JP2006500502A

JP2006500502A - 燃焼空気過給機用の内臓型の半径流インタークーラー

Info

Publication number: JP2006500502A
Application number: JP2004537688A
Authority: JP
Inventors: ピー．ミシェンキースティーブン; ジェイ．バーフネクトロバート; ジェイ．ヘネスジェイムズ; エム．コーネルケニス
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2006-01-05
Also published as: CN1682021A; MXPA05002904A; AU2003265660A1; EP1546522B1; US20040055740A1; CA2499376A1; DE60319111D1; RU2005107715A; EP1546522A1; WO2004027234A1; DE60319111T2; BR0314625A; US7278472B2

Abstract

ターボチャージャーあるいはスーパーチャージャーの如き、改善された燃焼空気過給機が提供される。該燃焼空気過給機は、回転シャフト（１８）を内部でジャーナル軸受したハウジング（１０）を含み、回転シャフト（１８）には少なくとも１つのコンプレッサーホイール（２０、２２）が位置付けられる。ハウジング（１０）は、周囲空気入口（３０）のみならず、圧縮空気のための出口（３２）と、を含み、少なくとも１つの前記コンプレッサホイール（２０）と出口（３２）との間には熱交換器（３６）が位置付けられ、該熱交換器は、該熱交換器を通る空気が全体に半径方向内側方向に流動するような配列構成を有する。

Description

本発明は、エンジン用のターボチャージャーあるいはスーパーチャージャーのような燃焼空気過給機におけるインタークーラーとして用いる熱交換器に関する。

ターボチャージャーあるいはスーパーチャージャーのような燃焼空気過給機は、エンジン、特に内燃機関と共に長年使用されてきている。ターボチャージャーの場合、少なくとも１つの回転コンプレッサホイールがエンジンの排気により駆動され、スーパーチャージャーの場合では少なくとも１つの回転コンプレッサホイールは通常はエンジンの回転出力により機械的に駆動される。何れの場合でもコンプレッサホイールは周囲空気を、それがエンジン内での燃焼を支えるべくエンジンに吸気される前に圧縮する。空気を圧縮すると、所定容積の圧縮空気中の酸素モル比は大気圧下の等量であるはずの空気のそれよりもずっと大きくなり、結局、酸素が追加されて燃料がずっと大量に燃焼されるようになる。従って、所定規模の発電所では燃焼空気を過給すると発電出力が増大され得る。

長年に渡り、そうした燃焼空気過給機の効率は、所謂インタークーラーシステムを使用することで改善され得るとされてきている。空気は圧縮時に加熱されて高温となるが、圧縮空気中の酸素含有量は、冷えた等量の空気を同圧で圧縮した場合のそれよりも少なくなることから、燃焼空気過給機を用いる場合の第１段階での効率部分、即ち、エンジンに過給される燃焼空気を高密度化する段階で得られる効率部分が失われてしまう。従って、燃焼のためにエンジンに吸気される際に、所定圧力下のずっと冷えた燃焼用空気を過給すれば、エンジン内には同圧下に高温の空気を過給した場合よりもずっと大きな出力が発生され得る。
かくして、燃焼空気過給機（あるいは燃焼空気過給ステージ）を出た後且つエンジンに吸気される以前の空気を冷却して任意の所定圧力下における酸素のモル比を最大化するべく、先に説明したようなインタークーラー、即ち中間冷却器が用いられた。

インタークーラーは、従来からの矩形状形状の熱交換器として用いられ、エンジン冷却液を冷却するために使用する通常の熱交換器と並べて、あるいはその前方あるいは後方に取付けられる。こうした配列構成によれば圧縮された燃焼空気は充分に冷却されるが、例えば自動車におけるような、エンジンと、冷却用の様々の熱交換器とを共に格納するエンジン画室内では、入手し得る寸法及び容積に関わる特定の制約が生じ得る。またこの場合では、ターボチャージャー、インタークーラーと、エンジンの燃焼空気入口との間を連結する長いホースを使用する必要もあるが、燃焼空気が低密度であり従って大容積であることからホース径を比較的大きくする必要がある。

従って、燃焼空気過給機そのものの内部にインタークーラーを組み込むことにより、ずっとコンパクトな燃焼空気過給及び中間冷却システムを提供するのみならず、大きくて嵩張る連結ホース部分の使用を可能な限り回避することが提案された。この場合目標とされたのは、中間冷却用の熱交換器を燃焼空気過給器内に、保守が容易で、配管結合部が最小で、燃焼空気過給機の容積を無用に増大させないような状態下に組み込むことである。
本発明は、エンジン用の燃焼空気過給器内に位置付けようとする場合に生じる中間冷却用の熱交換器におけるこうした問題を有益に解決する燃焼空気過給機用の、内側に取り付けた半径流インタークーラーを提供することを志向するものである。

解決しようとする課題は、様々の任意の用途で使用するための、冷却され、圧縮された空気を提供するために使用する、冷却を伴う新規且つ改善された回転圧縮機を提供することである。
解決しようとする他の課題は、既存の同種のシステムよりもずっとコンパクトで保守が簡単であり及びあるいは、システム上使用するエンジンに連結する配管量が最小の、内側にインタークーラーを備える改善された燃焼空気過給装置を提供することである。

本発明の１様相によれば、その１実施例において上記課題の１つ以上を解決する回転装置であって、少なくとも１つのコンプレッサホイールを取り付けた回転シャフトと、コンプレッサホイールを収納し且つコンプレッサホイールへの入口と、ハウジング出口とを有するハウジングと、を含む回転装置が提供される。ハウジング内の、コンプレッサホイールとハウジング出口との間には熱交換器が配置される。熱交換器は、実質的に半径方向に伸延するガス流路と、コンプレッサホイールと流体連通するガス入口と、ハウジング出口と流体連通するガス出口と、を含む。熱交換器には、ガス流路と熱交換関係を有する状態下に、実質的に軸方向に伸延する冷却材流路が設けられる。熱交換器は、前記各流路を収納し且つ前記回転シャフトと実質的に同中心のドーナツ形状のコアを有する。

好ましい実施例ではガス流路は半径方向内側に配向され、その断面積の大きさはガス入口からガス出口にかけて漸減される。この漸減は、所望により段階的あるいは漸次的なものであり得る。
１実施例ではコアは、コンプレッサホイールの半径よりも大きい半径を有する中心開口を含み、かくして、熱交換器はコンプレッサホイールを軸方向に滑らせることでハウジング内での取付け位置から取り外すことができる。

本発明の他の実施例において、ドーナツ形状のコアは、複数の独立セグメントから作製され、その中心開口の半径はコンプレッサホイールの半径よりも小さい。この実施例では熱交換器の保守に際し、コアはこれらのセグメントを１つづつ取り外すことにより取り出される。
本発明の他の実施例では、熱交換機内へのガス入口は、ガス出口に関して半径方向外側の位置に位置付けられる。
非常に好ましい実施例において、熱交換器はドーナツ形状のコアを有し、このコアが、回転シャフトと同中心の中心開口を有し、コアの半径方向外側の周囲部分がガス入口を画定する。ハウジングの出口はコアの半径方向内側の周囲部分により画定される。コア内の冷却材流路は、コアの側部から側部にかけて、全体に軸方向に伸延される。

本発明の他の様相によれば、回転装置内のインタークーラーとして使用するための熱交換器にして、全体に円筒形状のコアを含み、該コアが、回転装置の回転構成部品を受けるようになっている円筒形状の開放中心部を有している。

熱交換器のコアは、この開放中心部の周囲に間隔をおいて環状に配列した、軸方向に細長の管構造からなる少なくとも１つの円形状管列により画定される。前記少なくとも１つの円形状管列は、コアの各端部間を貫いて軸方向に伸延する半径方向内側及び半径方向外側の各冷却材流路と、コアの半径方向外側の周囲部分から前記開放中心部に伸延して、全体に各前記管構造間で半径方向に伸延する空気側方流路を画定するフィンとを画定する。コアの一端には環状トラフ形状の入口／出口ヘッダが嵌装される。入口／出口ヘッダは、前記半径方向外側の冷却材流路と流体連通する環状の半径方向外側セクションと、前記半径方向内側の冷却材流路と流体連通する環状の半径方向内側セクションとを有する。環状トラフ形状の、流れ再配向用ヘッダがコアの、前記入口／出口ヘッダを嵌装した側と反対側の端部に嵌装され、前記半径方向内側及び外側の各流路の何れとも流体連通される。前記環状トラフ形状の入口／出口ヘッダには、前記環状の半径方向外側セクション及び環状の半径方向内側セクションの一方と流体連通する雄形状の入口ポートと、前記各セクションの他方と流体連通する軸方向の雄形状の出口ポートが配置される。

好ましい実施例において、環状トラフ形状の入口／出口ヘッダは前記環状の半径方向外側セクション及び環状の半径方向内側セクションを分離する環状のバッフルを含む。
好ましい他の実施例において、前記円形状管列が少なくとも２列設けられ、一方の列が半径方向外側の冷却材流路を画定し、他方の列が半径方向内側の冷却材流路を画定する。
好ましい他の実施例において、各円形状管列が半径方向内側流路及び半径方向外側流路に分割される。
本発明の１実施例では、円形状管列が楔状断面を有し且つ半径方向外側の比較的幅広の端部と、半径方向内側の比較的狭幅の、離間する側壁と接触する端部とを有する。
他の実施例において、円形状管列をなす管構造に隣り合う側壁は相互に向き合い、これら相互に向き合う各側壁は全体に平行である。
前記向かい合う各側壁間に蛇行フィンを位置付け、管構造を管で形成することが好ましい。

本明細書で説明する実施例は特に２ステージターボチャージャー形状態での燃焼空気過給機として説明されるが、本説明は例示目的上のものであって燃焼空気過給機あるいはターボチャージャー、若しくはステージ数を限定しようとするものではない。例えば、シングルステージ型ターボチャージャーで有効に使用し得、シングルあるいはマルチステージ型スーパーチャージャーでも使用することができる。同様に、本発明は、ガスをコンプレッサホイールにより圧縮する冷却が含まれることが望ましい用途での、回転してガスを圧縮するコンプレッサホイールをシャフト上に備える任意の回転装置で使用することが可能である。

図１を参照するに、本発明の１実施例が示され、全体を番号１０で示され少なくとも２つの分離自在のセクション１２及び１４から形成したハウジングとを有している。ハウジング１０の内部には、図示しない任意の好適なベアリングにより回転シャフト１８がジャーナル軸受される。例示した実施例ではこの回転シャフト１８は、第１コンプレッサホイール２０と、第２コンプレッサホイール２２と、タービンホイール２４とを含み、タービンホイール２４は結局、図示されないハウジング内に位置付けられる。タービンホイール２４は内燃機関からの排気により矢印２６の方向に駆動され、回転シャフト１８を回転させる。使用された排気はタービンホイール２４から矢印２８の方向に排出される。

セクション１２は周囲空気入口３０を含み、セクション１４は矢印３２で概略示す圧縮空気出口を含む。周囲空気入口３０は第１コンプレッサホイール２０の入口側に位置し、圧縮空気出口３２は第２コンプレッサホイール２２の出口側の、番号３４で概略例示するボリュートからの出口を構成する。
本発明に従う熱交換器３６はセクション１２及び１４の内部に収納される。セクション１２及び１４は取り外し自在の、概略例示されるファスナ３８により相互に連結される。熱交換器３６はドーナツ形状あるいはリング形状を有し、熱交換器３６を通る空気の通路のための空気入口を画定する円筒状表面をなす半径方向外側周囲部分４０を含んでいる。円筒状表面をなす半径方向内側周囲部分４２が熱交換器３６のための空気出口を形成する。

熱交換器の各側部には全体を番号４４で示す第１入口／出口ヘッダ及びタンクが、熱交換器３６の、セクション１４内に位置付けられる熱交換器３６の側部に設けられ、熱交換器３６の、セクション１２の内部に位置付けられる側部には、全体を番号４６で示す再配向用のヘッダ及びタンクが設けられる。セクション１４内の、ボリュート３４の一方側で且つボリュート３４の半径方向外側部分の半径方向内側には冷却材マニホルド４８が位置付けられる。冷却材マニホルド４８は内側ウェブあるいはバッフル５０により、半径方向内側冷却材マニホルドセクション５２と、半径方向外側冷却材マニホルドセクション５４とに分割される。この実施例では、半径方向内側冷却材マニホルドセクション５２に向けて伸延する矢印５６で概略例示する冷却材入口と、半径方向外側冷却材マニホルドセクション５４から伸延する矢印５８によって概略例示する冷却材出口とが設けられる。今後詳しく説明する特定の構造により、内燃機関用の冷却材の如き冷却材が冷却材入口５６を通して流入し、次いで半径方向内側冷却材マニホルドセクション５２を通り、第１ヘッダ及びタンク４４の半径方向内側部分の位置でこの第１ヘッダ及びタンク４４に流入し、熱交換器３６を貫いて軸方向に流れ、再配向用のヘッダ及びタンク４６に入り、かくして流れ方向が逆転され、次いで熱交換器３６の半径方向外側部分を通して流れ、第１ヘッダ及びタンク４４に戻る。第１ヘッダ及びタンク４４に戻った冷却材は第１ヘッダ及びタンク４４から半径方向外側冷却材マニホルドセクション５４に入り、冷却材出口５８から排出される。冷却材のこの流れは一連の矢印６０、６２、６４により示される。

ターボチャージャーを通る空気流れは以下のようなものである。周囲空気入口３０から周囲空気が入り、第１コンプレッサホイール２０の内側に送られる。第１コンプレッサホイール２０がタービンホイール２４により駆動されるとこの周囲空気が圧縮されて圧縮空気となり、次いで矢印６６で示すように第１コンプレッサホイール２０から排出される。次いで、圧縮空気はセクション１２と熱交換器３６との間の環状空間６８にして、部分的には前記再配向用のヘッダ及びタンク４６と、この再配向用のヘッダ及びタンク４６から半径方向内側に伸延する半径方向バッフル７０と、この半径方向バッフル７０の半径方向最内側部分から伸延して、前記セクション１２の、第１コンプレッサホイール２０に隣り合う図示しない一部分に取り付けられる軸方向バッフル７２とによって画定される環状空間６８（この環状空間６８内には好都合には、図示されないディフューザーが位置付けられる）を通して半径方向外側に流動する。

熱交換器３６の半径方向外側周囲部分４０はセクション１２及び１４から半径方向内側に離間され、かくして、第１コンプレッサホイール２０により圧縮された圧縮空気は矢印７４で示すように再配向され、半径方向外側の円筒形状表面４０の半径方向外側の位置で熱交換器３６に流入する。熱交換器３６に流入した圧縮空気は半径方向内側に流動し、先に説明したように熱交換器３６を軸方向に貫く冷却材により冷却される。次いで、冷却された圧縮空気は矢印７６で示すように熱交換器３６から排出されて第２コンプレッサホイール２２の内側に入り、そこで更に圧縮された後、第２コンプレッサホイール２２を出、矢印７８で示すようにボリュート３４に入る。次いで圧縮空気は圧縮された燃焼空気としてボリュート３４から排出されて内燃機関に入り、かくして内燃機関における燃焼を支える。所望であれば第２コンプレッサホイール２２と内燃機関との間に追加の冷却ステージを設けることができる。あるいは、先に説明したように、シングルステージ型のターボチャージャーであれば、第２コンプレッサホイール２２を省略し、熱交換器３６の半径方向内側周囲部分４２から排出される空気をボリュート３４内に直接排出させることができる。

かくして本実施例の特徴の１つには、熱交換器の半径方向内側周囲部分４２の直径が、図１に示す如く第１コンプレッサホイール２０の外径よりも大きいことが含まれる。従って、ファスナ３８を取り外してセクション１２をセクション１４から分離させると、熱交換器３６は図１で左側に且つ第１コンプレッサホイール２０を中心として摺動した保守準備状態となる。つまり、熱交換器３６を取り外し得るようにするためには、第１コンプレッサホイール２０を回転シャフト１８から取り外す必要がない。
空気及び冷却材のための配管の大半はターボチャージャー自体の内部に格納されるので組み立て状態はコンパクトであり、配管損失も最小化される。例えば、コンプレッサと、外側の熱交換器とを連結する直径の大きい外側ホースの使用は完全に回避される。

図２を参照するに、本発明の１実施例における熱交換器３６が示され、全体を番号８０で示されヘッダ及びタンク４４及び４６に挟まれた熱交換器コア（以下、単にコアとも称する）を含んでいる。ヘッダ及びタンク４４は環状あるいはリング形状のトラフ形状を有し、その底部８２が半径方向外側側壁８４及び半径方向内側側壁８６で囲まれ、これらの半径方向外側側壁８４及び半径方向内側側壁８６は、夫々半径方向外側周囲部分４０及び半径方向内側周囲部分４２の位置でコア８０と接触し且つコアにシールされる。トラフの内部には、前記底部８２の半径方向外側部分に位置付けた円筒形状の管形状態の出口ポート９０を、底部８２の半径方向内側部分に位置付けた円筒形状の管形状態の入口ポート９２から分離する環状のバッフル８８が配置される。所望であれば、出口ポート９０及び入口ポート９２の幾つかをヘッダ及びタンク４４の周囲の、好ましくは等角度間隔の位置に設け得る。

コアは、図２に例示されるように複数のリング状のプレートフィン９４からなり、各プレートフィン９４には、図２に例示されるように４列に配置した、軸方向に細長の管９６を受けるために好適な長孔が設けられる。プレートフィン９４のようなプレートフィンを用いる場合、各プレートフィン９４の、管９６を受ける開口あるいは長孔は各管と同じ断面を有し、また、熱交換を増長させるべく管と機械的に密着するような構成とされる。プレートフィン９４と管９６とを相互に固定するためにハンダあるいはろう接金属を使用しても良い。各管９６は、後で説明するように、一般に、本来全体的に楕円の、あるいは楔形状の断面を有する平坦なタイプのものである。蛇行フィンを用いる構成では楔形状の断面のものが好ましいが、プレートフィンあるいは蛇行フィンの何れを用いる構成においても平坦な管を使用することができる。

ヘッダ及びタンク４６は同じく環状リング形状のトラフ形状を有し、その底部１００がコア８０の半径方向内側及び半径方向外側の各位置でそれぞれ側壁１０２及び側壁１０４で囲まれ且つこれらの側壁に結合され且つシールされる。かくして、入口ポート９２に流入した冷却材は、半径方向内側の２つの管９６を通して軸方向に送られた後、ヘッダ及びタンク４６に再度流入する。ヘッダ及びタンク４６にはバッフル８８のようなバッフルは設けられないことから、管９６を出てヘッダ及びタンク４６に入る冷却材流れは最も半径方向外側の２つの管９６に移動し、次いで出口ポート９０に戻る。

図２に示されるように、熱交換器３６は３６０°に渡り伸延する単一のリングとして形成されるが、図３に例示されるように、熱交換器３６は番号１０６、１０８、１１０で示すような、湾曲した、複数の独立セグメントに分割することができる。各セグメント１０６、１０８、１１０には出口ポート９０及び入口ポート９２のみならず、プレートフィン９４や、図３では示されない管９６が設けられる。この構成上、所望であればもっと大型の熱交換器を使用することが可能である。図３に示す実施例では特に、半径方向内側周囲部分４２は第１コンプレッサホイール２０の半径よりも小さく、しかも尚、保守容易性が提供され得る。この場合、図１のセクション１２をセクション１４から取り外した後、各セグメント１０６、１０８、１１０を軸方向及び半径方向に組み合わせて個別に移動させることにより１つづつ取り外すことだけが必要になる。

図４には、図２の実施例に冷却材マニホルド４８を組み込んだ状況が例示される。詳しくは、冷却材マニホルド４８は出口ポート９０に整列する半径方向外側ポートあるいは半径方向外側穿孔１１２と、入口ポート９２に整列する半径方向内側ポートあるいは半径方向内側穿孔１１４とを含む。半径方向外側ポート１１２及び半径方向内側ポート１１４の各内部には、出口ポート９０及び入口ポート９２の夫々を摺動自在に且つシール自在に受けて熱交換器３６を冷却材マニホルド４８にシールする管状のハトメあるいはシール１１６が設けられる。かくして“プラグイン”指標が提供されるので、ターボチャージャーへのあるいはターボチャージャーからの熱交換器３６の取り付け及び取り外しが容易化される。熱交換器３６が、冷却材マニホルド４８の位置でハウジングに固定されるが、その他の位置ではターボチャージャーハウジングに固定されないことが重要である。結局、熱交換器３６はハウジング１０の内部で軸方向に膨張し得るので、エンジンを駆動し、停止し、また駆動する場合におけるように、熱交換器が使用され、停止され、再度使用されるといった場合の熱サイクルにより発生する応力が最小化される。

図５には、熱交換器３６を複数のセグメント化した実施例におけるセグメントの１つだけが例示され、プレートフィン９４が、ヘッダ及びタンク４４及び４６の一方におけるヘッダープレート１２０が、２列の管９６のみを受けるべく孔開けされている。管９６の各列は、ヘッダ及びタンク４４のバッフル８８と整列する非孔開け部分１２２により分離される。図５及び図６に示されるように、各管９６は楔状断面を有し且つ、比較的小さい半径方向内側端部１２８と、比較的大きい半径方向外側端部１３０との間を伸延し且つ、これら各端部に連結した離間する平坦な側部１２４及び１２６を有する。各管列における管数は同じである。

図６及び図７の実施例では、前記楔状断面を有する各管列の隣り合う各１つの管９６における相対する前記平坦な側部１２４及び１２６が相互に平行であることから蛇行フィン１２６が使用され得る。蛇行フィンの使用は、従来の蛇行フィンを改変することなく用い得ることから多くの場合において望ましく、他方、プレートフィンを使用する場合には特殊工具が必要となると同時に、所定の用途上重要なのであれば、所望の流れ特性を実現させるためには各管９６の外側断面を多少変化させることになる。

図６に示すように、管９６は、蛇行フィンあるいはプレートフィンの各構成の何れの場合でも、所望であればスタガー配列、つまり半径方向内側の管列の各管９６が半径方向外側の管列の蛇行フィンあるいはプレートフィン１２６と整列する配列あるいはその逆の配列とさせ得る。こうすると、コア８０を通る空気流れ通路のねじれの度合いが増し、かくして熱伝達が増長され得る。
高圧用途では各管は、高圧の影響でこれらの管が“丸く”ならないようにするための、ウェブにより分離した複数の流路を有し得る。この問題はプレートフィンを用いる場合は生じないが、蛇行フィンを使用する場合には生じ得る。

例えば図８に示す管を使用して単一の管列を提供させ得る。図８の管は、押し出し成型され、楔状断面を有し、管内部が単一のウェブ１３４により半径方向内側流路１３６と、半径方向外側流路１３８とに分離されている。ヘッダ及びタンク４４は、バッフル８８によって半径方向内側流路１３６及び半径方向外側流路１３８内の流れが分離されるよう、バッフル８８がウェブ１３４と整列するような形状態のものとされる。
ウェブ１３４は、半径方向内側流路１３６と、半径方向外側流路１３８とにおける各断面が同じになるように図８で右側から左側に偏倚される。

所望であれば図９に示すような管を用い得る。この管もやはり楔状断面を有し、押し出し成型したものであり得る。図９の管には、耐圧性を向上させるための、ウェブ１４２により分離した一連の半径方向内側流路１４０と、同じくウェブ１４２により分離した一連の半径方向外側流路１４４とが設けられる。各半径方向内側流路１４０及び半径方向外側流路１４４は、これら各半径方向内側流路１４０内の冷却材速度及び半径方向外側流路１４４内の冷却材速度が合致するよう、同じ断面積を有する。半径方向内側流路１４０と半径方向外側流路１４４とは、バッフル８８と整列するようにした小素材部分１４６により分離され得る。

以上説明した各実施例では蛇行フィンを使用可能とするために楔形状断面の管が使用されるが、プレートフィンを使用することも可能である。先にも言及したように、蛇行フィンは容易に入手し得、本発明に従う熱交換器において改変することなく作製し得る。一般に、高圧用途では押し出し成型管が必要とされるが、低圧用途では、平坦、ディンプル付き、あるいはＩ型（ｒｏｌｌｅｄ）の各形状態を有し、管の内側壁に結合する可変高さのインサートを有する楔状の管、あるいは、一定高さのインサートを備える類似の平坦な管を用いることができる。実際上は、従来から理解されるものとしての管を使用する必要は全くない。プレートフィンを使用する場合、開口部の周囲の、管の一部として作用する各プレートフィンに、隣り合うプレートフィンの整列する開口内に入れ子され且つシールされるフランジを設けることができる。かくして、管として作用する一体化した導管を有するプレートフィン積層体により管構造が提供される。この構造は本発明の一部を構成するものではなく且つ斯界に既知のものであり、単にここで説明するような管に代替され得るものとして説明されたものである。

内側及び外側の各管列をなす各管の外側断面積が同じである場合、図６から理解されるように、外側の管列のフィン高さの方が高くなり、従って、外側の管列のフィンにおける空気側の表面積が増大されるので熱交換器の性能が改善される。
他方、半径方向外側の管の断面積を大きくすることで隣り合う各管間の間隔を同じにすると、全ての管列において同じ高さのフィンを使用することができる。この場合、各管の半径方向外側の部分における冷却材の流れ面積が増大し、熱交換器の冷却材側での性能が低下するが、この点は図９の管を用いることで解決することができる。

図１０〜１２には、使用し得るその他の管及びフィン構成が例示される。図１０には、その１枚のみを示すプレートフィン１５０が、平坦な管９６を含む、番号１５２及び１５４で夫々全体を示す内側管列及び外側管列を有している。外側の管列１５４の管９６の数は内側の管列１５２のそれと同じとし得、内側の管列１５２の各管は外側管列１５４の各管に関してスタガー配列されている。詳しくは、内側の管列１５２の各管９６は外側の管列１５４の隣り合う２つの管９６の間隔部分と整列し、かくして、圧縮空気がプレートフィン１５０と各管９６とを通過する際の捻れた流路が提供される。

更には、各管９６の主軸線１５３は、これを延長した場合にコアの中心１５５を通るのではなく、コアの中心１５５と同中心の図示しない円に接する。周知の如く、図１に第１コンプレッサホイール２０として示されるような回転圧縮機はその性質上、圧縮空気をその円周方向、例えば図１０で矢印１５６で示す方向に旋回させるのみならず、図１の半径方向外側周囲部分４０に沿ってコアの軸方向にも移動させる。各管９６は矢印１５６の方向に旋回する空気流れ方向に対向するように傾斜されるため、ガスは各管９６間の空間に円滑に移行され、かくしてガス流れの変向による損失が最小化される。

図１１には内側の管列１５２の各管９６が外側の管列１５４の各管９６と整列される点以外は図１０に示す実施例と同じである管及びプレートフィン配列形状式が示される。
図１２には、全体を番号１６０で示す単一の管列を有するプレートフィン１５０を用いる更に他の実施例が示される。この実施例の場合、管列１６０の各管９６は、図８及び図９に関連して例示及び説明した実施例におけるような多数のチャンネルを備えた平坦管であり得る。また、各管９６は矢印１５６方向に旋回する空気流れ方向に対してやはり対向するように傾斜される。

図６、図７、及び図１０〜図１２に例示されるように、コアを通るガス流路の断面積はコアの半径方向外側周囲部分４０から半径方向内側周囲部分４２に向けて漸減される。この漸減は、図６及び図７の実施例では、図７から明らかなように内側の管列のフィン高さと外側の管列のフィン高さとが相違することによるものである。この実施例でも楔形状の管が使用されるのは言うまでもない。

平坦な管９６を用いる、本発明で使用し得る図１０〜図１２に示す実施例の場合、各管９６の主軸線１５３どうしが収斂して順次重なることから、各管の側壁どうしも、コアの半径方向外側周囲部分４０から半径方向内側周囲部分４２に向けて移動させた場合には収斂して順次重なる。従って、圧縮空気が熱交換器３６の内部で冷却される場合における如く、コアの半径方向外側周囲部分４０から半径方向内側周囲部分４２に向けて好ましく流れる場合、圧縮空気はより高密度化され、熱交換器３６内の容積の小さい部分に流動するに従い体積が減少される。本発明のこの特徴により、熱交換器３６を通る際の圧縮空気の速度が維持されるようになることから、圧力降下を無用に増大させる必要無く熱交換効率が増長される。仮に圧縮空気が一定断面積のガス流路を通して流動するようにした場合は、熱交換器３６を通る圧縮空気流れの速度は圧縮空気が冷却されるに従い漸次低下し、熱交換効率は低下する。本発明の前述した特徴によれば、圧縮空気速度は所望の水準に維持され、熱交換効率は増大される。

圧縮空気の速度低下が関心事項ではない場合、前記断面積は、例えば、楔形状断面の管を用い、隣り合う各管の隣り合う側面を相互に平行となるようにし、半径方向内側管列の管数を半径方向外側の管数よりも少なくすることにより一定にすることが可能である。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。コアを通るガス流路の断面積の減少は、図６及び図７に例示した構造におけるように段階的に、若しくは図１０〜図１２の実施例におけるような、コアの半径方向外側周囲部分４０から半径方向内側周囲部分４２にかけての断面積を漸減させるように漸次的に実施され得る。
管９６を傾斜させて変向損失を減少させ、かくして圧力低下を減少させる、平坦な管を用いて例示した本発明の特徴は、楔形状断面を有する管を用いることによっても達成することができるものである。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

本発明に従う燃焼空気過給機の断面図である。本発明で使用する１形状態における熱交換器の斜視図である。本発明で使用する別態様の熱交換器の斜視図である。燃焼空気過給機に組み込んだ状態での図２の熱交換器の部分拡大断面図である。本発明で使用し得るフィン構造の１形状式を例示する斜視図である。好ましい形状態のフィン構造を有する別態様の図５のフィン構造と類似のフィン構造を例示する斜視図である。図６を線７−７に沿って切断した概略拡大断面図である。本発明で使用し得る管の１形状式を例示する拡大断面図である。別形状式の管を示す図８と類似の拡大断面図である。平坦な管と、プレートフィン構造とを例示する、図７と類似の概略拡大断面図である。相互に整列した隣り合う管列を示す、図８と同様の拡大断面図である。プレートフィン構造における、平坦な断面を有する単一の管列を示す、図８及び図１１と同様の拡大断面図である。

符号の説明

１０ハウジング
１２、１４セクション
１８回転シャフト
２０第１コンプレッサホイール
２２第２コンプレッサホイール
２４タービンホイール
３０周囲空気入口
３２圧縮空気出口
３４ボリュート
３６熱交換器
３８ファスナ
４０半径方向外側周囲部分
４２半径方向内側周囲部分
４４、４６ヘッダ及びタンク
４８冷却材マニホルド
５０バッフル
５２半径方向内側マニホルドセクション
５４半径方向外側マニホルドセクション
５６冷却材入口
６８環状空間
７０半径方向バッフル
７２軸方向バッフル
８０コア
８２底部
８４半径方向外側側壁
８６半径方向内側側壁
８８環状バッフル
９０出口ポート
９２入口ポート
９４プレートフィン
９６管
１００底部
１０２、１０４側壁
１０６、１０８、１１０セグメント
１１２半径方向外側ポート
１１４半径方向内側ポート
１２４、１２６側部
１２６蛇行フィン
１２８半径方向内側端部
１３０半径方向外側端部
１３４ウェブ
１３６、１４０半径方向内側流路
１３８、１４４半径方向外側流路
１４６小素材部分
１５０プレートフィン
１５２内側の管列
１５４外側の管列
１５３主軸線
１５５コアの中心
１６０管列

Claims

軸線の周囲を回転自在のシャフトと、該シャフト上のコンプレッサホイールと、前記シャフトをジャーナル軸受するハウジングにして、前記コンプレッサホイールを格納し且つ該コンプレッサホイールへの入口と、ハウジング出口とを有するハウジングと、を含む回転装置であって、
前記ハウジングの内部で前記軸線の周囲に該軸線と全体的に同中心に配置したドーナツ形状あるいはトロイド形状の熱交換器コアにして、コンプレッサホイールからの出口と流体連通する半径方向外側のガス入口と、前記ハウジング出口と流体連通する半径方向内側のガス出口とを有する全体的に半径方向のガス流路を有し、該ガス流路と熱交換関係を有する冷却材流路を更に有し、前記ガス流路が、ガスが前記冷却材流路内の冷却材によって冷却されることにより高密度化されるに従う熱交換器コア内での所望されざるガス速度低下を回避するために、前記ガス出口に近い方の断面積が小さい熱交換器コアを含む回転装置。
ガス流路の断面積が段階的に減少される請求項１の回転装置。
ガス流路の断面積がガス流路のガス入口からガス出口にかけて漸減される請求項１の回転装置。
回転自在のシャフトと、該シャフト上の少なくとも１つのコンプレッサホイールと、前記コンプレッサホイールを格納し且つ該コンプレッサホイールへの入口と、ハウジング出口とを有するハウジングと、を含む回転装置であって、
ハウジング内で前記コンプレッサホイールとハウジング出口との間に位置付けた熱交換器にして、実質的に半径方向長さに伸延され且つ前記ホイールコンプレッサと流体連通するガス入口と、ハウジング出口と流体連通するガス出口とを有するガス流路を有し、前記シャフトの周囲の且つ該シャフトと同中心の中央開口を備えるドーナツ形状の熱交換器コアを有し、前記ガス入口が該熱交換器コアの半径方向外側の周囲部分によって画定され、前記ガス出口が熱交換器コアの半径方向内側の周囲部分によって画定され、該熱交換器コアの全体に側部から側部にかけて伸延する冷却材流路を有し、各冷却材流路が共通の入口及び出口を有し、該共通の入口及び出口が、熱交換器コアの同じ側に位置付けられ且つ複数の、湾曲状の別個のセグメントから成る各円形のタンクによって画定される熱交換器を含む回転装置。
回転自在のシャフトと、該シャフト上の少なくとも１つのコンプレッサホイールと、前記コンプレッサホイールを格納し且つ該コンプレッサホイールへの入口と、ハウジング出口とを有するハウジングと、を含む回転装置であって、
ハウジング内で前記コンプレッサホイールとハウジング出口との間に位置付けた熱交換器にして、有意の半径方向長さを有し且つ前記ホイールコンプレッサと流体連通するガス入口と、ハウジング出口と流体連通するガス出口とを有するガス流路を有し、前記シャフトの周囲に該シャフトと同中心の中央開口を備えるドーナツ形状の熱交換器コアを有し、前記ガス入口が該熱交換器コアの半径方向外側の周囲部分によって画定され、前記ガス出口が熱交換器コアの半径方向内側の周囲部分によって画定され、該熱交換器コアの全体に側部から側部にかけて伸延する冷却材流路を有し、各冷却材流路が共通の入口及び出口を有し、該共通の入口及び出口が熱交換器コアの同じ側に位置付けられ且つ各円形のタンクによって画定され、各円形のタンクが、前記ハウジングにおける軸線方向に配向したポートと整列自在の軸線方向に配向したポートを有し、タンク及びハウジングの各前記ポートが、合致する、シールされた雄／雌構造にして、前記熱交換器コアの前記共通の入口を設けた側と反対の側をがハウジングに関して軸線方向に移動させ得るようにする雄／雌構造を有し、前記熱交換器コアがハウジングに取り外し自在に固定される熱交換器を含む回転装置。
中央開口の半径がコンプレッサホイールの半径よりも大きい請求項５の回転装置。
中央開口の半径がコンプレッサホイールの半径よりも小さい請求項５の回転装置。
熱交換器が複数の湾曲セグメントから成り立っている請求項７の回転装置。
回転自在のシャフトと、該シャフト上の少なくとも１つのコンプレッサホイールと、前記コンプレッサホイールを格納し且つ該コンプレッサホイールへの入口と、ハウジング出口とを有するハウジングと、を含む回転装置であって、
ハウジング内で前記コンプレッサホイールとハウジング出口との間に位置付けられ、有意の半径方向長さを有する熱交換器にして、前記ホイールコンプレッサと流体連通するガス入口と、ハウジング出口と流体連通するガス出口とを有するガス流路を有し、前記シャフトの周囲に該シャフトと同中心の中央開口を備えるドーナツ形状の熱交換器コアを有し、前記ガス入口が該熱交換器コアの半径方向外側の周囲部分によって画定され、前記ガス出口が熱交換器コアの半径方向内側の周囲部分によって画定され、該熱交換器コア内を、該コアの全体に側部から側部にかけて伸延する冷却材流路を有し、該冷却材通路が、比較的幅広の半径方向外側端部と、比較的狭幅の半径方向内側端部とを有する、軸線方向に伸延する楔形状断面の細長の管構造により構成した少なくとも１つの円形の管列と、各管構造間を伸延するフィンとにより画定される熱交換器を含む回転装置。
各管構造が、半径方向外側端部と半径方向内側端部との間を伸延する離間した平坦な側部を有し、前記管構造により構成した円形の管列における隣り合う管構造の向かい合う各平坦な側部が相互に平行である請求項９の回転装置。
隣り合う管構造の向かい合うへん平な側部間に、該側部間を伸延し且つ各前記側部に結合した蛇行管を含む請求項１０の回転装置。
各管構造が少なくとも２つの別個の流路を有する請求項９の回転装置。
冷却材通路の、管構造から構成した円形の管列を少なくとも２つ含む請求項９の回転装置。
冷却材通路の、管構造から構成した円形の２つの管列の一方が他方に関してスタガー配列される請求項１３の回転装置。
冷却材通路の、管構造から構成した円形の２つの管列における隣り合う各管構造間の間隔において、半径方向外側の管列における前記間隔が半径方向内側の前記間隔よりも大きい請求項１３の回転装置。
圧縮空気を、燃焼空気過給機で使用される以前に冷却するための、回転装置内のガス冷却機として使用するための熱交換器であって、
燃焼空気過給機の回転部品を受けるようになっている円筒形状の中央開口を有する全体に円筒形状のコアを含み、該コアが、
前記中央開口の周囲に離間して環状に配列した、軸線方向に細長の管構造より構成した少なくとも１つの円形の管列により画定され、該少なくとも１つの円形の管列が、コアの各側部間を軸線方向に貫いて伸延する半径方向内側の冷却材流路及び半径方向外側の冷却材流路を画定し、各管構造間にはフィンが伸延され、該フィンが、コアの半径方向外側の周囲部分から前記中央開口にかけて且つ各管構造間を伸延する空気側流路を画定し、
前記コアの一方側には環状トラフ形の入口／出口ヘッダ及びタンクが嵌装され、該入口／出口ヘッダ及びタンクが、半径方向外側の冷却材通路と流体連通する環状の半径方向外側セクションと、半径方向内側の冷却通路と流体連通する環状の半径方向内側セクションとを有し、
前記コアの他方側には環状トラフ形の流れ再配向用のヘッダ及びタンクが嵌装され、該流れ再配向用のヘッダ及びタンクが、前記半径方向外側の冷却材通路及び環状の半径方向外側セクションと流体連通され、
前記環状トラフ形の入口／出口ヘッダ及びタンクが、前記環状の半径方向外側セクション及び環状の半径方向内側セクションの一方と流体連通する軸線方向の雄型の入口ポートと、前記環状の半径方向外側セクション及び環状の半径方向内側セクションの他方と流体連通する軸線方向の雄型の出口ポートとを有する、
熱交換器。
環状トラフ形の入口／出口ヘッダ及びタンクが、前記環状の半径方向外側セクション及び環状の半径方向内側セクションを分離する環状のバッフルを含む請求項１６の熱交換器。
少なくとも２つの円形の管列を含み、一方の円形の管列が半径方向外側の冷却材流路を画定し、他方の円形の管列が半径方向内側の冷却材流路を画定する請求項１６の熱交換器。
各管構造が、分割された半径方向内側流路及び半径方向外側流路を有する請求項１６の熱交換器。
各管構造が楔形状を有し且つ半径方向外側の比較的幅広の端部と、管構造の離間した各側壁により該比較的幅広の端部と結合される比較的狭幅の半径方向内側の端部とを有する請求項１６の熱交換器。
隣り合う各管構造の各側壁が相互に向かい合い且つ全体的に平行である請求項２０の熱交換器。
各管構造の向かい合う各側壁間に蛇行フィンが位置付けられる請求項２１の熱交換器。
各管構造が管である請求項１６の熱交換器。
回転自在のシャフトと、該シャフト上の少なくとも１つのコンプレッサホイールと、前記コンプレッサホイールを格納し且つ該コンプレッサホイールへの入口と、ハウジング出口とを有するハウジングと、を含む回転装置であって、
ハウジング内で前記コンプレッサホイールとハウジング出口との間に位置付けた熱交換器にして、有意の半径方向長さを有し且つ前記ホイールコンプレッサと流体連通するガス入口と、ハウジング出口と流体連通するガス出口とを有するガス流路を有し、前記シャフトの周囲に該シャフトと同中心の中央開口を備えるドーナツ形状の熱交換器コアを有し、前記ガス入口が該熱交換器コアの半径方向外側の周囲部分によって画定され、前記ガス出口が熱交換器コアの半径方向内側の周囲部分によって画定され、前記コア内を該コアの全体に側部から側部に伸延する、冷却材用の管構造を有し、該管構造が、ガスの圧力低下を減少させるために、前記シャフトの回転軸線を貫いて伸延する半径方向の直線に関し、前記コンプレッサホイールを出るガスの旋回方向とは逆方向に傾斜される回転装置。
各管構造が、半径方向内側及び外側の、少なくとも２つの管列を構成し、２つの管列の一方がガス入口として作用し、他方がガス出口として作用し、前記２つの管列の一方が、コンプレッサホイールを出るガスの旋回方向とは逆方向に傾斜された管構造を含んでいる請求項２４の回転装置。
２つの管列が共に、コンプレッサホイールを出るガスの旋回方向とは逆方向に傾斜された管構造を含んでいる請求項２５の回転装置。