TW202405311A - 具有罩式混流葉輪以加強冷卻之離心式鼓風機 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種鼓風機，其包含一馬達外殼、安置於該馬達外殼之一外表面上之一蝸殼、延伸穿過該馬達外殼之一馬達轉軸、安置於該馬達外殼中且同軸安裝至該馬達轉軸之一馬達、及安置於該馬達外殼中且同軸安裝至該馬達轉軸之一混流葉輪。該混流葉輪經構形以使空氣在該馬達外殼內循環。

Description

具有罩式混流葉輪以加強冷卻之離心式鼓風機
本發明之態樣係關於鼓風機，諸如用於一燃料電池系統之鼓風機。
諸如固體氧化物燃料電池之燃料電池係可將儲存於燃料中之能量高效轉化成電能之一電化學裝置。高溫燃料電池包含固體氧化物及熔融碳酸鹽燃料電池。此等燃料電池可使用氫及/或羥燃料來操作。存在一些類別之燃料電池，諸如固體氧化物再生燃料電池，其等亦允許反向操作，使得氧化燃料可使用電能作為一輸入還原回未氧化燃料。
根據各種實施例，一種鼓風機包括：一馬達外殼；一蝸殼，其安置於該馬達外殼之一外表面上；一馬達轉軸，其延伸穿過該馬達外殼；一馬達，其安置於該馬達外殼能夠且同軸安裝至該馬達轉軸；及一混流葉輪，其安置於該馬達外殼中且同軸安裝至該馬達轉軸，其中該混流葉輪經構形以使空氣在該馬達外殼內循環。
根據各種實施例，一種馬達包括：一馬達外殼；一馬達轉軸，其延伸穿過該馬達外殼；一第一軸承及一第二軸承，其等安置於該馬達外殼中且支撐該馬達轉軸；一定子，其安置於該馬達外殼中；一轉子，其安置於該定子中且同軸安裝至該馬達轉軸；及一混流葉輪，其安置於該馬達外殼中且同軸安裝至該馬達轉軸，其中該混流葉輪經構形以使空氣在該馬達外殼內循環。
根據各種實施例，一種冷卻安置於一馬達外殼中之一馬達之方法：操作該馬達以使一馬達轉軸及安裝於該馬達轉軸上且安置於該馬達外殼中之一混流葉輪旋轉，使得該混流葉輪使空氣在該馬達外殼內旋轉。
將參考附圖詳細描述各種實施例。在可行情況下，相同元件符號將在整個圖式中用於指代相同或類似部件。對特定實例及實施方案之參考用於繪示目的，且不意在限制本發明或申請專利範圍之範疇。
空氣或其他氣體鼓風機係燃料電池系統之整體組件，其等使空氣或另一氣體(例如燃料)在整個系統中移動用於冷卻、提供空氣或燃料以發電或排氣再循環及/或排放。本文中所描述之各種實施例提供一鼓風機之組件之裝置結構及功能。在一些實施例中，鼓風機可包含具有不同長度葉片之一葉輪。葉輪葉片可包含具有一第一長度之全葉片及具有小於第一長度之一第二長度之分流葉片。葉輪葉片可具有朝向葉輪之旋轉方向之一後緣傾角。葉輪葉片在後緣處可具有一高回掠角。在一些實施例中，鼓風機可包含至少部分形成鼓風機軟管之一馬達外殼部分之至少部分之一蝸殼。蝸殼可為具有大於高度之一寬度之橢圓形。
本文中所描述之各種實施例可根據用於空氣之一鼓風機描述。一般技術者將認識到，用於空氣之一鼓風機之此等描述可類似地應用於用於環境空氣之一鼓風機或用於調節空氣之一鼓風機，諸如熱空氣、冷空氣、加濕空氣、除濕空氣等。一般技術者將認識到，用於空氣之一鼓風機之此等描述可類似地應用於用於燃料氣體之一鼓風機或用於排氣之一鼓風機，諸如一燃料電池系統中之陽極排氣再循環氣體。
本發明中所描述之實施例藉由改良鼓風機外殼及葉輪設計來提供優於既有鼓風機組件設計之優點。鼓風機外殼架構可為使用鼓風機蝸殼來主動冷卻鼓風機馬達之一整合設計。與傳統鼓風機構形相比，一高縱橫比橢圓橫截面形狀鼓風機蝸殼(例如，大於2，諸如2.1至10，包含2.2、2.3、2.4等至3)可放置於一葉輪之一對置側上(例如，馬達側上)。一蝸殼壁可形成鼓風機之一馬達外殼部分之至少一部分。蝸殼內之一低溫高速氣流可用於移除透過蝸殼壁自馬達傳導之熱，以充當馬達之一主動散熱體。在一些實施例中，橢圓形蝸殼可與馬達外殼之一鰭片散熱器部分組合使用，且可省略馬達之一典型冷卻扇。在一些實施例中，一鼓風機葉輪可直接安裝於鼓風機馬達之一馬達轉軸上。與既有鼓風機相比，鼓風機架構之實施例之任何者可藉由減小大小、成本及/或噪音且增加可靠性來提供優於既有鼓風機設計之優點，諸如藉由使用利用橢圓形蝸殼或透過省略部件之一較小形狀因數，諸如用於馬達之冷氣扇或用於耦合鼓風機葉輪及馬達轉軸之額外耦合元件。
一離心式鼓風機葉輪可包含葉片長度之一組合。一分流葉片可安置於全葉片之間，其中分流葉片之一長度可小於一全葉片之一長度。包含分流葉片及/或全葉片之葉片可在一後緣處具有高後掠角。例如，一高後掠角可等於或大於約45°，諸如約45°至約65°。包含分流葉片及/或全葉片之葉片可具有朝向葉輪之一旋轉方向之一高傾角。例如，一高傾角可為約35°至約45°，諸如約40°。葉輪之實施例之任何者可藉由提高葉輪之效率及降噪來提供優於既有鼓風機設計之優點。在一些實施例中，提高之效率可在一操作範圍(其可包含速度、電力、容量、流率、壓力等之範圍)內實現。諸如可變葉片長度及/或朝向葉輪之一旋轉方向之葉片之傾角之葉輪之實施例之部分可藉由減少或消除由通過鼓風機之氣體流動引起之噪音來提供優於既有鼓風機設計之優點。
圖1繪示包括在美國專利第8,440,362號(以引用方式併入本文中以描述模組化燃料電池系統)中更全面描述之模組化燃料電池系統之一個電力產生器之一實例。模組化系統可含有以上專利以及美國專利第9,190,693號(以引用方式併入本文中以描述模組化燃料電池系統)中所描述之模組及組件。燃料電池系統包殼10之模組化設計提供靈活系統安裝及操作。
模組化燃料電池系統包殼10包含複數個電力模組外殼12 (含有一燃料電池電力模組組件)、一或多個燃料輸入(即，燃料處理)模組外殼16及一或多個電力調節(即，電輸出)模組外殼18。例如，系統包殼可包含任何所要數目個模組，諸如2個至30個電力模組，例如6個至12個電力模組。圖1繪示在一共同基座20上含有六個電力模組(側對側堆疊之一列之六個模組)、一個燃料處理模組及一個電力調節模組之一系統包殼10。各模組可包括其自身機櫃或外殼。替代地，電力調節及燃料處理模組可組合成位於一機櫃或外殼14中之一單一輸入/輸出模組。為簡潔起見，各外殼12、14、16、18將在下文指稱「模組」。
儘管展示一列電力模組12，但系統可包括一列以上模組12。例如，系統可包括背對背堆疊之兩列電力模組。
各電力模組12經構形以容納一或多個熱箱13。各熱箱含有一或多個燃料電池堆或行(為清楚起見未展示)，諸如具有由導電互連板分離之一陶瓷氧化物電解質之一或多個固體氧化物燃料電池堆或行。亦可使用其他燃料電池類型，諸如PEM、熔融碳酸鹽、磷酸等。
模組化燃料電池系統包殼10亦含有一或多個輸入或燃料處理模組16。此模組16包含含有用於預處理燃料之組件(諸如脫硫器床)之一機櫃。燃料處理模組16可經設計以處理不同類型之燃料。例如，可在相同機櫃或單獨機櫃中提供一柴油燃料處理模組、一天然氣燃料處理模組及一乙醇燃料處理模組。可在各模組中提供針對一特定燃料定製之一不同床組合物。(若干)處理模組16可處理選自以下之以下燃料之至少一者：自一管線提供之天然氣、壓縮天然氣、甲烷、丙烷、液化石油氣、汽油、柴油、家用燃油、煤油、JP-5、JP-8、航空燃料、氫氣、氨氣、乙醇、甲醇、合成氣體、生物氣體、生物柴油及其他適合含烴燃料或含氫燃料。若需要，可將一重組器17定位於燃料處理模組16中。替代地，若期望將重組器17與(若干)燃料電池堆熱整合，則可將一單獨重組器17定位於一各自電力模組12之各熱箱13中。此外，若使用內部重組燃料電池，則可完全省略一外部重組器17。
模組化燃料電池系統包殼10亦含有一或多個電力調節模組18。電力調節模組18包含一機櫃，其含有用於將燃料電池堆所產生之DC電力轉換為AC電力之組件，用於至電網之AC電力輸出之電連接器，用於管理電暫態之電路；一系統控制器(例如，一電腦或專用控制邏輯裝置或電路)。電力調節模組18可經設計以將來自燃料電池模組之DC電力轉換為不同AC電壓及頻率。可提供208V、60Hz；480V、60Hz；415V、50Hz及其他共同電壓及頻率之設計。
燃料處理模組16及電力調節模組18可容納於一個輸入/輸出機櫃14中。若提供一單一輸入/輸出機櫃14，則模組16及18可垂直(例如，電力調節模組18組件位於燃料處理模組16脫硫器罐或床上方)或並排定位於機櫃14中。
如圖1中之一例示性實施例中所展示，針對一列之六個電力模組12提供一個輸入/輸出機櫃14，其等側對側線性地配置於輸入/輸出機櫃14之一側上。該列模組可經定位成(例如)相鄰於系統提供電力之一建築物(例如，其中模組之機櫃之背部面向建築物壁)。儘管展示一列電力模組12，但系統可包含一列以上模組12。例如，如上文所提及，系統可包含背對背堆疊之兩列電力模組。
電力模組12及輸入/輸出模組14之各者包含一門30 (例如，開口、通路板(access panel)等)以允許接達模組之內部組件(例如，進行維護、修復、更換等)。根據一個實施例，模組12及14配置成僅在各機櫃之一面上具有門30之一線性陣列，允許一列連續系統在端部處彼此抵靠安裝。依此方式，可用額外模組12或14及基座20調整燃料電池包殼10之大小及容量，其中對於既有模組12及14及基座20需要最小重新配置。若需要，模組14之門可在側上而非在機櫃之前面。
圖2繪示包含一燃料電池堆或行40之一燃料電池系統熱箱13之一平面圖。熱箱13經展示為包含燃料電池堆或行40。然而，熱箱13可包含堆疊或行40之兩者或更多者。堆疊或行40可包含彼此上下堆疊之電連接燃料電池45，其中互連50安置於燃料電池45之間。堆疊或行中之第一及最後燃料電池45安置於一各自端板60與互連50之間。端板60電連接至燃料電池堆或行40之電輸出。熱箱13可包含其他組件(諸如燃料導管、空氣導管、密封件、電接點等)且可併入包含周邊設備組件之一燃料電池系統中。燃料電池45可為含有一陶瓷電解質(諸如釔安定氧化鋯(YSZ)或氧化鈧穩定之氧化鋯(SSZ))、一陽極電極(諸如一鎳-YSZ、一Ni-SSZ或一摻鎳-氧化釤氧化鈰(SDC)金屬陶瓷)及一陰極電極(諸如鑭鍶錳氧(LSM))之固體氧化物燃料電池。互連50及/或端板60可包括任何不透氣且導電之材料，諸如鉻鐵合金，諸如含4 wt%至6 wt%之鐵及餘量鉻之一合金。互連50電連接相鄰燃料電池45且針對燃料及空氣提供通道以到達燃料電池45。
諸如模組化燃料電池系統包殼10之燃料電池系統可包含多件支援設備及/或由多件支援設備擴增。支援設備可包含用於支援燃料電池系統之操作之各種輔助設備及系統。支援設備可基於其中安裝燃料電池系統之一位點處之約束及/或特徵而改變。作為非限制性實例，支援設備可包含燃料支援設備、空氣支援設備及/或通風支援設備。一種類型之燃料支援設備可包含經構形以控制燃料電池系統中之供應及/或排氣壓力至設備，諸如用於向燃料電池系統供應燃料、使燃料/排氣在燃料電池系統中再循環及/或自燃料電池系統排放燃料之一燃料鼓風機或泵。另一類型之燃料支援設備可經構形以處理燃料電池系統之燃料，諸如一燃料預熱器、排氣洗滌器等。亦可使用其他類型之燃料支援設備。一種類型之空氣支援設備可為經構形以將空氣提供至燃料電池系統中及/或自燃料電池系統排氣至空氣支援設備，諸如用於將空氣提供至一燃料電池陰極及/或自燃料電池陰極排氣之鼓風機或風扇、一陽極尾氣氧化器(ATO)、一空氣加熱交換器、一CPOx反應器等。亦可使用其他類型之空氣支援設備。一種類型之通風支援設備可包含經構形以自熱箱之外部之外殼之部分(例如，模組化燃料電池系統包殼10內但熱箱13本身外之部分)通風及/或使空氣在外殼之部分中循環之設備，諸如用於將空氣自包殼10內鼓吹離開包殼10以維持一可接受包殼10之壓力之一通風扇。亦可使用其他類型之通風支援設備。
圖3係根據本發明之各種實施例之一固體氧化物燃料電池(SOFC)系統10之一示意表示。參考圖1，系統100包含一熱箱13及安置於其中或相鄰於其之各種組件。例如，各種組件之任何數目及組合可安置於一包殼內(例如燃料電池系統包殼10、電力模組外殼12、外殼14、燃料輸入模組外殼16、電力調節模組外殼18)。
熱箱13可含有燃料電池堆102，諸如一固體氧化物燃料電池堆(其中堆疊之一個固體氧化物燃料電池含有一陶瓷電解質(諸如釔安定氧化鋯(YSZ)或氧化鈧穩定之氧化鋯(SSZ))、一陽極電極(諸如一鎳-YSZ或一Ni-SSZ金屬陶瓷)及一陰極電極(諸如鑭鍶錳氧(LSM))。堆疊102可在複數個行中彼此上下配置。
熱箱13亦可含有一陽極復熱器110、一陰極復熱器200、一陽極尾氣氧化器(ATO) 130、一陽極排氣冷卻器140、包含一分流器122及一渦流產生器124之一ATO混合器/注射器(為簡潔起見，在本文中指稱一ATO注射器) 120及一蒸氣產生器160。系統10亦可包含催化部分氧化(CPOx)反應器170、一混合器150、一CPOx鼓風機180 (例如空氣鼓風機)、一系統鼓風機182 (例如空氣鼓風機) 一陽極再循環鼓風機184，其等可安置於熱箱13外。然而，本發明不限於組件之各者相對於熱箱13之任何特定位置。
CPOx反應器170透過燃料導管300A自一燃料入口300接收一燃料入口流。燃料入口300可為包含用於控制提供至CPOx反應器170之一燃料量之一閥之一實用氣體管線。CPOx鼓風機180可在系統10啟動期間將空氣提供至CPOx反應器170，且接著在當燃料電池堆102達到超過700℃ (諸如750℃至900℃)之一穩態操作溫度時之穩態操作模式期間關閉。穩態中之燃料及/或啟動期間之燃料及空氣之一混合物可由燃料導管300B提供至混合器150。燃料透過燃料導管300C自混合器150流動至陽極復熱器110。流體透過燃料導管300D自陽極復熱器110流動至堆疊102。系統10亦可包含陽極復熱器110中之一或多個燃料重組催化劑112、114及116。
主空氣鼓風機182可經構形以透過空氣導管302A將一空氣流(例如，空氣入口流)提供至陽極排氣冷卻器140。空氣透過空氣輸出導管302B自陽極排氣冷卻器140流動至陰極 200。空氣透過空氣導管302C自陰極復熱器200流動至堆疊102。
堆疊102中產生之陽極排氣(即，燃料排氣)透過(若干)陽極排氣出口導管308A提供至陽極復熱器110。陽極排氣可含有未反應燃料。陽極排氣在本文中亦可指稱燃料排氣。陽極排氣可由陽極排氣導管308B自陽極復熱器110提供至分流器122。陽極排氣之一第一部分可經由一陽極排氣輸出導管308D自分流器122提供至ATO 130。陽極排氣之一第二部分可由第一陽極排氣再循環導管308C自分流器122提供至陽極排氣冷卻器140。陽極排氣可由一第二陽極排氣再循環導管308E自陽極排氣冷卻器140提供至混合器150。陽極再循環鼓風機184可經構形以使陽極排氣移動通過第二陽極排氣再循環導管308E，如下文討論。
堆疊102中產生之陰極排氣(例如空氣排氣)透過陰極排氣導管304A流動至ATO 130。陰極排氣在本文中亦可指稱空氣排氣。渦流產生器124可安置於陰極排氣導管304A中且可經構形以使陰極排氣渦旋。導管308D可流體連接至渦流產生器124之下游之陰極排氣導管304A。渦流產生器124存在之渦旋陰極排氣可在提供至ATO 130之前與分流器122提供之陽極排氣混合。混合物可在ATO 130中氧化以產生ATO排氣。ATO排氣透過排氣導管304B自ATO 130流動至陰極復熱器200。排氣透過排氣導管304C自陰極復熱器200流動至蒸氣產生器160。排氣自蒸氣產生器160流動且透過排氣導管304D離開熱箱13。
水透過水導管306A自一水源190 (諸如一水槽或一水管)流動至蒸氣產生器160。蒸氣產生器160使用來自由排氣導管304C提供之ATO排氣之熱將水轉化為蒸氣。蒸氣透過水導管306B自蒸氣產生器160提供至混合器150。替代地，若需要，蒸氣可直接提供至燃料入口流中及/或陽極排氣流可直接提供之燃料入口流中，接著加濕經組合燃料流。混合器150經構形以使蒸氣與陽極排氣及燃料混合。此燃料混合物可接著在提供至堆疊102之前在陽極復熱器110中加熱。
系統10可進一步包含經組態以控制系統10之各種元件(例如鼓風機182及184及燃料控制閥)之一系統控制器225。控制器225可包含經組態以執行儲存指令之一中央處理單元。例如，控制器225可經組態以根據燃料組合物資料來控制通過系統10之燃料及/或氣流。
鼓風機
在一些實施例中，一鼓風機可為可包括上文相對於圖1所描述之燃料電池系統之鼓風機之任何者之一高效能離心式鼓風機。因此，鼓風機可為CPOx鼓風機180 (例如，用於系統啟動之CPOx之空氣鼓風機)、系統鼓風機182 (例如，用於將空氣提供至燃料電池堆中之主空氣鼓風機)及/或使陽極排氣流自堆疊再循環至燃料入口流中之陽極再循環鼓風機184。在一些實施例中，鼓風機可用於不同於上述燃料電池系統之一系統中。鼓風機可依大範圍之流體(例如空氣及/或氣體)流速及/或壓力操作。鼓風機可為大小緊湊以適配於可用於一包殼中之一有限空間中。例如，包殼可為燃料電池系統之一包殼，諸如燃料電池系統包殼10、電力模組外殼12、外殼14、燃料輸入模組外殼16及/或電力調節模組外殼18。例如，鼓風機可經設定大小以配合於除鼓風機之外亦可圍封熱箱13之電力模組外殼12中。在一些實施例中，緊湊大小及大範圍流體流速及/或壓力下之高效能操作可由一鼓風機設計(其實施例在本文中參考圖4A至圖4D描述)及/或一葉輪設計(其實施例在本文中參考圖5A至圖5C、圖6及圖7描述)之一或多者達成。
圖4A至圖4D繪示根據本發明之各種實施例之一鼓風機400之一實例。圖4A係鼓風機400之一側視橫截面圖，圖4B係鼓風機400之一前視圖，圖4C係鼓風機400之一側視圖，且圖4D係鼓風機之一透視圖。在各種實施例中，鼓風機400可由任何數目及組合之金屬、合金及/或聚合物形成。例如，鼓風機400之任何組件可由鋁及/或一鋁合金形成。
鼓風機400可包含一流體傳送結構(本文中指稱一蝸殼402)及一馬達外殼410，如圖4A、圖4B及圖4D中所展示。在一些實施例中，蝸殼402可經構形以傳送空氣、排氣及/或燃料氣體。蝸殼402可形成為一曲線形狀。在圖4A及圖4C中所展示之實施例中，蝸殼402可圍繞一葉輪500之一圓周之至少一部分(例如，下文參考圖5A至圖5C所描述之一葉輪500之一圓周邊緣502)徑向安置，葉輪500可安置於鼓風機400內。例如，蝸殼402可圍繞葉輪500之圓周之約360°徑向安置。在一些實施例中，蝸殼402可圍繞馬達外殼410之一體積之至少一部分徑向安置。例如，蝸殼402可圍繞馬達外殼430之體積之至少一部分之約360°徑向安置。
蝸殼402可包含一外表面404及一內表面406。內表面406可形成可將一流體(例如一氣體，諸如空氣)自一蝸殼入口通道424傳送至一出口440之一流體傳送通道408。蝸殼入口通道424及出口440可流體連接至流體傳送通道408。由內表面406形成之流體傳送通道408可具有帶有大於2之一縱橫比之一橢圓形橫截面。例如，由內表面406形成之流體傳送通道408可具有大於2 (諸如2.1至10，包含2.2、2.3、2.4等至3)之一高縱橫比。因而，蝸殼402可具有等於流體傳送通道408之橢圓形橫截面之一內橢圓形橫截面。例如，蝸殼402可具有一內橢圓形橫截面，其可具有大於2 (諸如2.1至10，包含2.2、2.3、2.4等至3)之一高縱橫比。蝸殼402可具有由具有任何形狀之外表面404形成之一外橫截面。在一些實施例中，蝸殼402之外橫截面可為類似於蝸殼402之內橢圓形橫截面之由外表面404形成之一外橢圓形橫截面。蝸殼402之流體傳送通道408可具有一可變體積，針對該體積，可在靠近出口440之位置增大。內表面406可經可變地設定大小以增大靠近出口440之流體傳送通道408之體積。內表面406可經設定大小以在增大流體傳送通道408之體積同時維持蝸殼402之內橢圓形橫截面。在一些實施例中，內表面406可經設定大小以在維持內橢圓形橫截面之縱橫比同時維持蝸殼402之內橢圓形橫截面。在一些實施例中，內表面406可經設定大小以在改變縱橫比同時維持蝸殼402之內橢圓形橫截面。
馬達外殼410可包含一外表面412、一內表面414及由內表面414形成之一馬達空腔418。馬達外殼410可經構形以使一馬達800容納於馬達空腔418中，如圖4A中所展示。馬達800可經構形以經由一馬達轉軸430驅動葉輪500。葉輪500可直接安裝於馬達轉軸430上以減小鼓風機之大小及複雜性。馬達800之操作可產生熱且馬達外殼410可充當一散熱體以耗散由馬達800產生之熱。在一些實施例中，馬達外殼410可包含一可整合至及或安裝至外表面412之散熱器450，諸如具有複數個散熱鰭片之一鰭片散熱器。散熱器450可與馬達外殼410一起充當一散熱體以耗散由馬達800產生之熱。在一些實施例中，外表面412可具有一圓周。
在一些實施例中，蝸殼402可依其中蝸殼402之至少一部分重疊馬達外殼410之一方式安置。例如，蝸殼402可重疊馬達外殼410之20%或更多，諸如馬達外殼410之20%至100%，包含馬達外殼410之約40%至約50%。因而，與既有鼓風機設計相比，蝸殼402可實質上安置於葉輪500之一對置側上(例如，葉輪500之一馬達800側上)。例如，蝸殼402可具有重疊蝸殼入口通道424之一部分及重疊馬達外殼410之一部分。重疊馬達外殼410之蝸殼402之部分可包含蝸殼402之外表面404之至少一部分及/或與馬達外殼410直接接觸之蝸殼402之內表面406之至少一部分。例如，重疊馬達外殼410之蝸殼402之部分可包含鄰接馬達外殼410安置之蝸殼402之外表面404之至少一部分，諸如外表面412及/或散熱器450。在另一實例中，重疊馬達外殼410之蝸殼402之部分可包含形成馬達外殼410之外表面412之一部分之蝸殼402之外表面404之至少一部分，諸如外表面412及/或散熱器450。在另一實例中，重疊馬達外殼410之蝸殼402之部分可包含形成馬達外殼410之外表面412之一部分之蝸殼402之內表面406之至少一部分。具有一高縱橫比橢圓形橫截面之蝸殼402在平行於馬達轉軸430之一方向上可沿一長軸比蝸殼402在垂直於馬達轉軸430之一方向上沿一短軸之高度更寬。例如，具有大於2之一高縱橫比，蝸殼402可比蝸殼402之高度寬2倍以上，例如寬2.1倍至10倍，包含寬2.2倍、2.3倍、2.4倍等至3倍。縱橫比越高，蝸殼可重疊馬達410更多。可重疊馬達外殼410之蝸殼402之部分可圍繞散熱器450之至少一部分徑向安置。
具有一外橢圓形橫截面之蝸殼402可比具有外圓形橫截面(例如，具有1之一縱橫比)之既有鼓風機設計減小鼓風機400之整體外尺寸。蝸殼402之外橢圓形橫截面之較高縱橫比可產生鼓風機400之較小整體外尺寸。例如，鼓風機400之整體外尺寸在垂直於馬達轉軸430一尺寸上可為較小的。重疊馬達外殼410之一部分之蝸殼402之一部分可比其一蝸殼不重疊一馬達外殼之既有鼓風機設計減小鼓風機400之整體外尺寸。重疊馬達外殼410之較大部分之蝸殼402之較大部分可產生鼓風機400之較小整體外尺寸。例如，鼓風機400之整體外尺寸在平行於馬達轉軸430之一尺寸上可為較小的。
藉由使馬達外殼410之部分與蝸殼402之部分重疊，蝸殼可充當一主動散熱體以冷卻馬達800。傳送通過蝸殼402及流體傳送通道408之空氣及/或氣體可具有低於由馬達外殼410吸收之來自馬達800之熱之一溫度且存在於由蝸殼402重疊之馬達外殼410之部分處。在一些實施例中，存在於馬達外殼410之重疊部分處之吸收之馬達熱可透過蝸殼402之外表面404之鄰接部分吸收且由蝸殼402之內表面406透過蝸殼402傳導至傳送空氣及/或氣體。例如，存在於馬達外殼410之外表面412之重疊部分處之吸收之馬達熱可由蝸殼402之外表面404之鄰接部分吸收。又例如，存在於馬達外殼410之散熱器450之重疊部分處之吸收之馬達熱可由蝸殼402之外表面404之鄰接部分吸收。在一些實施例中，存在於馬達外殼410之重疊部分處之吸收之馬達熱亦可存在於蝸殼402之重疊部分處且由蝸殼402之內表面406傳導至傳送空氣及/或氣體。例如，存在於馬達外殼410之外表面412之重疊部分處之吸收之馬達熱亦可存在於形成馬達外殼410之外表面412之重疊部分之蝸殼402之內表面406之部分處。傳導至傳送空氣及/或氣體之熱可由經由蝸殼402及出口440傳送離開鼓風機400之空氣及/或氣體自鼓風機400移除。蝸殼402之散熱體益處可允許省略馬達800之一典型冷卻扇。例如，與散熱器450組合之蝸殼402之散熱體益處可允許足夠馬達冷卻以省略馬達800之典型冷卻扇。
蝸殼402鄰接或形成馬達外殼410之一部分之實施例，鼓風機400充當馬達冷卻之一混合散熱體。蝸殼402之內橫截面之高縱橫比橢圓形狀使蝸殼402與馬達外殼410接觸或整合至比較低縱橫比設計更大之一程度，且仍可允許最佳化氣動效能。蝸殼402中之相對高速之空氣及/或氣流之強制對流傳熱帶走了透過馬達外殼410傳導之大部分熱。通過馬達外殼410之對流熱傳遞(諸如藉由位於馬達外殼410之外表面412上之散熱器450)可移除由馬達800產生之剩餘熱。與既有鼓風機設計相比，歸因於省略鼓風機之冷卻扇，此混合散熱體可减小大小、成本及噪音。
使用蝸殼402及馬達外殼410之馬達800之混合冷卻對馬達800提供良好熱管理，帶走了燃料電池系統之下游之馬達800之熱。與使用將自馬達800耗散之所有熱留在馬達外殼410中及馬達外殼410周圍且必須藉由使用一冷卻扇自鼓風機周圍移除熱之冷卻扇之傳統方法相比，混合冷卻更有效地降低馬達外殼410中之一熱負載。在無傳統冷卻扇之情況下，可提高鼓風機之整體效率且鼓風機可含有更少部件，其可增加可靠性、降低成本且減小大小。
在一些替代實施例中，蝸殼402可依其中蝸殼402不重疊馬達外殼410之一方式安置。因而，蝸殼402可實質上安置於葉輪406之一側上(例如，葉輪406之一進氣側上)。例如，蝸殼402可具有重疊蝸殼入口通道424之一部分及在與馬達轉軸430平行之一方向上自鼓風機400遠離馬達外殼410延伸之一部分。與具有外圓形橫截面(例如，具有1之一縱橫比)之既有鼓風機相比，具有外橢圓形橫截面之蝸殼402可減小鼓風機400之整體外尺寸。蝸殼402之外橢圓形橫截面之較高縱橫比可產生鼓風機400之較小整體外尺寸。例如，鼓風機400之整體外尺寸在垂直於馬達轉軸430之一尺寸上可為較小的。
出口440可包含一外表面442及一內表面444。在一些實施例中，出口440可為與蝸殼402相接之鼓風機400之一部分。例如，出口440之外表面442可與蝸殼402之外表面404相接且出口440之內表面444可與蝸殼402之內表面406相接。在一些實施例中，出口440可與蝸殼402整合。在一些替代實施例中，出口440可為藉由一固定組件(未展示)固定至鼓風機400之一組件。例如，固定組件可為一螺紋緊固件、一夾具、一銷、一焊接件、一黏著劑等。出口440可具有一不同形狀及/或大小之橫截面。出口440之一內橫截面及蝸殼402之橢圓形橫截面在出口440之一端及其中出口440及蝸殼402流體耦合之一端之蝸殼402之一端處可為實質上類似的。出口440之內橫截面可朝向出口440之一端變得越來越圓，該端遠離出口440流體耦合之蝸殼402之出口440之端。在一些實施例中，出口440之內橫截面及/或一外橫截面可經設定大小及/或塑形以與一出口導管(未展示)(諸如一風道、管道或軟管)耦合。
在一些實施例中，一葉輪護罩420可固定地耦合至鼓風機400之一葉輪端，其中可安裝葉輪500。例如，葉輪護罩420可固定地耦合至蝸殼402之外表面404。例如，葉輪護罩420可藉由至少一個固定組件426 (諸如一螺紋緊固件(例如一螺栓)、一銷、一夾具、一焊接件、一黏著劑等)固定地耦合至鼓風機400。護罩420可包含一內表面422，其可部分地形成通過護罩420之一鼓風機入口通道428，鼓風機入口通道428可充當空氣及/或氣體至鼓風機400之一入口。鼓風機入口通道428可與葉輪500同軸。護罩420及鼓風機400可形成馬達外殼410與護罩420之內表面422之間的蝸殼入口通道424。蝸殼入口通道424可流體耦合至由護罩420之內表面422形成之鼓風機入口通道428。空氣及/或氣體可透過由護罩420之內表面422及蝸殼入口通道424形成之鼓風機入口通道428傳送至蝸殼402之流體傳送通道408。
在一些實施例中，葉輪500可同軸且直接安裝至馬達轉軸430，其可延伸至馬達800中且可由馬達800旋轉。如圖4A中所展示，馬達轉軸430可安置於葉輪500中之一安裝通道462 (即，軸向開口)內。葉輪500可藉由一固定組件432 (諸如一螺紋緊固件(例如螺栓)、一銷、一夾具等)固定至馬達轉軸430。將葉輪500直接安裝至馬達轉軸430可放棄中間齒輪或馬達800與葉輪500之間的其他安裝構件之其他旋轉運動傳遞組件。將葉輪500直接安裝至馬達轉軸430可減小馬達轉軸長度而不犧牲鼓風機之氣動及機械效能。馬達800可為一永久磁性馬達。空氣及/或氣體可透過由護罩420之內表面422形成之鼓風機入口通道428、蝸殼入口通道424、蝸殼402之流體傳送通道408傳送且出口可至少部分由葉輪500驅動。
在一些實施例中，一馬達蓋416 (在圖4A及圖4B中)可固定地耦合至可安裝馬達800之鼓風機400之一馬達端。例如，一馬達蓋416可固定地耦合至馬達外殼410之外表面412。例如，馬達蓋416可藉由至少一個固定組件(諸如一螺紋緊固件、一銷、一夾具、一焊接件、一黏著劑等)可固定地耦合至鼓風機400。
圖5A至圖5C繪示根據本發明之各種實施例之具有全葉片510及分流葉片520之一組合之葉輪500之一實例之各種視圖。圖5A係葉輪500之一前視圖，圖5B係葉輪500之一透視圖，且圖5C係葉輪500之一側視圖。葉輪500可具有任何數目及組合之全葉片510及分流葉片520。全葉片510及分流葉片520之數目及組合可按照葉輪500之應用而變動。例如，葉輪500實施於一鼓風機中，諸如CPOx鼓風機180 (例如，用於系統啟動之CPOx之鼓風機)、系統鼓風機182 (例如，用於將空氣提供至燃料電池堆中之主空氣鼓風機)及/或將來自堆疊之陽極排氣流再循環至燃料入口流中之陽極再循環鼓風機184。替代地，鼓風機可用於不同於上述燃料電池系統之一系統中。圖5A至圖5C中所繪示之實例展示葉輪500具有七個全葉片510及七個分流葉片520之1：1比率。此等實例不將申請專利範圍或描述限於全葉片510及分流葉片520之比率及數目，此可依任何數目及組合實施。例如，葉輪500可具有1：2或2：1比率之全葉片510及分流葉片520。又例如，葉輪500可包含少至各2個或少至2個之全葉片510及分流葉片520，及葉輪500可操作之多至多個全葉片510及分流葉片520。
如圖5A至圖5C中所展示，葉輪500可具有一圓周邊緣502、一輪轂表面504、一緊固表面506、一安裝表面508及一基座表面530。圓周邊緣502可形成葉輪500之一外圓周。安裝表面508可延伸穿過葉輪500以形成通過葉輪500之一同軸安裝通道(例如，圖4A中所展示之安裝通道462)。例如，安裝表面508可在輪轂表面504與基座表面530之間延伸以形成輪轂表面504及基座表面530兩者中之安裝通道。又例如，安裝表面508可在緊固表面506與基座表面530之間延伸以形成緊固表面506、輪轂表面504及基座表面530中之安裝通道。圖5A中所展示之葉輪500經構形以在面對其輪轂表面504時逆時針旋轉。
輪轂表面504可安置於圓周邊緣502與緊固表面506之間。輪轂表面504可具有自緊固表面506至圓周邊緣502增加之一表面積。在一些實施例中，輪轂表面504在緊固表面506與圓周邊緣502之間可為線性的。例如，輪轂表面504可具有在緊固表面506與圓周邊緣502之間呈線性之一圓錐形。在一些替代實施例中，輪轂表面504在緊固表面506與圓周邊緣502之間可為曲線的。例如，輪轂表面504可具有在緊固表面506與圓周邊緣502之間朝向安裝表面508彎曲之一圓錐形形狀。基座表面530可與輪轂表面504對置安置於圓周邊緣502與安裝表面508之間。在一些實施例中，基座表面530在圓周邊緣502與安裝表面508之間可為實質上平坦的。在一些實施例中，基座表面530可具有在圓周邊緣502與安裝表面508之間呈線性之一圓錐形形狀。在一些實施例中，基座表面530可具有在圓周邊緣502與安裝表面508之間朝向安裝表面508彎曲之一圓錐形形狀。
全葉片510可具有一圓角512、一頂緣514、一前緣(例如根部) 516及一後緣518。分流葉片520可具有一圓角522、一頂緣524、一前緣526及一後緣528。在一些實施例中，葉片510、520可為在圓角512、522處與輪轂表面504相接之葉輪500之部分。例如，葉片510、520之圓角512、522可與葉輪500之輪轂表面504相接。例如，葉輪500及葉片510、520可形成為一整體、相接物體，諸如藉由鑄造、機械加工、模製、3D打印等。
全葉片510之前緣516可安置於緊固表面506處或其附近。全葉片510之後緣518可安置於圓周邊緣502處或其附近。全葉片510之頂緣514可安置於前緣516與後緣518之間。全葉片510之一傾角可為在葉輪500上之一圓周方向上(例如，在葉輪500之一旋轉方向上)之全葉片510與輪轂表面504之間的一角度，其實例在本文中參考圖6進一步描述。在一些實施例中，全葉片510在後緣518處之一傾角可為可為約35°至約45°之一高傾角，諸如約40°。在一些實施例中，沿全葉片510 (諸如在前緣516與後緣518之間)的傾角可線性變化。在一些實施例中，沿全葉片510 (諸如在前緣516與後緣518之間)的傾角可非線性地變化。全葉片510之一後掠角可為在葉輪500上之一徑向方向上(例如，在圓周邊緣502或緊固表面506之一方向上)之全葉片510與輪轂表面504之間的角度，其實例在下文參考圖7進一步描述。在一些實施例中，全葉片510在後緣518處之一後掠角可為等於或大於約45°之一高後掠角，諸如約45°至約65°，包含約50°至約60°。在一些實施例中，沿全葉片510 (諸如在前緣516與後緣518之間)的後掠角可線性變化。在一些實施例中，沿全葉片510 (諸如在前緣516與後緣518之間)之後掠角可非線性地變化。
分流葉片520可在前緣526與後緣528之間具有小於前緣516與後緣518之間的全葉片510之一長度的一長度。例如，分流葉片520之長度可為全葉片510之長度之約25%至約75%，諸如50%。分流葉片520之前緣526可安置於緊固表面506與圓周邊緣502之間。分流葉片520之後緣528可安置於圓周邊緣502處或其附近。分流葉片520之頂緣524可安置於前緣526與後緣528之間。分流葉片520之一傾角可為在葉輪500上之一圓周方向上(例如，在葉輪500之一旋轉方向上)之分流葉片520與輪轂表面504之間的一角度，其實例在下文參考圖6進一步描述。在一些實施例中，分流葉片520在後緣528處之一傾角可為可為約35°至約45°之一高傾角，諸如約40°。在一些實施例中，沿分流葉片520 (諸如在前緣526與後緣528之間)的傾角可線性變化。在一些實施例中，沿分流葉片520 (諸如在前緣526與後緣528之間)的傾角可非線性地變化。分流葉片520之一後掠角可為在葉輪500上之一徑向方向上(例如，在圓周邊緣502或緊固表面506之一方向上)之分流葉片520與輪轂表面504之間的一角度，其實例在下文參考圖7進一步描述。在一些實施例中，分流葉片520在後緣528處之一後掠角可為等於或大於約45°之一高後掠角，諸如約45°至約65°，包含約50°至約60°。在一些實施例中，沿分流葉片520 (諸如在前緣526與後緣528之間)的後掠角可線性變化。在一些實施例中，沿分流葉片520 (諸如在前緣526與後緣528之間)的後掠角可非線性地變化。
葉輪500可為一離心式鼓風機葉輪。離心式鼓風機葉輪500可具有全葉片510及分流葉片520之一組合。葉片510、520可在後緣518、528處具有高後掠角，且葉片510、520可在後緣518、528處具有高傾角，以使葉片510、520朝向離心式鼓風機葉輪500之旋轉方向傾斜。與傳統葉輪設計相比，此等三個幾何特徵可提高離心式鼓風機葉輪500之效率。另外，與傳統葉輪設計相比，具有朝向離心式鼓風機葉輪500之旋轉方向之一高傾角之葉片510、520及全葉片510及分流葉片520之組合可降低歸因於氣體流動通過葉輪500之噪音。
與傳統葉輪設計相比，在後緣518、528處具有高後掠角且在後緣518、528處具有朝向旋轉方向傾斜之傾角之全葉片510及分流葉片520之組合可在整個運行範圍內提供提高之效率及提高之降噪。全葉片510及分流葉片520之組合可影響由離心式鼓風機葉輪500驅動之空氣及/或氣流之偶極方向性特性，與傳統葉輪設計相比提高降噪。例如，全葉片510及分流葉片520之組合可影響空氣及/或氣流之偶極方向性特性，以產生比具有相同長度葉片之傳統葉輪設計更大之破壞性干擾區域。
另外，與傳統葉輪設計相比，由於分流葉片520之前緣526未延伸至輪轂表面504上與全葉片510之前緣516相同之位置，全葉片510及分流葉片520之組合可減少離心式鼓風機葉輪500在圖4A及圖4C中所展示之一鼓風機入口(例如鼓風機入口通道) 428處之堵塞。由全葉片510及分流葉片520之組合產生之離心式鼓風機葉輪前緣處之較少堵塞(例如，全葉片510之前緣516在輪轂表面504上之位置)可允許用於一所需流率之一較小護罩420半徑。因此，與傳統葉輪設計相比，可降低葉輪前緣速度，其減少損耗及噪音。傳統葉輪設計可藉由在鼓風機入口處採用更多葉片具有比葉輪500更大之堵塞。因此，在傳統葉輪設計之一前緣/鼓風機入口處存在更大葉片表面積。針對空氣及/或包含不同燃料(例如生物氣體)及/或排氣之不同氣體，葉輪500可經構形用於不同流率及/或葉輪速度(例如，葉輪前緣速度)，包含不同之恒定及/或可變之流率及葉輪速度。例如，若圖3中所展示之燃料電池系統以天然氣或甲烷作為燃料運行，則葉輪500可依一相對較高速度運行。相反，若圖3中所展示之燃料電池系統以沼氣作為燃料運行，則葉輪500可依低於高速之一相對較低速度運行。若圖3中所展示之燃料電池系統以沼氣及天然氣(或甲烷)之一混合物作為燃料運行，則葉輪500可依高於相對低速但低於高速之一中速運行。
具有高傾角之後緣518、528之葉片510、520可使來自離心式鼓風機葉輪500之一尾流通過一下游組件，諸如具有較小強度之鼓風機400之蝸舌，與後緣處不具有高傾角之傳統葉輪設計相比，其可改良噪音。例如，來自具有高傾角之葉片510、520之尾流通過一下游組件之時序可導致尾流之較少建設性干擾，以降低通過下游組件之尾流之強度。具有帶有高後掠角之後緣518、528之葉片510、520可減弱一噪音源(諸如尾流)之波動強度，與後緣處不具有高後掠角之傳統葉輪設計相比，其也可減少噪音。
緊固表面506可經構形以與一固定組件(例如，圖4A及圖4C中之固定組件432)配合使用以將葉輪500可固定地安裝至一馬達轉軸(例如，圖4A中之馬達轉軸430)。馬達轉軸430可經由由安裝表面508形成之安裝通道462延伸穿過底座表面530及輪轂表面504。在一些實施例中，馬達轉軸可經由由安裝表面508形成之安裝通道462延伸至緊固表面506中或穿過緊固表面506。
圖6繪示根據本發明之各種實施例之一葉片(例如輪葉)(諸如葉輪500之圖5A至圖5C中之一全葉片510或分流葉片520)之傾角之一曲線圖600。曲線圖600繪製葉輪之一旋轉方向上之一傾角及一分數子午線距離之比較，分數子午線距離可為葉輪上(例如，圖5A至圖5C中之輪轂表面504上)0距離與1距離之間的一點。在一些實施例中，0距離可在葉輪之一緊固表面(例如，圖5A至圖5C中之緊固表面506)處。在一些實施例中，0距離可在葉片之前緣(例如，在圖5A至圖5C中，全葉片510之根部或前緣516或分流葉片520之根部或前緣526)處。在一些實施例中，1距離可在葉輪之一圓周邊緣(例如，圖5A至圖5C中之圓周邊緣502)處。在一些實施例中，1距離可在葉片之後緣(例如，在圖5A至圖5C中，全葉片510之後緣518及分流葉片520之後緣528)處。
曲線圖600包含一葉片之一壓力側(例如，葉片面向葉輪之旋轉方向之一側)之傾角之一曲線602、葉片之一吸力側(例如，葉片面向葉輪之旋轉方向相反之一側)之傾角之一曲線606、及曲線602、606之一平均值之一曲線604。在圖6中所繪示之實例中，曲線圖602、604、606展示葉片之傾角通常可隨著分數子午線距離的增加而增加。曲線圖602、604、606展示葉片之傾角可非線性增加。在0距離處，葉片之平均傾角可為約0°。例如，葉片之平均傾角可為約0°，葉片在壓力側之傾角可為約4°，且葉片在吸力側之傾角可為約-2°。在1距離處，葉片之平均傾角可為約40°。例如，葉片之平均傾角可為約40°，葉片在壓力側之傾角可為約41°，且葉片在吸力側之傾角可為約38°。
圖7繪示根據本發明之各種實施例之一葉輪(例如，圖5A至圖5C中之葉輪500)之一葉片(例如全葉片510)之葉片角度之一曲線圖700。曲線圖700繪製一葉片角度及一分數子午線距離之比較，分數子午線距離可為葉輪上(例如，圖5A至圖5C中之輪轂表面504上)之0距離與1距離之間的一點。在一些實施例中，0距離可在葉輪之一緊固表面(例如，圖5A至圖5C中之緊固表面506)處。在一些實施例中，0距離可在葉片之一前緣(例如，圖5A至圖5C中之全葉片510之前緣516)處。在一些實施例中，1距離可在葉輪之一圓周邊緣(例如，圖5A至圖5C中之圓周邊緣502)處。在一些實施例中，1距離可在葉片之一後緣(例如，圖5A至圖5C中之全葉片510之後緣518)處。
曲線圖700包含一輪轂表面(例如，圖5A至圖5C中之輪轂表面504)處之一全葉片510之葉片角度之一曲線702及一頂緣(圖5A至圖5C中之頂緣514)處之全葉片510之葉片角度之一曲線704。在一個實施例中，除葉片510之後緣518處(此處，葉片角度之絕對值可相等)外，頂緣處之全葉片510之葉片角度之絕對值可高於全葉片510在輪轂表面處之葉片角度之絕對值。
在圖7中所繪示之實例中，曲線圖702、704展示全葉片510之後緣518處之葉片角度可為後掠角，包含輪轂表面及頂緣。曲線圖702、704展示葉片之後掠角之絕對值通常在接近1距離及在1距離處(即，在葉輪之圓周表面502處)可能很高。例如，1距離處之後掠角可為約-50°。曲線圖702、704展示葉片之角度通常可在約0.8距離至1距離之間最快地增加。換言之，葉片之角度在接近後緣及在後緣處可能很高。
曲線圖702、704展示葉片之葉片角度可非線性變化。曲線圖702展示接近0距離及在0距離處，輪轂表面處之全葉片510之葉片角度可大於0.2距離至0.7距離之葉片角度(即，接近0距離及在0距離處之距離及接近1距離及在1距離處之距離之間的距離)，而非接近1距離及在1距離處之全葉片510之高角度。曲線圖704展示，接近0.5距離及在約0.5距離處，頂緣處之全葉片510之葉片角度可高於接近0.5距離及在0.5距離處及接近1距離及在1距離處之間的距離之葉片角度，且與接近1距離及在1距離處之全葉片510之後掠角一樣高。
在一些實施例中，圖700及曲線圖702、704之描述可類似地描述分流葉片520之葉片角度，除了曲線圖將自大於0之值開始，諸如0.5，而非自0開始。
與一類似尺寸之習知鼓風機相比，一鼓風機(例如，圖4A至圖4D中所展示之鼓風機400)及一分流葉片葉輪(例如，圖5A至圖5C中所展示之葉輪500)之效能可提供顯著更高之效率、改良之遠離馬達之熱傳遞、一更寬之運行範圍、一更大之容量及依更低之速度運行。分流葉片葉輪特徵亦可降低鼓風機之噪音位準。因此，鼓風機可在一整個操作範圍內提供顯著更高之一效率，且能夠依比先前技術之鼓風機低得多之操作速度達成一相同流率及升壓。
馬達冷卻
用於驅動一鼓風機之氣冷式永磁(PM)馬達通常採用密封之油脂潤滑之滾珠軸承。有效地冷卻此等軸承以延長其使用壽命及提高可靠性係具有挑戰性的，尤其是在高運行速度、高溫度及緊湊包殼之情況下。在傳統馬達設計中，沒有或很少在馬達外殼內應用專用冷卻機構。例如，一些習知設計包含附接至馬達之後部之一風扇。然而，此一構形不會提供足夠之軸承冷卻量，尤其是對負荷較大之前軸承。軸承過熱故障係鼓風機失靈及/或故障之主要原因之一。
圖8A係根據本發明之各種實施例之具有鼓風機冷卻特徵之一鼓風機401之一橫截面圖。圖8B係圖8A之一部分之一放大圖。鼓風機401可包含類似地圖4A至圖4D之鼓風機400之組件。因此，將僅描述其等之間的差異。
參考圖8A及圖8B，鼓風機401可包含一蝸殼402、一馬達外殼410、一馬達蓋416、一離心式葉輪500、一馬達800及一混流葉輪900。在一些實施例中，蝸殼402可經構形以傳送空氣、排氣(例如，來自一燃料電池堆之燃料排氣)及/或燃料氣體(例如，一燃料入口流)。蝸殼402可形成為一曲線形狀。
馬達外殼410可包含一外表面412、一內表面414及至少部分由內表面414界定之馬達空腔418。在一些實施例中，馬達蓋416可耦合至馬達外殼410。例如，馬達蓋416可藉由至少一個固定組件(諸如一螺紋緊固件、一銷、一夾具、一焊接件、一黏著劑等)耦合至鼓風機400。
馬達800可安置於馬達空腔418中。馬達800可經構形以驅動延伸穿過馬達外殼410之一馬達轉軸430。特定而言，馬達轉軸430可安裝於位於馬達外殼410中之馬達800之對置側上之第一及第二軸承434、436上。第一及第二軸承434、436可位於馬達蓋416中且位於外殼410之一對置側壁中。一離心式葉輪500可直接安裝於馬達外殼410外部之馬達轉軸430上。離心式葉輪500與蝸殼402流體連通以透過蝸殼402離心式移動一流體(例如，空氣或燃料排氣)。
馬達800可包含一定子802及安置於定子802內且安裝至馬達轉軸430之一轉子810。定子802可包含一組磁體且轉子810可包含一電樞。替代地，轉子810可包含一組磁體且定子802可包含一電樞。定子802可視情況包含自定子802之外表面朝向馬達外殼410延伸之一第一突起806，及自定子802之一內表面朝向轉子810延伸之一第二突起808。
馬達800之操作產生熱。馬達外殼410可充當一散熱體以耗散由馬達800產生之熱。在一些實施例中，馬達外殼410可包含一散熱器450 (參閱圖4D)，諸如具有複數個散熱鰭片之一鰭片散熱器，其可整合至或安裝至馬達外殼410之外表面412。散熱器450可與馬達外殼410一起充當一散熱體以耗散馬達800產生之熱。
混流葉輪900位於馬達殼體410內且不與蝸殼402流體連通。混流葉輪900可同軸且直接安裝至馬達800與第二軸承436之間的馬達轉軸430。第二軸承436位於馬達外殼之蝸殼402側(即，在轉子810與離心式葉輪500之間)。然而，在一些實施例中，混流葉輪900可替代地安置於相鄰於第一軸承434之馬達轉軸430上(即，定位相鄰於遠離蝸殼402之蓋416)。在其他實施例中，鼓風機401可包含如所展示之第一混流葉輪900，及相鄰於第一軸承434安置之一額外第二混流葉輪(圖11中所展示)。
操作馬達800以旋轉馬達轉軸430導致混流葉輪900之旋轉。混流葉輪900之旋轉使空氣在一第一方向上流動通過馬達800且在馬達800與馬達外殼410之間的一相反第二方向上流動，如圖8A及圖8B中之虛線箭頭所展示。特定而言，混流葉輪900可將空氣吸入相鄰於馬達蓋416之馬達800之一第一側及轉子810與定子802之間的空間中。空氣接著流動通過轉子810與定子802之間，接著離開相鄰於混流葉輪900之馬達800之一對置第二端。混流葉輪900接著在軸向與離心之間的一方向上將至少一部分空氣引導至第二軸承436上方及下方之馬達外殼410之側上以間接冷卻第二軸承436，而不直接衝擊第二軸承。此減少了第二軸承436中之潤滑脂之乾燥同時仍冷卻第二軸承436。在衝擊馬達外殼410之側之後，空氣接著在定子802與馬達外殼410之間的相反方向上朝著馬達蓋416流動，且返回至馬達800之第一端。
在一些實施例中，離開馬達800之第二端(即，相鄰於蝸殼402及離心葉輪500之端)之空氣可分為一第一氣流(即，第一氣流) C1及一第二氣流(即，第二氣流) C2。第一氣流C1可透過混流葉輪900吸入且被混流葉輪900強迫進入馬達空腔418中。如上所述，歸因於馬達外殼410內之空氣循環，可引發第二氣流C2流動通過混流葉輪900及馬達空腔418至馬達外殼410之第二端之側壁上。第一氣流C1及第二氣流C2可在通過在定子802與馬達外殼410之間返回至馬達800之第一端之前在馬達空腔418中組合。
第一氣流C1可由混流葉輪900施加之混合之軸向力及離心力產生。相反，離心式葉輪500可主要使用離心力來產生流體流動。第一氣流C1可依相對於混流葉輪900及/或馬達轉軸430之一旋轉軸RA之一角度離開混流葉輪900，角度在自約30°至約60°之範圍內，諸如自約40°至約50°，或約45°。
混流葉輪900亦可引發在混流葉輪900與第二軸承436之間流動之一選用第三氣流C3，如圖8B中所展示。第三氣流C3可導致第二軸承436之額外冷卻。特定而言，歸因於第二軸承436與離心式葉輪500之接近度，第二軸承436可承受比第一軸承434更高之一負載及相關聯產熱。因而，將混流葉輪900定位相鄰於第二軸承436可有利地增加第二軸承436之冷卻。在一些實施例中，第三氣流C3可具有比第一氣流C1及/或第二氣流C2更低之一品質流率，以防止第二軸承436之潤滑劑(例如，潤滑脂)過度乾燥。
在一些實施例中，定子802可包含自定子802之一外表面朝向馬達外殼410延伸之一外突起806及自定子802之一內表面朝向轉子810延伸之一內突起808。外突起806可經構形以在定子802與馬達外殼410之間產生一文氏(Venturi)效應。類似地，內突起808可經構形以在定子802與轉子810之間產生一文氏效應。因此，突起806、808可經構形以局部地增加進入馬達空腔418之氣流之速率，氣流相鄰於接收由轉子810產生之大部分熱之定子802之一部分。
在各種實施例中，鼓風機401可包含相鄰於馬達蓋416安置之一選用風扇950。風扇950可經構形以將空氣鼓吹至馬達蓋416上，以增加第一軸承434之冷卻。替代地，可省略風扇950。
圖9A係根據本發明之各種實施例之一混流葉輪900之一俯視圖。圖9B係混流葉輪900之一入口側之一俯視圖，且圖9C係混流葉輪900之入口側之一透視圖。圖9D係沿圖9A之線A-A取得之混流葉輪900之入口側之一橫截面圖。圖9E係混流葉輪900之一出口側之一俯視圖，且圖9F係沿圖9E之線B-B取得之一橫截面圖。
圖10A不具有一護罩902之混流葉輪900之一透視圖，圖10B係無罩式混流葉輪900之一出口側視圖，圖10C係無罩式混流葉輪900之一入口側視圖，圖10D係無罩式混流葉輪900之一俯視圖，且圖10E係沿圖10D之線B-B取得之一橫截面圖。
參考圖9A至圖9E及圖10A至圖10E，混流葉輪900可包含一護罩902、一環形入口904、一對置環形出口906、一輪轂910及葉片920。入口904可至少部分地由護罩902及輪轂910之第一端界定。出口906可至少部分地由護罩902及輪轂910之對置端界定。
護罩902通常可為圓錐形，或可具有另一適合形狀。護罩902之直徑可自入口904增加至出口906。輪轂910通常可為圓錐形，或可具有另一適合形狀。輪轂910之直徑可自入口904增加至出口906。輪轂910可包含經構形以接收一馬達轉軸430之一安裝通道912。
葉片920可自輪轂910延伸至護罩902。葉片920亦可自入口904延伸至出口906。在一些實施例中，輪轂910及葉片920可諸如藉由鑄造、機械加工、模製、3D印刷等形成為一整體、相接物體。葉片920可各包含相鄰於入口904之一前緣922及相鄰於出口906之一後緣924。
混流葉輪900可具有任何數目個葉片920，且葉片920之數目可按照混流葉輪900之應用而變化。例如，葉輪900可實施於鼓風機401中，鼓風機401可對應於CPOx鼓風機180 (例如，用於系統啟動之CPOx之鼓風機)、系統鼓風機182 (例如，用於向燃料電池堆提供空氣之主鼓風機)及/或陽極再循環鼓風機184，如圖3中所展示。替代地，鼓風機401可在不同於上述燃料電池系統之一系統中使用。
葉片920可具有經構形以向流動通過混流葉輪900之一流體施加混合之徑向力及離心力之一曲率。例如，如圖9A中所展示，葉片920可經構形以接收一流體流，諸如在實質上平行於混流葉輪900之一旋轉軸RA之一方向上流動之空氣。一第一氣流C1可依相對於旋轉軸RA之一角度離開出口906，角度在自約30°至約60°之範圍內，諸如自約40°至約50°，或約45°。
護罩902可經彎曲以引發以第二氣流C2形成於混流葉輪900外部。第二氣流C2可依相對於旋轉軸RA之之一角度流經出口906，角度在約30°至約60°之範圍內，諸如自約40°至約50°，或約45°。
如圖10B中所展示，當自出口側觀看時，混流葉輪900可經構形以在一順時針方向上旋轉。相反，當自入口側觀看時，離心式葉輪500 (參閱圖8A)可經構形以在一逆時針方向上旋轉。換言之，混流葉輪900及離心式葉輪500可經構形以接收來自相反方向之流體。
圖11係根據本發明之各種實施例之一經修改鼓風機403之一橫截面圖。鼓風機403可包含類似於圖8A至圖8B之鼓風機401之組件。因此，將僅詳細描述其等之間的差異。
參考圖11，鼓風機403可包含安置於馬達800與馬達蓋416之間的馬達轉軸430上之一混流葉輪900。在一些實施例中，鼓風機403亦可包含安置於馬達800與第二軸承436之間的馬達轉軸430上之一第二混流葉輪(未展示)。
應注意，除圖4A至圖5C中所展示之鼓風機之外，含有葉輪900之馬達800可用於其他類型之鼓風機。鼓風機可用於一燃料電池系統或另一類型之裝置中。此外，馬達800可用於除鼓風機之外的其他裝置中。
各種實施例提供一種低成本、低功耗之解決方案以有效冷卻馬達轉軸承且改良整體傳熱，藉此提高一鼓風機馬達之可靠性且延長其使用壽命。特定而言，各種實施例藉由利用由罩式混流葉輪900產生之高速氣流來提供直接軸承冷卻。來自混流葉輪900之芯流亦可引發混流葉輪900外之流動，以形成在馬達外殼410包殼內循環之混合氣流，以改良通過整個馬達外殼410之對流傳熱。在混流葉輪900前面產生之真空效應透過馬達定子802與轉子810之間的間隙吸引氣流以促進此等組件之冷卻。
罩式混流葉輪900可經構形以將高速氣流(芯流)對準軸承區域(外環)，且傾斜之空氣衝擊將第二軸承436中產生之熱有效傳遞至馬達外殼410之外部空間。混流葉輪900之感應氣流亦向外移動，此增加來自第二軸承436之熱傳遞。葉輪護罩902外部之感應氣流與向外移動之芯流混合，將熱量輸送至外殼410之內表面。此進一步幫助軸承區域周圍之散熱。
在馬達外殼410中，混流葉輪900前面形成之真空效應產生通過轉子與定子之間的間隙之氣流。在轉子之另一側，圍繞後部軸承之流動亦增加。馬達外殼410中之空氣圍繞定子802 360度循環以允許更有效之散熱。因此，更多熱可通過馬達殼壁傳遞至馬達殼體外部。
各種實施例提供經構形以更有效冷卻一前軸承436且局部控制熱點形成之鼓風機冷卻系統。各種實施例亦經構形以在馬達外殼410內提供全域空氣循環，以將熱更有效傳遞至外殼410之外部。另外，各種實施例無需一額外電源來提供冷卻且具有一低軸功率消耗。另外，由於混流葉輪900之軸向旋轉方向與離心式葉輪500之軸向旋轉方向相對於其對應流體入口方向相反，所以各種實施例經構形以減小總軸向推力。另外，與利用一附接扇之習知設計相比，各種實施例提供一更低成本及更小操作噪音。
提供所揭示之態樣之前述描述以使任何熟習技術者能夠製作或使用本發明。熟習技術者將容易明白對此等態樣之各種修改，且本文中所界定之一般原理可應用於其他態樣而不背離本發明之範疇。因此，本發明不意欲限於本文中所展示之態樣，而是賦予與本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣泛範疇。
10:模組化燃料電池系統包殼 12:電力模組外殼 13:熱箱 14:機櫃/外殼 16:燃料輸入模組外殼 17:重組器 18:電力調節模組外殼 20:共同基座 30:門 40:燃料電池堆疊/行 45:燃料電池 50:互連 60:端板 100:系統 102:燃料電池堆 110:陽極復熱器 112:燃料重組催化劑 114:燃料重組催化劑 116:燃料重組催化劑 120:陽極尾氣氧化器(ATO)混合器/注射器 122:分流器 124:渦流產生器 130:ATO 140:陽極排氣冷卻器 150:混合器 160:蒸氣產生器 170:催化部分氧化(CPOx)反應器 180:CPOx鼓風機 182:系統鼓風機 184:陽極再循環鼓風機 190:水源 200:陰極復熱器 225:系統控制器 300:燃料入口 300A:燃料導管 300B:燃料導管 300C:燃料導管 300D:燃料導管 302A:空氣導管 302B:空氣輸出導管 302C:空氣導管 304A:陰極排氣導管 304B:排氣導管 304C:排氣導管 304D:排氣導管 306A:水導管 306B:水導管 308A:陽極排氣出口導管 308B:陽極排氣導管 308C:第一陽極排氣再循環導管 308D:陽極排氣輸出導管 308E:第二陽極排氣再循環導管 400鼓風機 402:蝸殼 403:鼓風機 404:外表面 406:內表面 408:流體傳送通道 410:馬達外殼 412:外表面 414:內表面 416:馬達蓋 418:馬達空腔 420:葉輪護罩 422:內表面 424:蝸殼入口通道 426:固定組件 428:鼓風機入口通道 430:馬達轉軸 432:固定組件 434:第一軸承 436:第二軸承 440:出口 442:外表面 444:內表面 450:散熱器 462:安裝通道 500:離心式葉輪 502:圓周邊緣 504:輪轂表面 506:緊固表面 508:安裝表面 510:全葉片 512:圓角 514:頂緣 516:前緣 518:後緣 520:分流葉片 522:圓角 524:頂緣 526:前緣 528:後緣 530:基座表面 600:曲線圖 602:曲線 604:曲線 606:曲線 700:曲線圖 702:曲線 704:曲線 800:馬達 802:定子 806:第一突起 808:第二突起 810:轉子 900:混流葉輪 902:護罩 904:入口 906:出口 910:輪轂 912:安裝通道 920:葉片 922:前緣 924:後緣 950:風扇 C1:第一氣流 C2:第二氣流 C3:第三氣流 RA:旋轉軸
併入本文中且構成本說明書之部分之附圖繪示本發明之實例性實施例，且與上文給出之一般描述及下文給出之詳細描述一起用於解釋本發明之特徵。
圖1係根據適合於實施各種實施例之各種實施例之一燃料電池系統之一透視圖。
圖2係根據適合於實施各種實施例之各種實施例之一熱箱之一示意側視橫截面圖。
圖3係根據本發明之各種實施例之一SOFC燃料電池系統之一示意圖。
圖4A係根據本發明之各種實施例之一鼓風機之一側視橫截面圖。
圖4B係根據本發明之各種實施例之一鼓風機之一前視圖。
圖4C係根據本發明之各種實施例之一鼓風機之一側視圖。
圖4D係根據本發明之各種實施例之一鼓風機之一透視圖。
圖5A係根據本發明之各種實施例之一葉輪之一前視圖。
圖5B係根據本發明之各種實施例之一葉輪之一透視圖。
圖5C係根據本發明之各種實施例之一葉輪之一側視圖。
圖6係根據本發明之各種實施例之圖5A至圖5C之一葉輪之一葉片之傾角之一圖形曲線圖。
圖7係根據本發明之各種實施例之圖5A至圖5C之一葉輪之一葉片之後掠角之一圖形曲線圖。
圖8A係根據本發明之各種實施例之包含鼓風機冷卻特徵之一鼓風機401之一橫截面圖。圖8B係圖8A之一部分之一放大圖。
圖9A係根據本發明之各種實施例之一混流葉輪之一俯視圖。圖9B係圖9A之混流葉輪之一入口側之一俯視圖，且圖9C係混流葉輪之入口側901之一透視圖。圖9D係沿圖9A之線A-A取得之混流葉輪之入口側之一橫截面圖。圖9E係混流葉輪之一出口側之一俯視圖，且圖9F係沿圖9E之線B-B取得之一橫截面圖。
圖10A係不具有一護罩之混流葉輪之一透視圖，圖10B係無護罩混流葉輪之一出口側視圖，圖10C係無護罩混流葉輪之一入口側視圖，圖10D係無護罩混流葉輪之一俯視圖，且圖10E係沿圖10D之線B-B取得之一橫截面圖。
圖11係根據本發明之各種實施例之一經修改鼓風機之一橫截面圖。
402:蝸殼
403:鼓風機
410:馬達外殼
412:外表面
414:內表面
416:馬達蓋
418:馬達空腔
430:馬達轉軸
434:第一軸承
436:第二軸承
500:離心式葉輪
800:馬達
802:定子
806:第一突起
808:第二突起
810:轉子
900:混流葉輪

Claims (20)

  1. 一種鼓風機，其包括： 一馬達外殼； 一蝸殼，其安置於該馬達外殼之一外表面上； 一馬達轉軸，其延伸穿過該馬達外殼； 一馬達，其安置於該馬達外殼中且同軸安裝至該馬達轉軸；及 一混流葉輪，其安置於該馬達外殼中且同軸安裝至該馬達轉軸，其中該混流葉輪經構形以使空氣在該馬達外殼內循環。
  2. 如請求項1之鼓風機，其進一步包括安置於該馬達外殼中且支撐該馬達轉軸之一第一軸承及一第二軸承。
  3. 如請求項2之鼓風機，其進一步包括同軸安裝至該馬達轉軸且經構形以迫使一流體通過該蝸殼之一離心葉輪，其中該第二軸承安置於該離心葉輪與該馬達之間。
  4. 如請求項3之鼓風機，其中該混流葉輪安置於該馬達與該第二軸承之間。
  5. 如請求項4之鼓風機，其中： 該離心葉輪經構形以接收在一第一方向上流動之一流體；且 該混流葉輪經構形以接收在一相反第二方向上流動之空氣。
  6. 如請求項1之鼓風機，其中： 該馬達包括連接至該馬達轉軸之一轉子及環繞該轉子之一定子；且 該混流葉輪經構形以使空氣在該定子之一外表面與該馬達外殼之間及該定子之一內表面與該轉子之間循環。
  7. 如請求項6之鼓風機，其中該定子包括經構形以在該定子之該外表面與該馬達外殼之間及該定子之該內表面與該轉子之間產生一文氏效應之突出部。
  8. 如請求項2之鼓風機，其中該混流葉輪包括： 一輪轂，其安裝於該馬達轉軸上； 一護罩，其環繞該輪轂； 一入口，其形成於該輪轂之一第一端與該護罩之一第一端之間； 一出口，其形成於該輪轂之一第二端與該護罩之一第二端之間；及 葉片，其等自該輪轂延伸至該護罩。
  9. 如請求項8之鼓風機，其中該等葉片自該入口延伸至該出口。
  10. 如請求項8之鼓風機，其中： 該混流葉輪經構形以透過該入口接收空氣且透過該出口輸出空氣之一第一氣流；且 該第一氣流相對於該混流葉輪之一旋轉軸線依自約30°至約60°之範圍內之一角度輸出。
  11. 如請求項10之鼓風機，其中該等葉片經構形以將混合之軸向及離心力施加至該接收之空氣以產生衝擊該第二軸承上方及下方之該馬達外殼之一側壁之該第一氣流。
  12. 如請求項10之鼓風機，其中該護罩經構形以引發相對於該混流葉輪之該旋轉軸線依自約30°至約60°之範圍內之一角度流經該出口之空氣之一第二氣流。
  13. 如請求項3之鼓風機，其進一步包括安置於該馬達與該第二軸承之間的該馬達外殼中之一第二混流葉輪。
  14. 如請求項3之鼓風機，其中： 該離心葉輪與該蝸殼流體連通；且 該混流葉輪不與該蝸殼流體連通。
  15. 一種馬達，其包括： 一馬達外殼； 一馬達轉軸，其延伸穿過該馬達外殼； 一第一軸承及一第二軸承，其等安置於該馬達外殼中且支撐該馬達轉軸； 一定子，其安置於該馬達外殼中； 一轉子，其安置於該定子中且同軸安裝至該馬達轉軸；及 一混流葉輪，其安置於該馬達外殼中且同軸安裝至該馬達轉軸，其中該混流葉輪經構形以使空氣在該馬達外殼內循環。
  16. 如請求項15之馬達，其中該混流葉輪安置於該轉子與該第一及第二軸承之一者之間。
  17. 如請求項15之馬達，其中該混流葉輪經構形以使空氣在該定子之一外表面與該馬達外殼之間及該定子之一內表面與該轉子之間循環。
  18. 如請求項15之馬達，其中該混流葉輪包括： 一輪轂，其安裝於該馬達轉軸上； 一護罩，其環繞該輪轂； 一入口，其形成於該輪轂之一第一端與該護罩之一第一端之間； 一出口，其形成於該輪轂之一第二端與該護罩之一第二端之間；及 葉片，其等自該輪轂延伸至該護罩。
  19. 如請求項18之馬達，其中： 該混流葉輪經構形以透過該入口接收空氣且透過該出口輸出空氣之一第一氣流； 該第一氣流相對於該混流葉輪之一旋轉軸線依自約30°至約60°之範圍內之一角度輸出；且 該等葉片經構形以將軸向及離心力施加至該接收之空氣以產生該第一氣流。
  20. 一種冷卻安置於一馬達外殼中之一馬達之方法，該方法包括： 操作該馬達以使一馬達轉軸及安裝於該馬達轉軸上且安置於該馬達外殼中之一混流葉輪旋轉，使得該混流葉輪使空氣在該馬達外殼內循環。
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