JP7257708B2 - 複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機 - Google Patents

Description

本発明は複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機に関するものであり、より詳細には、高圧の空気を生成するインペラ手段を、空冷及び水冷を同時に利用する冷却構造に冷却させて温度の上昇を防止することによって、インペラ手段の効率及び耐久性を高める複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機に関するものである。

化石エネルギーの枯渇による原油価格の持続的な上昇、車両から排出される排出ガスに応じた環境汚染などの問題により、燃料電池を用いた車両の開発がより切実に要求されている。

燃料電池は、水素と酸素との反応過程において電気エネルギーを発生する電池であるため、燃料電池車は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素を供給する水素供給装置と、空気を圧縮した後に燃料電池スタックに供給する空気ブロワーなどが取り付けられる。

特に、車両用燃料電池用空気ブロワーは、低流量および高圧を必要とし、同時に、高い耐久性と低ノイズ、広い動作範囲を必要とする。

このような燃料電池用空気ブロワーは、燃料電池スタックにおいて電気を発生させるために必要な酸素を供給する装置であって、燃料電池システムのコア部品であり、燃料電池スタックに送達される過程で生じる流れ抵抗の損失を低減するために、大気を圧縮するプロセスが含まれる。

また、燃料電池用空気ブロワーは、燃料電池スタックで必要な空気の圧力および流量レベルに応じて決定される形状に適用される。例えば、低流量及び高圧の領域ではスクリューまたは容積型圧縮機が適用され、比較的高い流量及び低圧の領域では、ターボ型圧縮機が適用されることが一般的である。

前記スクリューコンプレッサーの場合、ターボ型圧縮機よりも低い回転数で動作し、直感的に理解できる圧縮構造を有しているが、欠点は重く、かさばる。ターボ型コンプレッサーの場合、小型でシンプルな構造で製品を安くすることができるが、高速回転に適した潤滑構造を確保する必要がある。

本発明では、このような従来の車両の燃料電池用空気ブロワーを冷却方法及び冷却構造に対して重点的に実験して、燃料電池用空気送風機の熱を取ることによって、効率及び耐久性を向上させる燃料電池用空気ブロワーを提供する。

複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の従来技術として、韓国公開特許第１０-１７３５０４２号公報「燃料電池車両用送風機」(以下、特許文献１という)は、ベアリングの外周と接する領域に空気の流動溝が形成することによって、軸荷重を低減して耐久性を向上することができ、ベアリングを含むモータを冷却することができ、モータのケースに冷却水の流路が形成されることによって、冷却効率をさらに高めた燃料電池車両用空気ブロアに関するものである。

また、他の従来技術として、韓国公開特許第１０-２０１６-００９７８８４号公報「燃料電池車両用空気ブロワー」(以下、特許文献２という)は、送風機の外部を形成するハウジングと、前記ハウジングの前面に連結され、外気を吸入するインペラを支持するインペラ支持部と、インペラを覆うように前記インペラ支持部に結合され、空気を導入する空気入口および圧縮空気を排出する空気出口を有するインペラハウジングと、前記ハウジングの後側に結合されている後部カバーと、前記ハウジングの内部に設置され、前記インペラの回転を駆動するブロワーモータと、を含む燃料電池車両用空気ブロワーに関するものである。前記インペラ支持部は、インペラによって引き起こされた空気を前記ハウジング内に導入することを可能にする第１の流路を含んで、送風機に別の排水ホースや排水用のポートがないため、送風機の管理が容易になり、排水ホースを交換する必要がない。 また、ブロワーモータの回転子を十分に冷却することができ、回転子の熱による軸受の耐久性の低下や短尺化を抑制することができる効果を有する。

以上説明したように、先行技術１ないし従来技術２は、本発明と同様の技術分野として、発明が解決すべき課題発明の目的においては一部同様であるが、これを解決するための手段、すなわち構成要素およびその効果に違いがある。

したがって、技術的な機能は異なる。

韓国公開特許第１０-１７３５０４２号公報 韓国公開特許第１０-２０１６-００９７８８４号公報

したがって、本発明は、前記のような問題点を解決するために提案された技術として、発明の目的は、空冷及び水冷を同時に利用する冷却構造を形成して、インペラの温度上昇を低下させることによって、効率及び耐久性の向上した燃料電池用ターボ送風機の提供にある。

特に、発明の他の目的は、自然にブロワーのケーシング手段の内部に吸入される空気を利用して、温度上昇を低下させる燃料電池用ターボ送風機の提供にある。

発明のさらに他の目的は、インペラの手段によってブロワーのケーシング手段の内部に吸入される空気の量を確保することによって、性能が着実に維持される燃料電池用のターボ送風機の提供にある。

前記目的を達成するための本発明による複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機は、複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機において、吸入された空気の流動及び吐出を案内するブロワーのケーシング手段と、前記ブロワーのケーシング手段の内部に配置及び結合されて、空気の流入及び流動を発生するインペラ手段とを備える構成される。

前記ブロワーのケーシング手段は、前記インペラ手段によってブロワーのケーシング手段の内部に吸入される空気の流れを利用して、インペラ手段を冷却させるインペラ手段の空冷式冷却部と、前記インペラ手段に隣接して形成され、外部から供給される冷却水の流れを利用して、インペラ手段を冷却するインペラ手段の水冷式冷却部と、で構成されて、高速で回転されるインペラ手段の温度上昇を低下し、効率及び耐久性を最大化することを特徴とする。

一方、これに先立ち、本明細書は、特許登録請求の範囲に使用された用語や単語は通常的であるか、辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は、彼自身の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適切に定義することができる原則に立脚して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念に解釈されるべきである。

したがって、本明細書に記載された実施例と図面に図示された構成は、本発明の最も望ましい一実施例にすぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替することができる様々な均等物と変形例があることを理解しなければならない。

以上の構成および作用で前記説明したように本発明によると、圧縮空気を生成するインペラ手段を、空冷及び水冷を同時に利用することができる冷却構造で冷却させて、温度上昇を防止する。

特に、空冷を利用した冷却方式は、インペラの手段によって、自然にブロワーのケーシング手段の内部に吸入される空気の流れを利用して、これらの空気の流れにより温度上昇を低下させるとともに、インペラ手段を冷却した空気を外部に排出させずにそのままインペラに流入されるように誘導することによって、インペラ手段の効率が上昇する。

即ち、インペラ手段が、空気を圧縮させる役割はもちろん、インペラ手段を冷却するための空気を吸入させる冷却ファンの役割も行うので、冷却ファンを作動させる別のエネルギー源が除去され、吸入された空気の流れによりインペラ手段の温度の低下はもちろん、これを圧縮して燃料電池スタックに吐出することによって、インペラ手段の効率が最大化される。

これにより、燃料電池用ターボ送風機の効率および耐久性が最大化される。

また、吸入空気量の確保部を通じてブロワーのケーシング手段の内部に吸入される空気量を十分に確保して、インペラの手段によって圧縮され、燃料電池スタックに供給される圧縮空気の量が着実に維持されるようになる。

即ち、燃料電池用ターボ送風機の完璧な冷却により、高効率性および経済性が維持及び確保できる、非常に有効な発明である。

本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の構成図である。 本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の状態斜視図である。 本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の断面図である。 本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の作動及び吸入される空気の流動を簡約に示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の機能、構成および作用を詳しく説明する。

図１は、本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の構成図であり、図２は、本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の状態斜視図であい、図３は、本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機の断面図である。

図１ないし図３に図示したように、本発明は、複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機１において、吸入された空気の流動及び吐出を案内するブロワーのケーシング手段１００、及び前記ブロワーのケーシング手段１００の内部に配置及び結合されて、空気の流入及び流動を発生するインペラ手段２００で構成される。

前記ブロワーのケーシング手段１００には、インペラ手段２００によってブロワーのケーシング手段１００の内部に吸入される空気の流れを利用して、前記インペラ手段２００を冷却させるインペラ手段の空冷式冷却部１５０、及び前記インペラ手段２００に隣接して形成され、外部から供給される冷却水の流れを利用して、前記インペラ手段２００を冷却させるインペラ手段の水冷式冷却部１６０、と構成されて、高速で回転されるインペラ手段２００の温度上昇を抑制し、効率および耐久性を最大化させることを特徴とする。

即ち、本発明は、燃料電池スタックに酸素が供給する燃料電池用ターボ送風機として、圧縮空気を生成するインペラ手段２００を、空冷及び水冷を同時に使用して冷却することによって、燃料電池用ターボ送風機の冷却効果を最大化することと同時に、これによる燃料電池用ターボ送風機の効率及び耐久性を向上させ、高熱により発生する燃料電池用ターボ送風機の問題(短い寿命及び効率の低下)を解決するためのものである。

より具体的には、インペラ手段２００により、内部に吸入される空気を、特定の経路へ誘導してインペラ手段２００の温度上昇を防止するブロワーのケーシング手段１００は、図３に図示したように、内部に空気が吸入されるようにする空気の吸入ダクト１１０、前記インペラ手段２００と隣接する位置に密閉及び結合されて、内部に吸入される空気をインペラ手段２００に誘導する曲面状に形成された空気流動の誘導カバー１２０、前記インペラ手段２００を介して圧力が上昇した空気が燃料電池スタックに吐出するようにする空気の排出ダクト１３０、ブロワーのケーシング手段１００の内部に吸入される空気量が確保されるようにする吸入空気量の確保部１４０、前記インペラ手段２００によってブロワーのケーシング手段１００の内部に吸入される空気の流れを利用して、インペラ手段２００を冷却させるインペラ手段の空冷式冷却部１５０、前記インペラ手段２００に隣接して形成され、外部から供給される冷却水の流れを利用して、インペラ手段２００を冷却する、冷却水の流入循環溝１６１が形成されたインペラ手段の水冷式冷却部１６０、前記空気の吸入ダクト１１０、インペラ手段の空冷式冷却部１５０、及び空気流動の誘導カバー１２０によって生成された第１の空気流路１７０、前記空気の吸入ダクト１１０、吸入空気量の確保部１４０、空気流動の誘導カバー１２０によって生成された第２の空気流路１８０、及び前記空気流動の誘導カバー１２０によって生成され、第１の空気流路１７０及び第２の空気流路１８０に沿って吸入された空気の流れを容易にする空気循環室１９０、で構成される。

したがって、高速で回転されるインペラ手段２００の温度上昇を低下させるとともに、ブロワーのケーシング手段１００の内部に吸入される空気を、上述したように、特定のパスに誘導することによって、燃料電池用ターボ送風機の効率及び耐久性を最大化するようにする。

即ち、本発明は、前述したように、燃料電池用ターボ送風機を空冷及び水冷を同時に使用した冷却方法として、ブロワーのケーシング手段１００内部の温度上昇を防止し、さらに、熱平衡(ｔｈｅｒｍａｌ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ)状態を計って、燃料電池用ターボ送風機の効率及び耐久性を高めるようにする。

このような本発明のブロワーのケーシング手段１００の有機的な結合関係は、インペラ手段２００との組み合わせに加えて、燃料電池用のターボ送風機が発揮できる効果を極大化させる。

たとえば、第一に、前記インペラ手段の空冷式冷却部１５０の形成によって、ンペラ手段２００により吸気ダクト１１０に吸入される空気がインペラ手段２００およびインペラ手段の水冷式冷却部１６０と接触して、インペラ手段２００およびインペラ手段の水冷式冷却部１６０の温度上昇を防止する。

すなわち、吸入された空気がインペラ手段の空冷式冷却部１５０および吸入空気量の確保部１４０によって二つ(第１の空気流路１７０及び第２の空気流路１８０)に分岐され、第１の空気流路１７０を介してインペラ手段２００を、第２の空気流路１８０を介してインペラ手段の水冷式冷却部１６０を冷却して温度が上昇することを防止する。

第二に、前記インペラ手段２００に隣接して形成されたインペラ手段の水冷式冷却部１６０により、インペラ手段の空冷式冷却部１５０と一緒にインペラ手段２００の温度上昇を防止する。

すなわち、前記インペラ手段の空冷式冷却部１５０は、インペラ手段２００のステータ２１０とローター２２０とを吸入される空気を利用して冷却させる。

前記インペラ手段の水冷式冷却部１６０は、インペラ手段２００のステータ２１０を冷却水を利用して冷却させる。

前記吸気ダクト１１０と吸入空気量の確保部１４０とを介して第２の空気流路１８０に吸入される空気は、インペラ手段の水冷式冷却部１６０およびブロワーのケーシング手段１００の内壁を冷却させ、インペラ手段２００およびインペラ手段の水冷式冷却部１６０の温度上昇を防止する。

第三に、前記インペラ手段の空冷式冷却部１５０およびインペラ手段の水冷式冷却部１６０がスムーズに動作するように、空気の吸入ダクト１１０と反対方向に結合されたインペラ手段２００のインペラ２３０の隣接位置に、インペラ２３０を包み込むような曲面状に形成された空気流動の誘導カバー１２０を密閉及び結合することによって、騒音を低下させるとともに、空気の吸入が吸気ダクト１１０でのみ行われるようにする。

また、前記空気流動の誘導カバー１２０は、第１の空気流路１７０及び第２の空気流路１８０が生成されるようにする構成要素として、第１の空気流路１７０及び第２の空気流路１８０を介して吸入される空気がインペラ２３０に容易に流入されるように、空気の流れを誘導する。

第四に、前記インペラ手段２００のインペラ２３０の位置と、ブロワーのケーシング手段１００の空気の吸入ダクト１１０との位置関係に起因する、インペラ２３０に流入されるべき空気量の問題点を克服するために、吸入空気量の確保部１４０を介して第２の空気流路１７０を生成させて、インペラ２３０に流入される空気量が十分に確保されるようにする。

すなわち、インペラ２３０と吸気ダクト１１０との形成位置がブロワーのケーシング手段１００の両端であるので、吸入された空気の円滑な流動および空気量の確保のために吸入空気量の確保部１４０が形成される。

すなわち、本発明は、燃料電池用ターボ送風機の効率および耐久性を極大化させる一環として、インペラ手段２００の冷却方法に集中して、ブロワーのケーシング手段１００とインペラ手段２００との有機的な結合により、空冷と水冷が同時に使用することができる冷却構造が形成されてインペラ手段２００を冷却させるようにしたものである。

さらに、本発明の複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機１は、吸気ダクト１１０を介して吸入される空気がインペラ手段２００を経て、インペラ手段２００から熱を奪って冷却させ、奪った熱により空気の活発な分子運動を図ることによって、インペラ２３０側への空気の流入が容易に行われるようにする。

すなわち、本発明は、インペラの手段２００の温度上昇を防止し、騒音を低下させ、燃料電池用ターボ送風機の効率および耐久性を最大限にする。

一方、ブロワーのケーシング手段１００の内部に空気を吸入させるインペラ手段２００は、従来の燃料電池用ターボ送風機に形成された高速モータの構成と同様に、ステータ２１０、ローター２２０、およびインペラ２３０から構成される。

本発明は、ブロワーのケーシング手段１００とインペラ手段２００との有機的な結合、特に、インペラ手段２００が結合されているブロワーのケーシング手段１００の有機的な結合によってインペラ手段２００を冷却させる技術として、インペラ手段に関する技術ではないので、インペラ手段２００の具体的な技術内容は、省略することにする。

一方、本発明である複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機１の機能及び空気の流動を図４を参照して簡単に説明することになる。

外部から供給されるエネルギーによってインペラ手段２００のローター２２０及びインペラ２３０が回転する(←Ｓ１００、インペラ手段の動作段階)。

高速で回転するインペラ手段２００によってブロワーのケーシング手段１００の内部に空気が吸入される(←Ｓ２００、空気の吸入段階)。

前記ブロワーのケーシング手段１００の内部に吸入される空気は、二股に分岐されて流れる(←Ｓ３００、空気の流動段階)。

前記分岐された空気は、第１の空気流路１７０及び第２の空気流路１８０に沿って流れる(←Ｓ３１０、Ｓ３２０、第１の空気流路の生成段階、第２の空気流路の生成段階)。

前記インペラ手段２００を冷却する(←Ｓ４００、インペラ手段の冷却段階)。

それぞれ第１の空気流路１７０及び第２の空気流路１８０に沿って流れる空気が、インペラ２３０によって圧縮される(←Ｓ５００、空気の圧縮段階)。

圧縮された空気は、空気の排出ダクト１３０によって吐出される（←Ｓ６００、圧縮空気の排出段階）。

空気の排出ダクト１３０と結合された燃料電池スタックに圧縮空気が供給されるようにする(←Ｓ７００、圧縮空気の供給段階)。

このとき、水冷を利用したインペラ手段２００の冷却は、インペラ手段の水冷式冷却部１６０によってインペラ手段の動作段階(Ｓ１００)から圧縮空気の供給段階Ｓ７００につながる過程で連続的に動作されてインペラ手段２００を冷却する。

すなわち、本発明は、吸入された空気を圧縮して燃料電池スタックに圧縮空気を伝達する燃料電池用ターボ送風機に関するものである。

以上のようにして、本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されず、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変形を行うことができることは、当業者には明らかである。

そのため、本発明の技術的思想または主要な特徴から逸脱することなく、様々な異なる形態で実施することができるので、本発明の実施形態は、すべての点において単に例示的なものであり、様々に変更されてもよい

本発明は複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機に関するものであり、これを作製する作製および販売業、特に、燃料電池スタックに圧縮空気を供給するための燃料電池用ターボ送風機に関連する産業、さらに、圧縮空気を必要とする全面的な産業など、さまざまな産業分野の増進に貢献するために適用することができる。

１ 複合式冷却構造を有する燃料電池用のターボ送風機に関する
１００ ブロワーのケーシング手段
１１０ 空気の吸入ダクト
１２０ 空気流動の誘導カバー
１３０ 空気の排出ダクト
１４０ 吸入空気量の確保部
１５０ インペラ手段の空冷式冷却部
１６０ インペラ手段の水冷式冷却部
１６１ 冷却水の流入循環溝
１７０ 第１の空気流路
１８０ 第２の空気流路
１９０ 空気の循環室
Ｓ１００ インペラ手段の動作段階
Ｓ２００ 空気の吸入段階
Ｓ３００ 空気の流動段階
Ｓ３１０ 第１の空気流路の生成段階
Ｓ３２０ 第２の空気流路の生成段階
Ｓ４００ インペラ手段の冷却段階
Ｓ５００ 空気の圧縮段階
Ｓ６００ 圧縮空気の排出段階
Ｓ７００ 圧縮空気の供給段階

Claims (1)

1. 圧縮空気を生成するインペラ手段（２００）を、空冷及び水冷を同時に利用した冷却方式で冷却して、燃料電池用ターボ送風機の冷却効果を最大化することと同時に、これによる燃料電池用ターボ送風機の効率及び耐久性を向上させ、高熱により発生する燃料電池用ターボ送風機の問題(短い寿命及び効率の低下)を解決するための複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機（１）であって、
   吸入された空気の流動及び吐出を案内するブロワーのケーシング手段（１００）と、
   前記ブロワーのケーシング手段（１００）の内部に配置及び結合されて、空気の流入及び流動を発生するインペラ手段（２００）とで構成され、
   内部に吸入される空気を、特定の経路へ誘導してインペラ手段（２００）の温度上昇を防止するブロワーのケーシング手段（１００）は、
   内部に空気が吸入されるようにする空気の吸入ダクト（１１０）と、
   前記インペラ手段（２００）と隣接する位置に密閉及び結合されて、内部に吸入される空気を前記インペラ手段（２００）に誘導する曲面状に形成された空気流動の誘導カバー（１２０）と、
   前記インペラ手段（２００）を介して圧力が上昇した空気が燃料電池スタックに吐出するようにする空気の排出ダクト（１３０）と、
   前記ブロワーのケーシング手段（１００）の内部に吸入される空気量が確保されるようにする吸入空気量の確保部（１４０）と、
   前記インペラ手段（２００）によって前記ブロワーのケーシング手段（１００）の内部に吸入される空気の流れを利用して、前記インペラ手段（２００）を冷却させるインペラ手段の空冷式冷却部（１５０）と、
   前記インペラ手段（２００）に隣接して形成され、外部から供給される冷却水の流れを利用して、前記インペラ手段（２００）を冷却する、冷却水の流入循環溝（１６１）が形成されたインペラ手段の水冷式冷却部（１６０）と、
   前記空気の吸入ダクト（１１０）、前記インペラ手段（２００）の空冷式冷却部（１５０）、及び、前記空気流動の誘導カバー（１２０）によって生成された第１の空気流路（１７０）と、
   前記空気の吸入ダクト（１１０）、前記吸入空気量の確保部（１４０）、前記空気流動の誘導カバー（１２０）によって生成された第２の空気流路（１８０）と、
   前記空気流動の誘導カバー（１２０）によって生成されて、前記第１の空気流路（１７０）及び前記第２の空気流路（１８０）に沿って吸入された空気の流れを容易にする空気循環室（１９０）とを備え、
   前記ブロワーのケーシング手段（１００）の内部に空気を吸入させるインペラ手段（２００）は、
   ステータ（２１０）と、
   ローター（２２０）と、
   インペラ（２３０）とを備え、
   高速で回転される前記ローター（２２０）及び前記インペラ（２３０）の温度上昇を低下させるとともに、前記ブロワーのケーシング手段（１００）の内部に吸入される空気を、上述したように、特定のパスに誘導することによって、燃料電池用ターボ送風機の効率及び耐久性を最大化するようにし、
   吸入された空気を圧縮して燃料電池スタックに圧縮空気を伝達するが、空冷及び水冷を同時に利用した冷却方式で前記ブロワーのケーシング手段（１００）の内部の温度上昇を防止し、さらに熱平衡(ｔｈｅｒｍａｌ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ)状態を図ることによって、高速で回転される前記インペラ手段（２００）の温度上昇を低下し、効率及び耐久性を極大化させることを特徴とする複合式冷却構造を有する燃料電池用ターボ送風機。

Images