JP6845953B2 - 燃料電池用圧縮機のための密閉構成 - Google Patents

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Description

[0001]本発明は、燃料電池の用途で使用されるデュアルステージ（ｄｕａｌ−ｓｔａｇｅ）圧縮機またはシリーズ（ｓｅｒｉｅｓ）圧縮機などの圧縮機で使用されるシールに関する。
[0002]空気圧縮機は、燃料電池のカソード側に圧縮空気を提供することにより燃料電池の効率を向上させるのに使用され得る。デュアルステージ圧縮機は、空気の体積を段階的に圧縮することにより出口のところに高い圧力を必要とするような一部の用途で使用され得る。デュアルステージ圧縮機では、低圧圧縮機ホイールがシャフト上に設けられ、高圧圧縮機ホイールも同じシャフト上に設けられる。シャフトはモータ駆動であってよく、シャフトが回転することが圧縮機ホイールを回転させるように作用することができる。このようにして、デュアルステージ圧縮機の低圧側に入る大気温度および大気圧の空気が第１の圧力まで圧縮される。次いで、圧縮空気が高圧側まで通過してさらに圧力が増大する。次いで、デュアルステージ圧縮機の高圧側からの空気が燃料電池へと送達されて燃料電池反応を促進する。
[0003]圧縮機の個別の構造に関係なく、シングルステージ（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔａｇｅ）またはデュアルステージのいずれでも、一般に圧縮機が多様な圧力の空気のための種々の流れ経路を画定する。
[0004]本発明の実施形態は、圧縮機内の異なる流れ経路の間にシールを提供するための機構を対象とする。本発明の実施形態は、圧縮機空気、スラスト軸受冷却空気および／またはジャーナル軸受冷却空気を例えば含めた、多様な圧力および温度の空気を分離させて管理するように構成されるシールを提供する。さらに、本明細書で説明される本発明の実施形態は、低コストで低摩擦のシールであってデュアルステージ圧縮機内での圧力差シーリング（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅａｌｉｎｇ）を含めて高速ターボ機械のために使用され得るシールを提供する。
[0005]一実施形態では、例えば、低圧側および高圧側を含む、燃料電池と共に使用されるためのデュアルステージ圧縮機が提供される。低圧側が、シャフトによって支持されてシャフトの軸を中心として回転するように構成される低圧圧縮機ホイールと、低圧圧縮機ホイールと共に回転するように構成される低圧シールキャリアと、低圧シールキャリアの一部分の周囲部の周りに配置される固定の低圧密閉プレートと、少なくとも１つの低圧密閉リングとを備える。高圧側が、シャフトによって支持されてシャフトの軸を中心として回転するように構成される高圧圧縮機ホイールと、高圧圧縮機ホイールと共に回転するように構成される高圧シールキャリアと、高圧シールキャリアの一部分の周囲部の周りに配置される固定の高圧密閉プレートと、少なくとも１つの高圧密閉リングとを備える。低圧シールキャリアが、低圧密閉リングを受けるように構成される少なくとも１つの密閉溝を画定することができる。低圧密閉リングは、低圧側のための圧力差シール（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｅａｌ）を形成することを目的として、溝内で受けられるときに固定の低圧密閉プレートの接触面を密閉するように構成され得る。さらに、高圧シールキャリアが、高圧密閉リングを受けるように構成される少なくとも１つの密閉溝を画定することができ、高圧密閉リングが、高圧側のための圧力差シールを形成することを目的として、溝内で受けられるときに固定の高圧密閉プレートの接触面を密閉するよ
うに構成され得る。
[0006]一部の実施形態では、低圧密閉リングまたは高圧密閉リングのうちの少なくとも１つが分離膨張リング（ｓｐｌｉｔ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｒｉｎｇ）を備えることができる。低圧シールキャリアは、一部の事例では、単一の低圧密閉リングを受けるように構成される密閉溝を１つのみ画定することができ、高圧シールキャリアは、単一の高圧密閉リングを受けるように各々が構成される、互いから離間される２つの密閉溝を画定することができる。さらに、固定の高圧密閉プレートがその接触面上に段差セクションを有することができ、段差セクションが高圧密閉リングの軸方向の移動を制限するように構成され得る。高圧側が内側高圧密閉リングおよび外側高圧密閉リングを備えることができ、高圧シールキャリアが、内側高圧密閉リングを受けるように構成される内側密閉溝と、内側密閉溝から離間される、外側高圧密閉リングを受けるように構成される外側密閉溝とを画定することができる。固定の高圧密閉プレートの段差セクションは、低圧側に向かう方向において内側高圧密閉リングが軸方向に移動するのを制限することを目的として内側高圧密閉リングに当接されるように構成され得る。
[0007]一部の事例では、低圧密閉リングおよび高圧密閉リングは低摩擦金属材料から構築され得る。少なくとも１つの高圧密閉リングは、少なくとも１つの低圧密閉リングの直径サイズとは異なる直径サイズを有することができる。少なくとも１つの高圧密閉リングの直径サイズは少なくとも１つの低圧密閉リングの直径サイズより小さくてよい。一部の事例では、低圧シールキャリアおよび高圧シールキャリアは非磁性材料から構築されてよい。さらに、固定の低圧密閉プレートおよび固定の高圧密閉プレートも非磁性材料から構築されてよい。
[0008]別の実施形態では、燃料電池と共に使用されるための圧縮機が提供され、ここでは、圧縮機が、シャフトによって支持されてシャフトの軸を中心として回転するように構成される圧縮機ホイールと、圧縮機ホイールと共に回転するように構成されるシールキャリアとを有し、シールキャリアがシールキャリアの周囲縁部内に少なくとも１つの密閉溝を画定する。固定の密閉プレートがシールキャリアの一部分の周囲部の周りに配置され得、対応する密閉溝内で受けられるように構成される少なくとも１つの密閉リングが提供され得、その結果、密閉リングが、密閉リングの圧縮機側と密閉リングのシャフト側との間に圧力差シールを形成することを目的として、溝内で受けられるときに固定の密閉プレートの接触面を密閉する。
[0009]一部の事例では、少なくとも１つの密閉リングが分離膨張リングを備えることができる。シールキャリアが、単一の密閉リングを受けるように各々が構成される、互いから離間される２つの密閉溝を画定することができる。さらに、固定の密閉プレートがその接触面上に段差セクションを有することができ、段差セクションが密閉リングの軸方向の移動を制限するように構成され得る。少なくとも１つの密閉リングが内側密閉リングおよび外側密閉リングを備えることができ、シールキャリアが、内側密閉リングを受けるように構成される内側密閉溝と、内側密閉溝から離間される、外側密閉リングを受けるように構成される外側密閉溝とを有することができる。固定の密閉プレートの段差セクションは、内側密閉リングの軸方向の移動を制限することを目的として内側密閉リングに当接されるように構成され得る。密閉リングは低摩擦金属材料から構築されてよい。一部の事例では、シールキャリアは非磁性材料から構築されてよく、および／または、固定の密閉プレートは非磁性材料から構築されてよい。
[0010]本開示を概略的に説明してきたが、次に、必ずしも正確な縮尺で描かれてない添付図面を参照する。
[0011]本発明の一実施形態によるデュアルステージ圧縮機を示す簡略化された断面図である。 [0012]図２は、本発明の一実施形態による圧縮機の低圧側の一部分を示す簡略化された拡大断面図である。[0013]図２Ａは、図２の密閉構成要素を示す詳細な断面図である。 [0014]本発明の一実施形態による圧縮機の低圧側の密閉構成要素を示す簡略化された概略図である。 [0015]本発明の一実施形態による非拘束位置にあるシールキャリア上に装着された密閉リングを示す斜視図である。 [0016]図５は、本発明の一実施形態による圧縮機の高圧側の一部分を示す簡略化された拡大断面図である。[0017]図５Ａは、図５の密閉構成要素を示す詳細な断面図である。 [0018]本発明の一実施形態による圧縮機の高圧側の密閉構成要素を示す簡略化された概略図である。 [0019]本発明の一実施形態による２つの溝を備える高圧シールキャリアを示す斜視図である。 [0020]本発明の一実施形態による、低圧圧縮機ホイールおよび高圧圧縮機ホイールならびに対応するシールキャリアを備える、シャフトを示す斜視図である。
[0021]次に、すべてではないが本発明の一部の実施形態を示す添付図面を参照しながら以下で本発明をより完全に説明する。実際には、本発明の態様は多くの異なる形態で具体化され得、本明細書に記載される実施形態のみに限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は本開示が適用可能な法的要求事項を満たすようにするために提供されるものである。全体を通して同様の参照符号が同様の要素を示す。
[0022]燃料電池（プロトン交換膜（ＰＥＭ：ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）燃料電池など）と共に使用されるためのデュアルステージ圧縮機１０の簡略化された断面図が図１に示される。デュアルステージ圧縮機１０が圧縮機のそれぞれの端部のところに低圧側１５および高圧側２０を有することができる。低圧側１５は、ほぼ大気圧でほぼ大気温度で周囲空気を引き込む低圧圧縮機ホイール２５を有することができる。低圧圧縮機ホイール２５が回転すると、圧縮機ホイールのブレードが周囲空気を大気圧の約２倍の圧力（２ａｔｍ）といったような第１の圧力まで圧縮する。この「低圧」空気が低圧ボリュート１６内で受けられてそこからステージ間ダクト１７を経由して高圧圧縮機ホイール３０の入口に入り、この高圧圧縮機ホイール３０が空気を大気圧の約４倍の圧力（４ａｔｍ）といったような第２の圧力までさらに圧縮する。この「高圧」空気が高圧ボリュート２１で受けられて、次いで燃料電池（図示せず）のカソード側まで供給され、この空気が電気を発生させることを目的とする燃料電池反応のために酸素を提供する。
[0023]図１に示されるように、圧縮機ホイール２５、３０は回転シャフト３５の両側の端部に取り付けられる。モータ駆動のデュアルステージ圧縮機の場合、シャフト３５がシャフトの中に存在するかまたはシャフトの周りに巻き付けられる磁石（複数可）４０を有するセクションを有することができ、このセクションがモータステータ４５と協働してシャフトを駆動させる。この点に関連して、モータステータ４５はシャフトに対して向かい合うように配置されてよく（例えば、離間される形でシャフトを囲む）、その結果、電流（例えば、燃料電池からの電流）がシャフト３５を回転させることができ、それにより上述したように空気が圧縮される。シャフト３５は空気軸受組立体などの軸受組立体によりハウジング５０内で支持され得る。
[0024]圧縮機の別の部分まで空気を送るための種々の流れ経路を示すための、図１の圧縮機１０の低圧側１５の一部分の簡略化された断面図が図２に示される。図２に示されるように、大気温度および大気圧と異なってよい温度および圧力の空気（矢印８０で示される）が、低圧圧縮機入口８５（図１に示される）を介して圧縮機１０の低圧側１５内に引き入れられる。圧縮機１０の動作中、低圧圧縮機ホイール２５が回転することにより、低圧圧縮機入口８５からの空気８０が高圧となるように圧縮され得る。したがって、低圧圧縮機ホイール２５が回転することで空気が圧縮され（例えば、約２ａｔｍの圧力まで）、圧縮空気がディフューザ８９を通して低圧ボリュート１６内へと放出され、次いで、ステージ間ダクト１７（図１に示される）を介して圧縮機の高圧側２０へと送達される。高圧ホイール３０によって圧縮された空気が高圧ボリュート２１内に放出される。
[0025]同時に、高圧の圧縮空気ストリームから取り出される空気の別のストリーム（矢印６０で示される）が外部から冷却されて燃料電池の方に送られ、例えば約４ａｔｍの圧力で軸受入口６５を介して圧縮機の低圧側１５内に供給され、スラスト軸受７０および／またはロータの空気軸受（ｒｏｔｏｒ ａｉｒ ｂｅａｒｉｎｇ）７５内で冷却用空気（ｃｏｏｌａｎｔ ａｉｒ）として使用される。図２に描かれるようなスラスト軸受７０は、高圧側２０（例えば４ａｔｍの圧力であってよい）と低圧側１５（例えば２ａｔｍの圧力であってよい）との間に存在する圧力差を原因としてシャフト３５が圧縮機１０の低圧側１５の方に移動しようとする傾向に対抗するように設けられ得る。圧縮機がこのような構造を有することにより、ならびに、スラスト軸受７０およびロータの空気軸受７５を含めたその中の構成要素がこのように離間されて配置されることにより、スラスト軸受７０に隣接して空間７６が存在し得る。冷却用空気６０およびスラスト軸受７０から離れる空気は例えば約３．５ａｔｍの圧力であってよく、図２に示されるように空間７６内に蓄積され得る。
[0026]さらに図２を参照すると、圧縮された後の空気８０の一部が低圧ボリュート１６に向かうストリームから逸れて代わりに低圧圧縮機ホイール２５のバックディスクと低圧圧縮機ホイールの後方の空間２６内の隣接する固定構造物との間の漏洩経路を経由する。
[0027]上述したシナリオでは、図２Ａを参照するように、約２ａｔｍであってよい空間２６内の圧力が通常は空間７６内の圧力より低く、空間７６内の圧力は約３．５ａｔｍであってよい。したがって、空間７６内の空気６０は、低圧の空気８０を保持する空間２６内への経路に流れようとする傾向を有する。このように異なる圧力（および、異なる温度）の異なる空気ストリームが混合されると、これらの異なる空気ストリームの意図される機能が損なわれる可能性がある。例えば、空間２６に入る冷却空気６０の流れが制限されない場合、シャフトのための軸受７５を冷却するのに利用され得る冷却空気６０の量が減少する可能性がある。
[0028]空間７６から圧縮機１０の低圧側への空気８０の流れを最小にするために、本発明の実施形態は、低圧圧縮機ホイール２５の後方の空間２６とスラスト軸受７０に隣接する空間７６との間に配置されるシールを提供する。従来の密閉手法には接触タイプのフェースシールまたはリップタイプのシールが含まれる場合があったが、上述したようなモータ駆動の段階式（ｓｔａｇｅｄ）圧縮機を有するターボ機械のためのロータ速度は最大で１００，０００ＲＰＭになる可能性があり、これは接触タイプのフェースシールまたはリップタイプのシールによって管理され得る速度をはるかに超える。従来のシャフトの密閉にはラビリンスタイプのシールが使用される場合があったが、ラビリンスタイプのシールは製造が難しく、費用がかかる可能性があった。
[0029]したがって、次に図３を参照すると、上述したようにシャフト３５によって支持されてシャフトの軸Ａを中心として回転するように構成される圧縮機ホイール（上で説明
されかつ図に描かれるような低圧圧縮機ホイール２５など）を有する燃料電池と共に使用されるための圧縮機１０の実施形態（図１に示される）が提供される。圧縮機が、圧縮機ホイールと共に回転するように構成されるシールキャリアをさらに有する。固定の密閉プレートがシールキャリアの一部分の周囲部の周りに配置され得る。図に示されるようなデュアルステージ圧縮機の低圧側１５では、シールキャリアは低圧シールキャリア９０であってよい。低圧シールキャリア９０はシャフト３５によって支持されて低圧圧縮機ホイール２５のバックエンド２７に当接され得ることから、シャフト３５が回転することが低圧圧縮機ホイールおよび低圧シールキャリアの両方を回転させるように作用する。さらに、図３では、固定の密閉プレートは、示されるように低圧シールキャリア９０の周囲縁部９２を囲む固定の低圧密閉プレート９５であってよい。
[0030]図２Ａおよび３を参照すると、シールキャリア（例えば、低圧シールキャリア９０）が、シールキャリアの周囲縁部９２内に少なくとも１つの密閉溝９４を有することができる。対応する密閉溝９４内で受けられるように構成される少なくとも１つの密閉リング１００が提供され得、その結果、密閉リングが、密閉リングの圧縮機側（例えば、空間２６）と密閉リングのシャフト側（例えば、空間７６）との間に圧力差シールを形成することを目的として、溝９４内で受けられるときに固定の密閉プレート９５の接触面９７を密閉する。
[0031]密閉リング１００およびシールキャリア９０の一実施形態が図４に示される。描かれるように、少なくとも１つの密閉リングが分離膨張リングを備えることができる。この点に関して、密閉リングは、間に隙間１０６を有する２つの端部１０２、１０４を画定する低摩擦金属材料（例えば、ステンレス鋼、鋳鉄、鉄合金など）などの材料の単一部片であってよい。密閉リング１００がシールキャリア９０の溝９４によって受けられるがシールキャリアおよび密閉リングが固定の密閉プレート９５内に配置される前などの、非拘束状態では、隙間１０６は最大のサイズであってよく、その結果、密閉リング１００の２つの端部１０２、１０４の間の距離が最大距離となる。シールキャリア９０および密閉リング１００が圧縮機内に装着されてその結果固定の密閉プレート９５がシールキャリアの周囲縁部９２および密閉リング１００の外側縁部１０８を囲む関係となるように配置されると、密閉リングの外側縁部１０８と固定の密閉プレート９５（図２Ａに示される）の接触面９７とが接触することにより密閉リングがシールキャリア９０の中心軸Ｃに向かうように圧縮され得る。その結果、シールキャリア９０および密閉リング１００が図２および２Ａに示されるように固定の密閉プレート９５と共に定位置にくると、密閉リング１００の隙間１０６が例えば千分の数インチの幅まで縮小され得る。
[0032]密閉リング１００が図４に示されるように非拘束状態となる傾向を有することから（例えば、隙間１０６のサイズを最大にする傾向）、密閉リングがばねのように作用することができるようになり、シールキャリア９０の周囲部の周りに配置される固定の密閉プレート９５の接触面９７に外向きの力（例えば、図４に示される軸Ｃから離れる径方向の力）を加えることができるようになる。この外向きの力により密閉リング１００の外側縁部１０８を固定の密閉プレート９５の接触面９７に係合させるのを強化することができ、その結果、空間２６（図２および２Ａ）内の空気８０（図２）と空間７６（図２および２Ａ）内の空気６０（図２）との間により強固なシールが形成される。このようにして、密閉リング１００と溝９４の円周表面との間に隙間９１が存在することができ、圧縮機１０の動作中にシールキャリア９０がシャフト３５と共に回転する間、密閉リング１００が固定の密閉プレート９５と共に固定されて保持され得る。
[0033]一部の事例では、シールキャリア９０は、ステンレス鋼または別の非磁性金属などの、非磁性材料から構築され得る。さらに、固定の密閉プレート９５も、ステンレス鋼または別の非磁性金属などの、非磁性材料から構築されてよい。
[0034]上述したように、圧縮機が図１に示されるようなデュアルステージ圧縮機であるような実施形態では、圧縮機１０が低圧側１５および高圧側２０を有することができる。低圧側１５は、シャフト３５によって支持されてシャフトの軸Ａを中心として回転するように構成される低圧圧縮機ホイール２５を有することができる。低圧側１５はまた、低圧圧縮機ホイール２５と共に回転するように構成される低圧シールキャリア９０と、回転する低圧シールキャリアの一部分の周囲部の周りに配置される固定の低圧密閉プレート９５と、さらには、少なくとも１つの低圧密閉リング１００とを有することができる。
[0035]さらに、デュアルステージ圧縮機１０は、図５に示されるようにシャフト３５によって支持されてシャフトの軸Ａを中心として回転するように構成される高圧圧縮機ホイール３０を有する高圧側２０をさらに備えることができる。高圧側２０に関しては、図１を参照しながら上述したように、低圧圧縮機ホイール２５により約２ａｔｍの圧力まで圧縮された空気８０が高圧圧縮機ホイール３０へと送達され、ステージ間ダクト１７および高圧圧縮機入口１８５を介してさらに圧縮される。圧縮機１０の動作中、高圧圧縮機ホイール３０が回転することにより、高圧圧縮機入口１８５からの空気８０がさらに高い圧力まで圧縮され得る。このように、高圧圧縮機ホイール３０が回転することにより空気がさらに圧縮され（例えば、約４ａｔｍの圧力まで）、空気がディフューザ１８９を通して高圧ボリュート２１内に放出され、次いで燃料電池（図示せず）へと送達される。
[0036]空気８０が高圧ボリュート２１の方に送られるとき、低圧側１５に関連して上述したように、高圧圧縮機ホイール３０によってさらに圧縮された後の空気８０の一部が高圧ボリュート２１に向かうストリームから逸れて代わりに漏洩経路を経由して高圧圧縮機ホイール３０の後方の空間１２６内に入ることができる。同時に、シャフト３５の高圧側２０のロータの空気軸受７５からの空気６０が空間１７６に入ることができる。上記のように、ロータの空気軸受７５からの空気６０は約３．５ａｔｍの圧力であってよい。したがって、図５Ａを参照すると、約４ａｔｍである空間１２６内の圧力は約３．５ａｔｍである空間１７６内の圧力より高くてよい。したがって、空間１２６内の空気８０は、低圧の空気６０を保持する空間１７６内への経路に流れようとする傾向を有する可能性がある。低圧側１５に関連して上述したように、異なる圧力（および、異なる温度）の異なる空気ストリームが混合されると、これらの異なる空気ストリームの意図される機能が損なわれる可能性があることから、やはりこれは望ましくない可能性がある。例えば、空間１７６内の圧力が増大すると図５に示されるロータの空気軸受７５の機能に悪影響を与える可能性がる。
[0037]したがって、空間１２６からの空気８０が別の空間、隙間、および、圧縮機１０の別の構成要素の間の間隙に流れるのを最小にするために、本発明の実施形態は、低圧側１５に関連して上述した、図２、２Ａおよび３に示されるシールに加えてまたはその代わりに、高圧圧縮機ホイール３０の後方の空間１２６と高圧側２０上のロータの空気軸受７５に隣接する空間１７６との間に配置されるシールをさらに提供することができる。
[0038]図５および６を参照すると、シャフト３５によって支持される高圧シールキャリア１９０が提供され得、ここでは、高圧シールキャリアがシャフトの回転時に高圧圧縮機ホイール１２５と共に回転するように構成される。固定の高圧密閉プレート１９５が高圧シールキャリア１９０の一部分の周囲部の周りに配置され得る。したがって、高圧シールキャリア１９０は、シャフト３５が回転することの結果として固定の高圧密閉プレート１９５内でその固定の高圧密閉プレート１９５に対して回転するように構成され得る。
[0039]上述した低圧側１５と同様に、高圧シールキャリア１９０は少なくとも１つの密閉溝１９４（図５Ａに最も良好に示される）を有することができる。高圧密閉リング２０
０が提供され得、高圧シールキャリア１９０の溝１９４が高圧密閉リング２００を受けるように構成され得、その結果、密閉リングが、高圧側２０のための圧力差シールを形成することを目的として、溝内で受けられるときに固定の高圧密閉プレート１９５の接触面１９７を密閉するように構成される。
[0040]描かれる実施形態では、高圧シールキャリア１９０は互いから離間される２つの密閉溝１９４を有する。各密閉溝１９４が単一の高圧密閉リング２００を受けるように構成され得る。２つの高圧密閉リング２００を受ける２つの密閉溝１９４は、圧縮機１０の低圧側１５に存在する圧力と比較してより高い圧力まで空気が圧縮されることの結果として高温状態になることを考慮してより効果的なシールを提供することを目的として高圧側２０内に設けられ得る。例えば、高圧側２０上の圧縮空気ストリーム６０、８０の温度は約１３０℃〜３００℃以上であってよい。２つの離間される密閉溝１９４を有する高圧シールキャリア１９０の一実施形態が例として図７に示される。
[0041]図８を参照すると、シャフトの低圧側１５上にある低圧圧縮機ホイール２５およびシャフトの高圧側２０上にある高圧圧縮機ホイール３０を有するシャフト３５の簡略化された斜視図が示されている。低圧側１５上で低圧圧縮機ホイール２５に隣接するように低圧シールキャリア９０が設けられ、高圧側２０上で高圧圧縮機ホイール３０に隣接するように高圧シールキャリア１９０が設けられる。ジャーナルスリーブ３６（少なくともその一部分がシャフト３５のための空気軸受７５を形成することができる）が低圧シールキャリア９０と高圧シールキャリア１９０との間を延在してよい。描かれるように、低圧シールキャリア９０は単一の密閉リング１００を受けるための単一の溝９４を有することができ、高圧シールキャリア１９０は２つの密閉リング２００を受けるための２つの溝１９４を有することができ、１つの密閉リングが各々１つの溝内で受けられる。
[0042]低圧密閉リング１００に関連させて上述したように、高圧密閉リング２００は、例えば、ステンレス鋼、鋳鉄、鉄合金などの低摩擦金属材料から構築されてよい。高圧密閉リング２００は、一部の実施形態では、低圧密閉リング１００に関連させて上述したような分離膨張リングを備えることができる。したがって、低圧密閉リング１００または高圧密閉リング２００の少なくとも１つが、それぞれのシールキャリア９０、１９０上に装着されるときに外側に付勢されるようにおよびそれぞれの固定の密閉プレート９５、１９５内に配置されるように構成される分離膨張リングであってよく、それにより、密閉リング１００、２００の外側縁部とそれぞれのシールキャリア９０、１９０の対応する接触面９７、１９７との間を係合させることおよびそれらの間を密閉することが促進される。さらに、低圧側１５に関連させて上述したように、高圧シールキャリア１９０および／または固定の高圧密閉プレート１９５は非磁性材料から構築されてよい。
[0043]次に図５Ａを参照すると、一部の実施形態では、固定の高圧密閉プレート１９５がその接触面１９７上に段差セクション１９９（例えば、段差のあるシール孔の直径）を有することができる。段差セクション１９９は高圧密閉リング２００の軸方向の移動を制限するように構成され得る。図５Ａの描かれる実施形態では、例えば、段差セクション１９９は、圧縮機の低圧側１５に向かう（例えば、空間１７６に向かう）シャフト３５（図５に示される）の軸Ａに平行な軸に沿って密閉リング２００（例えば、段差セクション１９９に当接される密閉リング２００）が移動するのを制限するように構成され得る。特に、図５Ａに示されるように高圧側２０が２つの高圧密閉リング２００を有するような一部の実施形態では、密閉リングのうちの１つが内側高圧密閉リングであってよく、もう一方が外側高圧密閉リングであってよい。図５Ａでは、例えば、空間１７６に最も接近する高圧密閉リング２００が内側高圧密閉リングであってよく、空間１２６に最も接近する高圧密閉リングが外側高圧密閉リングであってよい。したがって、高圧シールキャリア１９０は、内側高圧密閉リング２００を受けるように構成される内側密閉溝１９４と、外側高圧
密閉リングを受けるように構成される、内側密閉溝から離間される外側密閉溝とを有することができる。したがって、固定の高圧密閉プレート１９０の段差セクション１９９は内側高圧密閉リング２００に当接されるように構成され得、それにより、圧縮機の低圧側１５に向かう方向に内側高圧密閉リングが軸方向に移動することが制限される。対照的に、一部の実施形態では、外側高圧密閉リング２００は「浮動」することが可能であってよく、固定の高圧密閉プレート１９０のいかなる段差セクションにも当接されなくてよい。外側高圧密閉リングに跨る圧力差が小さいことにより、外側高圧密閉リングは内側高圧密閉リングよりも軸方向に移動する傾向を弱くすることができ、このような移動を制限するために段差セクションに当接されなくてよく、したがってそのような必要がない。
[0044]一部の実施形態では、高圧密閉リング（複数可）２００（例えば、図６に示される）は、低圧密閉リング（複数可）１００（例えば、図３に示される）の直径サイズと異なる直径サイズを有することができる。例えば、高圧圧縮機ホイールと低圧圧縮機ホイールとの直径の差により生じる可能性があるロータの軸方向スラストを最小にすることを目的として、高圧密閉リング２００の直径サイズは低圧密閉リングの直径サイズより小さくてよい。一部の事例では、拘束位置にある密閉リングの外径であってよい高圧密閉リング２００の直径サイズｄＨは約１．５９ｃｍ（５／８インチ）から約５．０８ｃｍ（２インチ）であってよく、対して、低圧密閉リング１００の直径サイズｄＬ（例えば、図３に示される外径）は約２．５４ｃｍ（１インチ）から約６．３５ｃｍ（２．５インチ）であってよい。直径サイズは図３および６ではそれぞれの密閉リング１００、２００の外径として描かれるが、一部の事例では直径サイズは、拘束位置または非拘束位置での、密閉リング１００、２００の内径または公称直径とみなされてもよい。この点に関して、密閉リング１００、２００は、低圧側１５および高圧側２０の異なる圧力および温度を考慮してサイズ決定されてよく、その結果、異なる圧力を原因とするシャフト３５のスラスト荷重の均衡を維持することができる。
[0045]図３および６を参照すると、密閉リング１００、２００の幅ｗＬ、ｗＨおよび厚さｔＬ、ｔＨも圧縮機１０のパラメータおよび個別の構造に応じて変化してよい。一部の実施形態では、例えば、低圧側１５の密閉リング１００の幅ｗＬは約１ｍｍから約４ｍｍであってよく、低圧側１５の密閉リング１００の厚さｔＬは約１ｍｍから約３ｍｍであってよい。高圧側２０の密閉リング２００の幅ｗＨは約１ｍｍから約４ｍｍであってよく、高圧側２０の密閉リング２００の厚さｔＨは約１ｍｍから約４ｍｍであってよい。一部の事例では、密閉リングのアスペクト比は約１：１である。
[0046]図２Ａおよび５Ａを参照すると、低圧側１５および高圧側２０のそれぞれのシールキャリア９０、１９０上の密閉溝９４、１９４は、その中で受けられるそれぞれの密閉リング１００、２００に対応するようにサイズ決定されてよい。この点に関して、例えば、低圧シールキャリア９０上の密閉溝９４は深さｄＧＬおよび幅ｗＧＬを有してよく、高圧シールキャリア１９０上の密閉溝１９４は深さｄＧＨおよび幅ｗＧＨを有してよく、密閉溝９４、１９４の寸法は、ロータの軸方向および径方向の動きおよび機械加工公差に対応するように密閉リング１００、２００の対応する寸法より大きくなるようにサイズ決定される。一部の事例では、密閉リング１００、２００および対応する溝９４、１９４は、公差およびロータの軸方向の遊びに関して溝内でのリングの機械的な適合を最適化するようにサイズ決定されてよく、それにより最高の密閉性能が得られる。さらに、密閉リング１００、２００およびそれらの溝９４、１９４は、密閉リングに跨る既知の圧力差を提供するようにさらには所望される場合に密閉リングの一方の側からもう一方の側までオリフィス流れ経路を提供するように、サイズ決定され得る。例えば、可能な限り最小サイズのオリフィスを作ることにより、密閉リングに跨る圧力差を最大にするために流れ経路を最小にすることができる。
[0047]したがって、上述したように、本発明の実施形態は、燃料電池の用途で使用されるデュアルステージ圧縮機などの圧縮機内での圧力差シーリングのための低コストで低摩擦の機構を提供する。デュアルステージ圧縮機の実施例を添付図に示して上で説明してきたが、本発明の実施形態は、上述した構造とは異なる構造を有するシングルステージ圧縮機またはマルチプルステージ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｓｔａｇｅ）圧縮機にも適用され得る。
[0048]上記の説明および添付図面に存在する教示の利益を享受する、本発明に関係する当業者には、本明細書に記載される本発明に対する多くの修正形態およびその多くの別の実施形態が思い付くであろう。したがって、本発明が開示される特定の実施形態のみに限定されず、修正形態および別の実施形態も添付の特許請求の範囲の範囲内に包含されることを意図されることを理解されたい。本明細書では具体的な用語が採用されるが、これらの用語は単に一般的および説明的な意味で使用されており、限定することを目的としない。
１０ デュアルステージ圧縮機
１５ 低圧側
１６ 低圧ボリュート
１７ ステージ間ダクト
２０ 高圧側
２１ 高圧ボリュート
２５ 低圧圧縮機ホイール
２６ 空間
２７ バックエンド
３０ 高圧圧縮機ホイール
３５ シャフト
３６ ジャーナルスリーブ
４０ 磁石
４５ モータステータ
５０ ハウジング
６０ 空気
６５ 軸受入口
７０ スラスト軸受
７５ ロータの空気軸受
７６ 空間
８０ 空気
８５ 低圧圧縮機入口
８９ ディフューザ
９０ 低圧シールキャリア
９２ 周囲縁部
９４ 密閉溝
９５ 低圧密閉プレート
９７ 接触面
１００ 密閉リング
１０２ 端部
１０４ 端部
１０６ 隙間
１２６ 空間
１７６ 空間
１８５ 高圧圧縮機入口
１８９ ディフューザ
１９０ 高圧シールキャリア
１９４ 密閉溝
１９５ 高圧密閉プレート
１９７ 接触面
１９９ 段差セクション
２００ 高圧密閉リング

Claims (12)

  1. 燃料電池と共に使用されるためのデュアルステージ圧縮機であって、前記デュアルステージ圧縮機が、
    シャフトによって支持されて前記シャフトの軸を中心として回転するように構成される低圧圧縮機ホイール、
    前記低圧圧縮機ホイールと共に回転するように構成される低圧シールキャリア、
    前記低圧シールキャリアの一部分の周囲部の周りに配置される固定の低圧密閉プレート、および、
    少なくとも１つの低圧密閉リング
    を備える、低圧側と、
    前記シャフトによって支持されて前記シャフトの軸を中心として回転するように構成される高圧圧縮機ホイール、
    前記高圧圧縮機ホイールと共に回転するように構成される高圧シールキャリア、
    前記高圧シールキャリアの一部分の周囲部の周りに配置される固定の高圧密閉プレート、および、
    少なくとも１つの高圧密閉リング
    を備える、高圧側と
    ロータの空気軸受と、
    を備え、
    前記低圧シールキャリアが前記低圧密閉リングを受けるように構成される少なくとも１つの密閉溝を画定し、前記低圧密閉リングが、前記低圧側のための圧力差シールを形成することを目的として、前記溝内で受けられるときに前記固定の低圧密閉プレートの接触面を密閉するように構成され、
    前記高圧シールキャリアが前記高圧密閉リングを受けるように構成される少なくとも１つの密閉溝を画定し、前記高圧密閉リングが、前記高圧側のための圧力差シールを形成することを目的として、前記溝内で受けられるときに前記固定の高圧密閉プレートの接触面を密閉するように構成され、
    前記高圧側は、前記高圧圧縮機ホイールの後方の第１の空間内と前記ロータの空気軸受からの空気を受け入れる第２の空間内とへ通じる漏洩経路を有し、
    前記固定の高圧密閉プレートがその前記接触面上に段差セクションを有し、前記段差セクションは、前記高圧圧縮機ホイールから離れる方向で且つ前記第２の空間の方へ、前記高圧密閉リングの軸方向への移動を制限するように構成される、
    デュアルステージ圧縮機。
  2. 前記低圧密閉リングまたは前記高圧密閉リングのうちの少なくとも１つが分離膨張リングを備える、請求項１に記載のデュアルステージ圧縮機。
  3. 前記低圧シールキャリアが単一の低圧密閉リングを受けるように構成される密閉溝を１つのみ画定し、前記高圧シールキャリアが、単一の高圧密閉リングを受けるように各々が構成される、互いから離間される２つの密閉溝を画定する、請求項１に記載のデュアルステージ圧縮機。
  4. 前記高圧側が内側高圧密閉リングおよび外側高圧密閉リングを備え、前記高圧シールキャリアが、前記内側高圧密閉リングを受けるように構成される内側密閉溝と、前記内側密閉溝から離間される、前記外側高圧密閉リングを受けるように構成される外側密閉溝とを画定し、前記固定の高圧密閉プレートの前記段差セクションが、前記低圧側に向かう方向において前記内側高圧密閉リングが軸方向に移動するのを制限することを目的として前記内側高圧密閉リングに当接されるように構成される、請求項１に記載のデュアルステージ圧縮機。
  5. 前記低圧密閉リングおよび前記高圧密閉リングが低摩擦金属材料から構築される、請求項１に記載のデュアルステージ圧縮機。
  6. 前記少なくとも１つの高圧密閉リングが、前記少なくとも１つの低圧密閉リングの直径サイズとは異なる直径サイズを有する、請求項１に記載のデュアルステージ圧縮機。
  7. 前記少なくとも１つの高圧密閉リングの前記直径サイズが前記少なくとも１つの低圧密閉リングの前記直径サイズより小さい、請求項６に記載のデュアルステージ圧縮機。
  8. 前記低圧シールキャリアおよび前記高圧シールキャリアが非磁性材料から構築される、請求項１に記載のデュアルステージ圧縮機。
  9. 前記固定の低圧密閉プレートおよび前記固定の高圧密閉プレートが非磁性材料から構築される、請求項１に記載のデュアルステージ圧縮機。
  10. 前記段差セクションは、前記シャフトの軸に平行な軸線の方向であって前記高圧圧縮機ホイールから離れる方向で且つ低圧側の方へ、前記高圧密閉リングが移動することを制限するようになっている、請求項１に記載のデュアルステージ圧縮機。
  11. 前記少なくとも１つの高圧密閉リングは、内側高圧密閉リングおよび外側高圧密閉リングを備え、
    前記外側高圧密閉リングは、前記高圧圧縮機ホイールと前記内側高圧密閉リングとの間に軸線方向に配置され、
    前記段差セクションは、前記シャフトの軸に平行な軸線の方向であって前記高圧圧縮機ホイールから離れる方向で且つ低圧側の方へ、前記内側高圧密閉リングが移動することを制限するようになっている、請求項１０に記載のデュアルステージ圧縮機。
  12. 前記外側高圧密閉リングは、固定の高圧密閉プレートに対して軸線方向に浮動するようになっている、前記請求項１１に記載のデュアルステージ圧縮機。
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