DE10345035A1 - Rotationskompressormaschine und Wärmetauscher - Google Patents

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Steven P. 53404 Racine Meshenky
Robert J. Waterford Barfknecht
B. Joseph 53402 Racine Fietkiewicz
LeRoy Racine Goines
Peter C. Racine Kottal
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Modine Manufacturing Co
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Abstract

Ein Wärmetauscher (36) mit einer Sammlerkonstruktion, der zur Verwendung in einer Anwendung mit einem relativ hohen Druck zum Einsatz kommt, beinhaltet eine Anordnung allgemein paralleler Rohrstränge (84) mit Rippen (82), die sich zwischen angrenzenden der Rohrstränge erstrecken. Mindestens eine relativ flache Sammlerplatte (86) besitzt mehrere Rohrschlitze (88) zur Aufnahme von Enden (90) der Rohre (84), und ein Tank (94) ist in abgedichteter Weise an der Sammlerplatte (86) montiert. Umfangsflansche (112) befinden sich um Rohrschlitze (86) in den Sammlern, und eine Sammlerverstärkungsplatte (114) ist mit der Sammlerplatte (86) gegenüber dem Tank (94) verbunden. Versteifungsrippen in der Form von Flanschen (120) befinden sich an der Sammlerverstärkungsplatte (114) zwischen darin vorgesehenen Öffnungen (118), durch die die Rohre (84) verlaufen, und erstrecken sich von der Sammlerplatte (86) weg. DOLLAR A Außerdem eine Rotationskompressormaschine, die beispielsweise einen derartigen Wärmetauscher aufweist, wobei der Wärmetauscher (36) im Gehäuse (10) zwischen einem Kompressorrad (20) und dem Auslass (32) angeordnet und ringröhrenförmig ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationskompressormaschine, wie sie beispielsweise als Turbolader oder Kompressor für Motoren, verwendet werden kann, mit einem Wärmetauscher, der hohen Innendrücken ausgesetzt ist, wie er beispielsweise als ein Zwischenkühler in der Rotationskompressormaschine vorhanden ist.
  • Ferner betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher der beispielsweise in einer Rotationskompressormaschine eingebaut ist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Verbrennungsluftlader, wie beispielsweise Turbolader oder Kompressoren, werden für Motoren, insbesondere für Verbrennungsmotoren, seit vielen Jahren eingesetzt. In einem Turbolader wird mindestens ein Rotationskompressorrad durch das Abgas des Motors angetrieben. Im Falle eines Kompressors wird mindestens ein Rotationskompressorrad mechanisch, üblicherweise durch die abgegebene Rotationsleistung des Motors, angetrieben. In beiden Fällen wird ein Kompressorrad verwendet, um Umgebungsluft vor ihrer Einleitung in den Motor zu verdichten, um so die Verbrennung darin zu unterstützen. Da die Luft komprimiert wird, besitzt ein gegebenes Volumen davon einen höheren Sauerstoffmolgehalt als ein ansonsten gleiches Luftvolumen bei Umgebungsdruck. Als Folge davon ermöglicht der zusätzliche Sauerstoff die Verbrennung einer größeren Kraftstoffmenge, so daß in einer Kraftanlage von gegebener Größe als Ergebnis der Aufladung der Verbrennungsluft eine höhere abgegebene Leistung erzielt werden kann.
  • Im Laufe der Jahre wurde festgestellt, daß der Wirkungsgrad derartiger Verbrennungsluftlader durch die Verwendung eines sogenannten Zwischenkühlsystems verbessert werden kann. Da die Luft während ihrer Kompression erwärmt wird, geht ein Teil des Wirkungsgrads, der in erster Linie durch Verwendung des Verbrennungsluftladers, d.h. durch Verdichtung der in den Motor zwecks Aufladung eingeleiteten Verbrennungsluft, erzielt wird, verloren, weil ein Volumen heißer komprimierter Luft weniger Sauerstoff als ein gleiches Volumen kühlerer komprimierter Luft enthält, wenn beide den gleichen Druck aufweisen. Eine Aufladung mit kühlerer Verbrennungsluft ermöglicht somit, wenn sie zwecks Verbrennung in einen Motor eingeleitet wird, bei einem gegebenen Druck die Entwicklung einer höheren Leistung innerhalb des Motors als die gleiche Aufladung mit dem gleichen Druck, wenn sie bei einer höheren Temperatur erfolgt.
  • Folglich werden Zwischenkühler, wie vorstehend erwähnt, verwendet, um die Luft nach ihrem Austritt aus dem Verbrennungsluftlader (oder aus einer Stufe davon) und vor ihrer Zuleitung in den Motor zu kühlen, um bei einem beliebigen gegebenen Druck für einen maximalen Sauerstoffmolgehalt zu sorgen.
  • In vielen Fällen wird der Zwischenkühler als ein herkömmlicher, rechtwinklig geformter Wärmetauscher verwendet und der Vorder- oder Rückseite des zum Kühlen von Motorkühlmittel verwendeten üblichen Wärmetauschers oder daneben montiert. Obwohl diese Art einer Anordnung für eine adäquate Kühlung der druckbeaufschlagten Verbrennungsluft ausreicht, kann sie hinsichtlich der Größe und des in einem Motorraum verfügbaren Volumens, wie beispielsweise in einem Fahrzeug, in dem sowohl der Motor als auch die verschiedenen Wärmetauscher, die zum Kühlen verwendet werden, untergebracht sind, gewissen Einschränkungen unterliegen. Sie kann auch umfangreiche Schlauchverbindungen zwischen dem Turbolader, dem Zwischenkühler und dem Motorverbrennungslufteinlaß erforderlich machen, wobei aufgrund der geringen Dichte der Verbrennungsluft und des sich daraus ergebenden großen Volumens davon zwangsläufig Schläuche mit relativ großem Durchmesser benötigt werden.
  • Es wurde daher vorgeschlagen, den Zwischenkühler innerhalb des Verbrennungsluftladers selbst einzubauen, um ein kompakteres Verbrennungsluftlade- und Zwischenkühlsystem bereitzustellen und soweit wie möglich gro ße, sperrige Schlauchverbindungen zu vermeiden. Das Ziel besteht hier darin, den Zwischenkühlwärmetauscher innerhalb des Verbrennungsluftladers so einzubauen, daß er leicht gewartet werden kann, möglichst wenige Anschlußverbindungen erfordert und die Abmessungen des Verbrennungsluftladers nicht unnötig vergrößert.
  • Darüber hinaus ist ein innenmontierter Zwischenkühler zweckmäßigererweise mit einem Flüssigkühlwärmetauschfluid, wie beispielsweise einem Motorkühlmittel, versehen, das einen relativ hohen Druck aufweisen kann. Der Zwischenkühler muß daher solchen hohen Drücken widerstehen können. Gleichzeitig können thermische Zyklen und Druckzyklen auch zu einer Ermüdung des Wärmetauschers beitragen. Der Wärmetauscher muß somit so hergestellt sein, daß er einem hohen Druck und einer durch thermische Zyklen und Druckzyklen verursachten Ermüdung widerstehen kann.
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, vorteilhafte Lösungen für diese Probleme in einem Zwischenkühlwärmetauscher bereitzustellen, der im Inneren eines radial austragenden Rotationskompressors, der für eine Vielzahl von Anwendungen, wie beispielsweise in einem Verbrennungsluftlader für einen Motor, angeordnet werden soll, und die Erfindung zielt auch darauf ab, allgemein einen druckbeständigen Wärmetauscher bereitzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte Rotationskompressormaschine mit Zwischenkühlung zur Verwendung bei der Bereitstellung gekühlter, komprimierter Luft für eine beliebige Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten bereitzustellen. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Verbrennungsluftladevorrichtung mit einem internen Zwischenkühler bereitzustellen, der kom pakter als solche bekannten Systeme ist, der in einem System, in dem ein flüssiges Kühlmittel mit einem hohen Druck verwendet wird, eingesetzt werden kann, und der eine hohe Beständigkeit gegenüber einer durch Druckzyklen und/oder thermische Zyklen bewirkten Ermüdung aufweist.
  • Es ist auch eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten Wärmetauscher in einer Rotationskompressormaschine bereitzustellen, der so ausgeführt ist, daß er in Anwendungen, in denen mindestens ein Wärmetauschfluid einen hohen Druck aufweist, verwendet werden kann.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Rotationskompressormaschine bereitgestellt, die eine drehbare Welle mit mindestens einem darauf befindlichen Kompressorrad beinhaltet. Ein Gehäuse enthält das Kompressorrad und besitzt einen Einlaß zum Kompressorrad sowie einen Auslaß. Ein Wärmetauscher befindet sich innerhalb des Gehäuses und ist zwischen dem Kompressorrad und dem Auslaß angeordnet. Der Wärmetauscher ist ringröhrenförmig ausgebildet und besitzt länglich ausgeführte Rohre, die sich axial dazwischen erstrecken und mit beabstandeten Sammlerplatten metallurgisch verbunden sind. Es sind Tanks vorgesehen, um die Sammlerplatten gegenüber den Rohren zu verschließen, und Rippen erstrecken sich zwischen angrenzenden Rohren. Der Wärmetauscher hat einen allgemein zylindrischen äußeren Umfang, der sich zwischen den Sammlerplatten erstreckt, sowie einen allgemein zylindrischen inneren Umfang, der sich zwischen den Sammlerplatten erstreckt, wobei sich die Rohre und Rippen zwischen dem inneren und dem äußeren Umfang befinden. Ein erster zylindrischer Käfig mit Öffnungen erstreckt sich zwischen den Sammlerplatten am äußeren Umfang und ist metallurgisch damit verbunden, und ein zweiter zylindrischer Käfig mit Öffnungen erstreckt sich zwischen den Sammlerplatten am inneren Umfang und ist metallurgisch damit verbunden.
  • Die zylindrischen Käfige tragen dazu bei, die Sammlerplatten und ihre dazugehörigen Tanks zu versteifen, wenn sie intern einem hohen Druck ausgesetzt sind, wodurch Ausfälle der Verbindungsstellen zwischen Rohr und Sammler und die damit verbundene Ermüdung aufgrund thermischer Zyklen und Druckzyklen minimiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnungen in mindestens einem der Käfige länglich ausgeführt und erstrecken sich im wesentlichen zwischen den Sammlerplatten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet jede der Sammlerplatten mehrere Rohrschlitze, von denen Enden entsprechender Rohre in abgedichteter Weise aufgenommen werden. Jeder Rohrschlitz ist von einem Umfangsflansch umgeben, der zum die dazugehörige Sammlerplatte verschließenden Tank hin ausgerichtet ist, und eine Sammlerverstärkungsplatte ist mit jeder Sammlerplatte gegenüber dem dazugehörigen Tank metallurgisch verbunden und besitzt Öffnungen, durch die die Rohrenden zur entsprechenden Sammlerplatte hin verlaufen. Die Sammlerverstärkungsplatte versteift die Sammlerplatte.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede Sammlerverstärkungsplatte Versteifungsrippen zwischen den darin befindlichen Öffnungen, durch die die Rohre verlaufen, auf.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Versteifungsrippen um Flansche, die entlang Kanten der Öffnungen in den Sammlerverstärkungsplatten ausgebildet sind.
  • Die Flansche erstrecken sich vorzugsweise über die Enden der Rohrschlitze hinaus, um eine Versteifung der Sammlerplatte entlang der gesamten Länge des Rohrs bis zu den Sammlerverbindungsstellen sicherzustellen.
  • In einer Ausführungsform definiert jede Sammlerplatte den inneren und den äußeren Umfang und weist daran ausgebildete U-förmige Umfangsnuten auf, die sich zu einer entsprechenden Kante des ersten und des zweiten Käfigs hin öffnen und diese aufnehmen.
  • In einer Ausführungsform beinhaltet jede Sammlerverstärkungsplatte eine flanschähnliche Ausbildung um ihren inneren und ihren äußeren Umfang, die sich gerade innerhalb der U-förmigen Nuten an der dazugehörigen Sammlerplatte befindet und zur anderen der Sammlerplatten hin ausgerichtet ist. Jede flanschähnliche Ausbildung grenzt an eine zugewandte Kante des ersten oder des zweiten Käfigs neben der dazugehörigen Sammlerplatte an.
  • Die flanschähnlichen Ausbildungen sind vorzugsweise mit den zugewandten Kanten der Käfige metallurgisch verbunden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnungen länglich ausgeführt, und die Anzahl der Rohrkonstruktionen ist ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Öffnungen. Der Wärmetauscher beinhaltet mindestens eine passend ausgeführte Ausbildung an jedem der Käfige, wobei mindestens eine der Sammlerplatten für einen gegenseitigen Eingriff ausgeführt ist, um jede Öffnung in ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem entsprechenden einen oder mehreren der Rohre zu bringen.
  • Die passend ausgeführte Ausbildung beinhaltet vorzugsweise Außen- und Innenelemente.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnungen mit Abstand voneinander angeordnet und durch Streifen getrennt, die sich zwischen den Kanten des ersten Käfigs erstrecken, und die Streifen beinhalten Umlenkungsabschnitte, um die Strömung zwischen den Rohren und an den Rippen und in eine vorbestimmte Richtung zu lenken.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher zur Verwendung in einer Anwendung bereitgestellt, in der mindestens ein Wärmetauschfluid einen relativ hohen Druck aufweist. Der Wärmetauscher beinhaltet eine Anordnung allgemein parallel verlaufender Rohrstränge, durch die mindestens das eine Wärmetauschfluid strömen kann, sowie Rippen, die sich zwischen angrenzenden der Rohrstränge in einem Wärme tauschverhältnis damit erstrecken. Es ist mindestens eine relativ flache Sammlerplatte mit mehreren Rohrschlitzen zur Aufnahme der Enden der Rohrstränge vorgesehen. Ein Tank ist in abgedichteter Weise an der Sammlerplatte montiert, um eine Kammer zu definieren, um das eine Wärmetauschfluid zu den Enden der Rohrstränge bereitzustellen und/oder von den Enden der Rohrstränge aufzunehmen. An der Sammlerplatte sind um die Rohrschlitze Umfangsflansche vorgesehen und in den Tank hinein ausgerichtet. Die Enden der Rohrstränge sind in abgedichteter Weise und metallurgisch damit verbunden.
  • Eine Sammlerverstärkungsplatte ist mit einer Seite des Sammlers gegenüber den Umfangsflanschen verbunden und besitzt Öffnungen, durch die die Rohrstrangenden zur Sammlerplatte hin verlaufen, und es sind Versteifungsrippen an der Sammlerverstärkungsplatte zwischen den Öffnungen vorgesehen, die sich weg von der Sammlerplatte erstrecken.
  • Die Versteifungsrippen sind vorzugsweise Flansche, die sich entlang mindestens einer Seite einer jeden der Öffnungen erstrecken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rohrschlitze länglich ausgeführt, und die Versteifungsrippen haben eine größere Länge als die Rohrschlitze und erstrecken sich an den Enden der Rohrschlitze vorbei.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rohrstränge jeweils durch ein einzelnes gerades Rohr definiert.
  • Andere Aufgaben und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine etwa schematische Schnittansicht einer Rotationskompressormaschine in der Form eines erfindungsgemäß hergestellten Verbrennungsluftladers;
  • 2 ist eine auseinandergezogene Ansicht des im Verbrennungsluftlader eingesetzten Wärmetauschers;
  • 3 ist eine fragmentarische Schnittansicht eines Endes des Wärmetauschers;
  • 4 ist eine fragmentarische, vergrößerte, perspektivische Ansicht einer Umfangsverbindungsstelle, die Bestandteil des Wärmetauschers ist;
  • 5 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht von Bauteilen des Wärmetauschers;
  • 6 ist eine fragmentarische, perspektivische Ansicht eines Teils des Wärmetauschers mit aus Gründen der Übersichtlichkeit weggebrochen dargestellten Bauteilen; und
  • 7 ist eine fragmentarische, perspektivische Ansicht von Plattenrippen, die im Wärmetauscher verwendet werden können.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bei den beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung, die hierin beschrieben werden, handelt es sich speziell um Verbrennungsluftlader in der Form eines zweistufigen Turboladers. Es versteht sich jedoch, daß diese Beschreibung lediglich beispielhaften Charakter hat und im Hinblick auf Turbolader oder auf die Anzahl der Stufen keinerlei Einschränkungen unterliegt. Die Erfindung kann beispielsweise wirksam allgemein in Rotationskompressormaschinen sowie in einem einstufigen Turbolader und auch in ein- oder mehrstufigen Kompressoren verwendet werden. Turbolader und Kompressoren gelten hierin generisch als Verbrennungsluftlader, und weder Turbolader noch Kompressoren unterliegen somit einer Einschränkung, es sei denn, daß sich aus den beiliegenden Ansprüchen ausdrücklich eine Einschränkung ergibt. Des weiteren ist die druckbeständige Sammlerkonstruktion und ihr Verhältnis zum Tank und zu den Rohren, wie hierin beschrieben, nicht auf Rotationskompressormaschinen beschränkt, es sei denn, daß sich aus den beiliegenden Ansprüchen ausdrücklich eine Ein schränkung ergibt. Die Erfindung kann wirksam in einer Vielzahl von Wärmetauscherkonstruktionen verwendet werden, in denen Rohre in abgedichteter Weise von Rohrschlitzen in einer Sammlerplatte aufgenommen werden und damit metallurgisch verbunden sind, wobei die Sammlerplatte wiederum mit einem Tank verschlossen ist, und in denen in der Anwendung, für die der Wärmetauscher vorgesehen ist, eine Beständigkeit gegen relativ hohe Drücke erforderlich ist. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Beschreibung wird auf 1 verwiesen.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, wie erkennbar, ein allgemein mit 10 bezeichnetes Gehäuse, das aus mindestens zwei voneinander trennbaren Abschnitten 12 bzw. 14 gebildet ist. Innerhalb des Gehäuses 10 ist eine drehbare Welle 18 in beliebigen (nicht dargestellten) geeigneten Lagern gelagert. In der dargestellten Ausführungsform sind auf der drehbaren Welle ein erstes Kompressorrad 20, ein zweites Kompressorrad 22 und ein Turbinenrad 24 montiert, das sich wiederum innerhalb eines (nicht dargestellten) Gehäuses befindet. Wie durch einen Pfeil 26 angezeigt, wird das Turbinenrad 24 durch das Abgas aus einem Verbrennungsmotor angetrieben, um die Welle 18 anzutreiben. Verbrauchtes Abgas wird, wie durch den Pfeil 28 angezeigt, aus dem Turbinenrad 24 ausgetragen.
  • Das Gehäuse 12 beinhaltet einen Umgebungsluftein-laß 30, während das Gehäuse 14 einen Auslaß für komprimierte Luft beinhaltet, wie schematisch durch einen Pfeil 32 angezeigt. Der Einlaß 30 erfolgt zur Einlaßseite des Kompressorrads 20 hin, während der Auslaß 32 von einer Spirale aus, wie schematisch bei 34 dargestellt, auf der Auslaßseite des Kompressorrads 22 erfolgt.
  • Ein erfindungsgemäß hergestellter Wärmetauscher, allgemein mit 36 bezeichnet, befindet sich innerhalb der Gehäuse 12, 14, wobei die beiden, wie schematisch angezeigt, durch entfernbare Befestigungselemente 38 miteinander verbunden sind. Der Wärmetauscher 36 ist ringröhren- oder ringförmig ausgeführt und beinhaltet eine radial äußere zylindrische Oberfläche 40, die einen Lufteinlaß definiert, so daß Luft durch den Wärmetauscher 36 strömen kann. Eine radial innere zylindrische Oberfläche 42 bildet einen Luftauslaß für den Wärmetauscher 36.
  • Die Seiten des Wärmetauschers sind mit einem ersten Einlaß/Auslaß-Sammler und Tank, allgemein mit 44 bezeichnet, an der Seite des Wärmetauschers 36 innerhalb des Gehäuses 14 sowie mit einem Umleitungssammler und Tank, allgemein mit 46 bezeichnet, an der Seite des Wärmetauschers 36 innerhalb des Gehäuses 12 ausgestattet. Ein Kühlmittelverteiler 48 ist innerhalb des Gehäuses 14 zu einer Seite der Spirale 34 hin und radial innerhalb des radial äußeren Teils der Spirale 34 vorgesehen. Der Verteiler 48 ist durch einen internen Steg oder ein internes Prallblech 50 in einen radial inneren Verteilerabschnitt 52 und einen radial äußeren Verteilerabschnitt 54 unterteilt. Das System ist mit einem schematisch durch einen Pfeil 56 dargestellten Kühlmitteleinlaß, der sich zum radial inneren Verteilerabschnitt 52 erstreckt, und mit einem schematisch durch einen Pfeil 58 dargestellten Kühlmittelauslaß, der sich zum radial äußeren Verteilerabschnitt 54 erstreckt, ausgestattet. Durch eine nachstehend ausführlicher zu beschreibende Konstruktion tritt ein Kühlmittel, wie beispielsweise ein Kühlmittel für den Verbrennungsmotor, durch den Eintritt 56 in den Turbolader ein und wird zum radial inneren Verteilerabschnitt geleitet und strömt von dort aus an einem radial inneren Teil davon in den Einlaß/Auslaß-Sammler und Tank 44, um axial durch den Wärmetauscher 36 zum Rückführungssammler und Tank 46 zu strömen, in dem seine Richtung umgekehrt wird, so daß es durch den radial äußeren Teil des Wärmetauschers 36 zurück zum Einlaß/Auslaß-Sammler und Tank 44 strömt. Aus dem Sammler und Tank 44 wird das Kühlmittel in den radial äußeren Verteilerabschnitt 54 hinein zum Kühlmittelauslaß 58 ausgetragen. Diese Kühl mittelströmung wird durch eine Reihe von Pfeilen 60, 62 und 64 angezeigt.
  • Die Luftströmung durch den Turbolader geschieht wie folgt: Umgebungsluft tritt in den Einlaß 30 ein und strömt zur Einlaßseite des Kompressorrads 20. Wenn das Kompressorrad 20 durch das Turbinenrad 24 angetrieben wird, wird die Luft komprimiert und mit einem höheren Druck am radial äußeren Umfang des Kompressorrads 20 ausgetragen, wie durch Pfeile 66 angezeigt. Die komprimierte Luft strömt weiterhin radial nach außen durch einen ringförmigen Raum 68 zwischen dem Gehäuse 12 und dem Wärmetauscher 36, der teilweise durch den Rückführungssammler und Tank 46, ein sich vom Rückführungssammler und Tank 46 aus radial nach innen erstreckendes radiales Prallblech 70 und ein axiales Prallblech 72 definiert ist, das sich vom Prallblech 70 aus an seinem radial innersten Teil erstreckt und an einem Teil des Gehäuses 12 (nicht dargestellt) montiert ist, an dem die äußersten linken Lager 16 angrenzend an das Turbinenrad 20 montiert sind.
  • Die radial äußere Seite oder der radial äußere Umfang 40 des Wärmetauschers 36 ist von den Gehäusen 12 und 14 aus radial nach innen beabstandet, so daß die durch das Turbinenrad 20 komprimierte Luft, wie durch die Pfeile 74 angezeigt, umgeleitet werden kann, um in den Wärmetauscher 36 am radial äußeren Umfang 40 davon einzutreten. Die Luft strömt dann durch den Wärmetauscher 36 in einer radial nach innen verlaufenden Richtung und wird durch das Kühlmittel gekühlt, das, wie vorstehend erwähnt, axial durch den Wärmetauscher 36 strömt. Die gekühlte komprimierte Luft wird dann aus dem Wärmetauscher 36, wie durch die Pfeile 76 angezeigt, zur Einlaßseite des Kompressorrads 22 ausgetragen, wo sie weiter komprimiert und anschließend in die Spirale 34 ausgetragen wird, wie durch die Pfeile 78 angezeigt. Diese komprimierte Luft wird dann als komprimierte Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor ausgetragen, um die Verbrennung darin zu unterstützen. Zu sätzliche Kühlstufen können, falls erwünscht, zwischen dem Kompressorrad 22 und dem Motor eingebaut werden. Alternativ kann, wie vorstehend erwähnt, in einem einstufigen Turbolader auf das Kompressorrad 22 verzichtet werden, und in diesem Fall kann die aus der radial inneren Seite des Umfangs 42 des Wärmetauschers 36 ausgetragene Luft direkt in die Spirale 34 ausgetragen werden.
  • Zu wesentlichen Merkmalen der Erfindung, wie bisher beschrieben, zählen die folgenden Merkmale: Die Strömung der komprimierten Luft durch den Wärmetauscher 36 erfolgt vom radial äußeren zum radial inneren Umfang hin. Somit wird die komprimierte Luft mit höherer Temperatur aus dem Kompressorrad 20 zu einer relativ großen Volumenfläche radial außerhalb des Wärmetauschers 36 hin ausgetragen. Wenn die komprimierte Luft innerhalb des Wärmetauschers 36 gekühlt wird, wird sie dichter, und ihr Volumen wird, wenn sie innerhalb des Wärmetauschers strömt, auf eine geringere Volumenfläche reduziert. Dieses Merkmal der Erfindung läßt es zu, daß die Luftgeschwindigkeit aufrechterhalten wird, während die Luft durch den Wärmetauscher 36 strömt, um den Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu steigern, ohne den Druckabfall unzulässig zu erhöhen. Es versteht sich, daß, wenn die Luftströmung zwischen zwei Flächen gleichen Volumens mit dem dazwischen angeordneten Wärmetauscher 36 erfolgen würde, die Geschwindigkeit der Luftströmung durch den Wärmetauscher 36, wenn die komprimierte Luft gekühlt würde, progressiv abnehmen würde, so daß dadurch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers herabgesetzt werden würde.
  • Zu einem zweiten Merkmal der Erfindung zählt die Tatsache, daß der radial innere Umfang 42 des Wärmetauschers einen größeren Durchmesser als der äußere Durchmesser des Turbinenrads 20 aufweist, wie aus 1 ersichtlich. Somit kann, wenn die Befestigungselemente 38 entfernt werden und das Gehäuse 12 vom Gehäuse 14 getrennt wird, der Wärmetauscher 36, wie in 1 darge stellt, zu Wartungszwecken axial nach links und über das Turbinenrad 20 geschoben werden. Dies bedeutet, daß das Turbinenrad 20 nicht von der Welle 18 abgenommen werden muß, um den Wärmetauscher 36 ausbauen zu können.
  • Es versteht sich, daß viele der Anschlüsse sowohl für Luft als auch für Kühlmittel innerhalb des Turboladers selbst enthalten sind, so daß sich eine kompakte Einheit ergibt und Rohrleitungsverluste auf ein Minimum reduziert werden. Externe Schläuche mit großem Durchmesser, die den Kompressor mit einem externen Wärmetauscher verbinden, werden beispielsweise vollständig vermieden.
  • Abgesehen von dem durch die Erfindung modifizierten Umfang, wie hierin beschrieben und in den Ansprüchen definiert, wird die Konstruktion der Bauteile in der gleichzeitig anhängigen eigenen Anmeldung von Meshenky et al. mit dem Titel "Internally Mounted Radial Flow Intercooler for a Combustion Air Charger" ["Innenmontierter Radialzwischenkühler für einen Verbrennungsluftlader"], eingereicht am 20. September 2002, mit der laufenden US-Serial-Nr. 10/251,537, die in ihrer Gesamtheit hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, in größerer Ausführlichkeit beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf die 26 einschließlich wird der Wärmetauscher 36 nunmehr ausführlicher beschrieben. Wie aus 2 ersichtlich, hat der Wärmetauscher einen allgemein zylindrischen Kern 80, der den inneren und den äußeren Umfang 42 bzw. 40 definiert. Der Kern 80 beinhaltet mehrere ringförmig ausgebildete Plattenrippen 82 (Serpentinenrippen können auch verwendet werden), die (nicht dargestellte) Rohrschlitze beinhalten, um abgeflachte oder keilförmige Rohre 84 aufzunehmen. Wie aus dem Mittelteil der 2 ersichtlich, sind die Rohre 84 in radial inneren und äußeren Reihen angeordnet, wobei die Rohre 84 in einer Reihe im Verhältnis zu den Rohren 84 in der anderen Reihe versetzt angeordnet sind.
  • Wie aus 3 ersichtlich, beinhaltet der Sammler und Tank 44 zwei ringförmige, kreisförmige Sammler 86 (von denen nur einer dargestellt ist) mit Rohrschlitzen 88, die sich in den Reihen, wie in 2 dargestellt, befinden und die Enden 90 der Rohre 84 aufnehmen. Die Rohrenden 90 sind innerhalb der Rohrschlitze 88 metallurgisch und in abgedichteter Weise damit verbunden, beispielsweise durch Verlöten. Die Sammler 86 definieren den äußeren und den inneren Umfang 40 bzw. 42, und allgemein in der Mitte davon ist eine ringähnliche, nicht perforierte Oberfläche 92 vorgesehen, an die ein Prallblech 93 (1), das an einem Tank 95, der Bestandteil des Sammlers und Tanks 44 ist, befestigt ist, angrenzt.
  • Die beiden Sammler 86 beinhalten, sowohl an ihrem inneren und ihrem äußeren Umfang 42 bzw. 40, eine U-förmige Ausbildung 98 bzw. 100, die einen ringförmigen inneren und einen ringförmigen äußeren Käfig 102 bzw. 104 aufnimmt. Die Käfige 102, 104 können als Einzelstück oder aus kreisförmigen Mehrfachsegmenten hergestellt werden. Es wird bevorzugt, daß die Käfige 102, 104 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so daß sich der innere Käfig 102 in gleichem Umfang wie der äußere Käfig 104 ausdehnt, um Wärmespannungen, die durch etwaige Temperaturunterschiede zwischen den Käfigen 102, 104 verursacht werden, zu verhindern. Die U-förmigen Ausbildungen 98 und 100 nehmen die Kanten 106, 108 der Käfige 102, 104 auf und sind damit verbunden, beispielsweise durch Verlöten.
  • Der Sammler und Tank 46 kann allgemein identisch mit dem Sammler und Tank 44 ausgeführt sein, mit der Ausnahme, daß das Prallblech 93 entfällt. Die Käfige 102, 104 werden gleichermaßen von U-förmigen Ausbildungen am inneren und am äußeren Umfang, wie beispielsweise von den U-förmigen Ausbildungen 98 und 100 des Sammlers und Tanks 46, aufgenommen und sind in abgedichteter Weise damit metallurgisch verbunden. Wie vorstehend erläutert, weisen die inneren und äußeren Käfige 102 und 104 Öffnungen auf, und jeder beinhaltet eine Reihe länglicher Öffnungen 110, die sich zwischen und nahezu bis zu den beiden Sammlerplatten erstrecken. Wie aus den 35 ersichtlich, sind die Rohrschlitze 88 von Umfangsflanschen 112 umgeben, die sich in den jeweiligen der Tanks hinein, wie beispielsweise in den Tank 94, erstrecken und, wie vorstehend erwähnt, in verbundener Weise die Rohrenden 90 aufnehmen.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform definieren die Rohre 84 gerade Rohrstränge, von denen jeder aus einem einzelnen Rohr besteht. In einigen Fällen kann jedoch auf den Sammler und Tank 46 verzichtet werden, und U-förmige längliche Rohre, die jeweils zwei Stränge definieren, können Enden 90 aufweisen, die von den Rohrschlitzen 88 des Einlaß/Auslaß-Sammlers und Tanks 44 aufgenommen werden.
  • Wie am besten aus den 35 einschließlich erkennbar, sind die beiden Sammlerplatten 86 (von denen nur eine dargestellt ist) durch eine Sammlerverstärkungsplatte 114 verstärkt, die, beispielsweise durch Verlöten, mit der Seite der Sammlerplatte 86, die sich entfernt vom Tank 94 befindet, metallurgisch verbunden ist. Die Verstärkungsplatte 114 kann sich jedoch, falls gewünscht, auf der Tankseite der Sammlerplatte 86 befinden. An ihrem äußersten Umfang beinhaltet die Sammlerverstärkungsplatte 114 eine flanschähnliche Ausbildung 116, die sich weg vom Tank 94 erstreckt und sich gerade innerhalb der U-förmigen Ausbildungen 98, 100 befindet, so daß sie an die innere Kante 106, 108 der Käfige 102, 104 angrenzt und damit metallurgisch verbunden ist. Die Flansche 116 können, je nach Fall, unterbrochen oder durchgängig vorgesehen sein. Es ist von einiger Bedeutung, daß sie sich nicht nach unten erstrecken, um einen Teil der Öffnungen 110 in den Käfigen 102, 104 abzudecken, so daß eine gute Luftströmung durch den Wärmetauscherkern gefördert wird.
  • Die Sammlerverstärkungsplatten 114 sind mit mehreren länglichen Öffnungen 118 ausgestattet, durch die die Rohre 84 zur Sammlerplatte 86 hin verlaufen. Die Öffnungen 118 besitzen Flansche 120 entlang den beiden länglichen Seiten davon, die als Versteifungsrippen dienen, um der Sammlerverstärkungsplatte 114 und damit dem Sammler 86 zusätzliche Steifigkeit zu verleihen. Die Flansche 120 können sich an beiden Seiten der dazugehörigen Öffnung 118 befinden und können von den Wänden der Rohre 84 beabstandet sein, um ein leichtes Einsetzen der Rohre 84 in die Rohrschlitze 88 zu ermöglichen. Die Flansche 120 befinden sich somit zwischen jeder der Öffnungen 118, durch die die Rohre 84 verlaufen.
  • Die Flansche 120 sind, wie erkennbar, vorzugsweise länger als die angrenzenden Rohrschlitze 88 und erstrecken sich somit über die Enden der Rohre 84 hinaus, wie im linken Teil der 3 dargestellt. Dies sorgt für eine Versteifung der Sammlerplatte 86 über die gesamte Fläche, von der ein Rohr aufgenommen wird, um ein Durchbiegen an dieser Stelle zu minimieren. Ein solches Durchbiegen kann durch den Druck des innerhalb des Tanks 94 aufgenommenen Fluids neben dem relativ flachen Sammler 86 bewirkt werden, wodurch der Sammler dazu neigt, sich "auszurunden". Somit wird einer Ermüdung der Verbindungsstellen zwischen Rohr und Sammler, die durch hohen Druck sowie durch thermische Zyklen oder Druckzyklen bewirkt wird, ein hoher Widerstand entgegengesetzt.
  • Nunmehr wird erneut Bezug auf die Käfige 102, 104 genommen; wie aus 6 ersichtlich, sind die Öffnungen 110 durch ungelochte Streifen 130 getrennt, und gemäß der Erfindung ist die Anzahl der Rohre 84 in beiden Reihen ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Öffnungen 110 im angrenzenden der Käfige 102, 104. Im Normalfall beträgt der Vielfachfaktor 1, kann aber, falls gewünscht, größer sein, d.h. 2 oder 3 oder mehr. Um den Druckabfall zu minimieren, sind die Streifen 130 zu den Rohren 84 in der Reihe, an die sie angrenzen, hin ausgerichtet. Die Streifen 130 am äußeren Umfang 44 sind mit einem Flügelabschnitt 132 ausgestattet, der im Verhältnis zum Rest 134 eines jeden Streifens 130 gebogen ausgeführt sein kann, um für eine gewünschte Luftströmung zu sorgen. Die Streifen sind vorzugsweise so konfiguriert, daß sie die Strömung zwischen den Rohren und an den Rippen in eine vorbestimmte Richtung lenken. Dies kann, falls gewünscht, am inneren Umfang 42 erfolgen, ist aber normalerweise nicht erforderlich. Die Flügelabschnitte 132 können so ausgerichtet sein, daß sie bewirken, daß die Luftströmung neben den Enden oder kleineren Abmessungen der Rohre 84 über eine gewünschte Strecke in den Kern eintritt.
  • 7 zeigt eine Reihe der Plattenrippen 82, die mit gebogenen, radial äußeren Kanten 136 ausgestattet sind, um zusätzliche Strömungsleitflügel bereitzustellen. Falls zur Erzielung einer besonderen Strömungsrichtung erwünscht, können die inneren Kanten 138 gleichermaßen gebogen ausgeführt sein, um Strömungsleitflügel zu bilden.
  • Andere Vorteile ergeben sich für Fachleute auf diesem Gebiet aus der vorstehenden Beschreibung, die beispielhaften Charakter hat und keinerlei Einschränkung beinhaltet.

Claims (20)

  1. Rotationskompressormaschine, die folgendes umfaßt: eine drehbare Welle (18) mit mindestens einem darauf befindlichen Kompressorrad (20); ein das mindestens eine Kompressorrad (20) enthaltendes Gehäuse (10), das einen Einlaß (30) zum Kompressorrad und einen Auslaß (32) besitzt; und einen Wärmetauscher (36) innerhalb des Gehäuses (10), der sich zwischen dem Kompressorrad (20) und dem Auslaß (32) befindet, wobei der Wärmetauscher (36) ring-röhrenförmig ausgebildet ist und axial länglich ausgeführte Rohrkonstruktionen, die sich zwischen beabstandeten Sammlerplatten (86) erstrecken und damit metallurgisch verbunden sind, Tanks (44, 46), die die Sammlerplatten (86) gegenüber den Rohrkonstruktionen verschließen, sowie Rippen (82), die sich zwischen angrenzenden Rohrkonstruktionen erstrecken, besitzt, wobei der Wärmetauscher (36) einen allgemein zylindrischen äußeren Umfang (40) , der sich zwischen den Sammlerplatten (86) erstreckt, und einen allgemein zylindrischen inneren Umfang (42), der sich zwischen den Sammlerplatten erstreckt, aufweist, wobei sich die Rohrkonstruktionen und Rippen (82) zwischen dem inneren (42) und dem äußeren Umfang (40) befinden, und wobei sich ein mit Öffnungen (110) versehener erster zylindrischer Käfig (104) zwischen den Sammlerplatten (86) am äußeren Umfang (40) erstreckt und metallurgisch damit verbunden ist, und sich ein mit Öffnungen versehener zweiter zylindrischer Käfig (102) zwischen den Sammlerplatten (86) am inneren Umfang (42) erstreckt und metallurgisch damit verbunden ist.
  2. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 1, bei der die Öffnungen in mindestens einem der Käfige länglich ausgeführt sind und sich im wesentlichen zwischen den Sammlerplatten erstrecken.
  3. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 1, bei der die Rohrkonstruktionen Rohre (84) sind und jede der Sammlerplatten (86) mehrere Rohrschlitze (88) beinhaltet, von denen Enden entsprechender Rohre in abgedichteter Weise aufgenommen werden, wobei jeder Rohrschlitz (88) von einem Umfangsflansch umgeben ist, der zum die dazugehörige Sammlerplatte (86) verschließenden Tank (44, 46) hin ausgerichtet ist, und wobei eine Sammlerverstärkungsplatte (114) mit jeder Sammlerplatte (86) metallurgisch verbunden ist und Öffnungen (118) aufweist, die zu den Rohrschlitzen (88) in der entsprechenden Sammlerplatte (86) hin ausgerichtet sind.
  4. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 3, bei der jede Sammlerverstärkungsplatte (86) Versteifungsrippen (120) zwischen den darin befindlichen Öffnungen (118) aufweist.
  5. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 4, bei der die Versteifungsrippen Flansche sind, die entlang Kanten der Öffnungen (118) in den Sammlerverstärkungsplatten (114) ausgebildet sind.
  6. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 5, bei der sich die Flansche über die Enden der Rohrschlitze (88) hinaus erstrecken.
  7. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 3, bei der jede der Sammlerplatten (86) den inneren und den äußeren Umfang (42, 40) definiert und eine allgemein U-förmige Umfangsnut aufweist, die sich zu einer entsprechenden Kante des ersten und des zweiten Käfigs (104, 102) hin öffnet und diese aufnimmt.
  8. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 7, bei der jede der Sammlerverstärkungsplatten (114) eine flanschähnliche Ausbildung um ihren inneren und ihren äußeren Umfang (42, 40) aufweist, die sich gerade radial innerhalb der U-förmigen Nuten an der dazugehörigen Sammlerplatte (86) befindet und zur anderen der Sammlerplatten (86) hin ausgerichtet ist, wobei jede der flanschähnlichen Ausbildungen an eine zugewandte Kante des ersten oder des zweiten Käfigs (102, 104) neben der dazugehörigen Sammlerplatte (86) angrenzt.
  9. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 8, bei der die flanschähnlichen Ausbildungen mit den zugewandten Kanten metallurgisch verbunden sind.
  10. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 1, bei der die Öffnungen länglich ausgeführt sind und die Anzahl der Rohrkonstruktionen ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Öffnungen ist, und wobei weiterhin mindestens eine passende Ausbildung an jedem der Käfige (102, 104) vorgesehen und mindestens eine der Sammlerplatten (86) so ausgeführt ist, daß sie ineinandergreifen, um jede Öffnung in ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem entsprechenden oder mehreren der Rohre zu bringen.
  11. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 10, bei der die passende Ausbildung Außen- und Innenelemente beinhaltet.
  12. Rotationskompressormaschine nach Anspruch 10, bei der die Öffnungen voneinander beabstandet und durch Streifen getrennt sind, die sich zwischen den Kanten des ersten Käfigs erstrecken, und wobei die Streifen Umlenkungsabschnitte beinhalten, um die Fluidströmung zwischen den Rohren und an den Rippen in eine vorbestimmte Richtung zu lenken.
  13. Wärmetauscher (36), der zum Beispiel für die Anwendung in einer Rotationskompressormaschine vorgesehen ist, wobei mindestens ein Wärmetauschfluid einen relativ hohen Druck aufweist, in Kombination von: einer Anordnung allgemein paralleler Rohrstränge, durch die das mindestens eine Wärmetauschfluid strömen kann; Rippen (82), die sich zwischen angrenzenden der Rohrstränge in einem Wärmetauschverhältnis damit erstrecken; mindestens einer relativ flachen Sammlerplatte (86) mit mehreren Rohrschlitzen (88) zur Aufnahme von Enden der Rohrstränge; einem Tank (44), der in abgedichteter Weise an der Sammlerplatte (86) montiert ist, um eine Kammer zu de finieren, die das mindestens eine Wärmetauschfluid zu den Enden der Rohrstränge bereitstellt und/oder von den Enden der Rohrstränge aufnimmt; Umfangsflanschen, die an der Sammlerplatte (86) um die Rohrschlitze (88) vorgesehen und in den Tank (44) hinein ausgerichtet sind, und mit denen die Enden der Rohrstränge in abgedichteter Weise verbunden sind; einer Sammlerverstärkungsplatte (114), die mit einer Seite der Sammlerplatte (86) gegenüber den Umfangsflanschen verbunden ist und Öffnungen besitzt, die zu den Rohrschlitzen (88) in der Sammlerplatte (86) hin ausgerichtet sind; und Versteifungsrippen (120), die an der Sammlerverstärkungsplatte (114) zwischen den Öffnungen vorgesehen sind und sich weg von der Sammlerplatte (86) erstrecken.
  14. Wärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem die Versteifungsrippen (120) Flansche umfassen, die sich entlang mindestens einer Seite einer jeden der Öffnungen erstrecken.
  15. Wärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem die Rohrschlitze (88) länglich ausgeführt sind und die Versteifungsrippen (120) eine größere Länge als die Rohrschlitze (88) aufweisen und sich an den Enden der Rohrschlitze (88) vorbei erstrecken.
  16. Wärmetauscher nach Anspruch 15, bei dem die Versteifungsrippen (120) Flansche umfassen, die sich entlang mindestens einer Seite einer jeden der Öffnungen erstrecken.
  17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, bei dem die Versteifungsrippen (120) Flansche umfassen, die sich entlang mindestens einer Seite einer jeden der Öffnungen erstrecken, und bei dem die Flansche vom Rohrstrangende, das durch die dazugehörige Öffnung verläuft, beabstandet sind.
  18. Wärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem der Tank (44), die Sammlerplatte (86) und die Sammlerverstärkungsplatte (114) ringähnlich ausgeführt sind, wobei jedes davon einen kreisförmigen Umfang und eine zentrale Öffnung besitzt und die Rohrstränge in einer ringförmigen Reihe zwischen dem kreisförmigen Umfang und der zentralen Öffnung angeordnet sind.
  19. Wärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem die Rohrstränge jeweils durch ein einzelnes gerades Rohr definiert sind.
  20. Wärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem die Sammlerverstärkungsplatte (114) mit einer Seite der Sammlerplatte (86) gegenüber dem Tank (44) verbunden ist und die Rohrstrangenden durch die Öffnungen zur Sammlerplatte (86) hin verlaufen.
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