KR20210132170A - 연료 전지용 원심 압축기 - Google Patents

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Abstract

연료 전지용 원심 압축기는, 허브 및 복수의 날개를 갖는 임펠러와, 슈라우드를 구비한다. 날개와 자오면이 이루는 각도 중 작은 각도를 날개 각도로 정의한다. 날개의 허브 측의 날개 각도의 절대값은, 날개의 허브 측 전연과 허브 측 후연 사이에서 극소값을 갖는다. 날개의 슈라우드 측의 날개 각도의 절대값은, 날개의 슈라우드 측 전연과 슈라우드 측 후연 사이에서 극소값을 갖는다. 날개의 허브 측의 날개 각도의 절대값은, 허브 측 전연과 허브 측 후연 사이에 있어서 항상 날개의 슈라우드 측의 날개 각도의 절대값 이하이다. 슈라우드 측 후연의 날개 각도의 절대값은, 슈라우드 측 전연의 날개 각도의 절대값보다 작다. 허브 측 후연의 날개 각도의 절대값은, 허브 측 전연의 날개 각도의 절대값보다 크다.

Description

연료 전지용 원심 압축기
본 개시는, 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스를 압축하는 연료 전지용 원심 압축기에 관한 것이다.
최근, 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기에 포함되는 산소를 화학 반응시켜 발전을 실시하는 연료 전지 스택을 구비하는 연료 전지 시스템을 탑재한 차량이 실용화되고 있다. 예를 들어 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택에 공급되는 공기를 압축하는 연료 전지용 원심 압축기를 구비하고 있다.
연료 전지용 원심 압축기는, 공기를 압축하는 임펠러를 구비하고 있다. 임펠러는, 회전축과 일체적으로 회전하는 허브, 및 허브의 둘레 방향으로 배열된 복수의 날개를 가지고 있다. 또, 연료 전지용 원심 압축기는, 허브에 대향하도록 배치됨과 함께 임펠러를 수용하는 임펠러실을 형성하는 슈라우드를 구비하고 있다.
일본 공개특허공보 2010-144537호
그런데, 연료 전지 시스템에 있어서는, 예를 들어, 연료 전지 스택에 공기가 과잉으로 공급되면, 연료 전지 스택 내의 습도는 저하한다. 그렇다고 해도, 연료 전지 스택에 공급되는 공기가 소유량인 경우여도, 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 압력이 낮으면, 연료 전지 스택 내의 습도는 저하하기 쉬워진다. 연료 전지 스택 내의 습도의 저하는, 연료 전지 스택의 발전 효율의 저하를 초래한다. 따라서, 연료 전지 스택의 발전 효율을 유지하기 위해서는, 연료 전지 스택에 공급되는 공기가 소유량일 때, 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 압력이 높을 것이 요구된다.
그러나, 연료 전지용 원심 압축기에서는, 날개를 따라 흐르는 공기가 소유량일 때, 날개를 따르는 공기의 흐름에 역류가 생기는 서징이 발생한다는 문제가 있다. 특히, 날개를 따라 흐르는 공기가 소유량일 때 토출 압력이 높으면, 서징이 발생하기 쉽다. 서징이 발생하면, 연료 전지용 원심 압축기의 운전이 불안정하게 되어 버린다.
본 개시의 목적은, 날개를 따라 흐르는 산화제 가스가 소유량이고, 또한 토출 압력이 높을 때의 서징의 발생을 억제할 수 있는 연료 전지용 원심 압축기를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하는 연료 전지용 원심 압축기는, 회전축과 일체적으로 회전하는 허브, 및 상기 허브의 둘레 방향으로 배열된 복수의 날개를 가짐과 함께 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스를 압축하도록 구성되는 임펠러와, 상기 허브에 대향하도록 배치됨과 함께 상기 임펠러를 수용하는 임펠러실을 형성하는 슈라우드를 구비한다. 상기 날개와 자오면이 이루는 각도 중 작은 각도를 날개 각도로 정의한다. 상기 날개의 상기 허브 측의 날개 각도의 절대값은, 상기 날개의 허브 측 전연과 허브 측 후연 사이에서 극소값을 갖는다. 상기 날개의 상기 슈라우드 측의 날개 각도의 절대값은, 상기 날개의 슈라우드 측 전연과 슈라우드 측 후연 사이에서 극소값을 갖는다. 상기 날개의 상기 허브 측의 날개 각도의 절대값은, 상기 허브 측 전연과 상기 허브 측 후연 사이에 있어서 항상 상기 날개의 상기 슈라우드 측의 날개 각도의 절대값 이하이다. 상기 슈라우드 측 후연의 날개 각도의 절대값은, 상기 슈라우드 측 전연의 날개 각도의 절대값보다 작다. 상기 허브 측 후연의 날개 각도의 절대값은, 상기 허브 측 전연의 날개 각도의 절대값보다 크다.
도 1 은 일 실시형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 개략 구성도이다.
도 2 는 연료 전지용 원심 압축기의 일부분을 나타내는 측단면도이다.
도 3 은 임펠러의 자오면 형상을 나타내는 도면이다.
도 4 는 날개 각도와 무차원 자오선 길이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 연료 전지용 원심 압축기의 압력비와 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 연료 전지용 원심 압축기를 구체화한 일 실시형태를 도 1 ~ 도 5 에 따라 설명한다. 본 실시형태의 연료 전지용 원심 압축기는, 예를 들어, 연료 전지차 등의 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템에 사용된다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 시스템 (10) 은, 연료 전지 스택 (11) 과, 산화제 가스인 공기를 압축하는 연료 전지용 원심 압축기 (12) 를 구비하고 있다. 연료 전지 스택 (11) 에는, 연료 전지용 원심 압축기 (12) 에 의해 압축된 공기가 공급된다. 연료 전지 스택 (11) 은, 예를 들어, 복수의 셀을 가지고 있다. 각 셀은, 산소극과, 수소극과, 양극 사이에 배치된 전해질막이 적층되어 구성되어 있다. 그리고, 연료 전지 스택 (11) 은, 연료 가스인 수소와 공기에 포함되는 산소를 화학 반응시켜 발전을 실시한다.
연료 전지 스택 (11) 은, 도시되지 않은 주행용 모터에 전기적으로 접속되어 있다. 주행용 모터는, 연료 전지 스택 (11) 에 의해 발전된 전력을 전력원으로 하여 구동한다. 주행용 모터의 동력은, 도시되지 않은 동력 전달 기구를 개재하여 차축에 전달되고, 차량은, 액셀 페달의 액셀 개방도에 따른 차속으로 주행한다.
연료 전지 스택 (11) 은, 공기가 공급되는 공급구 (11a) 와, 공기가 배출 가스로서 배출되는 배출구 (11b) 와, 공급구 (11a) 와 배출구 (11b) 를 접속하는 접속 유로 (11c) 를 가지고 있다. 접속 유로 (11c) 에서는, 공급구 (11a) 로부터 공급된 공기가 배출구 (11b) 를 향하여 흐른다.
연료 전지용 원심 압축기 (12) 는, 하우징 (13) 과, 하우징 (13) 내에 수용되는 회전축 (14) 과, 하우징 (13) 내에 수용됨과 함께 회전축 (14) 을 회전시키는 전동 모터 (15) 를 구비하고 있다. 전동 모터 (15) 는, 도시되지 않은 배터리로부터 전력이 공급됨으로써 구동하여 회전축 (14) 을 회전시킨다.
또, 연료 전지용 원심 압축기 (12) 는, 공기를 압축하기 위해서 회전하는 임펠러 (16) 를 구비하고 있다. 임펠러 (16) 는, 회전축 (14) 의 일단부에 연결되어 있다. 그리고, 임펠러 (16) 는, 회전축 (14) 이 회전함으로써, 회전축 (14) 과 일체적으로 회전한다. 연료 전지용 원심 압축기 (12) 에서는, 임펠러 (16) 가 회전함으로써 압축 동작이 실시된다.
하우징 (13) 은, 공기가 흡입되는 흡입구 (13a) 와, 공기가 토출되는 토출구 (13b) 를 가지고 있다. 또, 연료 전지 시스템 (10) 은, 압축기용 유로 (17) 를 구비하고 있다. 압축기용 유로 (17) 는, 예를 들어, 배관으로 구성되어 있다. 압축기용 유로 (17) 의 일단은 대기에 개방되어 있고, 압축기용 유로 (17) 의 타단은 흡입구 (13a) 에 접속되어 있다. 그리고, 외부로부터의 공기가 압축기용 유로 (17) 를 흘러 흡입구 (13a) 에 흡입된다. 연료 전지용 원심 압축기 (12) 는, 흡입구 (13a) 로부터 흡입된 공기를 압축한다. 그리고, 연료 전지용 원심 압축기 (12) 에서 압축된 공기는 토출구 (13b) 로부터 토출된다.
연료 전지 시스템 (10) 은, 연료 전지용 원심 압축기 (12) 와 연료 전지 스택 (11) 을 접속하는 공급 유로 (18) 를 구비하고 있다. 공급 유로 (18) 는, 예를 들어, 배관으로 구성되어 있다. 공급 유로 (18) 의 일단은 토출구 (13b) 에 접속됨과 함께, 공급 유로 (18) 의 타단은 공급구 (11a) 에 접속되어 있다. 그리고, 토출구 (13b) 로부터 토출된 공기는, 공급 유로 (18) 를 흘러 공급구 (11a) 에 공급된다.
연료 전지 시스템 (10) 은, 연료 전지 스택 (11) 으로부터 배출되는 배출 가스에 의해 회전하는 터빈휠 (19) 을 갖는 터빈 (20) 을 구비하고 있다. 터빈 (20) 은, 터빈 하우징 (22) 을 가지고 있다. 터빈 (20) 은, 터빈 하우징 (22) 내에 형성되는 터빈실 (23) 을 가지고 있다. 터빈실 (23) 은, 터빈휠 (19) 을 수용한다.
터빈 하우징 (22) 은, 배출 가스가 도입되는 도입구 (22a) 와, 터빈실 (23) 을 통과한 배출 가스가 배출되는 배출구 (22b) 를 가지고 있다. 또, 연료 전지 시스템 (10) 은, 연료 전지 스택 (11) 과 터빈 (20) 을 접속하는 배출 유로 (24) 를 구비하고 있다. 배출 유로 (24) 는, 예를 들어, 배관으로 구성되어 있다. 배출 유로 (24) 의 일단은 배출구 (11b) 에 접속됨과 함께, 배출 유로 (24) 의 타단은 도입구 (22a) 에 접속되어 있다. 그리고, 배출구 (11b) 로부터 배출된 배출 가스는, 배출 유로 (24) 를 흘러 도입구 (22a) 에 도입된다.
터빈 (20) 은, 터빈실 (23) 과 배출 유로 (24) 를 연결함과 함께 배출 유로 (24) 를 흐르는 배출 가스를 터빈실 (23) 에 도입하는 도입 유로 (25) 를 가지고 있다. 도입 유로 (25) 는, 터빈 하우징 (22) 내에 형성됨과 함께, 도입구 (22a) 와 터빈실 (23) 을 연통한다. 따라서, 도입 유로 (25) 는, 도입구 (22a) 를 개재하여 배출 유로 (24) 에 접속되어 있다. 터빈휠 (19) 은, 연료 전지 스택 (11) 으로부터 배출되어, 배출 유로 (24), 도입구 (22a), 및 도입 유로 (25) 를 개재하여 터빈실 (23) 에 도입되는 배출 가스에 의해 회전한다.
연료 전지 시스템 (10) 에서는, 터빈휠 (19) 이 회전함으로써, 배출 가스의 배기 에너지가 기계적 에너지로서 취출되고, 터빈휠 (19) 과 접속되어 있는 도시되지 않은 모터가 발전기로서 기능하여 모터에 회생 전력이 발생한다. 그리고, 모터에서 발생한 회생 전력이, 도시되지 않은 배터리에 축전되어, 예를 들어, 주행용 모터의 전력원으로서 사용된다.
터빈 (20) 은, 도입 유로 (25) 의 유로 단면적을 조정하여 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기의 압력을 조정하는 압력 조정 밸브 (26) 를 가지고 있다. 압력 조정 밸브 (26) 는, 예를 들어, 터빈휠 (19) 의 외주의 위치에 둘레 방향으로 복수 배열되는 노즐 베인과, 복수의 노즐 베인을 회동시키는 회동 기구부를 가지고 있다. 그리고, 회동 기구부에 의해 복수의 노즐 베인이 회동함으로써, 도입 유로 (25) 의 유로 단면적이 조정된다.
연료 전지 스택 (11) 은, 제어 장치 (30) 를 구비하고 있다. 제어 장치 (30) 는, 전동 모터 (15) 와 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 제어 장치 (30) 는, 전동 모터 (15) 의 구동을 제어한다. 또, 제어 장치 (30) 는, 압력 조정 밸브 (26) 와 전기적으로 접속되어 있다. 제어 장치 (30) 는, 액셀 페달의 조작 양태 등에 기초하여 연료 전지 스택 (11) 에 요구되는 요구 발전량을 산출하고, 그 요구 발전량에 기초하여, 압력 조정 밸브 (26) 의 목표 개방도를 도출한다. 제어 장치 (30) 는, 압력 조정 밸브 (26) 의 개방도가, 도출된 목표 개방도가 되도록 압력 조정 밸브 (26) 의 개방도를 제어한다. 그리고, 제어 장치 (30) 에 의해 압력 조정 밸브 (26) 의 개방도가 제어됨으로써, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기의 압력이 조정된다. 또한, 압력 조정 밸브 (26) 의 개방도는, 복수의 노즐 베인의 회동 각도이다. 그리고, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기의 압력이 조정됨으로써, 연료 전지 스택 (11) 내의 습도가 조정된다. 연료 전지 스택 (11) 내의 습도는, 연료 전지 스택 (11) 의 발전을 효율적으로 실시하기 위해서, 미리 정해진 원하는 습도로 조정된다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 하우징 (13) 은, 흡입구 (13a) 를 갖는 바닥이 있는 원통상의 컴프레서 하우징 (31) 과, 컴프레서 하우징 (31) 의 개구를 폐색하는 원판상의 베어링 하우징 (32) 을 가지고 있다. 컴프레서 하우징 (31) 내에는, 임펠러 (16) 를 수용하는 임펠러실 (33) 이 형성되어 있다. 임펠러실 (33) 은, 흡입구 (13a) 에 연통되어 있다. 회전축 (14) 의 일단부는, 베어링 하우징 (32) 을 관통하여 임펠러실 (33) 내에 돌출되어 있다. 회전축 (14) 은, 베어링 (32a) 을 개재하여 베어링 하우징 (32) 에 회전 가능하게 지지되고 있다. 흡입구 (13a) 는, 회전축 (14) 의 축선 방향으로 연장되어 있다.
컴프레서 하우징 (31) 은, 임펠러 (16) 에 의해 압축된 공기가 토출되는 토출실 (34) 과, 임펠러실 (33) 과 토출실 (34) 을 연통하는 디퓨저 유로 (35) 를 가지고 있다. 디퓨저 유로 (35) 는, 임펠러실 (33) 보다 회전축 (14) 의 직경 방향 외측에 배치되어 있고, 임펠러 (16) (임펠러실 (33)) 의 주위에 환상으로 형성되어 있다. 토출실 (34) 은, 디퓨저 유로 (35) 보다 회전축 (14) 의 직경 방향 외측에 배치된 환상이다. 임펠러 (16) 에 의해 압축된 공기는, 디퓨저 유로 (35) 를 통과함으로써, 더욱 압축되어 토출실 (34) 로 토출된다. 그리고, 토출실 (34) 내의 공기는, 토출구 (13b) 로부터 공급 유로 (18) 로 토출되고, 공급 유로 (18) 및 공급구 (11a) 를 개재하여 연료 전지 스택 (11) 에 공급된다. 따라서, 임펠러 (16) 는, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기를 압축한다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 임펠러 (16) 는, 회전축 (14) 과 일체적으로 회전하는 허브 (41), 및 허브 (41) 의 둘레 방향으로 배열된 복수의 날개 (42) 를 가지고 있다. 허브 (41) 는, 회전축 (14) 의 일단부에 장착되어 있다. 허브 (41) 는, 흡입구 (13a) 근방에 위치하는 전단부 (前端部) 로부터 후단부 (後端部) 를 향함에 따라 외경이 확경되어 가는 대략 원뿔 형상이며, 회전축 (14) 의 축선을 향하여 오목한 만곡면인 표면을 가지고 있다. 복수의 날개 (42) 는, 허브 (41) 의 표면에 둘레 방향으로 등간격 걸러 배치되어 있다. 허브 (41) 가, 전단부로부터 후단부를 향함에 따라 외경이 확경되어 가기 때문에, 허브 (41) 의 둘레 방향으로 이웃하는 날개 (42) 끼리의 간격은, 허브 (41) 의 전단부로부터 후단부를 향함에 따라 서서히 넓어져 간다.
연료 전지용 원심 압축기 (12) 는, 임펠러실 (33) 을 형성하는 슈라우드 (50) 를 구비하고 있다. 본 실시형태에 있어서, 슈라우드 (50) 는, 컴프레서 하우징 (31) 의 일부이다. 슈라우드 (50) 는, 허브 (41) 에 대향 배치됨과 함께 허브 (41) 의 표면을 따라 연장되어 있다. 슈라우드 (50) 는, 복수의 날개 (42) 를 둘러싸고 있다. 그리고, 허브 (41) 의 둘레 방향으로 이웃하는 1 쌍의 날개 (42), 허브 (41), 및 슈라우드 (50) 에 의해 날개 간 통로 (51) 가 구획되어 있다.
도 3 은, 날개 (42) 의 자오면 형상을 나타내고 있다. 날개 (42) 는, 허브 (41) 측의 자오선인 허브 측 자오선 L1 과, 슈라우드 (50) 측의 자오선인 슈라우드 측 자오선 L2 를 포함하여 형성되어 있다. 또한, 날개 (42) 의 자오면이란, 허브 측 자오선 L1, 슈라우드 측 자오선 L2, 및 회전축 (14) 의 축선을 통과하는 종단면이다. 그리고, 허브 측 자오선 L1 의 전단이, 날개 (42) 의 허브 측 전연 (a1) 이 되고, 허브 측 자오선 L1 의 후단이, 날개 (42) 의 허브 측 후연 (a2) 이 된다. 또, 슈라우드 측 자오선 L2 의 전단이, 날개 (42) 의 슈라우드 측 전연 (b1) 이 되고, 슈라우드 측 자오선 L2 의 후단이, 날개 (42) 의 슈라우드 측 후연 (b2) 이 된다. 허브 측 전연 (a1) 과 슈라우드 측 전연 (b1) 을 잇는 가장자리는, 날개 (42) 의 전연 (42a) 이다. 허브 측 후연 (a2) 과 슈라우드 측 후연 (b2) 을 잇는 가장자리는, 날개 (42) 의 후연 (42b) 이다.
날개 (42) 의 허브 측 후연 (a2) 부터 허브 측 전연 (a1) 까지의 회전축 (14) 의 축선 방향으로의 거리 Lh 는, 날개 (42) 의 허브 측 후연 (a2) 부터 슈라우드 측 전연 (b1) 까지의 회전축 (14) 의 축선 방향으로의 거리 Ls 보다 길다.
날개 (42) 는, 허브 측 자오선 L1 에 의해 허브 (41) 측, 기단 (基端) 의 형상이 결정되고, 슈라우드 측 자오선 L2 에 의해 슈라우드 (50) 측, 즉 선단의 형상이 결정되고, 전체적으로 3 차원 형상을 갖는다. 허브 측 자오선 L1 은, 날개 (42) 와 자오면이 이루는 각도인 날개 각도 β 로 수치화되는 곡선이다. 또, 슈라우드 측 자오선 L2 는, 날개 (42) 와 오선면이 이루는 각도인 날개 각도 β 로 수치화되는 곡선이다. 본 실시형태에서는, 날개 (42) 와 자오면이 이루는 각도 중 작은 각도를 날개 각도 β 로 정의한다. 날개 각도 β 는, 허브 측 자오선 L1 과 슈라우드 측 자오선 L2 에서 상이한 값을 갖는다. 날개 각도 β 는, 허브 측 자오선 L1 상의 위치에 따라 상이한 값을 갖는다. 날개 각도 β 는, 슈라우드 측 자오선 L2 상의 위치에 따라 상이한 값을 갖는다. 허브 측 자오선 L1 상의 임의의 위치에 있어서의 날개 각도 β 를, 허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 또는 허브 측의 날개 각도 β 로 정의한다. 슈라우드 측 자오선 L2 상의 임의의 위치에 있어서의 날개 각도 β 를, 슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 또는 슈라우드 측의 날개 각도 β 로 정의한다.
도 4 에서는, 날개 (42) 의 날개 각도 β 를 세로축에 나타내고, 무차원 자오선 길이 S 를 가로축에 나타내고 있다. 날개 각도 β 는, 부 (負) 의 값이다.
허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 는, 날개 (42) 의 허브 측 전연 (a1) 과 허브 측 후연 (a2) 사이에서 극대값 aMAX 를 갖는다. 따라서, 날개 (42) 의 허브 (41) 측의 날개 각도 β 의 절대값은, 날개 (42) 의 허브 측 전연 (a1) 과 허브 측 후연 (a2) 사이에서 극소값을 갖는다. 허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 는, 허브 측 자오선 L1 의 중간점 CT 보다 허브 측 전연 (a1) 쪽에서 극대값 aMAX 를 갖는다.
슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 는, 날개 (42) 의 슈라우드 측 전연 (b1) 과 슈라우드 측 후연 (b2) 사이에서 극대값 bMAX 를 갖는다. 따라서, 날개 (42) 의 슈라우드 (50) 측의 날개 각도 β 의 절대값은, 날개 (42) 의 슈라우드 측 전연 (b1) 과 슈라우드 측 후연 (b2) 사이에서 극소값을 갖는다. 슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 는, 슈라우드 측 자오선 L2 의 중간점 CT 보다 슈라우드 측 후연 (b2) 쪽에서 극대값 bMAX 를 갖는다.
허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 는, 허브 측 전연 (a1) 과 허브 측 후연 (a2) 사이에 있어서 항상 슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 이상이 되어 있다. 따라서, 날개 (42) 의 허브 (41) 측의 날개 각도 β 의 절대값은, 허브 측 전연 (a1) 과 허브 측 후연 (a2) 사이에 있어서 항상 날개 (42) 의 슈라우드 (50) 측의 날개 각도 β 의 절대값 이하이다.
슈라우드 측 후연 (b2) 의 날개 각도 β 는, 슈라우드 측 전연 (b1) 의 날개 각도 β 보다 크다. 따라서, 슈라우드 측 후연 (b2) 의 날개 각도 β 의 절대값은, 슈라우드 측 전연 (b1) 의 날개 각도 β 의 절대값보다 작다. 슈라우드 측 전연 (b1) 의 날개 각도 β 는, 슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 에서의 최소값 bMIN 이 되고 있다.
허브 측 후연 (a2) 에서의 날개 각도 β 와 슈라우드 측 후연 (b2) 에서의 날개 각도 β 는 일치하고 있다. 허브 측 후연 (a2) 의 날개 각도 β 는, 허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 에서의 최소값 aMIN 을 갖는다. 허브 측 후연 (a2) 의 날개 각도 β 는, 허브 측 전연 (a1) 의 날개 각도 β 보다 작다. 따라서, 허브 측 후연 (a2) 의 날개 각도 β 의 절대값은, 허브 측 전연 (a1) 의 날개 각도 β 의 절대값보다 크다.
슈라우드 측 전연 (b1) 부터 슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 가 극대값이 되는 부위까지의 슈라우드 측 자오선 L2 의 길이 X1 은, 허브 측 전연 (a1) 부터 허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 가 극대값이 되는 부위까지의 허브 측 자오선 L1 의 길이 X2 의 2 배 이상이다.
다음으로, 본 실시형태의 작용에 대해 설명한다.
임펠러 (16) 의 날개 (42) 는, 날개 (42) 의 허브 (41) 측의 날개 각도 β 의 절대값은, 날개 (42) 의 허브 측 전연 (a1) 과 허브 측 후연 (a2) 사이에서 극소값을 갖는다. 날개 (42) 의 슈라우드 (50) 측의 날개 각도 β 의 절대값은, 날개 (42) 의 슈라우드 측 전연 (b1) 과 슈라우드 측 후연 (b2) 사이에서 극소값을 갖는다. 그리고, 날개 (42) 의 허브 (41) 측의 날개 각도 β 의 절대값은, 허브 측 전연 (a1) 과 허브 측 후연 (a2) 사이에 있어서 항상 날개 (42) 의 슈라우드 (50) 측의 날개 각도 β 의 절대값 이하이다. 슈라우드 측 후연 (b2) 의 날개 각도 β 의 절대값은, 슈라우드 측 전연 (b1) 의 날개 각도 β 의 절대값보다 작다.
본 발명자는, 이와 같이 설계된 날개 (42) 에 있어서, 허브 측 후연 (a2) 의 날개 각도 β 의 절대값이, 허브 측 전연 (a1) 의 날개 각도 β 의 절대값보다 작게 되어 있으면, 날개 (42) (날개 간 통로 (51)) 를 따라 흐르는 공기가 소유량일 때, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기의 흐름에 역류가 생기는 서징이 발생하기 쉬운 것을 알아냈다. 특히, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기가 소유량일 때 토출 압력이 높으면, 서징이 발생하기 쉽다. 그래서, 본 실시형태에서는, 허브 측 후연 (a2) 의 날개 각도 β 의 절대값이, 허브 측 전연 (a1) 의 날개 각도 β 의 절대값보다 크게 설정되어 있다.
도 5 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 서징이 발생하지 않는 한계점을 선으로 이은 서지 라인 L11 은, 도 5 에 있어서 이점쇄선으로 나타내는 비교예의 서지 라인 L12 보다 유량이 작아지는 방향으로 이동하여 있다. 여기서, 도 5 에서는, 허브 측 후연 (a2) 의 날개 각도 β 의 절대값이, 허브 측 전연 (a1) 의 날개 각도 β 의 절대값보다 작게 되어 있는 경우의 서지 라인 L12 를 비교예로서 나타내고 있다.
이와 같이, 연료 전지용 원심 압축기 (12) 의 작동 영역이, 도 5 에 있어서 사선으로 나타내는 영역 A1 분만큼 확대되기 때문에, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기가 소유량이고, 또한 토출 압력이 높을 때의 연료 전지용 원심 압축기 (12) 의 작동 영역이 확대된다. 따라서, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기가 소유량이고, 또한 토출 압력이 높을 때의 서징의 발생이 억제된다.
연료 전지 시스템 (10) 에 있어서는, 예를 들어, 연료 전지 스택 (11) 에 공기가 과잉으로 공급되면, 연료 전지 스택 (11) 내의 습도는 저하한다. 그렇다고 해도, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기가 소유량인 경우여도, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기의 압력이 낮으면, 연료 전지 스택 (11) 내의 습도는 저하하기 쉬워진다. 연료 전지 스택 (11) 내의 습도의 저하는, 연료 전지 스택 (11) 의 발전 효율의 저하를 초래한다. 따라서, 연료 전지 스택 (11) 의 발전 효율을 유지하기 위해서는, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기가 소유량일 때, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기의 압력이 높을 것이 요구된다.
이때, 본 실시형태의 연료 전지용 원심 압축기 (12) 에서는, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기가 소유량이고, 또한 토출 압력이 높을 때의 연료 전지용 원심 압축기 (12) 의 작동 영역이 확대되어 있어, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기가 소유량이고, 또한 토출 압력이 높을 때의 서징의 발생이 억제된다. 따라서, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기가 소유량일 때, 연료 전지 스택 (11) 에 공급되는 공기의 압력을 높게 하는 것이 가능해져, 연료 전지 스택 (11) 의 발전 효율이 유지된다.
상기 실시형태에서는 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 본 발명자는, 이와 같이 설계된 날개 (42) 에 있어서, 허브 측 후연 (a2) 의 날개 각도 β 의 절대값이, 허브 측 전연 (a1) 의 날개 각도 β 의 절대값보다 작게 되어 있으면, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기가 소유량일 때, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기의 흐름에 역류가 생기는 서징이 발생하기 쉬운 것을 알아냈다. 특히, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기가 소유량일 때 토출 압력이 높으면, 서징이 발생하기 쉽다. 그래서, 본 실시형태에서는, 허브 측 후연 (a2) 의 날개 각도 β 의 절대값이, 허브 측 전연 (a1) 의 날개 각도 β 의 절대값보다 크게 설정되어 있다. 이것에 의하면, 공기가 소유량이고, 또한 토출 압력이 높을 때의 연료 전지용 원심 압축기 (12) 의 작동 영역을 확대할 수 있다. 따라서, 날개 (42) 를 따라 흐르는 공기가 소유량이고, 또한 토출 압력이 높을 때의 서징의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시형태는, 이하와 같이 변경하여 실시할 수 있다. 상기 실시형태 및 이하의 변경예는, 기술적으로 모순되지 않는 범위에서 서로 조합하여 실시할 수 있다.
○ 실시형태에 있어서, 허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 는, 예를 들어, 허브 측 자오선 L1 의 중간점 CT 보다 허브 측 후연 (a2) 쪽에서 극대값 aMAX 가 되어 있어도 된다.
○ 실시형태에 있어서, 허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 는, 예를 들어, 허브 측 자오선 L1 의 중간점 CT 에서 극대값 aMAX 가 되어 있어도 된다.
○ 실시형태에 있어서, 슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 는, 예를 들어, 슈라우드 측 자오선 L2 의 중간점 CT 보다 슈라우드 측 전연 (b1) 쪽에서 극대값 bMAX 가 되어 있어도 된다.
○ 실시형태에 있어서, 슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 는, 예를 들어, 슈라우드 측 자오선 L2 의 중간점 CT 에서 극대값 bMAX 가 되어 있어도 된다.
○ 실시형태에 있어서, 허브 측 후연 (a2) 에서의 날개 각도 β 와 슈라우드 측 후연 (b2) 에서의 날개 각도 β 가 일치하고 있지 않아도 되고, 허브 측 후연 (a2) 에서의 날개 각도 β 가, 슈라우드 측 후연 (b2) 에서의 날개 각도 β 보다 커도 된다. 요컨대, 허브 측 후연 (a2) 에서의 날개 각도 β 의 절대값이, 슈라우드 측 후연 (b2) 에서의 날개 각도 β 의 절대값보다 작아도 된다. 요컨대, 날개 (42) 의 허브 (41) 측의 날개 각도 β 의 절대값이, 허브 측 전연 (a1) 과 허브 측 후연 (a2) 간에 있어서 항상 날개 (42) 의 슈라우드 (50) 측의 날개 각도 β 의 절대값 이하이면 된다.
○ 실시형태에 있어서, 날개 (42) 의 허브 측 후연 (a2) 부터 허브 측 전연 (a1) 까지의 회전축 (14) 의 축선 방향으로의 거리 Lh 와, 날개 (42) 의 허브 측 후연 (a2) 부터 슈라우드 측 전연 (b1) 까지의 회전축 (14) 의 축선 방향으로의 거리 Ls 가 동일해도 된다.
○ 실시형태에 있어서, 날개 (42) 의 허브 측 후연 (a2) 부터 허브 측 전연 (a1) 까지의 회전축 (14) 의 축선 방향으로의 거리 Lh 가, 날개 (42) 의 허브 측 후연 (a2) 부터 슈라우드 측 전연 (b1) 까지의 회전축 (14) 의 축선 방향으로의 거리 Ls 보다 짧아도 된다.
○ 실시형태에 있어서, 슈라우드 측 전연 (b1) 부터 슈라우드 측 자오선 L2 의 날개 각도 β 가 극대값이 되는 부위까지의 슈라우드 측 자오선 L2 의 길이 X1 이, 허브 측 전연 (a1) 부터 허브 측 자오선 L1 의 날개 각도 β 가 극대값이 되는 부위까지의 허브 측 자오선 L1 의 길이 X2 의 2 배 이상이 아니어도 된다.
○ 실시형태에 있어서, 슈라우드 (50) 는, 컴프레서 하우징 (31) 의 일부였지만, 이것에 한정되지 않고, 슈라우드가 컴프레서 하우징 (31) 과는 별도의 부재여도 된다.
○ 실시형태에 있어서, 산화제 가스로서는, 산소를 포함하는 가스이면 임의이다.
○ 실시형태에 있어서, 연료 전지용 원심 압축기 (12) 는, 연료 전지차 등의 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템 (10) 에 사용되는 것이 아니어도 된다. -

Claims (1)

  1. 회전축과 일체적으로 회전하도록 구성된 허브, 및 상기 허브의 둘레 방향으로 배열된 복수의 날개를 가짐과 함께 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스를 압축하도록 구성된 임펠러와,
    상기 허브에 대향하도록 배치됨과 함께 상기 임펠러를 수용하는 임펠러실을 형성하는 슈라우드를 구비하고,
    상기 날개와 자오면이 이루는 각도 중 작은 각도를 날개 각도로 정의하면,
    상기 날개의 상기 허브 측의 날개 각도의 절대값은, 상기 날개의 허브 측 전연과 허브 측 후연 사이에서 극소값을 갖고,
    상기 날개의 상기 슈라우드 측의 날개 각도의 절대값은, 상기 날개의 슈라우드 측 전연과 슈라우드 측 후연 사이에서 극소값을 갖고,
    상기 날개의 상기 허브 측의 날개 각도의 절대값은, 상기 허브 측 전연과 상기 허브 측 후연 사이에 있어서 항상 상기 날개의 상기 슈라우드 측의 날개 각도의 절대값 이하이며,
    상기 슈라우드 측 후연의 날개 각도의 절대값은, 상기 슈라우드 측 전연의 날개 각도의 절대값보다 작은 연료 전지용 원심 압축기로서,
    상기 허브 측 후연의 날개 각도의 절대값은, 상기 허브 측 전연의 날개 각도의 절대값보다 큰, 연료 전지용 원심 압축기.
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