CN104948478B - 具有形成扩散器的壁的热屏蔽的电动机驱动的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有形成扩散器的壁的热屏蔽的电动机驱动的压缩机。电动机驱动的压缩机包括壳体组件，所述壳体组件包括马达壳体和安装至其上的压缩机壳体。压缩机壳体包含安装在马达转子的轴上的离心压缩机叶轮，并且还限定将空气引导到压缩机叶轮中的空气入口和收集压缩空气的蜗壳。空气轴承可旋转地支撑轴。冷却空气通路被限定在壳体组件中，用于将冷却空气供应至空气轴承。在压缩机叶轮的出口与蜗壳之间的扩散器用于扩散压缩空气。压缩机包括与压缩机壳体和马达壳体分开形成的并设置在它们之间的热屏蔽。热屏蔽限定扩散器的一个壁，并还与壳体组件合作，以限定用于供应至轴承的冷却空气的冷却空气通路的一部分。

Description

具有形成扩散器的壁的热屏蔽的电动机驱动的压缩机

相关申请的交叉引用

本申请涉及2014年2月19日提交的共同拥有的共同未决的申请No.14/184,122，所述申请的全部公开通过引用在此并入。

技术领域

本公开涉及诸如用于燃料电池的电动机驱动的压缩机。

背景技术

空气压缩机能用于通过将压缩空气提供至燃料电池的阴极侧来提高燃料电池的效率。二级压缩机可用于需要比单压缩机级中可得到的高的压力的某些应用。在二级压缩机中，低压压缩机叶轮设置在轴上，并且高压压缩机叶轮设置在相同的轴上。轴由电动机驱动，使得压缩机叶轮旋转，并且空气进入低压压缩机叶轮并被压缩至第一压力。压缩空气然后被传递给用于压力的进一步提高的高压叶轮。来自高压压缩机叶轮的空气然后被输送至燃料电池，以促进燃料电池反应。

用于燃料电池的压缩机的电动机典型地是产生大量热的高速、高输出马达。通常需要使马达与在压缩机中被压缩的空气之间的热传递和马达与用于压缩机轴的轴承之间的热传递最小。

发明内容

本公开描述了诸如可与燃料电池一起使用或可用于其他应用的电动机驱动的压缩机的实施例。在一个实施例中，例如，电动机驱动压缩机包括壳体组件，所述壳体组件包括马达壳体和安装至马达壳体的压缩机壳体。马达壳体包含马达定子和马达转子，并限定可转动的轴穿过其中的孔。压缩机壳体包含安装在轴上用于绕轴中心线旋转的离心压缩机叶轮。压缩机壳体还限定将空气引导到压缩机叶轮中的空气入口和收集已穿过压缩机叶轮的压缩空气的蜗壳。压缩机叶轮的出口与蜗壳之间的扩散器用于使压缩空气扩散至较低的速度和因此较高的静态压力。

在一个实施例中的电动机驱动压缩机包括可旋转地支撑轴的空气轴承。冷却空气通路被限定在壳体组件中，用于将冷却空气供应至空气轴承。

根据本公开，电动机驱动压缩机包括与压缩机壳体和马达壳体分开形成并设置在它们之间的热屏蔽。热屏蔽限定用于被输送到蜗壳中的压缩空气的扩散器的一个壁。热屏蔽还与壳体组件合作，以限定用于供应至空气轴承的冷却空气的冷却空气通路的一部分。

在一个实施例中，马达壳体限定用于使液体冷却剂循环的液体冷却剂通路，并且热屏蔽限定被卡在马达壳体与第一压缩机壳体之间的安装凸缘。安装凸缘与由液体冷却剂冷却的马达壳体的一部分接触，以便有助于从安装凸缘到马达壳体的所述部分的热传递。

在一个实施例中，热屏蔽与马达壳体布置成以便在它们之间限定用于接纳冷却空气的环形空间，并且冷却空气通路布置成用于从环形空间接纳冷却空气。能在热屏蔽与马达壳体之间附加地限定冷却空气间隙，冷却空气间隙布置成从环形空间接纳冷却空气。

压缩机还能包括在第一压缩机叶轮与空气轴承中间固定至轴的第一密封架和接合在绕第一密封架形成的周向槽中的第一密封环。第一密封环安置成抵靠着热屏蔽的径向内表面密封，以便阻止第一压缩机流动路径与空气轴承之间的空气泄露。

本发明的特征能适用于二级串联压缩机,诸如在此图示并描述的实施例。在这样的二级压缩机的情况下，第二压缩机壳体安装至马达壳体的相对端，并且第二离心压缩机叶轮被包含在第二压缩机壳体中，并固定至轴的相对端。第二压缩机壳体限定第二压缩机流动路径，所述第二压缩机流动路径包括：第二空气入口，其将空气引导到第二压缩机叶轮中；和第二蜗壳，其收集已穿过并被第二压缩机叶轮压缩的压缩空气。级间管道将第二蜗壳连接至第一空气入口，使得被第二压缩机叶轮压缩的空气由级间管道从第二蜗壳引导到第一空气入口中，并被第一压缩机叶轮进一步压缩和输送到第一蜗壳中。因此第二压缩机叶轮构成低压压缩机叶轮，并且第一压缩机叶轮构成高压压缩机叶轮。

在二级压缩机实施例中，热屏蔽与马达壳体布置成在它们之间限定用于接纳冷却空气的环形空间，并且冷却空气通路布置成用于从环形空间接纳冷却空气。马达壳体限定用于供应被接纳在环形空间中的冷却空气的冷却空气入口。壳体组件能限定邻近低压压缩机叶轮的环状空间，环状空间从冷却空气入口接纳冷却空气，并且马达壳体能限定轴向延伸导管，用于将冷却空气从所述环状空间供给到在热屏蔽与马达壳体之间限定的环形空间中。

附图说明

如此已概括地描述了本公开，现在将参考不一定按比例绘制的附图，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施例的包括具有串联的低压压缩机和高压压缩机的二级压缩机的电动机驱动压缩机的部分截面侧视图；

图2是示出冷却空气如何被供应到热屏蔽与马达壳体之间的环形空间中的细节的图1的一部分的放大图；以及

图3是示出热屏蔽及其在高压压缩机中的布置的细节的图1的一部分的放大图。

具体实施方式

现在将在下文中参考其中示出本发明的某些但非所有实施例的附图更全面地描述本发明。实际上，本发明的方面可以许多不同的形式体现，并且不应被理解为限于在此陈述的实施例；相反，提供这些实施例，使得该公开满足适用的法律要求。相同的附图标记始终指的是相同的元件。

本发明可适用于各种各样的电动机驱动的压缩机类型，包括单级以及多级电动机驱动的压缩机。为了说明本发明的原理而在此描述的特定的实施例是具有串联布置的两个离心压缩机的串联二级压缩机，但本发明可适用于并联二级压缩机以及其他的类型。因此，在图1中示出了用于与燃料电池(诸如质子交换膜(PEM)燃料电池)一起使用的串联二级电动机驱动的压缩机10的简化横截面视图。二级压缩机10包括壳体组件，所述壳体组件包括：马达壳体20；低压压缩机壳体40，其安装至马达壳体的一端；和高压压缩机壳体60，其安装至马达壳体的另一端。马达壳体20包含马达定子22和马达转子24，所述马达转子24具有轴26，永磁体28绕该轴固定地安装。马达壳体20限定孔30，马达转子24与轴26穿过该孔。空气轴承32设置在马达壳体20中，用于可旋转地支撑转子24和轴26。

低压压缩机壳体40包含安装在轴26的一端上用于与之一起旋转的离心低压压缩机叶轮42，低压压缩机壳体还限定低压压缩机流动路径，所述低压压缩机流动路径包括：空气入口44，其将空气引导到低压压缩机叶轮中；和低压蜗壳46，其收集已穿过并被低压压缩机叶轮压缩的压缩空气。低压压缩机还包括扩散器45，所述扩散器45将压缩空气从低压压缩机叶轮42引导到低压蜗壳46中，并用于降低速度和提高进入蜗壳的空气的静态压力。

高压压缩机壳体60包含安装在轴26的相对端上用于与之一起旋转的离心高压压缩机叶轮62。高压压缩机壳体限定高压压缩机流动路径，所述高压压缩机流动路径包括：空气入口64，其将空气引导到高压压缩机叶轮中；和高压蜗壳66，其收集已穿过并被高压压缩机叶轮压缩的压缩空气。高压压缩机还包括扩散器65，所述扩散器65将压缩空气从高压压缩机叶轮62引导到高压蜗壳66中，并用于降低速度和提高进入蜗壳的空气的静态压力。

压缩机还包括连接在低压蜗壳46与高压压缩机的入口64之间的级间管道50，用于将压缩空气从低压蜗壳46按路线传送至高压压缩机用于在第二级压缩过程中进一步加压。

冷却空气通路被限定在壳体组件中，用于将冷却空气供应至空气轴承32。尤其地，参考图2，冷却空气被供应到限定在马达壳体20中的冷却空气供应入口70中。例如，在压缩机10用于车辆的燃料电池系统的情况下，其中来自高压蜗壳66的压缩空气在其被供应至燃料电池之前穿过车辆热交换器以使空气冷却，离开热交换器的一部分空气可被抽出并供应到冷却空气供应入口70中。从那里，冷却空气进入由马达壳体20与低压压缩机壳体40合作地限定的环状空间72。环状空间72中的冷却空气的一部分通过通路73被径向地向内引导，并供给至用于低压侧空气止推轴承的止推板43的两侧。止推板43的内(马达)侧上的空气供给轴颈空气轴承32(还冷却转子磁体28)，然后被排出到马达空腔中。止推板43的外侧上的空气通过通路47径向向外进入在压缩机壳体中限定的环形空间49，并且从那里，空气通过通路51进入马达空腔。

环状空间72中的冷却空气的剩余部分被引导通过轴向延伸的冷却空气导管74，所述轴向延伸的冷却空气导管74从环状空间72延伸通过马达壳体20，并与在高压压缩机附近的另一环状空间76(图1和3)连接。参考图3，马达壳体20限定冷却空气通路78，所述冷却空气通路78从环状空间76大体上径向向内地通向在马达转子24的高压端的大体上环形的空间80。供给到大体上环形的空间80中的冷却空气大体上轴向地(向图3中的左侧)通过并供给用于转子24的轴颈空气轴承32(还冷却转子磁体28)，然后被排出到马达空腔中。

马达空腔中的冷却空气经由端口71从马达空腔排空，所述端口71经由导管71a连接至壳体排出端口71b(图1)。

现在参考图3，高压压缩机包括大体上环形的热屏蔽100，所述大体上环形的热屏蔽100与高压压缩机壳体60和马达壳体20分开形成并设置在它们之间。尤其地，热屏蔽100在其径向外周具有凸缘102，并且凸缘102相对于径向方向设置在压缩机壳体60的凸缘68与马达壳体20的肩部21之间，并被夹在凸缘68与肩部21之间，以便径向地约束热屏蔽。热屏蔽凸缘102被卡在并轴向地约束在马达壳体凸缘23与HP压缩机壳体60上的肩部67之间。V形带夹具35将马达壳体凸缘23与HP压缩机壳体凸缘68夹紧到一起，并且设置在HP压缩机壳体肩部67与热屏蔽凸缘102之间的密封环69由此在这些部分之间被轴向地压缩，从而密封热屏蔽与压缩机壳体之间的界面。热屏蔽100包括径向定向的壁部104，所述径向定向的壁部104从凸缘102径向向内延伸并限定用于输送到HP蜗壳66中的压缩空气的扩散器65的一个壁，扩散器的相对的壁由HP压缩机壳体60限定。

继续参考图3，先前描述的冷却空气环状空间76由热屏蔽100与马达壳体20合作地限定。马达壳体中的冷却空气通路78从环状空间76径向向内延伸，并将冷却空气供给到空间80中，空气从所述空间80如先前所描述地供给轴颈轴承。因此，热屏蔽100与壳体组件合作，以限定用于供应至空气轴承的冷却空气的冷却空气通路的一部分。

热屏蔽100还帮助使从热马达壳体20到穿过高压压缩机的空气的热传递最小。为此，马达壳体20几乎不与热屏蔽100接触。马达壳体20限定用于使液体冷却剂围绕定子22循环通过壳体的液体冷却剂通路25。被卡在马达壳体20与HP压缩机壳体60之间的热屏蔽的安装凸缘102与由液体冷却剂通路25中的液体冷却剂冷却的马达壳体的一部分接触(注意：在图3中凸缘102离冷却剂通路25很近)，以便有助于从安装凸缘到马达壳体的所述部分的热传递。在热屏蔽100与马达壳体20之间还存在空气间隙77。来自环状空间76的空气对该死点空气间隙77增压。所有这些特征有助于从马达壳体经由热屏蔽到在HP压缩机中被压缩的空气的热传递最小。

热屏蔽100附加地提供又一功能，即，为使HP压缩机排出空气与HP轴颈轴承大致隔离的密封提供密封表面。因此，压缩机包括在HP压缩机叶轮62与空气轴颈轴承32中间的位置绕轴26固定的密封架63。密封环63a接合在绕密封架63形成的周向槽中，并且密封环安置成抵靠着热屏蔽100的径向内表面密封(图3)，以便阻止从HP压缩机流动路径到轴颈空气轴承中的空气泄露。在图示的实施例中，在密封架63中的第二槽中还存在第二密封环63b，以进一步增强密封。

尽管已参考电动机驱动的二级串联压缩机描述了本发明，但本发明还可适用于诸如单级压缩机的其他电动机驱动的压缩机。对“第一压缩机叶轮”的参考应被理解为适用于二级串联压缩机的HP压缩机叶轮(在“第二压缩机叶轮”是LP压缩机叶轮的情况下)，或适用于单级压缩机中的压缩机叶轮。

在此陈述的发明涉及的领域的技术人员将想到这些发明的许多变型及其他实施例，以具有在前述说明和相关附图中介绍的教导的益处。因此，应理解的是，本发明不限于所公开的特定的实施例，并且其他的实施例应被包括在所附权利要求的范围内。尽管在此采用了特定的术语，但它们仅在一般和描述的意义上使用，并且不用于限制的目的。

Claims (6)

1.一种电动机驱动的压缩机，包括：

壳体组件，其包括马达壳体和安装至所述马达壳体的一端的第一压缩机壳体，所述马达壳体包含马达定子和具有轴的马达转子，所述马达壳体限定所述马达转子和所述轴穿过其中的孔；

所述第一压缩机壳体，其包含安装在所述轴的一端上用于与之一起旋转的第一离心压缩机叶轮，所述第一压缩机壳体还限定第一压缩机流动路径，所述第一压缩机流动路径包括：第一空气入口，其将空气引导到所述第一离心压缩机叶轮中；和第一蜗壳，其收集已穿过并被所述第一离心压缩机叶轮压缩的压缩空气；

安装至所述马达壳体的相对端的第二压缩机壳体和被包含在所述第二压缩机壳体中并固定至所述轴的相对端的第二离心压缩机叶轮，所述第二压缩机壳体限定第二压缩机流动路径，所述第二压缩机流动路径包括：第二空气入口，其将空气引导到所述第二离心压缩机叶轮中；和第二蜗壳，其收集已穿过并被所述第二离心压缩机叶轮压缩的压缩空气，并且还包括将所述第二蜗壳连接至所述第一空气入口的级间管道，使得被所述第二离心压缩机叶轮压缩的空气由所述级间管道从所述第二蜗壳引导到所述第一空气入口中，并被所述第一离心压缩机叶轮进一步压缩和输送到所述第一蜗壳中；

在所述第一离心压缩机叶轮的出口与所述第一蜗壳之间的第一扩散器，所述第一扩散器用于将压缩空气扩散至较低的速度并将压缩空气输送到所述第一蜗壳中；

空气轴承，其设置在所述马达壳体中，并可旋转地支撑所述轴；

冷却空气通路，其被限定在所述壳体组件中，用于将冷却空气供应至所述空气轴承；

热屏蔽，其与所述第一压缩机壳体和所述马达壳体分开形成并设置在它们之间，所述热屏蔽限定位于热屏蔽的径向外周的安装凸缘，并限定屏蔽部，所述屏蔽部从所述安装凸缘径向向内延伸并形成用于输送到所述第一蜗壳中的压缩空气的所述第一扩散器的一个壁，所述热屏蔽还与所述壳体组件合作，以限定用于供应至所述空气轴承的冷却空气的所述冷却空气通路的一部分；

其中所述热屏蔽的所述安装凸缘被卡在第一压缩机壳体的一部分和马达壳体的一部分之间，使得通过在环形空间的径向外侧的所述安装凸缘并通过在环形空间的相对的轴向两侧的屏蔽部和马达壳体限定环形空间，所述环形空间位于接近所述第一蜗壳用于接纳冷却空气；

其中所述马达壳体限定冷却空气入口，所述冷却空气入口从第二蜗壳接纳一部分空气，并限定将所述部分空气的一部分供给到接近所述第一蜗壳的环形空间中的通路；以及

其中所述热屏蔽的所述安装凸缘接合所述马达壳体以将所述热屏蔽的屏蔽部与马达壳体的面轴向地间隔开，以便形成在所述热屏蔽的屏蔽部与所述马达壳体的面之间的冷却空气间隙，所述冷却空气间隙连接到所述环形空间并从所述环形空间径向向内延伸，并由来自环形空间的冷却空气增压，并且其中，所述屏蔽部的径向最内侧部分接合所述马达壳体的面以在其径向内端封住所述冷却空气间隙，以便使所述冷却空气间隙是盲端的。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动的压缩机，其中，所述马达壳体限定用于使液体冷却剂循环的液体冷却剂通路，所述热屏蔽的所述安装凸缘与由液体冷却剂冷却的所述马达壳体的一部分接触，以便有助于从所述安装凸缘到所述马达壳体的所述部分的热传递。

3.根据权利要求1所述的电动机驱动的压缩机，还包括：第一密封架，其在所述第一离心压缩机叶轮与所述空气轴承中间固定至所述轴；和第一密封环，其接合在绕所述第一密封架形成的周向槽中，并且其中，所述第一密封环安置成抵靠着所述热屏蔽的径向内表面密封，以便阻止所述第一压缩机流动路径与所述空气轴承之间的空气泄露。

4.根据权利要求3所述的电动机驱动的压缩机，还包括第二密封环，其接合在绕所述第一密封架形成的第二周向槽中，并安置成抵靠着所述热屏蔽的所述径向内表面密封。

5.根据权利要求1所述的电动机驱动的压缩机，其中，所述冷却空气通路布置成用于从所述环形空间接纳冷却空气。

6.根据权利要求1所述的电动机驱动的压缩机，其中，所述壳体组件限定邻近所述第二离心压缩机叶轮的环状空间，所述环状空间从所述冷却空气入口接纳冷却空气，并且其中，在所述马达壳体中限定的所述通路包括轴向延伸导管，用于将冷却空气从所述环状空间供给到在所述热屏蔽与所述马达壳体之间限定的环形空间中。