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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Rotoren für Kompressoren, insbesondere Rotoren für rotierende Kompressoren mit positiver Verdrängung.
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EINLEITUNG
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Rotierende Kompressoren mit positiver Verdrängung, einschließlich Schraubenkompressoren, Gleitschaufelkompressoren und Drehkolbenkompressoren (oder Drehkolbengebläse), beinhalten ein oder mehrere rotierende Elemente und funktionieren durch Ansaugen und Auffangen eines Flüssigkeitsvolumens (z. B. Luft) in einer Kammer, wobei das Volumen der Kammer reduziert wird, um das Fluid zu komprimieren und den Druck vor der Entladung zu erhöhen. Schraubenkompressoren beinhalten zwei ineinandergreifende Schrauben, sogenannte Rotoren, mit unterschiedlichen Umfangsprofilen, einen Außen- und einen Innenring. Der Hauptrotor weist konvexe Lappen auf, die während der Drehung der Rotoren in konkave Hohlräume im Nebenrotor eingreifen. Drehkolbenverdichter verfügen über zwei identische ineinandergreifende Rotoren, die typischerweise zwei, drei oder vier gerade oder verdrehte (spiralförmige) Drehkolben aufweisen. Im Betrieb drehen sich die Rotoren eines Schrauben- oder Drehkolbenverdichters in entgegengesetzte Richtungen, um eine Flüssigkeitsmenge von einer Einlassseite des Verdichters in einen die Rotoren umgebenden Hohlraum zu leiten, sodass das Fluid zwischen den Drehkolben der Rotoren und den Hohlraumwänden eingeschlossen ist. Das Fluid bewegt sich von der Einlassseite des Verdichters um die Rotoren herum und wird an einer gegenüberliegenden Auslassseite des Verdichters aus dem Verdichter gedrückt. Flügelzellenkompressoren verfügen jeweils über einen einzigen zylindrischen Rotor mit Längsschlitzen, in denen radiale Kompressorschaufeln eingebaut sind. Der Rotor eines Flügelzellenkompressors ist exzentrisch in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet und die Zwischenräume zwischen benachbarten Schaufeln bilden Taschen mit abnehmendem Volumen von einer festen Einlassöffnung zu einer festen Auslassöffnung.
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Kompressoren mit positiver Verdrängung werden in einer Vielzahl von Industrie- und Automobilanwendungen eingesetzt. Ein rotierender Kompressor mit positiver Verdrängung, der als Kompressor bezeichnet wird, ist beispielsweise oft mit einem Luftansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors gekoppelt. Der Kompressor liefert Druckluft zum Ansaugkrümmer und zu den Zylindern des Motors, wodurch die Leistung des Motors erhöht wird. Die Rotoren in einem Kompressor werden typischerweise über den Motor durch einen Antriebsriemen oder einen mit der Kurbelwelle verbundenen Getriebezug angetrieben.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Rotor für einen Kompressoren mit positiver Verdrängung weist ein Gehäuse auf, das einen Einlass, einen Auslass und einen Rotorhohlraum in Verbindung mit dem Einlass und dem Auslass definiert. Der Rotor kann einen Rotorkörper mit einer zentralen Längsachse und einem Außenradius umfassen. Der Rotorkörper kann ein erstes Ende angrenzend an den Einlass des Gehäuses, ein zweites Ende angrenzend an den Auslass des Gehäuses, eine sich axial erstreckende Nabe und eine Vielzahl von Lappen umfassen, die sich von der Nabe radial nach außen und axial entlang der Nabe vom ersten Ende zum zweiten Ende des Rotorkörpers erstrecken. Der Rotorkörper kann ein festes Außengehäuse und einen porösen Innenkern umfassen, der innerhalb des festen Außengehäuses eingeschlossen ist. Der poröse Innenkern kann sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Rotorkörpers erstrecken.
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In einer Form kann der poröse Innenkern eine Vielzahl von diskreten porösen Kammern umfassen, wobei jede der Vielzahl von Lappen eine der diskreten porösen Kammern umschließt. In einer anderen Form kann der poröse Innenkern eine einheitliche Struktur innerhalb des Rotorkörpers umfassen.
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Der poröse Innenkern kann eine mehrdimensionale, stochastische oder periodische Stützstruktur aufweisen. In einer Form kann der poröse Innenkern eine zwei- oder dreidimensionale Gitterträgerstruktur oder -traverse mit einer Vielzahl von sich wiederholenden Einheitszellen umfassen.
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Der Außenradius des Rotorkörpers am ersten Ende desselben kann größer sein als der Außenradius des Rotorkörpers am zweiten Ende desselben.
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Jeder der Vielzahl an Lappen kann sich in einer geraden oder schraubenförmigen Bahn entlang des Rotorkörpers erstrecken.
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Das feste Außengehäuse des Rotorkörpers kann eine strukturierte oder gemusterte Außenfläche aufweisen.
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Eine Kompressoranordnung mit positiver Verdrängung kann ein Gehäuse umfassen, das einen Einlass und einen Auslass, ein Paar erste und zweite Wellen und ein Paar ineinandergreifende erste und zweite Rotoren definiert. Das Gehäuse kann ein Paar Stirnwände und ein Paar sich kreuzende Seitenwände mit Innenwandflächen aufweisen, die erste und zweite miteinander verbundene Rotorhohlräume definieren. Die ersten und zweiten Wellen können sich innerhalb der Rotorhohlräume erstrecken und an den Stirnwänden des Gehäuses drehbar gelagert sein. Die ersten und zweiten Rotoren können jeweils im ersten und zweiten Rotorhohlraum durch die ersten und zweiten Wellen abgestützt werden. Die ersten und zweiten Rotoren können jeweils einen ersten und zweiten Rotorkörper mit jeweils einer ersten und zweiten zentralen Längsachse und Außenradien umfassen. Die ersten und zweiten Rotorkörper können jeweils ein erstes Ende angrenzend an den Eingang des Gehäuses und ein zweites Ende angrenzend an den Ausgang des Gehäuses aufweisen. Jeder der ersten und zweiten Rotorkörper kann eine erste Stirnfläche, eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche, eine axial verlaufende Nabe und eine Vielzahl von Lappen aufweisen. Die Nabe kann zur Drehung mit einer der Wellen gekoppelt werden. Die Vielzahl der Lappen kann sich von der Nabe radial nach außen und axial entlang der Nabe von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite des Rotorkörpers erstrecken. Innerhalb des ersten und zweiten Rotorkörpers kann jeweils ein poröser Innenkern eingeschlossen sein.
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In einer Form können die ersten und zweiten Rotorhohlräume zylinderförmig sein. In einer anderen Form können die ersten und zweiten Rotorhohlräume kegelstumpfförmig sein.
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Die Außenradien der ersten und zweiten Rotorkörper an deren ersten Enden können größer sein als die Außenradien der ersten und zweiten Rotorkörper an deren zweiten Enden.
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Die ersten und zweiten zentralen Längsachsen der ersten und zweiten Rotorkörper können sich einander annähern, da sich die Rotorkörper vom Einlass bis zum Auslass des Gehäuses erstrecken. Die ersten und zweiten zentralen Längsachsen der ersten und zweiten Rotorkörper können einen spitzen Winkel dazwischen bilden.
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Die ersten und zweiten Wellen können sich außerhalb des Gehäuses erstrecken und mindestens eine Antriebswelle bilden. Die mindestens eine Antriebswelle kann von einem Elektromotor angetrieben werden.
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In einer Form kann die Vielzahl der Lappen der ersten und zweiten Rotorkörper unterschiedliche komplementäre Spiralformen aufweisen. In einer anderen Form kann die Vielzahl der Lappen des ersten Rotorkörpers die gleiche Form aufweisen wie die Vielzahl der Lappen des zweiten Rotorkörpers.
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Die Kompressoranordnung mit positiver Verdrängung kann eine Kompressoranordnung für einen Verbrennungsmotor umfassen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor, wobei die Turboladeranordnung ein Paar ineinandergreifende, schraubenförmig gelagerte Rotoren beinhaltet, die in einem durch ein Gehäuse definierten Rotorhohlraum montiert sind und sich zwischen einem Einlass und einem Auslass der Turboladeranordnung erstrecken;
- 2 ist eine perspektivische Schnittansicht der in 1 dargestellten schraubenförmig gelagerten Rotoren, die den inneren Aufbau der Rotoren darstellt;
- 3 ist eine Draufsicht auf ein Paar ineinandergreifender, kegelförmig gelagerter Rotoren für eine Kompressoranordnung; und
- 4 ist eine perspektivische Ansicht der in 3 dargestellten kegelförmigen Rotoren, die in einem Gehäuse angeordnet sind, das ein Paar von miteinander verbundenen kegelstumpfförmigen Rotorhohlräumen definiert.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die gegenwärtig offenbarten Rotoren können einen porösen Innenkern aufweisen und somit im Vergleich zu Rotoren, die aus Vollmaterial extrudiert oder anderweitig geformt sind, relativ leicht sein, ohne die mechanische Integrität der Rotoren zu beeinträchtigen. Zusätzlich oder alternativ können die gegenwärtig offenbarten Rotoren konisch zulaufende Lappen aufweisen und in einem entsprechend konisch zulaufenden Rotorhohlraum gelagert werden, was auch das Gewicht der Rotoren und die Geräuschentwicklung während des Betriebs durch Minimieren oder Eliminieren von Pulsation und Flüssigkeitsrückfluss reduzieren kann. Die Rotoren können zwei, drei, vier oder mehr Lappen aufweisen und nach Wunsch für den Einsatz in einem Schraubenkompressor, Drehkolbenkompressor oder Flügelzellenkompressor konfiguriert sein. Die gegenwärtig offenbarten Rotoren werden hierin in Bezug auf eine Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor beschrieben, wobei der Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt ist. So können beispielsweise die gegenwärtig offenbarten Rotoren in einer Vielzahl von alternativen Anwendungen und Branchen eingesetzt werden, wie beispielsweise in automatischen Steuerungssystemen, zum Antreiben von Druckluftwerkzeugen, zum Fördern von Flüssigkeiten und Pulvern, zur Punktkühlung, für Druckbehälter, zum Rühren oder Belüften von Materialien, für Verpackungsprodukte, zum Entfernen von Oberflächenablagerungen und bei Blasformverfahren.
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1 veranschaulicht einen Kompressor mit positiver Verdrängung oder eine Turboladeranordnung 10 für einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt). Die Anordnung 10 beinhaltet ein Gehäuse 12 und ein Paar ineinandergreifende erste und zweite Rotoren 14, 16, die durch ein Paar erste und zweite Wellen 18, 20 drehbar im Gehäuse 12 gelagert sind.
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Das Gehäuse 12 definiert einen Einlass 22, durch den Umgebungsluft 24 über einen Lufteinlasskanal 26 und einen Auslass 28, durch den Druck- oder Druckluft 30 aus dem Gehäuse 12 in ein Auslassplenum 32 geleitet wird. In der Praxis kann das Auslassplenum 32 als Luftansaugkrümmer dienen, und die von der Turboladeranordnung 10 erzeugte Druckluft kann aus dem Auslassplenum 32 über eine Vielzahl von Lufteinlassöffnungen 33 vor dem Arbeitstakt in die Zylinder (nicht dargestellt) des Motors geleitet werden, um die Leistungsabgabe des Motors zu erhöhen. In einer Form kann sich ein Ladeluftkühler oder Zwischenkühler (nicht dargestellt) im Auslassplenum 32 zwischen dem Auslass 28 des Gehäuses 12 und den Lufteinlassöffnungen 33 befinden, um die Druckluft zu kühlen und dadurch die Dichte zu erhöhen, bevor die Luft in die Zylinder geladen wird.
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Das Gehäuse 12 beinhaltet eine Einlassstirnwand 34, eine Auslassstirnwand 36 und ein Paar sich kreuzende zylindrische Seitenwände 38. Die Seitenwände 38 weisen Innenwandflächen 40 auf, die jeweils erste und zweite miteinander verbundene zylindrische Rotorhohlräume 42, 44 definieren, die zusammen einen größeren einheitlichen Rotorhohlraum 46 bilden. Die Seitenwände 38 des Gehäuses 12 sind so konfiguriert, dass zwischen den Innenwandflächen 40 der Seitenwände 38 und den Rotoren 14, 16 ein minimaler und konstanter Abstand vorhanden ist, um eine wirksame Abdichtung zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 28 des Gehäuses 12 zu gewährleisten und um ein Scheuern der Wandflächen 40 und der Rotoren 14, 16 während der Drehung der Rotoren 14, 16 zu verhindern. In einer Form kann der Einlass 22 des Gehäuses 12 eine Öffnung in der Einlassstirnwand 34 des Gehäuses und der Auslass 28 des Gehäuses kann eine dreieckförmige Öffnung in dem Paar sich kreuzender zylindrischer Seitenwände 38 umfassen, die sich von der Auslassstirnwand 36 in Richtung der Einlassstirnwand 34 erstreckt.
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Die ersten und zweiten Wellen 18, 20 können sich jeweils innerhalb der ersten und zweiten Rotorhohlräume 42, 44 erstrecken und an den Stirnwänden 34, 36 des Gehäuses 12 drehbar gelagert sein. Die erste Welle 18 verläuft koaxial zum ersten Rotor 14 und zum ersten Rotorhohlraum 42, und die zweite Welle 20 verläuft koaxial zum zweiten Rotor 16 und zum zweiten Rotorhohlraum 44. In einer Form kann sich eine oder beide der ersten oder zweiten Wellen 18, 20 außerhalb des Gehäuses 12 erstrecken, um mindestens eine Antriebswelle zu bilden. In der in 1 abgebildeten Ausführungsform erstreckt sich die erste Welle 18 außerhalb des Gehäuses 12 zu einem Kupplungsmechanismus 90 und zu einem Riemenantrieb 92, der durch eine Kurbelwelle (nicht dargestellt) des Motors angetrieben werden kann. In diesem Fall kann die erste Welle 18 (und der dazugehörige Rotor 14) durch den Riemenantrieb 92 und die zweite Welle 20 (und der dazugehörige Rotor 16) durch einen Satz Zahnräder (nicht dargestellt) angetrieben werden, die mit der ersten Welle 18 verbunden sind. Alternativ kann eine oder beide Wellen 18, 20 von einem bestimmten Elektromotor 94 angetrieben werden, damit die Turboladeranordnung 10 unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors, dem sie zugeordnet ist, betrieben werden kann. So kann beispielsweise die erste Welle 18 (und der dazugehörige Rotor 14) durch den Elektromotor 94 und die zweite Welle 20 (und der dazugehörige Rotor 16) durch einen Satz Zahnräder (nicht dargestellt) angetrieben werden, die mit der ersten Welle 18 verbunden sind. Der Zahnradsatz, der die zweite Welle 20 mit der ersten Welle 18 verbindet, kann sich innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 12 befinden. Die Verwendung des vorgesehenen Elektromotors 94 zum Antreiben der Wellen 18, 20 der Kompressoranordnung 10 (anstelle des Riemenantriebs 92) kann der Turboladeranordnung 10 ermöglichen, den Druck der in die Zylinder des Motors geladenen Luft effektiv zu erhöhen, selbst wenn der Motor im Leerlauf oder bei niedrigen Motordrehzahlen betrieben wird. Die Fähigkeit, den dem Motor bei niedrigen Drehzahlen zugeführten Luftdruck zu erhöhen, kann dazu beitragen, die Beschleunigungsleistung des Motors zu verbessern, indem die Leistung des Motors bei niedrigen Drehzahlen erhöht und dadurch eine relativ schnelle Erhöhung der Drehzahl bewirkt wird. Im Vergleich dazu, wenn die Wellen 18, 20 der Turboladeranordnung 10 indirekt durch die Kurbelwelle des Motors angetrieben werden, kann die Fähigkeit der Turboladeranordnung 10, die Zylinder des Motors effektiv mit Druckluft zu beaufschlagen, durch die Drehzahl des Motors begrenzt werden.
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Die ersten und zweiten Rotoren 14, 16 sind konfiguriert, um ein Fluid (z. B. Luft) vom Einlass 22 zum Auslass 28 des Gehäuses 12 zu bewegen und werden im Rotorhohlraum 46 durch die ersten und zweiten Wellen 18, 20 Seite an Seite drehbar gelagert. Wie am besten in 2 dargestellt, weisen die Rotoren 14, 16 parallele erste und zweite zentrale Längsachsen 48, 50 bzw. erste und zweite Rotorkörper 52, 54 auf. Die ersten und zweiten Rotorkörper 52, 54 sind im Rotorhohlraum 46 so gelagert, dass jeweils die ersten Enden 56, 58 der Körper 52, 54 angrenzend an den Einlass 22 des Gehäuses 12 und die zweiten Enden 60, 62 der Körper 52, 54 angrenzend an den Auslass 28 des Gehäuses 12 angeordnet sind. Wie in 2 dargestellt, dreht sich während des Betriebs der erste Rotorkörper 52 um seine zentrale Längsachse 48 im Uhrzeigersinn und der zweite Rotorkörper 54 gleichzeitig um seine zentrale Längsachse 50 entgegen dem Uhrzeigersinn.
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Jeder der ersten und zweiten Rotorkörper 52, 54 weist eine erste Stirnfläche 64, 66, eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche 68, 70, einen benachbarten sich axial erstreckenden Nabenabschnitt 72, 74 und zwei oder mehrere sich radial vom Nabenabschnitt 72, 74 nach außen erstreckende distale Lappenabschnitte 76, 78 auf. In der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform weist jeder der ersten und zweiten Rotorkörper 52, 54 vier in Umfangsrichtung beabstandete Lappenabschnitte 76, 78 auf, die sich vom Nabenabschnitt 72, 74 radial nach außen erstrecken. Die Nabenabschnitte 72, 74 der Rotorkörper 52, 54 sind jeweils mit den ersten und zweiten Wellen 18, 20 zur Drehung mit diesen gekoppelt. Die Lappenabschnitte 76, 78 erstrecken sich axial entlang der entsprechenden Nabenabschnitte 72, 74 der Rotorkörper 52, 54, von den ersten Stirnseiten 64, 66 zu den zweiten Stirnseiten 68, 70 derselben. Jeder der Rotorkörper 52, 54 kann eine axiale Länge, definiert als der Abstand zwischen dessen ersten und zweiten Stirnflächen 64, 66, 68, 70 und einen im Allgemeinen konstanten äußeren Radius, definiert an einem radialen Außenumfang seiner Lappenabschnitte 76, 78, aufweisen. Die Größe der Rotorkörper 52, 54 kann von der spezifischen Anwendung der Kompressoranordnung 10 abhängig sein. In einer Form kann jeder der Rotorkörper 52, 54 eine axiale Länge im Bereich von 10 Zentimetern bis 25 Zentimetern und einen Außenradius im Bereich von 5 Zentimetern bis 15 Zentimetern aufweisen.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Konfiguration der Rotorkörper 52, 54 wird allgemein als „Wurzeln“ bezeichnet, wobei jeder der Lappenabschnitte 76, 78 der ersten und zweiten Rotorkörper 52, 54 die gleiche Form einnimmt. Zusätzlich weist jeder der in den 1 und 2 dargestellten Lappenabschnitte 76, 78 einen relativ schmalen Wurzelabschnitt 80 angrenzend an den Nabenabschnitt 72, 74 und eine radial äußere Spitze 82 an einem distalen Ende derselben auf. In weiteren Ausführungsformen können die Rotorkörper 52, 54 vom Typ einer „Schraube“ vorliegen (nicht dargestellt). In diesem Fall können die Nabenabschnitte 72, 74 der Rotorkörper 52, 54 einen relativ großen Anteil von jedem der Rotorkörper 52, 54 (im Vergleich zu wurzelartigen Rotorkörpern) darstellen, wobei die Lappenabschnitte 76, 78 unterschiedliche komplementäre spiralförmige Formen aufweisen können. So können beispielsweise die Lappenabschnitte 76, 78 eines der Rotorkörper 52, 54 (der „Haupt“-Rotorkörper) im Allgemeinen konvexe Flanken aufweisen, während der andere Rotorkörper 52, 54 (der „Neben“-Rotorkörper) im Allgemeinen konkave Flanken aufweisen kann.
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In der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform folgen die Lappenabschnitte 76, 78 der Rotorkörper 52, 54 jeweils einer gedrehten oder spiralförmigen Bahn um ihre jeweiligen Nabenabschnitte 72, 74, wie sie sich von der ersten Stirnseite 64, 66 bis zur zweiten Stirnseite 68, 70 der Rotorkörper 52, 54 erstrecken. Zusätzlich sind die Rotorkörper 52, 54 innerhalb des Gehäuses 12 so angeordnet, dass die Lappenabschnitte 76 des ersten Rotorkörpers 52 gegen den Uhrzeigersinn um den Nabenabschnitt 72 herum gedreht werden, während die Lappenabschnitte 78 des zweiten Rotorkörpers 54 im Uhrzeigersinn um den Nabenabschnitt 74 herum gedreht sind. In einer Form kann sich jeder der Lappenabschnitte 76, 78 um einen Winkel von 60 Grad oder mehr drehen, da sie sich von der ersten Stirnseite 64, 66 zur zweiten Stirnseite 68, 70 der Rotorkörper 52, 54 erstrecken. In anderen Ausführungsformen kann sich jedoch jeder der Lappenabschnitte 76, 78 in einer im Allgemeinen geraden Bahn oder in einer anderen geeigneten Bahn entlang der Nabenabschnitte 72, 74 der Rotorkörper 52, 54 erstrecken. Der spezifische Verdrehwinkel der Lappenabschnitte 76, 78 kann von der Anwendung der Turboladeranordnung 10 abhängig sein.
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Unter Bezugnahme auf 2 wurde ein Abschnitt der ersten Stirnflächen 64, 66 der Rotorkörper 52, 54 geschnitten, um einen Innenraum der Rotorkörper 52, 54 freizulegen. Wie dargestellt, weist jeder der Rotorkörper 52, 54 einen porösen Innenkern 84 auf, der vollständig von einem festen Außengehäuse 83 umschlossen ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der poröse Innenkern 84 in eine Vielzahl von diskreten porösen Kammern 85 unterteilt, wobei jeder der Lappenabschnitte 76, 78 der ersten und zweiten Rotorkörper 52, 54 eine einzelne poröse Kammer 85 umschließt. Jede poröse Kammer 85 erstreckt sich von einem der Nabenabschnitte 72, 74 radial nach außen zur radial äußeren Spitze 82 des Lappenabschnitts 76, 78 und erstreckt sich auch axial durch den Lappenabschnitt 76, 78 zwischen den ersten und zweiten Stirnflächen 64, 66, 68, 70 eines der Rotorkörper 52, 54.
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In anderen Ausführungsformen kann der poröse Innenkern 84, der in jedem der Rotorkörper 52, 54 eingeschlossen ist, eine einheitliche Struktur umfassen (nicht dargestellt). So kann beispielsweise in Ausführungsformen, bei denen die Nabenabschnitte 72, 74 der Rotorkörper 52, 54 einen relativ großen Anteil der Rotorkörper 52, 54 einnehmen (wie beispielsweise bei schraubenförmigen Rotorkörpern), jeder der Rotorkörper 52, 54 einen einheitlichen porösen Innenkern aufweisen, der sich radial und axial innerhalb jedes der Lappenabschnitte 76, 78 erstreckt und in der Mitte des Rotorkörpers 52, 54 innerhalb des Nabenabschnitts 72, 74 zusammengeschlossen ist. Oder jeder der Rotorkörper 52, 54 kann einen einheitlichen porösen Innenkern umfassen, der sich radial und axial innerhalb des Nabenabschnitts 72, 74 des Rotorkörpers 52, 54 erstreckt, sich aber nicht in die Lappenabschnitte 76, 78 des Rotorkörpers 52, 54 erstreckt.
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Der in jedem der Rotorkörper 52, 54 eingeschlossene poröse Innenkern 84 reduziert effektiv das Gewicht der Rotorkörper 52, 54 (im Vergleich zu vollständig massiven Rotorkörpern), ohne die strukturelle Integrität der Rotorkörper 52, 54 zu beeinträchtigen. In einer Form können die porösen Innenkerne 84 mehrdimensionale stochastische oder periodische Stützstrukturen umfassen, die geschlossene oder offene miteinander verbundene Poren aufweisen können. So können beispielsweise die porösen Innenkerne 84, die in jedem der Rotorkörper 52, 54 eingeschlossen sind, eine zwei- oder dreidimensionale Gitterträgerstruktur oder -traverse umfassen, die eine Vielzahl von sich wiederholenden Einheitszellen (z. B. eine Tessellierung einer oder mehrerer geometrischer Formen) beinhaltet, die durch eine Vielzahl von an ihren Enden verbundenen diskreten Segmenten definiert sind.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform umfassen die in jedem der Rotorkörper 52, 54 eingeschlossenen porösen Innenkerne 84 eine Vielzahl von offenen miteinander verbundenen Poren 86, die durch mehrere planare Gitterstützstrukturen 88 voneinander beabstandet zwischen den ersten und zweiten Stirnseiten 64, 66, 68, 70 der Rotorkörper 52, 54 definiert sind. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die planaren Gitterstützstrukturen 88 aus mehreren sich wiederholenden hexagonalen oder wabenförmigen Einheitszellen zusammengesetzt. In anderen Ausführungsformen können die Gitterstützstrukturen 88 jedoch aus Einheitszellen verschiedener Formen zusammengesetzt sein, wie beispielsweise kreisförmige, elliptische oder polygonale Formen, z. B. dreieckige, rechteckige, quadratische, viereckige oder achteckige, um nur einige zu nennen. In einigen Ausführungsformen können die porösen Innenkerne 84 durch eine räumliche oder dreidimensionale zusammenhängende Gitterträgerstruktur (nicht dargestellt) definiert sein, die aus einer oder mehreren stochastischen oder periodischen Einheitszellen zusammengesetzt sein kann. So können beispielsweise die porösen Innenkerne 84 durch eine dreidimensionale Gitterträgerstruktur definiert sein, die mehrere kreisförmige, elliptische oder polygonale säulenförmige Poren aufweist, die sich zwischen den ersten und zweiten Stirnflächen 64, 66, 68, 70 der Rotorkörper 52, 54 erstrecken, wobei jede der säulenförmigen Poren durch feste Wände voneinander getrennt ist. Als weiteres Beispiel können die porösen Innenkerne 84 durch eine dreidimensionale Gitterträgerstruktur definiert werden, die mehrere hohle polyedrische Zellen beinhaltet, die durch feste Wände getrennt sind. In einer Form können die porösen Innenkerne 84 eine netzartige Struktur aufweisen.
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Das feste Außengehäuse 83 kann eine glatte, strukturierte, gemusterte oder anderweitig konstruierte Außenfläche 89 aufweisen. Die Außenfläche 89 des festen Außengehäuses 83 kann zum Steuern oder Einstellen des Luftstroms entlang der Rotorkörper 52, 54 konfiguriert werden. So kann beispielsweise die Außenfläche 89 des festen Außengehäuses 83 konfiguriert werden, um turbulente Luftströmungen innerhalb der Grenzschicht über der Außenfläche 89 zu reduzieren oder zu beseitigen, was den Wirkungsgrad der Kompressoranordnung 10 erhöhen und/oder die während des Betriebs der Turboladeranordnung 10 erzeugten Geräusche verringern kann. In einer Form kann die Außenfläche 89 des festen Außengehäuses 83 eine Vielzahl von Perforationen, Saugschlitzen, Porosität oder eine Vielzahl von Wellen oder Rippen beinhalten, die im Allgemeinen parallel zur Richtung der Fluidströmung über die Außenfläche 89 ausgerichtet sind, um eine laminare Strömung entlang der Außenfläche 89 zu fördern.
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In einer Form können die ersten und zweiten Rotorkörper 52, 54 durch ein Extrusionsverfahren hergestellt werden, wobei ein Voll- oder Hohlprofil gebildet und wahlweise in eine gewünschte Form gedreht wird. Zusätzlich oder alternativ können die ersten und zweiten Rotorkörper 52, 54 in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden, wobei digitale Konstruktionsdaten zum schichtweisen Aufbau der Rotorkörper 52, 54 verwendet werden. So können beispielsweise die Rotorkörper 52, 54 in einer Form durch ein Pulverbettschmelzverfahren hergestellt werden, das durch selektives Lasersintern, direktes Metall-Lasersintern, selektives Laserschmelzen, selektives Wärmesintern oder Elektronenstrahl-Schmelztechniken durchgeführt werden kann. In einem Pulverbettfusionsverfahren wird eine Schicht aus Metallpartikeln (pulverförmiges Baumaterial) auf einer Bauplattform verteilt und dann ein Hochleistungslaserstrahl oder Elektronenstrahl auf die Partikel auf der Bauplattform gerichtet und entlang einer computergesteuerten Bahn vorgeschoben, um die Metallpartikel entlang der Bahn zu schmelzen und miteinander zu verbinden. Nach Fertigstellung der ersten Schicht aus Schmelze wird die Bauplattform auf eine Tiefe abgesenkt, die der Höhe der nächsten Materialschicht entspricht, und eine weitere Schicht aus Metallpartikeln wird auf der Bauplattform über die erste Schicht verteilt. Ein Hochleistungslaserstrahl oder Elektronenstrahl wird erneut auf die neue Schicht aus Metallpartikeln auf der Bauplattform gerichtet und auf einer computergesteuerten Bahn zum Schmelzen und Verschmelzen der Metallpartikel zu einer zweiten Schicht aus Schmelze über der ersten Schicht vorgeschoben. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis alle aufeinander folgenden Schichten der Schmelze aufgebaut sind. In einer anderen Form können die Rotorkörper 52, 54 durch einen gerichteten Energieabscheidungsprozess hergestellt werden, wobei ein metallisches Baumaterial in Pulver- oder Drahtform einer Düse zugeführt wird, die beweglich entlang mehrerer Achsen montiert ist und dann von der Düse auf eine Zieloberfläche aufgebracht wird. Ein Laserstrahl wird sofort auf das auf der Zieloberfläche abgeschiedene Baumaterial gerichtet, um es miteinander zu schmelzen und zu verschmelzen. Nachfolgende Materialschichten werden über der vorhergehenden Schicht oder über einer anderen Zieloberfläche aufgebaut, und die Form der Materialschichten wird durch das Steuern der Vorschubgeschwindigkeit des Pulver- oder Drahtbaumaterials und des Winkels, in dem das Baumaterial abgeschieden wird, gesteuert.
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Die vorstehend beschriebenen additiven Herstellungsverfahren - oder jedes andere geeignete additive Herstellungsverfahren - können unabhängig oder in Kombination mit anderen Herstellungsverfahren zum Herstellen der ersten und zweiten Rotorkörper 52, 54 verwendet werden. In einer Form können die Rotorkörper 52, 54 zunächst mit einem porösen Innenkern 84 und einem festen Außengehäuse 83 ohne feste erste und zweite Stirnflächen 64, 66, 68, 70 gebildet werden. Das anfängliche Bilden der Rotorkörper 52, 54 mit offenen ersten und zweiten Enden 56, 58, 60, 62 kann eine weitere Verfeinerung und/oder Materialabtragung aus dem porösen Innenkern 84 der Rotorkörper 52, 54 vor dem Verschließen der ersten und zweiten Stirnflächen 64, 66, 68, 70 mit einer festen Materialschicht ermöglichen, sodass der poröse Innenkern 84 vollständig in einem einheitlichen festen Außengehäuse 83 eingeschlossen ist.
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Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 sind ein Paar ineinandergreifende erste und zweite Rotoren 114, 116 für eine Kompressoranordnung mit positiver Verdrängung abgebildet (nicht dargestellt). Wie in 4 dargestellt, sind die Rotoren 114, 116 Seite an Seite in einem Gehäuse 112 drehbar gelagert und konfiguriert, um ein Fluid (z. B. Luft) von einem Einlass 122 zu einem Auslass 128 des Gehäuses 112 zu bewegen. Das Gehäuse 112 beinhaltet ein Paar sich kreuzender kegelstumpfförmiger Seitenwände 138 mit Innenwandflächen 140, die jeweils erste und zweite miteinander verbundene kegelstumpfförmige Rotorhohlräume 142, 144 definieren, die zusammen einen größeren einheitlichen Rotorhohlraum 146 innerhalb des Gehäuses 112 bilden. Die Rotoren 114, 116 sind im Gehäuse 112 durch ein Paar erste und zweite Wellen 118, 120 drehbar gelagert. Die erste Welle 118 verläuft koaxial zum ersten Rotor 114 und zum ersten Rotorhohlraum 142, und die zweite Welle 120 verläuft koaxial zum zweiten Rotor 116 und mit dem zweiten Rotorhohlraum 144.
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Die in den 3 und 4 abgebildeten Rotoren 114, 116 weisen jeweils erste und zweite konische Rotorkörper 152, 154 mit ersten und zweiten zentralen Längsachsen 148, 150 auf, die sich einander annähern und damit einen spitzen Winkel Θ bilden. Der spitze Winkel Θ zwischen den ersten und zweiten zentralen Längsachsen 148, 150 der konischen Rotorkörper 152, 154 kann im Bereich von 5 Grad bis 30 Grad liegen und kann von der Anwendung der Kompressoranordnung abhängig sein. Die ersten und zweiten Rotorkörper 152, 154 sind im Rotorhohlraum 146 so gelagert, dass jeweils die ersten Enden 156, 158 der Körper 152, 154 angrenzend an den Einlass 122 des Gehäuses 112 und die zweiten Enden 160, 162 der Körper 152, 154 angrenzend an den Auslass 128 des Gehäuses 112 angeordnet sind. Wie in 4 dargestellt, dreht sich während des Betriebs der erste Rotorkörper 152 um seine zentrale Längsachse 148 im Uhrzeigersinn und der zweite Rotorkörper 154 gleichzeitig um seine zentrale Längsachse 150 entgegen dem Uhrzeigersinn.
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Jeder der ersten und zweiten Rotorkörper 152, 154 weist eine erste Stirnfläche 164, 166, eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche 168, 170, einen benachbarten sich axial erstreckenden Nabenabschnitt 172, 174 und eine oder mehrere distale Lappenabschnitte 176, 178 auf. In der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform weist jeder der ersten und zweiten Rotorkörper 152, 154 vier distale Lappenabschnitte 176, 178 auf. Die Nabenabschnitte 172, 174 der Rotorkörper 152, 154 sind jeweils mit den ersten und zweiten Wellen 118, 120 zur Drehung mit diesen gekoppelt. Jeder der Lappenabschnitte 176, 178 erstreckt sich radial nach außen von ihren jeweiligen Nabenabschnitten 172, 174 bis zu einer radial äußeren Spitze 182 an einem radial äußeren Ende derselben. Die Lappenabschnitte 176, 178 erstrecken sich ebenfalls axial entlang der Nabenabschnitte 172, 174, von den ersten Stirnseiten 164, 166 zu den zweiten Stirnseiten 168, 170 der Rotorkörper 152, 154.
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Die Konfiguration der in den 3 und 4 abgebildeten Rotorkörper 152, 154 sind vom Wurzel-Typ, wie vorstehend in Bezug auf die 1 und 2 erörtert. In anderen Ausführungsformen können die Rotorkörper 152, 154 jedoch vom Typ einer „Schraube“ sein (nicht dargestellt). Auch wenn die Lappenabschnitte 176, 178 der Rotorkörper 152, 154 einer gedrehten oder schraubenförmigen Bahn um ihre jeweiligen Nabenabschnitte 172, 174 folgen, kann sich jeder der Lappenabschnitte 176, 178 in einer im Allgemeinen geraden Bahn oder in einer anderen geeigneten Bahn entlang der Nabenabschnitte 172, 174 der Rotorkörper 152, 154 erstrecken. Jeder der Rotorkörper 152, 154 kann einen porösen Innenkern aufweisen (nicht dargestellt), wie vorstehend in Bezug auf die 1 und 2 erörtert wurde. Jeder der Rotorkörper 152, 154 kann eine glatte, strukturierte, gemusterte oder anderweitig konstruierte Außenfläche 189 aufweisen, wie vorstehend in Bezug auf die 1 und 2 erörtert wurde.
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Jeder der Rotorkörper 152, 154 weist eine axiale Länge 196 und einen Außenradius an einer beliebigen Stelle entlang seiner axialen Länge 196 auf, die durch die radial äußeren Spitzen 182 der Lappenabschnitte 176, 178 definiert sind. Zudem ist jeder der Rotorkörper 152, 154 konisch, wodurch jeder der Rotorkörper 152, 154 am ersten Ende 156, 158 einen Außenradius 198 aufweist, der größer ist als der Außenradius 198' am zweiten Ende 160, 162 derselben. Die Größe der Rotorkörper 152, 154 kann von der spezifischen Anwendung der Kompressoranordnung abhängig sein. In einer Form kann jeder der Rotorkörper 152, 154 eine axiale Länge von 196 im Bereich von 10 Zentimetern bis 25 Zentimetern aufweisen. Zusätzlich kann jeder der Rotorkörper 152, 154 in einer Form einen Außenradius 198 am ersten Ende 156, 158 davon im Bereich von 5 Zentimetern bis 15 Zentimetern und einen Außenradius 198' am zweiten Ende 160, 162 davon im Bereich von 2 Zentimetern bis 7 Zentimetern aufweisen. In einer Form kann der Außenradius 198 an den ersten Enden 156, 158 der Rotorkörper 152, 154 zwei- bis viermal größer sein als der Außenradius 198' an den zweiten Enden 160, 162 der Rotorkörper 152, 154.
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Die Seitenwände 138 des Gehäuses 112 sind so konfiguriert, dass zwischen den Innenwandflächen 140 der Seitenwände 138 und den radial äußeren Spitzen 182 der Rotorkörper 152, 154 ein minimaler und konstanter Abstand vorhanden ist. Insofern kann jede der sich kreuzenden kegelstumpfförmigen Seitenwände 138 einen Innendurchmesser angrenzend an die ersten Enden 156, 158 der Rotorkörper 152, 154 aufweisen, der größer ist als der Innendurchmesser der sich kreuzenden kegelstumpfförmigen Seitenwände 138 angrenzend an die zweiten Enden 160, 162 der Rotorkörper 152, 154. In einer Form kann der Innendurchmesser der sich kreuzenden kegelstumpfförmigen Seitenwände 138 angrenzend an die ersten Enden 156, 158 der Rotorkörper 152, 154 auch zwei- bis viermal größer sein als der Innendurchmesser der sich kreuzenden kegelstumpfförmigen Seitenwände 138 angrenzend an die zweiten Enden 160, 162 der Rotorkörper 152, 154.
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Die gegenwärtig offenbarten konischen Rotorkörper 152, 154 bringen gegenüber Rotorkörpern mit konstanten Außenradien eine Reihe von Vorteilen mit sich. Insbesondere während des Betriebs einer Kompressoranordnung, die ein Paar wurzelartiger Rotorkörper mit konstanten Außenradien beinhaltet, wie die in den 1 und 2 dargestellten Rotorkörper 52, 54, bewirkt die entgegengesetzte Drehung der Rotorkörper 52, 54, dass ein festes Flüssigkeitsvolumen in den Einlass 22 des Gehäuses 12 gezogen, in einer geschlossenen Tasche um die Rotorkörper 52, 54 transportiert und dann aus dem Auslass 28 des Gehäuses 12 ausgestoßen wird. Insbesondere ist in einem derartigen System die von den entgegengesetzt drehenden Rotorkörpern 52, 54 transportierte Flüssigkeitsmenge fixiert, d. h. sie wird erst dann komprimiert oder mit Druck beaufschlagt, wenn sie aus dem Auslass 28 des Gehäuses 12 gegen den Minderdruck im Auslassplenum 32 herausgedrückt wird. Durch den relativ hohen Druck im Auslassplenum 32 können Rückströmung und Pulsation auftreten, wenn aufeinanderfolgende Luftmengen in das Auslassplenum 32 eingeleitet werden.
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Alternativ, wenn ein Flüssigkeitsvolumen in den Einlass 122 des Gehäuses 112 durch die entgegengesetzte Drehung der in den 3 und 4 dargestellten konischen Rotorkörpern 152, 154 eingezogen wird, wird das Fluid in einer abgedichteten Tasche um die Rotorkörper 152, 154 transportiert, die allmählich vom Einlass 122 zum Auslass 128 des Gehäuses 112 abnimmt, was den Druck des Fluids zwischen dem Einlass 122 und dem Auslass 128 des Gehäuses 112 effektiv erhöht. Die Druckbeaufschlagung des Fluids entlang der axialen Länge der Rotorkörper 152, 154 reduziert auf diese Weise die Druckdifferenz zwischen dem Fluid, das aus dem Auslass 128 des Gehäuses 112 ausgestoßen wird, und dem Fluid stromabwärts, was dazu beitragen kann, den Rückfluss und/oder die Größenordnung des Rückstroms und des Pulsierens zu minimieren.
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Die ersten und zweiten Wellen 118, 120 können über den Verbrennungsmotor angetrieben werden, dem die Rotoren 114, 116 zugeordnet sind. Alternativ können die Rotorkörper 152, 154 aufgrund der konischen Anordnung der Rotorkörper 152, 154 im Vergleich zu Rotorkörpern mit konstanten Außenradien relativ leicht sein, was den Antrieb der ersten und zweiten Wellen 118, 120 durch einen bestimmten Elektromotor, wie den in 1 dargestellten Elektromotor 94, ermöglichen kann.
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Die ersten und zweiten Rotorkörper 152, 154 können durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt werden, wie beispielsweise das Pulverbettschmelzverfahren oder das vorstehend mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebene Energieabscheideverfahren.
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Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und spezielle Beispiele besitzen lediglich einen beschreibenden Charakter; sie sollen nicht den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.
