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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse, insbesondere ein Gehäuse eines Laders für einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle.
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Ein in einem Fahrzeug angeordneter Turbolader umfasst ein Gehäuse mit einem Verdichtergehäuse und einem Lagergehäuse. Im Verdichtergehäuse ist ein drehbares Verdichterrad angeordnet. Das Verdichterrad ist mit einer Welle, die durch das Lagergehäuse verläuft, verbunden. Bei einem Abgasturbolader ist die Welle noch mit einem Turbinenrad in einem Turbinengehäuse verbunden, dessen Drehung das Verdichterrad über die Welle antreibt. Das Turbinengehäuse ist ebenfalls Teil des Gehäuses. Die Drehung des Verdichterrads kann durch einen Elektromotor elektrisch unterstützt werden oder alternativ nur vom Elektromotor angetrieben werden. Ein Turbolader mit Elektromotor wird auch als E-Turbolader bezeichnet.
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Zur Kühlung weisen sowohl das Verdichtergehäuse als auch das Lagergehäuse ein Kühlsystem auf, durch die ein flüssiges Kühlmittel fließt. Solch ein Kühlsystem kann beispielsweise ringförmig in der Gehäusewand als sogenannter Kühlwassermantel ausgebildet sein.
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Die Kühlsysteme im Verdichtergehäuse und im Lagergehäuse können durch externe, außerhalb des Gehäuses verlaufende Rohrleitungen oder andere externe Flüssigkeitskopplungen verbunden sein, um einen Kühlmittelaustausch zwischen den Kühlsystemen zu ermöglichen. Die Rohrleitungen beziehungsweise Kopplungen erfordern nicht nur Materialaufwand, sondern benötigen auch Platz. Zusätzlich können sie das Strömungsverhalten des Kühlmittels negativ beeinflussen. Alternativ können die Kühlsysteme getrennt voneinander sein, sodass für jedes Kühlsystem eine Zuleitung und eine Ableitung für Kühlmittel erforderlich ist, was zumindest vier Schnittstellen für externe Anschlüsse erfordert. Dies erfordert zusätzlichen Materialaufwand und Platzbedarf für die Zuleitungen und Ableitungen.
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Die
WO 2020/074183 A1 beschreibt einen Abgasturbolader, der zusätzlich zu einem Kühlsystem im Lagergehäuse ein Kühlsystem im Verdichtergehäuse aufweist. Beide Kühlsysteme sind über ein Verbindungselement miteinander kombiniert.
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Es stellt sich die Aufgabe, ein verbessertes Gehäuse bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäuse, insbesondere ein Gehäuse eines Laders für einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Das Gehäuse zur Aufnahme eines Rotors mit Verdichterrad und Welle umfasst ein erstes Gehäuseteil, das zur Aufnahme eines ersten axialen Abschnitts des Rotors vorgesehen ist. Es umfasst ein erstes Kühlsystem mit einem kühlmitteldurchflossenen Kühlkanal und einem ersten Kühlkanalzugang und eine erste Anlagefläche, die den ersten Kühlkanalzugang umgibt. Das Gehäuse umfasst ein zweites Gehäuseteil, das zur Aufnahme eines zweiten axialen Abschnitts des Rotors vorgesehen ist. Es umfasst ein zweites Kühlsystem mit einem kühlmitteldurchflossenen Kühlkanal und einem zweiten Kühlkanalzugang und eine zweite Anlagefläche, die den zweiten Kühlkanalzugang umgibt, sowie eine Kühlmittel-Dichtung. Das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil sind verbunden, sodass die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche aufeinander liegen und der erste und der zweite Kühlkanalzugang einen Kühlmittelübergang ausbilden, der von der ersten und der zweiten Anlagefläche umgeben ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Anlagefläche die Kühlmittel-Dichtung angeordnet ist, die um den Kühlmittelübergang verläuft und vom ersten und zweiten Kühlkanalzugang beabstandet ist.
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Der Rotor umfasst die drehenden Komponenten im Inneren des Gehäuses. Das Gehäuse ist vorteilhafterweise ein Gehäuse eines Laders für einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle, das heißt ein Turboladergehäuse beziehungsweise ein Brennstoffzellenladergehäuse, das zumindest Welle und Verdichterrad aufnimmt. Das Gehäuse kann für einen Abgasturbolader vorgesehen sein. Dessen Rotor umfasst ein Verdichterrad, eine Welle und ein Turbinenrad. Alternativ kann das Gehäuse als Gehäuse eines E-Turboladers ausgebildet sein, dessen Rotor mit oder ohne Turbinenrad ausgebildet ist und bei dem ein Elektroantrieb den Verdichter unterstützt beziehungsweise antreibt. Sowohl der Abgasturbolader als auch der E-Turbolader verdichten Luft für einen Verbrennungsmotor. Alternativ kann das Gehäuse für einen Lader bei einer Brennstoffzelle zum Fahrzeugantrieb vorgesehen sein. Solch ein Brennstoffzellenlader umfasst einen Elektroantrieb für das Verdichterrad, mit dem Luft für die Brennstoffzelle verdichtet wird. Der Brennstoffzellenlader ist eine Maschine, die mit oder ohne Expanderstufe arbeiten kann.
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Das Gehäuse ist zumindest zweiteilig ausgebildet. In einer Ausführung sind die axialen Abschnitte des Rotors das Verdichterrad einerseits und die Welle andererseits. In solch einer Ausführung ist der erste Gehäuseteil zur Aufnahme eines ersten axialen Abschnitts, nämlich des Verdichterrads, des Rotors ein Verdichtergehäuse, und das zweite Gehäuseteil zur Aufnahme eines zweiten axialen Abschnitts, nämlich der Welle, des Rotors ist ein Lagergehäuse. Sowohl Verdichtergehäuse als auch Lagergehäuse können einteilig ausgebildet sein. Im Verdichtergehäuse ist das drehbare Verdichterrad anordnenbar. Das Verdichterrad ist mit der Welle, die durch das Lagergehäuse verläuft, verbunden. Bei Turboladern oder Brennstoffzellenladern mit einer Turbine ist noch ein Turbinengehäuse vorgesehen. Bei rein elektrisch angetriebenen Turboladern oder Brennstoffzellenladern ohne Turbine ist dies nicht der Fall. Bei elektrisch unterstützten Turboladern oder Brennstoffzellenladern ist sowohl ein Elektromotor als auch eine Turbine vorgesehen. Der Elektromotor von elektrisch angetriebenen oder unterstützten Turboladern oder Brennstoffzellenladern ist ebenfalls im Gehäuse angeordnet.
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In einer alternativen Ausführung ist das Verdichtergehäuse zweiteilig ausgebildet. Das erste Gehäuseteil zur Aufnahme eines ersten axialen Abschnitts des Rotors ist ein Verdichtervordergehäuse, und das zweite Gehäuseteil zur Aufnahme eines zweiten axialen Abschnitts des Rotors ist ein Verdichterrückgehäuse. Vorteilhafterweise nimmt das Verdichtervordergehäuse das Verdichterrad auf. Das Verdichterrückgehäuse bildet eine Rückwand des Raums, in dem die Luft verdichtet wird, der auch einen Diffusor umfasst. Bei elektrisch angetriebenen oder unterstützten Turboladern oder Brennstoffzellenladern kann der Elektromotor im Verdichtergehäuse, insbesondere im Verdichterrückgehäuse angeordnet sein.
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Das erste Kühlsystem dient zur Kühlung der Komponenten im ersten Gehäuseteil und führt die Wärme mittels eines flüssigen Kühlmittels ab, das durch den Kühlkanal fließt. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser sein. Der Kühlkanal ist ein Hohlraum in der Wand des ersten Gehäuseteils, der beispielsweise ringförmig um den Rotor verläuft. Bei einem Verdichtergehäuse verläuft der Kühlkanal ringförmig um das Verdichterrad.
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Das zweite Kühlsystem im zweiten Gehäuseteil führt die Wärme mittels des Kühlmittels ab, das durch den Kühlkanal fließt. Der Kühlkanal ist ein Hohlraum in der Wand des zweiten Gehäuseteils. Bei einem Lagergehäuse läuft der Kühlkanal als Ring mantelförmig um die Welle.
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Das erste Gehäuseteil hat eine erste Anlagefläche, und das zweite Gehäuseteil hat eine zweite Anlagefläche. Die Anlageflächen sind einander zugewandt und liegen aufeinander, sodass sie sich berühren. Sie müssen nicht eben verlaufen, sondern können beispielsweise Erhebungen, Vertiefungen, Kanten, Stufen, Krümmungen oder ähnliche strukturelle Merkmale aufweisen, die die Ausrichtung und Zentrierung vom ersten und zweiten Gehäuseteil erleichtern. Dies kann erreicht werden, wenn eine der Anlageflächen so ausgebildet ist, dass sie in axialer Richtung in die andere Anlagefläche greift, beispielsweise indem eine Stufe in die andere Anlagefläche eingreift. Die axiale Richtung ist die Rotationsachse der drehenden Komponenten im Gehäuse.
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Der erste Kühlkanalzugang ist eine Schnittstelle des ersten Kühlsystems. Im ersten Kühlkanalzugang mündet der Kühlkanal in die erste Anlagefläche, welche den ersten Kühlkanalzugang umgibt. Der zweite Kühlkanalzugang ist eine Schnittstelle des zweiten Kühlsystems. Im zweiten Kühlkanalzugang mündet der Kühlkanal in die zweite Anlagefläche, welche den zweiten Kühlkanalzugang umgibt. Die Kühlkanalzugänge sind von den aufeinanderliegenden Anlageflächen begrenzt. Mit anderen Worten: Der erste Kühlkanalzugang ist der dem zweiten Gehäuseteil zugewandte Bereich, an dem das zweite Gehäuseteil nicht auf dem ersten Gehäuseteil aufliegt, das jedoch von der ersten und zweiten Anlagefläche umgeben ist. Dies gilt entsprechend auch für den zweiten Kühlkanalzugang.
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Der Rand des ersten Kühlkanalzugangs kann zumindest in einem Abschnitt eine Innenkante der ersten Anlagefläche sein, an dem die erste Anlagefläche und eine weitere Gehäuseseite in einem Winkel aneinanderstoßen. Die weitere Gehäuseseite kann beispielsweise als rohrförmige Mündung des Kühlkanals ausgebildet sein. Alternativ ist der Rand des ersten Kühlkanalzugangs in einem Bereich, in dem die erste Anlagefläche und der benachbarte Bereich des Kühlkanalzugangs in einer Ebene verlaufen. Dies tritt beispielsweise auf, wenn der zweite rohrförmige Kühlkanalzugang konzentrisch auf dem ersten rohrförmigen Kühlkanalzugang angeordnet ist, jedoch der zweite rohrförmige Kühlkanalzugang einen größeren Durchmesser hat und den ebenen Bereich umgibt, in dem der ersten rohrförmige Kühlkanalzugang mündet. Vorteilhafterweise ragt eine Oberseite des Kühlkanalzugangs nicht über die Anlagefläche hinaus, sondern ist in derselben Ebene oder vom anderen Gehäuseteil zurückgesetzt. Der Rand kann, muss jedoch nicht in einer Ebene verlaufen. Für den Rand des zweiten Kühlkanalzugangs gelten die obigen Ausführungen in entsprechender Weise.
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Der erste Kühlkanalzugang und der zweite Kühlkanalzugang sind Schnittstellen des ersten beziehungsweise des zweiten Kühlsystems. Aufeinander positioniert, sodass die erste und zweite Anlagefläche aufeinanderliegen, bilden sie den Kühlmittelübergang aus. Bei rohrförmigen ersten und zweiten Kühlkanalzugängen gleicher Form und gleichen Durchmessers, deren Ränder aufeinanderliegen, ist der Kühlmittelübergang ähnlich einer Rohrverbindung mit aufeinanderstoßenden Rohrenden ausgebildet, wobei der Kühlmittelübergang in dieser Ausführung weder eine Abstufung noch eine Aufweitung aufweist.
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Alternativ kann der Kühlmittelübergang Kanten aufweisen, wie für das oben beschriebene Ausführungsbeispiel zweier rohrförmiger Endbereiche als Kanalübergänge, wobei die Endbereiche jedoch unterschiedliche Durchmesser haben.
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Bei einer anderen Ausführung ist zumindest einer der Kühlkanalzugänge als zur Anlagefläche aufgeweiteter Endbereich des Kühlkanals ausgebildet. Ein solcher Endbereich kann beispielsweise als trichterförmiger oder kuppelförmiger Mündungsbereich zur Anlagefläche hin aufgeweitet sein. In einer Ausführung bilden die aufgeweiteten Endbereiche des ersten und zweiten Kühlkanalzugangs einen Hohlraum, der allein durch seine Volumenvergrößerung eine verstärkte Kühlwirkung im Übergangsbereich zwischen den miteinander verbundenen Gehäuseteilen erzeugt. Durch die Formgebung des Hohlraums kann seine Kühlwirkung weiter beeinflusst werden.
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Der Kühlmittelübergang ist seitlich von den aufeinanderliegenden Anlageflächen umgeben, die als Dichtflächen wirken. Nichtsdestotrotz ist zwischen den Anlageflächen eine Kühlmittel-Dichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, den Austritt der Kühlmittelflüssigkeit zu verhindern oder zu mindern. Die Eigenschaften hinsichtlich Struktur und Material solch einer Kühlmittel-Dichtung können sich von den Eigenschaften anderer Dichtungen im Gehäuse, die beispielsweise den Austritt von Gas oder Öl verhindern sollen, unterscheiden. Die Kühlmittel-Dichtung ist vom ersten und zweiten Kühlkanalzugang beabstandet, sodass sie bei direkt aufeinander gesetzten Kühlkanalzugängen weder auf dem Kühlkanalzugangsrand positioniert ist noch als randseitiges Verbindungsmittel wirkt. Da die Kühlmittel-Dichtung vom Kühlmittelübergang beabstandet ist, erstrecken sich die Anlageflächen beidseitig der Kühlmittel-Dichtung. Die Kühlmittel-Dichtung ist vorteilhafterweise ringförmig und kann beispielsweise als O-Ring ausgebildet sein.
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Die Schnittstellenverbindung im Inneren des Gehäuses zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil ist integraler Bestandteil der Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil. Im Vergleich zu einem konventionellen Gehäuse sind die Anlageflächen so gestaltet, dass sie den Kühlmittelübergang umgeben und dessen Dichtflächen bilden, was mit einer einfachen Fertigung einhergeht. Basierend auf einem konventionellen Design kann der Verbindungsbereich vom ersten Gehäuseteil und zweiten Gehäuseteil als Verdichtergehäuse und Lagergehäuse in seiner Gestaltung angepasst werden. Zusätzliche Verbindungsleitungen oder -mittel für die Verbindung des ersten und zweiten Kühlsystems sind nicht erforderlich, sodass möglichst wenig externe Schnittstellen für das Kühlmittel vorgesehen sind. Es ist lediglich eine zusätzliche Kühlmittel-Dichtung erforderlich, die den Kühlmittelübergang umgibt. Auch die Anzahl von Zuleitungs- und Ableitungsschnittstellen für Wasser und Öl im Vergleich zu einer konventionellen Lagergehäusekühlung erhöht sich nicht. Es sind für das erste und zweite Kühlsystem insgesamt nur eine Kühlmittelzuführung und eine Kühlmittelableitung erforderlich. Der Platzbedarf des Gehäuses ist gering und vergleichbar mit dem eines luftgekühlten Turboladergehäuses. So lassen sich trotz verbesserter Kühlung nach wie vor anwenderseitige Baugrößenvorgaben erfüllen.
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In einer Ausführung ist die Kühlmittel-Dichtung in einer Nut in zumindest einer der Anlageflächen angeordnet, sodass sie in einer vorgegebenen Position gehalten wird und die Anlageflächen direkten Kontakt haben können. Bei zumindest einer gestuft ausgebildeten Anlagefläche kann die Dichtung entlang einer Stufenkante der gestuften Anlagefläche verlaufen. An der Stufenkante treffen zwei in einem Winkel angeordnete Gehäusewandbereiche aufeinander.
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In einer Ausführung kann die Kühlmittel-Dichtung derart um den Kühlmittelübergang verlaufen, dass dieser sich in einem zentralen Bereich der umlaufenden Kühlmittel-Dichtung befindet. Bei einem Kühlmittelübergang in einem peripheren Bereich des Gehäuses, das heißt in einem randseitigen Sektor des Gehäuses, würde solch eine Kühlmittel-Dichtung dann ebenfalls nur in einem peripheren Sektor des Gehäuses verlaufen, insbesondere ohne die Längsachse des Gehäuses zu umlaufen. Die Längsachse entspricht der Rotationsachse der drehendem Komponenten.
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Bei einer alternativen Ausführung läuft die Kühlmittel-Dichtung um die Längsachse, sodass sie entlang des umlaufenden Randbereichs des Gehäuses verläuft. Der von der Kühlmittel-Dichtung umschlossene Bereich ist dieser Ausführung wesentlich größer als der eigentliche Kühlmittelübergang.
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Es können eine oder mehrere Gehäusedichtungen als weitere Dichtungen, insbesondere zur Gasabdichtung, zwischen der ersten und der zweiten Anlagefläche oder in anderen Bereichen des Gehäuses vorgesehen sein. Die Kühlmittel-Dichtung kann innerhalb der weiteren Gehäusedichtung verlaufen oder die Gehäusedichtung umlaufen oder außerhalb der Gehäusedichtung verlaufen, ohne sie zu umschließen, sodass sich vielfältige Möglichkeiten für die Anordnungen der Dichtungen ergeben.
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In einer Ausführung ist der Kühlmittelübergang als kühlmittelführender ringförmiger Hohlraum an einer Rückseite des Verdichtergehäuses, insbesondere zur Diffusorkühlung, ausgebildet. Diese Diffusorkühlung nutzt bei geringer Anpassung des Designs eine Kavität zwischen einer Rückseite des Verdichtergehäuses und dem Lagergehäuse, die auch bei einem konventionellem Gehäuse ohne Kühlfunktion vorgesehen ist, und ermöglicht so eine Verdichterkühlung in Kombination mit einer Diffusorkühlung und einer Lagerkühlung im selben Kühlsystem.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch ein Beispiel eines Kühlmittelstroms durch ein Gehäuse,
- 2 eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines Turboladers,
- 3 schematisch ein weiteres Beispiel eines Kühlmittelstroms durch ein Gehäuse,
- 4 eine Schnittdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Turboladers,
- 5 die Innenwände eines beispielhaften Kühlsystems mit einem ersten, zweiten und dritten Kühlring,
- 6 eine Schnittdarstellung durch einen Bereich eines Ausführungsbeispiels eines E-Turboladers, und
- 7 eine Schnittdarstellung durch einen weiteren Bereich des Ausführungsbeispiels eines E-Turboladers.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen beispielhaften Kühlmittelstrom durch ein Gehäuse für einen Turbolader mit einem Verdichtergehäuse 1 und einem Lagergehäuse 3, die als Blöcke dargestellt sind. Das Verdichtergehäuse 1 umfasst ein erstes Kühlsystem 5 mit einem Kühlkanal, durch den ein flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Wasser, fließt. Das erste Kühlsystem 5 umfasst zwei Schnittstellen, durch die das Kühlmittel zufließt und abfließt. Das Lagergehäuse 3 umfasst ein zweites Kühlsystem 7 mit einem Kühlkanal, durch den das Kühlmittel fließt. Das zweite Kühlsystem 7 umfasst zwei Schnittstellen, durch die das Kühlmittel zufließt und abfließt.
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Die Schnittstelle des ersten Kühlmittelsystems 5, durch die Kühlmittel abfließt, ist mit der Schnittstelle des zweiten Kühlmittelsystems 7, durch die Kühlmittel zufließt, als Kühlmittelübergang 15 verbunden, sodass das Kühlmittel von einer als Einlass 11 ausgebildeten Schnittstelle des ersten Kühlmittelsystems 5 durch das erste Kühlmittelsystem 5 über den Kühlmittelübergang 15 zum zweiten Kühlmittelsystem 7 fließt und durch eine als Auslass 13 ausgebildete Schnittstelle des zweiten Kühlmittelsystems 7 abfließt. Die im Kühlmittelübergang 15 miteinander verbundenen Schnittstellen werden als erster Kühlkanalzugang, der Teil des ersten Kühlmittelsystems 5 ist, und als zweiter Kühlkanalzugang, der Teil des zweiten Kühlmittelsystems 7 ist, bezeichnet. Die Kopplung des ersten und zweiten Kühlkanalzugangs im Kühlmittelübergang 15 hat den Vorteil, dass mit nur zwei externen Zugängen, nämlich Einlass 11 und Auslass 13, sowohl das Verdichtergehäuse 1 als auch das Lagergehäuse 3 gekühlt werden.
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Solch ein Gehäuse verwendet eine Kontaktfläche von Lagergehäuse 3 und Verdichtergehäuse 1 zur Ausbildung der verbundenen Schnittstellen zwischen den Kühlsystemen 5, 7. Die Kühlkanäle der Kühlsysteme 5, 7 sind durch die Gestaltung des metallenen Gehäuses, das beispielsweise gegossen sein kann, ausgebildet. Sie sind Hohlräume in der Gehäusewand. Um den Austritt von flüssigem Kühlmittel zu verhindern, ist eine Kühlmittel-Dichtung, beispielsweise ein O-Ring, der in der Kontaktfläche verläuft, vorgesehen.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines Turboladers mit einem Verdichter und einer Turbine. Der Turbolader ist ein Abgas-Turbolader. Das Gehäuse umfasst ein Verdichtergehäuse 1 als erstes Gehäuseteil, ein Lagergehäuse 3 als zweites Gehäuseteil und ein Turbinengehäuse 9 als weiteres Gehäuseteil. Die Verbindung der Gehäuseteile kann beispielsweise durch direkte Verschraubung auf der Verdichterseite und Klammerplattenanschluss auf der Turbinenseite erfolgen.
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Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad 17, das im Verdichtergehäuse 1 angeordnet ist. Das Verdichtergehäuse 1 formt einen Lufteinlass 19, durch den zu verdichtende Luft einströmt, die im Verdichter 17 durch das rotierende Verdichterrad 17 verdichtet und beschleunigt wird. Die radial austretende Luft durchläuft einen Diffusor 21, der die Luftgeschwindigkeit reduziert, und strömt dann in eine um das Verdichterrad 17 umlaufende Volute 23. In der Volute 23 wird die Luft gesammelt und deren Geschwindigkeit bis zum Verdichteraustritt weiter reduziert. Im Verdichtergehäuse 1 ist ein erstes Kühlsystem 5 mit einem ringförmigen kühlmitteldurchflossenen Kühlkanal 39 vorgesehen, der einen zwischen Verdichterrad 17 und Volute 23 umlaufenden, ringförmigen Hohlraum in der Wand des Verdichtergehäuses 1 aufweist.
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Die Turbine umfasst das Turbinenrad 37, das im Turbinengehäuse 9 angeordnet ist. Das Turbinenrad 37 wird durch einen Abgasstrom in Rotation versetzt.
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Das Verdichterrad 17 ist über eine Welle 25 mit dem Turbinenrad 37 drehfest verbunden, sodass die Rotation des Turbinenrads 37 auf das Verdichterrad 17 übertragen wird. Die drehenden Komponenten bilden den Rotor. Die Welle 25 verläuft durch das Lagergehäuse 3, das sie schützt, hält und in dem Lager für die Welle 25 angeordnet sind. Eine Längsachse des Gehäuses verläuft entlang einer Drehachse der rotierenden Komponenten des Rotors. Im Lagergehäuse 3 ist ein zweites Kühlsystem 7 mit einem ringförmigen kühlmitteldurchflossenen Kühlkanal 39 vorgesehen, der um die Welle 25 in der Lagergehäusewand verläuft.
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Das Verdichtergehäuse 1, das Lagergehäuse 3 und das Turbinengehäuse 9 sind miteinander verbunden. Das Verdichtergehäuse 1 weist eine erste Anlagefläche 27 auf, die dem Lagergehäuse 3 zugewandt ist. Das Lagergehäuse 3 weist eine zweite Anlagefläche 29 auf, die dem Verdichtergehäuse 1 zugewandt ist. Die erste und zweite Anlagefläche 27, 29 liegen aufeinander und verlaufen ringförmig um die Längsachse im umlaufenden peripheren Bereich des Turboladers, das heißt im äußeren Bereich des Gehäuses.
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Die zweite Anlagefläche 29 ist in diesem Ausführungsbeispiel gestuft ausgebildet, sodass die erste Anlagefläche 27 des Verdichtergehäuses 1 die Stufe 41 seitlich umgreift und die Stufe 41 in das Verdichtergehäuse 1 ragt. Die Stufe 41 bildet die Rückwand des Verdichters und formt so den Diffusor 21, durch den Luft vom Verdichterrad 17 in die Volute 23 strömt. In der Stufenkante verläuft eine ringförmige Gehäusedichtung 31 um einen zentralen Bereich des Gehäuses, durch den die Längsachse verläuft. Diese Gehäusedichtung 31 verhindert Gasaustritt aus der Volute 23.
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In einem Segment des peripheren Bereichs mündet ein erster Kühlkanalzugang 33 des ersten Kühlsystems 5 in die erste Anlagefläche 27 des Verdichtergehäuses 1, sodass der erste Kühlkanalzugang 33 von der ersten Anlagefläche 27 umgeben ist. Ein zweiter Kühlkanalzugang 35 des zweiten Kühlsystems 7 mündet in die zweite Anlagefläche 29 des Lagergehäuses 3, sodass der zweite Kühlkanalzugang 35 von der zweiten Anlagefläche 29 umgeben ist. Die Anlageflächen 27, 29 sind in den Mündungsbereichen eben. Der erste und zweite Kühlkanalzugang 33, 35 haben die gleiche Form und sind zueinander ausgerichtet angeordnet, sodass sie einen rohrförmigen Kühlmittelübergang 15 zwischen dem ersten und zweiten Kühlsystem 5, 7 bilden, der von den als Dichtflächen wirkenden Anlageflächen 27, 29 umgeben ist. Zwischen den aufeinanderliegenden Anlageflächen 27, 29 ist eine Kühlmittel-Dichtung 43 angeordnet, die um den Kühlmittelübergang 15 verläuft und vom ersten und zweiten Kühlkanalzugang 33, 35 beabstandet ist. Die Kühlmittel-Dichtung 43 ist außerhalb der Gehäusedichtung 31 angeordnet. Die Kühlmittel-Dichtung 43 kann beispielweise als O-Ring oder Gummidichtung ausgebildet sein.
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3 zeigt schematisch einen beispielhaften Kühlmittelstrom durch ein weiteres Gehäuse für einen Turbolader, das ein Verdichtergehäuse 1 und ein Lagergehäuse 3 umfasst. Das Verdichtergehäuse 1 umfasst ein erstes Kühlsystem 5 mit einem Kühlkanal, durch den das Kühlmittel fließt. Das erste Kühlsystem 5 umfasst zwei Schnittstellen, durch die das Kühlmittel zufließt und abfließt. Das Lagergehäuse 3 umfasst ein zweites Kühlsystem 7 mit einem Kühlkanal, durch den das Kühlmittel fließt. Das zweite Kühlsystem 7 umfasst zwei Schnittstellen, durch die das Kühlmittel zufließt und abfließt. Zwischen dem ersten und zweiten Kühlsystem 5, 7 ist ein Rückwandkühlsystem 45 für den Diffusor 21 an einer Rückseite des Verdichters vorgesehen. Das Kühlmittel fließt von einem Einlass 11 im ersten Kühlmittelsystem durch das erste Kühlmittelsystem 5 zum Rückwandkühlsystem 45 und von dort zum zweiten Kühlmittelsystem 7 und verlässt es durch einen Auslass 13. Das Rückwandkühlsystem 45 wird durch die Schnittstellen des ersten und zweiten Kühlsystems 5, 7 geformt, die so ausgebildet sind, dass das Kühlmittel beim Übergang zwischen erstem und zweitem Kühlsystem 5, 7 entlang der Rückwand des Verdichters fließt und dadurch den Diffusor 21 kühlt.
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Solch ein Gehäuse kann eine Lücke zwischen dem Lagergehäuse 3 und der Diffusorrückseite als Kühlbereich zur Ausbildung des Rückwandkühlsystems 45 nutzen und weist zudem noch einen radialen Verbindungskanal, insbesondere an der Verdichterseite der Verbindungsfläche, als Verbindung zum ersten Kühlsystem 5 auf.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Bereich eines weiteres Ausführungsbeispiels eines Gehäuses für einen Turbolader mit einem Verdichter und einer Turbine. Der Turbolader ist ein Abgas-Turbolader. Das Gehäuse umfasst ein Verdichtergehäuse 1, ein Lagergehäuse 3 und ein Turbinengehäuse 9.
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Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad 17, das im Verdichtergehäuse 1 angeordnet ist. Das Verdichtergehäuse 1 ist zweiteilig ausgebildet und weist ein Verdichtervordergehäuse 47 und ein Verdichterrückgehäuse 49 auf, das mit dem Verdichtervordergehäuse 47 verbunden ist. Das Verdichtervordergehäuse 47 für das Verdichterrad 17 hat einen Lufteinlass 19, durch den zu verdichtende Luft auf das Verdichterrad 17 strömt, sowie eine um das Verdichterrad 17 umlaufende Volute 23, durch die die verdichtete Luft aus dem Verdichter strömt. Im Verdichtergehäuse 1 ist ein erstes Kühlsystem 5 mit einem ringförmigen kühlmitteldurchflossenen Kühlkanal 39 vorgesehen, der um das Verdichterrad 17 im Wandinneren des Verdichtergehäuses 1 verläuft. Das Verdichterrückgehäuse 49 ist eine separate Rückwand des Verdichtergehäuses 1. Entlang der Rückwand strömt die verdichtete Luft vom Verdichterrad 17 in Richtung der Volute 23. Der Bereich, durch den des strömt, wird auch als Diffusor 21 bezeichnet. Anlageflächen 51, 53 des Verdichtervordergehäuses 47 und des Verdichterrückgehäuses 49 liegen aufeinander und dienen als Dichtfläche zwischen denen entlang einer Kante der gestuften Anlagefläche 53 eine Gehäusedichtung 31 verläuft, die Gasaustritt aus der Volute 23 verhindert.
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Das Verdichterrad 17 ist über eine Welle 25 mit einem Turbinenrad 37 im Turbinengehäuse 9 verbunden. Die Welle 25 verläuft durch das Lagergehäuse 3, das die Welle 25 schützt, hält und in dem Lager für die Welle 25 angeordnet sind. Eine Längsachse des Turbinengehäuses verläuft entlang einer Drehachse von Welle 25, Verdichterrad 17 und Turbinenrad 37, die als drehende Komponenten den Rotor bilden.
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Im Lagergehäuse 3 ist ein zweites Kühlsystem 7 mit einem ringförmigen kühlmitteldurchflossenen Kühlkanal 39 vorgesehen, der um die Welle 25 in der Lagergehäusewand verläuft.
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Das zweiteilige Verdichtergehäuse 1 und das Lagergehäuse 3 sind miteinander verbunden. Das Verdichtergehäuse 1 weist eine erste Anlagefläche 27 auf, die dem Lagergehäuse 3 zugewandt ist. Das Lagergehäuse 3 weist eine zweite Anlagefläche 29 auf, die dem Verdichtergehäuse 1 zugewandt ist. Die erste und zweite Anlagefläche 27, 29 liegen aufeinander und verlaufen ringförmig um die Längsachse sowohl in einem peripheren Bereich des Turboladers als auch in einem zentralen Bereich benachbart zur Welle 25. Beim zweiteiligen Verdichtergehäuse 1 weist die erste Anlagefläche 27 sowohl Bereiche am Verdichtervordergehäuse 47 als auch am Verdichterrückgehäuse 49 auf. In diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die erste und zweite Anlagefläche 27, 29 im peripheren Bereich parallel zur Längsachse, sodass beim Zusammensetzen eine Zentrierung der Komponenten erzielt wird. Die erste und zweite Anlagefläche 27,29 umschließen einen ersten beziehungsweise zweiten Kühlkanalzugang 33, 35, die einen Kühlmittelübergang 15 ausbilden. Der Kühlmittelübergang 15 ist als ringförmig an der Verdichtergehäuserückseite angeordneter Hohlraum ausgebildet, der ein Rückwandkühlsystem 45 formt und als Diffusorkühlung wirkt. Der Hohlraum ragt sowohl in das Verdichtergehäuse 1 als auch in das Lagergehäuse 3 und wird sowohl innenseitig als auch außenseitig durch die aufeinanderliegenden Anlageflächen 27, 29 begrenzt. Außenseitig ist ein Durchfluss zum ersten Kühlsystem 5 im Verdichtergehäuse 1 ausgebildet.
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In einem parallel zur Längsachse verlaufenden peripheren Bereich der zweiten Anlagefläche 29 ist eine Nut 57, in der eine Kühlmittel-Dichtung 43 verläuft. Sie verhindert Kühlmittel-Austritt zwischen dem Verdichtervordergehäuse 47 und dem Lagergehäuse 3. Eine weitere Dichtung 43 zwischen dem Verdichtergehäuse 1 und dem Lagergehäuse 3 ist in einem zentralen Bereich vorgesehen.
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Der Pfeil 55 in 4 veranschaulicht den Kühlmittelaustausch zwischen dem Verdichtergehäuse 1 und dem Lagergehäuse 3 über den als Rückwandkühlsystem 45 ausgebildeten Kühlmittelübergang 15.
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5 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung die Innenwände eines beispielhaften Kühlsystems mit einem ersten Kühlsystem 5 und einem zweiten Kühlsystem 7, die über einen Kühlmittelübergang 15, der als Rückwandkühlsystem 45 ausgebildet ist, miteinander verbunden sind, sowie Einlass 11 und Auslass 13. Das erste Kühlsystem 5 im Verdichtergehäuse 1 verläuft als erster Ring um das Verdichterrad 17. Ein zweiter Ring, der durch den Kühlmittelübergang 15 zwischen dem ersten und zweiten Kühlsystem 5, 7 ausgebildet ist, verläuft unterhalb des Diffusors 21 an der Verdichterrückseite und ein dritter Ring des zweiten Kühlsystems 7 läuft im Lagergehäuse 3 um die drehende Welle 21. Zwischen den Ringen sind rohrförmige Übergänge im Gehäuseinneren. Der Einlass 11 am ersten Ring und der Auslass 13 am dritten Ring erlauben Zufuhr beziehungsweise Abfluss des Kühlmittels aus dem Gehäuse.
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Der Kühlmittelfluss durch drei Ringe, wie in 5 dargestellt, ist ähnlich dem Kühlmittelfluss wie in dem in Zusammenhang mit 4 beschriebenem Ausführungsbeispiel.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Bereich eines Ausführungsbeispiels eines E-Turboladers, dessen Verdichterrad 17 und Turbinenrad 37 über eine Welle 25 verbunden sind. Rückseitig des Verdichterrads 17, das heißt auf der zur Turbine gewandten Seite, ist ein Elektromotor 71 angeordnet, mit dem die Welle 25 antreibbar ist oder ihre Rotation unterstützbar ist. Der Elektromotor 71 umfasst einen drehenden Läufer 73, der einen Wellenabschnitt umschließt und einen den Läufer 73 umgebenden Ständer 75. Läufer 73 und Ständer 75 sind über ein zeitveränderliches Magnetfeld in Wechselwirkung, was die Drehung des Läufers 73 und damit der Welle 25 und des Verdichterrads 17 bewirkt.
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Ein Gehäuse des Turboladers umfasst ein Verdichtergehäuse 1, in dem das Verdichterrad 17 und der Elektromotor 71 angeordnet sind, ein Lagergehäuse 3, in dem die Welle 25 verläuft, und ein Turbinengehäuse, in dem das Turbinenrad 37 angeordnet ist. Das Verdichtergehäuse 1 ist zweiteilig ausgebildet und umfasst ein Verdichtervordergehäuse 47, in dem das Verdichterrad 17 angeordnet ist, und ein Verdichterrückgehäuse 49, das eine Rückwand eines Diffusors 21 formt und den Elektromotor 71 umgibt. Das Verdichtervordergehäuse 47 und das Verdichterrückgehäuse 49 sind miteinander verbunden.
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Ein erstes Kühlsystem 5 mit einem kühlmitteldurchflossenen Kühlkanal 39 und einem ersten Kühlkanalzugang 33 ist in der Wand des Verdichtergehäuses 1 ausgebildet. Der Kühlkanal 39 verläuft ringförmig zwischen Verdichterrad 17 und Volute 23 in der Wand des Verdichtervordergehäuse 47 und um den Elektromotor 71 im Verdichterrückgehäuse 49. Ein erster Kühlkanalzugangs 33 mündet in eine erste Anlagefläche 27, die auf dem Lagergehäuse 3 aufliegt.
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Das Lagergehäuse 3 weist in seiner Wand ein zweites Kühlmittelsystem 7 auf, das einen Kühlkanal 39 und einen zweiten Kühlkanalzugang 35 umfasst. Der Kühlkanal 39 verläuft mantelförmig um die Welle 25. Der zweite Kühlkanalzugangs 35 mündet in eine zweite Anlagefläche 29, die auf dem Verdichtergehäuse aufliegt. Das Verdichtergehäuse 1 und das Lagergehäuse 3 sind verbunden, sodass die Anlageflächen 27, 29 aufeinander liegen.
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Die erste und die zweite Anlagefläche 27, 29 sind gestuft ausgebildet, sodass das Lagergehäuse 3 und das Verdichterrückgehäuse 49 ineinandergreifen. In den Kanten der Stufen verlaufen Kühlmittel-Dichtungen 43 um die Längsachse.
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7 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren Bereichs des Ausführungsbeispiels des E-Turboladers. Der Ausschnitt zeigt das Verdichtervordergehäuse 47 und das Verdichterrückgehäuse 49 im Bereich der Volute 23. Die erste Anlagefläche 27 des Verdichtervordergehäuses 47 und die zweite Anlagefläche 29 des Verdichterrückgehäuses 49 liegen aufeinander. Sie sind gestuft ausgebildet, sodass die beiden Verdichtergehäusekomponenten beim Zusammensetzen zentriert werden. In einer Kante der Stufe verläuft eine Gehäusedichtung 31, die den Gasaustritt aus der Volute 23 verhindert.
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Das erste Kühlsystem 5 umfasst einen im Verdichtervordergehäuse 47 und Verdichterrückgehäuse 49 verlaufenden Kühlkanal 39, in den seitlich ein Einlass 11 zur Kühlmittelzufuhr mündet. Die Anlageflächen 27, 29 umgeben jeweils einen Kühlkanalzugang 33, 35. Die beiden Kühlkanalzugänge 33, 35 sind aufeinander angeordnet, sodass sie einen Kühlmittelübergang 15 zwischen den beiden Gehäuseteilen 47, 49 des Verdichters bilden. Um den Kühlmittelübergang 15 im Verdichter verläuft eine Kühlmittel-Dichtung 43 beabstandet zum Verdichter-Kühlmittelübergang 15 in einer Nut 57, sodass ein Kühlmittelaustritt verhindert wird.
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Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, dass der Kühlmittelübergang 15 umgeben von aufeinanderliegenden Anlageflächen 27, 29 nicht nur zwischen Verdichtergehäuse 1 und Lagergehäuse 3 ausgebildet werden kann, sondern alternativ oder zusätzlich auch zwischen Verdichtervordergehäuse 47 und Verdichterrückgehäuse 49.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines E-Turboladers unterscheidet sich vom vorherigen Ausführungsbeispiel dadurch, dass keine Turbine vorgesehen ist und das Verdichterrad nur elektrisch angetrieben ist.
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Ausführungsbeispiele eines elektrisch angetriebenen Brennstoffzellenladers mit oder ohne Expanderunterstützung angetrieben von einem Reaktionsproduktestrom, insbesondere Wasserdampf aus der Brennstoffzelle können zumindest ähnlich dem zuvor beschriebenem E-Turbolader aufgebaut sein und Kühlsysteme wie in den beschriebenen Ausführungsbeispielen aufweisen.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichtergehäuse
- 3
- Lagergehäuse
- 5
- erstes Kühlsystem
- 7
- zweites Kühlsystem
- 9
- Turbinengehäuse
- 11
- Einlass
- 13
- Auslass
- 15
- Kühlmittelübergang
- 17
- Verdichterrad
- 19
- Lufteinlass
- 21
- Diffusor
- 23
- Volute
- 25
- Welle
- 27
- erste Anlagefläche
- 29
- zweite Anlagefläche
- 31
- Gehäusedichtung
- 33
- erster Kühlkanalzugang
- 35
- zweiter Kühlkanalzugang
- 37
- Turbinenrad
- 39
- Kühlkanal
- 41
- Stufe
- 43
- Kühlmittel-Dichtung
- 45
- Rückwandkühlsystem
- 47
- Verdichtervordergehäuse
- 49
- Verdichterrückgehäuse
- 51
- Anlagefläche
- 53
- Anlagefläche
- 55
- Pfeil
- 57
- Nut
- 71
- Elektromotor
- 73
- Läufer
- 75
- Ständer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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