JP5474066B2 - コンプレッサ及びコンプレッサの作動方法、並びにコンプレッサを備える燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に基づくコンプレッサに関する。さらに、本発明は、請求項１７の前提部分に基づくコンプレッサの作動方法に関する。さらに、本発明は、燃料電池装置に関する。

電気的に駆動可能な高速回転する機械、特にコンプレッサは、従来技術に従って、シャフトの軸受にボール軸受又は空気軸受が装備されている。特にフォイル軸受又は「フォイル・エア・ベアリング（Ｆｏｉｌ Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ）」として形成されている通常の空気軸受は、原則的にボール軸受よりも大きな摩擦損失を生じ、その際、損失の大部分は主にスラスト軸受から発生する。

特許文献１から、ハウジング及び回転機構を備えるコンプレッサが知られており、この場合、ハウジングはエアガイド部分と軸受部分とを有し、回転機構はコンプレッサホイールと、このコンプレッサホイールにトルク耐性に（共回転するように）接続されているシャフトとを有している。このシャフトは軸受部分に回転可能に支持されており、コンプレッサホイールはエアガイド部分の第１のチャンバに回転可能に支持されている。シャフトは、電気モータによって駆動可能である。シャフトを支持するために、少なくとも１つのラジアル軸受及びスラスト軸受が軸受部分に設けられている。ラジアル軸受は、通常の空気軸受の形に形成されている。スラスト軸受は、磁気軸受及び空気軸受の両方を有している。この場合、問題となるのは、磁気軸受のマグネットが磁気軸受の回転可能な部分に形成されており、予想される高い周辺速度と、それに伴う大きな遠心力とに対して、このマグネットが確実に固定されていないことである。

米国特許出願公開第２００７／００６９５９７Ａ１号明細書

本発明の課題は、電気的にサポートされるコンプレッサが作動している際に生じる摩擦損失を、確実な作動を考慮した上で、低下させることである。

この課題は、請求項１によるコンプレッサ、請求項１７によるコンプレッサの作動方法及び請求項１９による燃料電池装置によって解決される。

本発明に基づき、コンプレッサのスラスト軸受は、少なくとも第１の軸受と第２の軸受とを有し、第１の軸受は、コンプレッサホイールの部分に形成されており、第２の軸受は、コンプレッサホイールとは反対向きに位置決めされた回転機構の先端部分に形成されている。有利であるのは、スラスト軸受の分割及び第１と第２の軸受の配置により、摩擦損失の低下が生じることである。

好適には、スラスト軸受の一方の軸受が磁気軸受であり、スラスト軸受の他方の軸受は点支持である。

コンプレッサの駆動力を向上させるため、ハウジングには追加的に排気ガスガイド部分が含まれ、回転機構には追加的にタービンのタービンホイールが含まれているように、タービンがコンプレッサに配置されており、この場合、タービンホイールは、排気ガスガイド部分の第２のチャンバに回転可能に支持され、コンプレッサホイールとは反対向きに位置決めされているシャフトの先端で、このタービンホイールが回転可能にこのシャフトに接続されている。

この磁気軸受は、好適には、コンプレッサホイール付近のインレットダクトに形成されている保持装置を有している。

好適には、この磁気軸受が少なくとも２つのマグネットを有し、第１のマグネットは保持装置の中に固定され、第２のマグネットは、インレットダクトに対向して位置決めされたコンプレッサホイール先端にある、コンプレッサホイールのハブ内に固定されている。

好適には、この磁気軸受が少なくとも２つのマグネットを有し、これらのマグネットは、マグネットの同じ極が互いに対向するように配置されている。

好適には、この磁気軸受が少なくとも２つのマグネットを有し、少なくとも１つのマグネットは、シリンダ形に形成されている。

点支持軸受は、特に、タービンホイール部分のアウトレットダクトに位置決めされている保持装置を有している。

好適には、この点支持軸受が少なくとも２つのボールを有し、第１のボールは保持装置の中に固定され、第２のボールは、アウトレットダクトに対向して位置決めされたタービンホイール先端にある、タービンホイールのハブ内に固定されている。

好適には、この点支持軸受が、異なる材料から形成されている２つのボールを有する。

とりわけ、一方のボール、特に第２のボールは、焼き入れされた材料、特に鋼鉄から形成され、他方のボール、特に第１のボールは、セラミック素材から形成されている。

好適には、点支持軸受の少なくとも１つのボール、特に第１のボールが軸方向に移動可能であり、この軸方向の動きはネジによって保証されている。

好適には、軸方向に移動可能なボールがシリンダに固定されており、このシリンダは、点支持軸受の保持装置内に、ネジによって移動可能であるように支持されている。

好適には、磁気軸受の少なくとも１つのマグネット、特に第１のマグネットが環状に形成されている。好適には、他方のマグネット、特に第２のマグネットがコンプレッサホイールのホイール裏側に配置され、マグネットが反発し合う。

好適には、磁気軸受の保持装置が、第１のラジアル軸受によって形成されている。

好適には、スラスト軸受の両方の軸受が磁気軸受として形成されている。

好適には、シャフトが、特に軸受の形態に応じて、回転機構の少なくとも特定の回転数以降、スラスト軸受によって軸方向に非接触で位置決めされている。

好適には、軸受が両方とも磁気軸受として形成されており、シャフトが継続的に非接触で位置決めされている。

好適には、スラスト軸受の軸受が１つの軸の上に配置されている。特に、少なくとも１つの磁気軸受のマグネットが、この軸の上に配置されている。好適には、スラスト軸受が磁気軸受及び点支持軸受を備える実施形態の場合、磁気軸受のマグネット及び点支持軸受のボールが、この軸上に配置されている。

ハウジング及び回転機構を備え、ハウジングがエアガイド部分、排気ガスガイド部分及び軸受部分を有し、回転機構がコンプレッサホイール、タービンホイール、及びコンプレッサホイールをタービンホイールにトルク耐性に接続するシャフトを有している、本発明に基づくエグゾーストターボチャージャの作動方法では、このシャフトが軸受部分に回転可能に支持される。コンプレッサホイールはエアガイド部分の第１のチャンバ内に、タービンホイールは排気ガスガイド部分の第２のチャンバ内に回転可能に配置されており、シャフトは電気モータにより駆動され、軸受部分においてシャフトを支持するために、少なくとも１つのラジアル軸受と１つのスラスト軸受とが形成され、この場合、スラスト軸受は少なくとも１つの磁気軸受を有している。このスラスト軸受は少なくとも第１の軸受と第２の軸受とを含み、第１の軸受はコンプレッサホイールの部分に形成され、第２の軸受はタービンホイールの部分に形成される。

特に、回転機構が停止状態にある場合及び回転数が少ない場合は、スラスト軸受の点支持の第１のボールと第２のボールとが接触している。回転機構の特定の回転数以降から、コンプレッサホイールから空気が吸引され、圧縮されるようになると、スパイラルダクト内の優勢なチャージ圧が同様にコンプレッサホイールのホイール裏側にも形成される。これによって、コンプレッサホイールへの軸方向の力が生じ、コンプレッサホイールを含む全回転機構が第１のインレットダクト方向へ、軸方向に移動する。この軸方向への動きによって、第１のボールと第２のボールとの接触が解除される。磁気軸受及び反発し合うように位置決めされているマグネットにより、軸方向の力に関して、回転機構に力のバランスが生じるため、回転機構のシャフトは、軸方向に無接触に、従って摩擦なしに位置決めされている。

本発明のもう１つの態様は、燃料電池装置、特に自動車の車両内に搭載する移動可能な燃料電池装置に関し、この装置は、本発明に基づくエグゾーストターボチャージャ又はその有利な実施形態を有している。特に、このエグゾーストターボチャージャは、酸素含有ガスに含まれる酸素などの酸化剤を燃料電池装置の燃料電池スタックに供給するため、及び／又は燃料電池スタックから出される排気ガスを排出するために使用される。

本発明に基づくエグゾーストターボチャージャの有利な実施形態は、この燃料電池装置の有利な実施形態、及び本発明に基づくエグゾーストターボチャージャ作動方法の有利な実施形態と見なすことができる。本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、実施例及び唯一の図に基づく以下の説明によって生じる。

本発明に基づくコンプレッサを備えたエグゾーストターボチャージャ１を示す。

唯一の図は、好ましくは燃料電池システムに使用される、本発明に基づくコンプレッサを備えたエグゾーストターボチャージャ１を示している。このエグゾーストターボチャージャ１は、エアガイド部分３、排気ガスガイド部分４及び軸受部分５を備えるハウジング２を有している。このエアガイド部分３は、第１のインレットダクト６と、このインレットダクト６の下流に配置されている第１のチャンバ７と、この第１のチャンバ７の下流に配置されている第１のスパイラルダクト８と、この第１のスパイラルダクト８の下流に配置されている図示されていない第１のアウトレットダクトとを有している。排気ガスダクト部分４は、図示されていない第２のインレットダクトを有し、このインレットダクトによって、第２のインレットダクトの下流に配置されている第２のスパイラルダクト９に排気ガスが送られる。第２のスパイラルダクト９の下流には、第２のチャンバ１０が排気ガスガイド部分４の中に形成されており、このチャンバ１０の下流には、排気ガスガイド部分４の第２のアウトレットダクト１１が割り当てられている。

ハウジング２の中には、エグゾーストターボチャージャ１の回転機構１２が回転可能に支持されており、この回転機構１２は、コンプレッサホイール１３、タービンホイール１４、及びコンプレッサホイール１３をタービンホイール１４にトルク耐性に接続するシャフト１５を有している。このシャフト１５は、軸受部分５の中に回転可能に支持されている。コンプレッサホイール１３はエアガイド部分３の第１のチャンバ７内に、タービンホイール１４は排気ガスガイド部分４の第２のチャンバ１０内に回転可能に配置されている。コンプレッサホイール１３は、第１のハブ１６及びこの第１のハブ１６の上に配置されている複数のコンプレッサホイール羽根１７を有している。タービンホイール１４は、第２のハブ１８及びこの第２のハブ１８の上に配置されている複数のタービンホイール羽根１９を有している。

回転機構１２の回転運動を支援するため、及び／又は回転運動を開始するため、電気モータ２０が軸受部分に位置決めされており、この電気モータ２０には、スタータ２０とロータ２２とが含まれている。ロータ２２は、回転するシャフト１５の部品として形成されている。

シャフト１５を支持するため、軸受部分５の中では、半径方向の力を受ける第１のラジアル軸受２３が、第１のチャンバ７に対向して位置決めされているシャフト１５の先端部分に配置され、第２のラジアル軸受２４が、第２のチャンバ１０に対向して位置決めされているシャフト１５の先端部分に配置されている。第１のラジアル軸受２３と第２のラジアル軸受２４とは、従来技術に従ってフォイルを重ねた空気軸受の形で形成されている。

軸方向の力を支持するため、スラスト軸受２５が配置されており、これには磁気軸受２６と点支持軸受２７とが含まれている。磁気軸受２６はコンプレッサホイール１３の部分に位置決めされており、点支持軸受２７はタービンホイール１４の部分に配置されている。

磁気軸受２６は、第１の保持装置２８、第１のマグネット２９及び第２のマグネット３０を有している。第１の保持装置２８は、コンプレッサホイール１３付近の第１のインレットダクト６内に形成されている。第１のマグネット２９は、第１の保持装置２８の中に固定されている。第２のマグネット３０は、第１のインレットダクト６に対向して位置決めされたコンプレッサホイール１３先端にある、コンプレッサホイール１３の第１のハブ１６内に固定されている。最適な方法では、第１のマグネット２９と第２のマグネット３０とがシリンダ形に形成されている。第１のマグネット２９と第２のマグネット３０とは、これらのマグネット２９、３０の同極を向かい合わせて配置されており、マグネット２９、３０が相互に反発作用を有するように、保持装置２８又は第１のハブ１６内に位置決めされている。

点支持軸受２７には、第２の保持装置３１、第１のボール３２及び第２のボール３３が含まれている。第２の保持装置３１は、タービンホイール１４部分のアウトレットダクト１１の中に位置決めされている。第１のボール３２は、第２の保持装置３１の中で、軸方向に移動可能に配置されている。第２のボール３３は、第２のアウトレットダクト１１に対向して位置決めされたコンプレッサホイール１４先端にある、コンプレッサホイール１４の第２のハブ１８内に固定されている。第２のボール３３は焼き入れされており、例えば鋼鉄から製造されている。第１のボール３２はセラミック素材を有しており、この第１のボール３２は、高い硬度を有する別の材料から形成することもできる。

第１のボール３２の軸方向の動きは、この実施例においては、ネジ３４を用いて行われる。この場合、第１のボール３２は、シリンダ３５に固定されており、このシリンダは、第２の保持装置３１の中でネジ３４によって動くことができるように支持されている。

回転機構１２が静止状態及び少ない回転数である場合、第１のボール３２と第２のボール３３とは接触している。回転機構１２の特定の回転数以降から、コンプレッサホイール１３から空気が吸引され、圧縮されるようになると、スパイラルダクト８内の優勢なチャージ圧が同様にコンプレッサホイール１３のホイール裏側３６にも形成される。これによって、コンプレッサホイール１３への軸方向の力が生じ、コンプレッサホイール１３を含む全回転機構１２が第１のインレットダクト方向へ、軸方向に移動する。この軸方向への動きによって、第１のボール３２と第２のボール３３との接触が解除される。磁気軸受２６及び反発し合うように位置決めされているマグネット２９、３０により、軸方向の力に関して、回転機構１２に力の均衡が生じるため、回転機構１２のシャフト１５は、軸方向に無接触に、従って摩擦なしに位置決めされている。

もう１つの、図示されていない実施例では、点支持軸受２７が磁気軸受として形成されている。それによって、シャフト１５は、静止状態及び回転数が少ない状態であっても軸方向に無接触に、従って摩擦なしに支持されている。

両方のマグネット２９、３０の面積は、ほぼ反発力に比例しているため、図示されていないもう１つの実施例においては、第１のマグネット２９は環状にも形成することができるであろう。その際、保持装置２８としては、第１のラジアル軸受２３が使用される。次に、第２のマグネット３０は、コンプレッサホイール１３のホイール裏側３６に、第１のマグネット２９と第２のマグネット３０の反発が保証されるように配置されている。

同様に、第１のマグネット２９と第２のマグネット３０とは、適切に形成されたディスクの中にも入れることができるであろう。

図の中では、磁気軸受２６のマグネット２９、３０及び点支持軸受２７のボール３２と３３が、エグゾーストターボチャージャ１の軸上に配置されているのが分かり、ここでは、その軸が水平な中央の線によって図示されている。

唯一の図は、例として示されているものであり、本発明に基づくコンプレッサの１つの実施例にすぎない。図示されていない実施例においては、コンプレッサが電気モータ２０によってのみ駆動され、そのため排気ガスガイド部分４及びタービンホイール１４が省略され、第２の軸受２７は、コンプレッサホイールとは反対向きに位置決めされているシャフトの先端に配置されている。第２の軸受２７の基本構造は、上述の構造に対応する。

Claims (19)

1. ハウジング（２）及び回転機構（１２）を備え、前記ハウジング（２）はエアガイド部分（３）と軸受部分（５）とを有し、前記回転機構（１２）はコンプレッサホイール（１３）と、該コンプレッサホイール（１３）にトルク耐性に接続されているシャフト（１５）とを有しており、前記シャフト（１５）は前記軸受部分（５）に回転可能に支持され、前記コンプレッサホイール（１３）は前記エアガイド部分（３）の第１のチャンバ（７）内に回転可能に配置され、前記軸受部分（５）において前記シャフト（１５）を支持するために、少なくとも１つのラジアル軸受（２３、２４）と少なくとも１つのスラスト軸受（２５）とが設けられ、
   前記スラスト軸受（２５）は、少なくとも１つの第１の軸受（２６）と第２の軸受（２７）とを有し、前記第１の軸受（２６）は、前記コンプレッサホイール（１３）の部分に形成されており、前記第２の軸受（２７）は、前記コンプレッサホイール（１３）とは反対向きに位置決めされた前記回転機構（１２）の先端部分に形成され、前記コンプレッサがラジアルコンプレッサとして形成され、
   前記スラスト軸受（２５）の一方の軸受（２６、２７）が磁気軸受であり、前記スラスト軸受（２５）の他方の軸受（２６、２７）が点支持軸受であることを特徴とするコンプレッサ。
2. 前記ハウジング（２）には追加的に排気ガスガイド部分（４）が含まれ、前記回転機構（１２）には追加的にタービンのタービンホイール（１４）が含まれているように、該タービンが前記コンプレッサに配置されており、前記タービンホイール（１４）は、前記排気ガスガイド部分の第２のチャンバ（１０）内に回転可能に配置され、前記コンプレッサホイール（１３）とは反対向きに位置決めされているシャフト（１５）の先端で、前記タービンホイール（１４）が回転可能に前記シャフト（１５）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のコンプレッサ。
3. 前記磁気軸受が、前記コンプレッサホイール（１３）付近のインレットダクト（６）に形成されている保持装置（２８）を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のコンプレッサ。
4. 前記磁気軸受が、少なくとも２つのマグネット（２９、３０）を有しており、第１のマグネット（２９）は前記保持装置（２８）の中に固定され、第２のマグネット（３０）は、前記インレットダクト（６）に対向して位置決めされた前記コンプレッサホイール（１３）先端にある、該コンプレッサホイール（１３）のハブ（１６）内に固定されていることを特徴とする、請求項３に記載のコンプレッサ。
5. 前記磁気軸受が、少なくとも２つのマグネット（２９、３０）を有し、前記マグネット（２９、３０）の同じ極が互いに対向するように、前記マグネットが配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
6. 前記磁気軸受が、少なくとも２つのマグネット（２９、３０）を有し、少なくとも１つのマグネット（２９、３０）は、シリンダ形に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
7. 前記第１のマグネット（２９）が、環状に形成されていることを特徴とする、請求項４に記載のコンプレッサ。
8. 前記第２のマグネット（３０）が、前記コンプレッサホイール（１３）のホイール裏側に配置されて、前記マグネット（２９、３０）が反発し合うことを特徴とする、請求項４に記載のコンプレッサ。
9. 前記点支持軸受（２７）が、前記タービンホイール（１４）部分の前記アウトレットダクト（１１）内に位置決めされている保持装置（３１）を有していることを特徴とする、請求項２に記載のコンプレッサ。
10. 前記点支持軸受（２７）が、少なくとも２つのボール（３２、３３）を有しており、第１のボール（３２）は保持装置（３１）の中に固定され、第２のボール（３３）は、前記アウトレットダクト（６）に対向して位置決めされた前記タービンホイール（１４）先端にある、前記タービンホイール（１４）のハブ（１８）内に固定されていることを特徴とする、請求項２に記載のコンプレッサ。
11. 前記少なくとも２つのボール（３２、３３）は、異なる材料から形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のコンプレッサ。
12. 前記第２のボール（３３）が、鋼鉄から形成され、前記第１のボール（３２）は、セラミック素材から形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載のコンプレッサ。
13. 前記第１のボール（３２）が軸方向に移動可能であり、前記軸方向の動きがネジ（３４）によって保証されていることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
14. 軸方向に移動可能な前記ボール（３２、３３）が、シリンダ（３５）に固定されており、前記シリンダは、前記点支持軸受（２７）の前記保持装置（３１）内に、前記ネジ（３４）によって移動可能であるように支持されていることを特徴とする、請求項１３に記載のコンプレッサ。
15. 前記回転機構（１２）の少なくとも特定の回転数以降、前記少なくとも２つのボール（３２、３３）の接触が解除されることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
16. 前記シャフト（１５）は電気モータ（２０）により駆動可能であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
17. ハウジング（２）及び回転機構（１２）を備え、前記ハウジング（２）はエアガイド部分（３）と軸受部分（５）とを有し、前記回転機構（１２）はコンプレッサホイール（１３）と、前記コンプレッサホイール（１３）にトルク耐性に接続されているシャフト（１５）とを有しており、前記シャフト（１５）は前記軸受部分（５）に回転可能に支持され、前記コンプレッサホイール（１３）は前記エアガイド部分（３）の第１のチャンバ（７）内に回転可能に配置され、前記軸受部分（５）において前記シャフト（１５）を支持するために、少なくとも１つのラジアル軸受（２３、２４）と１つのスラスト軸受（２５）とが設けられているコンプレッサの作動方法であって、
    前記スラスト軸受（２５）は、少なくとも１つの第１の軸受（２６）及び第２の軸受（２７）によって形成されており、前記第１の軸受（２６）は、前記コンプレッサホイール（１３）の部分に形成され、前記第２の軸受（２７）は、前記コンプレッサホイールとは反対向きに位置決めされた前記回転機構（１２）の先端部分に形成され、
    前記スラスト軸受（２５）の一方の軸受（２６、２７）が磁気軸受であり、前記スラスト軸受（２５）の他方の軸受（２６、２７）が点支持軸受であることを特徴とする作動方法。
18. 前記シャフト（１５）は電気モータ（２０）により駆動可能であることを特徴とする、請求項１７に記載のコンプレッサの作動方法。
19. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載のコンプレッサを備える、車両用の燃料電池装置。

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