JP7387886B2 - 流体機械、流体機械を運転するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部の特徴を有する流体機械に関する。この流体機械は、特に燃料電池システムの空気供給のために使用される。さらに本発明は、このような形式の流体機械を運転するための方法に関する。

燃料電池システムは、システムの燃料電池内で水素と反応して水又は水蒸気を発生させる酸素を必要とする。このような形式で、電気化学的な変換によって電力が発生され、この電力は、例えば車両を駆動するための駆動エネルギとして利用され得る。酸素源としてたいていは周囲空気が用いられ、この周囲空気は空気圧縮システムによって燃料電池に供給される。何故ならば、このプロセスは、所定の空気質量流量および所定の圧力レベルを必要とするからである。空気圧縮システムは、軸に配置された少なくとも１つの圧縮機ホイールを備えた高速回転する流体機械を有しており、この圧縮機ホイールは電動機により駆動される。エネルギ回収のために、軸にタービンホイールが配置されており、燃料電池排気が供給される。この場合、流体機械とは、追加的な電動機を有する排気ターボチャージャのことである。

追加的な電動機の最大回転数は、制御技術的な理由および強度の理由により、例えば最大１００，０００乃至１２５，０００回転／分に制限されている。追加的な電動機なしで得られる排気ターボチャージャの回転数は、１８０，０００乃至２５０，０００回転／分である。流体機械において得られる圧縮機アウトレット圧力は、圧縮機ホイールの外径における周速の２乗に比例する。つまり圧縮機アウトレット圧力は、圧縮機ホイールの回転数および外径によって決定される。燃料電池システムのために必要な圧力に基づいて、前記回転数制限に関連して比較的大きい外径を有する圧縮機ホイールが得られる。このような圧縮機ホイールは、圧縮機インレットに向かう方向に大きい軸方向力を発生させる。何故ならば、運転中に圧縮機アウトレットで発生する圧力は圧縮機ホイールのホイール後ろ側に印加されるからである。この高い軸方向力は、他方では相応に大きいスラスト軸受を必要とする。しかしながら、スラスト軸受の大きさに伴って損失電力も増大し、この場合、スラスト軸受は、ラジアル軸受（１／３割合）よりも著しく大きい、全軸受損失の割合（２／３割合）を有している。

燃料電池システムの空気供給のために用いられる流体機械は、システムをオイルフリーに維持するために、たいていはフォイル空気軸受を有している。フォイル空気軸受は空気摩擦損失を生ぜしめるので追加的な空気を用いて冷却される。このために、圧縮された空気のたいていは概ね５乃至１０％が冷却のために分岐される。この分岐された空気量は、次いで燃料電池内のプロセスのためにもはや提供されないので、流体機械の効率を低下させる。分岐された空気が特に冷却性能をもたらすことができるようにするために、分岐された空気は前もって自己冷却される。このためにたいていは、冷却空気は燃料電池システムのインタークーラーに分岐される。追加的な冷却需要は、インタークーラーの設計時に考慮されなければならない。さらに、追加的な管路を設ける必要があり、この管路によって、冷却空気が流体機械に供給され得る。

以上述べた従来技術から出発して、本発明の課題は、燃料電池システムの空気供給のための流体機械の効率を改善することである。

この課題を解決するために、請求項１の特徴を有する流体機械、および請求項１０の特徴を有する方法が提案される。本発明の好適な実施態様は、それぞれの従属請求項に記載されている。

燃料電池システムの空気供給のために提案された流体機械は、軸に相対回動不能に結合された少なくとも１つの圧縮機ホイールと、軸を駆動するための電動機とを有しており、この場合、圧縮機ホイールがハブ区分を介して軸の好適には中空円筒形の軸区分に相対回動不能に結合されている。本発明によれば、ハブ区分内に少なくとも１つの空気流路が形成されており、この空気流路を介して、圧縮機インレットが、圧縮機ホイールの、圧縮機インレットとは反対側で環状室に接続されており、それによって圧縮機ホイールの両側に概ね同じ空気圧が発生する。したがって、圧縮機ホイールに、完全にまたは概ね完全に相互に相殺し合う軸方向力が作用する。つまり、軸方向力補正が生ぜしめられる。その結果、スラスト軸受内の損失電力が減少されることになる。さらに、軸受内の冷却需要は低下する。いずれも、効率向上の結果を生ぜしめる。さらに、車両内に流体機械が使用されている限り、流体機械のロバストネスは、例えば悪路走行時における外からの加速に対して高められる。

好適には、ハブ区分は、軸方向に延在する少なくとも１つの空気流路を有している。つまり、少なくとも１つの空気流路が、軸の縦軸線に対して平行に延在している。空気流路は例えば軸方向孔として構成されていてよい。軸方向に延在する１つの空気流路だけが設けられている限り、この空気流路は好適には、軸の中央または縦軸線に対して同軸的に配置されている。軸方向に延在する少なくとも１つの空気流路は好適な形式で、圧縮機インレット側と直接に接続されているので、圧縮機ホイールに供給された空気の部分流は、軸方向に延在する少なくとも１つの空気流路を介して分岐され、圧縮機ホイールの後ろ側にガイドされる。

さらに、好適には、ハブ区分は、概ね半径方向に延在する少なくとも１つの空気流路を有している。概ね半径方向に延在する少なくとも１つの空気流路を介して、軸方向に延在する少なくとも１つの空気流路と、圧縮機ホイールの後ろ側の環状室との接続が形成される。概ね半径方向に延在する空気流路は、例えばハブ区分内の半径方向孔によって形成され得る。好適な形式で、ハブ区分は概ね半径方向に延在する複数の空気流路を有しており、これらの空気流路は互いに同じ角度間隔を保って配置されている。それによって、圧縮機ホイールの後ろにガイドされた空気は、環状室内で均一に分配される。

好適な形式で、ハブ区分は、中空円筒形の軸区分内に少なくとも部分的に挿入されている、特に押し込まれている。前記区分が互いに入り込んで噛み合うことによって、複合体の剛性およびひいては形状安定性が高められる。

さらに、中空円筒形の軸区分が、概ね半径方向に延在する少なくとも１つの空気流路を有しており、この空気流路が、ハブ区分の半径方向に延在する少なくとも１つの空気流路と重なり合って配置されているように、提案される。したがって、ハブ区分の概ね半径方向に延在する少なくとも１つの空気流路は、中空円筒形の軸区分内に挿入され、特に押し込まれている領域に配置されていてよい。このような形式で、軸方向にコンパクトに構成されている流体機械が得られる。

本発明の実施態様によれば、環状室が、圧縮機ホイールの、圧縮機インレットとは反対側で少なくとも１つの別の空気流路を介して軸の少なくとも１つの軸受に接続されているように、提案される。この場合、少なくとも１つの別の空気流路を介して供給された空気は、少なくとも１つの軸受を冷却するために使用され得る。好適な形式で、少なくとも１つの軸受はフォイル空気軸受として構成されているので、システムのオイルフリー性が保証されている。

少なくとも１つのシャフトベアリングを、環状室およびひいては圧縮機インレットに接続するための少なくとも１つの別の空気流路は、さらに、軸とこの軸を取り囲む電動機の巻線との間の環状ギャップを介してガイドされていてよい。この場合、少なくとも１つの別の空気流路を介して供給された空気は、電動機を冷却するために使用されてよい。

選択的にまたは補足的に、少なくとも１つの別の空気流路が、軸に相対回動不能に結合された、タービンホイールを軸受けするための、内部が通気されているスラスト軸受ディスクを通ってガイドされているように、提案される。したがって、スラスト軸受の冷却の他に、同時に圧力ストロークが得られる。何故ならば、内部が通気されているスラスト軸受ディスクを用いて、少なくとも１つの別の空気流路を介して供給された空気の空気圧は、タービンホイールの手前のレベルに上昇されるからである。

圧縮機インレットを介して、空気は周囲から吸い込まれる。それにより、吸い込まれた空気は、周囲温度およびひいては非常に低い温度レベルを有している。したがって、回転冷却機能および軸受冷却機能が、たいていは殆ど最適に満たされる。

必要であれば、空気流路に、冷却された周囲空気、つまり前もって自己冷却された空気が供給されてもよい。したがって、本発明の好適な実施例によれば、圧縮機インレットを後ろの環状室および場合によっては少なくとも１つのシャフトベアリングに接続するすべての空気流路が、冷却されたまたは冷却されていない周囲空気によって負荷可能である。

内部が通気されているスラスト軸受ディスクを介して、冷却されたまたは冷却されていない周囲空気の空気圧がタービンホイールの手前のレベルに上昇されるので、冷却空気圧送のために必要なエネルギの少なくとも一部がタービンを用いて回収される。

変化形は、内部が通気されたスラスト軸受ディスクによる圧力ストロークを省き、周囲空気をタービンアウトレットの後ろのシステムに戻すという点にある。

冒頭に述べた課題を解決するために、さらに、本発明による流体機械を運転するための方法が提案される。この方法では、圧縮機インレットを後ろ側の環状室に接続する、少なくとも１つの空気流路が、冷却されたまたは冷却されていない周囲空気によって負荷される。好適な形式で、環状室は、少なくとも１つの別の空気流路を介して少なくとも１つの軸受に接続されており、それによって周囲空気が少なくとも１つの軸受に供給される。このような形式で、少なくとも１つの軸受が周囲空気を用いて冷却される。

さらに、内部が通気されているスラスト軸受ディスクを通って少なくとも１つの空気流路がガイドされていて、このスラスト軸受ディスクを用いて、この方法を実行する際に、冷却空気圧が上昇されることが提案される。このような形式で、周囲空気を圧送するために必要なエネルギの少なくとも一部が回収される。

本発明による流体機械の概略的な縦断面図である。 図１の流体機械の、空気の流れを示す、概略的な縦断面図である。

本発明を以下に、添付の図面を用いて詳しく説明する。

図１に示した流体機械１は軸２を有しており、この軸２内に一端では圧縮機ホイール３、他端ではタービンホイール１９が配置されている。軸２は、電動機４を用いてその縦軸線Ａを中心にして回転駆動される。このために、電動機４は、軸２を取り囲んで配置された巻線１７と、軸２内に受け入れられている永久磁石２３とを有している。軸２が回転運動を実施できるようにするために、軸２は、２つのラジアル軸受１４を介して回転可能に支承されている。さらに、２つのスラスト軸受１５は、軸２に接続されたスラスト軸受ディスク１８の範囲内に設けられている。軸受１４，１５は、電動機４のモータハウジング２２内に組み込まれている。圧縮機ホイール３は圧縮機ハウジング２１によって取り囲まれていて、タービンホイール１９はタービンハウジング２０によって取り囲まれている。

流体機械１の運転中に、圧縮機ホイール３は圧縮機インレット９を介して空気の流れにさらされる。この場合、圧縮機ホイール３に作用する軸方向力を最小にするために、図示の流体機械１の圧縮機ホイール３は、中空円筒形の形状の軸区分６内に挿入されたハブ区分５内に複数の空気流路７，８を有している。これらの空気流路７，８は、圧縮機インレット９を、圧縮機ホイール３の、圧縮機インレット９とは反対側で環状室１０に接続する。これによって、空気の部分流が圧縮機インレット９から環状室１０に供給され、それによって２つの室内に同じ空気圧が形成される。このことは、圧縮機ホイール３に作用する軸方向力が互いに相殺される結果となる。相応に、スラスト軸受１５の領域内の軸受損失が減少する。

ここでは、半径方向に延在する空気流路８が、中空円筒形の軸区分６内に挿入されたハブ区分５の領域内に配置されているので、軸区分６は、空気流路８と重なり合う空気流路１１を有している。

さらに図２に示されているように、図示の流体機械１は、別の空気流路１２，１３を有している。これらの空気流路１２，１３は、環状室１０を少なくとも１つの軸受１４，１５に接続する。ここでは、軸方向に延在する少なくとも１つの空気流路１２が環状室１０からラジアル軸受１４を介して、流体機械１の圧縮機側からタービン側へ通じているので、供給された空気を介してラジアル軸受１４の冷却が得られる。この場合、少なくとも１つの空気流路１２は、巻線１７と軸２との間の環状ギャップ１６を介してガイドされており、それによって電動機４の冷却も得られる。軸２のタービン側の端部では、少なくとも１つの空気流路１２が少なくとも１つの半径方向に延在する空気流路１３に接続されており、この空気流路１３は、スラスト軸受ディスク１８を通って半径方向内側から半径方向外側へ延在している。これにより、スラスト軸受１５の冷却だけでなく、さらに、タービンホイール１９の手前のレベルに空気圧を上昇させることができる。空気流路７，８，１２，１３を介してガイドされる空気流２４は、図２に矢印で示されている。

１ 流体機械
２ 軸
３ 圧縮機ホイール
４ 電動機
５ ハブ区分
６ 軸区分
７，８ 空気流路
９ 圧縮機インレット
１０ 環状室
１１，１２，１３ 空気流路
１４ ラジアル軸受
１５ スラスト軸受
１６ 環状ギャップ
１７ 巻線
１８ スラスト軸受ディスク
１９ タービンホイール
２０ タービンハウジング
２２ モータハウジング
２３ 永久磁石
２４ 空気流
Ａ 縦軸線

Claims (11)

1. 燃料電池システムの空気供給のための流体機械（１）であって、軸（２）に相対回動不能に結合された少なくとも１つの圧縮機ホイール（３）と、前記軸（２）を駆動するための電動機（４）とを有しており、前記圧縮機ホイール（３）がハブ区分（５）を介して前記軸（２）の中空円筒形の軸区分（６）に相対回動不能に結合されている形式のものにおいて、
   前記ハブ区分（５）内に少なくとも１つの空気流路（７，８）が形成されており、該空気流路（７，８）を介して、圧縮機インレット（９）が、前記圧縮機ホイール（３）の、前記圧縮機インレット（９）とは反対側で環状室（１０）に接続されており、それにより前記圧縮機ホイール（３）の両側に同じ空気圧が発生し、
   前記圧縮機インレット（９）とは反対側の前記圧縮機ホイール（３）の壁面に隣接する前記中空円筒形の軸区分（６）の外周面上に、前記空気流路（７，８）は開口を有することを特徴とする、流体機械（１）。
2. 前記ハブ区分（５）が、軸方向に延在する少なくとも１つの空気流路（７）を有していることを特徴とする、請求項１記載の流体機械（１）。
3. 前記ハブ区分（５）が、概ね半径方向に延在する少なくとも１つの空気流路（８）を有していることを特徴とする、請求項１または２記載の流体機械（１）。
4. 前記ハブ区分（５）が、前記中空円筒形の軸区分（６）内に少なくとも部分的に挿入されている、特に押し込まれていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の流体機械（１）。
5. 前記中空円筒形の軸区分（６）が、概ね半径方向に延在する少なくとも１つの空気流路（１１）を有しており、該空気流路（１１）が、前記ハブ区分（５）の半径方向に延在する少なくとも１つの前記空気流路（８）と重なり合って配置されていることを特徴とする、請求項３または４記載の流体機械（１）。
6. 前記環状室（１０）が、前記圧縮機ホイール（３）の、前記圧縮機インレット（９）とは反対側で少なくとも１つの別の空気流路（１２，１３）を介して前記軸（２）の少なくとも１つの軸受（１４，１５）に接続されており、少なくとも１つの前記軸受（１４，１５）がフォイル空気軸受として構成されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の流体機械（１）。
7. 少なくとも１つの前記別の空気流路（１２）が、前記軸（２）と該軸（２）を取り囲む前記電動機（４）の巻線（１７）との間の環状ギャップ（１６）を介してガイドされていることを特徴とする、請求項６記載の流体機械（１）。
8. 少なくとも１つの前記別の空気流路（１３）が、前記軸（２）に相対回動不能に結合された、タービンホイール（１９）を軸受けするための、内部が通気されているスラスト軸受ディスク（１８）を通ってガイドされていることを特徴とする、請求項６または７記載の流体機械（１）。
9. 前記圧縮機インレット（９）を接続するための前記空気流路（７，８，１２，１３）が、冷却されたまたは冷却されていない周囲空気によって負荷可能であることを特徴とする、請求項６から８までのいずれか１項記載の流体機械（１）。
10. 前記空気流路（７，８，１２，１３）を、冷却されたまたは冷却されていない周囲空気によって負荷することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の流体機械（１）を運転するための方法。
11. 内部を通って少なくとも１つの空気流路（１３）が貫通ガイドされていて、それによって内部が通気されているスラスト軸受ディスク（１８）を用いて、冷却空気圧を上昇させることを特徴とする、請求項１０記載の方法。
    
    
    

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