FR3086708A1 - A TURBOCHARGER COMPRISING A ROTOR COOLING ARRANGEMENT - Google Patents
A TURBOCHARGER COMPRISING A ROTOR COOLING ARRANGEMENT Download PDFInfo
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Abstract
Le turbocompresseur (2) comporte un arbre d'entraînement (4) ; un moteur électrique (13) configuré pour entraîner en rotation l'arbre d'entraînement (4) autour d'un axe de rotation (A), le moteur électrique (13) comportant un stator de moteur (14) et un rotor de moteur (15), le rotor de moteur (15) étant relié à l'arbre d'entraînement (4) ; un espacement annulaire de moteur (33) défini entre le stator de moteur (14) et un ensemble rotor formé par l'arbre d'entraînement (4) et le rotor de moteur (15) ; une roue (8) reliée à l'arbre d'entraînement (4) et configurée pour comprimer un fluide frigorigène ; et un agencement de refroidissement de rotor configuré pour refroidir le rotor de moteur (15) uniquement avec un flux de fuite de fluide frigorigène s'écoulant à partir d'un côté haute pression de la roue (8), l'agencement de refroidissement de rotor étant agencé de sorte que, pendant le fonctionnement du turbocompresseur (2), au moins une partie du flux de fuite de fluide frigorigène soit transportée à travers l'espacement annulaire de moteur (33).The turbocharger (2) has a drive shaft (4); an electric motor (13) configured to rotate the drive shaft (4) about an axis of rotation (A), the electric motor (13) comprising a motor stator (14) and a motor rotor (15), the motor rotor (15) being connected to the drive shaft (4); an annular motor spacing (33) defined between the motor stator (14) and a rotor assembly formed by the drive shaft (4) and the motor rotor (15); a wheel (8) connected to the drive shaft (4) and configured to compress a refrigerant; and a rotor cooling arrangement configured to cool the motor rotor (15) only with a leakage flow of refrigerant flowing from a high pressure side of the wheel (8), the cooling arrangement rotor being arranged so that, during operation of the turbocharger (2), at least part of the refrigerant leakage flow is transported through the annular engine gap (33).
Description
Domaine de l’inventionField of the invention
La présente invention se rapporte à un turbocompresseur, et en particulier à un turbocompresseur frigorifique.The present invention relates to a turbocharger, and in particular to a refrigeration turbocharger.
Arrière-plan de l’inventionBackground of the invention
La Figure 1 représente un système frigorifique 102 comportant un circuit de flux principal 103 comportant un évaporateur 104, un turbocompresseur 105, 10 un condenseur 106 et un détendeur principal 107 reliés en série, et étant configuré pour transporter un flux de fluide frigorigène principal à travers l’évaporateur 104, le turbocompresseur 105, le condenseur 106 et le détendeur principal 107.Figure 1 shows a refrigeration system 102 having a main flow circuit 103 having an evaporator 104, a turbocharger 105, 10 a condenser 106 and a main expansion valve 107 connected in series, and being configured to transport a flow of main refrigerant through the evaporator 104, the turbocharger 105, the condenser 106 and the main regulator 107.
Afin de refroidir le stator de moteur 108 d’un moteur électrique du 15 turbocompresseur 105, le système frigorifique 102 peut comporter :In order to cool the motor stator 108 of an electric motor of the turbocharger 105, the refrigeration system 102 may include:
- une conduite de flux de dérivation 109 qui est ramifiée à partir du circuit de flux principal 103 et qui comprend une partie d’extrémité d’entrée 111 reliée fluidiquement au circuit de flux principal 103 à une position en aval du condenseur 106 et en amont du détendeur principal 107, et une partie d’extrémité de sortiea bypass flow pipe 109 which is branched from the main flow circuit 103 and which comprises an inlet end portion 111 fluidly connected to the main flow circuit 103 at a position downstream of the condenser 106 and upstream main regulator 107, and an outlet end portion
112 reliée fluidiquement à un deuxième étage de compression du turbocompresseur 105, la conduite de flux de dérivation 109 étant configurée pour dériver une partie du flux de fluide frigorigène principal à haute pression dans la conduite de flux de dérivation en tant que flux de fluide frigorigène de refroidissement et pour transporter le flux de fluide frigorigène de refroidissement 2 5 à travers le turbocompresseur 105 afin de refroidir notamment le stator de moteur112 fluidly connected to a second compression stage of the turbocharger 105, the bypass flow line 109 being configured to bypass a portion of the main high pressure refrigerant flow in the bypass flow line as a refrigerant flow of cooling and for transporting the flow of cooling refrigerant 2 5 through the turbocharger 105 in order to cool in particular the engine stator
108 du moteur électrique avant que le flux de fluide frigorigène de refroidissement n’entre dans le deuxième étage de compression du turbocompresseur 105, et108 of the electric motor before the flow of cooling refrigerant enters the second compression stage of the turbocharger 105, and
- un agencement de refroidissement de rotor 113 configuré pour refroidir le rotor de moteur 114 du moteur électrique avec un flux de gaz frigorigène s’écoulant à partir d’une sortie de fluide frigorigène d’un premier étage de compression du turbocompresseur 105, l’agencement de refroidissement de rotor 113 étant agencé pour transporter le flux de gaz frigorigène à travers un espacement annulaire de moteur et étant en outre agencé de sorte que, après avoir passé l’espacement annulaire de moteur, le flux de gaz frigorigène soit 35 ramené à une entrée de fluide frigorigène du premier étage de compression du turbocompresseur 105.a rotor cooling arrangement 113 configured to cool the motor rotor 114 of the electric motor with a flow of refrigerant gas flowing from a refrigerant outlet of a first compression stage of the turbocharger 105, l ' rotor cooling arrangement 113 being arranged to convey the flow of refrigerant gas through an annular engine gap and being further arranged so that, after passing the annular engine gap, the flow of refrigerant gas is reduced to a refrigerant inlet of the first compression stage of the turbocharger 105.
Une telle configuration du système frigorifique 102, et en particulier de l’agencement de refroidissement de rotor 113 prévu sur le turbocompresseur 105, est complexe notamment en raison des liaisons requises entre l’entrée et la sortie de fluide frigorigène du premier étage de compression du turbocompresseur 105, et a un impact négatif sur le rendement du système frigorifique notamment en raison du fait qu’un tel agencement de refroidissement de rotor 113 utilise généralement environ 1 à 2% du débit massique du premier étage de compression pour refroidir le rotor de moteur du moteur électrique.Such a configuration of the refrigeration system 102, and in particular of the rotor cooling arrangement 113 provided on the turbocharger 105, is complex in particular because of the connections required between the refrigerant inlet and outlet of the first compression stage of the turbocharger 105, and has a negative impact on the performance of the refrigeration system in particular due to the fact that such a rotor cooling arrangement 113 generally uses approximately 1 to 2% of the mass flow rate of the first compression stage to cool the motor rotor of the electric motor.
Résumé de l’inventionSummary of the invention
Un objet de la présente invention consiste à fournir un turbocompresseur amélioré qui peut surmonter les inconvénients rencontrés dans les turbocompresseurs classiques.It is an object of the present invention to provide an improved turbocharger which can overcome the disadvantages encountered in conventional turbochargers.
Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un turbocompresseur qui est plus simple et moins coûteux et qui a un rendement amélioré.Another object of the present invention is to provide a turbocharger which is simpler and less expensive and which has improved efficiency.
Selon l’invention, un tel turbocompresseur comporte :According to the invention, such a turbocharger comprises:
- un arbre d’entraînement,- a drive shaft,
- un moteur électrique configuré pour entraîner en rotation l’arbre d’entraînement autour d’un axe de rotation, le moteur électrique comportant un stator de moteur et un rotor de moteur, le rotor de moteur étant relié à l’arbre d’entraînement,- an electric motor configured to rotate the drive shaft around a rotation axis, the electric motor comprising a motor stator and a motor rotor, the motor rotor being connected to the drive shaft ,
- un espacement annulaire de moteur défini entre le stator de moteur et un ensemble rotor formé par l’arbre d’entraînement et le rotor de moteur,- an annular motor spacing defined between the motor stator and a rotor assembly formed by the drive shaft and the motor rotor,
- une roue reliée à l'arbre d’entraînement et configurée pour comprimer un fluide frigorigène, et- a wheel connected to the drive shaft and configured to compress a refrigerant, and
- un agencement de refroidissement de rotor configuré pour refroidir le rotor de moteur uniquement avec un flux de fuite de fluide frigorigène s’écoulant à partir d'un côté haute pression de la roue, l’agencement de refroidissement de rotor étant agencé de sorte que, pendant le fonctionnement du turbocompresseur, au moins une partie du flux de fuite de fluide frigorigène soit transportée à travers l’espacement annulaire de moteur.- a rotor cooling arrangement configured to cool the motor rotor only with a refrigerant leakage flow flowing from a high pressure side of the wheel, the rotor cooling arrangement being arranged so that , during operation of the turbocharger, at least a portion of the refrigerant leakage flow is transported through the annular engine gap.
En n’utilisant que le flux de fuite de fluide frigorigène pour refroidir le rotor de moteur, le turbocompresseur selon la présente invention ne nécessite plus la présence de liaisons complexes entre l’entrée et la sortie de fluide frigorigène du premier étage de compression du turbocompresseur pour refroidir le rotor de moteur et économise entre 1 et 2% du débit massique de l’étage de compression du turbocompresseur. Par conséquent, le turbocompresseur selon la présente invention a un rendement amélioré et est plus simple et moins coûteux par rapport aux turbocompresseurs classiques.By using only the refrigerant leakage flow to cool the motor rotor, the turbocharger according to the present invention no longer requires the presence of complex connections between the refrigerant inlet and outlet of the first compression stage of the turbocharger to cool the engine rotor and save between 1 and 2% of the mass flow of the compression stage of the turbocharger. Consequently, the turbocharger according to the present invention has an improved efficiency and is simpler and less expensive compared to conventional turbochargers.
Le turbocompresseur peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison.The turbocharger can also include one or more of the following characteristics, taken alone or in combination.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le côté haute pression de la roue est formé par une partie externe annulaire d’un côté avant de la roue.According to an embodiment of the invention, the high pressure side of the wheel is formed by an annular external part on a front side of the wheel.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le débit massique du flux de fuite de fluide frigorigène correspond à 1 à 3% du débit massique d’un étage de compression du turbocompresseur, et par exemple du premier étage de compression du turbocompresseur.According to one embodiment of the invention, the mass flow rate of the refrigerant leakage flow corresponds to 1 to 3% of the mass flow rate of a compression stage of the turbocharger, and for example of the first compression stage of the turbocharger.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l'agencement de refroidissement de rotor est configuré de sorte que, pendant le fonctionnement du turbocompresseur, le flux de fuite de fluide frigorigène entre dans l’espacement annulaire de moteur au niveau d’une première extrémité du moteur électrique tournée vers la roue et quitte l’espacement annulaire de moteur au niveau d'une deuxième extrémité du moteur électrique opposée à la première extrémité du moteur électrique.According to one embodiment of the invention, the rotor cooling arrangement is configured so that, during operation of the turbocharger, the refrigerant leakage flow enters the annular engine spacing at a first end of the electric motor facing the wheel and leaves the annular motor spacing at a second end of the electric motor opposite the first end of the electric motor.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l’agencement de refroidissement de rotor est configuré de sorte que, pendant le fonctionnement du turbocompresseur, le flux de fuite de fluide frigorigène s'écoule à travers un jeu annulaire défini par la roue et une partie fixe du turbocompresseur. Selon un mode de réalisation de l’invention, le jeu annulaire est défini intérieurement par la roue et défini extérieurement par la partie fixe. Avantageusement, le jeu annulaire est défini entre une surface circonférentielle externe d’un moyeu de la roue et une surface circonférentielle interne de la partie fixe.According to one embodiment of the invention, the rotor cooling arrangement is configured so that, during operation of the turbocharger, the refrigerant leakage flow flows through an annular clearance defined by the wheel and a fixed part of the turbocharger. According to one embodiment of the invention, the annular clearance is defined internally by the wheel and externally defined by the fixed part. Advantageously, the annular clearance is defined between an external circumferential surface of a hub of the wheel and an internal circumferential surface of the fixed part.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’agencement de refroidissement de rotor est configuré de sorte que, pendant le fonctionnement du turbocompresseur, le flux de fuite de fluide frigorigène s’écoule à travers le jeu annulaire à partir d’un côté avant à un côté arrière de la roue.According to one embodiment of the invention, the rotor cooling arrangement is configured so that, during operation of the turbocharger, the refrigerant leakage flow flows through the annular clearance from one side front to a rear side of the wheel.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la roue comporte une pluralité d'aubes s’étendant à partir du côté avant.According to an embodiment of the invention, the wheel has a plurality of vanes extending from the front side.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le flux de fuite de fluide frigorigène est un flux de fuite de fluide frigorigène haute pression.According to an embodiment of the invention, the refrigerant leakage flow is a high pressure refrigerant leakage flow.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite partie du flux de fuite de fluide frigorigène représente au moins 60%, et par exemple au moins 90% du flux de fuite de fluide frigorigène.According to one embodiment of the invention, said part of the refrigerant leakage flow represents at least 60%, and for example at least 90% of the refrigerant leakage flow.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l’agencement de refroidissement de rotor est agencé de sorte que, après avoir passé l’espacement annulaire de moteur, ladite partie du flux de fuite de fluide frigorigène est ramenée à une entrée d’aspiration du turbocompresseur.According to one embodiment of the invention, the rotor cooling arrangement is arranged so that, after having passed the annular spacing of the engine, said part of the refrigerant leakage flow is brought back to a suction inlet turbocharger.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l'entrée d’aspiration est configurée pour alimenter un premier étage de compression du turbocompresseur en fluide frigorigène.According to one embodiment of the invention, the suction inlet is configured to supply a first compression stage of the turbocharger with refrigerant.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’agencement de refroidissement de rotor comporte un dispositif d'étanchéité définissant partiellement un jeu d’étanchéité à travers lequel le flux de fuite de fluide frigorigène fuitAccording to an embodiment of the invention, the rotor cooling arrangement comprises a sealing device partially defining a sealing clearance through which the refrigerant leakage flow leaks
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’étanchéité a une forme de bague annulaire et s’étend autour de l'arbre d’entraînement.According to one embodiment of the invention, the sealing device has the shape of an annular ring and extends around the drive shaft.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’étanchéité est fixe, le jeu d’étanchéité étant annulaire et étant défini intérieurement par l’arbre d’entraînement et défini extérieurement par le dispositif d’étanchéité.According to one embodiment of the invention, the sealing device is fixed, the sealing clearance being annular and being defined internally by the drive shaft and defined externally by the sealing device.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’étanchéité est fixé à une partie de compresseur fixe.According to one embodiment of the invention, the sealing device is fixed to a fixed compressor part.
Selon un mode de réalisation de l'invention, un matériau du dispositif d’étanchéité et/ou de l’arbre d’entraînement a une dilatation thermique qui dépend de la température de sorte que le jeu d’étanchéité soit variable pendant le fonctionnement du turbocompresseur.According to one embodiment of the invention, a material of the sealing device and / or of the drive shaft has a thermal expansion which depends on the temperature so that the sealing clearance is variable during the operation of the turbocharger.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif d’étanchéité est agencé en amont ou en aval du rotor de moteur par rapport à une direction de flux de fuite du flux de fuite de fluide frigorigène.According to one embodiment of the invention, the sealing device is arranged upstream or downstream of the motor rotor with respect to a direction of leakage flow of the refrigerant leakage flow.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le turbocompresseur comporte en outre un agencement de refroidissement principal configuré pour refroidir le stator de moteur avec un flux de fluide frigorigène de refroidissement.According to one embodiment of the invention, the turbocharger further comprises a main cooling arrangement configured to cool the engine stator with a flow of cooling refrigerant.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’agencement de refroidissement principal comporte un carter de moteur dans lequel le stator de moteur est monté au moins partiellement.According to an embodiment of the invention, the main cooling arrangement comprises a motor housing in which the motor stator is mounted at least partially.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le carter de moteur comporte une zone de refroidissement de stator destinée au passage du flux de fluide frigorigène de refroidissement de manière à dissiper la chaleur provenant du stator de moteur.According to an embodiment of the invention, the motor housing includes a stator cooling zone intended for the passage of the flow of cooling refrigerant so as to dissipate the heat coming from the motor stator.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le carter de moteur comporte une partie de refroidissement tubulaire entourant le stator de moteur, la zone de refroidissement de stator étant formée dans une surface circonférentielle externe de la partie de refroidissement tubulaire.According to one embodiment of the invention, the motor housing comprises a tubular cooling part surrounding the motor stator, the stator cooling zone being formed in an external circumferential surface of the tubular cooling part.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la zone de refroidissement de stator comporte un canal ou plusieurs canaux de refroidissement de stator formé(s) dans la surface circonférentielle externe de la partie de refroidissement tubulaire, et s’étendant par exemple autour d’un axe longitudinal du carter de moteur.According to one embodiment of the invention, the stator cooling zone comprises a channel or several stator cooling channels formed in the outer circumferential surface of the tubular cooling part, and extending for example around 'a longitudinal axis of the motor housing.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’agencement de refroidissement principal comporte une ouverture d’entrée de fluide frigorigène qui est reliée fluidiquement à la zone de refroidissement de stator et qui est configurée pour alimenter la zone de refroidissement de stator avec le flux de fluide frigorigène de refroidissement, et une ouverture de sortie de fluide frigorigène qui est reliée fluidiquement à la zone de refroidissement de stator et qui est configurée pour évacuer le flux de fluide frigorigène de refroidissement de la zone de refroidissement de stator.According to one embodiment of the invention, the main cooling arrangement comprises a refrigerant inlet opening which is fluidly connected to the stator cooling zone and which is configured to supply the stator cooling zone with the cooling refrigerant flow, and a refrigerant outlet opening which is fluidly connected to the stator cooling zone and which is configured to evacuate the cooling refrigerant flow from the stator cooling zone.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’ouverture d'entrée de fluide frigorigène et l'ouverture de sortie de fluide frigorigène sont chacune prévues sur un carter hermétique du turbocompresseur.According to one embodiment of the invention, the refrigerant inlet opening and the refrigerant outlet opening are each provided on an airtight casing of the turbocharger.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le turbocompresseur comporte un agencement de palier radial configuré pour supporter en rotation l’arbre d’entraînement.According to one embodiment of the invention, the turbocharger has a radial bearing arrangement configured to support the drive shaft in rotation.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le turbocompresseur comporte un agencement de palier axial configuré pour limiter un mouvement axial de l'arbre d’entraînement pendant le fonctionnementAccording to an embodiment of the invention, the turbocharger comprises an axial bearing arrangement configured to limit an axial movement of the drive shaft during operation
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’agencement de refroidissement principal est également configuré pour refroidir l’agencement de palier radial directement ou indirectement avec le flux de fluide frigorigène de refroidissement.According to an embodiment of the invention, the main cooling arrangement is also configured to cool the radial bearing arrangement directly or indirectly with the flow of cooling refrigerant.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l’agencement de palier radial comporte un manchon de palier ayant un axe longitudinal et entourant l’arbre d’entraînement.According to one embodiment of the invention, the radial bearing arrangement comprises a bearing sleeve having a longitudinal axis and surrounding the drive shaft.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le manchon de palier comporte une zone de refroidissement de palier prévue sur le manchon de palier et étant destinée au passage du flux de fluide frigorigène de refroidissement de manière à dissiper la chaleur provenant du manchon de palier.According to one embodiment of the invention, the bearing sleeve comprises a bearing cooling zone provided on the bearing sleeve and being intended for the passage of the flow of cooling refrigerant so as to dissipate the heat coming from the bearing sleeve .
Selon un mode de réalisation de l’invention, la zone de refroidissement de palier comporte au moins un canal de refroidissement formé dans une surface circonférentielle externe du manchon de palier. Le canal de refroidissement s’étend par exemple autour de l’axe longitudinal du manchon de palier.According to an embodiment of the invention, the bearing cooling zone comprises at least one cooling channel formed in an external circumferential surface of the bearing sleeve. The cooling channel extends for example around the longitudinal axis of the bearing sleeve.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’ouverture d’entrée de fluide frigorigène est reliée fluidiquement à la zone de refroidissement de stator et à la zone de refroidissement de palier et est configurée pour alimenter la zone de refroidissement de stator et la zone de refroidissement de palier avec le flux de fluide frigorigène de refroidissement, et l’ouverture de sortie de fluide frigorigène est reliée fluidiquement à la zone de refroidissement de stator et à la zone de refroidissement de palier et est configurée pour évacuer le flux de fluide frigorigène de refroidissement de la zone de refroidissement de stator et de la zone de refroidissement de palier.According to one embodiment of the invention, the refrigerant inlet opening is fluidly connected to the stator cooling zone and to the bearing cooling zone and is configured to supply the stator cooling zone and the bearing cooling zone with the cooling refrigerant flow, and the refrigerant outlet opening is fluidly connected to the stator cooling zone and the bearing cooling zone and is configured to discharge the fluid flow refrigerant for cooling the stator cooling zone and the bearing cooling zone.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’agencement de refroidissement principal est configuré pour refroidir le flux de fuite de fluide frigorigène avant que le flux de fuite de fluide frigorigène n’entre dans l’espacement annulaire de moteur.According to one embodiment of the invention, the main cooling arrangement is configured to cool the refrigerant leakage flow before the refrigerant leakage flow enters the annular engine space.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’étanchéité est en contact avec le carter de moteur, et l’agencement de refroidissement principal est configuré pour refroidir te flux de fuite de fluide frigorigène à travers le dispositif d’étanchéité.According to one embodiment of the invention, the sealing device is in contact with the crankcase, and the main cooling arrangement is configured to cool the refrigerant leakage flow through the sealing device.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le rotor de moteur est un rotor de moteur à aimant permanent.According to an embodiment of the invention, the motor rotor is a permanent magnet motor rotor.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est agencé pour fonctionner à basse pression ou à pression intermédiaire.According to one embodiment of the invention, the electric motor is arranged to operate at low pressure or at intermediate pressure.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est agencé pour fonctionner à haute pression.According to one embodiment of the invention, the electric motor is arranged to operate at high pressure.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l’arbre d’entraînement comporte une première partie d’extrémité axiale et une deuxième partie d’extrémité axiale opposée à la première partie d’extrémité axiale, la roue étant reliée à la première partie d’extrémité axiale de l’arbre d’entraînement.According to one embodiment of the invention, the drive shaft comprises a first axial end part and a second axial end part opposite to the first axial end part, the wheel being connected to the first part axial end of the drive shaft.
ΊΊ
Selon un mode de réalisation de l’invention, le turbocompresseur comporte en outre une roue supplémentaire reliée à la deuxième partie d’extrémité axiale de l’arbre d’entraînement. Avantageusement, la roue supplémentaire appartient à un premier étage de compression du 5 turbocompresseur et la roue appartient à un deuxième étage de compression du turbocompresseur.According to one embodiment of the invention, the turbocharger further comprises an additional wheel connected to the second part of the axial end of the drive shaft. Advantageously, the additional wheel belongs to a first compression stage of the turbocharger and the wheel belongs to a second compression stage of the turbocharger.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le turbocompresseur comporte au moins trois étages de compression.According to one embodiment of the invention, the turbocharger has at least three compression stages.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le rotor de moteur est relié à 10 une partie intermédiaire de l’arbre d’entraînement qui est située entre les première et deuxième parties d’extrémité axiale.According to one embodiment of the invention, the motor rotor is connected to an intermediate part of the drive shaft which is located between the first and second axial end parts.
Selon un mode de réalisation, le rotor de moteur est ajusté par contraction à l’intérieur d’un manchon, par exemple en métal ou en fibre de carbone.According to one embodiment, the motor rotor is adjusted by contraction inside a sleeve, for example made of metal or carbon fiber.
Ces avantages ainsi que d’autres apparaîtront à la lecture de la description 15 suivante compte tenu des dessins ci-joints qui représentent, à titre d’exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation d’un turbocompresseur selon l’invention.These advantages as well as others will appear on reading the following description given the attached drawings which show, by way of nonlimiting examples, several embodiments of a turbocharger according to the invention.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
La description détaillée suivante de plusieurs modes de réalisation de I invention sera mieux comprise lorsqu’elle est lue conjointement avec les dessins annexés, étant entendu, cependant, que l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation spécifiques divulgués.The following detailed description of several embodiments of the invention will be better understood when read in conjunction with the accompanying drawings, it being understood, however, that the invention is not limited to the specific embodiments disclosed.
25 La 1 est une vue schématique d’un système frigorifique selon l’art antérieur. Figure 1 is a schematic view of a refrigeration system according to the prior art.
La Figure 2 est une vue en coupe longitudinale d’un turbocompresseur selon un premier mode de réalisation de l’invention.Figure 2 is a longitudinal sectional view of a turbocharger according to a first embodiment of the invention.
La Figure 3 est une vue en coupe longitudinale partielle d’un o turbocompresseur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.Figure 3 is a partial longitudinal sectional view of a turbocharger o according to a second embodiment of the invention.
La Figure 4 est une vue en coupe longitudinale partielle d’un turbocompresseur selon un troisième mode de réalisation de l’invention.Figure 4 is a partial longitudinal sectional view of a turbocharger according to a third embodiment of the invention.
La Figure 5 est une vue en coupe longitudinale partielle d’un turbocompresseur selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.Figure 5 is a partial longitudinal sectional view of a turbocharger according to a fourth embodiment of the invention.
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
La Figure 2 représente un turbocompresseur 2 selon un premier mode de réalisation de l’invention, qui peut être par exempte un turbocompresseur frigorifique à un seul étage.FIG. 2 represents a turbocharger 2 according to a first embodiment of the invention, which can for example be a refrigeration turbocharger with a single stage.
Le turbocompresseur 2 comporte un carter hermétique 3 et un arbre d entraînement 4 qui est agencé en rotation à l’intérieur du carter hermétique 3 et qui s’étend 1e long d'un axe longitudinal A. L’arbre d’entraînement 4 comporte une première partie d'extrémité axiale 5, une deuxième partie d’extrémité axiale 6 opposée à la première partie d’extrémité axiale 5, et une partie intermédiaire 7 située entre tes première et deuxième parties d’extrémité axiale 5,6.The turbocharger 2 comprises a hermetic casing 3 and a drive shaft 4 which is arranged to rotate inside the hermetic casing 3 and which extends along a longitudinal axis A. The drive shaft 4 has a first axial end part 5, a second axial end part 6 opposite the first axial end part 5, and an intermediate part 7 situated between the first and second axial end parts 5,6.
Le turbocompresseur 2 comporte en outre une roue 8 reliée à la première partie d’extrémité axiale 5 de l’arbre d’entraînement 4 et configurée pour comprimer un fluide frigorigène. La roue 8 comporte un côté avant 9 et un côté arrière 11 opposé au côté avant 9, et une pluralité d’aubes s’étendant à partir du côté avant 9.The turbocharger 2 further comprises a wheel 8 connected to the first axial end part 5 of the drive shaft 4 and configured to compress a refrigerant. The wheel 8 has a front side 9 and a rear side 11 opposite the front side 9, and a plurality of vanes extending from the front side 9.
Le turbocompresseur 2 comporte également un moteur électrique 13 configuré pour entraîner en rotation l’arbre d’entraînement 4 autour de l’axe longitudinal A. Le moteur électrique 13 comporte un stator de moteur 14 et un rotor de moteur 15. Le rotor de moteur 15 est par exempte relié à la partie intermédiaire 7 de l’arbre d’entraînement 4. À cet effet, la partie intermédiaire 7 peut comporter un alésage axial 16 à l’intérieur duquel est agencé te rotor de moteur 15. Le rotor de moteur 15 peut par exempte être solidement ajusté, notamment ajusté avec serrage ou ajusté par contraction, à l’intérieur de I alésage axial 16. En outre, te rotor de moteur 15 peut être un rotor de moteur à aimant permanent.The turbocharger 2 also comprises an electric motor 13 configured to rotate the drive shaft 4 around the longitudinal axis A. The electric motor 13 comprises a motor stator 14 and a motor rotor 15. The motor rotor 15 is for example connected to the intermediate part 7 of the drive shaft 4. For this purpose, the intermediate part 7 may include an axial bore 16 inside which the motor rotor 15 is arranged. The motor rotor 15 can for example be firmly adjusted, in particular adjusted with clamping or adjusted by contraction, inside the axial bore 16. In addition, the motor rotor 15 can be a motor rotor with permanent magnet.
Le turbocompresseur 2 comporte en outre :The turbocharger 2 further comprises:
- un agencement de palier axial 17, appelé également agencement de palier de butée, configuré pour limiter un mouvement axial de l’arbre d’entraînement 4 pendant le fonctionnement, et un agencement de palier radial 18 configuré pour supporter en rotation l’arbre d’entraînement 4.- An axial bearing arrangement 17, also called thrust bearing arrangement, configured to limit an axial movement of the drive shaft 4 during operation, and a radial bearing arrangement 18 configured to support in rotation the shaft d training 4.
Selon te mode de réalisation représenté sur la figure 2, l’agencement de palier axial 17 comporte un élément de palier axial 19 agencé sur une surface externe de I arbre d’entraînement 4, et par exempte sur une surface externe de la deuxième partie d’extrémité axiale 6, et s’étendant radialement vers l’extérieur par rapport à l’arbre d’entraînement 4.According to the embodiment shown in FIG. 2, the axial bearing arrangement 17 comprises an axial bearing element 19 arranged on an external surface of the drive shaft 4, and for example on an external surface of the second part d axial end 6, and extending radially outward relative to the drive shaft 4.
L agencement de palier axial 17 peut également comporter :The axial bearing arrangement 17 can also include:
- une première plaque de palier axial et une deuxième plaque de palier axial (non représentées sur la figure 2) ayant chacune une forme de bague annulaire, et étant agencées en parallèle, eta first axial bearing plate and a second axial bearing plate (not shown in FIG. 2) each having the shape of an annular ring, and being arranged in parallel, and
- une bague-entretoise (non représentée sur la figure 2) entourant I élément de palier axial 19, et étant serrée entre les première et deuxième plaques de palier axial au niveau de parties externes radiales des première et deuxième plaques de palier axial ; la bague-entretoise et les première et deuxième plaques de palier axial définissant un espace dans lequel s’étend l’élément de palier axial 19.- A spacer ring (not shown in FIG. 2) surrounding the axial bearing element 19, and being clamped between the first and second axial bearing plates at the level of radial external parts of the first and second axial bearing plates; the spacer ring and the first and second axial bearing plates defining a space in which the axial bearing element 19 extends.
Avantageusement, le turbocompresseur 2 peut être configuré de sorte qu’un fluide frigorigène gazeux soit introduit entre l’élément de palier axial 19 et les première et deuxième plaques de palier axial pour former un palier axial à gaz.Advantageously, the turbocharger 2 can be configured so that a gaseous refrigerant is introduced between the axial bearing element 19 and the first and second axial bearing plates to form an axial gas bearing.
Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, l’agencement de palier radial 18 comporte deux manchons de palier 21, 22 entourant la partie intermédiaire 7 de l’arbre d’entraînement 4 et étant situés entre l’agencement de palier axial 17 et la roue 8. Avantageusement, les manchons de palier 21,22 sont situés sur chaque côté du moteur électrique 13. Chaque manchon de palier 21, peut être un manchon de palier monobloc, ou peut être réalisé à partir de parties séparées assemblées.According to the embodiment shown in FIG. 2, the radial bearing arrangement 18 comprises two bearing sleeves 21, 22 surrounding the intermediate part 7 of the drive shaft 4 and being located between the axial bearing arrangement 17 and the wheel 8. Advantageously, the bearing sleeves 21, 22 are located on each side of the electric motor 13. Each bearing sleeve 21, can be a single-piece bearing sleeve, or can be produced from separate assembled parts.
Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le manchon de palier 21 comporte une surface de palier radial 21.1 configurée pour coopérer avec une partie de palier 7.1 prévue sur la partie intermédiaire 7 de l’arbre d’entraînement 4, tandis que le manchon de palier 22 comporte une surface de palier radial 22.1 configurée pour coopérer avec une partie de palier 7,2 prévue sur la partie intermédiaire 7 de l’arbre d’entraînement 4. Avantageusement, les surfaces de palier radial 21.1, 22.1 des manchons de palier 21, 22 et les parties de palier respectives 7.1, 7.2 forment deux paliers radiaux, et en particulier deux paliers radiaux à gaz.According to the embodiment shown in Figure 2, the bearing sleeve 21 has a radial bearing surface 21.1 configured to cooperate with a bearing part 7.1 provided on the intermediate part 7 of the drive shaft 4, while the bearing sleeve 22 has a radial bearing surface 22.1 configured to cooperate with a bearing part 7.2 provided on the intermediate part 7 of the drive shaft 4. Advantageously, the radial bearing surfaces 21.1, 22.1 of the sleeves bearing 21, 22 and the respective bearing parts 7.1, 7.2 form two radial bearings, and in particular two radial gas bearings.
Le turbocompresseur 2 comporte en outre un agencement de refroidissement principal configuré pour refroidir le stator de moteur 14 avec un flux de fluide frigorigène de refroidissement.The turbocharger 2 further includes a main cooling arrangement configured to cool the engine stator 14 with a flow of cooling refrigerant.
L agencement de refroidissement principal comporte un carter de moteur dans lequel le stator de moteur 14 est monté au moins partiellement. Le carter de moteur 23 comporte une partie de refroidissement tubulaire 24 entourée par le carter hermétique 3 et entourant le stator de moteur 14, et une zone de refroidissement de stator 25 formée dans une surface circonférentielle externe de la partie de refroidissement tubulaire 25 et destinée au passage du flux de fluide frigorigène de refroidissement de manière à dissiper la chaleur provenant du stator de moteur 14. La zone de refroidissement de stator 25 peut comporter un canal ou plusieurs canaux de refroidissement de stator formé(s) dans la surface circonférentielle externe 26 de la partie de refroidissement tubulaire 24, et s’étendant par exemple autour de l’axe longitudinal du carter de moteur 23.The main cooling arrangement includes a motor housing in which the motor stator 14 is at least partially mounted. The motor housing 23 comprises a tubular cooling part 24 surrounded by the hermetic casing 3 and surrounding the motor stator 14, and a stator cooling zone 25 formed in an outer circumferential surface of the tubular cooling part 25 and intended for the passage of the cooling refrigerant flow so as to dissipate the heat coming from the motor stator 14. The stator cooling zone 25 may comprise one or more stator cooling channels formed in the external circumferential surface 26 of the tubular cooling part 24, and extending for example around the longitudinal axis of the motor housing 23.
Afin de permettre au flux de fluide frigorigène de refroidissement d’être transporté à travers le turbocompresseur 2, et en particulier le long de la zone de refroidissement de stator 25, l'agencement de refroidissement principal comporte en outre une ouverture d’entrée de fluide frigorigène 27 et une ouverture de sortie de fluide frigorigène 28 prévues chacune sur le turbocompresseur 2 et, par exemple, sur le carter hermétique 3. L'ouverture d’entrée de fluide frigorigène 27 est reliée fluidiquement à fa zone de refroidissement de stator 25 et est configurée pour alimenter la zone de refroidissement de stator 25 avec le flux de fluide frigorigène de refroidissement, tandis que l’ouverture de sortie de fluide frigorigène 28 est reliée fluidiquement à la zone de refroidissement de stator 25 et est configurée pour évacuer le flux de fluide frigorigène de refroidissement de la zone de refroidissement de stator 25. L’ouverture d’entrée de fluide frigorigène peut par exemple être reliée à une conduite de flux de dérivation d'un système frigorifique comportant le turbocompresseur 2, ou à toute autre conduite d’alimentation en fluide frigorigène.In order to allow the flow of cooling refrigerant to be transported through the turbocharger 2, and in particular along the stator cooling zone 25, the main cooling arrangement further comprises a fluid inlet opening refrigerant 27 and a refrigerant outlet opening 28 each provided on the turbocharger 2 and, for example, on the hermetic casing 3. The refrigerant inlet opening 27 is fluidly connected to the stator cooling zone 25 and is configured to supply the stator cooling zone 25 with the cooling refrigerant flow, while the refrigerant outlet opening 28 is fluidly connected to the stator cooling zone 25 and is configured to evacuate the cooling flow refrigerant for cooling the stator cooling zone 25. The refrigerant inlet opening cannot, for example, be connected to a bypass flow line of a refrigeration system comprising the turbocharger 2, or to any other refrigerant supply line.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’agencement de refroidissement principal peut également être configuré pour refroidir I agencement de palier radial 18, et par exemple chacun des manchons de palier 21, 22, directement avec le flux de fluide frigorigène de refroidissement ou par l’intermédiaire du carter de moteur 23.According to one embodiment of the invention, the main cooling arrangement can also be configured to cool the radial bearing arrangement 18, and for example each of the bearing sleeves 21, 22, directly with the flow of cooling refrigerant. or via the motor housing 23.
Le turbocompresseur 2 comporte en outre un agencement de refroidissement de rotor configuré pour refroidir le rotor de moteur 15 uniquement avec un flux de fuite de fluide frigorigène s’écoulant à partir d’un côté haute pression de la roue 8, et en particulier à partir d’un jeu annulaire 31 défini entre une surface circonférentielle externe d’un moyeu de la roue 8 et une surface circonférentielle interne d’une partie fixe 32 du turbocompresseur 2.The turbocharger 2 further comprises a rotor cooling arrangement configured to cool the motor rotor 15 only with a leakage flow of refrigerant flowing from a high pressure side of the wheel 8, and in particular from an annular clearance 31 defined between an external circumferential surface of a hub of the wheel 8 and an internal circumferential surface of a fixed part 32 of the turbocharger 2.
L’agencement de refroidissement de rotor est agencé de sorte que, pendant le fonctionnement du turbocompresseur, une partie du flux de fuite de fluide frigorigène est transportée à travers un espacement annulaire de moteur défini entre le stator de moteur 14 et un ensemble rotor formé par l’arbre d'entraînement 4 et le rotor de moteur 15, et à travers le/les palier(s) radial/radraux de l’agencement de palier radial 18. Ladite partie du flux de fuite de fluide frigorigène entre dans l'espacement annulaire de moteur 33 au niveau d'une première extrémité du moteur électrique 13 tournée vers la roue 8 et quitte l'espacement annulaire de moteur 33 au niveau d’une deuxième extrémité du moteur électrique 13 opposée à la première extrémité du moteur électrique 13. Avantageusement, ladite partie du flux de fuite de fluide frigorigène représente au moins 90% du flux de fuite de fluide frigorigène s’écoulant à partir du jeu annulaire 31.The rotor cooling arrangement is arranged so that, during operation of the turbocharger, a portion of the refrigerant leakage flow is transported through an annular motor gap defined between the motor stator 14 and a rotor assembly formed by the drive shaft 4 and the motor rotor 15, and through the radial / radial bearing (s) of the radial bearing arrangement 18. Said part of the refrigerant leakage flow enters the spacing annular motor 33 at a first end of the electric motor 13 facing the wheel 8 and leaves the annular motor spacing 33 at a second end of the electric motor 13 opposite the first end of the electric motor 13. Advantageously, said part of the refrigerant leakage flow represents at least 90% of the refrigerant leakage flow flowing from the annular clearance 31.
L’agencement de refroidissement de rotor comporte également un dispositif d’étanchéité 34 ayant une forme de bague annulaire et s’étendant autour de l'arbre d’entraînement 4. Avantageusement, le dispositif d'étanchéité est fixe et définit, avec l’arbre d’entraînement 4, un jeu d’étanchéité 35 qui est annulaire et à travers lequel le flux de fuite de fluide frigorigène fuit. Le dispositif d’étanchéité 34 peut par exemple être un dispositif d’étanchéité en labyrinthe.The rotor cooling arrangement also includes a sealing device 34 having an annular ring shape and extending around the drive shaft 4. Advantageously, the sealing device is fixed and defined, with the drive shaft 4, a sealing set 35 which is annular and through which the refrigerant leakage stream leaks. The sealing device 34 may for example be a labyrinth sealing device.
Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le jeu d’étanchéité est défini intérieurement par l’arbre d’entraînement 4 et défini extérieurement par le dispositif d'étanchéité 34, et le dispositif d’étanchéité 34 est agencé en aval du rotor de moteur 13 par rapport à une direction de flux de fuite du flux de fuite de fluide frigorigène de sorte que le moteur électrique 13 soit agencé pour fonctionner à haute pression.According to the embodiment shown in FIG. 2, the sealing clearance is defined internally by the drive shaft 4 and defined externally by the sealing device 34, and the sealing device 34 is arranged downstream of the motor rotor 13 with respect to a leakage flow direction of the refrigerant leakage flow so that the electric motor 13 is arranged to operate at high pressure.
L’agencement de refroidissement de rotor est enfin agencé de sorte que, après avoir passé l’espacement annulaire de moteur 33 et le dispositif d’étanchéité 34, la partie du flux de fuite de fluide frigorigène est ramenée à une entrée d'aspiration 36 du turbocompresseur 2.The rotor cooling arrangement is finally arranged so that, after having passed the annular spacing of the motor 33 and the sealing device 34, the part of the refrigerant leakage flow is brought back to a suction inlet 36 turbocharger 2.
En n’utilisant que le flux de fuite de fluide frigorigène pour refroidir le rotor de moteur 15, le turbocompresseur 2 selon la présente invention ne nécessite pas la présence d’un agencement de refroidissement de rotor complexe et l’utilisation d’environ 1 à 2% d'un débit massique de l’étage de compression pour refroidir le rotor de moteur. Par conséquent, le turbocompresseur 2 selon la présente invention a un rendement amélioré et est plus simple et moins coûteux par rapport aux turbocompresseurs classiques.By using only the refrigerant leakage flow to cool the motor rotor 15, the turbocharger 2 according to the present invention does not require the presence of a complex rotor cooling arrangement and the use of about 1 to 2% of a mass flow from the compression stage to cool the motor rotor. Consequently, the turbocharger 2 according to the present invention has an improved efficiency and is simpler and less expensive compared to conventional turbochargers.
Selon un mode de réalisation de l’invention, un matériau du dispositif d’étanchéité 34 et/ou de l’arbre d’entraînement 4 a une dilatation thermique qui dépend de la température de sorte que le jeu d’étanchéité 35 soit variable pendant le fonctionnement du turbocompresseur 2. De telles dispositions permettent de réguler le débit massique du flux de fuite de fluide frigorigène transporté à travers l’espacement annulaire de moteur 33 en fonction de la température du dispositif d’étanchéité 34 et/ou de l’arbre d'entraînement 4, et d améliorer ainsi le rendement du turbocompresseur en fonction des conditions de fonctionnement de ce dernier.According to one embodiment of the invention, a material of the sealing device 34 and / or of the drive shaft 4 has a thermal expansion which depends on the temperature so that the sealing clearance 35 is variable during the operation of the turbocharger 2. Such arrangements make it possible to regulate the mass flow rate of the leakage flow of refrigerant transported through the annular spacing of the engine 33 as a function of the temperature of the sealing device 34 and / or of the shaft drive 4, and thereby improve the efficiency of the turbocharger as a function of the latter's operating conditions.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’agencement de refroidissement principal est en outre configuré pour refroidir le flux de fuite de fluide frigorigène avant que le flux de fuite de fluide frigorigène n’entre dans l’espacement annulaire de moteur 33. Une telle configuration de l’agencement de refroidissement principal améliore les échanges thermiques entre le flux de fuite de fluide frigorigène et le rotor de moteur, ce qui améliore te refroidissement de ce dernier et donc le rendement et te fiabilité du turbocompresseur. Par exemple, I agencement de refroidissement de rotor peut être configuré de sorte que le flux de fuite de fluide frigorigène s’écoule au moins partiellement le long d’une partie refroidie du carter de moteur 23, et en particulier 1e long d’une partie refroidie de la partie de refroidissement tubulaire 24, avant d’entrer dans l’espacement annulaire de moteur.According to one embodiment of the invention, the main cooling arrangement is further configured to cool the refrigerant leakage flow before the refrigerant leakage flow enters the annular spacing of the engine 33. Such a configuration of the main cooling arrangement improves the heat exchanges between the refrigerant leakage flow and the engine rotor, which improves the cooling of the latter and therefore the efficiency and reliability of the turbocharger. For example, the rotor cooling arrangement can be configured so that the refrigerant leakage flow flows at least partially along a cooled part of the engine housing 23, and in particular along a part cooled from the tubular cooling part 24, before entering the annular engine space.
La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de l’invention qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que le dispositif d’étanchéité 34 est agencé en amont du rotor de moteur 15 par rapport à la direction de flux de fuite du flux de fuite de fluide frigorigène, et en ce que le moteur électrique 13 est agencé pour fonctionner à basse pression.FIG. 3 represents a second embodiment of the invention which differs from the first embodiment essentially in that the sealing device 34 is arranged upstream of the motor rotor 15 relative to the direction of flow leakage of the flow refrigerant leakage, and in that the electric motor 13 is arranged to operate at low pressure.
Selon ledit deuxième mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’étanchéité 34 peut être en contact avec le carter de moteur 23 de sorte que l’agencement de refroidissement principal puisse refroidir te flux de fuite de fluide frigorigène par l’intermédiaire du dispositif d’étanchéité 34.According to said second embodiment of the invention, the sealing device 34 can be in contact with the motor housing 23 so that the main cooling arrangement can cool the refrigerant leakage flow through the sealing device 34.
La figure 4 représente un troisième mode de réalisation de l’invention qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que le turbocompresseur 2 comporte une roue supplémentaire 37 reliée à la deuxième partie d’extrémité axiale 6 de l’arbre d’entraînement 4, et en ce que la roue supplémentaire 37 appartient à un premier étage de compression du turbocompresseur 2, tandis que la roue 8 appartient à un deuxième étage de compression du turbocompresseur 2.FIG. 4 represents a third embodiment of the invention which differs from the first embodiment essentially in that the turbocharger 2 comprises an additional wheel 37 connected to the second axial end part 6 of the drive shaft 4 , and in that the additional wheel 37 belongs to a first compression stage of the turbocharger 2, while the wheel 8 belongs to a second compression stage of the turbocharger 2.
La figure 5 représente un quatrième mode de réalisation de l’invention qui diffère du troisième mode de réalisation essentiellement en ce que le dispositif d’étanchéité 34 est agencé en amont du rotor de moteur 15 par rapport à la direction de flux de fuite du flux de fuite de fluide frigorigène, et en ce que le moteur électrique 13 est agencé pour fonctionner à pression intermédiaire.FIG. 5 represents a fourth embodiment of the invention which differs from the third embodiment essentially in that the sealing device 34 is arranged upstream of the motor rotor 15 relative to the direction of flow leakage of the flow refrigerant leakage, and in that the electric motor 13 is arranged to operate at intermediate pressure.
Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d’exemples non limitatifs, mais au contraire elle englobe tous les modes de réalisation correspondants.Of course, the invention is not limited to the embodiments described above by way of nonlimiting examples, but on the contrary it encompasses all the corresponding embodiments.
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