CN103650226A - 用于燃料电池的空气给送装置 - Google Patents

Abstract

一种用于燃料电池的空气给送装置(1)，具有一个轴(2)；具有一个压缩机叶轮(4)，该压缩机叶轮被安排在一个压缩机壳体(3)中并且被紧固至该轴(2)的这些末端(5，20)中的一个末端(5)上；具有一个轴承安排(6，7，8)，该轴承安排被安排在一个轴承壳体(9)中以用于安装该轴(2)；并且具有用于驱动该轴(2)的一个电动机(10)，该电动机被安排在该轴承壳体(9)中；其中该轴(2)具有被形成为分开的部件的两个轴支承部分(11，12)并且具有一个磁体部分(13)，该磁体部分被安排在这些轴支承部分(11，12)之间、形成了一个分开的部件并且形成了该电动机(10)的转子，这些轴支承部分(11，12)和该磁体部分(13)支撑在彼此之上，并且其中这些轴支承部分(11，12)和该磁体部分(13)是通过一个定中心安排(12A，13F)而相对于彼此定中心的，该定中心安排接合在一个外边缘(A)上，这些轴支承部分(11，12)和该磁体部分(13)在各自情况下轴向地支承在彼此之上。

Description

用于燃料电池的空气给送装置

本发明涉及如权利要求1的前序部分的一种用于燃料电池的空气给送装置。

为了燃料电池的有效操作，必须一直对该燃料电池供应足量的空气。为此目的，已知如权利要求1的前序部分的一种可商购的空气给送装置(落入现有技术之内)，该空气给送装置实现了通过安排在一个压缩机壳体中并且由一个电动机驱动的压缩机叶轮来给送空气。

然而，由于这种已知的空气给送装置的结构设计，该空气给送装置具有的缺点是电动机可能以大致100,000rpm的最大转速来驱动压缩机叶轮。在此，在本发明的背景下进行的试验显示，这样的转速不能完全利用现代压缩机叶轮和压缩机壳体的潜力，而使得至少在一些使用状况下，通过该已知的装置不能确保、或至少不能在完全程度上确保对燃料电池的足够空气供应。

因此本发明的一个目的是提供一种权利要求1的前序部分中所指明类型的空气给送装置，该空气给送装置使之有可能实现高效率并且因此实现对燃料电池的大量空气供应。此外，该空气给送装置应该被实现为一种尽可能紧凑的形式。

所述目的是通过权利要求1的这些特征来实现的。

由于根据本发明的空气给送装置的轴被分成三个部分(由两个轴支承部分和形成电动机转子的一个磁体部分形成，这些部分在完全组装后的状态下支撑在彼此之上)这一事实，有可能实现一种相对于现有技术而言更刚硬的轴构造，该轴构造特别地在与一种空气轴承安排相结合时允许直至150,000rpm的压缩机叶轮转速。以此方式，根据本发明的空气给送装置有可能向燃料电池供应再次相对于现有技术而言高得多的空气质量流速，其中根据本发明的空气给送装置的构造是更紧凑的且节约材料的。

多项从属权利要求涉及本发明的多个有利优化。

允许根据本发明的空气给送装置的性能进一步提高并且将特别强调的这些优选措施包括该空气轴承安排的构造，这种构造优选地具有位于电动机的两侧上的两个径向空气轴承以及邻近于压缩机叶轮安排的一个轴向空气轴承。

还有可能通过在该空气给送装置的轴上另外提供一个涡轮机叶轮而对也由燃料电池产生的废空气和/或废热进行利用，该涡轮机叶轮被安排在一个涡轮机壳体中，该涡轮机壳体优选地具备可变涡轮机几何形状(VTG)以便进一步提高该涡轮机的效率。

在此，压缩机叶轮、压缩机壳体、涡轮机叶轮和涡轮机壳体这些部件的大小和构造可以如常规排气涡轮增压器中那样进行确定，这进而减少了根据本发明的空气给送装置的构造费用。

要强调的另外的优选特征包括一个冷却装置，在一个特别优选的实施例中，该冷却装置是由该轴承壳体的外侧以及环绕所述外侧的一个外包壳形成的，这些界定了一个冷却剂内部，该冷却剂内部优选地配备有多个流体引导元件并且可以向其中引人冷却剂、优选是冷却水。

为了能够实现特别对该轴向轴承的特别有效的冷却，在此有可能提供一个分开的轴向轴承冷却部分，该部分可以例如被形成为一个凹入的冷却剂环，该环被形成在该轴承壳体中并且被安排成邻近于该轴向轴承。

从以下基于附图的多个示例性实施例的说明中将显现出本发明的进一步的细节、特征和优点，在附图中：

图1A、1B示出了穿过根据本发明的适合用于燃料电池并且也适合用于其他应用的空气给送装置、以及必须对其供应大量空气的装置的略微简化的示意性纵向截面图，

图2以纵向截面示出了该空气给送装置的轴的一部分的详细图示，并且

图3示出了用于根据本发明的空气给送装置的压缩机壳体的扩散器的一个叶片环的透视图示。

图1A示出了根据本发明的空气给送装置1的一个优选实施例，通过该空气给送装置可以例如向一个燃料电池(在图1A中未详细展示)供应其有效工作所需要的空气质量流速。

该空气给送装置1具有一个轴2，该轴沿着空气给送装置1的纵向轴线L延伸。

在轴2的一端5上紧固了一个压缩机叶轮4，该压缩机叶轮被安排在一个压缩机壳体3中。在此，压缩机壳体3和压缩机叶轮4可以具有与排气涡轮增压器的压缩机相对应的设计。在所展示的实例中，为了紧固，提供了一种螺钉连接23，该螺钉连接具有一个螺纹销钉23A，该螺纹销钉延伸穿过压缩机叶轮并且其一端被拧入一个轴支承部分12的内螺纹之中并且在其外端上拧接一个螺母23B，通过该螺母将压缩机叶轮4紧固到该轴2上。

此外，该空气给送装置1具有一种轴承安排，在此实例中该轴承安排是处于带有两个径向空气轴承6和7以及一个轴向空气轴承8的一种空气轴承安排的形式。这些径向空气轴承6和7被安排在相关联的轴支承部分11与上述轴支承部分12上。在轴支承部分11与12之间提供了一个磁体部分13，该磁体部分形成了一个电动机10的转子，所述电动机还包括一个线圈14，该线圈形成了电动机10的定子并且它为此目的而环绕该磁体部分13并且被引导在一个轴承壳体9中。此外，提供了多个引导元件17和18，这些引导元件可以例如形成为特氟纶盘片，这些盘片支承在线圈14的相应端侧15和16上并且固持这些空气轴承6、7。此外，所述引导元件17和18相对于轴2发挥一种密封功能以便防止空气流出。所述引导元件17和18最后用作紧急运转轴承。

代替上述空气轴承安排，也基本可想到其他轴承安排，例如特别是磁体轴承安排。

如图1A中所示，由于提供了轴支承部分11和12以及磁体部分13，轴2被分为三个轴部分，这些轴部分由上述轴支承部分11、12以及磁体部分13形成。

所述三个部分11至13在完全组装后状态下支撑在彼此上，为此目的，在此实例中提供了一个系杆19。在此，这些部分11至13在轴承壳体外部被预先组装到该系杆19上，为此目的所述系杆的自由端部分19A被拧入轴支承部分12的内螺纹中，适当时中间有一个垫圈。在轴支承部分11的左端处，由这三个部分11至13构成的该安排通过一个轴螺母20被固定至系杆19上。在所述预组装状态下，所述安排可以经历进一步的机加工，例如可以优选地进行研磨和涂覆。

随后将压缩机叶轮4用一个第一轴向轴承半件33固定至轴支承部分12上，并且使所述安排平衡。随后将第二轴向轴承半件34插到所形成的该安排上，并且将径向轴承6和7固定在该轴承壳体中。以上描述的预组装后的轴组件接着作为整体被插入该轴承壳体9中。

在图1A中展示的这个特别优选的实施例中，一个涡轮机叶轮21被安排在轴2的、与轴2的末端5相反定位的这个末端区域上，该涡轮机叶轮配备有一个可变涡轮机几何形状22以便提高效率。在图1中没有展示出这个不言而喻将提供的涡轮机壳体，以便提供对VTG22的更好展示，但是不言而喻，除了压缩机壳体3之外，该涡轮机壳体同样被提供在立即可操作的空气给送装置1中。

为了所述单元的最后支撑，在将涡轮机叶轮21安装到系杆19的另一自由端19B上之后，将一个螺母19C拧到所述系杆上而使得由轴支承部分11和12以及磁体部分13以及任选提供的涡轮机叶轮21所构成的这整个轴组件得到支撑。

在图1A所展示的实施例中，压缩机叶轮4通过该螺钉连接23而固定至轴2上，如以上已经描述的。然而还有可能将压缩机叶轮4按以上描述的方式经由系杆19而连接到轴2的轴组件上，并且在此情况下还有可能将涡轮机叶轮21相应地经由该螺钉连接23进行连接。

图1A还示出，所述图中展示的空气给送装置1的这个特别优选的实施例还具有一个轴向空气轴承8，该轴向空气轴承在轴承壳体9中被安排在压缩机叶轮4邻近处并且与一个径向向外伸出的轴套环31相互作用，在其两侧上安排了这些轴向轴承半件。

最后，图1A示出，空气给送装置1的这个优选实施例还具有一个冷却装置24，该冷却装置被界定在轴承壳体9的外侧与一个外包壳25之间，该外包壳在外侧以一个间隔环绕该轴承壳体9。以此方式，有可能形成一个冷却夹套，可以将优选处于冷却水形式的冷却剂引入该冷却夹套中，以便能够对该空气给送装置1的这些部件提供所需要的冷却。

具体对于轴向空气轴承8的冷却而言，在图1A中展示的这个特别优选的实施例中的冷却剂装置24具有一个轴向冷却支承部分27，该轴向冷却支承部分是由在轴承壳体9中形成的一个环形管道形成的，所述环形管道被提供在轴向空气轴承8的邻近处以便能够在此赋予增大的冷却作用。

最后必须提到的是，外包壳25相对于轴承壳体9通过一种O型环安排28和29而以灵活方式被密封隔离并且被支撑，这些O型环安排在各自情况下是提供在外包壳25的端部中。在此，一个静态固定装置36(例如是处于用于将空气给送装置1安装在机动车辆中的轴承座的形式)接合到外包壳25上而使得上述O型环安排28和29不仅可以发挥其密封功能而且可以发挥阻尼功能。

图1B展示了穿过空气给送装置1但处于不同位置的另外一个纵向截面，还清楚地显示，在该特别优选的实施例中在轴承壳体9中提供了一个弹簧组安排，由于图1B中选定的截面位置，在该弹簧组安排中的一个弹簧组35是可见的。然而该弹簧组安排常规地具有至少两个这样的弹簧组35。在插入上述具有这两个轴向轴承半件33和34的轴组件之后，该弹簧组安排将这些轴向轴承半件34压到轴套环31的环形盘片上，这使得组装过程的进一步简化。

图1B的图示还以放大的形式显示了已经在图1A的基础上关于其流动引导元件进行了描述的该冷却装置24，上述冷却装置在此实例中被形成为一种螺旋管道安排，该螺旋管道安排产生了优选为螺旋形的冷却剂流动以便增大冷却作用。

就根据本发明的空气给送装置1的效率的增大(在引言部分中解释过)而言，作为一个另外的区别特征还提供了：轴支承部分11和12以及磁体部分13相对于彼此定中心在该安排的一个外边缘处，如从图2的详细图示中可以看出。

在此方面，图2示出了具有一个外部环形增强物13A的磁体部分13、支承在所述增强物的内部圆周环上的一个套管13B、以及进而支承在套管13B的内部圆周上的一个磁体13C，所述磁体配备有一个中央纵向贯通凹陷13D，该系杆19可以引导穿过该贯通凹陷。为了提供更简单的展示和解释，图2仅示出了图1中被安排在纵向轴线L以上的区域的详图。而图1中所示的系杆19在图2中未另外展示出。还有可能将增强物13A直接附接到磁体13C上，也就是说不使用套管13B。

上述在外边缘A上的外部定中心是通过一个轴向伸出的凸耳12A实现的，该凸耳的内圆周接合到该增强物13A的一个对应地形成的环形包绕的台阶13F上并且具有一个轴向停止表面13E，凸耳12A轴向地支承在该轴向停止表面上。为了避免双重配合，在图2中展示的磁体部分13与轴支承部分12之间提供了游隙S，所述轴支承部分包括该凸耳12A和一个纵向贯通凹陷12B，在该贯通凹陷中提供了一个内螺纹12C，系杆19的关于图1所解释的第一自由端部分19A以及该螺纹杆23A可以被拧入该内螺纹中。

在部件12与13之间的、在外边缘处定向的这种定中心产生了该轴的增大的稳定性，其中必须强调的是，上述稳定化作用不言而喻是按照与轴支承部分11与磁体部分13之间的相同方式实现的，但为了简便起见这点在图2中没有详细展示出。

为了允许系杆19穿过，不言而喻轴支承部分11还具有延伸穿过其整个长度、与通道凹陷13D和12B对应的一个纵向中央孔。

在根据图2的安排的另一个替代方案中，有可能的是该中央部分13B为一个磁体并且部分13C构成一个内轴，这样使得在所述安排中，磁体13B被包裹在外部增强物13A与内轴13C之间，这在该磁体具有相对多孔的结构时是特别有利的，该多孔的结构由于增强物13A和轴13C的包绕而被稳定。

为了进一步增大效率，最后有可能使压缩机壳体3具有一个扩散器30，该扩散器配备有一种叶片结构(blading)，该叶片结构在图3中以略微简化的形式示意性地展示出，因为所述叶片在图1中由于所述图中描绘的图示而是不可见的。扩散器30的这种叶片结构可以对应于图3的图示通过一个环31′来实现，该环可以插入扩散器30中并且配备有一种叶片安排32，该叶片安排可以根据应用进行适配，如举例而言可以从图3的透视图中看出的。图3中具体示出了，在此所展示的这个特别优选的实施例中的叶片安排32是处于双重叶片结构的形式，该双叶片结构在此实例中包括十一个叶片对。然而，叶片对的数目、其设计、其相对于彼此的对齐、以及其相对于环31的对齐可以根据应用进行修改。

除本发明的以上书面披露之外，特此还明确地参考在图1至图3中的图示说明。此外，本发明的上述单独部件的任何可想到的组合根据本发明都是有可能的，因而本发明不局限于以上描述的这些实例。

参考符号清单

1   空气给送装置

2   轴

3   压缩机壳体

4   压缩机叶轮

5   轴2的第一末端

6，7，8  空气轴承安排或径向空气轴承6、7和轴向空气轴承8

9   轴承壳体

10  电动机

11，12  轴支承部分

12A  凸耳

12B  纵向中央凹陷

12C  内螺纹

13   磁体部分

13A  套管状增强物

13B  套管

13C  环形磁体

13D  磁体13C的纵向中央凹陷

13E  增强物13A的轴向停止表面

13F  台阶

14   线圈

15，16  线圈的端侧

17，18  引导元件(引导圆盘)

19   系杆

19A，19B   系杆的自由端

19C  螺母

20   轴的螺母

21   涡轮机叶轮

22   VTG

23   螺纹连接

23A  螺纹杆

23B  螺钉

24   冷却装置

25   外部夹套

26   引导装置24的流动引导元件，用于产生优选旋转的螺旋形冷却剂流的

27   轴向轴承冷却部分

28，29  O型环

30   扩散器

31   环形盘/轴套环

31′ 环

32   叶片结构

33，34  轴向轴承半件

35   弹簧组

36   静态固定装置/轴承座

L 纵向轴线

S 游隙

A 外边缘

Claims (17)

1.一种用于燃料电池的空气给送装置(1)，

-具有一个轴(2)；

-具有一个压缩机叶轮(4)，该压缩机叶轮被安排在一个压缩机壳体(3)中并且被紧固至该轴(2)的这些末端(5，20)中的一个末端(5)上，

-具有一个轴承安排(6，7，8)，该轴承安排被安排在一个轴承壳体(9)中以用于安装该轴(2)，并且

-具有用于驱动该轴(2)的一个电动机(10)，该电动机被安排在该轴承壳体(9)中，其中

-该轴(2)具有被形成为分开部件的两个轴支承部分(11，12)并且具有一个磁体部分(13)，该磁体部分被安排在这些轴支承部分(11，12)之间、形成了一个分开的部件并且形成了该电动机(10)的转子，这些轴支承部分(11，12)和该磁体部分(13)支撑在彼此上，并且其中这些轴支承部分(11，12)和该磁体部分(13)是通过一个定中心安排(12A，13F)而相对于彼此定中心的，该定中心安排接合在一个外边缘(A)上，这些轴支承部分(11，12)和该磁体部分(13)在各自情况下轴向地支承在彼此上。

2.如权利要求1所述的空气给送装置，其中，提供了一个线圈(14)，该线圈形成了该电动机(10)的定子并且在该轴承壳体(9)中是围绕该磁体部分(13)安排的。

3.如权利要求2所述的空气给送装置，其中，该线圈(14)是通过两个轴向引导元件(17，18)引导的，这些轴向引导元件在该轴承壳体(9)中支承在所述线圈的相应端侧(15，16)上。

4.如权利要求1至3之一所述的空气给送装置，其中，这些轴支承部分(11，12)和该磁体部分(13)借助一个系杆(19)而支撑在彼此之上。

5.如权利要求1至4之一所述的空气给送装置，其中，在该轴(2)的另一端(20)上安排了一个涡轮机叶轮(21)。

6.如权利要求5所述的空气给送装置，其中，该压缩机叶轮(4)或该涡轮机叶轮(21)通过一种螺钉连接(23)而连接到该轴(2)上，并且在各自情况下另一个叶轮(涡轮机叶轮21或压缩机叶轮4)通过该系杆(19)而连接到该轴(2)上。

7.如权利要求5或6所述的空气给送装置，其中，该涡轮机叶轮(21)被安排在一个涡轮机壳体中，该涡轮机壳体配备有一个可变涡轮机几何形状(22)。

8.如权利要求1至7之一所述的空气给送装置，其中，该轴承安排是处于一种空气轴承安排的形式，该空气轴承安排具有在这些轴支承部分(11，12)上被安排在该电动机(10)的两侧上的两个径向空气轴承(6和7)、以及一个轴向空气轴承(8)。

9.如权利要求8所述的空气给送装置，其中，该空气轴承安排具有一个轴向空气轴承(8)，该轴向空气轴承在该轴承壳体(9)中是邻近于该压缩机叶轮(4)安排的。

10.如权利要求1至9之一所述的空气给送装置，其中，在该轴承壳体(9)与环绕所述轴承壳体的一个外包壳(25)之间提供了一个冷却装置(24)。

11.如权利要求10所述的空气给送装置，其中，该冷却装置(24)具有多个流动引导元件(26)。

12.如权利要求11所述的空气给送装置，其中，这些流动引导元件(26)是处于一种有多个螺旋管道的安排的形式。

13.如权利要求11或12所述的空气给送装置，其中，该冷却装置(25)具有被安排在该轴承壳体(9)中的一个轴向支承冷却部分(27)。

14.如权利要求11至13之一所述的空气给送装置，其中，该外包壳(25)是通过多个O型环(28，29)支撑在该轴承壳体(9)上的。

15.如权利要求1至14之一所述的空气给送装置，其中，该压缩机壳体(3)具有一个叶片式扩散器(30)。

16.如权利要求15所述的空气给送装置，其中，该扩散器(30)配备有一种双重叶片结构(32)。

17.如权利要求9所述的空气给送装置，其中，该轴向空气轴承(8)具有两个轴向轴承半件(33，34)，这些轴向轴承半件被安排在一个轴套环(31)的两侧上并且通过安排在该轴承壳体(9)中的一个弹簧组安排(35)而被预加载。

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