DE102019109011A1

DE102019109011A1 - Gasverdichtungsvorrichtung und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102019109011A1
Application number: DE102019109011.3A
Authority: DE
Inventors: Shinobu Shimasaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2039-04-06
Also published as: DE102019109011B4; JP2019210896A; CN110578696B; CN110578696A; JP7393095B2; US11085452B2; US20190376520A1

Abstract

Eine Gasverdichtungsvorrichtung umfasst ein erstes Laufrad, eine Rotationswelle, auf der das erste Laufrad montiert ist, und eine Mehrzahl von Rotationselementen, durch die die Rotationswelle derart eingeführt ist, dass sich die Mehrzahl von Rotationselementen mit der Rotationswelle dreht. Die Rotationswelle beinhaltet einen Flansch, der eine erste Fläche hat, die senkrecht zu einer axialen Richtung ist, und der in radiale Richtungen der Rotationswelle vorsteht, wobei eine hintere Fläche des ersten Laufrads in Kontakt mit der ersten Oberfläche steht und die Mehrzahl von Rotationselementen auf einer gegenüberliegenden Seite des Flansches vom ersten Laufrad angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND
GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasverdichtungsvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Gasverdichtungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Die JP 2013-50090 A beschreibt eine Vorrichtung mit einer Rotorwelle und einem Laufrad, das mit einem Ende der Rotorwelle verbunden ist, als Gasverdichtungsvorrichtung, die zum Verdichten von Gas konfiguriert ist.
Patentliteratur 1 : JP 2013-50090 A
Bei der Gasverdichtungsvorrichtung weicht ein Montagewinkel des Laufrades in Bezug auf die Rotorwelle manchmal aufgrund einer Toleranz oder dergleichen jedes auf der Rotorwelle montierten Elements ab. Wenn sich das Laufrad mit einer solchen Abweichung im Montagewinkel dreht, kann sich der Verdichtungsgrad der Gasverdichtungsvorrichtung verringern.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung kann in den nachfolgend beschriebenen Aspekten umgesetzt werden.
(1) Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gasverdichtungsvorrichtung vorgesehen. Die Gasverdichtungsvorrichtung umfasst ein erstes Laufrad, eine Rotationswelle, auf der das erste Laufrad montiert ist, und eine Mehrzahl von Rotationselementen, durch die die Rotationswelle derart eingeführt ist, dass sich die Mehrzahl von Rotationselementen mit der Rotationswelle dreht. Die Rotationswelle beinhaltet einen Flansch, der eine erste Fläche hat, die senkrecht zu einer axialen Richtung der Rotationswelle ist, und der in radiale Richtungen der Rotationswelle vorsteht. Eine hintere Fläche des ersten Laufrads steht in Kontakt mit der ersten Fläche. Die Mehrzahl der Rotationselemente ist auf einer gegenüberliegenden Seite des Flansches vom ersten Laufrad angeordnet.
Da gemäß diesem Aspekt die hintere Fläche des ersten Laufrads und die erste Fläche des Flansches der Rotationswelle miteinander in Kontakt stehen, wird ein Winkel zwischen dem ersten Laufrad und der Rotationswelle nicht durch Winkel zwischen der Mehrzahl von Rotationselementen und der Rotationswelle beeinflusst. Dadurch kann eine Unwucht des ersten Laufrades während seiner Drehung unterdrückt werden. Somit kann die Verschlechterung des Kompressionswirkungsgrades der Gasverdichtungsvorrichtung unterdrückt werden.
(2) Bei dem vorgenannten Aspekt kann der Flansch integral mit der Rotationswelle ausgebildet sein. Gemäß diesem Aspekt sind die hintere Fläche des ersten Laufrades und die erste Fläche des Flansches, der mit der Rotationswelle integral ausgebildet ist, miteinander in Kontakt. Somit wird der Winkel zwischen dem ersten Laufrad und der Rotationswelle nicht durch die Winkel zwischen der Mehrzahl von Rotationselementen und der Rotationswelle beeinflusst. Dadurch kann eine Unwucht des ersten Laufrades während seiner Drehung unterdrückt werden.
(3) Bei dem vorgenannten Aspekt kann eines der Mehrzahl von Rotationselementen ein Rotor sein, der in dem Motor integriert ist, der zum Antreiben des ersten Laufrads konfiguriert ist. Der Flansch kann eine zweite Fläche haben, die senkrecht zur axialen Richtung ist. Die Gasverdichtungsvorrichtung kann ferner einen Motorgehäuseabschnitt, der den Motor aufnimmt, ohne das erste Laufrad aufzunehmen, und eine Gleitringdichtung beinhalten, die konfiguriert ist, um eine Fluidbewegung vom Motorgehäuseabschnitt zu einer Seite des ersten Laufrads zu unterdrücken, und einen festen Ring, der am Motorgehäuseabschnitt befestigt ist, und einen Drehring, der eines der Mehrzahl von Rotationselementen ist und in Kontakt mit dem festen Ring steht umfassen. Der Drehring kann in Kontakt mit der zweiten Fläche des Flansches befestigt werden.
Da gemäß diesem Aspekt der Drehring der Gleitringdichtung in Kontakt mit der zweiten Fläche fixiert ist, sind die Fläche des Drehrings in Kontakt mit der zweiten Fläche des Flansches und die Fläche des festen Ringens in Kontakt mit dem Drehring parallel und hochpräzise angeordnet. Dadurch kann im Vergleich zu dem Fall, dass der Drehring nicht in Kontakt mit der zweiten Fläche steht, die Fluidbewegung vom Motorgehäuseabschnitt zur Seite des ersten Laufrades unterdrückt werden.
(4) Bei dem vorgenannten Aspekt kann eines der Mehrzahl von Rotationselementen ein zweites Laufrad sein, das durch Abgase aus einer externen Vorrichtung gedreht wird. Die Rotationswelle kann ein erstes Ende und ein zweites Ende beinhalten, wobei das erste Laufrad am ersten Ende befestigt werden kann und das zweite Laufrad am zweiten Ende befestigt werden kann.
Gemäß diesem Aspekt kann eine Unwucht des ersten Laufrades während seiner Drehung in der Gasverdichtungsvorrichtung unterdrückt werden, die das zweite Laufrad umfasst, das durch das Abgas gedreht wird.
(5) Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Gasverdichtungsvorrichtung vorgesehen. Dieses Herstellungsverfahren umfasst das Vorbereiten des ersten Laufrades, der Rotationswelle mit dem Flansch, der die erste Fläche hat, die senkrecht zur axialen Richtung der Rotationswelle ist, und der in radiale Richtungen der Rotationswelle vorsteht, und der Mehrzahl von Rotationselementen, die konfiguriert sind, um sich mit der Rotationswelle zu drehen. Das erste Laufrad wird auf der Rotationswelle so montiert, dass die hintere Fläche des ersten Laufrades mit der ersten Fläche in Kontakt gebracht wird. Die Mehrzahl von Rotationselementen wird auf der Rotationswelle auf einer gegenüberliegenden Seite des Flansches von der Seite, auf der das erste Laufrad montiert werden soll, montiert.
Da die hintere Fläche des ersten Laufrads und die erste Fläche des Flansches der Rotationswelle miteinander in Kontakt stehen, wird der Winkel zwischen dem ersten Laufrad und der Rotationswelle durch die Winkel zwischen der Mehrzahl von Rotationselementen und der Rotationswelle nicht beeinflusst. Dadurch kann eine Unwucht des ersten Laufrades während seiner Drehung unterdrückt werden. Dadurch kann die Verschlechterung des Kompressionswirkungsgrades der Gasverdichtungsvorrichtung unterdrückt werden.
(6) Bei dem Herstellungsverfahren in dem vorgenannten Aspekt kann der Schritt des Montierens der Mehrzahl von Rotationselementen auf der Rotationswelle das Fixieren von Positionen der Mehrzahl von Rotationselementen, die an die Rotationswelle montiert werden, in axialer Richtung durch Befestigen einer Halterung an der Rotationswelle beinhalten. Das Verfahren kann ferner das Durchführen der Unwuchteinstellung bzw. Balance-Einstellung der Mehrzahl von Rotationselementen, deren Positionen in axialer Richtung fixiert sind, nach dem Montieren der Mehrzahl von Rotationselementen an der Rotationswelle, und vor dem Montieren des ersten Laufrades auf der Rotationswelle beinhalten.
Gemäß diesem Aspekt kann, da das erste Laufrad an der Rotationswelle montiert ist und eine Unwucht der Mehrzahl von Rotationselementen unterdrückt wird, eine Unwucht des Rotationskörpers unterdrückt werden.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen Aspekten als den oben beschriebenen verwirklicht werden. So kann sie beispielsweise in einem Verfahren zur Gasverdichtung durch die Gasverdichtungsvorrichtung implementiert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Gasverdichtungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der Gasverdichtungsvorrichtung veranschaulicht;
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der Gasverdichtungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht; und
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Gasverdichtungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Erste Ausführungsform:
1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Gasverdichtungsvorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Gasverdichtungsvorrichtung 200 ist ein sogenannter elektrischer Radialverdichter. In dieser Ausführungsform ist die Gasverdichtungsvorrichtung 200 in einem Gaszufuhrströmungsweg 110 angeordnet, durch den einem Brennstoffzellenstapel 120 Gas zugeführt wird, um das Gas zu verdichten und dem Brennstoffzellenstapel 120 zuzuführen. Was das Gas betrifft, so wird in dieser Ausführungsform Luft verwendet; es können jedoch Sauerstoff und andere Arten von Gasen verwendet werden.
Die Gasverdichtungsvorrichtung 200 beinhaltet ein erstes Laufrad 10 und eine Rotationswelle 20. Die Gasverdichtungsvorrichtung 200 beinhaltet weiterhin Lager 40 und 42, Lagergehäuse 41 und 43, Abstandshalter 51 bis 54, eine Gleitringdichtung 70 mit einem Drehring bzw. Gleitring 71 und einem festen Ring bzw. Festring oder Gegenring 72, Muttern 81 und 82 und ein Gehäuse 90. Das Gehäuse 90 beinhaltet einen Motorgehäuseabschnitt 91 zur Aufnahme eines Motors 30 und einen ersten Laufradgehäuseabschnitt 95 zur Aufnahme des ersten Laufrades 10. 1 zeigt X-, Y- und Z-Achsen, die orthogonal zueinander sind, um die Beschreibung zu erleichtern. Die X-Achsenrichtung entspricht einer axialen Richtung der Rotationswelle 20. Die Z-Achsenrichtung ist eine senkrechte Richtung und entspricht einer radialen Richtung der Rotationswelle 20 in 1. 1 ist zum einfachen Verständnis der technischen Merkmale der Gasverdichtungsvorrichtung 200 vorgesehen und zeigt keine genauen Größen der jeweiligen Elemente.
Die Rotationswelle 20 hat einen Flansch 22, der integral mit der Rotationswelle 20 ausgebildet ist, so dass er in radiale Richtungen der Rotationswelle 20 vorsteht bzw. ragt. Der Flansch 22 beinhaltet eine erste Fläche 23 und eine zweite Fläche 24, die senkrecht zur axialen Richtung stehen, „senkrecht zur axialen Richtung“ bedeutet einen Bereich von 0,3° über oder unter 90° zur axialen Richtung. In dieser Beschreibung sind die senkrecht zur axialen Richtung angeordneten Konfigurationen vorzugsweise im Bereich von 90 ° ± 0,1° zur axialen Richtung angeordnet sind. Die erste Fläche 23 befindet sich auf einer Seite eines ersten Endes e1 der Rotationswelle 20, während die zweite Fläche 24 auf einer Seite eines zweiten Endes e2 der Rotationswelle 20 liegt. In anderen Ausführungsformen muss der Flansch 22 die zweite Fläche 24 nicht beinhalten. So kann beispielsweise ein Teil des Flansches 22 auf der Seite des zweiten Endes e2 in Bezug auf die axiale Richtung geneigt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Flansch 22 separat von der Rotationswelle 20 geformt werden. In diesem Fall wird der Flansch 22 an der Rotationswelle 20 befestigt und mit der Rotationswelle 20 integriert.
Ein Teil der Rotationswelle 20 auf der Seite der ersten Fläche 23 ragt durch eine im Motorgehäuseabschnitt 91 gebildete Durchgangsbohrung 93 in den ersten Laufradgehäuseabschnitt 95. Das erste Laufrad 10 ist an der Rotationswelle 20 auf der Seite der ersten Fläche 23 montiert. Auf der Seite der zweiten Fläche 24 sind der Drehring 71, der Abstandshalter 51, das Lager 40, der Abstandshalter 52, der Rotor 32, der Abstandshalter 53, das Lager 42 und der Abstandshalter 54 in dieser Reihenfolge von der zweiten Fläche 24 aus an der Rotationswelle 20 montiert. Die Rotationswelle 20 wird in jede dieser Komponenten eingesetzt, die auf der Seite der zweiten Fläche 24 angeordnet sind, so dass sich jede dieser Komponenten mit der Rotationswelle 20 dreht. Jede dieser Komponenten, die auf der dem ersten Laufrad 10 gegenüberliegenden Seite des Flansches 22 angeordnet ist und durch die die Rotationswelle 20 eingeführt ist, wird auch als „Rotationselement 100“ bezeichnet. Jedes von den Rotationselementen 100 steht in axialer Richtung mit benachbarten Rotationselementen 100 in Kontakt. Ein Ende des Abstandshalters 54 steht mit der Mutter 82 in Kontakt. Die Mutter 82 fixiert die Positionen der Rotationselemente 100 in axialer Richtung.
Das erste Laufrad 10 dreht sich, um das über den Gaszufuhrströmungsweg 110 im ersten Laufradgehäuseabschnitt 95 zugeführte Gas zu verdichten und an den Brennstoffzellenstapel 120 zu senden. Das erste Laufrad 10 wird auch als Verdichterrad bezeichnet. Wie in 1 dargestellt ist, ist die hintere Fläche 11 des ersten Laufrades 10 mit der ersten Fläche 23 des Flansches 22 in Kontakt. Das erste Laufrad 10 ist am ersten Ende e1 der Rotationswelle 20 mit der Mutter 81 befestigt. Die Mutter 81 fixiert eine Position des ersten Laufrades 10 in axialer Richtung. Jede der Muttern 81 und 82 wird auch als „Halterung“ bezeichnet.
Der Motor 30 ist ein Elektromotor zum Antreiben des ersten Laufrades 10. Der Motor 30 beinhaltet den Rotor 32, durch den die Rotationswelle 20 eingeführt ist, und einen Stator 34, der dem Umfang des Rotors 32 zugewandt ist und eine Spule 33 beinhaltet. Der Rotor 32 ist auf der Seite der zweiten Fläche 24 des Flansches 22 angeordnet. Der Rotor 32 ist an seiner Oberfläche mit einem Magneten versehen und dreht sich integral mit der Rotationswelle 20. Der Stator 34 wird mit Strom versorgt, um den Rotor 32 zu drehen. Der Motor 30 wird von einer einem Controller bestromt, der nicht in den Zeichnungen dargestellt ist. Der Controller steuert die Drehzahl des Motors 30 in Abhängigkeit von einem Erzeugungsbedarf des Brennstoffzellenstapels 120, so dass die Gasverdichtungsvorrichtung 200 einen Druck erzeugt, der für eine Erzeugungsmenge durch den Brennstoffzellenstapel 120 geeignet ist. Zusätzlich steuert der Controller eine Ölpumpe, nicht dargestellt, um Öl in den Motorgehäuseabschnitt 91 zu fördern.
Die Lager 40 und 42 tragen die Rotationswelle 20 drehbar. Wie in 1 dargestellt ist, ist das Lager 40 auf einer Seite des ersten Laufrades 10 in Bezug auf den Rotor 32 angeordnet. Das Lager 42 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors 32 vom Lager 40 angeordnet. Jedes der Lager 40 und 42 in dieser Ausführungsform ist ein Kugellager mit einer Mehrzahl von Kugeln; es kann jedoch auch eine andere Art von Lager wie beispielsweise ein Nadellager sein.
Jedes der Lagergehäuse 41 und 43 ist ringförmig ausgebildet und nimmt das Lager 40 bzw. 42 in seinem ringförmigen Inneren auf.
Der Motorgehäuseabschnitt 91 nimmt den Motor 30 auf. Im Motorgehäuseabschnitt 91 sind ein Ölzufuhrströmungsweg 97 und ein Ölauslassströmungsweg 98 ausgebildet. Der Ölzufuhrströmungsweg 97 befindet sich senkrecht über dem Motor 30. Der Ölzufuhrströmungsweg 97 fördert Öl aus einem nicht dargestellten Ölkühler ins Innere des Motorgehäuseabschnitts 91. Das durch den Ölzufuhrströmungsweg 97 in den Motorgehäuseabschnitt 91 strömende Öl kühlt den Motor 30. Zwischen dem Motorgehäuseabschnitt 91 und den Lagergehäusen 41 und 43 sind Abstände gebildet. Die Lücken bzw. Abstände werden mit dem über den Ölzufuhrströmungsweg 97 zugeführten Öl gefüllt, um Öldämpfer zwischen dem Motorgehäuseabschnitt 91 und den Lagergehäusen 41 und 43 zu bilden. Der Ölauslassströmungsweg 98 befindet sich senkrecht unter dem Motor 30. Der Ölauslassströmungsweg 98 leitet das Öl im Motorgehäuseabschnitt 91 aus dem Motorgehäuseabschnitt 91 nach außen ab.
Die Gleitringdichtung 70 ist eine Dichtungseinheit mit dem festen Ring 72 und dem Drehring 71. Der feste Ring 72 ist zwischen dem Lager 40 und dem ersten Laufrad 10 angeordnet und am Motorgehäuseabschnitt 91 befestigt. Der Drehring 71 steht mit dem festen Ring 72 in Kontakt. Wenn sich die Rotationswelle 20 dreht, dreht sich der Drehring 71, der feste Ring 72 jedoch nicht. Wenn sich die Rotationswelle 20 dreht, berühren sich daher der feste Ring 72 und der Drehring 71 gleitend miteinander, wobei ein Spalt in einer Mikroneinheit zwischen ihnen erhalten bleibt. Diese Konfiguration ermöglicht eine schnelle Drehung der Rotationswelle 20, während das Öl im Motorgehäuseabschnitt 91 nicht durch den Spalt zwischen dem festen Ring 72 und dem Drehring 71 zur Seite des ersten Laufrades 10 sickern kann. Darüber hinaus ist der Drehring 71 in dieser Ausführungsform so befestigt, dass er mit der zweiten Fläche 24 des Flansches 22 in Kontakt steht. Dementsprechend sind eine Fläche des Drehrings 71 in Kontakt mit der zweiten Fläche 24 des Flansches 22 und eine Fläche des Festrings 72 in Kontakt mit dem Drehring 71 mit hoher Präzision parallel angeordnet. Dadurch wird in dieser Ausführungsform das Öl im Motorgehäuseabschnitt 91 weiter davon abgehalten, durch den Spalt zwischen dem festen Ring 72 und dem Drehring 71 zur Seite des ersten Laufrades 10 zu sickern.
Die Abstandshalter 51 bis 54 stellen die Positionen der Lager 40 und 42, des Drehrings 71 und des Rotors 32 in axialer Richtung ein. Der Abstandshalter 51 ist zwischen dem Drehring 71 und dem Lager 40 so angeordnet, dass er mit ihnen in Kontakt steht. Der Abstandshalter 52 ist zwischen dem Lager 40 und dem Rotor 32 so angeordnet, dass er mit ihnen in Kontakt steht. Der Abstandshalter 53 ist zwischen dem Rotor 32 und dem Lager 42 so angeordnet, dass er mit ihnen in Kontakt steht. Der Abstandshalter 54 ist zwischen dem Lager 42 und der Mutter 82 so angeordnet, dass er mit ihnen in Kontakt steht. Die Anzahl und Form der Abstandhalter kann entsprechend geändert werden, z.B. abhängig von den Längen der Rotationswelle 20 und der Mehrzahl von Rotationselementen 100, die sich von den Abstandhaltern 51 bis 54 unterscheiden, in axialer Richtung.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der Gasverdichtungsvorrichtung 200 veranschaulicht. Das Verfahren zum Herstellen der Gasverdichtungsvorrichtung 200 umfasst das Vorbereiten der Rotationswelle 20, des ersten Laufrades 10 und der Mehrzahl von Rotationselementen 100 (Schritt S10).
Anschließend wird die Mehrzahl von Rotationselementen 100 auf der Rotationswelle 20 auf der gegenüberliegenden Seite des Flansches 22 von der Seite, auf der das erste Laufrad 10 montiert werden soll, montiert (Schritt S20). Zunächst wird der Drehring 71 auf der Rotationswelle 20 so montiert, dass der Drehring 71 in dieser Ausführungsform mit der zweiten Fläche 24 des Flansches 22 in Kontakt steht. Nach der Montage des Drehrings 71 werden der Abstandshalter 51, das Lager 40, der Abstandshalter 52, der Rotor 32, der Abstandshalter 53, das Lager 42 und der Abstandshalter 54 in dieser Reihenfolge auf der Rotationswelle 20 montiert. Anschließend wird die Mutter 82 an der Rotationswelle 20 befestigt, um die Positionen jedes der Mehrzahl von Rotationselementen 100 in axialer Richtung so zu fixieren, dass die benachbarten Rotationselemente 100 miteinander in Kontakt stehen. Die Rotationswelle 20, auf der die Mehrzahl von Rotationselementen 100 montiert ist, wird im Gehäuse 90 so angeordnet, dass die erste Fläche 23 im ersten Laufradgehäuseabschnitt 95 freiliegt.
Anschließend wird das erste Laufrad 10 auf der Rotationswelle 20 so montiert, dass die hintere Fläche 11 des ersten Laufrades 10 mit der ersten Fläche 23 in Kontakt steht (Schritt S30). Im Schritt S30 wird die Mutter 81 an der Rotationswelle 20 so befestigt, dass die Mutter 81 mit dem ersten Laufrad 10 in Kontakt steht, um die hintere Fläche 11 des ersten Laufrades 10 mit der ersten Fläche 23 in Kontakt zu bringen und zu fixieren.
Nachdem das erste Laufrad 10 und die Mehrzahl von Rotationselementen 100 auf der Rotationswelle 20 montiert sind, wird eine Unwuchteinstellung bzw. Balance-Einstellung eines aus dem ersten Laufrad 10 und der Mehrzahl der Rotationselemente 100 bestehenden Rotationskörpers durchgeführt (Schritt S40). Die Balance-Einstellung wird durchgeführt, um ein Ungleichgewicht einer Massenverteilung in den radialen Richtungen des rotierenden Körpers relativ zum Drehpunkt des rotierenden Körpers, d.h. dem Drehpunkt der Rotationswelle 20, zu korrigieren. Bei der Balance-Einstellung wird ein Teil des rotierenden Körpers mit einer überschüssigen Masse in radialer Richtung des rotierenden Körpers beispielsweise mit einem Schleifstein oder dergleichen beschnitten. Es sei angemerkt, dass der Schritt S40 entfallen kann. Folglich wird die Gasverdichtungsvorrichtung 200 wie vorstehend beschrieben hergestellt.
Gemäß dieser Ausführungsform wird, da die hintere Fläche 11 des ersten Laufrades 10 und die erste Fläche 23 des Flansches 22 der Rotationswelle 20 miteinander in Kontakt stehen, ein Winkel zwischen dem ersten Laufrad 10 und der Rotationswelle 20 nicht durch Winkel zwischen der Mehrzahl von Rotationselementen 100 und der Rotationswelle 20 beeinflusst, auch wenn die Winkel zwischen der Mehrzahl von Rotationselementen 100 und der Rotationswelle 20 aufgrund von Fertigungstoleranzen oder dergleichen der Mehrzahl von Rotationselementen 100 von einem rechten Winkel abweichen. Dadurch kann eine Unwucht des ersten Laufrades 10 während seiner Drehung unterdrückt werden. Somit ist es möglich, eine Verschlechterung der Verdichtungsleistung der Gasverdichtungsvorrichtung 200 durch die Drehung des rotierenden Körpers in einem Unwuchtzustand zu unterdrücken.
Gemäß dieser Ausführungsform sind, da der Drehring 71 der Gleitringdichtung 70 in Kontakt mit der zweiten Fläche 24 fixiert ist, die Fläche des Drehrings 71 in Kontakt mit der zweiten Fläche 24 des Flansches 22 und die Fläche des festen Ringes 72 in Kontakt mit dem Drehring 71 mit hoher Präzision parallel angeordnet. Dadurch kann im Vergleich zu dem Fall, dass der Drehring 71 nicht in Kontakt mit der zweiten Fläche 24 steht, die Fluidbewegung vom Motorgehäuseabschnitt 91 zur Seite des ersten Laufrades 10 unterdrückt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform kann, da die Unwucht des ersten Laufrades 10 während seiner Drehung unterdrückt werden kann, im Vergleich zur Unwucht das Spiel zwischen dem ersten Laufrad 10 und dem ersten Laufradgehäuseabschnitt 95 reduziert werden. Dadurch kann der Verdichtungsgrad der Gasverdichtungsvorrichtung 200 verbessert werden. Darüber hinaus kann die Gasverdichtungsvorrichtung 200 klein konfiguriert werden.
Zweite Ausführungsform:
In der folgenden Beschreibung werden Elemente und Verfahren, die mit denen in der ersten Ausführungsform identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform bezeichnet, und die Beschreibung derselben entfällt. Die Konfiguration der Gasverdichtungsvorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform ist die gleiche wie in der ersten Ausführungsform, aber das Verfahren zu ihrer Herstellung unterscheidet sich von demjenigen der ersten Ausführungsform. 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Gasverdichtungsvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Bei dem Herstellungsverfahren in 3 wird ein Schritt S25 zwischen dem Schritt S20 und dem Schritt S30 in 2 hinzugefügt und der Schritt S40 in 2 durch einen Schritt S45 ersetzt.
Bei der zweiten Ausführungsform wird, nachdem die Mehrzahl von Rotationselementen 100 auf der Rotationswelle 20 montiert und die Mutter 82 an der Rotationswelle 20 befestigt ist (Schritt S20), die Unwuchteinstellung bzw. Balance-Einstellung der Mehrzahl von Rotationselementen 100 durchgeführt (Schritt S25), bevor das erste Laufrad 10 an der Rotationswelle 20 montiert wird (Schritt S30). In dem Schritt S25 wird ein Teil der Mehrzahl von Rotationselementen 100 mit einer überschüssigen Masse in radialer Richtung mit einem Schleifstein oder dergleichen beschnitten, wobei die Mehrzahl von Rotationselementen 100 auf der Rotationswelle 20 befestigt ist.
Nachdem die Balance-Einstellung der Mehrzahl von Rotationselementen 100 durchgeführt wurde, wird das erste Laufrad 10 an der Rotationswelle 20 (Schritt S30) montiert, und dann wird die Balance-Einstellung des ersten Laufrades 10 durchgeführt (Schritt S45). In dem Schritt S45 wird ein Teil des ersten Laufrades 10 mit einer überschüssigen Masse in radialer Richtung mit einem Schleifstein oder dergleichen beschnitten.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Balance-Einstellung der Mehrzahl von Rotationselementen 100 mit der Mehrzahl von Rotationselementen 100 durchgeführt, die an der Rotationswelle 20 befestigt sind, bevor das erste Laufrad 10 an der Rotationswelle 20 montiert wird. Da das erste Laufrad 10 an der Rotationswelle 20 montiert wird und die Unwucht der Mehrzahl von Rotationselementen 100 unterdrückt wird, kann die Unwucht des Rotationskörpers während der Drehung des ersten Laufrads 10 unterdrückt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform wird nach Durchführung der Balance-Einstellung der Mehrzahl von Rotationselementen 100 das erste Laufrad 10 an der Rotationswelle 20 montiert, und dann wird die Balance-Einstellung des ersten Laufrads 10 durchgeführt. Im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Balance-Einstellung am ersten Laufrad 10 und an der Mehrzahl der Rotationselemente 100 zusammen durchgeführt wird, kann die Balance-Einstellung daher problemlos durchgeführt werden, da der Bereich in axialer Richtung, in dem die Balance-Einstellung durchgeführt wird, begrenzt ist.
Dritte Ausführungsform:
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Gasdruckvorrichtung 200a gemäß der dritten Ausführungsform. Die Gasverdichtungsvorrichtung 200a der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der Gasverdichtungsvorrichtung 200 der ersten Ausführungsform hauptsächlich dadurch, dass sie ein zweites Laufrad 12 beinhaltet und ein Gehäuse 90a einen zweiten Laufradgehäuseabschnitt 92 beinhaltet, der das zweite Laufrad 12 aufnimmt.
Das zweite Laufrad 12 ist am zweiten Ende e2 der Rotationswelle 20 befestigt. Das zweite Laufrad 12 wird durch das Abgas gedreht, das durch einen Gasauslassströmungsweg 140 aus dem Brennstoffzellenstapel 120 strömt. Das zweite Laufrad 12 wird auch als Turbinenrad bezeichnet.
Das zweite Ende e2 der Rotationswelle 20 ragt durch eine Durchgangsbohrung 94, die in einem Motorgehäuseabschnitt 91a ausgebildet ist, in den zweiten Laufradgehäuseabschnitt 92. Auf der Seite der zweiten Fläche 24 der Rotationswelle 20 sind der Drehring 71, der Abstandshalter 51, das Lager 40, der Abstandshalter 52, der Rotor 32, der Abstandshalter 53, das Lager 42, der Abstandshalter 54, ein Drehring 74, ein Abstandshalter 55 und das zweite Laufrad 12 in dieser Reihenfolge von der zweiten Fläche 24 aus montiert. Die Rotationswelle 20 wird durch jedes Mehrzahl dieser Rotationselemente 100a eingeführt, die auf der gegenüberliegenden Seite des Flansches 22 vom ersten Laufrad 10 angeordnet sind. Jedes der Rotationselemente 100a steht in axialer Richtung mit benachbarten Rotationselementen 100a in Kontakt. Das Ende des zweiten Laufrades 12 steht mit der Mutter 82 in Kontakt. Die Mutter 82 fixiert die Positionen der Rotationselemente 100a in axialer Richtung.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors 32 von der Gleitringdichtung 70 ist eine Gleitringdichtung 73 angeordnet. Ein fester Ring 75 ist zwischen dem Lager 42 und dem zweiten Laufrad 12 angeordnet und am Motorgehäuseabschnitt 91a befestigt. Der Drehring 74 steht in Kontakt mit dem festen Ring 75. Wenn sich die Rotationswelle 20 dreht, dreht sich der Drehring 74, der feste Ring 75 jedoch nicht. Wenn sich die Rotationswelle 20 dreht, berühren sich daher der feste Ring 75 und der Drehring 74 gleitend miteinander, wobei ein Spalt in einer Mikroneinheit zwischen dem festen Ring 75 und dem Drehring 74 erhalten bleibt. Diese Konfiguration ermöglicht eine schnelle Drehung der Rotationswelle 20, während das Öl im Motorgehäuseabschnitt 91a nicht durch den Spalt zwischen dem festen Ring 75 und dem Drehring 74 auf die Seite des zweiten Laufrades 12 sickern kann.
Die Gasverdichtungsvorrichtung 200a der dritten Ausführungsform kann nach den in den 2 und 3 dargestellten Verfahren hergestellt werden. In Schritt S20 wird die Mehrzahl von Rotationselementen 100a an der Rotationswelle 20 montiert. Zuerst wird der Drehring 71 mit der zweiten Fläche 24 in Kontakt gebracht und dann werden der Abstandshalter 51, das Lager 40, der Abstandshalter 52, der Rotor 32, der Abstandshalter 53, das Lager 42, der Abstandshalter 54, der Drehring 74, der Abstandshalter 55 und das zweite Laufrad 12 in dieser Reihenfolge montiert. Anschließend wird die Mutter 82 an der Rotationswelle 20 befestigt, um die Positionen der Mehrzahl von Rotationselementen 100a in axialer Richtung so zu fixieren, dass die benachbarten Rotationselemente 100a miteinander in Kontakt stehen. Die anderen Fertigungsschritte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform, und auf eine Beschreibung derselben wird hier verzichtet.
Gemäß dieser Ausführungsform kann eine Unwucht des ersten Laufrads 10 während seiner Drehung in der Gasverdichtungsvorrichtung 200a, die das zweite Laufrad 12 hat, das durch das Abgas gedreht wird, unterdrückt werden.
Alternative Ausführungsformen:
(1) Die Gasverdichtungsvorrichtungen 200 und 200a können ölfreie Gasverdichtungsvorrichtungen sein, die kein Öl verwenden. In diesem Fall braucht keine der Gasverdichtungsvorrichtungen 200 und 200a die Gleitringdichtungen 70 und 73 beinhalten, und die zweite Fläche 24 kann beispielsweise mit dem Abstandshalter 51 anstelle des Drehrings 71 in Kontakt stehen.
(2) In den vorstehenden Ausführungsformen ist jede der Gasverdichtungsvorrichtungen 200 und 200a in dem Gaszufuhrströmungsweg 110 angeordnet, durch den dem Brennstoffzellenstapel 120 Gas zugeführt wird. Die Gasverdichtungsvorrichtung 200 oder 200a kann jedoch in einem Gaszufuhrströmungsweg angeordnet sein, durch den Gas zu einer anderen Art von externer Vorrichtung, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, zugeführt wird, um das Gas zu verdichten und an die externe Vorrichtung zu liefern. Das zweite Laufrad 12 in der Gasverdichtungsvorrichtung 200a kann durch Gas angetrieben werden, das durch einen Gasauslassströmungspfad strömt, der Gas aus der externen Vorrichtung ausleitet.
(3) In der vorstehenden ersten und dritten Ausführungsform kann die Reihenfolge des Schrittes der Montage des ersten Laufrades 10 auf der Rotationswelle 20 (2, Schritt S20) und des Schrittes der Montage der Mehrzahl von Rotationselementen 100 oder 100a auf der Rotationswelle 20 (2, Schritt S30) vertauscht werden. Da die hintere Fläche 11 des ersten Laufrades 10 und die erste Fläche 23 des Flansches 22 der Rotationswelle 20 miteinander in Kontakt stehen, wird der Winkel zwischen dem ersten Laufrad 10 und der Rotationswelle 20 auch in dieser Ausführungsform nicht durch die Winkel zwischen der Mehrzahl von Rotationselementen 100 oder 100a und der Rotationswelle 20 beeinflusst, auch wenn die Winkel zwischen der Mehrzahl von Rotationselementen 100 oder 100a und der Rotationswelle 20 aufgrund von Fertigungstoleranzen oder dergleichen der Mehrzahl von Rotationselementen 100 oder 100a vom rechten Winkel abweichen. Dadurch kann eine Unwucht des ersten Laufrades 10 während seiner Drehung unterdrückt werden. Somit ist es möglich, eine Verschlechterung der Verdichtungsleistung der Gasverdichtungsvorrichtung 200 oder 200a durch die Drehung des rotierenden Körpers in einem Unwuchtzustand zu unterdrücken.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen Konfigurationen implementiert werden, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise die technischen Merkmale der Ausführungsformen ersetzt oder gegebenenfalls kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu erzielen. Die Komponenten in den oben beschriebenen Ausführungsformen und Abwandlungen, die nicht in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben sind, sind zusätzliche Elemente, die gegebenenfalls weggelassen werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013050090 A [0002, 0003]

Claims

Gasverdichtungsvorrichtung (200, 200a), aufweisend: ein erstes Laufrad (10); eine Rotationswelle (20), auf der das erste Laufrad montiert ist; und eine Mehrzahl von Rotationselementen (100, 100a), durch die die Rotationswelle derart eingeführt ist, dass sich die Mehrzahl von Rotationselementen mit der Rotationswelle dreht, wobei die Rotationswelle einen Flansch (22) umfasst, der eine erste Fläche (23) hat, die senkrecht zu einer axialen Richtung der Rotationswelle ist, und der in radiale Richtungen der Rotationswelle vorsteht, und wobei eine hintere Fläche (11) des ersten Laufrads in Kontakt mit der ersten Fläche steht, wobei die Mehrzahl von Rotationselementen auf einer gegenüberliegenden Seite des Flansches vom ersten Laufrad angeordnet ist.
Gasverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Flansch integral mit der Rotationswelle ausgebildet ist.
Gasverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eines der Mehrzahl von Rotationselementen ein Rotor (32) ist, der in einem Motor (30) angeordnet ist, der konfiguriert ist, um das erste Laufrad anzutreiben, und wobei der Flansch eine zweite Fläche (24) senkrecht zur axialen Richtung beinhaltet, wobei die Gasverdichtungsvorrichtung ferner umfasst: einen Motorgehäuseabschnitt (91, 91a), der den Motor aufnimmt, ohne das erste Laufrad aufzunehmen; und eine Gleitringdichtung (70, 73), die konfiguriert ist, um die Fluidbewegung vom Motorgehäuseabschnitt zu einer Seite des ersten Laufrads zu unterdrücken, wobei die Gleitringdichtung einen festen Ring (72, 75), der am Motorgehäuseabschnitt befestigt ist, und einen Drehring (71, 74) beinhaltet, der eines der Mehrzahl von Rotationselementen ist und in Kontakt mit dem festen Ring angeordnet ist, wobei der Drehring in Kontakt mit der zweiten Fläche des Flansches fixiert ist.
Gasverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ferner eines der Mehrzahl von Rotationselementen ein zweites Laufrad (12) ist, das durch Abgas aus einer externen Vorrichtung gedreht werden soll, und wobei die Rotationswelle ein erstes Ende (e1) und ein zweites Ende (e2) beinhaltet, wobei das erste Laufrad an dem ersten Ende befestigt ist, das zweite Laufrad an dem zweiten Ende befestigt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Gasverdichtungsvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Vorbereiten eines ersten Laufrades, einer Rotationswelle mit einem Flansch, der eine erste Oberfläche senkrecht zu einer axialen Richtung der Rotationswelle aufweist und in radiale Richtungen der Rotationswelle vorsteht, und einer Mehrzahl von Rotationselementen, die konfiguriert sind, um sich mit der Rotationswelle zu drehen; Montieren des ersten Laufrads an die Rotationswelle derart, dass eine hintere Fläche des ersten Laufrads mit der ersten Fläche in Kontakt gebracht wird; und Montieren der Mehrzahl von Rotationselementen an die Rotationswelle auf einer gegenüberliegenden Seite des Flansches von der Seite, auf der das erste Laufrad montiert werden soll.
Verfahren zum Herstellen der Gasverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Montierens der Mehrzahl von Rotationselementen an die Rotationswelle das Fixieren von Positionen der Mehrzahl von Rotationselementen, die an die Rotationswelle montiert werden, in axialer Richtung umfasst, durch Befestigen einer Halterung an der Rotationswelle, und wobei das Verfahren ferner das Durchführen einer Balance-Einstellung der Mehrzahl von Rotationselementen, deren Positionen in axialer Richtung fixiert wurden, nach dem Schritt des Montierens der Mehrzahl von Rotationselementen an der Rotationswelle und vor dem Schritt des Montierens des ersten Laufrades an der Rotationswelle umfasst.