CN111120410A - 具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机，更详细地，涉及如下的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机：在同时使用空冷式及水冷式的冷却结构中对用于生成高压空气的叶轮单元进行冷却，来防止温度上升，从而提高叶轮单元的效率性和耐久性。

Description

具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机
技术领域
本发明涉及具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机，更详细地，涉及如下的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机：在同时使用空冷式及水冷式的冷却结构中对用于生成高压空气的叶轮单元进行冷却，来防止温度上升，从而提高叶轮单元的效率性和耐久性。
背景技术
由于化石能源的耗尽所导致的油价持续上升、由车辆排出的尾气引起的环境污染等问题，更迫切需要开发使用燃料电池的车辆。
燃料电池是在氢和氧的反应过程中生成电能的电池，因此在燃料电池车辆装载有燃料电池堆、向燃料电池堆供给氢的氢供给装置、压缩空气后向燃料电池堆供给的鼓风机等。
尤其，车辆的燃料电池用鼓风机在要求具备低流量及高压力的同时，还要求具备高耐久性和低噪音以及宽操作范围。
这种燃料电池用鼓风机作为供给在燃料电池堆中生成电所需的氧的装置，属于燃料电池系统的核心结构部件，并且为了减少在向燃料电池堆传递的过程中产生的流路阻抗所引起的损失而包括压缩大气的过程。
并且，燃料电池用鼓风机根据燃料电池堆所需的空气的压力及流量水平来确定其形态并采用，例如，通常，在流量少且压力高的区域，适用螺杆或容积型压缩机，在流量相对较多且压力低的区域，适用涡轮型压缩机。
在螺杆压缩机的情况下，以低于涡轮型压缩机的旋转数工作，虽然具有可直观理解的压缩结构，但是具有重、体积大的缺点，在涡轮型压缩机的情况下，虽然能够以小而简单的结构低价制造产品，但是需要确保适用于高速旋转的润滑结构。
因而，通过对这种现有车辆的燃料电池用鼓风机的冷却方法及冷却结构进行重点集中实验，来解决燃料电池用鼓风机的热量问题，从而，本发明提供提高效率性及耐久性的燃料电池用鼓风机。
为此，如图5的(a)部分所示，作为具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的现有技术，在韩国授权专利公报第10-1735042号的“燃料电池车辆用鼓风机”(以下，称为“现有技术1”)中，涉及如下的燃料电池车辆用鼓风机：可通过在与轴承的外周相接触的区域形成空气流动槽来降低轴向载荷，由此提高耐久性，可冷却包括轴承在内的电动机，通过在电动机外壳形成冷却水流路来进一步提高冷却效率。
作为另一现有技术，如图5的(b)部分所示，在韩国公开专利公报第10-2016-0097884号的“燃料电池车辆用鼓风机”(以下，称为“现有技术2”)中，涉及如下的燃料电池车辆用鼓风机：包括：外罩，用于形成外观；叶轮支撑部，与上述外罩的前部相结合，用于支撑吸入外部空气的叶轮；叶轮外罩，与上述叶轮支撑部相结合并覆盖上述叶轮，形成有用于吸入空气的空气流入口及用于排出压缩空气的空气排出口；后盖，与上述外罩的后部相结合；以及鼓风机马达，设置于上述外罩的内部，用于使上述叶轮旋转驱动，上述叶轮支撑部包括使得通过叶轮吸入的空气流入上述外罩的内部的第一流路，由于没有单独的排水软管及用于排水的端口，方便管理鼓风机，不需要更换排水软管，且可以充分冷却鼓风机马达的转子，因而具有因转子的热量而导致轴承的耐久性下降及缩短使用寿命的问题。
如上所述，现有技术1及现有技术2的技术领域与本发明相同，虽然相关发明所要解决的问题(发明的目的)部分相同，但是在用于解决问题的方案中，即，在结构要素及所产生的效果方面存在不同之处。
因此，可以认为其技术特征不同。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：韩国授权专利公报第10-1735042号(2017年05月04日)
专利文献2：韩国公开专利公报第10-2016-0097884号(2016年08月18日)
发明内容
本发明是为了解决上述现有问题而提出，其目的在于，提供如下的燃料电池用涡轮鼓风机：通过形成同时使用空冷式及水冷式的冷却结构，来降低叶轮单元的温度上升，从而提高效率性及耐久性。
尤其，本发明的目的在于，提供如下的燃料电池用涡轮鼓风机：通过叶轮单元来使空气自然地被吸入到鼓风机壳体单元的第二空气吸入隔室的内部，引导所吸入的空气沿着特定路径流动，从而降低叶轮单元的温度上升。
用于实现上述目的的本发明是为了解决上述问题而提出的，具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的特征在于，包括：鼓风机壳体单元，用于引导所吸入的空气的流动及排出；以及叶轮单元，位于鼓风机壳体单元的内部并相结合，用于产生空气的流入及流动，鼓风机壳体单元包括：第二空气吸入管道，使空气通过叶轮单元冷却风扇来被吸入到鼓风机壳体单元的第二空气吸入隔室的内部；以及第二空气排出管道，使通过上述第二空气吸入管道吸入的空气排出，在叶轮单元形成有叶轮单元冷却风扇，朝向与结合到转子的叶轮相反的方向隔开并与转子的另一端部相结合，位于第二空气吸入隔室，向第二空气吸入隔室的内部吸入空气，从而，降低高速旋转的叶轮单元的温度上升，并使效率性及耐久性最大化。
另一方面，在此之前，在本说明书中，发明要求保护范围中所使用的术语或单词不应以通常的或词典中的含义来解释，而是立足于发明人为了以最佳的方式说明自己的发明而可适当定义用语的概念的原则，应以符合本发明技术思想的含义和概念来解释。
因此，本说明书中所记载的实施例和附图中的结构仅仅属于本发明的最优选的一实施例，并不代表本发明的所有技术思想，对此，应理解的是，本申请可具有很多可代替的多种等同技术方案和变形例。
在以上的结构及作用中，如上所述，根据本发明，通过可同时使用空冷式及水冷式的冷却结构来冷却用于生成压缩空气的叶轮单元，从而防止温度的上升。
尤其，在利用空冷的冷却方式中，通过利用由叶轮单元冷却风扇自然地向鼓风机壳体单元的第二空气吸入隔室的内部吸入的空气的流动来对叶轮单元进行冷却。
即，通过向第二空气吸入隔室的内部吸入的空气的流动来降低叶轮单元的温度。
由此，将使燃料电池用涡轮鼓风机的效率性及耐久性最大化。
并且，由于单独形成用于生成向燃料电池堆供给的压缩空气的第一空气吸入隔室，因而可以稳定地维持压缩空气的量。
即，由于可通过燃料电池用涡轮鼓风机来实现完美的冷却，因而可维持、确保高效率性及经济性，因此，本发明属于非常有效的发明。
附图说明
图1为示出本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的结构图。
图2为示出本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的状态立体图。
图3为示出本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的剖视图。
图4为简要示出本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的工作及所吸入的空气的流动的顺序图。
图5为示出本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的现有技术的代表图。
附图标记的说明
1：具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机
100：鼓风机壳体单元 110：第一空气吸入隔室
120：第二空气吸入隔室 130：第一空气吸入管道
140：第一空气排出管道 150：第二空气吸入管道
160：第二空气排出管道 170：空冷空气流动路径
180：叶轮单元水冷冷却部 181：冷却水流入循环槽
200：叶轮单元 210：定子
220：转子 230：叶轮
240：叶轮单元冷却风扇
S100：叶轮单元工作步骤 S200：第一空气吸入步骤
S300：第一空气流动步骤 S400：空气压缩步骤
S500：压缩空气排出步骤 S600：压缩空气供给步骤
S700：第二空气吸入步骤 S800：第二空气流动步骤
S900：叶轮单元冷却步骤 S1000：空气排出步骤
具体实施方式
以下，参照附图详细说明作为本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的功能、结构及作用。
图1为示出本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的结构图，图2为示出本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的状态立体图，图3为示出本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的剖视图。
如图1至图3所示，在本发明中，具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机1的特征在于，包括：鼓风机壳体单元100，用于引导所吸入的空气的流动及排出；以及叶轮单元200，位于鼓风机壳体单元100的内部并相结合，用于产生空气的流入及流动，鼓风机壳体单元100包括：第二空气吸入管道150，使空气通过叶轮单元冷却风扇240来被吸入到鼓风机壳体单元100的第二空气吸入隔室120的内部；以及第二空气排出管道160，使通过上述第二空气吸入管道150吸入的空气排出，在叶轮单元200形成有叶轮单元冷却风扇240，朝向与结合到转子220的叶轮230相反的方向隔开并与转子220的另一端部相结合，位于第二空气吸入隔室120，向第二空气吸入隔室120的内部吸入空气，从而，降低高速旋转的叶轮单元200的温度上升，并使效率性及耐久性最大化。
即，在本发明中，作为向燃料电池堆供给氧的燃料电池用涡轮鼓风机，使得用于生成压缩空气的叶轮单元200位于划分为第一空气吸入隔室110及第二空气吸入隔室120的鼓风机壳体单元100并相结合，通过同时利用空冷和水冷来冷却第二空气吸入隔室120，从而在使叶轮单元200的冷却效果最大化的同时提高由此产生的燃料电池用涡轮鼓风机的效率性及耐久性，从而解决因高热而产生的燃料电池用涡轮鼓风机的问题(寿命短以及效率低下)。
更具体地，如图3所示，通过将吸入到内部的空气引向特定路径来防止叶轮单元200的温度上升的鼓风机壳体单元100包括：第一空气吸入隔室110，使通过叶轮230吸入的空气流动；第二空气吸入隔室120，使通过叶轮单元冷却风扇240吸入的空气流动；第一空气吸入管道130，使空气通过叶轮230来被吸入到上述第一空气吸入隔室110的内部；第一空气排出管道140，使通过上述第一空气吸入管道130吸入的空气被叶轮单元200压缩并向燃料电池堆排出，第二空气吸入管道150，使空气通过叶轮单元冷却风扇240被吸入到上述第二空气吸入隔室120的内部；第二空气排出管道160，使通过上述第二空气吸入管道150吸入并对叶轮单元200进行冷却的空气排出；空冷空气流动路径170，由上述第二空气吸入管道150及第二空气排出管道160生成；以及叶轮单元水冷冷却部180，与位于上述第二空气吸入隔室120的叶轮单元200相邻，形成有利用从外部供给的冷却水的流动来对叶轮单元200进行冷却的冷却水流入循环槽181，利用引向特定路径的空气的流动来冷却位于第二空气吸入隔室120且高速旋转的叶轮单元200的一部分，来降低叶轮单元200的温度上升，通过同时利用空冷和水冷的冷却方式来使燃料电池用涡轮鼓风机的效率性及耐久性最大化。
即，如上所述，在本发明的燃料电池用涡轮鼓风机中，通过同时利用空冷和水冷的冷却方式来防止第二空气吸入隔室120的内部的温度的上升，进而，谋求热平衡(thermalequilibrium)状态，从而提高燃料电池用涡轮鼓风机的效率性及耐久性。
另一方面，与现有的燃料电池用涡轮鼓风机的结构相同地，鼓风机壳体单元100，即，使空气分别被吸入到第一空气吸入隔室110及第二空气吸入隔室120的内部的叶轮单元200包括：定子210；转子220；以及叶轮230，在本发明中，还包括叶轮单元冷却风扇240，上述叶轮单元冷却风扇240朝向与结合到上述转子220的端部的叶轮230相反的方向隔开并与转子220的另一端部相结合，位于第二空气吸入隔室120，向第二空气吸入隔室120的内部吸入空气。
如图3所示，上述叶轮单元冷却风扇240位于第二空气吸入隔室120且与使叶轮230旋转的转子220的另一端部相结合，因而不需要用于使叶轮单元冷却风扇240旋转的另外的动力。
即，本发明为如下的技术：通过鼓风机壳体单元100与叶轮单元200的有机结合，详细地，通过使叶轮单元200与第一空气吸入隔室110及第二空气吸入隔室120相结合的鼓风机壳体单元100的有机结合以及与以与鼓风机壳体单元100有机结合的方式与之相对应地形成的叶轮单元200的结合，来以同时利用空冷和水冷的冷却方式冷却位于第二空气吸入隔室120的叶轮单元200的一部分。
因此，本发明的鼓风机壳体单元100的有机结合关系通过与相对应地形成的叶轮单元200的结合，来使燃料电池用涡轮鼓风机可发挥的效果最大化。
例如：
第一，将向鼓风机壳体单元100的内部吸入空气的空间划分为第一空气吸入隔室110及第二空气吸入隔室120，在第一空气吸入隔室110压缩通过叶轮230吸入的空气并排出来形成向燃料电池堆供给的压缩空气，使叶轮230旋转的定子210和转子220位于第二空气吸入隔室120，将由通过转子220的旋转来进行旋转的叶轮单元冷却风扇240吸入的空气引向空冷空气流动路径170，从而使沿着空冷空气流动路径170流动的空气与定子210及转子220相接触，从而防止叶轮单元200的温度上升，即，防止第二空气吸入隔室120的温度上升。
第二，通过与叶轮单元200相邻形成的叶轮单元水冷冷却部180，与沿着空冷空气流动路径170流动的空气一同来防止叶轮单元200的温度上升。
即，沿着空冷空气流动路径170流动的空气用于冷却叶轮单元200的定子210和转子220，叶轮单元水冷冷却部180通过利用冷却水来冷却叶轮单元200的定子210及第二空气吸入隔室120的内壁，来防止叶轮单元200的一部分的温度上升，即，防止第二空气吸入隔室120的温度上升。
第三，通过由第二空气吸入管道150及第二空气排出管道160生成的空冷空气流动路径170，来使得通过叶轮单元冷却风扇240吸入到第二空气吸入隔室120的内部的空气轻松流动，扫过叶轮单元200的定子210及转子220并通过第二空气排出管道160排出，从而谋求在第二空气吸入隔室120的内部形成流畅的空气循环。
即，在本发明中，集中在作为使燃料电池用涡轮鼓风机的效率性及耐久性最大化的一环的叶轮单元200的冷却方法，通过鼓风机壳体单元100及叶轮单元200的有机结合来形成可同时使用空冷和水冷的冷却结构，从而可以冷却叶轮单元200。
另一方面，参照图4，简要说明作为本发明的具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机1的工作及空气的流动。
叶轮单元200通过从外部供给的能量来旋转(步骤S100，叶轮单元工作步骤)，通过高速旋转的叶轮230来使空气被吸入到第一空气吸入隔室110的内部(步骤S200，第一空气吸入步骤)，与此同时，空气通过高速旋转的叶轮单元冷却风扇240来被吸入到第二空气吸入隔室120的内部(步骤S700，第二空气吸入步骤)，通过上述叶轮230的高速旋转且通过第一空气吸入管道130吸入到第一空气吸入隔室110的内部的空气被吸入到叶轮230(步骤S300，第一空气流动步骤)，吸入到叶轮230的空气被压缩(步骤S400，空气压缩步骤)，之后通过第一空气排出管道140排出(步骤S500，压缩空气排出步骤)。
通过上述第一空气排出管道140排出的压缩空气被供给到与第一空气排出管道140相结合的燃料电池堆(步骤S600，压缩空气供给步骤)。
并且，通过上述叶轮单元冷却风扇240的高速旋转且通过第二空气吸入管道150吸入的空气沿着由第二空气排出管道160排出的空冷空气流动路径170流动(步骤S800，第二空气流动步骤)，通过沿着空冷空气流动路径170流动的空气来冷却位于第二空气吸入隔室120的叶轮单元200的一部分，(步骤S900，叶轮单元冷却步骤)，从而防止第二空气吸入隔室120的温度上升。
吸入到上述第二空气吸入隔室120的内部的空气沿着空冷空气流动路径170来冷却叶轮单元200的一部分，并通过第二空气排出管道160排出(步骤S1000，空气排出步骤)。
在此情况下，在通过叶轮单元水冷冷却部180从第二空气吸入步骤(S700)连接到空气排出步骤(S1000)的过程中，连续进行利用水冷的第二空气吸入隔室120的冷却，从而冷却第二空气吸入隔室120。
即，本发明涉及如下的燃料电池用涡轮鼓风机：通过压缩所吸入的空气来向燃料电池堆传递压缩空气，且单独形成传递压缩空气的空间和冷却叶轮单元200的空间，从而使效率性及耐久性最大化。
优选地，第一空气吸入隔室110和第二空气吸入隔室120分别密闭，从而防止因叶轮230而导致吸入到第一空气吸入隔室110的空气向第二空气吸入隔室120流入且防止因叶轮单元冷却风扇240而导致吸入到第二空气吸入隔室120的空气向第一空气吸入隔室110流入。
如上所述，本发明并不限定于所述实施例，在不脱离本发明的思想及范围的情况下，可以对本发明进行各种修改及变形，这对本发明所属技术领域的普通技术人员而言是显而易见的。
因此，在不脱离本发明的思想或主要特征的情况下，本发明能够以其他多种实施方式实施，因此，本发明的实施例在所有方面都仅属于说明性的，而并非限制性的，并且可以进行各种修改。
产业上的可利用性
本发明涉及具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机，可适用于制造这种涡轮鼓风机的制造业及销售业，尤其，适用于用于向燃料电池堆供给压缩空气的燃料电池用涡轮鼓风机相关产业，进而，可适用于需要压缩空气的所有产业等，可对发展各种产业领域做出贡献。

Claims (1)

1.一种具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机，上述具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机(1)使得用于生成压缩空气的叶轮单元(200)位于划分为第一空气吸入隔室(110)及第二空气吸入隔室(120)的鼓风机壳体单元(100)并相结合，通过同时利用空冷和水冷来冷却第二空气吸入隔室(120)，从而在使叶轮单元(200)的冷却效果最大化的同时提高效率性及耐久性，以解决因高热而产生的涡轮鼓风机寿命短以及效率低下的问题，上述具有叶轮单元冷却风扇的燃料电池用涡轮鼓风机的特征在于，
包括：
鼓风机壳体单元(100)，用于引导所吸入的空气的流动及排出；以及
叶轮单元(200)，位于上述鼓风机壳体单元(100)的内部并相结合，用于产生空气的流入及流动，
将吸入到内部的空气引向特定路径来防止叶轮单元(200)的温度上升的鼓风机壳体单元(100)包括：
第一空气吸入隔室(110)，使通过叶轮(230)吸入的空气流动；
第二空气吸入隔室(120)，使通过叶轮单元冷却风扇(240)吸入的空气流动；
第一空气吸入管道(130)，使空气通过叶轮(230)来被吸入到上述第一空气吸入隔室(110)的内部；
第一空气排出管道(140)，使通过上述第一空气吸入管道(130)吸入的空气被叶轮单元(200)压缩并向燃料电池堆排出，
第二空气吸入管道(150)，使空气通过叶轮单元冷却风扇(240)被吸入到上述第二空气吸入隔室(120)的内部；
第二空气排出管道(160)，使通过上述第二空气吸入管道(150)吸入并对叶轮单元(200)进行冷却的空气排出；
空冷空气流动路径(170)，由上述第二空气吸入管道(150)及第二空气排出管道(160)生成；以及
叶轮单元水冷冷却部(180)，与位于上述第二空气吸入隔室(120)的叶轮单元(200)相邻，形成有利用从外部供给的冷却水的流动来对叶轮单元(200)进行冷却的冷却水流入循环槽(181)，
利用引向特定路径的空气的流动来冷却位于第二空气吸入隔室(120)且高速旋转的叶轮单元(200)的一部分，来降低叶轮单元(200)的温度上升，通过同时利用空冷和水冷的冷却方式来使燃料电池用涡轮鼓风机的效率性及耐久性最大化，
使空气分别被吸入到第一空气吸入隔室(110)及第二空气吸入隔室(120)的内部的叶轮单元(200)包括：
定子(210)；
转子(220)；
叶轮(230)；以及
叶轮单元冷却风扇(240)，朝向与结合到上述转子(220)的端部的叶轮(230)相反的方向隔开并与转子(220)的另一端部相结合，位于第二空气吸入隔室(120)，向第二空气吸入隔室(120)的内部吸入空气，
从而，降低高速旋转的叶轮单元(200)的温度上升，并使效率性及耐久性最大化。
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