JP2007506026A - 成形ディスク板熱交換器 - Google Patents

Abstract

内部中間冷却におけるコンパクトな回転圧縮機ユニットは、回転軸（１０）を含み、少なくとも一つの圧縮機ホイール（１４、１６）が回転軸（１０）と共に回転するために該軸に取り付けられる。圧縮機ホイール（１４、１６）は、比較的小さい直径の入口端部（１８）と、比較的大きい直径の半径方向排気端部（２０）とを有する。名目上ドーナツ形状の中間冷却熱交換器（４２）は、回転軸（１０）に中心がおかれ、圧縮機ホイールから圧縮空気を受け入れてこれを冷却する。両圧縮機ホイール（１４、１６）及び熱交換器（４２）は、ハウジング（２８）に収容される。

Description

本発明は、熱交換器に関し、更に詳しくは、第１流体のための熱交換流体流路を規定する成形ディスク（formed disks）であって、複数ユニットとして積み重ねられ、かつ第２熱交換流体が通過するフィンを挟む成形ディスクからなる熱交換器に関する。

よく知られているように、ガスが圧縮されると、その温度は上昇する。その結果、圧縮ガスは、同じ圧力でより低い温度となる該圧縮ガスほど濃密ではない。

多くの場合、これは特別な問題でない。しかしながら、おそらく、同じくらい、より低濃度のガスが、該ガスが使用されているシステムの性能に望ましくない影響をもたらし得る場合が同じくらい存在する。

後者の一般的な例は、燃料のための酸化体、一般に空気を圧縮するためにスーパーチャージャー又はターボチャージャーを使用する内燃エンジンシステムにある。空気等の圧縮酸化体がエンジンの燃焼室へと送られると、圧縮空気がより多量の酸素を含むため、エンジン出力が高められ得、そのため、より優れた燃料チャージを支え、これが次いで、より高い動力を提供する。

しかしながら、動力量は、圧縮空気が圧縮後でかつ燃焼にさらされる前に冷却されるなら、更に高められ得る。該冷却した圧縮空気は、同じ圧力でより高温の空気チャージよりも多くの酸素を含む。従って、より一層高い動力出力が獲得され得る結果として、より一層優れた燃料チャージが提供され得る。

その結果、このような多くのシステムは、「チャージ空気（吸気）冷却器」としても知られているいわゆる「中間冷却器（インタークーラー）」を有する。これらの装置は、ターボチャージャー又はスーパーチャージャー等によって圧縮された後でかつ燃焼空気がエンジンへと送られる前に該燃焼空気が通過する熱交換器である。該熱交換器において、圧縮空気は、熱を適切な冷却液へと棄てる（移す）ようにされる。冷却液自体は、周囲空気等の空気もしくはエンジン冷却液等の液体冷却剤であり得る。

例えば車両における一般的な据付けにおいて、インタークーラー熱交換器は、該車両に使用される例えばラジエータ、凝縮器、オイルクーラー等の他の熱交換器と積み重ねられ、そのため、これらのような構成要素が一般に収容されるエンジン室の容積要求を増大させる。更には、中間冷却熱交換器は、液体よりはむしろガスを冷却しているので、中間冷却熱交換器が設置されるエンジン室内の位置からの圧縮空気をターボチャージャー又はスーパーチャージャーから該エンジンへと送るためにかなり多くのダクト系統が必要とされ得る。

これらの容積要求は、そのようなシステムの設計者が、車両に対しより空力学的形状を実現するのを妨げ、これは燃料効率の低下につながる。

本発明は、一又は複数の上記問題点を克服することに向けられる。

圧縮機の圧縮ガス出力を冷却するための新規でかつ改良された熱交換器を提供することが本発明の主目的である。内燃エンジンのためのターボチャージャー又はスーパーチャージャーと接続する中間冷却熱交換器の使用に理想的に適しているそのような熱交換器を提供することも本発明の目的である。車両の推進システムに使用するためのそのような中間冷却熱交換器を提供することが、本発明の更なる目的である。

本発明の模範的な実施形態は、軸線の周りに回転可能な軸を有する回転圧縮機を含むシステムにおいて上記目的を実現する。少なくとも一つの圧縮機ホイールは、前記軸と共に回転するために該軸に取り付けられ、比較的小さい直径の入口端部と、比較的大きい直径の半径方向排気端部とを有する。名目上ドーナツ形状の中間冷却熱交換器（以下単に「熱交換器」ともいう。）は、前記軸に中心がおかれ、前記タービンホイール（圧縮機ホイール）と隣接する。熱交換器は、圧縮ガス流路及び冷却液流路を含む、互いに熱交換関係にある複数の熱交換流体流路を有する。冷却液流路は、前記比較的大きい直径と少なくとも同程度の直径の壁によって一部が境界付けされる。ハウジングが圧縮機ホイール及び熱交換器のために設けられ、ハウジングは前記壁と共に、圧縮機ホイールの半径方向排気端部から熱交換器の圧縮空気流路への入口へと延びる圧縮空気誘導スペースを形成する。

好ましい実施形態において、熱交換器は複数組の板を含み、各組の板は、中央に開口があけられ、軸方向に向けられたほぼ円形の（半径方向）外側周壁と、軸方向に向けられたほぼ円形の（半径方向）内側周壁とを有し、該周壁間にはほぼ平坦な領域（平坦領域）が延在する。半径方向に向けられたフランジが、対応する板の前記平坦領域から軸方向に離隔した各周壁にある。各組の板におけるフランジは、冷却液流路の環状流路を規定する扁平な名目上ドーナツ形状のユニットを形成するため、隣接して共にシールされる。板の組は、圧縮ガス流路の半径方向流路を規定するために前記半径方向内外周壁間に延びるフィン構造体と交互に積み重ねられる（積重ね）。

一実施形態において、熱交換器の軸方向各端部にユニットの一つが存在し、一端部ユニットの板の一方の平坦領域が前記壁を形成する。

非常に好ましい実施形態は、各フィン構造体が円周方向に交互となる山と谷を有する円形サーペンタインフィンであることを企図する。該フィンの山は、各フィンが間に配置されるユニットと熱交換熱的接触する。

非常に好ましい実施形態は、各ユニットが、半径方向外側に向けられたタブを含むことを企図する。各ユニットのタブは、積重ね全体にわたって他の各ユニットと位置合わせされる。各ユニットのタブは、サーペンタインフィンを越えて半径方向外側に更に延び、かつ軸方向に延びて互いにシール係合される。二つの開口が各タブに設けられ、積重ねのユニット間の流体連通を確立する。また、流れ遮断部が、半径方向内側周壁とタブの半径方向外側壁との間で、かつ各ユニットの前記二つの開口間の位置において、各ユニットの各板の平坦領域にわたって延びる。

非常に好ましい実施形態において、複数の整流羽根（flow straightening vanes）が、圧縮空気の熱が該羽根に伝え（棄て）られ、次いで、冷却液流路における冷却液へと伝えられるように、前記壁に熱的に結合され、かつ圧縮空気誘導スペースを横切って延びる。

種々の異なる実施形態が開示され、各実施形態は、特定の構成もしくは冷却液流路が特有である。

一のそのような実施形態において、冷却液入口及び出口は、ユニットの一側部から突出するタブ状構造に設けられ、また、熱的に橋渡しする整流羽根が熱交換器の両側部に取り付けられることを可能にする。

別の実施形態において、前記構成は、分流（分割流）による一つの冷却液流路を提供し、入口及び出口は、熱交換器の反対側両側部にあり、該両側部から外側に延びるタブ状構造に設けられる。また、この実施形態は、熱的に橋渡しする整流羽根の熱交換器の両側部に対する取り付けを許容する。

更に別の実施形態において、入口及び出口は、熱交換器の一側部から延びるタブ状構造に設けられ、冷却液流の二つの経路のための配備がなされる。また、熱的に橋渡しする整流羽根が、該冷却器熱交換器の両側部に取り付けられ得る。

更に別の実施形態は、コアを通る空気流に対する障害を低減するように冷却液入口及び出口継手が連結される、高さが低減されたタブ状構造を企図する。また、熱的に橋渡しする整流羽根は、熱交換器の両側部に取り付けられ得る。

更なる実施形態は、空気流に対する入口及び出口構造によるいかなる障害をも除去するため、入口及び出口がドーナツ形状の熱交換器の半径方向外周内から延びることを企図する。この実施形態において、熱的に橋渡しする整流羽根は、熱交換器のいずれかの側部に取り付けられ得る。

更なる実施形態はまた、入口及び出口を、熱交換器の半径方向外周の半径方向内側に置くことにより、完全に妨げられない、熱交換器を通る空気流を提供すると共に、二つの通路を含む冷却液流路を提供する。すぐ直前で述べた実施形態と同様に、この実施形態は、整流羽根がコアのいずれかの側部に取り付けられることを許容する。

他の目的及び利点は、付随図面に関連する以下の詳細な説明から明らかとなろう。

以下の説明において、本発明は、車両の推進システムに使用される内燃エンジンのためのターボチャージャーとの関連で記述される。しかしながら、本発明は、これに限定されないことが理解されるべきである。例えば、本発明は、圧縮機から出る圧縮空気を冷却することが望ましいどのような圧縮機システムにおいても利用され得る。本発明は、多段圧縮機の段間に有効に利用され得、また、車両エンジンで使用されるか否かにかかわらず、スーパーチャージャー並びにターボチャージャーに使用され得る。従って、特許請求の範囲に明確に記載した範囲を除き、特定の環境又は特定タイプの圧縮機システムでの使用に限定することは全く企図されない。

図１を参照すれば、本発明の模範的な実施形態が、回転軸１０を有する圧縮機を含んで例示され、回転軸１０は、軸線１２周りの回転のために適当な手段（図示せず）によって取り付けられる。例示の実施形態において、二つの慣用の圧縮機ホイール（コンプレッサーホイール）１４及び１６が、軸１０と共に回転するために軸１０に取り付けられ、二段圧縮機の第１段及び第２段をそれぞれ形成する。

各圧縮機ホイール１４、１６は、比較的小径の狭い入口端部１８と、圧縮空気を半径方向外側に吐出する比較的大径の吐出端部２０とを有する。

例示の実施形態において、タービンホイール２２もまた軸１０に取り付けられ、例えば、矢印２４が示すように内燃エンジンからの排気ガスを受け入れ得る。この高温の排気ガスは、タービンホイール２２内で膨張し、矢印２６で示すように大気へと排出される。タービンホイール２２に対する該排気ガスの膨張は、タービンホイール２２が軸１０を回転するようにさせ、従って、圧縮機ホイール１４、１６に対する動力源を提供する。

圧縮機ホイール１４、１６は、２８で概略的に示すハウジングに収容され、ハウジング２８は、第１段タービンホイール１４の狭い端部１８に隣接する入口３０を有する。本システムのエンジン内での燃焼のために利用されることとなる空気は、矢印３２で示すように入口３０に入り、ハウジング２８によってタービンホイール１４に対して圧縮されつつ閉じ込められ、最終的に、環状圧縮空気誘導スペース３６を通って伸長する矢印３４で示す半径方向に吐出される。図１に例示するように、スペース３６は、圧縮機ホイール１４の吐出端部２０と整列する半径方向区域３８を有し、半径方向区域３８は、その半径方向外側端で圧縮空気誘導スペース３６の、軸方向に向けられた部分４０と連結する。

ハウジング２８内には、詳しく後述される全体的に４２で示す中間冷却熱交換器がある。図１を参照して、熱交換器４２は、半径方向外側の円筒面４４を有し、円筒面４４は、矢印４５で示すように冷却されるべき圧縮空気のための入口として機能することに十分留意するべきである。入口面４４は、もちろん圧縮空気誘導スペース３６と流体連通し、特に該スペースの軸方向伸長部分４０と流体連通する。

熱交換器４２はまた、ほぼ円筒状の半径方向内側側部４６を有し、該内側側部４６は、熱交換器４２によって冷却された圧縮空気が、第２段タービンホイール１６の入口すなわち狭端部１８へと矢印４８の方向に流れ、これによって更に圧縮され得るように、圧縮空気のための出口として機能する。ハウジング２８は、一回圧縮されて冷却されたガスを第２段タービンホイール１６に対して閉じ込めるための慣用の圧縮機ホイールシュラウド５０を含む。

第２段圧縮機ホイール１６による二回目の圧縮後、圧縮空気は、矢印５２で示すように半径方向外側に吐出され、慣用の渦形室５４に入る。渦形室５４は更に、矢印５６で示すようにエンジン用の燃焼空気取入れ口に連結される。

圧縮工程の効率を最大にするため、上記タイプの回転圧縮機は、タービンホイール１４、１６のようなタービンホイールの吐出端部２０付近に整流板もしくはディフューザ羽根５８を一般に含む。羽根５８は、圧縮空気誘導スペース３６の半径方向伸長部分３８内に配置され、他方、同様の羽根６０は、第２段圧縮機ホイール１６の吐出端部２０の半径方向外側における吐出端部２０と渦形室５４の間に配置される。本発明一実施形態によれば、羽根５８及び６０は、関連する圧縮ホイール１４、１６から出る圧縮空気の熱が羽根５８、６０へと移（放出／廃棄）され、次いで、後に理解されるように熱交換器４２内を循環する冷却液へと移されるように、熱交換器４２に熱的に連結される。

本システムは、熱交換器４２に対する冷却液入口６２、及び熱交換器４２からの冷却液出口６４によって完成する。両口６２、６４は、後に更に詳述される。

次に図２を参照して、熱交換器４２の一実施形態が例示される。熱交換器４２は、熱交換ユニット６６の積重ね（スタック）から構成され、四つの熱交換ユニット６６が図２に示される。望ましい熱交換器４２の能力に応じて、所望によりより多くの又は少ない熱交換ユニットが使用され得る。各ユニット６６は、名目上ドーナツ形状のユニットを形成するように、全体的に６８で示される中央開口を有する二つの円板から組み立てられる。ユニット６６の隣り合う一つ一つの間に、円形フィン構造体７０が配置される。換言すれば、（複数の）ユニット６６及び（複数の）フィン構造体７０が設けられ、ユニット６６はフィン構造体７０と交互となる。

好ましい実施形態において、フィン構造体７０は、交互の山７２と谷７４を有するサーペンタインフィンからなる。山７２は、各フィン構造体７０が挟まれるユニット６６の一側部と熱交換接触で置かれる。一般に、これは、半田付け、鑞付け等の金属結合を含み、場合によっては溶接さえも含む。

山及び谷７２、７４は、半径方向に伸長している点に留意すべきである。従って、これらは、熱交換器４２の入口側すなわち外側面４４から、積重ねの中央開口６８で規定される出口側４６への流路を提供する。

熱交換器４２の外周におけるどの望ましい位置においても、各ユニット６６は、半径方向外側に向くタブ７６を含む。各ユニット６６のタブ７６は位置合わせされ、後に理解されるように、ユニット６６の種々の一つ一つの間に流体連通を提供する。タブは継手７８と第２継手８０を含み、継手７８は、冷却液のための入口（図１の６２）として利用され得、第２継手８０は、冷却液のための出口（図１の６４）として利用され得る。

図２に示す実施形態において、熱交換器４２を形成する積重ねの両端部は、フィン構造体７０によって規定される。この両端部のフィン構造体７０は、その一方については、圧縮空気誘導スペース３６の半径方向伸長部分３８内へと伸長し得、又は、他方のフィン構造体７０については、第２段圧縮機ホイールの吐出端部２０と渦形室５４との間のスペース内へと伸長し得る。これらの位置において、圧縮機ホイール１４、１６の吐出端部を出る圧縮空気は、最も端のフィン構造体７０を通過して、該構造体７０に熱を移す。該熱は、最終的に、ユニット６６を通って流れる冷却液に移される。

図３は、最も端のフィン構造体７０が、熱交換器４２のそれぞれの端部上のディフューザ羽根もしくは整流板５８及び６０に置き換えられている点を除き、図２に示す実施形態とほぼ同様に構成される別の実施形態を例示する。羽根５８及び６０は慣用の構成を有し得、上述したように、一般的に、半田付け、鑞付けもしくは溶接等の金属結合により、ユニット６６に熱的に連結される。

ユニット６６の構造は、図４、５及び６から理解され得、これらに関心が向けられる。

既述したように、各ユニット６６は、二つの金属板８２及び８４からそれぞれ構成される。各板は平坦中央区域８６を有し、平坦中央区域８６は、その半径方向外側すなわち入口側４４で軸方向に向けられた壁８８へと延びると共に、半径方向内側で軸方向に向けられた壁９０へと延びる。各壁８８、９０は、半径方向平坦フランジ９２で終端し、板８２及び８４の各組は、それらのフランジ９２が互いに固定されシールされるように互いに隣接される。一般に、これは、半田付け、鑞付け、もしくは溶接さえによっても実現される。その結果、一般にほぼ円形の流れスペース９４となり、該スペースを通って冷却液が円形冷却液流路を回って入口継手７８から出口継手８０へと流れ得る。

タブ７６において、各二枚の板８２、８４は、ユニット６６の隣り合う一つのタブと隣接するように該板の対応する平坦部分８６から軸方向に離れて延ばされる。この隣接は、図５及び６に示され、９６で示す結果として生じた拡張スペースを形成する板８２及び８４の部分はまた、互いに固定されて上述したタイプの金属結合等によってシールされる。

図５及び６で１００で示す板８２、８４の最も端の板は、タブ７６の領域において無孔であるのに対し、他のすべての板８２、８４は、一組の開口１０２、１０４を含む（図５には、開口１０２のみが示される）。開口１０２、１０４は、互いに整列され、かつ継手７８、８０のそれぞれの一方と位置合わせされる。これにより、ユニット６６間に流体連通を提供する。

冷却液が各ユニットの全周を回って流れ、入口継手７８から出口継手８０へと直接流れることによって回路自体を短絡しないことを保証するため、伸長凹部１０６が、各ユニット６６を構成する各板８２、８４における継手７８、８０間の位置に設けられる。伸長凹部１０６は、タブ７６の半径方向外側縁からユニットの半径方向内側すなわち入口側部４６へとずっと延びる。凹部１０６は互いに隣接され、この位置でシールを与えるために互いに金属結合される。結果として、矢印１０８（図３）で示す入って来る冷却液は、該入口を通って点線矢印１１０の方向に流れ、矢印１１２で示すように継手８０を通って出る。

冷却されるべき空気がフィン構造体７０を通って半径方向に流れている際、直交流（クロスフロー）熱交換レジームが存在する。同じことが、羽根５８、６０を通って流れる圧縮空気に当てはまる。

図７は、図６に示す実施形態に対する別の選択肢である入口及び出口ポート構造を示す。同様の部材が使用される場合、簡潔にするため同じ参照番号が利用される。

図７に例示する実施形態において、板８２は、軸方向下方に向けられた裁頭円錐形状のカラー１２０を有し、カラー１２０は各開口１０２及び１０４で囲まれる。対照的に、各板８４は、上方に向けられた一体の円筒状カラー１２２を有し、カラー１２２は、各開口１０２及び１０４に囲まれる。円筒状カラー１２２の内径は、各カラー１２２が、実質上液密な態様で対応する裁頭円錐形状カラー１２０の一つを入れ子式状に受け入れることができるように選択される。ユニットが鑞付け等の最終組立工程にかけられる際に完全なシールが与えられる。

いくつかの例において、カラー１２０、１２２は、ユニット６６間の望ましい間隔に等しい軸方向長さを有する円形リングもしくはスリーブ１２４で囲まれ得る。これは、裁頭円錐カラー１２０の円筒カラー１２２内への移動を制限することにより、寸法安定性を与えると共に、組立工程中のフィン７０のどのようなつぶれをも回避するためである。

図８及び９は、圧縮機に使用され得る熱交換器の別の実施形態を示す。図８及び９に例示される実施形態は、一つの冷却液流路と、外径から内径への一つの空気流路とを提供すると共に、上述した熱的に橋渡しされる態様で羽根５８及び６０がユニット６６の最も端の両ユニットに取り付けられることを許容するように設計される。図８及び９に示される実施形態は、入口継手７８と出口継手８０との間に分流（分割流）を供給することを企図する。すなわち、流れが、二つの部分周路を入口から出口へとそれぞれ１８０°移動する。このために、各ユニット６６には二つのタブ１３０、１３２が設けられ、タブ１３０、１３２は、互いに円周方向に離隔され、図示の実施形態において互いに直径の反対側にある。この実施形態において、タブ１３０はすべて互いに整列され、また、タブ１３２もすべて互いに整列される。タブ１３０は、ユニット６６の内部に対する入口ポートを収容するための手段として機能する。タブ１３２は、各ユニット６６からの出口ポートを収容する機能を果たす。

図９は、タブ１３０及び入口継手７８を例示するが、同様の構造が出口タブ１３２で使用され得ることが認識されるであろう。ここでもまた、板８４には、開口１０４を囲む円筒カラー１２２が設けられ、板８２には、開口１０４を囲む裁頭円錐カラー１２０が設けられる。入れ子式関係がもたらされる。加えて、個々のユニット６６間の適切なスペースを保証するためにスリーブ１２４が利用され得る。

図１０、１１及び１２は、熱交換器の外径から内径への空気流の一つの通路と、冷却流路の二つの通路とを提供する実施形態を例示する。この実施形態において、積重ねにおける最も端の両ユニット６６にはまた、羽根５８もしくは６０が設けられ得る。各ユニット６６は、図１０及び１１に見られるように、いくぶん伸長した半径方向外側に向けられた単一のタブ１４０を有する。各タブはまた、冷却液流路のための入口及び出口と関連した開口１０２、１０４をそれぞれ有するが、入口及び出口開口１０２、１０４は、図１〜７の実施形態のように円周方向に離隔するのではなく、タブ１４０の長手において半径方向に離隔する。

更に、各板８２、８４には、図１１に例示するパターンで円周方向に延びるリブ１４２が設けられる。リブ１４２は、各ユニットの軸方向に向けられた半径方向内側壁９０と、ユニットの軸方向に向けられた半径方向外側壁８８との間に配置される。図１２から分かるように、これらリブ１４２は、これらのユニットが組み立てられた際に隣接し、これにより流れ誘導部（流れ誘導器もしくはフローディレクター）を形成する。図示の構成において、リブ１４２は、入口開口１０４の半径方向外側周囲で直径方向反対側の位置まで延び、他方、リブ１４２は、１４６で全体的に示されるように途切れる。

この構成の結果として、入って来る冷却液は、分流における矢印１４８で示す環状流路の半径方向内側部分を通って口１４６へと流れ、該口１４６で流れはその方向を反転させ、矢印１５０で示す半径方向外側流路を通って戻され、出口開口１０２へと流れる。要するに、冷却液は、分流形態の二つの通路を形成する。コールド冷却液は、最初に熱交換器の内径区域に分配される。ここでは、冷却されるべき空気は、流路１５０において既に一部冷却されているので、より低い温度にある。これは、冷却液とチャージ空気（吸気）との間の運転（推進）温度差を改善し、熱交換効率を最大にする。

図１２に示すように、開口１０２、１０４はまた、上述した入れ子式構造及び結果として生じるシールを実現するため、板８４における円筒カラー１２２と、板８２における裁頭円錐カラー１２０とで囲まれる。また、スペーススリーブ１２４は、該装置の入口側及び出口側のためのカラーの各セットの周りに配置され得る。

図１３〜１５は、本発明の更に別の実施形態を例示する。この実施形態において、空気流のための外径から内径への一つの通路と、冷却液流のための一つの通路とが存在する。加えて、図１３に例示する実施形態は、既述した目的で熱交換ユニットの両側に取り付けられる羽根６０（並びにこれらの図に示さない羽根５８）のような羽根を有することができる。

この実施形態において、ユニット６６の最も端の両ユニットの一つには、図１３及び１５において参照番号１５０が与えられる。該ユニット１５０は、図１５から分かるように、ユニット６６のいずれよりも大きい上下寸法を有し、そのため、その内部流路のためのより大きい断面積を有する。

この実施形態において、ユニット１５０のみに、半径方向外側に向けられたタブ１５２が設けられ、タブ１５２は入口及び出口継手７８、８０の両方を含む。継手７８、８０はタブ１５２の内部と流体連通する。

図１４に示すように、各ユニット６６及び１５０には、リブ１０６もしくは１４２のような、１５４が付された半径方向に延びるリブを有する板８２、８４が設けられる。該リブ１５４は、入口及び出口継手７８、８０間においてタブ１５２の半径方向外側部分から半径方向内側周壁へと延びる。

更に図１４に示されるように、積重ねの各ユニットは、整列した開口１０２、１０４を含み、開口１０２、１０４は、この実施形態において円形よりは伸長している。開口１０２、１０４は、上述した流れ誘導器を形成するリブ１５４の両側に配置される。

図１５に例示するように、開口１０２、１０４は、軸方向に向けられたカラー１２０、１２２によって囲まれる。カラー１２０の壁は直線状の内壁を有し得るのに対し、カラー１２２は、ここでもまたシール入れ子式構造を実現するようにわずかにテーパーが付けられた外壁を有し得る。

図１３〜１５に例示する実施形態の利点は、冷却液継手７８、８０が、熱交換器の半径方向外径に対して空気流のより少ない障害（妨害）を提供する点である。ユニット１５０に拡大した断面積を与えることは、この目的のためにより障害が少ない空気流分配を可能にする。

図１６、１７及び１８は、本発明の更に別の実施形態を例示する。この場合、図１４に全体的に例示されるような開口１０２、１０４を含む開口構造が設けられる。しかしながら、積重ねの外側の最も端の板８２、８４における円形口の方を選ぶことにより、タブ１５２は省かれる。これら円形口は図１７の１６０で示され、図示のように対応する入口又は出口継手１６２を受け入れる。これらは、図１４と関連して述べた伸長した口と位置合わせされ、また、開口１０２、１０４は、図１５に例示した実施形態と関連して上述したカラー１２０、１２２のようなカラーによって囲まれる。

図１７に示すようにコアの一側部における継手１６２の存在により、５８、６０のような羽根は、継手１６２とは反対側の積重ねの側部にのみ配置され得る。しかしながら、継手１６２は、積重ねの半径方向外側部分のそばを通らないため、そのため、全く妨げられることなくコアを通る空気流が実現される。図示の実施形態は、空気流のための一つの通路と冷却液流のための一つの通路を提供する。

図１９〜２１は、本発明の更に別の実施形態を例示する。この実施形態は、図１６〜１８の実施形態と図１０、１１及び１２の実施形態の主要な特徴を組み合わせている。特に、図２０及び２１の実施形態は、外径から内径への空気流の一つの通路を提供し、コア面の外径に対し全く遮るもののない空気分配を提供し、かつ、入口を有する冷却液流の二つの通路を提供し、コールド冷却液は最初にコアの内側区域へと分配され、次いで、コアの外側区域に戻される。羽根５８、６０のような熱的橋かけ整流器（flow straighteners）が熱交換器の一側部に取り付けられ得る。

図２０を参照して、各ユニット６２には、半径方向外側壁８８と半径方向内側壁９０との間に位置付けられ、かつ図１０〜１２に示す実施形態に関連して述べた口１４６を規定する途切れ部を有する内部流れ誘導器１７０が設けられる。

この実施形態において、図２０に最も良く示すように板において円形開口１０２、１０４へのリターンが存在し、入口１０２は、流れ分割器１７０の半径方向内側に配置された入口継手７８に連結され、出口継手８０は、流れ分割器１７０の半径方向外側に配置された開口１０４に関連する。開口１０２、１０４は、上述したような図２１に示すカラー１２０、１２２が設けられ得る。

図２０及び２１の実施形態は、コアの半径方向外側部分に対し空気流の障害が全く無いものを提供すると共に、上述した二つの通路構成により、冷却液と冷却されているガスとの間の温度差推進（駆動）力を改善する。

いくつかの例において、整流羽根の熱的連結は、金属結合以外のものによって行われ得る。例えば、熱交換器がアルミニウム製で、羽根が鋳造アルミニウム構成である場合、金属結合をもたらす鑞付け合金の使用は、法外に高価となり得る。別の方法として、鋳造整流器と熱交換器の境界面におけるフィラーとして熱伝導プラスチック材料が適用され得、鋳造整流器は、熱交換器に対し鑞付け後、溶接、ボルト締め、リベット打ち等によって機械的に取り付けられ得る。このような材料は、電子産業において知られている。

以上より、比較的簡易な構造できわめてコンパクトな熱交換器が提供されることが認識される。各ユニット６６の板８２、８４は、例えば半田付け、鑞付け、もしくはある場合では溶接さえでもある金属結合の既知の方法によって行われるスタンピング及び組立てで作製され得る。鑞付けは好ましく、この目的のため、二つの構成要素の各境界における面の少なくとも一方には、鑞付け合金が設けられる。構成がコンパクトであるため、該熱交換器は、どのような半径方向排気圧縮機の排気端部又はそのどの段の排気端部にも容易に組み込むことができる。その結果、圧縮器から熱交換器への空気のための誘導路は、実質上完全に除去される。

積重ねの端部において、羽根５８、６０のようなディフューザ羽根もしくは整流羽根が最も端の（一又は複数の）ユニット６６に熱的に結合される位置決め、又は、そのような位置での羽根の代わりのフィン構造体の位置決めは、圧縮空気の流路に追加の熱移動面を提供することにより、熱伝達を向上させる。羽根を使用する場合、圧縮ガス誘導スペース内に望ましい流れ特性を実現できると同時に、圧縮ガスが上記スペースを通過する際に該圧縮ガスに冷却の追加措置を提供することができるとうい点で二重機能が与えられる。

本発明、特にターボチャージャーを具現する回転圧縮機のやや概略的な断面図である。 本発明に従って作製された熱交換器の一実施形態の斜視図である。 本発明の変形実施形態の、図２と同様の図である。 単一熱交換器のやや概略的な部分断面図である。 図３の線５−５にほぼ沿うやや概略的な断面図である。 図３の線６−６にほぼ沿うやや概略的な断面図である。 別の入口及び出口構造を例示する、図６と同様の拡大図である。 分割冷却液流路が得られる本発明の別の実施形態の図である。 図８の実施形態のための典型的な入口又は出口の構造を例示する。 二経路冷却液流のための配備がなされた変形実施形態を例示する、図３と同様の図である。 分かりやすくするためにある部分が取り去られた、図１０の実施形態の図である。 図１０及び１１の実施形態に利用可能な入口及び出口構造を例示する。 熱交換器を通る空気流に対する冷却液ポートによる障害を低減するための措置を含む、図３に非常に似ている本発明の更に別の実施形態を例示する。 図１３に例示する実施形態の平面図である。 図１３及び１４の実施形態に利用可能な典型的な入口及び出口ポート結合部を例示する。 熱交換器を通る空気流に対する冷却液入口及び出口通路によるいかなる障害をも完全に除去することを企図した本発明の更に別の平面図である。 図１６の線１７−１７にほぼ沿う拡大部分断面図である。 図１６及び１７の実施形態に利用可能な入口及び出口構造の拡大部分図である。 冷却流の二経路と空気流に対する冷却液入口及び出口ポートによる障害の完全な除去とを提供する、本発明の更に別の実施形態を例示する。 図１６と同様の、図１９の実施形態の図である。 図２０の線２１−２１にほぼ沿う断面図である。

符号の説明

１０ 回転軸
１２ 軸線
１４、１６ 圧縮機ホイール
１８ 入口端部
２０ 吐出端部
２２ タービンホイール
２８ ハウジング
３０ 入口
３６ 圧縮空気誘導スペース
４２ 中間冷却熱交換器
５８、６０ 羽根
６６ 熱交換ユニット
７０ フィン構造体
７６ タブ
７８ 入口継手
８０ 出口継手
８２、８４ 金属板

Claims (27)

1. 回転圧縮機であって、
   軸線の周りを回転可能な軸と、
   軸と共に回転するために軸に取り付けられ、かつ、比較的小さい直径の入口端部と比較的大きい直径の半径方向排気端部とを有する少なくとも一つの圧縮機ホイールと、
   軸に対して中心が置かれ、かつ圧縮機ホイールに隣接する名目上ドーナツ形状の中間冷却熱交換器であって、圧縮ガス流路と冷却液流路を含む、互いに熱交換関係にある複数の熱交換流体流路を有し、かつ、冷却液流路が前記比較的大きい直径と少なくとも同程度の直径の壁によって一部が境界付けられる該熱交換器と、
   圧縮機ホイール及び前記熱交換器のためのハウジングであって、前記半径方向排気端部から圧縮ガス流路に対する入口へと延びる圧縮ガス誘導スペースを、前記壁と共に形成するハウジングと、
   前記壁に熱的に結合されかつ圧縮ガス誘導スペースを横切って延びる複数の整流羽根であって、圧縮ガスの熱が該羽根に移され、次いで冷却液流路における冷却液に移され得るようにされる該羽根とを備えた回転圧縮機。
2. 前記壁は、ほぼ半径方向に延び、かつ圧縮機ホイールに最も近い前記熱交換器の一端部にあり、かつ、前記比較的大きい直径よりも直径が大きい区域を含み、前記羽根は、ほぼ半径方向に延び、かつ前記区域と整列される請求項１の回転圧縮機。
3. 前記羽根は、前記区域において前記壁に取り付けられる請求項２の回転圧縮機。
4. 前記羽根は、金属結合によって前記壁の前記区域に熱的に結合される請求項２の回転圧縮機。
5. 前記熱交換器は複数組の板を含み、各組の板は、中央に開口があけられ、かつ、軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向外側周壁と、軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向内側周壁と、これら周壁間のほぼ平坦な領域と、対応する板の前記平坦領域から軸方向に離隔した、各周壁において半径方向に向けられたフランジとを有し、各組の板におけるフランジは、前記冷却液流路の環状流路を規定する扁平な名目上ドーナツ形状のユニットを形成するため、共に固定されてシールされ、板の組は、前記圧縮ガス流路の半径方向流路を規定する前記半径方向内外周壁間に延びるフィン構造体と交互に積み重ねられ、前記熱交換器の各軸方向端部にユニットの一つが存在し、該一つのユニットの一方の板の平坦領域が前記壁を形成する請求項１の回転圧縮機。
6. 前記各フィン構造体は、円周方向に交互となる山と谷を有する円形サーペンタインフィンであり、山は各フィン構造体が間に置かれるユニットと熱交換熱的接触する請求項５の回転圧縮機。
7. 前記各ユニットは、半径方向外側に向けられたタブを含み、各ユニットのタブは、前記積重ねの全体にわたって各他のユニットのタブと位置合わせされ、各ユニットのタブは、前記サーペンタインフィンを過ぎて半径方向外側に更に延び、かつ軸方向に延びて互いにシール係合され、各タブにおける二つの開口が、前記積重ねにおけるユニット間の流体連通を確立し、流れ遮断部が、前記半径方向内側周壁とタブの半径方向外側壁との間でかつ各タブの前記二つの開口間の位置において、各ユニットの各板の前記平坦領域にわたって延びる請求項６の回転圧縮機。
8. 回転圧縮機であって、
   軸線の周りを回転可能な軸と、
   軸と共に回転するために軸に取り付けられ、かつ、比較的小さい直径の入口端部と比較的大きい直径の半径方向排気端部とを有する少なくとも一つの圧縮機ホイールと、
   軸に対して中心が置かれ、かつ圧縮機ホイールに隣接する名目上ドーナツ形状の中間冷却熱交換器であって、圧縮ガス流路と冷却液流路を含む、互いに熱交換関係にある複数の熱交換流体流路を有し、かつ、冷却液流路が前記比較的大きい直径と少なくとも同程度の直径の壁によって一部が境界付けられる該熱交換器とを備え、
   前記熱交換器は複数組の板を含み、各組の板は、中央に開口があけられ、かつ、軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向外側周壁と、軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向内側周壁と、これら周壁間のほぼ平坦な領域と、対応する板の前記平坦領域から軸方向に離隔した、各周壁において半径方向に向けられたフランジとを有し、各組の板におけるフランジは、前記冷却液流路の環状流路を規定する扁平な名目上ドーナツ形状のユニットを形成するため、共に固定されてシールされ、板の組は、前記圧縮ガス流路の半径方向流路を規定する前記半径方向内外周壁間に延びるフィン構造体と交互に積み重ねられ、前記熱交換器の各軸方向端部にユニットの一つが存在し、該一つのユニットの一方の板の平坦領域が前記壁を形成し、
   前記各フィン構造体は、円周方向に交互となる山と谷を有する円形サーペンタインフィンであり、山は各フィン構造体が間に置かれるユニットと熱交換熱的接触し、
   前記各ユニットは、入口ポート及び出口ポートを更に含み、各ユニットの入口ポート及び出口ポートは、前記積重ねにおいて隣接する各ユニットの入口ポート及び出口ポートと位置合わせされてシールされ、
   該回転圧縮機は、
   前記ユニットの一つの入口ポート及び出口ポートに取り付けられてシールされる入口継手及び出口継手と、
   圧縮機ホイール及び前記熱交換器のためのハウジングであって、前記半径方向排気端部から圧縮空気流路に対する入口へと延びる圧縮空気誘導スペースを、前記壁と共に形成するハウジングとを備えた回転圧縮機。
9. 前記少なくとも一つの圧縮機ホイールに対して前記軸において軸方向に離隔する追加の圧縮機ホイールを含み、互いに軸方向に離隔した二つの前記壁が存在し、一つの壁は、前記少なくとも一つの圧縮機ホイールの排気端部と隣接し、一つの壁は、前記追加の圧縮機ホイールの排気端部と隣接する請求項８の回転圧縮機。
10. 第１及び第２セットの整流羽根を更に含み、一のセットは、前記壁の一方に熱的結合関係で取り付けられ、別のセットは、前記壁の他方に熱的結合関係で取り付けられる請求項９の回転圧縮機。
11. 前記各圧縮機ホイールの排気端部に隣接する前記二つの壁各々にサーペンタインフィンが存在する請求項９の回転圧縮機。
12. 前記各ユニットは、半径方向外側に向けられたタブを含み、各ユニットのタブは、前記積重ねの全体にわたって他のユニットのタブと位置合わせされ、各タブは、前記サーペンタインフィンを過ぎて半径方向外側に更に延び、前記入口ポート及び出口ポートは、タブにおける位置合わせされた開口を含む請求項８の回転圧縮機。
13. 前記入口ポート及び出口ポートは、前記位置合わせされた開口を囲む軸方向に向けられたカラーを含み、カラーは、隣り合うタブのカラーと係合して該カラーにシールされ、かつ前記開口間、従って前記積重ねにおけるユニット間に流体連通を確立し、
    流れ遮断部が、板の前記半径方向内外側周壁間でかつ入口ポートと出口ポートとの間の位置において、各ユニットの各板の前記平坦領域にわたって延びる請求項１２の回転圧縮機。
14. 前記各タブは、軸方向に延びて前記開口の周りで隣り合うタブとシール係合される請求項１２の回転圧縮機。
15. 前記各タブは、前記位置合わせされた開口を囲む軸方向に向けられたカラーを用いて、軸方向に延びてシール係合される請求項１４の回転圧縮機。
16. 隣り合うシールされるカラーは、互いに入れ子式となる請求項１５の回転圧縮機。
17. 前記各ユニットは前記タブの二つを含み、該二つのタブは、前記軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向外側周壁の周りに円周方向に離隔され、前記入口ポートは、各ユニットの一方のタブにあり、前記出口ポートは、各ユニットの他方のタブにある請求項１２の回転圧縮機。
18. 前記軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向外側周壁の半径方向内側でかつ前記軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向内側周壁の半径方向外側の位置において、前記各ユニット内の少なくとも一つの円周方向流れ誘導部を含み、前記出口ポートは、前記周壁の一方と流れ誘導部との間の第１スペースと流体連通し、
    前記入口ポートは、他方の周壁と流れ誘導部との間の第２スペースと流体連通する請求項８の回転圧縮機。
19. 前記入口ポート及び出口ポートから離隔した位置における各流れ誘導部において、前記第１スペース及び第２スペース間に流体連通を確立する口を更に含む請求項１８の回転圧縮機。
20. 回転圧縮機であって、
    軸線の周りを回転可能な軸と、
    軸と共に回転するために軸に取り付けられ、かつ、比較的小さい直径の入口端部と比較的大きい直径の半径方向排気端部とを有する少なくとも一つの圧縮機ホイールと、
    軸に対して中心が置かれ、かつ圧縮機ホイールに隣接する名目上ドーナツ形状の中間冷却熱交換器であって、圧縮ガス流路と冷却液流路を含む、互いに熱交換関係にある複数の熱交換流体流路を有し、かつ、冷却液流路が前記比較的大きい直径と少なくとも同程度の直径の壁によって一部が境界付けられる該熱交換器とを備え、
    前記熱交換器は複数組の板を含み、各組の板は、中央に開口があけられ、かつ、軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向外側周壁と、軸方向に向けられたほぼ円形の半径方向内側周壁と、これら周壁間のほぼ平坦な領域と、対応する板の前記平坦領域から軸方向に離隔した、各周壁において半径方向に向けられたフランジとを有し、各組の板におけるフランジは、前記冷却液流路の環状流路を規定する扁平な名目上ドーナツ形状のユニットを形成するため、共に固定されてシールされ、板の組は、前記圧縮ガス流路の半径方向流路を規定する前記半径方向内外周壁間に延びるフィン構造体と交互に積み重ねられ、前記熱交換器の各軸方向端部にユニットの一つが存在し、該一つのユニットの一方の板の平坦領域が前記壁を形成し、
    前記各フィン構造体は、円周方向に交互となる山と谷を有する円形サーペンタインフィンであり、山は各フィン構造体が間に置かれるユニットと熱交換熱的接触し、
    前記各ユニットは、前記冷却液流路の環状流路に対する整列された入口ポート及び出口ポートを更に含み、入口ポート及び出口ポートは、前記板における整列された開口を含む回転圧縮機。
21. 前記開口は、軸方向に向けられたカラーで囲まれ、位置合わされた複数の該カラーは互いに取り付けられる請求項２０の回転圧縮機。
22. 前記カラーは、それぞれの板と一体とされ、互いに入れ子式となる請求項２１の回転圧縮機。
23. 前記環状流路を通る流れを引き起こすため、前記入口ポートと出口ポートを分離する、前記各ユニットにおける流れ誘導部を更に含む請求項２２の回転圧縮機。
24. 前記流れ誘導部は円周方向に向けられる請求項２３の回転圧縮機。
25. 前記流れ誘導部は半径方向に向けられる請求項２３の回転圧縮機。
26. 前記ユニットの一つは、半径方向に向けられたタブと、タブに取り付けられ、かつ当該一つのユニットの入口ポート及び出口ポートとそれぞれ流体連通する入口継手及び出口継手とを更に含む請求項２０の回転圧縮機。
27. 前記一つのユニットは、他のユニットの環状流路よりも大きい断面積の環状流路を有する請求項２６の回転圧縮機。

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