KR20200138309A - 기상 매체의 이송 및/또는 압축을 위한 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기체, 특히 수소의 이송 및/또는 압축을 위한 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1)에 관한 것이며, 상기 사이드 채널 컴프레서는, 하우징 상부 부재(7) 및 하우징 하부 부재(8)를 구비한 하우징(3)과; 구동부(6)와; 하나 이상의 외주 사이드 채널(19)을 구비하여 하우징(3) 내에서 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 컴프레서 챔버(30)와; 하우징(3) 내에 위치하고 회전축(4)을 중심으로 회전 가능하게 배치되어 구동부(6)를 통해 구동되는 컴프레서 임펠러(2)이며, 자신의 주연 상에는 컴프레서 챔버(30)의 영역 내에 배치되는 블레이드 베인들(5)을 포함하는 상기 컴프레서 임펠러(2)와; 하우징(3) 상에 형성되어 컴프레서 챔버(30), 특히 하나 이상의 사이드 채널(19)을 통해 상호 간에 유체로 연결되어 있는 각각 하나의 기체 유입 개구부(14) 및 기체 유출 개구부(16)를; 포함한다. 이 경우, 본 발명에 따라서, 구동부(6)는, 스테이터(12) 및 로터(10)를 포함하는 축 방향 필드 전기 모터(6)로서 형성되며, 스테이터(12)와 로터(10)는 디스크 형태로 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 형성되며, 그리고 스테이터(12)는 회전축(4)의 방향으로 로터의 옆에 배치된다.

Description

기상 매체의 이송 및/또는 압축을 위한 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서
본 발명은, 특히 연료 전지 구동부를 장착한 차량에서의 적용을 위해 제공되어 기상 매체, 특히 수소를 이송하고, 그리고/또는 압축하기 위한 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(side channel compressor)에 관한 것이다.
차량 분야에서는, 액상 연료 외에도, 미래에는 기상 연료의 역할 역시도 증가할 것이다. 특히 연료 전지 구동부를 포함한 차량의 경우, 수소 기체 흐름이 제어되어야 한다. 이런 경우, 기체 흐름은, 액상 연료의 분사의 경우처럼 더 이상 불연속적으로 제어되는 것이 아닐뿐더러, 기체는 하나 이상의 고압 탱크에서 인출되어 중압 라인 시스템의 유입 라인(inlet line)을 경유하여 이젝터 유닛(ejector unit)으로 안내된다. 이런 이젝터 유닛은 저압 라인 시스템의 연결 라인을 통해 연료 전지 쪽으로 기체를 안내한다. 기체는 연료 전지를 관류한 후에 회수 라인을 경유하여 다시 이젝터 유닛으로 안내된다. 이 경우, 유동 기술 및 효율 기술 측면에서 기체 회수를 보조하는 사이드 채널 컴프레서가 라인 내 연결될 수 있다. 그 외에도, 사이드 채널 컴프레서는, 특히 소정의 정지 시간 후에 차량의 시동(냉간 시동) 시 연료 전지 구동부 내에서 유동 형성의 보조를 위해 사용된다. 상기 사이드 채널 컴프레서의 구동은 통상 차량 내에서 작동 동안 차량 배터리를 통해 전압을 공급받는 전기 모터들을 통해 수행된다.
DE 10 2010 035 039 A1호로부터는, 기상 매체, 특히 수소가 이송되고, 그리고/또는 압축되는 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서가 공지되어 있다. 이 경우, 사이드 채널 컴프레서는 하우징과 구동부를 포함하며, 하우징은 하우징 상부 부재와 하우징 하부 부재를 포함한다. 또한, 하우징 내에는, 하나 이상의 외주 사이드 채널(peripheral side channel)을 포함하여 회전축을 중심으로 외주를 따라 연장되는 컴프레서 챔버가 배치된다. 하우징 내에는, 회전축을 중심으로 회전 가능하게 배치되어 구동부를 통해 구동되는 컴프레서 임펠러(compressor impeller)가 위치되며, 컴프레서 임펠러는 자신의 주연 상에 컴프레서 챔버의 영역에 배치되는 블레이드 베인들을 포함한다. 그 외에도, DE 10 2010 035 039 A1호로부터 공지된 사이드 채널 컴프레서는, 하우징 상에 형성되어 컴프레서 챔버, 특히 하나 이상의 사이드 채널을 통해 상호 간에 유체로 연결되어 있는 각각 하나의 기체 유입 개구부 및 기체 유출 개구부를 포함한다. 이 경우, 사이드 채널 컴프레서는 구동부를 포함하고, 구동부는 회전축을 중심으로 슬리브 형태로 연장되는 스테이터를 포함하며, 스테이터의 내부에는 로터 샤프트 상에 배치된 로터가 배치된다. 이 경우, 로터 샤프트는, 로터의 단부면들에 대해 각각 축 방향으로 배치되는 2개의 볼 베어링에 의해 지지된다. 이 경우, DE 10 2010 035 039 A1호로부터 공지된 사이드 채널 컴프레서는 스테이터를 가열 요소로서 사용할 수 있다.
DE 10 2010 035 039호로부터 공지된 사이드 채널 컴프레서는 소정의 단점들을 가질 수 있다.
한편으로, 컴프레서 임펠러는 디스크 형태로 형성되어 회전축에 대해 반경 방향으로 큰 지름을 보유하고 그에 따라 회전축에 대해 반경 방향으로 많은 장착 공간을 요구하는 반면, 컴프레서 임펠러는 회전축에 대해 축 방향으로 협폭으로 형성되고 그에 따라 회전축에 대해 반경 방향으로 작은 장착 공간을 요구한다. 그러나 다른 한편으로는, 로터의 바깥쪽에 배치되는 스테이터를 포함한 도시된 구동부는 회전축에 대해 반경 방향으로 작은 지름을 보유하고 그에 따라 회전축에 대해 반경 방향으로 작은 장착 공간을 요구한다. 그러나 구동부는 스테이터 및 로터의 배치로 인해 회전축에 대해 축 방향으로 많은 장착 공간을 요구한다. 이처럼 구동부와 컴프레서 임펠러의 대립적인 장착 공간 요건으로 인해, 두 컴포넌트의 조합 및/또는 조립 동안 사이드 채널 컴프레서의 부피가 크고 공간을 낭비하는 전체 시스템이 발생하며, 이런 전체 시스템은 조밀한 구조로 구현되지 않는다.
또한, DE 10 2010 035 039호로부터 공지된 사이드 채널 컴프레서에는, 가열 요소로서 스테이터의 구동 및/또는 이용 동안, 이동 가능한 부재들이 얼음 브리지들(ice bridge)을 통해 상호 간에 얼어붙을 수 있는 영역까지 전파될 수 있을 때까지, 열 에너지가 다수의 부품에 걸친 먼 경로를 나아가야만 한다는 단점이 있다. 이 경우, 많은 에너지가 열 손실을 통해 소실되는데, 그 이유는, 그 내에 얼음 브리지들이 형성될 수 없고, 그리고/또는 이동 가능한 부재들이 위치되지 않는 큰 영역이 열 에너지로 채워지기 때문이다.
본 발명에 따라서, 기상 매체, 특히 수소의 이송, 및/또는 압축을 위한 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서가 제안된다.
청구항 제1항을 참조하면, 사이드 채널 컴프레서에 있어서, 구동부가, 스테이터 및 로터를 포함한 축 방향 필드 전기 모터(axial field electric motor)로서 형성되고, 스테이터와 로터는 디스크 형태로 회전축을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 형성되며, 스테이터는 회전축의 방향으로 로터의 옆에 배치되는 것인, 상기 사이드 채널 컴프레서가 제안된다. 이런 방식으로, 구동부가, 자신의 지름을 기반으로 회전축에 대해 반경 방향으로 비록 많은 장착 공간을 요구하지만, 그러나 회전축에 대해 축 방향으로 협폭으로 형성되고 그에 따라 회전축에 대해 축 방향으로 작은 장착 공간을 요구하는, 회전축의 방향으로 협폭인 컴포넌트로서 구현될 수 있는 점이 달성된다. 사이드 채널 컴프레서의 다른 컴포넌트들, 특히 하우징과 컴프레서 임펠러는 협폭으로 형성되며, 그리고 동일한 유형으로 자신의 지름을 기반으로 비록 회전축에 대해 반경 방향으로 많은 장착 공간을 요구하지만, 그러나 회전축에 대해 축 방향으로 협폭으로 형성되고 그에 따라 회전축에 대해 축 방향으로 작은 장착 공간을 요구하는, 회전축의 방향으로 협폭인 컴포넌트로서 구현된다. 따라서, 사이드 채널 컴프레서의 또 다른 컴포넌트들, 특히 하우징 및 컴프레서 임펠러와 구동부를 조합할 경우, 컴포넌트들은 동일한 유형의 장착 공간 특징들과 조합되며, 그럼으로써 전체 사이드 채널 컴프레서의 조밀하면서도 공간을 절약하는 구조가 달성되게 된다. 이 경우, 사이드 채널 컴프레서의 조밀하면서도 공간을 절약하는 구조는 체적에 비해 최대한 작은 표면을 통해 실현된다. 이는, 고객에게서, 예컨대 차량에서 작은 내장 공간만이 요구된다는 장점을 제공한다. 또한, 사이드 채널 컴프레서의 조밀한 구조는, 특히 체적에 비해 최대한 작은 표면과 함께, 주변 온도가 낮은 경우, 특히 0℃ 미만의 범위인 경우 사이드 채널 컴프레서의 냉각은 상대적으로 더 느리게 수행되고 그에 따라 얼음 브리징(ice bridging)의 발생은 상대적으로 더 오래 지연될 수 있다는 장점을 제공한다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들에 관계된다.
바람직한 구현예에 따라서, 디스크 형태로 회전축을 중심으로 외주를 따라 연장되는 에어갭은, 스테이터와 로터 사이에서, 에어갭이 회전축의 일측 방향에서만 스테이터에 의해 한정되고 회전축의 타측 방향에서는 로터에 의해 한정되는 방식으로 형성된다. 또한, 디스크형 로터는 회전축에 대해 축 방향으로 컴프레서 임펠러의 옆에 배치되며, 특히 컴프레서 임펠러의 허브 디스크 상에 배치되며, 로터는 컴프레서 임펠러와 강제 결합식으로, 그리고/또는 형상 결합식으로, 그리고/또는 재료 결합식으로 연결된다. 이런 방식으로, 사이드 채널 컴프레서 및 연료 전지 시스템의 신뢰성 있는 냉간 시동 절차를 수행하기 위해, 사이드 채널 컴프레서의 효율적이면서 보다 더 신속한 예열이 적어도 스테이터에 의해 가능하다는 장점이 달성될 수 있다. 주변 온도가 낮은 경우, 특히 0℃ 미만의 범위인 경우, 연료 전지 시스템 및 사이드 채널 컴프레서의 차단이 수행된 후에, 이송될 재순환 매체에서 기인하는 액체, 특히 물은 응축될 수 있다. 이 경우, 특히 정지 시간이 긴 경우, 사이드 채널 컴프레서의 이동 가능한 부재들 간에, 특히 컴프레서 임펠러와 하우징 사이에서 얼음 브리지들이 형성될 수 있다. 상기 유형의 얼음 브리지들은 연료 전지 시스템, 특히 사이드 채널 컴프레서의 시동, 특히 냉간 시동을 저해할 수 있고, 그리고/또는 완전하게 방지할 수 있다. 또한, 이는, 차량 및 그에 따른 연료 전지 시스템을 시동할 때, 얼음 브리징이 너무 큰 경우 구동부의 차단을 야기할 수 있으며, 그런 까닭에 회전 부재들, 특히 컴프레서 임펠러가 손상될 수 있고, 그리고/또는 시스템의 시동이 저해 또는 지연되거나, 완전하게 방지된다. 디스크형 부품들로서 로터 및/또는 스테이터의 구조적인 구성을 기반으로 사이드 채널 컴프레서의 효율적이고 신속한 예열의 가능성은 구동부를 이용하여 특히 용해를 통해 얼음 브리지들의 신속한 제거를 가능하게 한다. 그렇게 하여, 바람직하게는, 사이드 채널 컴프레서 및 연료 전지 시스템의 신뢰성 있으면서 신속한 냉간 시동 절차가 수행된다. 이는, 연료 전지 시스템 및/또는 차량의 보다 더 높은 신뢰성으로 이어진다.
그 외에도, 상기 방식으로, 스테이터와 로터 사이에 디스크 형태로 회전축을 중심으로 외주를 따라 연장되는 에어갭을 배치함으로써 사이드 채널 컴프레서의 조밀한 구조가 달성될 수 있다는 장점이 달성될 수 있다. 더 나아가, 에어갭, 스테이터 및 로터의 상기 배치는, 회전축의 방향으로 신속한 조립 및 분해의 장점을 제공하며, 그럼으로써 조립 비용은 감소될 수 있게 되고 발생하는 유지보수 비용도 감소될 수 있게 된다.
특히 바람직한 구현예에 따라서, 디스크형 로터는 회전축의 방향으로 연장되는 원통형 견부(cylindrical shoulder)를 포함하며, 원통형 견부는 스테이터의 반대 방향으로 향해 있는 로터의 측면에 배치되며, 원통형 견부의 외경의 외부면은 회전축을 중심으로 외주를 따라 연장된다. 이런 방식으로, 로터가 하우징 내에 존재하는 장착 공간의 최적의 활용을 달성하는 반면, 그 외에도 회전축에 대해 축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 로터의 가이드는 원통형 견부를 통해 수행될 수 있다는 장점이 달성된다. 이 경우, 가이드는, 예시의 실시형태에서, 이송될 매체의 박층(thin layer)이 원통형 견부와 하우징 사이에 위치되고 상기 층은 컴프레서 임펠러, 특히 원통형 견부의 가이드를 달성하는 방식으로 수행될 수 있다. 그 외에도, 또 다른 바람직한 실시형태에서, 원통형 견부에 의해 사이드 채널 컴프레서의 추가 부품들 쪽에서 로터의 직접적인 안착이 이루어질 수 있고 그렇게 하여 회전 방향으로의 가이드도 이루어질 수 있다. 기술한 실시형태들을 통해, 컴프레서 임펠러 및 사이드 채널 컴프레서의 유효 수명은 증가될 수 있다.
바람직한 구현예에 따라서, 컴프레서 임펠러는 각각 2개의 인접한 블레이드 베인들 사이의 컴프레서 챔버의 영역에 각각 하나의 이송 셀(conveying cell)을 형성한다. 상기 이송 셀은 회전축에 대해 반경 방향으로 바깥쪽을 향해 컴프레서 임펠러의 바깥쪽 외주 제한 링(peripheral limiting ring)을 통해, 그리고 안쪽을 향해서는 컴프레서 임펠러의 안쪽 외주 제한 링을 통해 한정된다. 이 경우, 이송 셀은 회전축의 방향으로 하나 이상의 개구부를 포함한다. 이 경우, 바깥쪽 제한 링과 안쪽 제한 링은 회전축을 중심으로 회전 대칭형으로 연장된다. 이런 방식으로, 기상 매체의 유동, 특히 재순환 유동이 단지 회전축에 대해 축 방향으로만 이송 셀 쪽으로, 그리고 그로부터 유동하며, 그리고 그에 따라 하나 이상의 사이드 채널과 이송 셀 사이에서 기상 매체의 축 방향 이동만이 나타나는 점이 달성될 수 있다. 이는, 기상 매체의 유동이 의도되는 영역에서만, 요컨대 사이드 채널과 이송 셀 사이에서 나타난다는 장점을 제공한다. 기상 매체의 개선된 이송 및 압축을 야기하지 않는 사이드 채널 컴프레서의 다른 영역들과 매체의 마찰로 인한 마찰 손실은 최대한 가능한 정도로 감소되고, 그리고/또는 방지될 수 있으며, 그럼으로써 사이드 채널 컴프레서의 효율은 증가하게 된다.
특히 바람직한 개선예에 따라서, 원통형 견부는 자신의 내경에서 베어링의 외경과 접촉하고, 자신의 외경에서는 컴프레서 임펠러의 내경과, 특히 컴프레서 임펠러의 허브 디스크와 접촉한다. 이 경우, 베어링 및/또는 컴프레서 임펠러에 대한 원통형 견부의 접촉은 특히 압입 끼워 맞춤부에 의해 강제 결합식으로 수행된다. 이런 방식으로, 한편으로 컴프레서 임펠러의 최적의 지지가 달성될 수 있는데, 그 이유는 컴프레서 임펠러가 강제 결합식 압입 끼워 맞춤부에 의해 로터와 견고하게 연결되기 때문이다. 이 경우, 컴프레서 임펠러가 로터를 통해, 그리고 간접적으로는 베어링을 통해 안내되면서, 컴프레서 임펠러의 경동(tilting) 및/또는 동요 운동(wobbling motion) 및/또는 회전축에 대한 반경 방향 및/또는 축 방향 이동은 저지된다.
또한, 사이드 채널 컴프레서의 냉간 시동 절차 동안 구동부에 의해 컴프레서 임펠러의 신속한 가열이 수행될 수 있다는 장점이 달성될 수 있는데, 그 이유는 열 에너지가 특히 로터에서부터 원통형 견부를 경유하여 컴프레서 임펠러 내로 안쪽 제한 링까지, 그리고 바깥쪽에 위치하는 환형 칼라부(annular collar)까지 짧은 경로만을 나아가기만 하면 되기 때문이다. 로터와, 얼음 브리징이 발생할 수 있는 영역들 간의 짧은 이격 간격을 기반으로, 구동부에서 기인하는 열 에너지는 사이드 채널 컴프레서의 부품들 상에서 작은 체적만을 가열하기만 하며 되고, 그럼으로써 사이드 채널 컴프레서의 보다 더 신속하면서도 에너지 효율적인 가열이 달성될 수 있게 된다. 따라서, 열 에너지가 사이드 채널 컴프레서의 구조적인 구성을 통해 특히 얼음 브리징으로 인해 가열되어야만 하는 영역들 내로 목표한 바대로 전도될 수 있기 때문에, 열 에너지 손실은 감소된다.
바람직한 형성예에 따라서, 하우징 하부 부재는 원통형 베어링 핀(bearing pin)을 포함하며, 베어링 핀은, 자신의 외부면이 회전축을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 회전축의 방향으로 연장되며, 그리고 특히 홈붙이 볼 베어링으로서 형성된 베어링은 회전축에 대해 반경 방향으로 자신의 내경으로 베어링 핀의 외부면과 접촉한다. 이런 방식으로, 특히 구동부가 축 방향 필드 전기 모터로서 형성되어 있는 사이드 채널 컴프레서의 본 발명에 따른 구성에 의해, 구동부로부터 컴프레서 임펠러 상으로 회전 이동 및 토크를 전달하기 위한 구동 샤프트, 및 제2 베어링이 더 이상 요구되지 않는다는 장점이 달성될 수 있다. 로터를 통한 베어링의 축 방향 예압을 통해서는, 컴프레서 임펠러가 베어링을 통해, 그리고 로터를 경유하여 유입되는 축 방향 힘을 통해 회전축에 대해 축 방향 및 반경 방향으로 제 위치에 파지되고 더 나아가 컴프레서 임펠러의 경동 및 동요가 방지되는 반면, 컴프레서 임펠러의 회전 이동은 거의 무제한적으로 가능하다는 장점이 달성될 수 있다. 스테이터 내의 자석 및/또는 자기 부품들이 영구자석으로서 형성되기 때문에, 베어링은, 스위치 오프된 축 방향 필드 전기 모터에서도, 영구적으로 예압된 상태로 존재한다. 그렇게 하여, 한편으로, 구동 샤프트 및 제2 베어링 부품들은 절약될 수 있다는 장점이 달성되며, 이는 부품 비용 및 조립 비용을 감소시킨다. 그에 추가로, 보다 더 적은 수의 부품이 이동되며, 특히 회전 이동되기 때문에, 내부 마찰 손실도 감소될 수 있다는 장점이 달성된다. 그렇게 하여, 사이드 채널 컴프레서의 효율은 개선되고 그에 따라 작동 비용도 감소된다. 이런 방식으로, 그 외에도, 사이드 채널 컴프레서의 조밀한 구조가 달성될 수 있다는 장점이 달성된다.
바람직한 개선예에 따라서, 로터는 회전축에 대해 반경 방향으로 거의 완전하게 컴프레서 임펠러의 내경의 영역 내에 배치되며, 그럼으로써 디스크형 로터의 대칭축은 컴프레서 임펠러의 대칭축과 거의 일치하는 방식으로 연장되며, 그리고 로터는 베어링의 외경 및 컴프레서 임펠러의 내경과 접촉하며, 로터는 회전축에 대해 축 방향으로 연장되는 결합 영역에서 컴프레서 임펠러와 함께 접촉 영역을 형성한다. 이런 방식으로, 컴프레서 임펠러를 위한 재료의 대부분이 절약될 수 있다는 장점이 달성될 수 있는데, 그 이유는 안쪽 제한 링과 베어링 사이의 컴프레서 임펠러의 영역이 로터 부품을 통해 대체될 수 있기 때문이다. 그렇게 하여, 재료 비용 및 조립 비용이 감소된다. 또한, 그렇게 하여, 사이드 채널 컴프레서 안쪽에서 이동될 질량들은 감소되며, 이는 특히 사이드 채널 컴프레서의 시동 및 제동 시 바람직하며, 그럼으로써 사이드 채널 컴프레서를 작동시키기 위해 요구되는 에너지는 감소될 수 있고 그에 따라 작동 비용도 감소될 수 있다. 얼음 브리징이 발생할 수 있는 사이드 채널 컴프레서의 영역들에까지 로터의 추가로 단축된 이격 간격을 통해, 사이드 채널 컴프레서의 보다 더 신속하고 에너지 효율적인 가열이 달성될 수 있다. 따라서, 열 에너지 손실은 감소되는데, 그 이유는 열 에너지가 사이드 채널 컴프레서의 구조적인 구성을 통해 목표한 바대로, 특히 얼음 브리징으로 인해 가열되어야만 하는 영역들 내로 전도될 수 있기 때문이다. 이 경우, 로터는 컴프레서 임펠러의 안쪽에서 거의, 안쪽 제한 링의 영역 및 그에 이어지는 환형 칼라부의 영역 상에 배치되며, 그럼으로써 로터 및/또는 컴프레서 임펠러는 스테이터로의 전류 공급을 통해 가열될 수 있게 된다.
특히 바람직한 형성예에 따라서, 스테이터는 적어도 부분적으로 컵 모양의 실링 부재에 의해 에워싸인다. 이 경우, 컵 모양의 실링 부재는 특히 스테이터의 플라스틱 인서트 몰딩부로서 형성되며, 실링 부재는, 컴프레서 챔버의 매체, 특히 수소로부터 사이드 채널 컴프레서의 전기 컴포넌트들, 특히 스테이터의 캡슐화를 달성한다. 이런 방식으로, 전기 라인들 및 코일들을 포함하고 그에 따라 특히 스며드는 습기에 대해 저항력이 없는 스테이터의 부분이 캡슐화될 수 있다는 장점이 달성된다. 이 경우, 액체 유입을 통한 단락이 방지될 수 있도록 컵 모양의 실링 부재의 삽입을 통해 캡슐화가 수행되는데, 그 이유는 예컨대 자기 코일과 같은 모든 전기 부품이, 캡슐화된 공간 안쪽에 위치되고 그에 따라 액체로부터 보호되기 때문이다. 이 경우, 컵 모양의 실링 부재는, 큰 접촉면이 형성되도록 자신의 표면 대부분에 의해, 특히 회전축에 대해 반경 방향으로 하우징, 특히 하우징 상부 부재와 접촉하며, 컵 모양의 실링 부재는 소정의 힘으로 하우징의 표면 쪽에 밀착되며, 그럼으로써 스테이터의 영역의 개선된 캡슐화가 달성될 수 있게 되는데, 그 이유는 습기가 컵 모양의 실링 부재와 하우징 간의 상대적으로 긴 침입 경로를 극복해야만 하기 때문이다. 특히 밀봉력인 힘은, 회전축에 대해 반경 방향으로 형성된 컵 모양의 실링 부재의 표면이, 접촉 영역에서 하우징의 내경에 비해 약간 확대된 외경을 형성하는 방식으로 달성된다. 이 경우, 바람직한 작용에 따라, 실링 부재는 탄성 재료로 제조되고, 컵 모양의 실링 부재는 조립 동안 하우징의 영역 내에서 반경 방향에서 회전축 쪽으로 압착되며, 컵 모양의 실링 부재는 조립이 수행된 후에 탄성을 기반으로 다시 자신의 원래 형태로 복귀하고, 이와 동시에 가압력 및/또는 고정력으로 하우징의 표면 쪽에, 특히 하우징의 내경 쪽에 밀착되고, 그리고/또는 안착된다. 그렇게 하여, 사이드 채널 컴프레서의 전기 부품들의 개선된 캡슐화가 달성되고, 그에 따라 유효 수명은 증가될 수 있다. 또한, 조립 전에 실링 부재의 사전 손상을 통한 축 방향 필드 전기 모터 및/또는 사이드 채널 컴프레서의 고장 확률도 감소된다. 또한, 이런 방식으로, 구동부, 특히 스테이터, 및 전기 부품들의 간단하고 비용 효과적이면서 신속한 교환이 실행될 수 있다는 장점이 달성된다. 이 경우, 상기 컴포넌트들은 완전하게 구동부 하우징 및 컵 모양의 실링 부재 안쪽의 캡슐화된 영역 내에 위치될 수 있으며, 이런 모듈형 어셈블리는 완전하게 회전축의 방향으로 사이드 채널 컴프레서에서부터 분해되고 탈거된다.
바람직한 개선예에 따라서, 컴프레서 임펠러는, 회전축을 중심으로 외주를 따라 연장되는 안쪽 제한 링을 포함하며, 안쪽 제한 링은 컴프레서 임펠러 상의 외주 컴프레서 챔버의 내경 상에 형성되며, 그리고 안쪽 외주 제한 링은 사이드 채널 컴프레서의 안쪽 영역으로부터 컴프레서 챔버의 분리 및/또는 캡슐화를 달성한다. 또한, 컴프레서 임펠러는 바깥쪽 제한 링의 영역에, 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 외주 환형 칼라부를 포함하며, 이 외주 환형 칼라부는 특히 회전축에 대해 반경 방향으로 연장되며, 하나 이상의 외주 환형 칼라부는 회전축의 반대 방향으로 향해 있는 바깥쪽 제한 링의 측면에서 연장된다. 이런 방식으로, 기상 매체의 유동, 특히 재순환 유동이 단지 회전축에 대해 축 방향으로만 이송 셀 쪽으로, 그리고 그로부터 유동하고 그에 따라 하나 이상의 사이드 채널과 이송 셀 사이에서 단지 기상 매체의 축 방향 이동만이 나타날 수 있다는 장점이 달성될 수 있다. 이는, 기상 매체의 유동이 단지 의도되는 영역에서만, 요컨대 사이드 채널과 이송 셀 사이에서만 나타난다는 장점을 제공한다. 기상 매체의 개선된 이송 및 압축을 야기하지 않는 사이드 채널 컴프레서의 다른 영역들과 매체의 마찰로 인한 마찰 손실은 최대한 가능한 정도로 감소되고, 그리고/또는 방지될 수 있으며, 그럼으로써 사이드 채널 컴프레서의 효율은 증가된다. 더 나아가, 마찰로 인한 기상 매체의 의도되지 않는 온도 상승은 감소될 수 있다. 또 다른 달성 가능한 장점은 하우징 내에서 바깥쪽 영역 및/또는 안쪽 영역까지 하나 이상의 사이드 채널, 및/또는 이송 셀의 적어도 부분적인 캡슐화가 수행된다는 점이다.
바람직한 방법에 따라서, 스테이터와 로터 사이에서 회전 자계가 형성되지 않고 그에 따라 회전축을 중심으로 로터의 회전 이동이 전혀 나타나지 않거나 매우 적게 나타나는 방식으로, 스테이터로의 전류 공급이 수행된다. 이 경우, 스테이터는, 스테이터의 코일들로 단시간 전류 공급하는 동안, 특히 열 에너지로서 방출되는 발생하는 전력 손실로 인해 예열된다. 그런 다음, 열 에너지는 스테이터에서부터 사이드 채널 컴프레서의 추가 부품들로 전파된다. 그 외에도, 또 다른 가능한 실시형태에서, 바람직한 방법에 의해, 스테이터로의 전류 공급은, 로터의 유도 가열을 야기하고, 특히 열 에너지 전달은 로터에서부터 컴프레서 임펠러 상으로 수행되며, 로터에서부터 기인하는 열은 흐름 방향으로 컴프레서 임펠러의 안쪽 제한 링 및 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 환형 칼라부의 축 방향 단부들의 영역 내로 전파되는 방식으로 실행될 수 있다. 이런 방식으로, 스테이터로의 전류 공급을 통해, 회전 자계가 존재하지 않는 조건에서, 로터의 가열이 나타나고, 이를 위해 특히 유도의 효과가 이용된다는 장점이 달성될 수 있다. 이 경우, 특히 열 전도성 재료로 구성되는 로터는 가열되며, 이는 특히 사이드 채널 컴프레서 및/또는 차량의 냉간 시동 절차에서 바람직하다. 이 경우, 로터는 가열되며, 그리고 예컨대 자신의 열 전도성을 기반으로 열 에너지를 컴프레서 임펠러로 전달한다. 이 경우, 열 에너지 전달은 흐름 방향으로 컴프레서 임펠러와 하우징 사이의, 얼음 브리지들이 형성된 영역 내로 수행된다. 상기 얼음 브리지들은 존재하는 액체로 인해, 특히 연료 전지 시스템의 작동 동안 형성되어 특히 컴프레서 임펠러와 하우징 사이의 작은 간극을 갖는 영역에서 집수되는 물로 인해 발생한다. 특히 상대적으로 오랜 기간에 걸쳐, 그리고/또는 빙점 이하의 낮은 주변 온도 조건에서 사이드 채널 컴프레서 및/또는 차량의 차단 동안, 액체는 동결되고, 얼음 브리지들이 형성된다. 이런 얼음 브리지들은, 사이드 채널 컴프레서를 가동 시작하고, 그리고/또는 시동할 때, 사이드 채널 컴프레서의 손상을 야기할 수 있고, 그리고/또는 차단을 통해 하우징 내에서 컴프레서 임펠러의 회전을 방해할 수 있다. 또한, 컴프레서 임펠러를 가동 시작할 때, 이송 방향에서 사이드 채널 컴프레서, 및/또는 연료 전지의 하류에 있는 부품들, 특히 연료 전지의 멤브레인을 손상시킬 수 있는 모서리가 뾰족한 얼음 조각들이 방출되는 파열이 야기될 수 있다. 이 경우, 로터의 가열을 통해, 컴프레서 임펠러, 그리고 특히 두 부분 모두 하우징까지 각각 작은 이격 간격, 특히 작은 간극을 형성하는 안쪽 제한 링 및 바깥쪽에 위치하는 환형 칼라부의 영역이 가열된다. 그렇게 하여, 얼음 브리지들은 용해되고 액체는 고체 응집 상태에서 액체 응집 상태로 변환되어, 예컨대 연료 전지 시스템 내에 제공되어 있는 퍼지 밸브 및/또는 배수 밸브에 의해 배출될 수 있다. 이런 방식으로, 사이드 채널 컴프레서 및/또는 연료 전지 시스템의 유효 수명은 증가될 수 있다.
특히 바람직한 방법에 따라서, 스테이터로의 전류 공급에 의해 회전축의 방향으로 로터 상에 작용하는 축 방향 힘이 야기되며, 그럼으로써 로터는 회전축의 방향으로 이동되며, 그리고 전기 전류 공급 출력을 가변하고, 그리고/또는 반전하는 것을 통해서는 흔들림 이동이 야기된다. 이 경우, 로터의 흔들림 이동을 통해, 컴프레서 임펠러와 하우징 상부 부재 및/또는 하우징 하부 부재 사이에서, 특히 컴프레서 임펠러의 안쪽 제한 링 및 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 환형 칼라부의 축 방향 단부들의 영역에서, 회전축의 방향으로 연장되는 이격 간격의 교호적인 증가 및 감소가 야기된다. 이런 방식으로, 특히 상대적으로 오랜 기간에 걸쳐, 그리고/또는 빙점 이하의 낮은 주변 온도 조건에서 사이드 채널 컴프레서의 차단 동안 형성될 수 있고 컴프레서 임펠러와 하우징 사이에서 발생하는 얼음 브리지들이 로터의 흔들림 이동을 통해 파괴된다는 장점이 달성된다. 따라서, 예컨대 얼음 결정들로 구성되는 얼음 브리지들은, 로터 및/또는 컴프레서 임펠러가 흔들림 이동을 실행하고, 그리고/또는 로터가 회전축의 방향으로 왕복 이동됨으로써 파괴된다. 이 경우, 바람직하게는, 동결된 액체의 결정 구조는 컴프레서 임펠러의 흔들림 이동 또는 왕복 이동을 통해 매우 효율적으로 제거되고, 그리고/또는 파괴된다. 따라서, 바람직한 방법을 통해, 한편으로 사이드 채널 컴프레서의 냉간 시동 능력은 개선될 수 있다. 다른 한편으로는, 얼음 브리지들의 거의 완전한 제거가 달성될 수 있기 때문에, 사이드 채널 컴프레서 및/또는 전체 연료 전지 시스템의 고장 확률은 감소될 수 있다.
본 발명은 하기에서 도면에 따라서 보다 상세하게 기술된다.
도 1은 제1 실시예에 따르는 본 발명에 따른 사이드 채널 컴프레서를 도시한 개략적 단면도이다.
도 2는 도 1에서 A-A로 표시된 사이드 채널 컴프레서의 단면을 도시한 확대도이다.
도 3은 제2 실시예에 따르는 사이드 채널 컴프레서에서 잘라낸 부분이면서 도 1에서 II로 표시된 상기 부분을 도시한 확대도이다.
도 4는 제2 실시예에 따르는 컴프레서 임펠러, 하우징 및 로터에서 잘라낸 부분이면서 도 3에서 III로 표시된 상기 부분을 도시한 도면이다.
도 1에 따른 도면에서는, 본 발명에 따라 제안되고 회전축(4)에 대해 회전 대칭형으로 형성되는 사이드 채널 컴프레서(1)를 절단한 종단면도가 추론된다.
이 경우, 사이드 채널 컴프레서(1)는, 특히 폐쇄된 디스크형 컴프레서 임펠러(2)로서 형성되어 수평으로 연장되는 회전축(4)을 중심으로 회전 가능하게 하우징(3) 내에 장착되는 컴프레서 임펠러(2)를 포함한다. 이 경우, 구동부(6), 특히 전기 구동부(6)는 컴프레서 임펠러(2)의 회전 구동부(6)로서 이용된다. 이 경우, 구동부(6)는 특히 축 방향 필드 전기 모터(6)로서 형성되며, 상기 축 방향 필드 전기 모터는 스테이터(12)와 로터(10)를 포함하며, 스테이터(12)와 로터(10)는 디스크 형태로 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 형성되며, 스테이터(12)는 회전축(4)의 방향으로 로터(10)의 옆에 배치된다. 이 경우, 디스크 형태로 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 에어갭(9)은, 스테이터(12)와 로터(10) 사이에서, 에어갭(9)이 단지 회전축(4)의 일측 방향에서만 스테이터(12)에 의해 한정되고 회전축(4)의 타측 방향에서는 로터(10)에 의해 한정되는 방식으로 형성된다. 또한, 디스크형 로터(10)는 회전축(4)에 대해 축 방향으로 컴프레서 임펠러(2)의 옆에 배치되며, 특히 컴프레서 임펠러(2)의 허브 디스크(13) 상에 배치되며, 로터(10)는 컴프레서 임펠러(2)와 강제 결합식으로, 그리고/또는 형상 결합식으로, 그리고/또는 재료 결합식으로 연결된다. 또한, 스테이터(12)는, 작동 동안, 특히 컴프레서 임펠러의 높은 회전 속도를 갖는 작동, 및/또는 스테이터가 높은 정도의 전력 손실 및 손실 열을 생성하는 스테이터(12)의 작동 상태 동안 스테이터(12)의 가열을 감소시키기 위해, 냉각 채널들, 특히 회전축(4)의 방향으로 연장되는 냉각 채널들을 포함할 수 있다. 그 외에도, 스테이터는 자석 및/또는 자기 부품들, 특히 영구자석을 포함할 수 있다. 로터 및/또는 컴프레서 임펠러에 대한 영구자석의 자기 작용을 통해, 베어링은, 스위치 오프된 축 방향 필드 전기 모터에서도, 영구적으로 예압된 상태로 존재한다. 이 경우, 컴프레서 임펠러 및/또는 로터는, 컴프레서 임펠러가 스테이터 쪽으로 회전축의 방향으로 끌어 당겨지는 방식으로 스테이터의 자석과 상호작용하는 영구자석들을 포함할 수 있다.
하우징(3)은, 서로 연결되어 있는 하우징 상부 부재(7) 및 하우징 하부 부재(8)를 포함한다. 그에 추가로, 한편으로 외부로부터의 습기 및/또는 오염물의 침입에 대항하여 개선된 캡슐화를 달성하기 위해, 하나 이상의 실링 부재, 특히 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 실링 부재가 하우징 상부 부재(7)와 하우징 하부 부재(8) 사이에 배치될 수 있다. 그러나 다른 한편으로는, 주변환경으로 이송될 매체가 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 이송될 매체의 손실에 대항하여 개선된 캡슐화 역시도 달성된다.
또한, 도 1에는, 디스크형 로터(10)가, 회전축(4)의 방향으로 연장되는 원통형 견부(29)를 포함하고, 원통형 견부(29)는 스테이터(12)의 반대 방향으로 향해 있는 로터(10)의 측면에 배치되며, 원통형 견부(29)의 외경의 외부면은 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 점이 도시되어 있다. 또한, 원통형 견부(29)는 자신의 내경에서 베어링(27)의 외경과 접촉하고 자신의 외경에서는 컴프레서 임펠러(2)의 내경과, 특히 컴프레서 임펠러(2)의 허브 디스크(13)와 접촉하며, 베어링(27)에 대한, 그리고/또는 컴프레서 임펠러(2)에 대한 원통형 견부(29)의 접촉은 특히 압입 끼워 맞춤부에 의해 강제 결합식으로 수행된다. 또한, 하우징 하부 부재(8)는 원통형 베어링 핀(36)을 포함하며, 베어링 핀(36)은, 자신의 외부면이 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 회전축(4)의 방향으로 연장되며, 그리고 특히 홈붙이 볼 베어링(27)으로서 형성되는 베어링(27)은 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 자신의 내경으로 베어링 핀(36)의 외부면과 접촉한다.
또한, 컴프레서 임펠러(2)는 외면에서 허브 디스크(13)에 이어지는 이송 셀(28)을 형성한다. 컴프레서 임펠러(2)의 상기 이송 셀(28)은 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 하우징(3)의 외주 컴프레서 챔버(30) 내에서 연장되며, 컴프레서 임펠러(2) 및/또는 이송 셀(28)은 각각 바깥쪽에 위치하는 주연 상에 바깥쪽 외주 제한 링(11)을 포함하며, 특히 바깥쪽 제한 링(11)은, 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 이송 셀의 외경에서 이송 셀(28)을 한정한다. 그 외에도, 컴프레서 임펠러(2)는 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 안쪽 제한 링(17)을 포함하며, 안쪽 제한 링(17)은 컴프레서 임펠러(2) 상의 외주 컴프레서 챔버(30)의 내경 상에 형성되어, 사이드 채널 컴프레서(1)의 안쪽 영역(32)으로부터 컴프레서 챔버(30)의 분리 및/또는 캡슐화를 달성한다. 그와 반대로, 바깥쪽 제한 링(11)은 사이드 채널 컴프레서(1)의 바깥쪽 영역(34)으로부터 컴프레서 챔버(30)의 분리 및/또는 캡슐화를 달성한다. 또한, 컴프레서 임펠러(2)는, 예컨대 수소와 같은 이송될 매체의 촉진 및/또는 압축을 위해, 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라서, 특히 안쪽 제한 링(17)과 바깥쪽 제한 링(11) 사이의 영역 내에 복수의 블레이드 베인(5)을 형성한다. 이 경우, 컴프레서 임펠러(2)는, 2개의 인접한 블레이드 베인들(5) 사이의 컴프레서 챔버(30)의 영역 내에 각각 이송 셀(28)을 형성하며, 이 이송 셀은 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 안쪽을 향해 안쪽 외주 제한 링(17)을 통해 한정된다. 하우징(3), 특히 하우징 상부 부재(7) 및/또는 하우징 하부 부재(8)는, 컴프레서 챔버(30)의 영역 내에 하나 이상의 외주 사이드 채널(19)을 포함한다. 이 경우, 사이드 채널(19)은, 이송 셀(28)에 대해 축 방향으로 일측에서, 또는 양측에서 연장되는 방식으로, 하우징(3) 내에서 회전축(4)의 방향으로 연장된다. 이 경우, 사이드 채널(19)은 적어도 하우징(3)의 부분 영역에서 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장될 수 있으며, 하우징(3) 내에 사이드 채널(19)이 형성되어 있지 않은 부분 영역에서는 인터럽트 영역(15)이 하우징(3) 내에 형성된다(도 2 참조).
도 1에 도시된 축 방향 필드 전기 모터(6)는, 스테이터(12)가 적어도 부분적으로 컵 모양의 실링 부재(18)에 의해 에워싸이는 방식으로 형성되며, 컵 모양의 실링 부재(18)는 특히 스테이터(12)의 플라스틱 인서트 몰딩부(18)로서 형성되며, 그리고 실링 부재(18)는 컴프레서 챔버(30)의 매체, 특히 수소로부터 사이드 채널 컴프레서(1)의 전기 컴포넌트들, 특히 스테이터(12)의 캡슐화를 달성한다. 그에 추가로, 예컨대 물과 같은 또 다른 액체들에 대항하는 전기 컴포넌트들의 캡슐화도 달성될 수 있다. 이 경우, 컵 모양의 실링 부재(18)는 예컨대 탄성중합체와 같은 탄성 재료로 구성될 수 있으며, 실링 부재(18)는 추가의 구조 강화 재료들을 포함할 수 있다. 실링 부재(18)의 탄성적인 형성을 통해, 캡슐화 작용은 개선되는데, 그 이유는 실링 부재가 사이드 채널 컴프레서(1)의 주변 부품들 상에 최적으로 안착될 수 있고, 그리고/또는 상기 주변 부품들과 접촉하기 때문이다.
또한, 구동부(6)는 구동부 하우징(24)에 의해 에워싸이며, 그리고 그에 따라 사이드 채널 컴프레서(1)의 바깥쪽 영역에 대해 캡슐화된다. 이 경우, 구동부 하우징(24)은 하우징(3), 특히 하우징 상부 부재(7)와 접촉하며, 구동부 하우징(24)은 예컨대 형성된 단차부(step)를 통해 회전축(4)에 대해 축 방향으로 연장되는, 하우징(3)과의 2개 이상의 접촉면을 형성하며, 그리고 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 연장되는, 하우징(3)과의 하나 이상의 접촉면을 형성한다. 그 외에도, 단차부를 통해, 특히 조립 동안, 하우징(3)에 대한 구동부 하우징(24)의 정렬 및/또는 센터링이 가능하다. 그에 추가로, 하나 이상의 실링 부재, 특히 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 실링 부재는 구동부 하우징(24)과 하우징(3) 사이에 배치될 수 있으며, 하나 이상의 실링 부재는 예컨대 O 링이다. 더 나아가, 구동부 하우징(24)은 자신의 표면 상에 냉각 리브들(33)(cooling rib)을 포함할 수 있으며, 이 냉각 리브들은 주변 환경으로의 열 에너지의 개선된 소산을 달성한다. 열은, 구동부(6) 내에서, 컴프레서 임펠러(2)를 구동함으로써, 특히 마찰 열, 또는 유도 자기 열로서 존재하는 과도한 열 에너지가 생성되는 방식으로 발생한다. 이런 열은 구동부(6)의 냉각 리브들(33)을 기반으로 상대적으로 더 신속하게 주변 환경으로 소산될 수 있는데, 그 이유는 구동부(6)가 냉각 리브들(33)을 통해 확대된 표면을 보유하기 때문이다.
또한, 하우징(3), 특히 하우징 하부 부재(8)는 기체 유입 개구부(14) 및 기체 유출 개구부(16)를 형성한다. 이 경우, 기체 유입 개구부(14) 및 기체 유출 개구부(16)는 특히 하나 이상의 사이드 채널(19)을 통해 상호 간에 유체로 연결된다. 토크는 구동부(6)로부터 로터(10)를 경유하여 컴프레서 임펠러(2)로 전달된다. 이 경우, 컴프레서 임펠러(2)는 회전 이동되며, 그리고 이송 셀(28)은 회전 이동 중에 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라서 하우징(3) 내의 컴프레서 챔버(30)를 통과하여 회전 방향(20)의 방향으로 이동된다(도 2 참조). 이 경우, 이미 컴프레서 챔버(30) 내에 있는 기상 매체는 이송 셀(28)을 통해 함께 이동되고 이와 동시에 이송되고, 그리고/또는 압축된다. 그 외에도, 이송 셀(28)과 하나 이상의 사이드 채널(19) 사이에서 기상 매체의 이동, 특히 유동 교환이 일어난다. 또한, 특히 연료 전지에서 기인하는 미사용된 재순환 매체인 기상 매체는 기체 유입 개구부(14)를 경유하여 사이드 채널 컴프레서(1)의 컴프레서 챔버(30) 내로 유입되고, 그리고/또는 사이드 채널 컴프레서(1)로 공급되고, 그리고/또는 기체 유입 개구부(14)의 상류에 배치되는 영역에서부터 흡입된다. 이 경우, 기상 매체는 사이드 채널 컴프레서(1)의 기체 유출 개구부(16)를 통과 완료한 후에 배출되며, 그리고 특히 연료 전지 시스템의 이젝터 펌프 쪽으로 유동한다.
로터(10)는 예시의 실시형태에서 하나 이상의 자석, 특히 영구자석을 포함하는 반면, 스테이터(12)는 코일 포머(12)(coil former)로서 형성되고, 그리고/또는 스테이터(12)는 하나 이상의 자석, 특히 영구자석 역시도 포함한다. 이 경우, 코일 포머(12)는 상이한 개수의 권선들을 포함할 수 있으며, 권선들은 특히 예컨대 구리로 구성되어 공간적으로 오프셋 된 권선 루프들(winding loop)이다. 그 외에도, 스테이터(12)는, 사이드 채널 컴프레서(1)의 고주파 연속 작동 모드 동안 온도를 제어하고, 그리고/또는 감소시킬 수 있도록 하기 위해, 냉각부를 포함할 수 있다. 구동부(6)를 축 방향 필드 전기 모터(6)로서 형성하는 것을 통해, 구동부(6) 및 사이드 채널 컴프레서(1)의 조밀한 구조 형상이 달성된다. 하나 이상의 영구자석을 기반으로, 로터(10)는 지속적으로, 그리고 영구적으로, 특히 스테이터(12)로의 전류 공급이 차단된 경우, 회전축(4)의 방향으로 스테이터(12) 쪽으로, 특히 축 방향 힘(21)에 의해, 특히 자력을 기반으로 끌어 당겨진다. 이 경우, 베어링(27)에는 축 방향 예압이 가해지며, 그럼으로써 홈붙이 볼 베어링(27)은 액시얼 베어링으로서, 그리고/또는 레이디얼 베어링으로서 이용된다. 따라서, 스테이터(12)로의 전류 공급 동안 회전축(4)의 방향으로 로터(10)에 작용하는 축 방향 힘(21)이 생성되며, 그럼으로써 베어링(27), 특히 홈붙이 볼 베어링(27)의 축 방향 예압은 적어도 간접적으로 로터(10)를 통해 달성되게 된다. 또 다른 예시의 실시형태에서, 축 방향 힘(21)은 회전축(4)에 대해 축 방향으로 로터(10)를 스테이터(12)로부터 이격 방향으로 밀착시킬 수 있으며, 베어링(27)의 예압 역시도 야기된다.
도 2에는, 도 1에 A-A로 표시된, 사이드 채널 컴프레서(1)의 단면이 확대도로 도시되어 있으며, 여기에는 하우징 하부 부재(8), 기체 유입 개구부(14), 기체 유출 개구부(16), 인터럽트 영역(15), 사이드 채널(19), [미도시한 컴프레서 임펠러(2)의] 회전 방향(20) 및 제1 외주 실링 부재(29)가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 인터럽트 영역(15)은 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 하우징(3) 내에서 특히 기체 유입 개구부(14)와 기체 유출 개구부(16) 사이에 위치된다. 기상 매체는 컴프레서 임펠러(2)를 통해 이송되고, 그리고/또는 이와 동시에 기체 유입 개구부(14)에서부터 기체 유출 개구부(16) 쪽으로 유동하고 이와 동시에 적어도 부분적으로 사이드 채널(19)을 관류한다. 이 경우, 회전 방향(20)으로 기체 유입 개구부(14)에서부터 기체 유출 개구부(16) 쪽으로 계속 진행되는 회전에 의해 컴프레서 임펠러(2)의 이송 셀(28) 내에서, 그리고 사이드 채널(19) 내에서 기상 매체의 압축 및/또는 압력 및/또는 유동 속도가 증가된다. 인터럽트 영역(15)을 통해서는, 압력 측과 흡입 측의 분리가 달성되며, 흡입 측은 기체 유입 개구부(14)의 영역 내에 위치되고 압력 측은 기체 유출 개구부(16)의 영역 내에 위치된다.
도 3에는, 제2 실시예에 따른 사이드 채널 컴프레서에서 잘라 낸 부분이면서 도 1에서 II로 표시된 상기 부분이 확대도로 도시되어 있다. 이 경우, 제2 실시예에 따라서, 로터(10)는 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 거의 완전하게 컴프레서 임펠러(2)의 내경의 영역 내에 배치되며, 그럼으로써 디스크형 로터(10)의 대칭축(22)은 컴프레서 임펠러(2)의 대칭축(22)과 거의 일치하는 방식으로 연장된다. 또한, 이 경우, 로터(10)는 베어링(27)의 외경 및 컴프레서 임펠러(2)의 내경과 접촉하며, 로터(10)는 회전축(4)에 대해 축 방향으로 연장되는 결합 영역(23)에서 컴프레서 임펠러(2)와 함께 접촉 영역을 형성한다.
더 나아가, 컴프레서 임펠러(2)는 바깥쪽 제한 링(11)의 영역에 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 외주 환형 칼라부(48a, b)를 포함하며, 이 외주 환형 칼라부는 특히 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 연장된다. 그 외에도, 하나 이상의 외주 환형 칼라부(48a, b)는 회전축(4)의 반대 방향으로 향해 있는 바깥쪽 제한 링(11)의 측면에서 연장된다. 이 경우, 하나 이상의 사이드 채널(19)은 사이드 채널 컴프레서(1)의 하우징(3) 내에서 바깥쪽을 향해 바깥쪽 제한 링(11) 및/또는 하나 이상의 외주 환형 칼라부(48a, b)를 통해 한정된다. 또한, 하나 이상의 사이드 채널(19)은 사이드 채널 컴프레서(1)의 하우징(3) 내에서 안쪽을 향해 안쪽 제한 링(17)을 통해 한정된다. 컴프레서 임펠러가 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 외주 환형 칼라부(48a, b) 및/또는 안쪽 제한 링(17)으로, 적어도 중간 매체, 특히 이송될 매체를 통해 하우징 상부 부재(7) 및/또는 하우징 하부 부재(8)와 접촉함으로써, 이송 셀들(28)의 영역에서 컴프레서 임펠러(2)의 개선된 가이드가 달성될 수 있다. 이 경우, 매체는 컴프레서 임펠러(2)와 하우징(3) 간의 잔여 간극(residual gap)을 형성하며, 매체는 점점 더 작아지는 잔여 간극에서 압축되고 이와 동시에 증가된 압력에 의해, 회전 방향으로 컴프레서 임펠러의 개선된 가이드에 기여하는 힘을 컴프레서 임펠러에 야기한다. 이런 원리는 특히 완충을 위한, 그리고/또는 반력의 야기를 위한 공기쿠션의 원리와 유사하다. 이는, 예컨대 연료 전지 시스템 내에서 압력 피크 또는 발생하는 정체 압력으로 인해 사이드 채널 컴프레서(1)의 작동 동안 강한 충돌 및 충격이 발생할 때 특히 바람직하며, 그럼으로써 예컨대 사이드 채널 컴프레서의 유효 수명은 증가될 수 있게 된다. 그렇게 하여, 베어링(27) 및/또는 구동부(6)의 하중 재하(loading)는 감소될 수 있다.
또한, 특히 냉간 시동 절차 동안 가열된 로터(10)에서 기인하는 열의 흐름 방향(IV)은 도 3에 도시되어 있다. 상대적으로 오랜 정지 시간 및/또는 저온의 주변 온도 후에 사이드 채널 컴프레서(1)의 시동 시작이 수행되는 사이드 채널 컴프레서(1)의 냉간 시동을 위한 상기 방법의 범위에서, 로터(10) 및 컴프레서 임펠러(2)의 가열은 하우징(3)으로 향해 있는 영역들에서 수행된다. 이 경우, 스테이터(12)와 로터(10) 사이에서 회전 자계가 형성되지 않고 그에 따라 회전축(4)을 중심으로 로터(10)의 회전 이동이 전혀 나타나지 않거나 매우 적게 나타나는 방식으로, 스테이터(12)로의 전류 공급이 수행된다. 스테이터(12)로의 전류 공급에 의해 로터(10)의 유도 가열이 야기되고, 열 에너지 전달은 로터(10)에서부터 컴프레서 임펠러(2) 상으로 수행되며, 로터(10)에서 기인하는 열은 흐름 방향(IV)으로 컴프레서 임펠러(2)의 안쪽 제한 링(17) 및 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 환형 칼라부(48)의 축 방향 단부들의 영역 내로 전파된다. 이 경우, 하우징(3)까지 작은 간극을 형성하는 컴프레서 임펠러(2)의 영역들, 환형 칼라부(48a, b) 및 안쪽 제한 링(17)이 가열된다.
도 4에는, 제2 실시예에 따른 컴프레서 임펠러(2), 하우징(3) 및 로터(10)에서 잘라낸 부분이면서 도 3에서 III로 표시된 상기 부분이 도시되어 있다. 여기서는, 특히 하우징(3)으로 향해 있으며, 그리고 하우징(3)과 함께 작은 간극을 형성하는 컴프레서 임펠러(2)의 영역이 도시되어 있다. 도 4에 예시로서 도시된 잘라 낸 부분과 관련하여, 이는 회전축(4)에 대해 축 방향으로 하우징(3)으로 향해 있는 안쪽 제한 링(17)의 부분이기는 하지만, 그러나 이는 회전축에 대해 축 방향으로, 그리고/또는 반경 방향으로 하우징(3)으로 향해 있을 수 있으면서 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 환형 칼라부(48)와 관계될 수도 있다.
사이드 채널 컴프레서(1) 및/또는 차량의 차단 및/또는 정지 동안, 작은 간극을 형성하는 컴프레서 임펠러(2)와 하우징(3) 사이의 영역들 내에는, 사이드 채널 컴프레서(1)의 이송될 매체에서 기인하는 액체가 포집되는 효과가 발생할 수 있다. 상기 액체는 특히 물일 수 있다. 액체는 모세관 효과를 기반으로 컴프레서 임펠러(2)와 하우징(3) 사이에 작은 간극을 포함한 영역들 내에 포집된다. 모세관 효과 및/또는 소위 모세관 작용에 의해, 액체는, 간극들 또는 중공부들과 접촉 시, 특히 상기 간극들 또는 중공부들이 상호 간에 작은 이격 간격을 가질 때, 상기 영역들 내에 포집된다. 이런 효과들은 액체 자체의 표면 장력, 및 액체와 고체 표면 간의 경계면 장력을 통해 야기된다. 이제, 낮은 주변 온도로 인해, 상기 액체는, 액체에서 고체로 응집 상태의 적어도 부분적인 전이가 발생하는 방식으로 냉각될 수 있다. 이 경우, 액체가 물인 예시의 사례에서, 부품들 사이에 물 결정들 및 소위 얼음 브리지들(25)이 형성될 수 있다. 이런 얼음 브리지들(25)은, 하우징(3) 내에서 컴프레서 임펠러(2)의 회전이 방지되게 할 수 있는데, 그 이유는 얼음 브리지들(25)을 통해 하우징(3) 내에서 컴프레서 임펠러(2)의 파지가 야기되기 때문이다. 이는, 사이드 채널 컴프레서(2) 및 그에 따른 연료 전지 시스템의 전체 고장으로 이어질 수 있으며, 그런 까닭에 예컨대 연료 전지 차량은 더 이상 시동되지 않을 수도 있게 된다. 또한, 얼음 브리지들(25)의 사전 용해 없이 컴프레서 임펠러에서 파열되는 경우, 얼음 결정들이 긁어내어져 연료 전지 시스템의, 하류에 배치된 컴포넌트들에 도달할 수 있으며, 얼음 결정들은 자신들의 표준 구조로 인해 상기 컴포넌트들을 손상시킬 수도 있다.
상기 손상을 방지하기 위해, 그리고 낮은 온도에서 컴프레서 임펠러(2)의 회전을 보장하기 위해, 얼음 브리지들(25)을 용해하기 위한 방법이 제안된다. 이 경우, 얼음 브리지들(25)은 열 에너지를 공급받아 액체 응집 상태로 변환된다. 이를 달성하기 위해, 사이드 채널 컴프레서의 시동, 특히 냉간 시동 및/또는 차단을 위한 방법이 제안된다. 상기 방법의 경우, 스테이터(12)와 로터(10) 사이에서 회전 자계가 형성되지 않고 그에 따라 회전축(4)을 중심으로 로터(10)의 회전 이동이 전혀 나타나지 않거나 매우 적게 나타나는 방식으로, 스테이터(12)로의 전류 공급이 수행된다. 스테이터(12) 내로 유도되는 거의 전체 전기 에너지는 자기 유도에 의해 로터(10), 특히 영구자석(10) 내로 전달되지만, 그러나 상기 에너지는 단지 적은 부분만 임계 에너지로 로터(10) 및/또는 컴프레서 임펠러(2)의 가속을 위해, 그리고 로터(10) 및/또는 컴프레서 임펠러(2)의 회전 이동의 생성을 위해 이용된다. 이 경우, 스테이터(12)로의 전류 공급은 로터(10)의 유도 가열을 야기하고, 열 에너지 전달은 로터(10)에서부터 컴프레서 임펠러(2) 상으로 수행되며, 로터(10)에서 기인하는 열은 흐름 방향(IV)에서 컴프레서 임펠러(2)의 안쪽 제한 링(17) 및 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 환형 칼라부(48)의 축 방향 단부들의 영역 내로 전파된다. 따라서, 스테이터(12) 내로 유도된 전기 에너지 대부분은 열 에너지로 변환되어 로터(10)의 가열을 위해 이용된다.
그렇게 하여, 컴프레서 임펠러(2)는 다시 회전 이동되게 된다. 사이드 채널 컴프레서(2) 내에서 얼음 브리지들(25)의 용해 후에 발생할 수 있는 액체는 이제 예컨대 연료 전지 시스템 내에 제공되어 있는 퍼지 밸브 및/또는 배수 밸브에 의해 배출될 수 있다. 이런 방식으로, 사이드 채널 컴프레서(1) 및/또는 연료 전지 시스템의 유효 수명은 증가될 수 있다.
또한, 사이드 채널 컴프레서(1)의 바람직한 형성을 기반으로, 얼음 브리지들(25)이 기계적 힘을 기반으로 방지되고, 그리고/또는 파괴될 수 있는 방법도 제안된다. 상기 방법의 경우, 스테이터(12)로의 전류 공급이 수행되고, 그럼으로써 로터(10)에 작용하는 축 방향 힘(21)이 회전축(4)의 방향으로 야기되게 된다. 로터(10), 그리고 이 로터(10)와 함께 컴프레서 임펠러(2)가 회전축(4)의 방향으로 이동되고, 전기 전류 공급 출력을 가변하고, 그리고/또는 반전하는 것을 통해서는 흔들림 이동(V)이 야기됨으로써, 컴프레서 임펠러(2)와 하우징(3) 간의 간극은 로터(10) 및 컴프레서 임펠러(2)의 흔들림 이동(V)의 범위에서 확대되고 축소된다. 따라서, 로터(10)의 흔들림 이동(V)을 통해, 컴프레서 임펠러(2)와 하우징 상부 부재(7) 및/또는 하우징 하부 부재(8) 사이에서, 특히 컴프레서 임펠러(2)의 안쪽 제한 링(17) 및 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 환형 칼라부(48)의 축 방향 단부들의 영역에서, 회전축(4)의 방향으로 연장되는 이격 간격의 교호적인 증가 및 감소가 야기된다. 이런 흔들림 이동(V), 그리고 하우징 상부 부재(7) 및/또는 하우징 하부 부재(8)까지의 컴프레서 임펠러(2)의 이격 간격 변화를 통해, 안쪽 제한 링(17) 상에서 반경 방향 및 축 방향으로 형성되어 하우징 상부 부재(7) 및/또는 하우징 하부 부재(8)와 접촉해 있는 얼음 브리지들(25)은 도 4에 도시된 것처럼 파괴된다. 또한, 상기 흔들림 이동(V), 그리고 하우징 상부 부재(7) 및/또는 하우징 하부 부재(8)까지의 컴프레서 임펠러(2)의 이격 간격 변화를 통해, 하나 이상의 환형 칼라부(48) 상에서 반경 방향 및 축 방향으로 형성되어 하우징 상부 부재(7) 및/또는 하우징 하부 부재(8)와 접촉해 있는 얼음 브리지들(25)은 파괴된다.
본 발명은 본원에서 기술되는 실시예들 및 이 실시예들에서 강조되는 양태들로 제한되지 않는다. 오히려, 청구범위를 통해 명시되는 범위 이내에서, 통상의 기술자의 행위의 범위 이내에 있는 다수의 변형도 가능하다.

Claims (15)

  1. 기체, 특히 수소의 이송 및/또는 압축을 위한 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1)로서,
    하우징 상부 부재(7) 및 하우징 하부 부재(8)를 구비한 하우징(3)과; 구동부(6)와; 하나 이상의 외주 사이드 채널(19)을 구비하여 하우징(3) 내에서 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 컴프레서 챔버(30)와; 하우징(3) 내에 위치하고 회전축(4)을 중심으로 회전 가능하게 배치되어 구동부(6)를 통해 구동되는 컴프레서 임펠러(2)이며, 자신의 주연 상에는 컴프레서 챔버(30)의 영역 내에 배치되는 블레이드 베인들(5)을 포함하는 상기 컴프레서 임펠러(2)와; 하우징(3) 상에 형성되어 컴프레서 챔버(30), 특히 하나 이상의 사이드 채널(19)을 통해 상호 간에 유체로 연결되어 있는 각각 하나의 기체 유입 개구부(14) 및 기체 유출 개구부(16)를; 포함하는 상기 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서에 있어서,
    구동부(6)는, 스테이터(12) 및 로터(10)를 포함하는 축 방향 필드 전기 모터(6)로서 형성되며, 스테이터(12)와 로터(10)는 디스크 형태로 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 형성되며, 그리고 스테이터(12)는 회전축(4)의 방향으로 로터(10)의 옆에 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  2. 제1항에 있어서, 디스크 형태로 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 에어갭(9)은, 스테이터(12)와 로터(10) 사이에서, 상기 에어갭(9)이 단지 회전축(4)의 일측 방향에서만 스테이터(12)에 의해 한정되고 회전축(4)의 타측 방향에서는 로터(10)에 의해 한정되는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 디스크형 로터(10)는 회전축(4)에 대해 축 방향으로 컴프레서 임펠러(2)의 옆에 배치되며, 특히 컴프레서 임펠러(2)의 허브 디스크(13) 상에 배치되며, 로터(10)는 컴프레서 임펠러(2)와 강제 결합식으로, 그리고/또는 형상 결합식으로, 그리고/또는 재료 결합식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 디스크형 로터(10)는 회전축(4)의 방향으로 연장되는 원통형 견부(29)를 포함하며, 원통형 견부(29)는 스테이터(12)의 반대 방향으로 향해 있는 로터(10)의 측면에 배치되며, 원통형 견부(29)의 외경의 외부면은 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  5. 제1항에 있어서, 컴프레서 임펠러(2)는 2개의 인접한 블레이드 베인들(5) 사이의 컴프레서 챔버(30)의 영역에 각각 하나의 이송 셀(28)을 형성하고, 상기 이송 셀은 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 바깥쪽을 향해 바깥쪽 외주 제한 링(11)을 통해, 그리고 안쪽을 향해서는 안쪽 외주 제한 링(17)을 통해 한정되며, 이송 셀(28)은 회전축(4)의 방향으로 하나 이상의 개구부를 포함하며, 바깥쪽 제한 링(11)과 안쪽 제한 링(17)은 각각 회전축(4)에 대해 회전 대칭형으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  6. 제4항에 있어서, 원통형 견부(29)는 자신의 내경에서 베어링(27)의 외경과 접촉하고, 자신의 외경에서는 컴프레서 임펠러(2)의 내경과, 특히 컴프레서 임펠러(2)의 허브 디스크(13)와 접촉하며, 베어링(27) 및/또는 컴프레서 임펠러(2)에 대한 원통형 견부(29)의 접촉은 특히 강제 결합식으로 압입 끼워 맞춤부에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  7. 제6항에 있어서, 하우징 하부 부재(8)는 원통형 베어링 핀(36)을 포함하며, 상기 베어링 핀(36)은, 자신의 외부면이 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 방식으로 회전축(4)의 방향으로 연장되며, 그리고 특히 홈붙이 볼 베어링(27)으로서 형성된 베어링(27)은 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 자신의 내경으로 베어링 핀(36)의 외부면과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 로터(10)는 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 거의 완전하게 컴프레서 임펠러(2)의 내경의 영역 내에 배치되며, 그럼으로써 디스크형 로터(10)의 대칭축(22)은 컴프레서 임펠러(2)의 대칭축(22)과 거의 일치하는 방식으로 연장되며, 그리고 로터(10)는 베어링(27)의 외경 및 컴프레서 임펠러(2)의 내경과 접촉하며, 로터(10)는 회전축(4)에 대해 축 방향으로 연장되는 결합 영역(23)에서 컴프레서 임펠러(2)와 함께 접촉 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스테이터(12)는 적어도 부분적으로 컵 모양의 실링 부재(18)에 의해 에워싸이며, 상기 컵 모양의 실링 부재(18)는 특히 스테이터(12)의 플라스틱 인서트 몰딩부(18)로서 형성되며, 실링 부재(18)는, 컴프레서 챔버(30)의 매체, 특히 수소로부터 사이드 채널 컴프레서(1)의 전기 컴포넌트들, 특히 스테이터(12)의 캡슐화를 달성하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 컴프레서 임펠러(2)는, 회전축(4)을 중심으로 외주를 따라 연장되는 안쪽 제한 링(17)을 포함하며, 상기 안쪽 제한 링(17)은 컴프레서 임펠러(2) 상의 외주 컴프레서 챔버(30)의 내경 상에 형성되어, 사이드 채널 컴프레서(1)의 안쪽 영역(32)으로부터 컴프레서 챔버(30)의 분리 및/또는 캡슐화를 달성하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  11. 제5항에 있어서, 컴프레서 임펠러(2)는 바깥쪽 제한 링(11)의 영역에, 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 외주 환형 칼라부(48a, b)를 포함하며, 상기 외주 환형 칼라부는 특히 회전축(4)에 대해 반경 방향으로 연장되며, 하나 이상의 외주 환형 칼라부(48a, b)는 회전축(4)의 반대 방향으로 향해 있는 바깥쪽 제한 링(11)의 측면에서 연장되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 컴프레서(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 사이드 채널 컴프레서(1)의 시동, 특히 냉간 시동 및/또는 차단을 위한 방법에 있어서,
    스테이터(12)로의 전류 공급은 스테이터(12)와 로터(10) 사이에서 회전 자계가 형성되지 않고 그에 따라 회전축(4)을 중심으로 로터(10)의 회전 이동이 전혀 나타나지 않거나 매우 적게 나타나는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 스테이터(12)로의 전류 공급은 로터(10)의 유도 가열을 야기하고, 열 에너지 전달은 로터(10)에서부터 컴프레서 임펠러(2) 상으로 수행되며, 로터(10)에서 기인하는 열은 흐름 방향(IV)에서 컴프레서 임펠러(2)의 안쪽 제한 링(17) 및 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 환형 칼라부(48)의 축 방향 단부들의 영역 내로 전파되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 스테이터(12)로의 전류 공급은 회전축(4)의 방향으로 로터(10) 상에 작용하는 축 방향 힘(21)을 야기하며, 그럼으로써 로터(10)는 회전축(4)의 방향으로 이동되며, 전기 전류 공급 출력을 가변하고, 그리고/또는 반전하는 것을 통해서는 흔들림 이동(V)이 야기되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 로터(10)의 흔들림 이동(V)은, 컴프레서 임펠러(2)와 하우징 상부 부재(7) 및/또는 하우징 하부 부재(8) 사이에서, 특히 컴프레서 임펠러(2)의 안쪽 제한 링(17) 및 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 환형 칼라부(48)의 축 방향 단부들의 영역에서, 회전축(4)의 방향으로 연장되는 이격 간격의 교호적인 증가 및 감소를 야기하는 것을 특징으로 하는, 방법.
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