DE10232648A1

DE10232648A1 - Kompressor mit eingebautem Motor und dessen Kühlmantel

Info

Publication number: DE10232648A1
Application number: DE10232648A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Moroi; Toshiyuki Nakane; Ryuta Kawaguchi; Tsutomu Nasuda
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: US6692205B2; DE10232648B4; JP2003035261A; US20030017070A1

Abstract

Ein Kompressor hat eine Verdichtungseinheit, einen Antriebsmotor, ein Motorgehäuse und einen äußeren Zylinder. Die Verdichtungseinheit verdichtet Fluid. Der Antriebsmotor treibt die Verdichtungseinheit an. Das Motorgehäuse umgibt den Antriebsmotor. Der äußere Zylinder ist an einer äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses zum Definieren eines Kühlmantels zwischen dem äußeren Zylinder und dem Motorgehäuse zum Kühlen des Antriebsmotors durch ein in dem Kühlmantel strömendes Kühlmittel montiert. Der äußere Zylinder ist direkt oder indirekt an dem Motorgehäuse durch Festmachen einer Vielzahl von Bolzen oder durch Presspassen befestigt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor, der durch einen mit einem Kühlmantel versehenen Antriebsmotor angetrieben ist, wodurch Vibration und Lärm auf Grund des laufenden Kompressors verringert wird.
Unterschiedliche Kompressoren werden weit verbreitet für Klimaanlagen für den Haus- und Fahrzeuggebrauch angewendet. In den vergangenen Jahren wurde ein Kompressor zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem florierend entwickelt, um eine Elektrode einer (Wasserstoff-Sauerstoff-Bauart) Brennstoffzelle mit verdichtetem Gas (Wasserstoff, Sauerstoff oder Luft) zu versorgen, um Umweltprobleme zu verringern. Als ein typisches Beispiel eines solchen Kompressors wird ein Spiralkompressor vorgeschlagen, der kompakt und äußerst wirkungsvoll ist. Der Spiralkompressor ist normalerweise aus einem feststehenden Spiralelement, einem beweglichen Spiralelement und einem Antriebsmotor aufgebaut. Das feststehende Spiralelement ist an ein Gehäuse befestigt. Das bewegliche Spiralelement ist so angeordnet, dass es dem feststehenden Spiralelement gegenüber ist. Der Antriebsmotor treibt das bewegliche Spiralelement an. Ein Verdichtungsbereich ist zwischen dem feststehenden Spiralelement und dem beweglichen Spiralelement definiert. In dem Verdichtungsbereich befindliches Gas wird von einem an dem äußeren Umfang des feststehenden Spiralelements ausgebildeten Einlass in Richtung eines an dem Zentrum des feststehenden Spiralelements ausgebildeten Auslasses durch Kreisen des beweglichen Spiralelements um die Achse des feststehenden Spiralelements herum bewegt, während sein Volumen verringert wird. Somit wird das Gas in den Verdichtungsbereich hinein eingeführt, darin verdichtet und davon wiederholt ausgelassen.
Jegliche Arten von Kompressoren sind erforderlich, die nicht nur kompakt und leichtgewichtig sind, sondern auch verhältnismäßig hochwirkungsvoll zum Erzeugen von relativ ausreichender Auslasskapazität. Daher ist es erforderlich, dass der Antriebsmotor den Kompressor selbst unter den Bedingungen relativ hoher Last und relativ hoher Drehzahl antreibt. Wenn der Antriebsmotor unter solchen Bedingungen verwendet wird, wird eine relativ große Menge von Wärme wie z. B. Joulewärme und Eisenverlust erzeugt. Die Wärme verursacht den Schaden des Antriebsmotors, Wodurch die Lebenszeit des Antriebsmotors verringert wird. Aus diesem Grund ist eine wirkungsvolle Abstrahlung der Wärme erforderlich. Wenn die Innenseite des Antriebsmotors zu seiner Außenseite geöffnet ist, kann die Innenseite des Antriebsmotors durch die Luft heruntergekühlt werden. Unter den im Wesentlichen luftdichten Bedingungen der Innenseite des Antriebsmotors, ist es jedoch für den Antriebsmotor erforderlich, dass er regelmäßig durch Wasser heruntergekühlt wird. Daher ist normalerweise ein Wassermantel an der Seite des äußeren Umfangs eines Motorgehäuses angeordnet, um so den Antriebsmotor zu umgeben, wodurch der Antriebsmotor mit Wasser gekühlt wird.

Die japanische ungeprüfte Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 5-41380 offenbart diese Art von Wassermantel. In dem Aufbau ist eine Vertiefung als ein Kühlkanal eines Wassermantels an der Seite des äußeren Umfangs eines Motorgehäuses ausgebildet. Die Vertiefung ist dicht mit einer flexiblen, dünnen Platte bedeckt. Dadurch ist der Wassermantel einstückig mit dem Motorgehäuse ausgebildet.

Ein solcher Windungswassermantel neigt jedoch dazu, die Anzahl von Teilen und einen Raum zum Anbringen der Teile oder einen Vorgang zum Anbringen der Teile zu erhöhen. Anstelle des Windungswassermantels wird ein neuer Kühlmantel vorgeschlagen. Das heisst, ein Kühlmitteldurchlass ist als ein Kühlkanal durch Schließen der an dem äußeren Umfang des Motorgehäuses mit einem äußeren Zylinder ausgebildeten Vertiefung ausgebildet.

Da in diesem Fall der äußere Zylinder zum Schließen der Vertiefung verwendet wird, kann ein Verbindungselement und eine Dichtung zum Verbinden eines Endes des Blechs in der Umfangsrichtung des Windungswassermantels mit seinem Ende ausgelassen werden. Daher kann ein Raum zum Anbringen des Befestigungselements ebenso ausgelassen werden. Außerdem wird der äußere Zylinder einfach an dem Motorgehäuse montiert, da der äußere Zylinder einfach um das Motorgehäuse herum gepasst ist. Somit wird ein Kühlmantel, wie z. B. der Wassermantel erhalten, der eine relativ geringe Anzahl von Teilen hat und der kompakt und einfach zu montieren ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet die an dem äußeren Umfang des Motorgehäuses ausgebildete Vertiefung einen Kühlmitteldurchlass.

Selbst obwohl der Wassermantel einen solchen Aufbau hat, ist eine Dichtung, wie z. B. ein O-Ring so erforderlich, dass er zwischen dem Motorgehäuse und dem äußeren Zylinder liegt. Eine solche Dichtung kann ausreichend sein, um Wasser von dem Entweichen abzuhalten.

Die Dichtung alleine kann jedoch eine Drehung und Bewegung in der Axialrichtung des äußeren Zylinders nicht ausreichend einschränken. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass das Motorgehäuse den äußeren Zylinder durch Festmachen zumindest einer Befestigung, wie z. B. eines Bolzen oder durch Presspassen des Motorgehäuses in den äußeren Zylinder hinein eingrenzt. Das heisst, der äußere Zylinder ist an dem Motorgehäuse selbst dann durch nur einen Bolzen ausreichend befestigt, wenn das Motorgehäuse den äußeren Zylinder einschränkt.

Wenn in einem Zustand, in dem ein Kompressor mit einem durch einen Bolzen befestigten, äußeren Zylinder läuft, Vibration und Lärm gemessen und analysiert werden, wird bestätigt, dass die Vibration und der Lärm stärker ansteigen, als in dem Zustand, in dem ein Kompressor mit einem mit einer Vielzahl von Bolzen befestigten äußeren Zylinder läuft. Solche Vibrationen und Lärm sind für Fahrer unkomfortabel. Daher ist Verstärkung erforderlich. In einem Fall, in dem eine oszillierende Quelle und eine Geräuschquelle nicht vorhanden sind, insbesondere wenn ein Kompressor für den Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem in einem elektrischen Fahrzeug verwendet wird, sind die Vibrationen und der Lärm des Kompressor bemerkbar.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor, der Vibration und Lärm verringern kann, wenn ein Kühlmantel zum Kühlen eines Antriebsmotors aus einem Motorgehäuse und einem äußeren Zylinder aufgebaut ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Kompressor eine Verdichtungseinheit, einen Antriebsmotor, ein Motorgehäuse und einen äußeren Zylinder. Die Verdichtungseinheit verdichtet Fluid. Der Antriebsmotor treibt die Verdichtungseinheit an. Das Motorgehäuse umgibt den Antriebsmotor. Der äußere Zylinder ist an einer äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses zum Definieren eines Kühlmantels zwischen dem äußeren Zylinder und dem Motorgehäuse zum Kühlen des Antriebsmotors durch ein in dem Kühlmantel strömenden Kühlmittels montiert. Der äußere Zylinder ist direkt oder indirekt an dem Motorgehäuse durch Festmachen einer Vielzahl von Schrauben oder durch Presspassen befestigt.

Außerdem werden erfindungsgemäß die nachstehenden Merkmale erhalten. Ein Spiralkompressor hat ein Motorgehäuse, einen Antriebsmotor, ein Zentralgehäuse, ein feststehendes Spiralelement, ein bewegliches Spiralelement und einen äußeren Zylinder. Der Antriebsmotor ist von dem Motorgehäuse umgeben. Das Zentralgehäuse ist an dem Motorgehäuse befestigt. Das feststehende Spiralelement ist an dem Zentralgehäuse befestigt. Das bewegliche Spiralelement befindet sich zwischen dem Zentralgehäuse und dem feststehenden Spiralelement, wobei es mit dem befestigten Spiralelement in Eingriff gelangt. Das bewegliche Spiralelement wird durch den Antriebsmotor zum Verdichten von Fluid zwischen dem feststehenden Spiralelement und dem beweglichen Spiralelement angetrieben. Ein äußerer Zylinder ist an der äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses zum Definieren eines Kühlmantels zwischen dem äußeren Zylinder und dem Motorgehäuse zum Kühlen des Antriebsmotors durch ein durch den Kühlmantel strömendes Kühlmittel montiert. Der äußere Zylinder ist an dem Zentralgehäuse durch Befestigen einer Vielzahl von Bolzen oder durch Presspassen befestigt.

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, von denen angenommen wird, dass sie neu sind, sind mit Besonderheit in den anhängenden Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung kann zusammen mit ihren Aufgaben und Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht zeigt, die einen Spiralluftkompressor zum Gebrauch in einer Brennstoffzelle gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 eine Perspektivansicht zeigt, die einen äußeren Zylinder gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zeigt, die Stellen zum Messen von Vibration des Kompressors veranschaulicht;
Fig. 4A eine Darstellung eines Vibrationsmodus des Kompressors an einem Messpunkt in dem Fall ist, in dem der äußere Zylinder durch eine Schraube befestigt ist;
Fig. 4B eine Darstellung eines Vibrationsmodus des Kompressors an Messpunkten in dem Fall zeigt, in dem der äußere Zylinder mit vier Schrauben befestigt ist;
Fig. 5 eine schematische Ansicht zeigt, die Stellen zum Messen von Vibration einer Antriebsmotoreinheit veranschaulicht;
Fig. 6A eine Darstellung eines Vibrationsmodus der Antriebsmotoreinheit an Messpunkten in dem Fall zeigt, in dem der äußere Zylinder mit einer Schraube befestigt ist;
Fig. 6B ebenso eine Darstellung eines Vibrationsmodus der Antriebsmotoreinheit an den Messpunkten in dem Fall zeigt, in dem der äußere Zylinder mit einer Schraube befestigt ist;
Fig. 7A eine Darstellung eines Vibrationsmodus der Antriebsmotoreinheit an Messpunkten in dem Fall zeigt, in dem der äußere Zylinder durch vier Schrauben befestigt ist;
Fig. 7B ebenso eine Darstellung eines Vibrationsmodus der Antriebsmotoreinheit an Messpunkten in dem Fall zeigt, in dem der äußere Zylinder durch vier Schrauben befestigt ist;
Fig. 8A eine Darstellung zeigt, die einen Geräuschpegel eines Testkompressors an Frequenzen in dem Fall veranschaulicht, in dem der äußere Zylinder mit einer Schraube befestigt ist; und
Fig. 8B eine Darstellung zeigt, die ein Geräuschniveau eines Testkompressors an Frequenzen in dem Fall veranschaulicht, in dem der äußere Zylinder durch vier Schrauben befestigt ist.
Ein Kompressor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun im Folgenden beschrieben.
Um damit anzufangen, wird der gesamte Aufbau des Kompressors beschrieben. Eine Querschnittsansicht eines Spiralluftkompressors 100 (im weiteren als Kompressor 100 bezeichnet) zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. In der Zeichnung ist die linke Seite des Kompressors 100 die Vorderseite und die rechte Seite des Kompressors 100 ist die Rückseite. Der Kompressor 100 ist hauptsächlich aus einer Verdichtungseinheit, einer Kurbeleinheit und einer Antriebsmotoreinheit aufgebaut. Die Verdichtungseinheit, die Kurbeleinheit und die Antriebsmotoreinheit werden jeweils wie folgt erklärt.
Die Verdichtungseinheit ist aus einem feststehenden Spiralelement 110 und einem beweglichen Spiralelement 120 aufgebaut. Das feststehende Spiralelement 110 hat eine scheibenförmige feststehende Spiralgrundplatte 110a, eine feststehende Spiralwand 110b, die sich von der feststehenden Spiralgrundplatte 110a erstreckt und eine äußere Umfangswand 110c, die die feststehende Spiralwand 110b umgibt. Die feststehende Spiralgrundplatte 110a und die äußere Umfangswand 110c bilden ein Verdichtungsgehäuse 115. An dem Zentrum der feststehenden Spiralgrundplatte 110a ist eine Auslassöffnung 111 ausgebildet, die mit einer Sauerstoffelektrode der Brennstoffzelle verbunden ist.
Ein Wassermantel 112, der eine Kühleinrichtung ist, ist an der feststehenden Spiralgrundplatte 110a durch einen Bolzen (nicht dargestellt) befestigt, so dass er die Auslassöffnung 111 umgibt. Der Wassermantel 112 hat eine Kühlrippe in seinem Inneren, wodurch er einen Kühlkanal zum Strömen von Kühlwasser ausbildet. Das Kühlwasser zirkuliert zwischen dem Wassermantel 112, einer externen Wasserpumpe und einem Radiator durch einen Einlass und einen Auslass des Wassermantels 112.
Ein bewegliches Spiralelement 112 hat ebenso eine scheibenförmige bewegliche Spiralgrundplatte 120a und eine bewegliche Spiralwand 120b, die sich von der beweglichen Spiralgrundplatte 120a erstreckt. An dem Zentrum der beweglichen Spiralgrundplatte 120a ist ein zylindrischer Kurbelwellenaufnahmeabschnitt 120c ausgebildet, der einen Boden hat. An der äußeren Umfangsseite des Kurbelwellenaufnahmeabschnitts 120c sind drei zylindrische Kurbelwellenaufnahmeabschnitte 120d bei gleichen Intervallen ausgebildet, die jeweils einen Boden haben.
Ebenso ist an dem distalen Ende der feststehenden Spiralwand 110b eine Nut 110e ausgebildet. In der Nut 110e wird eine Kopfdichtung 113 in Anspruch genommen. Auf eine ähnliche Weise ist an dem distalen Ende der beweglichen Spiralwand 120b eine Nut 120e ausgebildet. In der Nut 120e wird eine Kopfdichtung 123 in Anspruch genommen. Die Kopfdichtung 113 des feststehenden Spiralelements 110 gleitet relativ zu der inneren Fläche 120h der beweglichen Spiralgrundplatte 120a, während die Spitzendichtung 123 des beweglichen Spiralelements 120 relativ zu der inneren Fläche 110h der feststehenden Spiralgrundplatte 110a gleitet. Dadurch ist Luftdichtigkeit von Gas in einem zwischen dem feststehenden Spiralelement 110 und dem beweglichen Spiralelement 120 definierten Verdichtungsbereich C sichergestellt.
Die Kurbeleinheit ist aus einem Kurbelantriebsmechanismus 140 und einem angetriebenen Kurbelmechanismus 150 aufgebaut. Der Kurbelantriebsmechanismus 140 lässt das bewegliche Spiralelement 120 kreisen. Der angetriebene Kurbelmechanismus 150 verhindert, dass sich das bewegliche Spiralelement 120 um eine Achse des beweglichen Spiralelements 120 herum dreht. Der Kurbelantriebsmechanismus 140 ist aus dem Kurbelwellenaufnahmeabschnitt 120c, einem Kurbelzapfen 131a einer Antriebskurbelwelle 131 und einem Kugellager 137 aufgebaut, in das Schmierfett zum Stützen des Kurbelzapfens 131a gedrückt ist. Der Kurbelzapfen 131a ist durch das Kugellager 137 drehbar gestützt, das in dem Kurbelwellenaufnahmeabschnitt 120c untergebracht ist.
Auch der angetriebene Kurbelmechanismus 150 ist aus dem Kurbelwellenaufnahmeabschnitt 120d, einem Kurbelzapfen 151a, einer angetriebenen Kurbelwelle 151 und einem Radialkugellager 153 aufgebaut, in das Schmierfett zum Stützen des Kurbelzapfens 151a gedrückt ist. Der Kurbelzapfen 151a ist durch ein radiales Kugellager 153 drehbar gestützt, das in dem Kurbelwellenaufnahmeabschnitt 120d untergebracht ist. Zusätzlich ist die Antriebskurbelwelle 131 an der Vorderseite durch ein Radialkugellager 138 drehbar gestützt, in das Schmierfett gedrückt ist. Die angetriebene Kurbelwelle 151 ist an der Rückseite durch ein Radialkugellager 152 drehbar gestützt, in das Schmierfett gedrückt ist.
Während das bewegliche Spiralelement kreist, wird Trägheitsmoment erzeugt. Um das Moment aufzuheben, ist ein Ausgleichsgewicht 154 an einer Flanschfläche 131f befestigt, die an einem Hauptwellenabschnitt 131b der Antriebskurbelwelle 131 über vier Bolzen befestigt ist.
Ein Ausgleichsgewicht 151b ist an der angetriebenen Kurbelwelle 151 ausgebildet. Dadurch wird durch die Kreisbewegung des beweglichen Spiralelements 120 verursachte Vibration verringert. Die Kurbeleinheit ist in einem Zentralgehäuse 170 untergebracht. Das Zentralgehäuse 170 ist über eine Vielzahl von Bolzen (die nicht dargestellt sind) fest an dem Verdichtungsgehäuse 115 befestigt. Dadurch sind das Zentralgehäuse 170 und das Verdichtungsgehäuse 115 fest vereinigt.
Die Kurbeleinheit und eine Antriebsmotoreinheit werden durch einen Stützrahmen 171 getrennt, der sich an dem Rückende des Zentralgehäuses 170 befindet. Die Kugellager 138 und 152 sind in den Stützrahmen 171 gepasst.
Die Antriebsmotoreinheit ist aus einem Antriebsmotor 130 und einem im wesentlichen zylindrischen Motorgehäuse 190 aufgebaut, das einen Boden hat. Das Motorgehäuse 190 umgibt den Antriebsmotor 130, wodurch es den Antriebsmotor 130 aufnimmt.
Der Antriebsmotor 130 ist aus einer Antriebswelle 131c, einem Rotor 133 und einem Stator 134 aufgebaut. Die Antriebswelle 131c erstreckt sich entlang der Mittelachse des Antriebsmotors 130. Der Rotor 133 ist um die Antriebswelle 131c herum gepasst. Der Stator 134 ist an der äußeren Umfangsseite des Rotors 134 angeordnet und ist mit einer Spirale 135 umwickelt. Das heisst, der Antriebsmotor 130 ist ein Induktionsmotor. Die Drehzahl des Antriebsmotors 130 kann durch einen Umwandler (der nicht dargestellt ist) gesteuert werden.
An der Antriebswelle 131c ist jeweils ein Trimmgewicht 132a und 132b an der vorderen bzw. hinteren Seite des Rotors 133 montiert. Dadurch wird ein auf die Antriebskurbelwelle 131 aufgebrachtes Trägheitsmoment in der Richtung einer Achse der Antriebskurbelwelle 131 oder in der Richtung, die die Achse der Antriebskurbelwelle 131 ablenkt, ausgeglichen. In dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden die Antriebswelle 131c des Antriebsmotors 130, der Hauptwellenabschnitt 131b der Antriebskurbelwelle 131 und der Kurbelzapfen 131a einstückig die Antriebskurbelwelle 131.
Die Antriebswelle 131c der Antriebskurbelwelle 131 ist durch ein Kugellager 139 an der Mitte des Bodens des Motorgehäuses 190 oder an der Mitte des hinteren Endes des Motorgehäuses 190 drehbar gestützt. Zusätzlich ist der Abstand zwischen der Antriebswelle 131c und der Mitte des Bodens des Motorgehäuses 190 durch eine Dichtung 136 gedichtet. Das Motorgehäuse 190 ist durch eine Vielzahl von Bolzen an der Innenseite des vorderen Endes an dem Zentralgehäuse 170 fest befestigt. Dadurch sind das Motorgehäuse 190 und das Zentralgehäuse 170 starr vereinigt.
Wenn zu dem Antriebsmotor 130 Elektrizität zugeführt wird, dreht sich die Antriebskurbelwelle 131. Dadurch lässt die Antriebskurbelwelle 131 das bewegliche Spiralelement 120 durch den Antriebskurbelmechanismus 150 kreisen. Zu diesem Zeitpunkt wird Luft in den zwischen dem feststehenden Spiralelement 110 und dem beweglichen Spiralelement 120 definierten Verdichtungsbereich C durch einen Einlass (der nicht dargestellt ist) eingeführt. Während der Kreisbewegung des beweglichen Spiralelements 120 wird die eingeführte Luft in dem Verdichtungsbereich C verdichtet und wird durch die Auslassöffnung 111 ausgelassen. Somit wird die verdichtete Luft zu der Sauerstoffelektrode der Brennstoffzelle zugeführt.
Im Wesentlichen an der Mitte des äußeren Umfangs des Motorgehäuses 190 ist eine ringförmige Vertiefung 191 ausgebildet, die ein Kühlkanal ist. In der ringförmigen Vertiefung 191 sind eine Vielzahl von unterbrochenen Rippen 192 ausgebildet. An der äußeren Umfangsfläche der vorderen und hinteren Seite der ringförmigen Vertiefung 191 sind ringförmige Nuten 193 und 194 ausgebildet, in denen O-Ringe 163 bzw. 164 in Anspruch genommen werden.
An der äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses 190 ist ein äußerer Zylinder 200 montiert, der in Fig. 2 gezeigt ist. Der Spalt zwischen der inneren Umfangsfläche des äußeren Zylinders 200 und der äußeren Umfangsfläche des Motorgehäuses 190 wird durch O-Ringe 163 und 164 gedichtet, um so eine Fluiddichtigkeit zu haben. Somit bilden die ringförmige Vertiefung 191 des Motorgehäuses 190 und der äußere Zylinder 200, der die ringförmige Vertiefung 191 schließt um sie zu bedecken, einen Wassermantel 210 (oder einen Kühlmantel), der mit einem Kühlkanal 211 (oder einen Kühlmitteldurchlass) versehen ist, der Fluiddichtigkeit aufweist. Kühlwasser strömt durch einen Einlass 202 hindurch, der von dem äußeren Zylinder 200 hervorsteht in den Wassermantel 210 hinein. Das Kühlwasser führt durch den Raum zwischen den Rippen 192 in dem Kühlkanal 211 hindurch und strömt dann durch einen Auslass (der nicht dargestellt ist) ausserhalb des Motorgehäuses 190. Somit wird der Antriebsmotor 130 wirkungsvoll durch den Wassermantel 210 herabgekühlt. In dem vorliegenden, bevorzugten Ausführungsbeispiel stehen der Wassermantel 112, der an den Spiralelementen vorgesehen ist, und der Wassermantel 210 durch einen (nicht gezeigten) Kanal in Verbindung. Dadurch ist ein Kühlsystem als ein Gesamtes aufgebaut.
In dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel stehen bei gleichen Abständen in einer Umfangsrichtung neun Flansche 201 von der Umfangsfläche des äußeren Zylinders 200 in einer Radialrichtung hervor. Auf eine gleiche Weise stehen bei gleichen Abständen in einer Umfangsrichtung neun Flansche 173 von der Umfangsfläche an der Rückseite des Zentralgehäuses 170 in einer Radialrichtung hervor. Die neun Flansche 201 und die neun Flansche 173 sind jeweils miteinander über neun Bolzen 220 verbunden. Somit sind der äußere Zylinder 200 und das Zentralgehäuse 170 fest befestigt. Dadurch sind der äußere Zylinder 200 und das Zentralgehäuse 170 vereinigt. Wie dies vorstehend beschrieben ist, sind das Zentralgehäuse 1110 und das Motorgehäuse 190 vereinigt. Als ein Ergebnis ist der äußere Zylinder 200 einstückig und fest an dem Motorgehäuse 190 über das Zentralgehäuse 170 oder indirekt befestigt.

Eine Messung und eine Auswertung

Nun wird mit Bezug auf Fig. 3 bis Fig. 8 das Verhältnis zwischen einem Verfahren zum Montieren des vorstehenden äußeren Zylinders an dem Motorgehäuse und Vibration und Lärm des Kompressors 100 gemessen und ausgewertet. Man beachte, dass in dem vorstehenden, bevorzugten Ausführungsbeispiel der äußere Zylinder 200 und das Zentralgehäuse 170 durch neun Bolzen 220 an neun Punkten befestigt sind. Zum Gebrauch in einem folgenden Testkompressor sind jedoch der äußere Zylinder 200 und das Zentralgehäuse 170 durch einen Bolzen an einem Punkt oder durch vier Bolzen an vier Punkten bei gleichen Abständen befestigt.

(1-1) Eine Auswertung von Vibration

Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, werden Beschleunigungsaufnehmer an Messpunkten 1 bis 6 in der Richtung einer Achse des Testkompressors aufgebracht. Unter einem vorbestimmten Betriebszustand, in dem der Testkompressor bei 5000 upm (Umdrehungen pro Minute) betrieben wird und der Auslassdruck Pd und der Ansaugdruck Ps 0,13 MPaG (Megapascal im Messdruck) bzw. 0 MPaG sind, wird ein Vibrationsmodus gemessen und ausgewertet. In dem Fall, dass der äußere Zylinder 200 und das Zentralgehäuse 170 durch einen Bolzen befestigt sind, ist eine Beschleunigungsänderung (oder Amplitudenänderung) der neunten Drehkomponente in Fig. 4A gezeigt. Auf eine ähnliche Weise wird in dem Fall, dass der äußere Zylinder 200 und das Zentralgehäuse 170 durch vier Bolzen befestigt sind, eine Beschleunigungsänderung (oder Amplitudenänderung) der neunten Drehkomponente in Fig. 4B gezeigt.
Man beachte, dass in Fig. 4A und 4B die Messpunkte, die durch gleiche Linien verbunden sind, Ergebnisse einer Messung zum gleichen Zeitpunkt (oder in der gleichen Phase) an den jeweiligen Messpunkten anzeigen. In Fig. 4A und 4B gibt es eine Vielzahl von Linien, die durch die Messpunkte verbunden sind. Dies liegt daran, dass eine Vielzahl von Ergebnissen der Messung zu der Messzeit bei gleichen Intervallen teilweise geschichtet sind. Auf eine ähnliche Weise wird dies ebenso in Fig. 6A, 6B, 7A und 7B verwendet.
Wenn die Anzahl von befestigten Bolzen erhöht wird, wird eine Vibration des Antriebsmotors 130 markant verringert, wie dies in Fig. 4A und 9B gezeigt ist. Dadurch wird Vibration des Testkompressors als Ganzes ebenso verringert. Wenn die vier Bolzen auf den Testkompressor angewendet werden, wird bestätigt, dass der Testkompressor vibriert, als würde ein steifer Körper vibrieren.

(1-2) Eine Vibrationsauswertung

Wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, werden drei Beschleunigungsaufnehmer an der Oberseite und der Unterseite des Antriebsmotors an entsprechenden Seiten an Messpunkten 1 bis 6 angebracht. Unter einem vorbestimmten Betriebszustand, in dem der Kompressor bei 5000 upm betrieben wird und der Auslassdruck Pd und der Ansaugdruck Ps 0,13 MPaG bzw. 0 MPaG sind, wird ein Vibrationsmodus gemessen und ausgewertet. In diesem Fall, in dem der äußere Zylinder und das Zentralgehäuse durch einen Bolzen befestigt sind, ist eine Beschleunigungsänderung (oder Amplitudenänderung) der neunten Drehkomponente in Fig. 6A und 6B gezeigt. Auf eine ähnliche Weise ist in dem Fall, in dem der äußere Zylinder und das Zentralgehäuse durch vier Bolzen befestigt sind, eine Beschleunigungsänderung (oder Amplitudenänderung) der neunten Rotationskomponente in Fig. 7A und 7B gezeigt.
Auf eine ähnliche Weise, wie dies in Fig. 6A, 6B, 7A und 7B gezeigt ist, wird bestätigt, dass die Vibration des Antriebsmotors im wesentlichen isotrop markant reduziert wird, wenn die Anzahl von befestigten Bolzen erhöht wird.

(2) Eine Lärmauswertung

In dem Fall, in dem der äußere Zylinder und das Zentralgehäuse durch einen Bolzen bzw. durch vier Bolzen befestigt sind, wird unter einem vorbestimmten Betriebszustand, in dem der Testkompressor bei 5000 upm betrieben wird, und der Auslassdruck Pd und der Ansaugdruck Ps 0,13 MPaG bzw. 0 MPaG sind, der Geräuschpegel gemessen. In Fig. 8A und 8B sind die jeweiligen Ergebnisse gezeigt.
Wie dies in Fig. 8A und 8B gezeigt ist, wird abgelesen, dass der Geräuschpegel der achten Komponente bis zur zehnten Komponente in der Eigenfrequenzumgebung beträchtlich abnimmt, wenn die Anzahl von zu dem äußeren Zylinder befestigten Bolzen zunimmt. In dem vorliegenden Versuch, nehmen zum Beispiel der Lärm der achten Komponente, der neunten Komponente und der zehnten Komponente jeweils um 6,4 dB (oder Decibel) 6,1 dB und 4,9 dB ab.
Wie dies vorstehend beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass in dem Spiralkompressor entstandene Vibration und Lärm merklich verringert werden kann, wenn die Vielzahl von Bolzen zum Befestigen des äußeren Zylinders verwendet wird.
Gemäß dem vorstehend bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, kann der Kühlmantel zum Kühlen des Antriebsmotors des Kompressors einfach aufgebaut sein. Zusätzlich können Vibration und Lärm des Kompressors verringert und verhindert werden.
In der vorliegenden Erfindung werden ebenso die nachstehenden Ausführungsbeispiele verwendet.
In dem vorstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der äußere Zylinder indirekt an dem Motorgehäuse durch das Zentralgehäuse befestigt. Der äußere Zylinder kann jedoch indirekt an dem Motorgehäuse durch das Kompressorgehäuse, ein Gehäuse zum Montieren des Kompressors oder eine Strebe zum Montieren des Kompressors befestigt sein. Auf alle Fälle ist es für das Kompressionsgehäuse, das Gehäuse und die Strebe, an die der äußere Zylinder befestigt ist, notwendig, dass sie einstückig oder steif und fest an dem Motorgehäuse befestigt ist oder einstückig oder steif und fest mit dem Motorgehäuse so verbunden ist, dass der äußere Zylinder und das Motorgehäuse einstückig und steif vibrieren. Ebenso kann der äußere Zylinder direkt an dem Motorgehäuse durch einen Bolzen oder eine Vielzahl von Bolzen oder durch Presspassen befestigt sein.
Wenn in dem vorstehend bevorzugten Ausführungsbeispiel der äußere Zylinder durch die Bolzen befestigt ist, sind die Bolzen so angeordnet, dass sie sich in der Axialrichtung erstrecken. Die Bolzen können jedoch auch so angeordnet sein, dass sie sich in der Radialrichtung erstrecken. Wenn die Bolzen in der Axialrichtung parallel zueinander angeordnet sind, wird der äußere Zylinder einfach über die Bolzen durch die Flansche, die in der Radialrichtung hervorstehen, befestigt.
In dem vorstehend bevorzugten Ausführungsbeispiel werden neun Bolzen verwendet. Auch wenn Vibration und Lärm gemessen und ausgewertet werden, sind der äußere Zylinder und das Motorgehäuse durch eine Schraube und durch vier Schrauben aus Gründen der Bequemlichkeit befestigt. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Vibration und der Lärm weiter verringert werden kann, wenn die Anzahl von Bolzen, die an dem äußeren Zylinder und dem Motorgehäuse befestigt sind, größer wird. In dem vorstehend bevorzugten Ausführungsbeispiel, sind zumindest zwei Bolzen erforderlich. Weiter bevorzugt ist der äußere Zylinder an der Oberseite, der Unterseite, der rechten Seite und der linken Seite durch vier Bolzen befestigt. Wenn zusätzlich fünf bis neun Bolzen um den äußeren Zylinder herum bei gleichen Abständen angeordnet sind, ist der äußere Zylinder relativ fest befestigt. Überschüssige Bolzen sind nicht zu bevorzugen, weil dadurch die Anzahl von Teilen und Zeitaufwand und Ablauf zum Installieren der Teile ansteigt.
Das vorstehende, bevorzugte Ausführungsbeispiel ist nicht auf einen Bolzen oder eine Vielzahl von Bolzen zum Befestigen des äußeren Zylinders und des Motorgehäuses begrenzt. Auf eine gleiche Weise können der äußere Zylinder und das Motorgehäuse durch Presspassen befestigt sein. Dies liegt an der Betrachtung, dass der Fall, in dem durch Presspassen befestigt wurde, dem Fall entspricht, in dem durch eine unbegrenzt angestiegene Anzahl von Bolzen befestigt wurde.
Ebenso sind eine Position des Presspassens oder Positionen des Presspassens nicht eingeschränkt. Zum Beispiel kann der äußere Zylinder an beiden Enden, an einem anderen Ende oder in der Mitte pressgepasst sein. Da die innere Umfangsfläche des äußeren Zylinders eine Fläche zum Dichten von Kühlwasser sein kann, kann die innere Umfangsfläche des äußeren Zylinders zum Presspassen verwendet werden. Man beachte, dass wenn ein O-Ring als Dichtung verwendet wird, es schwierig sein kann, presszupassen. In diesem Fall kann Flüssigkeitsdichtung verwendet werden. Ebenso in dem Fall, in dem der O-Ring verwendet wird, um so den äußeren Zylinder einfach zu montieren und zu demontieren, kann mit Ausnahme der Fläche zum Dichten eine Fläche zum Presspassen verwendet werden.
Ein Rand zum Presspassen kann durch Abändern des äußeren Durchmessers des äußeren Zylinders angepasst werden. Der Rand zum Presspassen kann auch durch Ändern des inneren Durchmessers des äußeren Zylinders angepasst werden. In jedem Fall ist in Betrachtung der Änderung der Temperatur und der Vibration während des Betriebs des Kompressors ein geeigneter Rand erforderlich.
Die Kühlmittelleitung in dem Kühlmantel kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein. In dem vorstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kühlmitteldurchlass durch Schließen einer an der äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses ausgebildeten Vertiefung mit dem äußeren Zylinder ausgebildet. Eine solche Vertiefung kann an der inneren Umfangsseite des äußeren Zylinders ausgebildet sein. Weiterhin kann eine solche Vertiefung an der inneren und äußeren Umfangsseite des äußeren Zylinders ausgebildet sein. Tatsächlich wird der Kühlmitteldurchlass einfach ausgebildet, wenn die Vertiefung an der äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses ausgebildet ist. Weiter bevorzugt können eine Kühlrippe und eine Vertiefung an der äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses ausgebildet sein, um Wärmeübertragung zwischen dem Motorgehäuse und dem Kühlmittel zu verbessern. Dadurch wird der Kontaktbereich zwischen dem Motorgehäuse und dem Kühlmittel vergrößert.
Was das Kühlmittel in dem Kühlmitteldurchlass betrifft, wird in Hinsicht auf seine Kühlleistung und seine Handhabbarkeit, im Allgemeinen Wasser oder Kühlwasser verwendet. Wenn als Kühlmittel in dem Kühlmitteldurchlass Kühlwasser verwendet wird, ist der Kühlmitteldurchlass ein Kühlkanal und der Kühlmantel ist ein Wassermantel. Das Kühlmittel ist jedoch nicht auf Wasser beschränkt. Öl, Gas, wie z. B. Luft, Sauerstoff und Wasserstoff, und Kraftstoff, wie z. B. Benzin und Leichtöl können verwendet werden.
In dem vorstehenden, bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Spiralkompressor als ein Beispiel verwendet. Das liegt daran, weil der Spiralkompressor nicht nur kompakt und wirkungsvoll zum Verdichten von Fluid ist, sondern auch geringere Vibration und Lärmerzeugung hat. Anderer Arten von Kompressoren erzeugen jedoch ebenso ähnliche Vibration und Lärm solange der Kompressor einen Verdichtungskreislauf von Ansaugen, Verdichten und Auslassen hat. Zum Beispiel kann ein Schraubenkompressor (oder ein Lysholm-Kompressor) und ein Kolbenkompressor anstelle des Spiralkompressors verwendet werden. Obwohl das angestiegene Niveau und die verringerte Komponente der Vibration und des Lärms in Verbindung mit einer Art von Maschine und Antriebszustand variieren können, wird angenommen, dass eine Gesamttendenz oder eine Makrotendenz sich nicht ändert.
Außerdem werden in einem Spiralkompressor zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem Vibration und Lärm wirkungsvoll verringert. Was das Brennstoffzellensystem angeht, kann z. B. eine Alkaliwasserlösungsart, eine feste Makromolekülart, eine Phosphorsäureart, eine geschmolzene Karbonatart oder eine feste Elektrolytart verwendet werden.
Ebenso wird in dem vorstehend bevorzugten Ausführungsbeispiel Luft als ein Fluid in dem Verdichtungsbereich verwendet. Das Kühlmittel ist jedoch nicht auf Gas begrenzt. Fluid, das eine Flüssigkeit umfasst, kann als ein Fluid verwendet werden.
Die vorliegenden Beispiele und bevorzugten Ausführungsbeispiele werden als veranschaulichende und nicht als einschränkende Beispiele betrachtet und die Erfindung ist nicht auf die darin angegebenen Details begrenzt, sondern kann innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche abgeändert werden.
Ein Kompressor hat eine Verdichtungseinheit, einen Antriebsmotor, ein Motorgehäuse und einen äußeren Zylinder. Die Verdichtungseinheit verdichtet Fluid. Der Antriebsmotor treibt die Verdichtungseinheit an. Das Motorgehäuse umgibt den Antriebsmotor. Der äußere Zylinder ist an einer äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses zum Definieren eines Kühlmantels zwischen dem äußeren Zylinder und dem Motorgehäuse zum Kühlen des Antriebsmotors durch ein in dem Kühlmantel strömendes Kühlmittel montiert. Der äußere Zylinder ist direkt oder indirekt an dem Motorgehäuse durch Festmachen einer Vielzahl von Bolzen oder durch Presspassen befestigt.

Claims

1. Kompressor weist mit:
einer Verdichtungseinheit zum Verdichten von Fluid;
einem Antriebsmotor zum Antreiben der Verdichtungseinheit;
einem Motorgehäuse zum Umgeben des Antriebsmotors; und
einem äußeren Zylinder, der an einer äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses zum Definieren eines Kühlmantels zwischen dem äußeren Zylinder und dem Motorgehäuse zum Kühlen des Antriebsmotors durch ein in dem Kühlmantel strömendes Kühlmittel montiert ist, wobei der äußere Zylinder direkt oder indirekt an dem Motorgehäuse durch Festmachen einer Vielzahl von Bolzen oder durch Presspassen befestigt ist.

2. Kompressor gemäß Anspruch 1, wobei die äußere Umfangsseite des Motorgehäuses eine Vertiefung hat und der Kühlmantel aus einem durch Schließen der Vertiefung mit dem äußeren Zylinder definierten Kühlmitteldurchlass besteht.

3. Kompressor gemäß Anspruch 2, wobei das Kühlmittel Wasser ist.

4. Kompressor gemäß Anspruch 1, wobei die Verdichtungseinheit ein feststehendes Spiralelement und ein bewegliches Spiralelement umfasst, die sich gegenseitig gegenüberstehen, wobei das feststehende Spiralelement eine feststehende Spiralgrundplatte und eine feststehende Spiralwand hat, die sich von der feststehenden Spiralgrundplatte erstreckt, das bewegliche Spiralelement eine bewegliche Spiralgrundplatte und eine bewegliche Spiralwand hat, die sich von der beweglichen Spiralgrundplatte erstreckt, und das bewegliche Spiralelement mit Bezug auf das feststehende Spiralelement durch die Antriebsmotoreinheit gedreht wird.

5. Kompressor gemäß Anspruch 4, wobei der Kompressor ein Spiralkompressor zum Versorgen einer Elektrode einer Brennstoffzelle mit dem in einem zwischen dem feststehenden Spiralelement und dem beweglichen Spiralelement definierten Verdichterbereich verdichteten Fluids ist.

6. Kompressor gemäß Anspruch 5, wobei die Brennstoffzelle eine aus der Gruppe einer Alkaliwasserlösungsart, einer festen Makromolekülart, einer Phosphorsäureart, einer geschmolzenen Karbonatart und einer festen Elektrolytart ist.

7. Kompressor gemäß Anspruch 1, wobei das Motorgehäuse eine Vielzahl von Rippen an der äußeren Umfangsseite in dem Kühlmantel zum Abstrahlen von Wärme hat.

8. Kompressor gemäß Anspruch 1, wobei der Kühlmantel durch zwei O-Ringe gedichtet ist.

9. Kompressor gemäß Anspruch 1, wobei die Anzahl von vier bis neun Bolzen verwendet wird.

10. Kompressor gemäß Anspruch 9, wobei die Anzahl von Bolzen vier ist.

11. Kompressor gemäß Anspruch 9, wobei die Anzahl von Bolzen neun ist.

12. Kompressor gemäß Anspruch 1, wobei das Fluid Luft ist.

13. Spiralkompressor mit:
einem Motorgehäuse;
einem Antriebsmotor, der von dem Motorgehäuse umgeben ist;
einem Zentralgehäuse, das an dem Motorgehäuse befestigt ist;
einem feststehenden Spiralelement, das an dem Zentralgehäuse befestigt ist;
einem beweglichen Spiralelement, das sich zwischen dem Zentralgehäuse und dem feststehenden Spiralelement befindet, wobei das bewegliche Spiralelement mit dem feststehenden Spiralelement in Eingriff gelangt, das bewegliche Spiralelement durch den Antriebsmotor zum Verdichten von Fluid zwischen dem feststehenden Spiralelement und dem beweglichen Spiralelement angetrieben wird; und
einen äußeren Zylinder, der an einer äußeren Umfangsseite des Motorgehäuses zum Definieren eines Kühlmantels zwischen dem äußeren Zylinder und dem Motorgehäuse zum Kühlen des Antriebsmotors durch ein in dem Kühlmantel strömendes Fluid montiert ist, wobei der äußere Zylinder direkt an dem Zentralgehäuse durch Festmachen einer Vielzahl von Bolzen oder durch Presspassen befestigt ist.

14. Spiralkompressor gemäß Anspruch 13, wobei die äußere Umfangsseite des Motorgehäuses eine Vertiefung hat und der Kühlmantel aus einem durch Schließen der Vertiefung mit dem äußeren Zylinder definierten Kühlmitteldurchlass aufgebaut ist.

15. Spiralkompressor gemäß Anspruch 14, wobei das Kühlmittel Wasser ist.

16. Spiralkompressor gemäß Anspruch 13, wobei das Motorgehäuse eine Vielzahl von Rippen an der äußeren Umfangsseite in dem Kühlmantel zum Abstrahlen von Wärme hat.

17. Spiralkompressor gemäß Anspruch 13, wobei der Kühlmantel durch zwei O-Ringe abgedichtet ist.

18. Spiralkompressor gemäß Anspruch 13, wobei die Anzahl von vier bis neun Bolzen verwendet wird.

19. Spiralkompressor gemäß Anspruch 13, wobei das Fluid Luft ist.