuft. Wenn die Strömung daher
in der bevorzugten Richtung vorliegt, dies ist von der radial äußeren Peripherie 40 des
Kerns zur radial inneren Peripherie 42, erhält die verdichtete
Luft, die innerhalb des Wärmetauschers 36 gekühlt wird
eine höhere
Dichte und ihr Volumen wird reduziert wenn diese in einen kleineren
Volumenbereich des Wärmetauschers 36 strömt. Dieses Merkmal
der Erfindung erlaubt es, die Luftgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten,
wenn diese durch den Wärmetauschers 36 strömt, um den
Wärmeaustauschwirkungsgrad
zu erhöhen,
ohne den Druckverlust übermäßig zu erhöhen. Es
wird erkannt werden, dass falls die Luftströmung durch einen Gasströmungspfad
mit konstanter Querschnittfläche
führt, die
Geschwindigkeit der Luftströmung
durch den Wärmetauscher 36 progressiv
gesenkt würde
wenn die verdichtete Luft gekühlt
würde,
dadurch ihre Ge schwindigkeit verringert und zur selben Zeit den
Wärmeübertragungskoeffizienten
reduziert. Infolgedessen erhöht
das eben beschriebene Merkmal der Erfindung die Wärmeübertragungseffizienz
durch die Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit auf einem erwünschten
Level.
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Selbstverständlich,
falls die Geschwindigkeitssenkung außer Betracht bleibt, kann die
Querschnittsfläche
konstant bereitgestellt werden, beispielsweise durch die Verwendung
von keilförmigen Kanälen, mit
benachbarten Seiten von benachbarten Kanälen parallel zueinander und
mit weniger Kanälen
in der radialen inneren Reihe als in der radial äußeren Reihe.
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Die
Reduktion der Querschnittsfläche
kann entweder als eine Stufenfunktion, wie geschehen mit der Konstruktion,
die in den 6 und 7 gezeigt ist
oder als graduelle und progressive Erhöhung der Querschnittsfläche in der äußeren Peripherie 40 zur inneren
Peripherie 42, wie mit den Ausführungsformen, die in den 10 bis 12 gezeigt
sind, erreicht werden.
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Es
ist ebenfalls anzumerken, dass das Merkmal des Einsatzes der Abschrägung der
Kanäle 96, um
den Druckverlust durch Reduzierung des Drehverlustes zu reduzieren,
dargestellt mit abgeflachten Kanälen,
ebenfalls durch die Verwendung von keilförmigen Kanälen ausgeführt werden kann.
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Weitere
Vorteile werden für
den Fachmann durch die vorangehende Beschreibung, welche als beispielhaft
und nicht beschränkend
intendiert ist offensichtlich werden.