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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.
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Ferner betrifft die Erfindung einen
Wärmetauscher
der beispielsweise in einer Rotationskompressormaschine eingebaut
ist.
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STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Öffnungen
in mindestens einem der Käfige
länglich
ausgeführt
und erstrecken sich im wesentlichen zwischen den Sammlerplatten.
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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.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist jede Sammlerverstärkungsplatte
Versteifungsrippen zwischen den darin befindlichen Öffnungen,
durch die die Rohre verlaufen, auf.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei den Versteifungsrippen um Flansche, die entlang
Kanten der Öffnungen
in den Sammlerverstärkungsplatten
ausgebildet sind.
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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.
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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.
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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.
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Die flanschähnlichen Ausbildungen sind
vorzugsweise mit den zugewandten Kanten der Käfige metallurgisch verbunden.
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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.
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Die passend ausgeführte Ausbildung
beinhaltet vorzugsweise Außen-
und Innenelemente.
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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.
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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.
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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.
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Die Versteifungsrippen sind vorzugsweise Flansche,
die sich entlang mindestens einer Seite einer jeden der Öffnungen
erstrecken.
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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.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Rohrstränge
jeweils durch ein einzelnes gerades Rohr definiert.
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Andere Aufgaben und Vorteile ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine etwa schematische Schnittansicht einer Rotationskompressormaschine
in der Form eines erfindungsgemäß hergestellten
Verbrennungsluftladers;
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2 ist
eine auseinandergezogene Ansicht des im Verbrennungsluftlader eingesetzten
Wärmetauschers;
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3 ist
eine fragmentarische Schnittansicht eines Endes des Wärmetauschers;
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4 ist
eine fragmentarische, vergrößerte, perspektivische
Ansicht einer Umfangsverbindungsstelle, die Bestandteil des Wärmetauschers
ist;
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5 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht von Bauteilen
des Wärmetauschers;
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6 ist
eine fragmentarische, perspektivische Ansicht eines Teils des Wärmetauschers
mit aus Gründen
der Übersichtlichkeit
weggebrochen dargestellten Bauteilen; und
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7 ist
eine fragmentarische, perspektivische Ansicht von Plattenrippen,
die im Wärmetauscher
verwendet werden können.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Unter Bezugnahme auf die 2–6 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.
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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.
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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.
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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 3–5 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.
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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.
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Wie am besten aus den 3–5 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Andere Vorteile ergeben sich für Fachleute auf
diesem Gebiet aus der vorstehenden Beschreibung, die beispielhaften
Charakter hat und keinerlei Einschränkung beinhaltet.