(57)【要約】【課題】ターボチャージャの部品の熱負荷を低減すると同時に効率をさらに最適化するターボチャージャおよびターボチャージャを製造するための方法を提供すること。【解決手段】本発明は、タービン（２）と圧縮機（３）とを有するターボチャージャ（１）に関し、その各々はロータ（２１、３１）およびステータ（２２、３２）を備え、それぞれのロータ（２１、３１）および／またはステータ（２２、３２）の少なくとも１つは、冷却のための、少なくとも部分的にまたは完全に壁（１４）によって取り囲まれている少なくとも１つの内部流路（４）を備えており、少なくとも１つの内部流路（４）を備えるロータ（２１、３１）および／またはステータ（２２、３２）は、付加製造を用いて、少なくとも部分的に作成されている。さらに本発明はそうしたターボチャージャ（１）を製造するための方法に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（２）と圧縮機（３）とを有するターボチャージャ（１）であって、
前記タービン（２）および前記圧縮機（３）の各々が、ロータ（２１、３１）とステータ（２２、３２）とを備えており、
前記ロータ（２１、３１）および前記ステータ（２２、３２）の少なくとも１つは、冷却のための、少なくとも部分的にまたは完全に壁（１４）によって取り囲まれている少なくとも１つの内部流路（４）を備えており、
少なくとも１つの前記内部流路（４）を備える前記ロータ（２１、３１）および前記ステータ（２２、３２）の少なくとも１つは、付加製造を用いて、少なくとも部分的に作成されていることを特徴とするターボチャージャ（１）。
【請求項２】
前記内部流路（４）および前記内部流路（４）それぞれを取り囲む前記壁（１４）の少なくとも１つは、付加製造を用いて全体的に作成されているつまり作り出されていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項３】
前記内部流路（４）それぞれが、複数のつまり多数の流れ方向の変化を含む複雑な経路をたどることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項４】
前記内部流路（４）それぞれは、前記ロータ（２１、３１）および前記ステータ（２２、３２）の少なくとも１つの内部において少なくとも部分的にまたは完全に前記内部流路（１４）を取り囲む壁（１４）の少なくとも特定のセクションにおいて、前記壁（１４）付近の経路をたどることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項５】
前記タービン（２）の前記ロータ（２１）は、タービンハブ（５）と、少なくとも１つのタービンブレード（６）と、を備え、
前記内部流路（４）は、少なくとも軸線方向において前記タービンハブ（５）内を、かつ前記タービンブレード（６）内を延びることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項６】
前記圧縮機（３）の前記ロータ（３１）は、圧縮機ホイール（７）と、少なくとも１つの圧縮機ブレード（８）とを備え、
前記内部流路（４）は、前記圧縮機ホイール（７）および少なくとも１つの前記圧縮機ブレード（８）内を延びることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項７】
前記ターボチャージャ（１）がハウジング（９）を備えており、
前記内部流路（４）は、前記ハウジング（９）内を延びており、前記ハウジング（９）は、付加製造を用いて、少なくとも部分的または完全に作成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項８】
前記内部流路（４）は、入口（１０）と出口（１２）とを備えており、
前記入口（１０）は、前記内部流路（４）内に冷却流体を受け入れるための開口部（１１）を形成し、
前記出口（１２）は、前記内部流路（４）から外へ冷却流体を流出させるための開口部（１３）を形成することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項９】
前記入口（１０）および前記出口（１１）は、前記内部流路（４）への多数の開口部（１１、１３）を備えており、
前記開口部（１１、１３）は、互いから離間されて配置されることを特徴とする請求項８に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のターボチャージャ（１）を作成するための方法であって、前記内部流路（４）を備える前記ロータ（２１、３１）または前記ステータ（２２、３２）のそれぞれは、対応する前記内部流路（４）を形成するために、付加製造を用いて作成されることを特徴とするターボチャージャ（１）を作成するための方法。
【請求項１１】
ハウジング（９）を有する請求項１０に記載のターボチャージャ（１）を作成するための方法であって、
前記ハウジング（９）は、付加製造を用いて作成されることを特徴とするターボチャージャ（１）を作成するための方法。
【請求項１２】
前記ロータ（２１、３１）の前記内部流路（４）それぞれ、前記ステータ（２２、３２）の前記内部流路（４）それぞれ、または前記ハウジング（９）の前記内部流路（４）それぞれは、要求される冷却能力に応じて異なる流れ方向を伴う多数の流路セクションによって形成されることを特徴とする請求項１１に記載のターボチャージャ（１）を作成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンおよび圧縮機を有するターボチャージャに関し、タービンおよび圧縮機の各々が、ロータおよびステータを備えており、それぞれのロータおよび／またはステータの少なくとも１つが、冷却のための少なくとも１つの内部流路を備える。さらに、本発明は、そうしたターボチャージャを作成するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機を駆動するタービンを備えるターボチャージャの冷却は、現在の技術水準に従うと、鋳造金型の長い穴または大容量のキャビティを通るよう冷却媒体を案内することによって達成される。適用される製造技術および製造方法が原因となって、適用可能な冷却構想は、現在では大幅に制限されている。ガスタービンおよび航空機用タービンで対応して利用されるロータおよびステータ部品の内部冷却およびフィルム冷却は、その冷却通路の形状が複雑であるため、これら製造方法を用いて実施することができない。ターボチャージャのためのこれら冷却構想の不利な点は、一方ではターボチャージャの部品の熱負荷が高く、他方ではこれら部品のさらなる効率の最適化が不可能であることである。しかしながら、適切な冷却構想は、ターボチャージャの効率を大幅に向上させる可能性をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そのため、本発明の目的は、適切な冷却構想を用いて、ターボチャージャの部品の熱負荷を低減すると同時に効率をさらに最適化するターボチャージャおよびターボチャージャを作成するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、特許請求の範囲の請求項１に基づく特徴の組み合わせによって達成される。
【０００５】
それゆえ、本発明によれば、各々がロータおよびステータを備えるタービンおよび圧縮機を有するターボチャージャが提案される。ここで、それぞれのロータおよび／またはステータの少なくとも１つは、冷却のための少なくとも１つの内部流路を備えており、内部流路は、少なくとも部分的にまたは完全に、壁によって取り囲まれている。少なくとも１つの流路を備えるそれぞれのロータおよび／またはステータは、少なくとも部分的に、付加製造法を用いて作成される。付加製造法を用いることで、流路を、関連部品を冷却するために最適に設計することができる。これにより、ターボチャージャ部品のより集約的な冷却が実現可能となり、その結果、熱負荷を受ける圧縮機およびタービンの部品の耐用期間が向上される。さらに、これは、圧縮機プロセスに関与する表面のより集約的な冷却につながるという利点がある。このため、圧縮効率が向上される。結果的に、これは、エネルギー密度が高くかつターボチャージャの効率に対する要求が高い用途に関して特に有利である。
【０００６】
有利な実施形態の変形例では、流路および／またはそれぞれの流路を取り囲む壁は、付加製造法を用いて全体的に作成されるつまり作られることが提供される。付加製造を用いた流路の形成において、流路ひいては使用される冷却媒体も、複雑な部品の形状部分を通るよう案内できることが好ましい。
【０００７】
優先的には、ターボチャージャは、それぞれの流路が、複数のつまり多数の流れ方向変化を有する複雑な経路をたどるように設計されている。このようにして、関連部品の冷却がさらに向上される。
【０００８】
本発明の例示的な実施形態では、少なくとも特定のセクションにおいて、それぞれの流路が、少なくとも部分的または完全に流路を取り囲む関連するロータおよび／またはステータの壁において当該壁付近の経路をたどることが提供される。壁付近に冷却媒体案内部を実現できるため、高度な熱交換が達成され、さらにターボチャージャの効率が高められる。
【０００９】
さらに、タービンのロータがタービンハブおよび少なくとも１つのタービンブレードを備える実施形態が有利である。流路は、少なくとも軸線方向においてタービンハブ内をかつタービンブレード内を延びる。これは、これら部品の材料温度を下げるために、またはシーリング冷却空気もしくはフィルム冷却空気を導入するために特に有利である。
【００１０】
さらに有利な変形例では、圧縮機のロータは、圧縮機ホイールと少なくとも１つの圧縮機ブレードとを備える。ここでは、流路は圧縮機ホイールおよび少なくとも１つの圧縮機ブレード内を延びる。このため、圧縮機ホイール内の材料温度および圧縮機ブレード内の材料温度をさらに下げること、あるいはさらに圧縮プロセスから熱を抽出することができる。冷却効果ひいてはターボチャージャの効率をさらに向上させるために、圧縮機およびタービンのロータ内の冷却媒体案内部を組み合わせることができる。
【００１１】
本発明に基づくターボチャージャは、一実施形態においては、ターボチャージャがハウジングを備えかつ流路が当該ハウジング内を延びるように設計されている。ここでは、ハウジングは少なくとも部分的または完全に付加製造法を用いて作成される。ターボチャージャハウジングのまたはステータ部品の付加的な冷却を用いることで、ハウジング部品の材料温度またはステータ部品の材料温度あるいは圧縮機ホイールの材料温度を下げることができ、同時に圧縮プロセスから熱を放散させることができる。
【００１２】
さらに、流路が入口および出口を備え、当該入口が冷却流体を流路内に受け入れるための開口部を形成し、当該出口が冷却流体を流路から外へ流出させるための開口部を形成する場合に有利である。このようにして、所望のポジションにおいて、冷却媒体を流路内に導入するかまたは流路から外へ流出させることができる。流路の入口および出口の適切な配置は、その設計と対応する部品を介した熱伝達とに大きな影響を与え、結果的に、冷却性能にも影響する。付加製造のため、入口および出口を必要に応じて配置することができ、それゆえ効率を向上させることができる。
【００１３】
本願発明のターボチャージャのさらなる展開例において、さらに、入口および出口は流路への開口部を多数備えており、これら開口部が互いから離間されて配置されることが提供される。これによって、冷却媒体の一様な入口または出口が保証され、かつ冷却媒体の流れが改善されるつまり冷却性能が改善されるため、ターボチャージャの効率が最適化される。
【００１４】
本発明によれば、上述のターボチャージャを作成するための方法がさらに提案され、当該方法を用いて、内部流路を備えるそれぞれのロータまたはステータは、対応する流路を形成するために、付加製造を用いて、とりわけ３Ｄ印刷法を用いて作成される。付加製造法を用いることで、流路を、ターボチャージャ部品の最適な冷却の要件に的確に一致させることができる。そのため、冷却性能を、それぞれの用途の場合に正確に一致させることができ、すべてのターボチャージャおよびターボチャージャの用途は、こうして最適化された熱構成要素の恩恵を受けることができる。
【００１５】
上記方法の有利な実施形態の変形例では、ハウジングまたはステータ部品が、付加製造を用いて、とりわけ３Ｄ印刷を用いて作成されることが提供される。付加製造法を用いたハウジングの付加製造では、この方法によって適用可能な冷却構想の数が増大されることが好ましい。ハウジングのまたはステータ部品の付加的な冷却を介して、熱を、圧縮プロセスから外へ付加的に排出することができる。さらに、ハウジング部品の材料温度またはステータ部品の材料温度または圧縮機ホイールの材料温度が低下される。
【００１６】
優先的に、この方法は、必要な冷却能力に応じて、ロータの流路、ステータの流路、またはハウジングの流路それぞれが、さまざまな流れ方向を伴う多数の流路セクションを通じて形成されるように、実施される。この流路の構成によって、当該流路の構成の冷却性能を、関連するターボチャージャ部品に関して、関連する要件に正確に一致させることができる。
【００１７】
本発明の他の有利なさらなる展開例は、従属請求項に記載されるか、または本発明の好ましい実施形態の説明とともに図面を用いてより詳細に示される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】タービン内への付加的な冷却空気案内部を備えるロータの断面図である。
【図２】圧縮機内への付加製造された冷却空気案内部を備えるロータの断面図である。
【図３】付加製造された冷却空気案内部を備える軸流タービンのステータの斜視図である。
【図４】付加製造された冷却空気案内部を備えるターボチャージャハウジングの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１には、タービン２内への付加製造された流路４を備えるタービン２のロータ２１の断面図が示される。ここで、内部流路４は、壁１４によって完全に取り囲まれている。流路４および壁１４の両方が、完全に、付加製造法を用いて作成されている。さらに、タービン２のロータ２１は、タービンハブ５および多数のタービンブレード６を備える。
【００２０】
図１に示される流路４は、複数の流れ方向の変化を含む複雑な経路をたどる。タービンハブ５の領域において、この流路４は、流路４内に冷却流体を受け入れるための対応する開口部１１を備える入口１０を形成する。
流路４は、この開口部１１から、最初にロータ２１の中心軸の方向において半径方向に延び、続いて弓形状経路をたどり、それによって、流路４を境界付ける壁１４は、中心軸の領域に配置される。流路４は、この弓形状セクションから、ロータ２１の軸線方向において中心軸に対して略平行なタービンハブ５内をさらに延びる。このセクションは、流路４のＳ字形経路をたどるセクションに接合されており、流路４のＳ字形経路は、流路４がタービンブレード６の縁部において流路４から外へ冷却流体を流出させるための開口部１３を形成する出口１２を備えるまで、タービンブレード６内を延びている。さらに、流路４は、タービンブレード６内の流路４を完全に取り囲む壁１４の特定のセクションにおいて、壁付近の経路をたどる。
【００２１】
図２は、圧縮機ホイール７および複数の圧縮機ブレード８を備える圧縮機３内に付加製造された冷却空気案内部を備えるロータ３１の断面図を示す。ここで、流路４は、圧縮機ホイール７および少なくとも１つの圧縮機ブレード８内を延びる。流路４は、冷却流体を流路４内に受け入れるための開口部１１を形成する圧縮機ハブの領域における入口１０から出て、複数の流れ方向の変化を描く複雑な経路をたどる。図２において、流路４は当該流路４を完全に取り囲む壁１４内において当該壁付近の経路をたどるため、流路４の経路は、最初は、圧縮機ブレード表面の形状におおむね対応する。このセクションの後に、流路４の所定の部分が続いており、当該部分は、軸線方向においてロータ３１の中心軸線に平行に延び、圧縮機ハブへ戻り、そして続いて円弧を描き、冷却流体を流路４から外へ流出させるための開口部１３を備える出口１２へ向けて半径方向外側へ延びる。
【００２２】
図３には、付加製造された冷却空気案内部を備える軸流タービンのステータ３２の斜視図を示す。タービンブレード６の縁部領域において、流路４は入口１０を備えており、当該入口１０には冷却流体を受け入れるための流路４への多数の開口部１１が配置されており、開口部１１は互いから離間されている。それぞれの開口部１１に続いて、流路４は、複数の流れ方向の変化を伴う複雑な様式で、ステータ３２内の流路４を完全に取り囲む壁１４における当該壁付近の特定のセクション内を延びている。流路４は出口１２で終端しており、当該出口１２は、続いて、冷却流体を流路４から外へ流出させるために互いから離間された多数の開口部１３を備える。
【００２３】
図４は、付加的に作成された冷却空気案内部を備えるハウジング９を有するターボチャージャの断面図を示す。さらに、ターボチャージャは、圧縮機ホイール７と複数の圧縮機ブレード８とを備える。流路４は、ハウジング９内を延びる。
【００２４】
その実施形態では、本発明は、上述の好ましい例示的な実施形態に限定されない。それどころか、根本的に異なるタイプの実施形態と同等の図示された解決策を利用する多くの変形例が考えられる。
【符号の説明】
【００２５】
１  ターボチャージャ
２  タービン
３  圧縮機
２１  ロータタービン
３１  ロータ圧縮機
２２  ステータタービン
３２  ステータ圧縮機
４  流路
５  タービンハブ
６  タービンブレード
７  圧縮機ホイール
８  圧縮機ブレード
９  ハウジング
１０  入口
１１  開口部
１２  出口
１３  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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