DE102008000855A1 - Housing, particularly turbocharger housing for use in devices heated during operation, has partially metallic foam with external surface, which contains coating or sealing, and housing external surface which has metallic structure - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein sich im Betrieb erwärmendes Gerät.The The invention relates to a housing for yourself in operation warming Device.
Stand der TechnikState of the art
Thermisch beaufschlagte Gehäuse der eingangs genannten Art sind beispielsweise Bestandteil von Turboladern, insbesondere Turboladern von Kraftfahrzeugen, Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen und/oder Dampfturbinen, Heizungssystemen, beispielsweise Gasthermen, Wärmetauschern oder dergleichen. Bedingt durch die hohen Temperaturen des verwendeten Mediums treten in diesen Applikationen teilweise sehr hohe Bauteiltemperaturen auf. Dabei sind besonders Bauteile betroffen, die direkt mit dem Medium in Verbindung stehen, insbesondere die Gehäusebauteile. Besonders das Gehäuse auf der Turbinenseite eines Turboladers eines Kraftfahrzeugs kann aufgrund der hohen Temperaturen der aus dem Abluftstrang einer Verbrennungskraftmaschine stammenden Abgase sehr hohe Temperaturen erreichen. Dies hat folgende negative Auswirkungen auf das Gerät beziehungsweise andere, insbesondere mit dem Gerät in Verbindung stehende, Bauteile. Zum Einen werden durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung die hohen Temperaturen auf weitere Bauteile übertragen. Dies ist insbesondere auf der Kaltseite eines Turboladers, auf der sich beispielsweise Lagergehäuse sowie Lager befinden, problematisch, da eine thermische Beaufschlagung dieser Bauteile beziehungsweise das Ausbilden von Temperaturgradienten die Lebensdauer dieser Bauteile negativ beeinflusst. Zum Anderen wird, im Fall eines Turboladers, die Abgastemperatur durch Entziehen der für die Aufheizung des Turbinengehäuses benötigten Wärme reduziert. Damit verbunden sind besonders während des Betriebs bei kaltem Motor, insbesondere der Startphase des Kraftfahrzeugs, zu niedrige Temperaturen des Abgases für die Abgasnachbehandlung im Katalysator, der im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs üblicherweise nach dem Turbolader angeordnet ist. Ein weiteres Problem stellt die durch die hohen Temperaturen bedingte Wahl des Materials dar: Ein Turbolader eines Kraftfahrzeugs besteht nach dem Stand der Technik üblicherweise aus massiv ausgeführtem, hitzebeständigem Stahlguss beziehungsweise einer Nickellegierung. Das daraus folgende hohe Gewicht des Turboladergehäuses kann Probleme durch die Übertragung von Motorschwingungen auf Anbauteile verursachen. Ebenso wird durch ein erhöhtes Gewicht der Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs negativ beeinflusst.thermal applied housing of the aforementioned type are for example part of turbochargers, in particular turbochargers of motor vehicles, turbomachines, in particular gas turbines and / or steam turbines, heating systems, for example gas heating, heat exchangers or similar. Due to the high temperatures of the used Medium occur in these applications sometimes very high component temperatures on. Here are particularly affected components that directly with the Medium are in communication, in particular the housing components. Especially the case on the turbine side of a turbocharger of a motor vehicle due to the high temperatures of the exhaust air train of an internal combustion engine originating exhaust gases reach very high temperatures. This has the following negative effects on the device or other, in particular with the device related components. On the one hand by heat conduction and / or thermal radiation transfer the high temperatures to other components. This is special on the cold side of a turbocharger, on which, for example bearing housing As well as bearings are problematic, since a thermal admission these components or the formation of temperature gradients the life of these components negatively affected. On the other hand, in the case of a turbocharger, the exhaust gas temperature by removing the for the Heating of the turbine housing required Heat reduced. This is especially connected during the cold engine operation, in particular the starting phase of the motor vehicle, too low temperatures of the exhaust gas for exhaust aftertreatment in Catalyst, usually in the exhaust system of a motor vehicle is arranged after the turbocharger. Another problem poses the choice of material due to the high temperatures: A turbocharger of a motor vehicle usually consists of the prior art made of solid, heat-resistant Cast steel or a nickel alloy. The following high weight of the turbocharger housing can problems due to the transfer from engine vibrations to attachments. Likewise is through an elevated one Weight negatively affects the fuel consumption of a motor vehicle.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Nach der erfindungsgemäßen Ausbildung des Gehäuses eines sich im Betrieb erwärmenden Geräts, weist das Gehäuse zumindest teilweise einen metallischen Schaum auf oder besteht daraus. Metallische Schäume weisen für diesen Einsatzzweck gegenüber anderen Materialien einige Vorteile auf. Zum Einen bieten metallische Schäume aufgrund ihrer porösen Struktur ein zum Teil deutlich niedrigeres Gewicht bei ähnlichen mechanischen Eigenschaften wie sie vergleichbare massive Werkstoffe aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung eines Gehäuses für ein sich im Betrieb erwärmendes Gerät auf Basis eines metallischen Schaums kann somit das Gewicht des Geräts deutlich reduziert werden. Durch das geringere Gewicht wird auch die Übertragung von Schwingungen, insbesondere Motorschwingungen, verringert womit sich die Belastung dem Gerät benachbarter Anbauteile reduziert. Weiterhin besitzt der metallische Schaum ein gutes Dämpfungsverhalten, womit mechanische Schwingungen, insbesondere angeregt durch Motorschwingungen oder durch eine Gasströmung, weiter gedämpft werden und somit auch die Geräuschentwicklung reduziert wird. Als nächster Vorteil ist eine hohe Wärmedämmung anzuführen, durch die die Wärmeübertragung von thermisch hochbelasteten Bauteilen auf weitere Komponenten, insbesondere mechanisch belastete, verringert wird, wodurch die Lebensdauer dieser Komponenten erhöht wird. Ferner besitzen metallische Schäume bedingt durch ihre Porosität nur eine niedrige Wärmekapazität. Dadurch verkürzt sich die zur Aufheizung des Gehäuses notwendige Zeit, insbesondere während der Startphase eines Kraftfahrzeugs, wodurch ein vorteilhafter stationärer Betriebszustand in kürzerer Zeit erreicht wird. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, das für den metallischen Schaum verwendete Basismaterial der Belastung, insbesondere der thermischen und mechanischen Belastung, des jeweiligen Gehäuseteils anzupassen. Beispielsweise kann für thermisch hochbelastete Teile eine hitzebeständige Legierung, insbesondere auf Nickelbasis, vorgesehen sein. Ist die Temperaturbeständigkeit des metallischen Schaums von geringerer Bedeutung kann durch den Einsatz von metallischen Schäumen auf Leichtmetallbasis, insbesondere Aluminiumbasis, das Gewicht des Gehäuses optimiert werden. Auch Legierungen auf Magnesiumbasis bieten sich an.To the formation of the invention housing a warming in operation device has the housing at least partially a metallic foam or consists thereof. Metallic foams show for this purpose opposite other materials have some advantages. On the one hand offer metallic foams because of their porous Structure a partly significantly lower weight at similar mechanical properties as they are comparable massive materials exhibit. Due to the inventive design of a housing for a in operation warming Device up Base of a metallic foam can thus make the weight of the device clear be reduced. Due to the lower weight is also the transmission of vibrations, in particular engine vibrations, thus reducing the load on the device reduced adjacent attachments. Furthermore, the metallic foam has a good damping behavior, with which mechanical vibrations, in particular excited by engine vibrations or by a gas flow, further subdued and thus also the noise development is reduced. The next advantage is a high thermal insulation, by the heat transfer from thermally highly stressed components to other components, in particular mechanically loaded, is reduced, reducing the life of this Components increased becomes. Furthermore, due to their porosity, metallic foams have only one low heat capacity. Thereby shortened itself to heat the case necessary time, especially during the Starting phase of a motor vehicle, whereby an advantageous stationary operating state in shorter time is reached. It is inventively provided that for the metallic Foam used base material of the load, in particular the thermal and mechanical stress, of the respective housing part adapt. For example, for highly thermally stressed parts a heat resistant Alloy, in particular nickel-based be provided. Is the temperature resistance of the metallic foam of lesser importance can by the Use of metallic foams based on light metal, in particular aluminum, the weight of the housing be optimized. Magnesium-based alloys are also available at.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der metallische Schaum mindestens eine Außenfläche aufweist, die eine Beschichtung und/oder eine Versiegelung besitzt. Die Außenfläche entspricht mindestens einer Oberfläche des metallischen Schaums. Die Beschichtung und/oder Versiegelung versieht die durch den porigen Aufbau des metallischen Schaums raue und/oder unregelmäßige Oberfläche des metallischen Schaums mit einer glatten, geschlossenen Oberfläche. Dies ist besonders für Gehäuseteile von Bedeutung die Bestandteil einer Turbomaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Turboladers, einer Gas- oder Dampfturbine, oder anderen Vorrichtungen, bei denen Gehäuseteile mit strömendem Fluid in Kontakt sind. Hier soll eine negative Beeinflussung der Fluidströmung durch raue und/oder unregelmäßige Oberflächen beziehungsweise Außenflächen des Gehäuses vermieden werden. Für die Oberfläche des Gehäuses kann eine Beschichtung und/oder eine Versiegelung auch aus optischen Gründen vorgesehen sein. Generell wird durch das Aufbringen einer Beschichtung und/oder einer Versiegelung die Korrosionsbeständigkeit des Gehäuses erhöht.According to a development of the invention, it is provided that the metallic foam has at least one outer surface which has a coating and / or a seal. The outer surface corresponds to at least one surface of the metallic foam. The coating and / or sealing provides the surface of the metallic foam, which is rough and / or irregular due to the porous structure of the metallic foam, with a smooth, closed surface. This is particularly important for housing parts of the component of a turbomachine, in particular a motor vehicle turbocharger, a gas or steam turbine, or other devices in which housing parts are in contact with flowing fluid. Here, a negative effect on the flow of fluid through rough and / or irregular surfaces or outer surfaces of the housing should be avoided. For the surface of the housing, a coating and / or a seal may also be provided for optical reasons. In general, the application of a coating and / or a seal increases the corrosion resistance of the housing.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus massivem Material, insbesondere verdichtetem metallischem Schaum und/oder nicht aufgeschäumten Schaummaterial besteht. Dies bedeutet, dass entweder bei der Herstellung des metallischen Schaums – durch Gießen mit anschließender Wärmebehandlung – eine größere Gehäusestärke vorgesehen wird, die in einem darauffolgenden Bearbeitungsschritt zu massivem Material derart verdichtet wird, dass die Abmaße des Gehäuses den gewünschten Maßen entsprechen. Alternativ kann auf das Gehäuse nach der Fertigung aus metallischem Schaum eine weitere Schicht aus nicht-aufgeschäumtem Schaummaterial aufgebracht werden.To A development of the invention is provided that the coating made of solid material, in particular compacted metallic foam and / or non-foamed Foam material exists. This means that either in the production of metallic foam - by pouring with followed by Heat treatment - a larger case thickness provided which becomes too massive in a subsequent processing step Material is compressed so that the dimensions of the housing the desired moderation correspond. Alternatively, the housing can be made after fabrication metallic foam applied another layer of non-foamed foam material become.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse mindestens eine Außenfläche aufweist, die aus einer Metallkonstruktion, insbesondere Blechkonstruktion besteht. Im Sinne einer Sandwich-Bauweise wird eine doppelwandige Metallkonstruktion hergestellt, die den Außenabmaßen des fertigen Gehäuses entspricht und in einem weiteren Bearbeitungsschritt mit einer Zwischenschicht aus metallischem Schaum aufgefüllt.To a development of the invention, it is provided that the housing at least has an outer surface, made of a metal construction, in particular sheet metal construction consists. In the sense of a sandwich construction becomes a double-walled metal construction manufactured according to the external dimensions of the finished housing corresponds and in a further processing step with an intermediate layer made of metallic foam.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der metallische Schaum offene oder geschlossene Poren aufweist.A Development of the invention provides that the metallic foam having open or closed pores.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht außerdem vor, dass der metallische Schaum runde oder unregelmäßige Poren aufweist. Durch Anpassen der Eigenschaften des metallischen Schaums kann das Materialverhalten zu großen Teilen beeinflusst werden. Variierbare Eigenschaften sind beispielsweise Porengröße, Porenverteilung, Porenmenge, Porendichte, Porenart (insbesondere die in Anspruch 5 genannten Porenarten offen und geschlossen) und Porenform (insbesondere die in Anspruch 6 genannten Porenformen rund und unregelmäßig), die direkten Einfluss auf beispielsweise spezifisches Gewicht, Wärmekapazität, Wärmedämmung und Dämpfungseigenschaft haben.A Development of the invention also provides that the metallic Foam round or irregular pores having. By adjusting the properties of the metallic foam can the material behavior too big Be influenced. Variable properties are, for example Pore size, pore distribution, Pore quantity, pore density, type of pore (in particular those in claim 5 pore types open and closed) and pore shape (in particular the pore shapes mentioned in claim 6 round and irregular), the direct influence on, for example, specific weight, heat capacity, thermal insulation and damping property to have.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Gehäuse und einem angrenzenden Bauteil eine Dämmschicht vorgesehen ist. Besonders zwischen (beispielsweise thermisch) hochbelasteten und niedrigbelasteten Gehäuseteilen ist eine erfindungsgemäße Dämmschicht, insbesondere eine thermische Wärmedämmschicht, vorteilhaft. Durch die Wärmedämmschicht kann die bereits vorteilhafte Wärmedämmung von Gehäuseteilen aus metallischem Schaum weiter gesteigert werden. Bei einem Turbolader eines Kraftfahrzeugs kann beispielsweise der Wärmeeintrag von dem thermisch beanspruchten Gehäuseteil, insbesondere dem von heißem Abgas durchströmten Turbinengehäuse, auf das Lagergehäuse weiter verringert werden. Durch die nun mindere thermische Belastung der Lager reduziert sich folglich die Gefahr von Schäden durch thermische Spannungen, insbesondere Lagerschäden, sowie von thermischer Zersetzung von Fluiden, insbesondere Schmieröl.A Development of the invention provides that between the housing and an insulating component is provided an adjacent component. Especially between (for example, thermally) highly loaded and low-loaded housing parts is an insulating layer according to the invention, in particular a thermal thermal barrier coating, advantageous. Through the thermal barrier coating can the already beneficial thermal insulation of housing parts be further increased from metallic foam. In a turbocharger a motor vehicle, for example, the heat input of the thermally stressed Housing part, especially that of hot Exhaust gas flowed through Turbine housing on the bearing housing be further reduced. Due to the now lower thermal load the bearings consequently reduce the risk of thermal damage Tensions, in particular bearing damage, as well as thermal Decomposition of fluids, in particular lubricating oil.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht außerdem vor, dass die Dämmschicht aus keramischem Werkstoff besteht. Keramische Werkstoffe weisen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf und verhindern damit effektiv den Wärmeeintrag von thermisch belasteten Gehäuseteilen auf niedrig belastete Gehäuseteile.A Development of the invention also provides that the insulating layer made of ceramic material. Ceramic materials exhibit a very low thermal conductivity and thus effectively prevent the heat input of thermally loaded housing parts on low loaded housing parts.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse ein Turboladergehäuse ist. Die vorhergegangenen Ausführungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, dass Gehäuse eines Turboladers erfindungsgemäß zumindest teilweise aus metallischem Schaum herzustellen. Die Hauptvorteile sind Gewichtsreduzierung, Dämpfung von mechanischen Schwingungen, insbesondere durch das verringerte Gewicht und die Dämpfungseigenschaften von metallischen Schäumen, eine hohe Wärmedämmung sowie die niedrige Wärmekapazität, durch die nach Abkühlungs- oder Aufheizungsphasen schneller ein stationärer Zustand erreicht wird als bei aus massivem Material gefertigten Gehäusen.A Development of the invention provides that the housing a turbocharger housing is. The previous versions have shown that it is advantageous that the housing of a turbocharger according to the invention at least partly made of metallic foam. The main advantages are Weight reduction, damping of mechanical vibrations, in particular by the reduced Weight and damping properties of metallic foams, a high level of thermal insulation as well the low heat capacity, through after cooling or heating phases faster a steady state is achieved than in cases made of solid material.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse ein Gas- und/oder Dampfturbinengehäuse ist. Gas- und Dampfturbinen fallen ebenso wie die bereits genannten Turbolader in den Bereich der Turbomaschinen, weisen daher im Betrieb ähnliche Eigenschaften auf und stellen vergleichbare Anforderungen an das Material.To a development of the invention is provided that the housing a Gas and / or steam turbine housing is. Gas and steam turbines fall as well as those already mentioned Turbochargers in the field of turbomachinery, therefore, have similar in operation Properties and make comparable demands on the Material.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse ein Gehäuse mit einem Gasbrenner, insbesondere Gasthermengehäuse, ist.A Development of the invention provides that the housing a casing with a gas burner, in particular Gasthermengehäuse is.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse ein Wärmetauschergehäuse ist.A Development of the invention provides that the housing a Heat exchanger housing is.
Ferner betrifft die Erfindung einen Turbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer Turbine, einem Verdichter und/oder einer Lagervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine, der Verdichter und/oder die Lagervorrichtung jeweils ein Gehäuse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche aufweist.Furthermore, the invention relates to a turbocharger for a motor vehicle, with a turbine, a compressor and / or a storage device, characterized in that the turbine, the compressor and / or the bearing device in each case has a housing according to one or more of the preceding claims.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Turboladergehäuses, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gehäuseherstellung zumindest teilweise ein metallischer Schaum verwendet wird.Further The invention relates to a method for producing a turbocharger housing, characterized characterized in that for housing production at least partially a metallic foam is used.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Zeichnung verdeutlicht die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, und zwar zeigt:The Drawing clarifies the invention with reference to an embodiment, and that shows:
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) the invention
In
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DE200810000855 DE102008000855A1 (en) | 2008-03-27 | 2008-03-27 | Housing, particularly turbocharger housing for use in devices heated during operation, has partially metallic foam with external surface, which contains coating or sealing, and housing external surface which has metallic structure |
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DE102008000855A1 true DE102008000855A1 (en) | 2009-10-01 |
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DE200810000855 Ceased DE102008000855A1 (en) | 2008-03-27 | 2008-03-27 | Housing, particularly turbocharger housing for use in devices heated during operation, has partially metallic foam with external surface, which contains coating or sealing, and housing external surface which has metallic structure |
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Cited By (3)
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CN107676137A (en) * | 2017-10-20 | 2018-02-09 | 江西大唐国际抚州发电有限责任公司 | A kind of steam turbine cylinder for being covered with insulation material |
-
2008
- 2008-03-27 DE DE200810000855 patent/DE102008000855A1/en not_active Ceased
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CN107676137A (en) * | 2017-10-20 | 2018-02-09 | 江西大唐国际抚州发电有限责任公司 | A kind of steam turbine cylinder for being covered with insulation material |
CN107676137B (en) * | 2017-10-20 | 2019-04-02 | 江西大唐国际抚州发电有限责任公司 | A kind of steam turbine cylinder being covered with thermal insulation material |
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