JP6134715B2 - 燃料電池用の空気供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の燃料電池用の空気供給装置に関する。

燃料電池の効率的な動作のために、燃料電池に常に適切な量の空気を供給することが必要である。このために、従来技術に含まれる請求項１の前文に記載の商業的に入手可能な空気供給装置が公知であり、この空気供給装置では、コンプレッサハウジングに配置されかつ電気モータによって駆動されるコンプレッサホイールによって空気供給が実現される。

しかし、公知の空気供給装置の構造的な設計のため、後者の電気モータが約１００，０００ｒｐｍの最大回転速度においてコンプレッサホイールを駆動できるという不都合を有する。この場合、本発明の文脈内で実施された試験では、このような回転速度が、現在のコンプレッサホイール及びコンプレッサハウジングの潜在能力を完全に利用できず、この結果、少なくともある使用状態において、公知の装置によって燃料電池への適切な空気供給が保証されないか、あるいは少なくとも完全な程度に保証されないことが示されている。

したがって、本発明の目的は、高効率、したがって燃料電池への多量の空気供給を実現することを可能にする、請求項１の前文に規定されたタイプの空気供給装置を提供することである。さらに、空気供給装置は、可能な限りコンパクトな形態で実現されるべきである。

前記目的は、請求項１の特徴によって達成される。

本発明による空気供給装置のシャフトが３つの部分に分割され、これらの部分が、完全な組立状態で互いに対して緊締される２つのシャフト軸受部分によってかつ電気モータのロータを形成する磁石部分によって形成されるという事実によって、従来技術と較べてより堅いシャフト構造を実現することが可能であり、このシャフト構造は、特に空気軸受装置と関連して、最高１５０，０００ｒｐｍのコンプレッサホイールの回転速度を許容する。このようにして、本発明による空気供給装置は、同様に従来技術と較べて著しくより高い空気質量流量を燃料電池に供給することが可能であり、この場合、本発明による空気供給装置の構造はよりコンパクトであり、材料を節約する。

従属請求項は、本発明の有利な改良に関する。

本発明による空気供給装置の性能のさらなる向上を許容し、特別な強調が与えられるべきであるそれらの好ましい措置は、電気モータの両側の好ましくは２つの半径方向の空気軸受と、コンプレッサホイールに隣接して配置される軸方向の空気軸受とを有する空気軸受装置の構造を含む。

燃料電池によっても発生された廃気及び／又は廃熱を、空気供給装置のシャフトにタービンホイールを追加して設けることによって利用することも可能であり、このタービンホイールは、タービンの効率をさらに高めるために好ましくは可変タービン形状（ＶＴＧ）が設けられるタービンハウジングに配置される。

この場合、コンプレッサホイール、コンプレッサハウジング、タービンホイール及びタービンハウジングの構成要素は、従来の排気ガスターボチャージャのように寸法決めし、構成することが可能であり、これにより、次に本発明による空気供給装置の構造の支出が低減される。

強調が与えられるべきさらに好ましい特徴は、特に好ましい実施形態では、軸受ハウジングの外側部によって及び前記外側部を取り囲む外側ケーシングによって形成される冷却装置を含み、これらは、好ましくは流れ案内要素が設けられかつ冷却液、好ましくは冷却水を導入することができる冷却液の内部を画定する。

特に軸方向軸受の特に有効な冷却を実現することが可能であるために、この場合、例えば凹設された冷却液リングとして形成し得る別個の軸方向の軸受冷却部分を設けることが可能であり、冷却液リングは軸受ハウジングに形成されかつ軸方向軸受に隣接して配置される。

本発明のさらなる詳細、特徴及び利点は、図面に基づき例示的な実施形態の以下の説明から理解される。

特に大量の空気を供給しなければならない燃料電池に、同様に他の器具及び装置に適切な本発明による空気供給装置の僅かに単純化した長手方向概略断面図である。 空気供給装置のシャフトの一部の詳細な長手方向断面図である。 本発明による空気供給装置のコンプレッサハウジングのディフューザ用のブレードリングの斜視図である。

図１Ａは、本発明による空気供給装置１の好ましい実施形態を示しており、この装置によって、例えば燃料電池（図１Ａに詳細に図示せず）の効率的な動作に必要な空気質量流量を燃料電池に供給することができる。

空気供給装置１は、空気供給装置１の長手方向軸線Ｌに沿って延びるシャフト２を有する。

シャフト２の一方の端部５に、コンプレッサハウジング３に配置されるコンプレッサホイール４が締結される。この場合、コンプレッサハウジング３及びコンプレッサホイール４は、排気ガスターボチャージャのコンプレッサに対応する設計でもよい。図示した実施例では、締結のために、コンプレッサホイールを通して延びるねじ付きのピン２３Ａを有するねじ接続部２３が設けられ、このねじ接続部は、シャフト軸受部分１２の雌ねじ内に一方の端部がねじ留めされ、またこのねじ接続部の外端にナット２３Ｂがねじ留めされ、このナットによって、コンプレッサホイール４がシャフト２に締結される。

さらに、空気供給装置１は、実施例では、２つの半径方向の空気軸受６と７及び軸方向の空気軸受８を有する空気軸受の形態である軸受装置を有する。半径方向の空気軸受６と７は、関連のシャフト軸受部分１１及び上述のシャフト軸受部分１２に配置される。シャフト軸受部分１１と１２の間に、電気モータ１０のロータを形成する磁石部分１３が設けられ、前記電気モータはまた、電気モータ１０のステータを形成するコイル１４を含み、このため、このコイルは磁石部分１３を取り囲み、軸受ハウジング９で案内される。さらに、例えばテフロンディスクとして形成し得る案内要素１７と１８が設けられ、これらの案内要素は、コイル１４のそれぞれの端側１５と１６に当接して、空気軸受６、７を保持する。さらに、前記案内要素１７と１８は、空気の流出を防止するためにシャフト２に対してシール機能を実行する。前記案内要素１７と１８は、最後に緊急動作軸受として使用される。

上述の空気軸受装置の代わりに、特に磁石軸受装置のような他の軸受装置も基本的に考えられる。

図１Ａに示したように、シャフト軸受部分１１と１２及び磁石部分１３の提供のため、シャフト２は、上述のシャフト軸受部分１１、１２と、磁石部分１３によって形成される３つのシャフト部分とに分割される。

前記３つの部分１１〜１３は、完全な組立状態で互いに対して緊締され、このため、実施例では、タイロッド１９が設けられる。この場合、部分１１〜１３は、軸受ハウジングの外側のタイロッド１９に予め組み立てられ、このため、前記タイロッドの自由端部部分１９Ａは、適切ならば座金を介在してシャフト軸受部分１２の雌ねじ内にねじ留めされる。シャフト軸受部分１１の左側端部において、３つの部分１１〜１３で構成された装置は、シャフトナット２０によってタイロッド１９に固定される。前記予め組み立てられ状態において、前記装置はさらなる機械加工を受けることができ、例えば研削又は被覆できることが好ましい。

続いて、コンプレッサホイール４が、第１の軸方向の軸受半部３３によりシャフト軸受部分１２に固定され、前記装置がバランスされる。続いて、第２の軸方向の軸受半部３４が、形成される装置に差し込まれ、半径方向軸受６と７が軸受ハウジングに固定される。次に、上述の予め組み立てられたシャフト組立体全体を軸受ハウジング９に挿入することができる。

図１Ａに示した特に好ましい実施形態では、タービンホイール２１は、シャフト２の端部５の反対側に位置するシャフト２の端部領域に配置され、このタービンホイールには、効率を高めるために可変タービン形状２２が設けられる。設けられることが自明のタービンハウジングは、ＶＴＧ２２をより良く説明するために図１に示さないが、作動態勢の空気供給装置１のコンプレッサハウジング３に加えて同様に設けられることが自明である。

前記ユニットを最後に緊締するために、タービンホイール２１をタイロッド１９の他方の自由端１９Ｂに取り付けた後、シャフト軸受部分１１と１２と、磁石部分１３と、選択的に設けられたタービンホイール２１とから構成されたシャフト組立体全体が緊締されるように、ナット１９Ｃが前記タイロッドにねじ留めされる。

図１Ａに示した実施形態では、コンプレッサホイール４は、上に既述したように、ねじ接続部分２３によってシャフト２に固定される。しかし、コンプレッサホイール４を、タイロッド１９を介して上述の方法でシャフト２のシャフト組立体に接続し、この場合、タービンホイール２１をねじ接続２３を介して相応して接続することも可能である。

図１Ａはまた、前記図に示した空気供給装置１の特に好ましい実施形態がまた、コンプレッサホイール４に隣接する軸受ハウジング９に配置される軸方向の空気軸受８を有し、この空気軸受が、半径方向外側に突出するシャフトフランジ３１と相互作用し、この空気軸受の両側に軸方向の軸受半部が配置されることを示している。

最後に、図１Ａは、空気供給装置１の好ましい実施形態がまた、軸受ハウジング９の外側部と、間隔をもって外側の軸受ハウジング９を取り囲む外側ケーシング２５との間に画定される冷却装置２４を有することを示している。このようにして、空気供給装置１の構成要素に必要な冷却を提供できるために、好ましくは冷却水の形態の冷却液を導入することができる冷却ジャッケットを形成することが可能である。

特に軸方向の空気軸受８を冷却するために、図１Ａに示した特に好ましい実施形態の冷却装置２４は、軸受ハウジング９内に形成された環状ダクトによって形成される軸方向の冷却軸受部分２７を有し、前記環状ダクトは、軸方向の空気軸受８における冷却作用を高めることができるために当該軸方向の空気軸受８に隣接して設けられる。

最後に、外側ケーシング２５は、各々の場合に外側ケーシング２５の端部部分に設けられるＯリング装置２８と２９によって、軸受ハウジング９に対してシールされかつ柔軟に支持されることに言及しなければならない。この場合、空気供給装置１を自動車に取り付けるための例えば軸受ブロックの形態の静的な固定装置３６が、上述のＯリング２８と２９がそれらのシール機能のみならず減衰機能も実行することができるように、外側ケーシング２５に係合する。

空気供給装置１を通して異なる位置ではあるが、別の長手方向部分を示している図１Ｂは、同様に、特に好ましい実施形態では、ばねパック装置が軸受ハウジング９に設けられることを明らかに示しており、このばねパック装置では、図１Ｂに選択されたセクション位置のため１つのばねパック３５を見ることができる。しかし、ばねパック装置は、従来、少なくとも２つのこのようなばねパック３５を有する。２つの軸方向軸受半部３３と３４を有するシャフト組立体の上述の挿入後、ばねパック装置により、軸方向軸受半部３４が環状ディスク又はシャフトフランジ３１に押圧され、これにより、組立工程のさらなる単純化が達成される。

図１Ｂはまた、拡大形態で、図１Ａに基づき既述した流れ案内要素を有する冷却装置２４を示しており、前記冷却装置は、実施例では、冷却作用を高めるために好ましくは渦巻状の冷却液を発生する渦巻ダクト装置として形成される。

冒頭に説明した本発明による空気供給装置１の効率の向上に関して、同様に、図２の詳細図から理解できるように、シャフト軸受部分１１と１２及び磁石部分１３が装置の外縁において互いに心出しされることがさらに際立った特徴として提供される。

この点に関して、図２は、外側環状補強部１３Ａと、前記補強部の内側円周リングに当接するスリーブ１３Ｂと、次にスリーブ１３Ｂの内周に当接する磁石１３Ｃとを有する磁石部分１３を示しており、前記磁石に中央の長手方向貫通凹部１３Ｄが設けられ、この貫通凹部を通してタイロッド１９を案内することができる。より簡単な図示及び説明を行うために、図２は、長手方向軸線Ｌの上方に配置される図１の細部の領域のみを示している。図１に示したタイロッド１９は、その他の点では図２に示されていない。補強部１３Ａは、磁石１３Ｃに直接、すなわちスリーブ１３Ｂなしに取り付けることも可能である。

外縁Ａにおける上述の外側心出しは、軸方向に突出する突出部１２Ａによって実現され、突出部１２Ａの内周は、相応して形成された環状に取り囲む補強部１３Ａの段部１３Ｆに係合し、また突出部１２Ａは、それが当接する軸方向ストッパ面１３Ｅを有する。二重の嵌合を回避するために、遊びＳが、磁石部分１３と、図２に示したシャフト軸受部分１２との間に設けられ、前記シャフト軸受部分は、突出部１２Ａと、雌ねじ１２Ｃが設けられる長手方向貫通凹部１２Ｂとを含み、雌ねじ１２Ｃ内に、図１に関して説明したタイロッド１９の第１の自由端部部分１９Ａ及びねじ付きロッド２３Ａをねじ留めすることができる。

構成要素１２と１３の間に外縁で配向される心出しにより、シャフトの安定性の向上が得られ、この場合、シャフト軸受部分１１と磁石部分１３との間の上に説明した安定化が同じように実現されることが自明であることを強調しなければならないが、このことは、単純さのために図２に詳細に示されていない。

タイロッド１９が通過することを可能にするために、シャフト軸受部分１１が、その全長を通して延びる通過凹部１３Ｄと１２Ｂに対応する長手方向の中央孔も有することが自明である。

図２による装置の別の代替例では、前記装置において、磁石１３Ｂが外側補強部１３Ａと内側シャフト１３Ｃとの間に封入されるように、中央部１３Ｂが磁石であり、部分１３Ｃが内側シャフトを構成することが可能であり、このことは、磁石が、補強部１３Ａ及びシャフト１３Ｃによって包まれる結果として安定化される比較的多孔質の構造を有する場合、特に有利である。

効率をさらに高めるために、最後に、コンプレッサハウジング３が、ブレーディングが設けられるディフューザ３０を有することが可能であり、ブレーディングは図３に概略的に僅かに単純化した形態で示されているが、この理由は、前記ブレーディングが前記図に示した図のために図１には見えないからである。ディフューザ３０のブレーディングは、図３に対応して、一例として図３の斜視図から見ることができるように、ディフューザ３０に挿入することができ、かつ本出願に従って適合させることができるブレード装置３２が設けられるリング３１’によって実現することが可能である。特に図３が示しているように、その図に示した特に好ましい装置のブレード装置３２は、実施例では、１１のブレード対を備える二重のブレーディングの形態である。しかし、ブレード対の数、それらの構造、互いに対するそれらの位置合わせ及びリング３１に対するそれらの位置合わせは、本出願に従って修正可能である。

本発明の上述の開示に加えて、この場合、図１〜３の概略図が明示的に参照される。さらに、本発明の上述の個々の構成要素の考え得る任意の組み合わせが、本発明が上述の実施例に限定されないように本発明に従って可能である。

１ 空気供給装置
２ シャフト
３ コンプレッサハウジング
４ コンプレッサホイール
５ シャフト２の第１の端部
６、７、８ 空気軸受装置又は半径方向空気軸受６、７及び軸方向空気軸受８
９ 軸受ハウジング
１０ 電気モータ
１１、１２ シャフト軸受部分
１２Ａ 突起部
１２Ｂ 長手方向の中央凹部
１２Ｃ 雌ねじ
１３ 磁石部分
１３Ａ スリーブ状の補強材
１３Ｂ スリーブ
１３Ｃ 環状磁石
１３Ｄ 磁石１３Ｃの長手方向の中央凹部
１３Ｅ 補強材１３Ａの軸方向のストッパ面
１３Ｆ 段部
１４ コイル
１５、１６ コイルの端側
１７、１８ 案内要素（案内ディスク）
１９ タイロッド
１９Ａ、１９Ｂ タイロッドの自由端
１９Ｃ ナット
２０ シャフトナット
２１ タービンホイール
２２ ＶＴＧ
２３ ねじ接続部
２３Ａ ねじ付きロッド
２３Ｂ ねじ
２４ 冷却装置
２５ 外側ジャケット
２６ 好ましくは回転する螺旋形状の冷却液流れを生成するための案内装置２４の流れ案内要素
２７ 軸方向軸受の冷却部分
２８、２９ Ｏリング
３０ ディフューザ
３１ 環状ディスク／シャフトフランジ
３１’ リング
３２ ブレーディング
３３、３４ 軸方向の軸受半部
３５ ばねパック
３６ 静的な固定装置／軸受ブロック
Ｌ 長手方向軸線
Ｓ 遊び
Ａ 外縁

Claims (18)

1. 燃料電池用の空気供給装置（１）であって、
   シャフト（２）を有し、
   コンプレッサハウジング（３）に配置されかつ前記シャフト（２）の端部（５、２０）の一方の端部（５）に締結されるコンプレッサホイール（４）を有し、
   前記シャフト（２）を取り付けるための軸受ハウジング（９）に配置される軸受装置（６、７、８）を有し、
   前記シャフト（２）を駆動するための、前記軸受ハウジング（９）に配置される電気モータ（１０）を有し、
   前記シャフト（２）が、別個の構成要素として形成される２つのシャフト軸受部分（１１、１２）を有し、また前記シャフト軸受部分（１１、１２）の間に配置され、別個の構成要素を形成しかつ前記電気モータ（１０）のロータを形成する磁石部分（１３）を有し、前記シャフト軸受部分（１１、１２）及び前記磁石部分（１３）が互いに対して緊締され、前記シャフト軸受部分（１１、１２）及び前記磁石部分（１３）が、外縁（Ａ）に係合する心出し装置（１２Ａ、１３Ｆ）によって互いに対して心出しされ、前記シャフト軸受部分（１１、１２）及び前記磁石部分（１３）が各々の場合に互いに対して軸方向に当接し、
   前記外縁（Ａ）における外側心出しは、シャフト軸受部分（１２）の軸方向に突出する突出部（１２Ａ）によって実現され、当該突出部（１２Ａ）の内周は、磁石部分（１３）の補強部（１３Ａ）の相応して形成された環状に取り囲む段部（１３Ｆ）に係合し、当該環状に取り囲む段部（１３Ｆ）は、突出部（１２Ａ）が軸方向に当接する軸方向ストッパ面（１３Ｅ）を有し、磁石部分（１３）とシャフト軸受部分（１２）との間に遊び（Ｓ）が設けられる、
   空気供給装置（１）。
2. 前記電気モータ（１０）のステータを形成しかつ前記軸受ハウジング（９）の前記磁石部分（１３）の周りに配置されるコイル（１４）が設けられる、請求項１に記載の空気供給装置。
3. 前記コイル（１４）が、前記軸受ハウジング（９）の前記コイルのそれぞれの端側（１５、１６）に当接する２つの軸方向案内要素（１７、１８）によって案内される、請求項２に記載の空気供給装置。
4. 前記シャフト軸受部分（１１、１２）及び前記磁石部分（１３）がタイロッド（１９）によって互いに対して緊締される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気供給装置。
5. タービンホイール（２１）が前記シャフト（２）の他方の端部（２０）に配置される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気供給装置。
6. タービンホイール（２１）が前記シャフト（２）の他方の端部（２０）に配置される請求項４に記載の空気供給装置。
7. 前記コンプレッサホイール（４）又は前記タービンホイール（２１）が、ねじ接続部（２３）によって前記シャフト（２）に接続され、各々の場合に、他のホイール（タービンホイール２１又はコンプレッサホイール４）が前記タイロッド（１９）を介して前記シャフト（２）に接続される、請求項６に記載の空気供給装置。
8. 前記タービンホイール（２１）が、可変タービン形状（２２）が設けられるタービンハウジングに配置される、請求項５〜７のいずれか一項に記載の空気供給装置。
9. 前記軸受装置が、前記シャフト軸受部分（１１、１２）の前記電気モータ（１０）の両側に配置される２つの半径方向の空気軸受（６と７）と、１つの軸方向の空気軸受（８）とを有する空気軸受装置の形態である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の空気供給装置。
10. 前記空気軸受装置が、前記軸受ハウジング（９）の前記コンプレッサホイール（４）に隣接して配置される軸方向の空気軸受（８）を有する、請求項９に記載の空気供給装置。
11. 冷却装置（２４）が、前記軸受ハウジング（９）と、前記軸受ハウジングを取り囲む外側ケーシング（２５）との間に設けられる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の空気供給装置。
12. 前記冷却装置（２４）が流れ案内要素（２６）を有する、請求項１１に記載の空気供給装置。
13. 前記流れ案内要素（２６）が渦巻ダクト構成の形態である、請求項１２に記載の空気供給装置。
14. 前記冷却装置（２４）が、前記軸受ハウジング（９）に配置された軸方向の軸受冷却部分（２７）を有する、請求項１２又は１３に記載の空気供給装置。
15. 前記外側ケーシング（２５）が、Ｏリング（２８、２９）を介して前記軸受ハウジング（９）に支持される、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の空気供給装置。
16. 前記コンプレッサハウジング（３）がブレード状のディフューザ（３０）を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の空気供給装置。
17. 前記ディフューザ（３０）に二重のブレーディング（３２）が設けられる、請求項１６に記載の空気供給装置。
18. 前記軸方向の空気軸受（８）が、シャフトフランジ（３１）の両側に配置される２つの軸方向軸受半部（３３、３４）を有し、前記２つの軸方向軸受半部が、前記軸受ハウジング（９）に配置されたばねパック装置（３５）によって予荷重を受ける、請求項１０に記載の空気供給装置。
    

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